基于CRUISE與ADVISOR前后向仿真軟件的汽車動力性對比分析

何安清， 孫可華， 沈利芳， 宋國鵬， 胡遠(yuǎn)敏

(1.浙江中車電車有限公司， 浙江 寧波 315111； 2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室， 長春 130025；3.聯(lián)合汽車電子有限公司， 上海 201206)

隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，用于新能源汽車研發(fā)的仿真分析軟件種類不斷豐富、功能不斷完善，依據(jù)分析方法主要可以分為后向和前向兩類。目前，應(yīng)用比較普遍的后向仿真軟件是美國可再生能源實驗室的ADVISOR，前向仿真軟件是AVL公司的 CRUISE。

后向與前向仿真軟件在仿真思路和建模方法上都存在較大的差異：后向仿真軟件ADVISOR基于SIMULINK建立汽車模型，通過m文件定義汽車參數(shù)，并首先從仿真工況需求出發(fā)沿能量傳遞的相反方向進(jìn)行分析計算；前向仿真軟件CRUSIE基于模塊化建模思想，通過部件模塊定義部件類型和參數(shù)，并在駕駛員cockpit模塊或控制策略控制下跟隨仿真工況。兩平臺下的汽車參數(shù)設(shè)置也有所差異，所以其仿真結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性成為相關(guān)人員關(guān)心的重要問題。

本文將以純電動汽車的動力性能仿真分析為例，對比分析兩軟件下的動力性能仿真過程及結(jié)果。

1 CRUISE與ADVISOR的建模對比

參考ADVISOR軟件中自帶的某型純電動汽車，在兩平臺中建立模型的參數(shù)如下：整車整備質(zhì)量1 187 kg，迎風(fēng)面積2.037 9 m2，滾動阻力系數(shù)0.009，空氣阻力系數(shù)0.19，質(zhì)心高度400 mm，車輪半徑282 mm，車輪轉(zhuǎn)動慣量0.816 kg·m2，前軸負(fù)荷55%，電池仿真初始SOC值90%，電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量0.023 5 kg·m2，電機(jī)額定功率62 kW，固定擋變速器傳動比5.338 6，主減速器傳動比1(ADVISOR模型默認(rèn)數(shù)值)。

1.1 CRUISE建模

在CRUISE中，可以通過不同模塊的各種連接組合，方便快捷地建立各種結(jié)構(gòu)類型的整車仿真模型，并應(yīng)用于傳統(tǒng)及新能源汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能和制動性能的仿真分析[1]。利用其智能駕駛員模塊，可以準(zhǔn)確地模擬駕駛員意圖。利用其MATLAB接口模塊，可以開發(fā)測試復(fù)雜的整車或部件控制策略。各模塊之間通過機(jī)械端口、信息端口、排氣系統(tǒng)端口以及電器端口進(jìn)行連接[2-4]。在CRUISE中建立的純電動汽車模型如圖 1所示。

CRUISE作為前向仿真軟件，在運行仿真時，車輛在駕駛員或控制策略的控制下行駛，駕駛員或控制策略把汽車的有關(guān)信號與工況或控制策略的需求數(shù)值相比較，并對制動或動力系統(tǒng)做出相應(yīng)操作或輸出相應(yīng)的控制信號，使車輛模型完成指定循環(huán)工況仿真。

1.2 ADVISOR建模

與CRUISE中通過表示不同車輛部件的模塊組合來定義車輛類型的方式不同，在ADVISOR中，建模時需首先在整車參數(shù)輸入界面通過車輛定義文件選擇汽車類型，然后通過部件數(shù)據(jù)文件選擇電池、電機(jī)、變速器等部件的具體型號。整車和部件的參數(shù)通過修改相應(yīng)的m文件進(jìn)行設(shè)置[5-6]。即ADVISOR通過由SIMULINK模型文件形式的仿真模塊來實現(xiàn)整車仿真模型的建立。在ADVISOR中建立的純電動汽車頂層模型如圖 2所示。

