柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)整車相關(guān)模型庫(kù)建模

梁 建 偉

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊　050081)

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柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)整車相關(guān)模型庫(kù)建模

梁 建 偉

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊050081)

摘要：通過(guò)RTW建立了柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)整車控制器、電池、車體以及駕駛員模型.整車控制器包括能量管理、轉(zhuǎn)矩分配、駕駛模式確定和牽引力控制，采用Rint建立了電池模型，車體模型根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)模型建立，駕駛員模型分為前饋控制和反饋控制兩方面.

關(guān)鍵詞：柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)；建模；仿真

柴電混合動(dòng)力整車仿真系統(tǒng)是對(duì)整車系統(tǒng)狀態(tài)的描述，它在離線仿真模式下，能實(shí)現(xiàn)整車物理過(guò)程的數(shù)學(xué)描述，可以起到驗(yàn)證、調(diào)整和修正控制算法的作用.被驗(yàn)證有效的控制邏輯可以直接生成高等語(yǔ)言并能進(jìn)行硬件運(yùn)行，如通過(guò)RTW(real-time workshop)可直接生成C語(yǔ)言.

本文即通過(guò)RTW[1]系統(tǒng)直接生成C語(yǔ)言建立整車控制器HCU(hybrid control unit)、車體動(dòng)力學(xué)、電池、駕駛員等模型，實(shí)現(xiàn)模型系統(tǒng)從構(gòu)思設(shè)計(jì)、仿真到實(shí)物運(yùn)行的開(kāi)發(fā)過(guò)程.

1仿真平臺(tái)模型建立的整體思路

當(dāng)前的仿真平臺(tái)模型主要以離線仿真為主，從局部到整體依次是：

(1)模塊(blocks)

模塊用于驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)一個(gè)基礎(chǔ)的功能或者邏輯.

(2)特征算法(features)

它在大多數(shù)情況下為一個(gè)開(kāi)環(huán)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)和驗(yàn)證一個(gè)基本的算法邏輯.

(3)組件(components)

模塊組合通常用來(lái)驗(yàn)證組件級(jí)別、算法之間的影響或者和外部的交互功能.

(4)應(yīng)用系統(tǒng)(applications)

應(yīng)用系統(tǒng)大多數(shù)是閉環(huán)系統(tǒng)，用于演算預(yù)測(cè)控制邏輯或算法在實(shí)際工作環(huán)境下的運(yùn)行情況和控制效果.

本文依照仿真平臺(tái)建立的思想，從基礎(chǔ)的系統(tǒng)模型庫(kù)開(kāi)始建立仿真平臺(tái)， 即完成blocks-features-components-system的仿真系統(tǒng)建立過(guò)程.仿真系統(tǒng)以觀察轉(zhuǎn)矩傳遞為主，包括HCU、電池、車體和駕駛員模型.

2混合動(dòng)力整車控制器HCU建模

HCU模型包括邏輯分析模塊和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù).混合動(dòng)力整車控制器示意圖見(jiàn)圖1，它包括4方面的功能[1].

(1)能量管理

蓄電池SOC(state of charge)觀測(cè)就是當(dāng)前可用的電能觀測(cè)，主要目標(biāo)是保證SOC在設(shè)定的工作范圍內(nèi)，避免電池過(guò)充或者過(guò)放.而能量管理策略會(huì)給出目標(biāo)電功率值，影響電機(jī)生成正電流或者負(fù)電流；它也會(huì)根據(jù)SOC值生成一個(gè)標(biāo)志，用于在SOC較高時(shí)禁止再生制動(dòng).

(2)轉(zhuǎn)矩分配

通過(guò)采集加速和制動(dòng)踏板的信號(hào)值來(lái)計(jì)算目標(biāo)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩.目標(biāo)轉(zhuǎn)矩根據(jù)當(dāng)前駕駛模式和能量分配策略計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩.在某些模式下，整車僅由一種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，例如，在電驅(qū)動(dòng)模式下，駕駛員需求轉(zhuǎn)矩完全由電機(jī)來(lái)滿足，能量管理僅根據(jù)電池SOC的電氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算.

