四驱PHEV、插电式混合动力汽车+DM混动系统P2+P4+发动机(三擎四驱）Matlab仿真

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Mode混动系统以“三擎四驱”为典型特征由发动机、P3前驱动电机与P4后驱动电机构成三个动力源配合DCT变速箱实现并联驱动。后续迭代中引入P0位置BSG电机进一步强化了发电与启停平顺性。然而针对该构型的系统性仿真研究仍较为分散尤其缺乏将P0电机、5档DHT与三擎动力源统一纳入前向仿真框架的完整建模描述。本文以DM二代三擎四驱构型为基础融入P0电机与5档DHT配置在Matlab/Simulink环境中搭建整车级仿真模型重点考察发动机与电机扭矩分配、电池SOC演化及工作模式切换规律为后续控制策略优化提供可复用的仿真平台。2 系统构型与建模框架2.1 三擎四驱构型描述本文所研究的DM二代混动系统采用P0P3P4三电机拓扑。发动机经离合器与5档DHT变速箱连接前轴P3电机集成于变速箱输入轴侧P4电机独立布置于后桥驱动后轮。P0电机通过皮带与发动机曲轴连接主要承担起动、发电与扭矩辅助功能。该构型下前轴动力链为“发动机P3电机→DHT→前轮”后轴为“P4电机→后轮”P0电机不直接参与驱动但可向电池或P3/P4电机供电。三擎同时输出时系统综合扭矩可达800 N·m量级。与DM3.0的P0P3P4架构相比本文模型在保留三擎驱动核心特征的同时将变速箱设定为5档DHT以考察多档变速对发动机工作点调节的影响。2.2 仿真模型总体架构仿真采用前向建模思路驾驶员模型根据目标车速与实际车速的偏差生成加速踏板与制动踏板指令整车控制器接收踏板信号、车速、SOC及部件状态经模式判定与扭矩分配后向各动力部件发送控制指令。各部件模型计算实际输出扭矩与转速经传动系统传递至车轮整车动力学模型据此更新车速并反馈至驾驶员模型与控制器形成闭环。模型包含以下子模块整车控制器模式切换与扭矩分配、驾驶员模型PID速度跟踪、发动机模型基于万有特性图的扭矩响应与燃油消耗计算、P0电机模型起动/发电状态切换、P3与P4电机模型驱动与回收双向效率映射、5档DHT模型档位决策与传动比、电池模型内阻等效电路与SOC安时积分、整车纵向动力学模型行驶阻力与加速度积分。3 各子模型功能与交互关系3.1 整车控制器模型整车控制器是仿真模型的核心决策单元。其输入包括驾驶员踏板开度、当前车速、电池SOC、发动机水温简化处理为常值及各电机温度状态。输出为发动机启停指令与目标扭矩、P3/P4电机目标扭矩、P0电机工作模式指令、DHT目标档位、离合器状态。模式判定逻辑采用规则式状态机以SOC与车速为主要判据。当SOC高于阈值且需求扭矩低于纯电驱动能力时进入纯电模式发动机停机P3与P4按前后轴载荷比例分配驱动扭矩。当SOC降至设定下限或需求扭矩超出电机能力时发动机启动若车速较低且需求扭矩适中进入串联模式发动机驱动P0发电电能供给P3/P4驱动车辆若车速进入中高速区间且需求功率处于发动机高效区进入并联模式发动机经DHT直接驱动前轮P3作为辅助或发电机P4根据整车需求控制器输出。制动或滑行工况下P3与P4切换为发电状态回收动能。扭矩分配策略在并联模式下采用基于发动机最优工作线的分配方法发动机目标扭矩依据当前转速查表获得其燃油消耗率最低区间对应的扭矩值不足部分由P3电机补充P4电机按后轴可用附着力与整车需求的比例输出。3.2 发动机模型发动机模型采用基于台架万有特性数据的准静态建模方法。输入为节气门开度或目标扭矩指令与当前转速输出为实际输出扭矩、燃油消耗率与排气温度后两者用于计算经济性指标。