行星排混联式混合动力客车的联合仿真分析

吴少雄

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023）

行星排混联式混合动力客车的联合仿真分析

吴少雄

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023）

主要讨论行星排混联式混合动力客车的动力性和经济性。通过在AVL-Cruise中创建整车动力模型，同时使用Simulink软件编写控制策略，进行典型城市公交循环工况的动力性和经济性仿真分析。

行星排混合动力客车；Cruise；Simulink；联合仿真

随着化石燃料的日益枯竭，对混合动力客车节油率的要求也越来越高，促使整个行业对混合动力客车的动力结构以及控制策略不断优化。本文以行星排混联式［1］混合动力城市客车为例。在Cruise中创建模型，同时使用Simulink编写控制策略，联合仿真分析其在城市典型工况下整车的综合油耗以及节油率，为行星排混联式客车后续车型的研发提供参考数据以及优化基础。

1　行星排结构及控制策略

如图1所示，单个行星轮系由太阳轮、齿圈、行星架、行星轮组成。定义齿圈与太阳轮速比

式中：z2为齿圈的齿数；z1为太阳轮的齿数。

在轮系各部件都不被固定锁死的情况下，有如下关系：

式中：ω1为太阳轮转速；ω2为齿圈转速；ω3为行星架转速；T1为太阳轮转矩；T2为齿圈转矩；T3为行星架转矩。

当轮系中有一个部件被固定锁死时，其余部件的转速与转矩关系见表1。

表1　某部件固定时行星排转速与转矩关系表

1.2行星排控制策略

行星排混联式混合动力系统拥有两个行星排轮系机构，连接方式如图2所示。将双行星排作为一个总成件，分别连接发动机、ISG电机和驱动电机。与发动机连接的行星排轮系作为动力分配的机构［1］，当发动机工作时，由程序控制发动机工作在最佳工况线（OOL）上，发动机输出的一部分动力通过机械连接驱动车辆，另一部分动力则通过ISG电机转换为电力，将能量提供给驱动电机或电池充电；当发动机不工作时，则视为行星架锁死，车辆进入纯电动模式。与驱动电机连接的第二个行星排轮系机构仅起到减速的作用。

根据发动机、ISG电机、驱动电机各工作模式的多种组合形成整车工作模式，见表2。

通过ArcCatalog创建的Shapefiles(个人地理数据库要素类)文件，初始为空的面要素图层(Polygon Features)。采用1985国家高程基准，Gauss Kruger(高斯-克吕格)投影(即横圆柱正形投影)，6度分带不加带号，西安1980平面直角坐标系统。

表2　行星排混联式混合动力系统工作模式编码表

行驶状态及工作状态均包含0、1、2三种数值，组合后代表唯一的工作模式，将状态数值输入给Simulink的计算器模型，运算并输出对整车各部件的控制信号。

各工作模式之间切换条件如下：

1）停机模式。车辆静止，ISG电机、发动机、驱动电机、电池系统均处于关闭状态。

2）纯电动模式。当电池处于高SOC状态时进入该模式，发动机以及ISG电机处于关闭状态，整车由驱动电机提供驱动力。

3）混合驱动模式。当电池处于低SOC状态时进入该状态，通过程序控制发动机工作在最佳工况线（ool）上，ISG电机处于发电状态，将发动机的部分功率转换为电能。当车辆需求功率大于发动机通过行星排输出功率的时候，通过电力通道提供给驱动电机驱动；当车辆需求功率小于发动机通过行星排输出的功率时候，驱动电机将多余部分的功率转换为电能与ISG所转化的电能一起提供给动力电池充电。随着车速的增加，ISG电机转速逐渐降低，当出现负转速的时候。程序控制发动机增加相应的功率与转速，使得上述关系进入新的一个平衡阶段。

4）制动回馈模式。当驾驶员踩下制动踏板使车辆制动时，整车进入制动回馈模式。回馈策略根据整车当前速度、SOC状态、制动踏板深度进行判断，以适当比例分配制动能量给驱动电机以及机械制动。

2　建模与性能仿真

2.1整车基本参数

在进行AVL-Cruise仿真分析前，需要整理整车参数数据，如发动机、前后轴荷、总质量、整备质量等。该车型基本配置参数简化后如下：发动机为245马力发动机，主减速比4.33，轮胎滚动半径0.507m，各部件传动效率0.95，整备质量/总质量12.5 t/18 t，前/后轴载荷5.5 t /12.5 t，迎风面积9.53m2，车辆滑行系数A、B、C 931.3/ 4.64/0.175（整车滑行系数A、B、C由滑行试验获得［2］）。

