基于Matlab/GUI的混合動力汽車教學仿真平臺設(shè)計

孫少華， 吳寶貴， 鄒宇鵬， 王新慶， 趙學進

(中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島266580)

0 引言

新能源汽車因高效率、低排放和低噪聲等優(yōu)勢，被視為解決能源危機和環(huán)境污染兩個全球性難題的重要途徑之一［1-3］?；旌蟿恿ζ嚰染邆鋬?nèi)燃機動力性好和持續(xù)工作時間長的優(yōu)點，又具備電機零污染和低噪聲的好處，是新能源汽車中最具產(chǎn)業(yè)化和市場化前景的產(chǎn)品［4-6］。以服務(wù)國家新能源汽車戰(zhàn)略發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求為導向，培養(yǎng)一批具有堅實理論基礎(chǔ)和實踐創(chuàng)新能力的混合動力汽車卓越人才十分迫切。

“混合動力汽車技術(shù)”作為車輛工程的專業(yè)核心課，涉及機電工程、電力電子、電化學、控制工程、汽車電子和車輛工程等多學科，是一門實踐性和綜合性很強的課程［7］。作為本課程的核心內(nèi)容，整車動力傳動系統(tǒng)匹配、發(fā)動機和電動機控制、動力電池管理、整車能量管理控制、車輛動力性、經(jīng)濟性和排放性計算及再生制動功能等知識的理論性和系統(tǒng)性較強，必須結(jié)合實踐教學環(huán)節(jié)，借助混合動力驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺和整車試驗平臺開展實驗教學，提高理論教學的效果［8］。由于當前實驗設(shè)備匱乏和實驗室建設(shè)不完善等問題，課程需求的實驗難以順利開展，難以實現(xiàn)理論知識傳授與實踐能力培養(yǎng)的有機結(jié)合，取得的教學效果不佳。

近年來關(guān)于混合動力汽車仿真平臺的研究很多，主要涵蓋整車開發(fā)流程中的動力系統(tǒng)匹配和參數(shù)優(yōu)化，動力性能，燃油經(jīng)濟性能與排放性能的仿真，電機控制策略和電池SOC管理策略的仿真［9-13］，但均處于科研層面，對本科教學不具有直接移植和借鑒。目前專門面向本科學生群體，專業(yè)服務(wù)于車輛工程本科教學的混合動力汽車仿真模型及虛擬實驗平臺等教學資源匱乏，制約了相關(guān)課程的教學效果和學生實踐能力的培養(yǎng)。

以面向本科生和服務(wù)本科教學為導向，利用Matlab便捷的圖形用戶界面(Graphical User Inteface，GUI)和強大的建模仿真工具Simulink，設(shè)計一種包括整車、發(fā)動機、電動機、發(fā)電機、變速器、主減速器、車輪、電池等模型和行駛工況在內(nèi)的混合動力汽車教學仿真平臺，并涵蓋“混合動力汽車技術(shù)”課程的主要教學內(nèi)容。結(jié)合此平臺，教師在課堂教學中能以人機交互的方式實現(xiàn)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計、動力傳動系統(tǒng)匹配、行駛性能計算和能量管理策略研究等課程核心內(nèi)容的講解和仿真，有助于學生對理論知識的掌握。同時平臺對學生開放自主學習和二次開發(fā)的功能接口，有利于學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以適應(yīng)知識和能力并重的工程人才培養(yǎng)新體系要求。

1 混合動力汽車仿真平臺總體架構(gòu)

混合動力汽車教學仿真平臺為課程教學提供一個交互式的用戶界面，對課程重要內(nèi)容進行動態(tài)仿真，增進學生對理論知識的理解和掌握。結(jié)合課程核心教學內(nèi)容，采用層次化和模塊化的設(shè)計思路，構(gòu)建了混合動力汽車教學仿真平臺，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

