多能源动力总成管理系统仿真分析

赵娜，吴祥超

（长安大学，陕西 西安 710064）

多能源动力总成管理系统仿真分析

赵娜，吴祥超

（长安大学，陕西 西安 710064）

多能源动力总成管理系统是混合动力汽车最为核心的技术。本文分析了多能源动力总成管理系统中的各个子模型。根据加速踏板位置信号，电池的状态以及发动机、发电机、电动机三者的转速，通过该系统的控制策略，将动力进行合理的匹配，最后得到了发动机的节气门信号，电动机和发电机的参考转矩。再将这些输出信号输入到发动机模型和电力驱动模型中，实现对发动机，发电机和电动机的合理控制。

混合动力汽车；多能源动力总成管理系统；电池管理

CLC NO.:U461.1 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2015)05-80-04

前言

混合动力汽车是介于内燃机和电动汽车之间的一种车型，它继承了电动汽车低排放的优点，又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放性能和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程，对于中国这样一个贫油和污染较严重的国家来说具有相当重要的战略意义和现实意义。

多能源动力总成管理系统负责处理整车的能量管理和动力分配策略，协调控制各总成部件，是混合动力汽车最为核心的技术。控制系统能够在各种工况下解析驾驶员的操作意图，计算出车辆行驶的需求转矩，并将其最优化地分配到各个动力驱动装置，以获得更好的燃油经济性和更低的排放。运行过程中控制系统不断的优化整车的能量分配，使混合动力汽车在不同的工作模式之间进行切换，并回收减速或制动时的能量，从而使整车获得最佳的性能。在本文所研究的模型中，多能源管理系统将加速踏板的位置，发动机，发电机以及电动机的速度，还有电池的状态（电压和荷电状态）作为输入信号，通过一系列控制，最终得到的输出信号是电动机和发电机的参考转矩以及节气门的信号。通过多能源动力总成管理系统得到的输出信号再分别输入到发动机模型，发电机和电动机组合而成的电力驱动模型中去，可以实现对三者的控制。从而根据汽车的需求将动力进行合理的匹配，使汽车运行在最佳状态。

1、电池管理系统

作为混合动力汽车的一个主要动力源，电池管理系统起着十分重要的作用。无论是发电机还是电动机，都离不开电池的参与。电池在混合动力汽车中还起到了能量缓冲的作用，在一定的条件下通过充电的方式将电能进行储存，而在车辆需要电动机发出功率时再将能量输出。

在该电池管理模型中，主要是对电池SOC（电池的荷电状态）工作范围进行了设定，这样做的目的是为了防止电池进行过度的充，放电，从而对电池的寿命起到了保护作用。在此模型中，我们将范围限定在了40%到80%之间，设定电池的初始电量为41.53%，利用一个触发器对电池进行控制，从而得到电池的充电功率。

具体的控制策略为：当电池的电量低于 40%时，电池需要充电，而电池的额定功率为 21Kw,因此电池进行充电直至-21Kw。但只要电池电量还未达到80%时，电池一直保持充电状态。当电量大于 80%，电池停止充电。由示波器得到电池的电量波形图为图1所示。

2、汽车所需要的驱动转矩与驱动功率

2.1 驱动转矩

汽车在行驶过程中的驱动转矩主要由加速踏板的位置以及电动机的转速得出。汽车的最大转矩是 400N·M,将加速踏板的为位置与之相乘则可得到汽车所需转矩，但是这个转矩有一个限定范围，而该范围则是由电动机的转速来决定的。在这里，电动机的转速与转矩有一定的函数关系，通过这个插值函数，可得到转矩范围，插值函数如图2所示。

在该坐标图中，横坐标代表的是电动机转速，纵坐标代表的是转矩。所以，根据加速踏板的位置所求出来的驱动转矩若在范围内，就为汽车所需的驱动转矩，若在范围外，则驱动转矩为该限定范围的上极限值或是下极限值。

2.2 驱动功率

因为无论是纯电驱动，纯发动机驱动还是混合驱动，最终都需要通过电动机进行驱动，所以根据功率与转矩的关系，汽车行驶所需要的驱动功率为驱动转矩与电动机转速的乘积。

3、混合动力管理系统

3.1 混合动力使能信号

混合动力汽车，顾名思义就是汽车有两个或两个以上个动力源，根据条件的不同，在汽车行驶时可以是单个动力源独立驱动，也可以是多个动力源混合驱动。那么，在何时汽车应该进行混合驱动就成了控制的关键。混合动力使能信号就是用来控制汽车在什么时候开始混合，又是在什么时候停止混合的。在本文中，假定汽车没有混合时，信号输出为0，而汽车混合时，输出信号为1。

在该混合动力汽车的模型中，使能信号是由驱动功率的参考值与电池的充电功率决定的。控制混合使能信号的模型如图3所示。

通过对控制模块的分析得知，对于混合动力信号的最终实现，驱动功率的参考值与充电功率是“或”的逻辑关系。也就是说，当驱动功率的参考值大于设定的12Kw时，这时仅仅靠纯电驱动已经不足以满足汽车行驶的需求了。所以，要开启混合动力模式；“或”当电池的充电功率不等于0时，混合动力也要开启。这是因为由上文中分析的电池管理模块可得知，当电池的 SOC低于40%时，为了防止电池的过度放电，电池需要充电。所以，这个条件可以转化为当电池的SOC低于40%时，混合动力开启。那么，反过来，混合动力关闭的条件为当驱动功率的参考值大于12KW“且”电池的SOC大于等于40%。

