基于Cruise和Simulink的某48V輕度混動(dòng)車輛仿真分析

馮帆，黃赟熹，劉優(yōu)

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基于Cruise和Simulink的某48V輕度混動(dòng)車輛仿真分析

馮帆1，黃赟熹2，劉優(yōu)3

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545007；3.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410205）

Cruise和Simulink聯(lián)合建模仿真適合各種結(jié)構(gòu)的車輛，方便研究人員開發(fā)復(fù)雜的控制算法，能有效提高混合動(dòng)力車輛的研發(fā)效率?；贑ruise搭建某5MT原車與48V-iBSG電機(jī)系統(tǒng)混動(dòng)車模型，重新規(guī)劃新的換擋策略，應(yīng)用Simulink搭建輕度混動(dòng)控制策略模型，經(jīng)過Cruise與Simulink仿真分析計(jì)算車輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。并與原始車型結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了仿真分析方案的可行性。

Cruise；仿真分析；控制策略；動(dòng)力性

前言

混合動(dòng)力車輛整車開發(fā)及傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的開發(fā)可使用諸多仿真建模軟件，Cruise軟件是AVL公司開發(fā)的整車系統(tǒng)分析工具。其特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)化分層建模，適用于所有類型的動(dòng)力總成，并且響應(yīng)速度迅速，是研發(fā)部門、OEM廠家和供應(yīng)商之間車輛開發(fā)信息交流共享的集成軟件。與相類似軟件對比，優(yōu)勢在于多參數(shù)優(yōu)化，部件子系統(tǒng)匹配，能力和功率在系統(tǒng)中的形象化展現(xiàn)。Simulink是MATLAB控制和分析的集成模塊之一，通過Simulink建立仿真用的控制策略建立方法，用于Cruise高級仿真聯(lián)合，目的是使得研究人員在新車型開發(fā)中提升建模效率。

弱混（或稱之為輕度混動(dòng)）技術(shù)（Mild Hybrid），核心包括Start-Stop（啟停）技術(shù)、BSG（Belt-drivenStarter/Generator皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)）技術(shù)，BSG技術(shù)就是利用皮帶傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)經(jīng)由皮帶傳動(dòng)在短時(shí)期內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由零上升至怠速以上，從而實(shí)現(xiàn)汽車的快速起停。

博世BRS系統(tǒng)，是一種成熟的輕度混合車輛能量回收系統(tǒng)，兩個(gè)電氣網(wǎng)（48V和14V）共存并且通過PCU轉(zhuǎn)化器相互連接（也稱為DC/DC）。通過PCU的正向及逆向工作模式，可以使得電能在48V系統(tǒng)及14V系統(tǒng)之間相互轉(zhuǎn)化。在日常行駛中，BRM回收大量制動(dòng)能量并儲存于48V鋰離子電池中，這些電能均可用于14V負(fù)載中。同時(shí)BRM也可以當(dāng)做電動(dòng)機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，可以再節(jié)省燃油的同時(shí)改善駕駛性。

1 P0結(jié)構(gòu)48V-iBSG系統(tǒng)混動(dòng)車型

1.1 P0結(jié)構(gòu)

目前主流混動(dòng)技術(shù)方案中根據(jù)電機(jī)位置的不同，分為P0、P1、P2、P3、P4，不同方案在成本、布置、性能方面各具優(yōu)缺點(diǎn)。P0結(jié)構(gòu)即是將電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，P0結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是，擁有皮帶傳動(dòng)起動(dòng)和發(fā)電一體的電機(jī)，利用高性能蓄電池，完成紅綠燈發(fā)動(dòng)機(jī)起停，并允許帶動(dòng)空調(diào)機(jī)械壓縮機(jī)，主要用于12-25V微混合或48V弱混，但因?yàn)槭瞧ЫY(jié)構(gòu)，屬于軟性連接，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)能能量回收效率受到一定限制。

1.2 48V-iBSG系統(tǒng)架構(gòu)

48V-iBSG輕度混動(dòng)系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾大功能，分別是啟停、制動(dòng)能量回收、轉(zhuǎn)矩助力、滑行、換擋策略優(yōu)化。細(xì)化為即采用BSG的舒適啟動(dòng)/啟停、給12V電路供電、給48V部件供電、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火滑行、制動(dòng)/滑行能量回收、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移、助力、電動(dòng)爬行/駕駛、用傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)作為備用啟動(dòng)（48V電源支持）等，節(jié)油率約8%-16%。

1.3 48V-iBSG混動(dòng)汽車主要四種工況

1.3.1 起動(dòng)工況

起動(dòng)時(shí)，48V-iBSG電機(jī)在幾百毫秒時(shí)間內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速以上，然后汽油機(jī)才開始工作。

