基于Simulink的混合动力车型动力经济性仿真模型

基于Simulink的混合动力车型动力经济性仿真模型王建雷目录1概述2整车纵向动力学模型3Simulink建模思路4仿真模型调校总结1.概述动力性经济性是整车两项重要的性能。动力性主要考核的是车辆在纵向加速、爬坡、最高车速等方面的表现，主要是全油门状态下车辆动力总成的纵向驱动能力；而经济性主要考核的是在给定的工况下，车辆在纵向行驶时对能源的消耗量，也即在给定工况下，车辆动力总成对能源的消耗率水平。尤其在包含纯电动车型及混合动力车型中，动力经济性是整车性能关键考核项目（或可认为是最重要的考核项目）新能源车型动力经济性主要考核内容如下表所示：考核项目试验载荷整车阻力设定备注参考标准动力性最高车速（HEV）1km最高车速(道路)（km/h）CW+187.5物理参数混合动力车型适用GB/T19752-2005GB/T19750-2005GB/T32694-2016GB/T18385-2005GB/T18388-2005GB/T28382-2012等（EV）1km最高车速(道路)（km/h）CW+187.5物理参数新能源车型适用发动机巡航最高车速（km/h）CW+187.5物理参数（HEV）30min最高车速CW+187.5物理参数混合动力车型适用（EV）最大爬坡车速（4%、12%）-1km（km/h）CW+375物理参数新能源车型适用（HEV）最大爬坡车速（4%、12%）-1km（km/h）CW+375物理参数混合动力车型适用加速性能（HEV）0-100km/h加速时间（s）CW+187.5物理参数混合动力车型适用（HEV）0-400m加速时间（s）CW+187.5物理参数混合动力车型适用（HEV）60-100km/h加速时间（s）CW+187.5物理参数混合动力车型适用（HEV）80-120km/h加速时间（s）CW+187.5物理参数混合动力车型适用（EV）0-50km/h加速时间（s）CW+187.5物理参数新能源车型适用（EV）50-80km/h加速时间（s）CW+187.5物理参数新能源车型适用（EV）0-100km/h加速时间（s）CW+187.5物理参数新能源车型适用爬坡能力（HEV）最大起步坡度（%）CW+375物理参数混合动力车型适用（HEV）最大爬坡度（%）CW+375物理参数混合动力车型适用（EV）最大起步坡度（%）CW+375物理参数新能源车型适用（EV）最大爬坡度（%）CW+375物理参数新能源车型适用经济性（条件A）NEDC工况百公里能耗CW+100滑行法混合动力车型适用GB/T19753-2013GB/T19750-2005GB/T18386-2017等（条件B）NEDC工况百公里能耗CW+100滑行法包含发动机的车型适用NEDC加权平均油耗（L/100km）CW+100滑行法混合动力车型适用续驶里程（EV）工况纯电续驶里程（km）CW+100滑行法新能源车型适用1.概述行业内采用的动力经济性仿真手段有：AVLCruise、GTDrive、Carsim、Advisor等，但不论何种仿真手段在新能源车型仿真时，都会存在一定的缺陷，最重要的缺陷就是，这些仿真软件并不具备完全的编程能力，或不具有开放的建模能力，很难涵盖行业内所有的新能源技术路线及能量、功率管理策略。采用这些软件进行仿真时，大多需要与其他专门的控制策略编制软件联合仿真（线上或线下）。这里就将介绍一种更为简单，适用于所有新能源车型的动力经济性的基础仿真模型——基于Simulink的动力经济性独立仿真模型。新能源车型的动力经济性计算方法与传统动力车型并无区别。但因为新能源车型存在动力源的功率或扭矩分配，所以必须在计算过程中，引入功率/能量管理策略[1]，而Simulink就是在工程上一款功能强大的编程软件，对于功率/能量管理策略的建模也非常高效。