李業(yè)煒，劉 濤，龐同軒，李 洋

（煙臺南山學院 工學院，山東 煙臺 265713）

汽車工業(yè)正在向著更清潔、更環(huán)保的方向發(fā)展，混合動力汽車是滿足汽車發(fā)展需求的解決方案之一[1-2]。插電式混合動力汽車可有效降低傳統(tǒng)汽車油耗、污染物排放，彌補純電動汽車里程焦慮的缺陷，插電式混合動力汽車適合當下汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀[3]。

Simulink軟件仿真目前已廣泛應用到混合動力汽車研究中，楊京昊等[4]利用 Simulink仿真，建立了混合動力起重機系統(tǒng)功率計算、控制策略等仿真模塊；卓文得等[5]利用 Simulink平臺搭建整車仿真模型，測試傳動系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性。

本文中以文獻[6]中所提到的混合動力總成為研究對象，在原有總成的基礎(chǔ)上提出一種插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)的構(gòu)建方法，利用Simulink軟件建立動力學模型，基于發(fā)動機工作區(qū)間最優(yōu)化，進行動力學仿真分析。確保內(nèi)燃機燃油經(jīng)濟性和輸出效率均最優(yōu)的前提下，充分利用外界能量，達到混合動力汽車好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

1 插電式混合動力汽車結(jié)構(gòu)與建模

1.1 整車基本模型

文獻[6]所提及的混合動力總成，如圖1所示，動力總成和傳遞機構(gòu)主要由發(fā)電機 B，作用為啟動發(fā)動機和發(fā)電；內(nèi)燃機E，作用為動力輸出和帶動發(fā)電機B發(fā)電；驅(qū)動電機C，作用為動力輸出；動力分配行星排：太陽輪11、齒圈13、行星架12；減速行星排：太陽輪21、齒圈23、行星架23；過渡齒輪 D，動力經(jīng)過度齒輪傳到驅(qū)動橋端，進行汽車的驅(qū)動。

圖1 混合動力總成

1.2 驅(qū)動電機模型

對于并聯(lián)式混合動力汽車，一般行駛時驅(qū)動力由驅(qū)動電機提供驅(qū)動力，最大轉(zhuǎn)矩應滿足車輛的動力性能要求，即驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩Td應大于汽車最高車速時所需轉(zhuǎn)矩Td1或汽車以規(guī)定車速爬坡時所需轉(zhuǎn)矩Td2。

式中，f為滾動阻力系數(shù)；i0為主減速器傳動比；id為減速行星排傳動比；r為車輪半徑；m為汽車總質(zhì)量；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風面積；vmax為汽車最高車速；vp為汽車爬坡車速；α為汽車最大爬坡角度。

1.3 發(fā)動機模型

發(fā)動機作為插電式混合動力汽車的補充動力源，當驅(qū)動電機無法滿足汽車所需驅(qū)動力時，發(fā)動機進行驅(qū)動力的補充。

式中，Tf為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩；if為動力分配行星排傳動比；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.4 傳動系速比模型

行星輪系中太陽輪、行星架、齒圈之間的關(guān)系如下所示：

式中，w1、w2、w3為太陽輪、齒圈、行星架的旋轉(zhuǎn)角速度；kp為行星排齒數(shù)比，kp=z2/z1，z1為太陽輪齒數(shù)；z2為齒圈齒數(shù)。M1、M2、M3為太陽輪、齒圈、行星架的轉(zhuǎn)矩。

2 仿真模型建立

2.1 能量控制策略

為了充分發(fā)揮插電式混合動力汽車可以借助外界電能充電的優(yōu)勢，本文采用電荷消耗模式[7]。發(fā)動機采用限制發(fā)動機工作區(qū)間的控制策略，即電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）高于設(shè)計值時，發(fā)動機不工作，電池SOC低于設(shè)計值時，發(fā)動機在最優(yōu)的環(huán)境下工作，以獲得最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能減排目的。

2.2 Simulink模型的建立

本文從汽車的巡航和加速研究插電式混合動力汽車，采用的乘用車測試工況——新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle, NEDC）[8]。

本文采用逆向建模方式，根據(jù)式（3）和NEDC工況，可以建立齒圈轉(zhuǎn)速模塊；根據(jù)NEDC工況和式（4）可建立齒圈需提供轉(zhuǎn)矩模塊；根據(jù)式（5）、式（6）建立驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速模塊；根據(jù)文獻[9]驅(qū)動電機扭矩與功率的建模方法建立驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩模塊。

汽車行駛所需扭矩，首先由驅(qū)動電機提供，若驅(qū)動電機扭矩可滿足汽車行駛需求，則發(fā)動機以最優(yōu)的轉(zhuǎn)速帶動發(fā)電機發(fā)電，若驅(qū)動電機扭矩不能滿足汽車行駛需求，則發(fā)動機根據(jù)外界轉(zhuǎn)速和扭矩的需求[10]找到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩進行補充，執(zhí)行模塊為fcn，將所有模塊按規(guī)律連接，組成動力學仿真，如圖2所示。

