并聯(lián)混合動(dòng)力客車建模與仿真分析

張?jiān)?++畢明軒++齊萬(wàn)強(qiáng)

摘 要：針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型和整車模型。在此基礎(chǔ)上，基于臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明兩者吻合度較好，說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好，能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)混合動(dòng)力客車；整車建模；仿真分析

引言

并聯(lián)混合動(dòng)力客車是一個(gè)龐大而復(fù)雜的機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)開發(fā)周期中基于綜合因素考慮，不可能直接通過(guò)建立原型進(jìn)行大量實(shí)車試驗(yàn)。因此，在對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)中，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì) HEV 零部件及整車建立合理且有效的仿真模型是模擬和分析其復(fù)雜行為的前提與基礎(chǔ)。

1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

本課題建立的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型包括三個(gè)部分：車輛控制系統(tǒng)模型（包括駕駛員模型及控制器模型）、部件模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

2 車輛控制系統(tǒng)模型

2.1 駕駛員模型

駕駛員模型如圖2所示，包括相對(duì)速度計(jì)算子模塊和縱向計(jì)算子模塊兩部分。

2.2 車輛控制器模型

車輛控制器模型如圖3所示，模型采用“總線+模塊”結(jié)構(gòu)， 三條總線分別為涵蓋從整車系統(tǒng)各部件發(fā)送來(lái)的狀態(tài)信息的輸入?yún)?shù)總線，包含由各功能模塊計(jì)算得到的中間參數(shù)的控制參數(shù)總線，以及向各部件發(fā)送命令的控制命令總線。三個(gè)子模塊分別為參數(shù)計(jì)算模塊，控制策略模塊和控制命令處理模塊。

3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車主要部件模型

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模型包括轉(zhuǎn)矩計(jì)算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型為：

Te_max=f（？棕e）

式中Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（Nm），？棕e為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（rad/s），f（·）為一維線性內(nèi)插值算子。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量計(jì)算模型為：

式中Vfuel為燃油消耗量（L），？籽fuel為燃油密度（g/L），ge為發(fā)動(dòng)機(jī)在（？棕e，Te）點(diǎn)的燃油消耗率（g/s），f（·，·）為二維線性內(nèi)插值算子。

發(fā)動(dòng)機(jī)排放物NOx，CO，HC的質(zhì)量流量計(jì)算模型為：

式中mHC、mCO和mNOx分別為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的HC、CO和NOx質(zhì)量，fHC（·，·）、fCO（·，·）和fNOx（·，·）為二維查表函數(shù)，由發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)確定。

3.2 電機(jī)模型

電機(jī)/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。

其中，Tm_max是電機(jī)最大扭矩，根據(jù)轉(zhuǎn)速一維查表得到；？濁m是電機(jī)效率，根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩二維查表得到；K為代表能量流動(dòng)方向的指數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)模式下運(yùn)行時(shí)，k=-1，此時(shí)電機(jī)向車輛提供驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行時(shí)，k=+1，此時(shí)系統(tǒng)能量被轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池里，工作在制動(dòng)能量回收狀態(tài)下。

3.3 鎳氫電池模型

電池組可視為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)內(nèi)阻相串聯(lián)的電路。內(nèi)阻模型的輸入輸出關(guān)系為：

式中，U為負(fù)載電壓（V）；Uoc為電池開路電壓（V）；I為充放電電流（A）；R為電池內(nèi)阻（Ω），f（·）為一維線性內(nèi)插值算子。

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

3.4.1 離合器模型

離合器狀態(tài)包括離合器完全接合時(shí)的鎖止?fàn)顟B(tài)以及未完全接合時(shí)的非鎖止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)離合器所處狀態(tài)，模型的輸入輸出關(guān)系為：

（1）離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

式中，Jin、Tin分別為離合器前動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)矩，ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速；Tout、Jout為輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωin為輸出轉(zhuǎn)速；J為離合器自身慣量。

（2）離合器處于非鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

式中，Tf為離合器摩擦轉(zhuǎn)矩，Tslip，max為離合器打滑之前的最大摩擦轉(zhuǎn)矩。Ccpl為反應(yīng)離合器接合狀態(tài)的控制指令，Ccpl∈[0，1]，當(dāng)Ccpl=1時(shí)離合器為鎖止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)Ccpl=0時(shí)離合器完全分離。

