單軸并聯(lián)式混合動力汽車建模與仿真分析

張丹　劉助春　何家盼

摘 要：為提高生產(chǎn)效率，減少整車開發(fā)成本，利用Matlab/Simulink軟件建立單軸并聯(lián)式混合動力汽車模型，并在FU505循環(huán)工況下進行仿真分析。測驗結(jié)果表明，所建模型符合汽車的實際運行狀況，能夠有效支持混合動力汽車整車控制策略設(shè)計，提高混合動力汽車整車控制策略研發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車 再生制動 仿真

Modeling and Simulation Analysis of Single-shaft Parallel Hybrid Electric Vehicle

Zhang Dan Liu Zhuchun He Jiapan

Abstract：In order to improve production efficiency and reduce vehicle development costs， Matlab/Simulink software was used to establish a single-axle parallel hybrid electric vehicle model， and simulation analysis was performed under FU505 cycle conditions. The test results show that the built model conforms to the actual operating conditions of the vehicle， can effectively support the design of the control strategy of the hybrid vehicle， and improve the efficiency of the research and development of the control strategy of the hybrid vehicle.

Key words：hybrid electric vehicle， regenerative braking， simulation

1 引言

隨著能源危機的不斷加劇和環(huán)保意識的深入人心，各大汽車廠商和科研機構(gòu)將目光轉(zhuǎn)向了新能源汽車的制作研發(fā)，作為新能源汽車之一的混合動力汽車受到廣泛關(guān)注[1]。目前，基于模型化的開發(fā)方法廣受各大汽車廠商采用，其中重要的環(huán)節(jié)之一就是模型的構(gòu)建。本研究以Matlab軟件為平臺，在Simulink環(huán)境下搭建單軸并聯(lián)混合動力汽車模型，采用基于規(guī)則的能量分配策略，實現(xiàn)多動力源間的協(xié)調(diào)工作，提高整車工作效率。

2 單軸并聯(lián)式混合動力汽車

根據(jù)發(fā)動機與電機是否同軸，并聯(lián)式混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）分為雙軸并聯(lián)式和單軸并聯(lián)式，圖1所示為一款單軸并聯(lián)式混合動力汽車。

與傳統(tǒng)汽車相比，混合動力汽車具有多種運行模式。在多停車—起步的市區(qū)行駛工況下，為發(fā)揮出混合動力汽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，應(yīng)采取與行駛工況相對應(yīng)的工作模式。如圖2所示，純電動模式——起步或低速行駛;發(fā)動機模式——扭矩需求大或工作效率高;行車充電模式——不宜采用純電動，且發(fā)動機效率高;混合驅(qū)動模式——加速、爬坡;再生制動模式——減速制動。

3 單軸并聯(lián)式混合動力汽車模型

本文基于MATLAB/Simulink仿真環(huán)境建立單軸并聯(lián)式混合動力汽車模型，該模型包括駕駛員模型、整車控制器模型和整車模型，三大系統(tǒng)通過CAN總線連接并實現(xiàn)信號共享，使建模仿真時信息反饋及時、準(zhǔn)確，如圖3所示[2]。

基于CAN總線的控制系統(tǒng)與發(fā)動機、電機及電池等模型相連，可接收各個模塊的狀態(tài)信息，如車速、轉(zhuǎn)矩、節(jié)氣門開度等。根據(jù)汽車的行駛狀況，經(jīng)由CAN總線將控制命令發(fā)給各模塊，決定各個動力源的輸出功率和扭矩，經(jīng)由傳動系統(tǒng)傳遞至車輪。

4 能量分配策略

盡管混合動力汽車的結(jié)構(gòu)各有不同，但也大同小異，對于能量管理策略的目標(biāo)都是追求最大的燃油經(jīng)濟性、最小的排放和最低的系統(tǒng)成本[3]。如圖4所示，針對單軸并聯(lián)式混合動力汽車采用基于規(guī)則的能量分配策略，對功率進行分段。若需求功率小于8kw，則由電動機單獨驅(qū)動汽車;若需求功率處于8～40kw，則由發(fā)動機驅(qū)動汽車，根據(jù)電池的荷電狀態(tài)決定是否對其充電;若需求功率在40～70kW，發(fā)動機定值輸出40kw，電動機產(chǎn)生額外的機械功率來滿足行駛需求;若需求功率在70～90kw，電動機定值輸出30kw的最大功率，內(nèi)燃機輸出額外的功率來滿足汽車的功率需求[4]。

5 仿真結(jié)果

采用標(biāo)準(zhǔn)的FU505循環(huán)工況，對所建立的單軸并聯(lián)式混合動力汽車模型進行仿真，實際車速與目標(biāo)車速曲線幾乎重合，表明所建模型能較好的滿足汽車動力需求，如圖5所示。

如圖6所示，在車輛運行過程中，電機功率跟隨駕駛員的踏板信號發(fā)生變化。在汽車加速階段，電機的電功率大于其機械功率;在汽車減速階段，電機的電功率小于其機械功率，此時處于制動能量回收階段，向電池充電，SOC值增大，如圖7所示。

當(dāng)汽車處于起動或需求功率較小時，電動機單獨驅(qū)動汽車，電池對外輸出電能，SOC減小;當(dāng)汽車的需求功率較大，發(fā)動機啟動，在驅(qū)動汽車的同時適時對電池充電，如圖8所示。

綜上所述，建立的混合動力電動汽車模型符合實際汽車運行狀況，具有可操作性，用于控制領(lǐng)域的仿真研究。

6 結(jié)論

根據(jù)單軸并聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)特點，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立混合動力汽車模型。通過設(shè)置仿真環(huán)境，在FU505循環(huán)工況下對混合動力汽車進行仿真并分析，結(jié)果表明：

1）所建模型能較好的滿足汽車動力性需求;

2）在較小制動強度時，所建模型能通過電機實現(xiàn)再生制動;

3）所建模型符合汽車的實際運行狀況，具有可操作性。

項目資助：湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院科學(xué)研究課題，HQZYKYA01

參考文獻：

[1]Chi H L. Modeling and analysis of power trains for hybrid electric vehicles[J]. International Transactions on Electrical Energy Systems， 2018（6）：e2541.

[2]鄭竹安，蔣偉康，呂紅明，et al. 混合動力電動汽車動力學(xué)模型仿真[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2019（3）.

[3]高龍飛，張瑞亮，陳聯(lián)春. 同軸并聯(lián)式混合動力汽車模糊控制策略研究[J]. 機械傳動，2019（12）：18-21.

[4]王哲. 并聯(lián)式混合動力汽車再生制動研究[J]. 微計算機信息，2019，000（004）：86-87，89.