1、第2卷第1期2002年3月交通運輸工程學報Journal of T raffic and T ranspo rtation EngineeringV o l 12N o 11M ar .2002收稿日期:2001211215作者簡介:陳曉東(19742,男,江蘇無錫人,江蘇大學博士生,從事混合動力汽車匹配研究.文章編號:167121637(20020120114204混合動力電動汽車性能仿真軟件研究與開發陳曉東,何仁,楊正林(江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇鎮江212013摘要:介紹了國內外混合動力電動汽車仿真軟件的現狀,對由美國能源部可再生能源實驗室開發的ADV ISO R 311仿真軟件進

2、行了闡釋,并對其建模方法和仿真步驟進行了分析,以作為中國混合動力電動汽車性能仿真軟件開發研制之鑒。關鍵詞:混合動力電動汽車;性能;仿真中圖分類號:U 46917;U 495文獻標識碼:AD evelopm en t of hybr id electr ic veh icles (HEV performancesi m ula tion sof twareCH EN X iao 2d ong ,H E R en ,YA N G Z heng 2lin(Schoo l of A u tomob ile and T raffic Engineering ,J iangsu U n iversity

3、,Zhen jiang 212013,Ch ina Abstract :T he developm en t situati on of si m u lati on softw are fo r hyb rid electric veh icle isp resen ted .T he ADV ISO R 311develop ed by N ati onal R enew ab le Energy L abo rato ry (U SA is discu ssed ,its m odeling m ethod and si m u lati on p rocess are analyzed

4、 ,w h ich w ill be help fu l fo r the developm en t of ch inese si m u lato r of H EV p erfo rm ance .Key words :hyb rid electric veh icle ;p erfo rm ance ;si m u lati onAuthor resu m e :CH EN X iao 2dong (19742,m ale ,a docto ral studen t of J iangsu U n iversity ,engaged in research of m atch ing

5、of H EV s driveline .當前,環境與可持續發展已經成為整個世界關注的焦點。汽車排放被認為是一個主要的集中污染源,尤其是在城市。雖然汽車史上也曾經出現過電動汽車、代用燃料汽車等,但由于技術和成本等原因,內燃機汽車仍保持其主導地位。于是,人們開始考慮可選擇的汽車驅動系統,并且已成為可實現的產品,混合動力電動汽車就是這種新型驅動系統的產物。混合動力驅動系統集成傳統內燃機車和電動汽車的驅動系統,具有比傳統汽車更高的燃油經濟性和更低的排放,以及在規定范圍實現零排放(純電動模式又克服了電動汽車續駛里程短的缺點。所以,混合動力電動汽車又被稱為“準綠色”清潔汽車1?；旌蟿恿﹄妱悠囎鳛橐环N新

6、技術,在發達國家已經日益成熟,有些已經進入實用階段。1997年10月,全球首輛商業性混合動力型汽車“PR I U S ”由日本豐田公司研制成功。同年,美國政府與克萊斯勒公司、福特公司和通用汽車公司三大車商合作,實施新型汽車合作計劃(PN GV ,制定了混合動力電動汽車開發計劃,目標是2002年進行試驗性推廣,2004年全面商業化生產。進入20世紀90年代,中國對汽車節能和排放的問題也日益重視,發展電動汽車成為國家汽車工業科技發展的戰略之一。繼“八五”國家組織對電動汽車關鍵技術的研究后,中國將混合動力電動汽車列入了“十五”計劃,主要研究內容有發動機、電動機、蓄電池等各種單元技術;各系統的電子控制

7、技術和整車的動力系統優化與控制技術,實現節省燃料50%,排放下降80%;制動能量回收技術,應能回收制動能量的30%。這也就揭開了中國發展混合動力電動汽車序幕。1混合動力電動汽車仿真技術現狀在研究和開發混合動力電動汽車,選擇部件和最佳結構時,需要設計和制造者能夠很快地縮小研究范圍,找到技術的突破口。系統仿真通過建立有效的計算機模型,使得在技術方案的選擇階段能夠對各個候選子系統進行替換研究,從而簡化了原先需要準備各種規格的候選子系統的工作。在技術方案選擇階段,系統分析依靠高效的建模工具計算機,能夠通過交替使用候選的子系統進行模擬仿真從而找到最佳的方案。計算機模型為每個候選子系統提供了詳細規格和設計

8、參數,從而方便了設計者的工作,而且還有助于為樣車的制造和試驗提供工程目標。國外早在1970年就開始研究對H EV的建模和仿真。目前,國外用于混合動力電動汽車的仿真軟件很多,如ADV ISO R、M A RV EL、JANU S、S I M PL EV、CarSi m、HV EC、CS M H EV、V2E lp h 等,另外,各大汽車生產廠家也有各自的仿真軟件。在眾多的汽車仿真軟件中,ADV ISO R是專門為幫助美國能源部(DO E管理混合動力電動汽車計劃(PN GV而開發的混合動力電動汽車仿真軟件。ADV ISO R通過簡單的物理模型,采用經過性能測試的各總成去建立實際的或想象的汽車模型。

