ADVISOR中文使用说明2.pdf

3 1 ADVISOR的文件结构的文件结构 输入脚本文件 输出脚本文件 3 1 1 文件交互与数据流 ADVISOR 文件系统的数据流如上图所示 图中有四种主要的代表类型 输入脚本文件输入脚本文件定义工作空间的变量或者调用其它输入脚本文件 如MC PM32 M 模块图表模块图表有一些Simulink文件组成 这些文件含有许多根据输入 如发动机特性图 计算输出 如燃油经济性 的方程 它们都是一些模型 如BD PAR M 输出脚本文件输出脚本文件通过搜索工作空间对模型输出作一些后续处理 包括一些画图程序和一 些错误检查程序 如chkoutputs m 控制脚本文件控制脚本文件既生成输入 也对输出作一些处理 例如ADVISOR图形用户界面 GUI 和优化程序 3 1 2 文件位置文件位置 ADVISOR 根目录下 如 c ADVISOR 或 c Program Files ADVISOR 有一些子目录 这些 子目录下是含有相应文件的数据 图形用户界面和模型子目录 3 1 3 文件命名规则文件命名规则 模型和数据文件的命名都采用一个前缀加一下划线 且使用的前缀几乎和定义的变量 使用的前缀是一样的 而在模块图里这一前缀放在尖括号 内 以下是 ADVISOR 部 件文件类型 变量名称前缀 代表的文件类型 ACC M 附件负载文件 CYC M 驱动循环文件 定义变量时以 cyc 开头 在模块图里则以 作为标示 ESS M 能量存储系统数据文件 同样在定义变量时以 ess 开头 在模块图里则以作为标示 EX M 排放后处理文件 如催化剂等 FC M 燃料转换器数据文件 TX M 传动系数据文件 包括变速箱 gb 和主减速器 fd GC M 发电机 控制器数据文件 MC M 电机 控制器数据文件 PTC M 传动系控制数据文件 在定义发动机控制 离合器控制和 混合控制策略变量时以 vc 和 cs 开头 而在模块图中则分 别以和标示 TC M 扭矩合成装置数据文件 VEH M 整车数据文件 WH M 车轮 车轴数据文件 整车文件 部件数据文件 ADVISOR 模块图 画图程序 错误检查程序 ADVISOR 控制脚本文件 除了上述部件数据文件外 还有另一种类型文件也用前缀定义 BD M 代表 Simulink 模块图 模型 所有带前缀文件名用大写字母 而变量名则全部采用小写字母 以免相互混淆 3 1 4 ADVISOR 文件的添加文件的添加 向 ADISOR 中添加一特定类型的文件的最容易的方法是修改现有的同类型文件 并以新的 文件名在适当的目录下存储 注意文件名要用大写字母 这样做容易保证定义一个部件所需 的全部变量都包含在新的文件中 要添加汽车部件或驱动循环文件 用户只要点击图形用户 界面中的相应按钮 按弹出菜单的指示去操作就可以了 3 1 5 查看输入文件查看输入文件 除了 Matlab 文件含有特定的数据以外 ADVISOR 部件文件和其它几乎所有的文件都是文本 文件 用户可以在任何文本编辑器上查看并编辑文件 我们建议用户使用 Matlab5 3 自带的 编辑器和调试器 另外 查看文本文件还可在 Matlab 命令窗口直接输入 type filename 即可 3 1 6 文件的删除文件的删除 删除文件用户可用两种方法 一是在操作系统下直接删除 二是在 Matlab 命令行下输入删 除命令 建议用户在操作系统下进行 这样可暂时将 删除 的文件放在垃圾箱里 3 2 传动系模型的描述传动系模型的描述 ADVISOR 有如下六种不同类型的汽车和两种现有的特殊的汽车供选择 每一类汽车都有不 同的传动系 此外 ADVISOR 还提供了一种自定义类型的传动系 1 常规 一典型的常规汽车是客车或轿车 它仅用一个燃料转换装置 如汽油机 作为动力源 在 ADVISOR 中 默认的变速箱为手动五速机械式变速箱 附件为恒机械负载 下图是一典型 的常规汽车的结构 图 3 1 常规汽车的结构图 2 串联混合动力 串联混合动力汽车的部件包括燃料转换装置 发电机 电池和电机 燃料转换装置 如汽油 机 不直接驱动汽车的车轴 而是把机械能通过发电机直接转换成电能 所有驱动汽车的转 矩均来自于电机 在 ADVISOR 中 串联混合动力汽车默认的变速箱是单速的 默认的控制 策略是串联功率跟随策略 混合动力汽车的负载为恒电功率负载 串联混合动力汽车的结构 图如图 3 2 所示 图 3 2 串联混合动力汽车的结构 3 并联混合动力 并联混合动力汽车的部件包括一个发动机 电池和一个电机 之所以命名为并联混合动力汽 车 是因为燃料转换装置 如汽油机 和电机都可以直接驱动汽车的车轴 电机可反过来作 为发电机给电池充电 在 ADVISOR 中 并联混合动力汽车默认的变速箱是五速的 默认的 控制策略是并联电机辅助策略 混合动力汽车的负载为恒电功率负载 并联混合动力汽车的 结构图如图 3 3 所示 图 3 3 并联混合动力汽车的结构 4 并联SA 并联 SA 混合动力汽车的部件包括一个发动机 电池和一个电机 之所以命名为并联 SA 混 合动力汽车 是因为电机的作用类似于常规汽车上的起动机 Starter 和交流发动机 Alternator 它可允许并联 SA 混合动力汽车上的发动机在获得最小电动辅助的情况下关 闭和重新启动 称该类型汽车为并联是因为燃料转换装置 