混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)建模與仿真

劉 艷，魏 凱*

(1. 大連大學(xué)大連市環(huán)境感知與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116622； 2. 大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 大連116622)

1 引言

隨著資源短缺和環(huán)境污染日益加重，國(guó)內(nèi)外汽車研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都致力于改善汽車的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性，將新能源汽車作為研究重點(diǎn)。受電池等儲(chǔ)能技術(shù)的制約，純電動(dòng)汽車行駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力差?；旌蟿?dòng)力汽車兼具傳統(tǒng)燃油汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地改善燃油消耗及降低排放，是目前解決節(jié)能環(huán)保問(wèn)題最有效的方案之一[1]。在實(shí)車的設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)仿真是一個(gè)有力的輔助工具，可以有效地提高研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。在混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)開發(fā)中主要應(yīng)用的是基于模型的設(shè)計(jì)方法[2]。

混合動(dòng)力汽車是一個(gè)多領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)，包含了機(jī)械、電子、液力、控制等不同學(xué)科領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的非線性特性，需要采用多領(lǐng)域統(tǒng)一建模方法[3]。胡均平等[4]運(yùn)用功率鍵合圖法建立混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在Simulink軟件平臺(tái)上建立了混合動(dòng)力系統(tǒng)模型，但相比于物理模型不夠直觀。曹景升等[5]利用AVL-CRUISE軟件建立插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的模型，在NEDC工況下對(duì)該模型整車性能及整車動(dòng)力性進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了模型的有效性，但AVL-CRUISE中的各部件模型核心代碼不對(duì)用戶開放，無(wú)法靈活更改。佟剛等[6]在原有的ADVISOR平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，建立了混合動(dòng)力汽車的后驅(qū)模型，然而ADVISOR在2004年停止更新，已有的車輛模型不能很好展示現(xiàn)有的汽車技術(shù)。鄭竹安等[7]利用Matlab/simulink軟件建立混合動(dòng)力汽車動(dòng)力學(xué)模型，采用的數(shù)值建模法雖然提高了建模精度，但對(duì)特定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依賴大，通用性較差。王浩淼等[8]在系統(tǒng)仿真軟件Matlab/simulink中，采用理論模型和真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的建模方法，建立了插電式混合動(dòng)力汽車整車模型，所建立的模型未采用實(shí)車所需的CAN總線進(jìn)行模塊間通信。

本文以并聯(lián)混合動(dòng)力轎車為對(duì)象，基于Simscape建立混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)物理仿真模型，按硬件裝配的模式用搭積木的方法完成電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的統(tǒng)一建模，在提高模型可信度和復(fù)雜度的同時(shí)增強(qiáng)模型易檢驗(yàn)性與可修改性。利用Vehicle Network Toolbox建立控制器局域網(wǎng)絡(luò)，讓動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)模型通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)信號(hào)共享，旨在使混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型信號(hào)傳遞與雅閣混動(dòng)汽車情況相符。在NEDC循環(huán)測(cè)試工況下，采用實(shí)車參數(shù)對(duì)模型動(dòng)力系統(tǒng)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，驗(yàn)證所建混合動(dòng)力系統(tǒng)模型的有效性和實(shí)用性。

2 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和協(xié)同驅(qū)動(dòng)兩種運(yùn)行模式，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、DC—DC、電池、機(jī)械耦合裝置等。發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)機(jī)械耦合裝置合成動(dòng)力總成驅(qū)動(dòng)汽車行駛。動(dòng)力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線連接并實(shí)現(xiàn)信號(hào)共享。

3 動(dòng)力系統(tǒng)模型

混合動(dòng)力系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的工程系統(tǒng)，采用底層建模方法相當(dāng)麻煩，且模型檢驗(yàn)和維護(hù)困難，為此，本文采用多領(lǐng)域物理建模工具Simscape工具箱中的Driveline構(gòu)建動(dòng)力系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科建模與仿真研究，減低因領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)不足對(duì)模型可信度的影響。

3.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

分析研究汽車加速、制動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力需要考慮車輛的縱向動(dòng)力影響。汽車行駛中的受力分析如圖2所示，車輛行駛過(guò)程中會(huì)受到驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力、坡道阻力，因此，可按(1)式計(jì)算汽車行駛中的驅(qū)動(dòng)力。

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

其中，F(xiàn)t為汽車的驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)i為坡度阻力，F(xiàn)j為加速阻力。

如圖3所示，車輛動(dòng)力學(xué)模型由車身、魔術(shù)輪胎、齒輪箱等構(gòu)成。模型的輸入信號(hào)是空氣阻力和道路坡度，輸出為汽車車速。本文以雅閣混動(dòng)轎車為例對(duì)整車基本參數(shù)進(jìn)行配置，如表1所示。

表1 整車基本參數(shù)

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

如圖4所示，發(fā)動(dòng)機(jī)模型采用的是Simscape中的通用發(fā)動(dòng)機(jī)模型Generic Engine，配置轉(zhuǎn)矩傳感器Ideal Torque Sensor采集發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器Ideal Rotational Motion Sensor采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，用于控制系統(tǒng)的邏輯控制。模型輸入信號(hào)為節(jié)氣門信號(hào)T，輸出信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，混合動(dòng)力汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)工作在最佳燃油區(qū)域，且要滿足純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下對(duì)應(yīng)最高車速的功率要求[9]。本文以雅閣混動(dòng)車中的2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)為例，配置最大功率為107kW，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為5500r/min，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算出燃油消耗量，依據(jù)圖5確定最佳工作區(qū)域。

3.3 電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組模型

目前，混合動(dòng)力汽車以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力不足或者燃油消耗較大的時(shí)，電動(dòng)機(jī)提供輔助驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)動(dòng)力電池剩余電量低于設(shè)定下限時(shí)，發(fā)電機(jī)為動(dòng)力電池充電；當(dāng)汽車減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能給電池充電。

