王濤，王凱，林秋豐，莊宗憲，李志遠(yuǎn)

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071000； 2.河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000； 3.屏東科技大學(xué) 車(chē)輛工程系，臺(tái)灣 屏東 000912)

基于鍵合圖的混合動(dòng)力汽車(chē)建模與仿真

王濤1，王凱2，林秋豐3，莊宗憲3，李志遠(yuǎn)1

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071000； 2.河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000； 3.屏東科技大學(xué) 車(chē)輛工程系，臺(tái)灣 屏東 000912)

針對(duì)一套應(yīng)用逆向差速器作為動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)結(jié)合了電機(jī)低速性能佳、低噪音的優(yōu)點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能佳、能源供應(yīng)鏈完整的特點(diǎn)，依據(jù)車(chē)輛在不同行駛工況下的功率需求以及駕駛員的不同車(chē)速需求，規(guī)劃了混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理模式.本文重點(diǎn)分析了混動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)情形，采用功率鍵合圖方法進(jìn)行建模并推導(dǎo)其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程式，應(yīng)用Matab進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果顯示：依據(jù)BSFC將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置在最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速內(nèi)運(yùn)行，控制HEV各動(dòng)力組件的動(dòng)態(tài)參數(shù)在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行，逆向差速器動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)滿足車(chē)輛后輪需求功率，可實(shí)現(xiàn)低污染、低能耗的目標(biāo)；應(yīng)用功率鍵合圖方法可準(zhǔn)確地模擬車(chē)輛在NEDC2000行車(chē)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)/發(fā)電機(jī)的性能變化曲線，該方法在混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多能量耦合的動(dòng)態(tài)建模具有一定的優(yōu)勢(shì).

逆向差速器；混合車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)；鍵合圖；建模；仿真

目前，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇，混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)(HEV)的研究受到廣泛關(guān)注，現(xiàn)已成為各汽車(chē)廠家研發(fā)的重點(diǎn)產(chǎn)品.在HEV開(kāi)發(fā)過(guò)程中，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)占據(jù)重要地位，按照其結(jié)構(gòu)的布置，一般分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3類(lèi)[1].本文中選取的混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)為逆向式差速器動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)[2]，即將一般差速器逆向使用，實(shí)現(xiàn)雙輸入、單輸出，該系統(tǒng)結(jié)合了電機(jī)低速性能佳、低噪音的優(yōu)點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能佳、能源供應(yīng)鏈完整的特點(diǎn).在HEV動(dòng)態(tài)建模中，Butler等[3-5]先后推導(dǎo)了串聯(lián)式、并聯(lián)式HEV各動(dòng)力組件與變速器之間的動(dòng)態(tài)方程，并應(yīng)用Matlab/ Simulink建立了各組件的仿真模型，分析了系統(tǒng)動(dòng)力傳輸效率與燃油效率.2006年，Hoeijmakers[6]采用電控式無(wú)級(jí)變速器(ECVT)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，提高了燃油效率，并將該技術(shù)應(yīng)用在HEV上.

本研究將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)應(yīng)用逆向差速器、ECVT結(jié)構(gòu)的HEV進(jìn)行研究，應(yīng)用功率鍵合圖進(jìn)行建模，以仿真HEV混合動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)在混合驅(qū)動(dòng)模式下是否均在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行，以及對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性、燃油消耗與污染排放的影響.

1 逆向差速器耦合式HEV

本研究中，HEV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]，主要由動(dòng)力單元、電池與控制系統(tǒng)3部分組成，動(dòng)力單元包含發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、發(fā)電機(jī)、變速箱及基于逆向差速器的動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)，如圖2所示.變速箱選用ECVT，變速平順，易于控制，效率比自動(dòng)變速器高；兩動(dòng)力源經(jīng)逆向差速器耦合后與ECVT的輸入軸齒輪嚙合，動(dòng)力經(jīng)ECVT輸出后，再經(jīng)后橋差速器傳至兩后輪.

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)配置Fig.1 Structure of hybrid electric vehicle

圖2 逆向差速器動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意Fig.2 Power coupling mechanism of Inverse differential gearbox

針對(duì)車(chē)輛在不同行駛工況下所需的功率不同以及駕駛員對(duì)車(chē)速的不同需求，本文將發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)/發(fā)電機(jī)的動(dòng)力分配模式分為以下幾種情況：電機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)模式、混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式、混合運(yùn)轉(zhuǎn)充電模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)模式、制動(dòng)充電運(yùn)行模式[7].本文針對(duì)上述模式當(dāng)中的混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型的推導(dǎo).本文的電機(jī)/發(fā)電機(jī)為整體式，在電池SOC充足且低功率需求下電機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，電機(jī)輸出扭矩主要是調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以維持在最佳操作點(diǎn)下運(yùn)轉(zhuǎn).本文以日產(chǎn)March車(chē)型作為參考車(chē)輛，參數(shù)如表1所示.