如汽油机 和电机都可以直接驱 动汽车的车轴 电机可反过来作为发电机给电池充电 并联 SA 混合动力汽车和基本的并联 混合动力汽车之间的主要区别是离合器的位置不同 前者的离合器位于变速箱和转矩合成装 置之间 而后者离合器则位于转矩合成装置和发动机之间 这就意味着当汽车行驶时 发动 机和电机轴都跟着转动 在 ADVISOR 中 并联混合动力汽车默认的变速箱是五速的 默认 的控制策略是并联电机辅助策略 混合动力汽车的负载为恒电功率负载 并联混合动力汽车 的结构图如图 3 4 所示 5 燃料电池 图 3 4 并联 SA 混合动力汽车的结构图 图 3 5 燃料电池混合动力汽车的结构图 6 电动汽车 图 3 6 纯电动汽车的结构图 7 日本丰田Prius混合动力轿车 8 日本本田Insight混合动力轿车 9 自定义类型 上图是用 ADVISOR 部件绘制的常规汽车的传动系图 值得注意的使大部分模块都有两各输 入和两个输出 每一个模块都传递和变换要求的转矩 也同时传递和变换可达到的 实际的 转矩和车速 图中上方的箭头 自左向右 表示的是转矩和车速需求 驱动循环模块提出车速要求 而介 于驱动循环模块和转矩提供模块 此时是内燃机 之间的各个模块然后根据给定的输入计算 输出 在计算过程中各个模块考虑损失 速度下降或提升以及自身的性能限制 在最后 内燃机 根据需求的转矩输出和车速确定其能够输出的转矩和最高转速 然后将信 息自右向左传给各个部件 这些部件根据实际输入决定其实际输出 和输入路径计算一样 输出也要考虑损失 最后 整车模块根据收到的牵引力和速度限制信息 计算下一时间段汽 车的加速度 这一过程在整个驱动循环内不断进行下去 下文即将介绍的是相互联系的各个部件模型之间转矩 转速和功率的转换 从而建立一整车 模型 另外 执行单独 控制 功能的模块 下文也将介绍 3 2 1 燃料转换装置和排放后处理燃料转换装置和排放后处理 燃料转换装置燃料转换装置 子系统在整车中作用子系统在整车中作用 FC模块模拟汽车的功率源 就内燃机而言 是该模块 FC 把燃料转化驱 为动链可用的能量 它可以被假如在各种类型汽车的配置中 包括串联混合动力 汽车 并联混合动力汽车和传统汽车 建模方法描述建模方法描述 假定由其它子系统要求的转矩和速度给定FC 模块确定发动机工作点来满足 这些要求同时考虑到转动惯量损失和附件负载发动机控制模块不会让FC 工作 在其允许的工作转速和转矩范围外并且在当离合器处于分离状态时确定发动机 转速一但获得了转速和转矩把它们传递到汽车下面其它模块中去而这些值也是 用来决定每步骤的燃油消耗和排放即在发动机万有特性中包括燃油消耗和废气 物质由FC 转速和转矩来索引确定在衡量冷起动时燃料消耗和排放时使用温度 校正因素 其中的燃油消耗和各废气EO 排放子模块图如下 燃料转换装置 燃料电池 发动机控制 常规汽车 发动机控制发动机控制 并联电机辅助并联电机辅助 并联电辅助控制策略并联电辅助控制策略 子系统在整车中的作用子系统在整车中的作用 排放系统 3 2 2 电器元件电器元件 发电机发电机 控制器控制器 子系统在整车模拟中的任务子系统在整车模拟中的任务 发电机 控制器 模块将由发动机模块提供的转矩和转速信号转化成功率信号 并传递至 功率总线 模块 建模方法描述建模方法描述 这个发电机 控制器模型考虑了发电机和控制器中损耗 发电机的转动惯量 发电机转矩 转速关系 转矩能力和控制器电流的限制 通过查转子转速和输入功率的二维表可以确定 损失的功率 发电机最大转矩通过查转速 最大转矩表获得 这就限制了发电机所能发出的 最大功率 但是并没有反馈到发动机功率的输入 功率总线功率总线 Power Bus 该子系统作用该子系统作用 根据从下面驱动链传来的功率要求 控制由发动机对发电机的供电来完成这 部分功率请求 不足的部分才由电池电功率来补充即电池在这里体现功率均衡作 用 建模方法描述建模方法描述 首先根据输入端口1 传来的路面阻力功率 考虑到其中附件消耗电功率损 失 得到输出端1 的功率要求 它传向控制策略模块以决定发动机应输出的功 率 当从发动机传来的功率不能满足汽车的路面阻力功率时 两者之差即为电池 所要补充的功率 该模块向电机输出的实际功率是从输出口3 传出 它的值为从 发电机组得来的功率加上从电池得来的功率 减去相应的附件电功率消耗 能量存储系统能量存储系统 概述概述 对混合动力汽车上的所有部件来说 电池也许是最难理解和最难建模的 尽管电池工作时看 起来是一个简单的电能存储装置 但实际上电池在接受和传递能量的过程中 经历一个受温 度影响的电化学过程 从而使电池的建模相对困难一些 因此 电池的电行为是众多不断变 化的参数的非线性函数 两种极端的建模方法是 将各个影响因素都包含其中 或者只建立 在一特定时间内可行的电池模型 电池电化学行为的动态模型是以上两种方法的折衷 目前 ADVISOR 中包含 4 种不同的电池模型 1 第一种模型是最近发展起来的一种模型 被称为 RC 模型 它含电池的动态影响 2 第二种模型是 ADVISOR 最初使用的模型 被称为 Rint 模型 它描述了电池电压源和内 电阻的特性 这个模型是美国爱达荷州国家工程实验室 Idaho National Engineering Laboratory 原先建立的铅酸电池的模型 