混合动力设计论文集.pdf

!“#$%?a*/b cde5f0ghijkl8mnop9:12; = jklmn( “ghfi fl 89:g*; ?aqr/ % p?k2=?% +“定义#$%?5%: ;a95-“rsljqjs!“#“$s“#“s“# 电动汽车仿真软件 !“#$%)*?a !“#$=)+,;,)0123?1=a3:b)*#$kl=ij *+,-;-c1,)0123de74563:.)*m#n.,/0+,i *+,-;-c1*1=23+?3:.)*m#nopqdrnst *+,-;-c1af123g+3:h)*m#nupqvwn *+,-;=ic17?cf,)01236e74563:.)*xyzc.,/0+,i *+,-;0=7?,=,)0123je74563:.)*nkl.,/0+,i *+,-;1,1=%a7g=)%1;,)01238kk7lmj4n3o.)*kl.,/0+,i *+,-;1,1=%a7g=)%1;*1=23=+,3:.)*opqd_st *+,-;1,1=%a7g=)%1;af123,+03:.)*up8a *+,-;=),g0+gg+,;,)01236p7qkrs7km74563:.)*=b.,/0+,i *+,-;=),g0+gg+,;*1=230),3:.)*=bopqc#st *+,-;=),g0+gg+,;af1230),3:.)*=bup8c#=b *+,-;t11,)0123v474563:h)*t11*1=23e=3:h)*t11af123e=3:h)*1+?,)012398474563:h)*1u)cg7)-1=1);,)01238p7km7ee3:h)*efkl.,/0+,i *+,-;ft1=)+,7?,=&;,)0123r6e74563:h)*ghij.,/0+,i *+,-;ft1=)+,7?,=&;*1=234563:h)*ghijopst *+,-;ft1=)+,7?,=&;af1230),3:h)*ghijopup *+,-;)?1gg=a;,)0123wee74563:h)*k,.,/0+,i *+,-;)?1gg=a;*1=23e,g3:h)*k,opql)mnst *+,-;)?1gg=a;af123e,g3:h)*k,opql)mnup *+,-;*)=+)(,)01xyz21gg70 y 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很长一段时间内具有广阔的市场前景。为了达到优化h e v性能的目的, 文章以e q 6 1 1 0 混合动力客车为研究对象, 在建立的e q 6 1 1 0 h e v性能优化问题求解模型基础上, 完成 了对e q 6 1 1 0 h e v动力系统部件功率参数和电力辅助控制策略控制参数的优化, 并且对 优化前后的结果进行了对比分析, 结果表明优化后的整车性能有较大改善。 关键词混合动力电动汽车(h e v) 优化设计控制策略仿真 t h e s t u d y o f h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e p e r f o r ma n c e o p t i mi z a t i o n ( s e c t i o n ) a b s t r a c t : h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e s i n t r o d u c e t h e t r a d i t i o n a l m a t u r e t e c h n o l o g i e s a n d e x i s t i n g i n d u s t r i a l b a s eo f a u t o m o b i l e , o nt h eo t h e r h a n dh e vh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i c v e h i c l e s l o w - e m i s s i o na n dl o w - f u e l c o n s u m p t i o n ,s o t o t h e c u r r e n t l o n g p e r i o do f t i m e h e v w i l l h a v e b r o a d m a r k e t p r o s p e c t s .f o r t h e p u r p o s e o f o p t i m i z i n g t h e v e h i c l e s p e r f o r m a n c e ,t h e o p t i m i z a t i o n m o d e l o f e q 6 1 1 0 h e vw a s c o n