并联插电式混合动力汽车建模与仿真分析*

宫唤春

（1.天津滨海汽车学院；2.河北东方学院）

节能和环保是汽车工业的主题，积极探索清洁能源及可再生能源的新能源汽车已经是各个国家以及汽车厂商的共识。混合动力汽车由2 个以上动力源提供动力，由燃料发动机系统、电池系统、机械传动系统、电子控制系统及能量管理系统等多个系统构成的复杂的多变量控制系统[1]，构建准确的混合动力汽车模型对于分析其性能至关重要。由于混合动力汽车系统是多变复杂的非线性系统相互耦合而成，建立精确的数学模型比较困难。文章以某并联插电式混合动力汽车为例，采用前向仿真法结合试验测试法，联合构建混合动力汽车仿真模型，并利用AVL 软件进行性能分析计算验证模型精度[2]。

1 并联插电式混合动力汽车建模

文章采用并联插电式混合动力汽车结构建模，如图1 所示，动力流分别由发动机和电动机通过2 套独立的传动机构与AMT 相连，通过耦合计算分析将转矩输出到主减速器[3]。

尽管发动机与电动机是并联式结构，但是单独输出转矩转速的传动比不同，因此发动机与电动机共同驱动时转速、转矩都不相同。图1 示出动力流输出的路径采用前向仿真法[4]，构建并联插电式混合动力汽车模型。由于各部件结构复杂，难以准确建立数学模型。通过试验标定测试法对每个动力部件进行试验测试，将数据集成AVL 软件能够分析计算的模块，为后续建立仿真模型奠定基础。

图1 并联插电式混合动力汽车结构示意图

1.1 发动机模型

混合动力汽车中发动机是动力源之一，发动机模型构建的精确度对整车性能仿真分析有直接的影响。由于发动机是复杂的非线性系统，难以通过建立数学模型的方法构建仿真模型，文章通过台架试验获取发动机万有特性曲线[5]，并通过数据拟合法描述发动机动态特性数据，这种方法简单高效，在车辆发动机建模中广泛采用。万有特性曲线的获取是通过先测定发动机的负荷特性以及发动机的转速特性后，将2 个特性曲线进行坐标变换画到同一张图上，将动力性指标功率、转矩、转速和经济性指标燃油消耗率在同一个特性曲线上呈现，便于直观分析发动机的工作特性，找出动力性较强的工作区域和经济性较好的区域作为数据标定的模块，构建发动机测试模型。图2 示出并联混合动力汽车发动机万有特性曲线。

图2 混合动力汽车中发动机万有特性曲线图

由图2 可知，通过发动机台架试验获取的发动机转速特性、发动机负荷特性数据，并利用插值法拟合得到的发动机万有特性图，能够反映发动机在全工况下的工作状况。图中左下方区域是经济性较好的区域，图中右上方区域是动力性较高的区域，从而为平衡发动机经济性和动力性找到准确的工况参数点。

1.2 电动机模型

电动机建模采用与发动机建模相似的方法，通过电动机台架试验获取输入输出特性数据，并通过拟合法获取电动机MAP 曲线，为后续AVL 软件建立数据分析模块提供依据。电动机试验曲线通过测定转速一定下转矩随负荷的变化关系曲线，即负荷特性，以及负荷一定的情况下，测取转矩随电动机转速的变化曲线得出，通过特征值点确定电动机峰值转矩区间，分别确定作为电动机工作时的峰值转矩以及作为发电机时的峰值转矩，有利于分析电动机的动力特性，从而为构建电动机模型提供准确的工作范围。图3 示出电动机特性曲线图。

图3 电动机特性曲线MAP 图

由图3 可知，通过台架试验获取电动机外特性曲线与转矩特性曲线，并通过插值法计算得出电动机特性曲线MAP 图。电动机主要作为确定车辆运行的核心动力在较大的转速范围内保持较高的转矩输出，从而确定混合动力车辆的动力性能，而且在较大转速范围内工作时电动机工作效率都较高，电动机作为发电机工作时转矩变化较小，有利于稳定输出电能满足车辆电器系统的要求。

1.3 电池组模型

由于电池组的电化学反应过程复杂，建立电池组模型也是重点关注性能特性。因此，文章构建电池组模型时注重电池组充放电特性及荷电状态（State of charge，SOC）变化对车辆整体性能的影响。通过试验法获取电池组特性曲线图，了解电池组工作特征。图4 示出电池电压特性曲线图。

图4 是通过试验法得到的电池在不同温度以及不同SOC 状态下充放电时电压的变化曲线，通过该曲线可以掌握电池组在整车运行时的变化特征。图4 显示低温条件下电压变化与正常温度条件下相比会有一定的压降，主要因为电池组自放电现象，但是压降较小，SOC 在整个变化区间中逐渐降低时，电压缓慢下降并且受环境温度变化的影响较小，说明电池组模型工作状态比较稳定。

