CN110287526B - 混合动力汽车模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车模型构建方法，包括以下步骤：步骤1，确定发动机的工作范围和实时燃油消耗率，构建发动机动力学模型；步骤2，确定电机的工作范围和实时工作效率；步骤3，确定动力电池组的电动势、内阻范围，确定动力电池组、电机与车载用电设备用电功率之间的关系；步骤4，综合考虑发动机、电机、动力电池组和车辆直驶方向上所受外力，构建整车动力学模型方程；步骤5，利用Simulink搭建混合动力汽车仿真平台；本发明中混合动力汽车仿真平台搭建过程简单、考虑周全，搭建的仿真平台能够适应控制策略开发的各种实际场景，模型真实、灵活，能根据指令及时变换混合动力车辆动态。

Description

混合动力汽车模型构建方法

技术领域

本发明属于混合动力汽车技术领域，特别是涉及一种混合动力汽车模型构建方法。

背景技术

混合动力汽车的动力耦合特性使得驱动轴的震动相对于单一动力车辆更加复杂，引发的抖振现象也更严重，为了方便对混合动力汽车的各项性能及各部件转矩分配等进行分析，需要构建合适的混动动力汽车模型，综合考虑车辆各部件的特性和行驶中的动力结构，使混合动力汽车模型贴合实际状况，对其进行分析时，分析结果更加准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合动力汽车模型构建方法，构建过程简单，且综合考虑了混合动力汽车各动力源的特性，结合车辆行驶中的动力结构，使构建的汽车模型更加贴近混合动力汽车实际情况，利用构建的汽车模型进行车辆性能分析，分析结果更加准确。

本发明所采用的技术方案是，混合动力汽车模型构建方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据混合动力车辆发动机的试验参数，绘制发动机燃油消耗MAP图，根据发动机外特性曲线和发动机工作转速范围确定发动机的转矩输出范围，利用发动机的实时输出转速和实时输出转矩查阅发动机燃油消耗MAP图得出发动机燃油消耗率，采用一阶惯性环节模拟发动机转矩响应的延迟特性，发动机的动力学模型如公式(1)所示：

公式(1)中J_e为发动机转动惯量，n_e为发动机的实时输出转速，T_e为发动机实时输出转矩，T_L为发动机负载转矩；

步骤2，利用电机台架的电机转速、转矩数据，绘制电机外特性曲线、等功率曲线和效率MAP图，根据电机的实时转速、实时转矩查阅电机MAP图得到电机的实时工作效率，采用一阶惯性环节模拟电机转矩响应延迟特性；

步骤3，使用可控电压源和可控电阻组成的内阻模型构建动力电池组模型，绘制动力电池组充电、放电时电动势和内阻随电池剩余电量、温度的变化MAP图，根据电池组的实际温度和剩余电量，得出动力电池组的内阻和电池电动势；

动力电池组电功率、电机工作功率和车载用电设备用电功率之间应满足如下关系：

其中P_batt为动力电池组的电功率，T_A为电机A转矩，n_A为电机A转速，η_A为电机A的效率，T_B为电机B转矩，n_B为电机B转速，η_B为电机B的效率，P_c为车载用电设备的用电功率，当动力电池组处于充电状态时，指数k_A、k_B取值为1，当动力电池组处于放电状态时，指数k_A、k_B取值为-1；

步骤4，综合考虑步骤1～3构建的车辆各部件的工作范围和车辆行驶方向上所受外力，将车辆直驶方向上所受外力转化为车轮所受力矩，根据车辆动力学原理建立整车动力学模型方程如公式(2)所示：

公式(2)中T_f为滚动阻力矩，T_w为空气阻力矩，T_s为坡度阻力矩，T_a为制动力矩，T_drive为牵引力矩，m为整车质量，R为车轮半径，f为地面滚动阻力系数，θ为路面坡角，C为空气阻力系数，A为车辆迎风面积，v为车辆车速，J_vequ、J_tequ分别为车辆等效惯量、动力传动系统等效惯量，α为车轮角加速度，F_drive为牵引力，T_b为加速阻力矩；

步骤5，利用Simulink中的现有模块，搭建由行星排、离合器和两个制动器组成的行星耦合机构，采用油压控制和一阶惯性环节模拟离合器和制动器的充油特性，利用Simulink按照步骤1～4的各部件模型搭建混合动力汽车仿真平台。

