傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)混合動力基準(zhǔn)研究

白云生

摘 要：文章將采用傳統(tǒng)汽車為對象，搭建基于Artemis URM130循環(huán)工況，將其轉(zhuǎn)為并聯(lián)式混合動力汽車的基準(zhǔn)研究。以提升車輛燃油經(jīng)濟性為目標(biāo)，傳統(tǒng)汽車與仿真混合動力汽車為對象，研究車輛在重新設(shè)計過程中并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)工作的較優(yōu)燃油經(jīng)濟性算法。研究結(jié)果表明，在Artemis URM130循環(huán)工況中，并聯(lián)式混合動力汽車在低速且電池電量較高時，能有效提高燃油經(jīng)濟性;在較高速段合理控制發(fā)動機工作策略將有效提升車輛續(xù)航能力。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車 基準(zhǔn)研究 循環(huán)工況 燃油經(jīng)濟性

Benchmark Research on Converting Traditional Vehicles to Hybrid Power

Bai Yunsheng

Abstract：This article will use traditional cars as the object to build a benchmark study based on Artemis URM130 cycle conditions and turn it into a parallel hybrid electric vehicle. With the goal of improving vehicle fuel economy， traditional vehicles and simulated hybrid vehicles are the objects to study the optimal fuel economy algorithms for parallel hybrid power systems during vehicle redesign. The research results show that in Artemis URM130 cycle conditions， parallel hybrid electric vehicles can effectively improve fuel economy at low speeds and high battery power; reasonable control of engine working strategies at higher speeds will effectively improve vehicle endurance.

Key words： hybrid vehicle， benchmark research， drive cycle， fuel economy

1 引言

在環(huán)境污染及能源短缺雙重制約下，各種新能源或節(jié)能汽車相繼出現(xiàn)在汽車市場。伴隨各國推出汽車節(jié)能減排制度與相關(guān)政策，各大廠商也著手加大研發(fā)優(yōu)化燃油經(jīng)濟性與開發(fā)新能源的力度。混合動力汽車作為介于傳統(tǒng)汽車與純電動汽車之間的過渡車輛，由于其油電混合的特性在汽車市場也持有可觀占比。繼上世紀(jì)末日本后，多數(shù)廠商在對其已發(fā)售車輛為原型基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造為混合動力汽車的案例屢見不鮮，可見節(jié)能及新能源汽車的可觀發(fā)展未來。

并聯(lián)式混合動力汽車作為典型的電機與發(fā)動機可以分別且同時提供動力的車型，在汽車驅(qū)動性能上已大幅改善傳統(tǒng)汽車只能燃燒燃油的劣勢。作為混合動力汽車的典型代表，在保有基本燃油經(jīng)濟性優(yōu)勢的前提下，持續(xù)改善其環(huán)境污染及節(jié)能減排也始終是其作為混合動力車型的主要發(fā)展目標(biāo)。現(xiàn)今對混合動力汽車的節(jié)能減排優(yōu)化的主要技術(shù)包括：優(yōu)化改造混動系統(tǒng)與持續(xù)提升控制策略。

優(yōu)化改造混動系統(tǒng)可從原混合動力車輛上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，或?qū)F(xiàn)有傳統(tǒng)車輛模型作為基礎(chǔ)進(jìn)行，這種方式需將重心放在車輛的動力仿真模擬及計算上;控制策略的持續(xù)提升著重在車輛模擬工況下進(jìn)行更合理的能量管理，除了需要考慮機械系統(tǒng)性能以外同時需要結(jié)合混合動力系統(tǒng)中電機扭矩、能量的需求、電池SOC與SOH等因素綜合權(quán)衡，形成電機與發(fā)動機相輔相成的動力總成。

傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)混合動力需要通過對車輛基準(zhǔn)再開發(fā)及布置，結(jié)合循環(huán)工況對改裝后車輛性能進(jìn)行計算對比。同時就循環(huán)工況中純電機驅(qū)動、純發(fā)動機驅(qū)動以及混合驅(qū)動多種工況結(jié)合車輛在具體時間內(nèi)的控制策略來最大化提升車輛燃油經(jīng)濟性。混合動力汽車在本文采用EXCEL搭建車輛基準(zhǔn)模型，結(jié)合Artemis URM130循環(huán)工況進(jìn)行車輛性能計算;CATIA進(jìn)行混合動力系統(tǒng)改造布局，綜合研究傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)混合動力汽車以提升燃油經(jīng)濟性目的的模擬分析。

2 車輛基準(zhǔn)研究

2.1 模擬平臺搭建

模擬采用2012款英版1.4L福特嘉年華作為原車模型進(jìn)行基準(zhǔn)研究。原車基準(zhǔn)參數(shù)如表1所示：

為使模擬數(shù)據(jù)與原車實際數(shù)據(jù)更匹配，圍繞原車進(jìn)行性能及Artemis URM130循環(huán)工況模擬平臺搭建主要從幾個數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真調(diào)整：性能模擬中換擋耗時以0.2秒為基準(zhǔn)，換擋時間參考車輛加速度大于0且發(fā)動機轉(zhuǎn)速在6000rpm以下執(zhí)行，性能模擬中模擬時間參數(shù)為0.1秒總共100秒，車輛運行質(zhì)量按照車輛有效載荷最大指標(biāo)進(jìn)行模擬。