s t r u c t e d . b a s e d o n t h i s m o d e l , t h e o p t i m i z a t i o n h a d b e e nc a r r i e do u t f o r t h e e q 6 1 1 0 h e vp o w e r p a r a m e t e r s a n df o r t h e c o n t r o l p a r a m e t e r s o f p o w e r a s s i s t e dc o n t r o l s t r a t e g y .a f t e r c o m p a r i n g t h e o p t i m i z e dr e s u l t s w i t ht h e f o r m e r r e s u l t s , t h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h e p e r f o r m a n c e o f t h e e q 6 1 1 0 h e vh a d b e e n i m p r o v e d g r e a t l y . k e y w o r d s :h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( h e v )o p t i mi z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y s i mu l a t i o n 引言 面对能源危机和 环境保护问题,人们 对代用燃料和新型内 燃机的研究热情与日 俱增。 在此情况下, 混 合动力汽车(h e v) 因 能提高每升燃料续驶 里程,减少排放而倍 受关注。 另一方面, 混 合动力汽车融合了传统汽车成熟的技术和现有的 工业基础, 并且绕开了目前电动汽车技术瓶颈和经 济成本的难题, 这使其在当前很长一段时间内具有 广阔的市场前景。 在计算机技术比较发达的今天, 建立数学模型 并利用计算机对车辆实际运行情况进行仿真分析, 不仅便于灵活地调整设计方案,优化设计参数, 而 且可以降低科研费用, 缩短开发周期。本文采用了 仿真软件a d v i s o r, 以e q 6 1 1 0 h e v并联式混合动 力城市客车为研究对象, 进行了整车性能的优化设 计。e q 6 1 1 0 h e v动力总成系统属于典型并联式结 构, 发动机与电机在离合器之后耦合, 采用的是后 轮驱动。 1优化过程概述 混合动力电动车辆有2种或2种以上的动力 源, 发动机的工作区域、 电机的工况、 蓄电池的充放 电特性及电压等都会对车辆的燃油消耗和排放产 生影响。如何有效地协调好各子系统、 控制各子系 统间的能量流动、 实现整车的最佳燃油经济性和排 放并兼顾整车的成本是一个复杂的系统设计及优 化过程。本文基于优化设计的思想, 将重要的系统 参数( 动力系统部件参数和控制策略参数) 作为设 计变量, 确定目标函数和约束条件, 建立混合动力 汽车性能优化问题的数学模型。在系统的优化匹配 模型建立后, 采用适当的优化算法, 对混合动力汽 车的优化问题进行数值求解, 图1为优化结果求解 的总体流程图。 2优化模型的建立 本文的优化研究是根据对汽车的加速性能和 爬坡性能等约束的要求, 对汽车部件和控制系统的 参数进行调整, 以达到优化汽车性能的目的, 其优 化设计包括动力系统参数的优化设计和控制策略 参数的优化设计。h e v动力系统参数的优化设计是 指对发动机、电动机和蓄电池的参数进行优化匹 配, 使其在满足约束条件的前提下, 达到某一设计 目标的最优值。控制策略参数的优化设计是对电动 汽车多能源控制系统中的关键控制参数进行调整, 达到提高汽车燃料经济性和运行效率的目的。优化 模型的建立过程主要包括: 目标函数的确立, 优化 变量的选择和适当约束条件的选定。 王 颖 亮 于 海 生 张 欣 ( 北 京 交 通 大 学 机 电 学 院 ) 混合 动 力 电 动 汽 车 性 能 的 优 化 研究 ( 续1) 汽车技术 2 0 2 0 0 6年第5期 图1优化过程总体框图 2 . 1优化前的假设 为了将实际的h e v系统简化成可进行求解的 优化设计模型, 作出如下假设: 1) 车辆总质量为定值; 2) 动力系统配置优化和控制策略参数优化两过 程彼此独立; 3) 车辆配置离散变化而非连续变化。 2 . 2目标函数 目标函数是以设计变量来表示设计所要追求 的某种性能指标的表达式。目标函数的选取与混合 动力电动汽车优化设计任务直接相关, 通常设计所 要追求的性能指标较多, 应以其中最重要的指标作 为设计追求的指标, 建立目标函数。当设计所要追 求的目标不止一个时, 可以取其中最主要的目标作 为目标函数, 其余列为设计约束; 也可以有多个目 标函数, 采用多目标函数的最优化方法求解。 