錢超 馮國勝 張小榮 支亞輝

（石家莊鐵道大學）

隨著當前嚴重的環(huán)境污染和石油資源的缺乏[1]，國家對汽車排放的要求越來越嚴格，“中國制造2025”已經將新能源汽車的研發(fā)作為一項國家戰(zhàn)略。由于受到當前電池技術的影響[2]，混合動力汽車（HEV）成為最合適的汽車減排方案之一。HEV是傳統(tǒng)內燃機和電動汽車的有效組合，它不僅具有電動汽車排放低和油耗低的優(yōu)點[3]，而且使傳統(tǒng)內燃機處于高效工作區(qū)，提高了工作效率，減少了排放，提高了燃油經濟性。同時HEV處于純電動行駛模式時能實現(xiàn)零排放，因此HEV是一種有效的節(jié)能減排方式。ADVISOR作為一款整車性能仿真軟件，采用了獨特的將后向仿真和前向仿真相結合的混合仿真方法，以后向仿真為主，前向仿真為輔[4]，這樣能保證仿真結果的準確性。文章以某小型客車為原型，在其基礎上設計并改裝成混合動力客車。

1 結構設計建模參數(shù)匹配

該小型客車基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某小型客車基本參數(shù)

為改善該小型客車發(fā)動機的工作狀況，提高其經濟性，其建模、仿真及分析思路，如圖1所示。

1.1 結構形式選擇

HEV按照動力傳遞方式主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式3種[5]。串聯(lián)式結構簡單，但是傳動效率較低；并聯(lián)式傳動效率與傳統(tǒng)汽車接近，而其經濟性能得到明顯提高；混聯(lián)式具有串聯(lián)和并聯(lián)式的共同優(yōu)點，控制簡單，但是其結構復雜[6]。綜合考慮本次設計采用并聯(lián)式結構形式，如圖2所示。

1.2 發(fā)動機模塊建模

該小型客車的發(fā)動機型號為EQ6102-Ⅰ，其額定功率/轉速（kW/（r/min））：88/2 800，最大扭矩/轉速（N·m/（r/min））：343/1 600，最低燃油消耗率（g/kW·h）：230，其萬有特性曲線和外特性曲線，如圖3和圖4所示。

依據(jù)圖3和圖4，可將發(fā)動機模塊的轉速范圍、轉矩范圍、發(fā)動機最大轉矩曲線及發(fā)動機燃油消耗率定義成矩陣形式，通過編寫M文件的形式對其進行定義。

1.3 電機的匹配

電機作為并聯(lián)HEV的輔助動力，其功率必須滿足客車最高車速、爬坡度及加速能力的功率需求[7]。通過其峰值功率的計算可以得到客車的動力源總功率峰值要求。具體計算過程，如式（1）～（5）所示。

該客車在最高車速時，確定的最大功率（Pem1/kW）為：

假設爬坡度α=tan α=sin α=0.1時，其爬坡性能決定的最大功率（Pem2/kW）為：

汽車加速到速度為60 km/h時，其加速能力確定的最大功率（Pem3/kW）為：

式中：m——整車滿載質量，取6 300 kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

f1，f3——高速行駛和加速到60 km/h時的滾動阻力系數(shù)，取0.001 29；

vmax——最高車速，取95 km/h；

v0——低速爬坡時車速，取20 km/h；

f2——爬坡行駛時，滾動阻力系數(shù)，取0.008 72；

vi——行駛車速，取60 km/h；

ηt——傳動效率，由于電機到驅動輪只經過單級主減速器，取0.9；

Cd——空氣阻力，取0.6；

A——迎風面積，取4.83 m2；

δb——汽車旋轉質量換算系數(shù)，取1.35。

將各參數(shù)數(shù)值代入式（1）～（3）得：Pem1，Pem2，Pem3分別為38.59，39.15，86.57 kW。考慮20%的加速后備余量，取Pem3=103.88 kW。

