鄭竹安，蔣偉康，呂紅明，熊 新

(1.鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 江蘇 鹽城 240051；2.上海交通大學(xué) 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240)

在新車型的研制與開發(fā)環(huán)節(jié)中，汽車制造與試驗成本一直是汽車產(chǎn)業(yè)所要考慮的問題，而用軟件建模與仿真能有效地降低制造成本與縮短開發(fā)周期[1-2]。目前，混合動力汽車(hybrid electrical vehicle，HEV)的仿真分析方法主要有前向仿真和后向仿真兩種[3]。前向仿真通過模擬駕駛員的行為，調(diào)節(jié)汽車各個部件，產(chǎn)生所需的扭矩，沿著驅(qū)動系統(tǒng)傳至目標(biāo)車輪，該方法主要在控制系統(tǒng)的設(shè)計方面應(yīng)用較多；后向仿真主要通過輸入目標(biāo)的車速，計算出驅(qū)動系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)速、扭矩等，在整車性能分析方面應(yīng)用較多[4]。本文采用后一種方法。混合動力汽車按動力傳遞路線或動力驅(qū)動的聯(lián)結(jié)方式分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式[5]。其中并聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機和發(fā)電機都是動力總成，兩大動力總成的功率可以互相疊加輸出，也可以單獨輸出，其在能源轉(zhuǎn)換效率、行駛性能和技術(shù)復(fù)雜程度等屬于適中水平，故本文選用此動力系統(tǒng)聯(lián)結(jié)方式。HEV可在Simulink軟件中模擬不同的循環(huán)工況，對汽車整車性能分析比較，有利于工程師對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行更好的優(yōu)化，使整車性能更具優(yōu)勢[6]。混合動力汽車動力學(xué)模型包括機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，三大系統(tǒng)通過CAN總線連接并實現(xiàn)信號共享，使建模仿真時信息反饋及時、準(zhǔn)確[7]。

1 機械系統(tǒng)模型

機械系統(tǒng)模型主要包括整車模型、理想的電機模型、發(fā)動機模型以及簡單的電池模型。同樣，系統(tǒng)的各模塊采用CAN總線連接。每個子系統(tǒng)模型的輸入信號、輸出信號、影響因素等均可從模型中反映出來。

1.1 發(fā)動機模型

1.1.1 發(fā)動機的選用原則

混合動力汽車省油的原因在于它的發(fā)動機可維持處在最佳工作區(qū)域，且排放性能較好[8]。采用實驗獲取發(fā)動機的實驗性能數(shù)據(jù)是常用手段，如圖1所示。目前數(shù)值建模法較為常見，雖然數(shù)值建模法的求解過程復(fù)雜，但是精度高。

圖1 發(fā)動機特性

1.1.2 發(fā)動機模型特點

本文采用數(shù)值建模法，PS-Simulink轉(zhuǎn)換器模塊能將信號從模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量。發(fā)動機扭矩和速度放在發(fā)動機的CAN總線上，發(fā)動機扭矩將根據(jù)節(jié)氣門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時控制器會向電機發(fā)送相反的扭矩請求，以使發(fā)動機能保持恒定的期望速度。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速太大時，電機會增加反向扭矩,而當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速太小時，電機會降低反向扭矩。整個模型的輸入量為發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，輸出量為燃油消耗量與燃油消耗率。燃油消耗量根據(jù)實驗數(shù)據(jù)查表計算獲得。發(fā)動機模型如圖2所示。

圖2 發(fā)動機模型

1.2 整車模型

1.2.1 建模原則

汽車在行駛過程中，當(dāng)需要較大驅(qū)動力時，電機和發(fā)動機共同配合，提供足夠的力矩克服阻力。整車模型通常輸入的信號有制動踏板開度、空氣阻力和道路坡度等，輸出的信號通常有汽車車速、加速度和汽車行駛距離等。建模時應(yīng)考慮汽車行駛驅(qū)動力與行駛阻力平衡(式(1))，然后考慮發(fā)動機、電機、車輪等是否與驅(qū)動系統(tǒng)相連接，從而精確地確定轉(zhuǎn)動慣量，使整車模型更好地符合實際情況[9]。

Ft=Fi+Ff+Fw+Fj

(1)

