新½源½½
基于
Matlab / Sim ulink
环境四½驱动
混合动力½½建模与仿真
马竞展
左曙光
½志生
(
同济大学
)
【
摘要 】
介绍了电动½½的建模和仿真技术
,
应用
M atlab / Sim ulink
½件建立了四½驱动混合动力½½
的仿真模型
,
基于标准道路行驶循环分析了整½经济性½和排放性½ 。
【
主题词 】 电动½½
混合动力
仿真模型
者多个领域的性½
,
如燃油经济性 、
排放特性 、
加
速性½ 、
爬坡性½ 。
最著名最先进的混合动力½½½件是美½½
½源危机和环境污染是½前½½工业面临的
两大主要压力 。½½是油耗大户
,
又是重要的污
染源 。½内½½产品水平与½外差距很大
,
½½
½工业面临的压力更大 。
上个世纪以来世界各½和各大½½公司以及
½内各大科研机构和高等院校纷纷致力于开发清
洁节½½½
,
混合动力系统已经被证明是现阶段
最切实可行的清洁½½技术 。仿真一直是½½开
发中的一个重要环节
,
通过合理有效的仿真可以
加快½½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。
家可回收½源实验室开发的
ADV ISOR ,
它基
M at
2
lab / Sim ulink
的可视化模块示意图编程环境
,
具有
1
前言
很大的灵活性
,
可以对任½类型的混合动力电动
½½或内燃机½½进行建模 。其它还开发出许多
混合动力½½仿真½件 。这些½件的仿真½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½ 。
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½½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
½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 、
½速和功率 。信息流从½
½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½速并做出加速或制动的操½
,
在驱
动系中产生扭矩
,
并沿着驱动系统向前传播至½
2
混合动力½的建模仿真技术
混合动力电动½½仿真的研究是伴随着
19
世纪
60
年代几种样½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动
力½½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½过程
,
分析控制
策略中占主要½响的动力学因素
;
并可用来分析
整½½量消耗和评估整½性½
,
验证和优化设计
方案 。随着研究的深入
,
½内外已经开发出多款
混合动力½½计算机仿真½件
,
用以预测一个或
收稿日期
: 2005 - 04 - 28
・
20
・
上海½½
2005
1
11
新½源½½
½ 。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½性½分析 。
以下采用前向仿真建模法在
M atlab / Sim ulink
环境下以“
登峰一号 ”
混合动力½½项目为例建立
混合动力系统以及½辆纵向动力学 、
传动系 、
发动
机、
½辆控制器 、
驾驶员等模型
,
搭建四½驱动混
合动力½½的仿真平台 。
½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½速
计算输出力矩和½速传递到½½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½信息 。
½½模型主要建立½胎模型
,
通过½½附着
率计算½½滑移率
,
然后计算½速 。
该模型采用类
似于
ADV ISOR
½件的建模方法计算滑移率和½
速。
½辆动力学模型为简单的三自由度½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½速
,
根据½辆驱动力阻力平
衡方程计算½辆实际速度 。
驾驶员模型输入量为期望½速
u
desired
和实际
½速
u
a
,
输出为加速踏板或者制动踏板信号 β
,
模
型中采用
P I
控制器 。
D
½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½状态以及½
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
M a tlab / Sim u link
建立了四½驱动
混合动力½½的前向仿真模型
,
利用此模型可以
对整½性½进行仿真试验
,
同时也可以通过改变
整½控制器模块开发新的控制策略 。
½然这一改
变可½会因为新的控制信号需求导致部件模型的
改变 。
3
基于
M atlab / Sim ulink
的混合动力
系统建模
混合动力½½前向仿真模型应½包括驾驶员
模型、
½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、
½胎模型和½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
T
g
以及与传动系相连的½速输入 ω
e
,
输出量为发动
机½矩
T
eng
,
发动机½动惯量
J
eng
,
燃油消耗量和
CO
、 、
X
排放输出 。
HC NO
燃油消耗量和
CO
、 、
HC
NO
X
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
,
模型的输入
为对电机的力矩需求
T
mo t_req
和½速需求 ω
mo t_req
以
及电机的工½模式
,
输出为电机的工½力矩
T
mo t
、
工½½速 ω
mo t
和效率 η
t
。
mo
电池采用内阻模型的实验建模
,
输入量为功
率需求
P
mo t_req
或者电流需求
I
bat_req
,
输出量为电池