3.2 发动机参考转速

之所以要求出发动机的参考转速，是为求解后面发电机的参考转矩，电动机的参考转矩等量作铺垫。根据图4所示的控制模型，我们可以得出发动机的参考转速。

要求发动机的参考转速，首先要知道发动机的参考功率。由模型可得：P*ICE= ，从这个式子也可说明，当电池处于未充电状态时，发动机的参考功率就是汽车驱动功率的参考值；当电池处于充电状态时，由于充电功率为负值，所以实际上是将驱动功率的值与电池充电的功率值相加，说明了此时只由发动机纯驱动，发动机发出的功率一部分直接驱动汽车，另一部分则通过发电机给电池充电。所要求的发动机参考转速与发动机参考功率间存在着一定的函数关系，于是通过插值函数模块，我们可得到发动机的参考转速，插值函数见图5。

该坐标图中，横坐标代表参考功率，纵坐标代表的是参考转速。由该插值函数得到的参考转速还要再乘以AccelGain=1.1，然后判断得到的值是否在750~5000rpm之间，若在，则输出值为发动机参考转速；若低于 750rpm，则为750rpm；若高于5000rpm，则为5000rpm。

3.3 发电机参考转矩

（1）发动机的参考转矩

该模块被用来计算ICE所需要的转矩，并且它还被用来在混合动力关闭时，计算使ICE停止所需要的转矩。具体模型见图6。

我们可以看到控制发动机的参考转矩有三条支路:第一条支路是与发电机的转速相关的。根据设定的值，我们发现：当发电机的速度<200rad/s时，该支路输出信号为0，发动机是不输出转矩的，当发电机速度>300rad/s时，该支路输出信号为1，发动机才有转矩输出。

第二条支路是用来求解发动机的参考转矩的，即把发动机的参考功率除以参考速度。在这条支路中，我们采用了采样与保持模块来进行控制。即当使能信号一开始为0时，转矩输出为0；当使能信号为1时，输出计算出的转矩；在这以后，当使能信号又为0时，那么使发动机停止的转矩则保持上一时间段内使能信号为1时的转矩值。

第三条支路用来对发动机的参考转矩进行修正，其值在0—1之间。

这三条支路的乘积就是发动机的参考转矩T*ICE。为了验证以上三条支路，我们将发电机转速输出信号，使能信号和发动机参考转矩放在一张图上进行说明，见图7。

在图7中，蓝色代表转矩，红色代表发电机转速输出信号，绿色代表使能信号。我们可以看到，只有当红线为1时，发动机才有转矩输出，当红线为0时，发动机不输出转矩。

（2）发电机的参考转矩

由行星齿轮机构可得知，发动机的转矩与发电机的转矩是存在一定的比例关系的。在这个模型中也可以得到验证，见图8。

3.4 电池的可利用功率

该模型主要是对电池在充电和不充电时刻所利用的功率进行输出，同时还输出了发动机功率的参考值和测量值。见图9。

（1）电池可得功率

当电池充电功率为0时，电池可得功率为发动机功率的参考值与测量值之差。即Baterry Power=P*ICE-P_ICE。因为当电池充电功率为0时，发动机的参考功率等于汽车的驱动功率，而汽车此时由发动机和电池共同驱动，所以电池的功率为驱动功率减去发动机的测量功率，即P*ICE-P_ICE。当电池在充电时，电池功率为充电功率。

（2）发动机功率（参考值，测量值）

发动机功率的参考值在上文我们已经求出了，但是当P*ICE<11Kw时，发动机不输出参考功率；只有当 P*ICE >12Kw时，才输出功率参考值。

发动机功率的测量值就是将发动机转矩和转速的测量值相乘。

3.5 电动机的参考转矩

电动机参考转矩的输出是由电动机的转速控制的。其模型图见图10。

当电动机转速<100rpm时，此时汽车处于纯电动驱动模式，电动机的参考转矩输出为汽车的驱动转矩；当电动机转速>200rpm时，电动机的参考转矩为电动机的参考功率除以电动机的转速。我们知道，电动机的所有电能来自于发电机和电池，所以电动机的参考功率为发电机参考功率与电池功率之和。因此，对应于不同的电动机转速，电动机的参考转矩有不同的输出。

4、结论

本文对多能源动力总成管理系统中的各个子模型进行了详细地分析。根据加速踏板位置信号，电池的状态以及发动机，发电机，电动机三者的转速，通过该系统的控制策略，将动力进行合理的匹配，最后得到了发动机的节气门信号，电动机和发电机的参考转矩。再将这些输出信号输入到发动机模型和电力驱动模型中，实现对发动机，发电机和电动机的合理控制。

[1] 康龙云. 新能源汽车与电力电子技术[M]. 北京: 机械工业出版社，2011: 50—54.

[2] 蔡梦贫. 混合动力系统概述[J]. 汽车电器, 2005, (1): 55-59.

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[4] 燕来荥. 混合动力汽车技术开发正当时[J]. 客车技术， 2005，(2)： 25-26.

Powertrain management system simulation analysis

Zhao Na, Wu Xiangchao
( Chang 'an university, Shaan xi Xi’an 710064 )

Multi-energy powertrain management system is the most core technology of hybrid electric vehicle. This paper analyzes various sub-models in the multi-energy powertrain management system. According to the accelerator pedal position signal, the state of the battery and rotate speed of the engine, the generator, the electric motor, through control strategy of the system, distribute the power reasonably, and finally get the throttle signal of the engine and the reference torque of electric motors and generators. Then input these output signals to the engine model and the electric drive model, realize to control the engines, generators and motors reasonably.

Hybrid Electric Vehicle; Multi-energy powertrain Management System; Battery Management

U461.1

B

1671-7988(2015)05-80-04

赵娜，长安大学，陕西省西安市碑林区南二环中段长安大学校本部。