CN106054669B - 一种单轴并联混合动力汽车仿真平台及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单轴并联混合动力汽车仿真平台及仿真方法。所述仿真平台包括输入单元、服务器、输出单元，其中，所述输入单元用于输入指令，对服务器进行控制；所述服务器用于根据输入单元的指令进行单轴并联混合动力汽车仿真；所述输出单元用于对仿真结果进行输出。用户可以修改属性中的整车参数，就可以完善所要设计的车型，有效提高了单轴并联混合动力汽车整车参数优化能力；对于控制策略方面，只要对其中所关心的参数进行修改，就可以直接进行优化计算，简化了能量管理策略设计方法，提高了设计效率。

Description

一种单轴并联混合动力汽车仿真平台及仿真方法

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，尤其涉及一种单轴并联混合动力汽车仿真平台及仿真方法。

背景技术

在车辆设计和开发的初始阶段，对于车辆结构的优化和能量管理策略，特别是能量管理策略和换挡策略通过仿真进行验证，对于实际应用之前实施和验证能量管理策略非常关键。

而现在的主流仿真系统和方法都存在或多或少的不足。如Cruise专业车辆性能正向仿真分析，主要用于车辆纵向性能分析，包括整车的动力性、经济性和排放性。它可以快速修改整车系统的配置，得到对复杂或简单车辆传动系统在任意工况下的性能仿真结果，并可对控制策略进行研究分析。但是Cruise只能用于简单公式的计算，不适合计算复杂的混合动力能量管理策略。

MATLAB是由Mathworks公司开发的一种高级计算编程语言。Simulink是由Mathworks公司开发的一种多领域物理系统建模、仿真和分析的模块化商业工具，广泛用于控制算法和信号处理等多方面设计与计算。在MATLAB/Simulink环境下用户可以方便地修改和尝试各种复杂的能量管理算法和策略。但却无法像Cruise那样灵活的建立整车的模型进行系统匹配仿真。

因此建立一个有效提高整车参数优化能力以及能量管理策略设计能力的正向仿真平台是急需解决的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种单轴并联混合动力汽车仿真平台及仿真方法，用以解决现有仿真平台不适合计算复杂的混合动力能量管理策略或无法灵活的建立整车的模型的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种单轴并联混合动力汽车仿真平台，所述仿真平台包括输入单元、服务器、输出单元，其中，

所述输入单元用于输入指令，对服务器进行控制；

所述服务器用于根据输入单元的指令进行单轴并联混合动力汽车仿真；

所述输出单元用于对仿真结果进行输出。

其中，所述服务器包括：

整车动力学模型模块，用于建立并存储整车动力学模型，实现整车的运行功能；

接口模块，用于连接整车动力学模型模块与能量管理策略模块，实现数据交换；

能量管理策略模块，用于建立并存储能量管理策略模型，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行仿真。

其中，所述整车动力学模型进一步包括发动机、离合器、电机、电源、变速器、主减速器、差速器、制动器、轮胎、整车模块、驾驶员模块、显示器子模块；

各子模块需要设置的参数通过输入单元输入的指令进行设置；

根据输入单元输入的指令建立各子模块之间的机械连接和电气连接。

其中，所述接口模块定义MATLAB/Simulink输入和输出接口，以及模型地址。

其中，所述能量管理策略模型包括能量分配策略和换挡策略两部分。

其中，所述能量管理策略模块，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行仿真进一步包括：

根据输入单元的控制指令，选择工作模式，所述工作模式包括纯电动模式、纯发动机模式、行车充电模式、滑行能量回收模式、制动能量回收模式、混合驱动模式。

其中，所述能量管理策略模块，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行仿真进一步包括：

全加速过程动力性仿真、爬坡性能仿真、循环工况燃油经济性仿真、稳态行驶燃油经济性仿真。

一种单轴并联混合动力汽车仿真方法，包括以下步骤：

整车动力学模型模块建立并存储整车动力学模型，实现整车的运行功能；

能量管理策略模块建立并存储能量管理策略模型；

通过输入单元输入控制指令，调用接口模块连接整车动力学模型模块与能量管理策略模块，控制整车动力学模型进行仿真。

其中，所述整车动力学模型进一步包括：

发动机、离合器、电机、电源、变速器、主减速器、差速器、制动器、轮胎、整车模块、驾驶员模块、显示器子模块；

各子模块需要设置的参数通过输入单元输入的指令进行设置；

根据输入单元输入的指令建立各子模块之间的机械连接和电气连接。

其中，所述通过输入单元输入控制指令，调用接口模块连接整车动力学模型模块与能量管理策略模块，控制整车动力学模型进行仿真进一步包括：

根据输入单元的控制指令，选择工作模式，所述工作模式包括纯电动模式、纯发动机模式、行车充电模式、滑行能量回收模式、制动能量回收模式、混合驱动模式；

根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行全加速过程动力性仿真、爬坡性能仿真、循环工况燃油经济性仿真、稳态行驶燃油经济性仿真。

