建模与仿真
曾小华，于永涛，王庆年，王鹏宇
(吉林大学.汽车动态模拟国家重点实验室，长春130022)
摘要：在正向仿真软件CRUISE平台搭建了某种混合动力客车的整车模型，在MATLAB/SIMULINK环境下开发了主动同步换挡控制策略，对主要动力部件在换挡过程中的瞬态过程进行了主要动力部件的仿真与分析，并通过实车的实验对主动同步换挡控制的合理性加以验证，真正实现了整车在换挡过程中的主动同步换挡控制，进而提高了多能源控制器控制功能。
关键词：正向仿真软件CRUISE；混合动力客车；主动同步换挡；瞬态过程
中图分类号：U469.7 文献标示码：A
0引言
混合动力技术在客车的应用解决了传统客车的大马拉小车的问题，但由于电机的存在，使变速箱输入
轴的转动惯量大大增加，给实际换挡带来困难，以致整车的动力性都会因此受到影响，但采用主动同步换挡控制，就会突破这种结构限制，也会缩短传统客车的换挡时间等缺点。在国外，日本丰田公司生产的Pruis混合动力汽车采用了全新的THS控制方案，其它大汽车公司也致力于这方面的研究，但相关的技术报道并不多。在国内，虽然已经有少数文献提出了动态协调控制方法[1-3]、主动控制技术[4-7]，但这些文献所提及的主动控制只是做了初期的工作，仿真及验证与实车的控制相差甚远，本文着重讨论了在换挡过程中的发动机、电机、电池等主要动力部件的控制算法及瞬态的仿真分析。
1技术方案
1.1系统结构及问题分析
本文所提及的某型混合动力客车采用了双轴并联的结构，该结构中电机、动力合成装置与变速器的输入轴连接，如下图1的系统结构图所示，与传统的客车相比，由于电机布置在变速器的输入轴上，从而使变速器输入轴的转动惯量大大增加，如果仍然按照传统客车的AMT 的同步调节方式，就会导致整车的性能变差。
器
图1系统结构图图2CRUISE平台上的整车模型
1.2主动同步换挡控制
在该型的混合动力客车设计阶段，在多能源动力总成控制系统中加入主动同步换挡控制，具体分为升挡和降挡两种情况，在升挡时，电机将变速器的输入轴的转速调低；降挡时，将变速器的输入轴的转速调高，其中的目标转速是通过目标车速换算出来的。依靠该控制就可以突破传统AMT的结构、总成等方面的限制，提高多能源控制器的控制功能。从而使整车
换挡时间缩短，提高整车的动力性和经济性，同时也会降低离合器、同步器等部件的磨损。
2 建模
2.1正向仿真软件CRUISE平台上的整车建模[8]
在CRUISE平台上搭建整车模型，在仿真中相当于一部实际车辆，如上面图2，其中cockpit 模块为驾驶员模型，MATLAB DLL模块为CRUISE与MATLAB /SIMULINK接口模块，通过它可以实现到由MATLAB /SIMULINK生成的控制策略的动力链接库文件，进行快速的仿真。
2.2换挡过程中主动同步换挡控制策略建模
在MATLAB /SIMULINK开发环境下，实现电机主动同步换挡控制，就要把降挡升速、升挡降速、离合器的动态过程等控制思想加入到整车的控制策略中去，控制模块搭建完成，还要将控制策略生成动态链接库的文件，这样可以使CRUISE仿真速度大大提高。为了保证控制的准确性，还要进行多次的仿真调试。
2.2.1主动同步换挡控制建模思想
以离合器开始分离到完全接合的整个过程为shifting（换挡标识），发动机动力传递会出现中断，但电机仍通过动力合成装置与变速器的输入轴连接。此过程可以分为三个阶段，1、离合器分离阶段，2、离合器完全分离阶段，3、离合器接合阶段。在这三个阶段中，发动机和电机的工作状态就要进行具体的控制，电机有三种工作状态：驱动、制动、关闭。需要注意的是在进入shifting之前电机无论处于何种工作状态，多能源控制器都必须让电机停止工作，以免电机的转矩会影响到AMT的正常换挡，给整车带来冲击，影响了整车的舒适性。
以降挡为例，整个控制过程如下：
1）整车控制器或AMT控制器通过判断输入的条件应该降挡时，在离合器处于第一个阶段时，多能源控制器或AMT控制器给发动机发出的负荷信号为零，同时关闭电机。
其控制算法流程图如图3：
2）当离合器处于第二个阶段时，多能源控制器或AMT控制器给发动机的负荷信号仍旧为零，由于降挡升速，控制器通过车速可以计算得到的目标挡位的变速器输入轴的目标转速，此时，电机以全负荷率向目标转速调速，当电机的实际转速与目标转速之差小于某个确定的允许固定值时，立即停止调速。
其控制算法流程图如图4：
图3电机主动同步控制条件框图图4电机主动同步控制框图
３）当离合器处于第三个阶段时，控制器发出指令发动机恢复驾驶员控制，而电机停止工作，以免电机的转矩影响到整车的平顺性，保留了传统车的离合器接合过程的控制优势。
2.2.2换挡控制中所涉及的数学模型：
1）离合器在结合和分离过程中力的传递数学模型
接合过程：T=k*Tc*sgn(w ci-w in) (1) 分离过程：T=min(T e,k*T c*sgn(w ci-w in)) (2) 式中：0≤k≤1为离合器的状态；T c、T e为离合器的静摩擦力矩、发动机的转矩；