混合動力汽車教學仿真平臺分為3個層次。最上層為混合動力汽車GUI仿真界面，其中包括平臺主界面、車輛參數(shù)設(shè)置界面、運行工況設(shè)置界面和仿真結(jié)果顯示界面。用戶可通過GUI界面確定混合動力驅(qū)動系統(tǒng)方案，設(shè)置車輛動力參數(shù)，選擇車輛運行工況，對混合動力汽車的綜合行駛性能和能量管理控制策略進行仿真，并將仿真結(jié)果以圖形方式顯示。

中間層為模型接口調(diào)用層，通過接口函數(shù)文件中的跨空間傳遞函數(shù)完成GUI和Simulink模型數(shù)據(jù)的共享［14］，主要功能有兩點:①利用 GUI界面實現(xiàn)對Simulink模型參數(shù)賦值，進行仿真計算;②將Simulink模型計算仿真結(jié)果調(diào)用至工作空間，用于GUI仿真界面顯示。

最底層為混合動力汽車Simulink模型，主要包括整車、發(fā)動機、電動機、發(fā)電機、電池、變速器、主減速器、車輪和運行工況等模型。模型采用模塊化設(shè)計理念，可移植性強;開放二次開發(fā)功能，用戶可根據(jù)需求自行修改和完善。

圖1 基于GUI的混合動力汽車教學仿真平臺系統(tǒng)架構(gòu)

2 基于GUI的混合動力汽車教學仿真平臺的實現(xiàn)

圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境(Graphical User Interface Development Environment，GUIDE)，向用戶提供一系列創(chuàng)建用戶圖形界面的工具，簡化了GUI設(shè)計和生成的過程［15］。GUIDE將GUI設(shè)計的內(nèi)容保存在兩個文件中，一個是FIG文件，包含對GUI和GUI組件的完整描述;另外一個是M文件，包含控制GUI的代碼和組件的回調(diào)事件代碼［16］。這兩個文件與GUI顯示和編程任務(wù)相對應(yīng)，在版面設(shè)計器中創(chuàng)建GUI時，內(nèi)容保存在FIG文件中;對GUI編程時，內(nèi)容保存在M文件中。

基于GUIDE設(shè)計的混合動力汽車仿真平臺人機交互界面，用戶既能通過GUI界面嵌入仿真程序、設(shè)置仿真參數(shù)和編輯底層的仿真模型，又能將仿真的圖形化結(jié)果以人機交互的動態(tài)方式實時顯示出來，界面友好，操作便捷。

2.1 仿真平臺主界面設(shè)計

主界面由標題、封面圖片、“開始”按鈕和“退出”按鈕組成，如圖2所示。

用戶點擊“開始”按鈕，系統(tǒng)將進入混合動力汽車仿真界面。主界面右下角的“退出”按鈕用來退出并關(guān)閉仿真平臺的運行。

圖2 混合動力汽車教學仿真平臺主界面

2.2 車輛參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計

點擊主界面“開始”按鈕，系統(tǒng)進入圖3所示的車輛參數(shù)設(shè)置界面。車輛參數(shù)設(shè)置界面主要包括車輛參數(shù)輸入?yún)^(qū)、驅(qū)動系統(tǒng)方案顯示區(qū)、各部件性能曲線選擇/顯示區(qū)和命令按鈕區(qū)。

圖3 車輛參數(shù)設(shè)置界面

2.2.1 車輛參數(shù)輸入?yún)^(qū)

車輛參數(shù)輸入?yún)^(qū)包含“系統(tǒng)參數(shù)文件管理”、“動力系統(tǒng)方案”、“Simulink模型”和“各子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置”4項。

(1)“系統(tǒng)參數(shù)文件管理”選項下設(shè)有子菜單，方便用戶添加、刪除、查看和導入系統(tǒng)參數(shù)文件“system_default.m”?！皊ystem_default.m”中利用 assignin 和evalin指令實現(xiàn)工作空間變量賦值和不同M文件工作空間變量的共享。

