仿真匹配

仿真匹配（精选7篇）

仿真匹配 篇1

0 引言

在汽车工业快速发展的同时, 节能和环保越来越成为汽车研究的重点。为提高汽车的燃油经济性, 降低排放, 人们普遍采用混合动力技术来改变现有的内燃机汽车。以电能作为储存方式, 即混合动力电动汽车是目前国内外研究的热点。本文介绍的是一种适用于城市公交车的混合动力电动汽车。

城市公交客车的运行特点是起动、制动频繁, 怠速时间长, 平均行驶速度较低。传统的单轴并联式混合动力公交客车能量回收效率低, 且动力性一般[1]。文献[2]中介绍的混联式混合动力公交客车是基于变速器一挡耦合的, 驱动电机和发动机通过齿轮耦合机构在变速箱Ⅱ轴上进行动力耦合, 这样会影响整车总体效率, 且结构布置比较复杂。文献[3,4,5,6]介绍了并联混合动力车的参数匹配和设计方法, 没有涉及对混联式混合动力车的参数匹配。本文提出了一种混合动力大客车的结构方案, 在这种结构方案中, ISG电机与发动机曲轴相连, 可以快速反拖启动发动机, 避免怠速工况, 同时还能调节发动机的工作点, 使发动机在最优工作区间内运行, 驱动电机由于没有耦合机构, 制动能量回收效率更高。本文以常用的公交车作为原型, 对动力参数进行了匹配研究和仿真[2]。

1 ISG混合动力车的特点及设计目标

1.1 动力系统结构特点

ISG混合动力车的结构方案如图1所示, 由发动机、ISG电机、驱动电机、蓄电池和变速器等动力装置组成, 该方案有两个电机, ISG电机 (电机1) 的功率较小, 驱动电机 (电机2) 的功率较大。

这种ISG混合动力方案有以下优点:

(1) 怠速停机, 快速启动。当汽车停车时, 发动机立即停止喷油, 即发动机没有怠速工况;当汽车起步时, 电机把发动机快速拖动到怠速转速以上, 然后再喷油点火。

(2) 减速断油及制动能量回收。汽车减速行驶时, 当车速降低到一定程度后, 发动机停止喷油, 并进行能量回收, 且由于驱动电机无耦合机构, 在制动能量回收时, 效率更高。

(3) 为起步以及大负荷时提供助力。在起步、加速以及爬坡等大负荷工况时, ISG电机、驱动电机与发动机一起提供转矩, 满足发动机转矩不足以及大负荷转矩的需求, 达到行驶工况, 保证发动机在最优工作区间运行。

(4) 高效发电。在电池SOC值较低时, 可由发动机利用停车时间或在满足行驶要求以外提供额外转矩驱动ISG电机发电, 满足辅助设备用电要求。

以上各个功能的实现, 均需要通过对各离合器以及电机工作状态进行控制。

1.2 设计目标

混合动力电动大客车主要在市区运行, 少量在郊区和城间运行, 并且要求车载蓄电池组无需从外界电源充电, 属于“充电-保持型”。基于考察广州市公交车辆的行驶运营要求, 同时参考国家863电动汽车专项提出的性能指标, 确定ISG混合动力大客车的基本动力性、经济性和排放性指标, 整车主要设计指标如表1所示。

2 动力总成参数设计

混合动力传动系统参数的初步匹配主要依据车辆的动力性能要求, 针对具体的混合动力传动结构来计算动力总成所需的总功率需求, 最大转矩需求, 发动机、变速器、电机等机械特性要求, 以及蓄电池组电压和容量要求等。目标车整车基本参数如表2所示。

2.1 动力总成匹配参照工况的选择

目前世界上所有的循环工况主要被分为三组[7]:美国行驶循环工况、欧洲行驶循环工况和日本行驶循环工况。国内内燃机重型车的试验排放标准一般采用欧洲标准[8], 欧Ⅱ标准的测试工况为R49, 欧Ⅲ、欧Ⅳ的标准测试工况为ETC (Europe Transit Cycle) 。虽然欧洲标准中没有专门提出测试混合动力重型车的试验工况, 但ETC作为一个整车性能评价工况, 代表性极强, 非常适合用来对国内大客车进行整车性能研究。由于本文的研究对象是混合动力大客车, 因此选择ETC城市工况作为混合动力车动力总成匹配参照工况。

2.2 动力总成功率及最大转矩需求

本部分将参照表1和表2中的参数, 依据汽车理论, 按照逆向仿真法, 以ETC城市工况作为参照工况, 估算整车的总功率需求、最大转矩需求。

汽车行驶方程式为

$F{}_{\text{t}}=mgf\cos \alpha +mg\sin \alpha +\delta m\frac{\text{d}u}{\text{d}t}+\frac{C{}_{\text{D}}Au{}^2}{21.15}(1)$

式中, m为汽车质量;α为爬坡度;du/dt为加速度;CD为风阻系数;A为迎风面积;δ为汽车旋转质量换算系数;u为车速。

车辆需求的转矩与驱动力的关系为

$F{}_{\text{t}}=\frac{{\rm T}{}_{\text{t}\text{q}}i{}_{\text{g}}i{}_0\eta {}_{\text{Τ}}}{r}(2)$

式中, Ttq为车辆需求转矩;ig为变速比;i0为主减速比;ηT为传动系的效率;r为车轮半径。

汽车功率关系为

Pwh=PICE+PISG+Pm2=PICE+PBat (3)

${\rm P}{}_{\text{w}\text{h}}=\frac{F{}_{\text{t}}u}{3600}(4)$

式中, Pwh为车辆需求的功率;PICE为发动机提供的功率;PISG为ISG提供的功率;Pm2为驱动电机提供的功率;PBat为蓄电池提供的功率。

在MATLAB/Simulink开发平台上, 以ETC城市工况作为参照工况, 搭建如图2所示的混联混合动力整车行驶模型。图3所示为在ETC工况下, 按上述整车行驶模型的仿真结果。从图3可以看出, ETC工况下最大功率需求为165.7kW, 车轮最大转矩需求为9742N·m。

2.3 发动机参数

根据ISG混合动力系统的功能要求, 发动机是主要的动力源, 驱动电机和ISG电机是辅助动力源, 由此可以确定三者的功率参数匹配原则:发动机至少需要满足汽车在平坦路面上以最高车速行驶的功率需求, 加速和爬坡所需的额外功率则由驱动电机和ISG电机提供补充。

发动机功率需满足的条件:为维持电池系统SOC平衡, 整个循环工况的平均功率Pcyc_ave小于发动机的功率;发动机功率满足车辆巡航的要求[4,5];发动机需要提供一定的爬坡能力, 这样在爬坡的过程中能够减小对电池和电机的依赖程度[6];变速箱在最高挡位时, 发动机最高转速对应的车速大于最高车速;考虑混合度对燃油经济性和动力性的影响[9]。

为满足上述条件, 经过估算, 本文选择一款外特性曲线如图4所示的发动机为目标发动机。图中曲线是根据实验测得的数据, 在MATLAB中拟合得到的。

(a) (b)

