基于Simulink建模的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真

李業(yè)煒，劉 濤，龐同軒，李 洋

（煙臺(tái)南山學(xué)院 工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713）

汽車(chē)工業(yè)正在向著更清潔、更環(huán)保的方向發(fā)展，混合動(dòng)力汽車(chē)是滿足汽車(chē)發(fā)展需求的解決方案之一[1-2]。插電式混合動(dòng)力汽車(chē)可有效降低傳統(tǒng)汽車(chē)油耗、污染物排放，彌補(bǔ)純電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍探箲]的缺陷，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)適合當(dāng)下汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀[3]。

Simulink軟件仿真目前已廣泛應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車(chē)研究中，楊京昊等[4]利用 Simulink仿真，建立了混合動(dòng)力起重機(jī)系統(tǒng)功率計(jì)算、控制策略等仿真模塊；卓文得等[5]利用 Simulink平臺(tái)搭建整車(chē)仿真模型，測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性。

本文中以文獻(xiàn)[6]中所提到的混合動(dòng)力總成為研究對(duì)象，在原有總成的基礎(chǔ)上提出一種插電式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)建方法，利用Simulink軟件建立動(dòng)力學(xué)模型，基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間最優(yōu)化，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。確保內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和輸出效率均最優(yōu)的前提下，充分利用外界能量，達(dá)到混合動(dòng)力汽車(chē)好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

1 插電式混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)與建模

1.1 整車(chē)基本模型

文獻(xiàn)[6]所提及的混合動(dòng)力總成，如圖1所示，動(dòng)力總成和傳遞機(jī)構(gòu)主要由發(fā)電機(jī) B，作用為啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電；內(nèi)燃機(jī)E，作用為動(dòng)力輸出和帶動(dòng)發(fā)電機(jī)B發(fā)電；驅(qū)動(dòng)電機(jī)C，作用為動(dòng)力輸出；動(dòng)力分配行星排：太陽(yáng)輪11、齒圈13、行星架12；減速行星排：太陽(yáng)輪21、齒圈23、行星架23；過(guò)渡齒輪 D，動(dòng)力經(jīng)過(guò)度齒輪傳到驅(qū)動(dòng)橋端，進(jìn)行汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)。

圖1 混合動(dòng)力總成

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

對(duì)于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，一般行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足車(chē)輛的動(dòng)力性能要求，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Td應(yīng)大于汽車(chē)最高車(chē)速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩Td1或汽車(chē)以規(guī)定車(chē)速爬坡時(shí)所需轉(zhuǎn)矩Td2。

式中，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i0為主減速器傳動(dòng)比；id為減速行星排傳動(dòng)比；r為車(chē)輪半徑；m為汽車(chē)總質(zhì)量；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車(chē)迎風(fēng)面積；vmax為汽車(chē)最高車(chē)速；vp為汽車(chē)爬坡車(chē)速；α為汽車(chē)最大爬坡角度。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)作為插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的補(bǔ)充動(dòng)力源，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)法滿足汽車(chē)所需驅(qū)動(dòng)力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力的補(bǔ)充。

式中，Tf為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；if為動(dòng)力分配行星排傳動(dòng)比；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.4 傳動(dòng)系速比模型

行星輪系中太陽(yáng)輪、行星架、齒圈之間的關(guān)系如下所示：

式中，w1、w2、w3為太陽(yáng)輪、齒圈、行星架的旋轉(zhuǎn)角速度；kp為行星排齒數(shù)比，kp=z2/z1，z1為太陽(yáng)輪齒數(shù)；z2為齒圈齒數(shù)。M1、M2、M3為太陽(yáng)輪、齒圈、行星架的轉(zhuǎn)矩。

2 仿真模型建立

2.1 能量控制策略

為了充分發(fā)揮插電式混合動(dòng)力汽車(chē)可以借助外界電能充電的優(yōu)勢(shì)，本文采用電荷消耗模式[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)采用限制發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間的控制策略，即電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）高于設(shè)計(jì)值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，電池SOC低于設(shè)計(jì)值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)的環(huán)境下工作，以獲得最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。

2.2 Simulink模型的建立

本文從汽車(chē)的巡航和加速研究插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，采用的乘用車(chē)測(cè)試工況——新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle, NEDC）[8]。

本文采用逆向建模方式，根據(jù)式（3）和NEDC工況，可以建立齒圈轉(zhuǎn)速模塊；根據(jù)NEDC工況和式（4）可建立齒圈需提供轉(zhuǎn)矩模塊；根據(jù)式（5）、式（6）建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模塊；根據(jù)文獻(xiàn)[9]驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩與功率的建模方法建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模塊。