9、它的主要功能在于能夠對還未制造的汽車進行性能預測,它能夠提供制造一輛汽車需要確定的性能參數:加速和爬坡性能、燃油經濟性、排放性能等2。在計算機技術比較發達的今天,建立數學模型并利用計算機對實際情況進行仿真分析,不僅便于靈活地調整設計方案,優化設計參數,而且可以降低科研費用,縮短開發周期。在中國,基本上還沒有較系統和成熟的混合動力電動汽車仿真軟件,考慮到對混合動力電動汽車缺少實際設計經驗,而且試制樣車的費用也比較昂貴,所以從高校及科研單位的角度,運用驅動系統模型和仿真技術來研究混合動力電動汽車是切實可行的,這也是中國混合動力電動汽車研究的一個方向。本文通過介紹ADV ISO R311仿真軟件的建

10、模方法和仿真技術,為中國有志于該研究方向的業內人士提供借鑒和幫助。2建模方法3ADV ISO R311是美國國家可再生能源實驗室最新版本的汽車仿真軟件,它是以M A TLAB Si m u link為平臺開發的,其中包括一系列模型、數據和描述文本文件。該仿真軟件可對傳統的、純電動的和混合動力電動汽車的性能和經濟性進行快速分析。ADV ISO R最早開發于1994年11月,它是為幫助美國能源部(DO E管理混合動力電動汽車計劃而開發的混合動力電動汽車仿真軟件,目前已發展到311版本。該軟件的特點是精確、快速、靈活、易共享和使用方便,通過大量的實踐被證實具有較好的實用性。ADV ISO R根據汽車

11、動力傳動系統各總成的性能來估算給定行駛循環工況下汽車的動力性、燃油經濟性和排放。ADV ISO R采用逆向和正向相結合的仿真方法。逆向仿真法是假設汽車滿足要求的行駛循環軌跡,從而來反推傳動系各個總成應該如何執行。這種方法的優點是不需要駕駛員模型,可以僅通過迭代法來預測汽車的各項性能。而正向仿真法需要有駕駛員模型來模擬油門開度和制動信號,以使汽車的行駛循環軌跡與要求的循環軌跡相吻合。油門開度信號被轉化為轉矩傳遞給傳動系,最終被轉化為汽車的驅動力和車速。正向仿真法在計算整車性能方面要比逆向法好,但是當行駛循環時間大于10m in 時,其計算速度非常慢。ADV ISO R的這種逆向和正向結合的仿真法

12、主要還是以逆向法為主,附加了一些簡單的正向仿真計算,在整個仿真過程中,需要遵循以下兩個假設:(1傳動系統中任何總成不可能從與其直接連接的、為其提供動力的上級總成獲得超出其使用需要的能量,例如:驅動車輪需要電機提供30k W的功率,那么電機從發電機或電池所獲得的功率也就是30k W,發電機或電池不會給電機提供大于30 k W的功率。(2無論在正向或逆向仿真時,同一總成的效率相同。圖1串聯式混合動力電動汽車仿真模型程序框圖F ig.1B lock diagrams top level of series H EV si m ulati on model作者以串聯式混合動力電動汽車的模型為例,圖1是

13、在M A TLAB Si m u link環境下ADV ISO R311仿真串聯式混合動力電動汽車的程序框圖。圖中,箭511第1期陳曉東,等:混合動力電動汽車性能仿真軟件研究與開發頭表示數據流向及整車傳動系統能量的流向,方框表示傳動系各個總成的仿真模塊。在該程序框圖中,包含以下模塊:行駛循環模塊(drive cycle、車身模塊(veh icle、車輪和車軸模塊(w heel and ax le、主減速器模塊(final drive、變速箱模塊(gearbox、電動機控制模塊(m o to r con tro ller、動力總線模塊(pow er bu s、發電機模塊(generato r、發

14、動機模塊(fuel conveter、蓄電池模塊(energy sto rage、尾氣排放模塊(exhau st sys,每個模塊都由Si m u link仿真工具箱中的各仿真元件(如求和模塊、乘積模塊等或這些元件的組合構成。另外,圖中箭頭從左到右表示是逆向仿真法建模的部分,其傳遞的數據為需要動力傳動系中上級總成提供的轉矩、轉速或功率等。而圖中箭頭從右到左形成一個回路表示是正向仿真法建模的部分,其傳遞的數據為能夠從動力傳動系上級總成獲得的轉矩、轉速或功率等。例如“變速箱”模塊與“電動機”模塊之間,箭頭為從左到右的部分屬于逆向建模部分,其傳遞的是變速箱要求電動機提供的轉矩、轉速和功率,而箭頭從右

