并聯混合動力客車建模與仿真分析

張允+++畢明軒++齊萬強

摘 要：針對并聯混合動力客車建立了車輛控制系統模型、各主要部件模型、車輛動力學模型和整車模型。在此基礎上，基于臺架試驗數據對仿真模型的準確性進行了驗證，通過對仿真結果與臺架試驗結果的對比表明兩者吻合度較好，說明模型的精度和實用性較好，能夠滿足系統開發需求。

關鍵詞：并聯混合動力客車；整車建模；仿真分析

引言

并聯混合動力客車是一個龐大而復雜的機電動力耦合系統，在設計開發周期中基于綜合因素考慮，不可能直接通過建立原型進行大量實車試驗。因此，在對并聯混合動力汽車的研發中，引入計算機仿真技術，對 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雜行為的前提與基礎。

1 并聯式混合動力汽車動力系統模型結構

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

圖1 混合動力汽車前向式動力系統模型結構

2 車輛控制系統模型

2.1 駕駛員模型

駕駛員模型如圖2所示，包括相對速度計算子模塊和縱向計算子模塊兩部分。

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”結構， 三條總線分別為涵蓋從整車系統各部件發送來的狀態信息的輸入參數總線，包含由各功能模塊計算得到的中間參數的控制參數總線，以及向各部件發送命令的控制命令總線。三個子模塊分別為參數計算模塊，控制策略模塊和控制命令處理模塊。

3 并聯混合動力汽車主要部件模型

3.1 發動機模型

發動機模型包括轉矩計算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

發動機外特性轉矩計算模型為：

Te_max=f（？棕e）

式中Te_max為發動機最大轉矩（Nm），？棕e為發動機轉速（rad/s），f（·）為一維線性內插值算子。

發動機燃油消耗量計算模型為：

式中Vfuel為燃油消耗量（L），？籽fuel為燃油密度（g/L），ge為發動機在（？棕e，Te）點的燃油消耗率（g/s），f（·，·）為二維線性內插值算子。

發動機排放物NOx，CO，HC的質量流量計算模型為：

式中mHC、mCO和mNOx分別為發動機尾氣排放的HC、CO和NOx質量，fHC（·，·）、fCO（·，·）和fNOx（·，·）為二維查表函數，由發動機排放試驗確定。

3.2 電機模型

電機/發電機子系統的輸入輸出關系。

其中，Tm_max是電機最大扭矩，根據轉速一維查表得到；？濁m是電機效率，根據轉速和轉矩二維查表得到；K為代表能量流動方向的指數，當系統在電動機模式下運行時，k=-1，此時電機向車輛提供驅動力；當系統在發電機模式下運行時，k=+1，此時系統能量被轉化為電能儲存在電池里，工作在制動能量回收狀態下。

3.3 鎳氫電池模型

電池組可視為一個理想電壓源和一個內阻相串聯的電路。內阻模型的輸入輸出關系為：

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

3.4 傳動系統模型的建立

3.4.1 離合器模型

離合器狀態包括離合器完全接合時的鎖止狀態以及未完全接合時的非鎖止狀態。根據離合器所處狀態，模型的輸入輸出關系為：

（1）離合器處于鎖止狀態時的輸入輸出關系

式中，Jin、Tin分別為離合器前動力系統的轉動慣量與轉矩，ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉速；Tout、Jout為輸出轉矩與轉動慣量，ωin為輸出轉速；J為離合器自身慣量。

（2）離合器處于非鎖止狀態時的輸入輸出關系

式中，Tf為離合器摩擦轉矩，Tslip，max為離合器打滑之前的最大摩擦轉矩。Ccpl為反應離合器接合狀態的控制指令，Ccpl∈[0，1]，當Ccpl=1時離合器為鎖止狀態，當Ccpl=0時離合器完全分離。

3.4.2 變速器模型

變速器模型的輸入輸出關系為：

Tout=（Tin-Tloss）×ig

式中：變速器轉矩損失Tloss=kloss×Tloss，map；kloss為轉矩損失調和系數；Tloss，map為查轉矩損失MAP圖得到的轉矩損失，Tloss，map=f（？棕in，Tin，gn）

