基于MATLAB/GUI 的混動車動力性仿真軟件開發(fā)

馬俊杰，鄧超，2，嚴毅，李艷淇，王有福

（1.430065 湖北省 武漢市 武漢科技大學 汽車與交通工程學院；2.250357 山東省 濟南市 運輸車輛檢測、診斷與維修技術交通行業(yè)重點實驗室）

0 引言

混合動力汽車作為傳統(tǒng)燃油車和純電動車的結合體，既具備燃油車的長續(xù)航動力性好的優(yōu)點，同時又兼顧純電動車電機工作噪音小、污染小的優(yōu)勢，是目前新能源汽車產(chǎn)業(yè)中最具有發(fā)展?jié)摿颓熬暗漠a(chǎn)品[1]。

目前，國外混合動力汽車傳動系統(tǒng)匹配仿真技術已經(jīng)十分成熟。在系統(tǒng)建模的基礎上，通過大量的實驗進行匹配研究。并以此為基礎開發(fā)出許多仿真軟件，例如ADVISOR、SIMPLWV、HEV 等。其中，ADVISOR 是在美國能源部牽頭下開發(fā)設計的混動車仿真軟件[2]，該軟件以車速作為輸入，計算某車速下傳動系的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，是一款逆向仿真軟件。國內(nèi)關于混合動力汽車傳動系統(tǒng)的匹配仿真研究也已經(jīng)有了很多成果。彭濤在清華大學提出可以把工程分析與仿真匹配相互結合，對發(fā)動機、電動機、電池的相關參數(shù)進行匹配；重慶大學秦大同教授團隊對并聯(lián)混合動力汽車的控制策略和自動變速器特性進行了匹配研究，提出電機、發(fā)動機、主減速器、轉(zhuǎn)矩合成器速比的匹配和計算的方法；季新杰團隊對ISG 技術的并聯(lián)混合動力汽車傳動系統(tǒng)進行了匹配研究，設計出全新的能夠同時考慮工況、消耗、整車動力性的仿真計算方法；歷曉飛[3]等在MATLAB/GUI 的基礎上對傳統(tǒng)燃油車動力性經(jīng)濟型進行仿真軟件的開發(fā)設計。但這些仿真軟件設計使用范圍較窄，只能適合一類車型的仿真計算。

本研究在以上研究的基礎上提出一種混動車的動力性仿真軟件設計方法。由于混動車的動力源包括驅(qū)動電機和發(fā)動機，當發(fā)動機不工作時，可以視為純電動模式；當驅(qū)動電機不工作時，可以視為傳統(tǒng)發(fā)動機模式。因此本研究提出的混動車動力性仿真軟件同時適用于傳統(tǒng)燃油車、純電動車和混合動力汽車，適用范圍更廣，具有更加廣泛的意義。

1 數(shù)學模型

1.1 驅(qū)動電機數(shù)學模型

驅(qū)動電機匹配設計的參數(shù)應與整車動力性需求相匹配，一般根據(jù)整車最高車速、加速能力要求、最大爬坡要求來進行匹配計算。驅(qū)動電機理論上的額定功率首先應該保證汽車滿足最高車速的需求[4]。根據(jù)汽車理論的相應知識，可以計算滿足汽車最高車速所需的電機額定功率[5]：

式中：P1——汽車在平直公路上以最高車速行駛時驅(qū)動電機需要滿足的額定功率；umax——汽車最高車速；ηt——傳動系統(tǒng)的機械效率；CD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風面；m——整車整備質(zhì)量；g——重力加速度；f——滾動阻尼系數(shù)。

驅(qū)動電機的需求功率也要使汽車滿足最大爬坡度的要求：

式中：P2——最大爬坡時要求的電機功率；up——汽車爬坡的車速；αmax——最大爬坡度角。

汽車最大加速能力所決定的驅(qū)動電機功率為

式中：P3——汽車在平直道路上加速行駛電機的需求功率；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；du/dt——汽車行駛加速度；u——汽車在一定工況下的車速；驅(qū)動電機輸出額定功率應大于汽車以最高車速行駛所需的阻力功率，峰值功率應大于汽車最大爬坡度和最大加速度的功率需求[6]，因此驅(qū)動電機額定功率Pe>P1，峰值功率Pemax>max（P1，P2，P3）。

驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速對應的車速應滿足汽車最高車速的要求：

式中：r ——汽車車輪半徑；umax——汽車最高車速；nemax——驅(qū)動電機在最高車速時對應的最大轉(zhuǎn)速，r/min。

驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速和額定功率之間滿足一定的關系：

式中：Te——額定轉(zhuǎn)矩。

驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)矩應保證實現(xiàn)汽車的爬坡度和最大加速度的要求，根據(jù)汽車理論的知識，確定峰值轉(zhuǎn)矩：

