基于Modelica的并聯式混合動力車輛建模與仿真

冉淵 郭凱 王棟 徐政 陳明

摘 ?要：針對P3并聯式混合動力系統，制定了發動機、電機功率分配策略。應用Modelica語言搭建整車模型，分析了混合動力系統的工作模式，比較了標準試驗工況下某車型傳統動力和P3混合動力的燃油經濟性，并研究了不同最佳油耗區最小功率值對混合動力系統燃油經濟性的影響。結果表明，該P3混動系統通過實現純電、行車充電、發動機單獨驅動、電機助力、制動回收等工作模式，使車輛綜合油耗下降16.3～23.9%;隨著最佳油耗區最小功率值的增加，系統油耗先降低后增加。仿真結果與試驗結果相吻合，適用于混合動力系統的開發與研究。

關鍵詞：混合動力系統;Modelica;工作模式;燃油經濟性

中圖分類號：U469.7 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0052-07

Modeling and Simulation of Parallel Hybrid Electric Vehicle Base on Modelica

Ran Yuan1，2， Guo Kai1，2， Wang Dong1，2， Xu Zheng1，2， Chen Ming1，2

（1.SAIC Motor Technical Center， Shanghai 201804， China;

2.Key Laboratory of Automotive Powertrain in Shanghai， Shanghai 201804， China）

Abstract： A control strategy of power distribution between different energy sources is developed for P3 parallel hybrid electric system. The simulation model is built based on Modelica language， and the automotive fuel economy of target vehicle is analyzed. The results show that the hybrid electric system can realize five working modes and effectively improve the automotive fuel economy by 16～24%.With the minimum power of optimal operation line grows， the fuel consumption firstly decreases and then increases. Moreover， the simulation results are basically identical with the experimental results. It indicates the model is suitable for hybrid electric system research.

Key words： Hybrid Electric System; Modelica; Working Mode; Fuel Economy

冉 ? 淵

畢業于武漢理工大學，碩士學歷，現就職于上海汽車集團股份有限公司技術中心，系統集成工程師，已發表論文2篇。

1 ? ?前言

近年來，汽車行業發展面臨巨大的能源和環境壓力，油耗法規日趨嚴格，開發新能源、節能環保型車輛成為汽車領域研究熱點與發展方向[1]。并聯式混合動力汽車兼具傳統內燃機汽車和純電動汽車優點，在滿足復雜路況交通需求的同時，能夠達到節能減排目的，適應于當今社會的要求[2-3]。并聯式混合動力汽車整車系統開發涉及機械、控制、液壓等多學科領域[4-5]，Modelica語言能完成不同領域模型集成，實現多領域統一建模，且具有建模方便靈活、模型重用性高等優點[6-7]，在混合動力汽車研究領域具有廣泛的應用前景[8]。

本文以混合動力系統的工作模式為基礎，針對P3并聯式混合動力系統制定發動機/電機功率分配策略。應用Modelica語言搭建整車模型，分析混合動力系統工作模式的切換，計算、比較標準試驗工況下某車型傳統動力和P3并聯式混合動力系統的發動機工作點及整車燃油經濟性。研究不同最佳油耗區最小功率值對混合動力系統燃油經濟性的影響。此外，將仿真結果同試驗結果進行對比，驗證所建模型的可行性、正確性。

2 ? ?并聯式混合動力系統

2.1 ? 系統結構

并聯式混合動力系統包含內燃機驅動系統和電機驅動系統，兩個系統可單獨驅動汽車行駛，也可以協同工作，共同驅動汽車行駛[9]。依據電機在傳動系統中布置位置不同，并聯式混合動力系統有多種結構形式，可分為P0、P1、P2、P3和P4等。P3結構中，電機布置在變速箱的末端，相比于P0、P1，P3結構可以實現純電驅動，同時具有更高的制動回收效率;與P2相比，P3結構不僅能夠規避電機經變速箱系統而產生的能量損失，而且由于發動機與電機的距離增加，減少了發動機高溫輻射對電機溫度的影響，從而減少電機溫升引起的降功率運行;針對于P4結構中電機布置在驅動橋的型式，P3成本低，占用空間小，并且能夠實現在任意場景下純電驅動與發動機單獨驅動的切換，從而使車輛具有更好的駕駛性。因此，研究采用P3混合動力系統，如圖1所示，主要由發動機、無極變速器（continuously variable transmission， CVT）、電機、電池等組成，電機置于CVT輸出端，發動機輸出扭矩經CVT后，與電機輸出扭矩疊加，繼而驅動車輪。

