串联混合动力汽车的建模及硬件在环仿真

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 3.89MB 54 页 15积分

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摘要

随着全球经济的发展，汽车保有量逐年增加，汽车已与人们的日常生活和生

产密不可分。然而，众多燃油汽车排放所造成的环境的日益恶化和石油资源的渐

趋匮乏，使开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。人

们越来越关注其它燃料的汽车和电动汽车的发展。使用电动汽车可实现零污染，

无疑是解决问题的最有效途径。但是，由于电动汽车的关键部件之一的电池其能

量密度、寿命、价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机

汽车相抗衡。在这种环境下，融和内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽

车异军突起，在世界范围内成为新型汽车开发的热点。

本文的主要内容就是在 MATLAB/SIMULINK 环境下分别建立用于纯软件仿

真和硬件在环仿真的串联混合动力汽车模型，包括发动机模型，电动机/发电机模

型，电池模型，车速模型，轮胎模型以及驾驶员模型。HIL 系统引入部分实物，产

生接近真实的工作环境和激励信号，以此替代真实环境或设备。

HIL 提高了仿真的

逼真性，与真实车辆试验结果复合较好。

本文以一辆需要频繁起步停车的城市公交为对象，选择了具有代表性的 ECE

和FTP 道路工况，并利用最具代表性的两种控制策略——恒温控制策略和峰值电

源最大荷电状态控制策略对所建立的串联混合动力汽车模型进行了软件仿真和硬

件在环仿真，从而验证了所建立的汽车模型的合理性。

关键词：汽车模型串联混合动力后向仿真前向仿真硬件在环仿真

ABSTRACT

With the development of global economy, thousands of people own cars, the

vehicles play more and more important role in people's daily life and production.

However, with the deteriorating of the environment and the reducing of oil resources,

developing new vehicles which have low emission and low fuel consumption become

an urgent task of today's automotive industry. There is a growing concern about electric

vehicles. Using electric vehicles can achieve zero pollutions, it undoubtedly is the most

effective way to solve the environmental problem. However, the battery, which is one of

the key components of electric vehicles, has low performance whatever in energy

density, longevity and price, so electric vehicles can not compete with traditional

internal combustion engine vehicles. In this case, the hybrid electric vehicles, which

own integration advantages of internal combustion engine vehicles and electric vehicles,

have sprung up everywhere in the world to become a focus.

The main aim of this paper is to build the series hybrid vehicle model, which

include the engine model, motor/generator model, battery model, speed model, tire

model and driver model, then test the above models using the pure software simulation

and Hardware-in-the-Loop simulation in MATLAB/SIMULINK environment. The HIL

system, like an alternative to real environment or equipment, it can produce incentive

signals and working environment which close to the real working environment. HIL

system improves the simulation of a car system.

In this paper, a city bus data was used in the simulation with the cycle of ECE and

FTP. During the simulation, the model was tested with two control

strategies---“thermostat” and “power follow”, both in software simulation and the

Hardware-in-the-Loop simulation. The simulations give reasonable results, in other

words, the model is reasonable and applicable.

Key Word：Car model，Series hybrid，Forward simulation，

Backward simulation，Hardware-in-the-loop simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................1

§1.1 前言 ....................................................................................................................1

§1.2 混合动力电动汽车概念 ...................................................................................2

§1.2.1 什么是混合动力电动汽车 .....................................................................2

§1.2.2 发展混合动力电动汽车的意义 .............................................................2

§1.2.3 混合动力电动汽车的优点 .....................................................................3

§1.3 混合动力电动汽车的发展历史及国内外发展现状 .......................................3

§1.4 本文主要研究内容 ...........................................................................................6

第二章串联混合动力电动汽车理论基础与结构 .........................................................7

§2.1 车辆的阻力 .......................................................................................................7

§2.1.1 滚动阻力 .................................................................................................7

§2.1.2 空气阻力 .................................................................................................8

§2.1.3 爬坡阻力 .................................................................................................9

§2.2 轮胎与地面间的附着力和最大牵引力 .........................................................10

§2.3 混合动力电驱动系的分类 ..............................................................................11

§2.4 串联式混合动力电驱动系 .............................................................................13