3.4.2 變速器模型

變速器模型的輸入輸出關(guān)系為：

Tout=（Tin-Tloss）×ig

式中：變速器轉(zhuǎn)矩?fù)p失Tloss=kloss×Tloss，map；kloss為轉(zhuǎn)矩?fù)p失調(diào)和系數(shù)；Tloss，map為查轉(zhuǎn)矩?fù)p失MAP圖得到的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，Tloss，map=f（？棕in，Tin，gn）

3.5 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

根據(jù)經(jīng)典的汽車動(dòng)力學(xué)方程建立的汽車動(dòng)力學(xué)模型為：

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)j為加速阻力；G為車輛總重量，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，？琢道路坡度值；CD為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，va為實(shí)際車速；？啄m為車輛等效平動(dòng)質(zhì)量。

4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動(dòng)力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過(guò)程中，各部件的參數(shù)都是根據(jù)實(shí)車參數(shù)設(shè)置，各部件內(nèi)部參數(shù)設(shè)置完畢后，將各部件利用機(jī)械連接和信號(hào)連接進(jìn)行連接，完成整車模型搭建。

將建立的Simulink模型通過(guò)Interface接口與Cruise軟件聯(lián)接進(jìn)行聯(lián)合仿真，針對(duì)混合動(dòng)力客車典型工況進(jìn)行仿真，分別得到相應(yīng)工況下車速-時(shí)間曲線和電池SOC值變化曲線，如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出，整車行駛過(guò)程中，仿真車速能很好地跟隨實(shí)際車速，且動(dòng)力電池SOC變化趨勢(shì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，SOC值波動(dòng)較小， 說(shuō)明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、傳動(dòng)系等各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型以及HEV整車模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)混合動(dòng)力客車模型進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好，能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]曾小華，王慶年，王偉華.混合動(dòng)力汽車能耗最優(yōu)數(shù)學(xué)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（18）：4309-4325.

[2]高愛(ài)云，付主木.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的建模和仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（7）：77-79.

[3]孫文凱.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的仿真研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2007.

[4]王保華，羅永革.基于 CRUISE 的汽車建模和仿真研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（2）：5-8.

[5]蘇信杰.混合動(dòng)力城市客車整體設(shè)計(jì)與控制策略的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[6]金啟前.混合動(dòng)力客車試驗(yàn)與評(píng)價(jià)問(wèn)題研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

[7]于俊偉.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)建模及控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[8]王偉達(dá)，項(xiàng)昌樂(lè)，劉輝，等.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)多能源綜合控制策略[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44（1）：138-143.

作者簡(jiǎn)介：張?jiān)剩?973-），女，吉林省長(zhǎng)春市人，長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，副教授，吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士。endprint

摘 要：針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型和整車模型。在此基礎(chǔ)上，基于臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明兩者吻合度較好，說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好，能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)混合動(dòng)力客車；整車建模；仿真分析

引言

并聯(lián)混合動(dòng)力客車是一個(gè)龐大而復(fù)雜的機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)開發(fā)周期中基于綜合因素考慮，不可能直接通過(guò)建立原型進(jìn)行大量實(shí)車試驗(yàn)。因此，在對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)中，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì) HEV 零部件及整車建立合理且有效的仿真模型是模擬和分析其復(fù)雜行為的前提與基礎(chǔ)。

1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

本課題建立的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型包括三個(gè)部分：車輛控制系統(tǒng)模型（包括駕駛員模型及控制器模型）、部件模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

2 車輛控制系統(tǒng)模型

2.1 駕駛員模型

駕駛員模型如圖2所示，包括相對(duì)速度計(jì)算子模塊和縱向計(jì)算子模塊兩部分。

2.2 車輛控制器模型

車輛控制器模型如圖3所示，模型采用“總線+模塊”結(jié)構(gòu)， 三條總線分別為涵蓋從整車系統(tǒng)各部件發(fā)送來(lái)的狀態(tài)信息的輸入?yún)?shù)總線，包含由各功能模塊計(jì)算得到的中間參數(shù)的控制參數(shù)總線，以及向各部件發(fā)送命令的控制命令總線。三個(gè)子模塊分別為參數(shù)計(jì)算模塊，控制策略模塊和控制命令處理模塊。

