基于ADVISOR混合动力汽车驱动系统的研究【毕业论文】【汽车车辆专业】
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摘 要
混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle）是传统燃油汽车和纯电动汽车相结合的新车型。具有燃油汽车的动力性能和较低的排放。是当前解决节能、环境保护问题切实可行的过渡性方案。
本文系统地分析了串联式、并联式以及混联式混合动力汽车动力总成构型的优缺点，在介绍了ISG型混合动力汽车结构及主要特点的基础上，首先通过对各总成选型分析，选择了发动机、电机、电池等部件，并根据性能指标，确定了发动机、电机、电池等部件的参数匹配。
基于证明设计方案的可行性，在MATLAB/Simulink环境下，以ADVISOR为仿真平台，依据系统的结构、控制策略，建立了ISG混合动力汽车的整车仿真模型。利用建立的模型，在ADVISOR仿真软件中输入仿真参数，设计仿真性能，汽车动力性、经济性以及一些重要性能曲线的仿真结果。与同样参数设置的传统燃油汽车仿真结果进行比较，油耗和排放都得到了很好的降低。
关键词：混合动力汽车；节能；ISG；驱动系统；仿真
ABSTRACT
Hybrid Electric Vehicle (HEV) combine the advantages of conventional engine-driven and pure Electric Vehicle (EV). This provides satisfied driving performance and lower exhaust emission. Thus, HEV is a feasible solution to solve the energy crisis and environmental pollution problems.
The different types of HEV configurations can be classified into three basic kinds: series, parallel configuration, or a combination of both. This paper analyses the advantages and disadvantages for series, parallel and parallel-series powertrain for Hybrid Electric powertrain structure, and introduces the structure and main characteristics of ISG-type HEV. The parameters for component such as engine, electric motor and battery are decided by design analysis and development target.
In order to prove the viability of the whole design proposal, under the environment of MATLAB/Simulink, regard as ADVISIR as the simulation platform, Simulation models of ISG-type HEV are constructed based on modification of Advisor’s simulink modules according to the Powertrain Schedule and control strategy. Compared with conventional vehicle of similar dynamic performance. The results of simulation show that it cuts down and fuel consumption.
Keywords: Hybrid Vehicle; Energy Conservation; ISG; Drivetrain; Simulation
第 1 章 绪 论
自1886年，德国诞生了世界上第一辆汽车以来，汽车已经极大的改变了人们的生活，成为重要的运输及代步工具。目前，汽车工业已经成为当今世界最大、最重要的工业部门之一。汽车缩短了人们之间的距离，提高了生活质量。但我们在享受汽车文明的同时，也必须面的汽车带来的负面影响：环境污染和过度能源消耗。目前，世界上空气污染最严重的10个城市7个在中国。上个世纪人们关注的是汽车节能、排放和安全技术，而本世纪初，人们已经更多的将目光转向汽车新能源和环保技术。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。
改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比重仍很小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重。现行的汽车排放标准的限制水平远低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8倍，而碳氢和氮氧化物更高达l0倍。国际上，涌动的混合动力汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。但混合动力汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展混合动力汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。