动态响应通过一阶惯性环节模拟扭矩建立过程时间常数取0.15~0.3 s以反映进气道与涡轮的响应滞后。发动机的启停控制与P0电机协同起动阶段P0电机将发动机拖拽至目标怠速以上转速后点火以规避低速抖动区间停机阶段离合器断开发动机断油自然减速。仿真中发动机转速由DHT输入轴转速经传动比换算或由P0电机倒拖转速决定。3.3 P0电机模型P0电机为BSG类型额定功率约25 kW通过皮带与发动机曲轴连接。其工作模式分为三类起动模式电动状态拖动发动机至点火转速、发电模式发动机运转时由曲轴带动发电向电池或高压母线供电与辅助模式急加速时短暂提供正扭矩。模型采用效率Map插值方式根据转速与扭矩指令计算电功率需求或发电功率输出。由于P0电机功率有限其在驱动扭矩补充中的贡献较小仿真中主要关注其对发动机起动过程与串联发电工况的功率平衡影响。3.4 P3与P4驱动电机模型P3与P4电机均为永磁同步电机峰值功率设定为110 kW量级参考DM2唐构型峰值扭矩250 N·m。模型输入为电机控制器下发的目标扭矩与当前转速输出为实际扭矩、母线电流需求与效率损失。电机外特性约束为转速低于基速时输出恒扭矩高于基速时进入恒功率区。效率通过二维Map插值获得Map数据覆盖驱动与发电象限。驱动状态下电机从母线取电功率为机械功率除以效率发电状态下机械功率乘以效率后回馈母线。P3电机与发动机之间设有离合器纯电模式下离合器断开P3独立驱动前轴并联模式下离合器结合P3与发动机转速耦合。3.5 5档DHT模型5档DHT混合动力专用变速箱承担档位选择与传动比切换功能。模型输入为车速、油门开度与模式指令输出为目标档位与离合器/同步器状态。档位决策采用两参数换挡规律以车速与加速踏板开度构建升档与降档曲线并设置换挡延迟防止循环跳档。由于仿真关注宏观能量流而非换挡冲击换挡过程简化为传动比在0.3 s内线性过渡离合器结合过程忽略滑摩损失。各档传动比设定覆盖低速爬行至高速巡航需求最高档传动比使发动机在120 km/h巡航时转速处于2000~2500 r/min经济区间。DHT输入轴与发动机飞轮之间设有主离合器用于纯电模式下断开动力连接。3.6 电池能量管理控制模型电池模型采用Rint等效电路开路电压为SOC的函数内阻随SOC与温度变化仿真中温度设为定值25℃。SOC通过安时积分法更新考虑充放电库伦效率差异。能量管理控制的核心任务是维持SOC在合理区间并满足驱动功率需求。模型设定SOC工作窗口为25%~90%当SOC高于80%时控制策略倾向于纯电驱动以消耗电量当SOC低于30%时发动机启动阈值降低P0发电功率增加P3在并联模式下更多切换至发电状态以补充电量。电池输出功率限值随SOC与温度动态调整低SOC下放电功率受限防止过放高SOC下充电功率受限以保护电池寿命。3.7 驾驶员模型与整车动力学模型驾驶员模型采用PID控制器跟踪目标车速输入为目标工况车速曲线如WLTC与实际车速输出为加速踏板与制动踏板开度分别对应驱动扭矩需求与制动力需求。PID参数经试凑整定使速度跟踪误差在稳态工况下小于1 km/h。整车纵向动力学模型基于行驶方程式驱动力经传动系统传递至车轮克服滚动阻力、空气阻力、坡度阻力与加速阻力后决定车辆加速度。车轮滑移率在常规工况下忽略假设轮胎始终处于附着状态。整车质量根据电池容量与三擎部件质量估算为2200 kg迎风面积与风阻系数取SUV典型值。4 仿真工况与结果分析4.1 仿真工况设定仿真采用WLTC全球轻型车测试循环作为目标工况初始SOC设为90%电池容量设定为18 kWh纯电续驶里程约80 km等效。仿真步长1 ms总时长1800 s。环境温度25℃空调负载关闭。4.2 发动机扭矩曲线发动机在WLTC工况前段低速段保持停机扭矩输出为零。