互聯(lián)網(wǎng)分布式混合動(dòng)力汽車實(shí)車在環(huán)仿真平臺(tái)?

張 毅，楊亞聯(lián)，陸 帥，孟慶光

互聯(lián)網(wǎng)分布式混合動(dòng)力汽車實(shí)車在環(huán)仿真平臺(tái)?

張 毅1，2，3，楊亞聯(lián)1，2，陸 帥2，3，孟慶光4

(1.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院，重慶400044；2.重慶大學(xué)重慶自主品牌汽車協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶400044；3.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶400044；4.重慶力帆乘用車有限公司汽車研究院，重慶401122)

在原有混合動(dòng)力汽車(HEV)硬件在環(huán)(HIL)仿真的基礎(chǔ)上，使用互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)(IOV)并以數(shù)據(jù)耦合的形式，將作為中央控制節(jié)點(diǎn)的云端服務(wù)器(Cloud)，作為實(shí)車在環(huán)(VIL)的純電動(dòng)汽車(EV)，以及作為模擬HEV子系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(EIL)和電池硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(BIL)整合在一起，構(gòu)成一個(gè)具有實(shí)車在環(huán)的分布式HEV仿真平臺(tái)(ID-VIL)。這種改進(jìn)后的仿真平臺(tái)使原本沒有混合動(dòng)力系統(tǒng)的EV能實(shí)時(shí)模擬HEV動(dòng)力系統(tǒng)的輸出，而HEV子系統(tǒng)(如發(fā)動(dòng)機(jī)和電池)如同工作在HEV實(shí)車上一樣。最后通過一段里程約為7km的實(shí)車市區(qū)道路實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的透明度分析驗(yàn)證了ID-VIL系統(tǒng)的可行性和可靠性。

混合動(dòng)力汽車；分布式；實(shí)車在環(huán)仿真；硬件在環(huán)仿真

前言

目前汽車建模與仿真工具可以分為3類[1]:純軟件仿真[2]、硬件在環(huán)仿真(hardware-in-the-loop， HIL)[3]和純硬件實(shí)驗(yàn)[4]。軟件仿真費(fèi)用相對(duì)低廉，并且可以靈活配置反正對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是仿真的準(zhǔn)確性受到數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性以及建模精細(xì)程度的限制，故其主要用在設(shè)計(jì)過程起始階段，例如整車匹配。而與之相對(duì)的是純硬件實(shí)驗(yàn)，其以高成本和喪失拓?fù)渑渲玫目删庉嬓詾榇鷥r(jià)，得到了仿真結(jié)果的高精確性。HIL將硬件實(shí)驗(yàn)與軟件仿真整合在一起得到一個(gè)既能對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行靈活配置，又能準(zhǔn)確模擬仿真對(duì)象的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5]。

但是經(jīng)典的HIL平臺(tái)通常就近集中布置各個(gè)硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)[6]。而HEV系統(tǒng)因?yàn)樽陨矶嗄芰吭?，往往難以集中布置。例如，重慶大學(xué)擁有電機(jī)和電池的HIL平臺(tái)，但是沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的。而力帆乘用車公司正好與之相反。通常的做法是對(duì)原有的HIL平臺(tái)進(jìn)行改造。例如，在原有發(fā)動(dòng)機(jī)HIL上通過轉(zhuǎn)矩耦合器并入一個(gè)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于HEV系統(tǒng)的模擬[7]，但是這樣做費(fèi)時(shí)費(fèi)錢。受文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中研究的啟發(fā)，本文中通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各HIL平臺(tái)的分布式配置，構(gòu)成以云端服務(wù)器(Cloud)為服務(wù)器(負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中央控制以及部分HEV子系統(tǒng)的軟件仿真)，而各HIL為客戶端(負(fù)責(zé)部分HEV子系統(tǒng)的HIL仿真)的互聯(lián)網(wǎng)分布式硬件在環(huán)(internet distributed-HIL，ID-HIL)仿真平臺(tái)。