基于上述思想,对于e q 6 1 1 0动力系统的优化 设计, 在满足加速性能和爬坡性能等动力性能指标 的条件下,使整车动力系统各个部件功率达到最 小,即动力系统部件功率最小化作为设计目标; 对 于e q 6 1 1 0控制策略参数的优化设计,由于节能和 降耗是目前阶段亟需解决的问题, 所以优化的目标 为燃油消耗量应尽可能的小。 2 . 3优化变量 优化变量是影响设计结果的可变参数。如果将 所有能影响设计质量的参数都列为设计变量, 将使 问题复杂化。因此, 应对影响设计指标的所有参数 进行分析和比较, 从中选择对设计质量有显著影响 且能直接控制的独立参数作为设计变量, 其它参数 则作常量处理。 对e q 6 1 1 0 h e v动力系统部件参数优化时, 选 取如表1参数作为优化变量;对e q 6 1 1 0 h e v能量 管理控制策略优化时, 选取如表2的控制参数作为 优化变量。 2 . 4约束条件 在工程实际中, 大多数设计都受到各种因素的 制约,设计参数的选择也就受到各种条件的限制, 致使参数的寻优过程必须在一定约束条件下进行, 同时, 为使目标函数在可行域中不出现多峰值的情 况, 也要对寻优变量及某些有相互关系的参数给予 约束。适宜选取对优化变量影响较大, 而取值范围 又受到限制的函数作为约束条件。 表1动力系统部件优化变量 优化变量 发动机的最大功率 电机的最大功率 电池模块的数量 说明 本文优化对象e q 6 1 1 0 h e v以发动机作为主要 的动力源,发动机的最大功率是反映发动机动 力性能的最重要指标 电动机主要作为功率均衡装置,为车辆提供加 速功率和爬坡功率 电池组中每个电池模块所具有的能量一定, 电 池总能量正比于电池模块的数量。电池总能量 决定持续加速能力和续航能力 表2控制策略优化变量 优化变量 s o c值上下 限值 充电扭矩 发动机工作 的最低车速 发动机关闭 扭矩系数 发动机最低 扭矩系数 说明 该值是指允许电池工作的最大s o c值和最小s o c 值, 限制了电池工作的区间, 这个区间范围内电池的 充、 放电电阻均达到最小, 减少能量的损失, 提高电池 的工作效率 发动机在维持h e v正常工作的情况下通过该扭矩对 电池充电, 使电池的s o c值维持在s o c值上下限之间 在车速低于该值时, 发动机不工作, 整车以纯电动的 模式工作,车速高于该值时发动机作为主要的动力 源。 一般而言, 该值越低, 发动机对电池充电的机会越 低, 整车运行的效率越高, 但电池的s o c平衡将受到 影响 当需求扭矩低于发动机工作的关闭扭矩系数与当前 转速下发动机扭矩的乘积时,如果电池的s o c值大 于下限值, 发动机关闭。该值避免了发动机在效率很 低的工况下工作 当需求扭矩低于发动机工作的最低扭矩系数与当前 转速下发动机扭矩的乘积时,如果电池的s o c值小 于下限值时, 发动机给电池充电, 通过该值可使发动 机在扭矩大及效率高的区域工作 ( 是否满足约束条件) 汽车技术 2 1 天津汽车 表6控制策略变量的约束 类型 s o c的下限值 s o c的下限值 充电扭矩(nm) 发动机最小扭矩系数 发动机关闭扭矩系数 发动机工作的最小车速(m/ s) 下限值 0 0 . 6 2 0 0 0 0 上限值 0 . 6 1 8 0 1 1 1 5 2 . 4 . 1 e q 6 1 1 0 h e v动力系统部件参数优化 2 . 4 . 1 . 1技术性能约束 动力性、 经济性、 可靠性和排放性能是混合动 力电动汽车整车设计时要考虑的重要因素, 优化模 型考虑哪些性能指标作为约束, 是与优化目标直接 相关的。本文根据实车实验数据把加速性能和爬坡 性能作为技术性能约束, 如表3所示。 2 . 4 . 1 . 2优化变量本身的约束 优化变量本身存在一个上下界的限制, 自然就 构成了一类约束条件, 称为边界约束。本文所选取 的优化变量的变动范围如表4所示。 2 . 4 . 2 e q 6 1 1 0 h e v能量管理控制策略的优化 2 . 4 . 2 . 1技术性能约束 控制策略优化的技术性能约束见表5。 2 . 4 . 2 . 2优化变量本身的约束 控制策略变量的约束见表6。 3优化算法 优化算法是最直观和最传统的参数识别方法 之一。经过不断的发展, 涌现了大量的优化技术, 例 如梯度方法、 罚函数法及单纯形方法等。h e v整车 性能的优化计算属于系统优化, 这种优化由于系统 模型自身的复合性、 干扰性和非线性, 往往难于计 算。本文利用m a t l a b优化工具箱中的f m i n c o n函 数进行优化,该函数采用的是顺序二次规划算法 (s q p) , 比较适合于汽车优化问题。 