基于Cruise & Matlab Simulink的P2混動越野車開發(fā)研究

孫國慶 寇西征 安琴 周振華 余翔宇

摘 ?要：混合動力技術(shù)是當前越野車領域的重要發(fā)展方向。論文基于某型P2混動越野車，首先根據(jù)車輛功能要求及P2構(gòu)型特點，定義整車功能;根據(jù)整車功能定義，通過理論計算初步選定動力系統(tǒng)參數(shù)， 然后利用AVL Cruise & Matlab/simulink進行了整車動力性經(jīng)濟性聯(lián)合仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果，對仿真控制策略進行了優(yōu)化，最終達成整車動力性經(jīng)濟性設計指標。論文對越野車P2混動構(gòu)型開發(fā)具有一定的指導作用。

關(guān)鍵詞：越野車;混合動力; P2;Cruise;控制策略

中圖分類號：U462.2;U462.3 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2022）01-0081-06

Research On Development Of P2 Configuration Off-Road Vehicle Based On Cruise & Matlab Simulink

SUN Guo-qing， KOU Xi-zheng， AN Qin， ZHOU Zhen-hua， YU Xiang-yu

（ DongFeng off-road vehicle Co.， Ltd， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The hybrid technology is an important development direction in the field of off-road vehicle. Based on a certain of P2 configuration of Hybrid Off-road Vehicle， firstly， the whole vehicle function is defined according to the vehicle function requirements and P2 configuration characteristics; according to the vehicle design requirements， the powertrain parameters are preliminarily selected through theoretical calculation， and then the vehicle dynamic and economic joint simulation is carried out by using AVL Cruise & Matlab / Simulink， The simulation control strategy is optimized to achieve the vehicle power and economic design index. This paper has a certain guiding role on the development of hybrid vehicle configuration.

Key words： off-road Vehicle; HEV; ?P2; ?cruise; control Strategy

隨著國家油耗、排放法規(guī)的不斷升級及國家能源戰(zhàn)略的引導，新能源汽車得到了快速發(fā)展。在純電技術(shù)尚未取得重大突破之前，混合動力系統(tǒng)逐漸成為各大汽車公司重點發(fā)展的技術(shù)方案，將會與傳統(tǒng)動力系統(tǒng)、純電動系統(tǒng)長期并存。越野車工作環(huán)境惡劣、工況復雜，對動力性要求高;而適用于普通商用車的油耗法規(guī)則是民用越野車發(fā)展的一大難題。在傳統(tǒng)發(fā)動機節(jié)能技術(shù)難以取得突破的情況下，混合動力技術(shù)是解決民用越野車油耗法規(guī)問題的一條重要途徑。

1 ? ?概述

混合動力汽車有多種分類方式。常見的按動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三類[1]。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)因為其良好的動力性經(jīng)濟性在國內(nèi)外得到了廣泛應用。根據(jù)電機位置的不同，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)又可分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4等多種構(gòu)型（P，Parallel，并聯(lián)式）。如圖1所示，P0～P4用來區(qū)分各種有變速箱的并聯(lián)混動構(gòu)型。

P2構(gòu)型的特點是電機處于發(fā)動機和變速箱之間，發(fā)動機和電機之間有C0離合器，電機既可以單獨驅(qū)動，也可以與發(fā)動機聯(lián)合驅(qū)動。在制動能量回收和滑行模式下， P2可以切斷與發(fā)動機的連接，提高能量回收效率。在結(jié)構(gòu)上，P2能與現(xiàn)有的變速箱集成。越野車采用P2構(gòu)型，能在保證動力性的同時，兼顧經(jīng)濟性指標。

圖1 并聯(lián)式構(gòu)型及其分類

某型越野車為4×4全時四驅(qū)民用車輛，根據(jù)車輛功能需求，考慮采用基于AT的P2油電混動構(gòu)型。整車設計指標如下：

（1）最高車速Vamax≥140km/h（對于混合動力汽車來說，該指標定義為30min最高車速和1km最高車速[2]）;

（2）最大爬坡度tanαmax≥60%;

（3）加速時間：要求0～100km/h 原地起步加速時間t≤18s。

（4）車輛最大設計總質(zhì)量5.6t，根據(jù)重型商用車油耗限值法規(guī)，同時考慮一定的余量，要求C-WTVC循環(huán)工況油耗限值≤11L/100km。

其它參數(shù)：車輛迎風面積A;空氣阻力系數(shù)CD;滾動阻力系數(shù)f;輪胎滾動半徑r，單位m。

2 ? ?構(gòu)型及功能定義

該型P2構(gòu)型越野車動力傳動系統(tǒng)路線如圖2所示。整車開發(fā)思路如下：通過優(yōu)化發(fā)動機、電機、動力電池、C0離合器的工作狀態(tài)，使發(fā)動機、電機盡可能工作于高效區(qū)，在盡可能保證車輛動力性的同時，達成油耗指標。

