曲春燕，葉歡，陳皓，梅娜，閆偉

（1.250011 山東省 濟南市 山東大學 能源與動力工程學院；2.300300 天津市 中汽(天津)汽車工程研究所）

0 引言

中國的汽車銷量近年來穩(wěn)居世界第一，為中國GDP 的增長做出了重大貢獻。另一方面，燃油車保有量的持續(xù)增加，其尾氣污染嚴重、對石油燃料依賴性強等問題日漸突出。為緩解上述情形，燃油車排放法規(guī)日益嚴格，而新能源汽車由于其經(jīng)濟性好、動力性強和污染物排放少等特點成為了當前車輛研究的熱點。

新能源汽車可以分為純電動汽車（Electric Vehicle，EV），混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）。其中，EV 采用單一動力電池儲能，向電機放電，驅動電機旋轉進而帶動整車運轉[1]。雖然EV 可實現(xiàn)零污染物排放并且結構簡單，但是動力電池能量密度低、成本高、續(xù)駛里程短、充電時間長等問題使其經(jīng)濟規(guī)模相對不足。FCV 雖然不產生有害排放物、能量轉換效率高，但是其發(fā)展過程中仍存在許多技術挑戰(zhàn)，如部件成本過高、儲氫設備不完善等[2]。HEV 結合了EV 的電池、電機和傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機，燃油經(jīng)濟性高，動力性好，是傳統(tǒng)汽車向EV 過渡階段的理想產品[3]。HEV 可以分為：串聯(lián)式，并聯(lián)式和混聯(lián)式。行星齒輪系HEV 是常見的混聯(lián)式結構，一般用行星齒輪系將發(fā)動機輸出功率一部分分配給車輛，剩余分配給電機發(fā)電并進行儲存。

本文基于AVL-Cruise 軟件中自帶的單行星排式HEV 模型，在MATLAB R2014a 的Simulink 平臺上搭建了邏輯門限值控制策略，通過dll 文件實現(xiàn)了Cruise 和Simulink 的聯(lián)合仿真，進行了循環(huán)工況和動力性計算，驗證了該控制策略的合理性。

1 整車仿真模型搭建

1.1 整車參數(shù)選擇要求

基于AVL-Cruise 軟件中自帶的某單行星排式HEV 模型和需求駕駛性能，對整車參數(shù)進行匹配，并對發(fā)動機、電機、電池和其他傳動部件選型匹配。整車參數(shù)來源于參考文獻[4]，如表 1 所示。

表1 整車參數(shù)Tab.1 Vehicle parameters

1.2 HEV 部件參數(shù)選擇

1.2.1 發(fā)動機參數(shù)選擇

本單行星排式HEV 采用了最大功率為63 kW（5 000 r/min），排量為1.46 L 的四缸汽油機。由于該模型的發(fā)動機全負荷速度特性曲線中的工況點較少，且發(fā)動機的轉速和轉矩為二次函數(shù)關系，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)擬合關系式得到式（1）：

式中：T——發(fā)動機扭矩；n——發(fā)動機轉速。

HEV 中，發(fā)動機是主要動力，電機是輔助動力，合適的發(fā)動機和電機功率比例是保證HEV 動力性的關鍵。功率適中的發(fā)動機應滿足汽車在水平路面行駛中按需求車速行駛的最大功率[5]，見式（2）：

式中：Pmax——HEV 需求的最大輸出功率；vmax——最高需求車速；ηt——HEV 傳動效率，取0.8；m——整車滿載質量，取1 780 kg；g——重力加速度；f——滾動阻力系數(shù)；Cd——風阻系數(shù)；A——汽車擋風面積，取2.15 m2；α——路面坡度。

將路譜中最高車速代入式（2），計算得到最大功率為56 kW，本模型的發(fā)動機功率為63 kW，純發(fā)動機模式下可以滿足駕駛需求。

1.2.2 電機參數(shù)選擇

在行星齒輪系中，行星架連接發(fā)動機，太陽輪連電機1（MG1），后排齒圈連電機2（MG2），行星齒輪系實現(xiàn)這3 個部件的轉矩分配，如圖 1 所示。