式中：Temax——電機峰值功率。

通過數(shù)學函數(shù)得到驅(qū)動電機的數(shù)學函數(shù)模型。

1.2 2 擋傳動比數(shù)學模型

電機的較寬調(diào)速特性使其不需要選擇傳動比數(shù)較多的變速器，由于固定速比的變速器很難滿足電機保持于高效運轉(zhuǎn)區(qū)間，但變速器擋位數(shù)較多時，變速器結構會變得十分復雜，選擇2 擋變速器在既保證汽車動力性經(jīng)濟性的同時，又使得變速器結構比較簡單。其擋位的選擇應滿足如下原則：1 擋傳動比用于電機的低速區(qū)，應滿足汽車最大爬坡度要求；2 擋傳動比需要滿足汽車最高車速的要求，保證動力性。1 擋傳動比對應的汽車驅(qū)動力首先應該滿足電機處于峰值轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下的汽車最大爬坡度的要求，但對應的驅(qū)動力也不能太大，以免導致汽車打滑[7]，驅(qū)動力應不大于驅(qū)動輪的最大附著力，1擋傳動比的大小應滿足如下要求：

式中：b——汽車質(zhì)心位置到后周的距離長度；L——汽車的軸距；φ——地面附著系數(shù)。

2 擋傳動比時，電機的峰值轉(zhuǎn)速對應的汽車車速應滿足汽車最高車速的要求，同時2 擋傳動比對應的最小驅(qū)動力應大于汽車的行駛阻力。

式中：Tumax——最高車速情況下輸出轉(zhuǎn)矩。

為實現(xiàn)換擋的平順性，2 擋時基速情況下的輸出轉(zhuǎn)矩應大于1 擋條件下最高轉(zhuǎn)速時的輸出轉(zhuǎn)矩。

整理式（12），得到：

1.3 汽車動力學模型

純電動汽車的動力源是驅(qū)動電機，驅(qū)動電機將動力電池的電能輸出為轉(zhuǎn)矩，經(jīng)變速器、傳動軸、主減速器總成傳遞至車輪，傳動系統(tǒng)的性能大體上決定了整車的動力性和經(jīng)濟性[8]，其具體結構如圖2 所示。純電動汽車轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關系[9]如式（14）：

式中：T——電機輸出轉(zhuǎn)矩；n——電機轉(zhuǎn)速。

結合汽車理論，純電動汽車行駛過程中的驅(qū)動力Ft：

式中：Ft——純電動汽車行駛過程中的驅(qū)動力；it——純電動汽車傳動系統(tǒng)的總傳動比。

純電動汽車在條件良好的平直路面上勻速行駛時，主要受到滾動阻力Ff和空氣阻力Fw：

汽車的動力因數(shù)D能夠表征汽車的動力性能，根據(jù)驅(qū)動力和空氣阻力可得：

由式（17）可知，動力因數(shù)D 與滾動阻尼系數(shù)、爬坡度和加速度有關，當汽車加速度為0 時，可以求得汽車最大爬坡度i[10]：

令汽車爬坡度i=0，可求得最大加速度du/dt：

混動車的動力源包括驅(qū)動電機和發(fā)動機，可以對輸入的一組轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速數(shù)組進行最小二乘法擬合，得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線，采用轉(zhuǎn)矩耦合的方式，對發(fā)動機和驅(qū)動電機的動力進行耦合計算，得到最終的輸出轉(zhuǎn)矩。具體關系如式（20）—式（22）所示。

式中：T1——發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；T2——電機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；T3——發(fā)動機和驅(qū)動電機的合成輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；w1——發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；w2——電機轉(zhuǎn)速，r/min；w3——合成轉(zhuǎn)速，r/min；S1、S2——連接處行星齒輪的傳動比。

2 應用軟件開發(fā)

根據(jù)MATLAB 相關教程[11]，利用GUI 模塊完成軟件的開發(fā)設計，輸入的數(shù)據(jù)有發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、驅(qū)動電機的功率轉(zhuǎn)速、1 擋2 擋傳動比以及整車質(zhì)量、迎風面積、車輪半徑、迎風面積、空氣阻尼系數(shù)、道路阻尼系數(shù)等；輸出包括驅(qū)動力行駛阻力平衡圖、加速度曲線、爬坡度曲線以及最高車速、最大爬坡度、最大加速的值。