3.5 車輛動力學模型的建立

根據經典的汽車動力學方程建立的汽車動力學模型為：

式中：Ft為驅動力，Ff為滾動阻力，Fi為坡道阻力，Fw為空氣阻力，Fj為加速阻力；G為車輛總重量，f為滾動阻力系數，？琢道路坡度值；CD為風阻系數，A為迎風面積，va為實際車速；？啄m為車輛等效平動質量。

4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過程中，各部件的參數都是根據實車參數設置，各部件內部參數設置完畢后，將各部件利用機械連接和信號連接進行連接，完成整車模型搭建。

將建立的Simulink模型通過Interface接口與Cruise軟件聯接進行聯合仿真，針對混合動力客車典型工況進行仿真，分別得到相應工況下車速-時間曲線和電池SOC值變化曲線，如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出，整車行駛過程中，仿真車速能很好地跟隨實際車速，且動力電池SOC變化趨勢仿真與試驗結果吻合度較好，SOC值波動較小， 說明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

5 結束語

文章針對并聯混合動力客車建立了車輛控制系統模型、發動機、電動機、蓄電池、傳動系等各主要部件模型、車輛動力學模型以及HEV整車模型。在此基礎上，結合臺架試驗數據，對混合動力客車模型進行了驗證，通過對仿真結果與臺架試驗結果的對比表明仿真結果與臺架試驗結果吻合度較好，說明模型的精度和實用性較好，能夠滿足系統開發需求。

參考文獻

[1]曾小華，王慶年，王偉華.混合動力汽車能耗最優數學建模與仿真[J].系統仿真學報，2007，19（18）：4309-4325.

[2]高愛云，付主木.并聯式混合動力汽車的建模和仿真[J].機械設計與制造，2007（7）：77-79.

[3]孫文凱.并聯混合動力汽車系統建模與轉矩動態控制的仿真研究[D].武漢：武漢科技大學，2007.

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

[5]蘇信杰.混合動力城市客車整體設計與控制策略的研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[6]金啟前.混合動力客車試驗與評價問題研究[D].長春：吉林大學，2006.

[7]于俊偉.并聯混合動力汽車傳動系統建模及控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學，2005.

[8]王偉達，項昌樂，劉輝，等.混聯式混合動力系統多能源綜合控制策略[J].哈爾濱工業大學學報，2012，44（1）：138-143.

作者簡介：張允（1973-），女，吉林省長春市人，長春工程學院電氣與信息工程學院，副教授，吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，博士。endprint

摘 要：針對并聯混合動力客車建立了車輛控制系統模型、各主要部件模型、車輛動力學模型和整車模型。在此基礎上，基于臺架試驗數據對仿真模型的準確性進行了驗證，通過對仿真結果與臺架試驗結果的對比表明兩者吻合度較好，說明模型的精度和實用性較好，能夠滿足系統開發需求。

關鍵詞：并聯混合動力客車；整車建模；仿真分析

引言

并聯混合動力客車是一個龐大而復雜的機電動力耦合系統，在設計開發周期中基于綜合因素考慮，不可能直接通過建立原型進行大量實車試驗。因此，在對并聯混合動力汽車的研發中，引入計算機仿真技術，對 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雜行為的前提與基礎。

1 并聯式混合動力汽車動力系統模型結構

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

圖1 混合動力汽車前向式動力系統模型結構

2 車輛控制系統模型

2.1 駕駛員模型

駕駛員模型如圖2所示，包括相對速度計算子模塊和縱向計算子模塊兩部分。

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”結構， 三條總線分別為涵蓋從整車系統各部件發送來的狀態信息的輸入參數總線，包含由各功能模塊計算得到的中間參數的控制參數總線，以及向各部件發送命令的控制命令總線。三個子模塊分別為參數計算模塊，控制策略模塊和控制命令處理模塊。

