基于Matlab_Simulink環(huán)境四輪驅(qū)動混合動力汽車建模與仿真_圖文

1、新能源汽車基于Matlab/Si m ulink環(huán)境四輪驅(qū)動混合動力汽車建模與仿真馬競展左曙光何志生(同濟大學(xué)【摘要】介紹了電動汽車的建模和仿真技術(shù),應(yīng)用Matlab/Si m ulink軟件建立了四輪驅(qū)動混合動力汽車的仿真模型,基于標(biāo)準(zhǔn)道路行駛循環(huán)分析了整車經(jīng)濟性能和排放性能?！局黝}詞】電動汽車混合動力仿真模型1前言能源危機和環(huán)境污染是當(dāng)前汽車工業(yè)面臨的兩大主要壓力。汽車是油耗大戶,又是重要的污染源。國內(nèi)汽車產(chǎn)品水平與國外差距很大,使汽車工業(yè)面臨的壓力更大。上個世紀(jì)以來世界各國和各大汽車公司以及國內(nèi)各大科研機構(gòu)和高等院校紛紛致力于開發(fā)清潔節(jié)能汽車,混合動力系統(tǒng)已經(jīng)被證明是現(xiàn)階段最切實可行的清

2、潔汽車技術(shù)。仿真一直是汽車開發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié),通過合理有效的仿真可以加快汽車開發(fā)進(jìn)度,節(jié)約開發(fā)成本。伴隨著混合動力技術(shù)的發(fā)展,其建模和仿真技術(shù)也在飛速發(fā)展。2混合動力車的建模仿真技術(shù)混合動力電動汽車仿真的研究是伴隨著19世紀(jì)60年代幾種樣車的發(fā)展而出現(xiàn)的。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機仿真已經(jīng)是混合動力汽車設(shè)計開發(fā)的有力輔助工具,仿真分析有利于深入理解混合動力系統(tǒng)的工作過程,分析控制策略中占主要影響的動力學(xué)因素;并可用來分析整車能量消耗和評估整車性能,驗證和優(yōu)化設(shè)計方案。隨著研究的深入,國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多款混合動力汽車計算機仿真軟件,用以預(yù)測一個或收稿日期:2005-04-28者多個領(lǐng)域的

3、性能,如燃油經(jīng)濟性、排放特性、加速性能、爬坡性能。最著名最先進(jìn)的混合動力汽車軟件是美國國家可回收能源實驗室開發(fā)的ADV I S OR,它基Mat2 lab/Si m ulink的可視化模塊示意圖編程環(huán)境,具有很大的靈活性,可以對任何類型的混合動力電動汽車或內(nèi)燃機汽車進(jìn)行建模。其它還開發(fā)出許多混合動力汽車仿真軟件。這些軟件的仿真都是首先計算滿足驅(qū)動循環(huán)要求的功率,然后利用各部件的傳動效率計算出總線輸出功率。同時具有繪制輸出數(shù)據(jù)圖表或存儲仿真中每一時間步長數(shù)據(jù)的功能?；旌蟿恿ο到y(tǒng)屬于既有連續(xù)環(huán)節(jié)又有時間離散環(huán)節(jié)的“采樣控制系統(tǒng)”,模擬和分析其復(fù)雜行為的核心是建立其動態(tài)和非線性的仿真模型。由于混合動

4、力系統(tǒng)本身的復(fù)雜性,必須按目標(biāo)和研究對象的不同建立仿真模型,以兼顧結(jié)果的準(zhǔn)確性和仿真效率。目前對混合動力電動汽車的仿真有后向仿真和前向仿真兩種基本方法。后向仿真模型以目標(biāo)車速(如標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)試驗工況為輸入,計算驅(qū)動系統(tǒng)中需要的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率。信息流從車輪到驅(qū)動橋到變速器如此往上沿著驅(qū)動系統(tǒng)向后傳播。前向仿真模型包含駕駛員模型,可以模擬駕駛員感覺車速并做出加速或制動的操作,在驅(qū)動系中產(chǎn)生扭矩,并沿著驅(qū)動系統(tǒng)向前傳播至車2上海汽車2005111新能源汽車輪。前向仿真模型可以用于控制系統(tǒng)的設(shè)計,后向仿真模型主要用于整車性能分析。以下采用前向仿真建模法在Matlab /Si m ulink 環(huán)境下以

5、“登峰一號”混合動力汽車項目為例建立混合動力系統(tǒng)以及車輛縱向動力學(xué)、傳動系、發(fā)動機、車輛控制器、駕駛員等模型,搭建四輪驅(qū)動混合動力汽車的仿真平臺。3基于Matlab /Si m ulink 的混合動力系統(tǒng)建?；旌蟿恿ζ嚽跋蚍抡婺Ｐ蛻?yīng)當(dāng)包括駕駛員模型、車輛控制器模型、發(fā)動機模型、電機模型、電池模型、離合器模型、變速器模型、主減速器和差速器模型、輪胎模型和車輛動力學(xué)模型(如圖1?；旌蟿恿ο到y(tǒng)發(fā)動機模型在這里采用實驗建模法,輸入量為節(jié)氣門開度,起動機輸入扭矩T g 以及與傳動系相連的轉(zhuǎn)速輸入e ,輸出量為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩T eng ,發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量J eng ,燃油消耗量和CO 、HC 、NO X 排放