3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車主要部件模型

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模型包括轉(zhuǎn)矩計(jì)算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型為：

Te_max=f（？棕e）

式中Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（Nm），？棕e為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（rad/s），f（·）為一維線性內(nèi)插值算子。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量計(jì)算模型為：

式中Vfuel為燃油消耗量（L），？籽fuel為燃油密度（g/L），ge為發(fā)動(dòng)機(jī)在（？棕e，Te）點(diǎn)的燃油消耗率（g/s），f（·，·）為二維線性內(nèi)插值算子。

發(fā)動(dòng)機(jī)排放物NOx，CO，HC的質(zhì)量流量計(jì)算模型為：

式中mHC、mCO和mNOx分別為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的HC、CO和NOx質(zhì)量，fHC（·，·）、fCO（·，·）和fNOx（·，·）為二維查表函數(shù)，由發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)確定。

3.2 電機(jī)模型

電機(jī)/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。

其中，Tm_max是電機(jī)最大扭矩，根據(jù)轉(zhuǎn)速一維查表得到；？濁m是電機(jī)效率，根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩二維查表得到；K為代表能量流動(dòng)方向的指數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)模式下運(yùn)行時(shí)，k=-1，此時(shí)電機(jī)向車輛提供驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行時(shí)，k=+1，此時(shí)系統(tǒng)能量被轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池里，工作在制動(dòng)能量回收狀態(tài)下。

3.3 鎳氫電池模型

電池組可視為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)內(nèi)阻相串聯(lián)的電路。內(nèi)阻模型的輸入輸出關(guān)系為：

式中，U為負(fù)載電壓（V）；Uoc為電池開路電壓（V）；I為充放電電流（A）；R為電池內(nèi)阻（Ω），f（·）為一維線性內(nèi)插值算子。

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

3.4.1 離合器模型

離合器狀態(tài)包括離合器完全接合時(shí)的鎖止?fàn)顟B(tài)以及未完全接合時(shí)的非鎖止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)離合器所處狀態(tài)，模型的輸入輸出關(guān)系為：

（1）離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

式中，Jin、Tin分別為離合器前動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)矩，ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速；Tout、Jout為輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωin為輸出轉(zhuǎn)速；J為離合器自身慣量。

（2）離合器處于非鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

式中，Tf為離合器摩擦轉(zhuǎn)矩，Tslip，max為離合器打滑之前的最大摩擦轉(zhuǎn)矩。Ccpl為反應(yīng)離合器接合狀態(tài)的控制指令，Ccpl∈[0，1]，當(dāng)Ccpl=1時(shí)離合器為鎖止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)Ccpl=0時(shí)離合器完全分離。

3.4.2 變速器模型

變速器模型的輸入輸出關(guān)系為：

Tout=（Tin-Tloss）×ig

式中：變速器轉(zhuǎn)矩?fù)p失Tloss=kloss×Tloss，map；kloss為轉(zhuǎn)矩?fù)p失調(diào)和系數(shù)；Tloss，map為查轉(zhuǎn)矩?fù)p失MAP圖得到的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，Tloss，map=f（？棕in，Tin，gn）

3.5 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

根據(jù)經(jīng)典的汽車動(dòng)力學(xué)方程建立的汽車動(dòng)力學(xué)模型為：

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)j為加速阻力；G為車輛總重量，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，？琢道路坡度值；CD為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，va為實(shí)際車速；？啄m為車輛等效平動(dòng)質(zhì)量。

4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動(dòng)力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過(guò)程中，各部件的參數(shù)都是根據(jù)實(shí)車參數(shù)設(shè)置，各部件內(nèi)部參數(shù)設(shè)置完畢后，將各部件利用機(jī)械連接和信號(hào)連接進(jìn)行連接，完成整車模型搭建。

將建立的Simulink模型通過(guò)Interface接口與Cruise軟件聯(lián)接進(jìn)行聯(lián)合仿真，針對(duì)混合動(dòng)力客車典型工況進(jìn)行仿真，分別得到相應(yīng)工況下車速-時(shí)間曲線和電池SOC值變化曲線，如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出，整車行駛過(guò)程中，仿真車速能很好地跟隨實(shí)際車速，且動(dòng)力電池SOC變化趨勢(shì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，SOC值波動(dòng)較小， 說(shuō)明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、傳動(dòng)系等各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型以及HEV整車模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)混合動(dòng)力客車模型進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好，能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]曾小華，王慶年，王偉華.混合動(dòng)力汽車能耗最優(yōu)數(shù)學(xué)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（18）：4309-4325.