由图4可知, 该发动机的最大功率为119kW (3000r/min) , 最大扭矩为400N·m (2500r/min) 。

2.4 驱动电机参数

主驱动电机需要满足的条件[2]:驱动电机、ISG电机和发动机功率之和应该大于最大驱动功率;驱动电机与发动机动力复合后, 满足车辆起步加速性能要求;能够在纯电动工况下提供驱动功率;根据不同的控制策略和纯电动动力性能的要求, 可以适当地调整驱动电机的功率需求;制动时能最大限度地回收能量。

ISG混合动力汽车在行驶时没有纯电动工况, 驱动电机与发动机相比, 功率较小。一般来说, 随着电机功率的增大, 汽车的经济性随之提高, 但是随着驱动电机功率的增大, 所需的电池组数目也必须增多, 这样不但增加了整车重量, 而且增加了整车制造成本。驱动电机功率取值应在满足整车节能目标的前提下, 从经济性和制造成本两方面均衡考虑。

综合考虑, 电机的驱动功率应满足:

Pm2+PISG+PICE≥Pcyc_max (5)

$\frac{1}{3.6}{\displaystyle \int }{}_0^{50}\frac{\delta m}{F{}_{\text{t}}-F{}_{\text{f}}-F{}_{\text{w}}}\text{d}u\le 20(6)$

其中, 汽车旋转质量换算系数δ取1.2。

经过计算选定的驱动电机的参数如表3所示。

2.5 ISG电机参数

ISG电机需要满足的条件:ISG电机的发电工作点应尽量在发动机的经济工作区域内;同时, ISG电机能够最大程度地回收发动机提供的多余能量, 给蓄电池充电, 因此ISG电机的功率不宜选得过小。

确定ISG电机参数时还需要考虑以下几个因素:在汽车加速和爬坡时ISG电机提供助力, 确保发动机启动, 与发动机转速匹配和电池充放电匹配。具体来说, ISG系统要求电机能够短时间 (一般不超过0.4s) 启动发动机点火, 因此, 要求电机必须要有较大的启动转矩以克服发动机启动的阻力矩;功率补偿要求汽车在加速或爬坡需要大功率时, ISG电机能够提供一部分功率, 弥补发动机的功率不足, 电机峰值功率也是需要确定的参数之一;另外, 由于ISG电机需要与发动机在同轴上耦合, 电机转速也需要与发动机匹配。ISG电机参数如表3所示。

2.6 蓄电池组参数的初步确定

蓄电池组参数主要是指电压等级、容量、SOC的应用范围[10]。为了确保系统可靠地运行, 蓄电池电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致。由于可供本文选择的电机逆变器IGBT最高能承受的电压不超过600V, 且一般动力电池组的电压变化范围在其额定电压的-35%～25%范围内, 同时考虑重量匹配和布置空间等多种因素, 本文选定的动力电池组采用串联结构, 额定电压为384V, 单个电池模块的电压为12V, 所需总电池模块数为N=384/12=32。

2.7 主减速比的设计

发动机转速与车辆行驶速度之间的关系为

$u{}_{\text{a}}=0.377\frac{rn}{i{}_{\text{g}}i{}_0}(7)$

式中, n为发动机转速。

根据设计指标, 车辆最高行驶速度须大于90km/h, 此时发动机运行在最高转速附近。另外, 由于车辆在低速时由电动机单独驱动, 为了保证电动机驱动到发动机驱动的过渡顺畅, 过渡时电动机转速必须高于发动机启动转速[1]。

2.8 最大传动比的设计

变速器各挡的传动比大体上是按等比级数分配的, 为此先确定最大传动比, 亦即Ⅰ挡的传动比ig1与主减速器传动比i0的乘积。当主减速比i0确定时, 也就是确定变速器Ⅰ挡的传动比。

最大传动比的确定需要考虑三个方面的问题:最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速。即满足:

$i{}_{\text{g}1}\ge \frac{G(f\text{c}\text{o}\text{s}\alpha {}_{\max }+\sin \alpha {}_{\max })r}{{\rm T}{}_{\text{t}\text{q}\text{m}\text{a}\text{x}}i{}_0\eta {}_{\text{Τ}}}(8)$

表3中给出了该混联式混合动力客车动力系统各零部件的参数。

3 仿真分析

混联式混合动力汽车的控制策略较为复杂, 制定的控制策略不同会影响仿真结果[9,10,11], 本文的蓄电池的荷电状态需要维持在一个区间范围内, 属于充电保持型, 而最终的能源来自于发动机, 故本文是以发动机区间优化法为控制策略, 其基本思路如下:

(1) 整车需求功率在发动机优化区间内时, 发动机单独工作;

(2) 整车需求功率大于发动机最大功率时, 驱动电机提供助力;

(3) 整车需求功率低于发动机最小功率时, 驱动电机单独工作, 发动机关闭;

(4) 整车需求功率不在发动机最优区间内时, 可以通过给蓄电池充电或者放电, 来使发动机回到最优工作区间内;

(5) 当SOC低于设定最低值时, 发动机提供多余的能量给蓄电池充电;

(6) 制动时, 驱动电机处于发电状态, 回收能量, 给蓄电池充电。

3.1 动力性评价

动力性的评价指标为最高车速、加速时间和最大爬坡度。

图5a、图5b分别为汽车驱动力与行驶阻力平衡图和驱动电机以40kW功率辅助时的爬坡图。

由图3a可知, 混合动力汽车最高车速能达到90km/h, 驱动电机40kW助力时最大爬坡度能达到20%以上, 通过仿真计算得到0～50km/h的加速时间为15.08s。

3.2 燃油经济性评价

本文蓄电池荷电状态维持在一定区间内, 属于电量保持型, 而维持蓄电池平衡的动力来源于发动机, 故经济性的评价需考虑发动机的油耗和蓄电池电能消耗之和。

电池组的平均瞬时等效油耗$\dot{m}{}_{\text{b}}({\rm T}{}_{\text{m}},\omega {}_{\text{m}})$为ISG电机和电机2对电池组的补充或消耗的平均等效油耗的综合。

ISG电机的瞬时等效燃油消耗为

$\dot{m}{}_{\text{b}1}({\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}},\omega {}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}})=\{\begin{array}{l}\frac{\overline{b}{}_{\text{f}\text{e}}{\rm P}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}({\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}},\omega {}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}})}{3600\overline{\eta }{}_{\text{d}\text{i}\text{s}}\overline{\eta }{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}}{\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}\ge 0(\text{电}\text{动})\\ \frac{\overline{b}{}_{\text{f}\text{e}}{\rm P}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}({\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}},\omega {}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}})\overline{\eta }{}_{\text{c}\text{h}\text{g}}}{3600}{\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}\le 0(\text{发}\text{电})\end{array}(9)$

