前向式混合动力汽车模型中传动系建模与仿真

!""#$""前向式混合动力汽车模型中传动系建模与仿真!童毅欧阳明高（清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京$"""%&）［摘要］根据传动系中两个非线性环节———离合器和变速器的状态，在’()*(+／,-./*-01和’()*(+／,)()23*45平台上建立了包含四种状态的传动系模型，并以加速踏板行程和制动踏板行程为输入量对传动系模型进行了仿真计算。

仿真结果表明，该模型既可以保持内燃机转速、电机转速和车速的连续变化，又可以模拟出离合器和变速器的动作，可以在前向式混合动力汽车模型中得到应用。

叙词：混合动力汽车，传动系，建模与仿真’462*-07(06,-./*()-404389-:2)9(-0-0;495(96<=+9-6>*2?)9-?@2A -?*2’462*!"#$%&’()*+#$,&#$$+"!"#$%&’()$#*+,"#-.，/-(-+0+.1(23,(-3,.345’-363-#*+/(4+-.($78$+,%.，9+#:#$%$"""%&［-./01+20］B ??496-07)4)A 2C )()/C 43)54040*-02(92*2.20)C ，?*/)?A (06)9(0C .-C C -40，(&D .46269-:2D )9(-0.462*-C 2C )(+*-C A 2640)A 2E *()349.C 43’()*(+／,-./*-01(06’()*(+／,)()23*45FG A 2C -./*()-40-C E 29D 349.265-)A )A 2(??2*29()49E 26(*C )9412(06+9(12E 26(*C )9412(C -0E/)C FG A 292C /*)C C A 45)A ())A 2.462*-C ?(D E (+*24304)40*=.(-0)(-0-07?40)-0/4/C :(9-()-40C 43207-02C E 226，.4)49C E 226(06:2A -?*2C E 226，+/)(*C 4-.-D )()-07)A 24E 29()-4043+4)A ?*/)?A (06)9(0C .-C C -40FG A 2923492)A 269-:2)9(-0.462*E 92C 20)26-0)A 2E (E 29?(0+2(E E*-26)4)A 23495(96<>@.462*F 34*5"16/：7*.1&6484201&294:&284，;1&9401+&#，,"648&#$+#6/&<)8+0&"#!国家%H #电动汽车专项资助（!""$B B I "$!$!）。

原稿收到日期为!""!年$$月$%日，修改稿收到日期为!""#年$月$#日。

$前言混合动力汽车动力中存在较多非线性环节，且各部件之间相互作用复杂。

如果通过建立原型和大量试验来比较设计方案和测试各种控制策略的实际效果，需要消耗大量的时间和物力。

因此，在不同结构形式［$］的混合动力汽车性能比较和同一结构形式的混合动力汽车控制策略比较等方面，较多地采用了系统建模和仿真的方法。

目前，在混合动力汽车建模上几乎无一例外地采用图形化软件，且较多以’()*(+"J ／,-./*-01"J 软件为建模与仿真技术平台。

有些直接在该平台上建立模型［!，#］，有些利用该平台进行二次开发，获得界面友好的适合混合动力汽车建模与仿真的专用技术平台［&，I ］。

根据仿真中信息流动的方向不同，混合动力汽车建模与仿真技术可分为后向式建模与仿真和前向式建模与仿真两种［H ］。

后向式建模与仿真从系统的需求出发，通过仿真得到为满足车速要求，动力系统各部件必须提供和可以得到的扭矩、转速、功率等，仿真信息沿轮胎、变速器，到电机和内燃机等。

后向式建模与仿真不考虑驾驶员的意图以及动力系统（尤其是离合器和变速器）的动态过程，计算步长较大（一般为$C ），计算速度快，可以通过反复计算以达到系统最高性能，适用于混合动力汽车性能的预估和评价。

前向式建模与仿真的输入一般为驾驶员的各种操作，例如加速踏板位置和制动踏板位置的变化，仿真信息沿按功率的传递方向从内燃机、电机到变速器以及车轮。

前向式建模与仿真必须考虑!""#年（第!I 卷）第I 期汽车工程B /)4.4)-:2>07-0229-07!""#（@4*K !I ）L 4K I万方数据包括离合器和变速器等非线性环节在内的传动系动态过程，和实际系统的真实运行情况更为接近，其模型相对复杂，计算时间也要长，主要面向实际控制算法的开发。

文中研究的重点是前向式混合动力汽车模型中的传动系模型，充分考虑传动系中的非线性环节———离合器和变速器对前向式模型的影响，在!"#$%"&／’()*%(+,和!"#%"&／’#"#-.%/0平台上建立了传动系模型，并最终在仿真过程中验证了该模型的可行性。

1混合动力汽车传动系动态过程分析进行传动系建模的并联式混合动力汽车结构图如图2所示。

传动系的主要特征是采用了自动手动变速器（3!4），内燃机和电机位于3!4离合器的两侧，由离合器的接合与分离控制内燃机（内燃机起动由5’6完成）是否参与对车辆的驱动。

