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    并聯(lián)混合動(dòng)力客車建模與仿真分析

    2014-12-13 02:52:43張?jiān)十吤鬈廄R萬(wàn)強(qiáng)
    科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年35期
    關(guān)鍵詞:仿真分析

    張?jiān)?++畢明軒++齊萬(wàn)強(qiáng)

    摘 要:針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型和整車模型。在此基礎(chǔ)上,基于臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明兩者吻合度較好,說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好,能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

    關(guān)鍵詞:并聯(lián)混合動(dòng)力客車;整車建模;仿真分析

    引言

    并聯(lián)混合動(dòng)力客車是一個(gè)龐大而復(fù)雜的機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng),在設(shè)計(jì)開發(fā)周期中基于綜合因素考慮,不可能直接通過(guò)建立原型進(jìn)行大量實(shí)車試驗(yàn)。因此,在對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)中,引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),對(duì) HEV 零部件及整車建立合理且有效的仿真模型是模擬和分析其復(fù)雜行為的前提與基礎(chǔ)。

    1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

    本課題建立的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型包括三個(gè)部分:車輛控制系統(tǒng)模型(包括駕駛員模型及控制器模型)、部件模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。

    圖1 混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

    2 車輛控制系統(tǒng)模型

    2.1 駕駛員模型

    駕駛員模型如圖2所示,包括相對(duì)速度計(jì)算子模塊和縱向計(jì)算子模塊兩部分。

    2.2 車輛控制器模型

    車輛控制器模型如圖3所示,模型采用“總線+模塊”結(jié)構(gòu), 三條總線分別為涵蓋從整車系統(tǒng)各部件發(fā)送來(lái)的狀態(tài)信息的輸入?yún)?shù)總線,包含由各功能模塊計(jì)算得到的中間參數(shù)的控制參數(shù)總線,以及向各部件發(fā)送命令的控制命令總線。三個(gè)子模塊分別為參數(shù)計(jì)算模塊,控制策略模塊和控制命令處理模塊。

    3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車主要部件模型

    3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

    發(fā)動(dòng)機(jī)模型包括轉(zhuǎn)矩計(jì)算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

    發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型為:

    Te_max=f(?棕e)

    式中Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(Nm),?棕e為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s),f(·)為一維線性內(nèi)插值算子。

    發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量計(jì)算模型為:

    式中Vfuel為燃油消耗量(L),?籽fuel為燃油密度(g/L),ge為發(fā)動(dòng)機(jī)在(?棕e,Te)點(diǎn)的燃油消耗率(g/s),f(·,·)為二維線性內(nèi)插值算子。

    發(fā)動(dòng)機(jī)排放物NOx,CO,HC的質(zhì)量流量計(jì)算模型為:

    式中mHC、mCO和mNOx分別為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的HC、CO和NOx質(zhì)量,fHC(·,·)、fCO(·,·)和fNOx(·,·)為二維查表函數(shù),由發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)確定。

    3.2 電機(jī)模型

    電機(jī)/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。

    其中,Tm_max是電機(jī)最大扭矩,根據(jù)轉(zhuǎn)速一維查表得到;?濁m是電機(jī)效率,根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩二維查表得到;K為代表能量流動(dòng)方向的指數(shù),當(dāng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)模式下運(yùn)行時(shí),k=-1,此時(shí)電機(jī)向車輛提供驅(qū)動(dòng)力;當(dāng)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行時(shí),k=+1,此時(shí)系統(tǒng)能量被轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池里,工作在制動(dòng)能量回收狀態(tài)下。

    3.3 鎳氫電池模型

    電池組可視為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)內(nèi)阻相串聯(lián)的電路。內(nèi)阻模型的輸入輸出關(guān)系為:

    式中,U為負(fù)載電壓(V);Uoc為電池開路電壓(V);I為充放電電流(A);R為電池內(nèi)阻(Ω),f(·)為一維線性內(nèi)插值算子。

    3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

    3.4.1 離合器模型

    離合器狀態(tài)包括離合器完全接合時(shí)的鎖止?fàn)顟B(tài)以及未完全接合時(shí)的非鎖止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)離合器所處狀態(tài),模型的輸入輸出關(guān)系為:

    (1)離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

    式中,Jin、Tin分別為離合器前動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)矩,ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速;Tout、Jout為輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ωin為輸出轉(zhuǎn)速;J為離合器自身慣量。