1.1混合动力汽车的发展历史
当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。 现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（Hybrid-Electric Vehicle缩写HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10％以上，废气排放可改善30％以上。混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式(SHEV）和并联式（PHEV）两种。 串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机-发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。例如福特“新能级－2010”SHEV，其电池采用燃料电池，在城市市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机，电动机通过减速器（变速器）和驱动桥驱动车轮，达到了“零排放”要求。当高速及爬坡时，则由发动机-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。 并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。例如大众汽车公司的高尔夫PHEV，发动机通过离合器1带动电动－发电机，输出扭力再通过另一边离合器2驱动车辆行驶。静止启动时，电池向电动－发电机供电，此时电动－发电机就是发动机的起动机。发动机启动后，发动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动电动－发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，离合器1脱开，离合器2接合，电池作为唯一能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动离合器1闭合，发动机与电动－发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。 混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。由于构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。
1.2研究的目的和意义
随着传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。由此人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，例如燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle 简称FCV）、纯电动汽车（Electric Vehicle 简称EV）和混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle 简称HEV）。FCV是利用氢、氧在常温下通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。但是FCV目前存在着成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化至少需要十至十五年的时间。EV虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术上并未去得突破性的进展，而且电动汽车依然存在续驶里程短和充电时间长等问题。HEV虽然不能实现零排放，但真对以上FCV、EV所存在的问题，HEV在目前环境更具有更强大的优势，在世界范围内将成为新型汽车开发的热点。
世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此，日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，预测表明到2010年全球混合动力汽车年产可达294万辆。
因石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车)，北京申报成功2008年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。
1.3国内外发展现状
1.3.1国内的研究现状
随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，混合动力汽车及电动汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府也已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门开列了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。
目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得
- 内容简介：
