基于Modelica的并联式混合动力车辆建模与仿真

冉渊 郭凯 王栋 徐政 陈明

摘  要：针对P3并联式混合动力系统，制定了发动机、电机功率分配策略。应用Modelica语言搭建整车模型，分析了混合动力系统的工作模式，比较了标准试验工况下某车型传统动力和P3混合动力的燃油经济性，并研究了不同最佳油耗区最小功率值对混合动力系统燃油经济性的影响。结果表明，该P3混动系统通过实现纯电、行车充电、发动机单独驱动、电机助力、制动回收等工作模式，使车辆综合油耗下降16.3～23.9%;随着最佳油耗区最小功率值的增加，系统油耗先降低后增加。仿真结果与试验结果相吻合，适用于混合动力系统的开发与研究。

关键词：混合动力系统;Modelica;工作模式;燃油经济性

中图分类号：U469.7    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2021）03-0052-07

Modeling and Simulation of Parallel Hybrid Electric Vehicle Base on Modelica

Ran Yuan1，2， Guo Kai1，2， Wang Dong1，2， Xu Zheng1，2， Chen Ming1，2

（1.SAIC Motor Technical Center， Shanghai 201804， China;

2.Key Laboratory of Automotive Powertrain in Shanghai， Shanghai 201804， China）

Abstract： A control strategy of power distribution between different energy sources is developed for P3 parallel hybrid electric system. The simulation model is built based on Modelica language， and the automotive fuel economy of target vehicle is analyzed. The results show that the hybrid electric system can realize five working modes and effectively improve the automotive fuel economy by 16～24%.With the minimum power of optimal operation line grows， the fuel consumption firstly decreases and then increases. Moreover， the simulation results are basically identical with the experimental results. It indicates the model is suitable for hybrid electric system research.

Key words： Hybrid Electric System; Modelica; Working Mode; Fuel Economy

冉   渊

毕业于武汉理工大学，硕士学历，现就职于上海汽车集团股份有限公司技术中心，系统集成工程师，已发表论文2篇。

1    前言

近年来，汽车行业发展面临巨大的能源和环境压力，油耗法规日趋严格，开发新能源、节能环保型车辆成为汽车领域研究热点与发展方向[1]。并联式混合动力汽车兼具传统内燃机汽车和纯电动汽车优点，在满足复杂路况交通需求的同时，能够达到节能减排目的，适应于当今社会的要求[2-3]。并联式混合动力汽车整车系统开发涉及机械、控制、液压等多学科领域[4-5]，Modelica语言能完成不同领域模型集成，实现多领域统一建模，且具有建模方便灵活、模型重用性高等优点[6-7]，在混合动力汽车研究领域具有广泛的应用前景[8]。

本文以混合动力系统的工作模式为基础，针对P3并联式混合动力系统制定发动机/电机功率分配策略。应用Modelica语言搭建整车模型，分析混合动力系统工作模式的切换，计算、比较标准试验工况下某车型传统动力和P3并联式混合动力系统的发动机工作点及整车燃油经济性。研究不同最佳油耗区最小功率值对混合动力系统燃油经济性的影响。此外，将仿真结果同试验结果进行对比，验证所建模型的可行性、正确性。

2    并联式混合动力系统

2.1   系统结构

并联式混合动力系统包含内燃机驱动系统和电机驱动系统，两个系统可单独驱动汽车行驶，也可以协同工作，共同驱动汽车行驶[9]。依据电机在传动系统中布置位置不同，并联式混合动力系统有多种结构形式，可分为P0、P1、P2、P3和P4等。P3结构中，电机布置在变速箱的末端，相比于P0、P1，P3結构可以实现纯电驱动，同时具有更高的制动回收效率;与P2相比，P3结构不仅能够规避电机经变速箱系统而产生的能量损失，而且由于发动机与电机的距离增加，减少了发动机高温辐射对电机温度的影响，从而减少电机温升引起的降功率运行;针对于P4结构中电机布置在驱动桥的型式，P3成本低，占用空间小，并且能够实现在任意场景下纯电驱动与发动机单独驱动的切换，从而使车辆具有更好的驾驶性。因此，研究采用P3混合动力系统，如图1所示，主要由发动机、无极变速器（continuously variable transmission， CVT）、电机、电池等组成，电机置于CVT输出端，发动机输出扭矩经CVT后，与电机输出扭矩叠加，继而驱动车轮。