2.2 ? 工作模式

P3混合動力系統包含發動機、電機兩個動力源，為提高系統效率、滿足復雜路況交通需求，混合動力系統主要如下五種基本工作模式。

1）純電模式：在純電模式下，發動機不工作，電機作為電動機單獨驅動汽車行駛，此時電池放電，電量下降。

2）行車充電模式：在行車充電模式中，發動機開啟，其輸出扭矩分為兩部分，一部分用于驅動汽車行駛，另一部分通過電機為電池充電。此時，電機作為發電機使用，電池電量上升。

3）發動機單獨驅動模式：發動機單獨驅動模式與傳統內燃機汽車類似，汽車由發動機單獨驅動，電機空轉。

4）電機助力模式：在電機助力模式下，電機作為電動機，與發動機共同驅動汽車行駛，此時電池放電，電量下降。

5）制動回收模式：當汽車減速制動時，電機回收制動能量，作為發電機向電池充電，電池電量增加。

2.3 ? 控制策略

混合動力系統控制策略直接決定發動機、電機工作點，對汽車燃油經濟性影響很大[10-11]。針對P3混合動力系統制定發動機/電機功率分配策略，使發動機盡可能工作在最佳油耗區（optimal operation line， OOL），提高汽車燃油經濟性。

控制策略主要分為兩層。第一層依據電池SOC值判斷電池狀態;第二層基于所處電池狀態，依據駕駛員功率需求和車速，判斷系統工作模式，進而確定發動機和電機功率分配。

依據電池SOC值對電池狀態分區，如圖2所示，分為A、B、C區。A區電量較低，為保證系統正常工作，避免電池過度放電，此部分電量應盡量給予保證。B區位于A、B區之間，此區間電池內阻小，充放電效率較高，應使電池電量盡可能處于此區間;C區主要為制動能量回收預留空間，同時為避免電池過充，此部分電量應盡可能空出。分區限值設為上下限值（SOCUmax/SOCUmin、SOCLmax/SOCLmin）形式，避免電池狀態頻繁切換，從而避免系統工作模式頻繁切換。

對于P3混合動力系統，發動機工作在OOL上，電機對功率需求進行“削峰填谷”。如圖3所示，當車速很較低，駕駛員需求功率很小時，發動機效率很低，電機單獨驅動汽車行駛，發動機不工作。當車速超過純電模式最大車速限制，而駕駛員需求功率低于OOL的最小功率點時，進入行車充電模式，發動機工作在OOL最小功率點，多余功率通過電機為電池充電。當汽車中高速行駛，駕駛員功率需求在發動機最佳油耗區時，發動機效率高，直接驅動汽車行駛，電機空轉。當汽車爬陡坡、超車時，駕駛員需求功率很大，超過OOL最大功率點，進入電機助力模式，發動機工作在OOL最大功率點，不足功率由電機提供。另外，汽車減速制動時，回收制動能量。

為了使仿真更加接近實際情況， 以上描述的控制策略也兼顧了駕駛性的需求。比如，低速大扭矩工況，如果發動機的轉速過高，可以根據NVH目標加以控制，這個可以對電機的功率/扭矩進行適應性調整。

本文的能量回收采用優先回收的策略，也采取了串聯制動回收策略。 本策略在實施中考慮了電池功率極限和電機扭矩極限。

3 ? ?混合動力系統仿真模型

3.1 ? 模型架構

基于Modelica語言開發搭建了P3并聯式混合動力系統仿真模型，如圖4所示。模型包含駕駛員、發動機、電機、液力變矩器（torque converter， TC）、CVT、主減速器、電池、DC/DC、用電器、車身、輪胎、控制系統等組件。

相比于其他商業軟件僅側重于某單一領域，難以實現多領域集成仿真分析，Modelica語言解決了基于多軟件耦合計算產生的解耦困難、求解誤差大、計算效率低、模型搭建復雜等問題，實現在同一平臺下涉及多領域的仿真模型搭建與分析，滿足P3混合動力系統仿真模型搭建的需求。同時，Modelica語言的開源特性使模型搭建具有較強的自主性與拓展性，提高模型重用率及開發效率，降低開發成本。

駕駛員依據汽車實際車速和仿真任務給定的駕駛循環，通過PID控制，計算加速踏板、制動踏板行程;控制系統依據加速踏板、制動踏板行程，計算駕駛員需求功率，結合電池SOC信號、實際車速信號，判斷混合動力系統的工作模式，基于系統所處的工作模式，分配發動機/電機輸出功率，并由車速信號和發動機轉速信號計算CVT速比;發動機、電機、CVT等接收控制系統的控制信號，最終得到汽車的燃油消耗。