圖1 行星齒輪系結構Fig.1 Structure of planetary gear train

電機1 主要是作為發(fā)電機為電池充電并調節(jié)發(fā)動機轉速。當電機1 反拖發(fā)動機轉動時，其轉矩關系滿足式（3）。

式中：k——行星齒輪系結構參數(shù)；TMG1_max——電機1 最大轉矩；TEng_min——發(fā)動機最小啟動扭矩，取其怠速扭矩93 N·m；nMG1_max——電機1 最大轉速；nEng_min——發(fā)動機啟動轉矩下對應的轉速，取其怠速轉速720 r/min。

由式（3）計算得電機1 的技術參數(shù)nMG1_max＞3 600 r/min；TMG1_max＞38.23 N·m，PMG1_max＞14.41 kW。

本模型電機2 的技術參數(shù)：最大功率30 kW，最大扭矩350 N·m，最大轉速8 000 r/min。電機2 通過后排齒圈直接與車軸連接，因此電機2 轉速不能為0，且需大于車輛最高速度行駛時的匹配電機2 轉速。

式中：i0——主減速器速比；vmax——最高車速；r——車輪半徑。

電機2 的最大轉速由式（4）計算可得nMG2_max＞5 653 r/min。

純電動模式下，電機2 的輸出功率需驅動HEV 6 s 之內由0 加速到30 km/h。將整車參數(shù)代入式（5）—式（7）計算得到電機2 的技術參數(shù)：nMG2_max=1 060 r/min，TMG2_max=249.29 N·m，PMG2_max=27.67 kW。經(jīng)驗證，電機2 可滿足該模型的駕駛需求。

1.2.3 電池參數(shù)選擇

本模型電池為鎳氫電池，功率為40 kW，電池容量為6.5 A·h。HEV 運行在純電動模式時，電池的輸出功率不低于電機的最大功率，由式（8）計算得到電池功率Pbat=40 kW。經(jīng)式（8）驗證，本模型的電池可滿足駕駛需求。

式中：Pbat——動力電池功率；Pmax——電機最大功率；ηb——能量轉化效率；ηm——電機工作效率，取0.85；Cbat——電池容量，We——電池能量密度，取46 (W·h)/kg；Wp——電池比功率，取1 000 W/kg；U——電池端電壓，取值288 V。

1.2.4 傳動比選擇

基于選擇的電機參數(shù)，電機1 反拖發(fā)動機時，提供的扭矩經(jīng)過行星齒輪系后須不能低于發(fā)動機的啟動的最小轉矩，轉矩轉速的關系滿足式（3）。分析計算得到主減速器的速比i0取值范圍為3.0～4.4，k取值范圍為2.4～3.0。經(jīng)過參數(shù)組合優(yōu)化后，取i0=3.9，k=2.6。

1.3 整車仿真模型搭建

采用AVL-Cruise 自帶的單行星排模型，選擇合適的元件進行連接，搭建的整車構型如圖2 所示。其中，MATLAB Controller 是實現(xiàn)AVL-Cruise和Simulink 聯(lián)合仿真的連接端口。

圖2 整車模型Fig.2 Vehicle model

1.4 構建控制策略

通過Simulink 軟件的模塊化編程，構建了基于邏輯門限值控制策略。對發(fā)動機，電機和制動器之間的轉矩分配，將HEV 的工作狀態(tài)劃分為：純電動、發(fā)動機電機混合驅動、再生制動、機械制動、部分再生制動以及停車充電等。控制策略頂層結構包括三大板塊：轉矩計算、模式識別、轉矩分配。各板塊的輸入輸出信號如圖3 所示。

