基于ADVISOR二次开发的混合动力系统设计与仿真研究

0 引言

环境保护部最近发布的《2013年中国机动车污染防治年报》显示，机动车的尾气排放已成为我国空气污染的重要来源。混合动力汽车和电动车是当前改善或解决汽车尾气污染的一个行之有效的方法之一。计算机仿真是研究混合动力汽车的重要手段，有利于缩短研发周期，降低研发成本。目前，国内外研究者研究混合动力汽车使用的计算机仿真软件主要有CRUISE、CarSim、PSAT和ADVISOR，其中ADVISOR是在MATLAB/SIMULINK环境下采用模块化的编程语言，最大的优点在于其代码完全公开，便于使用者自主掌握和二次开发。ADVISOR是由美国NationalRenewableEnergyLaboratory开发，采用后向仿真为主、前向仿真辅助的混合仿真方法，主要可以实现车辆总成参数匹配与优化、车辆动力性能与经济★性仿真分析、车辆能量管理策略评价等功能。但是，ADVISOR软件也有自身的缺陷，它提供的汽车仿真模型是有限的，只适合于单轴前轮驱动的车辆仿真。本文针对某后轮驱动的混合动力城市客车，以MATLAB/SIMULINK为平台，利用其开放的代码和内部通用的子模块，对ADVISOR软件进行二次开发，建立整车仿真模型，并进行仿真分析，为该车的研制提供了有力的依据。

1 ADVISOR混合动力仿真系统二次开发

1.1 混合动力系统结构与工作原理

文中所研究的混合动力汽车是一后轮驱动的城市公交车，其动力系统采用并联式结构，系统结构组成如图1所示。动力系统中采用了ISG电机，ISG是起动发电一体机，在混合动力汽车有较多的应用。动力系统可以实现多种工作模式，如：1)在车辆起步或低速运转，且蓄电池的荷电状态SOC值大于下限值时，发动机关闭，由蓄电池组给ISG电机ม供电驱动车辆;2)当ϟ车辆在中高½速运转时，发动机效率较高，蓄电池组停止工作，由发动机单独驱动车辆;3)当需求转矩大于发动机能提供的转矩时，发动机与蓄电池组同时工作，共同提供转矩驱动车辆;4)车辆在怠速、制动、下坡时，机械能经ISG电机产生电能并存储于蓄电池组中。

1.2 混合动力系统仿真模型的二次开发

混合动力系统采用的是后轮驱动形式，而ADVISOR软件原有的仿真模型只有前轮驱动，差异性较大。为了达到研究目的，因此需要对ADVISOR中相关的仿真模块进行二次开发。

ADVISOR中前驱仿真模型的建立思路是，首先建立并求解出车辆在坡度路面的动力学方程，再依据动力学方程创建SIMULINK模型。下面对坡度路面的后轮驱动车辆进行受力分析，如图2所示，假设此时车辆是极限附着，车辆初始速度为V0，在最大附着力Fmax下产生的最大末速度为Vt。其中，FW、Ff、Fi分别是车辆所受的空气阻力、滚动阻力和坡度阻力，Fn是驱动轮所受的垂直载荷。

1.3 混合动力系统控制策略模型设计

ADVISOR中的部分模型是以经验数据为基础建立的稳态模型，仿真效果不佳;并且本文ฅ研究的仿真车辆的控制策略与ADVISOR中现有的控制策略不同。因此，在此需要对控制策略进行重新设计。由于车辆本身是一个非线性系统，若采用传统的PID控制，需要将非线性系统进行线性化，控制器的设计很费时间。故文中并联式混合动力车辆采用的是模糊逻辑控制，主要利用车辆的踏板开度、车速和SOC之间的关系作为动力分配的主要依据，经过模糊逻辑动力分配控制器模组，使发动机和马达的动力保持最佳分配。

2 仿真与结果分析

在进行ADVISOR仿真分析时，选择不同的道路循环工况会较大的影响仿真结果。为了让仿真分析更趋近实际情况，本文将中国城市公交典型工况导入ADVISOR，并选用该工况对混合动力系统进行经济性能仿真分析。图7是中国城市公交典型工况图。由于该工况下的仿真车速上限是60km/h，因此在进行混合动力系统最高车速仿真时，又选择了美国环境保护署城市道路循环工况CYC-UDDS进行车速仿真。

3 结论

1)本文充分利用了ADVISOR软件代码开放的特性，在其现有仿真模型的基础上，进行二次开发建立了混合动力客车的后驱动力系统模型和控制模型，并将中国城市公交典型工况导入ADVISOR，这使仿真研究与实际工况更加吻合。

2)仿真结果表明，所建立的动力系统和控制策略能够较好的仿真该混合动力汽车的动力性能和燃油经济性，且与原车型相比，混合动力汽车的燃油经济性提高较明显，动力性能也能达到设计要求。这为混合动力汽车的实用化、产量化提供了技术支持，减少了产品的开发周期和成本。