雙?；旌蟿?dòng)力整車仿真模型建立及分析①

杜愛民，孫 洛，蔡宏偉

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

0 引言

汽車在給人類生活帶來便利的同時(shí)也帶來了能源和環(huán)境的困擾，各國都對(duì)新能源汽車的研發(fā)投入了巨大的人力和物力.為了保證混合動(dòng)力汽車在擁有良好燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的同時(shí)，又擁有能與傳統(tǒng)汽車相媲美的動(dòng)力性能，世界主要汽車生產(chǎn)商推出了各種不同的動(dòng)力混合方案，如豐田Prius的THS混合動(dòng)力系統(tǒng)，本田Insight的IMA混合動(dòng)力系統(tǒng)等.

HEV和傳統(tǒng)汽車比起來，能顯著的改善燃油經(jīng)濟(jì)性.但是為了滿足消費(fèi)者，燃油經(jīng)濟(jì)性的改善不應(yīng)以損失汽車的動(dòng)力性以及駕駛樂趣為代價(jià).為了解決這個(gè)問題，人們研制出各種功率分流裝置(Power Split Device，PSD)來對(duì)HEV提供合理的能量管理.在混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)初期，利用計(jì)算機(jī)對(duì)整車進(jìn)行建模仿真，能降低開發(fā)費(fèi)用與縮短研發(fā)周期.

1 雙模HEV整車仿真模型的建立

部分混合動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)使用兩組或者兩組以上行星齒輪，這樣可以形成兩條以上的傳遞能量的機(jī)械路徑和一條電力路徑，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率分流的方式則稱為混合功率分流.在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，如果僅僅是用到輸入或輸出端功率分流的方式，則稱為單模混合動(dòng)力系統(tǒng)，如果用到兩種功率分流方式的組合，則成為雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)［1］.

以ADVISOR中原有的Prius模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行二次開發(fā)，建立了車速計(jì)算模型、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池組、變速器及主減速器模型等，對(duì)雙模HEV動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模，為控制策略的制定和分析建立仿真平臺(tái).主要介紹發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)模型的建立.

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是顯著非線性系統(tǒng)，真實(shí)模型相當(dāng)復(fù)雜.本文使用試驗(yàn)建模法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)建模，此方法計(jì)算簡(jiǎn)單，并且能較好的滿足仿真要求.仿真軟件ADVISOR 采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型［2，3］.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油耗圖

在HEV中，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要輸入為由整車控制器傳來的“開/關(guān)”信號(hào)、油門開度信號(hào)及轉(zhuǎn)速需求，主要輸出為轉(zhuǎn)矩、實(shí)際油耗與排放及轉(zhuǎn)速;同時(shí)，輸出的轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀況.

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊圖

1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷的主要影響因素有發(fā)動(dòng)機(jī)慣性損失和附件負(fù)荷，其輸出轉(zhuǎn)矩與節(jié)氣門的開啟狀態(tài)有關(guān).

當(dāng)節(jié)氣門開啟時(shí):

當(dāng)節(jié)氣門關(guān)閉時(shí):

式中:Te1為發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的怠速轉(zhuǎn)矩;Te2為發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性轉(zhuǎn)矩;Te_req為發(fā)動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩;Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩.

圖3 電機(jī)效率特性曲線

1.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要考慮了需求轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，此外還跟離合器的工作狀態(tài)有關(guān).

當(dāng)離合器接合時(shí):

當(dāng)離合器打滑時(shí):

當(dāng)離合器分離時(shí):

式中:ne為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)速;ne_req為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際需求的轉(zhuǎn)速;ne_max為發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速;ne1為發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速;ne2為上一時(shí)間步長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Te3為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩;Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

1.1.3 油耗與排放的計(jì)算

HEV燃油消耗的計(jì)算是發(fā)動(dòng)機(jī)模型中重要的組成部分，通過發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見圖1)，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗由式(6)計(jì)算獲得.

式中:be為發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗;B為發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)油耗;Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率.

