电动汽车前向仿真中驾驶员模型建模与仿真

汽车双质量飞轮转矩特性建模与仿真
宋立权;尹玉明;周建东;曾礼平
【期刊名称】《新型工业化》
【年(卷),期】2013(003)009
【摘要】建立了双质量飞轮转矩特性数学力学模型,运用ADAMS软件对双质量飞轮进行动力学仿真分析,获得了与试验相吻合的转矩特性曲线,得出了考虑摩擦的仿
真分析模型更能真实地反映双质量飞轮的转矩特性,并且可以增大转矩的结论;利用
弹簧座头部的相互楔入摩擦作用,获得了大扭转角时转矩的非线性增加,实现了在低
转矩小扭转角所具有的柔性、大扭转角时的高反抗转矩特性,使动力传动系统的一、二阶共振转速被完全有效地隔离在发动机的正常转速范围之外,达到了隔振设计的
目标.
【总页数】11页(P53-63)
【作者】宋立权;尹玉明;周建东;曾礼平
【作者单位】重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;重庆大学机械传动
国家重点实验室,重庆400044;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;重庆电子工程职业学院,重庆401331;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044
【正文语种】中文
【中图分类】TH133.7
【相关文献】
1.电动汽车前向仿真中驾驶员模型建模与仿真 [J], 黄妙华;陈飚;陈胜金
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3.汽车双质量飞轮扭振减振器性能仿真分析与匹配 [J], 王登峰;宋继强;刘波
4.纯电动汽车电动机参数设计及整车建模仿真分析——基于AVL-CRUISE仿真平台 [J], 戚金凤
5.基于双质量飞轮的动态扭转特性的建模仿真与试验验证研究 [J], 张贵辉; 黄其柏; 王洪彬
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客　车　技　术　与　研　究第2期 BUS &COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.2　2018作者简介:何安清(1968 ),男,高级工程师;主要从事新能源汽车储能与驱动技术研究工作㊂基于CRUISE 与ADVISOR 前后向仿真软件的汽车动力性对比分析何安清1,孙可华2,沈利芳3,宋国鹏1,胡远敏1(1.浙江中车电车有限公司,浙江宁波　315111;2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,长春　130025;3.联合汽车电子有限公司,上海　201206)摘　要:通过基于前向仿真软件CRUISE 与后向仿真软件ADVISOR 的某型纯电动汽车动力性能仿真对比,详细介绍两者在仿真思路㊁参数设置及使用方法方面的区别㊂结果表明,两种仿真平台虽然有所不同,但通过深入研究和设置,所得结果差异很小㊂关键词:CRUISE ;ADVISOR ;前/后向仿真;动力性能中图分类号:U464.12+2 文献标志码:A 文章编号:1006-3331(2018)02-0001-04Comparison and Analysis of Vehicle Power Performance Based on CRUISE Forward-facing and ADVISOR Backward-facing Simulation SoftwaresHe Anqing 1,Sun Kehua 2,Shen Lifang 3,Song Guopeng 1,Hu Yuanmin 1(1.Zhejiang CRRC Electric Vehicle Co.,Ltd,Ningbo 315111,China;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation andControl,Jilin University,Changchun 130025,China;3.United Automotive Electronics Co.,Ltd,Shanghai 201206,China)Abstract :Based on the forward -facing simulation software CRUISE and the backward -facing simulation software ADVISOR,the power performance of a pure electric vehicle is simulated and compared,and the differences between the two softwares,including simulation ideas,parameter settings and use methods are introduced in detail.The results show that although there are differences between the two simulation plat⁃forms,yet the differences between the simulation results obtained through deep research and setting are very small.Key words :CRUISE;ADVISOR;forward-facing and backward-facing simulation;power performance 随着新能源汽车技术的发展,用于新能源汽车研发的仿真分析软件种类不断丰富㊁功能不断完善,依据分析方法主要可以分为后向和前向两类㊂目前,应用比较普遍的后向仿真软件是美国可再生能源实验室的ADVISOR,前向仿真软件是AVL 公司的CRUISE㊂后向与前向仿真软件在仿真思路和建模方法上都存在较大的差异:后向仿真软件ADVISOR 基于SIMULINK 建立汽车模型,通过m 文件定义汽车参数,并首先从仿真工况需求出发沿能量传递的相反方向进行分析计算;前向仿真软件CRUSIE 基于模块化建模思想,通过部件模块定义部件类型和参数,并在驾驶员cockpit 模块或控制策略控制下跟随仿真工况㊂两平台下的汽车参数设置也有所差异,所以其仿真结果的一致性和准确性成为相关人员关心的重要问题㊂本文将以纯电动汽车的动力性能仿真分析为例,对比分析两软件下的动力性能仿真过程及结果㊂1　CRUISE 与ADVISOR 的建模对比参考ADVISOR 软件中自带的某型纯电动汽车,在两平台中建立模型的参数如下:整车整备质量1187kg,1迎风面积2.0379m 2,滚动阻力系数0.009,空气阻力系数0.19,质心高度400mm,车轮半径282mm,车轮转动惯量0.816kg ㊃m 2,前轴负荷55%,电池仿真初始SOC 值90%,电动机转动惯量0.0235kg ㊃m 2,电机额定功率62kW,固定挡变速器传动比5.3386,主减速器传动比1(ADVISOR 模型默认数值)㊂1.1　CRUISE 建模在CRUISE 中,可以通过不同模块的各种连接组合,方便快捷地建立各种结构类型的整车仿真模型,并应用于传统及新能源汽车的动力性㊁燃油经济性㊁排放性能和制动性能的仿真分析[1]㊂利用其智能驾驶员模块,可以准确地模拟驾驶员意图㊂利用其MATLAB 接口模块,可以开发测试复杂的整车或部件控制策略㊂各模块之间通过机械端口㊁信息端口㊁排气系统端口以及电器端口进行连接[2-4]㊂在CRUISE 中建立的纯电动汽车模型如图1所示㊂CRUISE 作为前向仿真软件,在运行仿真时,车辆在驾驶员或控制策略的控制下行驶,驾驶员或控制策略把汽车的有关信号与工况或控制策略的需求数值相比较,并对制动或动力系统做出相应操作或输出相应的控制信号,使车辆模型完成指定循环工况仿真㊂1.2　ADVISOR 建模与CRUISE 中通过表示不同车辆部件的模块组合来定义车辆类型的方式不同,在ADVISOR 中,建模时需首先在整车参数输入界面通过车辆定义文件选择汽车类型,然后通过部件数据文件选择电池㊁电机㊁变速器等部件的具体型号㊂整车和部件的参数通过修改相应的m 文件进行设置[5-6]㊂即ADVISOR 通过由SIMULINK 模型文件形式的仿真模块来实现整车仿真模型的建立㊂在ADVISOR 中建立的纯电动汽车顶层模型如图2所示㊂图1　CRUISE中的纯电动汽车模型图2　ADVISOR 中的纯电动汽车模型 与CRUISE 中从驾驶员开始的前向仿真不同,ADVISOR 作为一种运行在MATLAB 和SIMULINK 软件环境下的以后向仿真为主㊁前向仿真为辅的仿真软件,在仿真分析时,软件从所选的分析工况出发计算汽车的需求车速和牵引力,进而求得车轮处的需求转速和驱动力,然后依次求得主减速器输出端和变速器输出端的需求转速㊁转矩,从而得到对电动机(动力源)的转速㊁转矩需求,再加上电气附件负载后依次得到对功率总线和电池(能量存储装置)的功率需求㊂仿真信息沿后向路线和前向路线同时传递,并在后向路线中对部件的转速㊁转矩和功率需求最值进行限制[7-9]㊂所以,与CRUISE 不同,在ADVISOR 的模型中既没有驾驶员模块,也没有制动及加速踏板信号㊂综上,前向仿真软件CRUISE 与后向仿真软件ADVISOR 不仅在车辆模型建立方式上存在较大差异,其仿真分析思路也截然不同:CRUISE 通过驾驶员或控制策略对车辆部件的主动控制实现循环工况跟随,而ADVISOR 则通过循环工况反向计算其对车辆部件的动力需求,然后各部件依据需求进行被动输出响应㊂与此对应,两平台在动力性能仿真设置与结果2客　车　技　术　与　研　究 2018年4月获取处理方面也将存在一定的差异㊂1.3　参数设置方式对比基于前述CRUISE和ADVISOR的建模与仿真方式差异,两平台的车辆参数定义方式和统一设置方法也存在如下不同:1)轮胎滑移率㊂在ADVISOR车轮模型的后向路径中有轮胎滑移率的计算模块㊂该模块通过需求驱动力㊁驱动轴负荷及轮胎滑移力系数3个参数,查表得到对应的轮胎滑移率㊂然后由需求车速㊁车轮半径与轮胎滑移率求得需求的车轮转速㊂即ADVISOR 的车轮模型在后向路径里考虑车轮滑移率对需求转速的影响㊂CRUISE中限制轮胎最大纵向反力的轮胎最大滑移率修正系数是根据车轮实际运行状况求得的,且其驱动/制动时轮胎滑移率也是根据车轮实际运行状态求得的㊂车轮滑移率对仿真结果影响并不大,在一般仿真中均不予考虑㊂所以本文在两平台仿真时也不考虑驱动滑移率㊂2)车轮拖曳转矩损失㊂在ADVISOR的后向计算路径中,根据整车动力学模块传递的信息,车轮的需求转矩考虑了拖曳转矩损失与转动惯量的影响㊂而在CRUISE中,只有车轮转动惯量,没有车轮拖曳转矩损失(变速器有此参数)㊂所以需要把ADVISOR 