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仿真模型，模擬純電模式下單電機驅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換過程，并以驅動模式切換瞬間的電機轉矩、轉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且對整車影響很小。本文提出的新型混合動力系統在滿足動力性能要求的前提下，具有較高的模式切換品質，對混合動力結構開發具有借鑒意義。

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）是傳統汽油車到純電動汽車的過渡車型，它的動力源包括發動機和電動機[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]和模式切換的協調控制[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評價問題[12]。目前，許多學者對混合動力動態過程控制問題進行研究。童毅等人[13]提出了“發動機轉矩開環+發動機動態轉矩估計+電機轉矩補償”的控制算法;I.D.Roy等人[14]提出建立發動機狀態觀測器，利用汽車啟動發電一體機（integrated starter generator， ISG）消除發動機轉矩波動，以上研究均利用了電機轉矩的快速補償作用。因此，本文基于AMESim軟件，建立插電式混合動力行星齒輪系統仿真模型，對混合動力模式切換過程進行研究，以驅動模式切換瞬間的電機轉矩、轉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。仿真結果表明，該新型混動系統在動力模式切換過程中具有較高的品質控制。該方案具有一定的可行性。

1 新型混合動力系統

本文提出的新型混合動力系統裝置主要包括發動機、電動機、發電機和單行星排，電機MG1連接太陽輪，發動機連接到行星架，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動和雙電機共同驅動兩種方式。相較于豐田Prius，新的混合動力系統增大了動力電池的容量，發電機MG1的輸出功率也隨之增大，降低了發動機的額定功率，不僅可以滿足新標準下的純電動續航范圍要求，而且降低了油耗，利于節能減排。本文研究的插電式混合動力車型，選用目前市場上某國產運動型實用汽車（sport utility vehicle， SUV）作為目標車型，其基本參數及性能指標如表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構示意圖如圖1所示。

2 傳動系統裝置模型建立

本文基于AMESim軟件及圖1中新型傳動裝置結構，建立混合動力系統仿真模型，混合動力系統仿真模型如圖2所示。圖2中，ICE為發動機;MG1為發電機;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，接受來自發動機的動力，行星架的另一端連接制動器，根據輸入制動信號，結合與斷開制動器。

3 系統模型仿真分析

本文研究的混合動力汽車模式切換品質主要指沖擊度[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（state of charge，SOC），整車控制系統會選擇合適的驅動模式[20]，重點計算發電機的扭矩[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驅動模式切換

在純電動單電機驅動模式中，當由發電機MG1驅動切換至MG2驅動時，電機轉矩、轉速和車速作為初始條件輸入模型，發電機和電動機輸出轉矩如圖3所示，發電機和電動機輸出轉速如圖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，電動機轉矩增加，發電機轉矩逐漸下降，當電動機輸出轉矩在1.3 s時，電動機轉矩由0 Nm升至125 Nm之后，趨于穩定，發電機輸出轉矩由6.5 Nm降至0 Nm，完成模式切換過程，此時車輛轉變為由MG2單獨驅動;由圖4可以看出，發電機和電動機轉速均逐漸增加;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較高，對整車的沖擊度控制在合理范圍內。

3.2 電機MG2至雙電機驅動模式切換

在純電動模式下，電機MG2切換至雙電機驅動時將模式切換瞬間的電機轉矩、轉速和車速作為車輛模式切換仿真的初始條件輸入模型，發電機和電動機輸出轉矩如圖6所示，發電機和電動機輸出轉速如圖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，電動機輸出轉矩初始值為170 Nm，在1.3 s時降至160 Nm，發電機輸出轉矩值由0 Nm升至14 Nm;由圖7可以看出，發電機與電動機的轉速均逐漸增加。

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，且產生的沖擊對車輛的影響較小。

3.3 發動機MG1和MG2至電機MG1和MG2驅動模式切換

將車輛由發動機MG1和MG2驅動至電機MG1和MG2，驅動模式切換瞬間的電機轉矩、轉速和車速作為車輛模式切換仿真的初始條件，發電機和電動機輸出轉矩如圖9所示，發電機和電動機輸出轉速如圖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，發動機、發電機和電動機初始輸出轉矩值分別為40 ，39 ，67 Nm，在1.3 s左右時，發動機輸出轉矩降至0 Nm，發電機輸出轉矩升至94 Nm，電動機輸出轉矩升至85 Nm;由圖10可以看出，發動機轉速降至零停止工作，MG1和MG2轉速均逐漸增加，此時車輛由雙電機驅動;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。