該P2構(gòu)型混動越野車整車功能定義如表1所示。通過整車VCU控制各功能模塊的工作狀態(tài)，以期獲得最優(yōu)的動力性和燃油經(jīng)濟性。

3 ? ?動力系統(tǒng)參數(shù)的初步選型

3.1 ? 發(fā)動機&電機參數(shù)的選定

對于P2非插電式混合動力車輛，根據(jù)整車功能定義：常規(guī)行駛時，由發(fā)動機提供能量;急加速或車輛有較大扭矩需求時，由發(fā)動機、電機共同驅(qū)動;低速、怠速行駛時，進入純電模式。由此，可計算動力源總功率及發(fā)動機、電機功率參數(shù)[3，4，5]。

3.1.1 動力源總功率的確定

a.根據(jù)設計最高車速計算的整車最大總功率：

式中，ηT為傳動系機械效率;ηm為發(fā)動機附件損失修正系數(shù);Vmax為車輛最高車速，單位：km/h。

b.根據(jù)最大爬坡度計算的整車最大總功率：

式中，Vp為最大爬坡度對應的車速，單位：km/h;αmax為最大坡度角。

c.根據(jù)加速性能計算的整車最大總功率：

式中，Vf為加速結(jié)束后的車速，單位m/s;Vb為驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速對應的車速，單位m/s;ρa為空氣密度;ta為預期的加速時間，單位s;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

對于以上動力性三項指標計算的各自最大功率，動力源總功率需滿足：

3.1.2 發(fā)動機最大功率的確定

根據(jù)整車功能定義，發(fā)動機最大功率需滿足車輛以最高車速行駛時的功率需求，故發(fā)動機最大功率需滿足：

（5）

3.1.3 電機功率參數(shù)的確定

由（4）式可知，電機峰值功率需滿足：

（6）

考慮電機的過載特性，若λ為電機過載系數(shù)，則驅(qū)動電機的額定功率為：

由此，可初步選定發(fā)動機、電機功率參數(shù)。發(fā)動機、電機的扭矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)可根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系綜合考慮計算：

3.2 ? 動力電池參數(shù)選型

動力電池匹配主要分為能量匹配和功率匹配[5]。

動力電池組的能量取決于純電續(xù)駛里程要求，電池組的能量越大，純電續(xù)駛里程越長，但整車重量和成本隨之增加。油電混動車型在保證車輛純電續(xù)駛里程要求的情況下，動力電池組能量應盡可能小。動力電池組的總能量計算公式為：

式中，S為設定純電續(xù)駛里程，單位km，在基于循環(huán)工況油耗的混合動力電池參數(shù)選型時，S可根據(jù)循環(huán)工況特征設定;ζSOC為蓄電池放電深度（%）;SO為單位能量純電續(xù)駛里程（km/kwh），該值可根據(jù)純電行駛條件計算得到，也可以參考同類車型統(tǒng)計值。通常在計算時，由于電池SOC特性的變化，動力電池組的總能量需要考慮一定的余量。

動力電池組必須滿足驅(qū)動電機驅(qū)動、發(fā)電時的最大功率需求。動力電池組充放電額定功率、峰值功率要不低于驅(qū)動電機額定功率、峰值功率，并盡可能通過電池管理系統(tǒng)使動力電池的充放電功率與電機功率相匹配，以提高充放電效率。

3.3 ? 傳動系參數(shù)計算

a.根據(jù)車輛最高車速確定最小傳動比范圍[3，6]：

式中，np為發(fā)動機、電機耦合最大轉(zhuǎn)速。

b.根據(jù)理論最大爬坡度確定最大傳動比范圍：

式中，Temmax為發(fā)動機、電機最大耦合轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)P2混動越野車總體設計要求，減速系統(tǒng)分為變速箱、分動箱、主減速器三級，總傳動比公式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（12）

式中，ig 為變速箱各檔傳動比，io 為分動箱傳動比，ic 為主減速器傳動比。根據(jù)P2混動越野車總體設計要求，結(jié)合車輛使用工況特點及現(xiàn)有供應商產(chǎn)品數(shù)據(jù)，最終確定越野車傳動系及速比方案[6]。

3.4 ? 選型小結(jié)

綜上，初步計算選定發(fā)動機、電機、動力電池等主要參數(shù)，如表2所示：

4 ? ?整車動力性經(jīng)濟性仿真

4.1 ? 整車動力性經(jīng)濟性仿真概述

用AVL Cruise軟件建立P2混動越野車動力性經(jīng)濟性仿真模型，用Matlab/simulink模塊設置仿真控制策略，根據(jù)《GB/T 19752-2005 混合動力電動汽車動力性能試驗方法》[2]及《GB/T 19754-2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》[7]設置動力性經(jīng)濟性計算任務?；贏VL Cruise與Matlab/simulink的DLL接口或API接口，進行AVL Cruise & Matlab/simulink聯(lián)合仿真。仿真數(shù)模如圖3所示。

根據(jù)《GB/T 19754-2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》的規(guī)定，對于不可外接充電型混合動力電動汽車，需要計算車輛C-WTVC循環(huán)工況的等效燃料消耗量，整車控制策略需保證車輛在循環(huán)工況前后SOC平衡，根據(jù)GB/T 19754的規(guī)定，循環(huán)工況油耗計算任務中限定電量消耗絕對值在整個循環(huán)工況中的能量消耗比例不高于±1%。