圖1 CRUISE中的純電動汽車模型

圖2 ADVISOR中的純電動汽車模型

與CRUISE中從駕駛員開始的前向仿真不同，ADVISOR作為一種運行在MATLAB和SIMULINK軟件環(huán)境下的以后向仿真為主、前向仿真為輔的仿真軟件，在仿真分析時，軟件從所選的分析工況出發(fā)計算汽車的需求車速和牽引力，進(jìn)而求得車輪處的需求轉(zhuǎn)速和驅(qū)動力，然后依次求得主減速器輸出端和變速器輸出端的需求轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，從而得到對電動機(jī)(動力源)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩需求，再加上電氣附件負(fù)載后依次得到對功率總線和電池(能量存儲裝置)的功率需求。仿真信息沿后向路線和前向路線同時傳遞，并在后向路線中對部件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率需求最值進(jìn)行限制[7-9]。所以，與CRUISE不同，在ADVISOR的模型中既沒有駕駛員模塊，也沒有制動及加速踏板信號。

綜上，前向仿真軟件CRUISE與后向仿真軟件ADVISOR不僅在車輛模型建立方式上存在較大差異，其仿真分析思路也截然不同：CRUISE通過駕駛員或控制策略對車輛部件的主動控制實現(xiàn)循環(huán)工況跟隨，而ADVISOR則通過循環(huán)工況反向計算其對車輛部件的動力需求，然后各部件依據(jù)需求進(jìn)行被動輸出響應(yīng)。與此對應(yīng)，兩平臺在動力性能仿真設(shè)置與結(jié)果獲取處理方面也將存在一定的差異。

1.3 參數(shù)設(shè)置方式對比

基于前述CRUISE和ADVISOR的建模與仿真方式差異，兩平臺的車輛參數(shù)定義方式和統(tǒng)一設(shè)置方法也存在如下不同：

1) 輪胎滑移率。在ADVISOR車輪模型的后向路徑中有輪胎滑移率的計算模塊。該模塊通過需求驅(qū)動力、驅(qū)動軸負(fù)荷及輪胎滑移力系數(shù)3個參數(shù)，查表得到對應(yīng)的輪胎滑移率。然后由需求車速、車輪半徑與輪胎滑移率求得需求的車輪轉(zhuǎn)速。即ADVISOR的車輪模型在后向路徑里考慮車輪滑移率對需求轉(zhuǎn)速的影響。

CRUISE中限制輪胎最大縱向反力的輪胎最大滑移率修正系數(shù)是根據(jù)車輪實際運行狀況求得的，且其驅(qū)動/制動時輪胎滑移率也是根據(jù)車輪實際運行狀態(tài)求得的。

車輪滑移率對仿真結(jié)果影響并不大，在一般仿真中均不予考慮。所以本文在兩平臺仿真時也不考慮驅(qū)動滑移率。

2) 車輪拖曳轉(zhuǎn)矩?fù)p失。在ADVISOR的后向計算路徑中，根據(jù)整車動力學(xué)模塊傳遞的信息，車輪的需求轉(zhuǎn)矩考慮了拖曳轉(zhuǎn)矩?fù)p失與轉(zhuǎn)動慣量的影響。而在CRUISE中，只有車輪轉(zhuǎn)動慣量，沒有車輪拖曳轉(zhuǎn)矩?fù)p失(變速器有此參數(shù))。所以需要把ADVISOR的拖曳轉(zhuǎn)矩?fù)p失設(shè)置為0，以統(tǒng)一參數(shù)。

3) 變速器機(jī)械摩擦損失。在ADVISOR的傳動系m文件中，變速器機(jī)械摩擦損失效率是效率數(shù)組的形式。而CRUISE中的變速器、主減速器的機(jī)械摩擦損失可以通過轉(zhuǎn)矩?fù)p失脈譜或單個確定的效率數(shù)值等多種形式來定義。但其損失脈譜是表格形式，與ADVISOR中的數(shù)組形式不同。通?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)形式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。

但在一般仿真中，變速器、主減速器等部件的效率可簡化為某一固定數(shù)值，僅在精度要求高的仿真中采用臺架實測數(shù)值作為MAP輸入數(shù)據(jù)[10-11]。