ADVISOR 使用该模型大致模拟各种电池的电 化学行为 3 第三种电池模型是基础的铅酸电池模型 4 第四种模型为铅酸电池的神经网络模型 另外 ADVISOR 还有一个碳基超级电容 carbon based ultracapacitor 模型 Rint Battery Model Rint 电池模型电池模型 电池模型修改的影响电池模型修改的影响 子系统在整车模拟中的作用子系统在整车模拟中的作用 能量存储系统 ESS 模块是表示被模拟的汽车上的存储能量的电池组 该模块通常从功率 总线接受功率要求 返回电池实际可输出的功率 电池电压 电流和电池的荷电状态 soc 并规定 正功率表示放电 建模方法描述建模方法描述 ESS 模块将电池组模拟为一个电荷 库 和一个等效回路 回路的各参数是剩余电量 soc 的函数 等效回路将电池抽象成一个理想的开路电压源和一个内电阻串联 ESS 能存储的电 荷量一个常数 且电池在放电时受制于最小电压的限制 用于充电的电荷量受电池库仑效率 的影响 且电池在充电时受制于最大电压 当电池被看作一个理想电压源和已知电阻时 联 接于电池上的元件如电机和发电机则被视为功率源或 库 在有最小电压限制时 电池传 递的最大功率等效于回路传递的最大功率或等效于电机能接受的最大功率 其它相关的术语有 容量 容量率 C N 率 N 小时率和 Peukert 方程 一个简单的单节点电池热模型运行时由对流空气冷却 详见电池热模型说明 子系统中用到的变量子系统中用到的变量 见附录 A2 输入变量 见附录 A3 输出变量 执行执行 能量存储系统 第一层 能量存储系统 第一层 如上所述 能量存储模型是电池按功率总线的要求计算SOC并输出可输出的功率 功率损失 按I2R与库仑效率损失之和计算 模块解释如下 1 如前面所示电池的模型建立成包含一开路电压Voc和等效内阻R0或Rint的一 等效电路 Voc和Rint 为SOC的分段线性函数 计算Rint时 具有两个函数 一 个为充电内阻函数 一个为放电内阻函数 2 电池能提供的最大功率限制在一个可容许的限制范围内 3 利用已知的一组参数 Voc Rint和实际功率要求Pr 它们是二次方程的变量 来求解出等效电路的电流 4 通过电池电流来更新电池的有效荷电量SOC 5 通过电池的热模型来计算电池的温度 用来反馈决定电池的性能参数 每个子模块的详细说明 每个子模块的详细说明 1 电池组开路电压和内电阻电池组开路电压和内电阻 这个模块根据给定的当前 SOC 值 电池组温度和所要求输出的功率 计算电池组开路电压 Voc 和内电阻值 Rint 1 开路电压 充电电阻和放电电阻是 SOC 和模块温度的函数 通过查表插值可以确定这些 参数的值 2 根据电池组放电 正功率 还是充电 负功率 来选择合适的电阻 放电电阻 充电电 阻 3 计算串联电池组的开路电压和内电阻 由单个模块的参数值 VOC Rint 乘以串联电 池模块数得到 在 advisor2002 中 对于内电阻的计算 考虑了用户自定义电池时电阻的比 例关系 它的表达式为 ess res scale fun ess res scale coef ess module num ess cap scale 其中 ess res scale coef 为比例关系式 ess res scale fun 的系数 ess module num 电池模块 数默认值 ess cap scale 为电池模块最大 AH 容量比例因子 ess res scale fun inline x 1 ess module num x 2 x 3 ess cap scale x 4 x ess modu le num ess cap scale 2 功率限制功率限制 这个模块防止用于计算电池电流的功率值超过限制范围 通过三方面对它进行 限制 这个模块防止用于计算电池电流的功率值超过限制范围 通过三方面对它进行 限制 SOC 等效电路参数和电机控制器的最小允许电压 等效电路参数和电机控制器的最小允许电压 1 若电池已经耗尽 用光 电池的 SOC 接近为 0 如果继续要求电池输出正功率 放电 则将要求功率限制为 0 在 ADVISOR2002 中又考虑 当电池已经充满 SOC 0 999 如果要求电池输出负功率 充 电 则将要求功率限定为 0 2 从电池能够获得的最大输出功率受三个参数的限制 这三个参数都与可提供的 实际的 工作电压 电压有关 工作电压不能够低于电机的最低工作电压和电池组的最低电压 如果 满足了这两个条件 当电池电压等于 Voc 2 时 电池将输出最大功率 3 最大功率限制的计算公式为 VocVbus pVbus R i 式中 Vbus 为 Voc 2 电机最小工作电压和电池组最小电压的最大值 3 电流计算电流计算 这个模块通过解二次方程计算得到电流值 这个方程是根据电功率和基尔霍夫电 压定律 KVL 对上图的等效电路推导得出的 1 电流的计算 功率的定义为 P V I或V P I 结合基尔霍夫电压定律 则有 V P I Voc RxI 在等式两端同时乘以电流I 则有 P VocxI RI2 在这 部分模块中将解出这个等式的解 我们知道这个二次方程将会有两个解 我 们忽略值较大的那个解 因为在产生相同的功率的时候 这种情况下电池输 出的电流大 而电池电压低 忽略所有使端电压 