客車直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)系統(tǒng)仿真對比分析

蘇 亮

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

客車直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)系統(tǒng)仿真對比分析

蘇 亮

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

通過Cruise軟件對直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)兩種構型搭建模型，應用Simulink軟件搭建整車控制策略，并將Simulink控制策略文件輸入至Cruise軟件模型中，對整車各項參數(shù)進行聯(lián)合控制，對整車動力性、經(jīng)濟性進行聯(lián)合仿真。

混聯(lián)客車；自動機械變速器；Cruise；Simulink；控制策略

本文對傳統(tǒng)直驅(qū)混聯(lián)狀態(tài)城市客車進行構型分析，由于直驅(qū)混聯(lián)結(jié)構中應用的驅(qū)動電機比較大、成本較高，但是整車動力性表現(xiàn)仍不盡如人意，所以在此基礎上增加一個兩檔AMT，從而減小驅(qū)動電機輸出扭矩，在保證整車成本略有降低的前提下，提升整車動力性并優(yōu)化整車經(jīng)濟性。本文使用Simulink進行各工作模式的控制策略編寫，將Simulink控制策略導入Cruise自帶模塊中，實現(xiàn)整車動力性、經(jīng)濟性的聯(lián)合仿真分析。

1 直驅(qū)混聯(lián)城市客車的構型與控制策略

將傳統(tǒng)直驅(qū)混聯(lián)[1]結(jié)構方案無變速器配置設定為構型一，其結(jié)構是基于起動機、發(fā)電機一體化的中度混合，動力輸出路線為發(fā)動機-ISG電機-離合器-驅(qū)動電機-后橋-輪胎。該方案低速時由驅(qū)動電機純電驅(qū)動，車速提升至30 km/h左右時發(fā)動機起動介入，一般動力滿足的前提下發(fā)動機單獨驅(qū)動，當需要爬坡或急加速時，驅(qū)動電機介入輔助動力輸出，構型如圖1所示。在傳統(tǒng)直驅(qū)混聯(lián)基礎上，減小TM電機（即驅(qū)動電機）的峰值與額定扭矩，在TM電機后增加一個兩檔AMT變速器。該方案總體成本略有降低，此構型包含構型一的所有工作模式，額外優(yōu)勢在于可以根據(jù)整車動力需要及時調(diào)整AMT變速器的檔位，從而提升整車的動力性和經(jīng)濟性。將此方案設定為構型二，如圖2所示。構型一、二基本參數(shù)見表1。

圖1 構型一（直驅(qū)混聯(lián)）

圖2 構型二（AMT混聯(lián)）

表1 直驅(qū)混聯(lián)（構型一）與AMT混聯(lián)（構型二）客車構型基本參數(shù)

根據(jù)發(fā)動機、ISG電機、驅(qū)動電機工作模式的各種組合形成整車工作模式，見表2。

表2 直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)混合動力系統(tǒng)工作模式和部件狀態(tài)

車速狀態(tài)及工作狀態(tài)均包含0、1、2、3、4五種數(shù)值，相互組合后代表唯一的工作模式，將狀態(tài)數(shù)值輸入給Simulink中計算器模型進行邏輯分支判斷，控制各參數(shù)量數(shù)值大小，進而控制整車。

各工作模式之間切換條件如下[2]：

1）停機模式與純電動模式切換。當車輛起步前，判斷動力電池SOC狀態(tài)，若SOC大于純電允許設定電量時，車輛進入純電模式，整車由驅(qū)動電機提供動力。

2）純電動模式與發(fā)動機模式切換。當車速增加至發(fā)動機經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)下限時，發(fā)動機起動工作，整車動力由發(fā)動機單獨提供。

3）純電動模式與增程模式切換。當車速在純電動范圍內(nèi)，若SOC小于純電允許設定電量時，車輛進入增程模式，整車仍由驅(qū)動電機提供動力，此時發(fā)動機起動并帶動ISG電機發(fā)電給動力電池充電，使動力電池SOC盡快提升至控制值。

4）發(fā)動機模式與混合動力模式切換。當整車需求功率大于發(fā)動機單獨提供最佳燃油效率功率時，車輛進入混合動力模式，發(fā)動機運行在最佳燃油效率區(qū)域，驅(qū)動電機提供功率為整車需求功率減去發(fā)動機提供功率。