电机2的瞬时等效油耗为

$\dot{m}{}_{\text{b}2}({\rm T}{}_{\text{m}2},\omega {}_{\text{m}2})=\{\begin{array}{l}\frac{\overline{b}{}_{\text{f}\text{e}}{\rm P}{}_{\text{m}2}({\rm T}{}_{\text{m}2},\omega {}_{\text{m}2})}{3600\overline{\eta }{}_{\text{d}\text{i}\text{s}}\overline{\eta }{}_{\text{m}2}}{\rm T}{}_{\text{m}2}\ge 0(\text{电}\text{动})\\ \begin{array}{l}\overline{b}{}_{\text{f}\text{e}}{\rm P}{}_{\text{m}2}({\rm T}{}_{\text{m}2},\omega {}_{\text{m}2})\overline{\eta }{}_{\text{c}\text{h}\text{g}}\\ 3600\end{array}{\rm T}{}_{\text{m}2}\le 0(\text{发}\text{电})\end{array}(10)$

式中, $\overline{\eta }{}_{\text{c}\text{h}\text{g}}$、$\overline{\eta }{}_{\text{d}\text{i}\text{s}}$分别为电池组充电、放电平均效率;$\overline{\eta }{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}$、$\overline{\eta }{}_{\text{m}2}$分别为ISG电机和驱动电机平均效率;PISG (TISG, ωISG) 、Pm2 (Tm2, ωm2) 分别为ISG电机、驱动电机输出功率;bef为虚拟油-电转换平均比油耗率, 取值为384g/ (kw·h) [12]。

本文在MATLAB/Simulink下建立如图6所示的发动机性能仿真模型。主要输入为发动机转矩、转速需求, 可通过发动机外特性和万有特性模块计算输出:发动机实际输出的功率、转矩以及消耗的燃油量等。

在MATLAB/Simulink下建立的电机性能仿真模型如图7所示。电机输出功率的计算是根据当前的电机转矩需求和实际输出转速, 通过电机模型计算出电机可提供的电动功率, 再和蓄电池可提供的功率进行比较, 取最小值。

另外本文还建立了如图8所示的蓄电池SOC计算仿真模型。输入量为电机 (蓄电池) 充入或消耗的电能、蓄电池SOC的初始值, 通过积分计算, 输出为当前时刻的SOC值。如果蓄电池SOC小于0.2 (蓄电池过放电) , 则停止仿真。

依据上面的三个模型, 在ETC工况下, 仿真时间为600s, 能够得出以下仿真结果:混合动力汽车的油耗为24.21L/100km, 而原车的油耗为33.94L/100km, 混合动力汽车燃油经济性比原车节约28.67%, 其相应的发动机的工作点、驱动电机的工作点和SOC的变化如图9、图10、图11所示。

从图9～图11中可以看出, 发动机大都工作在最优区间内, 所以燃油消耗较低, 少数落在最优区间外;驱动电机的工作效率大都在80%左右, 且工作在驱动状态, 这使得蓄电池的SOC波动比较小, 总体的趋势是下降的, 从蓄电池输出的功率可以看出驱动电机消耗的电能比ISG提供的电能要多, 这种方案及对应的控制策略能满足整车的性能需求。

4 结束语

本文提出了一种混联式驱动方案, 利用仿真模型得出了在ETC工况下动力总成的功率和扭矩需求, 并对动力总成各零部件的参数进行了初步设计, 在MATLAB/Simulink环境下建立了基于发动机优化区间工作模式的控制策略仿真模型, 仿真结果表明动力总成各零部件的参数匹配能满足整车性能的要求。基于发动机优化区间工作模式的控制策略能使整车性能较传统同功率下客车的性能有着不同程度的提高。同时发动机的工作点大都落在最优区间内, 驱动电机的工作效率较高, 蓄电池的SOC变化较小。本文仅是基于发动机区间优化, 还没有考虑电机区间的优化, 接下来的进一步工作是综合考虑三个动力元件的区间优化。

参考文献

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煤矿纯电动车动力匹配与仿真 篇2

为了缓解矿下机动车排放引起的井下环境污染问题和日益严重的能源短缺问题,迫切需要发展矿下纯电动汽车。相比于柴油机无轨胶轮车,纯电动车有零排放,噪声小,能耗低且不消耗井下的氧气等优点。

目前动力系统的匹配、调试时间较长,给研究工作带来很大的不便。而通过计算机仿真技术进行动力系统的匹配计算可以为研发汽车动力系统提供实际工况的仿真分析,能够很好的预测各种条件下的系统性能,从而可以在样车制作之前调整设计方案,合理的优化参数,降低研发费用,缩短研发周期[1]。本文依托某煤矿纯电动汽车的研发项目,对其动力传动系统的电机、变速器、电池等参数进行匹配,利用cruise仿真平台建立矿下纯电动汽车模型并进行仿真研究。

1、总体方案设计

通过改装一款民用车,将传动系统置换为电传动系统,将其改造成一款蓄电池前置,电动机后置的纯电动汽车。改装后的汽车动力系统以电控单元为控制核心,以蓄电池、充电系统、能源管理系统作为能源子系统,电动机、变速器、主减速器以及差速器为驱动子系统,两根半轴连接驱动车轮。考虑到矿下的道路条件和使用要求,为了提高爬坡性能,该结构保留了离合器和变速器。电动汽车的总体布置如图1所示。

2、电机、传动比和电池模型

2.1 电机模型[2]

选择电机的额定功率时,应保证电动汽车以预期最高车速行驶时消耗的功率不大于电机的额定功率,计算额定功率的模型为:

电动汽车以某一速度v爬上一定坡度所消耗的功率应小于所选电机的最大功率,即:

式中,M为汽车重量,Kg;g为重力加速度,m/s2;vmax为最高车速,km/h;

F为滚动阻力系数;CD为空气阻力系数:Af为迎风面积,m2;i为爬坡度;η为传动系统效率。

电机输出转矩模型:

式中,f为空气密度;v为车速,km/h;α为坡度:vw为车辆运行方向上的风速分量;rd为车轮有效半径,m。

2.2 传动系速比模型

传动系速比必须满足最大车速的需求和最大爬坡度的需求:

式中,Fimax为最大坡度时的阻力,N:Mimax为电机最大转矩,N/m:rd为车轮半径,m。

车辆沿直线方向行驶时,车辆行驶动力学模型为[3]:

式中Ft为驱动力,N;Ff为滚动阻力,N;Fi为坡度阻力,N;Fw为空气阻力,N;Fj为加速阻力,N。

由转矩和行驶阻力矩平衡图确定最高车速时的传动比,如图2所示:

2.3 动力电池模型

电池参数的选择主要考虑续驶里程的需求,由续驶里程得到的电池参数的模型:

式中,S为电动汽车的最大续驶里程,km;P为汽车行驶时的功率,kw;t为目标行驶里程所需时间,s。

3、设计和仿真实例

3.1 整车主要技术参数

在建立车辆模型前需要确定整车性能需求,并以此为目标参照设计计算整车动力系统参数:

由于矿下坡道距离较长,几百米的长距离坡道很多,并且要求矿下机动车能爬14°的坡道,而且由于矿下路面不做硬化处理,滚动阻力系数较大[4],对车辆的动力性和续驶里程性能提出了更高的要求,所以保留二级变速器来同时满足车辆的爬坡性能与最高速度和续驶里程的要求。动力电池目前用在电动车的动力电池主要有MH-Ni电池、铅酸电池、锂离子电池、燃料电池等。近两年锂离子电池是动力电池的主要发展热点,与其他几种动力电池相比,具有更高的比能量和比功率,寿命长且环保[5]。因此本文选择用磷酸铁锂蓄电池作为电动车的动力电池。根据所给的设计要求,计算得出电机参数、传动比和蓄电池参数如表2所示。