Simulink具有以下优势：1）支持不同功率、能量管理策略制定，策略程序方法具有极强的设计开放度；2）模型计算步长小，精度高，速度快；3）较人性的UI界面，策略设计更加直观，模型搭建及校对时，具有很强的可读性；4）具有很强的模块化设计能力，封装简单，与其他性能仿真软件有极强的兼容性[2]。下文将介绍如何独立采用Simulink编程软件进行TJ07车型（CS10-2018，EF15TGDI+EVX4，P1+P3）动力经济性计算。[1]需要注意的是，功率管理与能量管理是完全不同的概念，功率管理策略涉及的是在满足使用需求前提下的即时功率分配，是整车需求功率与输出功率的功率流控制。而能量管理则是对某一段行程内能量的消耗与恢复。比如电池的功率管理，是在电池峰值充电、峰值放电、额定充电、额定放电等范围内进行的功率、效率、温度、电荷、电压管理与控制；而电池的能量管理，则是在电池SOC上下限之间进行的充电、放电能量阈值控制。虽然在电池功率管理和能量管理中，都会涉及到电池效率问题，但二者关注度也是不一样的，功率管理的效率是由于电池内阻的消耗造成的；而电池能量管理的效率则还会涉及到充电桩、电池寿命等部分的影响。[2]实际上，作为其他仿真软件的策略编辑接口，Simulink所搭建的控制策略模型更应该称为是混动车型的动力经济性仿真核心模型。2整车纵向动力学模型整车纵向动力学主要基于牛顿第二定律进行的平衡计算。风阻坡阻滚阻驱动FFFFaM其中：F驱动为车辆驱动系统体现到车轮的驱动力，动力系统所提供的驱动力经过齿轮、链条或其他传动机构的杠杆作用，施加给车轮，N；F滚阻为车辆在纵向行驶时，由轮胎变形、摩擦造成的阻力，N；F风阻为在车辆纵向行驶时，由空气粘滞、压缩、减压等作用，施加给车辆，阻碍其前进的力，N；F坡阻为在车辆纵向行驶时，车辆重力在道路的坡度方向上的分量。若车辆行驶方向坡度为正，也即车辆爬坡，则F坡阻也为正值；若车辆行驶方向坡度为负，也即车辆下坡，则F坡阻也为负值；N；M为车辆车重，kg；a为车辆纵向加速度m/s2后续的动力经济性计算基于公式1，或者公式1的衍生公式进行计算——公式1其中：为车辆各个动力总成外特性功率与各自系统的传动效率的乘积之和（为第i个动力模块的转速，rpm），kW；f(V)为车轮滚动阻力系数，无量纲；为道路坡度，°或rad；a为加速度，最高车速计算中取0Cd为车辆风阻系数，无量纲；A为车辆迎风面积，m2；V为车速，km/h；另外：是此动力与车速V、车轮滚动半径R及此动力相对车轮的总速比有关的函数，如公式3：2.1最高车速计算方法为方便计算，采用车轮处的功率平衡法进行计算。解算以下公式可得车辆的最高车速。2整车纵向动力学模型V/3600×)Sin×g×M+21.15V×A×C+f(V)×Cos×g×(M=η×)(P0a其中VaMFFF）V（PVFFFFVaM2d,传动动力风阻坡阻滚阻驱动风阻坡阻滚阻驱动iii,传动i动力η×)(PiR377.0iV,总ii——公式2ii,总i——公式3其中：为车辆各个动力总成外特性扭矩与各自系统的传动效率、总速比的乘积之和，Nm；2.2爬坡度计算方法为方便计算，采用车辆的力平衡法或车轮处扭矩平衡法（力平衡公式中加入车轮滚动半径）计算车辆的坡道能力。2整车纵向动力学模型i,传动i,总ii，动力ηi×)(T——公式4RgM)RaM21.15V×A×C(-）（T=Sinf(V)×CosRaMFRFFFRFFFFRaM2di传动，,总i,动力风阻驱动滚阻坡阻风阻坡阻滚阻驱动iiiR公式4所计算得到的是坡度与车速的曲线，示意图如右，取峰值，可得此时工况下车辆最高爬坡度，以及对应的车速。另外为防止车辆爬坡打滑，最后还应进行驱动力与地面附着系数的校对。在实际试验中，车辆冲坡和坡起坡度差异比较大，还应根据试验车速确定爬坡能力。为车辆在加速过程中的当量质量，包含车辆测试重量，以及车辆各个与纵向运动相关的单元的当量质量（由转动惯量求得）。