基于ADVISOR的城市用混聯(lián)式混合動力汽車的建模與仿真

吳 越 ，肖 平 ，胡紅生 ，李 偉

隨著石油資源的日益枯竭和汽車保有量的不斷增多，人們對電動汽車的依賴越來越多。另外，城市里的出租車越來越多，對城市低空造成的污染越來越重，這也需要新型電動出租車取代傳統(tǒng)的燃油出租車。目前，人們正在研究各種類型的電動汽車，以取代傳統(tǒng)的燃油汽車。電動汽車可分為純電動汽車、混合動力電動汽車、燃料電池汽車。純電動汽車電池的比功率低、比能量小、充電速度慢，其行駛距離受到了極大的限制，因此不適合作為城市出租車使用；燃料電池汽車中的氫氣存儲問題尚未得到較好的解決，也不適合作為城市出租車使用［1］?；旌蟿恿﹄妱悠嚲哂邪l(fā)動機、電動機兩套動力系統(tǒng)，在電力不足的工況下，可以使用發(fā)動機驅(qū)動汽車行駛，在電力充足的情況下可以使用電動機驅(qū)動汽車行駛，其特點是行駛距離不受限制，且排放少、油耗低。因此，混合動力電動汽車非常適合作為城市出租車使用。在本文中，我們分析和研究了混聯(lián)式混合動力電動汽車的系統(tǒng)機構(gòu)和工作原理，建立了系統(tǒng)各部分的數(shù)學(xué)模型，在ADVISOR中建立了該車的仿真模型，并對兩種工況下的仿真結(jié)果進行了分析，結(jié)果表明混聯(lián)式混合動力汽車在這兩種工況下表現(xiàn)出良好的性能，能滿足環(huán)保和使用者的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

在本文中，我們研究的是混聯(lián)式混合動力汽車，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，發(fā)動機產(chǎn)生的機械能可通過動力傳遞裝置直接驅(qū)動車輪前進，電池組-電動機組也可通過動力傳遞裝置直接驅(qū)動車輪前進。另外，發(fā)動機輸出的機械能在驅(qū)動汽車行駛的同時還為電池組充電。

圖1 混合動力汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 建立系統(tǒng)模型

在本文中，我們將研究4門5座3廂混聯(lián)式混合動力汽車。該汽車由兩臺機器驅(qū)動：一臺是汽油發(fā)動機，功率為118 kW；另一臺是電動機，最大功率為105 kW。另外，該汽車還裝有交流同步發(fā)電機和鎳氫蓄電池組，發(fā)電機的最大功率為105 kW，電池組由34個模塊（每個模塊由6節(jié)1.2 V電池組成，單體電池容量為6.5 Ah）組成。下面利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)原理、工作原理以及ADVISOR軟件建立混合動力汽車系統(tǒng)中各部分的數(shù)學(xué)模型。

2.1 建立發(fā)動機模型

根據(jù)發(fā)動機制造商提供的數(shù)據(jù)，我們做了發(fā)動機的臺架性能實驗，得到了擬合函數(shù)，再結(jié)合發(fā)動機的動力學(xué)方程［2］，得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩表達式=? 1 81.3 + 3 79.36+ 21.91(A F)2+ 0.26σ?0.002 8σ2+0.027 wE? 0 .000107 wE2+0.004 8wEσ+2.55σ?0.5σ2M， 其中， M為發(fā)動機的進氣質(zhì) aa量，A/F為空燃比，σ 為點火提前角，wE為發(fā)動機的扭矩。另外，發(fā)動機的實際輸出轉(zhuǎn)矩隨節(jié)氣門開度的變化而變化，當(dāng)節(jié)氣門開度最大時，發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩最大，發(fā)動機輸出的實際轉(zhuǎn)矩 Te=u( TE)max，其中u為節(jié)氣門開度大小。

發(fā)動機的加速狀態(tài)方程為

其中，JE為發(fā)動機的轉(zhuǎn)動慣量，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。將代入加速狀態(tài)方程，可得

2.2 建立電動機模型

在本文中，我們研究的混聯(lián)式混合動力汽車的驅(qū)動電機為三相交流異步電機，其運行遵循能量守恒定律、安培環(huán)路定律、磁路的歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、全電流定律［3］等，由此可以得出如下電機模型：