4.2 ? 仿真控制策略設置

控制策略定義：混動模式下，發(fā)動機、電機通過轉(zhuǎn)矩耦合共同驅(qū)動車輛，混動工作模式及扭矩判斷邏輯如圖6所示。a.設置純電行駛條件：1、車速限值;2、請求功率限值;3、P2扭矩/功率容量;4、SOC水平;5、暖機階段（保留）等。b.設置混合動力驅(qū)動條件：1、車速限值;2、扭矩、功率條件;3、變速箱各檔位限扭要求;4、SOC水平等。c.強制純發(fā)動機驅(qū)動條件。

各功能模式下零部件工作狀態(tài)：1、發(fā)動機啟動，由電機啟動發(fā)動機;2、純電驅(qū)動/蠕行;3、扭矩助力，整車由大扭矩需求時，發(fā)動機/電機聯(lián)合驅(qū)動;4、發(fā)動機工況點轉(zhuǎn)移，在循環(huán)工況過程中，為了保證發(fā)動機始終處于高效區(qū)，要通過行車充電狀態(tài)來調(diào)整發(fā)動機工況點;5、制動能量回收;6、怠速充電模式，即駐車充電功能;7、強制行車充電，行車過程中，當動力電池電量低于一定限值時，電機需要強制對動力電池充電，以滿足整車高低壓供電需求;8、傳統(tǒng)驅(qū)動，根據(jù)整車功能定義，預留強制純發(fā)動機驅(qū)動功能。

4.3 ? 動力性經(jīng)濟性仿真

按上述控制策略進行AVL Cruise & Matlab/simulink聯(lián)合仿真;設置對應的動力電池SOC初始值，分別開展動力性、經(jīng)濟性指標計算。仿真結(jié)果如表3所示。仿真結(jié)果表明，除循環(huán)工況油耗指標外，該P2混動越野車動力性各項指標均達標。研究如何在保證不降低整車動力性的情況下，降低循環(huán)工況油耗指標，是后續(xù)仿真優(yōu)化的一項重要任務。

4.4 ? 仿真及控制策略優(yōu)化

4.4.1 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果顯示，該P2混動越野車C-WTVC循環(huán)過程中發(fā)動機、電機工況點尚有大部分分布于低效率區(qū)，導致燃油經(jīng)濟性差。由于受車輛其它條件限制，整車參數(shù)和變速箱換檔策略很難調(diào)整，研究在盡可能不改動整車參數(shù)及換檔策略的情況下，優(yōu)化仿真控制策略，以求降低循環(huán)工況油耗。

4.4.2 控制策略優(yōu)化

反復優(yōu)化控制策略，使發(fā)動機和電機工況點盡可能往高效區(qū)轉(zhuǎn)移，同時使動力電池達到SOC平衡。發(fā)動機工況點優(yōu)化前后對比如圖5所示。

4.4.3 仿真優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過仿真控制策略優(yōu)化，最終計算的C- WTVC循環(huán)工況油耗達到10.04L/100km，達成設計指標要求。在保證動力性的前提下，循環(huán)工況油耗得到了改善。

優(yōu)化后的C-WTVC循環(huán)工況動力電池SOC狀態(tài)如圖6所示。整個C-WTVC循環(huán)工況過程中，第一階段市區(qū)工況（0-900s），主要是低速、怠速區(qū)域，以純電驅(qū)動模式為主;第二階段公路工況（900s-1368s），為中低速區(qū)域，以行車充電及純電驅(qū)動等模式相結(jié)合;第三階段高速工況（1368s-1800s）為電量調(diào)整階段，以行車充電模式為主。在C-WTVC循環(huán)工況過程中，為保證發(fā)動機始終工作在高效區(qū)，同時在整個循環(huán)工況過程中保持電量平衡，實際上純發(fā)動機驅(qū)動模式很少。

5 ? ?結(jié)束語

論文定義了P2混動越野車的功能模式，并初步通過理論計算選定了動力系統(tǒng)參數(shù)。然后基于AVL Cruise軟件搭建了仿真模型，用Matlab/simulink軟件設置仿真控制策略，并進行了基于AVL Cruise ?& Matlab/simulink的聯(lián)合仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，對仿真控制策略進行了優(yōu)化，最終達成設計目標值。論文對越野車P2混動構(gòu)型開發(fā)具有一定的指導作用。

參考文獻：

[1]QC/T 837-2010 混合動力電動汽車類型.

[2]GB/T 19752-2005 混合動力電動汽車動力性能試驗方法.

[3]余志生.汽車理論[M].第五版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]彭莫，刁增祥.汽車動力系統(tǒng)計算匹配及評價[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[5]崔勝民.新能源汽車技術(shù)解析 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2017.

[6]孫國慶，孟建軍，葉建偉等.基于Cruise的越野車動力匹配技術(shù)研究[J].汽車科技，2018（5）：29-33.

[7]GB/T 19754-2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法.

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王華武

東風商用車有限公司技術(shù)中心

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