建立混合动力汽车P2模型- MATLAB和Simulink - 卡塔尔世界杯8强比赛直播

构建混合动力电动汽车P2模型

这个示例使用:

Simscape Simscape

混合动力电动汽车(HEV) P2参考应用程序代表了一个完整的混合动力汽车模型，包括内燃机、变速器、电池、电机和相关的动力系统控制算法。使用参考应用程序的硬件在环(HIL)测试，权衡分析，和控制参数优化的HEV P2混合动力。要创建并打开引用应用程序项目的工作副本，请输入

autoblkHevP2Start

缺省情况下，HEV P2参考应用程序配置为:

锂离子电池组
映射的电动马达
映射火花点火(SI)发动机

这张图显示了动力系统的配置。

该表描述了参考应用程序中的块和子系统，指出哪些子系统包含变量。为了实现模型变量，参考应用程序使用变量子系统。

参考应用程序元素	描述	变体
分析电力和能源	双击分析电力和能源打开一个实时脚本。运行该脚本在组件和系统级评估和报告功率和能源消耗。有关实时脚本的更多信息，请参见分析电力和能源．	NA
驱动循环来源block - FTP75(2474秒)	生成标准或用户指定的驱动器周期速度与时间配置文件。块输出是选定的或指定的车辆纵向速度。	✓
`环境`子系统	创建环境变量，包括道路等级、风速、大气温度和压力。
`纵向驱动程序`子系统	使用纵向驱动程序或开环变体，以生成标准化加速和制动命令。纵向驱动程序Variant实现了一个使用车辆目标速度和参考速度的驾驶员模型。开环变体允许您配置加速，减速，齿轮和离合器命令与恒定或基于信号的输入。	✓
`控制器`子系统	实现动力总成控制模块(PCM)，包含P2混合控制模块(HCM)、发动机控制模块(ECM)和传动控制模块(TCM)。	✓
`乘用车`子系统	实现一种混合动力乘用车，它包含动力传动系统、电动装置和发动机子系统。要建模传动系统，使用切换到Simscape传动系统按钮，在Simscape™和动力传动子系统的Powertrain Blockset™变体之间切换。默认情况下，参考应用程序使用Powertrain Blockset变体。Simscape变体结合了物理连接，以提供一种灵活的方式组装组件。	✓
`可视化`子系统	显示车辆级别的性能、电池充电状态(SOC)、燃油经济性和排放结果，这对动力总成匹配和组件选择分析非常有用。

评估和报告电力和能源

双击分析电力和能源打开一个实时脚本。运行该脚本在组件和系统级评估和报告功率和能源消耗。有关实时脚本的更多信息，请参见分析电力和能源．

该脚本提供了:

一个可以导出到Excel的整体能源总结^®电子表格。
发动机工厂、发电厂和传动系统工厂的效率，包括在不同发动机工厂效率花费的时间的发动机直方图。
数据日志记录，以便您可以使用仿真数据检查器分析动力系统效率和能量传输信号。

驱动循环来源

的驱动循环来源块为选定的或指定的驾驶周期生成目标车辆速度。参考应用程序有这些选项。

时机	变体	描述
输出样本的时间	`连续`(默认)	连续操作命令
输出样本的时间	`离散`	离散操作命令

纵向驱动程序

的纵向驱动程序子系统生成标准化的加速和制动命令。参考应用程序具有这些变体。

块变异			描述
纵向驱动(默认)	控制	`映射`	PI控制跟踪发条和前馈增益是一个功能的车辆速度。
		`预测`	最佳单点预览(向前看)控制。
		`标量`	比例积分(PI)控制跟踪发条和前馈增益。
	低通滤波器(LPF)	`通滤波器`	使用LPF的目标速度误差平滑驾驶。
	低通滤波器(LPF)	`通过`	不要在速度误差上使用滤镜。
	转变	`基本`	Stateflow^®图表模型倒车，空挡和驱动换挡调度。
		`外部`	输入档位、车辆状态和速度反馈生成加速和制动命令，以跟踪车辆前进和后退的运动。
		`没有一个`	不传播。
		`计划`	状态流图模型倒车、空挡、停车和n速换挡调度。
开环			开环控制子系统。在子系统中，您可以使用恒定或基于信号的输入配置加速、减速、齿轮和离合器命令。

要在一个驱动周期的开始怠速发动机和模拟催化剂点燃前移动车辆与踏板命令，使用纵向驱动器变体。纵向驱动子系统包括点火开关信号剖面，IgSw．发动机控制器使用点火开关信号启动发动机和催化剂点火计时器。

