龐小蘭+李瑤瑤

摘 要 混合動(dòng)力車(chē)與傳統(tǒng)燃油車(chē)型相比，最大的優(yōu)勢(shì)是節(jié)能環(huán)保，原因是其能根據(jù)實(shí)際的車(chē)輛行駛狀態(tài)用不同方式的驅(qū)動(dòng)力提供動(dòng)力源。以某傳統(tǒng)燃油車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力源總功率和各性能指標(biāo)的分析計(jì)算，初步確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電動(dòng)機(jī)功率和蓄電池功率；進(jìn)而應(yīng)用Advisor的仿真計(jì)算建立該車(chē)的混合動(dòng)力系統(tǒng)整車(chē)模型，并進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)Simulink進(jìn)行仿真模型測(cè)試，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算，從而確定最優(yōu)的動(dòng)力匹配，使得該車(chē)比原車(chē)更加節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞 混合動(dòng)力車(chē) ；動(dòng)力系統(tǒng) ；建模 ；advisor仿真

中圖分類(lèi)號(hào) U469.7

Hybrid Power System Design Using Advisor and Simulink

PANG Xiaolan1） LI Yaoyao2）

（1 Guangdong Polytechnic College， Zhaoqing， Guangdong 526114；

2 South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510641）

Abstract Hybrid vehicles compared with traditional fuel models， the biggest advantage is energy saving and environmental protection. The reason is based on the actual state of the vehicle driving force in different ways to provide power. Based on a traditional fuel vehicle power system， the total power and the performance index is analyzed. It is preliminary determination of engine power， motor power and battery power. The vehicle model of the hybrid system is established by the simulation of Advisor， and the simulation is carried out. According to simulation model test， and the simulation results of the optimal analysis and calculation， it is determined the optimal power matching， to make the car more energy-efficient than the original car environmental protection.

Key words micro-mixer ； numerical simulation ； AC field ； fluid dynamics ； electroosmosis

現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，節(jié)能與環(huán)保成為汽車(chē)技術(shù)的主要研究方向。在國(guó)家政策的大力支持下，新能源汽車(chē)技術(shù)發(fā)展迅速。為了提高混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，需要優(yōu)化混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的能量利用率?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真是混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化和能量控制策略優(yōu)化的重要手段[1]。

1 混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)型特點(diǎn)

原車(chē)型搭載2.5 L的發(fā)動(dòng)機(jī)，工信部測(cè)量百公里油耗10.4 L。本研究在該傳統(tǒng)燃油車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模與分析，原車(chē)型基本參數(shù)（表1）保持不變，分析車(chē)輛的動(dòng)力源匹配，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電動(dòng)機(jī)功率、蓄電池功率，同時(shí)建立動(dòng)力系統(tǒng)模型，并把模型導(dǎo)入到Advisor軟件中進(jìn)行分析計(jì)算仿真。

2 動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇非常關(guān)鍵，因?yàn)樗绊懼?chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。如果匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率過(guò)大，會(huì)造成車(chē)輛的油耗升高，經(jīng)濟(jì)性能下降；如果匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率過(guò)小，那就要匹配大功率電動(dòng)機(jī)來(lái)增加驅(qū)動(dòng)力從而滿足行駛要求，會(huì)造成蓄電池組的電壓過(guò)大，這樣，車(chē)輛的綜合性能下降，生產(chǎn)成本提高。

最高車(chē)速u(mài)max、加速時(shí)間t、最大爬坡度amax是衡量汽車(chē)動(dòng)力性的三大指標(biāo)。下面從這三方面來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率。

2.1.1 最高車(chē)速分析發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率

滿足最高車(chē)速的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為：

公式（1）中，ηT為傳動(dòng)效率；m為整備質(zhì)量；g為重力加速度，取值為9.8 N/kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；

當(dāng)車(chē)輛純油模式工作時(shí)，最高車(chē)速u(mài)max=140 km/h，代入表1中的基本參數(shù)，則

Pmax1=24.98 kw

2.1.2 加速時(shí)間分析發(fā)動(dòng)機(jī)功率

滿足0-100 km/h的加速時(shí)間為15 s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率為：