    (2)離合器處于非鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

    式中,Tf為離合器摩擦轉(zhuǎn)矩,Tslip,max為離合器打滑之前的最大摩擦轉(zhuǎn)矩。Ccpl為反應(yīng)離合器接合狀態(tài)的控制指令,Ccpl∈[0,1],當(dāng)Ccpl=1時(shí)離合器為鎖止?fàn)顟B(tài),當(dāng)Ccpl=0時(shí)離合器完全分離。

    3.4.2 變速器模型

    變速器模型的輸入輸出關(guān)系為:

    Tout=(Tin-Tloss)×ig

    式中:變速器轉(zhuǎn)矩?fù)p失Tloss=kloss×Tloss,map;kloss為轉(zhuǎn)矩?fù)p失調(diào)和系數(shù);Tloss,map為查轉(zhuǎn)矩?fù)p失MAP圖得到的轉(zhuǎn)矩?fù)p失,Tloss,map=f(?棕in,Tin,gn)

    3.5 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

    根據(jù)經(jīng)典的汽車動(dòng)力學(xué)方程建立的汽車動(dòng)力學(xué)模型為:

    式中:Ft為驅(qū)動(dòng)力,F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力,F(xiàn)i為坡道阻力,F(xiàn)w為空氣阻力,F(xiàn)j為加速阻力;G為車輛總重量,f為滾動(dòng)阻力系數(shù),?琢道路坡度值;CD為風(fēng)阻系數(shù),A為迎風(fēng)面積,va為實(shí)際車速;?啄m為車輛等效平動(dòng)質(zhì)量。

    4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

    基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動(dòng)力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過(guò)程中,各部件的參數(shù)都是根據(jù)實(shí)車參數(shù)設(shè)置,各部件內(nèi)部參數(shù)設(shè)置完畢后,將各部件利用機(jī)械連接和信號(hào)連接進(jìn)行連接,完成整車模型搭建。

    將建立的Simulink模型通過(guò)Interface接口與Cruise軟件聯(lián)接進(jìn)行聯(lián)合仿真,針對(duì)混合動(dòng)力客車典型工況進(jìn)行仿真,分別得到相應(yīng)工況下車速-時(shí)間曲線和電池SOC值變化曲線,如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出,整車行駛過(guò)程中,仿真車速能很好地跟隨實(shí)際車速,且動(dòng)力電池SOC變化趨勢(shì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,SOC值波動(dòng)較小, 說(shuō)明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    文章針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、傳動(dòng)系等各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型以及HEV整車模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)混合動(dòng)力客車模型進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好,能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

    參考文獻(xiàn)

    [1]曾小華,王慶年,王偉華.混合動(dòng)力汽車能耗最優(yōu)數(shù)學(xué)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(18):4309-4325.

    [2]高愛(ài)云,付主木.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的建模和仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(7):77-79.

    [3]孫文凱.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的仿真研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2007.

    [4]王保華,羅永革.基于 CRUISE 的汽車建模和仿真研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2005(2):5-8.

    [5]蘇信杰.混合動(dòng)力城市客車整體設(shè)計(jì)與控制策略的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.

    [6]金啟前.混合動(dòng)力客車試驗(yàn)與評(píng)價(jià)問(wèn)題研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.

    [7]于俊偉.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)建模及控制策略研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2005.

    [8]王偉達(dá),項(xiàng)昌樂(lè),劉輝,等.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)多能源綜合控制策略[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,44(1):138-143.

    作者簡(jiǎn)介:張?jiān)剩?973-),女,吉林省長(zhǎng)春市人,長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,副教授,吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,博士。endprint

    摘 要:針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型和整車模型。在此基礎(chǔ)上,基于臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明兩者吻合度較好,說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好,能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

    關(guān)鍵詞:并聯(lián)混合動(dòng)力客車;整車建模;仿真分析

    引言

    并聯(lián)混合動(dòng)力客車是一個(gè)龐大而復(fù)雜的機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng),在設(shè)計(jì)開發(fā)周期中基于綜合因素考慮,不可能直接通過(guò)建立原型進(jìn)行大量實(shí)車試驗(yàn)。因此,在對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)中,引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),對(duì) HEV 零部件及整車建立合理且有效的仿真模型是模擬和分析其復(fù)雜行為的前提與基礎(chǔ)。

    1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

    本課題建立的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型包括三個(gè)部分:車輛控制系統(tǒng)模型(包括駕駛員模型及控制器模型)、部件模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。