2.1 程序流程圖

混合動力汽車動力性仿真軟件平臺共分為3 個基礎界面：開始界面、模式選擇界面、仿真計算界面[12]。根據(jù)混合動力汽車的3 種不同的運行模式，把仿真計算分為純電動模式、發(fā)動機模式、混合動力模式3 個不同的計算界面，各個狀態(tài)界面左側(cè)輸入混合動力汽車的各項基本參數(shù)，右側(cè)以圖形窗口的形式輸出混合動力汽車動力性曲線，同時把整車的最高車速、最大爬坡度、百公里加速時間以數(shù)字結果的形式顯示出來?；旌蟿恿ζ嚪抡孳浖绦蛄鞒虉D如圖1 所示。

圖1 程序流程圖Fig.1 Program flow chart

2.2 界面設計

軟件主界面左側(cè)為數(shù)據(jù)輸入框，右側(cè)顯示輸出結果，界面整齊簡潔。如圖2—圖6 所示，程序界面分為開始界面、模式選擇界面和3 個主界面。其中3 個主界面分為發(fā)動機模式、純電動模式和混合動力模式的仿真計算界面。開始界面點擊開始進入模式選擇界面，選擇好模式后點擊下一步進入對應模式的仿真計算界面，在左側(cè)空白框輸入相應數(shù)據(jù)，點擊計算按鈕，經(jīng)過系統(tǒng)計算后在右側(cè)輸出仿真結果。當某項參數(shù)需要修改時，直接點擊對應的空白框修改，再次計算，得到新的仿真結果。

圖2 開始界面Fig.2 Start interface

圖3 運行模式選擇界面Fig.3 Operation mode selection interface

圖4 純電動模式界面Fig.4 Pure electric mode interface

圖5 發(fā)動機模式Fig.5 Engine mode

圖6 混合動力模式Fig.6 Hybrid mode

2.3 程序編輯

完成界面布局設計后，MATLAB/GUI 會自動為每一個界面生成一個m 文件，右擊界面中需要用到的控件，選擇回調(diào)函數(shù)（callback），即可自動打開該界面m 文件下該控件的編輯位置，根據(jù)驅(qū)動電機以及汽車動力性數(shù)學模型，分別完成3 種模式的程序編輯[13]。完成程序編寫后，在MATLAB命令行窗口輸入deploytool，選擇程序封裝工具Application Compiler，對程序進行打包封裝即可設計完成一個獨立的軟件。

3 應用

點擊封裝好的軟件進入軟件開始界面，點擊開始后選擇純電動模式，在左側(cè)空白框依次輸入基本參數(shù)，點擊計算按鈕，系統(tǒng)計算完成可得如圖7所示純電動模式下動力性相關指標及變化曲線。

圖7 純電動模式動力性仿真結果Fig.7 Dynamic simulation results of pure electric mode

完成后返回，選擇發(fā)動機模式，輸入整車基本參數(shù)并計算，可以得到發(fā)動機模式下動力性相關指標及變化曲線，如圖8 所示。

圖8 發(fā)動機模式動力性仿真結果Fig.8 Dynamic simulation results of engine mode

完成后返回，選擇混合動力模式，輸入整車基本參數(shù)并計算，可以得到混合動力模式下動力性相關指標及變化曲線，如圖9 所示。

圖9 混合動力模式模式動力性仿真結果Fig.9 Dynamic simulation results of hybrid mode

仿真結果顯示，純電動模式下最高車速為180.87 km/h，最大爬坡度為21.083%，百公里加速時間為7.14 s。發(fā)動機模式下最高車速為198.8 km/h，最大爬坡度為15.60%，百公里加速時間為12.16 s?；旌蟿恿δＪ较?，最高車速為198 km/h，最大爬坡度為44.66%，百公里加速時間為6.09 s。可以看出，相比于純電動模式和發(fā)動機模式，混合動力模式在最高車速方面并沒有很大的提升，在最大爬坡度和百公里加速時間方面有較大提升，這是在由于轉(zhuǎn)矩耦合方式下，輸出轉(zhuǎn)速取決于較小的轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和電動機轉(zhuǎn)矩成一定比例關系，因此輸出轉(zhuǎn)矩較大，動力性會更好。

4 結語

本文闡述了混動車動力性評價指標，并根據(jù)整車動力性計算方法建立驅(qū)動電機、2 擋傳動比以及整車動力性的數(shù)學模型，在模型的基礎上，利用MATLAB/GUI 模塊完整描述了一套建立混動車動力性仿真軟件的方法。由于混動車也可以由發(fā)動機或者電動機分別單獨驅(qū)動，所以該仿真軟件不僅可以計算混動車的動力性，也可以分別單獨計算傳統(tǒng)燃油車和純電動汽車的動力性，相較于以往的動力性仿真軟件適用范圍更廣，操作更加簡便，結果更加直觀。