单轴并联式混合动力汽车建模与仿真分析

张丹　刘助春　何家盼

摘 要：为提高生产效率，减少整车开发成本，利用Matlab/Simulink软件建立单轴并联式混合动力汽车模型，并在FU505循环工况下进行仿真分析。测验结果表明，所建模型符合汽车的实际运行状况，能够有效支持混合动力汽车整车控制策略设计，提高混合动力汽车整车控制策略研发效率。

关键词：混合动力汽车 再生制动 仿真

Modeling and Simulation Analysis of Single-shaft Parallel Hybrid Electric Vehicle

Zhang Dan Liu Zhuchun He Jiapan

Abstract：In order to improve production efficiency and reduce vehicle development costs， Matlab/Simulink software was used to establish a single-axle parallel hybrid electric vehicle model， and simulation analysis was performed under FU505 cycle conditions. The test results show that the built model conforms to the actual operating conditions of the vehicle， can effectively support the design of the control strategy of the hybrid vehicle， and improve the efficiency of the research and development of the control strategy of the hybrid vehicle.

Key words：hybrid electric vehicle， regenerative braking， simulation

1 引言

隨着能源危机的不断加剧和环保意识的深入人心，各大汽车厂商和科研机构将目光转向了新能源汽车的制作研发，作为新能源汽车之一的混合动力汽车受到广泛关注[1]。目前，基于模型化的开发方法广受各大汽车厂商采用，其中重要的环节之一就是模型的构建。本研究以Matlab软件为平台，在Simulink环境下搭建单轴并联混合动力汽车模型，采用基于规则的能量分配策略，实现多动力源间的协调工作，提高整车工作效率。

2 单轴并联式混合动力汽车

根据发动机与电机是否同轴，并联式混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）分为双轴并联式和单轴并联式，图1所示为一款单轴并联式混合动力汽车。

与传统汽车相比，混合动力汽车具有多种运行模式。在多停车—起步的市区行驶工况下，为发挥出混合动力汽车的结构优势，应采取与行驶工况相对应的工作模式。如图2所示，纯电动模式——起步或低速行驶;发动机模式——扭矩需求大或工作效率高;行车充电模式——不宜采用纯电动，且发动机效率高;混合驱动模式——加速、爬坡;再生制动模式——减速制动。

3 单轴并联式混合动力汽车模型

本文基于MATLAB/Simulink仿真环境建立单轴并联式混合动力汽车模型，该模型包括驾驶员模型、整车控制器模型和整车模型，三大系统通过CAN总线连接并实现信号共享，使建模仿真时信息反馈及时、准确，如图3所示[2]。

基于CAN总线的控制系统与发动机、电机及电池等模型相连，可接收各个模块的状态信息，如车速、转矩、节气门开度等。根据汽车的行驶状况，经由CAN总线将控制命令发给各模块，决定各个动力源的输出功率和扭矩，经由传动系统传递至车轮。

4 能量分配策略

尽管混合动力汽车的结构各有不同，但也大同小异，对于能量管理策略的目标都是追求最大的燃油经济性、最小的排放和最低的系统成本[3]。如图4所示，针对单轴并联式混合动力汽车采用基于规则的能量分配策略，对功率进行分段。若需求功率小于8kw，则由电动机单独驱动汽车;若需求功率处于8～40kw，则由发动机驱动汽车，根据电池的荷电状态决定是否对其充电;若需求功率在40～70kW，发动机定值输出40kw，电动机产生额外的机械功率来满足行驶需求;若需求功率在70～90kw，电动机定值输出30kw的最大功率，内燃机输出额外的功率来满足汽车的功率需求[4]。

5 仿真结果

采用标准的FU505循环工况，对所建立的单轴并联式混合动力汽车模型进行仿真，实际车速与目标车速曲线几乎重合，表明所建模型能较好的满足汽车动力需求，如图5所示。

如图6所示，在车辆运行过程中，电机功率跟随驾驶员的踏板信号发生变化。在汽车加速阶段，电机的电功率大于其机械功率;在汽车减速阶段，电机的电功率小于其机械功率，此时处于制动能量回收阶段，向电池充电，SOC值增大，如图7所示。

当汽车处于起动或需求功率较小时，电动机单独驱动汽车，电池对外输出电能，SOC减小;当汽车的需求功率较大，发动机启动，在驱动汽车的同时适时对电池充电，如图8所示。

综上所述，建立的混合动力电动汽车模型符合实际汽车运行状况，具有可操作性，用于控制领域的仿真研究。

6 结论

根据单轴并联式混合动力汽车的结构特点，在Matlab/Simulink环境下建立混合动力汽车模型。通过设置仿真环境，在FU505循环工况下对混合动力汽车进行仿真并分析，结果表明：

1）所建模型能较好的满足汽车动力性需求;

2）在较小制动强度时，所建模型能通过电机实现再生制动;

3）所建模型符合汽车的实际运行状况，具有可操作性。

项目资助：湖南汽车工程职业学院科学研究课题，HQZYKYA01

参考文献：

[1]Chi H L. Modeling and analysis of power trains for hybrid electric vehicles[J]. International Transactions on Electrical Energy Systems， 2018（6）：e2541.

[2]郑竹安，蒋伟康，吕红明，et al. 混合动力电动汽车动力学模型仿真[J]. 重庆理工大学学报（自然科学），2019（3）.

[3]高龙飞，张瑞亮，陈联春. 同轴并联式混合动力汽车模糊控制策略研究[J]. 机械传动，2019（12）：18-21.

[4]王哲. 并联式混合动力汽车再生制动研究[J]. 微计算机信息，2019，000（004）：86-87，89.