    圖1 混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

    2 車輛控制系統(tǒng)模型

    2.1 駕駛員模型

    駕駛員模型如圖2所示,包括相對(duì)速度計(jì)算子模塊和縱向計(jì)算子模塊兩部分。

    2.2 車輛控制器模型

    車輛控制器模型如圖3所示,模型采用“總線+模塊”結(jié)構(gòu), 三條總線分別為涵蓋從整車系統(tǒng)各部件發(fā)送來(lái)的狀態(tài)信息的輸入?yún)?shù)總線,包含由各功能模塊計(jì)算得到的中間參數(shù)的控制參數(shù)總線,以及向各部件發(fā)送命令的控制命令總線。三個(gè)子模塊分別為參數(shù)計(jì)算模塊,控制策略模塊和控制命令處理模塊。

    3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車主要部件模型

    3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

    發(fā)動(dòng)機(jī)模型包括轉(zhuǎn)矩計(jì)算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

    發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型為:

    Te_max=f(?棕e)

    式中Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(Nm),?棕e為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s),f(·)為一維線性內(nèi)插值算子。

    發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量計(jì)算模型為:

    式中Vfuel為燃油消耗量(L),?籽fuel為燃油密度(g/L),ge為發(fā)動(dòng)機(jī)在(?棕e,Te)點(diǎn)的燃油消耗率(g/s),f(·,·)為二維線性內(nèi)插值算子。

    發(fā)動(dòng)機(jī)排放物NOx,CO,HC的質(zhì)量流量計(jì)算模型為:

    式中mHC、mCO和mNOx分別為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的HC、CO和NOx質(zhì)量,fHC(·,·)、fCO(·,·)和fNOx(·,·)為二維查表函數(shù),由發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)確定。

    3.2 電機(jī)模型

    電機(jī)/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。

    其中,Tm_max是電機(jī)最大扭矩,根據(jù)轉(zhuǎn)速一維查表得到;?濁m是電機(jī)效率,根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩二維查表得到;K為代表能量流動(dòng)方向的指數(shù),當(dāng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)模式下運(yùn)行時(shí),k=-1,此時(shí)電機(jī)向車輛提供驅(qū)動(dòng)力;當(dāng)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行時(shí),k=+1,此時(shí)系統(tǒng)能量被轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池里,工作在制動(dòng)能量回收狀態(tài)下。

    3.3 鎳氫電池模型

    電池組可視為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)內(nèi)阻相串聯(lián)的電路。內(nèi)阻模型的輸入輸出關(guān)系為:

    式中,U為負(fù)載電壓(V);Uoc為電池開路電壓(V);I為充放電電流(A);R為電池內(nèi)阻(Ω),f(·)為一維線性內(nèi)插值算子。

    3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

    3.4.1 離合器模型

    離合器狀態(tài)包括離合器完全接合時(shí)的鎖止?fàn)顟B(tài)以及未完全接合時(shí)的非鎖止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)離合器所處狀態(tài),模型的輸入輸出關(guān)系為:

    (1)離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

    式中,Jin、Tin分別為離合器前動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)矩,ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速;Tout、Jout為輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ωin為輸出轉(zhuǎn)速;J為離合器自身慣量。

    (2)離合器處于非鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

    式中,Tf為離合器摩擦轉(zhuǎn)矩,Tslip,max為離合器打滑之前的最大摩擦轉(zhuǎn)矩。Ccpl為反應(yīng)離合器接合狀態(tài)的控制指令,Ccpl∈[0,1],當(dāng)Ccpl=1時(shí)離合器為鎖止?fàn)顟B(tài),當(dāng)Ccpl=0時(shí)離合器完全分離。

    3.4.2 變速器模型

    變速器模型的輸入輸出關(guān)系為:

    Tout=(Tin-Tloss)×ig

    式中:變速器轉(zhuǎn)矩?fù)p失Tloss=kloss×Tloss,map;kloss為轉(zhuǎn)矩?fù)p失調(diào)和系數(shù);Tloss,map為查轉(zhuǎn)矩?fù)p失MAP圖得到的轉(zhuǎn)矩?fù)p失,Tloss,map=f(?棕in,Tin,gn)

    3.5 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

    根據(jù)經(jīng)典的汽車動(dòng)力學(xué)方程建立的汽車動(dòng)力學(xué)模型為:

    式中:Ft為驅(qū)動(dòng)力,F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力,F(xiàn)i為坡道阻力,F(xiàn)w為空氣阻力,F(xiàn)j為加速阻力;G為車輛總重量,f為滾動(dòng)阻力系數(shù),?琢道路坡度值;CD為風(fēng)阻系數(shù),A為迎風(fēng)面積,va為實(shí)際車速;?啄m為車輛等效平動(dòng)質(zhì)量。

