基于MatlabSimulink环境四轮驱动混合动力汽车建模与仿真

1前言能源危机和环境污染是当前汽车工业面临的两大主要压力。汽车是油耗大户，又是重要的污染源。国内汽车产品水平与国外差距很大，使汽车工业面临的压力更大。上个世纪以来世界各国和各大汽车公司以及国内各大科研机构和高等院校纷纷致力于开发清洁节能汽车，混合动力系统已经被证明是现阶段最切实可行的清洁汽车技术。仿真一直是汽车开发中的一个重要环节，通过合理有效的仿真可以加快汽车开发进度，节约开发成本。伴随着混合动力技术的发展，其建模和仿真技术也在飞速发展。2混合动力车的建模仿真技术混合动力电动汽车仿真的研究是伴随着19世纪60年代几种样车的发展而出现的。随着计算机技术的飞速发展，计算机仿真已经是混合合动力汽车设计开发的有力辅助工具，仿真分析有利于深入理解混合动力系统的工作过程，分析控制策略中占主要影响的动力学因素；并可用来分析整车能量消耗和评估整车性能，验证和优化设计方案。随着研究的深入，国内外已经开发出多款混合动力汽车计算机仿真软件，用以预测一个或者多个领域的性能，如燃油经济性、排放特性、加速性能、爬坡性能。最著名最先进的混合动力汽车软件是美国国家可回收能源实验室开发的ADVISOR，它基Matlab/Simulink的可视化模块示意图编程环境，具有很大的灵活性，可以对任何类型的混合动力电动汽车或内燃机汽车进行建模。其它还开发出许多混合动力汽车仿真软件。这些软件的仿真都是首先计算满足驱动循环要求的功率，然后利用各部件的传动效率计算出总线输出功率。同时具有绘制输出数据图表或存储仿真中每一时间步长数据的功能。混合动力系统属于既有连续环节又有时间离散环节的“采样控制系统”，模拟和分析其复杂行为的核心是建立其动态和非线性的仿真模型。由于混合动力系统本身的复杂性，必须按目标和研究对象的不同建立仿真模型，以兼顾结果的准确性和仿真效率。目前对混合动力电动汽车的仿真有后向仿真和前向仿真两种基本方法。后向仿真模型以目标车速(如标准行驶循环试验工况)为输入，计算驱动系统中需要的扭矩、转速和功率。信息流从车轮到驱动桥到变速器如此往上沿着驱动系统向后传播。前向仿真模型包含驾驶员模型，可以模拟驾驶员感觉车速并做出加速或制动的操作，在驱动系中产生扭矩，并沿着驱动系统向前传播至车轮。前向仿真模型可以用于控制系统的设计，后向仿真模型主要用于整车性能分析。以下采用前向仿真建模法在Matlab/Simulink环境下以“登峰一号”混合动力汽车项目为例建立混合动力系统以及车辆纵向动力学、传动系、发动机、车辆控制器、驾驶员等模型，搭建四轮驱动混合动力汽车的仿真平台。3基于Matlab/Simulink的混合动力系统建模混合动力汽车前向仿真模型应当包括驾驶员模型、车辆控制器模型、发动机模型、电机模型、电池模型、离合器模型、变速器模型、主减速器和差速器模型、轮胎模型和车辆动力学模型(如图1)。混合动力系统发动机模型在这里采用实验建模法，输入量为节气门开度α，起动机输入扭矩Tg以及与传动系相连的转速输入ωe，输出量为发动机转矩Teng，发动机转动惯量Jeng，燃油消耗量和CO、HC、NOX(排放输出。燃油消耗量和CO、HC、NOX(排放利用实验数据查表插值计算。电机模型同样采用试验建模法，模型的输人为对电机的力矩需求Tmot-req和转速需求ωmot-req，以及电机的工作模式，输出为电机的工作力矩Tmot工作转速ωmot，和效率ηmot。电池采用内阻模型的实验建模，输入量为功率需求户Pmot-req或者电流需求Ibat-req，输出量为电池SOC状态、输出电压Ubat-out，和电池温度Tbat。车辆传动系模型包括离合器、变速器和驱动桥，模型要判断离合器状态，根据输入力矩和转速计算输出力矩和转速传递到车轮处。变速器模型还应该根据理想自动变速器模型完成自动换档并输出档位信息。车轮模型主要建立轮胎模型，通过车轮附着率计算车轮滑移率，然后计算车速。该模型采用类似于ADVISOR软件的建模方法计算滑移率和轮速。车辆动力学模型为简单的三自由度车辆纵向动力学模型，输入量为从发动机、电机制动器传递过来的输入力矩和转速，根据车辆驱动力阻力平衡方程计算车辆实际速度。驾驶员模型输入量为期望车速Udesired，和实际车速Ua，输出为加速踏板或者制动踏板信号卢，模型中采用PID控制器。车辆控制器根据踏板信号，上一时刻发动机、电机、发电机、电池和离合器等的工作状态以及车速控制阀值、力矩控制阀值、力矩增量控制阀值等计算发动机、电机和发电机的需求力矩，并发出控制指令。至此，基于Matlab/Simulink建立了四轮驱动混合动力汽车的前向仿真模型，利用此模型可以对整车性能进行仿真试验，同时也可以通过改变整车控制器模块开发新的控制策略。当然这一改变可能会因为新的控制信号需求导致部件模型的改变。图1四轮驱动HEV的Matlab/Simulink仿真模型4基于标准道路循环的混合动力汽车性能仿真评价汽车的燃油经济性能和排放性能需要一个标准，这个标准就是让汽车按照具有高度统计意义和代表性的标准道路行驶循环行驶，考察其性能是否符合国家标准规定。利用上述模型分别按照UDDS、ECE_EUDC、MANHATTAN道路循环进行仿真，结果如表1所示，表2是各道路循环特征数据。表中数据表明混合动力汽车性能得到了明显改善，同时看到在MANHATTAN道路循环下整车性能下降很厉害，对于相同配置的混合动力汽车排放和油耗明显恶化。对比道路循环特点后知，MANHATTAN道路明显带速成分增多，平均车速和最高车速很低。MANHATTAN道路工况在多数时刻要求电力辅助驱动，汽车长时间在该循环下行驶时电力供不应求，使得发动机在恶劣工况工作，即原车的动力匹配在类似于MANHATTAN程式循环工况下运行时不能获得最佳的经济性和排放性。这与实际情况也相符，事实上电动汽车对于城市工况希望能够实现纯电动行驶就是为了避免发动机低效运行。因而针对这种工况在进行动力匹配时应该选择更高的混合比。表1不同标准道路循环行驶工况下车性能仿真结果表2UDDS、ECE_EUDC、MANHATTAN道路循环曲线特征比较5结语应用计算建模和仿真分析是现代汽车设计不可或缺的手段。混合动力仿真技术应当和混合动力汽车技术的发展同步进行。基于Matlab/Simulink环境可以建立混合动力系统及部件的模型，在此基础上可以建立四轮驱动混合动力汽车的仿真模型。所建模型合理准确，通过仿真能够有效地分析混合动力系统的整车匹配特性和运行性能，能够进行系统的优化设计。