图4 电池电压特性变化曲线图

1.4 整车仿真模型构建

利用AVL-Cruise 软件将并联插电式混合动力汽车各部件试验特性曲线建立分析模块，并将各部件按照车辆动力学传递路径搭建整车动力模型，同时利用AVL-Cruise 软件中提供的算法和模块存储发动机、电动机、电池组以及AMT 等性能参数与数据，设置每个车辆模块的性能特征参数[6]，并将各个模块通过机械或电气的形式将系统完成连接，最后加载能量管理控制策略及各模块数据总线的连接。图5 示出AVL-Cruise软件建立的混合动力汽车仿真模型。

图5 基于AVL-Cruise 的整车仿真模型

每个模块可以通过调式分析获取各模块的最佳性能参数，通过点击的方式可以打开各个模快修改参数或算法，既可以采用软件提供的算法也可以通过自行设计编写新的算法并生成算法模块，将构建的整车仿真模型进行实车测试分析验证模型的精度。

图5 中每个模块既可以采用软件中已有的模块使用，也可以根据不同车辆的技术参数自行设计新模块，并设置新参数和新算法，非常便于实车加载模块进行测试，因此目前广泛用于混合动力汽车建模与性能分析领域，而且软件提供了多种接口，方便与其它测试软件对接提高结果的共享性。

2 并联插电式混合动力汽车仿真测试分析

根据建立的并联插电式混合动力汽车仿真模型，利用该模型进行实车测试，对模型性能特性进行全面分析，验证模型的精确性。

2.1 动力性分析

将建立的并联插电式混合动力汽车模型加载到实车上进行道路测试，获取该模型动力特性曲线。图6 示出车速变化特性曲线，图7 示出转矩特性曲线。

图6 车速变化特性曲线

图7 转矩特性曲线

由图6 可知，文章构建的模型在实车过程中目标车速与实际车速比较吻合，车辆无论处于混合动力模式还是纯电动模式，车速能较好地跟随车辆运行工况的变化。由图7 可知，在工况运行的前825 s 内，车辆处于只有电动机工作的纯电动模式，电池组能够比较稳定地给电动机提供电能，保证电动机的转矩输出，维持车辆稳定的续航行程。在825 s 后车辆处于制动状态，利用车辆的再生制动系统，电动机和发动机联合回收制动时回馈能量，并给电池组补充充电。该模型能够控制电动机电动状态或者发电状态下输出转矩时，确保发动机在中等负荷以上输出转矩。

2.2 经济性分析

经济性分析的目的是确保车辆运行时，在尽可能保证驱动要求时优化发动机工作区间，使得发动机能够处于高负荷工作区（即燃油经济性较好的区间）。图8 示出并联插电式混合动力模型经济性分析曲线。

图8 发动机燃油经济性分析曲线

由图8 可知，发动机起动运行后，满足驱动条件的情况下能够工作于最佳燃油经济性曲线内运行，此时电动机应该按照电池组SOC 参数以及需求转矩大小更换电动或者发电模式，保证车辆整体燃油经济性最优。本文的发动机通常由电动机带动运行，尽量保证发动机在高负荷区域内工作，从而保证较低的燃油消耗，发动机一般在车辆处于全加速和电池组电量不足时协助车辆运行，在车辆处于制动状态时，发动机参与工作协助电动机回收制动能量为电池组补充充电，使得电池组SOC 处于较高的带电状态。

2.3 能量管理特性分析

基于该车辆模型还进行了能量管理特性仿真测试，仿真工况采用新欧盟行驶循环工况（New European Driving Cycle，NEDC），该工况由4 个城市低速行驶工况及1 个郊区高速行驶工况构成，包含怠速、起动、加速以及减速等行驶工况，常用于车辆性能分析仿真。能量管理仿真分析如图9 所示，该图包含由电池SOC 和纯电动模式下续驶里程随时间变化曲线。

图9 能量管理分析曲线

由图9 可知，仿真时间为5 815 s 时，SOC 下降到25%附近，纯电动模式下续驶里程为53.2 km，电池组具备较强的深度放电能力，能够保证电量较低时车辆稳定行驶的能力，同时证明构建的电池组模型的方法是基本合理的。

3 结论

通过台架试验测试获取并联插电式混合动力汽车发动机、电动机、电池组等核心部件运行数据，并利用AVL-Cruise 软件建立车辆整车分析模型加载相关分析算法，将构建的模型装车进行实车道路测试，分析了动力特性、经济特性以及能量管理特性，试验结果说明构建的模型能够满足车辆行驶要求，从而为继续深入研究并联混合动力汽车性能及整车设计初步奠定了基础。