1.3.2 停車工況

當(dāng)汽車在等紅燈或者短暫/長時(shí)間停車時(shí)，只要滿足一定條件，控制系統(tǒng)切斷汽油機(jī)供油，自動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)和48V-iBSG電機(jī)停止工作，節(jié)省燃油的同時(shí)減少廢氣排放。需要起步時(shí)，則進(jìn)入起動(dòng)工況，由48V-iBSG電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.3.3 減速工況

駕駛員在汽車行駛過程中松開加速踏板/踩下制動(dòng)踏板，滿足一定條件時(shí)，48V-iBSG電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，回收部分制動(dòng)能量儲存在蓄電池中。

1.3.4 正常行駛工況

如果電池電量足夠，全油門加速時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)全油門工作的同時(shí)48V-iBSG給發(fā)動(dòng)機(jī)一定助力。一般油門行駛時(shí)，整車控制器按照實(shí)際扭矩需求情況可能會(huì)向電機(jī)傳送信號給于發(fā)動(dòng)機(jī)一定助力，優(yōu)化調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，節(jié)省油耗。若果電池電量不足，則由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作，如果電池電量過低時(shí)，則由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，由48V-iBSG電機(jī)發(fā)電為電池充電。

2 整車參數(shù)及模型建立

2.1 整車參數(shù)

本文對某FF 5MT配4A91S（1.5L）發(fā)動(dòng)機(jī)車型整車建模，車輛基本參數(shù)、變速器及傳動(dòng)比、電池參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

2.2 模型建立

圖1 48V混動(dòng)車Cruise數(shù)據(jù)模型

圖2 電池參數(shù)設(shè)置

搭建Cruise整車數(shù)據(jù)模型和48V混動(dòng)車的Cruise數(shù)據(jù)模型，用于模型之間的對標(biāo)分析，5MT_48V輕混模型如圖1所示，電池參數(shù)設(shè)置如圖2，電機(jī)參數(shù)設(shè)置如圖3所示。因?yàn)樵贑ruise無法模擬皮帶，以減速器模型代替皮帶模型，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接皮帶參數(shù)設(shè)置為，傳動(dòng)比2.7，皮帶效率取0.9。

圖3 電機(jī)參數(shù)設(shè)置

3 Matlab控制模型建立

3.1 控制策略介紹

3.1.1 能量回收

在制動(dòng)工況中電動(dòng)機(jī)變換為發(fā)電機(jī)，把部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可利用的電能進(jìn)行存儲。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在750-6000rpm范圍內(nèi)，進(jìn)行制動(dòng)能量回收。當(dāng)電池SOC值大于85%時(shí)，制動(dòng)能量不予回收。制動(dòng)踏板開度大于5%時(shí)候，制動(dòng)能量回收，小于2%時(shí)候制動(dòng)能量回收。

3.1.2 扭矩分配

電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作，駕駛員扭矩需求將由電機(jī)分擔(dān)一部分，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載。油門踏板開度大于25%時(shí)電動(dòng)機(jī)允許輸出扭矩。電池SOC超過60.5%時(shí)允許扭矩分配低于59.5%時(shí)不允許扭矩分配。當(dāng)車速超過51.5km/h時(shí)，扭矩分配，車速低于49km/h時(shí)不進(jìn)行扭矩分配。當(dāng)車輛加速度超過0.25m/s2允許扭矩分配，低于0.15m/s2不允許扭矩分配。

3.1.3 助力

當(dāng)驅(qū)動(dòng)需求扭矩大于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，不足扭矩由電機(jī)提供。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在600-3400rpm范圍內(nèi)允許助力。電池SOC大于36%允許助力。

3.1.4 電爬行

在限定車速內(nèi)，車輛由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)將不會(huì)輸出扭矩。當(dāng)SOC小于40%時(shí)，電爬行被禁用。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫大于40℃，電爬行被禁用。

3.1.5 發(fā)動(dòng)機(jī)高級啟停

發(fā)動(dòng)機(jī)在車速不為零時(shí)暫停工作。電機(jī)以更短的時(shí)間和更小的噪音震動(dòng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。車速門限值為12km/h。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫小于20℃時(shí)，啟停功能被禁用。SOC在30%-80%允許啟停功能使用。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于500rpm，準(zhǔn)許啟停功能工作。

3.1.6 發(fā)電機(jī)模式

電機(jī)在發(fā)電機(jī)模式下，對48V蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行制動(dòng)能量回收，電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工作，執(zhí)行充電行為。當(dāng)電池SOC值小于控制系統(tǒng)限定參數(shù)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出部分扭矩驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，執(zhí)行充電行為。