比文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中更進(jìn)一步的是，本文中利用分布式HIL配置靈活的特點(diǎn)，使用車聯(lián)網(wǎng)(IOV)將一輛改裝過的純電動(dòng)汽車(EV)接入分布式HIL仿真系統(tǒng)中，構(gòu)成實(shí)車在環(huán)仿真(vehicle-inthe-loop，VIL)。此EV既可以作為駕駛員輸入平臺(tái)，又能夠?qū)⒂布诃h(huán)的HEV系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率實(shí)時(shí)地反映到EV的動(dòng)力輸出上。于是既避免了重復(fù)使用固定的幾組循環(huán)工況(如NEDC)[6]，又比虛擬駕駛臺(tái)更準(zhǔn)確更直觀地反映整車動(dòng)力性能[3]。

本文分為3部分:首先從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)入手，介紹了互聯(lián)網(wǎng)分布式實(shí)車在環(huán)仿真平臺(tái)(ID-VIL)的設(shè)計(jì)思路和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并分析了?duì)于網(wǎng)絡(luò)延遲的處理方式；然后逐一介紹了ID-VIL系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的建模方式與特點(diǎn)；最后以實(shí)車在環(huán)的方式對(duì)IDVIL系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析說明。

1 ID-VIL系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 物理耦合與數(shù)據(jù)耦合

如圖1所示，本文中仿真的對(duì)象為并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與系統(tǒng)建?？梢詤⒁娢墨I(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]。在構(gòu)建分布式HIL拓?fù)鋾r(shí)，需要在原有系統(tǒng)上選擇若干“耦合點(diǎn)”，斷開其對(duì)應(yīng)的物理耦合關(guān)系，改用基于數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)耦合關(guān)系替代。這些改動(dòng)會(huì)在系統(tǒng)中引入網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，進(jìn)而造成分布式仿真系統(tǒng)與真實(shí)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)特性方面出現(xiàn)差異與失真。通常使用系統(tǒng)“透明度”(transparency)[12－13]這一概念來度量分布式系統(tǒng)對(duì)于真實(shí)系統(tǒng)的擬真程度。而根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的研究，耦合點(diǎn)位置的選擇會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的透明度。故本文中在選擇耦合點(diǎn)時(shí)遵循如下原則:(1)在不損害系統(tǒng)透明度的前提下，盡可能多地對(duì)無法精確建模的子系統(tǒng)(如電池、發(fā)動(dòng)機(jī)和整車驅(qū)動(dòng))使用HIL替代純軟件仿真；(2)避免對(duì)具有高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的系統(tǒng)進(jìn)行分布式HIL配置，如HEV中電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較電池快且建模相對(duì)容易，故其在Cloud中對(duì)電動(dòng)機(jī)采用軟件仿真實(shí)現(xiàn)。

圖1 物理耦合結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)耦合結(jié)構(gòu)

另外，本文中通過車聯(lián)網(wǎng)將一輛EV接入分布式系統(tǒng)構(gòu)成具有實(shí)車在環(huán)的仿真系統(tǒng)，即ID-VIL。而這使得該系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的流向發(fā)生了變化:雖然整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙詾榉?wù)器(Cloud)-客戶端(包括EIL，BIL和EV)模式，但是數(shù)據(jù)流向的邏輯起始端為EV上的駕駛員輸入(見圖2)。具體而言，首先駕駛員輸入會(huì)送入Cloud，然后Cloud根據(jù)HEV整車模型算得對(duì)各個(gè)HIL(即發(fā)動(dòng)機(jī)和電池)所需的功率輸出并將需求發(fā)送給各個(gè)HIL，接著各個(gè)HIL根據(jù)Cloud的需求調(diào)整自身輸出并將本地傳感器實(shí)際測(cè)量到的輸出回傳給Cloud，Cloud根據(jù)HEV整車模型整合各個(gè)HIL反饋的實(shí)際輸出得到整車實(shí)際可用的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩并將其發(fā)送給EV，最后EV將Cloud回傳的整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩作為車載電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的給定值。