(2)“動力系統(tǒng)方案”選項為用戶提供多種典型的混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)方案，如串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式，用戶可根據(jù)自身需求選擇和調(diào)用。

(3)“Simulink模型”選項為用戶提供多種典型混合動力系統(tǒng)方案相應(yīng)的仿真模型。動力系統(tǒng)方案類型確定后，用戶可點擊“Simulink模型”按鈕，系統(tǒng)進入仿真平臺最底層，并打開相應(yīng)的混合動力汽車Simulink模型，該功能通過以下語句實現(xiàn):

圖4所示為一種典型混聯(lián)式混合動力汽車Simulink模型，包含整車、發(fā)動機、電動機、發(fā)電機、變速器、主減速器、車輪、電池和運行工況等子模塊。圖5所示為電動機Simulink子模型。

圖4 典型混聯(lián)式混合動力汽車Simulink模型

模塊化設(shè)計理念和標準化模型接口，便于用戶進行編輯、設(shè)計、添加、組合和應(yīng)用，模型具有可移植性強和用戶二次開發(fā)便捷等優(yōu)點，有助于開放性實驗教學的實施和學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

(4)“各子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置”包括整車、發(fā)動機、電池組、驅(qū)動電動機、發(fā)電機、車輪、變速器和主減速器，以圖6所示的發(fā)動機參數(shù)輸入子界面為例進行介紹。

點擊圖3中“發(fā)動機”按鈕，打開發(fā)動機參數(shù)輸入子界面。用戶可直接輸入飛輪慣性矩、燃油密度、怠速油耗和轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩參數(shù)，發(fā)動機油耗MAP和廢氣排放MAP曲線可采用導入方式進行設(shè)置。用戶亦可通過參數(shù)文件管理選項實現(xiàn)發(fā)動機參數(shù)文件fc_default.m的編輯，該功能通過Callback函數(shù)實現(xiàn)。參數(shù)設(shè)置完畢后，點擊“完成”按鈕，系統(tǒng)將回到車輛參數(shù)設(shè)置界面;點擊“保存”按鈕，系統(tǒng)將發(fā)動機參數(shù)保存至Workspace中。

圖5 電動機Simulink子模型

圖6 發(fā)動機參數(shù)輸入子界面

2.2.2 驅(qū)動系統(tǒng)方案顯示區(qū)

動力系統(tǒng)方案選擇完畢后，該區(qū)域就會顯示混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置方案，用戶可以直觀了解和掌握混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、工作原理和動力傳遞路線。驅(qū)動系統(tǒng)方案的顯示功能通過M文件中的imread和inshow函數(shù)實現(xiàn)。

2.2.3 各部件性能曲線選擇/顯示區(qū)

各部件參數(shù)設(shè)置完畢后，用戶利用部件性能曲線選擇菜單，可將所需的核心部件相應(yīng)性能曲線直觀的顯示到該區(qū)域，提高學生對混合動力系統(tǒng)核心部件關(guān)鍵性能的感性認知，加深對課程相關(guān)理論知識的理解和掌握。供用戶選擇/顯示的曲線包括:發(fā)動機外特性曲線、油耗MAP和最大功率曲線;電動機效率MAP、外特性曲線和最大功率曲線;發(fā)電機效率MAP、外特性曲線和最大功率曲線;電池充放電效率曲線、開路電壓—SOC曲線和內(nèi)阻—SOC曲線。

2.2.4 命令按鈕區(qū)

設(shè)置了“下一步”、“后退”、“保存”和“幫助”4個按鈕?！跋乱徊健焙汀昂笸恕卑粹o分別控制進入下一層和回到上一層的操作;“保存”按鈕用于系統(tǒng)自動保存車輛參數(shù)文件;“幫助”按鈕用于提示用戶進行參數(shù)設(shè)置時的注意事項和解答參數(shù)設(shè)置過程中出現(xiàn)的問題。

