基于GT-drive的整車控制策略研究*

王志紅　張　飛　杜長清　楊慧萍　劉　云

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室　汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心1)　武漢　430000) (鄭州日產(chǎn)汽車有限公司2)　鄭州　450000)

基于GT-drive的整車控制策略研究*

王志紅1,2)張飛1)杜長清1)楊慧萍1)劉云1)

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心1)武漢430000) (鄭州日產(chǎn)汽車有限公司2)鄭州450000)

摘要：將國內(nèi)某款乘用車改裝成插電式混合動力汽車(PHEV)，對其中整車控制策略進(jìn)行研究設(shè)計.根據(jù)不同工況控制需求，設(shè)計出整車喚醒、動力控制、制動能量回收等策略.應(yīng)用仿真軟件GT-drive進(jìn)行仿真分析.結(jié)果表明，設(shè)計的控制策略滿足車輛設(shè)計指標(biāo)，以電為主的控制策略下油耗為3.92 L·(100 km)-1，相比較原車型節(jié)油48.5%.同時在FTP75工況模擬運行中，很好的實現(xiàn)能量在發(fā)動機和電機之間的分配.

關(guān)鍵詞：插電式混合動力汽車;整車控制策略;GT-drive

0引言

為應(yīng)對汽車燃料消耗快速增長及由此引起的能源和環(huán)境問題，我國發(fā)布了乘用車燃料消耗量第四階段標(biāo)準(zhǔn)，針對2020年我國乘用車產(chǎn)品平均燃料消耗量達(dá)到5 L·(100 km)-1的目標(biāo)，國內(nèi)各大汽車整車廠紛紛將眼光投向新能源汽車領(lǐng)域.

作為插電式混合汽車控制系統(tǒng)中重要一部分，整車控制決定了該混合動力汽車的性能.由于PHEV存在兩種以上的動力源和多種工作模式，且它們之間又存在復(fù)雜的耦合模式，所以必須根據(jù)不同的工況對電機和發(fā)動機進(jìn)行合理的能量分配，以達(dá)到車輛最佳的動力性能、燃油經(jīng)濟性和排放性能PHEV整車結(jié)構(gòu)[1-2].

1PHEV整車構(gòu)成

所研究的PHEV是在原有車型的平臺上，對其動力系統(tǒng)進(jìn)行改裝.現(xiàn)有結(jié)構(gòu)保留了原先發(fā)動機，將五檔變速器改為CVT無級變速器，改善駕駛員的操縱方便性和乘員的乘坐舒適性.同時增加牽引電機和輔助電機以及動力電池.在電機的選擇上，選用開關(guān)磁阻電機，具有啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流低、適用于頻繁啟停及正反向轉(zhuǎn)換運行等工況，整車主要參數(shù)見表1.

表1　PHEV主要參數(shù)

在混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置方面，PHEV采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，發(fā)動機和動力電池作為獨立動力源可同時車輛提供動力.整車控制器位于整車架構(gòu)的頂層，負(fù)責(zé)接受其他控制器及電器的信號，并對這些信號做出處理，通過計算得出結(jié)論，利用CAN總線將這些指令傳送給相應(yīng)的電器模塊，然后其他控制器或者電器根據(jù)得到的命令進(jìn)行相應(yīng)的動作，以此來實現(xiàn)整車的驅(qū)動控制、能量管理控制、安全管理控制等功能[3].整車動力系統(tǒng)結(jié)見圖1.

圖1　整車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整車控制器位于整車架構(gòu)的頂層，負(fù)責(zé)接受其他控制器及電器的信號，并對這些信號做出處理，通過計算得出結(jié)論，利用CAN 總線將這些指令傳送給相應(yīng)的電器模塊，然后其他控制器或者電器根據(jù)得到的命令進(jìn)行相應(yīng)的動作，以此來實現(xiàn)整車的驅(qū)動控制、能量管理控制、安全管理控制等功能.