本发明有益效果如下：

本发明公开了一种单轴并联混合动力汽车仿真平台及仿真方法，用户可以修改属性中的整车参数，就可以完善所要设计的车型，有效提高了单轴并联混合动力汽车整车参数优化能力；对于控制策略方面，只要对其中所关心的参数进行修改，就可以直接进行优化计算，简化了能量管理策略设计方法，提高了设计效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为基于MATLAB/Simulink与Cruise的仿真运行流程图；

图2为单轴并联混合动力传动系统结构示意图；

图3为Cruise搭建的整车动力仿真模型示意图；

图4为能量管理策略建模示意图；

图5为换挡策略建模示意图；

图6为整车控制程序建模示意图；

图7为能量管理策略模式切换逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

根据本发明的一个具体实施例，公开了一种单轴并联混合动力汽车仿真平台及仿真方法。

所述仿真平台包括：输入单元、服务器、输出单元。其中，

所述输入单元用于对服务器进行控制；

所述服务器用于根据输入单元的指令进行仿真；

所述输出单元用于对仿真结果进行输出。

具体地，

仿真平台的服务器包括以下部分：

整车动力学模型模块、MATLAB API接口模块、能量管理策略模块；其中，

所述整车动力学模型模块用于建立并存储Cruise整车动力学模型，实现整车的运行功能，所述整车动力学模型进一步包括包括发动机、离合器、电机、电源、变速器、主减速器、差速器、制动器、轮胎、整车模块、驾驶员模块、显示器模块；

各模块需要设置的参数通过输入单元输入的指令进行设置，分别如下：

发动机的基本设置包括发动机排量、发动机工作温度、汽缸数、冲程数、怠速转速、最高转速、曲轴惯量、燃油密度、怠速时污染物的排放情况、发动机外特性曲线。离合器动力学模型的设置包括离合器输入输出轴惯量和最大传递转矩。电机模型需设置的基本参数包括：电机类型的选择、工作模式的选择、额定电压、最高转速、转动惯量、电机质量、初始温度等参数。电源模型设置中除了定义电池的额定安时容量、额定电压、最大电压、最小电压、单体数量等基本参数外，还要定义充电和放电状态下，电池的荷电状态与电池电压之间的关系趋势，电池内阻可以定义为恒定值。变速器模块需要定义的变量包括挡位数和各挡位的速比、转动惯量和转矩损失。主减速器模块所需数据包括：传动比、输入输出轴转动惯量和整体的传动效率。制动器模块参数设置参数包括液压制动缸活塞面积、制动器摩擦系数、摩擦半径、转动惯量等。轮胎模型所需定义的参数有：静态轮胎半径、动态轮胎半径、转动惯量、轮胎摩擦系数等。整车模型需要输入的主要参数有：整车整备质量、最大总质量、轴距、重心高度、迎风面积、空气阻力系数等。驾驶员模块需要设置的参数包括：换挡模式，前进挡数，后退挡数。显示器模型需显示的量有车辆的加速度、车速、车辆行驶位移、发动机负荷信号、发动机转速、电机负荷信号、发动机转矩、制动压力、离合器分离程度、当前挡位。

根据输入单元输入的指令建立各模块之间的机械连接和电气连接。模型中有众多电气控制量，如车速、加速踏板开度、变速器挡位、制动踏板开度、环境温度、电机电流、电机电压、开关信号等诸多信号。根据整车的机械连接情况，建立模型的机械连接构架；根据整车的电气连接情况，建立模型的电气连接构架，如图2所示。当各个模块之间建立起机械、电气和总线连接之后，整车模型搭建完毕，如图3所示。

所述MATLAB API接口模块用于根据输入单元输入的指令进行设置，定义MATLAB/Simulink输入和输出接口以及模型地址，连接Cruise整车动力学模型模块与MATLAB/Simulink建立的能量管理策略模块，实现数据交换；

所述能量管理策略模块用于建立并存储MATLAB/Simulink能量管理策略模型，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型的运行。

