混合动力整车控制策略仿真研究

何华强，张 靖，李朝乐，黄值仪，易旭荣

（东风汽车有限公司 东风商用车技术中心，武汉 430056）

目前混合动力整车控制器（HCU）的开发属于混合动力汽车领域的一个核心技术，各公司在HCU开发时都面临着所需开发周期长、资金高的难题。通过建模仿真的方法是一种极其有效的解决办法，它能够有效的缩短开发周期，降低开发费用。

目前混合动力汽车领域的仿真主要有前向仿真和后向仿真。后向仿真其设计思路是以外界工况循环向整车提出车速需求，通过整车阻力模块，逆向向传动系统请求动力。这种设计思想适合于设计初期阶段的方案选型、控制策略的设计、参数匹配和性能预测。而前向仿真的模型接近真实的车辆行驶过程，能处理实际传动系统中的测量参数，仿真的模型可以直接生成代码提高了工作效率［1］。

同时考虑到商业仿真软件的接口与开发的HCU接口一致性不是太好，可拓展性较差的情况，因此我们自己建立了完整了物理模型，统一在Simulink环境下进行了集成及仿真。考虑到以往的论文往往侧重在整车的动力性及经济性方面的论述，很少有在整车功能方面进行仿真说明，本文主要侧重在HEV整车功能的仿真。

1 系统的建模

一个完整的仿真模型必须具有系统的实物模型及控制模型，因此系统模型是仿真模型的重要组成部分，它的模型准确与否直接关系到仿真结果是否真实可信。一般来说，如果仿真的重点在控制器的功能实现上，那么系统的实物模型也以功能实现为主，对于复杂系统可以尽可能多的采用物理查表的型式来实现，这样可以降低建模难度。比如发动机的建模，就可以以试验数据来替代理论运算。

但是在功能性仿真为重点的建模中，由于物理模型与实际存在一定的差异，导致仿真结果与实际出现偏差，需要在实车调试时进行适当的修正。比如在P1结构的混合动力系统结构中，在整车拖起发动机的仿真中，从图1、图2可以看出，仿真已经完全说明了HCU模型具有按照设计需要具有的该功能。但由于离合器物理模型与实际结合情况不一致，导致了仿真会出现一定的偏差。按照我们开发的经验，这种偏差对于功能调试的影响很小。

反之，在以性能为重点的仿真时，尤其是HCU控制策略做性能相关仿真，严重依赖于各个总成的性能表现，因此各物理对象模型应该尽可能的与实体一致，这样才能完全仿真出控制器的特性。

在本文中，以功能仿真为主，同时兼顾了整车的动力性及经济性，因此物理模型的建立也是基于这点。

1.1 驾驶员模型的建立

驾驶员模型是前向式仿真中的特有模型。主要实现从路谱到司机加速踏板和制动踏板的指令，模拟实际驾驶员操作。本模型采用PID控制器实现驾驶员模型，加入了一个反映驾驶员人为环节的一阶延迟环节［2］。结构如图3所示。

1.2 发动机及EECU模型的建立

在针对HCU的功能性仿真中，发动机及控制器的主要功能就是执行HCU的命令进行相关的输出，因此发动机本体只需包含起动机、曲轴部分模型，EECU主要包含司机请求、怠速控制、巡航控制、转速及扭矩控制（主要针对TSC1报文功能）即可，其模型如图4、图5所示。

1.3 电池模型的建立

由于目前在HEV开发中，电池基本都采用了锂电池或者是超级电容作为储能装置。超级电容器可以认为是一个物理的容器，因此可以把它的建模认为很简单，本文在这里不做累述。如果我们具备完整的锂电池试验数据，那么电池模型可以以查表为主来实现，但是现在很多厂家都不具备这个能力，因此还需要靠理论模型来实现。

锂电池集结了固—液—气三相反应，是一个非常复杂的非线性电化学系统，其系统建模和特性描述成为混合动力系统性能仿真的难点之一。最基本的模型认为电池由一个可变电压源和一个可变内阻串联而成，称为Rint模型。还有一种RC电池模型，由两个电容三个电阻构成。本文采用Rint模型等效电路模型对蓄电池进行建模。能量储存模型计算电池核电状态SOC，以响应功率总线的功率请求和输出实际功率。功率损失由内阻消耗损失加上由库伦效率引起的损失［3］。电池模型如图6所示。

1.4 其他系统模型的建立

限于篇幅问题，本文无法一一列举这些HEV组成系统的建模方案，本文已就重点和难点的发动机及EECU、驾驶员模型、电池模型做了说明。

剩余的模型中，传动系统中的变速箱和后桥建模中可以只考虑传递效率。

整车模型在很多论文中都可以参考，而且其建模方案基本一致，经过检验也基本能满足实际需求；

2．2 听力障碍确诊情况 调查发现，复筛未通过231例，到上级医院进行ABR检查208例，ABR检测率90．04%，年度间差异无统计学意义。ABR检测确诊单耳障碍49例，双耳障碍54例，听力障碍在筛查儿中的发病率3．72‰，高于国内相关报道［5］。见表2。

2 模型集成

我们开发的HCU包含了我们全部的完整的控制策略模型。

在建完了HEV整车各个系统的物理模型及控制模型后，需要对各物理模型及整车控制模型进行集成，我们在项目中使用的模型集成后如图7所示。

3 仿真结果及分析

我们主要用以上模型对HCU进行了功能性的仿真，包括上电自检、整车状态判断、起步、辅助换挡、行驶、制动等的仿真，经过仿真验证后的模型能够快速在台架上得到验证。

3.1 上电自检

上电自检主要仿真整车各高压相关部件自检时序及高压部件的故障状态，使用仿真和实车验证的结果分别如图8所示。

从图中可以看出，T15信号有效后，HCU自检状态判断标志（POST_STATUS）将进入3，在电池发送允许使能后置2，在电池发送高压继电器状态为1后置1（自检时各标志量经历时间不同，这个由于各控制器实际自检时间与模型标定不一致导致），自检功能得到了验证。

3.2 整车状态判断

整车状态主要依据驾驶员的各种操控信息及整车各部件实际工作状态来判断整车目前处于什么样的状态，比如：起步、换挡、行驶、制动等，整车状态判断是HCU需要完成的一个重要工作，状态判断准确与否直接关系到HCU的动作执行，仿真与实车的状态判断对比如图9、10所示，说明仿真后的模型能完成整车状态判断的工作。

3.3 辅助换挡

由于本项目中电机转子位于输入轴，电机转子转动惯量较大，不能依靠同步器的滑摩来完成同步状态，因此需要在整个选挡期间进行调速，模拟及实车调试结果如图11、12所示。

从图中可以看出升挡或者降挡过程中，仿真和实车结果完全一致，同样验证了本文的辅助换挡模型是正确的。

4 结论

本文建立了基于MATLAB/Simulink的混合动力卡车的各系统模型并对各模型进行了集成，利用该模型对整车各功能进行了仿真，利用仿真结果改善模型，最终使用通过仿真的模型进行实车台架调试。使得本项目的实车功能调试只用了短短的不到两个月时间，大大缩短了研发的周期和成本。

另一方面，本文在建模时偏重整车的功能调试，如果要进行HCU的性能调试，则必须创建更加符合实际的物理模型，这是以后的研究方向。

［1］曾小华，王庆年等.前向仿真模型与反向软件ADVISOR的集成开发［J］.汽车工程，2007：851-854.

［2］刘凌，李雪峰，汪伟，唐广笛.串联式混合动力客车制动能量回收的研究［J］.变流技术与电力牵引，2007：45-48.