2.2 Cruise模型建立

根据整车构造在AVL-Cruise中建立仿真分析模型，输入模块所需要的各项参数，并完成机械连接与电气信号线连接［3-4］。整车模型搭建如图3所示。

2.3 Simulink模型建立

图4为行星排混联式混合动力系统整体控制策略的Simulink模型；表3为Simulink模型的输入与输出信号的定义。该模型由执行器与计算器两部分组成［5］。

执行器的功能是根据当前车辆的行驶状况判断整个系统所对应的工作模式，并对工作模式进行分类编码处理，输出［行驶状态码］与［工作状态码］。执行器从Simulink模型的输入信号中读取［SOC］、［发动机状态］、［制动力矩］、［速度］、［发动机负荷］、［调试数据］，其中［调试数据］是用于判断车辆在上一个计算周期所处的工作模式。如表2区分出停车、纯电动模式、混合驱动模式和制动回收模式，输出表2中各模式所对应的［行驶状态码］与［工作状态码］。

计算器接收执行器输出的［行驶状态码］与［工作状态码］，结合从Simulink模型的输入信号中读取的［发动机转速］、［发动机负荷］、［太阳轮转速］、［齿圈转速］、［制动力矩］，计算得到由［行驶状态码］与［工作状态码］组成的各模式所需要的［发动机Load］、［发动机SW］、［ISG电机Load］、［ISG电机SW］、［驱动电机Load］、［驱动电机SW］以及一个［调试输出］信号。

由计算器输出的信号通过Simulink模型的数据输出端口，将信号传递给Cruise模型并参与Cruise仿真计算。本文Cruise［6］与Simulink［7］联合仿真是通过MATLAB_DLL［8-10］模式实现。

表3　 Simulink模型的输入与输出信息对应表

2.4仿真分析结果

根据GB/T 19754-2005重型混合动力电动汽车能量消耗量［11］要求，按中国典型城市公交循环工况设定Curise路谱，路谱曲线参见文献［12］。进行联合仿真。本文Cruise［6］与Simulink［7］联合仿真是通过MATLAB_DLL［8-10］模式实现。仿真分析结果见表4。

表4　动力性、经济性仿真分析结果

根据表4可知，该行星排混联式客车与传统常规客车燃料消耗量［12］国家标准中对应限值37.5 L/100 km相比，节油20.05 L，节油率达到53.5%。

3　结束语

本文使用Cruise与Simulink联合计算，对行星排混联式混合动力客车在城市道路工况下的油耗、电耗以及节油率进行仿真计算，为后续的控制策略优化奠定基础。

［1］爱塞尼（Ehsani，M.），等.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车-基本原理、理论和设计［M］.2版.倪光正，倪培宏，熊素铭.译.北京：机械工业出版社，2006.

［2］韩宗奇.用滑行试验法测定汽车空气阻力系数研究［J］.汽车技术，2001（5）.

［3］余志生.汽车理论［M］.5版.北京：机械工业出版社，2010.5.

［4］王望予.汽车设计［M］.4版.北京：机械工业出版社，2004.8.

［5］张金一，吴少雄.基于Cruise和Simulink的ISG城市客车联合仿真分析［J］.客车技术与研究，2016，38（1）：1-3.

［6］CRUISE基础培训教程［M］.李斯特技术中心（上海），2010.

［7］于群.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真［M］.北京：机械工业出版社，2011.5.

［8］AVLCruise User'sGuide［M］.李斯特技术中心（上海），2011.

［9］王中群.MATLAB建模与仿真应用［M］.北京：机械工业出版社，2010.10.

［10］周品.MATLAB数学建模与仿真［M］.北京：国防工业出版社，2009.4.

［11］全国汽车标准化技术委员会.重型混合动力电动汽车能量消耗量：GB/T 19754-2005［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［12］全国汽车标准化技术委员会.重型商用车辆燃料消耗量测量方法：GB/T 27840-2011［S］.北京：中国标准出版社，2011.

修改稿日期：2015-12-09

Co-simulation Analysis for Hybrid Bus with Planetary Gear Units

Wu Shaoxiong
（Xiamen King Long United Automotive Industry Co.，Ltd，Xiamen 361023，China）

The author mainly discusses the power and economy performances of hybrid bus with planetary gear units. By AVL-Cruise，the vehicle dynamic model is created，and by the Simulink software，the control strategy is written.He also calculates and simulates the power and economy performance sunder typical working condition of city bus cycle.

planetary gear units hybrid bus；Cruise；Simulink；co-simulation

U463.212+.2

A

1006-3331（2016）03-0001-03

吴少雄（1988-），男，助理工程师；发动机系统工程师；主要从事发动机燃油供给系统匹配优化工作。