3.2 模型的建立

Cruise软件是用于计算车辆动力性、经济性、制动与排放的专业仿真软件,已经成功实现了商品化。该软件采用可视的模块化建模,可以仿真内燃机、纯电动和混合动力汽车。Cruise可以计算不同行驶工况下的动力性、经济性、加速特性、燃油经济性、爬坡性能、整车制动性能,还可用于集中载荷计算和传动系扭转振动计算[6]。

根据前面所设计的参数在Cruise中对矿下纯电动汽车进行整车建模,需要设置车辆的原始数据,各个模块的具体参数,机械传递用蓝色线条连接,电路关系用红线连接,并且将总线上的控制信号进行分配,整车模型如下:

3.3 仿真结果与分析

模型建立好之后,设定不同的仿真任务,包括最高行驶速度、最大爬坡度、等速行驶的续驶里程和实际工况下的续驶里程。对整车进行性能仿真,下图为最大爬坡度的仿真结果:

从图中可以看到,车速在4km/h-16km/h时,满载最大爬坡度为26.6%,设计要求的满载最大爬坡度为25%,满足设计要求。

最高车速仿真结果:

如图中所示,最高车速达到46.5km/h,满足设计要求。

在水平路面以30km/h的速度匀速行驶工况时,仿真最大续驶里程,结果如下图:

从上图的仿真结果可知,匀速行驶工况最大续驶里程为78.9km,满足设计要求。

由于煤矿巷道实际路况是有上坡下坡和水平路面,为了使仿真结果更加接近实际,本文根据某矿井实际路况来设计路况模型,三种路况各占总路程的1/3,上坡角度为7°,路况模型如下图:

实际工况下续驶里程仿真结果为:

可以看到实际路况时,续驶里程为50.5km,而矿井的实际长度为20km,来回为40km,满足工程实际需求。

道路试验结果:

经第三方道路实车试验验证,该车满足满载最大爬坡度为25%的设计要求,且最高车速大于40km/h,续驶里程达到78km,均满足设计要求,且验证了仿真的准确性。

4、结束语

(1)通过Cruise软件对整车进行建模与仿真,且经过实车验证,结果满足设计要求。

(2)利用计算机仿真技术对设计车型的动力系统进行仿真分析,在产品开发早期起到预测调整的作用,减少实车试验次数,降低成本并缩短研发周期。

(3) Cruise软件为汽车设计开发提供了一个完善而强大的系统分析环境,仿真结果简单易读,具有广阔的应用前景。

摘要：针对煤矿下纯电动汽车的动力传动系统参数匹配展开建模与仿真的研究工作,爬坡性和续驶里程是矿下车辆最基本、最重要的性能。对民用车进行改装,沿用其主减速器,并匹配二级变速器。利用Cruise仿真平台搭建纯电动汽车模型并在实际路况下进行仿真分析,与实车试验相对比,验证了仿真的准确性。

关键词：纯电动车,Cruise,参数匹配,仿真

参考文献

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[5]王贵明,王金懿.电动汽车及其性能优化[M].北京:机械工业出版社,2010.

仿真匹配 篇3

传统发动机冷却系统的设计匹配由于试验条件限制及设计周期影响往往是根据经验公式及相似计算等设计物理样机。通过多次改进、制作样机进行试验对比,是一种定性的匹配方法。这种方法开发周期比较漫长,试验费用也较为昂贵。

目前,随着技术的发展。冷却系统匹配可通过一维软件如预先计算分析。通过修改冷却系统元件的相关参数,软件基于流体传热学理论可实现对其性能的估算。但是,一维软件不能兼顾冷却介质流动的均匀性问题及与之带来的外流场的阻力问题,往往给匹配带来较大的误差,使之不能更好地应用。三维计算流体软件可以细致的考虑到冷却介质的均匀性问题。因此,结合了一维和三维的计算工具,通过三维软件对发动机机舱流场进行分析。将均匀性的数据并入一维软件中进行联合计算。便可以提高匹配的准确性。本文通过对某款车型冷却系统的设计匹配并结合试验验证,说明了结合一维和三维软件进行冷却系统匹配的优越性。

2、仿真数据采集

2.1 整车相关数据

2.1.1 运行工况参数(见表1)

2.1.2 发动机机舱空气动力学特性

发动机机舱空气动力学特性不仅与整车空气阻力相关,而且直接影响冷却系统的性能。例如增大进气格栅面积会提高进气量,提升冷却系统性能:其次较为顺畅的机舱流道,其阻力一般较小,也可以提高气流量,提升冷却性能。一般情况下,机舱空气动力学特性可通过汽车风洞试验测得;但在新车型开发前期不具备实体模型的情况下也可通过三维CFD流场分析获得。

通过三维软件对发动机机舱的流场分析,得出了在整车两工况下的机舱进口压力损失系数、机舱流道阻力特性、换热器的速度分布等(见表2发动机机舱CFD分析结果及图3发动机机舱压阻曲线),并将其作为一维软件的输入。这样可使计算结果更符合实际效果。

2.1.3 冷却系统部件布置及参数

冷却系统散热器为纵流式结构;中冷器为横流式结构;风扇采用环形9叶塑料风扇,曲轴直连;各部件参数见表3。

发动机为4缸增压中冷式柴油发动机,技术参数见表4。

2.2 发动机相关数据

根据GB/T1147.2中小内燃机试验方法在柴油机试验台架对发动机进行热平衡试验。试验测得扭矩点和功率点中冷系统及水冷系统的散热量、进口压力、流量数据(如表5及表6所列)并将其输入KULI软件中的CF元件及CA元件。发动机对冷却系统匹配也提出了相关的评价见表5及表6相关项。

2.3 零部件相关数据

根据QC/T 907-2013汽车散热器散热性能试验方法对本冷却系统散热器进行单体性能试验并将试验结果输入一维软件中的Radiator元件,得到其性能如图4所示。

根据QC/T 828-2010汽车空-空中冷器技术条件对本冷却系统中冷器进行单体性能试验并将试验结果输入一维软件中的CAC元件,得到其性能如图5所示。

根据JB/T 6723.2-2008塑料冷却风扇技术条件对本冷却系统中冷器进行单体性能试验并将试验结果输入一维软件中的M Fan元件,得出其性能如图6所示。

3、仿真分析及试验验证

根据车型冷却系统的空间布置尺寸在一维软件里建立分析模型(见图7)。将发动机机舱CFD分析结论中的机舱进口压力损失系数及机舱流道阻力特性结果并输入CP value元件和Built-in resistance元件。将CFD分析的换热器的速度分布矩阵加入Blocks元件模拟气流均匀性问题。通过Air Resistance元件模拟空调散热及压降特性。

针对整车运行的两工况点进行仿真计算,得出了散热器进、出水温度及内部压降;中冷器的进、出气温度及内部压降,以及风扇的静压、消耗功率、静压效率等,结果见表7。

为了验证一维-三维联合分析的准确性及适用性。结合前期的仿真模拟分析,按照国标GB/T12542-2009对试制样车在转鼓试验室进行整车热平衡试验。试验时在散热器及中冷器上布置了温度传感器、压力传感器共计24个测点,使用多通道采集仪实时采集。试验结果见表7。