进一步的，步骤1中采用一阶惯性环节模拟发动机转矩响应的延迟特性时，一阶惯性环节的方程如公式(3)所示：

公式(3)中T_e(s)为发动机实际输出转矩T_e的拉普拉斯变换函数，T_{e_control}为发动机接收到的转矩命令，k_τe为发动机时间常数，s为复变量。

进一步的，步骤2中采用一阶惯性环节模拟电机转矩响应延迟特性时，电机A和电机B的一阶惯性环节的方程如公式(4)、(5)所示：

T_A(s)为电机A实际输出转矩T_A的拉普拉斯变换函数，T_B(s)为电机B实际输出转矩T_B的拉普拉斯变换函数，T_{A_control}、T_{B_control}为电机A、B接收到的转矩命令，k_Aτ、k_Bτ为电机A、B时间常数，s为复变量。

本发明的有益效果是：本发明基于发动机外特性、燃油消耗率和电机功率参数，建立发动机、电机、动力电池组和功率耦合机构模型，以及混合动力汽车模型，构建过程简单，该模型为混合动力汽车控制策略开发和验证提供了仿真测试基础，能够根据控制策略开发的实际情况模拟现实场景，模型场景真实、灵活，能根据控制策略及时改变混合动力车辆动态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的流程图。

图2是发动机燃油消耗MAP图。

图3是电机外特性曲线、等功率曲线与效率MAP图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

混合动力汽车模型构建方法构建流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1，根据混合动力车辆发动机的试验数据，绘制发动机燃油消耗MAP图如图2所示，根据发动机外特性曲线和发动机转速范围确定发动机转矩输出范围，进而利用发动机实时输出转速、转矩查阅MAP图得到发动机燃油消耗率，发动机燃油消耗率计算如公式(1.1)所示：

公式(1.1)中，

为发动机燃油消耗率，n_e、T_e分别为发动机的实时输出转速、实时输出转矩，f_emap(n_e,T_e)为发动机燃油消耗率与实时输出转速、实时输出转矩的关系函数；

发动机实时输出转矩与发动机节气门开度变化存在时间延迟，且发动机转矩响应的时间常数较大，因此采用一阶惯性环节模拟发动机转矩响应的延迟特性，一阶惯性环节的方程如下：

公式(1.2)中T_e(s)为发动机实时输出转矩T_e的拉普拉斯变换函数，T_{e_control}为发动机接收到的转矩命令，T_{e_control}受到发动机外特性曲线的限制，k_τe为发动机时间常数，s为复变量，当发动机转速变化时，发动机动力学模型如下所示：

公式(1.3)中J_e为发动机转动惯量，T_L为发动机负载转矩；

步骤2，利用电机台架的电机转速、转矩数据，绘制电机外特性曲线、等功率曲线和效率MAP图如图3所示，根据电机实时转速、转矩查阅电机外特性曲线、等功率曲线和效率MAP图，得到电机的实时效率，

η_A＝f_mmap(n_A,T_A) (1.4)

η_B＝f_mmap(n_B,T_B) (1.5)

公式(1.4)、(1.5)中η_A、η_B为电机A、电机B效率，n_A为电机A转速，T_A为电机A转矩，n_B为电机B转速，T_B为电机B转矩，f_mmap(n_A,T_A)为电机A的效率与电机A的实时转速、实时转矩关系函数，f_mmap(n_B,T_B)为电机B的效率与电机B的实时转速、实时转矩关系函数，根据电机A、电机B各自实时转速、实时转矩乘积符号判断电机的工作状态，当乘积为正时电机处于充电状态，当乘积为负时电机处于放电状态；

采用一阶惯性环节模拟电机转矩响应延迟特性，电机A与电机B的一阶惯性环节方程如下：

公式(1.6)、(1.7)中T_A(s)为电机A实际输出转矩T_A的拉普拉斯变换函数，T_B(s)为电机B实际输出转矩T_B的拉普拉斯变换函数，T_{A_control}、T_{B_control}为电机A、B接收到的转矩命令，T_{A_control}、T_{B_control}大小受电机外特性限制，k_Aτ、k_Bτ为电机A、B时间常数，s为复变量；

步骤3，使用可控电压源和可控电阻组成的内阻模型构建动力电池组模型，绘制充电、放电时动力电池组的电动势和内阻随动力电池组剩余电量和温度变化的MAP图，根据动力电池组的实际温度和剩余电量，查阅动力电池组的MAP图得到电池内阻和电池单体电动势；

采用安时法对电池的剩余电量SOC进行估计，计算公式如下：

公式(1.8)中SOC₀为电池的初始荷电状态，C_batt为电池的容量，η为电池的充放电功率，I_batt为动力电池的电流；电池的电功率

E_batt为电池的电动势，R_batt为电池的内阻，

混合动力车辆的动力电池除给电动机供电外，还通过DC-DC变换为车载的其他用电设备供电，动力电池组电功率、电机功率和车载用电设备用电功率之间满足如下关系：

公式(1.9)中P_c为车载用电设备的用电功率，当动力电池组处于充电状态时，指数k_A、k_B取值为1，当动力电池组处于放电状态时，指数k_A、k_B取值为-1；