電機中每相轉(zhuǎn)子的電壓 ub= Rbib+(? e2),其中，Rb為轉(zhuǎn)子的電阻，ib為轉(zhuǎn)子的電流，e2為轉(zhuǎn)子漏磁電動勢。

電機的轉(zhuǎn)矩 T = KTφ iecos?2，其中，KT為電機常數(shù)，φ 為每個極的磁通量，ie為電機的額定電流，cos?2為電機的功率因數(shù)。

電機的運動學(xué)方程 T = J d w dt + T0，其中，J為轉(zhuǎn)動慣量，T0為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩。

2.3 建立發(fā)電機模型

混聯(lián)式混合動力電動汽車上安裝的是交流同步發(fā)電機，它遵循的各項原理與電機的一致，因此可以建立如下發(fā)電機模型 J d ω1dt= T1?T2?cω1，其中，J為發(fā)電機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，T1為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，T2為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，c為發(fā)電機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)， ω1為角速度。

2.4 建立電池模型

混聯(lián)式混合動力汽車使用的鎳氫電池的電化學(xué)性質(zhì)是不穩(wěn)定的，因此需要借助電池的開路電壓和內(nèi)阻等參數(shù)檢測電池組的Bsoc（Bsoc為電池組的荷電狀態(tài)）。在不考慮外界影響因素的條件［4］下，可建立如下電池的數(shù)學(xué)模型：

電池組端電壓 Ua= Ea?IaRa，其中Ua為端電壓，Ea為開路的電壓，Ia為電流，Ra為電池組的內(nèi)阻。

電池組的功率 Pa= EaIa?Ia2Ra，其中Ea為開路的電壓，Ia為電流，Ra為電池組的內(nèi)阻。

其中，G0為初始的溫度，Qw為因功率損耗發(fā)出的熱量，Qa為電池組散發(fā)到空氣中的熱量，m1為電池組的質(zhì)量，c1為電池組的比熱容。

電池組的開路電壓Ea是Bsoc和Gm的函數(shù)，電池組的內(nèi)阻 Ra是 Bsoc、Gm和 Ni（電流的方向）的函數(shù)，即

因為鎳氫電池充放電時會產(chǎn)生大量的熱量，這會使電池的溫度升高，其電化學(xué)特性與許多因素有關(guān)，所以其內(nèi)阻與開路電壓的方程[式（2）和式（3）]是不相同的。

2.5 建立車身模型

當(dāng)汽車在道路上行駛的時候，所克服的阻力為坡度阻力、空氣阻力、滾動阻力、加速阻力［5］。 因此，汽車的行駛方程為其中，F(xiàn)t為汽車驅(qū)動力，F(xiàn)a為滾動阻力，F(xiàn)b為空氣阻力，F(xiàn)c為坡度阻力，F(xiàn)d為加速阻力，G為汽車所受的重力，f為滾動阻力系數(shù)，CD為空氣的阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積（m2），ua為汽車的行駛速度，Ψ 為道路阻力系數(shù)，m為汽車的總質(zhì)量（kg）；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)， d uadt 是為汽車的行駛加速度。

2.6 建立控制器模型

混聯(lián)式混合動力汽車有3種工作模式，即純電動模式、邊充電邊放電模式和駐車充電模式。設(shè)發(fā)動機-發(fā)電機組的輸出功率為pu，行駛所需要的功率（以下簡稱需求功率）為pxy，電池組荷電狀態(tài)的工作區(qū)間的上、下限分別為 m ax(Bsoc)、m in(Bsoc)，則混合動力汽車的控制邏輯可表示為如下形式：1）當(dāng) Bsoc值大于某一設(shè)定值 ( Bsoc)0，且 m ax(Bsoc) ≥( Bsoc)0≥ m in(Bsoc)時，若需求功率 pxy較小，發(fā)動機-發(fā)電機組關(guān)閉，其輸出功率pu為0，只有電池組為整車提供動力。2）當(dāng) Bsoc值大于(Bsoc)0，且需求功率pxy也較高時，電池組提供大部分動力，發(fā)動機-發(fā)電機組提供少部分動力。3）當(dāng) Bsoc的值接近 ( Bsoc)0，且當(dāng)需求功率pxy大于發(fā)動機-發(fā)電機組所提供的功率時，電池組才提供動力。4）當(dāng) Bsoc值小于 ( Bsoc)0時，發(fā)動機-發(fā)電機組為電池組充電，直至Bsoc值高于 ( Bsoc)0，只有當(dāng)需求功率pxy高于發(fā)動機-發(fā)電機組提供的功率，電池組才會向整車提供動力［6］。