6、輸出。燃油消耗量和CO 、HC 、NO X 排放利用實驗數(shù)據(jù)查表插值計算。電機模型同樣采用試驗建模法,模型的輸入為對電機的力矩需求T mot_req 和轉(zhuǎn)速需求mot_req 以及電機的工作模式,輸出為電機的工作力矩T mot 、工作轉(zhuǎn)速mot 和效率mot 。電池采用內(nèi)阻模型的實驗建模,輸入量為功率需求P mot_req 或者電流需求I bat_req ,輸出量為電池S OC 狀態(tài)、輸出電壓U bat_out 和電池溫度T bat 。車輛傳動系模型包括離合器、變速器和驅(qū)動橋,模型要判斷離合器狀態(tài),根據(jù)輸入力矩和轉(zhuǎn)速計算輸出力矩和轉(zhuǎn)速傳遞到車輪處。變速器模型還應(yīng)該根據(jù)理想自動變速器模型完成自動

7、換檔并輸出檔位信息。車輪模型主要建立輪胎模型,通過車輪附著率計算車輪滑移率,然后計算車速。該模型采用類似于ADV IS OR 軟件的建模方法計算滑移率和輪速。車輛動力學(xué)模型為簡單的三自由度車輛縱向動力學(xué)模型,輸入量為從發(fā)動機、電機制動器傳遞過來的輸入力矩和轉(zhuǎn)速,根據(jù)車輛驅(qū)動力阻力平衡方程計算車輛實際速度。駕駛員模型輸入量為期望車速u desired 和實際車速u a ,輸出為加速踏板或者制動踏板信號,模型中采用P I D 控制器。車輛控制器根據(jù)踏板信號,上一時刻發(fā)動機、電機、發(fā)電機、電池和離合器等的工作狀態(tài)以及車速控制閥值、力矩控制閥值、力矩增量控制閥值等計算發(fā)動機、電機和發(fā)電機的需求力矩,并

8、發(fā)出控制指令。至此,基于M atlab /Si m ulink 建立了四輪驅(qū)動混合動力汽車的前向仿真模型,利用此模型可以對整車性能進(jìn)行仿真試驗,同時也可以通過改變整車控制器模塊開發(fā)新的控制策略。當(dāng)然這一改變可能會因為新的控制信號需求導(dǎo)致部件模型的改變。 圖1四輪驅(qū)動HEV 的M atlab /Si mulink 仿真模型12上海汽車2005111新能源汽車4基于標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)的混合動力汽車性能仿真評價汽車的燃油經(jīng)濟性能和排放性能需要一個標(biāo)準(zhǔn),這個標(biāo)準(zhǔn)就是讓汽車按照具有高度統(tǒng)計意義和代表性的標(biāo)準(zhǔn)道路行駛循環(huán)行駛,考察其性能是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。利用上述模型分別按照UDDS、ECE_EUDC、MAN

9、HA TT AN道路循環(huán)進(jìn)行仿真,結(jié)果如表1所示,表2是各道路循環(huán)特征數(shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)表明表1不同標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)行駛工況下整車性能仿真結(jié)果指標(biāo)道路循環(huán)百公里油耗(L/100km排放(g/kmHC CO NO X表2UDDS、ECE_EUDC、MANHATT AN道路循環(huán)曲線特征比較循環(huán)名稱測試時間(s循環(huán)行駛距離(km平均速度(km/h最高車速(km/h怠速停車時間(s平均加速度(m/s2平均減速度(m/s2混合動力汽車性能得到了明顯改善,同時看到在MANHA TT AN道路循環(huán)下整車性能下降很厲害,對于相同配置的混合動力汽車排放和油耗明顯惡化。對比道路循環(huán)特點后知,MANHATT AN道路明顯帶

10、速成分增多,平均車速和最高車速很低。MANHA TT AN道路工況在多數(shù)時刻要求電力輔助驅(qū)動,汽車長時間在該循環(huán)下行駛時電力供不應(yīng)求,使得發(fā)動機在惡劣工況工作,即原車的動力匹配在類似于MANHA TT AN程式循環(huán)工況下運行時不能獲得最佳的經(jīng)濟性和排放性。這與實際情況也相符,事實上電動汽車對于城市工況希望能夠?qū)崿F(xiàn)純電動行駛就是為了避免發(fā)動機低效運行。因而針對這種工況在進(jìn)行動力匹配時應(yīng)該選擇更高的混合比。5結(jié)語應(yīng)用計算建模和仿真分析是現(xiàn)代汽車設(shè)計不可或缺的手段?；旌蟿恿Ψ抡婕夹g(shù)應(yīng)當(dāng)和混合動力汽車技術(shù)的發(fā)展同步進(jìn)行?；贛 atlab/Si m ulink環(huán)境可以建立混合動力系統(tǒng)及部件的模型,在此

11、基礎(chǔ)上可以建立四輪驅(qū)動混合動力汽車的仿真模型。所建模型合理準(zhǔn)確,通過仿真能夠有效地分析混合動力系統(tǒng)的整車匹配特性和運行性能,能夠進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。參考文獻(xiàn)4楊為琛.混合動力電動公交車總體匹配、仿真及控制系統(tǒng)研究.北京理工大學(xué)博士論文,2002.35John A.MacB ain,Josegh J.Conover,Aaron D.B rooker. Full vehicle si mulation for parallel hybrid vehivles.6Nobuo I w ai.Analysis on fuel economy and advanced system s of hybrid vehicles.JS AE Review,Volume20,Issue1, 1999.01A bstractModeling and em ulation technique of electric vehicle are introduced,the si m ulation model of 4WD hybrid vehicle is built ap