基于AMESIM混合動力汽車模式切換仿真分析

張健 王玉林 李志明 耿超

摘要：? 針對混合動力汽車動力模式切換的品質(zhì)控制對動力性能和駕駛性的影響，本文提出了一種新型插電式混合動力裝置，實現(xiàn)了多種動力模式?；贏MESim軟件建立插電式混合動力行星齒輪系統(tǒng)仿真模型，模擬純電模式下單電機驅(qū)動模式和混合動力模式兩種模式的切換過程，分析車輛動力模式轉(zhuǎn)換過程，并以驅(qū)動模式切換瞬間的電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車速作為車輛模式切換初始條件，并進行模擬仿真分析。仿真結(jié)果表明，在模式切換過程中，車輛沖擊小于德國沖擊限值10 m/s3，證明該模式切換平穩(wěn)且對整車影響很小。本文提出的新型混合動力系統(tǒng)在滿足動力性能要求的前提下，具有較高的模式切換品質(zhì)，對混合動力結(jié)構開發(fā)具有借鑒意義。

關鍵詞：? 混合動力; 模式切換; AMESim; 沖擊度

中圖分類號： U463.5 文獻標識碼： A

插電式混合動力電動汽車（plug in hybrid electric vehicle， PHEV）是傳統(tǒng)汽油車到純電動汽車的過渡車型，它的動力源包括發(fā)動機和電動機[1]，動力模式選擇及功率分配是混合動力汽車技術中的難題之一[2]。目前有關混合動力控制策略的研究在制定混合動力車輛工作模式、模式切換條件[37]和模式切換的協(xié)調(diào)控制[811]等方面打下了基礎?；旌蟿恿囕v動力模式存在多種形式與組合，因此存在模式切換時的品質(zhì)評價問題[12]。目前，許多學者對混合動力動態(tài)過程控制問題進行研究。童毅等人[13]提出了“發(fā)動機轉(zhuǎn)矩開環(huán)+發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計+電機轉(zhuǎn)矩補償”的控制算法;I.D.Roy等人[14]提出建立發(fā)動機狀態(tài)觀測器，利用汽車啟動發(fā)電一體機（integrated starter generator， ISG）消除發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動，以上研究均利用了電機轉(zhuǎn)矩的快速補償作用。因此，本文基于AMESim軟件，建立插電式混合動力行星齒輪系統(tǒng)仿真模型，對混合動力模式切換過程進行研究，以驅(qū)動模式切換瞬間的電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車速作為車輛模式切換初始條件，并進行模擬仿真分析。仿真結(jié)果表明，該新型混動系統(tǒng)在動力模式切換過程中具有較高的品質(zhì)控制。該方案具有一定的可行性。

1 新型混合動力系統(tǒng)

本文提出的新型混合動力系統(tǒng)裝置主要包括發(fā)動機、電動機、發(fā)電機和單行星排，電機MG1連接太陽輪，發(fā)動機連接到行星架，電機MG2連接到齒圈，并通過齒圈向外輸出動力。該裝置與豐田Prius的傳動系統(tǒng)不同之處在于車架與行星架之間增加了制動器部件，通過控制制動器的接合和斷開，切換車輛的動力模式。制動器接合時，發(fā)動機和行星架停止工作，車輛進入純電動模式，純電動模式又分為單電機驅(qū)動和雙電機共同驅(qū)動兩種方式。相較于豐田Prius，新的混合動力系統(tǒng)增大了動力電池的容量，發(fā)電機MG1的輸出功率也隨之增大，降低了發(fā)動機的額定功率，不僅可以滿足新標準下的純電動續(xù)航范圍要求，而且降低了油耗，利于節(jié)能減排。本文研究的插電式混合動力車型，選用目前市場上某國產(chǎn)運動型實用汽車（sport utility vehicle， SUV）作為目標車型，其基本參數(shù)及性能指標如表1所示。本文提出的插電式混合動力汽車設計的性能指標如表2所示。新型行星齒輪傳動裝置結(jié)構示意圖如圖1所示。

2 傳動系統(tǒng)裝置模型建立

本文基于AMESim軟件及圖1中新型傳動裝置結(jié)構，建立混合動力系統(tǒng)仿真模型，混合動力系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。圖2中，ICE為發(fā)動機;MG1為發(fā)電機;MG2為電動機;planetgear為單行星排;C1為減震器;tire為輪胎;differential為差速器;brake command為制動信號。C1為減震器與行星輪系行星架連接，接受來自發(fā)動機的動力，行星架的另一端連接制動器，根據(jù)輸入制動信號，結(jié)合與斷開制動器。

3 系統(tǒng)模型仿真分析

本文研究的混合動力汽車模式切換品質(zhì)主要指沖擊度[15]，而平順性采用沖擊度作為主要評價指標[16]。模式的切換過程是實現(xiàn)各模式及油耗性能和駕駛性能的保證[1719]，提高了燃油效率。針對不同的行駛工況和電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC），整車控制系統(tǒng)會選擇合適的驅(qū)動模式[20]，重點計算發(fā)電機的扭矩[21]。接下來分析幾種具有代表性的動力模式切換過程。