4、对比评价

通过对比仿真分析的结果和整车热平衡试验的结果(见图8及图9)可发现在布点数据及相关指标值基本吻合,其中除环境温度为不可控因素外,散热器的进水温度与出水温度的仿真值在功率点扭矩点均高于试验值1.6%和1.7%;中冷器进气温度与中冷器出气温度的仿真值在功率点扭矩点均低于试验值3.2%和6.7%;散热器内部阻力的仿真值在功率点和扭矩点均低于试验值2.1%和1.9%;进气温升的仿真值在功率点和扭矩点均低于试验值3.2℃和2.3℃。并且各项性能指标如冷却常数、中冷散热效率均满足发动机冷却系统匹配要求。

仿真和试验的对比说明了运用一维三维联合分析的方法对冷却系统的两工况的预测精确度接近试验验证结果,可以满足工程设计的要求。

5、结论

通过一维-三维联合分析方法快速对冷却系统匹配进行计算,兼顾了具体车型冷却介质流动的均匀性问题,可使结果更加精确。缩短了开发的时间,降低开发成本,提高设计的成功率,特别适用于新车型的开发。

由于试验条件限制,本文只进行了两工况点的验证,并且冷却能力有所富裕。后期可通过精确的系统模型,对发动机的外特性全工况点进行匹配分析验证并对系统零部件进行改进优化。

摘要：由于一维软件不能兼顾冷却介质流动的均匀性等问题,往往给匹配带来较大的误差。本文采用一维-三维联合仿真的方法对冷却系统匹配进行了详细分析,并进行两工况的整车转鼓热平衡试验验证。分析结果表明仿真分析结果与试验结果相吻合。采用此方法可以缩短了开发的时间,降低开发成本,提高设计的成功率,特别适用于新车型的开发。

关键词：冷却系统,一维-三维联合仿真,热平衡试验

参考文献

[1]梁小波,袁侠义、谷正气等.运用一维/三维联合仿真的汽车热管理分析.汽车工程,2010,32[9].

[2]袁侠义,谷正气,等.汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J].汽车工程,2009,31(9).

仿真匹配 篇4

滤波器包括模拟滤波器和数字滤波器, 数字滤波器包括有限长单位冲激响应FIR滤波器和无限长单位冲激响应IIR滤波器。FIR滤波器包括低通滤波器 (LOW PASS) 、带通滤波器 (BAND PASS) 、高通滤波器 (HIGHPASS) 、带阻滤波器 (BAND REJECT) 。滤波器是将希望的频率通过, 滤除不希望的频率。模拟滤波器设计得很成熟, 但是由于模拟信号传输的差错率较高, 所以目前好点的滤波器都是用数字滤波器实现的。在信号传输时, 我们首先将信号变成高频的频带信号, 有用信号在频带信号中传输, 在接收端进行解调信号, 在解调的同时就需要用到滤波器, 滤去干扰的频率成分。这样在设计滤波器的截至频率就很关键了, 一个好的滤波器可以让信号接收得更加准确, 让干扰的成分降到最低。

所以我们在设计一个通信系统的时候, 通信质量优劣在很大因素上取决于接收系统的性能。信号的可靠性和准确性需要有一个对噪声和不理想的信道特性做一个比较好的设计, 否则将对信号的传输起到制约作用, 从而影响信号的接收。

2匹配滤波器的设计

该匹配滤波器采用了System View作为仿真软件, 利用了信号源的调制和解调, 通过信号的观察点进行比较, 来发现信号是可靠性传输的[1], 图1为设计电路图。

仿真步骤和相关参数设计如下:

1) 根据频匹配滤波器设计原理, 用System View软件建立仿真电路。

2) 元件参数的配置。

3) 系统运行时间的设置:运行时间设置为0.5 s;采样频率设置为1 000 Hz。

4) 运行系统:在系统窗内运行系统后, 观察分析Token5, 6, 17点的波形。

5) 功率谱:根据运行结果观察功率谱。

Token 0为信号源, Token 1也为信号源, 但是Token 1经过了反相器Token 20, 然后将Token 0和Token20的输出进入一个加法器, 加法器在信号观察点Token 5中查看。Token 2的输出端连接至乘法器Token 4中, 引入的另一端乘法为正弦波Token 9。乘法器Token 4的输出分两条路, 上支路和下支路。上支路先经过一个乘法运算乘法器Token 7, 信号的乘法端为余弦波Token 10, 乘法的结果进入积分器乘法器Token 12, 乘法器Token 12的输出端连接至乘法器Token 14, 乘法信号的另一端为余弦波乘法器Token18。下支路先经过一个乘法运算乘法器Token 8, 信号的乘法端为正弦波Token 9, 乘法的结果进入积分器乘法器Token 13, 乘法器Token 13的输出端连接至乘法器Token 15, 乘法信号的另一端为正弦波乘法器Token 19。乘法器Token 14和乘法器Token 15的输出连接至加法器Token 16, 加法器Token 16的输出端连接至信号观察点加法器Token17。

从上图可以得出匹配滤波器的表达式:

3仿真结果分析

从仿真结果可以看出, 如图2所示, 该滤波器的设计较好, 可以比较清楚看出接收信号, 干扰比较小。

匹配滤波器上支路和下支路比较对称, 上支路主要由余弦波进行信号的调制, 下支路主要由正弦波进行信号的调制。在作积分运算后, 再用相同频率的正弦和余弦进行解调, 这样的输出端就可以看到我们希望得到的频率信号。频率信号由正弦波和余弦波的频率进行调整, 只要我们在一个合理的信号频率间就可以得到我们的原始信号[2]。所以说这样匹配滤波器的设计可以比较好地控制所需要的频率输出, 在实际生活中可以得到较广泛的应用。

参考文献

[1]范延滨.小波理论算法与滤波器组[M].北京:科学出版社, 2011.

仿真匹配 篇5

随着我国经济和旅游业的飞速发展, 我国观光车行业得到了巨大的发展。在观光车行业迅速发展的过程中, 也暴露出了许多问题, 企业的规模较小, 研发设计团队不足, 导致企业的生命周期比较短暂, 产品多以模仿为主, 造成了市场上同质化的竞争, 企业多以价值战打压对手, 占领市场, 部分企业的产品蒙混过关, 对客户的人身安全造成了巨大的隐患。

目前, 国内电动观光车典型成熟的产品结构多为玻璃钢车身覆盖件, 载客人数为14座, 前轮转向, 后轮直流电机驱动, 弹簧减震和独立悬挂, 前轮碟刹、后轮鼓刹制动方式, 行车制动为四轮制动方式。车辆从结构功能角度主要可以分为两个部分:电气系统和机械系统, 其中机械系统中动力总成是电动观光车的心脏, 电动机是唯一动力元件, 电动机的选择将直接影响电动汽车的最高车速、加速性能和爬坡性能, 因此在电动观光车的设计初期, 电动机的选择至关重要。

