基于Matlab的建模、仿真软件包的

电动及混合动力式汽车设计

摘要：

本文讨论德州农工大学开发的仿真和建模软件包V-ELph 2.01，它通过可视化编程可促进电动式汽车（EV）和混合动力式汽车（HEV）配置和电源管理策略的深入研究。编程时只需创建可用作分层式子系统的组件，这个子系统还与嵌入式系统进行互换。V-ELph的详细模型包括四种主要组件：电动机、内燃机、电池和支持组件，其中支持组件可以集成到建模和仿真传动系统所有电动式、串联混合动力式和并联混合动力式的配置中。使用Matlab / Simulink图形仿真语言写的V-ELph兼容于大多数计算机。

本文还讨论了使用V-ELph软件包设计汽车传动系统的方法。我们使用仿真软件包对电动式、串联混合动力式、并联混合动力式以及常规的内燃机（ICE）驱动的传动系统都进行了设计，并比较讨论了每种汽车的仿真结果，如燃料消耗、尾气排放和复杂性。

关键词：电动式汽车，混合动力式汽车，建模，仿真。

1. 简介

目前，只有电动低排放的混合动力式车辆能满足加州空气监督管理委员会（CARB）所列规定的标准，因为自1998年开始该规定要求汽车尾气排放比例必须极低或为零^[1]。虽然纯电动汽车的能效技术前景光明，可以减少大气污染，但其范围有限，缺乏配套的基础设施，这可能会妨碍其公众接受度^[2]。与常规汽车相比，混合动力式汽车有望提高能效、减少排放，但它们还需要通过利用两个不同能源推进来克服纯电动汽车固有的范围限制，混合动力式汽车可将能量作为石油燃料存储在诸如电池组的储电设备中，并分别通过内燃机（ICE）和电动机将能量转换为机械能。电动机用于提高能效和减少排放，同时内燃机扩展范围。虽然混合动力装置中电源和转换器可以有许多不同的组合，大众普遍接受的两个分类还是串联和并联^[3]。

计算机原型建模前可通过测试配置和电源管理策略来降低混合动力式汽车的花销和设计周期的长度，70年代随着用来大量收集混合动力传动系统性能测试数据的几个原型的发展，人们对混合动力式汽车仿真的兴趣也随之增加^[4]，研究分析混合动力式汽车（HEV）的概念^[5-11]。至今已开发出一些计算机程序来描述混合电动传动系统操作方法，包括：美国能源部爱达荷国家实验室的简单EV仿真（SIMPLEV）法^[12]、美国阿贡国家实验室的MARVEL法^[13]、杜伦大学的JANUS法^[14]、美国能源部国家可再生能源实验室的ADVISOR法^[15]、汽车尾气模拟器^[16]和其他方法^[17,18]。德州农工大学之前开发的一个仿真模型（ELPH）被用来研究电调峰控制方案的可行性，并确定计算机建模对混合动力式汽车设计的适用性^[19]，但基本上限于一个单一汽车架构。Ehsani等人的论文已经对德州农工大学混合动力式汽车设计团队进行的其他项目作了介绍^[20-24]。

V-ELph ^[25,26]是德州农工大学开发的一个系统级建模、仿真和分析软件包，它利用Matlab / Simulink^[27]研究有关EV和HEV的设计问题，如能效、燃油经济性，和尾气排放。V-ELph有利于对电源配置、组件尺寸、电源管理策略及几种混合动力或电动配置或电源管理策略的重要元件参数优化的深入研究，它使用可视编程技术，允许用户快速改变架构、参数，并以图形方式来查看输出数据。它还包括德州农工大学开发的电动机、内燃机和电池组的详细模型。

本文讨论了使用V-ELph软件包设计系统级汽车的方法，我们使用仿真软件包对电动式、串联混合动力式、并联混合动力式以及常规的内燃机（ICE）驱动的传动系统都进行了设计，并比较讨论了每种汽车的仿真结果。