顺序二次规划法是一种解决全局非线性约束 优化问题的通用方法, 数学模型为: m i nf(x) 约束h(x)= 0 g(x) “ $ # $ %0 (1) 相对应的拉格朗日函数为: l(x,u,v)= f(x)+ u t h(x)+ v t g(x)(2) 在每个迭代点, 得到一个二次规划子问题: m i n i m i z ef(x k ) t d x+ 1 2d t xbkdx 约束h(x k ) t d x+ h(x k )= 0(3) g(x k ) t d x+ g(x k )0 式中b k是各点x k对应的变尺度矩阵 ( 代替海 赛矩阵) 。 求解上述二阶规划子问题, 得到的d k就是 搜索方向。沿搜索方向进行一维搜索, 确定步长 k, 然后按(4) 式的格式进行迭代, 最终得到原问题的 最优解。 x k + 1 = x k + kd k (k = 1,2, )(4) ( 待续) ( 收稿日期:2 0 0 6 - 0 7 - 0 6) 表3动力系统优化的技术性能约束 类型 加速性能 爬坡能力 描述 0 5 0 k m/ h 0 7 0 k m/ h 3 0 7 0 k m/ h 最大速度 6 4 . 5 k m/ h下爬坡度 条件 2 3 . 5 s 2 2 s 4 0 s 1 0 5 k m/ h 4 . 2 % 表4动力系统部件优化变量约束 类型 发动机最大功率(k w) 电机最大功率(k w) 电池模块数量( 块) 下限值 8 4 4 8 1 5 上限值 1 6 8 1 0 3 4 0 表5控制策略优化的技术性能约束 类型 加速性能 爬坡能力 描述 0 5 0 k m/ h 6 4 . 5 k m/ h下爬坡度 条件 2 3 . 5 s 4 . 2 % 汽车技术 欢 迎 踊 跃 投 稿 e m a i l : t j q c t j f a w . c o m () () () () 2 2 天津汽车汽车技术 图2动力系统优化过程迭代图 表7动力系统优化结果 优化参量 发动机峰值功率(k w) 电机峰值功率(k w) 电池模块数量( 块) 初始值 1 1 0 6 0 2 8 优化值 1 0 0 5 0 2 5 表8仿真结果 测试项(k m/ h) 0 5 0 3 0 7 0 0 8 0 6 4 . 4( 下爬坡度) 结果(s) 2 2 . 5 1 8 . 4 4 0 5 % 4优化结果及分析 4 . 1动力系统的优 化结果 图2所 示 为 该 优化过程的迭代图。 从图2中可以看出, 计算过程从初始值 开始离散的改变优 化参数的取值, 并在 每点计算当前约束, 判断是否满足迭代 终了条件, 然后通过 二次规划算法计算 下次迭代的方向和 步长, 直至整个优化 过程收敛于某一组 数值。当然, 当约束 条件取值不当时, 优 化过程会得不到收 敛值而超时终止。 表7是 通 过 优 化得到结果。通过上 述的优化过程, 将优 化后的结果进行仿 真, 所得仿真结果如 表8所示。 从 结 果 中 可 以 看到, 优化后的车型在满足仿真初期设定的动力性 前提下, 达到了动力系统最小化的优化目的, 这样 可以降低成本, 一定程度上提高了整车性能。 4 . 2控制策略优化结果 e q 6 1 1 0 h e v混合动力电动汽车采用的是目前 并联h e v普遍采用的电力辅助控制策略,该策略 将电力驱动系统作为辅助驱动源, 发动机作为汽车 的主驱动源, 各种工作模式下利用电机优化发动机 的工作区间, 在满足汽车行驶要求的条件下, 保证 发动机尽可能的工作于低油耗和低排放的理想工 作区域, 电机对发动机的输出扭矩起 “削峰填谷” 的 作用, 同时注意到将电池s o c值维持在一个合理的 范围内。控制策略中的各控制参数在优化过程中 的迭代情况如图3所示,控制策略优化结果如表 9所示,图4所示为各个控制参数与目标值之间的 变化关系。 图5是优化后的控制策略与初始控制策略经 济性的比较。从图5可以看出优化后的控制策略对 燃油经济性有大幅度改善, 百公里燃油消耗量降低 约1 8 %。优化设计达到了预期的目标。 王 颖 亮 于 海 生 张 欣 ( 北 京 交 通 大 学 机 电 学 院 ) 混合 动 力 电 动 汽 车 性 能 的 优 化 研究 ( 续2) 图3控制策略优化过程参数迭代图 迭代时间/ m i n 1 0 2 0 0 6年第6期 ( 上接第3页) 程序,而且把一些行之有效的, 能提高顾客满意的举措和顾客 欢迎的方式, 也转化成岗位业务 流程和工作程序的操作标准, 以 实现优质服务经验和做法的共 享, 确保这些举措不会因人的经 验差异, 影响相应的产品和服务 质量。为全面、 稳定、 持久地提高 产品和服务质量提供了制度和 法制保障。 2 . 5服务创新是实施名牌战略 的支柱 产品卖出去了, 并不代表这 个产品与企业没有关系了, 而应 增强服务意识, 做好跟踪服务工 作。汽车零部件产品的服务不能 有短期行为, 应当与用户建立长 期的服务关系, 想其所想, 急其 所急, 才能更好地展示品牌的特 有魅力, 赢得更多的顾客。当前, 各汽车零部件企业的硬件和软 件已达到一个较高水平, 各企业 的设备、 程序和标准的实施相差 无几。