3 并聯混合動力汽車主要部件模型

3.1 發動機模型

發動機模型包括轉矩計算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

發動機外特性轉矩計算模型為：

Te_max=f（？棕e）

式中Te_max為發動機最大轉矩（Nm），？棕e為發動機轉速（rad/s），f（·）為一維線性內插值算子。

發動機燃油消耗量計算模型為：

式中Vfuel為燃油消耗量（L），？籽fuel為燃油密度（g/L），ge為發動機在（？棕e，Te）點的燃油消耗率（g/s），f（·，·）為二維線性內插值算子。

發動機排放物NOx，CO，HC的質量流量計算模型為：

式中mHC、mCO和mNOx分別為發動機尾氣排放的HC、CO和NOx質量，fHC（·，·）、fCO（·，·）和fNOx（·，·）為二維查表函數，由發動機排放試驗確定。

3.2 電機模型

電機/發電機子系統的輸入輸出關系。

其中，Tm_max是電機最大扭矩，根據轉速一維查表得到；？濁m是電機效率，根據轉速和轉矩二維查表得到；K為代表能量流動方向的指數，當系統在電動機模式下運行時，k=-1，此時電機向車輛提供驅動力；當系統在發電機模式下運行時，k=+1，此時系統能量被轉化為電能儲存在電池里，工作在制動能量回收狀態下。

3.3 鎳氫電池模型

電池組可視為一個理想電壓源和一個內阻相串聯的電路。內阻模型的輸入輸出關系為：

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

3.4 傳動系統模型的建立

3.4.1 離合器模型

離合器狀態包括離合器完全接合時的鎖止狀態以及未完全接合時的非鎖止狀態。根據離合器所處狀態，模型的輸入輸出關系為：

（1）離合器處于鎖止狀態時的輸入輸出關系

式中，Jin、Tin分別為離合器前動力系統的轉動慣量與轉矩，ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉速；Tout、Jout為輸出轉矩與轉動慣量，ωin為輸出轉速；J為離合器自身慣量。

（2）離合器處于非鎖止狀態時的輸入輸出關系

式中，Tf為離合器摩擦轉矩，Tslip，max為離合器打滑之前的最大摩擦轉矩。Ccpl為反應離合器接合狀態的控制指令，Ccpl∈[0，1]，當Ccpl=1時離合器為鎖止狀態，當Ccpl=0時離合器完全分離。

3.4.2 變速器模型

變速器模型的輸入輸出關系為：

Tout=（Tin-Tloss）×ig

式中：變速器轉矩損失Tloss=kloss×Tloss，map；kloss為轉矩損失調和系數；Tloss，map為查轉矩損失MAP圖得到的轉矩損失，Tloss，map=f（？棕in，Tin，gn）

3.5 車輛動力學模型的建立

根據經典的汽車動力學方程建立的汽車動力學模型為：

式中：Ft為驅動力，Ff為滾動阻力，Fi為坡道阻力，Fw為空氣阻力，Fj為加速阻力；G為車輛總重量，f為滾動阻力系數，？琢道路坡度值；CD為風阻系數，A為迎風面積，va為實際車速；？啄m為車輛等效平動質量。

4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過程中，各部件的參數都是根據實車參數設置，各部件內部參數設置完畢后，將各部件利用機械連接和信號連接進行連接，完成整車模型搭建。

將建立的Simulink模型通過Interface接口與Cruise軟件聯接進行聯合仿真，針對混合動力客車典型工況進行仿真，分別得到相應工況下車速-時間曲線和電池SOC值變化曲線，如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出，整車行駛過程中，仿真車速能很好地跟隨實際車速，且動力電池SOC變化趨勢仿真與試驗結果吻合度較好，SOC值波動較小， 說明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

5 結束語

文章針對并聯混合動力客車建立了車輛控制系統模型、發動機、電動機、蓄電池、傳動系等各主要部件模型、車輛動力學模型以及HEV整車模型。在此基礎上，結合臺架試驗數據，對混合動力客車模型進行了驗證，通過對仿真結果與臺架試驗結果的對比表明仿真結果與臺架試驗結果吻合度較好，說明模型的精度和實用性較好，能夠滿足系統開發需求。

參考文獻

[1]曾小華，王慶年，王偉華.混合動力汽車能耗最優數學建模與仿真[J].系統仿真學報，2007，19（18）：4309-4325.

