1、混 合动力电动汽车的建模与仿真研究常 城1周雅夫2（1大连理工大学 汽车工程学院 ，大连 116023）（2大连理工大学 新能源车辆研发中心 ，大连 116023）Research on the modeling and simulation of hybrid electronic vehicleCHANG Cheng1， ZHOU Ya-fu2（1School of Automotive Engineering of Dalian University of Technology， Dalian 116023， China）（2New Energy Vehicles Research an
2、d Development Center of Dalian University of Technology， Dalian 116023， China）【摘 要 】按照设计要求，以 TJ7100 轿车为设计原型，针对 ISG 型混合动力电动汽车（ HEV），使用Simulink 建立了其动力系统的动态仿真模型，重点研究并制定了相应的电力助动控制策略 。在 ECE循环工况下对仿真模型进行了动力性和燃油经济性分析，为搭建动力总成试验平台提供了参考依据 。结果表明，所制定的控制策略能有效地较低燃油消耗，使电池 SOC值维持在一定的范围内 。同时，仿真结果与实际情况基本相符，从而验证了所建仿真模型
3、的正确性和合理性 。关键词：混合动力；建模仿真；控制策略【Abstract】Accordance to the design requirements， based on the design prototype of TJ7100， thepower system dynamic simulation model of an ISG hybrid electric vehicle （ HEV） was established usingsimulink focusing on the research and development of the corresponding electric
4、 assist control strategy.The analysis of dynamics and fuel economy of the model was carried out in the ECE cycle， which providesa reference for setup of the powertrain test platform. The results showed that fuel consumption can be effectively reduced by using the strategy developed with the SOC valu
5、e of the battery maintaining in a certain scope. And the simulation results are basically in accord with the actual situation， which verifies thecorrectness and the reasonableness of the simulation model.Key words： HEV； Modeling and simulation； Control strategy来稿日期： 2008-04-28中图分类号： TH16， U469.7 文献标
6、识码： A由于能源和环境的巨大挑战，汽车的能源动力变革成为汽车工业发展的焦点和核心，新能源汽车越来越成为一个研究热点 。从近期和中期来看，混合动力电动汽车（ HEV）是传统汽车的最佳替代车辆1。ISG 轻度混合动力电动汽车很适合于在中国推广，因文章编号 ： -3997（ 9） 02-0130-034 解决负荷不平衡问题的实际措施理论与仿真分析工作给出的一些定量结果，表明不打滑是保证负荷不平衡问题的必要条件 。实际中给出定性要求 。（ 1）尽可能提高轧制过程轧辊的摩擦因数；（ 2）在轧制厚板时，适当减少轧制过程速度，以保证有足够的轧制动力；（ 3）适当调整轧辊之间的距离，都将能够保证正常稳定轧制