    4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

    基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動(dòng)力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過(guò)程中,各部件的參數(shù)都是根據(jù)實(shí)車參數(shù)設(shè)置,各部件內(nèi)部參數(shù)設(shè)置完畢后,將各部件利用機(jī)械連接和信號(hào)連接進(jìn)行連接,完成整車模型搭建。

    將建立的Simulink模型通過(guò)Interface接口與Cruise軟件聯(lián)接進(jìn)行聯(lián)合仿真,針對(duì)混合動(dòng)力客車典型工況進(jìn)行仿真,分別得到相應(yīng)工況下車速-時(shí)間曲線和電池SOC值變化曲線,如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出,整車行駛過(guò)程中,仿真車速能很好地跟隨實(shí)際車速,且動(dòng)力電池SOC變化趨勢(shì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,SOC值波動(dòng)較小, 說(shuō)明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    文章針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、傳動(dòng)系等各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型以及HEV整車模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)混合動(dòng)力客車模型進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好,能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

    參考文獻(xiàn)

    [1]曾小華,王慶年,王偉華.混合動(dòng)力汽車能耗最優(yōu)數(shù)學(xué)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(18):4309-4325.

    [2]高愛(ài)云,付主木.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的建模和仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(7):77-79.

    [3]孫文凱.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的仿真研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2007.

    [4]王保華,羅永革.基于 CRUISE 的汽車建模和仿真研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2005(2):5-8.

    [5]蘇信杰.混合動(dòng)力城市客車整體設(shè)計(jì)與控制策略的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.

    [6]金啟前.混合動(dòng)力客車試驗(yàn)與評(píng)價(jià)問(wèn)題研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.

    [7]于俊偉.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)建模及控制策略研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2005.

    [8]王偉達(dá),項(xiàng)昌樂(lè),劉輝,等.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)多能源綜合控制策略[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,44(1):138-143.

    作者簡(jiǎn)介:張?jiān)剩?973-),女,吉林省長(zhǎng)春市人,長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,副教授,吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,博士。endprint

    摘 要:針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型和整車模型。在此基礎(chǔ)上,基于臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明兩者吻合度較好,說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好,能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

    關(guān)鍵詞:并聯(lián)混合動(dòng)力客車;整車建模;仿真分析

    引言

    并聯(lián)混合動(dòng)力客車是一個(gè)龐大而復(fù)雜的機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng),在設(shè)計(jì)開發(fā)周期中基于綜合因素考慮,不可能直接通過(guò)建立原型進(jìn)行大量實(shí)車試驗(yàn)。因此,在對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)中,引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),對(duì) HEV 零部件及整車建立合理且有效的仿真模型是模擬和分析其復(fù)雜行為的前提與基礎(chǔ)。

    1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

    本課題建立的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型包括三個(gè)部分:車輛控制系統(tǒng)模型(包括駕駛員模型及控制器模型)、部件模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。

    圖1 混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

    2 車輛控制系統(tǒng)模型

    2.1 駕駛員模型

    駕駛員模型如圖2所示,包括相對(duì)速度計(jì)算子模塊和縱向計(jì)算子模塊兩部分。

    2.2 車輛控制器模型

    車輛控制器模型如圖3所示,模型采用“總線+模塊”結(jié)構(gòu), 三條總線分別為涵蓋從整車系統(tǒng)各部件發(fā)送來(lái)的狀態(tài)信息的輸入?yún)?shù)總線,包含由各功能模塊計(jì)算得到的中間參數(shù)的控制參數(shù)總線,以及向各部件發(fā)送命令的控制命令總線。三個(gè)子模塊分別為參數(shù)計(jì)算模塊,控制策略模塊和控制命令處理模塊。

    3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車主要部件模型

    3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

    發(fā)動(dòng)機(jī)模型包括轉(zhuǎn)矩計(jì)算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

    發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型為:

    Te_max=f(?棕e)

    式中Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(Nm),?棕e為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s),f(·)為一維線性內(nèi)插值算子。

    發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量計(jì)算模型為:

    式中Vfuel為燃油消耗量(L),?籽fuel為燃油密度(g/L),ge為發(fā)動(dòng)機(jī)在(?棕e,Te)點(diǎn)的燃油消耗率(g/s),f(·,·)為二維線性內(nèi)插值算子。

    發(fā)動(dòng)機(jī)排放物NOx,CO,HC的質(zhì)量流量計(jì)算模型為:

    式中mHC、mCO和mNOx分別為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的HC、CO和NOx質(zhì)量,fHC(·,·)、fCO(·,·)和fNOx(·,·)為二維查表函數(shù),由發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)確定。