图2并联式混合动力汽车结构图!"#传动系动态过程状态划分在进行电机和内燃机动态协调控制时，离合器的分离、打滑与接合，变速器的脱挡与挂挡过程是不可忽略的。

以离合器和变速器为分界，将整车传动系划分成7段，即离合器前、离合器与变速器之间、变速器后。

将离合器分离与打滑视为未接合状态，因此根据离合器和变速器的状态得出传动系的四种组合状态，如表2所示。

不同的组合状态下整车传动系所包含的动态过程是不同的。

例如，!2中内燃机、电机和车身是三个相互独立的动态环节，而!8中二者则合成一个动态环节。

表#传动系动态过程的四种组合状态变速器空挡变速器在挡离合器未接合!2!1离合器接合!7!8!"!传动系转动惯量的分布及简化从图2看出，整车传动系共包括5’6、内燃机、离合器、电机、变速器、车轮和车身共9个部分的转动惯量，根据表2所示的传动系动态过程的四种组合状态，作如下简化：（2）忽略5’6的转动惯量；（1）忽略变速器速比的影响，将变速器转动惯量简化为两部分，即变速器输入端的转动惯量!"#和变速器输出端的转动惯量!"$；（7）将车身惯量折合至车轮，得到等效转动惯量为%&1。

图1简化后的整车传动系转动惯量分布图图1为经简化后的整车传动系转动惯量分布图。

其中!’为内燃机转动惯量，!(’为内燃机侧离合器主动片转动惯量，!()为电机侧离合器从动片转动惯量，!)为电机转动惯量，!)&为主减速器转动惯量，!*为车轮转动惯量，#+变速器速比，#:主减速比。

!2、!1状态下离合器前的转动惯量为!,’-!’.!(’（2）!2状态下离合器后变速器前的转动惯量为!,)-!().!).!"#（1）!7状态下变速器之前的转动惯量为!’)-!,’.!,)（7）!2、!7状态下变速器后等效转动惯量为!,"$-（!*.%&1）／#1:.!)&.!"$（8）!1状态下离合器后的等效转动惯量为!/-!,).!,"$／#1+（;）!8状态下整车等效转动惯量为!0-!,’.!/（<）!"$传动系动态方程在建立传动系动态方程之前作以下两点假设。

!设离合器处于打滑状态时的摩擦扭矩为1(-=>+（!)2!’）31(3。

其中!)为电机转速，!’为内燃机转速，符号函数=>+（!)2!’）表示了离合器摩擦力矩的方向，以下简写为=>+（!）。

"设车轮与地面处无滑移，则车速为/0-!*&-!"$&／#:-!)&／#+#:，其中!*为车轮转速，!"$为变速器输出轴转速。

1?7?2!2状态动态方程（2）离合器前动态方程!,’@!’／@"-1#4+.1’#21’5.=>+（!）1(（9）式中1’#为由燃油做功转化的内燃机输出扭矩，1’5为内燃机的泵气损失和摩擦损失对应的扭矩值，·:18·汽车工程1::7年（第1;卷）第;期　万方数据!"#$为!"#输出扭矩。

（$）离合器后变速器前动态方程%&’%!’／%()!’*&’(（!）!+（)）（*）变速器后动态方程%&(,%!(,／%()*!-.／"+（,）式中!-.为车轮处的负载扭矩，主要包括空气阻力，摩擦阻力和坡道阻力等。

$-*-$.$状态动态方程（/）离合器前动态方程同式（0）。

（$）离合器后动态方程为%-%!’／%()!’*!-.／（"$"+）*&’(（!）!+（/+）$-*-*.*状态动态方程（/）变速器前动态方程%/’%!’／%()!/"0!’*!/.（//）（$）变速器后动态方程同式（,）。

$-*-111状态动态方程整车动态方程%2%!’／%()!/"0!’*!/.*!-.／（"$"+）（/$）!"#离合器和变速器状态判断如前所述，1/"11状态划分的依据是离合器和变速器的状态，在传动系模型运行过程中，当前时刻仅有一个状态是有效的，模型处于何种状态是由离合器和变速器状态决定的。

忽略变速器脱挡和挂挡的时间，认为脱挡和挂挡时间是瞬间完成的，则变速器的状态就划分为两个离散的状态：空挡和在挡。

离合器的状态判断相对复杂。

当离合器接合时，要保持离合器不滑移，此时的离合器摩擦力矩的绝对值（与方向无关）必须小于离合器最大的静态摩擦力矩!+234#。

令离合器发生滑移时的离合器的临界摩擦力矩为!!+，变速器空挡时，3!!+3)%&’%&’0%&/%&/%&’!’0!/.*!/"（/*）变速器在挡时，3!!+3)%-%2%&/%-!’0!/.*%&/%-!-.*!/"（/1）当3!!+3"!+234#，离合器开始滑移，进入未接合状态；当3!!+3#!+234#且3!’*!/3#!!+（!!+为离合器接合时主从动片的转速差），离合器回到接合状态；当离合器完全分离后，!+)+。