3.4 電機MG2至電機MG1驅動模式切換

在純電動單電機驅動模式下，當電機MG2切換至電機MG1時，以切換瞬間的電機轉矩、轉速和車速作為模式切換仿真的初始條件輸入模型，發電機和電動機輸出轉矩如圖12所示，發電機和電動機輸出轉速如圖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，電動機輸出轉矩由140 Nm降至0 Nm，發電機輸出轉矩由0 Nm升至23 Nm;由圖13可以看出，MG1和MG2的轉速均逐漸增加。

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。

4 結束語

本文介紹了一種新型插電式混合動力系統，根據新型混合動力系統原理圖，建立了車輛動力模式切換的AMESim仿真模型，利用進行標準循環工況過程中動力模式切換瞬間的發動機、發電機和電動機的輸出轉矩、轉速及車速數據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，能夠實現高品質的動力模式切換。該研究能夠高品質的實現多種動力模式的控制與切換，對以后混合動力系統的開發具有參考意義。

參考文獻：

[1] 姜順明， 周柯. 插電式混合動力汽車預測控制策略的研究[J]. 機電工程， 2017， 34（1）： 8893.

[2] 王慶年， 段本明， 王鵬宇， 等. 插電式混合動力汽車動力傳動系參數優化[J]. 吉林大學學報： 工學版， 2017， 47（1）： 17.

[3] Salmasi F R. Control strategies for hybrid electric vehicles： evolution， classification， comparisonand future trends [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2007， 56（5）： 23932404.

[4] Wirasingha S G， Emadi A. Classification and review of control strategies for plug—in hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2011， 60（1）： 111122.

[5] Chau K T， Wong Y S. Overview of power management in hybrid electric vehicles[J]. Energy Conversion and Management， 2002， 43（15）： 19531968.

[6] Mansour C， Clodic D. Optimized energy manage ment contr01 for the toyota hybrid system using dynamic programming on a predicted route with short computation time[J]. International Journal of Auto motive Technology， 2012， 13（2）： 309324.

[7] Minh V T， Rashid A A. Modeling and model predictive control for hybrid electric vehicles[J]. International Journal of Automotive Technology， 2012， 13（3）： 477485.

[8] Koprubasi K， Westervelt E R， Rizzoni G. Toward the systematic design of controllers for smooth hybrid electric vehicle mode changes[C]∥American Control Conference， New Tork， IEEE， 2007： 29852990.

[9] 王慶年， 冀爾聰， 王偉華. 并聯混合動力汽車模式切換過程的協調控制[J]. 吉林大學學報： 工學版， 2008， 38（1）： I6.

[10] 趙治國， 何寧， 朱陽， 等. 四輪驅動混合動力轎車驅動模式切換控制[J]. 機械工程學報， 2011， 47（4）： 100109

[11] 杜波， 秦大同， 段志輝， 等. 新型并聯式混合動力汽車模式切換協調控制[J]. 中國機械工程， 2012. 23（6）： 739744.

[12] 王偉華， 王文楷， 馮博， 等. 并聯式混合動力汽車驅動模式切換協調控制方法[J]. 交通運輸工程學報， 2017， 17（2）： 9097.

[13] 童毅， 歐陽明高， 張俊智. 并聯式混合動力汽車控制算法的實時仿真研究[J]. 機械工程學報， 2003， 39（10）： 158160.

[14] Roy I D， Robert D L. Engine torque ripple cancellation with an integrated starter alternator in a hybrid electric vehicle： implementation and contr01[J]. IEEE Transaction on Industry Application， 2003， 39（6）： 20162018.

[15] 王永俊. 單電機強混合動力汽車驅動模式切換的動態協調控制策略[D]. 重慶： 重慶大學， 2014.

[16] 羅玉濤， 王敷玟. 機電無級傳動混合動力驅動系統的模式切換協調控制[J]. 汽車工程， 2015（5）： 526532.

[17] 王磊. 一種混聯式混合動力客車能量管理及模式切換協調控制研究 [D]. 上海： 上海交通大學， 2013.

[18] 童毅. 并聯式混合動力系統動態協調控制問題的研究[D]. 北京： 清華大學， 2004.

[19] 孔慧芳， 王瑞， 鮑偉. 混合動力汽車EH模式切換中扭矩協調控制策略研究[J]. 合肥工業大學學報： 自然科學版， 2017， 40（3）： 290294.

[20] 汪東坪. 深度混合動力汽車整車系統控制技術研究[D]. 南京： 南京航空航天大學， 2013.

[21] 顏伏伍， 潘慶慶， 杜常清. 并聯混合動力汽車從純電動切換至發動機驅動的控制研究[J]. 汽車技術， 2009（1）： 3034.

[22] 胡明輝， 陳爽， 曾劍峰. 雙電機耦合系統驅動模式切換控制策略研究[J]. 機械工程學報， 2017， 53（14）： 5967.