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混合动力汽车建模与仿真
Ivar Roskifte Leikarnes
摘要：本文综述了混合动力电动汽车的各种结构形式，并对其零部件的选择提出了基本的指导原则。为了研究滚动阻力系数和车辆重量对混合动力汽车燃油效率的影响，本文建立了混合动力汽车的仿真模型。虽然该模型并不是针对发动机的最佳运行而设计的，但结果表明，较低的滚动阻力系数和较低的车辆重量会导致油耗降低。报告中提出了对仿真设计的改进建议。
关键词：混合动力汽车，仿真，Simulink，燃油效率
介绍
1.1.历史
1997年，丰田将混合动力电动汽车的概念推广到普锐斯（Prius）上，虽然它实际上是费迪南德bull;保时捷（Ferdinand Porsche）在1900年发明的，但这似乎是一项新发明[1]。Lohner保时捷Semper Vivus是纯电动版Lohner保时捷的升级版，配备了两个3.5马力的发动机，每个发动机都连接到发电机以产生电力。由于当时电池技术落后，纯电动汽车的续航里程有限，电池又大又重。解决这个问题的办法是缩小电池的体积，并实现汽油发电机。然而，直到丰田推出普锐斯（Prius），油电混合动力概念车才在商业上获得成功。如今，丰田汽车公司（Toyota Motor Corporation）的各种混合动力车型累计销量超过700万辆[2]。
1.2.动机
为了改善人口稠密地区的空气质量和减缓全球变暖，在零排放汽车的道路上，混合动力汽车是摆脱传统化石燃料汽车技术的过渡阶段。由于大量全电动汽车的基础设施尚未完善，混合动力汽车可以利用现有的加油站基础设施进行加油。随着石油资源的不断减少，交通运输业的能源需求将不可避免地发生变化。为了争取一些时间，为全电动汽车的大规模进入做准备，通过混合动力技术优化了石油的使用。混合动力汽车将内燃机的使用与电机结合起来，以优化发动机的运行。动力传动系统的设计是将发动机与车辆运行条件隔离，从而使发动机更有效地运行。由于效率的提高，发动机可以缩小，以进一步降低油耗，仍然提供足够的动力。再生制动是混合动力汽车的一个重要特点。与其浪费汽车的动能作为通过制动器散热，电机捕捉能量并将其储存在电池中，从而增加行驶里程并减少制动器的磨损[3]。
1.3.初始项目说明
目的是建立一个（Simulink）仿真模型来模拟混合动力汽车的性能。提供一些有关部件选择和设定的指南，以提高混合动力汽车的燃油效率。有趣的信息可能是燃油效率如何受到以下因素的影响：内燃机的尺寸、传动比的选择、车辆重量、滚动阻力系数、具有单独的起动马达或将发电机用作起动马达。
2.文献综述
2.1.混动程度
混合动力汽车被分为不同的混合动力程度：微型、轻型、全混合动力和插电式。大多数轻混、全混和插电式混合动力车除了辅助车辆驱动外，还具有再生制动功能，而微型混合动力车不具有这些功能。微型混合动力车只具有启动/停止功能，即车辆停止时发动机关闭，松开制动踏板时重新启动。一些微型混合动力车使用集成起动器/发电机（ISG），具有起动机和交流发电机的组合功能。通过将这两个功能组合成一个单元，车辆的整体重量略有减轻。尽管ISG在驱动车辆方面不起作用，但与非混合动力车相比，燃油效率可提高10%。轻度混合动力汽车可以通过加入电动机来辅助车辆推进，从而提高20-25%的燃油效率。全混和插电式混合动力车有动力更强的部件，可用于纯电动操作。全混合动力车和插电式混合动力车的区别在于发动机和电气系统的尺寸和动力。由于插电式混合动力车可以连接到电网充电，因此电力系统更大、动力更强，并且可以利用更小的发动机。插电式混合动力车的燃油效率与非插电式混合动力车相似，约为40-45%，而燃油经济性更好，因为它可以更多地依赖电力[4]。
2.2.动力系统结构
2.2.1串联混合动力
该串联结构类似于电动汽车，增加发动机为发电机提供动力，发电机向蓄电池和/或电动机提供电力，以扩大汽车的行驶范围。由于发动机没有机械连接到驱动轴上，因此可以调整发动机转速和功率，使其在运行时以最佳效率运行。然而，由于所有的发动机输出都转换成电能，串联式混合动力汽车遭受转换损失。
图1 串联混合结构示意图