表1 混合動(dòng)力汽車(chē)參數(shù)

2 基于鍵合圖的逆向差速器的混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)態(tài)模型的建立

在車(chē)輛低速情況下所需功率較小，電機(jī)單獨(dú)動(dòng)轉(zhuǎn)，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端為鎖止?fàn)顟B(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速V1為0.發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)輸出端為鎖止?fàn)顟B(tài)，因此，電機(jī)輸出端切線速度V2為0.

應(yīng)用鍵合圖法進(jìn)行建模，可清楚地表達(dá)整個(gè)系統(tǒng)能量流動(dòng)的方向[8-10]，因此，本文應(yīng)用功率鍵合圖對(duì)圖1所示的HEV在混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模.

2.1 混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式動(dòng)態(tài)模型

因電機(jī)端齒輪a的慣性矩Ja與阻尼力矩Ba遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，所以將Ja與Ba忽略不計(jì)，因?yàn)殡姍C(jī)端齒輪轉(zhuǎn)速na和電機(jī)端齒輪半徑r2位于同一根軸上，依據(jù)鍵合圖理論，將na和r22個(gè)Transfer合并，組成1個(gè)TF，得出整車(chē)在混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的功率鍵合圖[11-12]，如圖3所示.

圖3 混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的鍵合圖模型Fig.3 Bond graph model of coupling operation

2.2 混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程式

利用上面簡(jiǎn)化后的圖3鍵合圖模型，進(jìn)行推導(dǎo)，可得出混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程式.

車(chē)速與輪胎角速度的關(guān)系為

(1)

總的傳動(dòng)比為

G=GrGf.

(2)

發(fā)動(dòng)機(jī)角速度與后輪角速度的關(guān)系為

(3)

發(fā)動(dòng)機(jī)與后輪的角加速度分別為

(4)

(5)

其中，

對(duì)式(4)、式(5)進(jìn)行積分可得發(fā)動(dòng)機(jī)與后輪的轉(zhuǎn)速.

由后輪轉(zhuǎn)速可計(jì)算出逆向差速齒輪端的公轉(zhuǎn)角速度.

(6)

由發(fā)動(dòng)機(jī)角速度，可得電機(jī)/發(fā)電機(jī)端的輸出角速度，

(7)

圖3中，Se為勢(shì)源，I為慣性，R為阻力，TF為轉(zhuǎn)換器，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端扭矩，Tmg為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端扭矩，rs為逆向差速器中間2個(gè)齒輪的半徑，r1為發(fā)動(dòng)機(jī)端齒輪半徑，r2為電機(jī)端齒輪半徑，rw為輪胎半徑，ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)端角速度，ωa為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端齒輪角速度，ωidg為差速器端角速度，ωmg為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端角速度，ωs為差速器小齒輪角速度，ωw為輪胎角速度，Ba為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端齒輪阻尼力矩，Be為發(fā)動(dòng)機(jī)端阻尼力矩，Bmg為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端阻尼力矩，Bidg為差速器端阻尼力矩，Je為發(fā)動(dòng)機(jī)端慣性矩，Jmg為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端慣性矩，Ja為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端齒輪慣性矩，Jw為輪胎慣性矩，V2為電機(jī)端齒輪切線速度，rmg為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端齒輪半徑，Gf為電機(jī)/發(fā)電機(jī)端傳動(dòng)比，Gr為齒輪傳動(dòng)比，V1為發(fā)動(dòng)機(jī)端齒輪切線速度，u為車(chē)輛絕對(duì)速度，m為車(chē)輛質(zhì)量，θ為路面坡度，μ為滾動(dòng)阻力系數(shù)，W為車(chē)輛總重量，a為加速度，ρ為空氣密度，Cd為空氣阻力系數(shù)，A為車(chē)身前面投影面積.

3 混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的模擬結(jié)果

為達(dá)到低能耗、低污染的目標(biāo)，在發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，本文中設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度不變，以電機(jī)輸出扭矩調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端的負(fù)載，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，維持發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行，再通過(guò)控制CVT的減速比達(dá)到目標(biāo)車(chē)速.

發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的變換則依照不同的運(yùn)轉(zhuǎn)模式與道路負(fù)載需求進(jìn)行變化.在本文中，選定車(chē)輛從90 km/h到150 km/h區(qū)間內(nèi)進(jìn)行急加速，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的扭矩Te_d為84.38 Nm、轉(zhuǎn)速re_d為2 400 r/min、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度θe_d為72%.該工作點(diǎn)位于BSFC最小的范圍內(nèi)，不僅需求功率足夠，而且油耗與污染較低.由鍵合圖模型推導(dǎo)出的動(dòng)態(tài)方程式(1)-(6)，本文應(yīng)用Matlab對(duì)上述方程式進(jìn)行編程運(yùn)算，在NEDC2000的行車(chē)模式下進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4、5、6所示.

a.車(chē)速;b.理想功率、需求功率、實(shí)際輸出功率.圖4 車(chē)輛性能參數(shù)曲線Fig.4 Curve of vehicle performance parameter