2.2   工作模式

P3混合动力系统包含发动机、电机两个动力源，为提高系统效率、满足复杂路况交通需求，混合动力系统主要如下五种基本工作模式。

1）纯电模式：在纯电模式下，发动机不工作，电机作为电动机单独驱动汽车行驶，此时电池放电，电量下降。

2）行车充电模式：在行车充电模式中，发动机开启，其输出扭矩分为两部分，一部分用于驱动汽车行驶，另一部分通过电机为电池充电。此时，电机作为发电机使用，电池电量上升。

3）发动机单独驱动模式：发动机单独驱动模式与传统内燃机汽车类似，汽车由发动机单独驱动，电机空转。

4）电机助力模式：在电机助力模式下，电机作为电动机，与发动机共同驱动汽车行驶，此时电池放电，电量下降。

5）制动回收模式：当汽车减速制动时，电机回收制动能量，作为发电机向电池充电，电池电量增加。

2.3   控制策略

混合动力系统控制策略直接决定发动机、电机工作点，对汽车燃油经济性影响很大[10-11]。针对P3混合动力系统制定发动机/电机功率分配策略，使发动机尽可能工作在最佳油耗区（optimal operation line， OOL），提高汽车燃油经济性。

控制策略主要分为两层。第一层依据电池SOC值判断电池状态;第二層基于所处电池状态，依据驾驶员功率需求和车速，判断系统工作模式，进而确定发动机和电机功率分配。

依据电池SOC值对电池状态分区，如图2所示，分为A、B、C区。A区电量较低，为保证系统正常工作，避免电池过度放电，此部分电量应尽量给予保证。B区位于A、B区之间，此区间电池内阻小，充放电效率较高，应使电池电量尽可能处于此区间;C区主要为制动能量回收预留空间，同时为避免电池过充，此部分电量应尽可能空出。分区限值设为上下限值（SOCUmax/SOCUmin、SOCLmax/SOCLmin）形式，避免电池状态频繁切换，从而避免系统工作模式频繁切换。

对于P3混合动力系统，发动机工作在OOL上，电机对功率需求进行“削峰填谷”。如图3所示，当车速很较低，驾驶员需求功率很小时，发动机效率很低，电机单独驱动汽车行驶，发动机不工作。当车速超过纯电模式最大车速限制，而驾驶员需求功率低于OOL的最小功率点时，进入行车充电模式，发动机工作在OOL最小功率点，多余功率通过电机为电池充电。当汽车中高速行驶，驾驶员功率需求在发动机最佳油耗区时，发动机效率高，直接驱动汽车行驶，电机空转。当汽车爬陡坡、超车时，驾驶员需求功率很大，超过OOL最大功率点，进入电机助力模式，发动机工作在OOL最大功率点，不足功率由电机提供。另外，汽车减速制动时，回收制动能量。

为了使仿真更加接近实际情况， 以上描述的控制策略也兼顾了驾驶性的需求。比如，低速大扭矩工况，如果发动机的转速过高，可以根据NVH目标加以控制，这个可以对电机的功率/扭矩进行适应性调整。

本文的能量回收采用优先回收的策略，也采取了串联制动回收策略。 本策略在实施中考虑了电池功率极限和电机扭矩极限。

3    混合动力系统仿真模型

3.1   模型架构

基于Modelica语言开发搭建了P3并联式混合动力系统仿真模型，如图4所示。模型包含驾驶员、发动机、电机、液力变矩器（torque converter， TC）、CVT、主减速器、电池、DC/DC、用电器、车身、轮胎、控制系统等组件。

相比于其他商业软件仅侧重于某单一领域，难以实现多领域集成仿真分析，Modelica语言解决了基于多软件耦合计算产生的解耦困难、求解误差大、计算效率低、模型搭建复杂等问题，实现在同一平台下涉及多领域的仿真模型搭建与分析，满足P3混合动力系统仿真模型搭建的需求。同时，Modelica语言的开源特性使模型搭建具有较强的自主性与拓展性，提高模型重用率及开发效率，降低开发成本。

驾驶员依据汽车实际车速和仿真任务给定的驾驶循环，通过PID控制，计算加速踏板、制动踏板行程;控制系统依据加速踏板、制动踏板行程，计算驾驶员需求功率，结合电池SOC信号、实际车速信号，判断混合动力系统的工作模式，基于系统所处的工作模式，分配发动机/电机输出功率，并由车速信号和发动机转速信号计算CVT速比;发动机、电机、CVT等接收控制系统的控制信号，最终得到汽车的燃油消耗。