3 仿真模型與結(jié)果分析

3.1 仿真模型

借助以上發(fā)動機、驅(qū)動電動機、發(fā)電機、電池、車身以及控制器的數(shù)學(xué)模型，并借助ADVISOR仿真軟件，我們利用MATLAB/SIMULINK軟件建立了混聯(lián)式混合動力汽車的仿真模型（圖2）。其中，電動機與發(fā)動機的狀態(tài)由控制器根據(jù)控制邏輯以及電池組的 Bsoc確定。另外，仿真系統(tǒng)的需求功率pxy是通過控制器根據(jù)其驅(qū)動循環(huán)的速度計算得到的。

圖2 混合動力汽車仿真模型

3.2 仿真試驗與結(jié)果分析

混合動力汽車選擇的循環(huán)路況不同，其車速、荷電狀態(tài)、發(fā)動機的排放物也不相同。另外，混合動力汽車的仿真實驗必須以合理的行駛路況作為實驗條件。因此，選取良好的循環(huán)路況對混合動力汽車的仿真是有意義的。在仿真過程中，我們選取了兩種典型的循環(huán)路況，即歐盟城市路況和新歐洲行駛循環(huán)工況，并設(shè)置了運用ADVISOR軟件仿真的某混聯(lián)式混合動力汽車的參數(shù)界面（圖3）。

圖3 某混聯(lián)式混合動力汽車仿真模型的參數(shù)設(shè)置界面

3.2.1 歐盟城市路況仿真

在歐盟城市路況循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)仿真條件下，設(shè)置仿真參數(shù)如下：每次循環(huán)時間為380 s，仿真步長為1，循環(huán)次數(shù)為10。仿真結(jié)果如圖4～圖10所示。圖4表示的是歐盟城市路況下速度與時間的關(guān)系，汽車行駛350 s時速度達到120 km/h。圖5表示此路況下的車速跟隨結(jié)果，10個循環(huán)的結(jié)果與圖4一樣。由圖4和圖5可知車速跟隨時間情況良好。純電動行駛是通過關(guān)閉發(fā)動機來實現(xiàn)的，圖6表示的是純電動模式下電池組的Bsoc隨時間的變化情況，圖7給出了純電動模式下路程與時間的關(guān)系。從圖7可以看出，在2 400 s時電池組能量耗盡，行駛路程40 km左右，由此可知在公園、學(xué)校和一些地方不大的場所，純電動模式是完全滿足要求的最環(huán)保行車模式。圖8表示的是各種排放物的仿真結(jié)果，從圖8可以看出，發(fā)動機的各種排放量都很低，與國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)對比的結(jié)果見表1。圖9是電池組的 Bsoc的仿真結(jié)果，從圖9可以看出，電池組的 Bsoc仿真結(jié)果包含了10個循環(huán)，在歐盟城市路況下電池組的 Bsoc能維持的最佳工作區(qū)間為 0.55～0.65（在 0.4～0.8內(nèi)），壽命與性能也能得到保障。從圖9還可以看出，電池組的 Bsoc能恢復(fù)到0.65左右，這說明該汽車的發(fā)動機-發(fā)電機組所提供的電能可以滿足混聯(lián)式混合動力汽車在此循環(huán)工況下工作。混聯(lián)式混合動力汽車在行駛中：當(dāng)電池組的Bsoc接近0.56時，發(fā)動機就會啟動，并給電池組充電；當(dāng)電池組的 Bsoc達到0.65時，發(fā)動機關(guān)閉，停止向電池組充電。這種行駛模式避免了鎳氫電池因過度充放電造成的損害。圖10是汽車行駛路程的仿真結(jié)果，從圖10可以看出，只要油箱里有油，汽車的續(xù)航距離能達到無限大，這說明仿真結(jié)果是符合實際情況的。