w ci、w in分别为离合器主动部分、从动部分的转速。
离合器主动部分的转速，即发动机转速的数学模型：d we/d t=(T e-T co)/(J E+J CI) (3) 式中：分别为发动机的转速和离合器输出转矩；分别为发动机、离合器主动部分转动惯量。2）变速器输入轴目标转速的确定
通过希望车速来确定电机的目标转速，控制策略根据希望车速得到目标挡位，通过查表
得到对应的速比，电机的目标转速(target_spd)计算式为：
target_spd=V de*Id*R w*30/pi/3.6*i de-gear*I tc (4)
3结果及分析
以客车在城市综合工况下为例的动态仿真测试如下。
3.1整车性能仿真
图 5没有主动同步控制的升挡仿真图图 6没有主动同步控制的降挡仿真图
图7有电机主动同步换挡的升挡仿真图图8有电机主动同步换挡的降挡仿真图
图5和图6是没有主动同步换挡的仿真图：由图5仿真结果中可以得到，当离合器开始分离
吉林汽车到完全分离的过程中，电机的负荷信号为0，电池的电流等于0安培，电池不供给电机能量，电机的转速维持不变；在离合器结合的过程中，发动机的转速降低，驾驶员根据加速的要求，发动机的负荷信号逐渐升高；图6为降挡过程中的仿真结果，可以得到降挡升速，驾驶员根
据减速的要求，发动机的负荷信号没有仍旧为0。
图7和图8是电机主动同步换挡的仿真图：由图7仿真结果中可以得到，当离合器开始分离
到完全分离的过程中，发动机和电机的负荷信号都为0，电池的电流为0，都不参与工作；
从离合器开始完全分离到开始接合的过程中，发动机不参与工作，负荷信号仍旧为0，由于
升挡降速，电机根据目标转速将电机的实际转速调低，电机的负荷信号为-1，全速降速，电
池的电流逐渐减小，直至离合器开始接合，主动同步调速完成；在离合器接合的过程中，电
机的负荷信号为0，不参与调速，保留传统车的习惯，由驾驶员来控制行车，这时只有发动
机单独工作。由图8的降挡过程的动态控制可以看到，在离合器完全分离的过程中，发动机
不参与工作，负荷信号为0，此时，由于降挡升速，根据前面控制策略计算得到的target_spd （电机目标转速），电池的电流为负，表示电池正向电机供电，电机的负荷信号为+1，全速
升速，减小变速箱输入轴和输出轴的转速差，从而达到缩短同步换挡的时间。
综上，就控制方面而言，发动机和电机、电池、离合器等主要动力系统部件都是按照2.2.1的整车控制算法进行的；就意义对方面而言，在整车动态换挡的过程中，没有主动同步的换挡过程，变速箱输入轴和输出轴的转速差只能靠发动机来调节，而发动机的转动惯量非常大，这无疑会增加换挡时间，影响整车的动力性，增加油耗；而有主动同步的换挡过程，电机的主动调速，克服了变速箱输入轴转动惯量大所带来的缺陷，为整车节省了燃油，能够提高整车的动力性。
实验结果
下面图9和图10为上述的控制策略应用在中国第一汽车集团公司技术中心开发的某型混合动力客车上的实车测试结果，与上述仿真的区别为离合器的工作状态由换挡标识来代替，这里所说的换挡标识shifting（下图中绿线所示）等于1为离合器从接合-分离-接合的过程，即换挡过程，shifting等于0为非换挡过程，shifting=1的过程中，由于实车HCU是转发AMT的TCU的换挡信号，就是离合器完全分离时，AMT此时是先摘空挡，然后换高一级挡位或换低一级挡位，完成换挡过程。从测得的实际数据就可以清晰地看到换挡时，电机主动同步调速的控制效果明显，如图9所示：升挡降速（如红虚线所示），电流为正（如粉虚线所示），多余的能量给电池充电；如图10所示：降挡升速（如红虚线所示），电流为负（如粉虚线所示），电池放电。整个实测的结果进一步验证了前面在CRUISE软件上进行的仿真的正确性与准确性。
4结束语
在混合动力客车的多能源控制器中加入了主动同步换挡控制，并以双轴混合动力客车为例在城市综合工况下进行了仿真测试，分析了在换挡过程中主要动力部件的瞬态控制过程，并且通过实车试验充分验证了在正向仿真软件CRUISE平台上仿真的正确性与准确性，为设计开发对仿真平台需求提供了可信的参考。
主动同步换挡控制提高了多能源控制器的控制功能，实现了换挡过程的人为主动干预，提高了换挡的品质，提高了整车的动力性，意于降低整车的油耗，同时保证了整车的平顺性，这种人性化、细微化的设计在如今科技发达的人文社会意义将更为重大。
参考文献：
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[7] 王庆年，刘志茹.混合动力汽车的正向建模与仿真[J].汽车工程，2005（4）：392-394.
[8] 曾小华，混合动力客车节能机理与参数设计方法研究[D].长春：吉林大学,2006.
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