与其他混合动力车型相比，混合动力系列的动力管理控制系统简单，因为电机功率需求与发动机输出无关。也不需要控制离合器。该系列混合动力传动系统广泛应用于中型到重型城市车辆，如运货卡车和公共汽车，而对于商用车辆，则不是那么受欢迎[5]。
2.2.2并联混合动力
并联结构看起来更像是一个传统的动力传动系统，发动机通过变速器机械地耦合到传动轴上。除了传统的动力传动系统外，还有一个电机通过皮带、链条或离合器系统连接到曲轴或传动轴上。所有三种方案都支持组合式和仅发动机操作，而离合器系统还可以使发动机与传动系分离，从而为纯电动操作提供选择。
与其他至少有两台电机的混合动力汽车类型相比，并联式通常只有一台电机/发电机组（MG）。MG的作用和贡献取决于它的大小。一个相对较小的MG可以用来启动发动机，具有再生功能，并在驱动车辆方面有一定的贡献。较大的MG可以更多地参与再生制动，并可用于驱动车辆本身。
MG不仅有助于扩大范围作为二次电源。它还可以通过改变发动机的工作点来帮助发动机获得更高的燃油效率。由于发动机转速取决于车速，因此发动机的最佳工作点不能像串联式混合动力那样实现。提高的效率来自于通过接合MG来调整发动机的负载。如果发动机的功率需求较低，它将充当发电机来增加负载；如果功率需求较高，它将充当电机来减少负载。这在城市驾驶中被证明是有效的，当发动机帮助车辆从静止状态加速时，会有大量的启动和停止，这是传统动力系统燃油效率低的一点。但是，必须小心控制电源辅助的操作，以避免耗尽电池。
图2 MG连接曲轴的并联混合结构示意图
并联混合动力系统的一个优点是，对传统动力系统的实现只需要稍加修改，而其他结构则是专门为车辆设计的。雷诺Sceacute;nic就是这种混合动力升级的一个例子。一个10kW的48V小型电动机连接到现有动力传动系统的曲轴上，将其转换为轻度混合动力系统[6]。
2.2.3功率分流混合动力
功率分流结构有三种主要配置：输入分流、输出分流和复合分流，其中输入分流最常见[7]。典型的分体式混合动力车使用两个MGs，通过一个或多个行星齿轮组连接到发动机和传动轴[8][9]。发动机和MG1分别连接到行星齿轮的托架和太阳齿轮（图3）。MG2通过不同的行星齿轮连接到传动轴，二级行星齿轮用作减速器。
图3丰田普锐斯2010功率分流结构示意图
功率分流结合了串联和并联构型的特点。MG1用于控制发动机转速，而MG2用于提供满足驾驶员需求所需的剩余功率。通过发动机和MG1与行星齿轮的连接，发动机转速可以独立于车速进行控制。此功能被称为电动连续可变变速器（ECVT），它允许无论车速如何，发动机都能最有效地工作。ECVT消除了对固定齿轮变速器的需求，从而减少了运动部件的数量。由于运动部件较少，这种类型的传输比传统传输更可靠[10]。
由于ECVT的功能，功率分流混合动力车在城市行驶中非常有效。然而，由于两个MGs和发动机直接连接到行星齿轮上，也就是说，两者之间没有任何离合器或锁定机构，因此至少有两个部件在行驶时转动。因此，在电动模式下工作时，MG1需要补偿MG2的转速，以便发动机保持静止。由于缺少锁定机制，功率分割也会遭受转换损耗。发动机运转时，MG1需要作为发电机工作，充当行星齿轮上的锁或制动器，以便将发动机的动力导向车轮。这导致一部分发动机输出在到达终传动之前通过MG1和MG2循环。
2.2.3多模功率分流混合动力
前一节讨论的功率分流结构称为单模功率分流混合。多模式功率分流混合动力车类似于单模式，增加了离合器以锁定齿轮或从传动系上分离发动机或MGs。这使得车辆可以作为串联、并联、功率分流或传统车辆运行。通过在不同的工作模式之间自由选择，它可以获得比其他类型更好的燃油效率。然而，与其它结构相比，多模控制更为复杂。
图4输入分流构型的所有可能离合器位置[11]
工作模式的数量取决于使用的离合器数量，离合器的位置决定了工作模式的功能。图4显示了输入分流构型的所有可能离合器位置。六个离合器分为三对。当一对离合器关闭时，另一个离合器打开，如果第二个离合器关闭，第一个离合器需要打开。这提供了八种不同模式的可能性。然而，只有四种模式是有用的。这四种模式只需使用三个离合器即可实现。在图5（a）中，车辆由MG2单独推动，在（b）中，MG1协助MG2进行纯电动操作。（c）和（d）中离合器的状态分别显示串联和功率分流操作。
图5使用三个离合器的功率分流构型的有用运行模式[11]