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2 0 0 7年第 2期 ( 总第 1 8 7期 ) 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A L E Q U I P M E N T&V E H I C L E E N G I N E E R I N G NO 2 2 O o 7 ( T o t a l l y 1 8 7 ) 汽车仿真软件 AD VI S OR 刘磊， 刚宪约， 王树凤 ， 柴山 ( 山东理工大学交通与车辆工程学院， 山东 淄博 2 5 5 0 4 9 ) 摘要： A DVI S OR 软件能够快速分析传统汽车、 纯电动汽车和混合动力汽车的动力性、 燃油经济性以及排放性等各种 性能。 本文系统地介绍了A DVI S OR2 0 0 2 软件的功能特点、 仿真策略和操作方法， 并对该软件的应用以及汽车性能仿 真软件的进一步研制作了展望。 关键词 ： A DVI S OR ； 传统汽 车； 电动汽车； 混合动力汽车 ； 仿 真 中图分 类号 ： T P 3 1 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 3 3 1 4 2 ( 2 0 0 7 ) 0 2 - 0 0 4 0 0 4 Au t o mo b i l e S i mu l a t i o n S o f t wa r e ADVI S oR L I U I e i ，GANG Xi a n y u e ，WANG S h u f e n g ，CHAI S h a n ( S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n a n d V e h i c l e E n g i n e e ri n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z i b o 2 5 5 049 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e s o f t w a r e ADVI S OR c a n b e u s e d f o r r a p i d a n a l y s i s o f t h e p e r f o r ma n c e o f c o n v e n t i o n a l 。e l e c t ric a n d h y b ri d v e h i c l e s ， s u c h as d y na mi c s ， f e u l e c o n omi e s， e mi s s i o n b eh a v i o r， e t e I n t hi s p a pe r t h e f u nc t i o n a l c h a r a c t eris t i c s， s i mul a t i n g s t r a t e g y a n d o p e r a t i n g me t h o d s o f t h e s o f t wa r e AD VI S OR 2 0 0 2 i s i n t r o d u c e d， a n d t b e r e s p e c t o f t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s o f t w a r e a n d t b e f u rth e r d e v e l o p me n t o f a u t o mo b i l e s i mu l a t i o n s o f t w a r e i s g i v e n Ke y W o r d s ： AD VI S OR：c o n v e n t i o n a l v e h i c l e ；e l e c t ri c v e h i c l e ；h y b ri d v e h i c l e；s i mu l a t i o n A D V I S O R( A d v a n c e d V e h i c l e S i mu l a t O R， 高 级 车辆仿真 器 )是 由美 国可再 生能 源实验室 N R E L ( N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y ) 在 MA T L A B 和 S I MU L I N K软件 环境下开 发的高级 车辆 仿真软 件 。该软件从 1 9 9 4年 1 1月份开始开发和使用 ， 最 初是 用来帮助 美 国能 源部 D O E ( D e p a r t m e n t o f E n e r gy) 开发某混合动力汽车的动力系统 ， 随后功 能 逐渐扩展 ，目前最新的正式 版本 A D VI S O R 2 0 0 2可 以对传统汽车 、纯电动汽车和混合动力汽车的各种 性能作快速分析 ，是世界上能在 网站上免费下载和 用户数量最多的汽车仿真软件。由于该软件通过大 量 的实践被证实具有较好的实用性 ，现在世界上许 多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽 车仿真方面的研究。 1 A D VI S OR的主要功能和特点 A D V I S O R是 MA T L AB和 S I MU L I N K软件环境 下的一系列模型、 数据和脚本文件 ， 它在给定的道路 循环条件下利用车辆各部分参数，能快速地分析传 统汽车、 纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性 、 动力性 以及排放性等各种性能。 此外 ， 该软件的开放 性也允许对用户 自定义的汽车模型和仿真策略做仿 收稿 日期 ： 2 0 0 6 0 9 2 5 作者简介 ： 刘 磊( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 山东 菏泽 人， 硕 士研究生 ， 主要研 究方 向为车辆数 字化设计 与制造。 