后驅(qū)串聯(lián)混動(dòng)HEV乘用車(chē)整車(chē)性能仿真研究

郭濤

摘要：《節(jié)能與新能源汽車(chē)路線圖2.0》發(fā)布，國(guó)家鼓勵(lì)節(jié)能車(chē)大力發(fā)展。串聯(lián)混動(dòng)HEV具有油耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本文以公司開(kāi)發(fā)的某后驅(qū)串聯(lián)混動(dòng)HEV樣車(chē)為基礎(chǔ)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)選型，對(duì)WLTC工況下汽車(chē)的整車(chē)性能進(jìn)行了仿真分析，并與燃油版進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：該串聯(lián)混動(dòng)HEV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選型合理，滿足設(shè)定的整車(chē)性能目標(biāo)，與燃油版車(chē)型的對(duì)比中油耗優(yōu)勢(shì)明顯。

Abstract： Energy saving and new energy vehicle roadmap 2.0 was released， and the State encourages the vigorous development of energy-saving vehicles. Series hybrid HEV has the advantages of low fuel consumption and simple structure. In this paper， based on the prototype of a rear drive series hybrid HEV developed by the company， the parameters of the power system are selected， and the vehicle performance under wltc condition is simulated and analyzed， and compared with the fuel version. The results show that the power system parameter selection of the series hybrid HEV is reasonable， meets the set vehicle performance target， and has obvious fuel consumption advantages compared with the fuel version.

關(guān)鍵詞：后驅(qū);聯(lián)混動(dòng);HEV;阿特金森;整車(chē)性能

0? 引言

在傳統(tǒng)汽車(chē)向電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡時(shí)期，《節(jié)能與新能源汽車(chē)路線圖2.0》發(fā)布，國(guó)家鼓勵(lì)節(jié)能車(chē)大力發(fā)展。混合動(dòng)力汽車(chē)一方面能夠環(huán)保節(jié)能，另一方面又避免了傳統(tǒng)汽車(chē)工業(yè)已形成的龐大生產(chǎn)規(guī)模和基礎(chǔ)設(shè)施的浪費(fèi)。因此，混合動(dòng)力汽車(chē)在我國(guó)將有比較長(zhǎng)的生命力和應(yīng)用前景。

串聯(lián)混動(dòng)HEV車(chē)型，發(fā)動(dòng)機(jī)只驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)給電池充電，電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)整車(chē)行駛，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。在中國(guó)國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)上還沒(méi)有此類(lèi)串聯(lián)混動(dòng)HEV銷(xiāo)售，上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司基于一款后驅(qū)純?nèi)加蛙?chē)，研發(fā)了一款后驅(qū)串聯(lián)混動(dòng)HEV。

1? 后驅(qū)串聯(lián)混動(dòng)HEV動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

串聯(lián)混動(dòng)HEV汽車(chē)，車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)力只來(lái)源于電機(jī)，不同于增程式電動(dòng)汽車(chē)。增程式電動(dòng)汽車(chē)，是在純電動(dòng)模式下可以達(dá)到其所有的動(dòng)力性能，而當(dāng)車(chē)載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法滿足續(xù)航里程要輔助供電裝置為動(dòng)力系統(tǒng)提供電能，以延長(zhǎng)續(xù)航里程的電動(dòng)汽車(chē)，且該車(chē)載輔助供電裝置與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有傳動(dòng)軸等傳動(dòng)聯(lián)接。

串聯(lián)混動(dòng)HEV動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池組成，如圖1所示，就是在純電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)上，將大容量電池更換為小容量電池，同時(shí)增加發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。而發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于發(fā)電，不參與驅(qū)動(dòng)，因此駕駛感受與純電動(dòng)類(lèi)似。前置前置的車(chē)型，將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)橫置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)也是布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，布置方面比較容易。前置后驅(qū)的車(chē)型，會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)縱置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與后驅(qū)動(dòng)橋后置用來(lái)驅(qū)動(dòng)。

2? 串聯(lián)混動(dòng)HEV主要工作模式

串聯(lián)混動(dòng)HEV主要有三種工作模式：純電模式，當(dāng)整車(chē)電池SOC值高于某一限定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉不工作，動(dòng)力全部由動(dòng)力電池提供動(dòng)力;混動(dòng)模式，當(dāng)動(dòng)力電池SOC低于某一限定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟，工作在某一最佳燃油消耗點(diǎn)，輸出功率固定，與動(dòng)力電池一同為整車(chē)提供動(dòng)力;制動(dòng)能量回饋模式，在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)能量回收為電池充電。

3? 串聯(lián)混動(dòng)HEV動(dòng)力系統(tǒng)核心部件參數(shù)選擇

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選擇

阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是串聯(lián)混動(dòng)HEV動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，在選擇時(shí)要充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的特性及功率，汽車(chē)的爬坡性能和加速性能可以由汽車(chē)的最高車(chē)速來(lái)體現(xiàn)。因此常根據(jù)汽車(chē)行駛過(guò)程中能達(dá)到的最高車(chē)速來(lái)初步選擇發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，此時(shí)最大功率應(yīng)滿足式（1）。