2.3 運行工況設(shè)置界面設(shè)計

車輛參數(shù)設(shè)置完畢后，點擊“下一步”按鈕，進入運行工況仿真設(shè)置界面，如圖7所示。該界面設(shè)有循環(huán)工況參數(shù)設(shè)置及顯示區(qū)、車輛載重工況設(shè)置區(qū)、能量管理仿真設(shè)置區(qū)、再生制動仿真設(shè)置區(qū)、動力性能仿真設(shè)置區(qū)和命令按鈕區(qū)。

圖7 運行工況仿真設(shè)置界面

2.3.1 循環(huán)工況參數(shù)設(shè)置及顯示區(qū)

針對復雜行駛工況下混合動力汽車動力性、經(jīng)濟性、排放性和能量管理策略的仿真需求，平臺提供多種典型循環(huán)工況，用戶可通過“循環(huán)工況”下拉菜單選擇仿真所需的工況類別，并通過“循環(huán)工況數(shù)”設(shè)置循環(huán)次數(shù)。若用戶需要多循環(huán)工況組合，可點擊“自定義工況”按鈕，通過工況類型、循環(huán)次數(shù)和排列順序進行設(shè)置，如圖8所示。循環(huán)工況設(shè)置完畢后，該工況對應(yīng)的車速-時間曲線就會顯示到圖7的右上部。模擬試驗道路的坡度可通過“道路坡度”單選框進行設(shè)置。

圖8 自定義工況設(shè)置界面

2.3.2 車輛載重工況設(shè)置區(qū)

用戶可根據(jù)需求設(shè)置車輛運行過程中的載重及其變化。若車輛運行過程中載質(zhì)量不變，可選中“載重為常數(shù)”單選框，通過“載重量”文本框設(shè)置一個固定值;對于混合動力公交車和物流車等在運行過程中載重量時常變化的車輛，可設(shè)置載重量隨行駛里程的變化規(guī)律。

2.3.3 能量管理仿真設(shè)置區(qū)

該區(qū)包括 cs_hi_soc、cs_lo_soc、cs_ev_lnc_spd、cs_off_trq_frac、cs_min_trq_frac和 cs_charge_trq 6個參數(shù)，對應(yīng)含義如表1所示，用戶可根據(jù)仿真需求進行相應(yīng)設(shè)置。

表1 能量管理策略仿真參數(shù)及含義

2.3.4 再生制動仿真設(shè)置區(qū)

用戶可通過“再生制動功能”單選框選擇是否進行此功能的仿真。再生制動功能仿真時，用戶可利用該區(qū)右側(cè)3個文本框?qū)χ苿訙p速度最大值、中間值和最小值進行設(shè)置。

2.3.5 動力性能仿真設(shè)置區(qū)

采用最高車速、加速時間和最大爬坡度評價混合動力汽車的動力性能。仿真加速時間時，用戶可選中“加速性能參數(shù)”單選框，并對仿真初速度和末速度進行設(shè)置。仿真最大爬坡度時，用戶可選中“爬坡度參數(shù)”單選框，并對爬坡車速和路面附著系數(shù)進行設(shè)置。

2.3.6 命令按鈕區(qū)

設(shè)置了“計算”、“后退”和“幫助”3個按鈕。點擊“計算”按鈕，系統(tǒng)將執(zhí)行仿真指令;點擊“后退”按鈕，系統(tǒng)將回到上一層界面;點擊“幫助”按鈕，可了解運行工況設(shè)置界面的相關(guān)注意事項。

2.4 仿真結(jié)果顯示界面設(shè)計

車輛參數(shù)和運行工況設(shè)置完畢后，用戶點擊運行工況設(shè)置界面中的“運行”按鈕，系統(tǒng)將根據(jù)預設(shè)參數(shù)和模型進行仿真，仿真結(jié)果顯示界面如圖9所示。該界面設(shè)置了仿真曲線選擇/顯示區(qū)、仿真數(shù)值顯示區(qū)、仿真警告顯示區(qū)和命令按鈕區(qū)，界面形象生動、使用方便、交互性強，為用戶提供直觀的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)和曲線。