[2]高愛云，付主木.并聯式混合動力汽車的建模和仿真[J].機械設計與制造，2007（7）：77-79.

[3]孫文凱.并聯混合動力汽車系統建模與轉矩動態控制的仿真研究[D].武漢：武漢科技大學，2007.

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

[5]蘇信杰.混合動力城市客車整體設計與控制策略的研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[6]金啟前.混合動力客車試驗與評價問題研究[D].長春：吉林大學，2006.

[7]于俊偉.并聯混合動力汽車傳動系統建模及控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學，2005.

[8]王偉達，項昌樂，劉輝，等.混聯式混合動力系統多能源綜合控制策略[J].哈爾濱工業大學學報，2012，44（1）：138-143.

作者簡介：張允（1973-），女，吉林省長春市人，長春工程學院電氣與信息工程學院，副教授，吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，博士。endprint

摘 要：針對并聯混合動力客車建立了車輛控制系統模型、各主要部件模型、車輛動力學模型和整車模型。在此基礎上，基于臺架試驗數據對仿真模型的準確性進行了驗證，通過對仿真結果與臺架試驗結果的對比表明兩者吻合度較好，說明模型的精度和實用性較好，能夠滿足系統開發需求。

關鍵詞：并聯混合動力客車；整車建模；仿真分析

引言

并聯混合動力客車是一個龐大而復雜的機電動力耦合系統，在設計開發周期中基于綜合因素考慮，不可能直接通過建立原型進行大量實車試驗。因此，在對并聯混合動力汽車的研發中，引入計算機仿真技術，對 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雜行為的前提與基礎。

1 并聯式混合動力汽車動力系統模型結構

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

圖1 混合動力汽車前向式動力系統模型結構

2 車輛控制系統模型

2.1 駕駛員模型

駕駛員模型如圖2所示，包括相對速度計算子模塊和縱向計算子模塊兩部分。

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”結構， 三條總線分別為涵蓋從整車系統各部件發送來的狀態信息的輸入參數總線，包含由各功能模塊計算得到的中間參數的控制參數總線，以及向各部件發送命令的控制命令總線。三個子模塊分別為參數計算模塊，控制策略模塊和控制命令處理模塊。

3 并聯混合動力汽車主要部件模型

3.1 發動機模型

發動機模型包括轉矩計算子模型和燃油消耗子模型及排放子模型三部分。

發動機外特性轉矩計算模型為：

Te_max=f（？棕e）

式中Te_max為發動機最大轉矩（Nm），？棕e為發動機轉速（rad/s），f（·）為一維線性內插值算子。

發動機燃油消耗量計算模型為：

式中Vfuel為燃油消耗量（L），？籽fuel為燃油密度（g/L），ge為發動機在（？棕e，Te）點的燃油消耗率（g/s），f（·，·）為二維線性內插值算子。

發動機排放物NOx，CO，HC的質量流量計算模型為：

式中mHC、mCO和mNOx分別為發動機尾氣排放的HC、CO和NOx質量，fHC（·，·）、fCO（·，·）和fNOx（·，·）為二維查表函數，由發動機排放試驗確定。

3.2 電機模型

電機/發電機子系統的輸入輸出關系。

其中，Tm_max是電機最大扭矩，根據轉速一維查表得到；？濁m是電機效率，根據轉速和轉矩二維查表得到；K為代表能量流動方向的指數，當系統在電動機模式下運行時，k=-1，此時電機向車輛提供驅動力；當系統在發電機模式下運行時，k=+1，此時系統能量被轉化為電能儲存在電池里，工作在制動能量回收狀態下。

