混合动力汽车(HEV)模型的Simscape模型附Matlab代码、Simulink仿真

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🔥 内容介绍

一、模型整体架构设计

混合动力汽车（HEV）Simscape 模型的核心是实现 “发动机 - 电机 - 电池 - 传动系统 - 整车” 的能量流耦合与动态响应仿真。基于 MathWorks Simscape Electrical、Simscape Driveline 与 Simscape Fluids 工具库，模型采用模块化分层架构，分为 “能量源层”“传动控制层”“整车动力学层” 和 “仿真监控层” 四大模块，各模块通过标准化接口（如机械旋转接口、电气端口、信号控制接口）实现数据交互，

1. 模块化复用：各子系统可独立修改与替换（如将串联式 HEV 的动力分配单元替换为并联式结构）；

1. 多物理域耦合：支持电气（电池 / 电机）、机械（传动 / 整车）、热（发动机散热）多域物理效应的协同仿真；

1. 实时性适配：可通过 Simscape Real-Time 工具包部署至硬件在环（HIL）平台，满足控制算法快速验证需求。

二、核心子系统建模方法

（一）能量源层建模

能量源层是 HEV 的动力核心，包含发动机、驱动电机、动力电池三个关键子系统，需重点关注 “动态响应特性” 与 “能量转换效率” 建模。

1. 发动机子系统（基于 Simscape Fluids）

发动机模型需模拟 “节气门开度 - 转速 - 扭矩” 的动态映射关系，以及燃油消耗特性，采用均值发动机模型（Mean Value Engine Model, MVEM） 而非详细缸内燃烧模型（兼顾精度与仿真速度），

关键建模技巧：

• 通过实验数据或发动机台架测试数据（如 WLTC 循环下的扭矩响应曲线）修正 Look-Up Table，提升扭矩预测精度；

• 新增 “发动机启停控制模块”，当车速低于 5 km/h 且电池 SOC>30% 时，触发发动机停机，模拟怠速启停功能。

2. 驱动电机子系统（基于 Simscape Electrical）

采用永磁同步电机（PMSM） 模型（HEV 主流配置），需模拟电机的 “电压 - 电流 - 扭矩 - 转速” 特性，以及逆变器的脉宽调制（PWM）控制效果，核心组件如下：

1. 永磁同步电机模块：

• 路径：Simscape Electrical > Specialized Power Systems > Machines > Permanent Magnet Synchronous Machine

• 关键参数：额定功率 = 60 kW，额定转速 = 12000 rpm，直轴电感 Ld=0.008 H，交轴电感 Lq=0.015 H，永磁磁链 = 0.18 Wb；

• 建模注意：启用 “饱和效应” 选项，模拟高转速下电感变化对扭矩的影响。

1. 逆变器与控制器模块：

• 逆变器：采用 “Three-Phase Voltage Source Inverter” 模块，开关频率 = 10 kHz，死区时间 = 2 μs；

• 控制器：基于 “矢量控制（Field-Oriented Control, FOC）”，包含 “电流环（PI 调节器，带宽 = 100 Hz）” 与 “转速环（PI 调节器，带宽 = 10 Hz）”，通过 Simscape Control Design 工具包自动整定 PI 参数。

1. 电机热效应建模：

• 新增 “电机温度模型”（基于 Simscape Thermal），通过铜损（I²R）与铁损（频率 / 磁通相关）计算发热量，结合散热风扇模型（风量 = 0.2 m³/s），模拟电机温度对电阻与扭矩输出的影响（如温度升至 120℃时，扭矩衰减 10%）。

3. 动力电池子系统（基于 Simscape Electrical）

• 新增 “电池均衡控制模块”，当单体电池电压差超过 50 mV 时，启动被动均衡（通过分流电阻消耗过高电压单体的电量）；

• 关联整车热管理系统，当电池温度低于 0℃或高于 45℃时，触发加热 / 冷却装置（功率 = 2 kW），维持电池工作温度在 25±5℃。

（二）传动控制层建模

传动控制层是 HEV 动力分配的核心，需实现 “发动机 - 电机 - 传动系统” 的扭矩耦合与模式切换（如纯电模式、混动模式、能量回收模式），以并联式 HEV为例，核心子系统包括：

