混合動(dòng)力汽車建模及性能試驗(yàn)

宮喚春

Gong Huanchun

（1.天津?yàn)I海汽車工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，天津 300204；2.河北東方學(xué)院 人工智能學(xué)院，河北 廊坊 065001）

混合動(dòng)力汽車具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性能，是目前最佳的過(guò)渡車型，也是車企研發(fā)的熱點(diǎn)之一。本文以某混合動(dòng)力乘用車為例，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲取主要數(shù)據(jù)，并按照動(dòng)力傳遞線路構(gòu)建混合動(dòng)力汽車模型，通過(guò)模型分析路試車輛性能，為車輛性能優(yōu)化和能量分配管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 車輛建模1

以某混合動(dòng)力乘用車為研究對(duì)象構(gòu)建車輛模型，其動(dòng)力結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用前、后軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)四驅(qū)系統(tǒng)，并裝有ISG（Integrated Starter Generator，集成啟動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)）、可充電式電池組、小型CVT（Continuously Variable Transmission，無(wú)極變速器）、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)等動(dòng)力部件。

圖1 混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力汽車建模通常有兩種方法：（1）數(shù)學(xué)模型法[1]，通過(guò)構(gòu)建各部件準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)計(jì)算式從而建立起整車模型，但由于混合動(dòng)力汽車部件多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相關(guān)變量大多為非線性關(guān)系，所以很難建立起精確的整車數(shù)學(xué)模型；（2）試驗(yàn)測(cè)試法[2]，測(cè)試主要?jiǎng)恿Σ考脑囼?yàn)數(shù)據(jù)，并按照車輛動(dòng)力傳遞路徑建立車輛分析模型，該方法簡(jiǎn)單直觀，操作性強(qiáng)，可利用臺(tái)架試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)并通過(guò)集成方式構(gòu)建模型。本文采用第2 種方法構(gòu)建車輛性能分析模型。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)建模

將圖1 中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行負(fù)荷特性、速度特性及調(diào)整特性等性能試驗(yàn)[3]，得到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于插值法擬合計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及節(jié)氣門開(kāi)度變化曲線，如圖2 所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線

由圖2 可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍處于節(jié)氣門開(kāi)度50%以上負(fù)荷率較高的區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速處于較高參數(shù)范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)通過(guò)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火，即發(fā)動(dòng)機(jī)只在車輛加速過(guò)程及蓄電池組能量不足時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工作，保證其具有較低的燃油消耗率和較好的排放特性。

1.2 電動(dòng)機(jī)建模

ISG 電動(dòng)機(jī)[4]既能夠在純電動(dòng)模式下單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，又可以與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)車輛行駛，還能夠在車輛電池組電量較低時(shí)作為發(fā)電機(jī)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工況點(diǎn)，并為電池組充電，或者在制動(dòng)過(guò)程中將多余的制動(dòng)能量回收并為電池組補(bǔ)充充電；因此，電動(dòng)機(jī)的外特性工作曲線對(duì)混合動(dòng)力汽車能量管理策略的選取與切換具有重要影響。本文通過(guò)電動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及效率的特性曲線，如圖3 所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)外特性曲線

由圖3 可知，電動(dòng)機(jī)主要工作在效率大于0.8的區(qū)間，對(duì)應(yīng)輸出的轉(zhuǎn)速較高為6 000～8 000 r/min、轉(zhuǎn)矩較大為50～100 Nm，此時(shí)車輛具有較高的動(dòng)力性能和較為穩(wěn)定的續(xù)駛里程。

1.3 電池組建模

試驗(yàn)車輛的電池組為鋰離子電池組，其性能直接影響車輛的續(xù)駛里程，通常采用SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）分析電池組效率和充放電性能[5]。通常利用等效電路法簡(jiǎn)化電池組電路，建立電池組電壓與電阻單元的物理模型，該方法計(jì)算量大且模型簡(jiǎn)化后難以真實(shí)反映電池組的變化特性。本文通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)得到電池組SOC 與電壓變化特性曲線，如圖4 所示。

圖4 電池組電壓與SOC 變化曲線

由圖4 可知，SOC 處于0.5 以上時(shí)單體電池平均電壓位于3.5 V 以上，可以提供純電動(dòng)模式下較為充足的電能維持車輛運(yùn)行，當(dāng)SOC 下降到0.5以下時(shí)，單體電池平均電壓也降低，但仍保持在3 V 以上，此時(shí)車輛可以由純電動(dòng)模式轉(zhuǎn)為混合動(dòng)力模式，發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量為電池組補(bǔ)充充電，使得SOC 再次恢復(fù)到0.5 以上，并使車輛再次恢復(fù)純電動(dòng)模式運(yùn)行。

1.4 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)建模

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要輔助車輛運(yùn)行，保證發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器、電動(dòng)機(jī)與變速器等機(jī)械部件動(dòng)力傳遞耦合，減少動(dòng)力模式切換時(shí)的沖擊振動(dòng)，提高動(dòng)力傳遞效率。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓泵組成，液壓泵采用柱塞式結(jié)構(gòu)[6]，通過(guò)控制柱塞上斜盤的角度調(diào)整液壓泵動(dòng)力的輸出及效率變化。本文通過(guò)液壓泵外特性試驗(yàn)得到液壓泵效率隨柱塞泵斜盤傾角及液壓泵轉(zhuǎn)速變化的曲線，如圖5 所示。