因此，小型客車動力源的總峰值功率（P）需要滿足：

由于發(fā)動機功率為88 kW，所以電機功率為：

根據(jù)計算結果，綜合考慮選擇20 kW的無刷直流電機。根據(jù)軟件ADVISOR 2002中的電機模型通過編輯M文件建立MC_AC20電機模型。

1.4 電池參數(shù)匹配

電池作為混合動力汽車的第二動力源，其選擇不僅要考慮滿足提供電功率的需要，還要考慮滿足汽車

式中：Wess——電池實際放出的能量，J；

Wroad——汽車行駛過程中所需能量，J；

Pess——純電動行駛功率，kW；

t——續(xù)駛時間，s；

n——電池數(shù)量；

C——單節(jié)電池的容量，A·h；

U——單節(jié)電池的輸出電壓，V；

f——車速為20 km/h時的滾動阻力系數(shù)，取0.008 72；

S——電池的續(xù)駛里程，取60 km；

vele——純電動行駛車速，取20 km/h。

將各物理量代入式（8），計算得Wroad=10 988.72 J，通過式（6）和式（7）來確定 C，U，n。

根據(jù)計算結果，最終取20%的后備能量，綜合考慮選擇單節(jié)電壓為12 V，容量為105 A·h的電池12個。

1.5 變速機構

該小型客車的變速器為5擋變速器，其變速機構的主減速比 i0=4.875，變速器 1～5擋傳動比 ig1，ig2，ig3，ig4，ig5依次為 4.762，2.808，1.594，1.000，0.756。將變速器和主減速器的質量、主減速比及傳動比參數(shù)通過M文件的形式建立其模型。

1.6 控制策略

控制策略作為電機輔助動力控制的關鍵，決定著混合動力汽車的工作狀態(tài)，其電池SOC值的控制是十分關鍵的，應當讓電池經常工作在內阻較低的SOC范圍內，并且SOC值的波動要較平穩(wěn)。電池在SOC工作區(qū)內，電池組的峰值放電功率應大于電動機的最大需求功率；當SOC值較低由發(fā)動機提供額外充電功率工況下，電池的峰值功率必須滿足整車的充電功率需求。

電機輔助控制策略為蓄電池理想電荷上限：cs_hi_soc為0.85；蓄電池理想電荷下限：cs_lo_soc為0.6；SOC大于下限時，客車采用純電動模式的門檻車速：cs_electric_launch_spd_hi為20km/h；客車采用純電動模式的門檻扭矩系數(shù)：cs_off_trq_frac為0.3，其余用默認值。的續(xù)駛里程[8]。具體計算，如式（6）～（8）所示。

2 性能仿真

HEV的整車仿真需要先選定整車結構類型，即并聯(lián)式HEV類型，然后將已建立的發(fā)動機、變速機構、電機、電池組及控制策略模塊嵌入到ADVISOR軟件中[9]，嵌入后仿真界面，如圖5所示。

為了研究混合動力客車的優(yōu)越性，選用標準美國城市工況作為循環(huán)工況，并且選用一致的加速測試和爬坡能力測試條件，分別對原傳統(tǒng)客車和設計的混合動力客車進行仿真，其仿真結果，如表2所示。圖6示出蓄電池SOC值變化情況；圖7和圖8分別示出混合動力客車和原客車的發(fā)動機實際輸出轉速；圖9和圖10分別示出混合動力客車和原客車的發(fā)動機燃油消耗情況。

表2 某小型客車性能仿真結果對比

由表2的仿真結果可以看出，文章設計的混合動力客車在0～40 km/h的加速時間提高了30.4%；最高加速度提高了62.5%；綜合燃油消耗降低了19%；40 km/h等速油耗降低了12%。

由圖6可以看出，電池SOC值在0.6～0.85之間波動，符合控制策略要求。由圖7和圖8可以看出，混合動力客車在停車狀態(tài)轉速為0，也即是說在停車狀態(tài)中，發(fā)動機關閉，達到節(jié)約油耗的效果。由圖9和圖10可以看出，在停車以及低速時發(fā)動機的燃油消耗為0，也就是說這種工況下只用電機工作，發(fā)動機是關閉的，進而達到降低油耗的目的。

3 結論

以某小型客車為原型的小型混合動力客車的動力系統(tǒng)匹配仿真完成后，與原車型在加速性能、爬坡度及燃油消耗方面進行對比，對于爬坡性能，所設計的混合動力客車與原客車持平，在加速時間、加速度及燃油消耗方面有了顯著提高，體現(xiàn)了混合動力客車較原客車的優(yōu)越性。該混合動力客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方案較為合理，能用于后期試制中。