插電式混合動力汽車系統(tǒng)整車建模及動力性仿真分析?

黃珊珊

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系 西安 710018）

1 引言

新能源汽車具有和傳統(tǒng)汽車不同的動力來源，既可以采用非常規(guī)車用燃料，也可以在采用常規(guī)車用燃料的情況下增加新的動力設(shè)備［1～2］。由于新能源汽車綜合運用了高效的車輛動力控制與驅(qū)動技術(shù)，促進(jìn)了整體技術(shù)水平的提升。EV 是一種以電能提供驅(qū)動力的汽車，既可以選擇電機驅(qū)動方式，也可以通過輪轂電機實現(xiàn)車輪的驅(qū)動作用，上述技術(shù)需克服的難點是如何提高電力的儲存能力［3～5］。純電動汽車不會在行駛階段產(chǎn)生污染廢氣。由于電動汽車屬于一個儲存與消耗電能的設(shè)備，因此可將其充電過程安排在夜間用電低谷時期，從而確保發(fā)電設(shè)備可以長期維持高利用率的狀態(tài)。HEV 是根據(jù)傳統(tǒng)汽車進(jìn)一步開發(fā)得到的，在傳統(tǒng)汽車動力結(jié)構(gòu)中新增了電動機，有效提升了汽車低速動力特性并達(dá)到更高的燃油利用率［6～8］。

插電式混合動力（PHEV）汽車指的是利用插電方式完成充電過程的混合動力汽車。通?？蓪⑵浞殖稍龀淌脚c混聯(lián)插電式共兩類，或?qū)⑵浞Q為全電型與混合型插電方式［9～11］。其中，增程式電動汽車在汽車動力結(jié)構(gòu)中設(shè)置了增程器，因此這是一種特殊PHEV，屬于全型PHEV，是以純電動汽車為基礎(chǔ)發(fā)展形成的，電機屬于增程式結(jié)構(gòu)的唯一動力源，所有功率都由電機提供，是一種串連形式的混合動力結(jié)構(gòu)；PHEV 是在混合動力汽車基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，由電機與發(fā)動機共同組成驅(qū)動源，功率并不是全部由電機提供，但已經(jīng)把之前的功率型電池采用能量型電池進(jìn)行了代替，進(jìn)一步提高了純電動運行條件下的續(xù)航里程，相對于HEV 車型，可以達(dá)到更高的燃油經(jīng)濟性，這使其成為現(xiàn)階段的一個重點研究領(lǐng)域［12～14］。對于混合型結(jié)構(gòu)來說，采用同軸并聯(lián)形式可以獲得緊湊結(jié)構(gòu)并達(dá)到更高的傳遞效率，因此被大量應(yīng)用在各類車型中，對于輕型貨車也同樣適用，可以選擇同軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為動力總成系統(tǒng)的布局方式，為確保能夠?qū)崿F(xiàn)以上各項優(yōu)勢，需要對動力總成系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)合理配置并選擇最優(yōu)控制策略［15］。

對PHEV 車型進(jìn)行設(shè)計開發(fā)時，可以先利用軟件仿真模擬以縮短開發(fā)時間并有效減少開發(fā)成本，并達(dá)到更高的實車運行效率。本文采用CRUISE軟件完成整車建模的過程，同時比較了PHEV 車型和傳統(tǒng)車型的運行經(jīng)濟性與動力性能。

2 整車建模

PHEV 輕型貨車由多個模塊組成，包含動力電池、驅(qū)動電機、發(fā)動機、MATLAB-API 接口、變速器換擋控制、駕駛員、監(jiān)視器、能耗附件、變速器、離合器、差速器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器等多個模塊，現(xiàn)對上述各模塊依次進(jìn)行分析。

對整車進(jìn)行參數(shù)設(shè)置需要包括整車質(zhì)量、阻力模型、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積，為了獲得最優(yōu)的控制策略重點是要構(gòu)建合適的整車阻力模型，可以采用如下三種方法。

1）根據(jù)物理模塊確定總行駛阻力：

上式的FV表示總行駛阻力；kpush表示額外推力系數(shù)；ktrac表示牽引力系數(shù)；ma表示汽車實際質(zhì)量。

2）根據(jù)參考車型行駛阻力函數(shù)進(jìn)行計算：

式中CA、CB、CC分別表示各車型的行駛阻力系數(shù)；mr表示參考汽車質(zhì)量。

3）利用汽車實際行駛阻力函數(shù)進(jìn)行計算：

綜合考慮上述三種計算方法的特點，最后決定采用第二種方法來計算PHEV車型行駛阻力。

3 整車性能仿真

3.1 原車動力性仿真

按照原車型數(shù)據(jù)構(gòu)建得到整車模型。接著，對Project Data 進(jìn)行動力性與經(jīng)濟性仿真。圖1 顯示了為原車型構(gòu)建的整車模型。