5）發(fā)動機模式與行車充電模式切換。當整車需求功率小于發(fā)動機單獨提供最佳燃油效率功率時，車輛進入行車充電模式，發(fā)動機運行在最佳燃油效率區(qū)域，ISG電機為發(fā)電機對蓄電池進行充電。

6）制動回饋模式。當駕駛員松開油門踏板使車輛滑行或踩下制動踏板使車輛制動時，整車進入制動回饋模式?；仞伈呗愿鶕?jù)整車初始滑行或制動車速、SOC狀態(tài)、制動踏板深度進行判斷，相應分配制動能量比例給ISG電機、驅(qū)動電機以及機械制動。

變速器檔位策略僅存在于構型二，基于車速與整車驅(qū)動負荷進行兩參數(shù)控制換檔。換檔策略如圖3所示。當整車車速及油門開度運行在實線升檔線時，變速器檔位將從1檔升至2檔，在實線升檔線右側(cè)區(qū)域，變速器檔位總是保持在2檔；當整車車速及油門開度運行在點劃線降檔線時，變速器由2檔降至1檔，在點劃線降檔線左側(cè)區(qū)域，變速器檔位總是保持在1檔。

圖3 變速器換檔策略

2 直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)客車的性能仿真

2.1 整車參數(shù)

整車基本配置參數(shù)簡化后見表3，兩種架構的整車級參數(shù)完全一致。

表3 整車部分Cruise計算需求基本參數(shù)

2.2 Crulse模型建立

根據(jù)整車構造在AVL-Cruise中建立仿真模型，輸入模塊所需要的各項基本參數(shù)，并完成機械連接與電氣信號線連接[4-5]。構型一、二Cruise模型搭建如圖4和圖5所示。構型二與構型一的區(qū)別僅在構型二（圖5）中的驅(qū)動電機與主減之間增加一個AMT二檔變速器，其余機械部分Cruise模型均與構型一一致。

圖5 構型二Cruise模型（局部）（AMT混聯(lián)）

2.3 Simulink模型建立

2.3.1 整車控制策略

圖6和圖7是用Simulink搭建的直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)客車的整體控制策略。表4為Simulink模型的輸入與輸出信息對應表。該策略中包含整車執(zhí)行器和整車計算器兩部分。整車執(zhí)行器主要是通過接收Cruise模型中各信號參數(shù)進行判斷分析控制，輸出車速狀態(tài)與模式狀態(tài)兩個參數(shù)，這兩個參數(shù)輸入給整車計算器模型；整車計算器主要功能是通過接收整車執(zhí)行器的輸出參數(shù)以及Cruise模型中各信號參數(shù)進行判斷分析控制，輸出發(fā)動機、ISG電機、驅(qū)動電機、變速器檔位（僅針對構型二）、離合器控制參數(shù)等給Cruise模型并參與Cruise仿真計算。本文Cruise[6]與Simulink[7]聯(lián)合仿真是通過MATLAB_DLL[8]模式實現(xiàn)。

表4Simulink模型的輸入與輸出信息對應表

圖6 Simulink整體控制策略（直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)整車執(zhí)行器）

圖6對應的策略說明，整車執(zhí)行器是用來判斷整車處于何種工作模式，并且通過車速狀態(tài)與工作狀態(tài)兩個信號反饋給整車計算器，通過整車計算器來計算各部件的工作狀態(tài)。直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)的工作模式一致，詳見表2中的工作模式。區(qū)別在于整車計算器中直驅(qū)混聯(lián)無變速器檔位控制策略，AMT混聯(lián)帶變速器檔位控制模塊（即變速器檔位計算器）。

圖7對應的策略說明，通過圖6判斷完成整車的工作模式后，由整車計算器完成發(fā)動機、ISG電機、TM電機、離合器、變速器（針對AMT混聯(lián)系統(tǒng)）的工作狀態(tài)控制，從而實現(xiàn)此工作模式下的整車表現(xiàn)與駕駛員意圖的實現(xiàn)。直驅(qū)混聯(lián)與AMT混聯(lián)的整車計算器僅有一處不同，即AMT混聯(lián)系統(tǒng)需要變速器檔位計算器參與邏輯判斷，而直驅(qū)混聯(lián)無變速器，所以無變速器檔位計算器。為節(jié)省篇幅，將兩者的整車計算器均體現(xiàn)在圖7中，用文字體現(xiàn)區(qū)別。

