摘 要

随着全球石油资源递减、大气污染及温室效应的威胁迫近，国内外汽车行业以节能、环保、可持续为终极目标不断研发新技术。而以低油耗、低排放、续航强和生产成本较低的混合动力汽车作为过渡产品，受到市场的青睐。本文将以某并联式混合动力重型卡车为对象，对动力系统各部件进行参数匹配，并通过AMEsim软件搭建整车能量模型，基于Matlab软件建立了控制模型，设计了并联混合动力重型卡车在行驶过程中的控制策略，最后通过仿真结果对卡车动力性和经济性进行了仿真分析，仿真结果表明整车的动力性、经济性符合预设指标，发动机和电机能保持运行在最佳工作区，所设计的控制策略能较好的实现不同工况下工作模式切换以及发动机、驱动电机功率分配。

关键词：混合动力汽车；重型卡车；控制策略；建模仿真

Abstract

With the threat of global oil resources decline, air pollution and the greenhouse effect approaching, the domestic and international automotive industry continues to develop new technologies with the ultimate goal of energy conservation, environmental protection and sustainability. Hybrid vehicles with low fuel consumption, low emissions, long battery life and low production costs are favored by the market as a transitional product. In this paper, a parallel hybrid heavy-duty truck will be used to match the parameters of the power system components, and the vehicle energy model will be built by AMEsim software. The control model is built based on Matlab software, and the parallel hybrid heavy truck is designed. In the control strategy, the simulation results of the truck's power and economy are simulated. The simulation results show that the power and economy of the vehicle meet the preset indicators, and the engine and motor can keep running in the best working area. The designed control strategy can better realize the work mode switching and the power distribution of the engine and drive motor under different working conditions.

Key Words：hybrid car; Heavy duty truck;Control Strategy; Modeling simulation

目录

摘要 1

Abstract 1

第1章绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 2

1.3研究内容 3

1.4拟采用的技术方案 3

第2章 动力系统设计 5

2.1并联式混合动力汽车概述 5

2.1.1并联式混合动力汽车动力系统结构 5

2.1.2并联式混合动力汽车结构优点 5

2.1.3并联式混合动力汽车工作模式 6

2.2动力系统参数匹配 6

2.2.1整车参数 6

2.2.2发动机参数设计 7

2.2.3电机参数设计 9

2.2.3 电池参数设计 11

2.2.4 传动系参数 13

2.3本章小结 13

第3章控制策略设计 14

3.1控制策略选取 14

3.2控制策略实现目标 14

3.3工作模式切换 15

3.3.1卡车制动模式控制策略 15

3.3.2卡车行驶模式控制策略 16

3.4能量分析确定控制策略 16

3.4.1SOC控制策略 17

3.4.2发动机特性确定 17

3.5本章小结 19

第4章 系统建模及仿真研究 20

4.1仿真软件AMEsim 20

4.1.1AMEsim简介 20

4.1.2AMEsim操作步骤 20

4.2基于AMEsim建立整车模型 20

4.3整车动力性分析 21

4.4整车经济性分析 25

4.5仿真结果分析 29

4.6本章小结 30

第5章总结 31

参考文献 32

致谢 34

第1章绪论

1.1目的及意义

2003年以来，新能源技术不断取得突破，混合动力市场份额占比逐渐增大，在节油率与成本控制以及排放方面取得了进步，并得到市场良好的反响。但混合动力车设计方面的许多问题也不容忽视，既有来自国家政策的挑战，比如近年越来越严格的燃油经济性、排放要求，也有技术方面的问题，如电力电子、电池和其他主要组成部件的技术发展限制。重型卡车主要负责公路运输，需要在复杂的公路环境、天气条件下行驶，而混合动力汽车的动力系统采用发动机与驱动电机共同驱动，多种工作模式了满足重型卡车性能需求。相对于乘用车，国内混合动力重型卡车发展较晚，仍属于起步阶段。虽然在开发过程中，理论设计和相关技术可借鉴混合动力乘用汽车开发经验，但不同的运载力与市场地位决定了研发新模型系统的需求。而在综合考虑节能效果、成本以及结构更改难易程度等各种因素后，并联混合动力构型（发动机和电动机通过动力耦合装置同时与驱动轴相接）最为适合重型卡车的设计需求。在整体系统性能分析、制造生产计算到新的设计制造和劳务成本的过程中，建模仿真发挥着关键作用。本文将通过AMEsim软件建立整车模型、Matlab软件建立控制模型，阐述并联混合动力重型卡车在行驶过程中的控制策略，并提出可行方案。

1.2国内外研究现状

对于并联混合动力技术，国内外的相关研究很多。在国外，混合动力技术在2003~2007年被各大汽车制造商引进。在欧美车企把新技术突破点点放在氢动力或传统发动机技术时，日本车企更为现实的将目光投向混合动力这一过渡技术，并在今天成为了混合动力车领域的领跑者。如丰田、本田汽车公司，近几年不断更新自己的混合动力车产品，走在技术前沿。

