增程式新能源车cruise软件动力系统建模及仿真

根据匹配出的动力系统数据以及已知的整车参数，在 Cruise 建立整车模型，图 1 所示。采用的整车结构前置前驱方案，模型包括整车模块、发动机模块、发电机模块、蓄电池模块、驱动电机模块、主减速器、差速器、制动模块，用于整车动力性能，燃油消耗量和排放性的实时监测和仿真，还可以评价虚拟的主观平顺性。


图1 整车模型

模块的参数是根据所设计的动力传动系统部件和已有车型来确定的。对各个部件进行设置，以准确实现对匹配好的参数进行仿真分析。包括基本参数和性能参数的输入，模型的输入可以采用手工输入、从已有模型中调入数据、从已有数据文件中导入数据和拷贝与粘贴方式输入数据。其中发动机模块的发动机外特性曲线按照发动机的选型结果来输入，分别输入转速、平均有效缸内压力（ BMEP ）、燃油消耗率的对应数据关系，2 / BMEP n V 。发动机倒拖扭矩如图 2 所示。

图2 发动机倒拖扭矩图
由于在 Cruise 软件中搭建的模型，较难实现增程式电动汽车各种工作模式的转换，所以模型中添加了 Matlab 控制模块，通过信号接口接收来自于驾驶室的输入信息、发动机信号、转速、制动信号等，如图 3 所示，为控制模块定义的接口。Simulink 控制模型以及 Stateflow 状态转化模型中的参数定义都是与这些接口模块匹配的。


图 3 控制模块接口

部件间的信息连接部件之间的信息连接包括三种连接：机械连接、电气连接和总线信息连接。模型中实现的是整车系统中的机械连接和信号连接，其中机械连接又叫物理连接，电气连接实现了发电机和蓄电池以及蓄电池和电动机之间的连接。最后要设置模型中的总线信息连接，例如发动机连接图 4 所示，通过控制模块进行发动机的启停控制，采集信号、以及将信号传递到控制模块输入端口，控制模块根据做好的控制策略进行判断，做出发动机的启停控制。总线信息连接其中最左边一栏列出来的是需要从别的零部件获得信息的部件，例如发动机。第二栏中定义了这个部件中所有需要的参数值，例如节气门位置。这一列中标记有绿色的是必须连接的参数，带有黑色标记的参数可以根据需要选择性的连接。第三栏中列出了可以传递这种参数或者变量信息的部件，例如驾驶室，驾驶室是可以传递节气门位置的唯一一个部件，因为节气门位置的开度是受由驾驶员操作实现的。第四栏为可以传递信息的部件，例如节气门位置。在 Cruise 中，预先设定好这些总线信息连接，因此这些部件可以采集和传递车辆信息。例如由驾驶室传递节气门位置信息到发动机控制模块，再由控制器决定发动机的输出转矩。


图4 总线信息连接图

联合仿真模块的开发Matlab 接口模块是用来实现与 Cruise 的联合仿真， Cruise 软件与 Matlab 的接允许客户自定义模型元件以及相关的控制策略，便于客户自己进行复杂控制。Cruise 与 Matlab 有三种连接方式：（ 1 ） Cruise Interface ：Cruise 与 Matlab 的联合仿真分析（ Matlab 在前台，而 Cruise 处在被调用状态）；（ 2 ） Matlab API ：Cruise 与Matlab 的联合仿真分析（ Cruise 在前台，而 Matlab 处在被调用状态）；（ 3 ） MatlabDLL ：通过 Simulink 模型生成的动态链接库（ DLL ）与 Cruise 进行耦合仿真。由于 Cruise 模型是非常完整的模型，本文采用第三种方法，通过生成Matlab/Simulink 的 DLL 文件实现与 Cruise 的联合仿真，如图 5 所示。其中第一列为整车模型中 Matlab 控制模块的十四个接口，实现与 Matlab 的连接，以实现接口的识别，第一列为子系统参数模型，定义了从 Cruise 中采集的接口参数与其他参数之间的关系。其中发动机的转矩曲线是需要从 Cruise 中整车系统采集的数组模型。最右边为对应于 Cruise 软件中模型参数的七个输出接口：电机负载信号、电机开关、发动机负载信号、发动机开关转换、发电机负载信号、发电机开关、制动压力输出控制。


图5 Matlab 与 Cruise 的接口文件

发动机的 Simulink 模型如图 6 所示。需要获得的信息或者输入的信息有：发动机的输出扭矩、发动机最大转矩、最小转矩和由软件所采集监测到的发动机转矩信息。


图6 Matlab 与 Cruise 的接口文件发动

中间部分为不同的工作模式状态装换条件 Stateflow 模型，如图 7 所示。


图 7 状态转换条件及转换时候的控制

Stateflow 模块由图形对象和非图形对象构成，模型中用方块表示系统的运行模式，带有方向箭头的线条表示状态转化的流向，每个运行模式状态都有执行条件和跳出条件，分别写在带箭头的线上。六个工作模式的状态转化条件如表 1所示，同时加入了车辆启停状态控制和制动能量回收模块。


表 1 Stateflow 模型中的状态转化条

开关信号以及制动力矩模型，如图 8 所示，其中制动力矩是与 Cruise 中车辆模型对应的，以实现不同软件中信号。


图 8 开关信号以及制动力矩顶层模型

工况仿真及结果分析，仿真任务车辆运行任务有以下几种：

（ 1 ）循环行驶工况（ Cycle Run ）

（ 2 ）爬坡性能分析（ Climbing Performance ）

（ 3 ）稳态行驶性能分析（ Constant Drive ）

（ 4 ）满负荷加速性能分析（ Full Load Acceleration ）

（ 5 ）最大牵引力计算（ Maximum Traction Force ）

（ 6 ）巡航行驶工况（ Cruising ）

（ 7 ）制动 / 滑行 / 反拖性能分析（ Brake/Coast/Thrust ）