式中：Ft為驅(qū)動力；Fi為坡道阻力；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fj為加速阻力。

1.2.2 整車模型的特點

整車模型主要包括車身、魔術(shù)輪胎、齒輪箱等，接受電機MGA提供的轉(zhuǎn)矩。整車部分參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

整車質(zhì)量/kg 輪胎半徑/m傳動比轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m-2)1 2000.521 500

初始車速經(jīng)CAN總線傳到控制系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)的控制策略計算汽車行駛過程中的行駛阻力等來確定最終需要控制的車速。整車模型如圖3所示。

圖3 整車模型

1.3 電機模型

1.3.1 電機的選擇原則

在整個循環(huán)過程中，電機有能量轉(zhuǎn)換，電能與機械能相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足時，電機提供輔助的轉(zhuǎn)矩；而當(dāng)汽車緩慢停車或者降低車速時，電機能夠?qū)⒉糠謩幽苻D(zhuǎn)化為電能，儲存在電池中，這便是混合動力汽車中的關(guān)鍵技術(shù)——再生制動[10]。

電機選擇應(yīng)考慮電機的起動轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍、效率和后備功率等。永磁電機轉(zhuǎn)換效率較高。其中，永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩大，控制簡單高效；而永磁同步電動機輸出轉(zhuǎn)矩較為平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲小。本文選擇永磁無刷直流電機，考慮到永磁直流電機材料比較特殊，對溫度敏感，其輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都會受到溫度影響，而且電機工作時會產(chǎn)生振動和磨損，這些都會造成能量損失，所以建模時考慮增加一個增益模塊，這個增益模塊通常小于1，使建立的模型更符合混合動力汽車實際情況。

同時，當(dāng)電機處于最大功率時，需滿足循環(huán)工況峰值轉(zhuǎn)矩要求；當(dāng)緊急制動時，再生制動功率需滿足制動要求。電機功率占整車所需的功率越大，燃油經(jīng)濟性越好。

1.3.2 電機的各模塊的功能

電機轉(zhuǎn)速計算和反饋模塊如圖4所示。電機期望轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩通過中間計算模塊，經(jīng)控制系統(tǒng)反饋后得出電機轉(zhuǎn)速。

利用電機特性圖，建立電機轉(zhuǎn)換效率模型，如圖5所示。由電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與電池電壓確定機械功率和電功率。從電池汲取的電力與電機功率和機械效率有關(guān)。電機所需的電流等于電機功率除以電池電壓。當(dāng)汽車加速時，電機輔助發(fā)動機進(jìn)行加速；當(dāng)制動時，滿足安全的情況下，電機將動能轉(zhuǎn)化為電能并儲存在電池中。

電機特征：① 恒轉(zhuǎn)矩輸出；② 無轉(zhuǎn)速限制；③ 無需輸入電流。電機能夠給汽車模塊提供額外轉(zhuǎn)矩，模塊如圖6所示。

圖4 電機轉(zhuǎn)速計算與反饋模塊

圖5 電機效率模型

圖6 電機模型

1.4 電池模型

1.4.1 電池基本參數(shù)

電池容量通常是蓄電能力的反映。當(dāng)容量越大時，汽車的蓄電量越大，汽車的續(xù)駛里程也會變大，但當(dāng)電池容量過大時，整車也會變重，影響動力性及經(jīng)濟性[11-12]。因此應(yīng)綜合考慮電池的容量，故選為8.5 A·h。

確定電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)時，應(yīng)先保證安全性，既不能出現(xiàn)過充問題，也不要出現(xiàn)過放現(xiàn)象，所以電池SOC一般都選在中間區(qū)域。其次，為了再生制動能量多一些，選取SOC范圍時，應(yīng)考慮其是否能夠滿足電機的峰值充電的要求，而且當(dāng)電池SOC越大時，電池的使用壽命越短。相同的電池SOC區(qū)間，但電池充放電深度 (depth of discharge，DOD)不同時，電池的壽命也會不同。綜合考慮，本文SOC選取0.6～0.7。