2整車控制策略

合理的整車控制策略，是混合動力汽車獲得良好的燃油經(jīng)濟性、動力性和舒適平穩(wěn)的駕駛性的前提[4].它需要決定進(jìn)入某個激活的車輛狀態(tài)(OFF，行車模式、充電模式等)，并且根據(jù)輸入觸發(fā)條件切換到另一個車輛狀態(tài)，同時也需要根據(jù)車輛不同的需求，在發(fā)動機和電機之間合理的分配轉(zhuǎn)矩.

2.1整車系統(tǒng)喚醒控制策略

2.1.1停車充電喚醒控制策略

插電式混合動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車相比除了增加一個動力源，還具備停車外插充電功能.因此插電式混合動力系統(tǒng)整車喚醒功能除了通過鑰匙激活以外，還需考慮通過充電槍激活整車系統(tǒng).

由圖2可知，車輛處于停車靜止，此時進(jìn)行停車充電.當(dāng)檢測到充電槍插入信號時，12 V的弱電會給整車系統(tǒng)上電，充電機、VMS等進(jìn)行自檢，檢查系統(tǒng)是否能夠正常進(jìn)行充電，當(dāng)自檢通過時，VMS則會發(fā)送“激活高壓”指令，當(dāng)高壓激活完成，充電機進(jìn)行充電.當(dāng)自檢未通過，系統(tǒng)會檢測故障并進(jìn)行判斷定級，最終在儀表板上顯示.

2.1.2行車模式喚醒控制策略

行走模式喚醒控制策略流程圖見圖3.

圖2　停車充電喚醒控制策略流程圖

由圖3可知，本文中鑰匙有4個位置：LOCK，ACC，ON，START.當(dāng)鑰匙處于ACC時，輔助電器上電(收音機、真空泵等)；當(dāng)鑰匙處于ON時，空調(diào)、儀表、冷卻風(fēng)扇、水泵等器件上電，并開始自檢，為高壓激活做準(zhǔn)備.高壓激活分為兩個步驟，首先進(jìn)行預(yù)充電，在預(yù)充電過程中會對高壓總線電壓及其他參數(shù)進(jìn)行實時檢測，當(dāng)檢測未通過時，終止預(yù)充電;當(dāng)鑰匙處于START時，如果整車準(zhǔn)備好(預(yù)充電完成)，VCU將閉合主繼電器，斷開預(yù)充電繼電器，高壓激活完成，整車實現(xiàn)喚醒.

2.2整車驅(qū)動控制控制策略

當(dāng)整車已被喚醒時，系統(tǒng)接收駕駛員操作信號并處理，實現(xiàn)整車動驅(qū)動控制.與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動控制的不同在于，混合動力系統(tǒng)存在發(fā)動機和電機兩個動力源，不同行駛工況對應(yīng)著不同運行模式，如何在發(fā)動機和電機之間分配動力以及切換不用運行模式是驅(qū)動控制策略的重點[5].

目前混合動力汽車控制策略主要分為規(guī)則型控制策略和最優(yōu)化控制策略.規(guī)則型控制策略因控制簡單、效果好被廣泛應(yīng)用.為了充分利用電網(wǎng)電能，最大化的減少發(fā)動機的使用，設(shè)計的PHEV驅(qū)動控制策略采用以電為主的規(guī)則控制策略，車輛運行的能量主要來自電機，發(fā)動機主要在某些特定情況使用.

PHEV有3種運行模式：純電動模式(EV)、混合動力模式(HEV)、制動模式.在HEV中根據(jù)電機的作用又可分為輔助模式和發(fā)電模式.不同模式切換控制策略如下.

當(dāng)SOC≤SOCsafe，禁止行車.

圖3　行走模式喚醒控制策略流程圖

當(dāng)SOCsafe

當(dāng)SOCev≤SOC且Tm-max≥Treq，車輛進(jìn)入EV模式，發(fā)動機關(guān)閉，牽引電機工作提供全部驅(qū)動力矩.Teng=0，Tm=Treq.

