混合動力汽車后向仿真模型的建立分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u2664混合動力汽車后向仿真模型的建立分析概述 1135741.1引言 1127041.2能量管理策略 1304991.2.1能量管理策略的選用 188521.2.2再生制動控制 3252241.3整車模型搭建 3310411.3.1NEDC循環(huán)工況 364041.3.2汽車受力分析 458581.3.3動力源工況計算 5110101.3.4CVT效率模型 656081.3.5電池模塊 7118021.3.6經(jīng)濟性指標計算模塊 9119751.4小結(jié) 11引言動力源的最佳經(jīng)濟性工況點和CVT目標速比并不能直觀的反應整車經(jīng)濟性，我們應當通過比較相應的百公里比油耗或能源的消耗量來反映整車經(jīng)濟性能。為此，本章結(jié)合能量管理策略和再生制動控制系統(tǒng)的運用，通過Simulink建立仿真模型，使其在NEDC循環(huán)工況下工作一個周期，得到起相應的燃油消耗率和電能消耗量。能量管理策略由于混合動力汽車有發(fā)動機和電動機兩個動力源，需要通過控制這兩個動力源的運行狀態(tài)來實現(xiàn)四種行駛模式的切換。為了使混合動力汽車達到更好的經(jīng)濟性能的要求，需要考慮汽車實際的行駛狀態(tài)，制定相應的能量管理策略，進行模式切換，選擇高效經(jīng)濟的工作區(qū)間，充分利用各種能源，降低燃油消耗量。能量管理策略的選用混合動力汽車的能量管理實質(zhì)是要保證在通過管理控制之后，求得最優(yōu)的目標取值。本文需要保證汽車根據(jù)實際的動力需求、電池荷電狀態(tài)和車速等條件的控制下，實現(xiàn)發(fā)動機、電機與動力電池間的最優(yōu)化，使燃油消耗量達到最小值。設計能量管理策略是使并聯(lián)式混合動力汽車達到最佳燃油經(jīng)濟性和最佳排放性能的關(guān)鍵，目前常見的能量管理策略包括邏輯門限式、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的能量管理策略、模糊控制策略、基于規(guī)則的控制策略、動態(tài)規(guī)劃算法等。模糊邏輯控制算法是通過模仿人腦不確定性對概念的判斷，應用模糊集合和模糊規(guī)則推理，解決模糊信息問題。動態(tài)規(guī)劃是解決策過程最優(yōu)化的數(shù)學方法，根據(jù)最優(yōu)化原理，把多階段過程轉(zhuǎn)化為一些單階段問題，利用各階段之間的關(guān)系。動態(tài)規(guī)劃適用于混合動力整車能量管理的全局優(yōu)化問題，能夠得到最優(yōu)解。邏輯門限式策略是通過對幾個變量的取值判斷與門限值的關(guān)系，控制發(fā)動機和電動機的模式切換，使其保持在高效區(qū)的工作狀態(tài)，同時將電池電量控制在某一區(qū)間。策略簡單易行，擁有嚴密的邏輯思維。其缺點在于設定門限值時大多依據(jù)經(jīng)驗，不能精準定位。比較上述幾種控制策略，邏輯門限控制策略簡單且實用性好，本文采取該模式進行能量管理，控制動力源工作模式的切換。以動力源轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩為主要邏輯變量，參考剩余電量的值SOC和汽車車速，設定門限值。并得出如下模式切換圖如圖3.1所示。圖3.1四種模式下的切換策略當汽車處于行車充電模式下，電池荷電狀態(tài)SOC大于設定的值時，轉(zhuǎn)化為發(fā)動機驅(qū)動模式。在純電動驅(qū)動模式下，因為電機的效率被限定在額定值內(nèi)，若要改變至其他三種驅(qū)動模式，則應設置車速大于某設定值，相反，若其他三種模式切換至純電動模式，則設置車速小于某設定值。由于我們設定的工況是在NEDC循環(huán)工況下行駛，根據(jù)能量管理策略的設計，純電動和行車充電模式面積較大，由于發(fā)動機效率低，設置區(qū)間控制在其最佳經(jīng)濟性工作線附近，所以發(fā)動機和混合動力驅(qū)動所占面積較小。再生制動控制再生制動控制策略的運用使得混合動力汽車經(jīng)濟性和行駛安全性都有較大的影響，同時排放小，是混合動力汽車能量回收的重要模式之一。在車輛減速或制動過程中，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使其發(fā)電，將減速過程中的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池中，實現(xiàn)能量回收。