并聯(lián)插電式混合動力汽車建模與仿真分析*

宮喚春

（1.天津濱海汽車學院；2.河北東方學院）

節(jié)能和環(huán)保是汽車工業(yè)的主題，積極探索清潔能源及可再生能源的新能源汽車已經(jīng)是各個國家以及汽車廠商的共識?；旌蟿恿ζ囉? 個以上動力源提供動力，由燃料發(fā)動機系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)等多個系統(tǒng)構(gòu)成的復雜的多變量控制系統(tǒng)[1]，構(gòu)建準確的混合動力汽車模型對于分析其性能至關(guān)重要。由于混合動力汽車系統(tǒng)是多變復雜的非線性系統(tǒng)相互耦合而成，建立精確的數(shù)學模型比較困難。文章以某并聯(lián)插電式混合動力汽車為例，采用前向仿真法結(jié)合試驗測試法，聯(lián)合構(gòu)建混合動力汽車仿真模型，并利用AVL 軟件進行性能分析計算驗證模型精度[2]。

1 并聯(lián)插電式混合動力汽車建模

文章采用并聯(lián)插電式混合動力汽車結(jié)構(gòu)建模，如圖1 所示，動力流分別由發(fā)動機和電動機通過2 套獨立的傳動機構(gòu)與AMT 相連，通過耦合計算分析將轉(zhuǎn)矩輸出到主減速器[3]。

盡管發(fā)動機與電動機是并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，但是單獨輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的傳動比不同，因此發(fā)動機與電動機共同驅(qū)動時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩都不相同。圖1 示出動力流輸出的路徑采用前向仿真法[4]，構(gòu)建并聯(lián)插電式混合動力汽車模型。由于各部件結(jié)構(gòu)復雜，難以準確建立數(shù)學模型。通過試驗標定測試法對每個動力部件進行試驗測試，將數(shù)據(jù)集成AVL 軟件能夠分析計算的模塊，為后續(xù)建立仿真模型奠定基礎。

圖1 并聯(lián)插電式混合動力汽車結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 發(fā)動機模型

混合動力汽車中發(fā)動機是動力源之一，發(fā)動機模型構(gòu)建的精確度對整車性能仿真分析有直接的影響。由于發(fā)動機是復雜的非線性系統(tǒng)，難以通過建立數(shù)學模型的方法構(gòu)建仿真模型，文章通過臺架試驗獲取發(fā)動機萬有特性曲線[5]，并通過數(shù)據(jù)擬合法描述發(fā)動機動態(tài)特性數(shù)據(jù)，這種方法簡單高效，在車輛發(fā)動機建模中廣泛采用。萬有特性曲線的獲取是通過先測定發(fā)動機的負荷特性以及發(fā)動機的轉(zhuǎn)速特性后，將2 個特性曲線進行坐標變換畫到同一張圖上，將動力性指標功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和經(jīng)濟性指標燃油消耗率在同一個特性曲線上呈現(xiàn)，便于直觀分析發(fā)動機的工作特性，找出動力性較強的工作區(qū)域和經(jīng)濟性較好的區(qū)域作為數(shù)據(jù)標定的模塊，構(gòu)建發(fā)動機測試模型。圖2 示出并聯(lián)混合動力汽車發(fā)動機萬有特性曲線。

圖2 混合動力汽車中發(fā)動機萬有特性曲線圖

由圖2 可知，通過發(fā)動機臺架試驗獲取的發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性、發(fā)動機負荷特性數(shù)據(jù)，并利用插值法擬合得到的發(fā)動機萬有特性圖，能夠反映發(fā)動機在全工況下的工作狀況。圖中左下方區(qū)域是經(jīng)濟性較好的區(qū)域，圖中右上方區(qū)域是動力性較高的區(qū)域，從而為平衡發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性找到準確的工況參數(shù)點。