[2]高愛(ài)云，付主木.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的建模和仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（7）：77-79.

[3]孫文凱.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的仿真研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2007.

[4]王保華，羅永革.基于 CRUISE 的汽車建模和仿真研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（2）：5-8.

[5]蘇信杰.混合動(dòng)力城市客車整體設(shè)計(jì)與控制策略的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[6]金啟前.混合動(dòng)力客車試驗(yàn)與評(píng)價(jià)問(wèn)題研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

[7]于俊偉.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)建模及控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[8]王偉達(dá)，項(xiàng)昌樂(lè)，劉輝，等.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)多能源綜合控制策略[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44（1）：138-143.

作者簡(jiǎn)介：張?jiān)剩?973-），女，吉林省長(zhǎng)春市人，長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，副教授，吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士。endprint

摘 要：針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型和整車模型。在此基礎(chǔ)上，基于臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明兩者吻合度較好，說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好，能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)混合動(dòng)力客車；整車建模；仿真分析

引言

并聯(lián)混合動(dòng)力客車是一個(gè)龐大而復(fù)雜的機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)開發(fā)周期中基于綜合因素考慮，不可能直接通過(guò)建立原型進(jìn)行大量實(shí)車試驗(yàn)。因此，在對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)中，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì) HEV 零部件及整車建立合理且有效的仿真模型是模擬和分析其復(fù)雜行為的前提與基礎(chǔ)。

1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

本課題建立的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型包括三個(gè)部分：車輛控制系統(tǒng)模型（包括駕駛員模型及控制器模型）、部件模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力汽車前向式動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

2 車輛控制系統(tǒng)模型

2.1 駕駛員模型

駕駛員模型如圖2所示，包括相對(duì)速度計(jì)算子模塊和縱向計(jì)算子模塊兩部分。

2.2 車輛控制器模型

車輛控制器模型如圖3所示，模型采用“總線+模塊”結(jié)構(gòu)， 三條總線分別為涵蓋從整車系統(tǒng)各部件發(fā)送來(lái)的狀態(tài)信息的輸入?yún)?shù)總線，包含由各功能模塊計(jì)算得到的中間參數(shù)的控制參數(shù)總線，以及向各部件發(fā)送命令的控制命令總線。三個(gè)子模塊分別為參數(shù)計(jì)算模塊，控制策略模塊和控制命令處理模塊。

3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車主要部件模型

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模型包括轉(zhuǎn)矩計(jì)算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型為：

Te_max=f（？棕e）

式中Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（Nm），？棕e為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（rad/s），f（·）為一維線性內(nèi)插值算子。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量計(jì)算模型為：

式中Vfuel為燃油消耗量（L），？籽fuel為燃油密度（g/L），ge為發(fā)動(dòng)機(jī)在（？棕e，Te）點(diǎn)的燃油消耗率（g/s），f（·，·）為二維線性內(nèi)插值算子。

發(fā)動(dòng)機(jī)排放物NOx，CO，HC的質(zhì)量流量計(jì)算模型為：

式中mHC、mCO和mNOx分別為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的HC、CO和NOx質(zhì)量，fHC（·，·）、fCO（·，·）和fNOx（·，·）為二維查表函數(shù)，由發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)確定。

3.2 電機(jī)模型

電機(jī)/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。

其中，Tm_max是電機(jī)最大扭矩，根據(jù)轉(zhuǎn)速一維查表得到；？濁m是電機(jī)效率，根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩二維查表得到；K為代表能量流動(dòng)方向的指數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)模式下運(yùn)行時(shí)，k=-1，此時(shí)電機(jī)向車輛提供驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行時(shí)，k=+1，此時(shí)系統(tǒng)能量被轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池里，工作在制動(dòng)能量回收狀態(tài)下。