催化剂点火计时器覆盖发动机停止-启动(ESS)停止功能控制，而催化剂点火计时器正在计数。在模拟过程中，之后IgSw下沿时间达到催化剂点燃时间CatLightOffTime，恢复ESS正常操作。如果在仿真到达之前没有转矩命令EngStopTime时，ESS关闭引擎。

控制ESS和催化剂点火:

在纵向驾驶员模型子系统中，设置点火开关剖面IgSw“在”。
在发动机控制器模型工作空间中，设置以下校准参数:
- EngStopStartEnable——使ESS。禁用ESS时，设置为false。
- CatLightOffTime-从发动机启动到催化剂点燃的发动机怠速时间。
- EngStopTime- ESS发动机运行时间后，驾驶员模型扭矩要求截止。

控制器

的控制器子系统有一个包含ECM、HCM和TCM的PCM。控制器有这些变量。

控制器	变体		描述
ECM	`SiEngineController`(默认)		实现了如果控制器
ECM	`CiEngineController`		实现了CI控制器
中医	`TransmissionController`		实现传输控制器
HCM	`最优控制`(默认)	`能源管理系统`	实现了等价消费最小化策略
	`基于规则的控制`	`P2监控`	实现一个动态监控控制器，它确定发动机扭矩、电机扭矩、启动器、离合器和刹车压力命令。
	`基于规则的控制`	`回复制动控制`	在基于规则的控制中实现并行或串联再生制动控制器。

基于规则的控制

HCM实现了一个动态监控控制器，该控制器决定了发动机扭矩、电机扭矩、启动器、离合器和刹车压力命令。具体来说,HCM:

将驾驶员油门踏板信号转换为转矩请求。该算法利用发动机最佳转矩和电机最大转矩曲线计算动力总成总转矩。
将驾驶员刹车踏板信号转换为刹车压力请求。该算法将制动踏板信号乘以最大制动压力。
为牵引电机实现再生制动算法，以从车辆中回收最大数量的动能。
实现虚拟电池管理系统。该算法根据电池荷电状态输出动态放电和充电功率限制。

HCM通过在Stateflow中实现的一组规则和决策逻辑来确定车辆的运行模式。操作模式是电机速度和所需转矩的函数。该算法利用计算得到的功率请求、加速踏板、电池SOC和车辆速度规则在电动汽车(EV)和并行混合动力汽车(HEV)模式之间转换。

模式	描述
电动汽车	牵引电机提供转矩要求。
并联混合动力汽车	发动机和电机分离了功率请求。基于目标电池SOC和可用动能，HEV模式确定了充电持续功率水平。并行式HEV模式将充电维持功率添加到发动机功率命令。为了提供所需的充电持续动力，如果需要充电，牵引电机作为发电机，如果需要放电，作为电机。如果功率要求大于发动机功率，牵引电机提供剩余的功率要求。
静止的	当车辆处于静止状态时，如果电池SOC低于最低SOC值，发动机和发电机可以提供可选充电。

HCM通过一组在Stateflow中实现的规则和决策逻辑来控制电机和发动机。

控制	描述
引擎	决策逻辑决定了发动机的工作模式(关闭、启动、开启)。要在发动机启动(静止)模式下启动发动机，电机关闭离合器1并将变速器置于空挡。当高压电池荷电状态较低时，采用低压启动电机。要在发动机启动(驱动)模式下启动发动机，该模式使用离合器1打开的低压起动电机。为了连接传动系统，发动机控制器匹配发动机和电机的速度并关闭离合器1。在发动机启动(静止)模式下，查找表确定发动机扭矩和发动机转速，为给定的发动机功率请求优化制动燃油消耗(BSFC)。ECM使用最佳发动机扭矩命令。电机控制采用最佳发动机转速指令。在发动机开启(并联HEV)模式下，查找表确定给定发动机功率的发动机扭矩。然而，由于传动系统耦合了发动机和车轮的速度，发动机的模式可能不会以最小BSFC的速度运行。
电动机	基于规则的电源管理算法计算不超过动态功率限制的电机转矩。