因此, 必须在服务上进行 创新, 才能保持服务优势, 同时 要在创服务精品、 特色服务和个 性化服务上下功夫, 以此形成广 大顾客认同的服务品牌。如某公 司每年定期开展2次大型的服 务行动, 通过和用户零距离的接 触, 了解了用户的信息, 发现并 及时解决了问题,沟通了感情, 缩小了距离, 从而有效提升了该 公司品牌的知名度。 ( 收稿日期:2 0 0 6 - 1 0 - 1 7) 5结语与展望 本文以e q 6 1 1 0 h e v为对象,系统分析了混合 动力电动汽车的优化设计过程, 包括目标函数的设 定、 优化变量的选取、 约束条件的选定和优化算法 的选择, 并在最后给出了优化计算过程和结果。另 外,在仿真研究中发现,h e v的燃油经济性不仅与 整车配置和控制策略有关,而且与h e v的驾驶循 环有较大关联。而对于像e q 6 1 1 0这样的混合动力 公交车来说,由于其行驶路线和路况较为固定, 本 文所进行的优化研究对于整车经济性能的提升有 很实际的帮助, 但是对于驾驶循环不固定的其它类 型h e v来说,适用于多工况的控制策略还有待研 究。 参考文献 1 v a l e r i e h . j o h n s o n . k e i t h b . wi p k e a n d d a v i d j . r a u s e n . h e vc o n t r o l s t r a t e g y f o r r e a l t i m e o p t i m i z a t i o n o f f u e l e c o n o m y a n d e m i s s i o n s j . s a e2 0 0 0 - 0 1 - 1 5 4 3 2薛毅.最优化原理与方法.北京: 北京工业大学出版社, 2 0 0 1 3张翔,赵韩,钱立军,等.电动汽车优化设计技术的研究.上海汽车, 2 0 0 4(6) 4梁龙,张欣,李国岫,等.并联式混合动力电动汽车动力总成系统的 仿真研究.北方交通大学学报, 2 0 0 2 , 2 6(4) ( 续完) ( 收稿日期:2 0 0 6 - 0 7 - 0 6) 表9控制策略优化结果 优化变量 s o c上限值 s o c下限值 充电扭矩(nm) 发动机工作的最低车速(m/ s) 发动机工作的关闭扭矩系数 发动机工作的最低扭矩系数 初始值 0 . 7 0 . 6 1 0 5 0 0 优化值 0 . 7 7 5 0 . 6 5 0 1 0 0 . 2 0 . 5 2 5 图5优化前后燃油经济性能对比图 汽车技术 ! 图4控制参数与目标值关系图 发动机工作的 最低扭矩系数(-) 充电扭矩/ nm 1 1 第2卷 第1期 2002年3月 交 通 运 输 工 程 学 报 journal of traffic and transportation engineering vol12 no11 m ar.2002 收稿日期: 2001211215 作者简介:陈晓东(19742 ), 男,江苏无锡人,江苏大学博士生,从事混合动力汽车匹配研究. 文章编号: 167121637(2002)0120114204 混合动力电动汽车性能仿真软件研究与开发 陈晓东,何 仁,杨正林 (江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013) 摘 要:介绍了国内外混合动力电动汽车仿真软件的现状,对由美国能源部可再生能源实验室开发 的adv isor311仿真软件进行了阐释,并对其建模方法和仿真步骤进行了分析,以作为中国混合 动力电动汽车性能仿真软件开发研制之鉴。 关键词:混合动力电动汽车;性能;仿真 中图分类号:u 46917; u 495 文献标识码:a development of hybrid electric vehicles(hev)performance si mulation software ch en x iao2dong,h e r en,ya n g zheng2lin (school of a utomobile and t raffic engineering, jiangsu u niversity, zhenjiang 212013, china) abstract:the development situation of si mulation softw are for hybrid electric vehicle is presented.the adv isor311 developed by n ational renew able energy l aboratory(u sa) is discussed, itsmodeling method and si mulation process are analyzed,w hich w ill be helpful for the development of chinese si mulator of hev performance. key words: hybrid electric vehicle; performance; si mulation author resume: chen xiao2dong(19742),male, a doctoral student of jiangsu u niversity, engaged in research of matching of hev s driveline. 