华中科技大学 硕士学位论文 混合动力车辆多领域统一建模与仿真 姓名：陈小国 申请学位级别：硕士 专业：数字化设计及制造 指导教师：张云清 20070530 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 Modelica 作为新一代多领域物理系统（M P S –M u l t i - d o m a i n P h y s i c a l S y s t e m s ） 统一建模语言，继承和统一了以前多种建模语言的特点，支持面向对象建模、多领域 建模、非因果陈述式物理建模和连续离散混合建模，非常适合描述现代多领域复杂系 统，代表着现代建模和仿真技术发展的新方向，因其巨大的发展潜力得到了迅速发 展，已出现多个仿真支持软件平台并开始应用于生产实践，为电动汽车仿真技术的飞 跃突破带来新的契机 本文在基于 Modelica 标准的多领域统一仿真平台 SimulationX 环境下对某混合动 力车辆进行了建模仿真研究 首先，对国际上通用的几种电动汽车仿真软件进行了研究，阐述了 Modelica 语言 的显著特点及发展情况，明确了基于 Modelica 标准对混合动力车辆进行建模仿真的优 越性，比较分析了混合动力前向仿真和后向仿真各自的优劣，确定了整车仿真采用前 向仿真为主的结构。
其次，分析、总结了混合动力车辆各部件、总成建模仿真原理、方法依据动力 总成的构成，采用模块化设计思想，在 SimulationX 环境下建立了各部件（发动机、蓄 电池、电机、变速箱等）模型，并对模型进行了仿真测试 再次，以所建模型为基础，搭建了传统汽车模型，并进行了油门控制器设计及换 档原理的研究，通过车辆自由加速仿真测试了油门开度、档位对车辆动力性能的影 响；并在 EUDC 工况下对整车进行了仿真分析验证了油门控制器与变速箱控制器的 正确性，可行性 最后，传统车的基础上扩展，搭建了以前向仿真结构为主的并联混合动力整车模 型，并在 ECE+EUDC 复合工况下对整车进行了仿真分析仿真结果表明，所建模型能 较完整的反映车辆性能，所建部件都是正确和有效的，所建整车模型可用于混合动力 车辆能量管理策略与动力总成优化研究 关键词：多领域建模; Modelica; SimulationX; 并联混合动力车辆; 仿真 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract As one next generation Multi- domain Physical Systems（MPS）modeling language, Modelica unifies and generalizes previous modeling languages characteristics, it is well suited for efficiently modeling and simulating of complex tightly- coupled multi- domain physical systems for its supporting oriented- object modeling, multi- domain unified modeling, declarative modeling, and continuous- discrete hybrid modeling. It represents the new current of modern system modeling and simulating technology. Because it’ s huge development potential, Modelica obtained a rapid development, and appeared many simulation supporting software platform. It has been applied in the production practice, bringing the new turning point for the electric vehicle simulation technology leap breakthrough. This paper makes a modeling and simulation research on a Hybrid Electric Vehicle (HEV) under the multi- domain unification simulation platform SimulationX, which is based on the Modelica criterion. First, this paper makes a brief comparison and analysis of several Electric Vehicle simulation software universally used, and elaborates the Modelica language remarkable characteristics and the development situation. It shows the superiority of modeling and simulation of HEV based on the Modelica criterion. Through the comparison and analysis of the front simulation and the backward simulation of HEV, the entire vehicle simulation using the front simulation structure primarily had been determined. Second, an analysis and summarization of various parts modeling and simulation principle of the HEV is presented. Based on the power unit constitution, various parts (e.g. : engine, accumulator cell, electrical motor, gear box and so on) had been modeled under the SimulationX environment using the modulation design concept, and the simulation test had been carried on. Finally, these models have been put together with models from the Modelica standard library to a reference car and a parallel HEV, The reference car follows the EUDC driving cycle and the HEV follows the ECE+EUDC cycle. The simulation result indicated that, the modeling and simulation can reflect vehicles performance completely, all the parts models are correct and effective, the entire vehicle model can be used at the HEV energy m anagement strategy and the power unit optimization research. Keywords: Multi- domain modeling; Modelica; SimulationX; Parallel HEV; Simulation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文 本论文属于 （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密□，在 年解密后适用本授权书 不保密□ 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 基于 Modelica 标准混合动力车辆建模与仿真研究的背景及意义 汽车的出现带动了人类文明和经济的迅猛发展汽车工业以其产业链长、辐射面 广的特点，成为国民经济的支柱产业。
汽车成为人类不可缺少的交通工具，有着广阔 的市场如今，全世界的汽车保有量超过 7 亿辆，而且汽车还在以每年几千万辆的速 度增长汽车与人们的日常生活密切相关，但是它为人类带来便利的同时也导致了严 重的环境、能源、交通问题汽车工业的发展面临极大的环境和能源压力传统燃油 汽车的固有缺陷，很难排除尾气污染和能源问题环境保护呼声的高涨和石油日益短 缺的压力迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题经过对各种新燃料、新能源和新动 力的探索，电动汽车[1]成为最主要的选择之一电动汽车包括纯电动汽车(EV, Electric Vehicle)、燃料电池汽车(FCV, Fuel Cell Vehicle)、混合电动汽车（HEV, Hybrid Electric Vehicle）三种形式，它是理想零排放和低排放车辆纯电动汽车在发展中受到了电池 技术的制约，有限的续驶里程和较长的充电时间及较高的造价使得它们的普及非常困 难，产业化前景并不看好燃料电池汽车具有极高的效率、低排放、低噪音，其甲醇 燃料有广泛的来源，并具有可再生等重大优势，已成为世界各大汽车集团新世纪激烈 竞争的焦点，被喻为 21 世纪改变人类生活的十大高科技之首，但产业化仍需要较长的 时间[2]。
混合动力电动汽车是将新技术和老技术结合的最可行的产物，它同时具有纯电 动汽车和传统内燃机汽车的优点，既具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能，还具 有传统内燃机汽车的续驶里程长和快速补充燃料的性能混合电动汽车成为当前解决 节能、环保问题切实可行的方案[3] 混合动力汽车是能源、机械、电子、液压、控制、热力学等多领域混合和连续- 离 散耦合的复杂物理系统，目前 HEV 主要的开发方式有试验台架开发、实车平台开发和 计算机仿真三种[3]动力系统试验台架和实车平台的优点是能够为开发对象提供真实的 运行环境，在 HEV 开发中具有计算机仿真所不可替代的作用，但其成本高、适应性 差、测试和调节难度大而近二十年来发展起来的一门新兴技术学科—— 计算机仿 真，在这些方面就有较好的使用特性仿真就是利用模型对实际系统进行试验研究的 过程，其有效的系统设计能力特别适合于 HEV 能源管理策略和动力总成的优化设计， 适合于电动汽车的整车分析与仿真随着仿真技术在各个领域的渗透，国内外对于电 动汽车仿真的相关技。