所述能量管理策略模型包括能量分配策略和换挡策略两部分。

能量分配策略如图4所示：

ls为驾驶员的加速踏板信号，ls∈[0,1]；brake为驾驶员制动踏板信号，brake∈[0,1]；motor_max_accel为固定转速下，加速过程中电机能提供的最大功率，查表得到；motor_max_brake为固定转速下，能量回收过程中电机能提供的最大回收功率，该值为查表所得，与motor_max_accel呈相反数；engine_max为固定转速下，发动机能提供的最大功率，查表所得；F_max_mech为机械制动能提供的最大制动力，保证没有制动能量回收，也能提供足够的制动力让车得到期望的车速；current_ratio为变速器当前挡位传动比，查表所得；final_ratio为主减速器速比；Preq为车辆运行过程中所需功率，为内部变量；Pmreq为电机负荷信号，Pmreq∈[-1,1]，大于0时为输出动力，小于0时给电池充电；Pereq为发动机负荷信号，Pereq∈[0,1]；Pbrake为机械制动大小。

换挡策略建模如图5所示，换挡策略由车速和油门开度决定当前挡位，由整车加速度决定升挡还是降挡。

能量分配策略具体如图7所示：

①纯电动模式：选择纯电动模式作为车辆起步模式，充分发挥电机快速响应和高精度的优势。当起步过程中车速小于10km/h，电池SOC大于28％，油门开度小于30％或油门开度大于30％，但车速小于5km/h时，车辆由电机驱动，这样保证电池SOC总保证在28％以上，防止出现过放现象。

②纯发动机模式：当车辆起步过程完成，也就是车速在5km/h到10km/h之间时，运行模式从纯电动模式切换到纯发动机模式。当电池SOC低于28％时，电池不能提供足够的动力供车辆起步，油门踏板开度高于10％，选择纯发动机模式作为起步模式。或者当车辆起步完成，车速高于10km/h，电池SOC高于28％，加速踏板开度小于80％，也就是车辆运行在中等负荷工况下，车辆由发动机单独驱动。或者车辆起步完成，车速高于10km/h，电池SOC在28％和60％之间，加速踏板开度大于80％，也就是车辆运行在重度负荷工况下，车辆由发动机单独驱动。

③行车充电模式：车辆起步完成，车速高于10km/h，电池SOC小于28％，此时电池需要充电，车辆选择行车充电模式作为驱动模式。

④滑行能量回收模式：加速踏板和制动踏板开度都为0，车辆处于滑行状态时，车辆启动滑行能量回收模式由电机回收一部分车辆动能。

⑤制动能量回收模式：当制动踏板开度不为0，不考虑制动能量回收对车辆稳定性的影响，根据电池和电机的特性，电池尽可能多的回收能量。当制动能量最大值大于电机能够回收的最大值时，机械制动开始起作用。

⑥混合驱动模式：车辆起步过程完成，车速大于10km/h，电池SOC大于60％，油门踏板开度大于80％，也就是说车辆处于重度负荷工况下，车辆由发动机和电机同时驱动。电机提供的动力为固定值，转矩为125Nm。

整车控制程序建模如图6所示，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型的仿真运行。选择仿真任务中的工作模式，运用MATLAB/Simulink/Stateflow进行建模，进行整车仿真，包括：

全加速过程动力性仿真、爬坡性能仿真、循环工况燃油经济性仿真、稳态行驶燃油经济性仿真。其中全负荷加速性能计算(Full Load Acceleration)包含的子任务为车辆原地起步连续换挡的加速性能计算、超车加速性能计算和各挡位的最大加速度计算。

本发明公开了一种单轴并联混合动力汽车仿真平台及仿真方法，用户可以修改属性中的整车参数，就可以完善所要设计的车型，有效提高了单轴并联混合动力汽车整车参数优化能力；对于控制策略方面，只要对其中所关心的参数进行修改，就可以直接进行优化计算，简化了能量管理策略设计方法，提高了设计效率。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单轴并联混合动力汽车仿真平台，所述仿真平台包括输入单元、服务器、输出单元，其中，

所述输入单元用于输入指令，对服务器进行控制；

所述服务器用于根据输入单元的指令进行单轴并联混合动力汽车仿真；

所述输出单元用于对仿真结果进行输出；

所述服务器包括：

整车动力学模型模块，用于建立并存储整车动力学模型，实现整车的运行功能；

接口模块，用于连接整车动力学模型模块与能量管理策略模块，实现数据交换；

能量管理策略模块，用于建立并存储能量管理策略模型，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行仿真；