7、 。这些建议，已经充分地解决宝钢 2320 冷轧机组的打滑问题，获得了正常稳定轧制 。5 结论进行了六辊轧机工作时的动力学分析，推导了保证系统稳定轧制过程条件，研究了打滑条件与出现打滑时对负荷不平衡的影响，给出当出现打滑开始产生负荷不平衡，随时间延时，负荷不平衡程度不断增加的延时负荷不平衡概念 。分析了若上方轧辊出现打滑，将会导致下方轧辊也会出现打滑，分析上下轧辊都有一处打滑时的负荷不平衡量计算原理 。编制了仿真程序，并给出相应的结果，其分析为研究负荷不平衡的起因有着很好的意义 。基于理论分析结果，给出了保证实际轧制过程要求，使得较好地完成了板材的轧制工作 。参考文献1 Ford H， Ell
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10、业出版社， 1995： 1391518 杨珏，何旭宏，赵昊彤等 . MatheMatica 应用指南 M . 北京：人民邮电出版社， 1999999999999999999999999999999999999999999999999Machinery Design Manufacture机械设计与制造第 2 期9 年 2 月130为 它在结构上相对简单 、成本低，实现起来更为现实 。所以对 ISG混合动力电动汽车的研究有着重要的现实意义 。HEV 控制策略的任务是对各部件间的能量流动进行瞬态管理，以此达到整车的技术设计目标 。大量的文献曾报道 HEV 控制策略的研究，这些策略大体包括电力助动控
11、制 、最佳控制以及模糊控制等2。本文主要研究目前较常用的并联式电力助动控制策略（ PEACS） 。动力总成是电动汽车的技术关键和核心 。驱动电机及控制系统是动力总成的关键部件 。在搭建试验台架之前要进行模型建立和仿真分析，以降低开发费用，缩短开发周期 。本文的建模和仿真工作主要针对 ISG 轻度混合动力总成系统 。1 ISG 型 HEV 动力总成结构混合动力电动汽车主要有串联式 、并联式和混联式三种布置形式 。通过对不同布置形式 、不同混合程度的混合动力电动汽车的比较，根据设计要求从整车效率 、动力性能和控制难度等方面的综合考虑，选择并联式同轴扭矩复合式布置的 ISG 轻度混合动力总成作为研究
12、和开发的对象 。所选用的动力总成布置形式的示意图，如图 1 所示 。图 1 ISG 动力总成布置形式示意图根据最高车速 、爬坡度等设计要求，选用了 TJ376QE 发动机，最大功率为 48.0KW（ 6000r/min），最大扭矩为 79.1Nm（ 3600r/min） 。电机采用双凸极永磁电机，以克服开关磁阻电机噪音大 、力矩波动大和永磁电机（无刷 /同步）所带来由于转子的温升引起永磁材料的退磁问题 。ISG 电机直接安装在发动机曲轴动力输出端，转子随动力输出轴转动 。既可传递动力又可提供动力，作为汽车的辅助动力源 。ISG 电机的引入取消了起动机 、发电机和飞轮，简化了系统 。本文在图 1
13、 所示结构的基础上研究动力系统的仿真模型 。2 控制策略在动力总成布置方案及动力元件类型确定下来后，如何优化控制策略成为实现 HEV 低油耗 、低排放目标的关键所在 。HEV在不同控制策略下的性能也不相同，本文采用电力助动控制策略对仿真模型进行控制，通过仿真研究其特点 。PEACS 是一种基线控制策略，它以发动机最大转矩线和最小转矩线作为两条控制基准线 。这种基线控制策略以发动机作为主动力源，以电机作为辅助动力源，并维持蓄电池里的电量 。PEACS的目标是最小化发动机的能耗量，不考虑排放，不考虑电机和蓄电池效率的影响1。其主要控制思想是将动力总成系统中的电机作为灵活变化的被控部件，利用电力系统
14、反应迅速 、控制准确的特点，在电动汽车行驶过程中，随工况需求变化配合发动机进行电机实时调控 。使动力总成的能量输出在满足汽车动力性要求的同时，确保动力电池组的SOC 维持在合理的范围内，并使整车获得良好的燃油经济性和排放特性33 仿真模型的建立在 Matalb/Simulink 环境下建立了动力总成的仿真模型，整个模型的顶层图，如图 2 所示 。图 2 动力总成仿真模型方框图3.1 发动机模型发动机模型通过台架试验数据建立 。在试验台架上测得的发动机转速 转矩 燃油消耗率 map 图，如图 3 所示 。图 3 发动机 map 图3.2 电机模型电机模型的建立基于台架试验数据，通过查表法得到 。
15、在试验台架上测得的电机转速 转矩 效率 map 图，如图 4 所示 。图 4 电机 map 图3.3 蓄电池模型蓄电池经历着与热有关的电化学过程，其电化学特性是具有变参数的非线性函数，使得它难以建立精确的数学模型 。因此，蓄电池电化学特性的动态模型要适当地简化处理 。本文采用内阻模型，其等效电路图，如图 5 所示 。内阻模型是 HEV 仿真中最常用的一种电池模型，它将电池看作一个理想电压源和一个内阻串联的等效电路，如图 6 所示 。测功机控制策略ISG 电机蓄电池发动机发动机扭矩（ Nm） 发动机转速（ r/min）燃油消耗率（g/（Kwh）60040020006005505004504003