相關底層邏輯代碼封裝在整車執(zhí)行器與整車計算器模塊中，此文不詳細展開代碼編寫內(nèi)容。

2.3.2 執(zhí)行器模型建立

執(zhí)行器通過Cruise傳入的參數(shù)（SOC信號、Load型號、車速轉(zhuǎn)速等）對整車需求的工況進行分類。主要的分類邏輯是先對速度進行分類，不同的速度區(qū)間輸出一個狀態(tài)信號，然后判斷不同速度區(qū)間下所需要的工作模式，再輸出一個工作模式的狀態(tài)信號[9-10]。

2.3.3 計算器模型建立

計算器模型負責根據(jù)執(zhí)行器輸入的工作模式，對發(fā)動機、ISG電機、驅(qū)動電機、變速器檔位、離合器部件的Load信號量及是否工作開關量進行控制。

變速器目標檔位計算器（僅構型二）將Cruise模型發(fā)送過來的[當前檔位]、[當前車速]、[整車負荷]信號作為輸入源，進行綜合計算得到當前工況下變速器的目標檔位輸出信號。

2.4 仿真分析結(jié)果

根據(jù)GB/T19754-2005[11]要求，按中國典型城市公交循環(huán)工況設定Cruise路譜，路譜曲線參見文獻[11]。構型一和構型二的車速跟隨情況、整車負荷、累計油耗、電量SOC變化情況分別見圖8和圖9。仿真結(jié)果見表5。

圖7 Simulink整體控制策略（AMT混聯(lián)與直驅(qū)混聯(lián)整車計算器）

圖8 車速、整車負荷、電池電量、累計油耗圖（構型一）

圖9 車速、整車負荷、電池電量、累計油耗圖（構型二）

表5 動力性經(jīng)濟性仿真結(jié)果

根據(jù)表5結(jié)果可知，構型二的爬坡度提高了6.14%，統(tǒng)一成油耗降低了3.24 L/100 km（相比構型一節(jié)油率達到16.7%）。

3 結(jié)束語

本文通過搭建整車兩種構型工作模式的控制策略，基于Cruise及Simulink軟件聯(lián)合仿真分析構型一和構型二的整車爬坡能力及在典型城市道路運行工況下的電耗、油耗。分析表明，在減小TM主驅(qū)動電機輸出扭矩的同時，增加一個二檔AMT，整車的動力性和經(jīng)濟性均獲得提升，為后續(xù)混聯(lián)混動客車結(jié)構的選型、成本優(yōu)化提供方向。

[1]郭晉晟，鐘虎，楊林.ISG柴油混合動力客車能量分配策略研究[J].汽車工程，2008，30（2）：121-125.

[2]愛塞尼.現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車-基本原理、理論和設計[J].2版.倪光正，倪培宏，熊素銘，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]韓宗奇.用滑行試驗法測定汽車空氣阻力系數(shù)研究[J].汽車技術，2001（5）：24-27.

[4]余志生.汽車構造[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[5]王望予.汽車設計[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]CRUISE基礎培訓教程李斯特技術中心（上海）2010.

[7]于群.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[8]AVLCruise User's Guide李斯特技術中心（上海）2011.

[9]王中鮮.MATLAB建模與仿真應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[10]王健，趙國生.MATLAB數(shù)學建模與仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[11]全國汽車標準化技術委員會.重型混合動力電動汽車能量消耗量：GB/T19754-2015[S].北京：中國標準出版社，2015：5.

[12]全國汽車標準化技術委員會.重型商用車輛燃料消耗量測量方法：GB/T27840-2011[S].北京：中國標準出版社，2011：12.

修改稿日期：2016-09-30

Co-simulation Analysis on Direct Drive Series-parallel and AMT Series-parallel Systems for Hybrid Buses

Su Liang
（Xiamen KingLongUnited Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China）

Through the Cruise software building the models of two types of configurations,one is direct drive series-parallel system,the other is AMTseries-parallel system,the author uses Simulink software tobuild the vehicle's control strategies,and inputs the Simulink control strategies file toCruise software's model toco-control the vehicle's parameters,and co-simulate the vehicle's power and fuel-economyperformance.

series-parallel hybrid bus;AMT;Cruise;Simulink;control strategy

U463.212

A

1006-3331（2017）01-0005-05

蘇亮（1980-），男，高級工程師；主要從事整車設計系統(tǒng)匹配、車身輕量化和碰撞安全研發(fā)工作。