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💥第一部分——内容介绍

摘要：针对插电式混合动力汽车多动力源耦合与模式切换复杂性问题，以比亚迪第二代DM混动系统三擎四驱构型为研究对象，基于Matlab/Simulink平台搭建了包含整车控制器、发动机、P0/P3/P4电机、5档DHT、驾驶员模型、电池能量管理控制及整车动力学在内的前向仿真模型。仿真结果表明：在WLTC工况下，发动机扭矩输出集中于中高速巡航与并联驱动阶段，P3与P4电机在起步及加速工况承担主要驱动扭矩，电池SOC呈阶段性递减趋势且电流在制动回收时出现负向峰值，整车工作模式在纯电、串联、并联与能量回收之间实现自动切换。研究验证了该构型在动力性与电量维持之间的协调能力，为三擎四驱PHEV控制策略开发提供了仿真验证基础。

关键词：插电式混合动力汽车；三擎四驱；DM混动系统；Matlab仿真；能量管理

1 引言

插电式混合动力汽车（PHEV）兼具纯电行驶的零排放特性与混合动力模式的续驶里程优势，是当前乘用车电气化转型的重要技术路线之一。在各类PHEV构型中，四驱多电机方案能够通过前后轴动力源的独立控制实现扭矩矢量分配与全时四驱能力，但同时也带来了模式切换逻辑复杂、能量管理维度增多等控制难题。

比亚迪第二代DM（Dual 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P0+P3+P4三电机拓扑。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P0+P3+P4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·m，P4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·m，P3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SOC；1200~1800 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。

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