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有高效率、高控制精度、高功率密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)度、低噪聲等特點(diǎn)，是當(dāng)前混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流選擇[10]。電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的模型采用Simscape中的Simplified PMSM Drive模塊，鑒于電機(jī)運(yùn)行過(guò)程存在損耗，本模型中電機(jī)的整體效率設(shè)為90%[11]，使所建車用電機(jī)模型更符合實(shí)際運(yùn)行的工況。模型輸入是來(lái)自控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的扭矩需求，輸出為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組的模型如圖6所示。

3.4 電池模型

鋰離子電池具有能量密度高、高溫性能好、低記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[12]，在混合動(dòng)力車中得以廣泛應(yīng)用。如圖7所示，本文電池組使用Simcape中的電池通用動(dòng)態(tài)模型Battery建模，將電池型號(hào)設(shè)置為L(zhǎng)ithium-Ion，模擬鋰離子電池的充放電特性。

電池模型的容量設(shè)為6Ah，電壓為259.2V，SOC區(qū)間選擇30%～80%，避免出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放問(wèn)題。

4 控制系統(tǒng)

混合動(dòng)力汽車行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)通常在最佳燃油點(diǎn)附近運(yùn)行，以減少燃油消耗；電池在設(shè)定的SOC區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，以提高電池使用壽命。為此，本文設(shè)置了5種控制模式。

1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。汽車起步或者低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性較差，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；

2)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。汽車中高速行駛且中等負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)于高效率區(qū)間時(shí)，僅由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；

3)混合驅(qū)動(dòng)模式。汽車加速或爬坡時(shí)，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)無(wú)法提供足夠扭矩時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)；

4)發(fā)電機(jī)充電模式。汽車行駛過(guò)程中電池SOC低于最小設(shè)定值，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為電池充電；

5)再生制動(dòng)模式。電動(dòng)機(jī)將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)于動(dòng)力電池中，提高續(xù)航能力。

如圖8(a)所示，控制系統(tǒng)的模型由功率分配模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、電動(dòng)機(jī)控制模塊、發(fā)電機(jī)控制模塊、控制邏輯模塊組成。圖8(b)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊采用典型PI控制，輸入目標(biāo)車速對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速期望值和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出節(jié)氣門開度。圖8(c)為電動(dòng)機(jī)控制模塊，輸入目標(biāo)車速對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速期望值和實(shí)際電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的期望值，用于控制電動(dòng)機(jī)的實(shí)際扭矩大小。圖8(d)的發(fā)電機(jī)控制模塊輸入SOC值，輸出發(fā)電機(jī)輸出扭矩的期望值，用來(lái)控制發(fā)電機(jī)的實(shí)際扭矩大小。圖8(e)控制邏輯模塊輸入實(shí)際車速、SOC值和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的使能信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的啟停，具體控制邏輯見表2。

表2 控制邏輯

5 CAN總線建模

本文利用simulink中的工具箱Vehicle Network Toolbox建立CAN總線模型。用CANdb++編輯器創(chuàng)建動(dòng)力系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)(DBC)文件。如圖9所示，DBC文件包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Nodes)、報(bào)文(Messages)、信號(hào)(Signals)。

配置CAN Configuration模塊，建構(gòu)兩個(gè)虛擬通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，信道波特率設(shè)置為500000。使用CAN Pack模塊將傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)加載到DBC文件報(bào)文中，使用CAN Unpack模塊將接收到的報(bào)文解包為信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)指定目標(biāo)報(bào)文名稱、報(bào)文標(biāo)識(shí)符、報(bào)文ID和報(bào)文長(zhǎng)度。

CAN Pack模塊和CAN Transmit模塊共同構(gòu)成圖10(a)所示CAN發(fā)送塊，CAN Receive模塊和CAN Unpack模塊共同構(gòu)成圖10(b)所示CAN接收塊，收發(fā)模塊以報(bào)文形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)中的CAN總線模型見圖10(c)。

6 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證模型的動(dòng)力系統(tǒng)性能，選擇新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試(NEDC)工況進(jìn)行仿真，模型的車速跟隨性如圖11所示，實(shí)際車速與期望車速幾乎完全重合，說(shuō)明所建混合動(dòng)力汽車模型動(dòng)力性能良好，CAN總線傳輸準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性滿足要求。整個(gè)循環(huán)工況中車輛的油耗為4.76L/100km，符合車輛運(yùn)行中的實(shí)際油耗情況。

圖12中SOC初始值為80%，在四個(gè)市區(qū)工況循環(huán)下SOC緩慢下降16%；在郊區(qū)工況下SOC下降16%，制動(dòng)時(shí)增加9%。很好反映了實(shí)車運(yùn)行中的SOC工作狀態(tài)。

圖13為發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的NEDC工況下的轉(zhuǎn)速變化曲線。車速低于20km/h時(shí)僅電動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)；車速高于20km/h時(shí)，加速階段發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同參與驅(qū)動(dòng)，勻速階段發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；車速高于80km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，整個(gè)運(yùn)行工況中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速位于1000～4000r/min區(qū)間內(nèi)，位于圖5所示的最佳工作區(qū)。

7 結(jié)論

本文利用Simulink/Simscape建立了混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的物理仿真模型，用工具箱Vehicle Network Toolbox建立了CAN總線。模型結(jié)構(gòu)直觀，各模塊易于靈活更改。仿真結(jié)果表明，所建動(dòng)力系統(tǒng)的模型能反應(yīng)不同的工況下混合汽車動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和燃油消耗情況，CAN總線的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性滿足實(shí)車需求。因此，本模型可為混合動(dòng)力汽車的深入研究提供基礎(chǔ)。