并聯插電式混合動力汽車建模與仿真分析*

宮喚春

（1.天津濱海汽車學院；2.河北東方學院）

節能和環保是汽車工業的主題，積極探索清潔能源及可再生能源的新能源汽車已經是各個國家以及汽車廠商的共識。混合動力汽車由2 個以上動力源提供動力，由燃料發動機系統、電池系統、機械傳動系統、電子控制系統及能量管理系統等多個系統構成的復雜的多變量控制系統[1]，構建準確的混合動力汽車模型對于分析其性能至關重要。由于混合動力汽車系統是多變復雜的非線性系統相互耦合而成，建立精確的數學模型比較困難。文章以某并聯插電式混合動力汽車為例，采用前向仿真法結合試驗測試法，聯合構建混合動力汽車仿真模型，并利用AVL 軟件進行性能分析計算驗證模型精度[2]。

1 并聯插電式混合動力汽車建模

文章采用并聯插電式混合動力汽車結構建模，如圖1 所示，動力流分別由發動機和電動機通過2 套獨立的傳動機構與AMT 相連，通過耦合計算分析將轉矩輸出到主減速器[3]。

盡管發動機與電動機是并聯式結構，但是單獨輸出轉矩轉速的傳動比不同，因此發動機與電動機共同驅動時轉速、轉矩都不相同。圖1 示出動力流輸出的路徑采用前向仿真法[4]，構建并聯插電式混合動力汽車模型。由于各部件結構復雜，難以準確建立數學模型。通過試驗標定測試法對每個動力部件進行試驗測試，將數據集成AVL 軟件能夠分析計算的模塊，為后續建立仿真模型奠定基礎。

圖1 并聯插電式混合動力汽車結構示意圖

1.1 發動機模型

混合動力汽車中發動機是動力源之一，發動機模型構建的精確度對整車性能仿真分析有直接的影響。由于發動機是復雜的非線性系統，難以通過建立數學模型的方法構建仿真模型，文章通過臺架試驗獲取發動機萬有特性曲線[5]，并通過數據擬合法描述發動機動態特性數據，這種方法簡單高效，在車輛發動機建模中廣泛采用。萬有特性曲線的獲取是通過先測定發動機的負荷特性以及發動機的轉速特性后，將2 個特性曲線進行坐標變換畫到同一張圖上，將動力性指標功率、轉矩、轉速和經濟性指標燃油消耗率在同一個特性曲線上呈現，便于直觀分析發動機的工作特性，找出動力性較強的工作區域和經濟性較好的區域作為數據標定的模塊，構建發動機測試模型。圖2 示出并聯混合動力汽車發動機萬有特性曲線。

圖2 混合動力汽車中發動機萬有特性曲線圖

由圖2 可知，通過發動機臺架試驗獲取的發動機轉速特性、發動機負荷特性數據，并利用插值法擬合得到的發動機萬有特性圖，能夠反映發動機在全工況下的工作狀況。圖中左下方區域是經濟性較好的區域，圖中右上方區域是動力性較高的區域，從而為平衡發動機經濟性和動力性找到準確的工況參數點。

1.2 電動機模型

電動機建模采用與發動機建模相似的方法，通過電動機臺架試驗獲取輸入輸出特性數據，并通過擬合法獲取電動機MAP 曲線，為后續AVL 軟件建立數據分析模塊提供依據。電動機試驗曲線通過測定轉速一定下轉矩隨負荷的變化關系曲線，即負荷特性，以及負荷一定的情況下，測取轉矩隨電動機轉速的變化曲線得出，通過特征值點確定電動機峰值轉矩區間，分別確定作為電動機工作時的峰值轉矩以及作為發電機時的峰值轉矩，有利于分析電動機的動力特性，從而為構建電動機模型提供準確的工作范圍。圖3 示出電動機特性曲線圖。

圖3 電動機特性曲線MAP 圖

由圖3 可知，通過臺架試驗獲取電動機外特性曲線與轉矩特性曲線，并通過插值法計算得出電動機特性曲線MAP 圖。電動機主要作為確定車輛運行的核心動力在較大的轉速范圍內保持較高的轉矩輸出，從而確定混合動力車輛的動力性能，而且在較大轉速范圍內工作時電動機工作效率都較高，電動機作為發電機工作時轉矩變化較小，有利于穩定輸出電能滿足車輛電器系統的要求。

1.3 電池組模型

由于電池組的電化學反應過程復雜，建立電池組模型也是重點關注性能特性。因此，文章構建電池組模型時注重電池組充放電特性及荷電狀態（State of charge，SOC）變化對車輛整體性能的影響。通過試驗法獲取電池組特性曲線圖，了解電池組工作特征。圖4 示出電池電壓特性曲線圖。

圖4 是通過試驗法得到的電池在不同溫度以及不同SOC 狀態下充放電時電壓的變化曲線，通過該曲線可以掌握電池組在整車運行時的變化特征。圖4 顯示低溫條件下電壓變化與正常溫度條件下相比會有一定的壓降，主要因為電池組自放電現象，但是壓降較小，SOC 在整個變化區間中逐漸降低時，電壓緩慢下降并且受環境溫度變化的影響較小，說明電池組模型工作狀態比較穩定。