或线电压 低于电池开路 电压一半 Voc 2 的解 在充电的时候 必须控制最大充电电压 最大充电 电流 由于充电的时候电流为负值 也可以说是最小电流 由公式 I Voc Vmax R计算得到 2 线电压的计算 根据基尔霍夫电压定律 输出电压为 V Voc RxI 4 SOC 运算法则运算法则 在 ADVISOR 中用于确定电池剩余容量 单位 Ah 电池剩余的能够继续放电的容量 的 SOC 运算法则是可靠的 它是在连续的迭代中逐步逼近真实值 注意 电池的最大容量和 库仑效率都是温度的函数 1 所有放电电流和充电电流 经过预估的库仑效率 充放电效率 的修正 的积分 来确 定从仿真开始电池的所有的有效 Ah 容量变化 2 利用初始的 SOC 值计算 电池初始状态下 已经使用的 Ah 容量 这个非零值作为步骤 1 中积分的初始值 Ah used init 1 ess init soc max cap 3 SOC 的计算公式为 SOC Max Capacity Ah used Max Capacity 电机电机 控制器控制器 子系统在整车模拟中的任务子系统在整车模拟中的任务 电机控制器模块把转矩和转速需求转换成电功率需求 并且把实际电功率输入转换成转矩和 转速输出 建模方法描述建模方法描述 电机控制器模型考虑了电机的损失的影响 转子的转动惯量和转矩输出能力 功率损失是一 个二维的函数 或称之为数表 它的自变量是电机转子的转速和输出的转矩 电机的最大 输出转矩用一个以转子转速为自变量的函数 或数表 加以限制 电机 控制器 模块外的 电机控制 模块保证电流不会超过最大限定值 并且能在不需要电机输出功率的时候关闭 电机 实际可输出的转矩由实际可输出的功率计算而得 这一过程假设实际电机转子的转矩 和输入电功率的比值与计算需求时的相等 在数学上这等于假设电机控制器的效率是相等 的 在实际输出计算的时候 转子的转速计算方法也和计算需求时的相同 子系统中用到的变量子系统中用到的变量 见附录 A2 输入变量 见附录 A3 输出变量 执行 热模型执行 热模型 电机 控制器模块通过一个简单的电机热模型来计算电机的温度以及为了维持电机的温度而 由冷却液带走的热功率 在模块中 电机被当作一个温度设定的 通过油冷却的质量集中体 热量由电机产生 通过自然的和人为的空气对流 辐射以及人为的油冷却散发到周围环境中 示意图见图 3 Qmc gen 表示通过电机的输入和输出确定的电机产生的热量 Qmc gen Pin T Qair 表示通过自然的和人为的对流散发到周围大气中的热量 Qair hair A Tmc Tambient 图 3 电机热模型示意图 其中热传递系数hair是经由给定试验条件下的已知的热传递系数计算而得 温差 Tmc Tambient 为 1000 时 自然对流冷却的热传递系数h为 6 W m2K 冷却空气流速为 30mph 时 人为对流冷却的热传递系数h为 60 W m2K 在计算过程中 自然对流冷却设定最小热传 递系数hair为 6 W m2K 对于任意条件下的自然冷却 Nusselt常数和Rayleigh常数有如下关系 对于电机外部风冷 Nusselt 常数和 Rayleigh 常数有如下关系 因此 模型中的热传递系数方程为 hair 6 6 T 1000 0 25 60 Vair 30 0 63 假定流经电机 的空气流速为车速的二分之一 Qrad 表示通过辐射散发的热量 Qrad A Tmc4 Tambient4 0 9 5 67E 8 A Tmc4 Tambient4 计算时发射率设定为 0 9 温度的单位是 K Qmc coolant 当电机的温度超过设定的温度时 冷却油泵将被启动 在计算冷却液带走的热量时 不考虑 细节 自认定冷却液带走的热量 Qmc coolant Qmc gen Qair Qrad Tmc 最后 电机的温度为各热量在时间上的积分 积分时考虑电机热容量 图 3 表示的是模块执行的过程 图 3 电机热模型模块 参考文献 Basic Heat and Mass Transfer Anthony F Mills Irwin 1995 电机控制策略电机控制策略 子系统在整车模拟中的任务子系统在整车模拟中的任务 这一模块是执行电机控制器 如逆变器 的一些控制功能的 它的功能是防止电机电流过载 以及在汽车停止行驶时或变速箱换档时关闭电机 建模方法描述建模方法描述 施加电机 控制器的电流控制 最大的功率需求由最大电流 mc max crrnt 和功率总线前一步 进时间的的电压相乘而得到 这一乘积限定了最大功率需求的绝对值 电机不会向总线提出 更多的功率需求 也不会向总线提供更多的功率 由布尔变量的表示电机关闭的条件 子系统用到的变量子系统用到的变量 mc max crrnt 其它见附录 A2 输入变量 3 2 3 传动系传动系 转矩合成装置转矩合成装置 转矩合成装置在整车上的任务 转矩合成装置是由三条齿带或传动链传动的 将两个转矩合成输出给传动系部件如齿轮箱或 者驱动桥的装置 转矩合成装置图块的任务是处理从下一个传动系部件来的转矩和转速要 求 并且分配两个转矩提供者 建模方法描述 本部分主要针对转矩损失和转矩合成装置第二输入与输出的齿轮速比建模 当转矩合成装置 工作时 转矩损失是一个常数 转矩合成装置首先要求已知需要输出的转矩和第一输入的转矩损失 