單軸并聯式混合動力汽車建模與仿真分析

張丹　劉助春　何家盼

摘 要：為提高生產效率，減少整車開發成本，利用Matlab/Simulink軟件建立單軸并聯式混合動力汽車模型，并在FU505循環工況下進行仿真分析。測驗結果表明，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計，提高混合動力汽車整車控制策略研發效率。

關鍵詞：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保意識的深入人心，各大汽車廠商和科研機構將目光轉向了新能源汽車的制作研發，作為新能源汽車之一的混合動力汽車受到廣泛關注[1]。目前，基于模型化的開發方法廣受各大汽車廠商采用，其中重要的環節之一就是模型的構建。本研究以Matlab軟件為平臺，在Simulink環境下搭建單軸并聯混合動力汽車模型，采用基于規則的能量分配策略，實現多動力源間的協調工作，提高整車工作效率。

2 單軸并聯式混合動力汽車

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

與傳統汽車相比，混合動力汽車具有多種運行模式。在多停車—起步的市區行駛工況下，為發揮出混合動力汽車的結構優勢，應采取與行駛工況相對應的工作模式。如圖2所示，純電動模式——起步或低速行駛;發動機模式——扭矩需求大或工作效率高;行車充電模式——不宜采用純電動，且發動機效率高;混合驅動模式——加速、爬坡;再生制動模式——減速制動。

3 單軸并聯式混合動力汽車模型

本文基于MATLAB/Simulink仿真環境建立單軸并聯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，三大系統通過CAN總線連接并實現信號共享，使建模仿真時信息反饋及時、準確，如圖3所示[2]。

基于CAN總線的控制系統與發動機、電機及電池等模型相連，可接收各個模塊的狀態信息，如車速、轉矩、節氣門開度等。根據汽車的行駛狀況，經由CAN總線將控制命令發給各模塊，決定各個動力源的輸出功率和扭矩，經由傳動系統傳遞至車輪。

4 能量分配策略

盡管混合動力汽車的結構各有不同，但也大同小異，對于能量管理策略的目標都是追求最大的燃油經濟性、最小的排放和最低的系統成本[3]。如圖4所示，針對單軸并聯式混合動力汽車采用基于規則的能量分配策略，對功率進行分段。若需求功率小于8kw，則由電動機單獨驅動汽車;若需求功率處于8～40kw，則由發動機驅動汽車，根據電池的荷電狀態決定是否對其充電;若需求功率在40～70kW，發動機定值輸出40kw，電動機產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，內燃機輸出額外的功率來滿足汽車的功率需求[4]。

5 仿真結果

采用標準的FU505循環工況，對所建立的單軸并聯式混合動力汽車模型進行仿真，實際車速與目標車速曲線幾乎重合，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。

當汽車處于起動或需求功率較小時，電動機單獨驅動汽車，電池對外輸出電能，SOC減小;當汽車的需求功率較大，發動機啟動，在驅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，用于控制領域的仿真研究。

6 結論

根據單軸并聯式混合動力汽車的結構特點，在Matlab/Simulink環境下建立混合動力汽車模型。通過設置仿真環境，在FU505循環工況下對混合動力汽車進行仿真并分析，結果表明：

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：湖南汽車工程職業學院科學研究課題，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模型仿真[J]. 重慶理工大學學報（自然科學），2019（3）.

[3]高龍飛，張瑞亮，陳聯春. 同軸并聯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.