表1 兩種工況及國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)

圖4 歐盟城市路況下速度的變化情況

圖5 歐盟城市路況下車速的跟隨結(jié)果

圖6 歐盟城市路況下純電動模式電池組的B SOC的變化情況

圖7 歐盟城市路況純電動模式下行駛距離與時間的關(guān)系

圖8 歐盟城市路況下發(fā)動機各排放物的仿真結(jié)果

圖9 歐盟城市路況下電池組的B SOC的變化情況

圖10 歐盟城市路況下行駛距離仿真結(jié)果

3.2.2 新歐洲行駛工況仿真

在新歐洲行駛工況仿真條件下，設(shè)置仿真參數(shù)如下：每次循環(huán)時間為1 200 s，仿真步長為1，循環(huán)次數(shù)為10。仿真結(jié)果如圖11～圖17所示。圖11表示的是新歐洲行駛工況下速度與時間的關(guān)系，在1 150 s左右速度達到120 km/h。圖12表示在此工況下的車速跟隨結(jié)果，10個循環(huán)的結(jié)果與圖11一樣。由圖11和圖12可知，車速跟隨時間情況良好。圖13是純電動模式下電池組Bsoc隨時間的變化情況，圖14給出了純電動模式下路程與時間的關(guān)系，從圖14可以看出，在純電動模式下，汽車行駛5 500s左右電池組能量耗盡，行駛距離約為48 km，在歐洲公園和學(xué)校等禁止排放尾氣的場合是完全滿足要求的。圖15表示的是發(fā)動機各排放物的仿真結(jié)果，從圖15可以看出，在新歐洲行駛工況下的排放量依然很低，與國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的對比結(jié)果見表1。圖16描述的是電池組的Bsoc的仿真結(jié)果，從圖16可以看出，電池組的Bsoc的仿真結(jié)果包含了10個循環(huán)，在新歐洲行駛工況下電池組的Bsoc能夠維持的最佳工作區(qū)間為 0.50～0.68（在 0.4～0.8內(nèi)），電池組的壽命與性能能得到保障，從圖16還看出，電池組的Bsoc可以恢復(fù)到0.6，這說明了該汽車的發(fā)動機-發(fā)電機組提供的電能可以滿足混聯(lián)式混合動力汽車在此工況下工作?；炻?lián)式混合動力汽車在行駛中：當(dāng)電池組的Bsoc接近0.50時，發(fā)動機就會啟動，給電池組充電；當(dāng)電池組的Bsoc接近0.6時，發(fā)動機就會關(guān)閉，停止向電池組充電。這種行駛模式很好地避免了鎳氫電池因過度充放電造成的損害。圖17是行駛距離的仿真結(jié)果，從圖17得出，只要油箱里有油，汽車的行駛距離能達到無限大，這說明仿真結(jié)果是符合實際情況的。

圖11 新歐洲行駛工況下速度與時間的關(guān)系

圖12 新歐洲行駛工況下車速跟隨結(jié)果

圖13 新歐洲行駛工況純電動模式下電池組的B SOC的變化情況

圖14 新歐洲行駛工況純電動模式下路程與時間的關(guān)系

圖15 新歐洲行駛工況下各排放物的仿真結(jié)果

圖16 新歐洲行駛工況下電池組的B SOC的變化情況

圖17 新歐洲行駛工況下行駛距離仿真結(jié)果

4 結(jié)論

我們研究了混聯(lián)式混合動力汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了汽車系統(tǒng)中發(fā)動機、電動機、發(fā)電機、電池、車身和控制器的數(shù)學(xué)模型，并借助ADVISOR仿真軟件建立了混聯(lián)式混合動力汽車的仿真模型。通過歐盟城市路況和新歐洲行駛循環(huán)工況對混聯(lián)式混合動力汽車進行了仿真分析，結(jié)果表明混合動力汽車在這兩種工況下表現(xiàn)出良好的性能，滿足了環(huán)保和使用者的要求。所得結(jié)論對混聯(lián)式混合動力出租車的研究提供了有益的參考。

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