在實現(xiàn)車輛的減速或制動的同時，有效的提高了汽車經(jīng)濟性，降低了車輛排放，切實做到節(jié)能減排?；旌蟿恿ζ囃ㄟ^減速做到能量回收，與行駛安全性和電池荷電狀態(tài)有很大的關(guān)系，所以需要給再生制動設定條件控制其開啟或關(guān)閉。&（3.1）uauaSOC：汽車荷電狀態(tài)；SOCh整車模型搭建本課題研究的混合動力汽車模型有前向式和后向式兩種搭建方式，因為信息流動方向不同，搭建方式不同，所用的模塊不同，搭建的難易程度也不同。前向式建模同汽車實際運行情況一致，對比期望車速和實際情況，計算期望車速所需的動力，控制動力源輸出，經(jīng)汽車傳動系統(tǒng)，傳輸至車輪，達到預期車速。前向式模型雖然能夠反應各部件動態(tài)特性，仿真實際情況，但是模型復雜，精確運算導致運輸速度低下，因此本文采用后向式建模，結(jié)構(gòu)簡單，運算速度快，后向式模型建立的方法同汽車行駛運行情況相反，輸入期望的車速，計算需求驅(qū)動力，根據(jù)工況和能量管理策略模式切換，逐級計算。NEDC循環(huán)工況循環(huán)工況反應的是車輛在某個特定的區(qū)域下行駛的工況，比等速或勻加速行駛的數(shù)據(jù)更接近生活實際。因此，計算汽車燃油經(jīng)濟性或測試排放性能時通常采用此工況。NEDC循環(huán)工況是歐洲的續(xù)航測試標準，其英文全稱為“NewEuropeanDrivingCycle”。我國工信部采用NEDC測試標準對純電動車綜合里程進行測試。NEDC循環(huán)工況，包含兩個階段，第一階段為四個市區(qū)循環(huán)ECE，車速較低，通過勻加速、勻速、減速、停車四種行駛狀態(tài)在0-780秒內(nèi)循環(huán)四次。第二階段為一個郊區(qū)循環(huán)EUDC，車速較高，同樣四種行駛狀態(tài)在780-1180秒內(nèi)行駛一次，這樣兩個階段為一個NEDC循環(huán)。汽車受力分析由于本文模擬仿真的車型在NEDC循環(huán)工況下行駛的過程，只有勻加速行駛、勻速行駛、減速行駛和停車等工況，不測試波道上汽車的行駛狀態(tài)，沒有坡道阻力，因此受力分析如圖3.2所示：圖3.2汽車行駛狀態(tài)下的受力分析汽車行駛時，汽車的驅(qū)動力為：F（3.2）&（3.3）FtFflFfFwFjf：汽車滾動阻力系數(shù)；FzlFzG：汽車重量，N;CDA：汽車迎風面積，m2；δ：汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，這里取1.28；a：汽車加速度，m/s2。通過計算公式，搭建整車模型。根據(jù)汽車行駛狀況下的受力分析，求得其行駛狀況下的各阻力，各阻力之和為汽車驅(qū)動力。搭建整車模型模塊如下圖3.3所示。圖3.3SIMULINK搭建的整車模型動力源工況計算可根據(jù)汽車行駛工況下的車速求得車輪轉(zhuǎn)速的值，再根據(jù)汽車行駛車輪轉(zhuǎn)速，求得動力源轉(zhuǎn)速如公式（3.4）所示：n（3.4）由于本文采用的后向仿真模型，這里需要求得汽車在該行駛過程中需求轉(zhuǎn)矩Treq的值，克服阻力的轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機曲軸、飛輪、離合器等主動部分轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)子、離合器從動轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)矩和CVT輸入輸出軸所需要的轉(zhuǎn)矩之和，即為該汽車在行駛過程中總的需求轉(zhuǎn)矩。在仿真模型中以此為根據(jù)，搭建動力傳動系模型如圖3.4所示。圖3.4SIMULINK搭建的傳動系模型通過這些公式搭建好模型后，得到動力源轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩的值后，NEDC循環(huán)工況下車速隨時間的變化值和電池SOC的值的變化，通過邏門限式能量管理策略，控制切換動力源的工作模式，將CVT速比調(diào)節(jié)至第二章所得的各模式的目標工況下。CVT效率模型CVT效率變化隨輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和CVT速比的變化而改變，CVT效率隨CVT輸出轉(zhuǎn)矩的變化而變化，CVT效率隨輸入轉(zhuǎn)矩的增大而增加。