2 电动观光车设计实例的主要参数和设计要求

3 动力系统参数匹配实例

3.1 驱动电机的选配

电动机的动力性能匹配是至关重要的, 将直接影响到日后的使用性能。电动机的性能参数比较多, 文章认为对于电动观光车驱动电机的选择, 最重要的参数为额定功率、额定转速、最大转速、最大扭矩。在电动机的动力性匹配上, 参数确定应该遵循以下几个原则。

(1) 电动观光车的常规车速应落在电机的基频上。

(2) 用电动机的短时工作性能曲线计算车辆的最大爬坡度。

(3) 电动车的最大爬坡的短时工作电流应不超过电机5min工作电流。

(4) 电动观光车最高车速功率平衡点应落在电机连续工作性能曲线的的等功率段上。

3.1.1 驱动电机的功率

以最高车速确定电机的额定功率:

式中:PN:电机额定功率, kwηT:传动系效率

m:最大车重, kg f:滚动摩擦系数

CD:风阻系数A:车辆迎风面积, m2

umax:最高运行车速, km/h

求得:PN≥3.8kw, 考虑爬坡要求, 过载系数取1.2, 因此PN实≥4.6kw。

3.1.2 驱动电机的额定转速

以常规车速确定车辆的额定转速:最大转矩应该满足电动观光车设计的最大爬坡度:

公式中:nN:为电机额定转速, r/min ig:变速箱传动比

i0:主减速比uN:常规车速为20km/h r:滚动半径, m

求得:nN≥2454 (r/min)

3.1.3驱动电机的最大转矩

最大转矩应该满足电动观光车设计的最大爬坡度:

公式中:ɑm为设计的最大爬坡度, ui为爬坡时的车速。

求得:Tmax≥63.08 (N·m)

3.1.4 车辆行驶的最大速度对应驱动电机的转速

公式中:np:最大速度对应转速;umax为最高转速。

求得:np=3436 (r/min) 。

3.2 确定电机的参数

根据以上的计算结果初步选择电机的基本参数:额定转速/最高转速 (r/min) :2500/5000, 额定功率 (kw) :5, 最大扭矩 (N·m) :65。

4 动力系统的仿真

图1为在matlab/simulink环境下建立的数学模型。动力性数学模型为:

建模过程中对电动机扭矩 (T) 和转速 (n) 进行拟合, 通过公式 (5) 进行simulink仿真建模, 如图1, 由图2显示仿真后的车速为28.89km/h。

5等速工况下续驶里程的计算

续驶里程的提高文章认为主要有三个影响因素, 见表2续驶里程影响因素对比表。

目前, 行业内电动观光车所用电池多为铅酸蓄电池, 针对14座电动观光车行业内通常的配置为72v/210Ah, 每节电池为6V/210Ah, 12节串联, 主流提高续驶里程的措施仅限于提高电池的容量, 少许企业采用锂电池或者太阳能辅助充电, 但是由于成本的提高, 行业的推广效果甚微。文章认为最重要的措施就是电动机的选择和匹配尤为重要的。直流电机在额定工况下的电机效率和其他工况下的效率差别很大, 因此电动观光车常规行驶速度应限定在电机的额定工况范围内, 这样才能充分利用有限的能量, 这样工作电流小, 能量传递效率高。

电动观光车续驶里程依据标准GB/T 21268, 以最大安全匀速行驶在水泥路面上行驶。考虑到安全文章设定安全速度为20km/h, 驱动电机输出功率为Pm。

公式求得Pm=2.61 (kw)

式中:ncell:动力蓄电池数S:续驶里程, km Cbat:电池容量, Ah

Ucell:单体电池工作电压, 6.7ηdis:动力电池允许的放电深度, 0.8

计算求得:S=103.5 (km)

此时的续驶里程S为仅考虑电机保持匀速行驶的情况, 如果在实际运行使用, 考虑直流电机的高效率区间短, 使用中灯光和仪表的使用, 续驶里程会大幅度的减小, 建议行业中将续驶里程的设计值为70km较为合理。

6 结束语

电动观光车所用电机要求大扭矩、低转速, 这一方面是区别与电动汽车的, 殊途同归两者都面临一个共同的问题:续驶里程的提高, 相比较电动汽车措施更强, 可以选用更加高性能的锂电池, 电池管理系统优化管理提高车辆的续驶里程, 电动观光车的方式也更单一, 因此本文推荐, 电机的选择除了应该遵循文章3.1的电机选原则的同时, 电机和后桥采用直连的方式可以减轻整车重量, 车辆的常用速度应在电机高效率区间运行, 可以帮助车辆提高性能。

参考文献

[1]查鸿山.纯电动汽车动力匹配计算与仿真[J].中山大学学报 (自然科学版) , 2010, 49 (5) :47-51.

[2]李国良.电动汽车续驶里程的影响因素[J].吉林工业大学自然科学学报, 2000, 30 (3) :20-24.

仿真匹配 篇6

增程式纯电动车Range-Extended是目前比较流行的一种纯电动汽车形式,即将上市的通用公司研制的Volt是其中的代表,如图1所示,这样一种混合动力方式主要由小功率的发动机、发电机、动力电池和大功率的驱动电动机组成,如图2所示。其中车辆直接由大功率电机驱动,在驱动电机和主减速器之间可以根据需要增加变速器,通常的选择是一个两级减速器;动力电池为驱动电机提供能量,发动机与发电机机械连接,发动机通过发电机给动力电池补充能量。车辆在只使用电池能量的情况下,可以满足城市居民日常出行的需要,晚上再通过市电电源给电池充电;而在需要长途行驶时候使用发电机给动力电池补充能量,在加油站中给油箱加油,延长行驶里程,满足长距离行驶的需求[1,2,3]。

AVL公司开发的用于进行车辆仿真和传动模拟的软件Cruise是研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性的软件。灵活的模块化理念使得Cruise可以进行任意结构形式的建模和仿真。它可用于汽车开发过程中的动力传动系的匹配,也可以用于开发和优化混合动力车和电动汽车。Cruise可以计算整车经济性、动力性、混合动力部件参数等,总的说来,Cruise属于前向式仿真软件,相对于Advisor等后向式仿真软件,前向式仿真软件的仿真更接近实际,可进行控制策略的开发,后向式仿真软件适于进行整车性能预测和部件选型。Cruise入手快,功能强大,仿真度高,综上所述,结合仿真平台建设所要实现的功能,选择Cruise作为仿真平台软件[4,5,6,7]。

2 匹配依据

本文通过Cruise软件建立增程式混合动力汽车模型,在满足设计目标的情况下,对部件参数进行匹配。

以某款装载1.6TS发动机的整车性能指标以及对标车的整车性能指标为依据,对Range-Extended的混合动力部件进行选型匹配,匹配的依据如下。

(1)动力性能达到或接近装载1.6TS发动机动力性能指标。

根据资料,装载1.6TS发动机的车辆性能:最大车速为190km/h,0~100km/h加速时间为13.5s,最大爬坡度为40°。

(2)参考对标车(Volt)的性能指标,如表1所示。

根据上述参考依据,决定采用的Range-Extended车型初步设计目标为:

(1)最大车速不低于160km/h;

(2)0~100km/h加速时间不低于12s;

(3)最大爬坡度不低于40°;

(4)续驶里程(在DOD为0.7时):

城市工况>60km;

90km/h巡航里程>60km。

3 模型描述

Cruise提供了一种图形化的交互环境,用户可以在己有的模块箱主要包括汽车、离合器、变速箱、发动机、电池、电机、控制器、特殊模块、轮胎等中选取合适的模块拖放到Cruise的工作区,便能迅速地建立系统框图,根据研究的需要添加相应的控制模块,并正确连接数据总线建立各模块之间的联接,包括机械连接、电气连接,便可很快得到系统模型。用户能方便地修改动力传动系的配置,所以用它来对动力传动系统建模将是一件非常轻松的事情。各个模块的仿真参数的设置可以通过Cruise的参数设置窗口来完成,对一些特性复杂的模块(如电动机),可以在参数设置窗口通过编辑图表曲线建立曲线图来实现参数设置。

如图3所示,Range-Extended混动方案的Cruise模型由车辆组件、发动机组件、电机组件、电池组件、减速器组件、离合器组件、变速箱组件、主减速器组件、轮胎组件等组成。

4 分析过程

4.1 驱动电机峰值功率初步匹配

根据1.6TS发动机前驱动轴各档的驱动力矩,用一条虚拟的电机外特性曲线进行包络。该包络线仅大致包络了各档驱动转矩的最大转矩。该包络线的拐点对应的驱动轴扭矩2030N·m,在包络线的拐点驱动轴转速为400r/min,对应的功率为85k W。

4.2 驱动电机功率调整、基转速选择、主减速器速比选择

考虑到实际的驱动电机的最高转速初定为12000r/min、最大车速170km/h,选择主减速器速比,同时使得电动机输出特性曲线保证优越的低速动力性能。最后得到的主电机参数为:

峰值功率:85kW;基转速:3200r/min;额定转矩:253N·m。

主减速器速比为8。

4.3 电池容量匹配

按照以90km/h匀速巡航,电池SOC变化为70%DOD放电深度,使得plug-in续驶里程65km的要求,根据下式估算电池所需能量:

式中,F为行驶阻力;S为续驶里程数;ηT、ηmc、ηq分别为传动系、电机、电池效率。

根据计算得到EB=17.15k W·h。初定电池单体电压为3.2~3.5V的100个电池单体串联,取工作电压当SOC为80%时候,电池电压为334V,电池容量为17.15k W·h/334V≈50A·h。

5 Cruise仿真计算

5.1 仿真参数来源

使用上述匹配参数作为Cruise模型的输入,电动机的特性参数取Advisor相同功率资料,发电机采用Advisor上一款31k W的电机数据、发动机采用本Advisor上的一款1.0发动机数据。由于Range-Extended取消了主发动机、离合器、变速器等部件,增加了电动机、发电机、小功率发动机、电池及管理系统和变频控制系统、导致整车质量发生了变化。

5.2 控制策略

为了使得Range-Extended混动车达到比较低的使用成本以及节能的目的,在整车控制策略上使用电能作为优先的能量来源,工作模式分成四种状况,纯电动运行、发动机经济运行、发动机高负荷运行和回馈制动。整车运行时候主要工作在纯电动运行状态,整车控制器监控发动机电池的SOC值和主电机功率,当SOC值降到0.3之下时候启动发动机和发电机给电池提供能量,这时候发动机和电机系统工作在经济工况点;如果发动机的输出功率高于设定的值时候,发动机和电机系统工作在高负荷工况点。经过计算发动机的工作点如表2所示。当车辆制动时候,Range-Extended仿真模型采用并联制动能量回收系统,电机回收部分制动能量。

5.3 纯电动行驶里程

在Cruise仿真环境下,让Range-Extended模型在UDC、EUDC、NEDC工况下运行,同时为了使得在运行工况过程中整车工作在纯电动模式,修改控制策略,使得发动机和电机不工作,获得每个工况运行结束后电池能量变化量,通过公式(1)可以计算出总的纯电动行驶里程。

其中:Spe为纯电动行驶里程;S为每个工况下行驶里程;ΔSOC为每个工况运行后SOC变化量。

仿真得出plug-in模型纯电动特性如表3所示。

按照电费0.6元每度电折算成使用成本,则有:

UDC:10.3元/100km;

EUDC:10.8元/100km;

NEDC:10.7元/100km。

5.4 增程行驶里程

在Cruise仿真环境下,修改控制策略,让电池的SOC初始值为0.35并且在狭窄的0.4~0.3范围变化,当低于0.3时候,发动机启动,带动发电机给电动机和电池提供能量,当SOC高于0.4时候关闭。其他的控制参数和整车参数不变。通过让Range-Extend模型车在NEDC工况下运行一个循环,从而可以确定出Plug-in在NEDC循环下的所能达到的增程里程。如表4所示。

按照电费5.8RMB/L折算成使用成本为:

NEDC:44.5元/100km。

6 仿真结果

根据上述仿真计算,可以得到如下Range-Extended初步匹配结果。

(1)主要部件匹配结果如表5所示。

(2)Range-Extended整车特性如表6所示。

7 结论

Cruise仿真软件在对混合动力汽车匹配和仿真方面具有快速和准确的优势。本文在分析Range-Extended纯电动汽车工作原理的基础上,利用Cruise仿真软件建立整车模型,在满足整车目标值的情况下,匹配出各个关键零部件的性能参数。这些分析结果可以为后续Range-Extended纯电动汽车项目的展开提供参考。

参考文献

[1]金辉,葛安林,陈慧岩.汽车自动变速技术的新发展[J].汽车技术,2007(2):1-4.

[2]胡骅,宋慧.电动汽车[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]万钢,许倞.电动汽车重大科技专项的管理创新与实践[J].中国机电工业,2002(21):5-9.

[4]曹秉刚,张传伟,白志峰,等.电动汽车技术进展和发展趋势[J].西安交通大学学报,2004,38(1):1-5.

[5]赵国柱,杨正林.串联式混合动力城市汽车控制策略的技术现状与发展[J].拖拉机与农用运输车,2005(5):4-7.

[6]汤蕴,史乃.电机学[M].北京:机械工业出版社,2005.