確定電池電流電壓時，汽車的靜態(tài)電流需考慮。汽車上的電子設(shè)備、車載網(wǎng)絡(luò)等靜態(tài)電流的流逝會使蓄電池的儲存能量越來越少，最終電機無法啟動。本文電池的開路電壓設(shè)為336 V，電池的電壓由開路電壓以及內(nèi)阻電壓兩部分組成，內(nèi)阻電壓則由電池內(nèi)阻與電池電流決定。

1.4.2 電池主要模塊功能

電池模型根據(jù)信號總線的要求可計算電池的 SOC值、電壓及電流等。

電流模型計算電池電流，考慮兩個電機電流，防止過充和過放現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 電流模型

電壓模型計算電池電壓，如圖8所示。由電池SOC值可計算電池的開路電壓以及內(nèi)阻電壓，內(nèi)阻電壓為電池電流及內(nèi)阻之積。

圖8 電壓模型

SOC模型可計算電池SOC，得到荷電狀態(tài)SOC的近似值，以此確定電池的剩余電量，如圖9所示。

圖9 電池SOC模型

根據(jù)以上電池主要模塊，即可組成電池模型，如圖10所示。

圖10 電池模型

電池的充放電過程需要控制器進(jìn)行控制，如圖11所示。當(dāng)SOC過高時，停止給電池充電；當(dāng)SOC過低時，開始給電池充電。通過此邏輯，能更好地對電池進(jìn)行保護(hù)，延長電池的使用壽命。

圖11 邏輯控制器

2 驅(qū)動系統(tǒng)

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則

混合動力汽車具有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，一套以內(nèi)燃機為主的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)，一套是以電機為主的新型驅(qū)動系統(tǒng)，兩組系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，相互配合，共同驅(qū)動汽車行駛[13]。當(dāng)建立驅(qū)動系統(tǒng)模型時，需要考慮的原則有:① 內(nèi)燃機動力足夠大時，盡量提高燃油經(jīng)濟性，減少排放；② 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在整車布置合理，提高乘坐舒適性；③ 當(dāng)其中一套驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生損壞時，另一套驅(qū)動系統(tǒng)能夠正常工作；④ 設(shè)計的系統(tǒng)具有可實現(xiàn)操作性。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)特點

驅(qū)動系統(tǒng)主要包括誤差放大器模塊、減法器模塊以及去噪聲模塊。該系統(tǒng)為一個比例反饋回路，接收車速和循環(huán)周期信號后，在誤差放大器的作用下，使信號控制在(-1～1)變化，接著驅(qū)動程序?qū)⑥D(zhuǎn)矩請求發(fā)送給控制器，得出與理想車速偏差較小的實際車速，這種循環(huán)會在整個周期內(nèi)重復(fù)，確保小誤差，具體模型如圖12所示。

圖12 驅(qū)動系統(tǒng)模型

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)建模原則

在混合動力汽車中，控制系統(tǒng)需確定發(fā)動機與電機最佳配合工作時間[14]?；旌蟿恿ζ囉?種典型的工作模式：① 汽車需要經(jīng)常啟動或者低速行駛時，此時只采用電機驅(qū)動；② 汽車需要加速或者爬坡時，發(fā)動機與電機共同工作，驅(qū)動汽車行駛；③ 汽車進(jìn)行制動時，電機實行能量回收；④ 當(dāng)電池SOC過低時，電機給電池充電。而控制系統(tǒng)可在這4中典型工況中使發(fā)動機和電機“分工明確”，提高能源利用效率和燃油經(jīng)濟性?？刂葡到y(tǒng)建模時需考慮的原則：① 發(fā)動機盡量在最佳工作點附近運轉(zhuǎn)，以提高整車的動力性及燃油經(jīng)濟性；② 保持電池的荷電狀態(tài)在規(guī)定范圍內(nèi)波動，以提高電池使用壽命。

3.2 控制系統(tǒng)模型的特點

控制系統(tǒng)是基于CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)，CAN總線與整車模型、電機模型、電池模型和控制模型等相連，各個模型的狀態(tài)信息，如車速、轉(zhuǎn)矩、行駛距離、節(jié)氣門開度等，都通過CAN總線傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)具體情況制定控制策略，將控制命令通過CAN總線發(fā)給各模塊。該模型的輸入信號為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、電池充電狀態(tài)和發(fā)動機節(jié)氣門開度，輸出信號為電機期望轉(zhuǎn)矩以及節(jié)氣門期望開度。該模型主要實行兩個控制：一是由電池的SOC狀態(tài)對電池的充放電進(jìn)行控制，二是由發(fā)動機節(jié)氣門的開度大小控制汽車的加速或者減速情況?？刂葡到y(tǒng)重點考慮制動能量回收過程。之前選擇電池參數(shù)時，已確定電池SOC上限是0.7，下限是0.6，于是控制系統(tǒng)的具體控制邏輯如下：