3.2 ? 關鍵子模型

3.2.1 發動機模型

發動機模型基于數表建模方法，結合實驗數據搭建。依據發動機轉速和節氣門開度判斷燃燒模式，若發動機轉速高于怠速轉速且節氣門開度大于0時，燃燒模式為1，否則燃燒模式為0。

當燃燒模式為1時，發動機正常工作，計算當前轉速和節氣門開度下的輸出扭矩，進而計算出當前平均有效缸內壓力，得到此刻的有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption， BSFC），最終計算出發動機瞬態燃油消耗量，并依據需求進行或不進行冷啟動修正。發動機瞬態燃油消耗經時域積分得到整個行駛工況發動機燃油消耗量。

當燃燒模式為0時，發動機處于倒拖狀態，屬于耗能部件，利用倒拖曲線得到當前轉速下的扭矩。

3.2.2 電機模型

電機模型可用作電動機和發電機。電機作為電動機時，電功率為機械功率和功率損失之和。電機作為發電機時，電功率等于機械功率和功率損失之差。其中，功率損失為電機轉速和扭矩的函數。

3.2.3 電池模型

電池模型包括電壓源和歐姆內阻模型，可以模擬單個電池或多個電池通過串并聯的任意組合。SOC計算采用時域積分法，將電池主回路電流對時間積分，充電時電流為負，放電時電流為正，用初始電流減去積分結果，得到電池當前電量，電池當前電量與總電量之比即為當前SOC值。另外，電池內阻和開環電動勢均定義為SOC的函數。

3.2.4 控制系統模型

控制系統模型可以實現整車能量流分配、CVT控制、發動機控制等。

對于P3并聯式混合動力系統而言，擁有發動機和電機兩個動力源，其能量流分配是控制系統的核心，對系統油耗收益有很大影響。在能量流分配控制模塊中，以加速/制動踏板位置、電池SOC值、實際車速、發動機和電機實際轉速等為輸入信號，計算駕駛員功率需求，判斷電池狀態和系統工作模式，決定電機工作狀態（發電機/電動機）、發動機工作狀態（驅動/倒拖），進而計算出發動機輸出功率和電機輸出扭矩。發動機控制模塊依據發動機輸出功率，計算節氣門開度及需求轉速。CVT控制模塊依據發動機需求轉速和實際車速計算變速箱需求速比。最終，將控制系統的控制量作為輸出信號，與具體的物理模型相聯系，在統一平臺上，完成整個控制過程。

4 ? ?仿真與分析

4.1 ? 仿真工況

針對P3并聯式混合動力系統制定的發動機/電機功率分配策略及基于Modelica語言開發搭建的整車模型適用于所有工況，為詳細分析混合動力系統的工作模式切換與整車燃油經濟性，仿真采用新歐洲測試循環（new European drive cycle，NEDC）和全球輕型汽車測試循環（world-wide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）。

4.2 仿真結果與分析

4.2.1 系統工作模式分析

在NEDC工況下仿真，發動機/電機輸出扭矩和池SOC值變化曲線分別如圖5、圖6所示：

由圖5可知，在汽車起步或低速低功率需求時，系統處于純電模式，電機輸出功率為正，發動機輸出功率為負。汽車中速、中低功率需求時，電機輸出扭矩為負，發動機輸出扭矩為正，系統進入行車充電模式。汽車中高速行駛、中高功率需求時，電機輸出扭矩為零，發動機輸出扭矩為正，此時系統處于發動機單獨驅動模式。當汽車高速行駛，駕駛員需求功率很高時，系統進入電機助力模式，電機和發動機輸出扭矩均為正值。當汽車減速制動時，電機和發動機輸出扭矩均為負值，系統完成制動能量回收。

另外，結合電池SOC變化曲線可知，在NEDC 工況開始時，電池狀態處于B區，驅動工況下，系統在純電模式、行車充電模式、發動機單獨驅動模式中切換，而在672s時，電池SOC值上升至SOCUmax，電池狀態退出B區，進入C區，驅動工況下，系統更多的運行在純電模式中。直到984s 時，電池SOC下降至SOCUmin，電池狀態再次進入B區。在整個NEDC循環中，電池SOC值在SOCU min～SOCUmax間波動。通過對電池狀態進行分區，在不同的電池狀態下制定不同的控制策略，能保證電池電量適中，不發生過充、過放情況。

