孫國(guó)慶 寇西征 安琴 周振華 余翔宇

摘 ?要：混合動(dòng)力技術(shù)是當(dāng)前越野車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。論文基于某型P2混動(dòng)越野車，首先根據(jù)車輛功能要求及P2構(gòu)型特點(diǎn)，定義整車功能;根據(jù)整車功能定義，通過理論計(jì)算初步選定動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)， 然后利用AVL Cruise & Matlab/simulink進(jìn)行了整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性聯(lián)合仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)仿真控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，最終達(dá)成整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)指標(biāo)。論文對(duì)越野車P2混動(dòng)構(gòu)型開發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：越野車;混合動(dòng)力; P2;Cruise;控制策略

中圖分類號(hào)：U462.2;U462.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2022）01-0081-06

Research On Development Of P2 Configuration Off-Road Vehicle Based On Cruise & Matlab Simulink

SUN Guo-qing， KOU Xi-zheng， AN Qin， ZHOU Zhen-hua， YU Xiang-yu

（ DongFeng off-road vehicle Co.， Ltd， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The hybrid technology is an important development direction in the field of off-road vehicle. Based on a certain of P2 configuration of Hybrid Off-road Vehicle， firstly， the whole vehicle function is defined according to the vehicle function requirements and P2 configuration characteristics; according to the vehicle design requirements， the powertrain parameters are preliminarily selected through theoretical calculation， and then the vehicle dynamic and economic joint simulation is carried out by using AVL Cruise & Matlab / Simulink， The simulation control strategy is optimized to achieve the vehicle power and economic design index. This paper has a certain guiding role on the development of hybrid vehicle configuration.

Key words： off-road Vehicle; HEV; ?P2; ?cruise; control Strategy

隨著國(guó)家油耗、排放法規(guī)的不斷升級(jí)及國(guó)家能源戰(zhàn)略的引導(dǎo)，新能源汽車得到了快速發(fā)展。在純電技術(shù)尚未取得重大突破之前，混合動(dòng)力系統(tǒng)逐漸成為各大汽車公司重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)方案，將會(huì)與傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)、純電動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期并存。越野車工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，對(duì)動(dòng)力性要求高;而適用于普通商用車的油耗法規(guī)則是民用越野車發(fā)展的一大難題。在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)難以取得突破的情況下，混合動(dòng)力技術(shù)是解決民用越野車油耗法規(guī)問題的一條重要途徑。

1 ? ?概述

混合動(dòng)力汽車有多種分類方式。常見的按動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三類[1]。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)因?yàn)槠淞己玫膭?dòng)力性經(jīng)濟(jì)性在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)電機(jī)位置的不同，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)又可分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4等多種構(gòu)型（P，Parallel，并聯(lián)式）。如圖1所示，P0～P4用來區(qū)分各種有變速箱的并聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型。

P2構(gòu)型的特點(diǎn)是電機(jī)處于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間有C0離合器，電機(jī)既可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也可以與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。在制動(dòng)能量回收和滑行模式下， P2可以切斷與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接，提高能量回收效率。在結(jié)構(gòu)上，P2能與現(xiàn)有的變速箱集成。越野車采用P2構(gòu)型，能在保證動(dòng)力性的同時(shí)，兼顧經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

圖1 并聯(lián)式構(gòu)型及其分類

某型越野車為4×4全時(shí)四驅(qū)民用車輛，根據(jù)車輛功能需求，考慮采用基于AT的P2油電混動(dòng)構(gòu)型。整車設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）最高車速Vamax≥140km/h（對(duì)于混合動(dòng)力汽車來說，該指標(biāo)定義為30min最高車速和1km最高車速[2]）;

（2）最大爬坡度tanαmax≥60%;

（3）加速時(shí)間：要求0～100km/h 原地起步加速時(shí)間t≤18s。

（4）車輛最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量5.6t，根據(jù)重型商用車油耗限值法規(guī)，同時(shí)考慮一定的余量，要求C-WTVC循環(huán)工況油耗限值≤11L/100km。

其它參數(shù)：車輛迎風(fēng)面積A;空氣阻力系數(shù)CD;滾動(dòng)阻力系數(shù)f;輪胎滾動(dòng)半徑r，單位m。

2 ? ?構(gòu)型及功能定義

該型P2構(gòu)型越野車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)路線如圖2所示。整車開發(fā)思路如下：通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池、C0離合器的工作狀態(tài)，使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)盡可能工作于高效區(qū)，在盡可能保證車輛動(dòng)力性的同時(shí)，達(dá)成油耗指標(biāo)。

該P(yáng)2構(gòu)型混動(dòng)越野車整車功能定義如表1所示。通過整車VCU控制各功能模塊的工作狀態(tài)，以期獲得最優(yōu)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