3.1 電機MG1至電機MG2驅(qū)動模式切換

在純電動單電機驅(qū)動模式中，當由發(fā)電機MG1驅(qū)動切換至MG2驅(qū)動時，電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車速作為初始條件輸入模型，發(fā)電機和電動機輸出轉(zhuǎn)矩如圖3所示，發(fā)電機和電動機輸出轉(zhuǎn)速如圖4所示，模式切換車輛速度、加速度和沖擊度如圖5所示。由圖3可以看出，車輛在0.5 s時開始模式切換，電動機轉(zhuǎn)矩增加，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩逐漸下降，當電動機輸出轉(zhuǎn)矩在1.3 s時，電動機轉(zhuǎn)矩由0 Nm升至125 Nm之后，趨于穩(wěn)定，發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)矩由6.5 Nm降至0 Nm，完成模式切換過程，此時車輛轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒑G2單獨驅(qū)動;由圖4可以看出，發(fā)電機和電動機轉(zhuǎn)速均逐漸增加;由圖5可以看出，車輛加速度先下降至14.3 m/s2，之后穩(wěn)定。車輛在此段行駛過程中的最大沖擊度僅為-0.8 m/s3，小于限值10 m/s3[22]，說明此段切換過程品質(zhì)較高，對整車的沖擊度控制在合理范圍內(nèi)。

3.2 電機MG2至雙電機驅(qū)動模式切換

在純電動模式下，電機MG2切換至雙電機驅(qū)動時將模式切換瞬間的電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車速作為車輛模式切換仿真的初始條件輸入模型，發(fā)電機和電動機輸出轉(zhuǎn)矩如圖6所示，發(fā)電機和電動機輸出轉(zhuǎn)速如圖7所示，模式切換車輛速度、加速度和沖擊度如圖8所示。車輛在0.5 s時開始切換模式過程，1.3 s時完成。由圖6可以看出，電動機輸出轉(zhuǎn)矩初始值為170 Nm，在1.3 s時降至160 Nm，發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)矩值由0 Nm升至14 Nm;由圖7可以看出，發(fā)電機與電動機的轉(zhuǎn)速均逐漸增加。

由圖8可以看出，車輛速度增加平緩，此時由雙電機共同驅(qū)動。在該模式切換期間車輛的最大沖擊度為-0.3 m/s3，遠小于10 m/s3，表明此模式切換過程平緩，且產(chǎn)生的沖擊對車輛的影響較小。

3.3 發(fā)動機MG1和MG2至電機MG1和MG2驅(qū)動模式切換

將車輛由發(fā)動機MG1和MG2驅(qū)動至電機MG1和MG2，驅(qū)動模式切換瞬間的電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車速作為車輛模式切換仿真的初始條件，發(fā)電機和電動機輸出轉(zhuǎn)矩如圖9所示，發(fā)電機和電動機輸出轉(zhuǎn)速如圖10所示，模式切換車輛速度、加速度和沖擊度的仿真結(jié)果如圖11所示。在0.5 s時開始模式切換過程，在1.3 s時完成。

由圖9可以看出，發(fā)動機、發(fā)電機和電動機初始輸出轉(zhuǎn)矩值分別為40 ，39 ，67 Nm，在1.3 s左右時，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩降至0 Nm，發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)矩升至94 Nm，電動機輸出轉(zhuǎn)矩升至85 Nm;由圖10可以看出，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降至零停止工作，MG1和MG2轉(zhuǎn)速均逐漸增加，此時車輛由雙電機驅(qū)動;由圖11可以看出，車速逐漸下降且下降平緩，車輛在此段行駛過程中的最大沖擊度僅為-0.6 m/s3，表明此切換過程對整車的沖擊度控制在合理范圍內(nèi)。

3.4 電機MG2至電機MG1驅(qū)動模式切換

在純電動單電機驅(qū)動模式下，當電機MG2切換至電機MG1時，以切換瞬間的電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車速作為模式切換仿真的初始條件輸入模型，發(fā)電機和電動機輸出轉(zhuǎn)矩如圖12所示，發(fā)電機和電動機輸出轉(zhuǎn)速如圖13所示，模式切換車輛速度、加速度和沖擊度如圖14所示。

車輛在0.5 s時開始模式切換過程，在1.3 s時模式切換過程完畢。由圖12可以看出，電動機輸出轉(zhuǎn)矩由140 Nm降至0 Nm，發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)矩由0 Nm升至23 Nm;由圖13可以看出，MG1和MG2的轉(zhuǎn)速均逐漸增加。

由圖14可以看出，車輛速度緩慢增加，車輛加速度在模式切換開始時逐漸增加1.3 s模式切換完成后穩(wěn)定。車輛此段行駛過程中的最大沖擊度為0.7 m/s3，表明此切換過程對整車的沖擊度控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種新型插電式混合動力系統(tǒng)，根據(jù)新型混合動力系統(tǒng)原理圖，建立了車輛動力模式切換的AMESim仿真模型，利用進行標準循環(huán)工況過程中動力模式切換瞬間的發(fā)動機、發(fā)電機和電動機的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及車速數(shù)據(jù)作為輸入的初始條件，對幾種有代表性的動力模式切換過程模擬仿真。仿真結(jié)果表明，選取的幾種模式切換過程中車輛無動力中斷，且車輛動力模式切換過程對整車的沖擊影響很小，能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)的動力模式切換。該研究能夠高品質(zhì)的實現(xiàn)多種動力模式的控制與切換，對以后混合動力系統(tǒng)的開發(fā)具有參考意義。

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