基于ADVISOR的混合動(dòng)力汽車性能仿真研究

張良，宋秦中，劉旭，朱學(xué)超

基于ADVISOR的混合動(dòng)力汽車性能仿真研究

張良，宋秦中，劉旭，朱學(xué)超

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

節(jié)能和環(huán)保是當(dāng)今世界的兩大主題，仿真分析可以在制作實(shí)車前節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)成本。為改善混合動(dòng)力汽車的性能，在ADVISOR中建立整車仿真模型及蓄電池仿真模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)匹配及選型，對(duì)混合動(dòng)力汽車的最高車速、百公里加速時(shí)間、蓄電池系統(tǒng)的SOC變化情況等性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，改良后的混合動(dòng)力汽車性能能夠達(dá)到要求，車輛的動(dòng)力性以及燃油經(jīng)濟(jì)性都有所提高。

節(jié)能環(huán)保；仿真分析；ADVISOR；混合動(dòng)力汽車

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)兩大問(wèn)題也越發(fā)突出。20世紀(jì)末至今，石油不足、環(huán)境惡劣等全球性難題始終無(wú)法改善。在環(huán)境問(wèn)題逐漸嚴(yán)重的情況下，各國(guó)政府機(jī)關(guān)都制定了更為嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)發(fā)能夠節(jié)能減排的新型汽車已經(jīng)成為各國(guó)汽車公司的首要任務(wù)。“中國(guó)制造2025”已經(jīng)將新能源汽車的研究開(kāi)發(fā)作為一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)汽車的完美結(jié)合。HEV包含了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車與純電動(dòng)汽車兩種汽車的優(yōu)勢(shì)：既具備傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)m(xù)航里程長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有純電動(dòng)汽車節(jié)能環(huán)保的特性。該類型汽車的出現(xiàn)，在一定程度上能夠改善能源、環(huán)境等問(wèn)題不斷惡化的現(xiàn)狀。

1 汽車模型建立

1.1 整車模型建立

一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)汽車動(dòng)力源布置的位置，混合動(dòng)力汽車可以分為串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。其中，串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，但是傳動(dòng)效率較低，部分情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)車輪，要經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的兩次損耗。此外，還需要一個(gè)較小功率的發(fā)電機(jī)，成本較高；混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，成本高，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在長(zhǎng)距離高速行駛過(guò)程中，基本上是不能省油的；并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車較為接近，并聯(lián)構(gòu)型只需要一個(gè)電機(jī)，而且電機(jī)不需要給車輛提供全部的驅(qū)動(dòng)力，電機(jī)的功率可以比較小，可大大降低成本。同時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)和內(nèi)燃機(jī)可以共同驅(qū)動(dòng)車輛，所以極限動(dòng)力輸出更高。綜上所述，本文以并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，改變其車輛性能參數(shù)，以求達(dá)到改善汽車動(dòng)力的目的。

1.2 電池組模型建立

電池組是混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵部位，電池組的質(zhì)量直接影響汽車的動(dòng)力性，對(duì)于能源的節(jié)約與環(huán)境的保護(hù)也起到了關(guān)鍵的作用。蓄電池的內(nèi)阻模型依照動(dòng)力總線所需功率計(jì)算SOC值和有效功率輸出值，車輛行駛過(guò)程中損耗的部分功率按照“庫(kù)侖效率”定律和內(nèi)阻損耗進(jìn)行評(píng)定，從而構(gòu)建全部模型。蓄電池仿真模型包含受限功率模塊、內(nèi)阻模塊、核算電壓模塊、SOC模塊、內(nèi)部電流荷載模塊以及散熱模塊等多個(gè)核算模塊。

1.3 控制策略的制訂

混合動(dòng)力汽車的控制策略決定了汽車的工作狀態(tài)，作為電動(dòng)機(jī)動(dòng)力控制的主要因素，蓄電池SOC值的控制范圍十分重要。汽車在行駛過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將SOC值保持在比較平穩(wěn)的范圍內(nèi)。電池組的峰值放電功率必須比電動(dòng)機(jī)所需的最大功率要高；當(dāng)SOC值降低，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始為電池充電時(shí)，電池組的峰值必須滿足汽車的充電功率需求。蓄電池最為理想的SOC值上下限在0.6～0.85之間。當(dāng)SOC值接近下限時(shí)，汽車改為純電動(dòng)模式。

2 動(dòng)力總成參數(shù)匹配

動(dòng)力總成參數(shù)匹配原則是發(fā)動(dòng)機(jī)功率需要滿足汽車在平坦路面上以最高車速行駛的要求。至于行駛過(guò)程中，當(dāng)汽車需要加速或爬坡時(shí)，其峰值功率由電動(dòng)機(jī)補(bǔ)充。在此基礎(chǔ)上，盡可能地減少電池容量，降低燃油消耗。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)要求有一定的驅(qū)動(dòng)功率，有足夠的動(dòng)力性能和機(jī)動(dòng)性能，能夠滿足混合動(dòng)力汽車的基本動(dòng)力性能要求，并且能夠與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一起提供混合動(dòng)力汽車所需的最大功率，使混合動(dòng)力汽車達(dá)到或接近燃油汽車的動(dòng)力性能水平。發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出功率取值要依據(jù)車輛勻速行駛時(shí)的功率要求，滿足公式：

