混動(dòng)車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要考慮涉及在性能和成本之間平衡的不同需求以及開發(fā)成熟的控制策略。其挑戰(zhàn)包括動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)的選擇、零部件如電機(jī)的選型以及整車性能的整體優(yōu)化等以保證在較寬范圍的駕駛行為和運(yùn)行模式下均能提供良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

系統(tǒng)仿真是一種非常好的手段在設(shè)計(jì)前期幫助評估系統(tǒng)性能、零部件選型以及優(yōu)化控制策略。本文以一種可在多模式運(yùn)行的混動(dòng)車為例，闡述如何運(yùn)用 Simulink 建立整車動(dòng)力系統(tǒng)模型并對零部件參數(shù)和控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

多模混動(dòng)車

該混動(dòng)車的原型為雅閣 2014 版插電式混動(dòng)車，根據(jù)不同工況下可運(yùn)行于以下三種模式：

純電模式

串混模式

發(fā)動(dòng)機(jī)模式

能量管理策略

能量管理策略需要確保電池能量保持在安全限值之內(nèi)，可在電池充電和放電模式之間切換。進(jìn)入放電模式的條件包括最小初始荷電狀態(tài)（SOC）和對電池能量的需求上限，當(dāng)兩者之一有不滿足時(shí)進(jìn)入充電模式。

充電模式可以進(jìn)一步劃分為純電、混動(dòng)和發(fā)動(dòng)三種模式，在扭矩需求 Fd 和當(dāng)前車速 Fd 組成的坐標(biāo)系上通過 α, β, γ, k, ψ 五個(gè)參數(shù)建立的控制策略的劃分為下圖所示的運(yùn)行區(qū)間。

其中：

Ψ為從純電模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)模式的臨界車速

k為從發(fā)動(dòng)機(jī)模式的上限扭矩

α, β, γ三個(gè)參數(shù)定義的雙曲線切分了純電模式和混動(dòng)模式

整車系統(tǒng)建模

構(gòu)建完整的混動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)模型通常有較高的技術(shù)門檻，需要掌握發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)系、制動(dòng)系、車身和輪胎動(dòng)力學(xué)、電機(jī)、電池等不同專業(yè)領(lǐng)域的知識建立各部件模型，以及相應(yīng)部件系統(tǒng)的控制策略和駕駛循環(huán)、駕駛員模型、環(huán)境模型等。

MathWorks 自 2016b 版本起推出的動(dòng)力總成工具箱（Powertrain Blockset）大大降低了這一門檻，除了以上所說的各部件系統(tǒng)和控制策略模型，還提供包括混動(dòng)車在內(nèi)的整車架構(gòu)模板，用戶在此基礎(chǔ)上可以最快速度搭建整車系統(tǒng)模型。動(dòng)力總成工具箱提供的模型均為白盒模型，亦方便用戶了替換和修改。

仿真優(yōu)化

我們以燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化為目標(biāo)，評價(jià)指標(biāo)為最大化每加侖行使英里數(shù)（MPGe），采用的行使工況為 FTP75 和 HWFET，加權(quán)指數(shù)分別為 0.55 和 0.45。選取的優(yōu)化參數(shù)除了上文提到的能量管理策略中的多模式切換 α, β, γ, k, ψ 外， 還有傳動(dòng)系的后橋主減速比 kl。

Simulink 設(shè)計(jì)優(yōu)化工具箱可以配置優(yōu)化參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，并自動(dòng)進(jìn)行迭代優(yōu)化過程。仿真優(yōu)化是典型的任務(wù)解耦過程，利用并行計(jì)算工具箱將任務(wù)分配到多核處理器同時(shí)進(jìn)行可以大大縮短仿真優(yōu)化時(shí)間。

設(shè)置設(shè)計(jì)要求

設(shè)置優(yōu)化參數(shù)

優(yōu)化結(jié)果

在普通的筆記本電腦上經(jīng)過若干小時(shí)的仿真優(yōu)化后燃油經(jīng)濟(jì)性得到了 2% 的提升，同時(shí)得到了新的控制策略參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)（如主減速比從起始數(shù)值 3.42 到優(yōu)化后的新數(shù)值 2.92）可為后續(xù)的控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)部件選型提供了重要參考。