所述能量管理策略模块，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行仿真进一步包括：

根据输入单元的控制指令，选择工作模式，所述工作模式包括纯电动模式、纯发动机模式、行车充电模式、滑行能量回收模式、制动能量回收模式、混合驱动模式；

所述能量管理策略模型包括能量分配策略和换挡策略两部分；

能量分配策略参数包括加速踏板信号、制动踏板信号、固定转速下加速过程中电机能提供的最大功率、固定转速下能量回收过程中电机能提供的最大回收功率、固定转速下发动机能提供的最大功率、机械制动能提供的最大制动力、变速器当前挡位传动比、主减速器速比、车辆运行过程中所需功率、电机负荷信号、发动机负荷信号及机械制动大小；

能量分配策略具体包括纯电动模式、纯发动机模式、行车充电模式、滑行能量回收模式、制动能量回收模式、混合驱动模式；选择纯电动模式作为车辆起步模式；当车辆起步过程完成，运行模式从纯电动模式切换到纯发动机模式；车辆起步完成，电池需要充电，车辆选择行车充电模式作为驱动模式；车辆处于滑行状态时，车辆启动滑行能量回收模式由电机回收一部分车辆动能；当制动踏板开度不为0，启动制动能量回收模式，根据电池和电机的特性，电池尽可能多的回收能量；车辆起步过程完成，车辆处于重度负荷工况下，车辆由发动机和电机同时驱动，启动混合驱动模式；

换挡策略由车速和油门开度决定当前挡位，由整车加速度决定升挡还是降挡；

所述接口模块定义MATLAB/Simulink输入和输出接口，以及模型地址。

2.根据权利要求1所述的单轴并联混合动力汽车仿真平台，其中，

所述整车动力学模型进一步包括发动机、离合器、电机、电源、变速器、主减速器、差速器、制动器、轮胎、整车模块、驾驶员模块、显示器子模块；

各子模块需要设置的参数通过输入单元输入的指令进行设置；

根据输入单元输入的指令建立各子模块之间的机械连接和电气连接。

3.根据权利要求1所述的单轴并联混合动力汽车仿真平台，其中，

所述能量管理策略模块，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行仿真进一步包括：

全加速过程动力性仿真、爬坡性能仿真、循环工况燃油经济性仿真、稳态行驶燃油经济性仿真。

4.一种单轴并联混合动力汽车仿真方法，包括以下步骤：

整车动力学模型模块建立并存储整车动力学模型，实现整车的运行功能；

能量管理策略模块建立并存储能量管理策略模型；

通过输入单元输入控制指令，调用接口模块连接整车动力学模型模块与能量管理策略模块，控制整车动力学模型进行仿真；

所述能量管理策略模块，根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行仿真进一步包括：

根据输入单元的控制指令，选择工作模式，所述工作模式包括纯电动模式、纯发动机模式、行车充电模式、滑行能量回收模式、制动能量回收模式、混合驱动模式；

所述能量管理策略模型包括能量分配策略和换挡策略两部分；

能量分配策略参数包括加速踏板信号、制动踏板信号、固定转速下加速过程中电机能提供的最大功率、固定转速下能量回收过程中电机能提供的最大回收功率、固定转速下发动机能提供的最大功率、机械制动能提供的最大制动力、变速器当前挡位传动比、主减速器速比、车辆运行过程中所需功率、电机负荷信号、发动机负荷信号及机械制动大小；

能量分配策略具体包括纯电动模式、纯发动机模式、行车充电模式、滑行能量回收模式、制动能量回收模式、混合驱动模式；选择纯电动模式作为车辆起步模式；当车辆起步过程完成，运行模式从纯电动模式切换到纯发动机模式；车辆起步完成，电池需要充电，车辆选择行车充电模式作为驱动模式；车辆处于滑行状态时，车辆启动滑行能量回收模式由电机回收一部分车辆动能；当制动踏板开度不为0，启动制动能量回收模式，根据电池和电机的特性，电池尽可能多的回收能量；车辆起步过程完成，车辆处于重度负荷工况下，车辆由发动机和电机同时驱动，启动混合驱动模式；

换挡策略由车速和油门开度决定当前挡位，由整车加速度决定升挡还是降挡；

通过所述接口模块定义MATLAB/Simulink输入和输出接口，以及模型地址。

5.根据权利要求4所述的单轴并联混合动力汽车仿真方法，其中，所述整车动力学模型进一步包括：

发动机、离合器、电机、电源、变速器、主减速器、差速器、制动器、轮胎、整车模块、驾驶员模块、显示器子模块；

各子模块需要设置的参数通过输入单元输入的指令进行设置；

根据输入单元输入的指令建立各子模块之间的机械连接和电气连接。

6.根据权利要求4所述的单轴并联混合动力汽车仿真方法，其中，

根据输入单元的控制指令，控制整车动力学模型进行全加速过程动力性仿真、爬坡性能仿真、循环工况燃油经济性仿真、稳态行驶燃油经济性仿真。