【仿真报告】基于AMESim 的插电式并联混合动力汽车能量管理策略仿真分析
2022年12月29日 13:56在当今社会能源危机与环境污染的背景下，传统汽车工业受到了一定的冲击。控制汽车尾气排放已经成为了汽车生产厂商以及社会各界迫在眉睫、亟需解决的一项任务[1]。在纯电动汽车由于动力电池技术瓶颈无法在短时间内获得突破及其配套基础设施尚未普及的情况下，混合动力汽车成为当下发展的首选。
插电式混合动力电动汽车是指可以利用电网对动力电池进行充电的混合动力汽车，它集合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，是目前混合动力技术发展的趋势之一[2]。而混合动力汽车的动力系统部件参数与控制策略参数决定了整车的燃油经济性及排放性能，尤其能量管理策略作为混合动力汽车的核心，决定了整车的工作状态及车辆内部的能量分配[3]
本文以某款车型为例，使用AMESim 软件对能量管理策略以及整车模型进行设计和搭建，并对整车的动力性和经济性进行分析，以验证所设计搭建的能量管理策略和整车模型的正确性及可行性。
对于插电式混合动力汽车，其动力系统结构是整车开发的基础，同时能量管理策略也是需要围绕动力系统结构进行设计。目前对于插电式混合动力汽车的动力系统结构主要有三种结构形式：串联式、并联式以及混联式，本文采用目前较为成熟的并联式作为动力系统的结构形式。并联式动力系统主要有内燃机和驱动电机两套驱动系统，其优点是既可以使用内燃机或驱动电机分别单独驱动车辆，也可以同时使用二者驱动车辆，故并联式混合动力汽车驱动形式多样且灵活[2]。其动力系统布置如图1所示。
插电式混合动力汽车在进行动力系统匹配计算的过程中需要考虑到以下几个设计要点：最高车速、最高爬坡度、百公里加速时间、纯电续航里程等。
本文设计的插电式并联混合动力汽车的发动机依然为混合动力汽车的主要动力来源，而且发动机的选择不仅影响着动力性，还关系到汽车的排放性能以及经济性，发动机的功率如果选择太小会造成功率不足而无法达到动力性能的指标。我们选择发动机时首先根据最高车速来初步确定发动机功率，然后再根据最大爬坡度来进一步计算所需发动机的最大功率。
170 km/h最高车速下的发动机所需求的功率[4]：
同时，计算出结果后应将所计算出的发动机最大功率上浮10%~15%，这是因为需要考虑到在汽车正常行驶过程中的电气消耗，以及在混合动力模式下给动力电池充电的影响。
对于驱动电机最大功率的匹配计算主要是根据纯电动模式下的最高车速，混合驱动模式下的最高车速以及根据设计指标要求的加速性能来计算[5]。
考虑到插电式并联混合动力汽车布置难度大，所以本文型选用能量密度高、体积较小的三元锂电池作为并联式混合动力汽车的动力电池。而且近年来高能量密度的三元锂电池占比逐渐提高，成为当前动力电池的主流发展方向[6]。
采用等速法计算汽车达到指标要求续航里程所需能量：
主减速器传动比和变速箱传动比作为汽车传动系传动比的重要参数，在选择计算时需要满足汽车的最大爬坡度指标要求和最高车速要求，并且应使电机工作在高效区。
经过计算和分析，动力系统匹配结果见表2。
AMESim软件是一款多学科领域复杂系统建模仿真软件，其提供了一个系统工程设计的完整平台。其面向工程的应用使得AMESim 成为在汽车、液压和航空工业研发部门的理想选择[2]。
能量管理策略的作用是能合理地动态地协调控制发动机与驱动电机的输出功率流，以获得最优的综合性能[7]。其品质直接影响车辆的动力性、经济性和排放性能[8]。本文采用逻辑门限值的能量管理策略，因为电机拥有低速大扭矩的特点，所以在低速时使用驱动电机驱动汽车行驶，同时在使用发动机时尽量使发动机可以工作在最佳扭矩区域，从而减少油耗提高车辆的经济性。
基于AMESim软件的Signal，Signal & Control库设计及搭建的并联式混合动力汽车能量管理策略拥有四种工作模式。
（1）EV纯电动运行模式。当电池SOC电量充足且目前车速较低时，如果启动发动机，发动机将运行在低经济区，此时离合器打开，发动机停止工作，驾驶员需求扭矩全部由驱动电机提供。
（2） ICE发动机运行模式。此模式将在两种情形下触发：①当前电池SOC值低于限定值下限且车速较低；②当前电池SOC值高于限定值上限但车速较高。此时离合器关闭，发动机正常工作，驱动电机停机，电池SOC值保持不变。同时为了减少发动机启动时的瞬时油耗，当发动机启动时转速低于怠速转速时，驱动电机将会启动帮助发动机尽快提高转速，当发动机转速高于怠速转速后驱动电机停止工作，之后驾驶员需求扭矩全部由发动机提供。