2.2 混合動力系統(tǒng)模擬

混動系統(tǒng)模擬將在原車基礎(chǔ)增加電機、電機控制器、逆變器、電池等電能部件及冷卻相關(guān)管路。系統(tǒng)總質(zhì)量、空間布置等都將對車輛動力性及燃油經(jīng)濟性造成影響，基于動力性能模擬及Artemis URM130循環(huán)工況模擬測試后混動系統(tǒng)相關(guān)部件選擇如表2所示：

值得注意的是，考慮到原車是兩廂車，為在混動系統(tǒng)改造上不過大影響車輛后備廂容量，電池將呈兩塊分別置于發(fā)動機艙與后部底盤，電池單體均采用3.2V棱柱形鋰離子袋狀電池進(jìn)行組合。電機、電機控制器均置于發(fā)動機艙以減小車輛傳動損耗。性能模擬均采用原車相同基準(zhǔn)，Artemis URM130循環(huán)工況中根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速及能量進(jìn)行純發(fā)動機模式、純電機模式以及混合動力模式轉(zhuǎn)換，電機工作與否根據(jù)循環(huán)工況中電池SOC值與車速。

混動汽車布置形式如圖1所示：

3 基準(zhǔn)對比與分析

3.1 模擬結(jié)果對比

原車與混動汽車模型根據(jù)Artemis URM130循環(huán)工況及動力性能仿真，結(jié)果如表3所示：

Artemis URM130循環(huán)工況中發(fā)動機與電機轉(zhuǎn)速如圖2所示：

在模擬結(jié)果中，發(fā)動機基本處于工作狀態(tài)，在車輛速度低于52km/h時（以下簡稱工況一），發(fā)動機能量都將用于電池充電，若電池電量較高，此時發(fā)動機將處于怠速狀態(tài)，車輛速度高于52km/h時（以下簡稱工況二），發(fā)動機將開始工作，此時電機提供能量相對減小，當(dāng)車輛速度高于100km/h時（以下簡稱工況三），車輛屬于高負(fù)荷狀態(tài)運行，不考慮電池SOC值前提下，電機與發(fā)動機均處于高功率運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.2 模擬結(jié)果分析

原車與混動車輛在性能模擬中，由于行駛距離及時間短，不會出現(xiàn)混動車輛電池電量過低的情況。在Artemis URM130循環(huán)工況中，由于車輛運行時間長，電池容量小，在循環(huán)工況測試中后期，需要在發(fā)動機或電機消耗較小時或電池電量較低時保有較好燃油經(jīng)濟經(jīng)性的前提下制定電池充電策略，同時為防止電池出現(xiàn)過放狀態(tài)，當(dāng)電池SOC低于10%時，車輛控制策略會將充電優(yōu)先級提高，以防止此類情況發(fā)生。

在循環(huán)工況一中，最佳燃油消耗狀態(tài)是全程電機工作，如果行駛時間較長，發(fā)動機可發(fā)電對電池進(jìn)行充電，這種控制策略能顯著降低混合動力車輛油耗。在工況二中，有兩種控制策略對混合動力車輛進(jìn)行油耗管理：電池電量較高時，電機可作為輔助動力源根據(jù)發(fā)動機負(fù)荷決定是否加入動力系統(tǒng)提供能量，也可由電機驅(qū)動車輛，當(dāng)電池電量較低或車輛所需速度超過電機能提供最大值時，發(fā)動機介入代替電機工作;電池電量較低時，除了正常制動能量回收以外，將會增加發(fā)動機功率，保證車輛速度的同時對電池進(jìn)行充電。在工況三中，可有兩種控制策略進(jìn)行油耗管理：電池SOC值較高時，電機可對發(fā)動機助力，讓發(fā)動機保有較低油耗同時不影響車速;電池SOC值較低時，增加發(fā)動機負(fù)荷進(jìn)行行車充電模式。

本文研究原車與混動汽車性能對比為基礎(chǔ)，提升混動車輛燃油經(jīng)濟性為目的，因此在上述各工況中，采取低速電機主要驅(qū)動，發(fā)動機主要充電，以及高速時電機輔助驅(qū)動，發(fā)動機行車充電的控制策略將最大化保有混合動力車輛的燃油經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

在Artemis URM130循環(huán)工況中，采用EXCEL搭建性能模擬平臺，可對傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)混合動力汽車改造部件及混合動力系統(tǒng)工況進(jìn)行對比，結(jié)合循環(huán)工況進(jìn)行控制策略篩選達(dá)到提升燃油經(jīng)濟性的目的。通過模擬結(jié)果表明，在Artemis URM130循環(huán)工況中，不考慮電池充電次數(shù)的前提下，低速段采用純電機驅(qū)動，中高速段采用電機輔助驅(qū)動，發(fā)動機進(jìn)行充電的方式能使混合動力車輛保有更佳燃油經(jīng)濟性。

重慶市自然科學(xué)基金項目資助（CSTC2019JCYJ

-BSHX0031）;重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級項目資助（GZY201904-YA）

參考文獻(xiàn)：

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