后驅串聯混動HEV乘用車整車性能仿真研究

郭濤

摘要：《節能與新能源汽車路線圖2.0》發布，國家鼓勵節能車大力發展。串聯混動HEV具有油耗低、結構簡單等優點。本文以公司開發的某后驅串聯混動HEV樣車為基礎，對動力系統進行了參數選型，對WLTC工況下汽車的整車性能進行了仿真分析，并與燃油版進行了對比。結果表明：該串聯混動HEV動力系統參數選型合理，滿足設定的整車性能目標，與燃油版車型的對比中油耗優勢明顯。

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.

關鍵詞：后驅;聯混動;HEV;阿特金森;整車性能

0? 引言

在傳統汽車向電動汽車的過渡時期，《節能與新能源汽車路線圖2.0》發布，國家鼓勵節能車大力發展。混合動力汽車一方面能夠環保節能，另一方面又避免了傳統汽車工業已形成的龐大生產規模和基礎設施的浪費。因此，混合動力汽車在我國將有比較長的生命力和應用前景。

串聯混動HEV車型，發動機只驅動發電機給電池充電，電動機負責整車行駛，具有良好的燃油經濟性。在中國國內汽車市場上還沒有此類串聯混動HEV銷售，上汽通用五菱汽車股份有限公司基于一款后驅純燃油車，研發了一款后驅串聯混動HEV。

1? 后驅串聯混動HEV動力系統基本結構

串聯混動HEV汽車，車輛的驅動力只來源于電機，不同于增程式電動汽車。增程式電動汽車，是在純電動模式下可以達到其所有的動力性能，而當車載可充電儲能系統無法滿足續航里程要輔助供電裝置為動力系統提供電能，以延長續航里程的電動汽車，且該車載輔助供電裝置與驅動系統沒有傳動軸等傳動聯接。

串聯混動HEV動力系統結構，由發動機、ISG發電機、驅動電機、電池組成，如圖1所示，就是在純電動汽車的基礎上，將大容量電池更換為小容量電池，同時增加發動機和發電機。而發動機僅用于發電，不參與驅動，因此駕駛感受與純電動類似。前置前置的車型，將發動機、發電機橫置。驅動電機也是布置在發動機艙，布置方面比較容易。前置后驅的車型，會將發動機與發電機縱置在發動機艙，將驅動電機與后驅動橋后置用來驅動。

2? 串聯混動HEV主要工作模式

串聯混動HEV主要有三種工作模式：純電模式，當整車電池SOC值高于某一限定值時，發動機關閉不工作，動力全部由動力電池提供動力;混動模式，當動力電池SOC低于某一限定值時，發動機開啟，工作在某一最佳燃油消耗點，輸出功率固定，與動力電池一同為整車提供動力;制動能量回饋模式，在制動過程中，制動能量回收為電池充電。

3? 串聯混動HEV動力系統核心部件參數選擇

3.1 發動機選擇

阿特金森循環發動機是串聯混動HEV動力系統的重要組成部分，在選擇時要充分考慮發動機的特性及功率，汽車的爬坡性能和加速性能可以由汽車的最高車速來體現。因此常根據汽車行駛過程中能達到的最高車速來初步選擇發動機最大功率，此時最大功率應滿足式（1）。

其中Pmax表示車輛以最大車速在平坦路面行駛時所對應的功率;？濁t表示傳動效率;m為整車質量;f表示滾動阻力系數;CD表示空氣阻力系數;A表示車輛迎風面積;Vmax為最高穩定車速。選用的是四缸2.0L阿特金森循環發動機，最大功率為93kW，最大扭矩為167Nm，最高熱效率為39.5%。

3.2 發電機選擇

后驅串聯混動HEV中，發電機把發動機的機械能轉化為電能，給車輛的所有用電器供電，是車輛電能的唯一來源。因此發動機和發電機組成的發電系統的性能和效率優劣直接決定車輛的燃油經濟性，同時對車輛動力性也有一定影響。串聯式混動的結構決定了發動機大多數時間會運行在最高效率的工況，當車輛需要最大輸出功率時，發動機就進入滿功率輸出工況，因此，匹配的發電機設計要求為：①發電機峰值功率應覆蓋發動機性能的峰值輸出;②發電機轉速范圍與發動機轉速范圍乘傳動比后相匹配;③發電機的高效率工作區域與發動機的最高效率區域匹配;④發電機應有優良的NVH性能、高穩定性和低重量。因此增程式電動汽車之中，發電機的選型原則和驅動電機差不多，永磁同步電機還是最適宜的選擇。發電機參數見表1。

3.3 驅動電機

串聯混動HEV中，發動機不直接參與車輛驅動，所有工況下都是僅靠驅動電機來驅動車輛。因此，驅動電機性能的優劣直接決定了車輛的動力性，并且對燃油經濟性也有很大影響。目前主要驅動電機類型有直流電機、異步交流電機、永磁同步電機和開關磁阻電機，其中永磁同步電機以其高功率密度，低速大扭矩，高效率，運行穩定可靠，維護簡單方便等優點成為目前驅動電機的主流類型。因此本項目選擇永磁同步電機作為驅動電機。驅動電機參數見表2。

3.4 動力電池選擇

對于混合動力汽車，電池容量越大，汽車的儲能能力越強，以純電動狀態行駛的距離越長，但是容量越大，質量、體積越大，反而影響車輛的動力性和車輛的布置。因此，要綜合考慮車輛的性能要求和電池比能量、比功率來合理地選擇電池。

4? 整車性能仿真分析

通過CRUISE軟件搭建串聯混動HEV仿真模型，在CRUISE軟件平臺上，將驅動電機系統、動力電池系統、發動機、發電機、傳動系統和整車行駛系統等進行搭建，建立各系統的機械、電氣和控制連接。仿真所需要的整車參數，見表4。

4.1 串聯混動HEV整車動力能分析

動力性是整車性能中重要的指標，通過最高車速、加速時間和最大爬坡度進行評價。表5是仿真結果。

4.2 串聯混動HEV整車經濟性分析

經濟性分析至關重要，國家對油耗有法規方面的明確要求。

第五階段油耗目標值如表6所示。

2020年以后，油耗測試工況將由NEDC工況改變為WLTC工況，故本文對WLTC工況完成了仿真分析。結果見表7。本文把混動車與燃油車的WLTC油耗仿真結果進行了對比，見表8，可見，混動車在油耗方面優勢很明顯。

5? 總結

后驅串聯混動HEV，由于引入了電機、電池等系統，發動機只是用來發電，可以讓發動機運行在高效率區，動力系統會有一個比較高的效率，整車會有良好的燃油經濟性。通過對發動機、電機、電池參數的合理匹配，在軟件中對整車進行了整車性能仿真分析，其結果都達到了設計目標。下一步等樣車制造出來后，對實車進行測試，然后與仿真分析結果進行對比。

參考文獻：

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