當(dāng)SOCev≤SOC且Tm-max

若Teng-eco

若Teng-eco≥Treq，車輛進(jìn)入輔助模式，電機輔助發(fā)動機工作，盡可能的多利用電機輸出轉(zhuǎn)矩，不同模式切換流程見圖4.

圖4　運行模式切換

圖中：SOCsafe，SOCnor，SOCev分別為車輛安全行駛、正常行駛和EV模式下行駛最低SOC限值；Treq為車輛需求轉(zhuǎn)矩；Tm-max為電機最大轉(zhuǎn)矩；Teng-eco為發(fā)動機在經(jīng)濟高效區(qū)域轉(zhuǎn)矩.

2.3制動能量回收控制策略

制動能量回收是混合動力系統(tǒng)控制最重要的一部分，在一定程度上決定了整車的動力性和經(jīng)濟性.所謂的制動能量回收是指汽車在制動或滑行時，驅(qū)動電機利用車輪的反向拖動，產(chǎn)生一個反向力矩，此時驅(qū)動電機轉(zhuǎn)化為發(fā)電機，將電能儲存在蓄電池，將原本以熱能消失的能量回收再利用.整車制動能量回收控制流程見圖5.

圖5　制動能量回收控制策略流程圖

回收制動是為了能量的有效利用，但并不是每個制動過程都會進(jìn)行，這需要綜合考慮制動回收系統(tǒng)壽命、性能等因素[6-7].目前主要以蓄電池SOC值為參考，當(dāng)電池滿電，此時無法承受大電流充電，主電機能夠提供的制動轉(zhuǎn)矩及其有限，甚至為零.在這種情況下，發(fā)動機將提供全部制動轉(zhuǎn)矩.隨著SOC的降低，主電機回收制動產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩增大.傳動系統(tǒng)將速比設(shè)高，減少發(fā)動機傳遞給輸出軸的制動轉(zhuǎn)矩.在某一時刻，主電機將會提供全部所需的制動轉(zhuǎn)矩，離合器將會提前斷開，保證發(fā)動機提供的制動轉(zhuǎn)矩為零.

回收制動能力還受到電機發(fā)電能力的限制，制動回收的過程中，制動力矩不能超過電機所能提供的最大力矩[8].這就意味著制動力很大時，單獨的電機制動往往不能滿足制動需求，需要機械制動和電機制動共同作用.

3仿真分析

目前電動汽車仿真方法分為前向仿真和后向仿真，前向仿真方法適合用于開發(fā)硬件在回路系統(tǒng)，而后向仿真適用于控制策略的評估與篩選[9].

GT-drive是GT-suite軟件的主要組成部分.GT-drive可以用于車輛的動力性，燃油經(jīng)濟性以及排放性能的仿真，采用模塊化 的建模理念使得用戶可以便捷的搭建不同 配置的車輛模型，具有復(fù)雜完善的求解器，確保計算的快速完成[10].

為了驗證設(shè)計的整車控制策略的可靠性和合理性，利用GT-drive仿真軟件建立整車后向仿真模型，見圖6.

圖6　PHEV整車仿真模型

由圖6可知，整車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用GT-drive中MECHANICAL模塊搭建，如發(fā)動機、變速器、電機等；控制系統(tǒng)則利用CONTROL模塊進(jìn)行模擬.模型搭建后，將整車參數(shù)輸入模型，設(shè)置循環(huán)工況參數(shù)，運行系統(tǒng).

圖7為循環(huán)工況車速圖.由圖7可知，在驗證控制策略驗證的循環(huán)工況選擇上，采用路況復(fù)雜的FTP75.時長1 874 s，最高車速91.45 km·h-1，平均車速34.1 km·h-1，整個過程存在加速、減速、制動等工況.