当前,环境与可持续发展已经成为整个世界关 注的焦点。汽车排放被认为是一个主要的集中污染 源,尤其是在城市。 虽然汽车史上也曾经出现过电动 汽车、 代用燃料汽车等,但由于技术和成本等原因, 内燃机汽车仍保持其主导地位。 于是,人们开始考虑 可选择的汽车驱动系统,并且已成为可实现的产品, 混合动力电动汽车就是这种新型驱动系统的产物。 混合动力驱动系统集成传统内燃机车和电动汽车的 驱动系统,具有比传统汽车更高的燃油经济性和更 低的排放,以及在规定范围实现零排放(纯电动模 式)又克服了电动汽车续驶里程短的缺点。所以,混 合动力电动汽车又被称为 “准绿色” 清洁汽车1。 混合动力电动汽车作为一种新技术,在发达国 家已经日益成熟,有些已经进入实用阶段。1997年 10月,全球首辆商业性混合动力型汽车 “pr i u s” 由 日本丰田公司研制成功。 同年,美国政府与克莱斯勒 公司、 福特公司和通用汽车公司三大车商合作,实施 新型汽车合作计划(pn gv ), 制定了混合动力电动 汽车开发计划,目标是2002年进行试验性推广, 2004年全面商业化生产。 进入20世纪90年代,中国对汽车节能和排放 的问题也日益重视,发展电动汽车成为国家汽车工 业科技发展的战略之一。继 “八五” 国家组织对电动 汽车关键技术的研究后,中国将混合动力电动汽车 列入了 “十五” 计划,主要研究内容有发动机、 电动 机、 蓄电池等各种单元技术;各系统的电子控制技术 和整车的动力系统优化与控制技术,实现节省燃料 50% ,排放下降80%;制动能量回收技术,应能回收 制动能量的30%。这也就揭开了中国发展混合动力 电动汽车序幕。 1 混合动力电动汽车仿真技术现状 在研究和开发混合动力电动汽车,选择部件和最 佳结构时,需要设计和制造者能够很快地缩小研究范 围,找到技术的突破口。系统仿真通过建立有效的计 算机模型,使得在技术方案的选择阶段能够对各个候 选子系统进行替换研究,从而简化了原先需要准备各 种规格的候选子系统的工作。在技术方案选择阶段, 系统分析依靠高效的建模工具计算机,能够通过交 替使用候选的子系统进行模拟仿真从而找到最佳的 方案。 计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格 和设计参数,从而方便了设计者的工作,而且还有助 于为样车的制造和试验提供工程目标。 国外早在1970年就开始研究对hev的建模 和仿真。 目前,国外用于混合动力电动汽车的仿真软 件 很 多,如adv isor、marv el、janu s、 si m pl ev、carsi m、hv ec、csmhev、v2elph 等,另外,各大汽车生产厂家也有各自的仿真软件。 在众多的汽车仿真软件中,adv isor是专门为帮 助美国能源部(doe)管理混合动力电动汽车计划 (pn gv)而开发的混合动力电动汽车仿真软件。 adv isor通过简单的物理模型,采用经过性能测 试的各总成去建立实际的或想象的汽车模型。它的 主要功能在于能够对还未制造的汽车进行性能预 测,它能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数: 加速和爬坡性能、 燃油经济性、 排放性能等2。 在计算机技术比较发达的今天,建立数学模型 并利用计算机对实际情况进行仿真分析,不仅便于 灵活地调整设计方案,优化设计参数,而且可以降低 科研费用,缩短开发周期。在中国,基本上还没有较 系统和成熟的混合动力电动汽车仿真软件,考虑到 对混合动力电动汽车缺少实际设计经验,而且试制 样车的费用也比较昂贵,所以从高校及科研单位的角 度,运用驱动系统模型和仿真技术来研究混合动力电 动汽车是切实可行的,这也是中国混合动力电动汽车 研究的一个方向。本文通过介绍adv isor311仿真 软件的建模方法和仿真技术,为中国有志于该研究方 向的业内人士提供借鉴和帮助。 2 建模方法3 adv isor311是美国国家可再生能源实验室 最新版本的汽车仿真软件,它是以ma tlab? si mulink为平台开发的,其中包括一系列模型、 数 据和描述文本文件。 该仿真软件可对传统的、 纯电动 的和混合动力电动汽车的性能和经济性进行快速分 析。adv isor最早开发于1994年11月,它是为帮 助美国能源部(doe)管理混合动力电动汽车计划 而开发的混合动力电动汽车仿真软件,目前已发展 到311版本。 