圖3 控制策略頂層結構Fig.3 Top-level structure of control strategy

上述控制策略三大板塊中，轉矩計算板塊基于汽車行駛阻力方程，根據(jù)輸入路譜的當前車速和下一時刻目標車速計算需求轉矩；模式選擇板塊基于轉矩計算板塊輸出的需求轉矩和電池當前的SOC值進行模式劃分。其中，T_hi 和T_low 分別由發(fā)動機高效率區(qū)間上下限a_hi 和a_low 乘以當前發(fā)動機轉速下的最大轉矩得到的高效率轉矩上下限值，a_hi 和a_low 分別取0.7，0.3；SOC_high 和SOC_low分別為SOC值的上下限值，取值為80%，30%；模式識別板塊輸出對應的模式編號給轉矩分配模塊，將總轉矩分為發(fā)動機轉矩、電機1 轉矩、電機2 轉矩以及制動轉矩4 部分。

2 聯(lián)合仿真及結果分析

2.1 NEDC 循環(huán)工況仿真分析

為驗證HEV 整車模型和該控制策略的有效性，基于新歐洲標準循環(huán)工況NEDC 數(shù)據(jù)[6]，進行循環(huán)工況仿真計算。該工況持續(xù)時間為1 180 s，車速最高可達120 km/h。圖4（a）所示，實線為當前車速，虛線為下一時刻目標車速，2 條曲線重合度較高，說明該模型的車輛跟隨性較好；從圖4（b）可以看出，2 個電機不斷切換工作狀態(tài)，適應不同的工況；圖4（c）是發(fā)動機、電機的輸出扭矩變化；圖4（d）是電池電量變化情況，結合NEDC循環(huán)工況的車速變化可知，循環(huán)開始時電池電量為50%，目標車速較低，轉矩需求低，電池電量基本維持不變，循環(huán)末期車速增大，轉矩需求量增大，發(fā)動機的輸出轉矩明顯提高。并且，為了滿足加速需求，電池對外放電，SOC值小幅度下降。直到循環(huán)結束之前制動停車時，電機2 進行能量回收，補充了損失的SOC值。

圖4 仿真計算結果Fig.4 Simulation results

由于構型為HEV，在討論燃油消耗時需要將電量消耗轉換為等量的燃油消耗，轉換公式如式（9）所示。NEDC 循環(huán)工況下百公里油耗見表2。

表2 NEDC 工況百公里油耗Tab.2 Fuel consumption per 100 km under NEDC condition

式中：qequ——電量轉化成的油耗；ΔSOC——電量末值與初值之差；C——電池容量；Hu——燃油熱值，取42 700 kJ/kg；S——行駛總路程；ρ——燃油密度，取0.72 kg/L。

汽車尾氣是大氣污染的主要來源之一，含有大量的有害物質如NOX、CO 和HC 等氣體。經(jīng)過仿真計算得到了以下3 種主要污染物的單位路程排放量，具體數(shù)值如表3 所示。

表3 排放仿真結果Tab.3 Emission simulation results

2.2 動力性仿真分析

對汽車的原地起步加速時間和最大車速進行仿真計算，結果如圖5 所示。在9.23 s 時汽車由0達到60 km/h 的速度，并且最高車速高于170 km/h，滿足了整車的動力性要求。

圖5 加速性能仿真結果Fig.5 Simulation results of acceleration performance

3 結論

控制策略的搭建和動力部件選型是單行星排式混合動力汽車研究的重難點。本文通過選擇驗證合適的元件參數(shù)，搭建了單行星排混合動力整車模型，并構建了邏輯門限值控制策略進行聯(lián)合仿真。分析采用本控制策略的HEV 各部件的運行特性及整車經(jīng)濟性、動力性和排放性，證明各動力部件能夠穩(wěn)定運行，發(fā)動機運行在高效率區(qū)間，電池的SOC值保持在較穩(wěn)定的水平。此混合動力汽車模型及控制策略達到了設計目標性能，可以進一步進行智能控制策略優(yōu)化研究和整車實驗驗證。