3.2   关键子模型

3.2.1 发动机模型

发动机模型基于数表建模方法，结合实验数据搭建。依据发动机转速和节气门开度判断燃烧模式，若发动机转速高于怠速转速且节气门开度大于0时，燃烧模式为1，否则燃烧模式为0。

当燃烧模式为1时，发动机正常工作，计算当前转速和节气门开度下的输出扭矩，进而计算出当前平均有效缸内压力，得到此刻的有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption， BSFC），最终计算出发动机瞬态燃油消耗量，并依据需求进行或不进行冷启动修正。发动机瞬态燃油消耗经时域积分得到整个行驶工况发动机燃油消耗量。

当燃烧模式为0时，发动机处于倒拖状态，属于耗能部件，利用倒拖曲线得到当前转速下的扭矩。

3.2.2 电机模型

电机模型可用作电动机和发电机。电机作为电动机时，电功率为机械功率和功率损失之和。电机作为发电机时，电功率等于机械功率和功率损失之差。其中，功率损失为电机转速和扭矩的函数。

3.2.3 电池模型

电池模型包括电压源和欧姆内阻模型，可以模拟单个电池或多个电池通过串并联的任意组合。SOC计算采用时域积分法，将电池主回路电流对时间积分，充电时电流为负，放电时电流为正，用初始电流减去积分结果，得到电池当前电量，电池当前电量与总电量之比即为当前SOC值。另外，电池内阻和开环电动势均定义为SOC的函数。

3.2.4 控制系统模型

控制系统模型可以实现整车能量流分配、CVT控制、发动机控制等。

对于P3并联式混合动力系统而言，拥有发动机和电机两个动力源，其能量流分配是控制系统的核心，对系统油耗收益有很大影响。在能量流分配控制模块中，以加速/制动踏板位置、电池SOC值、实际车速、发动机和电机实际转速等为输入信号，计算驾驶员功率需求，判断电池状态和系统工作模式，决定电机工作状态（发电机/电动机）、发动机工作状态（驱动/倒拖），进而计算出发动机输出功率和电机输出扭矩。发动机控制模块依据发动机输出功率，计算节气门开度及需求转速。CVT控制模块依据发动机需求转速和实际车速计算变速箱需求速比。最终，将控制系统的控制量作为输出信号，与具体的物理模型相联系，在统一平台上，完成整个控制过程。

4    仿真与分析

4.1   仿真工况

针对P3并联式混合动力系统制定的发动机/电机功率分配策略及基于Modelica语言开发搭建的整车模型适用于所有工况，为详细分析混合动力系统的工作模式切换与整车燃油经济性，仿真采用新欧洲测试循环（new European drive cycle，NEDC）和全球轻型汽车测试循环（world-wide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）。

4.2 仿真結果与分析

4.2.1 系统工作模式分析

在NEDC工况下仿真，发动机/电机输出扭矩和池SOC值变化曲线分别如图5、图6所示：

由图5可知，在汽车起步或低速低功率需求时，系统处于纯电模式，电机输出功率为正，发动机输出功率为负。汽车中速、中低功率需求时，电机输出扭矩为负，发动机输出扭矩为正，系统进入行车充电模式。汽车中高速行驶、中高功率需求时，电机输出扭矩为零，发动机输出扭矩为正，此时系统处于发动机单独驱动模式。当汽车高速行驶，驾驶员需求功率很高时，系统进入电机助力模式，电机和发动机输出扭矩均为正值。当汽车减速制动时，电机和发动机输出扭矩均为负值，系统完成制动能量回收。

另外，结合电池SOC变化曲线可知，在NEDC 工况开始时，电池状态处于B区，驱动工况下，系统在纯电模式、行车充电模式、发动机单独驱动模式中切换，而在672s时，电池SOC值上升至SOCUmax，电池状态退出B区，进入C区，驱动工况下，系统更多的运行在纯电模式中。直到984s 时，电池SOC下降至SOCUmin，电池状态再次进入B区。在整个NEDC循环中，电池SOC值在SOCU min～SOCUmax间波动。通过对电池状态进行分区，在不同的电池状态下制定不同的控制策略，能保证电池电量适中，不发生过充、过放情况。