圖2 ID-VIL數(shù)據(jù)邏輯流向

這樣設(shè)計(jì)有幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn):(1)上路測(cè)試的EV雖然沒有安裝混合動(dòng)力系統(tǒng)，但是通過與Cloud的數(shù)據(jù)耦合使得其動(dòng)力特性與安裝了混合動(dòng)力系統(tǒng)的HEV一致；(2)分布式仿真系統(tǒng)中的各HIL(本文中即指發(fā)動(dòng)機(jī)和電池)雖然沒有安裝在上路測(cè)試的車輛上，但是仿真過程中各HIL的工況與安裝在車上相比別無二致；(3)實(shí)車工況比經(jīng)典循環(huán)工況(如NEDC和UDDS)更能反映真實(shí)情況(如天氣和交通擁堵)，便于今后對(duì)整車能量管理策略的優(yōu)化；(4)相較仿真駕駛臺(tái)[3]，實(shí)車在環(huán)可以反映給駕駛員更直觀的整車動(dòng)力性能(如加減速性能和轉(zhuǎn)彎性能)，方便整車匹配。

1.2 ID-VIL拓?fù)湓O(shè)計(jì)

如圖3所示，ID-VIL包括4個(gè)主要節(jié)點(diǎn):①純電動(dòng)汽車EV(位于重慶大學(xué)虎溪校區(qū))；②云端服務(wù)器Cloud(位于重慶電信IDC機(jī)房)；③發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)EIL(位于力帆乘用車公司)；④電池硬件在環(huán)BIL(位于重慶大學(xué)A區(qū))。其中作為服務(wù)器的Cloud既充當(dāng)各節(jié)點(diǎn)之間的通信中樞，又負(fù)責(zé)運(yùn)算仿真對(duì)象(即HEV)中需要進(jìn)行軟件模擬的子系統(tǒng)(即圖3中的電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng))。另外，因?yàn)閷?shí)車測(cè)試的特殊性，所以EV與Cloud之間使用的是基于車聯(lián)網(wǎng)的無線連接。而其余節(jié)點(diǎn)(EIL和BIL)與Cloud之間就直接使用簡(jiǎn)單可靠的基于互聯(lián)網(wǎng)的有線連接。

圖3 ID-VIL網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

ID-VIL系統(tǒng)的仿真對(duì)象(即并聯(lián)混合動(dòng)力汽車)各子系統(tǒng)配置情況如表1所示。

1.3 網(wǎng)絡(luò)延遲分析與處理

文獻(xiàn)[9]中的ID-HIL出于降低傳輸延遲的考慮而選擇了UDP協(xié)議。這對(duì)于只使用有線連接且丟包率低的應(yīng)用背景來說是合適的。但是本文中由于引入了實(shí)車在環(huán)，故必須使用丟包率相對(duì)較高的無線連接(因?yàn)楸镜厣形唇ǔ山y(tǒng)一的車聯(lián)網(wǎng)，所以參考文獻(xiàn)[15]中的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中使用4G LTE網(wǎng)絡(luò)作為車聯(lián)網(wǎng))。此外，正是因?yàn)榇嬖趯?shí)車在環(huán)，故ID-VIL系統(tǒng)為了保證行車安全，對(duì)于丟包現(xiàn)象更為敏感。所以有必要對(duì)于TCP和UDP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)對(duì)比，以確定最合適的方案。

因?yàn)镮D-VIL實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)一般在0.5h以內(nèi)，故傳輸延遲實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)設(shè)為1 200s，而單次數(shù)據(jù)包大小為1 024B。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)可知，在傳輸延遲方面，TCP相較UDP增加并不明顯(使用無線連接時(shí)差距進(jìn)一步縮小)，但是UDP在無線連接的應(yīng)用中存在明顯丟包現(xiàn)象。故本文中在實(shí)車在環(huán)實(shí)驗(yàn)中選用了可靠性更高的TCP協(xié)議，并且在之后的實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)使用TCP協(xié)議后基本沒有出現(xiàn)丟包或者傳輸超時(shí)的情況。所以出于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的考慮，也就沒有在應(yīng)用層設(shè)置更多的傳輸校驗(yàn)?zāi)K。