2. 传动系统设计方法研究

多个级别的V-ELph可供使用，用户可以利用他们感兴趣的功能。最基本的级别中，用户可通过选择所提供的电动式、串联混合动力式、并联混合动力式以及常规的内燃机（ICE）驱动的传动系统模型来进行仿真研究，并使用图形绘图工具显示结果。除了能够改变传动周期和汽车运转状况，用户还可以切换汽车模型内外的组件，尝试不同类型的发动机、电动机和电池模型。用户还可以改变车辆特征，例如尺寸、重量、齿轮传动比以及传动系统组件的尺寸。

中间用户可以使用空白汽车传动系统模板创建他/她自己的汽车配置，通过连接主要组件块（传动周期、控制器、电源和汽车动力）来用图形方式表现该传动系统。其中主要使用Simulink可视编程方法，以适当输入输出端口进行连接。开始电源不供电，使用从组件库中选择的组件模型进行设计。组件可以独立进行参数扫描，制作性能图来辅助组件选型。使用创建控制各个系统级组件所需信号的逻辑语句进行控制器模块设计，使用如道路角度、质量等输入参数以及对计算如引擎转速和车速等车辆输出的动态参数很有必要的风阻系数进行汽车动力模块设计。传动周期可以从软件包中选择或创建一个新的。

最后，高级用户可以追求复杂设计目标，比如创建全新的组件模型、通过创建兼容于建模系统接口的附加功能来优化电源。V-ELph允许车辆传动系统使用的不同电动或机械组件互连，甚至还允许实验性技术，例如超级电容器。组件模型可以通过查找表、经验方程以及稳态和动态方程来创建。所有组件模型都使用一般模型和接口创建，组件模型存储在组件库中。仿真研究的执行速度高度依赖于车辆设计中使用的组件模型的复杂性，V-ELph软件包中各种详细组件模型目前都可用，由德州农工大学ELPH研究小组成员基于稳态和动态方程开发和设计。

3. 车辆传动系统设计

本节使用V-ELph软件包对一辆EV驱动汽车、两辆电源控制策略不同的并联HEV驱动汽车、一辆串联HEV驱动汽车和一辆传统内燃机驱动汽车的设计和分析进行了讨论，描述每辆汽车的性能规格、电源控制策略和电源，这些车都是典型的中型家庭轿车。车辆组件尺寸设计为能提供足够电力，维持120公里/小时的平地行驶速度，以及短暂停车后16秒内从0到100公里/小时的加速性能，并且这些汽车还能维持几百秒的高速。通过适当定制ICE、马达、电池及车辆动态模型满足各类车辆设计的特定性能要求。

采用一个简单的加减速行驶周期、一个FTP-75城市行驶周期，联邦高速公路行驶周期和通勤行驶周期对每辆车进行模拟研究，以图形方式表示其中产生的各种性能参数。

A. 传统ICE传动系统设计

传统内燃机传动系统基于Buick LeSabre的1991年模型规范进行设计^[28]，这些车辆的四速自动变速箱建模为离合器手动变速箱，保留了相同的整体齿轮比。这个四门六乘轿车达到10秒内0-60mph的加速度，整备质量为3483磅（1580公斤）。表1展示了传统传动系统设计的引擎和汽车规格。

表1. ICE传动系统规格

B. 并联混合动力式传动系统设计

典型并联设计包括一个ICE和一个配置了转矩的电动机，无论是ICE还是电动机都可根据车辆设计和电源管理策略作为主要能量来源；同时该传动系统还可以使ICE和电动机同时供能。由于电池耗尽或其他车辆需求变化，行驶周期中组件的功能角色可能发生变化。鉴于可选项数量很大及其对汽车特殊性能的影响，并联混合动力式汽车的汽车架构决策、电源控制策略、元件选择和大小设计和传动装置等其他设计参数会变得相当复杂。

ICE模型基于鲍威尔引擎分析设计^[29]，感应电机模型执行传动系统的两个函数：作为发动机提供车轮转矩进行加速；作为发电机在减速（再生制动）时或产生的转矩超过所需时对电池进行再充电。矢量控制被用来扩大发动机的恒定功率区域，使其能够在较宽速度范围内运行。发动机可以提供所需转矩来达到恒定功率阈值；超过此点的操作会被限制，以避免超过电机的额定功率。混合动力式汽车利用矢量控制感应发动机的宽速范围提高了整体系统效率。