该软件的特点是精确、 快速、 灵活、 易共享和使 用方便,通过大量的实践被证实具有较好的实用性。 adv isor根据汽车动力传动系统各总成的性能来 估算给定行驶循环工况下汽车的动力性、 燃油经济 性和排放。 adv isor采用逆向和正向相结合的仿真方 法。逆向仿真法是假设汽车满足要求的行驶循环轨 迹,从而来反推传动系各个总成应该如何执行。 这种 方法的优点是不需要驾驶员模型,可以仅通过迭代 法来预测汽车的各项性能。而正向仿真法需要有驾 驶员模型来模拟油门开度和制动信号,以使汽车的 行驶循环轨迹与要求的循环轨迹相吻合。油门开度 信号被转化为转矩传递给传动系,最终被转化为汽 车的驱动力和车速。正向仿真法在计算整车性能方 面要比逆向法好,但是当行驶循环时间大于10 m in 时,其计算速度非常慢。adv isor的这种逆向和正 向结合的仿真法主要还是以逆向法为主,附加了一 些简单的正向仿真计算,在整个仿真过程中,需要遵 循以下两个假设: (1)传动系统中任何总成不可能从与其直接连 接的、 为其提供动力的上级总成获得超出其使用需 要的能量,例如:驱动车轮需要电机提供30 kw的 功率,那么电机从发电机或电池所获得的功率也就 是30 kw ,发电机或电池不会给电机提供大于30 kw的功率。 (2)无论在正向或逆向仿真时,同一总成的效率 相同。 图1 串联式混合动力电动汽车仿真模型程序框图 fig. 1 block diagrams top level of series hev si mulation model 作者以串联式混合动力电动汽车的模型为例,图 1是在ma tlab?si mulink环境下adv isor311 仿真串联式混合动力电动汽车的程序框图。 图中,箭 511第1期 陈晓东,等:混合动力电动汽车性能仿真软件研究与开发 头表示数据流向及整车传动系统能量的流向,方框 表示传动系各个总成的仿真模块。 在该程序框图中, 包含以下模块:行驶循环模块(drive cycle)、 车身模 块(vehicle)、 车轮和车轴模块(w heel and axle)、 主 减速器模块(final drive)、 变速箱模块(gearbox)、 电 动机控制模块(motor controller)、 动力总线模块 (pow er bus)、 发电机模块(generator)、 发动机模块 (fuel conveter)、 蓄电池模块(energy storage)、 尾气 排放模块(exhaust sys ), 每个模块都由si mulink仿 真工具箱中的各仿真元件(如求和模块、 乘积模块 等)或这些元件的组合构成。另外,图中箭头从左到 右表示是逆向仿真法建模的部分,其传递的数据为 需要动力传动系中上级总成提供的转矩、 转速或功 率等。而图中箭头从右到左形成一个回路表示是正 向仿真法建模的部分,其传递的数据为能够从动力 传动系上级总成获得的转矩、 转速或功率等。例如 “变速箱” 模块与 “电动机” 模块之间,箭头为从左到 右的部分属于逆向建模部分,其传递的是变速箱要 求电动机提供的转矩、 转速和功率,而箭头从右到左 的回路表示是正向建模部分,其传递的是变速箱能 够从电动机获得的转矩、 转速、 驱动力和电能等。在 仿真过程中,按照计算的步骤,先计算逆向模型的结 果,即各个变量的需要值;然后计算正向模型的结 果,即各个变量的可能值。 adv isor的各个总成模块可以很容易地扩充 和改进,各个模块可以随意地组合使用。例如,只须 修改图1中部分模块间的数据传递路线,用户可以 很快地定义一辆并联式混合动力电动汽车。 另外,用 户也可以根据自己的需要,通过修改已有的总成模 型建立自己相应的总成模块或者建立新的模型,来 定义设计者需要的汽车模型。 3 混合动力电动汽车性能仿真 adv isor通过人机界面(gu i)使得用户在进 行仿真时便于操作,并能够提供各种仿真结果。在 adv isor中主要有3个gu i,通过它们,用户输入 要仿真的车型和各种相关参数,选择仿真的试验方 案和目标要求,然后运行计算,最后得到仿真结果。 下面介绍如何定义汽车、 运行仿真和结果显示。 311 仿真输入界面 3个gu i界面的布局基本相同,屏幕的左侧是 汽车的图象信息,在右侧窗口,用户可以设定汽车的 各种参数和需要显示的内容,并可控制adv isor 下一步的运行。 例如,图2中汽车定义界面所示是一 辆串联式混合动力车,从界面左上方的汽车结构示 意图中,你可以看到整个驱动系统的组成结构以及 能量的流动方向。当然,根据你不同的选择,在该位 置会显示不同的驱动系统构造图(可以是传统的、 串 联式、 并联式或纯电动)。 在左下方,显示驱动系统不 同总成的性能,例如,用户可以选择显示发动机或电 机的效率曲线、 蓄电池的性能等。在界面的右方,是 汽车驱动系统结构形式以及驱动系统各个总成类型 的选择界面。 用户通过选择装载不同的数据文件,来 定义被仿真车辆。 