步骤4，在步骤1～3建立的车辆各部件工作范围内，结合车辆直驶方向上所受外力：牵引力、混动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力，将车辆直驶方向上所受外力转化为车轮所受力矩，有车辆动力学原理建立整车动力学模型方程如下，

公式(1.10)中T_f为滚动阻力矩，T_w为空气阻力矩，T_s为坡度阻力矩、T_a为制动力矩、T_drive为牵引力矩，m为整车质量，R为车轮半径，f为地面滚动阻力系数，θ为路面坡角，C为空气阻力系数，A为车辆迎风面积，v为车辆车速，J_vequ、J_tequ分别为车辆等效惯量、动力传动系统等效惯量，α为车轮角加速度，F_drive为牵引力，T_b为加速阻力矩；

步骤5，利用Simulink中的现有模块，搭建由行星排、离合器和两个制动器组成的行星耦合机构，采用油压控制和一阶惯性环节模拟离合器和制动器的充油特性，利用Simulink按照步骤1～4的各部件模型搭建混合动力汽车仿真平台。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.混合动力汽车模型构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，根据混合动力车辆发动机的试验参数，绘制发动机燃油消耗MAP图，根据发动机外特性曲线和发动机工作转速范围确定发动机的转矩输出范围，利用发动机的实时输出转速和实时输出转矩查阅发动机燃油消耗MAP图得出发动机燃油消耗率，采用一阶惯性环节模拟发动机转矩响应的延迟特性，发动机的动力学模型如公式(1)所示：

公式(1)中J_e为发动机转动惯量，n_e为发动机的实时输出转速，T_e为发动机实时输出转矩，T_L为发动机负载转矩；

步骤2，利用电机台架的电机转速、转矩数据，绘制电机外特性曲线、等功率曲线和效率MAP图，根据电机的实时转速、实时转矩查阅电机MAP图得到电机的实时工作效率，采用一阶惯性环节模拟电机转矩响应延迟特性；

步骤3，使用可控电压源和可控电阻组成的内阻模型构建动力电池组模型，绘制动力电池组充电、放电时电动势和内阻随电池剩余电量、温度的变化MAP图，根据电池组的实际温度和剩余电量，得出动力电池组的内阻和电池电动势；

动力电池组电功率、电机工作功率和车载用电设备用电功率之间应满足如下关系：

其中P_batt为动力电池组的电功率，T_A为电机A转矩，n_A为电机A转速，η_A为电机A的效率，T_B为电机B转矩，n_B为电机B转速，η_B为电机B的效率，P_c为车载用电设备的用电功率，当动力电池组处于充电状态时，指数k_A、k_B取值为1，当动力电池组处于放电状态时，指数k_A、k_B取值为-1；

步骤4，综合考虑步骤1～3构建的车辆各部件的工作范围和车辆行驶方向上所受外力，将车辆直驶方向上所受外力转化为车轮所受力矩，根据车辆动力学原理建立整车动力学模型方程如公式(2)所示：

公式(2)中T_f为滚动阻力矩，T_w为空气阻力矩，T_s为坡度阻力矩，T_a为制动力矩，T_drive为牵引力矩，m为整车质量，R为车轮半径，f为地面滚动阻力系数，θ为路面坡角，C为空气阻力系数，A为车辆迎风面积，v为车辆车速，J_vequ、J_tequ分别为车辆等效惯量、动力传动系统等效惯量，α为车轮角加速度，F_drive为牵引力，T_b为加速阻力矩；

步骤5，利用Simulink中的现有模块，搭建由行星排、离合器和两个制动器组成的行星耦合机构，采用油压控制和一阶惯性环节模拟离合器和制动器的充油特性，利用Simulink按照步骤1～4的各部件模型搭建混合动力汽车仿真平台。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车模型构建方法，其特征在于，所述步骤1中采用一阶惯性环节模拟发动机转矩响应的延迟特性时，一阶惯性环节的方程如公式(3)所示：

公式(3)中T_e(s)为发动机实际输出转矩T_e的拉普拉斯变换函数，T_{e_control}为发动机接收到的转矩命令，k_τe为发动机时间常数，s为复变量。

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车模型构建方法，其特征在于，所述步骤2中采用一阶惯性环节模拟电机转矩响应延迟特性时，电机A和电机B的一阶惯性环节的方程如公式(4)、(5)所示：

T_A(s)为电机A实际输出转矩T_A的拉普拉斯变换函数，T_B(s)为电机B实际输出转矩T_B的拉普拉斯变换函数，T_{A_control}、T_{B_control}为电机A、B接收到的转矩命令，k_Aτ、k_Bτ为电机A、B时间常数，s为复变量。

Images