其中Pmax表示車(chē)輛以最大車(chē)速在平坦路面行駛時(shí)所對(duì)應(yīng)的功率;？濁t(yī)表示傳動(dòng)效率;m為整車(chē)質(zhì)量;f表示滾動(dòng)阻力系數(shù);CD表示空氣阻力系數(shù);A表示車(chē)輛迎風(fēng)面積;Vmax為最高穩(wěn)定車(chē)速。選用的是四缸2.0L阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為93kW，最大扭矩為167Nm，最高熱效率為39.5%。

3.2 發(fā)電機(jī)選擇

后驅(qū)串聯(lián)混動(dòng)HEV中，發(fā)電機(jī)把發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，給車(chē)輛的所有用電器供電，是車(chē)輛電能的唯一來(lái)源。因此發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的發(fā)電系統(tǒng)的性能和效率優(yōu)劣直接決定車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性也有一定影響。串聯(lián)式混動(dòng)的結(jié)構(gòu)決定了發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)時(shí)間會(huì)運(yùn)行在最高效率的工況，當(dāng)車(chē)輛需要最大輸出功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就進(jìn)入滿功率輸出工況，因此，匹配的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求為：①發(fā)電機(jī)峰值功率應(yīng)覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)性能的峰值輸出;②發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍乘傳動(dòng)比后相匹配;③發(fā)電機(jī)的高效率工作區(qū)域與發(fā)動(dòng)機(jī)的最高效率區(qū)域匹配;④發(fā)電機(jī)應(yīng)有優(yōu)良的NVH性能、高穩(wěn)定性和低重量。因此增程式電動(dòng)汽車(chē)之中，發(fā)電機(jī)的選型原則和驅(qū)動(dòng)電機(jī)差不多，永磁同步電機(jī)還是最適宜的選擇。發(fā)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

串聯(lián)混動(dòng)HEV中，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接參與車(chē)輛驅(qū)動(dòng)，所有工況下都是僅靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的優(yōu)劣直接決定了車(chē)輛的動(dòng)力性，并且對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性也有很大影響。目前主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型有直流電機(jī)、異步交流電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，其中永磁同步電機(jī)以其高功率密度，低速大扭矩，高效率，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)成為目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流類(lèi)型。因此本項(xiàng)目選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.4 動(dòng)力電池選擇

對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)，電池容量越大，汽車(chē)的儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，以純電動(dòng)狀態(tài)行駛的距離越長(zhǎng)，但是容量越大，質(zhì)量、體積越大，反而影響車(chē)輛的動(dòng)力性和車(chē)輛的布置。因此，要綜合考慮車(chē)輛的性能要求和電池比能量、比功率來(lái)合理地選擇電池。

4? 整車(chē)性能仿真分析

通過(guò)CRUISE軟件搭建串聯(lián)混動(dòng)HEV仿真模型，在CRUISE軟件平臺(tái)上，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和整車(chē)行駛系統(tǒng)等進(jìn)行搭建，建立各系統(tǒng)的機(jī)械、電氣和控制連接。仿真所需要的整車(chē)參數(shù)，見(jiàn)表4。

4.1 串聯(lián)混動(dòng)HEV整車(chē)動(dòng)力能分析

動(dòng)力性是整車(chē)性能中重要的指標(biāo)，通過(guò)最高車(chē)速、加速時(shí)間和最大爬坡度進(jìn)行評(píng)價(jià)。表5是仿真結(jié)果。

4.2 串聯(lián)混動(dòng)HEV整車(chē)經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性分析至關(guān)重要，國(guó)家對(duì)油耗有法規(guī)方面的明確要求。

第五階段油耗目標(biāo)值如表6所示。

2020年以后，油耗測(cè)試工況將由NEDC工況改變?yōu)閃LTC工況，故本文對(duì)WLTC工況完成了仿真分析。結(jié)果見(jiàn)表7。本文把混動(dòng)車(chē)與燃油車(chē)的WLTC油耗仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表8，可見(jiàn)，混動(dòng)車(chē)在油耗方面優(yōu)勢(shì)很明顯。

5? 總結(jié)

后驅(qū)串聯(lián)混動(dòng)HEV，由于引入了電機(jī)、電池等系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)只是用來(lái)發(fā)電，可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)，動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)比較高的效率，整車(chē)會(huì)有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池參數(shù)的合理匹配，在軟件中對(duì)整車(chē)進(jìn)行了整車(chē)性能仿真分析，其結(jié)果都達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。下一步等樣車(chē)制造出來(lái)后，對(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行測(cè)試，然后與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

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