在 ADVISOR 中，各尾氣(HC，CO，NOX，PM)按照式(7)計(jì)算.

式中:fHC，fCO，fNOX，fPM分別為發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)狀態(tài)下各尾氣的生成率.

同時(shí)，ADVISOR中的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊還將氣缸體溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響考慮進(jìn)去，并對(duì)各尾氣的生成率進(jìn)行了修正得:

式中:ε為修正系數(shù)，與冷卻系狀態(tài)有關(guān).圖2為在Matlab/Simulink環(huán)境下基于ADVISOR所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的模塊圖［4］，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算子模塊、燃油消耗和排放計(jì)算模塊以及發(fā)動(dòng)機(jī)散熱模型等.

圖4 電機(jī)模塊圖

圖5 雙?；旌蟿?dòng)力汽車的整車仿真模型頂層模塊示意

1.2 電機(jī)模型

電機(jī)在雙模HEV中既能電動(dòng)機(jī)方式工作，也可以發(fā)電機(jī)方式工作.目前采用的電機(jī)有多種，如交直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等;不論何種，其內(nèi)部的物理過程較為復(fù)雜，因此在電機(jī)模型的建立過程中，重點(diǎn)考慮輸入輸出特性，以使模型適用于各種電機(jī).通過實(shí)驗(yàn)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩、效率與轉(zhuǎn)速的曲面圖，ADVISOR中所用電機(jī)的效率圖如圖3所示.電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)效率可由式(9)通過插值獲得:

同時(shí)，電機(jī)工作特性受到最大工作轉(zhuǎn)矩的限制:

式中:TMG為電機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m);ηMG為電機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s);ηMG為電機(jī)效率;f(x)為帶插值功能的插值函數(shù);TMG_req為電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩;TMG_max為電機(jī)在當(dāng)前工作狀態(tài)下最大的工作轉(zhuǎn)矩.

圖4所示為在Matlab/Simulink環(huán)境下基于ADVISOR建立的電機(jī)模型［4］，模型根據(jù)轉(zhuǎn)子所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過電機(jī)控制程序，在參考電動(dòng)機(jī)輸出功率MAP圖的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)所需的輸入功率.

圖6 基于Simulink的整車控制器框圖

圖7 UDDS循環(huán)工況

圖8 CSHVR循環(huán)工況

1.3 整車仿真模型

在Matlab/Simulink中建立動(dòng)力系統(tǒng)各關(guān)鍵部件模型后，在此基礎(chǔ)上，在ADVISOR環(huán)境下，通過修改頂層模塊，建立雙?；旌蟿?dòng)力汽車的整車仿真模型.該仿真模型的頂層模塊如圖5所示.在整車模型中包括循環(huán)工況模塊、車輛模塊、車輪模塊、主減速器模塊、變速箱模塊、電機(jī)模塊、電機(jī)控制模塊、總線模塊、電池組、能量管理模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、排放模塊.從左向右的箭頭表示為滿足當(dāng)前道路循環(huán)下對(duì)各個(gè)模塊能量的需求，從右向左的箭頭表示當(dāng)前汽車各模塊的實(shí)際輸出量，作為上個(gè)模塊的反饋信息.

2 雙模HEV控制策略設(shè)計(jì)

整車控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗MAP圖，電池SOC、車速以及車輪出所需轉(zhuǎn)速來決定發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速.圖6所示為整車控制策略原理框圖.控制器的輸入量主要有:①由driving pattern決定的需求轉(zhuǎn)矩;②由駕駛循環(huán)決定的車速;③由電池型號(hào)決定的電池SOC;④由發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)決定的冷卻液溫度.輸出量主要有:①發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;②發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;③離合器指令(0或1).

如圖6所示，首先由“Need Engine On”模塊判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，是啟動(dòng)還是熄火;如果發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，由模糊邏輯控制器決定電池組的充電量，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率是需求功率和電池充電功率的總和.然后，選擇最佳的變速器工作模式.最后，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化，在保證需求功率得到滿足的情形下使整個(gè)系統(tǒng)的效率最大化［5］.