表1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車配置情況

圖4 TCP與UDP傳輸延遲對(duì)比

2 ID-VIL各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 上路測(cè)試車輛(EV)

本文中搭建實(shí)車在環(huán)平臺(tái)時(shí)選用了一輛純電動(dòng)汽車(力帆620EV，配置參數(shù)見表2)進(jìn)行改裝。這是因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)燃油車，EV更容易改裝以接入分布式仿真系統(tǒng)。改裝前，620EV的車載控制器通過AD傳感器采集駕駛員輸入(節(jié)氣門和制動(dòng)踏板)，然后據(jù)此控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。改裝時(shí)，只需將車載控制器采集到的駕駛員輸入通過車聯(lián)網(wǎng)(4G LTE網(wǎng)絡(luò)，見圖5)先發(fā)送給云端服務(wù)器，然后根據(jù)云端返回的給定轉(zhuǎn)矩控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。此外，EV的電動(dòng)機(jī)相較內(nèi)燃機(jī)能更精確地控制輸出轉(zhuǎn)矩且動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，所以EV作為上路測(cè)試車輛能夠更準(zhǔn)確地模擬仿真對(duì)象(即HEV)的動(dòng)態(tài)性能。需要指出的是，處于安全方面的考慮，駕駛員的制動(dòng)踏板輸入只有回收制動(dòng)部分的需求轉(zhuǎn)矩會(huì)傳給云端，而非回收制動(dòng)的部分轉(zhuǎn)矩作為“本地變量”并不進(jìn)入分布式系統(tǒng)。其直接由制動(dòng)踏板控制制動(dòng)片提供。這樣可以保證在通信網(wǎng)絡(luò)完全失效時(shí)，EV仍然能夠提供足夠的制動(dòng)力。

表2 上路測(cè)試車輛(EV)配置參數(shù)

2.2 云端服務(wù)器(Cloud)

云端服務(wù)器租用重慶電信的虛擬云主機(jī)(CPU 4核Xeon 2.13GHz，內(nèi)存8GB，帶寬5Mb)，主要負(fù)責(zé)3個(gè)功能:通信管理、整車能量管理策略和子系統(tǒng)仿真模擬(電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng))。

圖5 上路測(cè)試車輛(EV)配置

通信管理使用的是基于事件觸發(fā)的通信結(jié)構(gòu)[9，15]。即Cloud以20Hz的頻率向各客戶端發(fā)送需求命令(對(duì)EV即整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)EIL即發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，對(duì)BIL即電池需求功率)，客戶端在收到需求命令后會(huì)反饋本地傳感器采樣結(jié)果(對(duì)EV即駕駛員輸入和車速，對(duì)EIL即輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)油耗，對(duì)BIL即輸出電流和SOC)。這與前面提到的數(shù)據(jù)的邏輯流動(dòng)方向有所不同，但是并不矛盾。另外，受系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸頻率最慢的子系統(tǒng)(即EIL)限制，數(shù)據(jù)收發(fā)頻率選為20Hz。

本文中采用的整車能量管理策略為模糊邏輯策略，基本思路:①電池SOC必須維持在一個(gè)合理范圍之內(nèi)，以免損害電池壽命；②在不違反條件①時(shí)，滿足駕駛員對(duì)車輛動(dòng)力性能的要求；③在不違反條件①和②時(shí)，對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放進(jìn)行實(shí)時(shí)最優(yōu)化。具體設(shè)置可以參見文獻(xiàn)[16]。