圖5 液壓泵效率變化曲線

由圖5 可知，液壓泵主要運(yùn)行在高效率區(qū)間，能夠有效保證車輛性能穩(wěn)定及各動(dòng)力部件的耦合。

1.5 CVT 建模

CVT 是混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，也是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合的關(guān)鍵部件。CVT 組成復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模非常困難，本文重點(diǎn)分析CVT 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的傳動(dòng)效率，通過(guò)CVT換擋試驗(yàn)得到動(dòng)力傳遞效率隨傳動(dòng)比及轉(zhuǎn)矩變化的曲線，如圖6 所示。

圖6 CVT 換擋試驗(yàn)變化曲線

由圖6 可知，CVT 傳動(dòng)效率基本不受轉(zhuǎn)矩變化影響，但當(dāng)傳動(dòng)比發(fā)生改變時(shí)傳動(dòng)效率會(huì)發(fā)生較大變化。

將上述主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)曲線按照車輛動(dòng)力傳遞路徑進(jìn)行組合，采用擬合分析法構(gòu)建混合動(dòng)力汽車集成模塊，并通過(guò)實(shí)車道路測(cè)試驗(yàn)證模型的精度及效果。

2 整車模型性能驗(yàn)證

通過(guò)MATLAB/Simulink 集成混合動(dòng)力汽車的各測(cè)試部件，得到整車模型，將其加載到車輛電子控制單元中，之后通過(guò)道路試驗(yàn)分別對(duì)車輛動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2.1 動(dòng)力性驗(yàn)證

車輛動(dòng)力性主要從最高車速、最大爬坡度及加速時(shí)間3 個(gè)方面進(jìn)行分析，本文選取混合動(dòng)力轎車作為測(cè)試建模車型，將車輛加速能力作為主要?jiǎng)恿π灾笜?biāo)進(jìn)行分析，通常采用起步加速時(shí)間和超車加速時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，所以本文對(duì)加速時(shí)間進(jìn)行分析，不同動(dòng)力混合模式下的加速性能如圖7所示。

圖7 加速性能曲線

圖7 中輕度混合模式是指以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為輔，中度混合模式是指發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷占比相同，重度混合模式是指以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為輔。由圖7 可知，當(dāng)車輛從起步加速到50 km/h 時(shí)，輕度混合模式的加速時(shí)間最短為8.3 s 左右，中度混合模式的加速時(shí)間為9.2 s 左右，重度混合模式的加速時(shí)間最長(zhǎng)為10.1 s 左右，發(fā)動(dòng)機(jī)比電動(dòng)機(jī)具有更大的驅(qū)動(dòng)性能。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)比電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，輕度混合時(shí)以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，加速用時(shí)更短；重度混合時(shí)以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)平穩(wěn)、加速用時(shí)更長(zhǎng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于輔助動(dòng)力模式，整車能耗相比輕度混合模式更小。圖7 中車輛加速性能與實(shí)車相應(yīng)模式下加速性能基本一致，說(shuō)明所構(gòu)建的整車動(dòng)力系統(tǒng)比較準(zhǔn)確。

基于整車模型和實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行車速對(duì)比，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 車速對(duì)比測(cè)試結(jié)果曲線

由圖8 可知，不同動(dòng)力模式下的實(shí)際車速與模型的目標(biāo)車速較一致，說(shuō)明所建立的動(dòng)力學(xué)模型精度較高，能夠較好體現(xiàn)車輛的動(dòng)力特性，通過(guò)模型計(jì)算得到的最高車速為121.6 km/h，接近實(shí)際最高車速。

2.2 經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證

經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證主要分析所構(gòu)建模型的能量管理策略的可行性及電池組續(xù)駛性能的可靠性。圖9為電池組SOC 性能測(cè)試曲線。

圖9 電池組SOC 變化曲線

由圖9 可知，電池組SOC 能夠較長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，當(dāng)車輛處于CD（Charge-Depleting，電量消耗）模式時(shí)，主要由ISG 電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)只在高速或高負(fù)荷時(shí)才作為輔助動(dòng)力源啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。CD 模式中，除有部分制動(dòng)能量回收外，電池組處于放電狀態(tài)，其SOC 持續(xù)降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定限值時(shí)，車輛進(jìn)入CS（Charge-Sustaining，電量保持）模式，發(fā)動(dòng)機(jī)成為主要?jiǎng)恿υ?，電池組SOC 維持一定水平。當(dāng)SOC 下降到0.3 左右時(shí)，電池組處于深度放電狀態(tài)，車輛續(xù)駛平均時(shí)間可以超過(guò)5 000 s 以上，基本滿足續(xù)駛可靠性要求，上述設(shè)置驗(yàn)證了模型能量管理策略的有效性。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，對(duì)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行測(cè)試，得到燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化曲線，如圖10 所示。

圖10 車輛燃油消耗率變化曲線

由圖10 可知，發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速處于負(fù)荷率較高的工作區(qū)間，此時(shí)燃油消耗率較低，節(jié)省了能耗，同時(shí)車輛的排放水平也較低，所構(gòu)建的整車模型的經(jīng)濟(jì)性滿足目標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性與燃油車相近，但其排放水平與能耗更接近純電動(dòng)汽車。本文采用試驗(yàn)測(cè)試法構(gòu)建混合動(dòng)力汽車模型，并通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果顯示，不同混合動(dòng)力模式車輛加速到中等車速時(shí)的加速時(shí)間與實(shí)車模式基本一致，最高車速接近車輛實(shí)際最高車速，電池組處于深度放電狀態(tài)時(shí)車輛續(xù)駛能力較強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高效率工作區(qū)域運(yùn)行時(shí)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性得到明顯改善。后續(xù)會(huì)繼續(xù)完善模型并進(jìn)行更復(fù)雜工況的性能測(cè)試，進(jìn)一步提升模型精度和可靠性。