1. 动力分配单元（Power Split Device）

采用 Simscape Driveline 中的 “Planetary Gear（行星齿轮）” 模块实现动力耦合，其传动比与扭矩分配关系如下：

• 太阳轮：连接驱动电机（传动比 i1=1.0）；

• 齿圈：连接发动机（通过离合器控制，传动比 i2=2.5）；

• 行星架：连接变速箱输入轴（输出扭矩 = 太阳轮扭矩 ×i1 + 齿圈扭矩 ×i2）。

模式切换逻辑：

• 纯电模式（EV Mode）：离合器断开，发动机停机，电机通过太阳轮直接驱动行星架；

• 混动模式（HEV Mode）：离合器结合，发动机通过齿圈输入扭矩，电机辅助调节转速，实现 “发动机工作在高效区间（2000-3000 rpm）”；

• 能量回收模式（Regen Mode）：制动时，车轮通过行星架反向驱动电机，电机切换为发电机模式，向电池充电。

2. 变速箱与离合器模型

• 变速箱：采用 “Automatic Transmission” 模块（Simscape Driveline > Transmissions），配置 6 速 AT 传动比（1 档 i=4.5，6 档 i=0.85），模拟换挡冲击（通过换挡时间 = 0.5s 与扭矩补偿控制减少冲击）；

• 离合器：采用 “Friction Clutch” 模块，基于 “离合器压力 - 摩擦扭矩” 特性曲线（压力 = 0.8 MPa 时，最大扭矩 = 250 N・m），结合 PID 控制器实现离合器的平稳结合 / 分离（结合时间 = 0.3s，避免扭矩骤变）。

（三）整车动力学层建模

整车动力学层需模拟 HEV 的行驶阻力、加速性能与制动响应，核心组件基于 Simscape Driveline 与 Simscape Multibody 构建：

1. 车轮与轮胎模型

采用 “Magic Formula 轮胎模型”（Simscape Driveline > Tires > Magic Formula Tire），核心参数基于轮胎规格（如 225/55 R18）设置：

• 垂直载荷：基于车身重量（1800 kg）与轴荷分配（前轴 55%，后轴 45%）计算；

• 侧偏刚度：-20 kN/rad（反映转向时的轮胎侧偏特性）；

• 滚动阻力系数：0.012（匀速行驶时），随车速增加至 0.018（120 km/h 时）。

2. 车身与行驶阻力模型

• 车身动力学：通过 “Body” 模块（Simscape Multibody）定义车身质量、转动惯量（绕 x 轴 = 2000 kg・m²，绕 y 轴 = 5000 kg・m²）；

• 行驶阻力：自定义模块计算 “空气阻力（F_air=0.5×C_d×A×ρ×v²，其中 C_d=0.28，A=2.2 m²，ρ=1.225 kg/m³）”“坡道阻力（F_slope=m×g×sinθ，θ 为坡度角）” 与 “滚动阻力（F_roll=f×m×g×cosθ）”。

3. 制动系统模型

采用 “Hydraulic Brake System” 模块（Simscape Driveline > Brakes），实现 “机械制动 + 能量回收制动” 的协调控制：

• 制动踏板行程与制动压力映射：行程 = 0-100 mm 对应压力 = 0-15 MPa；

• 回收制动优先级：当 SOC<90% 时，优先启用能量回收（最大回收扭矩 = 150 N・m），剩余制动力由机械制动补充；当 SOC≥90% 时，关闭回收制动，仅启用机械制动。

三、模型应用场景

1. 控制算法开发：基于模型快速验证动力分配策略（如规则式、模型预测控制 MPC）的经济性与动力性；

1. 硬件在环（HIL）测试：通过 Simscape Real-Time 部署至 NI PXI 硬件平台，实现 HEV 控制器（VCU）的实时测试；

1. 参数敏感性分析：通过 Simscape Design Optimization 工具包，分析 “发动机 BSFC、电机效率、电池容量” 对整车经济性的影响权重，指导整车参数选型；

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 孙博华.并联式液驱混合动力商用车再生制动与气制动协调稳定性控制研究[D].吉林大学,2014.

[2] 刘艳魏凯.混合动力汽车动力系统建模与仿真[J].计算机仿真, 2022, 39(9):156-160.

[3] 李明勇,靳建波,卜树峰,et al.基于Simscape和RecurDyn的履带车辆动力学仿真技术研究[J].机电产品开发与创新, 2014(5):3.DOI:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.05.027.

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