混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)模型仿真

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(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(dòng)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(gè)部件，產(chǎn)生所需的扭矩，沿著驅(qū)動(dòng)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(jì)方面應(yīng)用較多；后向仿真主要通過輸入目標(biāo)的車速，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)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?；旌蟿?dòng)力汽車按動(dòng)力傳遞路線或動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)都是動(dòng)力總成，兩大動(dòng)力總成的功率可以互相疊加輸出，也可以單獨(dú)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(dòng)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(duì)汽車整車性能分析比較，有利于工程師對(duì)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]?；旌蟿?dòng)力汽車動(dòng)力學(xué)模型包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，三大系統(tǒng)通過CAN總線連接并實(shí)現(xiàn)信號(hào)共享，使建模仿真時(shí)信息反饋及時(shí)、準(zhǔn)確[7]。

1 機(jī)械系統(tǒng)模型

機(jī)械系統(tǒng)模型主要包括整車模型、理想的電機(jī)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)子系統(tǒng)模型的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、影響因素等均可從模型中反映出來。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的選用原則

混合動(dòng)力汽車省油的原因在于它的發(fā)動(dòng)機(jī)可維持處在最佳工作區(qū)域，且排放性能較好[8]。采用實(shí)驗(yàn)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)特性

1.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型特點(diǎn)

本文采用數(shù)值建模法，PS-Simulink轉(zhuǎn)換器模塊能將信號(hào)從模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和速度放在發(fā)動(dòng)機(jī)的CAN總線上，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩將根據(jù)節(jié)氣門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)控制器會(huì)向電機(jī)發(fā)送相反的扭矩請(qǐng)求，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能保持恒定的期望速度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速太大時(shí)，電機(jī)會(huì)增加反向扭矩,而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速太小時(shí)，電機(jī)會(huì)降低反向扭矩。整個(gè)模型的輸入量為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查表計(jì)算獲得。發(fā)動(dòng)機(jī)模型如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力時(shí)，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)有制動(dòng)踏板開度、空氣阻力和道路坡度等，輸出的信號(hào)通常有汽車車速、加速度和汽車行駛距離等。建模時(shí)應(yīng)考慮汽車行駛驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡(式(1))，然后考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、車輪等是否與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連接，從而精確地確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使整車模型更好地符合實(shí)際情況[9]。

Ft=Fi+Ff+Fw+Fj

(1)

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

1.2.2 整車模型的特點(diǎn)

整車模型主要包括車身、魔術(shù)輪胎、齒輪箱等，接受電機(jī)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(dòng)比轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(jī)模型

1.3.1 電機(jī)的選擇原則

在整個(gè)循環(huán)過程中，電機(jī)有能量轉(zhuǎn)換，電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，電機(jī)提供輔助的轉(zhuǎn)矩；而當(dāng)汽車緩慢停車或者降低車速時(shí)，電機(jī)能夠?qū)⒉糠謩?dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在電池中，這便是混合動(dòng)力汽車中的關(guān)鍵技術(shù)——再生制動(dòng)[10]。

電機(jī)選擇應(yīng)考慮電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍、效率和后備功率等。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)換效率較高。其中，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大，控制簡單高效；而永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jī)，考慮到永磁直流電機(jī)材料比較特殊，對(duì)溫度敏感，其輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都會(huì)受到溫度影響，而且電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和磨損，這些都會(huì)造成能量損失，所以建模時(shí)考慮增加一個(gè)增益模塊，這個(gè)增益模塊通常小于1，使建立的模型更符合混合動(dòng)力汽車實(shí)際情況。

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

1.3.2 電機(jī)的各模塊的功能

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

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

電機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算與反饋模塊

圖5 電機(jī)效率模型

圖6 電機(jī)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(shí)，汽車的蓄電量越大，汽車的續(xù)駛里程也會(huì)變大，但當(dāng)電池容量過大時(shí)，整車也會(huì)變重，影響動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)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(shí)，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(dòng)能量多一些，選取SOC范圍時(shí)，應(yīng)考慮其是否能夠滿足電機(jī)的峰值充電的要求，而且當(dāng)電池SOC越大時(shí)，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(shí)，電池的壽命也會(huì)不同。綜合考慮，本文SOC選取0.6～0.7。

確定電池電流電壓時(shí)，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(huì)使蓄電池的儲(chǔ)存能量越來越少，最終電機(jī)無法啟動(dòng)。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(hào)總線的要求可計(jì)算電池的 SOC值、電壓及電流等。

電流模型計(jì)算電池電流，考慮兩個(gè)電機(jī)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(jì)算電池電壓，如圖8所示。由電池SOC值可計(jì)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(jì)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(shí)，停止給電池充電；當(dāng)SOC過低時(shí)，開始給電池充電。通過此邏輯，能更好地對(duì)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(dòng)系統(tǒng)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則