圖1 整車模型

對于不同的仿真任務(wù)所選擇的計算模式也存在較大差異，通常是以正向仿真計算的方式來完成動力性仿真過程，相對于準(zhǔn)靜態(tài)計算模式，此模式通過駕駛員模型構(gòu)建控制環(huán)。圖2 給出了原車模型的車速和距離隨時間變化。從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，百公里加速時間為12.13s，可以達(dá)到的最大車速125.72km/h。

圖2 原車模型的車速和距離隨時間變化

在NEDC循環(huán)工況下進(jìn)行經(jīng)濟性仿真測試，此工況由4 個市區(qū)以及1 個郊區(qū)循環(huán)構(gòu)成，其中，0～800s內(nèi)屬于市區(qū)循環(huán)，到800s之后進(jìn)入郊區(qū)循環(huán)，總共為1180s。圖3顯示了循環(huán)工況下車速和轉(zhuǎn)矩隨時間變化仿真測試所得結(jié)果。從圖3（a）中可以看到實際車速和目標(biāo)車速對應(yīng)的曲線，兩種曲線在貼合度方面存在較大的誤差，基本達(dá)到了整車動力性的要求。圖3（b）顯示了不同時間對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動機工作條件為低轉(zhuǎn)矩與低負(fù)荷狀態(tài)，對燃油的消耗較大，無法達(dá)到良好的經(jīng)濟性。

圖3 循環(huán)工況下車速和轉(zhuǎn)矩隨時間變化

3.2 動力性仿真分析

模型的動力性仿真內(nèi)容包含滿負(fù)荷加速性能、最大車速以及爬坡度性能的計算，依次得到純電動模式下的最大車速、0～40km/h 的加速時間以及在混合驅(qū)動模式下每個擋位所能達(dá)到的最大爬坡度。以NEDC循環(huán)工況對車輛進(jìn)行經(jīng)濟性仿真測試。

1）純電動模式

控制模型以純電動模式運行，計算滿負(fù)荷下的加速性能，圖4 給出了純電動模式下車速和加速度隨時間變化。根據(jù)圖4 可以發(fā)現(xiàn)，由純電動模式下插電式汽車加速至40km/h 所需的時間約10s，可以達(dá)到的最大加速度為1.32m/s2?？梢娂冸妱幽Ｊ较缕嚉鈩颖憩F(xiàn)出快速的特點，這不利于安全。

圖4 純電動模式下車速和加速度隨時間變化

之后計算采用純電動模式所能達(dá)到的續(xù)航里程。將等速巡航工況文件加入Cycle run內(nèi)，同時將電池SOC 的初值設(shè)定在80%，并控制目標(biāo)SOC 值為30%，圖5給出了純電動模式下續(xù)航里程隨時間變化結(jié)果。根據(jù)圖5 可以發(fā)現(xiàn)，采用純電動模式可以達(dá)到約65km的續(xù)航里程。

2）混合驅(qū)動模式

控制模型的工作狀態(tài)為混合驅(qū)動模式，同時計算滿負(fù)荷條件下的加速與爬坡性能。利用跟原車相同的NEDC 循環(huán)工況進(jìn)行經(jīng)濟性仿真測試，混合驅(qū)動模式下車速和轉(zhuǎn)矩隨時間變化結(jié)果見圖6。由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，實際車速和目標(biāo)車速之間形成了良好的貼合，實際車速可以精確跟隨目標(biāo)車速，表現(xiàn)出優(yōu)異的整車動力性。分析電機轉(zhuǎn)矩結(jié)果可知，此時電機工作于低轉(zhuǎn)矩與低負(fù)荷的工況下，可以利用啟動發(fā)動機來彌補轉(zhuǎn)矩不足。由混合驅(qū)動模式下車速和轉(zhuǎn)矩結(jié)果得出，相比較純電動模式，混合驅(qū)動模式下汽車具有補償機制，可以應(yīng)對一些突發(fā)情況，進(jìn)一步地保證運行的安全，大大降低了事故的發(fā)生概率。

4 結(jié)語

1）原車動力性仿真得到：可以達(dá)到的最大爬坡度為45.41%，可以達(dá)到的最大車速125.72km/h。實際車速和目標(biāo)車速在貼合度方面存在較大的誤差，基本達(dá)到了整車動力性的要求。

2）在純電動模式下，加速至40km/h 所需的時間是10s，可以達(dá)到的最大加速度為1.32m/s2，可以達(dá)到65km的續(xù)航里程。

3）在混合驅(qū)動模式下，實際車速和目標(biāo)車速之間形成了良好的貼合狀態(tài)，實際車速可以精確跟隨目標(biāo)車速，表現(xiàn)出優(yōu)異的整車動力性。