圖1　混合動(dòng)力整車控制器示意圖

(3)駕駛模式確定

駕駛模式的確定依賴于車輛狀態(tài)、能量管理信號(hào)和駕駛員輸入.通過(guò)邏輯公式和參考值的方式給出駕駛模式的決策規(guī)則，以基礎(chǔ)門(mén)限值邏輯作為高階策略的基礎(chǔ)，其模式狀態(tài)影響牽引轉(zhuǎn)矩的分配.

(4)牽引力控制

除了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，牽引力還包含制動(dòng)力控制、協(xié)調(diào)機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)的比例關(guān)系，以避免完全使用再生制動(dòng)無(wú)法滿足減速需求或出現(xiàn)制動(dòng)力過(guò)大的現(xiàn)象.

3車體動(dòng)力學(xué)模型

依據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)模型[2]進(jìn)行力學(xué)計(jì)算.

Ft=Fb+Fair+Fslope+Froll.

機(jī)械制動(dòng)力Fb可以簡(jiǎn)化為制動(dòng)踏板的函數(shù),Fb=Pedbrake×Fbmax；其中，Pedbrake為制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系數(shù)，F(xiàn)bmax為最大制動(dòng)踏板力.

空氣阻力Fair可以簡(jiǎn)化為車速的函數(shù)，F(xiàn)air=0.5ρa(bǔ)irACDν2，其中，CD為空氣阻力系數(shù)，A為車輛迎風(fēng)面積，Pair為空氣密度，ν為車輛與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度.

坡度阻力Fslope可以簡(jiǎn)化為Fslope=mgsinα，其中，α為坡度.

轉(zhuǎn)向阻力Froll可以簡(jiǎn)化為Froll=mg ftyrecosα，其中，ftyre為輪胎的摩擦系統(tǒng)，α為轉(zhuǎn)向角.

式中，a為車輛行駛加速度，Rw為輪胎半徑，Iw為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，If為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i0為主減速器傳動(dòng)比.輸出轉(zhuǎn)矩為T(mén)out=(Ft+Fa)Rw.

將各公式代入得：

Tout=(Pedbrake×Fbmax+0.5ρa(bǔ)irACDν2+mgsinα+mgftyrecosα+δma)×Rw.

4電池模型

電池是電氣系統(tǒng)的動(dòng)力源，具有機(jī)理復(fù)雜、使用狀態(tài)多變、影響因素多等特點(diǎn)，建立仿真度高的模型難度較大.因此，本文采用Rint(電池等效電路)模型，將電池簡(jiǎn)化為開(kāi)路電源，把電池工作看作充放電的過(guò)程，設(shè)定充電電流(電機(jī)發(fā)電)為正，放電電流(電機(jī)做功)為負(fù).如圖2所示.

圖2　電池簡(jiǎn)化電路

簡(jiǎn)化后電池系統(tǒng)的影響參數(shù)為充電電阻、放電電阻、電感和開(kāi)路電壓.而充電電阻、放電電阻和開(kāi)路電壓都與電池溫度及SOC值有關(guān).

開(kāi)路電壓VOC=V(SOC，Tbatt)，

通過(guò)這兩個(gè)公式可以將充電、放電電阻和開(kāi)路電壓表示成實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)MAP.電池輸出電壓由下式計(jì)算：

式中，L為電感，單位為H；IMotor為電機(jī)電流，單位為A；ILoad為負(fù)載等效電流，單位為A.

仿真模型中，電池的開(kāi)路電壓可以通過(guò)標(biāo)定直接輸入.

考慮電池自身的能量損失(將電能轉(zhuǎn)換成熱能，和外界發(fā)生熱交換)，可以把自身放電電流看作與溫度相關(guān)的曲線，有Iself=f(Tbatt).

求解功率平衡方程有：

式中，A為電池模塊總面積，單位為m2；h為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)；m為空氣流量，單位為m3/s；ρ為空氣密度，單位為kg/m3.