4 0 真分析 。它主要有以下特点 ： ( 1 ) 仿真模型采用模块化的思想设计 。 A D V I S O R 软件分模块建立了发动机 、 离合器 、 变速器、 主减速 器、 车轮和车轴等部件的仿真模型， 各个模块都有标 准的数据输入 输出端口，便于模块间进行数据传 递， 而且各总成模块都很容易扩充和修改， 各模块也 可以随意地组合使用，用户可以在现有模型的基础 上根据需要对一些模块进行修改 ，然后重新组装需 要的汽车模型， 这样会大大节省建模时间， 提高建模 效率 。 ( 2 ) 仿真模型和源代码全部开放 。 A D V I S O R 2 0 0 2 的仿真模型和源代码在全球范围内完全公开 ， 可以在 网站上免费下载。用户可以方便地研究 A D V I S O R的 仿真模型及其工作原理， 在此基础上根据需要修改或 重建部分仿真模型 、 调整或重新设计控制策略， 使之 更接近于实际情形 ， 得出的仿真结果也会更合理。 ( 3 )采用了独特的混合仿真方法。现在的汽车 仿真方法主要有前向仿真和后向仿真两种 ，仿真软 件也多采用其 中的一种方法 ，使两种方法优劣不能 互补 ， 而 A D V I S O R采用了以后向仿真为主 、 前向仿 真为辅的混合仿真方法 ，这样便较好地集成了两种 方法的优点， 既使仿真计算量较小 ， 运算速度较快， 同时又保证 了仿真结果的精度。 ( 4 ) 在 MA T L A B和 S I MU L I N K软件环境下开发 维普资讯 刘磊 等 ： 汽车仿真软件 A D V I S O R 2 0 0 7年2月 研制。MA T L A B是世界上顶尖的可视化科学计算与 数学应用软件 ， 其语法结构简单 、 数值计算 高效 、 图 形功能完备 ， 集成了诸多专业仿真工具包 ， 而且它还 提 供 了方便 的应 用程 序接 口 ( A P I ) ，用户可以在 MA T L A B环境下直接调用 C、 F o r t r a n等语言编写的 程序。M A T L A B内置的计算程序、 专业的仿真工具 以及与其他应用程序的接 口， 会减少汽车模型的搭 建和仿真计算过程 中工作量 ， 同时也方便 了熟悉不 同编程语言的用户之间的合作。 ( 5 )能与其他 多种软件 进行联 合仿真( C o - s i mu l a t i o n ) 。汽车是一个复杂的系统 ， 其仿真更是涉 及机械 、电子 、控制等 多个领 域 ，工作量很大 ， A D V I S O R软件开发过程 中也难 以涉及所有领域 ， 这 样就 限制了它一些功能 的实现。但是 A D V I S O R设 计 了 开 放 的 软 件 接 口 ， 能 与 S a b e r 、 S i m p l o r e r 、 V i s u a D O C 、 S i n d a F l u i n t 等软件进行联合仿真， 为用 户改进和拓展其功能提供了方便。 虽然 AD V I S OR软件也有一些缺陷 ， 例 如 ， 它的 部件模型都是 准静态的( q u a s i s t a t i c ) ， 不 能预测小 于十分之一秒左右时间范围内的一些现象 ； 机械振 动 、 电磁振荡等许多动态特性也不能通过 A D V I S O R 软件进行仿真 ， 但它 的优越性仍然吸引了国内外的 众多用户。 要正确使用 A D V I S O R软件 ，就必须深入了解 它的仿真策略和掌握它的操作方法 ，下面将从这两 点着重介绍。 2 A D V I S OR的仿真策略 A D V I S O R采用 了独特的将 后向仿真和前 向仿 真相结合的混合仿真方法 ， 以后向仿真为主 ， 前向仿 真为辅 。 它首先进行后向仿真 ， 沿着与实际功率流相 反的方 向， 根据道路循环的要求 ， 向整车模块发出速 度和转矩请求， 整车模块再向车轮和车轴模块、 主减 速器模块、 变速器模块等逐级发出请求， 直到动力源 模块 ( 发动机和蓄 电池等 ) ， 计算 出动力源所能提供 的功率。然后进行前向仿真 ，沿着实际功率流的方 向， 从动力源模块出发直至车轮与车轴模块， 逐级传 递当前部件能提供给下一级部件的速度值和扭矩 值 ， 最后计算 出汽车的实际速度。 下面以传统汽车模型为例来说明它的整个仿真 过程，图 l 为 S I MU L I N K环境下某传统汽车的仿真 模型。 该模型中箭头方向代表仿真数据传递方向， 数 据 自左 向右传递代表 后向仿真路径 ，数据 自右 向左 传递代表前向仿真路径。 图 1 A D V I S OR的传统汽车仿真模型 A D V I S O R首先进行后向仿真 。 由道路循环模块 ( d r i v e c y c l e ) 提供给汽车所应该满足 的行驶轨迹 ， 向 整车模块 ( v e h i c l e ) 请求 所需 的速度 ， 整车模 块利用 汽车行驶方程式计算出满足这一速度请求所需的车 轮转速和力， 再向车轮和车轴模块( w h e e l a n d a x l e ) 发出请求 ， 请求沿后向路径逐级向上级模块主减速 器模块 ( fi n a l d r i v e ) 、 变速器模块( g e a r b o x ) 、 离合器 模 块 ( c l u t c h ) 、 机 械负载模块 ( Me c h a n i c a l A c c e s s o r y L o a d s ) 等传递 ， 直到发动机模块 ( f u e l c o n v e rt e r ， 燃料 转换器) ， 计算出需要发动机提供的实际功率， 由此 完成了后向仿真过程 。 后向仿真不需要驾驶员模型 ， 计算速度也很快 ，但是由于仿真过程中所使用的各 种特性参数都是在稳态时测定的，该方法并不能用 于实际行驶状态下汽车的动态仿真 。 