2.1 混合动力系统关键部件建模

2.1.1 整车动力传动系统与基本参数

本章节所研究的插电式混合动力系统总体结构如图 2.1 所示。动力源为发动机和ISG（Integrated Starter and Generator）电机，在结构形式上属于并联式插电式混合动力系统。发动机与ISG电机采用同轴布置实现转矩的耦合，电机布置在变速器前端，采用双离合器自动变速器对动力源进行调速和增加转矩。ISG电机可以工作于电动机模式或发电机模式，作为电动机时可以输出转矩直接驱动车辆或者辅助发动机驱动，作为发电机时可以将机械能转化为电能，实现再生制动模式或行车充电模式。发动机和ISG电机之间设置主离合器，通过主离合器结合与分离的调节实现各个驱动模式的切换，所研究的插电式混合动力汽车的整车参数以及动力系统关键部件的性能参数见表 2.1。

2.1.2 发动机建模

发动机建模主要有基于理论建模和基于实验数据建模，由于发动机是一个非线性、时变复杂的系统，要建立精确的理论模型需要通过数学公式模拟发动机的真实工作过程从而得到在不同工况下的输出，需要考虑的影响因素繁多，理论模型更侧重于发动机动态输出特性研究。本节侧重于插电式混合动力系统的能量管理策略，并未考虑发动机的动态特性，因此采用实验建模法。发动机数值模型采用发动机稳态试验数据通过数据插值建立而成，将其简化成二维数表模型，分别建立相应的数据矩阵，以查表的方式求得发动机输出量，由此得到发动机燃油消耗率及效率。

发动机效率模型对于分析插电式混合动力汽车系统效率，制订各个工作模式的切换规律和换挡规律具有重要意义。发动机的效率模型是通过燃油消耗率计算获得。

式中， η _eng 为发动机效率； b _eng 为发动机燃油消耗率［g／（kW·h）］； E 为汽油热值常数（一般取 46 000 kJ／ kg）。

2.1.3 电动机建模

混合动力系统采用ISG电机作为驱动电机，在车辆需要电机驱动时ISG电机可以作为动力源驱动行驶，同时ISG电机也可以将发动机、制动过程的机械能转化成电能为动力电池充电。根据电机试验采集的相关数据，采用样条插值方法得到电机系统效率、转矩与转速的关系曲面图，如图 2.5（a）所示。利用试验所得的ISG电机每个转速下的最大转矩，再进行插值拟合得到ISG电机的外特性曲线，再根据转速和其对应的最大转矩计算得到ISG电机的最大功率曲线，如图 2.5（b）所示。

2.1.4 动力电池建模

动力电池是插电式混合动力汽车的重要部件，常用的电池模型有两种，即内阻模型（Rint）和阻容模型（RC）。内阻模型将电池组视为一个理想电压源和一个内阻串联的等效电路，而阻容模型则将电池组视为 2 个电容和 3 个电阻组成的电路。仅通过经验公式难以获得电池的精确性能，把电池充放电性能实验和经验公式相结合才能搭建较为精确的电池模型。因此采用内阻模型建立动力电池的等效模型，将电池视为一个电压源与内阻串联的形式，如图 2.6 所示。

对于电池内阻模型，有：

式中， U 为负载电压； E （SOC）为电池的电动势； I 为充放电电流； R （SOC）为电池的充放电内阻。电池输出功率及电流的计算公式为

式中， P _m 为电池输出功率。

其中电池的电动势及内阻主要受到电池温度及SOC的影响，本节忽略温度对电动势及内阻的影响，主要考虑SOC对电动势与内阻的影响。针对电池SOC的计算，采用安时积分法，电池SOC的计算公式为

式中，SOC ₀ 为初始SOC值， Q _b 为电池容量。

根据电池的试验数据，利用样条插值的方法获得动力电池电动势及充放电内阻与SOC的关系，如图 2.7 所示。

联立式（2.3）、式（2.4）可以得到电池组的充放电效率为

式中， η _chr 为电池的充电效率； η _dis 为电池的放电效率； P _b 为电池的功率，充电时小于0，放电时大于 0。

根据式（2.6）、式（2.7）可以计算得到动力电池的效率模型，如图 2.8 所示。