15、到左的回路表示是正向建模部分,其傳遞的是變速箱能夠從電動機獲得的轉矩、轉速、驅動力和電能等。在仿真過程中,按照計算的步驟,先計算逆向模型的結果,即各個變量的需要值;然后計算正向模型的結果,即各個變量的可能值。ADV ISO R的各個總成模塊可以很容易地擴充和改進,各個模塊可以隨意地組合使用。例如,只須修改圖1中部分模塊間的數據傳遞路線,用戶可以很快地定義一輛并聯式混合動力電動汽車。另外,用戶也可以根據自己的需要,通過修改已有的總成模型建立自己相應的總成模塊或者建立新的模型,來定義設計者需要的汽車模型。3混合動力電動汽車性能仿真ADV ISO R通過人機界面(GU I使得用戶在進行仿真時便于操作

16、,并能夠提供各種仿真結果。在ADV ISO R中主要有3個GU I,通過它們,用戶輸入要仿真的車型和各種相關參數,選擇仿真的試驗方案和目標要求,然后運行計算,最后得到仿真結果。下面介紹如何定義汽車、運行仿真和結果顯示。311仿真輸入界面3個GU I界面的布局基本相同,屏幕的左側是汽車的圖象信息,在右側窗口,用戶可以設定汽車的各種參數和需要顯示的內容,并可控制ADV ISO R 下一步的運行。例如,圖2中汽車定義界面所示是一輛串聯式混合動力車,從界面左上方的汽車結構示意圖中,你可以看到整個驅動系統的組成結構以及能量的流動方向。當然,根據你不同的選擇,在該位置會顯示不同的驅動系統構造圖(可以是傳統

17、的、串聯式、并聯式或純電動。在左下方,顯示驅動系統不同總成的性能,例如,用戶可以選擇顯示發動機或電機的效率曲線、蓄電池的性能等。在界面的右方,是汽車驅動系統結構形式以及驅動系統各個總成類型的選擇界面。用戶通過選擇裝載不同的數據文件, 來定義被仿真車輛。圖2ADV ISOR311仿真輸入界面F ig.2ADV ISOR311s si m ulati on inputs GU I在該區域的左下方,用戶還可以對已定義好的汽車的各個參數進行修改,方便了用戶對整車參數的設置。然后,用戶可以將定義好的汽車保存為由用戶自己命名的文件中,以便在下次仿真時可以直接調用。最后,用戶點擊“con tinue”,進入

18、下一界面 仿真設置界面。圖3ADV ISOR311仿真設置界面F ig.3ADV ISOR311s si m ulati on setting GU I312仿真設置界面第二個GU I界面是仿真設置界面(圖3,這個界面主要也分成兩個區域,右半邊為仿真條件的設611交通運輸工程學報2002年置,左半邊為對應所選擇的行駛循環軌跡曲線。用戶可以選擇按某個行駛循環工況或試驗程序進行仿真,并能夠進行爬坡和加速試驗。此外,用戶還可對汽車仿真初始狀態進行設置,如溫度、荷電狀態等。當完成設置以后,點擊“RU N ”進行仿真。313仿真輸出界面圖4為仿真輸出界面, 這個界面也分為兩個區域,左側為仿真結果的曲線表

19、示,右側除了顯示汽車的燃油經濟性、排放、加速性、爬坡性等仿真結果數據外,還可以選擇需要在左側區域顯示的仿真曲線。此外,該界面還能顯示整車驅動系統能量傳遞和使用效率等情況。圖中顯示的是行駛循環軌跡、蓄電池荷電狀態、排放和整車傳動比的仿真曲線,根據不同需要可顯示不同的量。圖4ADV ISOR 311仿真輸出界面F ig .4ADV ISOR 311s si m ulati on outputs GU I4結語ADV ISO R 311是以M A TLAB Si m u link 為開發平臺的,結合了逆向 正向建模法的先進汽車仿真軟件。軟件中所有的模型和算法都經過了N R EL 的檢驗,它具有準確、快速、靈活、實用和使用方便等特點。目前,筆者已經完成了對該軟件的漢化工作,并且運用該軟件對江蘇大學研制的串聯式混合動力城市公交汽車(ZJK 6700H EV 進行了仿真,取得了滿意的結果,再一次證實該軟件的可靠性。通過對ADV ISO R 311仿真軟件的學習,也為開發自己的混合動力電動汽車仿真軟件提供了思路和借鑒。在以后的仿真技術的研究與軟件開發中,應該