因此，在本文的仿真中將變速器和主減速器效率統(tǒng)一設(shè)置為98%。為此需在ADVISOR的變速器頂層模型中做如圖 3線框中所示的更改。

圖3 對ADVISOR變速器模型的修改

2 動力性仿真對比

動力性能是汽車各項性能中最重要、最基本的性能，可直接影響汽車的運輸效率和駕駛體驗。通常從最高車速、加速時間和最大爬坡度3個指標(biāo)來評價汽車的動力性能[12]。因此，本文用CRUISE和ADVISOR分別仿真分析了上述純電動汽車的0～100 km/h加速時間、最大加速度、最高車速和最大爬坡度性能，并進(jìn)行結(jié)果對比。

在ADVISOR中需要對加速和爬坡分別進(jìn)行分析，每次仿真完成后，都可在ADVISOR仿真結(jié)果界面查看結(jié)果曲線或在MATLAB工作空間查看各結(jié)果變量的具體數(shù)據(jù)。而在CRUISE中，由于可以添加多個仿真任務(wù)文件夾，所以可以通過運行一次仿真得到所有的動力性能結(jié)果。仿真完成后可將需要的結(jié)果數(shù)據(jù)復(fù)制到MATLAB工作空間進(jìn)行分析處理。用兩平臺進(jìn)行動力性仿真分析的結(jié)果對比如表1所示。加速過程中兩平臺電機(jī)工作狀況如圖 4所示。

表1 動力性指標(biāo)仿真分析結(jié)果對比

圖4 電動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩結(jié)果對比

對于最大爬坡度的仿真，在ADVISOR中是計算某一給定車速下的最大爬坡度，即一次仿真可得一個與給定車速相對應(yīng)的最大爬坡度數(shù)值。而在CRUISE中，可以一次給出汽車在不同擋位、各個車速下的最大爬坡度曲線。本文中為便于對比兩平臺的仿真結(jié)果，在ADVISOR中進(jìn)行了不同車速下的多次仿真，進(jìn)而得到汽車在各車速下的最大爬坡度數(shù)值。

從表1和圖 4可知，雖然兩平臺在參數(shù)定義與設(shè)置方式、仿真步長、建模及計算思路等方面有所不同，但所得電機(jī)工作狀況基本一致、車輛爬坡性能和加速性能仿真結(jié)果差異很小。

3 結(jié)束語

本文基于常用的混合動力后向仿真軟件ADVISOR與前向仿真軟件CRUSIE，通過統(tǒng)一兩個平臺下的汽車參數(shù)，進(jìn)行了某純電動乘用車動力性能仿真對比。結(jié)果表明：

1) ADVISOR與CRUSIE的建模思想和方式均不相同，所以二者的參數(shù)設(shè)置方式有所差異、仿真計算順序相反。在工作量上，ADVISOR平臺的模型搭建需要依據(jù)車輛動力學(xué)方程，因而工作量更大；CRUSIE平臺僅需實現(xiàn)部件間的相互連接，因而較為簡單實用。在使用和理解的難度上，ADVISOR模型因與動力學(xué)方程一致，且簡化較多、考慮因素較少，因而相對簡單；CRUSIE平臺考慮了仿真計算求解器類型、仿真步長、駕駛員PID參數(shù)可調(diào)等，因而難度稍大。

2) 雖然ADVISOR中的汽車是穩(wěn)態(tài)模型，模型簡單、步長較大、不能得到汽車的瞬態(tài)性能。但由于其采用了后向仿真為主前向仿真為輔的混合仿真方法，使最終動力性仿真結(jié)果具有較高的精度，與CRUISE所得結(jié)果誤差較小。

3) 在仿真分析中，若從模型搭建、參數(shù)設(shè)置的方便性和車輛結(jié)構(gòu)直觀性方面考慮，前向仿真軟件CRUISE可為較佳選擇；若從學(xué)習(xí)模型仿真計算方法和原理方面考慮，后向仿真軟件ADVISOR可作為較佳選擇。

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