§2.4.1 串联式混合动力电驱动系的构造及运行模式 ...................................13

§2.4.2 串联混合动力电驱动系的发动机/发电机系统 ................................. 15

§2.4.3 串联混合动力电驱动系的蓄电池组 ...................................................16

§2.4.4 串联混合动力电驱动系的电动机和发电机 .......................................17

§2.5 串联式混合动力电驱动系的控制策略 .........................................................18

§2.5.1 峰值电源最大荷电状态控制策略 .......................................................19

§2.5.2 恒温控制策略 .......................................................................................21

§2.6 混合动力汽车车载总线通信 .........................................................................22

§2.6.1 CAN 总线概述 ...................................................................................... 22

§2.6.2 SAEJ1939 通信协议 ............................................................................. 25

§2.7 本章小结 .........................................................................................................26

第三章串联混合动力汽车 HIL 模块建模及 CAN 通讯的建立 ............................... 27

§3.1 Advisor .............................................................................................................27

§3.2 HIL 硬件在环仿真介绍 ..................................................................................27

§3.2.1 BENCH 简介 ......................................................................................... 28

§3.2.2 ECU 简介 ...............................................................................................29

§3.3 串联混合动力汽车建模 .................................................................................29

§3.3.1 前向仿真 ...............................................................................................29

§3.3.2 发动机模型 ...........................................................................................30

§3.3.3 电动机和发电机模型 ...........................................................................31

§3.3.4 电池模型 ...............................................................................................32

§3.3.5 车轮模型 ...............................................................................................33

§3.3.6 车速模型 ...............................................................................................34

§3.3.7 驾驶员模型 ...........................................................................................35

§3.4 CAN 通讯模块 ................................................................................................ 35

§3.5 本章小结 .........................................................................................................36

第四章 HIL 仿真及结果分析 .......................................................................................37

§4.1 仿真参数的设置 .............................................................................................37

§4.1.1 整车参数 ...............................................................................................37

§4.1.2 发动机参数 ...........................................................................................37

§4.1.3 电动机参数/发电机参数 ..................................................................... 38

§4.1.4 蓄电池组参数 .......................................................................................38

§4.2 ECE 循环中 HIL 仿真与 Advisor 仿真比较 ................................................ 38

§4.2.1 用Thermostat 控制策略进行的仿真 .................................................. 39

§4.2.2 用Power Follow 控制策略进行的仿真 .............................................. 40

§4.3 FTP 循环中 HIL 仿真与 Advisor 仿真比较 .................................................. 42

§4.3.1 用Thermostat 控制策略进行的仿真 ................................................... 42

§4.3.2 用Power Follow 控制策略进行的仿真 .............................................. 44

§4.4 本章小结...........................................................................................................................45

第五章总结与展望....................................................................................................................... 46

§5.1 课题工作总结................................................................................................................ 46

§5.2 课题研究展望................................................................................................................ 46

参考文献............................................................................................................................................48

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.................................................... 51

致谢................................................................................................................................................ 52