3 ? ?動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的初步選型

3.1 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)&電機(jī)參數(shù)的選定

對(duì)于P2非插電式混合動(dòng)力車輛，根據(jù)整車功能定義：常規(guī)行駛時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量;急加速或車輛有較大扭矩需求時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)共同驅(qū)動(dòng);低速、怠速行駛時(shí)，進(jìn)入純電模式。由此，可計(jì)算動(dòng)力源總功率及發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)功率參數(shù)[3，4，5]。

3.1.1 動(dòng)力源總功率的確定

a.根據(jù)設(shè)計(jì)最高車速計(jì)算的整車最大總功率：

式中，ηT為傳動(dòng)系機(jī)械效率;ηm為發(fā)動(dòng)機(jī)附件損失修正系數(shù);Vmax為車輛最高車速，單位：km/h。

b.根據(jù)最大爬坡度計(jì)算的整車最大總功率：

式中，Vp為最大爬坡度對(duì)應(yīng)的車速，單位：km/h;αmax為最大坡度角。

c.根據(jù)加速性能計(jì)算的整車最大總功率：

式中，Vf為加速結(jié)束后的車速，單位m/s;Vb為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的車速，單位m/s;ρa(bǔ)為空氣密度;ta為預(yù)期的加速時(shí)間，單位s;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

對(duì)于以上動(dòng)力性三項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算的各自最大功率，動(dòng)力源總功率需滿足：

3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的確定

根據(jù)整車功能定義，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率需滿足車輛以最高車速行駛時(shí)的功率需求，故發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率需滿足：

（5）

3.1.3 電機(jī)功率參數(shù)的確定

由（4）式可知，電機(jī)峰值功率需滿足：

（6）

考慮電機(jī)的過載特性，若λ為電機(jī)過載系數(shù)，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：

由此，可初步選定發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)功率參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)可根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系綜合考慮計(jì)算：

3.2 ? 動(dòng)力電池參數(shù)選型

動(dòng)力電池匹配主要分為能量匹配和功率匹配[5]。

動(dòng)力電池組的能量取決于純電續(xù)駛里程要求，電池組的能量越大，純電續(xù)駛里程越長(zhǎng)，但整車重量和成本隨之增加。油電混動(dòng)車型在保證車輛純電續(xù)駛里程要求的情況下，動(dòng)力電池組能量應(yīng)盡可能小。動(dòng)力電池組的總能量計(jì)算公式為：

式中，S為設(shè)定純電續(xù)駛里程，單位km，在基于循環(huán)工況油耗的混合動(dòng)力電池參數(shù)選型時(shí)，S可根據(jù)循環(huán)工況特征設(shè)定;ζSOC為蓄電池放電深度（%）;SO為單位能量純電續(xù)駛里程（km/kwh），該值可根據(jù)純電行駛條件計(jì)算得到，也可以參考同類車型統(tǒng)計(jì)值。通常在計(jì)算時(shí)，由于電池SOC特性的變化，動(dòng)力電池組的總能量需要考慮一定的余量。

動(dòng)力電池組必須滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)電時(shí)的最大功率需求。動(dòng)力電池組充放電額定功率、峰值功率要不低于驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率、峰值功率，并盡可能通過電池管理系統(tǒng)使動(dòng)力電池的充放電功率與電機(jī)功率相匹配，以提高充放電效率。

3.3 ? 傳動(dòng)系參數(shù)計(jì)算

a.根據(jù)車輛最高車速確定最小傳動(dòng)比范圍[3，6]：

式中，np為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)耦合最大轉(zhuǎn)速。

b.根據(jù)理論最大爬坡度確定最大傳動(dòng)比范圍：

式中，Temmax為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)最大耦合轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)P2混動(dòng)越野車總體設(shè)計(jì)要求，減速系統(tǒng)分為變速箱、分動(dòng)箱、主減速器三級(jí)，總傳動(dòng)比公式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（12）

式中，ig 為變速箱各檔傳動(dòng)比，io 為分動(dòng)箱傳動(dòng)比，ic 為主減速器傳動(dòng)比。根據(jù)P2混動(dòng)越野車總體設(shè)計(jì)要求，結(jié)合車輛使用工況特點(diǎn)及現(xiàn)有供應(yīng)商產(chǎn)品數(shù)據(jù)，最終確定越野車傳動(dòng)系及速比方案[6]。

3.4 ? 選型小結(jié)

綜上，初步計(jì)算選定發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池等主要參數(shù)，如表2所示：

4 ? ?整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真

4.1 ? 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真概述

用AVL Cruise軟件建立P2混動(dòng)越野車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型，用Matlab/simulink模塊設(shè)置仿真控制策略，根據(jù)《GB/T 19752-2005 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》[2]及《GB/T 19754-2015 重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》[7]設(shè)置動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算任務(wù)?；贏VL Cruise與Matlab/simulink的DLL接口或API接口，進(jìn)行AVL Cruise & Matlab/simulink聯(lián)合仿真。仿真數(shù)模如圖3所示。