图2 adv isor311仿真输入界面 fig. 2 adv isor311s si mulation inputs gu i 在该区域的左下方,用户还可以对已定义好的 汽车的各个参数进行修改,方便了用户对整车参数 的设置。 然后,用户可以将定义好的汽车保存为由用 户自己命名的文件中,以便在下次仿真时可以直接 调用。最后,用户点击 “continue”,进入下一界面 仿真设置界面。 图3 adv isor311仿真设置界面 fig. 3 adv isor311s si mulation setting gu i 312 仿真设置界面 第二个gu i界面是仿真设置界面(图3),这个 界面主要也分成两个区域,右半边为仿真条件的设 611 交 通 运 输 工 程 学 报 2002年 置,左半边为对应所选择的行驶循环轨迹曲线。 用户 可以选择按某个行驶循环工况或试验程序进行仿 真,并能够进行爬坡和加速试验。此外,用户还可对 汽车仿真初始状态进行设置,如温度、 荷电状态等。 当完成设置以后,点击 “run” 进行仿真。 313 仿真输出界面 图4为仿真输出界面,这个界面也分为两个区 域,左侧为仿真结果的曲线表示,右侧除了显示汽车 的燃油经济性、 排放、 加速性、 爬坡性等仿真结果数 据外,还可以选择需要在左侧区域显示的仿真曲线。 此外,该界面还能显示整车驱动系统能量传递和使 用效率等情况。 图中显示的是行驶循环轨迹、 蓄电池 荷电状态、 排放和整车传动比的仿真曲线,根据不同 需要可显示不同的量。 图4 adv isor311仿真输出界面 fig. 4 adv isor311s si mulation outputs gu i 4 结 语 adv isor311是以ma tlab?si mulink为开 发平台的,结合了逆向? 正向建模法的先进汽车仿真 软件。软件中所有的模型和算法都经过了nrel的 检验,它具有准确、 快速、 灵活、 实用和使用方便等特 点。目前,笔者已经完成了对该软件的汉化工作,并 且运用该软件对江苏大学研制的串联式混合动力城 市公交汽车(zjk6700hev)进行了仿真,取得了满 意的结果,再一次证实该软件的可靠性。通过对 adv isor311仿真软件的学习,也为开发自己的混 合动力电动汽车仿真软件提供了思路和借鉴。在以 后的仿真技术的研究与软件开发中,应该遵循以下 目标: (1)精确:能够使得不同结构的动力传动系统间 的比较具有意义; (2)快速:能够快速进行汽车分析和空间研究设 计,如多维变量参数的研究和优化; (3)灵活:能够对不同控制策略和结构组成的汽 车进行评价; (4)共享:能够与潜在的合作者共享,推动混合 动力电动汽车的发展并促进公众的了解; (5)实用:能对各种不同车型建模(传统汽车、 电 动汽车、 串联式和并联式混合动力电动汽车 ); (6)使用方便:即使使用者对汽车建模没有经 验,也能快速掌握。 参考文献: 1 陈晓东.一种适合中国的实用清洁汽车串联式混合 动力汽车a .客车学术论文集c .重庆:西南师范大 学出版社, 2000. 2 chen xiao2dong , gao shi2jie. challenges that are faced w ith the development of chinese hev j . a uto industry research, 2001, 15(6): 1620. 3 ke ith w ipke. adv isor 210: a second2generation advanced vehicle si mulator for system s analysisa . the north american ev 2. 广州骏威客车有限公司,广州 510430) 摘要摘要 研究并提出了串联式混合动力电动汽车的发动机、发电机、 电动机、蓄电池等多能源动力总成系统的优化方法及评价指标,建立 了优化数学模型,并与传统的优化方法进行了对比。分析表明,所提出 的优化方法是可行的,可作为制定混合动力电动汽车控制策略的据。 关键词关键词:混合动力电动汽车混合动力电动汽车,多能源动力总成多能源动力总成,优化 优化 a study on the optimization of a multi2energy powert rain for hybrid elect ric vehicle luo yutao1 , huang xiangdong1 , huang he2 bmn ( pei) 为同一发动机功率下,不同转速和转矩对应的燃油消 耗率; km n 为第m个转速和第n 个转矩下对应的权重系数; pei 、pe max为部分发动机功率和最大发动机功率。 kmn 一般可以取1 ,根据一 定工况和实际需要可适当调整。例如某个功率条件下, 有多个转速对 应的mn ( pei) / bmn ( pei) 的数值相差不大,若此时的优化目标是发 电机效率,则将获得较高( pei) 时的系数km