混合動力汽車建模與模型驗證*

宮喚春

（1.河北東方學院；2.天津濱海汽車工程學院）

通過仿真技術進行混合動力汽車性能研究是比較節約成本且能加快研究進程的可靠方法。因此，必須建立準確的混合動力汽車仿真模型是關鍵環節之一，混合動力汽車系統建模較為復雜，汽車運行過程處于非線性瞬時工況且影響參數眾多為建立數學模型帶來很大挑戰。文章利用某混合動力汽車通過實驗測試的方法獲取建模的數據變化規律并結合AVL-Cruise軟件[1]，按照混合動力汽車動力傳輸方向進行正向仿真建模，將構建的混合動力汽車仿真模型進行道路測試驗證模型的準確性。

1 混合動力汽車建模與結構

混合動力汽車建模有3種方式[2]，即：正向仿真、逆向仿真和正逆向仿真。由于正向仿真建模與車輛運行時各部件動力運轉輸出的方向完全一致而且各部件建模連接的位置與實際汽車部件傳輸的位置完全相同，所以文章采用正向仿真的方法進行混合動力汽車建模，正向仿真建模示意圖如圖1所示。

圖1 正向仿真示意圖

圖1為正向仿真建模中，駕駛員模型是仿真建模的初始點，根據外部工況的各項參數，通過調整加速踏板和制動踏板控制車速跟隨行駛工況。

圖2為文章選取的混合動力某轎車的結構示意圖，包括整車控制器、發動機及其控制器、模式離合器、電機及其控制器、AMT變速器及其控制器等組成。控制系統通過加速踏板和制動踏板，接受來自駕駛員的運行指令，并接受其他的車輛及其組件的運行可變量（車速、發動機/電機轉速、電池SOC等）。基于這些數據、組件和預置的控制策略，整車控制器向各組件控制器給出控制指令[3]。

圖2 某混合動力轎車結構示意圖

2 混合動力汽車實驗標定與仿真模型構建

為了降低構建混合動力汽車仿真模型的難度，文章通過臺架測試的方式對選取的某混合動力轎車進行實驗測試并工況數據進行標定，作為仿真建模的初始數據，這種方法建模獲取的數據比較接近車輛實際運行的數據，比數學建模更為節約成本且數學建模過程會對某些工況或參數進行忽略從而影響建模精度[4]。按照圖1正向仿真示意圖中各部件的位置依次通過實驗獲取發動機MAP圖，純電動模式下電機MAP圖以及充電和發電模式下的電機MAP圖，動力電池組充放電內阻變化圖，將上述數據集成為AVL-Cruise模塊進行混合動力汽車仿真模型構建。圖3為發動機MAP圖，圖4為純電動模式下電機MAP圖，圖5為發電模式下電機MAP圖，圖6為動力電池組充放電內阻圖。

圖3 發動機MAP圖

圖4 純電動模式電機MAP圖

圖5 發電模式電機MAP圖

圖6 動力電池組內阻變化

基于AVL-Cruise軟件將集成的模塊，按照圖1示意圖的方向將模塊進行連接完成混合動力汽車建模過程，建模步驟為：首先將各模塊機械系統和電氣系統各自進行連接；其次完成各模塊基本參數及特性圖數據模塊的加載[5]；最后完成系統各模塊間的數據總線設置，從而將各個模塊實現數據共享及信號傳輸。具體AVL－Cruise仿真結構圖如圖7所示。將圖7建立的混合動力仿真模型加載到混合動力汽車上進行道路測試，驗證文章建立的模型精度并對模型參數變化規律加以分析。

圖7 AVL－Cruise仿真建模模型圖

3 混合動力汽車仿真模型道路測試

本節把實車采集的車速數據作為仿真的工況輸入，但做了一定的濾波處理，去除了頻繁的擾動。實際道路試驗數據采樣周期為50 ms，因此仿真過程中，仿真步長設定為0.05 s。

圖8為道路實驗車速與仿真車速對比分析曲線，藍色曲線為實際車速，紅色曲線為仿真車速，從仿真結果可以看出仿真車速能夠很好的跟隨實際車速的變化，兩者速度比較一致，各工況變化下仿真模型能夠比較準確的顯示實際車速的變化情況，為準確分析混合動力汽車動力性能指標奠定了基礎。

圖8 道路實驗車速與仿真車速對比曲線

圖9為電機負荷變化曲線，從圖中可以看出在發電和純電動模式切換時仿真模型的電機負荷曲線稍微偏離實際負荷，主要原因是文章只是對發電模式、純電動模式下電機負荷特性進行了測試直接選取數據建模而沒有分析速度特性，從而出現上述問題，但是文章的仿真模型具體很好的自適應學習功能能夠迅速消除誤差與實際電機負荷較好的吻合，為電動模式下的能量管理優化研究提供了依據。

圖9 電機負荷變化曲線

圖10為SOC變化曲線，由圖中可以看出，文章建立仿真模型能夠比較準確反應出動力電池組在車輛運行時的電量變化情況與實際車輛SOC參數比較一致，為準確分析動力電池組奠定了基礎。

圖10 SOC變化曲線

4 結論

文章基于混合動力汽車實驗標定數據結合AVLCruise軟件聯合構建混合動力汽車仿真模型，將構建的仿真模型利用實車進行道路測試分析了動力性能情況、電機負荷特性情況及電池SOC參數變化情況，結果表明：文章建立的仿真模型能夠用于混合動力汽車性能分析，為優化混合動力汽車設計提供了依據。