利用第一输入的实际 可得转矩 转矩合成装置要求第二转矩输入有一个平衡 两个转矩输入的转速与转矩合成装 置的输出转速的速比是一个常数 第一输入与输出的速比为 1 第二输入与输出的速比为系 数 tc mc to fc ratio 的值 离合器离合器 离合器控制离合器控制 变速箱变速箱 在汽车该子系统作用在汽车该子系统作用 多速变速器内有不同变速比齿轮 用来传送来自发动机或驱动电机的转速到 后驱或车轮 因此它容许有离散减速和增扭因子 变速箱对传统汽车和并联混合 汽车是非常关键的 而一般对串联混合汽车并不重要 建模方法描述建模方法描述 在ADVISOR中的变速箱模块通常和后驱 fd 发动机 fc 扭转偶合器 tc 或电机 mc 模型交换物理量信息 如扭矩转速和功率 整车CPU 根据控制信 号 如齿轮数 实现对变速器子模块的变速控制 影响变速箱扭矩和转速的因素包括 通过齿轮比减速增扭 加速转动惯量造成扭矩损失 齿轮旋转摩擦造成扭矩损失 这些影响因素按经验方法来建模 在数据文件中如 data transmission TX 5SPD M gb vw m 要提供所需的实际参数 变速器模块图代表的方程如下 1 1 后向路径后向路径 gb trq in r gb trq out r gear ratio Tinercia Tloss 式中 gb trq in r 要求输入扭矩 gb trq out r 要求输出扭矩 该仿真模块的输入 gear ratio 当前齿轮比率 由当前齿轮数计算得到 在变速箱控 制模块使用查表向量gb ratio 而得到 Tinercia 所要求加速转动惯量扭矩 所需求加速转动惯量扭矩 gb inertia d 变速箱要求输入速度 dt Tloss 摩擦损失的扭矩 摩擦损失的扭矩分为电动和能量回馈两种情况 1 电动状态 T loss at input Tout abs gear ratio tx eff 1 tx eff 式中 T loss at input 在输入轴的转矩损失 Tout abs 变速器输出转矩绝对值 gear ratio 齿轮比 tx eff 变速器效率 2 回馈制动状态 T loss at input Tout abs gear ratio 1 tx eff gb spd in r gb spd out r gear ratio 要求输入速度 要求输出速度 当前齿轮比 2 前向路径 gb trq out a gb trq in r Pout Pin Tinercia gear ratio 输出实际扭矩 输入轴端实际扭矩 输出端功率 输入端功率 req 要 求加速转动惯量的扭矩 当前齿轮比 其中 输出端功率 输入端功率 req 是从输入输出扭矩转速计算得的近似 作为机械变速器的摩擦效率 gb spd out a gb spd in r gear ratio 输出端实际速度 输入端实际速度 当前齿轮比 变速箱控制变速箱控制 该子系统在汽车模块中的作用该子系统在汽车模块中的作用 该模块根据当前动力源的负荷和转速情况 模拟驾驶员来进行换档输出当前 档位 速比命令和是否在进行换档的逻辑量shifting 子系统建模方法说明 子系统建模方法说明 每个档位都具有一个二维表以实现是否在当前档位内需要进行换档判断 当 动力源输出的转速与扭矩在向上换档曲线下该进行下则向上换档 如果在向下换 档曲线下则应从该档位向下换档命令 下面以传统汽车的换档为例说明 如下图 所示 图中两折线表示向上和向下换档曲线 最上顶那条曲线为发动机的输出外特性 含有数字的曲线为等效率曲线 该图右边折线由变量名为gb gearX upshift spd 和gb gearX upshift load来定义 其中X代表相应的各个档位 当发动机的扭矩 转速点落在该曲线的下面 则需进行向上换档 同样gb gearX dnshift spd 和 gb gearX dnshift load 变量用来定义左边折线 向下换档曲线 当发动机的 扭 矩 转 速 点 落 在 该 曲 线 的 上 面 则 需 要 向 下 进 行 换 档 如 何 在 MATLAB SIMULINK下实现是通过该模块当中的两个子模块 upshift command 和dnshift command 来实现 这两个子模块实现在当前档位和当前负荷情况下 使用上面 变量定义的换档曲线进行寻找判断 由于各变速器的档位较多因此在 SIMULINK 的基本模块下是无法实现的 这里是借助S 函数来实现 它在 MATLAB的m文件sfun gearbox中实现 对于串联混合动力汽车 本文研究的 串联混合动力汽车使用了两档变速器 它根据驱动电机的输出特性来进行判断换 档的 而进行换档逻辑是完全一样 因此 在使用它的时候须根据动力源的输出 特性合理地设定上面两条换档曲线 自动变速自动变速 液力变矩器液力变矩器 无级变速无级变速 CVT 主减速器主减速器 该子系统作用该子系统作用 在后馈路线上 final drive 模块从 wheel axle 模块传送所要求转速和 扭矩到 gear box 模块 在前馈路线上 传递实际输入扭矩和转速从 gear box 模块到 wheel axle 模块 建模方法描述建模方法描述 后驱模块在 request 和 actual 传送路径上含有扭矩损失 