1.2 電動機模型

電動機建模采用與發(fā)動機建模相似的方法，通過電動機臺架試驗獲取輸入輸出特性數(shù)據(jù)，并通過擬合法獲取電動機MAP 曲線，為后續(xù)AVL 軟件建立數(shù)據(jù)分析模塊提供依據(jù)。電動機試驗曲線通過測定轉(zhuǎn)速一定下轉(zhuǎn)矩隨負荷的變化關(guān)系曲線，即負荷特性，以及負荷一定的情況下，測取轉(zhuǎn)矩隨電動機轉(zhuǎn)速的變化曲線得出，通過特征值點確定電動機峰值轉(zhuǎn)矩區(qū)間，分別確定作為電動機工作時的峰值轉(zhuǎn)矩以及作為發(fā)電機時的峰值轉(zhuǎn)矩，有利于分析電動機的動力特性，從而為構(gòu)建電動機模型提供準確的工作范圍。圖3 示出電動機特性曲線圖。

圖3 電動機特性曲線MAP 圖

由圖3 可知，通過臺架試驗獲取電動機外特性曲線與轉(zhuǎn)矩特性曲線，并通過插值法計算得出電動機特性曲線MAP 圖。電動機主要作為確定車輛運行的核心動力在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)矩輸出，從而確定混合動力車輛的動力性能，而且在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作時電動機工作效率都較高，電動機作為發(fā)電機工作時轉(zhuǎn)矩變化較小，有利于穩(wěn)定輸出電能滿足車輛電器系統(tǒng)的要求。

1.3 電池組模型

由于電池組的電化學反應過程復雜，建立電池組模型也是重點關(guān)注性能特性。因此，文章構(gòu)建電池組模型時注重電池組充放電特性及荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）變化對車輛整體性能的影響。通過試驗法獲取電池組特性曲線圖，了解電池組工作特征。圖4 示出電池電壓特性曲線圖。

圖4 是通過試驗法得到的電池在不同溫度以及不同SOC 狀態(tài)下充放電時電壓的變化曲線，通過該曲線可以掌握電池組在整車運行時的變化特征。圖4 顯示低溫條件下電壓變化與正常溫度條件下相比會有一定的壓降，主要因為電池組自放電現(xiàn)象，但是壓降較小，SOC 在整個變化區(qū)間中逐漸降低時，電壓緩慢下降并且受環(huán)境溫度變化的影響較小，說明電池組模型工作狀態(tài)比較穩(wěn)定。

圖4 電池電壓特性變化曲線圖

1.4 整車仿真模型構(gòu)建

利用AVL-Cruise 軟件將并聯(lián)插電式混合動力汽車各部件試驗特性曲線建立分析模塊，并將各部件按照車輛動力學傳遞路徑搭建整車動力模型，同時利用AVL-Cruise 軟件中提供的算法和模塊存儲發(fā)動機、電動機、電池組以及AMT 等性能參數(shù)與數(shù)據(jù)，設置每個車輛模塊的性能特征參數(shù)[6]，并將各個模塊通過機械或電氣的形式將系統(tǒng)完成連接，最后加載能量管理控制策略及各模塊數(shù)據(jù)總線的連接。圖5 示出AVL-Cruise軟件建立的混合動力汽車仿真模型。

圖5 基于AVL-Cruise 的整車仿真模型

每個模塊可以通過調(diào)式分析獲取各模塊的最佳性能參數(shù)，通過點擊的方式可以打開各個?？煨薷膮?shù)或算法，既可以采用軟件提供的算法也可以通過自行設計編寫新的算法并生成算法模塊，將構(gòu)建的整車仿真模型進行實車測試分析驗證模型的精度。

圖5 中每個模塊既可以采用軟件中已有的模塊使用，也可以根據(jù)不同車輛的技術(shù)參數(shù)自行設計新模塊，并設置新參數(shù)和新算法，非常便于實車加載模塊進行測試，因此目前廣泛用于混合動力汽車建模與性能分析領域，而且軟件提供了多種接口，方便與其它測試軟件對接提高結(jié)果的共享性。

2 并聯(lián)插電式混合動力汽車仿真測試分析

根據(jù)建立的并聯(lián)插電式混合動力汽車仿真模型，利用該模型進行實車測試，對模型性能特性進行全面分析，驗證模型的精確性。

2.1 動力性分析

將建立的并聯(lián)插電式混合動力汽車模型加載到實車上進行道路測試，獲取該模型動力特性曲線。圖6 示出車速變化特性曲線，圖7 示出轉(zhuǎn)矩特性曲線。