在HEV子系統(tǒng)中之所以選擇對(duì)電池進(jìn)行硬件在環(huán)仿真而電動(dòng)機(jī)進(jìn)行軟件仿真是因?yàn)?①相較具有明顯非線性的電池，電動(dòng)機(jī)的建模更成熟也更準(zhǔn)確；②根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的研究，“耦合點(diǎn)”選在動(dòng)態(tài)特性較慢的系統(tǒng)處(如電池)比選在動(dòng)態(tài)特性較快的系統(tǒng)處(如電動(dòng)機(jī))更有利于提高整個(gè)分布式HIL系統(tǒng)的透明度。所以，本文中HEV電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)使用的是本團(tuán)隊(duì)以前設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)軟件仿真模型:

式中:us為定子電壓矢量；is和ir分別為定轉(zhuǎn)子電流矢量；ψs和ψr分別為定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；Rs和Rr分別為定轉(zhuǎn)子電阻；Ls，Lr和Lm分別為定轉(zhuǎn)子電感和勵(lì)磁電感；P為極對(duì)數(shù)；ψrq和ψrd分別為轉(zhuǎn)子磁鏈的交直軸分量；isq和isd分別為定子電流的交直軸分量。

HEV中傳動(dòng)系統(tǒng)的軟件仿真建模也使用了本團(tuán)隊(duì)之前對(duì)HEV的研究[18]:

式中:ω為驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速；Trequest為需求轉(zhuǎn)矩；Tengine為HEV發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；Tmotor為HEV電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；igb和imot－eng分別為變速器和減速器的減速比。另外，變速器換擋策略參考文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)的變速器模型，使用Advisor的默認(rèn)換擋策略，即通過查找基于轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速vs擋位的二維表以得到的換擋邏輯。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(EIL)

如圖6所示，本文中發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)選用的是AVL 160kW測(cè)功機(jī)和力帆乘用車公司的LF481Q3發(fā)動(dòng)機(jī)(四沖程，直列四缸，排量1.6L，水冷，雙頂置凸輪軸，多點(diǎn)噴射電控汽油機(jī))。發(fā)動(dòng)機(jī)屬于動(dòng)態(tài)特性較高的子系統(tǒng)，在此設(shè)置“耦合點(diǎn)”會(huì)降低系統(tǒng)的透明度。但是考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)建模困難且不準(zhǔn)確，故此時(shí)應(yīng)當(dāng)舍棄部分透明度以換取仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

發(fā)動(dòng)機(jī)HIL系統(tǒng)從Cloud接收需求轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速指令并執(zhí)行，同時(shí)向Cloud返回發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)(實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)油耗)。而在發(fā)動(dòng)機(jī)本地控制方面，AVL發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制模式有轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速模式和節(jié)氣門開度-轉(zhuǎn)速模式?？紤]到轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速模式響應(yīng)速度較慢(大于50ms)，故選用了節(jié)氣門開度-轉(zhuǎn)速模式。而后者需要將Cloud發(fā)送的需求轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的節(jié)氣門開度。本文中通過查找力帆乘用車公司在標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)建立的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度關(guān)系的二維表(圖7)將轉(zhuǎn)矩指令轉(zhuǎn)換為節(jié)氣門開度。但是相對(duì)于轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速模式，節(jié)氣門開度-轉(zhuǎn)速模式的轉(zhuǎn)矩輸出會(huì)與給定存在一定的靜差。

文獻(xiàn)[9]中通過計(jì)算分布式HIL系統(tǒng)中給定與響應(yīng)之間的標(biāo)準(zhǔn)差，作為度量系統(tǒng)透明度的定量參照。因?yàn)椴煌l(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架自身的動(dòng)態(tài)性能存在不小的差異，所以有必要首先確定在排除Cloud以及遠(yuǎn)程傳輸影響時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架自身的透明度，并以此作為基準(zhǔn)才能更客觀地度量分布式HIL系統(tǒng)的透明度。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度關(guān)系圖