    3.2 電機(jī)模型

    電機(jī)/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。

    其中,Tm_max是電機(jī)最大扭矩,根據(jù)轉(zhuǎn)速一維查表得到;?濁m是電機(jī)效率,根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩二維查表得到;K為代表能量流動(dòng)方向的指數(shù),當(dāng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)模式下運(yùn)行時(shí),k=-1,此時(shí)電機(jī)向車輛提供驅(qū)動(dòng)力;當(dāng)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行時(shí),k=+1,此時(shí)系統(tǒng)能量被轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池里,工作在制動(dòng)能量回收狀態(tài)下。

    3.3 鎳氫電池模型

    電池組可視為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)內(nèi)阻相串聯(lián)的電路。內(nèi)阻模型的輸入輸出關(guān)系為:

    式中,U為負(fù)載電壓(V);Uoc為電池開路電壓(V);I為充放電電流(A);R為電池內(nèi)阻(Ω),f(·)為一維線性內(nèi)插值算子。

    3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

    3.4.1 離合器模型

    離合器狀態(tài)包括離合器完全接合時(shí)的鎖止?fàn)顟B(tài)以及未完全接合時(shí)的非鎖止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)離合器所處狀態(tài),模型的輸入輸出關(guān)系為:

    (1)離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

    式中,Jin、Tin分別為離合器前動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)矩,ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速;Tout、Jout為輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ωin為輸出轉(zhuǎn)速;J為離合器自身慣量。

    (2)離合器處于非鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

    式中,Tf為離合器摩擦轉(zhuǎn)矩,Tslip,max為離合器打滑之前的最大摩擦轉(zhuǎn)矩。Ccpl為反應(yīng)離合器接合狀態(tài)的控制指令,Ccpl∈[0,1],當(dāng)Ccpl=1時(shí)離合器為鎖止?fàn)顟B(tài),當(dāng)Ccpl=0時(shí)離合器完全分離。

    3.4.2 變速器模型

    變速器模型的輸入輸出關(guān)系為:

    Tout=(Tin-Tloss)×ig

    式中:變速器轉(zhuǎn)矩?fù)p失Tloss=kloss×Tloss,map;kloss為轉(zhuǎn)矩?fù)p失調(diào)和系數(shù);Tloss,map為查轉(zhuǎn)矩?fù)p失MAP圖得到的轉(zhuǎn)矩?fù)p失,Tloss,map=f(?棕in,Tin,gn)

    3.5 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

    根據(jù)經(jīng)典的汽車動(dòng)力學(xué)方程建立的汽車動(dòng)力學(xué)模型為:

    式中:Ft為驅(qū)動(dòng)力,F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力,F(xiàn)i為坡道阻力,F(xiàn)w為空氣阻力,F(xiàn)j為加速阻力;G為車輛總重量,f為滾動(dòng)阻力系數(shù),?琢道路坡度值;CD為風(fēng)阻系數(shù),A為迎風(fēng)面積,va為實(shí)際車速;?啄m為車輛等效平動(dòng)質(zhì)量。

    4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

    基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動(dòng)力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過(guò)程中,各部件的參數(shù)都是根據(jù)實(shí)車參數(shù)設(shè)置,各部件內(nèi)部參數(shù)設(shè)置完畢后,將各部件利用機(jī)械連接和信號(hào)連接進(jìn)行連接,完成整車模型搭建。

    將建立的Simulink模型通過(guò)Interface接口與Cruise軟件聯(lián)接進(jìn)行聯(lián)合仿真,針對(duì)混合動(dòng)力客車典型工況進(jìn)行仿真,分別得到相應(yīng)工況下車速-時(shí)間曲線和電池SOC值變化曲線,如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出,整車行駛過(guò)程中,仿真車速能很好地跟隨實(shí)際車速,且動(dòng)力電池SOC變化趨勢(shì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,SOC值波動(dòng)較小, 說(shuō)明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    文章針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、傳動(dòng)系等各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型以及HEV整車模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)混合動(dòng)力客車模型進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好,能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

    參考文獻(xiàn)

    [1]曾小華,王慶年,王偉華.混合動(dòng)力汽車能耗最優(yōu)數(shù)學(xué)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(18):4309-4325.

    [2]高愛(ài)云,付主木.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的建模和仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(7):77-79.

    [3]孫文凱.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的仿真研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2007.

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    作者簡(jiǎn)介:張?jiān)剩?973-),女,吉林省長(zhǎng)春市人,長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,副教授,吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,博士。endprint

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