混合動(dòng)力汽車的整車基本參數(shù)為：傳動(dòng)效率t為0.8，汽車質(zhì)量為1 400 kg，滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.02，風(fēng)阻系數(shù)d為0.34，迎風(fēng)面積為2.5 m2，最高車速為120 km/h。將整車基本參數(shù)代入公式計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為36 kW；發(fā)動(dòng)機(jī)功率余量為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的12%，取值為4.3 kW；汽車各附屬設(shè)備需要消耗功率約為4 kW，得正常工況下汽車的總功率為44.3 kW，為保證車輛在使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車時(shí)整車的動(dòng)力性能，應(yīng)選取功率大于44.3 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)。考慮以上因素，選擇最大功率63 kW，排量1.0 L的發(fā)動(dòng)機(jī)最為合適。

2.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

電動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵輔助動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率等，是在匹配和選型時(shí)需要考慮的主要參數(shù)。根據(jù)混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況，選擇擴(kuò)大恒功率系數(shù)為4～6，最高轉(zhuǎn)速為5 000 r/min的電動(dòng)機(jī)最為合適，計(jì)算公式為：

根據(jù)上述公式，將數(shù)值代入公式，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)額定功率35.5 kW，加上汽車的最大爬坡度20%，求出電動(dòng)機(jī)功率為42.6 kW，所選電動(dòng)機(jī)的最大功率需要大于所求出的實(shí)際功率，因此，最終選擇最大功率為59 kW的電動(dòng)機(jī)，在ADVISOR中，選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為MC_AC59。

2.3 電池組參數(shù)匹配

在汽車運(yùn)行期間，電池組需要反復(fù)地充電和放電，因此對(duì)于混合動(dòng)力汽車而言，有關(guān)電池的配置會(huì)考慮輸入和輸出功率需求、安全性以及電池壽命等主要問(wèn)題。此外，還要考慮實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的成本以及維修問(wèn)題。綜合以上因素，閥控鉛酸電池是一個(gè)比較合適的選擇。

選定電池類型之后，電池組的大小也需要綜合考量。如果電池組的容量太小，會(huì)影響汽車行駛距離，行駛途中充電十分不方便；如果電池容量太大，汽車的體積和質(zhì)量必然會(huì)相應(yīng)的增大，汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都會(huì)降低。綜上所述，初定選取PB25鉛酸電池最為合適。

3 仿真結(jié)果與分析

ADVISOR軟件總共提供了50多種國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的道路循環(huán)供仿真測(cè)試使用，美國(guó)城市道路循環(huán)工況UDDS如圖1所示：選取UDDS道路循環(huán)，用于仿真測(cè)試所設(shè)計(jì)混合動(dòng)力汽車的最高車速、平均車速、百公里加速時(shí)間、百公里油耗及最大爬坡度等車輛性能。

圖1 UDDS道路循環(huán)

將車輛參數(shù)數(shù)據(jù)輸入模型，經(jīng)ADVISOR仿真分析，得到蓄電池系統(tǒng)的SOC值變化。蓄電池系統(tǒng)的SOC值變化如圖2所示：蓄電池系統(tǒng)的SOC值隨著行駛時(shí)間而降低。在前600 s中，蓄電池系統(tǒng)的SOC值下降明顯，之后趨于平緩。從汽車開(kāi)始行駛到實(shí)驗(yàn)結(jié)束的1 800 s時(shí)間中，電池SOC值始終維持在0.6～0.8之間，符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 蓄電池系統(tǒng)的SOC值變化

混合動(dòng)力汽車的仿真性能指標(biāo)如表1所示：通過(guò)仿真可知，車輛的最遠(yuǎn)行駛距離為11.99 km，最高行駛速度為 91.25 km/h，平均車速為31.51 km/h，平均加速度為0.5 km/s2，百公里加速時(shí)間為11.62 s，百公里油耗為5.1 L/km，最大爬坡度為19.8%。上述參數(shù)與預(yù)想的車輛性能基本相符，該混合動(dòng)力汽車各關(guān)鍵部件的參數(shù)選擇基本合理。

表1 混合動(dòng)力汽車的仿真性能指標(biāo)

項(xiàng)目仿真結(jié)果 最遠(yuǎn)行駛距離/km11.99 最高車速/（km/h）91.25 平均車速/（km/h）31.51 平均加速度/（km/s2）0.5 百公里加速時(shí)間/s11.62 百公里油耗/（L/km）5.1 最大爬坡度/（%）19.8

4 總結(jié)

在基于ADVISOR的混合動(dòng)力汽車性能仿真研究中，建立了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的整車模型，建立了混合動(dòng)力汽車的蓄電池仿真模型，匹配了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，并選擇了相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)型號(hào)，對(duì)混合動(dòng)力汽車的最高車速、百公里加速時(shí)間、蓄電池系統(tǒng)的SOC變化情況等車輛性能進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果顯示，該并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的相關(guān)性能均能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而且車輛的動(dòng)力性以及燃油經(jīng)濟(jì)性都有所提高。

ADVISOR軟件在混合動(dòng)力汽車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段能夠起到十分重要的作用，可以提前模擬出車輛的各項(xiàng)動(dòng)力性能量消耗等。在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)初期階段可以很好地評(píng)估整車技術(shù)方案的可行性，減少投資，縮短開(kāi)發(fā)周期。

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U467

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.062

2095－6835（2020）02－0149－02

張良（1988—），男，江蘇蘇州人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程、車輛智能控制。

〔編輯：張思楠〕