圖8 為純本地控制(即發(fā)動(dòng)機(jī)控制指令由本地控制器直接給定，與云端服務(wù)器無關(guān))下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)。其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差為6.76%，轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為4.58%。另外，可以觀察到在第10s的轉(zhuǎn)速階躍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)受到明顯擾動(dòng)，但是反之不然(見第40s的轉(zhuǎn)矩階躍)。這是由于采用了使用開環(huán)控制的節(jié)氣門開度-轉(zhuǎn)速模式而造成的，還造成轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與給定之間的靜差(小于2N·m)。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)

2.4 電池硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(BIL)

電池不但屬于軟件仿真建模困難非線性系統(tǒng)，而且在HEV中屬于低動(dòng)態(tài)特性的子系統(tǒng)，所以更適合硬件在環(huán)仿真。如圖9所示，本文中BIL系統(tǒng)采用的動(dòng)力電池組為山東恒宇生產(chǎn)的三元聚合物鋰電池(額定電壓68.4V×8，額定容量40.0A·h)。電池檢測(cè)系統(tǒng)亦由此公司提供，負(fù)責(zé)檢測(cè)電池母線電流和端電壓，并估算電池SOC。而電池負(fù)載則由實(shí)驗(yàn)室的Kratzer電池充放電模擬器充當(dāng)，其控制臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)行與Cloud進(jìn)行通信的本地TCP客戶端。即Cloud向BIL發(fā)送需求功率(放電為正，充電為負(fù))，而BIL則向Cloud返回電池母線電流和SOC估計(jì)值。

圖9 電池硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 ID-VIL實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置與行駛路線

圖10為ID-VIL各子系統(tǒng)的位置分布，具體如1.2節(jié)所述。

實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的仿真對(duì)象即為表1中所示的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車，而ID-VIL各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)與前面第2節(jié)中的描述一致。實(shí)驗(yàn)中所選的實(shí)車行駛路線為繞行重慶大學(xué)虎溪校區(qū)一周的公路，即以大學(xué)城西路東北角為起始點(diǎn)，途徑大學(xué)城南二路、大學(xué)城中路、大學(xué)城南路，最后回到起始點(diǎn)(見圖10)。全程一共約7km，途經(jīng)13個(gè)紅綠燈，行駛時(shí)間約20min，屬于比較典型的城市路況。

圖10 實(shí)驗(yàn)設(shè)備地理位置與實(shí)驗(yàn)車輛行駛路線

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中由Cloud收集ID-VIL各子系統(tǒng)狀態(tài)，如圖11所示。因?yàn)檫x擇的測(cè)試路線為主城區(qū)且紅綠燈較多，所以可從圖11中的車速曲線看到實(shí)驗(yàn)車輛車速不高且走走停停，其中車速長(zhǎng)時(shí)間為零的時(shí)段(例如從227s到268s)即為停車等紅燈的情況。而停車期間加速踏板位置并不恒為零，這是因?yàn)橥＼嚨却陂g偶爾需要以“蠕動(dòng)”的方式調(diào)整車的位置(大部分情況是前面的車“蠕動(dòng)”了一下，所以實(shí)驗(yàn)車輛也就跟著動(dòng))。另外，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)相關(guān)的輸出曲線可知，此時(shí)HEV處于純電動(dòng)模式，即發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉(轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為零)而電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)滿足整車動(dòng)力需求(電動(dòng)機(jī)需求功率大于零)。從765s到800s，實(shí)驗(yàn)車輛從靜止加速到50km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)輸出正功率，即HEV工作在電動(dòng)機(jī)助力狀態(tài)。在1 030s到1 165s，實(shí)驗(yàn)車輛處于相對(duì)的勻速巡航狀態(tài)。這時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)提供大部分驅(qū)動(dòng)功率，而電動(dòng)機(jī)則間或地進(jìn)行主動(dòng)充電(電動(dòng)機(jī)需求功率小于零)，即這時(shí)HEV交替工作在主動(dòng)充電模式和純發(fā)動(dòng)機(jī)模式。