的拖曳转矩损失设置为0,以统一参数㊂3)变速器机械摩擦损失㊂在ADVISOR的传动系m文件中,变速器机械摩擦损失效率是效率数组的形式㊂而CRUISE中的变速器㊁主减速器的机械摩擦损失可以通过转矩损失脉谱或单个确定的效率数值等多种形式来定义㊂但其损失脉谱是表格形式,与ADVISOR中的数组形式不同㊂通常可以通过转化数据形式来实现数据的统一㊂但在一般仿真中,变速器㊁主减速器等部件的效率可简化为某一固定数值,仅在精度要求高的仿真中采用台架实测数值作为MAP输入数据[10-11]㊂因此,在本文的仿真中将变速器和主减速器效率统一设置为98%㊂为此需在ADVISOR的变速器顶层模型中做如图3线框中所示的更改㊂图3　对ADVISOR变速器模型的修改2　动力性仿真对比动力性能是汽车各项性能中最重要㊁最基本的性能,可直接影响汽车的运输效率和驾驶体验㊂通常从最高车速㊁加速时间和最大爬坡度3个指标来评价汽车的动力性能[12]㊂因此,本文用CRUISE和ADVISOR分别仿真分析了上述纯电动汽车的0~100km/h加速时间㊁最大加速度㊁最高车速和最大爬坡度性能,并进行结果对比㊂在ADVISOR中需要对加速和爬坡分别进行分析,每次仿真完成后,都可在ADVISOR仿真结果界面查看结果曲线或在MATLAB工作空间查看各结果变量的具体数据㊂而在CRUISE中,由于可以添加多个仿真任务文件夹,所以可以通过运行一次仿真得到所有的动力性能结果㊂仿真完成后可将需要的结果数据复制到MATLAB工作空间进行分析处理㊂用两平台进行动力性仿真分析的结果对比如表1所示㊂加速过程中两平台电机工作状况如图4所示㊂表1　动力性指标仿真分析结果对比动力性指标ADVISOR结果CRUISE结果相差百分比百公里加速时间11.47s11.52s0.4%5km/h最大爬坡度32.26%32.52%0.8%最高车速159.3km/h159.0km/h0.2%最大加速度2.89m/s22.91m/s20.6%3　第2期 何安清,孙可华,沈利芳,等:基于CRUISE与ADVISOR前后向仿真软件的汽车动力性对比分析图4　电动机转速㊁转矩结果对比对于最大爬坡度的仿真,在ADVISOR中是计算某一给定车速下的最大爬坡度,即一次仿真可得一个与给定车速相对应的最大爬坡度数值㊂而在CRUISE 中,可以一次给出汽车在不同挡位㊁各个车速下的最大爬坡度曲线㊂本文中为便于对比两平台的仿真结果,在ADVISOR中进行了不同车速下的多次仿真,进而得到汽车在各车速下的最大爬坡度数值㊂从表1和图4可知,虽然两平台在参数定义与设置方式㊁仿真步长㊁建模及计算思路等方面有所不同,但所得电机工作状况基本一致㊁车辆爬坡性能和加速性能仿真结果差异很小㊂3　结束语本文基于常用的混合动力后向仿真软件ADVI⁃SOR与前向仿真软件CRUSIE,通过统一两个平台下的汽车参数,进行了某纯电动乘用车动力性能仿真对比㊂结果表明:1)ADVISOR与CRUSIE的建模思想和方式均不相同,所以二者的参数设置方式有所差异㊁仿真计算顺序相反㊂在工作量上,ADVISOR平台的模型搭建需要依据车辆动力学方程,因而工作量更大;CRUSIE 平台仅需实现部件间的相互连接,因而较为简单实用㊂在使用和理解的难度上,ADVISOR模型因与动力学方程一致,且简化较多㊁考虑因素较少,因而相对简单;CRUSIE平台考虑了仿真计算求解器类型㊁仿真步长㊁驾驶员PID参数可调等,因而难度稍大㊂2)虽然ADVISOR中的汽车是稳态模型,模型简单㊁步长较大㊁不能得到汽车的瞬态性能㊂但由于其采用了后向仿真为主前向仿真为辅的混合仿真方法,使最终动力性仿真结果具有较高的精度,与CRUISE 所得结果误差较小㊂3)在仿真分析中,若从模型搭建㊁参数设置的方便性和车辆结构直观性方面考虑,前向仿真软件CRUISE可为较佳选择;若从学习模型仿真计算方法和原理方面考虑,后向仿真软件ADVISOR可作为较佳选择㊂参考文献:[1]姜海斌,黄宏成.CRUISE纯电动车动力性能仿真及优化[J].机械与电子,2010,28(4):61-65.[2]曾小华,于永涛,王加雪,等.基于CRUISE软件的混合动力客车主动同步换档的建模与仿真[J].吉林大学学报(工学版),2008,38(5):1015-1019.[3]王庆年,于永涛,曾小华,等.基于CRUISE软件的混合动力汽车正向仿真平台的开发[J].吉林大学学报(工学版),2009,39(6):1413-1419.[4]王锐,何洪文.基于Cruise的整车动力性能仿真分析[J].车辆与动力技术,2009,31(2):24-26.[5]于永涛,曾小华,王庆年,等.混合动力汽车性能仿真软件的可用性仿真验证[J].系统仿真学报,2009,21(2):380-384.[6]曾小华,王庆年,李骏,等.基于ADVISOR2002混合动力汽车控制策略模块开发[J].汽车工程,2004,26(4):394-396.[7]曾小华,宫维钧.ADVISOR2002电动汽车仿真与再开发应用[M].北京:机械工业出版社,2014:185.[8]曾小华,王庆年,李胜,等.正向仿真模型与反向软件AD⁃VISOR的集成开发[J].汽车工程,2007,29(10):851-854.[9]张翔,赵韩,钱立军,等.ADVISOR软件的混合仿真方法[J].计算机仿真,2005,22(2):203-206. [10]汪学明.纯电动汽车传动系统参数优化的仿真研究[D].长春:吉林大学,2009.[11]张红,郑泽亮,孟国庆.某8m纯电动客车动力系统参数设计及仿真分析[J].客车技术与研究,2017,39(4):12-15.[12]高云.基于Advisor的纯电动汽车整车性能参数化分析[J].汽车工程师,2011,38(12):31-34.修改稿日期:2018-01-044客　车　技　术　与　研　究 2018年4月。