第一章绪论

§1.1 前言

汽车是现代工业技术发展最重大的成就之一。它在满足人们每天生活流动性

的许多需求上做出了重大贡献。迅速发展的汽车工业，不同于其他工业，它极大

地促使了人类社会由早期社会到高度发展的工业社会的进展。汽车工业和服务于

它的其他工业一起，构成了世界经济的支柱，并雇用了劳动群体最大的份额。然

而，全世界大量汽车的应用，已经产生并正在继续引发严重的环境与人类生存问

题。大气污染，全球变暖，以及地球石油资源的迅速递减，成为当前人们首要关

注的问题

]3[

。

虽然传统内燃机（ICE）车辆提供了良好的运行性能，并利用石油燃料高能量

密度的优点可实现远距离的行驶里程，但是，由于传统 ICE 车辆含有不良的燃油

经济性和污染环境的缺点，其能耗和排放很难再有突破性的改善，它无法满足人

类有效利用自然资源，保护大气环境的客观要求。所以，近十年来，在与交通运

输相关的研究开发领域中，人们致力于发展高效、清洁和安全的运输工具。电动

汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车已被代表性地提议为日后用以替代传统

车辆的运输工具。

配置蓄电池的电动车（EV）具有一些优于传统 ICE 车辆的优点，例如，高能

量效率和零污染环境。但是，由于就汽车的能量容量而言，蓄电池组较低的能量

容量使 EV 性能远不能与 ICE 车辆性能相竞争，尤其明显体现在蓄电池每次充电

所对应的行驶里程性能上，且还需建设大量的充电设施。燃料电池车的电池成本

也居高不下，并且也需建设燃料供给基础设施。由于 EV 和燃料电池车发展的瓶颈

问题，人们将眼光投向了发展混合动力电动汽车(HEV)，HEV 通过内燃机和电机

的有机结合，具备了内燃机汽车加油方便、续驶里程长和纯电动汽车污染少、效

率高的优点，是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。

汽车仿真技术早已成为汽车等复杂控制系统研究的常用手段，它在汽车的开

发和研究中占有重要的地位。在混合动力汽车模型计算机仿真中，可以任意地改

变车辆系统，运行条件及控制逻辑的参数设置，并且仿真过程可以无风险地重复

进行。因此，仿真研究具有控制逻辑设计和控制参数调整方便、控制性能评价全

面、简化试验研究等多种突出优点。

本文建立了串联混合动力电动汽车各主要部件的模型，并在

MATLAB/SIMULINK 环境下用 Advisor 对汽车模型进行了软件仿真，为了提高仿

串联混合动力汽车的建模及硬件在环仿真

真的可信度，本文引入了硬件在环仿真（Hardware-in-the-loop, HIL）。HIL 系统引

入了部分实物，产生了接近真实的工作环境和激励信号，以此替代真实环境或设

备。HIL 提高了仿真的通用性，与真实车辆试验结果符合较好。

§1.2 混合动力电动汽车概念

§1.2.1 什么是混合动力电动汽车

不同于传统的内燃机汽车，混合动力电动汽车采用内燃机为其主要动力源，

并以蓄电池和电动机组成峰值电源，共同驱动汽车。这样既利用了发动机持续工

作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。

§1.2.2 发展混合动力电动汽车的意义

1、环境污染和全球变暖

目前，所有汽车依靠碳氢化合物类燃料的燃烧，以获得其驱动力所必需的能

量，而燃烧生成物则排入大气。生成物除二氧化碳和水外，还含有一定量的氧化

氮化物、一氧化碳和未完全燃烧的碳氢化合物，所有这些生成物对人的健康都是

有毒性的。

全球变暖是“温室效应”的结果，而“温室效应”系由二氧化碳和其他气体

（例如大气中的甲烷）所引发。这些气体截获了由地面反射的日光的红外辅射效

应。因而，在大气中截留了能量，并使之升温。地球温度的升高导致对其生态系

统的破坏，并引发了影响人类的许多自然界的灾难。“温室效应”的主要元凶是二

氧化碳，二氧化碳是碳氢化合物和煤燃烧的生成物。而运输工具对二氧化碳的排

放占有大量的份额。

2、石油资源的稀缺

随着人类对石油资源的无节制的开发，一方面，地下石油新储藏地的发现已

日益困难，而另一方面，石油消耗量则呈现高增涨率。世界范围内石油应用方面

的增量大多数出现在交通运输部门。

综上所述，改进车辆燃油的经济性对石油供应，减少大气污染和缓解温室效

应有着举足轻重的作用。至今为止，最有前途的技术是发展混合动力电动汽车和

燃料电池汽车。混合动力电动汽车采用目前的内燃机为其主要动力源，并以蓄电

池和电机组成峰值电源，它比单独由内燃机提供动力的车辆具有高得多的运行效

率。这一技术的应用科学用于工业化生产的硬件和软件已基本准备就绪。另一方

面，燃料电池车比混合动力电动汽车将有更高的效率和更为清洁，然而，该车仍

处于实验阶段，尚需长时间的解决其相应的技术难题

]12][11][10[

。

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摘要：

摘要随着全球经济的发展，汽车保有量逐年增加，汽车已与人们的日常生活和生产密不可分。然而，众多燃油汽车排放所造成的环境的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。人们越来越关注其它燃料的汽车和电动汽车的发展。使用电动汽车可实现零污染，无疑是解决问题的最有效途径。但是，由于电动汽车的关键部件之一的电池其能量密度、寿命、价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。在这种环境下，融和内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车异军突起，在世界范围内成为新型汽车开发的热点。本文的主要内容就是在MATLAB/SIMULINK环境下分别建...

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