3.2 控制策略模型建立

Simulink信號輸入模塊建立的參數(shù)需要與Cruise模型中API建立的Inport數(shù)據(jù)一致，為一一對應(yīng)關(guān)系。功能控制模塊根據(jù)實(shí)際車輛獲取的狀態(tài)信息判定車輛所處的工況，判定后傳遞相應(yīng)信號至功能模塊。各個(gè)功能模塊由兩部分組成，為控制部分和輸出部分，控制部分主要是判定當(dāng)前實(shí)車工作目標(biāo)信號，輸出部分主要是傳遞目標(biāo)信號至仿真軟件。信號輸出模塊是將各個(gè)功能模塊的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)通過信號輸出模塊傳遞至Cruise中去控制Cruise各個(gè)部件工作。Simulink建立控制策略模型在總體上是根據(jù)博世的BRS策略來建立，其中電動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)模式，扭矩分配模式選擇模型設(shè)計(jì)如圖所示4。

圖5 模式選擇控制策略

4 聯(lián)合仿真分析

本方案基于Cruise整車數(shù)據(jù)模型和48V混動(dòng)車的Cruise數(shù)據(jù)模型，建立Simulink控制策略，然后進(jìn)行聯(lián)合仿真和結(jié)果對比。根據(jù)主機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)，參照OEM換擋策略，重新設(shè)計(jì)新的MT車型換擋點(diǎn)，新舊換擋策略分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 新?lián)Q擋策略分析結(jié)果

針對5MT和5MT_48V輕混方案車型的動(dòng)力性進(jìn)行計(jì)算任務(wù)設(shè)置，仿真結(jié)果如表2所示，針對5MT和5MT_48V輕混方案車型的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行NEDC循環(huán)工況計(jì)算任務(wù)設(shè)置，仿真結(jié)果如表3所示。

表2 動(dòng)力性及電池SOC值分析結(jié)果

表3 燃油經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)實(shí)車油耗測試，不帶BRS策略的原車NEDC工況試驗(yàn)油耗為6.16L/100km和6.20L/100km，帶BRS控制策略的NEDC工況試驗(yàn)油耗結(jié)果為5.54L/100km和5.56/100km，BRS控制策略節(jié)約10.2%。

由仿真分析結(jié)果得出，5MT_48V輕度混動(dòng)車型動(dòng)力性優(yōu)于5MT傳統(tǒng)車型；經(jīng)濟(jì)性方面，根據(jù)NEDC工況原換擋策略，得出5MT_48V輕度混動(dòng)車型油耗相對于傳統(tǒng)車型節(jié)油約9.8%。根據(jù)NEDC工況優(yōu)化的新?lián)Q擋策略，得出5MT_48V輕度混動(dòng)車型油耗相對于傳統(tǒng)車型節(jié)油約14.9%。

由以上的結(jié)果對比可知，Cruise仿真分析結(jié)果與實(shí)車測試結(jié)果非常接近，并且節(jié)油率均超過10%，證明本設(shè)計(jì)方案達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

[1] 徐達(dá)偉,回春.基于Cruise的純電動(dòng)客車仿真分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版）,2015(2).

[2] 黃凱,邱煥堯,王宏明.基于cruise的純電動(dòng)整車控制策略研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018(17).

[3] 嚴(yán)運(yùn)兵.電動(dòng)汽車概論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:19-65.

[4] 朱鵬飛,趙文杰,許宏云.基于CRUISE純電動(dòng)汽車匹配計(jì)算與仿真[J].新能源汽車,2012(9).

[5] 劉雨龍.基于Cruise對乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)對于汽車性能影響的匹配與分析[J].時(shí)代汽車,2018(12).

[6] 楊舒樂.基于Matlab與Cruise聯(lián)合仿真的插電式混合動(dòng)力汽車控制策略研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2017(24).

Simulation Analysis of a 48V MildHybrid Vehicle Based on Cruise and Simulink

Feng Fan1, Huang Yunxi2, Liu You3

（1.Shaanxi Institute of Technology, Shaanxi Xi'an 710300; 2.Alsn Auto R&D CO., LTD, Guangxi Liuzhou 545007; 3.AISN Innovative Design and Manufacturing CO., LTD, Hunan Changsha 410205）

Cruise and Simulink jointly model and simulate vehicles suitable for various structures, enabling researchers to develop complex control algorithms that can effectively improve the development efficiency of hybrid vehicles.Based on Cruise, build a 5MT original car and 48V-iBSG motor system hybrid car model, re-plan a new shift strategy, apply Simulink to build a mild hybrid control strategy model, and calculate the vehicle dynamics and fuel economy through Cruise and Simulink simulation analysis.And compared with the original model results,the feasibility of the simulation analysis program is verified.

Cruise; Simulation analysis; Control strategy; Dynamics

U469.79

A

1671-7988(2019)09-07-04

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1671-7988(2019)09-07-04

馮帆，碩士，講師，就職于陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：汽車計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.002