同样地，在WLTC工况下仿真，系统能依据电池SOC值、车速和驾驶员功率需求的变化，完成纯电、行车充电、发动机单独驱动、电机助力和制动回收五种工作模式的切换，并且在整个循环中电池电量适中，电池未出现过充或过放现象。WLTC工况下，发动机/电机输出扭矩、电池SOC变化曲线分别如图7、8所示：

4.2.2 燃油经济性分析

在NEDC和WLTC工况下进行仿真，相比于传统车，P3混合动力系统能有效降低系统油耗。一方面，P3混合动力系统利用电机、电池实现纯电、行车充电、助力等工作模式，调节并控制发动机工作点，使发动机尽可能工作在OOL上，避免工作在BSFC值较大点，从而提高发动机效率，降低油耗，图9为WLTC工况下传统车与P3混合动力汽车发动机工作点对比图;另一方面，P3混合动力系统回收制动能量并储存在电池中，用于低速纯电行驶或急加速时的电机助力，进一步提高汽车燃油经济性。

进一步地，改变P3混合动力系统OOL最小功率点位置，计算不同OOL最小功率值下，混合动力系统在NEDC和WLTC工况下的综合油耗。在图10中， OOL最小功率值从小到大依次为A、B、C、D、E。

分析图11可知，在NEDC和WLTC工况下，随着OOL最小功率值增大，P3混合动力系统的综合油耗先降低后升高。其中，NEDC工况下，OOL最小功率点由A点化至E点时，混合动力系统综合油耗最大波动率为4.7%，且OOL最小功率值位于C点时，系统综合油耗最低;WLTC工况下，混合动力系统综合油耗最大波动率为3%，且OOL最小功率点位于D点时，系统综合油耗最低。

OOL最小功率值从A点增大至E点时，发动机开始工作的最小功率点也由A点对应的功率增加至E点。分析图12，OOL最小功率值由A增大至D时，发动机工作点向BSFC值更小的区域移动，发动机效率提高使得系统综合油耗降低;当OOL最小功率值继续增加至E点时，系统综合油耗反而上升，这是因为虽然提高了发动机效率，但增加了发动机向电池充电过程中的能量损失，发动机效率提高带来的油耗收益不足以抵消充电过程中能量损失。因此，一定程度提高OOL最小功率值有利于系统燃油经济性，但OOL最小功率值不宜过高。

在NEDC和WLTC工况下，OOL最小功率值分别取点C和点D，计算该P3并联式混合动力车型的百公里油耗，同传统车相比，百公里综合油耗分别下降23.9%、16.3%，如图13所示：

为了验证该模型，分别将传统车以及P3混合动力汽车的NEDC百公里燃油消耗量试验结果与仿真结果进行对比。仿真模型采用的整车、动力总成系统参数与试验车辆指标相同，发动机不同转速、扭矩下的燃油消耗量来源于同款发动机台架试验BSFC MAP数据，CVT不同速比、传扭下的效率来自同款CVT试验数据，电机效率图来自于一个实际同规格电机的实测数据修正值，仿真模型未考虑电器附件消耗。

如表1所示，对于传统车，百公里油耗仿真值和试验值相差1.7%;对于P3混合动力汽车，百公里油耗仿真值和试验值相差0.4%。传统车和混合动力汽车百公里油耗仿真计算值与试验值相差均小于3%，说明基于Modelica语言搭建的模型正确、可靠。为后续混合动力系统架构开发、系统匹配、功率分配策略优化等提供了平台。

5    结束语

针对P3并联式混合动力系统，制定了发动机、电机功率分配策略，基于Modelica语言开发了动力总成零部件模型库，搭建了整车模型并进行了仿真计算。结果表明，制定的发动机/电机功率分配策略能使混合动力系统实现纯电、行车充电、发动机单独驱动、电机助力、制动回收五种工作模式，改善汽车燃油经济性;随着OOL最小功率值的增加，混合动力系统综合油耗先降低后上升，一定程度提高OOL最小功率值有利于系统燃油经济性，但OOL最小功率值不宜过高;某车型P3混合动力和传统动力相比，NEDC工况整车油耗降低23.9%，WLTC工况整车油耗降低16.3%。另外，仿真结果与试验结果相吻合，验证了所建模型的可行性、正确性，为其他构型混合动力系统的开发奠定了基础。

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