16、503002501201008060400200040006000转速（ r/min） 扭矩（ Nm）电机效率g/（Kwh）6004002000600550500450400350300250100000-405000-200204060发动机飞轮电机测功机离合器第 2 期常 城等：混合动力电动汽车的建模与仿真研究131图 5 电池模型等效电路由模型可得电池：SOC=Q-i（ ） d/Q式中： E电池开路电压；U电池端电压；R电池等效内阻；I电池放电 /充电电流；T环境温度；Q额定电量 。3.4 测功机模型测功机模型主要完成的功能是模拟 ISG 混合动力电动汽车在 ECE 循环工况下的运行工况
17、 。ECE 循环工况标准以时间为序列，描述各个时刻汽车的速度情况，根据选定的换挡规律，通过对循环工况的分析可以得到负载（测功机）转速和转矩随时间序列变化的情况，如图 6 所示 。图 6 测功机转速和转矩 -时间曲线4 仿真结果分析根据所建立的仿真模型，在 SIMULINK 仿真环境下进行了仿真 。如表 1 所示，给出了被仿真的动力总成主要部件的参数 。控制策略的主要控制参数，如表 2所示 。燃油经济性仿真结果，如表 3所示 。表 1 动力总成主要部件的参数表 2 控制策略的主要控制参数表 3 燃油经济性仿真结果从仿真结果的分析可以得出如下结论：（ 1）电池的 SOC 值始终维持在（ 0.40.
18、6）之间避免了深度充放电造成的对电池寿命的降低，同时证明电池容量的选择是合适的；（ 2）发动机能够在特定的工况下能停止工作，如仿真的第 25s和第 90s。在启动时由电机带动，从而降低了燃油消耗和排放；（ 3）减速制动工况下，电机能够提供制动力矩，进行制动回馈，对电池充电；在加速阶段，电机能够提供助力力矩，改善发动机的工作状态，使发动机尽量工作在高效率区 。（ 4）充电电流在（ 080） A 范围内，由于电机允许三倍过载运行，放电电流在（ 0240） A 这一较大的范围内 。（ 5）在仿真情况下，动力总成使用所设计的控制策略在 ECE循环工况下的每百公里油耗仅为 3.3L/100Km，经济性良
19、好 。5 结论根据设计要求，完成了 ISG 轻度混合动力电动汽车动力总成的结构设计 、建模仿真的工作 。在 ECE 循环工况下对仿真模型进行了动力性和燃油经济性分析，为搭建动力总成试验平台提供了参考依据 。结果表明，电力助动控制策略适合于在 ISG 型混合动力电动汽车上使用，能有效地较低燃油消耗，使整车具有良好的经济性 。参考文献1辛世界，隆武强，范立云等 . 并联混合动力城市客车控制策略研究 J . 大连理工大学学报， 2007， 47（ 4）： 5155202 陈健，李彦，吴亚祥 . 混合动力电动汽车模糊逻辑控制策略的研究与仿真 J . 汽车工程， 2006， 28（ 4）： 322326
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21、d E.Alviano， “Simulation toolsand evaluation criteria for steering wheel feel improvement of an electricpower steering system“， SAE paper， 2002（ 1）： 15932002参数量 指标 参数值发动机怠速转速回馈扭矩门槛值助力扭矩门槛值700r/min-15Nm20Nm发动机怠速状态蓄电池 SOC 限定值蓄电池 SOC 初始值车辆启动条件关闭0.60.40.7冷启动上限下限行驶距离 1Km耗油量百公里油耗0.033L3.3L/100Km部件 参数量 参数值发动机型号最大扭矩电压TJ376QE79.1Nm（ 3600r/min）280V电机蓄电池48.0KW（ 6000r/min）双凸极永磁电机10KW80Nm50002500r/min镍氢电池组8Ah最大功率类型额定功率最大扭矩最高转速基速类型容量车辆速度（ Km/h）测功机转速（ r/min）测功机扭矩（ Nm）时间（ s）0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200604020040003000200010000806020-20-60+U-RIE+-E=E（ SOC， T）R=R（ SOC， T）U=E-IR机械设计与制造No.2Feb.2009132