同樣地，在WLTC工況下仿真，系統能依據電池SOC值、車速和駕駛員功率需求的變化，完成純電、行車充電、發動機單獨驅動、電機助力和制動回收五種工作模式的切換，并且在整個循環中電池電量適中，電池未出現過充或過放現象。WLTC工況下，發動機/電機輸出扭矩、電池SOC變化曲線分別如圖7、8所示：

4.2.2 燃油經濟性分析

在NEDC和WLTC工況下進行仿真，相比于傳統車，P3混合動力系統能有效降低系統油耗。一方面，P3混合動力系統利用電機、電池實現純電、行車充電、助力等工作模式，調節并控制發動機工作點，使發動機盡可能工作在OOL上，避免工作在BSFC值較大點，從而提高發動機效率，降低油耗，圖9為WLTC工況下傳統車與P3混合動力汽車發動機工作點對比圖;另一方面，P3混合動力系統回收制動能量并儲存在電池中，用于低速純電行駛或急加速時的電機助力，進一步提高汽車燃油經濟性。

進一步地，改變P3混合動力系統OOL最小功率點位置，計算不同OOL最小功率值下，混合動力系統在NEDC和WLTC工況下的綜合油耗。在圖10中， OOL最小功率值從小到大依次為A、B、C、D、E。

分析圖11可知，在NEDC和WLTC工況下，隨著OOL最小功率值增大，P3混合動力系統的綜合油耗先降低后升高。其中，NEDC工況下，OOL最小功率點由A點化至E點時，混合動力系統綜合油耗最大波動率為4.7%，且OOL最小功率值位于C點時，系統綜合油耗最低;WLTC工況下，混合動力系統綜合油耗最大波動率為3%，且OOL最小功率點位于D點時，系統綜合油耗最低。

OOL最小功率值從A點增大至E點時，發動機開始工作的最小功率點也由A點對應的功率增加至E點。分析圖12，OOL最小功率值由A增大至D時，發動機工作點向BSFC值更小的區域移動，發動機效率提高使得系統綜合油耗降低;當OOL最小功率值繼續增加至E點時，系統綜合油耗反而上升，這是因為雖然提高了發動機效率，但增加了發動機向電池充電過程中的能量損失，發動機效率提高帶來的油耗收益不足以抵消充電過程中能量損失。因此，一定程度提高OOL最小功率值有利于系統燃油經濟性，但OOL最小功率值不宜過高。

在NEDC和WLTC工況下，OOL最小功率值分別取點C和點D，計算該P3并聯式混合動力車型的百公里油耗，同傳統車相比，百公里綜合油耗分別下降23.9%、16.3%，如圖13所示：

為了驗證該模型，分別將傳統車以及P3混合動力汽車的NEDC百公里燃油消耗量試驗結果與仿真結果進行對比。仿真模型采用的整車、動力總成系統參數與試驗車輛指標相同，發動機不同轉速、扭矩下的燃油消耗量來源于同款發動機臺架試驗BSFC MAP數據，CVT不同速比、傳扭下的效率來自同款CVT試驗數據，電機效率圖來自于一個實際同規格電機的實測數據修正值，仿真模型未考慮電器附件消耗。

如表1所示，對于傳統車，百公里油耗仿真值和試驗值相差1.7%;對于P3混合動力汽車，百公里油耗仿真值和試驗值相差0.4%。傳統車和混合動力汽車百公里油耗仿真計算值與試驗值相差均小于3%，說明基于Modelica語言搭建的模型正確、可靠。為后續混合動力系統架構開發、系統匹配、功率分配策略優化等提供了平臺。

5 ? ?結束語

針對P3并聯式混合動力系統，制定了發動機、電機功率分配策略，基于Modelica語言開發了動力總成零部件模型庫，搭建了整車模型并進行了仿真計算。結果表明，制定的發動機/電機功率分配策略能使混合動力系統實現純電、行車充電、發動機單獨驅動、電機助力、制動回收五種工作模式，改善汽車燃油經濟性;隨著OOL最小功率值的增加，混合動力系統綜合油耗先降低后上升，一定程度提高OOL最小功率值有利于系統燃油經濟性，但OOL最小功率值不宜過高;某車型P3混合動力和傳統動力相比，NEDC工況整車油耗降低23.9%，WLTC工況整車油耗降低16.3%。另外，仿真結果與試驗結果相吻合，驗證了所建模型的可行性、正確性，為其他構型混合動力系統的開發奠定了基礎。

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