秦東晨，裴東杰，陳江義，劉竹麗

(鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州450001)

0 引言

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混合動力汽車在全球范圍內迅速發(fā)展，已經進入產業(yè)化階段，其動力系統(tǒng)結構形式包括:串聯型、并聯型、混聯型.混聯型動力系統(tǒng)兼具串聯型和并聯型的優(yōu)點，控制更為靈活自由，適應各種復雜多變的行駛工況，經濟性和排放性更佳，是目前進行混合動力汽車研發(fā)的主要對象.國外經驗豐富、實力雄厚的汽車公司在混聯系統(tǒng)中多采用結構復雜的行星齒輪結構［1-3］，較為典型的是豐田Prius混聯動力系統(tǒng).國內混聯混合動力技術與國外還存在一定差距，多采用電機或離合器進行轉矩耦合.根據發(fā)電機布置的不同，分為發(fā)電機側置式和同軸式兩種.根據動力系統(tǒng)的結構特點，按照能量流路徑其運行模式和控制策略可以劃分為以下幾種形式［4］，如表1所示.筆者針對適合國內開發(fā)能力的同軸式混聯混合動力系統(tǒng)進行仿真研究.同軸式混聯動力系統(tǒng)最大的特點在于取消了變速箱和專門的動力耦合部件，只要通過控制離合器的開合狀態(tài)就可實現車輛串聯運行模式和并聯運行模式之間的切換，如表1中的第1種.

1 整車性能設計目標及整車主要參數

設計樣車SPHEV整車性能設計目標為:最高車速≥100 km/h;最大爬坡度≥30%;0～50 km/h的加速時間≤9 s;燃油消耗量(城市循環(huán)工況)8 L/100 km.

樣車SPHEV的整車主要參數，如表2所示.

表2 整車主要參數Tab.2 Main vehicle parameters

2 動力系統(tǒng)主要參數匹配計算［3］

2.1 整車功率匹配

動力系統(tǒng)中的整車總功率必須滿足整車性能目標對功率的需求，整車需求功率包括克服滾動阻力、坡道阻力、風阻、加速阻力造成的穩(wěn)態(tài)功率或瞬態(tài)功率，汽車功率平衡方程式如下:

式中:Pt為動力源總功率;Pmax為整車需求功率;va為行駛速度;ηt為傳動系效率;m為整車總質量;fr為滾動阻力系數;i為道路坡度;A為迎風面積;Cd為風阻系數;δ為旋轉質量換算系數;d v/d t為行駛加速度.

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2.2 發(fā)動機功率匹配

動力系統(tǒng)結構中不存在變速器，爬坡過程對應的車輛速度低，爬坡過程對應的需求功率不能作為設計發(fā)動機功率的依據.這里采用較高經濟巡航速度vc行駛時的需求功率Pc作為發(fā)動機功率初步匹配依據.

2.3 ISG電機功率匹配

ISG電機的主要作用是快速啟停發(fā)動機以及對電池SOC值進行平衡.根據發(fā)動機啟停要求，可初步計算出ISG電機最大驅動轉矩，發(fā)電機的峰值功率Pgmax計算公式為

式中:Tgmax為發(fā)電機的最大驅動轉矩，N·m;ωgb為發(fā)電機基速，r/min.

2.4 電動機功率匹配

電動機應能夠滿足車輛坡道起步的要求，按此計算電動機峰值功率應該滿足最大爬坡度要求的功率.

2.5 電池功率匹配

電池的功率應該同時滿足電動機驅動需求功率和發(fā)電機啟動發(fā)動機的需求功率之和，所以超級電容的功率應該大于發(fā)電機和電動機的額定功率之和，考慮到轉換效率 ηc=0.9，所以，pc≥(pm+pg)/ηt.式中:pm為電動機的額定效率;pg為發(fā)電機的額定效率.通過上述初步計算，參照市場產品，確定動力部件主要參數，如表3所示.

表3 汽車主要部件參數Tab.3 Parameters ofmain components of vehicle

3 仿真模型的建立

3.1 仿真軟件及建模思路

Advisor軟件是一款以Matlab/Simulink為平臺的汽車仿真軟件［5］，采用后向為主、前向為輔的聯合仿真方法，用戶可利用其內部完全開放的代碼以及通用子模塊搭建所需的汽車仿真模型［6］.

仿真對象主要包括:發(fā)動機模塊、ISG電機模塊、離合器模塊、電動機模塊、主加速器模塊、電池模塊、車輪模塊.首先按照實際功率流反向路徑，建立后向仿真頂層Simulink框圖，這里需要在發(fā)動機和ISG電機之間及離合器和電動機之間虛擬兩個功率分配模塊，如圖1所示.接著添加模塊之間的信息反饋，建立前向仿真路徑，完成整個動力系統(tǒng)的頂Simulink框圖.然后，在軟件中完成整車頂層模型，如圖2所示.