圖7　循環(huán)工況車速圖

圖8為SOC變化圖，圖9為電機和發(fā)動機功率圖.由圖8～9可知，車輛啟動時SOC值為0.6，電池電量充足，車輛以EV模式運行.啟動后SOC會有短暫上升趨勢，這是因為車輛進(jìn)行急加速，需求轉(zhuǎn)矩大于電機最大轉(zhuǎn)矩，此時雖然電量充足，車輛進(jìn)入HEV模式，發(fā)動機提供轉(zhuǎn)矩的同時為蓄電池充電.隨后SOC整體呈下降趨勢，整車以電消耗為主，發(fā)動機作為輔助動力源.在下降的過程中SOC仍然會有少許波動，這是因為制動過程中制動能量回收的緣故.在整個運行工況中，發(fā)動機工作區(qū)間小，車輛充分利用蓄電池電能提供動力，避免發(fā)動機工作，不同模式間的切換迅速且準(zhǔn)確.

圖8　SOC變化圖

圖9　電機和發(fā)動機功率圖

將仿真結(jié)果與原車型參數(shù)進(jìn)行對比，見表2.

表2　仿真參數(shù)與原車型參數(shù)對比

由表2可知，仿真結(jié)果得到的PHEV各項都滿足要求，其中油耗為3.92 L/(100 km)，比原車節(jié)油48.5%.由于采用原發(fā)動機，增加蓄電池，雖然整車重量增加315 kg，但整車功率也相應(yīng)增加，故動力性得到一定提高.

4結(jié) 束 語

為降低油耗，在傳統(tǒng)車型上進(jìn)行了插電式混合動力汽車改造設(shè)計并在車輛運行的不同階段設(shè)計了不同控制策略.

所設(shè)計的整車控制策略很好地實現(xiàn)了對車輛的控制.根據(jù)以電為主的控制策略仿真結(jié)果油耗為3.92 L/(100 km)，在循環(huán)工況運行中，根據(jù)SOC和轉(zhuǎn)矩需求，整車以純電動模式啟動，先后經(jīng)歷發(fā)動機驅(qū)動并給電池充電、發(fā)動機和電機聯(lián)合驅(qū)動、制動能量回收等模式，在切換過程中迅速且準(zhǔn)確，滿足設(shè)定要求，這為后續(xù)樣機的制作提供了理論基礎(chǔ).

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王云龍，張洪田.混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)模糊控制器研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2013,37(4):733-736.

[2]TONY M, ANDREW S. Plug-In hybrid electric vehicle energy storage system design[C]. Advanced Automotive Battery Conference,2006.

[3]宋雪靜.基于雙MCU的純電動汽車整車控制器硬件設(shè)計[J].汽車電器，2014(5)：33-36.

[4]朱敏曄，趙治國，蕭蘊詩.基于 MPC555 的 HEV 控制系統(tǒng)開發(fā)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2007，24(4):101-103.

[5]吳劍.并聯(lián)式混合動力汽車能量管理策略優(yōu)化研究[D].濟南:山東大學(xué)，2008.

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Research on the Vehicle Control Strategy Based on GT-drive

WANG Zhihong1,2)ZHANG Fei1)DU Changqin1)YANG Huiping1)LIU Yun1)

(WuhanUniversityofTechnologyHubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430000,China)1)(ZhengzhouNissanAutomobileCo.Ltd.,Zhengzhou450000,China)2)

Abstract：In this study, a conventional vehicle is converted into a Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) and the corresponding vehicle control strategy is designed. According to different driving conditions, the vehicle start-up strategy, powertrain control strategy and braking energy recovery strategy are designed. The software GT-drive is used to model and to simulate the PHEV. The analysis results show that the control strategy of PHEV can meet the requirements of vehicle in different driving conditions and the vehicle has good power performance and fuel economy. In the full use of electric energy, the fuel consumption per 100 km is found to be 3.92 L, which is 48.5% lower than that of the traditional vehicle.

Key words：PHEV; vehicle control strategy; GT-drive

收稿日期：2016-04-29

中圖法分類號：U469.72

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.022

王志紅(1980- )：男，講師，主要研究領(lǐng)域為新能源汽車及動力控制

*國家自然科學(xué)基金項目資助(51275367)