1) 開始制動時，電池的SOC值通過CAN總線發(fā)送給控制器，當(dāng)SOC>0.7時，意味著電池所蓄電能較多，停止能量回收；當(dāng)SOC<0.6時，能量回收不受電池允許最大電流限制；當(dāng)0.6≤SOC≤0.7時，能量回收受電池允許最大電流限制。

2) 制動主缸壓力信號通過CAN總線傳給控制器，控制器計算出再生制動所需的最大制動強度。

3) 控制器根據(jù)電機轉(zhuǎn)速計算出電機能提供的最大制動強度。

4) 控制器根據(jù)已定的控制策略，決定是否需要機械制動的參與。

整個控制系統(tǒng)的模型如圖13所示，各個模塊都能通過CAN總線與控制系統(tǒng)通訊，其中的邏輯控制模塊在電池建模中已提到，起控制電池充放電的作用。

圖13 控制系統(tǒng)模型

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 影響因素：驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

仿真采用標(biāo)準(zhǔn)的FU505駕駛循環(huán)工況，在整個505 s的循環(huán)周期內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為200 N·m時，實際車速與目標(biāo)車速相差較大，而把驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變?yōu)? 000 N·m時，實際車速與目標(biāo)車速相差很小，兩條運動軌跡幾乎相同，如圖15所示。由此可以看出，電機初始驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的選擇影響整車動力性能否滿足我們的預(yù)期要求。

圖14 200 N·m時期望車速與實際車速

4.2 影響因素：不同循環(huán)工況

當(dāng)把驅(qū)動周期改為Schedule Boston Cab循環(huán)工況時，可以看到實際車速與目標(biāo)車速不再一致，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化幅度較大，如圖16所示，這就需要控制器不斷改變控制策略，使汽車的性能更符合常規(guī)。因此一個穩(wěn)定的循環(huán)工況對汽車動力性影響較大，這與實際情況一致，當(dāng)循環(huán)工況越穩(wěn)定時，整車的動力性越好。

圖15 1 000 N·m時期望車速與實際車速

圖16 Schedule Boston Cab工況下期望車速與實際車速

4.3 仿真結(jié)果

當(dāng)汽車在緩慢加速時，車速慢慢增加，電池SOC隨之下降，電機電流也有所增加，這是因為此時整個驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機工作，驅(qū)動汽車行駛，發(fā)動機并不工作，而儲存在電池中的電能傳給電機，電池的SOC便有所下降，如圖17所示。后半部，當(dāng)汽車的車速很高時或者電池SOC低于某值時，此時發(fā)動機也參與工作，兩套系統(tǒng)共同驅(qū)動汽車行駛，因此電機的電流有所波動。當(dāng)汽車緩慢降低車速或停車時，發(fā)動機將會關(guān)閉。此時電機將作為發(fā)電機，進(jìn)行再生制動。因此電機電流有所上升，電池在接受到反沖電流后，SOC上升。

由此可知，建立的混合動力電動汽車模型符合實際汽車運行狀況，具有可操作性。

圖17 FU505行駛工況仿真曲線

5 結(jié)論

根據(jù)混合動力汽車結(jié)構(gòu)特點，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立混合動力汽車動力學(xué)模型，其包括整車模型、控制模型、驅(qū)動模型、電機模型、電池模型等。通過設(shè)置仿真環(huán)境，在FU505循環(huán)工況下對混合動力汽車進(jìn)行仿真并分析，結(jié)果表明：

1) 所建立的模型能較好地滿足汽車動力性要求。

2) 動力學(xué)模型能在較小制動強度時通過電機實現(xiàn)再生制動。

3) 建立的混合動力電動汽車模型符合實際汽車運行狀況，具有可操作性。