由于后向仿真模型的信息流動，得出CVT輸出轉(zhuǎn)矩Tcvt-out，根據(jù)輸入轉(zhuǎn)矩和CVT速比計算cvt效率的函數(shù)和CVT輸出轉(zhuǎn)矩與輸入轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式，可以求得CVT的輸入轉(zhuǎn)矩。η（3.5）T（3.6）fCVTTCVT用最簡單的控制變量法分析，當iCVT固定不變時，函數(shù)是一個關(guān)于TCVT?in和ηCVT的一維線性函數(shù)，一個TCVT?in的轉(zhuǎn)矩值對應著一個效率ηCVT的值，且對應著一個T圖3.5CVT速比固定下的效率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系電池模塊在本課題研究的經(jīng)濟性仿真中，電池充放電效率及荷電狀態(tài)等參數(shù)對混合動力汽車的模型搭建、條件判斷、模式切換及仿真結(jié)果有著重要作用。電池SOC是混合動力汽車切換模式的一個關(guān)鍵判斷量，影響混合動力汽車工作模式的轉(zhuǎn)變，影響耗油量和電能消耗量的值。因此，建立動力電池的SOC和效率模型，根據(jù)電池充放電效率計算和時間長度可以計算出在NEDC循環(huán)工況中電能消耗量的值。由于鋰離子電池是一種可充電電池，具有很多優(yōu)點，常用在電子設備或電動汽車中，并且在軍事領(lǐng)域和航空航天中的地位不斷提高，本文電池模塊采用的鋰離子電池結(jié)構(gòu)。鋰離子電池的單體電壓高，工作電壓3.8V左右，比能量高，自放電少，循環(huán)使用壽命長，負載特性好，工作溫度范圍廣，安全性好。但是鋰離子電池過度充電、過量放電，否則會很容易導致電池壽命縮短。電池SOC為電池荷電狀態(tài)，等于剩余容量與初始容量之比，也就是我們常說的剩余電量百分比。電池所處的放電狀態(tài)將影響到電池剩余容量和初始容量，所以本文采用簡單、可靠的估計方法——安時計量法對電池SOC進行估算，預測未來放電制度和放電狀態(tài)。SOC（3.7）C（3.8）SOC0Cuse：動力電池已用容量，單位A?C0：動力電池初始容量，單位A?Ibatηbatt'動力電池放電狀態(tài)下的放電電流：I（3.9）動力電池放電狀態(tài)下的充電電流：I（3.10）PmPgUbat電池的充放電效率與充放電功率、電池SOC、電池溫度等因素有關(guān)，此處暫時忽略溫度因素的影響。通過SOC模型的構(gòu)建，引入步長表示上一個時間變化下的值，用每段步長內(nèi)SOC根據(jù)充放電功率的變化值來表示下一個步長下soc的值，從而運用到能量管理策略的邏輯中。圖3.6建模過程步長表示圖3.7SOC消耗模塊經(jīng)濟性指標計算模塊通過動力源工況確定發(fā)動機、電機各模式下的工況后，可以根據(jù)該工況下的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩用插值法求得發(fā)動機比油耗的值，通過公式（3.12）和（3.15）可以計算得出發(fā)動機在NEDC循環(huán)工況的發(fā)動機燃油消耗量以及動力電池消耗的電能。單位時間內(nèi)的燃油消耗量，也可理解為燃油消耗速率：Q（3.11）Q'ρgsl：汽油密度，單位kg/m2，取737kg/m3NEDC循環(huán)工況下發(fā)動機總的燃油消耗量：Q=（3.12）Q：NEDC循環(huán)工況下發(fā)動機總的燃油消耗量；tP電機消耗電量時的電池功率：P（3.13）電機發(fā)電狀態(tài)下電池功率：P（3.14）NEDC循環(huán)工況下，電池消耗的總電能：W=（3.15）Pbat_dchrηbat_dchrPbat_chrηbat_chrW：動力電池消耗的總電能，單位kw?h。對于插電式混合動力汽車來說，由于其動力源來源不同，其電能的來源不一定是通過消耗燃料啟動電機充電得到，也可以通過外部輸入設備充電增加電能，所以評價其經(jīng)濟性指標通常采用能耗成本進行評估。C=100000?（3.16）C：NEDC循環(huán)工況下的能耗成本，單位元；SNEDC根據(jù)2021年5月20日重慶地區(qū)油價顯示92號汽油6.83元，95號汽油7.22元，98號汽油6.47元，0號柴油8.13元。根據(jù)2020年出臺的電價調(diào)