3 仿真分析

3.1 雙模HEV仿真及結(jié)果分析

在本文中，主要以豐田Prius的THS作為參照物，對(duì)雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與豐田THS進(jìn)行對(duì)比分析.

選擇傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，以ADVISOR中自帶的Prius模型為基礎(chǔ)，重點(diǎn)分析了雙模混合動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的建模原理建模過程，原模型進(jìn)行修改后，完成了雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)仿真平臺(tái)的建立.仿真過程中各部件的參數(shù)見表1，通過修改M文件實(shí)現(xiàn).

表1 雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖9 CSHVR工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率圖

3.2 仿真工況的選擇

目前，世界各國都對(duì)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試和排放性測(cè)試制定了詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī).車輛排放測(cè)試行駛循環(huán)工況主要分成以下三類:美國行駛工況(USDC)、歐洲行駛工況(EDC)和日本行駛工況(JDC).分別選取美國環(huán)境保護(hù)署EPA制定的城市道路循環(huán)工況CYC－UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule)和重型車輛城市及郊區(qū)道路循環(huán)工況CYC－CSHVR(City－Suburban Heavy Vehicle Route)作為仿真工況，其車速與時(shí)間的關(guān)系如圖7和圖8所示，仿真工況參數(shù)指標(biāo)［6］如表2所示.

表2 仿真工況參數(shù)

3.3 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析

在UDDS和CSHVR工況下分別對(duì)豐田THS系統(tǒng)和雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，運(yùn)行結(jié)果如表3所示.從下表中可以看出，在UDDS循環(huán)工況下，雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)較THS系統(tǒng)，燃油經(jīng)濟(jì)性有明顯改善，百公里油耗改進(jìn)8%;在CSHVR循環(huán)工況下，因?yàn)槠囋诟咚傩旭偟那闆r比較多，所以雙?；旌舷到y(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性較THS有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，百公里油耗從5.5L降低到4.8L，減少了11%.

表3 UDDS和CSHVR工況下仿真結(jié)果

無論是在UDDS工況還是CSHVR工況，雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)和THS的排放性能都非常相似，僅有細(xì)微的提升.造成這個(gè)現(xiàn)象主要有以下兩個(gè)原因:一是雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之處就以提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性為首要目標(biāo);二是在制定雙?；旌蟿?dòng)力汽車控制策略的時(shí)候，未將排放性考慮進(jìn)去.但是比較二者的排放性能，雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的仍然在可以接受的范圍內(nèi).

圖9所示為雙?；旌蟿?dòng)力汽車在CSHVR循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)效率圖，從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)基本上一直在高效區(qū)工作.

3.4 加速性能仿真分析

基于美國新一代汽車(Partnership for a New Generation of Vehicle，PNGV)動(dòng)力性的要求［7］，分別對(duì)雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)和豐田THS系統(tǒng)進(jìn)行了加速性能測(cè)試.仿真結(jié)果如表4所示.從表中可以看出，雙?；旌舷到y(tǒng)有著更好的加速性能，亦即雙?；旌蟿?dòng)力汽車動(dòng)力性更好.

表4 加速性能仿真結(jié)果

4 結(jié)論

(1)本文建立了雙模HEV整車仿真模型，制定控制策略，并進(jìn)行了仿真分析.

(2)UDDS循環(huán)工況下，雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)較THS系統(tǒng)，百公里油耗改進(jìn)8%;在CSHVR循環(huán)工況下，雙模混合系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性較THS百公里油耗從5.5L降低到4.8L，減少了11%.

(3)基于PNGV動(dòng)力性要求，雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)相比豐田THS系統(tǒng)動(dòng)力性更好.

［1］Comparative Analysis of Single and Combined Hybrid Electrically Variable Transmission Operating Modes［J］.

［2］Halls－Peert，Wilulnetti.車輛動(dòng)力學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.

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