在完成 后 向仿 真 后 ， AD VI S O R便 进行 前 向仿 真 。 它首先从发动机模块开始 ， 将后向仿真计算出的 发动机功率沿前 向路径传递给机械负载模块 ，所获 得的扭矩和转速传递给下一级模块，所得仿真数据 41 维普资讯 2 0 0 7 年第2 期 农业装备与车辆工程 再逐级向下传递直到车轮和车轴模块 ， 从而计算出 汽车的实 际速度 。前 向仿真包括驾驶员模型 ， 考虑 了请求速度和当前速度， 更接近于汽车的实际状况， 计算结果较后向仿真更为准确 ， 但 这种仿真方法会 增加计算量， 使运行速度减慢 ， 而且传动系统的功率 计算还要依赖与汽车的实际状态 。 后向仿真和前向仿真各有优缺点， A D V I S O R采 用后向仿真为主， 前向仿真方为辅的混合仿真方法， 将两种仿真方法较好地结合起来， 既使计算量较小， 同时又保证 了仿真结果的精度。 3 AD Vl S OR的操作方法 用 A D V I S OR软件做汽车仿真有两 种方法 ： 一 种是在 ma t l a b命令 窗 口定义 汽车参数和调用相应 的文件 ， 这种方法 容易 出错 ， 而且不易 于检 查和修 改 ， 一般很少使用 ； 另一种方法就是通过用户界面完 成相应的各种操作 。本文主要介绍第二种方法。 A D V I S O R拥 有 良好 的 图 形 用 户 界 面 G U I ( G r a p h i c a l U s e r I n t e r f a c e ) ， 便于用户操作 ， 而且各种 仿真结果能够可视化 ， 也便于用户对仿真结果进行 分析。A D V I S O R的操作主要分为三大步 ： 输入汽车 参数 、 设置仿真参数和查看仿真结果 ， 它们通过三个 主要的界面来完成 。下面以传统车型为例来介绍它 的相关操作。 3 1汽车参数的输入 汽车参数输入界面如图 2所示 。 图 2 汽车参数输入界面 通过这 个界面 ， 可 以输入汽车的各种参数 以对 汽车进行定义。界面左侧为汽车相关图像信息， 右 侧为相关操作区域， 图像信息的显示随着用户操作 的不同会有相应变化。在右侧 ， 可 以通过下拉菜单 42 读取 已经存储 的整车定义文件 ( 存储位置 为 ： a dv i s o r 2 0 02 s a v e dv e h i c l e ) 、 传 动系统结 构形式 ( 如 并联 、 串联等共 9种 ) 、 汽车部件数据文件( 存储位置 为 ： a d v i s o r 2 0 0 2 d a t a ) 以及部件 的版本 ( v e r s i o n ) 及类 型 ( t y p e ) ， 有些部件参数 ， 如发动机最大功率和峰值 效率 ，也可在 界面上直接修改 。单击 右侧下方的 “ Vi e w B l o c k D i a g r a m” 按钮可以查看汽车的仿真模 型 ，再下面的按钮可以查看和重新设置 已经定义好 的汽车部件参数 。图 2中界面左上方为汽车的结构 示意图，标识了汽车的整个动力传动系统结构和能 量的传递方 向，单击图中的每个汽车部件都会弹出 一个对话框 ， 通过它可以读取 已经存储的部件数据 ， 也可查看或编辑相应的 m文件 ； 左下方为发动机或 传动系统的某个总成的性能曲线 ，可以根据 自己的 需要通过下拉菜单选择要 显示的其 中一种 曲线 ， 图 2中所示即为发动机在不同转速和转矩下消耗的能 量曲线 。 最后 ， 用户可以将定义好的汽车文件进行保 存， 以便以后仿真时可直接调用。 3 2仿真参数的设置 汽车仿真参数设置界面如图 3所示。 m f18 1 0 图 3 仿真参数设置界面 通过这个界面可以选择试验方案和设定仿真初 始条件 。 界面右侧上方可 以设置仿真条件 ， 如道路循 环 、 时间阶跃 、 循环次数 、 初始条件等 ， 道路坡度 、 是 否交互仿真以及是否进行加速度测试和爬坡能力测 试为可选项 ， 用户可 以根据需要进行选择 ； 右侧下方 可以对最多 3个部件参数进行灵敏度分析 ，有助于 研究这些参数对汽车性能的影响，为汽车的设计提 供参考。 界面左侧为道路循环相关信息 ， 左侧上方为 所选道路循化的轨迹曲线 ，图 4中所示为美国环境 保 护 署 E P A制 定 的城 市 道 路 循 环 U D D S( U r b a n 维普资讯 刘磊 等 ：汽车仿真软件 A D VI S OR 2 0 0 7年 2月 D y n a m o m e t e r D r i v i n g S c h e d u l e ) 的轨迹 曲线 ， 下面的 下拉菜单可以选择坐标轴参数( 图 3中所示以时间 为横坐标 ， 以速度为纵坐标 ) ， 以根据需要显示不同 的曲线形式 ； 左侧下方为相应道路循环 的文字描述 或统计柱状 图， 可根据需要使它显示不同的形式。 3 - 3查看仿真结果 设置好汽车参数 、 仿真参数后便可运行仿真 ， 查 看仿真结果。仿真结果输出界面如 图 4所示 。 图 4 仿真 结果输 出界面 界面左侧 为仿真结果 的曲线图 ， 最多可以显示 4个子窗口； 右侧显示仿真结果的数值 ， 并可通过下 拉菜单控制左侧显示 曲线 的类型 ( 图 4中所示分别 为发动机的输出转速 、 发动机的输 出转矩 、 变速器的 输出转速和主减速器的输 出转矩 ) ， 另外还可以得到 汽 车传动系统 的能量利 用图和 仿真 过程的动 画演 示 ， 有助于更加直 观地了解整个仿真过程。 5 结论与展望 A D V I S O R软件的功能 比较完善 ， 但在应用 中也 有一定的局限性 ，它定义的动力传动系统型式只有 固定的 9种，不能很好地适用于 目前很多现有的和 待 开 发 的车型 ，需 要 对它 进 行 二次 开发 ，利用 AD V I S OR现有 的大部分模型 ， 仅对少数不符合要求 的模型进行修改或重新建模，并根据具体情况对仿 真策略进行调整 ， 应用于具体车型的仿真 ， 这样既能 节省大量的建模 时间 ，同时又确保了模型的准确性 和数据的可靠性。