（3）PHEV混合动力运行模式。此模式下，离合器关闭，发动机将启动工作，此时汽车进入混合驱动模式并分为三种运行状态：①驾驶员需求扭矩高于发动机的最佳扭矩，此时发动机输出其最佳扭矩，剩余需求扭矩由驱动电机提供，发动机和驱动电机共同驱动汽车行驶；②驾驶员需求扭矩低于发动机的最佳扭矩，汽车进入行驶充电模式，发动机依然按照最佳扭矩输出，多余扭矩带动驱动电机发电。③当驾驶员输出的加速命令大于0.85 且需求扭矩大于驱动电机最大扭矩时，认为车辆进入急加速或爬坡状态，此时忽略SOC值的判定，驾驶员需求扭矩主要由发动机提供，驱动电机将提供剩余扭矩。
（4） 制动能量回收模式。当驾驶员需求扭矩为负时，汽车进入制动状态，此时驱动电机作为发电机使用，回收制动时多余的能量并给电池充电。
基于门限值的能量管理策略流程图如图2所示。
图2 中，torbrak 为当前行驶所需的制动力矩；V_spd 为当前行驶车速；Acc 为加速命令；tmaxMel为驱动电机最大扭矩；SOCH与SOCL分别为启动关闭混合运行模式的阈值；V_spdH 为脱离纯电动运行模式的车速阈值；sommetorq 为当前行驶需求扭矩；opt_enginetorq为发动机最佳扭矩。PHEV_1 模式为混合驱动模式；PHEV_2 模式为行驶充电模式；PHEV_3模式为急加速或爬坡模式。
本文采用AMESim 软件进行整车建模及仿真分析。
主要使用软件中的IFP Drive 库以及Mechanical库进行建模，使用的主要模型包括：车辆模型、驾驶员模型、发动机模型、电机模型、电池模型、带主减速器的手动变速箱模型、基于Signal&Control 库搭建的能量管理策略（VCU） 模型等。
针对本文所设计的并联式混合动力汽车能量管理策略基于上节所述车辆模型进行验证，首先将动力系统匹配计算结果参数输入相应的模型中，然后对于策略中所提到的部分阈值进行设置，其中V_spdH = 15m/s，SOCH = 80，SOCL = 30。
首先对所设计车型的动力性能进行验证，需要验证的指标有：最高车速，最大爬坡度以及0~100km/h加速时间。
从图3 可以看出，车辆在经过40 s 左右时达到了最大车速172.77 km/h，此过程中加速命令始终为1且需求扭矩大于电机最大扭矩车辆处于PHEV_3模式下，仿真结果满足设计指标；图4 中，道路坡度为35%，挡位限制在第一挡位，车辆在此坡度下可以正常行驶且最高车速达到了40 km/h，满足设计指标；从图5 中可以看出车辆从5 s 开始启动，经过12.2 s 车速达到100 km/h，满足≤13 s的设计指标。
经过分析，本文所设计车型均达到了设计指标中动力性指标的要求。
本文选用NEDC工况对所搭建车辆的经济性进行验证，初始SOC = 29，以验证混合工况下的油耗。
图6 表明所搭建策略和整车模型可以较好的按照控制车速进行驱动，实际车速与控制车速基本吻合。
图7 中可以看出，由于初始SOC = 29 小于允许使用EV纯电动模式的SOC值下限，所以车辆在车速小于15 m/s时处于ICE模式下，此时驱动电机仅在发动机启动时启动帮助发动机尽快提高转速，并在汽车制动时回收多余的制动能量，当车速在NEDC的郊区工况段行驶时，车速大于15 m/s 后车辆切换至PHEV 模式，且根据需求扭矩的不同在PHEV_1 和PHEV_2模式下切换，经过一个NEDC循环电池SOC值提高了大约4.5%。
在一个NEDC循环下的车辆位移为10 961.7 m，图8 中显示耗油为489.25 g，经过计算，在混合驱动模形式下的百公里油耗为5.95 L，满足设计指标中≤6 L的要求。
综上所述，本文基于AMESim 搭建的混合动力汽车整车模型及能量管理策略可行，并且完全符合设计要求。
本文以某款混合动力汽车设计指标作为研究对象，对动力系统进行了匹配计算，之后基于AMESim软件设计了适用于本车型的能量管理策略，搭建了插电式并联混合动力汽车的整车模型，并依据对动力系统匹配计算的结果将参数导入各个子模型中，最后对车辆进行了动力性经济性仿真分析，仿真结果显示完全达到了设计指标要求，验证了本文设计的正确性及可行性。本文对于混合动力汽车的开发提供了一种有效且可靠的方法，同时可以大大缩短了研发周期，减少研发成本。
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