P2混动系统仿真模型建立和性能分析

樊晓磊

摘要：本文主要以某横置P2混动多档双离合器变速器为基础，应用CRUISE和Matlab建立整车及动力控制仿真模型，用于验证和调整P2混动系统控制方法及策略。通过仿真计算表明此模型各模块仿真功能正常，运行稳定可靠。通过适当调整此模型相关参数就可用于动力控制策略的开发和验证，可有效缩短开发周期，节约开发成本。

Abstract： In this paper， based on a transverse P2 hybrid multi-speed dual clutch transmission， CRUISE and Matlab are used to establish a vehicle and power control simulation model to verify and adjust the P2 hybrid system control method and strategy. The simulation results show that the simulation functions of each module of this model are normal and the operation is stable and reliable. By appropriately adjusting the relevant parameters of this model， it can be used for the development and verification of the power control strategy， which can effectively shorten the development cycle and save development costs.

关键词： P2;仿真模型;性能分析

Key words： P2;simulation model;performance analysis

中图分类号：U463.2                                    文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）09-0168-03

1  背景介绍

近年来各车企都在加大混合动力汽车的研发，以满足日益严格的油耗排放法规的要求。其中全混系统不仅节油效果最佳而且整车的动力性也更加强劲所以成为研究的重点。

对于SUV车型其工作环境相比一般轿车而言要更加复杂，首先要满足一般的行驶工况比如城市循环工况、高速工况、郊区工况等还要满足一些严苛的工况比如，脱困工况、长时间爬坡工况、带拖车等工况。经过分析对于横置平台P2加多档双离合器变速器混动方案（见图1）是一个较好的选择，它即能满足SUV车型的一般工况，也能满足特殊的工况，但其它形式的混动方案有的就无法满足带拖车及长时间爬坡等工况。

2  仿真模型的建立

本文使用CRUISE软件建立整车仿真模型进行整车动力性和经济性计算及分析，使用MATLAB软件建立动力控制模型，用于验证和调整P2混动系统控制方法及策略。

2.1 动力总成参数收集

在建模时需要整车、发动机、电机、电池及DCT的参数。其中整车参数主要有整备质量、满载质量、重心位置、前后轮载荷分布、车轮半径、行驶阻力、及其它惯量及尺寸数据。发动机参数主要有外特性、万有特性、载荷谱信息图、阻力曲线及其它排量等信息。电机的主要参数有电机外特性曲线，电机效率图、电机扭矩转速关系图等。电池的主要参数有电压、电量、热模型及SOC与电压曲线等。DCT主要参数有速比、换挡曲线、效率图、及惯量参数等。

2.2 整车仿真模型建立

使用CRUISE软件中的模块建立整车动力系统。如图2所示。在该模型中主要包括车辆模型（某大型SUV），动力系统（包括发动机、电机、电池、变速器）、制动系统、轮胎、驾驶员、监视器、整车能量控制器、双离合器控制器、DCT换挡控制器。为了模拟变速器中电子泵的能量消耗和发动机启动时的能量消耗增加了电子泵和发动机启动两个耗能原件。

由于P2混动在电池电量充足时会有纯电行驶工况，此时离合器的控制方式与发动机控DCT起动车辆行驶时的控制方式有所不同，所以需要依据具体的要求建立新的双离合器控器制（如图3）。

2.3 控制策略的搭建

在仿真模型中搭建了基于Simulink的简化混合动力控制器模型，包括加速/制动PID解析控制模块，加速信号与扭矩需求转换模块，控制模式选择模块，扭矩分配模块，发动机需求扭矩与载荷信号转换模块。

该模块需要从Cruise中需要的信号有电池电量、当前挡位及速比、电机最大扭矩、发动机转速、期望的车速和实际车速。输出到Cruise中的信号有K0离合器控制信号、电机扭矩信号、电机开关信号、制动压力信号、发动机起/停信号、电子泵起/停信号等。（图4-图5）

2.3.1 加速/制动PID解析控制模块

此模块的主要作用是依据期望的车速信号和实际的车速信号进行比较，采用简单的PID控制，生成加速信号和制动信号。其中Chart部分的主要作用是防止加速和制动信号同时为最大值的情况出现（如果出现仿真系统也不会报错，只是Cruise仿真结果会出现异常）。

2.3.2 加速信号与扭矩需求转换模块

该模块的主要作用是依据加速/制动PID解析控制模块输出的加速信号，产生一个系统需求的具体扭矩值。

2.3.3 控制模式选择模块

此模块的主要作用是控制整车的动力系统选择哪种工作模式。根据整车能量管理策略建立简单的P2混动系统控制策略，在控制系统中定义了四种不同的工作模式。分别为制动模式、纯电动模式、纯发动机模式及混动模式。

具体的工作原理如下：

当制动信号大于0就会进行制动模式，在制动模式中也会依据车速、制动压力的大小、电池SOC值及电机最大扭矩分为三种情况。①单独电机通过能量回收进行制动。②电机和车辆制动器共同作用制动。③单独车辆制动器进行制动。

當电池处于高SOC值区域时，尽可能采用纯电动进行驱动。如果动力不足则会启动发动机，让电机和发动机共同工作。

当电池处于中SOC值区域时，且车速大于80Km/h，会优先采用纯发动机驱动。如果动力不足会让电机提供部分动力。

当电池处于低SOC值区域时，会启动发动机，如果发动机工作区域在低扭低效率区时，会让发动机在带动车辆行驶的同时通过带动电机给电池充电以此增加发动机负载让其工作在高效区。如果发动机工作在经济区域或高扭低效率区域时，会让发动机单独工作。

以上数据的具体值可依据仿真结果及优化算法进行调整。

2.3.4 发动机需求扭矩与载荷信号转换模块

由于本文所用的DCT换挡曲线是基于节汽门开度与车速，所以需要将发动机的需求扭矩转换成节汽门开度。

3  仿真结果分析

对于混动车车辆，动力性经济性评估项目主要包括纯电0-50km/h最小加速时间，混动0-100km/h最小加速时间，纯电动/混动最高车速，综合油耗、电平衡油耗、纯电动/混合动力模式持续爬坡车速等。

能量管理策略不影响动力性项目，如：纯电0～50km/h最小加速时间，混动0～100km/h最小加速时间，纯电动/混动最高车速等（见表1）。只影响综合油耗、电平衡油耗（见表2）通过表2可以看出当改变制动能量回收策略和改变中低电量范围时对油耗的影响是比较明显的。

图8是不同SOC值与车速的对应关系，由于定义了不同的低SOC值范围，从而导致了电机的能量回收状态及发动机驱动电机发电的状态也不同，最终影响整车的油耗也不同。

4  结语

本文所设计并实现的应用于P2混动系统双离合变速器整车仿真模型，各模块仿真功能正常，运行稳定可靠。同时有效验证了离合器控制模块及能量管理模块的功能，且能够通过调整部分关键参数，就可以得到相应的油耗仿真结果。在此模型的基础上通过理论计算仿真和与实际试验结果对比分析的方法对模型参数进行适当的调整就可以用于新车型动力控制策略的开发和验证，可有效缩短开发周期，节约开发成本。

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