圖2 動力學仿真模塊

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

現(xiàn)有一插電式混合動力汽車主要參數(shù)，如表1所示。

表1 汽車主要參數(shù)

根據(jù)已知參數(shù)，代入式（1）—式（6）可得驅(qū)動電機峰值扭矩應大于 229.1 N·m，i0取 5，id取1.5，if取 1.94，根據(jù)計算找出符合要求的驅(qū)動電機參數(shù)，如表2所示。

表2 驅(qū)動電機主要參數(shù)

假設(shè)發(fā)動機燃油經(jīng)濟性最優(yōu)轉(zhuǎn)速在2 000 r/min～4 000 r/min，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n與扭矩Tff采用的擬合曲線為

將以上參數(shù)輸入仿真模型，進行仿真分析。

3.2 NEDC工況仿真分析

圖3、圖4，為NEDC工況下，扭矩與轉(zhuǎn)速輸出圖，如圖 3中曲線③為汽車行駛所需扭矩，曲線①為對應驅(qū)動電機可提供扭矩；發(fā)動機扭矩（曲線②）與轉(zhuǎn)速（曲線⑦）為定值，輸出功率恒定；圖 4中曲線④為此時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速曲線，假設(shè)發(fā)電機的扭矩可以實時控制變化，則可以完全將發(fā)動機能量（不考慮機械損失）轉(zhuǎn)化為電能；曲線⑤、曲線⑥為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和齒圈轉(zhuǎn)速，為NEDC工況車輪轉(zhuǎn)速的放大值。

圖3 NEDC工況扭矩輸出圖

圖4 NEDC工況轉(zhuǎn)速輸出圖

由仿真結(jié)果可知，NEDC工況下驅(qū)動電機所提供的扭矩能滿足汽車行駛需要，此時發(fā)動機以最優(yōu)的轉(zhuǎn)速（本設(shè)計為3 000 r/min）帶動發(fā)電機發(fā)電。一個循環(huán)過程中，電機消耗電能2.685 kW·h；發(fā)動機耗能11.035 kW·h；回收電能11.035 kW·h。相較于普通燃油發(fā)動機在NEDC工況下需要不斷變化發(fā)動機轉(zhuǎn)速以滿足工況要求，混合動力汽車發(fā)動機可以在燃油消耗率最優(yōu)的工況下為汽車提供動力進行電能回收。

3.3 勻加速工況仿真分析

為研究驅(qū)動電機與發(fā)動機并聯(lián)對外輸出動力的情況，設(shè)置仿真參數(shù)：初始速度為0 km/h，末速度為76 km/h，加速時間為10 s。

仿真結(jié)果如圖5—圖7所示，曲線?、曲線?為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和齒圈轉(zhuǎn)速，變化形式與 NEDC工況相同；由曲線⑧可以看出，勻加速階段，汽車所需驅(qū)動力成冪函數(shù)增加；由曲線⑩、曲線?可以看出，汽車加速前6 s，驅(qū)動電機驅(qū)動力滿足汽車加速要求，此時發(fā)動機只帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電功率為定值，如圖7所示，6 s后，因速度的增加，驅(qū)動電機驅(qū)動力不斷減少，如曲線⑨所示，發(fā)動機參與對外做功，并在合理的區(qū)間輸出扭矩和轉(zhuǎn)速；如曲線?所示發(fā)電機轉(zhuǎn)速曲線，隨著發(fā)動機對外輸出動力的變化而改變，對應發(fā)電功率（圖7）隨之發(fā)生改變。

圖5 勻加速工況扭矩輸出圖

圖7 勻加速工況發(fā)電機功率圖

一個循環(huán)，電機消耗電能0.603 kW·h；發(fā)動機耗能0.434 kW·h；回收電能0.39 kW·h。相較于普通燃油汽車發(fā)動機后備功率無法充分利用，混合動力汽車發(fā)動機在彌補電機驅(qū)動力不足的同時，充分利用后備功率進行發(fā)電，使能量得到最合理的利用。

圖6 勻加速工況轉(zhuǎn)速輸出圖

4 小結(jié)

本文基于現(xiàn)有混合動力總成，提出一種插電式混合動力汽車的設(shè)計方案，利用 Simulink建立動力學仿真模型，在充分利用外界電能驅(qū)動的前提下，發(fā)動機在最優(yōu)的工作區(qū)間工作，既起到輔助動力輸出的作用，利用后備功率發(fā)電，增加插電式混合動力汽車的續(xù)航里程，同時實現(xiàn)發(fā)動機燃油消耗最優(yōu)化，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的；通過仿真分析可以看出，設(shè)計能夠滿足插電式混合動力汽車行駛的基本要求。