圖1 后向仿真路徑的頂層Simulink框圖Fig.1 Top simulink block diagram of backward simulation path

圖2 整車頂層模型Fig.2 Vehicle top model

3.2 軟件二次開發(fā)

在車系PARALLEL_SA基礎上進行更改完成SPHEV車系的二次開發(fā)，為保證模型在軟件中正確運行需要如下開發(fā)步驟［7］:

(1)創(chuàng)建車系模型 BD_SPHEV.mdl，如圖2所示.這里需要先將開發(fā)的ISG電機模型、虛擬的功率分配模型、整車控制策略模型、發(fā)動機控制策略模型保存到相應的模型庫中，再添加對應的工作路徑進行調用;另外，兩個虛擬的功率分配裝置的內部參數命名要有區(qū)分，防止程序調用沖突.

(2)創(chuàng)建新車輛文件SPHEV_in.點擊軟件界面上“l(fā)oad File”按鈕，打開 PARALLEL_SA_defaults_in.m修改:

vinf.name='SPHEV_in';

vinf.drivetrain.name='SPHEV';

vinf.powertrain_control.name='PTC_PAR_SPHEV';

vinf.powertrain_control.ver='par';

vinf.powertrain_control.type='man';

添加:

vinf.generator.name='GC_SPHEV';

vinf.generator.ver='reg';

vinf.generator.type='reg';

另存為SPHEV_in.m.

(3)加載新車系SPHEV，以便ADVISOR軟件能夠識別.使用命令:

options.drivetrain=optionlist('add'，'drivetrain'，SPHEV').

(4)修改guiInputFigControl.m，屏蔽不需要的部件.在switch vinf.drivetrain.name程序段添加:

case'SPHEV'

fields2remove={};

(5)修改文件guilock_diagram_name.m，添加新車系SPHEV.添加程序:

case'SPHEV'

bd_name='BD_SPHEV';

(6)修改文件guigui_image.m及ImageInfo.m，添加新車系的圖片文件及圖形的信息

(7)修改文件data ransmissionTC_DUMMY.m，重新定義扭矩合成模塊輸入比例常數，如下:

tc_mc_to_fc_ratio=0.99*max(gc_map_spd*gc_spd_scale)/max(fc_map_spd*fc_spd_scale);

tc1_mc_to_fc_ratio=0.99*max(mc_map_spd*mc_spd_scale)/max(fc_map_spd*fc_spd_scale);

4 仿真結果與分析

選定CYC_UDDS循環(huán)工況進行仿真［8］，車輛動力性能和燃油經濟性仿真結果如表4所示，可以看出仿真車型整車性能滿足設計目標要求.仿真循環(huán)工況車速和電池變化過程分別如圖3，4所示.由圖可知，仿真車速能夠滿足道路循環(huán)工況的要求;電源能夠根據動力系統(tǒng)的運行模式進行充放電.動力部件實際輸出轉矩如圖5所示.當ISG電機轉矩為正值時，發(fā)動機轉矩為負值，ISG電機快速啟動發(fā)動機;當車輛加速時，發(fā)動機和電動機均正值且急速增大，發(fā)動機和電動機共同提供車輛所需功率;當車輛制動時電動機轉矩為負值，回收制動能量.與車輛的控制策略吻合，表明動力系統(tǒng)可行，仿真平臺適用.

表4 車輛性能指標仿真結果Tab.4 Simulation result

圖3 車輛循環(huán)工況Tab.3 Vehicle driving cycles

5 結論

筆者對同軸式混聯混合動力汽車動力系統(tǒng)結構及其控制策略進行了詳細分析，對Advisor軟件進行了二次開發(fā)，并給出詳細的二次開發(fā)步驟，建立了該動力結構的仿真平臺.仿真結果表明，車輛動力性能和燃油經濟性能夠滿足設計目標要求，驗證了動力系統(tǒng)的可行性及仿真平臺的適用性，對實車的開發(fā)提供了技術支持，為縮短車輛的研發(fā)周期提供一種有效可靠的方法.

［1］ 駱元.國內外混合動力客車動力總成方案比較研究［J］.客車技術與研究，2010(1):13-16.

［2］ 蔣黎明，代幼文.新能源客車混合動力系統(tǒng)模式探討［J］.商用汽車，2011(9):100-104.

［3］ 巴特.混聯混合動力客車的參數匹配與控制策略研究［D］.長春:吉林大學汽車工程學院，2012.

［4］ 王家明，郭晉晟.新型混聯式混合動力客車動力系統(tǒng)分析［J］.汽車技術 ，2008(9):1-4.

［5］ 劉磊，剛憲約.汽車仿真軟件ADVISOR［J］.農業(yè)裝備與車輛工程，2007(2):40-43.

［6］ 曾小華，王慶年.正向仿真模型與反向軟件ADVISOR的集成開發(fā)［J］.汽車工程，2007，29(10):851-854.

［7］ 曾小華，王慶年.基于ADVISOR2002混合動力汽車控制策略模塊開發(fā)［J］.汽車工程，2004，26(4):394-396.

［8］ 張翔，趙韓.混合動力轎車的建模與仿真［J］.計算機仿真，2005，22(1):233-23.