并受转动惯 量和齿轮比影响 扭矩损失认为是常数 当齿轮停止转动时 损失为0 齿轮 速比 即主减速比 则降低由 gear box 或其它输入的转速并增加扭矩到车轮 模块 即减速增扭 转动惯量是由汽车加速输入转矩引起的 主减速的转动惯 量在输入端被测量 惯量 损失是在减速齿轮的输入端 1 后向路径 在后馈路线上 final drive 模块从 wheel axle 模块传送所要求转速和扭矩 到 gear box 模块 fd spd in r fd spd out r fd radio 式中 fd spd in r 在主减速器输入侧被要求输入的转速 rad s fd spd out r 在主减速器输出侧被要求输出的转速 rad s fd radio 主减速比 fd trq in r fd trq out r fd radio Tloss Tinertia 式中 fd trq in r 在主减速器输入侧被要求输入的转矩 Nm fd trq out r 在主减速器输出侧被要求输出的转矩 Nm Tloss 扭矩损失 Tinertia 转动惯量引起的加速转矩 2 前向路径 fd spd out a fd spd in a fd radio 式中 fd spd out a 主减速器输出侧实际能输出的转速 rad s fd spd in a 主减速器输入侧实际输入的转速 rad s fd trq out a fd trq in a Tloss Tinercia fd radio 式中 fd trq out a 主减速器输出侧实际能输出的转矩 Nm fd trq in a 主减速器输入侧实际输入的转矩 Nm 3 2 4 整车 车轮和制动整车 车轮和制动 车轮车轮 车轴车轴 该子系统的作用该子系统的作用 wheel axle 块传送来自 vehicle 块的驱动力和线速度转换成扭矩和转速 轮胎 的要求转速和扭矩 传递到后驱 并从前馈路线上后驱传来的实际扭矩和转速转 换成在轮胎上的牵引力和线速度 然后向汽车整车模块传送 建模方法描述建模方法描述 车轮模块包括的 request 和 actual 两数据流路线上都受轴承损失 轮 轴惯量 轮胎滑动和制动摩擦的影响 扭矩损失由测试汽车质量通过检索表处理轮胎滑动 通过驱动力 滑移率检索表处理 另外 在整车控制模块当中的驱动力控制 traction control 子模块中与 wheel axle 模块相关驱动力控制模块保证当要 求提供驱动力太大时会相应降低它以防止驱动打滑 wheel axle 块外的制动力 控制模块实现制动力分配 在驱动链中分配所要求的制动力 前摩擦制动力和后 摩擦制动力之间的分配同样类似驱动力控制以防止制动抱死 1 后向路径 在后向路径中 车轮模块接收车辆模块传递的请求轮胎的驱动力 Ftv 和汽车速度 u 然 后将其转换为车轮的扭矩和角速度 这一过程受到两个限制 一是汽车驱动力受路面附着力 限制 其计算公式为 min twtv FFF 其中 F 为附着力 另外车轮转速受滑动率限制 车轮转速 单位 rad s 的计算公式 由汽车理论知 ur s u i sign 1 tw u sF r i 其中 s 轮胎滑动系数 请求从传动系统到前轮 假设汽车为前轮驱动 的驱动扭矩的计算公式 11tdl TTTT i r 其中 Td 传动系统的驱动扭矩 单位 N m Tl1 前轮的损失扭矩 单位 N m Ti1 前轮的惯性扭矩 单位 N m 传动系统的驱动扭矩的计算公式 1 dtwb Tr FF 其中 r 轮胎半径 单位 m Fb1 r 请求前制动器的制动力 单位 N Tl1 通过查表获得 Ti1 的计算公式为 1 i d TJ dt 在计算出 Tt 和 后 车轮模块将其值传递给上级的主减速器模块 2 前向路径 在前向路径中 车轮模块接收主减速器模块传递的传动系统提供的可用扭矩 Tt av 和转速 av 计算出可用的驱动力和速度 最后传递给车辆模块 得到实际的汽车行驶速度 实际前轮驱动力的计算公式 1 1 tavli d t TTT T F rr 1 2 实际汽车驱动力的计算公式 11tactbb FFFF 其中 Fb1 Fb2 前 后制动器的制动力 单位 N 汽车实际速度的计算公式 11 ac tb r u sign FFs1 i 可以看出 车轮模块的前向路径实际是后向路径的逆计算过程 只不过后向路径的计算过程 比前向路径多了驱动力受路面附着力的限制 整车整车 该子系统在汽车中的作用该子系统在汽车中的作用 在汽车模块中的计算是表示在轮胎处力的平衡 该迭代步骤末给定所需速度 而由上一步实 际路线计算获得的车速作为该迭代步骤的初速度 由这两端速度求得迭代步内的平均车速 该步骤内要求的驱动力和该步骤的平均速度就是驱动车轮向上要求 后馈 的功率流 并且 在前馈路线 所获驱动力和速度极限 汽车 实际速度可以通过其子模块 vehicle speed 来计算出来 模型建立方法说明模型建立方法说明 该块中实现了汽车纵向动力方程 F ma 力包括滚动阻力 空气拖动阻力和坡度阻力 该方程首先计算迭代步的加速度来计算所要求后馈驱动力 迭代步内的平均速度为步骤开始 处和末端处所需速度的平均值 整车仿真模块 实际计算车速的子模块 它实现的计算模型和公式如下 汽车在坡度为a的路面的受力图如下所示 已知 驱动力Ft 初速V0 