3.3 鎳氫電池模型

電池組可視為一個理想電壓源和一個內阻相串聯的電路。內阻模型的輸入輸出關系為：

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

3.4 傳動系統模型的建立

3.4.1 離合器模型

離合器狀態包括離合器完全接合時的鎖止狀態以及未完全接合時的非鎖止狀態。根據離合器所處狀態，模型的輸入輸出關系為：

（1）離合器處于鎖止狀態時的輸入輸出關系

式中，Jin、Tin分別為離合器前動力系統的轉動慣量與轉矩，ωout為從變速器反饋的變速器輸入軸轉速；Tout、Jout為輸出轉矩與轉動慣量，ωin為輸出轉速；J為離合器自身慣量。

（2）離合器處于非鎖止狀態時的輸入輸出關系

式中，Tf為離合器摩擦轉矩，Tslip，max為離合器打滑之前的最大摩擦轉矩。Ccpl為反應離合器接合狀態的控制指令，Ccpl∈[0，1]，當Ccpl=1時離合器為鎖止狀態，當Ccpl=0時離合器完全分離。

3.4.2 變速器模型

變速器模型的輸入輸出關系為：

Tout=（Tin-Tloss）×ig

式中：變速器轉矩損失Tloss=kloss×Tloss，map；kloss為轉矩損失調和系數；Tloss，map為查轉矩損失MAP圖得到的轉矩損失，Tloss，map=f（？棕in，Tin，gn）

3.5 車輛動力學模型的建立

根據經典的汽車動力學方程建立的汽車動力學模型為：

式中：Ft為驅動力，Ff為滾動阻力，Fi為坡道阻力，Fw為空氣阻力，Fj為加速阻力；G為車輛總重量，f為滾動阻力系數，？琢道路坡度值；CD為風阻系數，A為迎風面積，va為實際車速；？啄m為車輛等效平動質量。

4 基于Cruise的整車仿真模型的建立與仿真

基于AVL Cruise和Matlab/Simulink建立的混合動力城市客車整車仿真模型如圖10所示。整車模型建立過程中，各部件的參數都是根據實車參數設置，各部件內部參數設置完畢后，將各部件利用機械連接和信號連接進行連接，完成整車模型搭建。

將建立的Simulink模型通過Interface接口與Cruise軟件聯接進行聯合仿真，針對混合動力客車典型工況進行仿真，分別得到相應工況下車速-時間曲線和電池SOC值變化曲線，如圖11、12所示。由仿真曲線可以看出，整車行駛過程中，仿真車速能很好地跟隨實際車速，且動力電池SOC變化趨勢仿真與試驗結果吻合度較好，SOC值波動較小， 說明電池SOC值的平衡較好。由此表明整車模型精度滿足要求。

5 結束語

文章針對并聯混合動力客車建立了車輛控制系統模型、發動機、電動機、蓄電池、傳動系等各主要部件模型、車輛動力學模型以及HEV整車模型。在此基礎上，結合臺架試驗數據，對混合動力客車模型進行了驗證，通過對仿真結果與臺架試驗結果的對比表明仿真結果與臺架試驗結果吻合度較好，說明模型的精度和實用性較好，能夠滿足系統開發需求。

參考文獻

[1]曾小華，王慶年，王偉華.混合動力汽車能耗最優數學建模與仿真[J].系統仿真學報，2007，19（18）：4309-4325.

[2]高愛云，付主木.并聯式混合動力汽車的建模和仿真[J].機械設計與制造，2007（7）：77-79.

[3]孫文凱.并聯混合動力汽車系統建模與轉矩動態控制的仿真研究[D].武漢：武漢科技大學，2007.

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

[5]蘇信杰.混合動力城市客車整體設計與控制策略的研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[6]金啟前.混合動力客車試驗與評價問題研究[D].長春：吉林大學，2006.

[7]于俊偉.并聯混合動力汽車傳動系統建模及控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學，2005.

[8]王偉達，項昌樂，劉輝，等.混聯式混合動力系統多能源綜合控制策略[J].哈爾濱工業大學學報，2012，44（1）：138-143.

作者簡介：張允（1973-），女，吉林省長春市人，長春工程學院電氣與信息工程學院，副教授，吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，博士。endprint