混合動(dòng)力汽車具有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一套以內(nèi)燃機(jī)為主的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一套是以電機(jī)為主的新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩組系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，相互配合，共同驅(qū)動(dòng)汽車行駛[13]。當(dāng)建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型時(shí)，需要考慮的原則有:① 內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力足夠大時(shí)，盡量提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放；② 驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)發(fā)生損壞時(shí)，另一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠正常工作；④ 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)操作性。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)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(gè)比例反饋回路，接收車速和循環(huán)周期信號(hào)后，在誤差放大器的作用下，使信號(hào)控制在(-1～1)變化，接著驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑥D(zhuǎn)矩請(qǐng)求發(fā)送給控制器，得出與理想車速偏差較小的實(shí)際車速，這種循環(huán)會(huì)在整個(gè)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(dòng)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(dòng)力汽車中，控制系統(tǒng)需確定發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)最佳配合工作時(shí)間[14]?；旌蟿?dòng)力汽車有4種典型的工作模式：① 汽車需要經(jīng)常啟動(dòng)或者低速行駛時(shí)，此時(shí)只采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)；② 汽車需要加速或者爬坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)共同工作，驅(qū)動(dòng)汽車行駛；③ 汽車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，電機(jī)實(shí)行能量回收；④ 當(dāng)電池SOC過低時(shí)，電機(jī)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(dòng)機(jī)和電機(jī)“分工明確”，提高能源利用效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。控制系統(tǒng)建模時(shí)需考慮的原則：① 發(fā)動(dòng)機(jī)盡量在最佳工作點(diǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)，以提高整車的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性；② 保持電池的荷電狀態(tài)在規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)，以提高電池使用壽命。

3.2 控制系統(tǒng)模型的特點(diǎn)

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(jī)模型、電池模型和控制模型等相連，各個(gè)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(hào)為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電池充電狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，輸出信號(hào)為電機(jī)期望轉(zhuǎn)矩以及節(jié)氣門期望開度。該模型主要實(shí)行兩個(gè)控制：一是由電池的SOC狀態(tài)對(duì)電池的充放電進(jìn)行控制，二是由發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)考慮制動(dòng)能量回收過程。之前選擇電池參數(shù)時(shí)，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(dòng)時(shí)，電池的SOC值通過CAN總線發(fā)送給控制器，當(dāng)SOC>0.7時(shí)，意味著電池所蓄電能較多，停止能量回收；當(dāng)SOC<0.6時(shí)，能量回收不受電池允許最大電流限制；當(dāng)0.6≤SOC≤0.7時(shí)，能量回收受電池允許最大電流限制。

2) 制動(dòng)主缸壓力信號(hào)通過CAN總線傳給控制器，控制器計(jì)算出再生制動(dòng)所需的最大制動(dòng)強(qiáng)度。

3) 控制器根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出電機(jī)能提供的最大制動(dòng)強(qiáng)度。

4) 控制器根據(jù)已定的控制策略，決定是否需要機(jī)械制動(dòng)的參與。

整個(gè)控制系統(tǒng)的模型如圖13所示，各個(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)矩

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

圖14 200 N·m時(shí)期望車速與實(shí)際車速

4.2 影響因素：不同循環(huán)工況

當(dāng)把驅(qū)動(dòng)周期改為Schedule Boston Cab循環(huán)工況時(shí)，可以看到實(shí)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(gè)穩(wěn)定的循環(huán)工況對(duì)汽車動(dòng)力性影響較大，這與實(shí)際情況一致，當(dāng)循環(huán)工況越穩(wěn)定時(shí)，整車的動(dòng)力性越好。

圖15 1 000 N·m時(shí)期望車速與實(shí)際車速

圖16 Schedule Boston Cab工況下期望車速與實(shí)際車速

4.3 仿真結(jié)果

當(dāng)汽車在緩慢加速時(shí)，車速慢慢增加，電池SOC隨之下降，電機(jī)電流也有所增加，這是因?yàn)榇藭r(shí)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)汽車行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)并不工作，而儲(chǔ)存在電池中的電能傳給電機(jī)，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(shí)或者電池SOC低于某值時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)也參與工作，兩套系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)汽車行駛，因此電機(jī)的電流有所波動(dòng)。當(dāng)汽車緩慢降低車速或停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)關(guān)閉。此時(shí)電機(jī)將作為發(fā)電機(jī)，進(jìn)行再生制動(dòng)。因此電機(jī)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(dòng)力電動(dòng)汽車模型符合實(shí)際汽車運(yùn)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(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立混合動(dòng)力汽車動(dòng)力學(xué)模型，其包括整車模型、控制模型、驅(qū)動(dòng)模型、電機(jī)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(duì)混合動(dòng)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(dòng)力性要求。

2) 動(dòng)力學(xué)模型能在較小制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。

3) 建立的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車模型符合實(shí)際汽車運(yùn)行狀況，具有可操作性。