基于Simulink 平臺(tái)混合動(dòng)力汽車能量管理研究

謝敬友

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253000）

0 引言

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是具有兩種或兩種以上動(dòng)力輸出裝置的汽車，將傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車兩者結(jié)合，通過(guò)不同的能源保證汽車動(dòng)力性能，優(yōu)化了傳統(tǒng)汽車的重污染，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程短等缺點(diǎn)。混合動(dòng)力車根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)力傳遞不同，分為串聯(lián)式混合動(dòng)力車、并聯(lián)式混合動(dòng)力車及混聯(lián)式混合動(dòng)力車。

1 混合動(dòng)力汽車的分類及結(jié)構(gòu)分析

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)及工作原理

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力裝置主要有發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和發(fā)電機(jī)。串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的不同階段工作運(yùn)行模式如下。

（1）車輛啟動(dòng)或者低速運(yùn)行階段工作模式。串聯(lián)混合動(dòng)力汽車在此階段，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，由汽車蓄電池把電能傳送給電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

（2）車速逐漸增大運(yùn)行階段工作模式。串聯(lián)混合動(dòng)力汽車在此階段，動(dòng)力輸出能量主要是有發(fā)動(dòng)機(jī)提供，蓄電池在此階段儲(chǔ)存剩余的能量。

（3）車輛急加速或爬坡運(yùn)行階段工作模式。在此階段，串聯(lián)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供的能量已經(jīng)達(dá)不到車輛行駛要求，此時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，滿足汽車此工作模式下的能量。

（4）車輛減速和制動(dòng)運(yùn)行階段工作模式。在此工作工程中，蓄電池存儲(chǔ)電機(jī)和發(fā)電機(jī)裝置回收車輛在制動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生的能量。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)及工作原理

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池及轉(zhuǎn)矩耦合器組成。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的不同階段工作運(yùn)行模式如下。

（1）車輛啟動(dòng)或者低速運(yùn)行工作模式。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)或者低速運(yùn)行階段主要是利用電動(dòng)機(jī)能量驅(qū)動(dòng)汽車行駛。

（2）車輛高速運(yùn)行及急加速或者爬坡工作模式。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車保持高速運(yùn)行下，發(fā)動(dòng)機(jī)處在高效率工作狀態(tài)，此階段主要有發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。當(dāng)車輛在急加速或爬坡時(shí)，車輛額外的動(dòng)力需求主要有電動(dòng)機(jī)提供能量。

（3）車輛減速運(yùn)行工作模式。蓄電池回收存儲(chǔ)制動(dòng)產(chǎn)生的能量。

2 基于Matlab/Simulink 軟件平臺(tái)仿真數(shù)據(jù)分析

利用Matlab/Simulink 軟件構(gòu)建整車模型，對(duì)能量分配進(jìn)行模擬分析，從而控制最佳燃油經(jīng)濟(jì)性與平衡電池電量。最終數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)控制方法，具有較強(qiáng)的理論價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。

2.1 建模參數(shù)設(shè)置

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《乘用車燃油消耗量限值》，設(shè)置歐洲駕駛循環(huán)工況（NEDC）為測(cè)試工況。電池初始值SOC0（State of Charge）為1。工況參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工況參數(shù)

2.2 能量分配數(shù)據(jù)分析

2.2.1 電池SOC 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)規(guī)則的邏輯門限值能量分配方法對(duì)整車仿真模型進(jìn)行仿真分析，確定SOCmin為0.45，SOCmax為0.85。仿真數(shù)據(jù)分析：電池SOC 值始終保持在0.5～0.8，在此區(qū)間內(nèi)電池的工作效率較高，當(dāng)車輛高速運(yùn)行時(shí)，電池SOC 值迅速減小，SOC 值出現(xiàn)略低狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)工況運(yùn)行，電池SOC 值保持在0.56。

2.2.2 燃油消耗量數(shù)據(jù)分析

（1）百公里燃油油耗量計(jì)算公式分析。百公里油耗是由電池消耗的電能和燃油消耗量的能量額分析求得，具體公式如下：

式中 qequ——電能等效油耗

ΔSOC——循環(huán)工礦開(kāi)始數(shù)值與結(jié)束數(shù)值的差值

U——蓄電池放電電壓

C——蓄電池電容

Hu——汽油熱值，44 000 kJ/kg

qact——實(shí)驗(yàn)工況的總油耗

SD——實(shí)驗(yàn)工況行駛總距離

ρgas——汽油密度

（2）燃油消耗量數(shù)據(jù)分析。通過(guò)公式計(jì)算，燃油消耗為6.0 L，數(shù)據(jù)查詢百公里油耗理論值為7.4 L。燃油經(jīng)濟(jì)性提高了18.9%。經(jīng)過(guò)整個(gè)循環(huán)工況仿真測(cè)試，最終的燃油消耗為365 g。

3 結(jié)論

（1）串聯(lián)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出與驅(qū)動(dòng)軸之間沒(méi)有機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)工作不受行駛工況的影響，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的效率較高。但是車輛行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的能量經(jīng)過(guò)兩次能量轉(zhuǎn)換，能量損失嚴(yán)重，故效率利用率較低。

（2）并聯(lián)混合動(dòng)力汽車依靠變速器和動(dòng)力裝置傳輸發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力，沒(méi)有機(jī)械連接，因此發(fā)動(dòng)機(jī)能量及機(jī)械效率利用率較高，大大提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。