根據(jù)《GB/T 19754-2015 重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)于不可外接充電型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，需要計(jì)算車輛C-WTVC循環(huán)工況的等效燃料消耗量，整車控制策略需保證車輛在循環(huán)工況前后SOC平衡，根據(jù)GB/T 19754的規(guī)定，循環(huán)工況油耗計(jì)算任務(wù)中限定電量消耗絕對(duì)值在整個(gè)循環(huán)工況中的能量消耗比例不高于±1%。

4.2 ? 仿真控制策略設(shè)置

控制策略定義：混動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)通過轉(zhuǎn)矩耦合共同驅(qū)動(dòng)車輛，混動(dòng)工作模式及扭矩判斷邏輯如圖6所示。a.設(shè)置純電行駛條件：1、車速限值;2、請(qǐng)求功率限值;3、P2扭矩/功率容量;4、SOC水平;5、暖機(jī)階段（保留）等。b.設(shè)置混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)條件：1、車速限值;2、扭矩、功率條件;3、變速箱各檔位限扭要求;4、SOC水平等。c.強(qiáng)制純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)條件。

各功能模式下零部件工作狀態(tài)：1、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，由電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);2、純電驅(qū)動(dòng)/蠕行;3、扭矩助力，整車由大扭矩需求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng);4、發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)轉(zhuǎn)移，在循環(huán)工況過程中，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于高效區(qū)，要通過行車充電狀態(tài)來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn);5、制動(dòng)能量回收;6、怠速充電模式，即駐車充電功能;7、強(qiáng)制行車充電，行車過程中，當(dāng)動(dòng)力電池電量低于一定限值時(shí)，電機(jī)需要強(qiáng)制對(duì)動(dòng)力電池充電，以滿足整車高低壓供電需求;8、傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)整車功能定義，預(yù)留強(qiáng)制純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功能。

4.3 ? 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真

按上述控制策略進(jìn)行AVL Cruise & Matlab/simulink聯(lián)合仿真;設(shè)置對(duì)應(yīng)的動(dòng)力電池SOC初始值，分別開展動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算。仿真結(jié)果如表3所示。仿真結(jié)果表明，除循環(huán)工況油耗指標(biāo)外，該P(yáng)2混動(dòng)越野車動(dòng)力性各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。研究如何在保證不降低整車動(dòng)力性的情況下，降低循環(huán)工況油耗指標(biāo)，是后續(xù)仿真優(yōu)化的一項(xiàng)重要任務(wù)。

4.4 ? 仿真及控制策略優(yōu)化

4.4.1 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果顯示，該P(yáng)2混動(dòng)越野車C-WTVC循環(huán)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)工況點(diǎn)尚有大部分分布于低效率區(qū)，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性差。由于受車輛其它條件限制，整車參數(shù)和變速箱換檔策略很難調(diào)整，研究在盡可能不改動(dòng)整車參數(shù)及換檔策略的情況下，優(yōu)化仿真控制策略，以求降低循環(huán)工況油耗。

4.4.2 控制策略優(yōu)化

反復(fù)優(yōu)化控制策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)工況點(diǎn)盡可能往高效區(qū)轉(zhuǎn)移，同時(shí)使動(dòng)力電池達(dá)到SOC平衡。發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)優(yōu)化前后對(duì)比如圖5所示。

4.4.3 仿真優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過仿真控制策略優(yōu)化，最終計(jì)算的C- WTVC循環(huán)工況油耗達(dá)到10.04L/100km，達(dá)成設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在保證動(dòng)力性的前提下，循環(huán)工況油耗得到了改善。

優(yōu)化后的C-WTVC循環(huán)工況動(dòng)力電池SOC狀態(tài)如圖6所示。整個(gè)C-WTVC循環(huán)工況過程中，第一階段市區(qū)工況（0-900s），主要是低速、怠速區(qū)域，以純電驅(qū)動(dòng)模式為主;第二階段公路工況（900s-1368s），為中低速區(qū)域，以行車充電及純電驅(qū)動(dòng)等模式相結(jié)合;第三階段高速工況（1368s-1800s）為電量調(diào)整階段，以行車充電模式為主。在C-WTVC循環(huán)工況過程中，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)，同時(shí)在整個(gè)循環(huán)工況過程中保持電量平衡，實(shí)際上純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式很少。

5 ? ?結(jié)束語

論文定義了P2混動(dòng)越野車的功能模式，并初步通過理論計(jì)算選定了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。然后基于AVL Cruise軟件搭建了仿真模型，用Matlab/simulink軟件設(shè)置仿真控制策略，并進(jìn)行了基于AVL Cruise ?& Matlab/simulink的聯(lián)合仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)仿真控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，最終達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)值。論文對(duì)越野車P2混動(dòng)構(gòu)型開發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

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王華武

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