电池模型通过当前负载和电池充电状态来确定直流母线电压，电压随着电荷降低或电流增加而趋于下降，低电流时不管是否处于充电状态，电池效率都相当高。

两辆并联HEV传动系统设计使用了不同的电源控制策略——控制策略1和控制策略2。控制策略1使内燃机在恒定燃料节流阀角度运行，目的是通过最大化速度最小化时间。控制策略2使内燃机在其整个速度范围内运行，使用ICE节流阀角度速度函数来满足稳态道路负载。一般原则是电动机在瞬态动作、加速减速时提供推进动力，而ICE在行驶期间提供推进动力。

C. 串联混合动力式传动系统设计

串联混合动力式汽车只有一个能量转换器为车轮提供转矩，其他转换器用于给能量积蓄器（通常是一个电池组）再充电。典型的串联混合动力式汽车设计中，内燃机或发电机对电池进行充电，实际上只有发动机提供推进力。串联混合动力式传动系统包括控制器和电源，基于Hochgraf的研究^[30]进行设计。由156 V直流电池组供电的矢量控制感应发动机提供推进力，此外，还包括一个ICE驱动的感应发电机辅助动力装置（APU）。感应发动机所要求的电流超过75 A的阈值时由APU供电。局部控制器负责以下任务：

bull;根据行驶周期要求向感应发动机要求转矩（正或负）；

bull;打开/关闭APU。

APU打开时，ICE在其最佳运行速度运行，感应发电机为电池充电；APU关闭时，ICE空闲。因此，APU负责降低电池组的消耗，尤其是在加速阶段。ICE控制基于最佳的'恒定节流战略'。

串联混合动力系统的控制策略不需要和并联混合动力系统一样复杂，因为它只有一个转矩。本文所讨论的序列设计使用到经典比例、积分和微分（PID）控制器^[31]。

D. 电动式传动系统设计

电动式汽车所有机载系统由电池和电动机提供动力。EV要求的所有转矩仅由一个240V直流电矢量控制感应电动机供电，控制器是否向感应电动机要求转矩（正或负）取决于车辆为满足行驶周期速度而要求的转矩；加速和行驶期间要求正功率，减速阶段要求负功率。电动机模式下感应电动机由电池组件（放电）供电，发电机模式下感应电动机为电池组件（充电）供电。感应电动机和电池组的尺寸满足峰值功率要求。

4.仿真研究

为了说明新型车辆的性能潜力，使用了V-ELph软件包进行设计。由于引擎模型和发动机模型的一组物理组件没有进行微调，模拟结果有一定的误差。因此我们设计了一辆传统内燃机驱动的汽车作为基准车辆，以便对照解释新型车辆的性能，而不仅仅拘泥于模拟结果。

各种车辆传动系统的设计应用了四个行驶周期，第一个逐渐加速至120公里/小时行驶，然后减速至停车，如图2所示。第二、三个分别包括FTP-75城市行驶周期和联邦公路行驶周期^[32]，如图3、4所示。第四个是通勤行驶周期，如图5所示。

时间（秒）

速度（公里/小时）

图2. 加速、行驶和减速的行驶周期。

时间（秒）

速度（公里/小时）

图3. 行驶周期2——FTP-75城市行驶周期

时间（秒）

速度（公里/小时）

图4. 行驶周期3——联邦公路行驶周期

时间（秒）

速度（公里/小时）

图5. 行驶周期4——通勤行驶周期

V-ELph软件包括提供模拟过程中产生的输出变量的绘图工具，还提供了一种促进电动式和混合动力式汽车传动系统设计研究的机制。

通过评估用于操纵提供动力的组件的系统控制器的复杂性来确定控制复杂性，总化学排放、引擎燃料消耗和电池供电或消耗量都要进行研究。电源负值表示电源耗尽，正值则表示供电到电池组Ramachandra于1975年^[33]提出的复杂方程在V-Elph软件包中得到应用，用来计算排放量。燃料消耗等于行驶期间总行驶距离除以总消耗燃料，燃料消耗率基于鲍威尔^[

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