advisor目录ADVISOR的主要功能和特点ADVISOR的仿真策略ADVISOR(Advanced VehIcle SimulatOR,高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验室NREL(National RenewableEnergy Laboratory)在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件。

该软件从1994年11月份开始开发和使用,最初是用来帮助美国能源部DOE(DepartmentofEnergy)开发某混合动力汽车的动力系统,随后功能逐渐扩展,目前最新的正式版本ADVISOR2002可以对传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的各种性能作快速分析,是世界上能在网站上免费下载和用户数量最多的汽车仿真软件。

由于该软件通过大量的实践被证实具有较好的实用性,现在世界上许多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽车仿真方面的研究。

编辑本段ADVISOR的主要功能和特点ADVISOR是MATLAB和SIMULINK软件环境下的一系列模型、数据和脚本文件,它在给定的道路循环条件下利用车辆各部分参数,能快速地分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等各种性能。

此外,该软件的开放性也允许对用户自定义的汽车模型和仿真策略做仿真分析。

它主要有以下特点:(1)仿真模型采用模块化的思想设计。

ADVISOR软件分模块建立了发动机、离合器、变速器、主减速器、车轮和车轴等部件的仿真模型,各个模块都有标准的数据输入/输出端口,便于模块间进行数据传递,而且各总成模块都很容易扩充和修改,各模块也可以随意地组合使用,用户可以在现有模型的基础上根据需要对一些模块进行修改,然后重新组装需要的汽车模型,这样会大大节省建模时间,提高建模效率。

(2)仿真模型和源代码全部开放。

ADVISOR2002的仿真模型和源代码在全球范围内完全公开,可以在网站上免费下载。

用户可以方便地研究ADVISOR的仿真模型及其工作原理,在此基础上根据需要修改或重建部分仿真模型、调整或重新设计控制策略,使之更接近于实际情形,得出的仿真结果也会更合理。