仿真匹配 篇7

1 速率匹配算法

1.1 速率匹配的整体流程

在LTE系统中，基于Turbo编码的速率匹配过程如图1所示。该过程主要包括子块交织、比特收集、比特选择和修剪[4]。

1.2 子块交织

经过Turbo编码后的三路比特流为d(i)0,d(i)1,d(i)2,…,d(i)D-1,i=0,1,2。其中D为每路总的比特数目。子块交织器是一个列数为32的矩阵,即CTCsubblock=32。RTCsubblock是矩阵的行数。通过公式ND=(RTCsubblock×CTCsubblock-D)计算出填充比特的个数。其中填充比特yk=〈NULL〉,k=0,1,…,ND-1。先将填充比特写入到交织矩阵中,再将输入的比特流d(i)0,d(i)1,d(i)2,…,d(i)D-1写入交织矩阵yND+k=d(i)k,k=0,1,

1.3 比特收集和修剪

子块交织的输出比特流存入虚拟循环缓冲，规则如下：

其中KΠ=(RTCsubblock×CTCsubblock)，RTCsubblock是满足公式D≤(RTCsubblock×CTCsubblock)的最小整数。设E表示第r个码块的速率匹配输出序列长度，令G′=G/(NL·Qm)。其中，G表示用于传输编码比特的总数目。令γ=G′mod C。如果r≤C-γ-1，则E=NL·Qm·骔G′/C」;如果r≥C-γ-1，则E=NL·Qm·「G′/C骎。再通过公式计算出从虚拟循环缓冲器中取数据的起始位置。在数据输出时，判断当前的数据是否是填充比特，如果是则跳过，否则输出，直到数据个数等于E为止。

2 速率匹配在FPGA中的实现

2.1 整体流程

图2是LTE系统中PUSCH信道基于Turbo编码的速率匹配实现的整体流程图。整个流程图包括5个部分：2个子块交织模块、1个乒乓前控制模块、1个乒乓后控制模块和1个比特修剪模块。

2.2 乒乓前控制模块的FPGA实现

数据经过Turbo编码器后分3路暂存在3个RAM中。当速率匹配模块中的使能信号Rate_Match_En拉高时，所有的模块开始工作。如果乒乓前控制模块的启动信号Control_Start为高电平并且接收到的码块个数是偶数，则子块交织A模块的启动信号Interleavera_Start拉高，此时子块交织A就会读取外部RAM中的数据，进行子块交织;否则子块交织B模块的启动信号Interleaverb_Start拉高，子块交织B会从外部RAM中读取数据，进行子块交织。从而实现了乒乓操作。

2.3 子块交织的FPGA实现

以子块交织A模块为例。当子块交织A的启动信号拉高时，子块交织A模块会从外部RAM中读取数据。首先读取第1路数据。第1路数据读取完毕后立即读取第2路数据和第3路数据。第2路数据放在偶数位置，第3路数据放在奇数位置。在Turbo编码模块中，输出的数据已经加入了填充比特。为了区别填充比特和数据信息，输入数据的位宽占2 bit，填充比特用3来表示。子块交织输出的数据仍然占2 bit的位宽，只有在比特修剪模块后，数据才按照1 bit的位宽表示。在子块交织的FPGA实现过程中，将外部RAM模拟成一个交织矩阵。交织矩阵的每一个元素对应RAM的每一个地址，每一个元素的具体内容对应于RAM的每一个数据。在程序中，第1路数据与第2路数据的交织方法一样，用变量F_Matrix_Column、S_Matrix_Column、T_Matrix_Column表示3个交织矩阵的列;用变量F_Matrix_Row、S_Matrix_Row、T_Matrix_Row表示3个交织矩阵的行。以读取第1路数据为例，因为是行写入列读出，所以行变量F_Matrix_Row每个时钟要自加1，直到行变量取到RTCsubblock-1时归零，同时列变量F_Matrix_Column按照表1所示进行列交织。

将变化后的F_Matrix_Row输入到乘法器中与列数32相乘，所得结果加上列变量F_Matrix_Column将在下一个时钟赋值给RAM的地址，读取相应的数据，依次进行32次循环，可取出所有的数据。而第3路数据可以转化成表2的方式进行交织。

按表2进行交织以后，将RAM交织矩阵中最后一列的第1个地址中的数据放到该列的最后一个地址中，将剩下的数依次向上移一个地址即可。

2.4 乒乓后控制模块的FPGA实现

在子块交织A和子块交织B开始工作时，乒乓后控制模块也已经开始工作。当子块交织A的启动信号Interleavera_Start拉高时，乒乓后控制模块会将子块交织A输入的数据传输给比特修剪模块;反之，则会将子块交织B输入的数据传输给比特修剪模块。

2.5 比特修剪模块的FPGA实现

在比特修剪模块中，一个码块的数据进行子块交织后会缓存在一个RAM中。此方法可以阻止在输入数据少于输出数据需要重发操作时由于数据丢失而引起的传输错误。本程序中进行了乒乓操作，但由于输入数据速率小于输出数据的速率，所以乒乓操作不能做到无缝隙地进行，输入的码块之间会有一定的间隔。而为了将码块之间的间隔限制在最小范围，将表示速率匹配输出序列长度的变量E和表示取数起始位置的变量Ko输出给Turbo编码模块，可使码块之间的间隔限制在最小。在比特修剪时，设置一个计数器变量counter，初始值设置为零。当RAM中缓存的数据大于Ko时，可以从RAM中读取数据，若该数据是填充比特，则跳过，计数器counter不变;否则，计数器counter自加1，同时输出数据。直到计数器counter的值等于E时，读取数据完毕。等待下一个码块子块交织后输入的数据。

3 FPGA实现结果分析

图3和图4分别是PUSCH信道子块交织的ModelSim仿真图形和FPGA实现图。本程序的时钟频率是200 MHz。Virtex-6芯片做为测试平台。程序中DataOfInterleaverb和DataOfInterleaverb是PUSCH信道子块交织的输出数据和标志位，A_Matrix_Row和A_Matrix_Column分别表示交织矩阵的行和列，A_addrb是RAM交织矩阵的地址。由于交织矩阵的列数有32个，所以每次输出数据的地址就要加32，以实现列读出。变量A_Matrix_Row取到矩阵的最后一行后，又重新取下一列的第一行，直到32列全部取完为止。从PUSCH信道交织的仿真图和FPGA实现图可以看出，仿真结果与FPGA实现结果一致，因此FPGA能够准确地实现PUSCH信道的子块交织功能。

图5和图6分别是PUSCH信道比特修剪的ModelSim仿真图形和FPGA实现图。从图形中可知，仿真结果与板级验证的结果一致，FPGA能够稳定、准确地实现比特修剪的功能。

子块交织和比特修剪的Verilog[5]程序已经通过了Xilinx ISE 13.4[6]的编译、仿真、板级验证和联机测试。结果表明，运用FPGA来实现速率匹配算法能够满足LTE系统对速率匹配的速度要求，同时也能够充分发挥FP-GA并行操作的优越性。在此基础上，引用乒乓操作的方法，在不消耗更多资源的情况下，进一步缩短了速率匹配的处理时间，为整体系统的快速运行提供了基本的速度保障。由于该算法的FPGA实现在联机测试中，性能稳定，故已在TD_LTE射频一致性项目中得到应用。

摘要：速率匹配是LTE系统中重要的组成部分。在详细分析3GPP协议中Turbo编码速率匹配算法的基础上,给出了一种基于FPGA的速率匹配实现方案。该方案通过乒乓操作以减少速率匹配的处理延时;并以Virtex-6芯片为平台,完成了仿真、综合、板级验证等工作。结果表明,基于该方案的速率匹配算法能够明显地缩小处理延迟。

关键词：FPGA实现,速率匹配,兵乓操作,Virtex-6

参考文献

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[2]Ma Chixiang,Lin Ping.Efficient implementation of ratematching for LTE Turbo codes[C].The 2nd InternationalConference on Future Computer and Communication(ICFCC2010),2010:704-708.

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[5]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.