5駕駛員模型

用控制器控制加速踏板、制動(dòng)踏板、離合器踏板來(lái)模擬駕駛員控制時(shí)的駕駛狀態(tài)，控制車輛按照駕駛循環(huán)要求跟隨駕駛循環(huán)工況輸出控制信號(hào).油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板在模型中同一時(shí)間只有一個(gè)觸發(fā).駕駛員模型分為反饋、前饋兩個(gè)控制環(huán)節(jié).

(1)反饋控制

采用增量式PID(proportion integral derivative)控制以跟蹤設(shè)定的駕駛循環(huán)，使仿真所得的實(shí)際車速與駕駛循環(huán)目標(biāo)車速之間盡可能接近.增量式PID的輸出為控制量的增量Δu(k)，而不是對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置.控制量增量可用算式u(k)=u(k-1)+Δu(k)來(lái)表示.

增量式PID的控制算式為：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=KPΔe(k)+Kie(k)+kd[Δe(k)-Δe(k-1)].

式中，Δe(k)=e(k)-e(k-1).

進(jìn)一步可以改寫(xiě)成:

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2).

相比位置式算法，增量式算法的計(jì)算公式無(wú)需累加；輸出為控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故障時(shí)影響很?。皇謩?dòng)切入自動(dòng)時(shí)沖擊小.

增量式PID控制算法以車速為跟隨目標(biāo)，用兩個(gè)獨(dú)立的增量式PID分別控制加速踏板和制動(dòng)踏板.在數(shù)學(xué)算法的邏輯實(shí)現(xiàn)中，積分項(xiàng)使用積分器完成.為了防止積分器溢出，在啟車過(guò)程、準(zhǔn)備加速和制動(dòng)踏板使能的狀態(tài)下，加速踏板積分器重置；同理，當(dāng)需求車速比當(dāng)前車速大很多或在加速踏板使能狀態(tài)下，制動(dòng)踏板積分器重置.

(2)前饋控制

根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)加速度及由車體動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的輪上阻力轉(zhuǎn)矩，計(jì)算系統(tǒng)所需的傳動(dòng)軸輸出端需求轉(zhuǎn)矩.利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩MAP反查加速踏板位置.使用需求轉(zhuǎn)矩作為輸入，與系統(tǒng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩作差.當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于需求轉(zhuǎn)矩時(shí)，根據(jù)差值反查制動(dòng)踏板位置.

前饋和反饋控制器提供加速踏板和制動(dòng)踏板的位置.由此產(chǎn)生的加速和制動(dòng)踏板的位置被計(jì)算為兩個(gè)控制信號(hào)的總和.在某些情況下，可能出現(xiàn)兩個(gè)踏板都有值的現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，若判斷前饋加速踏板有值，則使能加速踏板；若前饋加速踏板為零，則根據(jù)需求加速值確定加速或者制動(dòng)[3].

本模型提供人機(jī)交互接口，支持人為直接控制各踏板，或?qū)?shí)車試驗(yàn)過(guò)程中記錄的油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板和換檔等駕駛信息輸入駕駛員模型.

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生．汽車?yán)碚揫M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999:23-40．

[2]白鳳良，楊建國(guó)，杜傳進(jìn)．混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)仿真建模與分析[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，27(5):606-609.

[3]孫文凱．并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的仿真研究[D]．武漢：武漢科技大學(xué)，2009.

責(zé)任編輯：金欣

Diesel electric hybrid vehicle and the related modeling

LIANG Jian-wei

(Department of Mechanics and Electrics, Shijiazhuang Vocational Technology Institute, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

Abstract：By means of real-time workshop (RTW), a model of diesel electric hybrid vehicle is set up for the controller, battery, vehicle body and driver, whereby the controller includes energy management, torque distribution, driving model and traction control. Battery model uses Rint, and vehicle body is established according to dynamics. Driver model is divided into feed forward and feedback controls.

Key words：diesel electric hybrid system; modeling; simulation

收稿日期：2016-03-04

基金項(xiàng)目：2015年度河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(15212214)

作者簡(jiǎn)介：梁建偉(1980-)，男，河北石家莊人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師.

文章編號(hào)：1009-4873(2016)02-0023-03

中圖分類號(hào)：U463.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A