整車微混動力仿真計算

王軍，張傲，雷蕾，王宏大，張超

（江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

整車微混動力仿真計算

王軍，張傲，雷蕾，王宏大，張超

（江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

運(yùn)用Cruise軟件對一款微混動力車皮帶驅(qū)動起動機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，搭建混合動力模型，預(yù)測整車的節(jié)油特性和排放指標(biāo)，為后期樣車開發(fā)提供了參考。

混合動力；皮帶驅(qū)動起動機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；仿真計算

0 引言

微混動力BSG技術(shù)可以應(yīng)用于多種車型，包括轎車、多功能車以及貨車，它可以給用戶提供很好的節(jié)油特性和滿足法規(guī)要求的排放指標(biāo)。此系統(tǒng)的益處還包括對不同發(fā)動機(jī)的適應(yīng)性，以及發(fā)動機(jī)或傳動系統(tǒng)的最小變更。

微混動力系統(tǒng)包括復(fù)雜的動力系統(tǒng)控制，帶有精確的電動機(jī)／發(fā)電機(jī)，以及制動能量再生和有效充電等功能。在怠速發(fā)動機(jī)關(guān)閉條件下，NEDC熱機(jī)循環(huán)CO2排放量減少6%。一個超級電容供給現(xiàn)有的12 V電池動力。

1 介紹

混合動力的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢是非常吸引人的，但是相比常規(guī)車輛的高系統(tǒng)成本是不能忽略的。大約節(jié)約4%～6%燃油經(jīng)濟(jì)性，是因為怠速時發(fā)動機(jī)關(guān)閉策略，即在通常怠速條件下關(guān)閉發(fā)動機(jī)。一旦駕駛員需要扭矩時，例如踩油門或者獲得基于重新起動標(biāo)準(zhǔn)的混合控制單元的命令，發(fā)動機(jī)重新起動。

文中研究的混合動力系統(tǒng)安裝在JAC的瑞風(fēng)商務(wù)車上，主動力源采用2.4 L自然吸氣發(fā)動機(jī)，輔助動力源采用法力奧的電動機(jī)／發(fā)電機(jī)取代原發(fā)動機(jī)的發(fā)電機(jī)設(shè)計。通過仿真分析評估它的設(shè)計可行性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。

微混功能主要包括：

（1）怠速發(fā)動機(jī)關(guān)閉，快速起動；

（2） 優(yōu)化的電池充電；

（3）制動能力再生利用。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

總體方案包括皮帶驅(qū)動起動機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、制動能量再生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。皮帶驅(qū)動起動機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是由皮帶驅(qū)動起動機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng) （BSG）來代替標(biāo)準(zhǔn)起動機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和新型傳動帶等。一個發(fā)電機(jī)聯(lián)合一個電機(jī)完成起動機(jī)功能并在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時提供電能。發(fā)電機(jī)和曲軸之間的實(shí)際連接是通過一個皮帶驅(qū)動系統(tǒng)完成的。起動時，由超級電容器向起動／發(fā)電機(jī)提供電能，電機(jī)迅速起動，通過皮帶起動發(fā)動機(jī)。在行車遇到交通紅燈停車時，通過控制系統(tǒng)自動將發(fā)動機(jī)關(guān)閉。

超級電容器組、AC／DC、起動／發(fā)電機(jī)等重要零部件構(gòu)成制動能量再生系統(tǒng)。由車輛制動減速，掛擋行車，倒拖發(fā)動機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，通過皮帶傳動帶動起動／發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，向超級電容器充電，實(shí)現(xiàn)制動能量再生功能。

皮帶驅(qū)動起動機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，替代原來的起動機(jī)和發(fā)電機(jī)。此系統(tǒng)針對起／停功能的性價比很高，微混的目的就是減少燃油消耗和CO2排放。

綜合，系統(tǒng)提供3種不同的功能：

（1）起動機(jī)／發(fā)電機(jī)的可逆向功能，針對起／停功能和發(fā)電機(jī)功能應(yīng)用；

（2）制動能量回收功能，除了酸性電池，通過超級電容將能量儲存起來；

（3）輔助扭矩，通過儲存在超級電容模塊的動力，幫助發(fā)動機(jī)運(yùn)行和停止保護(hù)。

1.2 主要電子元器件

參考圖1，微混動力車電子系統(tǒng)主要由不同的電氣元件組成：

（1）可逆向的起動機(jī)／發(fā)電機(jī)裝置，提供電壓和功率調(diào)節(jié)模式，它主要由一個功率轉(zhuǎn)換器和一個電機(jī)組成；