圖11 ID-VIL實(shí)驗(yàn)結(jié)果

ID-VIL實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。需要指出的是，表中的平均車速是僅考慮行駛狀態(tài)，即不計(jì)入停車狀態(tài)時(shí)得到的平均值。此外，行駛實(shí)驗(yàn)前后電池SOC的變化量非常小。這是由于兩方面原因造成的:一是HEV的能量管理策略采用了電量平衡策略，所以在行駛過程中會(huì)有選擇性地進(jìn)行主動(dòng)充電；二是HEV的電池容量(40.0A·h，68.4V×8)相較有限的行駛里程(6.7km)大得多，所以整個(gè)行駛實(shí)驗(yàn)中電池SOC的變化都不明顯。

3.3 ID-VIL系統(tǒng)透明度分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，本文中同樣使用給定與響應(yīng)之間的標(biāo)準(zhǔn)差作為度量系統(tǒng)透明度的定量參照。因?yàn)镠EV中電動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)為軟件仿真，其給定與響應(yīng)幾乎完全一致，所以電動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)透明度產(chǎn)生影響。而剩下的BIL系統(tǒng)既不直接參與與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速相關(guān)的計(jì)算，又屬于動(dòng)態(tài)特性變化較慢(SOC變化相較轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速慢得多，可見圖11)的系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，ID-VIL系統(tǒng)的透明度主要由EIL系統(tǒng)決定，故使用與EIL系統(tǒng)相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的給定與響應(yīng)之間的標(biāo)準(zhǔn)差來度量ID-VIL系統(tǒng)的透明度。而EIL對(duì)系統(tǒng)透明度的影響有兩個(gè)方面:①EIL系統(tǒng)自身的響應(yīng)速度；②系統(tǒng)運(yùn)算處理(主要是Cloud)以及傳輸數(shù)據(jù)造成延遲。前者在前文通過EIL本地階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了定量測(cè)試，表4中則給出了圖11中ID-VIL實(shí)驗(yàn)與之前EIL本地階躍實(shí)驗(yàn)的透明度對(duì)比。EIL本地階躍實(shí)驗(yàn)反映的是①，而ID-VIL實(shí)驗(yàn)反映的則是①和②的疊加。由表4可知，ID-VIL會(huì)對(duì)仿真系統(tǒng)的透明度造成不利影響，但是結(jié)合圖11的車速曲線沒有出現(xiàn)異常以及駕駛實(shí)際感受來看，ID-VIL系統(tǒng)仍然是實(shí)時(shí)可控的，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地響應(yīng)駕駛員輸入。

表3 ID-VIL實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表4 實(shí)驗(yàn)給定與響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差%

圖12則給出了不同時(shí)間點(diǎn)上ID-VIL實(shí)驗(yàn)的給定與響應(yīng)之間的相對(duì)誤差。圖中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的最大誤差都主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停止的時(shí)刻，而且此時(shí)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差(約400%)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差(約200%)。這主要是3方面原因:(1)起動(dòng)和停止時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速同時(shí)需要進(jìn)行大幅度階躍，這本身就會(huì)大幅增加給定與響應(yīng)的相對(duì)誤差；(2)由此前對(duì)EIL本地轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速階躍實(shí)驗(yàn)的分析可知，轉(zhuǎn)速的階躍會(huì)明顯影響轉(zhuǎn)矩，反之卻不然，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速同時(shí)出現(xiàn)階躍，轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差就遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速的；(3)本文中采用了與文獻(xiàn)[9]中類似的理想傳動(dòng)模型，即變速器和離合器的動(dòng)作是瞬間完成的，不存在中間過程，這在變速器換擋時(shí)(尤其是在純電動(dòng)模式切換到混動(dòng)模式的過程中)會(huì)加大發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)速的變化速率，而這進(jìn)一步增大了起停時(shí)系統(tǒng)給定與響應(yīng)的相對(duì)誤差。從另一方面來看，ID-VIL對(duì)透明度的影響其實(shí)主要局限在發(fā)動(dòng)機(jī)起停的短暫時(shí)刻，其余時(shí)刻相對(duì)誤差都穩(wěn)定在很低的水平(圖12)。這說明在大部分時(shí)間里ID-VIL系統(tǒng)的透明度都是可以接受的。