我国在汽车仿真方面的研究一直 比国外滞后 ，且国外的仿真软件中的个别部件参数 的单位及标准与国内有较大差异 ，在使用过程中有 些困难 ，我们有必要利用现有仿真软件的汽车模型 搭建出符合 国内标准要求的汽车模型。国内也曾开 发了一些汽车仿真程序或软件， 但功能都比较单一， 且在市场上还未 出现国产商业化汽车仿真软件 。如 果能在深入研究 A D V I S O R软件基础上 ，开发出 自 己的功能较完善的汽车仿真软件 ，将会填补我 国的 这项空白。 参考文献 1 K B Wi p k e， M R C u d d y a n d S B B u r c h A DV I S O R 2 1 ： A Us e r Fr i e nd l y Ad v a nc e d P o we r t r a i n S i mu l a t i o n Us i n g a Co mb i n e d B a c k w a r d F o r w a r d A p p r o a c h M N KE L J A一5 4 02 6 8 3 9 ， 1 9 9 9 2 张翔， 赵韩， 钱立军等 A D V I S O R软件的混合仿真方法 计算 机仿真 2 0 0 5 2 ： 1 2 1 5 3 张翔， 赵韩， 钱立军等 电动汽车仿真软件 AD V I S OR 汽车研究 与开发 2 0 0 3 0 4 4 郭一呜， 罗永革 混合动力汽车性能仿真软件的研究 湖北汽车 工业 学院学报 2 0 0 2 1 2 5 陈晓东， 何仁， 杨正林 混合动力电动汽车性能仿真软件研究与 开发 交通运输 工程 学报 2 0 0 2 6 张翔， 赵韩， 钱立军等 电动汽车仿真软件进展 系统仿真学报 2 0 0 4 8 十家农机企业入选“ 最具市场竞争力品牌” 2 0 0 7年 1 月 1 0日， 商务部对入选“ 最具市场竞 争力品牌” 名单进行 了公示 。中国农机工业协会推 荐了 2 O 家拖拉机和联合收割机企业参与品牌的评 定 ， 有 5家拖拉机企业和 6家联合收割机企业入选 公示名单 。 人选的拖拉机企业有 ： 中国一拖集 团有 限公 司 ( 东方红 ) 、 福 田雷沃 国际重工股份有 限公 司( 福 田 欧豹 ) 、 山东常林机械集团股份有限公司( 沭河 ) 、 常 州东风农机集 团有 限公司( 东风 ) 、 浙江四方集团公 司( 四方 ) 。 联合收割机企业有 ： 福 田雷沃国际重工股份有 限 公 司( 谷 神 ) 、江 苏 沃 得 农 业 机 械 有 限公 司 ( WOR L D) 、 现代农装 湖州联合收割机有 限公 司( 碧 浪 ) 、 中国收获机械总公 司( 中国收获 ) 、 山东大丰机 械有限公司( 大丰王) 、 山东金亿机械制造有限公司 ( 春雨 ) 。 4 3 。 。 日 维普资讯 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 FilesADVISOR）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_module_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（SOC0.999） ，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：VocVbuspVbusR=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(,)twtvFFF= 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：ursu=i ( sign()+1)twu sFr=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 11tdlTTTT=+ir 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_()dtwbTr 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 idTJdt= 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 _11tavlidtTTTTFrr=12 实际汽车驱动力的计算公式 _11tactbbFFFF=+ 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()actbrusign 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：(02VtVVaver+=)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)VtVVaverVadtdt= 20.5FwCd 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 20.50.5(cos)(cos1sin0.50)0mCd A VavermgVavermgfmgm VFtdt+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mgsinhg/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
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