控制

描述

引擎

决策逻辑决定了发动机的工作模式(关闭、启动、开启)。
要在发动机启动(静止)模式下启动发动机，电机关闭离合器1并将变速器置于空挡。当高压电池荷电状态较低时，采用低压启动电机。
要在发动机启动(驱动)模式下启动发动机，该模式使用离合器1打开的低压起动电机。为了连接传动系统，发动机控制器匹配发动机和电机的速度并关闭离合器1。
在发动机启动(静止)模式下，查找表确定发动机扭矩和发动机转速，为给定的发动机功率请求优化制动燃油消耗(BSFC)。ECM使用最佳发动机扭矩命令。电机控制采用最佳发动机转速指令。
在发动机开启(并联HEV)模式下，查找表确定给定发动机功率的发动机扭矩。然而，由于传动系统耦合了发动机和车轮的速度，发动机的模式可能不会以最小BSFC的速度运行。

电动机

基于规则的电源管理算法计算不超过动态功率限制的电机转矩。

乘用车

要实现乘用车，则乘用车子系统包括传动系统、动力装置和发动机子系统。要为参考应用程序创建自己的引擎变量，请使用CI和SI引擎项目模板。参考应用程序具有这些变体。

动力传动系统

要建模传动系统，使用切换到Simscape传动系统按钮在Simscape和动力传动子系统的Powertrain Blockset变体之间切换。默认情况下，参考应用程序使用Powertrain Blockset变体。Simscape变体结合了物理连接，以提供一种灵活的方式组装组件。

提示

参考应用程序设置适当的求解器，以优化每个发动机和传动系统组合的性能。首先选择发动机变体，然后使用切换按钮选择传动系统。如果在更换发动机之前选择传动系统，可能会遇到求解器错误。

动力传动系统子系统	变体	描述
微分和遵从性	`全轮驱动`	配置所有车轮、前轮或后轮驱动的传动系统。对于全轮驱动的变体，您可以配置联轴器扭矩的类型。
	`前轮驱动`(默认)
	`后轮驱动`
变矩器自动变速器	`理想的固定齿轮传动`	使用1D或4D(默认)查找表配置锁定和非锁定传输效率。
变矩器自动变速器	`变矩器`	配置为外部锁定、内部锁定(默认)或无锁定。
车辆	`车身纵向1自由度`	配置为1个自由度
轮子和刹车	`纵向轮-前1`	对于轮子，你可以配置类型: 刹车力的计算阻力计算垂直运动为了性能和清晰度，确定每个车轮的纵向力，变量实现纵向轮块。来确定总计所有车轮的纵向力作用在轴上，变种使用一个比例因子乘以一个车轮的力乘以车轮的数量在轴上。通过使用这种方法来计算总力，变量假设前后轴的轮胎滑移和载荷相等，这在纵向动力总成研究中是常见的。如果情况并非如此，例如当摩擦或负载在轴的左右两侧不同时，使用独特的纵向轮块来计算独立的力。然而，使用独特的块来建模每个轮子增加了模型的复杂性和计算成本。
轮子和刹车	`纵向轮-后轮`

发电厂

发电厂子系统	变体	描述
电池	`BattHevP2`	配置锂离子电池和DC-DC转换器
低压起动系统	`StarterSystemP2`	配置低电压启动系统
电动机	`MotMapped`(默认)	映射的电动机与隐式控制器
电动机	`MotDynamic`	内置控制器的永磁同步电机(PMSM)

引擎

引擎子系统	变体	描述
引擎	`SiEngineCore`	动态如果核心引擎与涡轮增压器
	`SiMappedEngine`(默认)	映射SI引擎用隐式涡轮增压器
	`SiEngineCoreNA`	动态自然吸气SI核心发动机

限制

MathWorks^®使用了如果核心引擎而且如果控制器校正混合控制模块(HCM)。如果您使用CI核心引擎而且CI控制器变量，由于HCM没有使用校准结果，模拟可能会出错。

鸣谢

MathWorks感谢Simona Onori博士在此参考应用程序中对ECMS最优控制算法的贡献。Onori博士是斯坦福大学能源工程教授。她的研究兴趣包括汽车和电网级应用储能装置的电化学建模、估计和优化、混合动力和电动汽车建模和控制、PDE建模和排放缓解系统的模型阶数降低和估计。她是IEEE的资深成员^®．

参考文献

A.巴拉兹，E.摩拉，S.皮辛格，城市汽车电动动力系统优化研究．SAE技术文件2011-01-2451。Warrendale, PA: SAE替代动力系统国际期刊，2012。

Onori, S. Serrao, L.和Rizzoni, G.，混合动力电动汽车能源管理系统．纽约:施普林格，2016。

另请参阅