混合动力汽车建模与模型验证*

宫唤春

（1.河北东方学院；2.天津滨海汽车工程学院）

通过仿真技术进行混合动力汽车性能研究是比较节约成本且能加快研究进程的可靠方法。因此，必须建立准确的混合动力汽车仿真模型是关键环节之一，混合动力汽车系统建模较为复杂，汽车运行过程处于非线性瞬时工况且影响参数众多为建立数学模型带来很大挑战。文章利用某混合动力汽车通过实验测试的方法获取建模的数据变化规律并结合AVL-Cruise软件[1]，按照混合动力汽车动力传输方向进行正向仿真建模，将构建的混合动力汽车仿真模型进行道路测试验证模型的准确性。

1 混合动力汽车建模与结构

混合动力汽车建模有3种方式[2]，即：正向仿真、逆向仿真和正逆向仿真。由于正向仿真建模与车辆运行时各部件动力运转输出的方向完全一致而且各部件建模连接的位置与实际汽车部件传输的位置完全相同，所以文章采用正向仿真的方法进行混合动力汽车建模，正向仿真建模示意图如图1所示。

图1 正向仿真示意图

图1为正向仿真建模中，驾驶员模型是仿真建模的初始点，根据外部工况的各项参数，通过调整加速踏板和制动踏板控制车速跟随行驶工况。

图2为文章选取的混合动力某轿车的结构示意图，包括整车控制器、发动机及其控制器、模式离合器、电机及其控制器、AMT变速器及其控制器等组成。控制系统通过加速踏板和制动踏板，接受来自驾驶员的运行指令，并接受其他的车辆及其组件的运行可变量（车速、发动机/电机转速、电池SOC等）。基于这些数据、组件和预置的控制策略，整车控制器向各组件控制器给出控制指令[3]。

图2 某混合动力轿车结构示意图

2 混合动力汽车实验标定与仿真模型构建

为了降低构建混合动力汽车仿真模型的难度，文章通过台架测试的方式对选取的某混合动力轿车进行实验测试并工况数据进行标定，作为仿真建模的初始数据，这种方法建模获取的数据比较接近车辆实际运行的数据，比数学建模更为节约成本且数学建模过程会对某些工况或参数进行忽略从而影响建模精度[4]。按照图1正向仿真示意图中各部件的位置依次通过实验获取发动机MAP图，纯电动模式下电机MAP图以及充电和发电模式下的电机MAP图，动力电池组充放电内阻变化图，将上述数据集成为AVL-Cruise模块进行混合动力汽车仿真模型构建。图3为发动机MAP图，图4为纯电动模式下电机MAP图，图5为发电模式下电机MAP图，图6为动力电池组充放电内阻图。

图3 发动机MAP图

图4 纯电动模式电机MAP图

图5 发电模式电机MAP图

图6 动力电池组内阻变化

基于AVL-Cruise软件将集成的模块，按照图1示意图的方向将模块进行连接完成混合动力汽车建模过程，建模步骤为：首先将各模块机械系统和电气系统各自进行连接；其次完成各模块基本参数及特性图数据模块的加载[5]；最后完成系统各模块间的数据总线设置，从而将各个模块实现数据共享及信号传输。具体AVL－Cruise仿真结构图如图7所示。将图7建立的混合动力仿真模型加载到混合动力汽车上进行道路测试，验证文章建立的模型精度并对模型参数变化规律加以分析。

图7 AVL－Cruise仿真建模模型图

3 混合动力汽车仿真模型道路测试

本节把实车采集的车速数据作为仿真的工况输入，但做了一定的滤波处理，去除了频繁的扰动。实际道路试验数据采样周期为50 ms，因此仿真过程中，仿真步长设定为0.05 s。

图8为道路实验车速与仿真车速对比分析曲线，蓝色曲线为实际车速，红色曲线为仿真车速，从仿真结果可以看出仿真车速能够很好的跟随实际车速的变化，两者速度比较一致，各工况变化下仿真模型能够比较准确的显示实际车速的变化情况，为准确分析混合动力汽车动力性能指标奠定了基础。

图8 道路实验车速与仿真车速对比曲线

图9为电机负荷变化曲线，从图中可以看出在发电和纯电动模式切换时仿真模型的电机负荷曲线稍微偏离实际负荷，主要原因是文章只是对发电模式、纯电动模式下电机负荷特性进行了测试直接选取数据建模而没有分析速度特性，从而出现上述问题，但是文章的仿真模型具体很好的自适应学习功能能够迅速消除误差与实际电机负荷较好的吻合，为电动模式下的能量管理优化研究提供了依据。

图9 电机负荷变化曲线

图10为SOC变化曲线，由图中可以看出，文章建立仿真模型能够比较准确反应出动力电池组在车辆运行时的电量变化情况与实际车辆SOC参数比较一致，为准确分析动力电池组奠定了基础。

图10 SOC变化曲线

4 结论

文章基于混合动力汽车实验标定数据结合AVLCruise软件联合构建混合动力汽车仿真模型，将构建的仿真模型利用实车进行道路测试分析了动力性能情况、电机负荷特性情况及电池SOC参数变化情况，结果表明：文章建立的仿真模型能够用于混合动力汽车性能分析，为优化混合动力汽车设计提供了依据。