P2混動系統仿真模型建立和性能分析

樊曉磊

摘要：本文主要以某橫置P2混動多檔雙離合器變速器為基礎，應用CRUISE和Matlab建立整車及動力控制仿真模型，用于驗證和調整P2混動系統控制方法及策略。通過仿真計算表明此模型各模塊仿真功能正常，運行穩定可靠。通過適當調整此模型相關參數就可用于動力控制策略的開發和驗證，可有效縮短開發周期，節約開發成本。

Abstract： In this paper， based on a transverse P2 hybrid multi-speed dual clutch transmission， CRUISE and Matlab are used to establish a vehicle and power control simulation model to verify and adjust the P2 hybrid system control method and strategy. The simulation results show that the simulation functions of each module of this model are normal and the operation is stable and reliable. By appropriately adjusting the relevant parameters of this model， it can be used for the development and verification of the power control strategy， which can effectively shorten the development cycle and save development costs.

關鍵詞： P2;仿真模型;性能分析

Key words： P2;simulation model;performance analysis

中圖分類號：U463.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0168-03

1 ?背景介紹

近年來各車企都在加大混合動力汽車的研發，以滿足日益嚴格的油耗排放法規的要求。其中全混系統不僅節油效果最佳而且整車的動力性也更加強勁所以成為研究的重點。

對于SUV車型其工作環境相比一般轎車而言要更加復雜，首先要滿足一般的行駛工況比如城市循環工況、高速工況、郊區工況等還要滿足一些嚴苛的工況比如，脫困工況、長時間爬坡工況、帶拖車等工況。經過分析對于橫置平臺P2加多檔雙離合器變速器混動方案（見圖1）是一個較好的選擇，它即能滿足SUV車型的一般工況，也能滿足特殊的工況，但其它形式的混動方案有的就無法滿足帶拖車及長時間爬坡等工況。

2 ?仿真模型的建立

本文使用CRUISE軟件建立整車仿真模型進行整車動力性和經濟性計算及分析，使用MATLAB軟件建立動力控制模型，用于驗證和調整P2混動系統控制方法及策略。

2.1 動力總成參數收集

在建模時需要整車、發動機、電機、電池及DCT的參數。其中整車參數主要有整備質量、滿載質量、重心位置、前后輪載荷分布、車輪半徑、行駛阻力、及其它慣量及尺寸數據。發動機參數主要有外特性、萬有特性、載荷譜信息圖、阻力曲線及其它排量等信息。電機的主要參數有電機外特性曲線，電機效率圖、電機扭矩轉速關系圖等。電池的主要參數有電壓、電量、熱模型及SOC與電壓曲線等。DCT主要參數有速比、換擋曲線、效率圖、及慣量參數等。

2.2 整車仿真模型建立

使用CRUISE軟件中的模塊建立整車動力系統。如圖2所示。在該模型中主要包括車輛模型（某大型SUV），動力系統（包括發動機、電機、電池、變速器）、制動系統、輪胎、駕駛員、監視器、整車能量控制器、雙離合器控制器、DCT換擋控制器。為了模擬變速器中電子泵的能量消耗和發動機啟動時的能量消耗增加了電子泵和發動機啟動兩個耗能原件。

由于P2混動在電池電量充足時會有純電行駛工況，此時離合器的控制方式與發動機控DCT起動車輛行駛時的控制方式有所不同，所以需要依據具體的要求建立新的雙離合器控器制（如圖3）。

2.3 控制策略的搭建

在仿真模型中搭建了基于Simulink的簡化混合動力控制器模型，包括加速/制動PID解析控制模塊，加速信號與扭矩需求轉換模塊，控制模式選擇模塊，扭矩分配模塊，發動機需求扭矩與載荷信號轉換模塊。

該模塊需要從Cruise中需要的信號有電池電量、當前擋位及速比、電機最大扭矩、發動機轉速、期望的車速和實際車速。輸出到Cruise中的信號有K0離合器控制信號、電機扭矩信號、電機開關信號、制動壓力信號、發動機起/停信號、電子泵起/停信號等。（圖4-圖5）

2.3.1 加速/制動PID解析控制模塊

此模塊的主要作用是依據期望的車速信號和實際的車速信號進行比較，采用簡單的PID控制，生成加速信號和制動信號。其中Chart部分的主要作用是防止加速和制動信號同時為最大值的情況出現（如果出現仿真系統也不會報錯，只是Cruise仿真結果會出現異常）。

2.3.2 加速信號與扭矩需求轉換模塊

該模塊的主要作用是依據加速/制動PID解析控制模塊輸出的加速信號，產生一個系統需求的具體扭矩值。

2.3.3 控制模式選擇模塊

此模塊的主要作用是控制整車的動力系統選擇哪種工作模式。根據整車能量管理策略建立簡單的P2混動系統控制策略，在控制系統中定義了四種不同的工作模式。分別為制動模式、純電動模式、純發動機模式及混動模式。

具體的工作原理如下：

當制動信號大于0就會進行制動模式，在制動模式中也會依據車速、制動壓力的大小、電池SOC值及電機最大扭矩分為三種情況。①單獨電機通過能量回收進行制動。②電機和車輛制動器共同作用制動。③單獨車輛制動器進行制動。

當電池處于高SOC值區域時，盡可能采用純電動進行驅動。如果動力不足則會啟動發動機，讓電機和發動機共同工作。

當電池處于中SOC值區域時，且車速大于80Km/h，會優先采用純發動機驅動。如果動力不足會讓電機提供部分動力。

當電池處于低SOC值區域時，會啟動發動機，如果發動機工作區域在低扭低效率區時，會讓發動機在帶動車輛行駛的同時通過帶動電機給電池充電以此增加發動機負載讓其工作在高效區。如果發動機工作在經濟區域或高扭低效率區域時，會讓發動機單獨工作。

以上數據的具體值可依據仿真結果及優化算法進行調整。

2.3.4 發動機需求扭矩與載荷信號轉換模塊

由于本文所用的DCT換擋曲線是基于節汽門開度與車速，所以需要將發動機的需求扭矩轉換成節汽門開度。

3 ?仿真結果分析

對于混動車車輛，動力性經濟性評估項目主要包括純電0-50km/h最小加速時間，混動0-100km/h最小加速時間，純電動/混動最高車速，綜合油耗、電平衡油耗、純電動/混合動力模式持續爬坡車速等。

能量管理策略不影響動力性項目，如：純電0～50km/h最小加速時間，混動0～100km/h最小加速時間，純電動/混動最高車速等（見表1）。只影響綜合油耗、電平衡油耗（見表2）通過表2可以看出當改變制動能量回收策略和改變中低電量范圍時對油耗的影響是比較明顯的。

圖8是不同SOC值與車速的對應關系，由于定義了不同的低SOC值范圍，從而導致了電機的能量回收狀態及發動機驅動電機發電的狀態也不同，最終影響整車的油耗也不同。

4 ?結語

本文所設計并實現的應用于P2混動系統雙離合變速器整車仿真模型，各模塊仿真功能正常，運行穩定可靠。同時有效驗證了離合器控制模塊及能量管理模塊的功能，且能夠通過調整部分關鍵參數，就可以得到相應的油耗仿真結果。在此模型的基礎上通過理論計算仿真和與實際試驗結果對比分析的方法對模型參數進行適當的調整就可以用于新車型動力控制策略的開發和驗證，可有效縮短開發周期，節約開發成本。

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