求末速Vt 我们要求该步骤的平均车速Vaver 利用下面关系 0 2 VtV Vaver 0 可以求得该步骤的末车速Vt 已知由力的平衡得 sin Ftm amgFwFf i 其中加速度a 空气阻力Fw 滚动阻力Ff 由下面公式计算 00 5 0 VtVVaverV a dtdt 2 0 5FwCd A Vaver i ii i cos 12 FfmgfVaver f i 可以化简为计算平均车速的二次多项式方程 2 0 5 0 5 cos cos1sin0 50 0 m Cd A VavermgVavermgfmgm VFt dt ii iii i 式中 f1 f2 分别为汽车前后轮子滚动阻力系数 求解这个一元二次方程式的根即得到汽车在迭代步内的平均车速Vaver 进而 可求得末速 20VtVaverV i 计算的流程图如下 牵引力控制牵引力控制 该模块包括两个子模块 一个是限制从汽车模块传来的要求驱动力和平均车速 另一个是由于加减速而产生的轮轴载荷的变化 这里返回端3 为前载荷 首先介 绍 1 由轮胎牵引极限限制车速要求 该模块保证从整车模块传来的车速要求不会超 过汽车在路面发生极限附着情况下所能产生的汽车车速 所以要建立汽车 前驱 动 在发生路面打滑的情况 路面附着极限的情况 下所能产生的最大车速 驱动 或最小车速 制动 的理论分析模型 如图所示 假设汽车在坡度为 弧度的路面上以初速V0 在极限附着力Fmax 的驱 动力下 所能产生的最大末速度为Vt 其中 Fw 空气阻力 Ff 滚动阻力 Fi 坡度阻力 根据平衡方程 Fmax Fw Ff Fi ma 这里Fmax Wf max 驱动轮前轮载荷Wf为 迭代步骤内的加速度为 a Vt V0 dt 迭代步骤内的平均速度为 Vaver Vt V0 2 其中 L 汽车轴距 b 后轴距 Hg 汽车质心 Cd 空气阻力系数 A 迎风面积 空气密度 分别代入平衡方程中 并化简为了简化二次项求根 把Vt 的二次方记作Vt V0 这样可以得到在驱动达到附着极限及初速为V0 时迭代步骤末所产生的速度为 注 分子式中还应该减去mgsin hg L Vt 就是汽车所能提供的极限车速 从整车模块传送过来的速度必须小于该速度 同样分析 当在制动情况下达到附着极限时 Fmax 已经是制动力 方向相反 其它的受力情况一样 力平衡方程为 Fmax Fw Ff Fi ma 其中 Fmax Wf max 化简得到制动极限附着情况下所能达到的最小车速为 极限附着情况下限制车速的整个控制在MATLAB SIMULINK 平台的 ADVISOR 软件下建立的模型如下所示 子系统建模方法说明 子系统建模方法说明 该模块只有两个输入端 即迭代步骤初速V0 端口2 和从 汽车的整车模块传来的平均车速 端口1 建立该模型的目的是要对平均车速的 要求值作其在极限情况 即极限附着力条件 下的限制前面我们已求得了在驱动 或制动极限情况下的最大末车速或最小末车速 进而由Vaver Vt V0 2 关系可 以求出迭代步内的平均车速的极限值 最后通过比较限制端口1 输出的平均车 速 使其不会超过极限附着情况下能产生的平均车速 2 限制前轮驱动的最大驱动力模块 前面模块1是根据极限附着情况下限制整车模块传来的汽车平均车速 在该 模块中 我们要进一步对从整车模块传来的要求驱动力进行限制 因为前面已经 限制了要求的平均车速 在初始车速V0下 它要么加速 要么减速 因而会由 此产生汽车前后轴荷的变化 我们求出驱动轮的轴荷 前轮 应用驱动轮轴荷与 路面最大附着系数的乘积为其驱动附着情况所能提供的最大驱动力或 在制动情 况下所能提供的最大制动 即要满足关系式 Fmax Wf max Wf mgcos b L mgsin ma Fw hg L mg b L ma hg L 在MATLAB SIMULINK 平台的ADVISOR 软件下建立的模型如下所示 子系统建模方法说明 子系统建模方法说明 该模块有三个输入端 即迭代步骤初速V0 端口3 和从上 面模块1中限制的平均车速 端口2 以及从整车传来的要求驱动力 端口1 建 立该模型的目的就是要进一步对驱动力要求值在打滑或极限附着条件下进行限 制 并从右边端口1输出 而输出端口2输出该步骤内的前轮载荷Wf 制动制动 1 制动控制 前馈路径 可能的 实际可用的 制动控制 前馈路径 可能的 实际可用的 子系统在整车中的作用 子系统在整车中的作用 前后轮制动控制器 模块根据总制动力的需求和驱动链上所能提供的再生 制动力的多少 确定前 后轮制动器上制动力的分配 建模方法的描述 建模方法的描述 前轮制动系数决定了前轮制动力在所有制动力 摩擦制动力与再生制动的 和 中所占的比例 前轮制动力要始终保证前轮制动系数与设定值相同 同时 不能超过最大摩擦力 后轮制动力为总摩擦力减去前轮制动力的差 同样不能超 过限制值 假设 当车速为 60mph 时的制动控制策略为 40 制动力由驱动链 再生制动 提供 30 由前轮制动提供 剩下的 30 由后轮制动力提供 举例 说 在一个特定情况下 驱动链只能提供所要求制动力的 20 这样剩下的 80 都要由摩擦制动力来提供 若前轮制动力占所有制动力的一半 30 30 30 40 这里是认为前后轮能够提供同样多的制动力 但是 比 如说前轮因为发热只能提供所需制动力的 25 那么剩下的 1 