圖4 電池電壓特性變化曲線圖

1.4 整車仿真模型構建

利用AVL-Cruise 軟件將并聯插電式混合動力汽車各部件試驗特性曲線建立分析模塊，并將各部件按照車輛動力學傳遞路徑搭建整車動力模型，同時利用AVL-Cruise 軟件中提供的算法和模塊存儲發動機、電動機、電池組以及AMT 等性能參數與數據，設置每個車輛模塊的性能特征參數[6]，并將各個模塊通過機械或電氣的形式將系統完成連接，最后加載能量管理控制策略及各模塊數據總線的連接。圖5 示出AVL-Cruise軟件建立的混合動力汽車仿真模型。

圖5 基于AVL-Cruise 的整車仿真模型

每個模塊可以通過調式分析獲取各模塊的最佳性能參數，通過點擊的方式可以打開各個模快修改參數或算法，既可以采用軟件提供的算法也可以通過自行設計編寫新的算法并生成算法模塊，將構建的整車仿真模型進行實車測試分析驗證模型的精度。

圖5 中每個模塊既可以采用軟件中已有的模塊使用，也可以根據不同車輛的技術參數自行設計新模塊，并設置新參數和新算法，非常便于實車加載模塊進行測試，因此目前廣泛用于混合動力汽車建模與性能分析領域，而且軟件提供了多種接口，方便與其它測試軟件對接提高結果的共享性。

2 并聯插電式混合動力汽車仿真測試分析

根據建立的并聯插電式混合動力汽車仿真模型，利用該模型進行實車測試，對模型性能特性進行全面分析，驗證模型的精確性。

2.1 動力性分析

將建立的并聯插電式混合動力汽車模型加載到實車上進行道路測試，獲取該模型動力特性曲線。圖6 示出車速變化特性曲線，圖7 示出轉矩特性曲線。

圖6 車速變化特性曲線

圖7 轉矩特性曲線

由圖6 可知，文章構建的模型在實車過程中目標車速與實際車速比較吻合，車輛無論處于混合動力模式還是純電動模式，車速能較好地跟隨車輛運行工況的變化。由圖7 可知，在工況運行的前825 s 內，車輛處于只有電動機工作的純電動模式，電池組能夠比較穩定地給電動機提供電能，保證電動機的轉矩輸出，維持車輛穩定的續航行程。在825 s 后車輛處于制動狀態，利用車輛的再生制動系統，電動機和發動機聯合回收制動時回饋能量，并給電池組補充充電。該模型能夠控制電動機電動狀態或者發電狀態下輸出轉矩時，確保發動機在中等負荷以上輸出轉矩。

2.2 經濟性分析

經濟性分析的目的是確保車輛運行時，在盡可能保證驅動要求時優化發動機工作區間，使得發動機能夠處于高負荷工作區（即燃油經濟性較好的區間）。圖8 示出并聯插電式混合動力模型經濟性分析曲線。

圖8 發動機燃油經濟性分析曲線

由圖8 可知，發動機起動運行后，滿足驅動條件的情況下能夠工作于最佳燃油經濟性曲線內運行，此時電動機應該按照電池組SOC 參數以及需求轉矩大小更換電動或者發電模式，保證車輛整體燃油經濟性最優。本文的發動機通常由電動機帶動運行，盡量保證發動機在高負荷區域內工作，從而保證較低的燃油消耗，發動機一般在車輛處于全加速和電池組電量不足時協助車輛運行，在車輛處于制動狀態時，發動機參與工作協助電動機回收制動能量為電池組補充充電，使得電池組SOC 處于較高的帶電狀態。

2.3 能量管理特性分析

基于該車輛模型還進行了能量管理特性仿真測試，仿真工況采用新歐盟行駛循環工況（New European Driving Cycle，NEDC），該工況由4 個城市低速行駛工況及1 個郊區高速行駛工況構成，包含怠速、起動、加速以及減速等行駛工況，常用于車輛性能分析仿真。能量管理仿真分析如圖9 所示，該圖包含由電池SOC 和純電動模式下續駛里程隨時間變化曲線。

圖9 能量管理分析曲線

由圖9 可知，仿真時間為5 815 s 時，SOC 下降到25%附近，純電動模式下續駛里程為53.2 km，電池組具備較強的深度放電能力，能夠保證電量較低時車輛穩定行駛的能力，同時證明構建的電池組模型的方法是基本合理的。

3 結論

通過臺架試驗測試獲取并聯插電式混合動力汽車發動機、電動機、電池組等核心部件運行數據，并利用AVL-Cruise 軟件建立車輛整車分析模型加載相關分析算法，將構建的模型裝車進行實車道路測試，分析了動力特性、經濟特性以及能量管理特性，試驗結果說明構建的模型能夠滿足車輛行駛要求，從而為繼續深入研究并聯混合動力汽車性能及整車設計初步奠定了基礎。