3.3 鎳氫電池模型

電池組可視為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)內(nèi)阻相串聯(lián)的電路。內(nèi)阻模型的輸入輸出關(guān)系為：

式中，U為負(fù)載電壓（V）；Uoc為電池開路電壓（V）；I為充放電電流（A）；R為電池內(nèi)阻（Ω），f（·）為一維線性內(nèi)插值算子。

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

3.4.1 離合器模型

離合器狀態(tài)包括離合器完全接合時(shí)的鎖止?fàn)顟B(tài)以及未完全接合時(shí)的非鎖止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)離合器所處狀態(tài)，模型的輸入輸出關(guān)系為：

（1）離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

式中，Jin、Tin分別為離合器前動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)矩，ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速；Tout、Jout為輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωin為輸出轉(zhuǎn)速；J為離合器自身慣量。

（2）離合器處于非鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系

式中，Tf為離合器摩擦轉(zhuǎn)矩，Tslip，max為離合器打滑之前的最大摩擦轉(zhuǎn)矩。Ccpl為反應(yīng)離合器接合狀態(tài)的控制指令，Ccpl∈[0，1]，當(dāng)Ccpl=1時(shí)離合器為鎖止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)Ccpl=0時(shí)離合器完全分離。

3.4.2 變速器模型

變速器模型的輸入輸出關(guān)系為：

Tout=（Tin-Tloss）×ig

式中：變速器轉(zhuǎn)矩?fù)p失Tloss=kloss×Tloss，map；kloss為轉(zhuǎn)矩?fù)p失調(diào)和系數(shù)；Tloss，map為查轉(zhuǎn)矩?fù)p失MAP圖得到的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，Tloss，map=f（？棕in，Tin，gn）

3.5 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

根據(jù)經(jīng)典的汽車動(dòng)力學(xué)方程建立的汽車動(dòng)力學(xué)模型為：

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)j為加速阻力；G為車輛總重量，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，？琢道路坡度值；CD為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，va為實(shí)際車速；？啄m為車輛等效平動(dòng)質(zhì)量。

4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動(dòng)力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過(guò)程中，各部件的參數(shù)都是根據(jù)實(shí)車參數(shù)設(shè)置，各部件內(nèi)部參數(shù)設(shè)置完畢后，將各部件利用機(jī)械連接和信號(hào)連接進(jìn)行連接，完成整車模型搭建。

將建立的Simulink模型通過(guò)Interface接口與Cruise軟件聯(lián)接進(jìn)行聯(lián)合仿真，針對(duì)混合動(dòng)力客車典型工況進(jìn)行仿真，分別得到相應(yīng)工況下車速-時(shí)間曲線和電池SOC值變化曲線，如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出，整車行駛過(guò)程中，仿真車速能很好地跟隨實(shí)際車速，且動(dòng)力電池SOC變化趨勢(shì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，SOC值波動(dòng)較小， 說(shuō)明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車建立了車輛控制系統(tǒng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、傳動(dòng)系等各主要部件模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型以及HEV整車模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)混合動(dòng)力客車模型進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，說(shuō)明模型的精度和實(shí)用性較好，能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]曾小華，王慶年，王偉華.混合動(dòng)力汽車能耗最優(yōu)數(shù)學(xué)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（18）：4309-4325.

[2]高愛(ài)云，付主木.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的建模和仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（7）：77-79.

[3]孫文凱.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的仿真研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2007.

[4]王保華，羅永革.基于 CRUISE 的汽車建模和仿真研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（2）：5-8.

[5]蘇信杰.混合動(dòng)力城市客車整體設(shè)計(jì)與控制策略的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[6]金啟前.混合動(dòng)力客車試驗(yàn)與評(píng)價(jià)問(wèn)題研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

[7]于俊偉.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)建模及控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[8]王偉達(dá)，項(xiàng)昌樂(lè)，劉輝，等.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)多能源綜合控制策略[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44（1）：138-143.

作者簡(jiǎn)介：張?jiān)剩?973-），女，吉林省長(zhǎng)春市人，長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，副教授，吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士。endprint