多模设计有无数不同的变化。例如，通过引入一个二级行星齿轮，并将设计限制在三个离合器和一个永久连接上，可以通过以下等式给出可能的设计数量：
(1)
其中是可能的离合器对数，是可能选择的永久连接数， 是连接发动机、MG1、MG2和终传动的可能位置数[11]。一些多模混合动力车除了ECVT功能外，在设计中还包含了固定齿轮变速器。
2.3.动力系统部件
本节介绍混合动力系统的不同部件。
2.3.1发动机
大多数HEV在设计中都采用了某种类型的内燃机。汽油发动机是商用混合动力汽车动力系统中与电机一起使用的最常见类型[12]。与其他化石燃料发动机（柴油机）相比，汽油机具有更高的功率重量比和更宽的转速范围。汽油机的效率比柴油机低，消耗更多的燃料，排放更多的二氧化碳（CO2）。尽管柴油的效率更高，但它排放的氮氧化物（NOX）和颗粒物却相当高，对人和动物有害[13][14]。城市车辆以客车、面包车、轻型货车为主，应避免使用柴油机，以减少有害污染的排放。
燃料电池是内燃机的一种很有前途的替代品，因为它们可以从电化学势中产生能量来产生电能[15]。燃料电池不是通过燃烧过程将燃料转化为机械运动，而是将燃料氢和空气中的氧气通过一个膜结合起来。因为这一过程包括氢和氧的结合而不发生任何燃烧，所以唯一的产物是电能和水。由于热量和摩擦损失，内燃机的效率通常较低，而燃料电池的效率相对较高，不依赖于燃烧过程，由固定部件组成。今天，由于成本和现有的基础设施，汽油发动机比燃料电池更便宜，使用更方便。
混合动力汽车动力系统中发动机的选择取决于驾驶性能要求和混合动力水平。由于微型和轻型混合动力车不提供或很少提供电机对车辆推进的帮助，因此发动机的规格必须与同等传统车辆的规格相似，以便在驾驶性能方面达到相同的性能。全混合动力车更多地使用电力，因此发动机可以更小。在非插入式版本中，发动机仍然是主要的能源，需要发动机产生足够的功率，以避免在正常驾驶条件下耗尽电池。对于插入式版本，发动机的选择取决于发动机/电气操作的设置以及电气系统的容量和性能。设计用于类似于非插入式运行的PHEV可使用类似的发动机，而设计用于主要作为电动车辆运行的PHEV可使用相对较小的发动机。
图6丰田普锐斯2010款2RZ-FXE发动机BSFC图[16]
图6显示了丰田普锐斯III所用汽油发动机的万有特性（BSFC）图。红色虚线表示在特定发动机转速下实现最佳燃油效率的工作扭矩。为了实现发动机的最佳效率，变速器系统和MG会改变发动机转速并补偿所需的扭矩。在巡航过程中，扭矩需求低于最佳燃油效率所需的扭矩。MG向发动机施加负载并存储产生的功率。当蓄电池储存足够的能量时，发动机关闭以节省燃油，车辆以电动模式运行。
2.3.2电机
永磁同步电机（PMSM）在混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）中有着广泛的应用。该机型功率重量比高，扭矩大，效率高。如图7所示，效率可达96%。汽油发动机的效率通常在30%到40%之间[17][18]。这使得在汽车上使用电力更为可取。
最大扭矩是在低速时产生的。随着速度的增加，功率增加到最大值，扭矩下降，如图8所示。这些特性非常适合车辆推进，因为最大扭矩需求是在加速过程中，而保持稳定巡航速度所需的扭矩很低。由于这些特性，在应用中不需要传动系统作为牵引电动机。通过选择一个合适的传动比，电机可以在巡航速度下以有效的水平运行，但仍有足够的扭矩可用。
图7丰田普锐斯2010款MG2效率轮廓图[18]
图8转矩和功率曲线[19]
2.3.3逆变器
在混合动力汽车和电动汽车应用中使用的逆变器是一种大功率器件，对电机的运行控制具有重要意义。它具有双向功率流，电机运行时直流变为交流，发电机运行时交流变为直流。逆变器由六个IGBT组成，由高频脉冲宽度调制信号控制，以产生交流波形[20]。为确保电机的最佳使用，混合动力汽车应用中对逆变器的效率要求很高[5]。
图9逆变器[8]
2.3.4电池组
电池组是混合动力系统的重要组成部分，它是电动机的动力源，储存再生制动时从动能中回收的电能。微型混合动力车、轻型混合动力车和全混合动力车的工作电压分别为12-42V、60-200V和gt;200V，其中gt;60V被视为高压<su
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