（2）可逆向的DC／DC轉(zhuǎn)換器，允許在超級電容和網(wǎng)絡(luò)間的能量轉(zhuǎn)換；

（3）超級電容模塊允許在電機(jī)和網(wǎng)絡(luò) （充電－放電） 之間的能量交換；

（4）混合控制單元，作為BSG系統(tǒng)的主要控制模塊；

（5）所有微混系統(tǒng)的模塊通過CAN總線進(jìn)行通信。

2 仿真分析

在技術(shù)方案選擇階段，進(jìn)行系統(tǒng)選擇時，采用計算機(jī)技術(shù)，對混合系統(tǒng)和各部件進(jìn)行建模及仿真，通過對其性能和特性的分析，進(jìn)行系統(tǒng)評估是必不可少的一個環(huán)節(jié)。通過交替使用候選的子系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，從而找到最佳的方案。計算機(jī)模型為每個候選子系統(tǒng)提供了詳細(xì)規(guī)格和設(shè)計參數(shù)，從而方便了設(shè)計者的工作，而且還有助于為設(shè)計和制造樣車制定工程目標(biāo)和計劃。在仿真技術(shù)的研究與軟件開發(fā)中，應(yīng)該遵循的目標(biāo)是精確，即能夠使不同結(jié)構(gòu)的動力傳動系統(tǒng)間的比較有意義。

文中通過仿真分析評估整車微混系統(tǒng)的節(jié)油潛力 （在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況）。采用AVL公司的整車分析軟件Cruise中混合動力模塊進(jìn)行仿真計算，可以預(yù)測燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和駕駛性能，圖2所示為建立的微混動力的整車模型。

2.1 整車仿真邊界條件

整車仿真邊界條件見表1—3。

表1 整車數(shù)據(jù)

表2 發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)

表3 傳動數(shù)據(jù)

2.2 仿真結(jié)果

在混合動力車的駕駛循環(huán)模式和燃油經(jīng)濟(jì)性降低潛力之間，存在一定的因果關(guān)聯(lián)。很明顯，例如，怠速發(fā)動機(jī)關(guān)閉功能僅在有頻繁停車的工況是合適的。NEDC循環(huán)分析顯示發(fā)動機(jī)怠速時間占30% （如圖3），在怠速時關(guān)閉發(fā)動機(jī)，能夠持續(xù)改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖4顯示了針對不同駕駛循環(huán)，江淮瑞風(fēng)微混車由于怠速發(fā)動機(jī)關(guān)閉功能的節(jié)油潛能，在 （NEDC冷機(jī)）4.9%節(jié)油和（NYCC熱機(jī)）15.5%節(jié)油之間存在明顯差異。

通過再生制動能量可以進(jìn)一步降低燃油消耗，這種潛力取決于電動機(jī)的尺寸。在NEDC循環(huán)，三軸144型號4 kW的電動機(jī)能夠產(chǎn)生大約60%的可用能量，見圖5。

在微混動力車型上，再生能量可供用電子裝置，特別在發(fā)動機(jī)停機(jī)時。因此，發(fā)動機(jī)上發(fā)電機(jī)功能 （在正常駕駛工況下）可以弱化，這可以減少2%的燃油消耗。

最后，BSG效率的提高 （相對于常規(guī)發(fā)電機(jī)）對于燃油經(jīng)濟(jì)性的改善有正面的影響，主要取決于電子元件的功率消耗。圖6顯示了對于兩種不同效率的電機(jī)驅(qū)動，電子裝置引起的額外燃油消耗。

3 結(jié)束語

BSG混合動力車，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上使用了一個超級電容器，給電機(jī)提供能量；在系統(tǒng)控制上，起停開關(guān)的模式和系統(tǒng)狀態(tài)變化轉(zhuǎn)換，通過混合控制單元實(shí)現(xiàn)。通過軟件對微混動力車進(jìn)行了建模，仿真結(jié)果表明：預(yù)測的微混車型的節(jié)油性能和排放性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

【1】余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

【2】馮國勝，楊紹普.車輛現(xiàn)代設(shè)計方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

【3】陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

【4】馬芳武.汽車空氣動力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

【5】倪佑民.汽車滑行試驗方法的改進(jìn)和數(shù)據(jù)處理［J］.汽車工程，1982（2）：35－43.

Simulation Calculation of Vehicle’s Mild Hybrid Power

WANG Jun，ZHANG Ao，LEILei，WANG Hongda，ZHANG Chao
（Anhui Jianhuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei Anhui230601，China）

Cruise software was used to carry out simulation analysis onmild hybrid power car belt-starter generotor.A hybrid modelwas built，to predictvehicle’s fuel-efficient characteristics and emission index.The research results provide reference for the later prototype development.

Hybrid power；Belt-starter generotor；Simulation calculation

2014－04－10

王軍（1979—），男，碩士，工程師，研究方向為內(nèi)燃機(jī)工作過程。E-mail：wj.dly.jszx＠jac.com.cn