而国内混合动力技术虽然起步较晚，但作为“弯道超车”的捷径，得到了国家政府的大力支持。诸如《汽车产业发展政策》、 《“十一五”汽车产业发展规划》等政策纷纷出台，大大加快了我国混合动力技术的发展。在政府的鼓励支持下，各大车企加大了混合动力汽车的研发力度，而混合动力技术在商用车方面的应用目前主要集中在混合动力客车上，既满足了国情需要，也为混合动力技术的实际应用积累了经验。而混合动力技术在客车上的成功应用，也为设计新型并联混合动力重型卡车打下基础，此举无疑具有重要的战略意义和广大的发展空间。

1.2.1国内研究现状

杨超^[1]等人于2016年介绍了一种新型混合动力的控制策略，利用鲁棒离合器完成发动机、驱动电机的转矩分配，以驱动电机转速为判定模式切换的控制策略。王伟华^[2]等人于2017年，基于混合动力汽车在不同模式切换下动力系频域变换特性，提出根据车轮转速差实现工作模式转换，实现电机快速准确补偿发动机所缺转矩。翟文豪、牛礼民^[3]于2017年通过分析混合动力汽车动力系特性，提出通过优化动力耦合装置来提高能量利用率，对传动比、特征参数及齿数匹配进行了重新设计。邱先文^[4]于2017年对混合动力电动汽车的概念进行介绍，说明了混合动力的几种分类及对应特点，针对国内外各车企混合动力电动汽车的发展提出未来发展的方向。赵建华^[5]等人于2017年介绍了一种新型并联式机电耦合结构，将驱动电机与变速器进行合成，精简了动力系统结构，并通过仿真进行动力性、经济性结果分析。张志文^[6]等人于2018年研究了逻辑门限值控制策略，并提出其存在的问题，并利用模糊逻辑控制策略建立整车模型，通过仿真结果比较，得出模糊逻辑控制策略对优化算法的必要性。张文博^[7]等人于2018年提出了多种混合动力重型卡车的构型思路，并从控制策略、模型搭建方面给出了仿真建议。耿丽珍^[8]等人于2019年介绍了一种专用的混合动力传动系统构型，并对该构型进行了关键零部件的匹配计算、参数的确定及仿真软件对匹配结果的校核计算。

1.2.2国外研究现状

Ehsani^[14]等人在2010年利用数学方程，完成了多种车型的参数匹配、控制策略、建模仿真。Vural^[15]等人于2014年创新使用遗传算法，建立车辆动力系控制模型，对发动机、驱动电机实现转矩分配。Moghbeli^[16]等人在2014提出了基于模糊逻辑的控制策略，解决了混合动力汽车动态模拟问题，优化了系统能量分配。Mustafa^[17]等人于2015年在模糊逻辑控制策略的基础算法上，添加遗传算法、粒子群算法等新型算法进行二次规划，实现了全局最优控制。Abdelsalam^[18]等人基于车速变化、发动机MAP、电池SOC的MAP图，搭建基于逻辑的门限值控制策略仿真模型，实现全局优化并得出有效结果。John M.Miller[^19]从整车、动力驱动系统到零部件对混合动力汽车的使用性能、结构特点、设计方法、试验与验证等进行了详实的论述，并通过大量实例说明当今混合动力汽车的最新技术和设计方法。Jimmy Kapadia^[20]等人研究了并联式以及串联式混合模式动力耦合方式，对比不同方案之间设计上的差异和彼此的优缺点，并考虑动力系部件的参数匹配，包括关键组件的大小，最终针对车辆性能和标准化成本比较了这两种方法。

1.3研究内容

本文的主要研究内容如下：

（1）基于matlab建立整车控制策略模型

调查市场上各型号重型卡车及其主要参数，确定参考车型为东风某卡车。根据并联式混合动力卡车的工作模式，确定所建立的控制策略需要实现的功能，再通过实验得到发动机MAP、电池SOC的MAP，完成基于规则的逻辑门限值控制策略。

（2）基于AMEsim建立整车模型

混合动力重型卡车模型包括整车动力学建模、车轮能量建模、机械传动系统建模、发动机模块、驱动电机模块、动力电池模块等，通过相关参数分别建立能量方程，实现AEMsim对整车能量管理策略的仿真。

（3）进行整车的经济性和动力性仿真策略　

建立模型之后，对整车的经济性与动力性进行仿真，研究比较如：行驶工况的选择, 发动机工作效率对比分析, 动力电池SOC值变化曲线对比分析，动力性能及经济性对比分析等相关数据。

1.4拟采用的技术方案

步骤如下：

（1）查找并阅读相关文献资料，对并联混合动力重型卡车控制策略建模仿真有深入的认识。

（2）研究市场上各品牌的重型卡车，通过查找整车性能参数、相关参数的国家标准，完成整车动力系参数匹配。

（3）根据并联式混合动力卡车的工作模式，确定所建立的控制策略需要实现的功能，再通过实验得到发动机MAP、电池SOC的MAP，完成基于规则的逻辑门限值控制策略设计。