20 25 55 在后轮能够满足的情况下都要由后轮来提供 在子系统中用到的公式有 在子系统中用到的公式有 前轮制动力 所需的摩擦制动力 前轮制动系数 1 再生制动系数 braking force required at tire patch from front friction brakes braking force required from all friction brakes fraction of braking supposed to be done by front friction brakes 1 fraction of braking supposed to be done by driveline 当再生制动系数 驱动链制动系数 1 时 规定前轮制动力占所需摩擦制动力 的 60 unless fraction of braking supposed to be done by driveline 1 in which case braking force required at tire patch from front friction brakes 0 6 braking force supplied at tire patch by front friction brakes max braking force required at tire patch from front friction brakes most negative braking force front brakes can supply braking force required at tire patch required from rear friction brakes braking force required from all friction brakes braking force supplied at tire patch by front friction brakes braking force supplied at tire patch by rear friction brakes max braking force required at tire patch from rear friction brakes most negative braking force rear brakes can supply 2 后向路径后向路径 子系统在整车中的作用子系统在整车中的作用 制动控制策略模块 用来确定在前 后轮制动器上所需的制动力是多少 所需驱 动力的差额将最大限度的发挥驱动链 再生制动 的能力 如果再生制动已经达 到了限制的极限值 那么由根据前 后轮制动器根据他们制动能力来提供剩下的 制动力 建模方法描述建模方法描述 所需制动力是车速和所需所有制动力的函数 通过查一维表可以确定前后轮制动 系数 子系统中所用到的公式子系统中所用到的公式 1 friction braking force required of front brakes total braking force required fraction of total braking force provided by front friction brakes 2 friction braking force required of rear brakes total braking force required 1 fraction of total braking force required of front friction brakes fraction of total braking force required of driveline 3 fraction of total braking force required of front friction brakes f vehicle speed 4 fraction of total braking force required of driveline f vehicle speed 制动控制系统在汽车中的作用 在ADVISOR 中制动力在驱动链制动 再生 和摩擦制动 通常为前后摩擦 之间如何分配 在下面图示中dl 指的是 wh fa dl brake frac 前 驱 动 轮 再 生 制 动 力 系 数 变 量 Faf 指 的 是 wh fa fric brake frac 前轮摩擦制动力系数变量 下面例子设定驱动链接受90 的制动力 而前轮制动力摩擦器接受总共要求的 6 制动力 3 2 5 混合驱动控制策略混合驱动控制策略 混合驱动控制策略 串联开关 混合驱动控制策略 串联功率跟随 混合驱动控制策略混合驱动控制策略 并联电机辅助并联电机辅助 子系统在汽车上的任务子系统在汽车上的任务 电机电辅助控制策略时采用电机作为功率辅助装置 当汽车要求输入大功率的时候 有电机 提供额外的功率并给电池充电 建模方法描述建模方法描述 电机电辅助控制策略可在下列不同情况下使用电机 1 在设定的汽车最小转速下 有电机单独驱动汽车 2 若汽车的转矩要求大于发动机工作转速范围内所能提供的转矩 则由电机提供辅助 转矩 3 在再生制动工况下 由电机给电池充电 4 当在给定转速