汽車(chē)行駛所需扭矩，首先由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，若驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩可滿足汽車(chē)行駛需求，則發(fā)動(dòng)機(jī)以最優(yōu)的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，若驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩不能滿足汽車(chē)行駛需求，則發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)外界轉(zhuǎn)速和扭矩的需求[10]找到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行補(bǔ)充，執(zhí)行模塊為fcn，將所有模塊按規(guī)律連接，組成動(dòng)力學(xué)仿真，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力學(xué)仿真模塊

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

現(xiàn)有一插電式混合動(dòng)力汽車(chē)主要參數(shù)，如表1所示。

表1 汽車(chē)主要參數(shù)

根據(jù)已知參數(shù)，代入式（1）—式（6）可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩應(yīng)大于 229.1 N·m，i0取 5，id取1.5，if取 1.94，根據(jù)計(jì)算找出符合要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)

假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)轉(zhuǎn)速在2 000 r/min～4 000 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與扭矩Tff采用的擬合曲線為

將以上參數(shù)輸入仿真模型，進(jìn)行仿真分析。

3.2 NEDC工況仿真分析

圖3、圖4，為NEDC工況下，扭矩與轉(zhuǎn)速輸出圖，如圖 3中曲線③為汽車(chē)行駛所需扭矩，曲線①為對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可提供扭矩；發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩（曲線②）與轉(zhuǎn)速（曲線⑦）為定值，輸出功率恒定；圖 4中曲線④為此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，假設(shè)發(fā)電機(jī)的扭矩可以實(shí)時(shí)控制變化，則可以完全將發(fā)動(dòng)機(jī)能量（不考慮機(jī)械損失）轉(zhuǎn)化為電能；曲線⑤、曲線⑥為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和齒圈轉(zhuǎn)速，為NEDC工況車(chē)輪轉(zhuǎn)速的放大值。

圖3 NEDC工況扭矩輸出圖

圖4 NEDC工況轉(zhuǎn)速輸出圖

由仿真結(jié)果可知，NEDC工況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)所提供的扭矩能滿足汽車(chē)行駛需要，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)以最優(yōu)的轉(zhuǎn)速（本設(shè)計(jì)為3 000 r/min）帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。一個(gè)循環(huán)過(guò)程中，電機(jī)消耗電能2.685 kW·h；發(fā)動(dòng)機(jī)耗能11.035 kW·h；回收電能11.035 kW·h。相較于普通燃油發(fā)動(dòng)機(jī)在NEDC工況下需要不斷變化發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以滿足工況要求，混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可以在燃油消耗率最優(yōu)的工況下為汽車(chē)提供動(dòng)力進(jìn)行電能回收。

3.3 勻加速工況仿真分析

為研究驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)對(duì)外輸出動(dòng)力的情況，設(shè)置仿真參數(shù)：初始速度為0 km/h，末速度為76 km/h，加速時(shí)間為10 s。

仿真結(jié)果如圖5—圖7所示，曲線?、曲線?為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和齒圈轉(zhuǎn)速，變化形式與 NEDC工況相同；由曲線⑧可以看出，勻加速階段，汽車(chē)所需驅(qū)動(dòng)力成冪函數(shù)增加；由曲線⑩、曲線?可以看出，汽車(chē)加速前6 s，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力滿足汽車(chē)加速要求，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)只帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電功率為定值，如圖7所示，6 s后，因速度的增加，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力不斷減少，如曲線⑨所示，發(fā)動(dòng)機(jī)參與對(duì)外做功，并在合理的區(qū)間輸出扭矩和轉(zhuǎn)速；如曲線?所示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出動(dòng)力的變化而改變，對(duì)應(yīng)發(fā)電功率（圖7）隨之發(fā)生改變。

圖5 勻加速工況扭矩輸出圖

圖7 勻加速工況發(fā)電機(jī)功率圖

一個(gè)循環(huán)，電機(jī)消耗電能0.603 kW·h；發(fā)動(dòng)機(jī)耗能0.434 kW·h；回收電能0.39 kW·h。相較于普通燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率無(wú)法充分利用，混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在彌補(bǔ)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力不足的同時(shí)，充分利用后備功率進(jìn)行發(fā)電，使能量得到最合理的利用。

圖6 勻加速工況轉(zhuǎn)速輸出圖

4 小結(jié)

本文基于現(xiàn)有混合動(dòng)力總成，提出一種插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的設(shè)計(jì)方案，利用 Simulink建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，在充分利用外界電能驅(qū)動(dòng)的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)的工作區(qū)間工作，既起到輔助動(dòng)力輸出的作用，利用后備功率發(fā)電，增加插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的續(xù)航里程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的；通過(guò)仿真分析可以看出，設(shè)計(jì)能夠滿足插電式混合動(dòng)力汽車(chē)行駛的基本要求。