（4）根据设计的并联式混合动力卡车的动力系统结构，基于AMEsim搭建整车能量模型，基于 MATLAB/Sinulink平台搭建整车控制模型。

（5）建立模型之后，对整车的经济性与动力性进行仿真，研究比较如：行驶工况的选择, 发动机工作效率对比分析, 动力电池SOC值变化曲线对比分析，动力性能及传动系统工作效率对比分析，排放性能和燃油经济性对比分析。

（6）在得到仿真结果后，进行控制策略的优化，并再一次进行仿真。

（7）总结与整理研究结果，编写研究设计说明书。技术路线图1如下：

图1技术路线图

第2章 动力系统设计

2.1并联式混合动力汽车概述

2.1.1并联式混合动力汽车动力系统结构

本文研究的是对并联式混合动力重型卡车进行建模仿真，卡车的动力系统包括发动机与驱动电机，它们在动力耦合装置的帮助下同时连接驱动轴。动力系统主要包括以下部件：发动机、驱动电机、动力电池、传动系统。并联式结构意味着发动机和电机的组合方式灵活多样，保证了发动机和电机在不同工况下始终处于最佳工作区。其动力总成布置如图2.1所示：

图2.1动力总成布置图

2.1.2并联式混合动力汽车结构优点

相比于串联式混合动力的连接方式，并联式中发动机也可驱动卡车，所以其所需电池组容量较低，减少了动力电池的质量和成本；而更多的驱动模式也为控制策略的优化提供条件，能满足卡车各工况的需求；当卡车高速平稳运行时，发动机可直接以机械方式驱动卡车，避免了能量转换过程中的损失；而当卡车急需功率时，则电机开始工作，补充车辆所需的功率，避免发动机工况恶化，使发动机始终稳定工作在经济区间。相比于混联式混合动力复杂的连接方式，并联式的动力耦合结构更为简单，控制策略及整车布置都较为简单，能有效保证卡车的结构稳定性以及生产成本较低。综上所述，并联式的混合动力连接方式最适合重型卡车的设计需要。

2.1.3并联式混合动力汽车工作模式

根据并联式混合动力卡车的动力系统结构特点，分析发动机与驱动电机的连接方式，可以发现卡车行驶时的不同工作模式。其工作模式可分为四种：发动机单独驱动、驱动电机单独驱动、发动机和电机混合驱动以及制动时能量回收再生四种模式。在EV模式下，车辆在起步、低速等工况下，动力的电池soc值较高，利用动态特性较好的电机单独驱动卡车，能够避免发动机工作在低效、高排放工作区，提高卡车行驶时燃油经济性、降低其排放；发动机单独驱动模式：当车辆以高速平稳状态运行时，发动机一直工作在最佳工作区，卡车的整车燃油经济性好，传动效率高。联合驱动模式：卡车急加速或爬坡状态下对动力性有更高要求，此时电动机作为辅助动力加入，使发动机始终工作在最佳工作区，保证了燃油经济性。制动时能量回收再生模式：在卡车制动过程中，通过控制器将驱动电机转化为发电机模式，将制动消耗的能量回收一部分，并转化为动力电池中的能量，而存储的能量还可继续释放出来驱动卡车行驶，提高了整车能量利用率。

2.2动力系统参数匹配

一辆卡车的动力性与经济性主要取决于动力系统设置，而动力系统设置的基础是动力系统各部件的选型以及参数匹配。只有对各参数完成设置，在此基础上，再进行卡车动力系统结构设计以及整车工作模式切换的控制策略。本章将对所选某型号东风卡车的参数设置进行介绍。

2.2.1整车参数

某并联式混合动力重型卡车基本参数如表2.1所示：

项目制定的整车性能设计目标如表2.2所示：

表2.2 整车性能设计目标

2.2.2发动机参数设计

在并联式混合动力重型卡车的动力系统中，基于卡车行驶需要较高的负载和较长的续航能力，电机无法提供主要能量，所以发动机仍是驱动卡车行驶的主要动力源。在每个工况下发动机几乎都要使用，在卡车平稳行驶时，发动机可起到单独驱动、为行车充电的作用，在卡车加速和爬坡阶段发动机与电动机进行混合驱动等等。

2.2.2.1发动机参数匹配

发动机功率的大小决定了并联式混合动力重卡的动力性和经济性。功率过小容易让整车动力性无法满足要求，只能增加驱动电机输出，而提高电池容量意味着动力系统更高的质量和成本；功率过大意味着更复杂的进排气、散热系统，增加整车布置难度，降低燃油经济性。

发动机的额定功率和最大功率取决于重卡所需最高车速和最高爬坡度。为方便计算，可在初步计算中采用发动机单独驱动模式，计算公式如式2.1、式2.2所示：

1. 设卡车最高车速u，则发动机拥有最大功率：

(2.1)

1. 设爬坡车速u_α，卡车通过30%最大爬坡度，则发动机最大功率：

(2.2)

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