圖4a為車(chē)速變化部分，由于實(shí)際輸出由零開(kāi)始，因此，開(kāi)始時(shí)需求功率較大,圖4b所示，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)峰值，當(dāng)速度接近穩(wěn)定時(shí)，需求功率相對(duì)地也趨于穩(wěn)定.在圖5中，在目標(biāo)功率一定情況下，因開(kāi)始時(shí)后輪轉(zhuǎn)速較小，故后輪目標(biāo)扭矩呈現(xiàn)最大值，然后，當(dāng)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定時(shí)，后輪目標(biāo)扭矩雖有增大但也是漸漸趨于穩(wěn)定.圖6中顯示，電機(jī)開(kāi)始時(shí)因受到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響，反向旋轉(zhuǎn)，故轉(zhuǎn)速為負(fù)值，此時(shí)輸出功率也為負(fù)值，即為發(fā)電機(jī)發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也逐漸轉(zhuǎn)為正值，通過(guò)不斷調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)在所設(shè)定的操作點(diǎn)上運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，在保證車(chē)輛動(dòng)力性的情況下，降低了燃油消耗及污染排放.燃油消耗及污染排放依據(jù)有效燃油消耗率BSFC( brake specific fuel consumption)的規(guī)定，可得出下列數(shù)據(jù)，如表2所示，并與車(chē)輛實(shí)際排放進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，該混合動(dòng)力系統(tǒng)在油耗上可改善約14%，污染約可改善3%～17%.

a.發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩;b.后輪目標(biāo)扭矩.圖5 車(chē)輛扭矩曲線圖Fig.5 Curve of vehicle and the rear wheel torque

a.電機(jī)實(shí)際輸出扭矩;b.電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速; c.電機(jī)實(shí)際輸出功率.圖6 電機(jī)性能參數(shù)曲線圖Fig.6 Curve of motor performance parameter

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與污染排放數(shù)值

4 結(jié)論

本文研究的混合動(dòng)力汽車(chē)采用逆向差速器作為動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)，將發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的動(dòng)力耦合后共同為ECVT提供動(dòng)力輸出.為實(shí)現(xiàn)低能耗、低污染的目標(biāo)，在混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)設(shè)置在最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速內(nèi)運(yùn)行.

應(yīng)用功率鍵合圖方法建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)模型的建模，得到了該模型的動(dòng)態(tài)方程式，仿真結(jié)果顯示：應(yīng)用逆向差速器動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)在滿足車(chē)輛后輪需求功率的情形下，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍下運(yùn)行時(shí)，HEV各動(dòng)力組件均能在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了低污染、低能耗的目標(biāo)；應(yīng)用功率鍵合圖方法可準(zhǔn)確地模擬車(chē)輛在NEDC2000行車(chē)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)/發(fā)電機(jī)的性能變化曲線，因此，該方法進(jìn)行混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多能量耦合的動(dòng)態(tài)建模具有一定的優(yōu)勢(shì).

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(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Model and simulation for hybrid electric vehicle based on bond graph

WANG Tao1, WANG Kai2, LIN Chiufeng3, CHUANG Tsunghsien3,LI Zhiyuan1

(1.School of Quality Technology Supervisor, Hebei University, Baoding 071000, China; 2.College of Mechanical and Equipment Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056000, China; 3.School of Engineering, Pingtung University of Science and Technology, Pingtung 000912, China)

In this paper, the hybrid system is studied based on an inverse differential gear power coupling mechanism, which combines the motor’s good performance at the low speed and low noise with the engine’s good performance at high-speed and energy supply chain integrity.According to power and speed demanded under different driving conditions, energy management modes of the hybrid system are planned.Hybrid cooperation power output mode is focused in this paper.The vehicle dynamics model of hybrid cooperation mode is built by power bond graph theory and its dynamic equations are derived.Then Matab is applied for programming and simulation.The simulation results show that the hybrid power system with an inverse differential gear power coupling mechanism is able to meet the need of the rear wheel output power and enhances the vehicle dynamic and reduces fuel consumption and pollution emissions, by fixing the engine in the current operating points to continue to run efficiently and controlling the dynamic parameters of the components of the entire hybrid system.Power bond graph method can accurately simulate the change performance curved lines of the vehicle engine and the motor/generator in NEDC2000 driving mode.Therefore, this method has a certain advantages for dynamic modeling of multiple energy coupling of the hybrid drive system.

inverse differential gearbox；hybrid electric vehicle；bond graph；model；simulation

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.04.014

2016-05-16

河北省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(13214412)；河北省教育廳高等學(xué)校青年基金項(xiàng)目(E2011206)；河北省人社廳留學(xué)人員科技活動(dòng)重點(diǎn)項(xiàng)目(2012121603)；河北大學(xué)青年教師基金項(xiàng)目(2010208；2011-42).

王濤(1982—)，男，山東泰安人，河北大學(xué)副教授，博士，主要從事新能源汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究. E-mail: taowangustbntu@sohu.com

林秋豐(1964—),男，臺(tái)灣屏東人，“國(guó)立”屏東科技大學(xué)教授，博士，主要從事混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)研究. E-mail: chiufeng@mail.npust.edu.tw

U461

A

1000-1565(2017)04-0419-07