约在200 s后SOC降至约78%同时工况进入中速段整车控制器启动发动机。起动后前30 s内发动机以较低扭矩运行于暖机状态随后进入正常输出。在并联驱动阶段车速60~90 km/h区间发动机扭矩跟随最优工作线在120~180 N·m范围内波动急加速工况下扭矩瞬态攀升至220 N·m左右P3电机同步提供补充扭矩。制动阶段发动机断油扭矩归零。4.3 电机扭矩曲线P3与P4电机的扭矩输出呈现明显的工况相关性。起步与低速段0~40 km/h两电机承担全部驱动扭矩P3输出约80~120 N·mP4输出约90~140 N·m后轴分配略多以利用加速时的轴荷转移。中速并联阶段P3扭矩降至20~50 N·m部分工况切换为发电扭矩为负P4维持60~100 N·m以保持四驱特性。制动回收阶段两电机均进入发电状态P4回收扭矩峰值约80 N·mP3约50 N·m受前轴附着力与电池充电功率限制。P0电机扭矩在起动瞬间出现约40 N·m的短时峰值随后回落至发电工况的−15~−25 N·m范围。4.4 电池SOC与电流变化SOC从初始90%经纯电行驶段降至约76%约200 s随后发动机介入SOC下降速率显著放缓在76%~72%区间内波动。在高速巡航与并联驱动交替阶段SOC呈现小幅锯齿状变化并联驱动时SOC微降发动机富余功率经P0或P3发电时SOC微升。制动回收阶段SOC出现约0.8%的局部回升。全程SOC终值约68%未触发低电量强制充电阈值。电池电流与SOC趋势对应纯电驱动时电流为正值放电幅值随电机功率需求在30~120 A之间波动发动机起动后电流均值降至10~40 A制动回收时出现−60~−100 A的负向脉冲持续时间2~5 s。电流高频波动主要来源于P4电机的扭矩快速调整与P0电机的间歇发电。4.5 车速跟踪与工作模式切换实际车速与目标WLTC车速的跟踪误差在绝大部分时段小于0.8 km/h仅在急加速段最高车速段出现约1.5 km/h的瞬时偏差系发动机扭矩建立延迟所致但随后迅速收敛。工作模式切换序列如下0~180 s为纯电模式发动机停机P3/P4驱动180~200 s为串联模式过渡P0起动发动机发动机经P0发电供给电机200~900 s以并联模式为主发动机直驱与电机辅助交替期间在低速滑行段短暂回切纯电900~1200 s高速段维持并联P3在部分工况切换为发电以维持SOC1200~1800 s包含多次制动回收模式在并联与回收之间切换。全程未触发驻车发电模式。5 结论本文围绕DM二代三擎四驱PHEV构型在Matlab/Simulink中建立了涵盖整车控制器、动力部件、传动系统与电池管理的完整前向仿真模型并通过WLTC工况仿真得到以下结论1发动机在纯电段保持停机中高速段以最优工作线扭矩输出避免了低速低效运行P3与P4电机在起步与加速工况承担主要驱动扭矩制动时参与能量回收发挥了多电机构型的扭矩响应快与回收能力强的优势。2电池SOC在纯电段快速下降混动段下降速率受控回收段出现小幅回升全程未进入过低电量区域表明规则式能量管理策略能够在该构型下实现电量维持的基本目标。3工作模式在纯电、串联、并联与回收之间自动切换切换时机与SOC和车速阈值吻合验证了模式判定逻辑的有效性。后续工作可在此基础上引入优化型能量管理策略如等效燃油消耗最小化或模型预测控制并考察P0电机功率提升对SOC平衡能力的改善效果。第二部分——运行结果第三部分——参考文献文章中一些内容引自网络会注明出处或引用为参考文献难免有未尽之处如有不妥请随时联系删除。(文章内容仅供参考具体效果以运行结果为准)​​​​​​第四部分——本文完整资源下载资料获取更多粉丝福利MATLAB|Simulink|Python|数据|文档等完整资源获取本文完整资源下载