公式（2）中，ut為t時(shí)刻的車(chē)速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，為0-100 km/h的加速度，其余參數(shù)與公式（1）中含義相同。

當(dāng)車(chē)速u(mài)t=100 km/h，代入表1中的基本參數(shù)，則

Pmax2=29.65 kw

2.1.3 最大爬坡度amax分析發(fā)動(dòng)機(jī)功率

滿足最大爬坡度為30 %，車(chē)速為25 km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率為：

公式（3）中，ut為爬坡時(shí)的穩(wěn)定車(chē)速，取值25 km/h；α為最大爬坡度，取值為30 %，換算為角度約16.7°；其余參數(shù)與公式（1）中含義相同。代入表1中的參數(shù)值，則

Pmax3=42.80 kw

根據(jù)上面的分析計(jì)算，考慮汽車(chē)空調(diào)、散熱風(fēng)扇等附件的消耗功率，發(fā)動(dòng)機(jī)需要有一定的備用功率，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)大于為50 kw，所以選定型號(hào)為HM484Q-A，功率為60 kw的發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2 電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車(chē)上電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等多種，本文采用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速、最大功率和額定功率，下面從這2個(gè)方面分析電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。

2.2.1 分析最高轉(zhuǎn)速nmmav和額定轉(zhuǎn)速nmr

電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速影響著電動(dòng)機(jī)的最大功率和額定功率，同時(shí)還會(huì)影響到底盤(pán)傳動(dòng)的尺寸設(shè)計(jì)和位置布置。在電動(dòng)機(jī)功率一定的情況下，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速滿足公式（4）的關(guān)系。

nmmav=nmr×β （4）

公式（4）中，nmmav表示最高轉(zhuǎn)速；nmr表示額定轉(zhuǎn)速；β表示電動(dòng)機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，β值一般為4-6[2]。

2.2.2 分析最大功率pmmax和額定功率pmr

該車(chē)型的電動(dòng)機(jī)在起步、加速、爬坡時(shí)電動(dòng)機(jī)工作，同時(shí)，在蓄電池電量充足時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)純電動(dòng)模式運(yùn)行。因此，本文從純電動(dòng)模式分析其參數(shù)的設(shè)定。

當(dāng)車(chē)輛以80 km/h純電動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的額定功率為：

公式（5）中，Pmr為電機(jī)的額定功率，ut為純電動(dòng)模式下的最高車(chē)速。代入表1中的參數(shù)值，則：

Pmr=13.35 kw

同時(shí)在純電動(dòng)模式下考慮爬坡的情況，當(dāng)在坡度為30 %的路面上以不低于20 kw/h的速度行駛時(shí)，代入式（3）中，Pmr的值為34.20 kw。綜合考慮，選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為BS45-3200/320，額定功率為40 kw。

2.3 蓄電池組的選用

車(chē)輛在純電動(dòng)模式下，蓄電池組不但要提供能量給發(fā)電機(jī)，而且還需要保證發(fā)動(dòng)機(jī)附件的正常工作電量。蓄電池的連續(xù)運(yùn)行額定功率應(yīng)滿足牽引電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的連續(xù)功率之和要求[3]。

當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)SOC在30 %-40 %時(shí)，蓄電池連續(xù)運(yùn)行的功率為：

Pb=■ （6）

公式（6）中，Pb為蓄電池連續(xù)運(yùn)行功率；pm為電動(dòng)機(jī)額定功率；pma為發(fā)動(dòng)機(jī)附件功率；ηm為能量轉(zhuǎn)換效率，取值0.85。由此可知，Pb=58.82 kw。

蓄電池是直接給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，它必須滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作要求，因此，在匹配電池參數(shù)時(shí)還需考慮以下幾個(gè)原則[4]：