圖12 ID-VIL實(shí)驗(yàn)中給定與響應(yīng)的相對(duì)誤差

4 結(jié)論

本文中在互聯(lián)網(wǎng)分布式硬件在環(huán)[8－9]的基礎(chǔ)上，通過車聯(lián)網(wǎng)引入實(shí)車在環(huán)構(gòu)成了ID-VIL系統(tǒng)，并利用此系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的仿真平臺(tái)。這樣一方面使得在環(huán)的EV雖然沒有HEV動(dòng)力系統(tǒng)，但是能夠模擬HEV動(dòng)力系統(tǒng)的輸出；另一方面讓沒有配置在車上的發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等HIL子系統(tǒng)能夠如同工作在一輛HEV上。然后通過對(duì)IDVIL系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車上路實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的可行性與可靠性，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)透明度的定量分析。這表明ID-VIL系統(tǒng)能夠?qū)Ψ抡鎸?duì)象，即HEV系統(tǒng)，進(jìn)行具有較高擬真度的實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真。利用此平臺(tái)配置靈活的特點(diǎn)，今后可以在其基礎(chǔ)上對(duì)HEV參數(shù)匹配與控制策略優(yōu)化等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

此外，本文中ID-VIL系統(tǒng)存在的一個(gè)問題就是沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)意外斷開時(shí)的應(yīng)急處理機(jī)制。目前，實(shí)驗(yàn)車輛EV中制動(dòng)為“本地”控制對(duì)象，所以能夠保證在網(wǎng)絡(luò)意外斷開時(shí)制動(dòng)仍然可控。但是這僅適用于車速比較低的情形，在車速較高的情況下(例如高速公路工況)并不能保證駕駛員與實(shí)驗(yàn)車輛的安全。這也是為何實(shí)車上路實(shí)驗(yàn)中選擇低速的市區(qū)道路工況，而不是高速的環(huán)城高速道路工況的原因。下一步需要設(shè)計(jì)一種安全機(jī)制以保證網(wǎng)絡(luò)意外斷開時(shí)，在環(huán)實(shí)驗(yàn)車輛的控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)由云端平滑地切換到車載端。

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Internet-distributed Vehicle-in-the-loop Simulation Platform for Hybrid Electric Vehicles

Zhang Yi1，2，3，Yang Yalian1，2，Lu Shuai2，3＆Meng Qingguang4
1.Department of Automotive Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044；2.Chongqing Automotive Collaborative Innovation Center，Chongqing University，Chongqing 400044；3.Department of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044；4.Chongqing Lifan Passenger Vehicle Co.，Ltd.Automotive R.I.，Chongqing 401122

On the basis of existing hardware-in-the-loop(HIL)simulation on hybrid electric vehicle (HEV)，the cloud server as the central control node，the electric vehicle(EV)as the vehicle-in-the-loop as well as the engine-in-the-loop and battery-in-the-loop test benches as HEV simulation subsystem are integrated by using internet and internet of vehicle with a form of data coupling to compose an internet-distributed vehicle-in-the-loop (ID-VIL)simulation platform.This modified simulation platform enables the EV without powertrain simulate the output of HEV power system and the subsystems of HEV(such as engine and battery)can work just the same as on real HEV.Finally the feasibility and reliability of ID-VIL system is verified by both a 7 kilometers long road testing in urban areas and the transparency analysis on test results.

hybrid electric vehicle；distributed；vehicle-in-the-loop simulation；hardware-in-the-loop simulation

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.001

?國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51575064)和中央高校基礎(chǔ)研究基金(106112016CDJZR335521)資助。

原稿收到日期為2016年8月8日，修改稿收到日期為2016年10月4日。

張毅，博士，E-mail:zagyi81＠cqu.edu.cn。