圖9 仿真結(jié)果顯示界面

2.4.1 仿真曲線選擇/顯示區(qū)

用戶可通過仿真曲線選擇功能區(qū)，選擇要顯示的部件、曲線類型和顯示窗口，右側(cè)顯示區(qū)的窗口1和2就會呈現(xiàn)相應(yīng)的仿真曲線。用戶還可利用仿真曲線選擇功能區(qū)的“放大”、“hold on”、“顯示網(wǎng)格”單選框和“恢復”按鈕實現(xiàn)對仿真曲線的相關(guān)操作。

2.4.2 仿真數(shù)值顯示區(qū)

該區(qū)分為經(jīng)濟性、動力性、排放性和再生制動4個計算結(jié)果顯示窗口。經(jīng)濟性計算指標包括“油耗”“電池SOC變化”“行駛距離”和“百公里油耗”;動力性計算指標包括“最大加速度”“最高車速”“0～100 km/h加速時間”“最大爬坡度”和“30 km/h爬坡度”;排放性計算指標包括“每公里HC排放量”“每公里CO排放量”“每公里NOx排放量”和“每公里PM排放量”;再生制動計算指標包括“制動能量回收效率”“前輪制動能量所占百分比”和“后輪制動能量所占百分比”。

2.4.3 仿真警告顯示區(qū)

用于提示用戶仿真過程中出現(xiàn)的錯誤和警告。

2.4.4 命令按鈕區(qū)

設(shè)置了“后退”“退出”和“幫助”3個按鈕。點擊“后退”按鈕，回到上一層界面;點擊“退出”按鈕，退出仿真平臺;點擊“幫助”按鈕，用戶可了解仿真結(jié)果選擇/顯示的相關(guān)問題及解決方法。

3 仿真結(jié)果分析

應(yīng)用混合動力汽車教學仿真平臺對某混合動力汽車的行駛性能進行仿真，圖10所示為車輛在ECE+EUDC循環(huán)工況下的車速—時間、發(fā)動機燃油消耗率—時間、電動機轉(zhuǎn)矩—時間和電池SOC值—時間的變化曲線。

圖10 ECE+EUDC循環(huán)工況下的仿真曲線

混合動力汽車部分性能指標仿真結(jié)果及目標車輛實車數(shù)據(jù)見表2。

表2 混合動力汽車整車性能指標仿真結(jié)果及目標車數(shù)據(jù)

通過表2數(shù)據(jù)對比可見，車輛性能仿真結(jié)果與量產(chǎn)目標車型實車數(shù)據(jù)基本相同，數(shù)據(jù)相對誤差均在7%以內(nèi)，綜合考慮建模仿真時的合理假設(shè)和實車工況的復雜程度，此誤差屬于合理范圍。這表明所建立的混合動力汽車教學仿真平臺準確性較高，可應(yīng)用到本課程的理論和實驗教學環(huán)節(jié)中，促進學生理論知識的掌握和實踐創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

4 結(jié)語

計算機仿真是“混合動力汽車技術(shù)”課程教學的一種有效手段，既可輔助理論教學，也可輔助實驗教學?；旌蟿恿ζ嚱虒W仿真平臺涵蓋了整車、發(fā)動機、電動機、發(fā)電機、電池、變速器、主減速器、車輪和運行工況等大部分教學內(nèi)容，并且集混合驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力傳動系統(tǒng)匹配、整車及核心部件參數(shù)值設(shè)置、車輛動力性、經(jīng)濟性和排放性能預測、能量管理和驅(qū)動模式切換策略仿真、仿真結(jié)果顯示和分析于一體。該平臺有利于開展研究性和開放性實驗教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，激發(fā)學生的科研興趣，對于推進討論式教學、案例教學等教學方法和合作式教學方式，提高學生自主學習和獨立研究的能力具有重要的意義。