（1）蓄電池的電壓和電流范圍必須滿足牽引電機(jī)的電壓和電流的工作范圍；

（2）放電功率范圍必須覆蓋電機(jī)驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)的最大功率范圍；

（3）電池能量滿足整車(chē)按標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況行駛的要求。

由前面的計(jì)算可知，要選擇的蓄電池的輸出功率必須大于所計(jì)算得到的峰值功率，這樣才能滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作需求和車(chē)輛行駛要求。最終選擇蓄電池規(guī)格為112節(jié)標(biāo)稱容量為180 A.h、單體額定電壓為3 v的鋰離子電池，額定電壓為112×3=336 V，額定容量（A.h）為336*180=60.48 kWh。因此，該混合動(dòng)力車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

3 混合動(dòng)力動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型的建立

在上述分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，在該混合動(dòng)力車(chē)的工作模式和能量傳遞方向如圖1 A-D所示。

在車(chē)輛起步或低速運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，蓄電池給電動(dòng)機(jī)電能驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行，此時(shí)蓄電池處于放電狀態(tài)。

在車(chē)輛正常行駛階段，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，同時(shí)，發(fā)電機(jī)有發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力給蓄電池充電。當(dāng)蓄電電池電量充足時(shí)，蓄電池通過(guò)變頻器給電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行。

在全負(fù)荷階段，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)一起提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，保證車(chē)輛有足夠的動(dòng)力運(yùn)行。

在車(chē)輛減速或制動(dòng)模式中，通過(guò)制動(dòng)能力回收系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)模式工作，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。

在計(jì)算分析和工作模式的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)Advisor和Simulink仿真建模和數(shù)學(xué)建模，把各個(gè)模塊加入到整車(chē)模型中，并進(jìn)行連接，其總體的仿真模型如圖2所示。

4 混合動(dòng)力車(chē)性能仿真及結(jié)果分析

汽車(chē)在實(shí)際行駛過(guò)程中不可能長(zhǎng)時(shí)間在穩(wěn)定車(chē)速下行駛，尤其是在市區(qū)行駛時(shí)，常常伴有頻繁的加速、減速、怠速、停車(chē)等行駛工況。行駛工況應(yīng)該是在對(duì)實(shí)際路面和交通狀況的大量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上得出的，能夠反映車(chē)輪戰(zhàn)實(shí)際使用中的狀況[5]。因此，在advisor模擬仿真中，選用日本的10-15工況來(lái)進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖3-6所示。

由理論分析可知，在其他條件不變，只有發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池組的公路發(fā)生改變時(shí)，對(duì)于整車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的函數(shù)關(guān)系如公式7-12所示。

由于該函數(shù)的多變量非線性函數(shù)，利用Simulink進(jìn)行仿真模型測(cè)試，在保持車(chē)量的外形尺寸不變，整車(chē)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)不改變，只調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池組的功率，使得動(dòng)力源優(yōu)化分配，提取到的優(yōu)化后的結(jié)果是：發(fā)動(dòng)機(jī)功率為42 kw，蓄電池功率為36 kw，電動(dòng)機(jī)功率為50 kw，并根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行仿真，車(chē)輛在高速路HW EFT循環(huán)工況下得到的仿真結(jié)果如圖7-10所示。

由此分析，原車(chē)性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的整車(chē)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所示。

可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的混合動(dòng)力車(chē)最高車(chē)速與原車(chē)的最高車(chē)速相等，加速能力和爬坡能力比原車(chē)稍好，但是綜合油耗明顯下降，HC、CO、NOx的排放性明顯比原車(chē)有很大的改善，所以達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)某傳統(tǒng)燃油車(chē)輛進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)二次計(jì)算設(shè)計(jì)，并進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)建模，利用Advisor和simulink仿真軟件進(jìn)行仿真分析，由仿真結(jié)果可知，該混合動(dòng)力車(chē)型無(wú)論在起步、低速路況還是在加速、減速模式下都能適應(yīng)城市或高速路況，說(shuō)明該車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型實(shí)用、可行。

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