SOC
状态 、
输出电压
U
bat_out
和电池温度
T
bat
。
图
1
四½驱动
HEV
的
M atlab / Sim u link
仿真模型
上海½½
2005
1
11
・
2 1
・
新½源½½
够实现纯电动行驶就是为了避免发动机½效运
4
基于标准道路循环的混合动力½
½性½仿真
评价½½的燃油经济性½和排放性½需要一
个标准
,
这个标准就是让½½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½是否符合½家标准规定 。
利用上述模型分别按照
UDD S
、
ECE_EUDC
、
MANHA TTAN
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
表
1
不同标准道路循环行驶工况下整½性½仿真结果
指 标
道路循环
UDD S
ECE_EUDC
MANHA TTAN
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 。
5
结语
应用计算建模和仿真分析是现代½½设计不
可或缺的手段 。
混合动力仿真技术应½和混合动
力½½技术的发展同步进行 。
基于
M a tlab / Sim u link
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四½
驱动混合动力½½的仿真模型 。
所建模型合理准确
,
通过仿真½够有效地分
析混合动力系统的整½匹配特性和运行性½
,
½
够进行系统的优化设计 。
参考文献
1
田光宇
,
½ 涛
,
林成涛
,
陈全世
.
混合动力电动½½关键
百公里油耗
( L /100km )
6. 6
6. 9
8. 8
排放
( g / km )
NO
X
HC
CO
0. 076
0. 085
0. 186
0. 79
0. 80
0. 167
0. 148
0. 117
0. 173
表
2
UDD S
、
ECE_EUDC
、
MANHA TTAN
道路
循环曲线特征比较
循环名称
测试时
间
( s)
循环行 平均
驶距离 速度
最高 怠速停 平均加 平均减
½速 ½时间 速度
( s)
259
339
394
技术
.
½½技术
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2
程树康
,
王铁成
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崔淑梅等
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.
高技术通讯
, 2001. 11
3
½玉涛
,
陈统坚
,
沈继军
. HEV6700
混联式混合动力½½
速度
( km ) ( km / h ) ( km / h )
( m / s
2
) ( m / s
2
)
0. 5
0. 54
0. 54
- 0. 58
- 0. 79
- 0. 67
的仿真研究
.
机电工程技术
, 2003
4
杨为琛
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混合动力电动公交½总½匹配 、
仿真及控制系统
UDD S
1369 11. 99 31. 51 91. 25
120
研究
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北京理工大学博士论文
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5
John A. M acB ain, Jo segh J. Conover, A aron D. B rooker
.
Fu ll veh icle sim u lation fo r p arallel hybrid vehivles
.
6
Nobuo I ai
w .
A nalysis on fuel econom y and advanced
ECE_EUDC 1224 10. 93 32. 11
MANHATT
AN 1089
3. 32
10. 98 40. 72
混合动力½½性½得到了明显改善
,
同时看到在
MANHA TTAN
道路循环下整½性½下降很厉害
,
对于相同配½的混合动力½½排放和油耗明显恶
化。
对比道路循环特点后知
,MANHA TTAN
道路明
显带 速 成 分 增 多
,
平 均 ½ 速 和 最 高 ½ 速 很 ½ 。
MANHA TTAN
道路工况在多数时刻要求电力辅助
驱动
,
½½长时间在该循环下行驶时电力供不应
求
,
½得发动机在恶劣工况工½
,
即原½的动力匹
配在类似于
MANHA TTAN
程式循环工况下运行
时不½获得最½的经济性和排放性 。
这与实际情
况也相符
,
事实上电动½½对于城市工况希望½
system s of hybrid veh icles JSA E R eview, Vo lum e 20, Issue 1,
.
1999. 01
A b strac t
Mode ling and em u la tion techn ique of e lec tric
veh ic le a re in troduced, the sim u la tion mode l of
4WD
hyb rid
veh ic le
is
bu ilt
the
app lying
econom ic
M a tlab / Sim u link
softwa re,
p e rfo rm ance and exhau st em ission p e rfo rm ance of
comp le te veh ic le a re ana lyzed ba sed on standa rd
on - h ighway cyc le.
・
22
・
上海½½
2005
1
11
京公网安备 11010802033920号
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