在2.2的爬坡计算以及后续的油耗、能耗计算中，加速项皆应采用当量质量，而不是车辆本体的测试质量。2.3加速性能计算方法车辆的加速性能采用扭矩平衡法计算计算瞬时加速特性（速度与加速度的关系），然后将加速度按照时间进行积分，可求得车辆的纵向加速曲线。2整车纵向动力学模型——公式50假定道路坡度为)M15.21VACM）V（fgM-MR）（T(V6.31aV6.31t0t0VV'2d''i传动，,总i,动力VViiitt'Mi传，2i传，i2tire'RiJRJ4MM其中：车轮转动惯量，km·m2；为车辆其他纵向运动相关的单元，避让发动机、电动机、变速箱、差速器、离合器等模块的转动惯量，kg·m2tireJ——公式6iJ其中：瞬时功率为车辆行驶所需的瞬时功率，并非是动力系统输出功率；公式7已假定道路坡度为0°。2.4油耗/能耗计算方法车辆的油耗能耗计算方法，采用瞬时功率平衡法计算，然后瞬时功率以时间进行积分求得。如右图所示2整车纵向动力学模型——公式7V×)aM+21.15V×A×C+f(V)×g×(M36001P'2d瞬时t）PP(Et0'瞬，收瞬，驱b油耗/能耗的积分公式为：——公式8注：1.在积分计算中应首先判断车辆的需求功率时正还是负。2.车辆的回收功率不可能全部通过传动系统传递到动力电池，这取决于车辆的能量回收策略：如回收发电的电机、电池等模块的最大回收能力（峰值、效率等），车辆制动性能、行驶安全、功能安全、驾驶性以及其他功性能的要求。燃油箱发动机(T,ω)ηe，ie车轮ηe-g，ie-g发电机(T,ω)ηb电池驱动机(T,ω)ηm，imηbη=1ηbηm，im3Simulink建模思路3.1模型分析混动模型建模之前，需对整车、混动技术路线、各动力单元、动力电池等模块的特性进行分析：TJ07车型所采用的是P1+P3构型的混合动力，如右下所示。系统通过控制两个离合器C1、C2的开启与关闭，实现不同的功率输出模式的切换，混合动力系统中无变速箱。整车及其他计算相关参数如下：ISG电机，45kW，143Nm发动机，125kW，260Nm行星齿轮，速比3.068，效率95%主减速器，速比3.143，效率97%C1C2项目参数备注整车整备质量，kg1950风阻系数0.385不考虑空气抬升系数迎风面积，m23.66车轮滚动半径，m0.35滚阻系数如附件（右下角）发动机转速范围，rpm750-6000外特性、万有特性如附件（右下角）TM电机最高转速，rpm10000外特性、万有特性如附件（右下角）ISG电机最高转速，rpm6000发动机转动惯量，kg·m20.133车轮转动惯量，kg·m21.848电机及其他齿轮转动惯量，kg·m2——按0进行计算地面附着系数0.8电池总容量，kWh12.95峰值功率特性如附件（右下角）电池电压，V350300-400，额定为350V电池内阻，Ω0.001×96妙盛厂家参数能量回收车速范围，km/h＞5只有车速高于此阈值方可回收能量TM电机，100kW，270Nm3Simulink建模思路该混合动力存在如下工作模式1）HEV模式（C1、C2闭合），此时车辆在三个或两个动力源（发动机及TM电机）驱动下运行，适用于强载工况；2）EV模式（C2闭合，C1分离），此时车辆在TM电机单独驱动下运行，从动力电池取电；3）OOL发动机直驱（C1闭合，C2分离），此时车辆由发动机直接驱动，ISG空转或发电，适用于高速轻中载；4）RE增程模式（C2闭合，C1分离），此时车辆），此时车辆在TM电机单独驱动下运行，发动机与ISG电机组成发电模块APU为TM电机供电，适用于低电量行驶工况；C1C2TM电机ISG电机发动机5）回收（C1闭合或C2闭合，取决于上一工况的离合器状态），适用于制动减速或下坡工况。在经济性仿真建模计算时，只考虑制动的情况，同时为简化计算，只采用TM电机回收工况（Simulink是可以做ISG回