圖6 車速變化特性曲線

圖7 轉(zhuǎn)矩特性曲線

由圖6 可知，文章構(gòu)建的模型在實車過程中目標車速與實際車速比較吻合，車輛無論處于混合動力模式還是純電動模式，車速能較好地跟隨車輛運行工況的變化。由圖7 可知，在工況運行的前825 s 內(nèi)，車輛處于只有電動機工作的純電動模式，電池組能夠比較穩(wěn)定地給電動機提供電能，保證電動機的轉(zhuǎn)矩輸出，維持車輛穩(wěn)定的續(xù)航行程。在825 s 后車輛處于制動狀態(tài)，利用車輛的再生制動系統(tǒng)，電動機和發(fā)動機聯(lián)合回收制動時回饋能量，并給電池組補充充電。該模型能夠控制電動機電動狀態(tài)或者發(fā)電狀態(tài)下輸出轉(zhuǎn)矩時，確保發(fā)動機在中等負荷以上輸出轉(zhuǎn)矩。

2.2 經(jīng)濟性分析

經(jīng)濟性分析的目的是確保車輛運行時，在盡可能保證驅(qū)動要求時優(yōu)化發(fā)動機工作區(qū)間，使得發(fā)動機能夠處于高負荷工作區(qū)（即燃油經(jīng)濟性較好的區(qū)間）。圖8 示出并聯(lián)插電式混合動力模型經(jīng)濟性分析曲線。

圖8 發(fā)動機燃油經(jīng)濟性分析曲線

由圖8 可知，發(fā)動機起動運行后，滿足驅(qū)動條件的情況下能夠工作于最佳燃油經(jīng)濟性曲線內(nèi)運行，此時電動機應該按照電池組SOC 參數(shù)以及需求轉(zhuǎn)矩大小更換電動或者發(fā)電模式，保證車輛整體燃油經(jīng)濟性最優(yōu)。本文的發(fā)動機通常由電動機帶動運行，盡量保證發(fā)動機在高負荷區(qū)域內(nèi)工作，從而保證較低的燃油消耗，發(fā)動機一般在車輛處于全加速和電池組電量不足時協(xié)助車輛運行，在車輛處于制動狀態(tài)時，發(fā)動機參與工作協(xié)助電動機回收制動能量為電池組補充充電，使得電池組SOC 處于較高的帶電狀態(tài)。

2.3 能量管理特性分析

基于該車輛模型還進行了能量管理特性仿真測試，仿真工況采用新歐盟行駛循環(huán)工況（New European Driving Cycle，NEDC），該工況由4 個城市低速行駛工況及1 個郊區(qū)高速行駛工況構(gòu)成，包含怠速、起動、加速以及減速等行駛工況，常用于車輛性能分析仿真。能量管理仿真分析如圖9 所示，該圖包含由電池SOC 和純電動模式下續(xù)駛里程隨時間變化曲線。

圖9 能量管理分析曲線

由圖9 可知，仿真時間為5 815 s 時，SOC 下降到25%附近，純電動模式下續(xù)駛里程為53.2 km，電池組具備較強的深度放電能力，能夠保證電量較低時車輛穩(wěn)定行駛的能力，同時證明構(gòu)建的電池組模型的方法是基本合理的。

3 結(jié)論

通過臺架試驗測試獲取并聯(lián)插電式混合動力汽車發(fā)動機、電動機、電池組等核心部件運行數(shù)據(jù)，并利用AVL-Cruise 軟件建立車輛整車分析模型加載相關(guān)分析算法，將構(gòu)建的模型裝車進行實車道路測試，分析了動力特性、經(jīng)濟特性以及能量管理特性，試驗結(jié)果說明構(gòu)建的模型能夠滿足車輛行駛要求，從而為繼續(xù)深入研究并聯(lián)混合動力汽車性能及整車設計初步奠定了基礎。