宋百玲,黃 瑾

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

目前汽車行業(yè)普遍看好混合動(dòng)力汽車——一種兼顧環(huán)保性、動(dòng)力性、續(xù)航性的新能源汽車.現(xiàn)階段混合動(dòng)力汽車主要是指油電混合動(dòng)力汽車，目前來(lái)看，只有混合動(dòng)力汽車才能在現(xiàn)有技術(shù)條件下很好的滿足人們對(duì)汽車節(jié)能環(huán)保、動(dòng)力續(xù)航的要求. 在全世界范圍內(nèi)，混合動(dòng)力汽車技術(shù)尚處于初級(jí)發(fā)展階段，我國(guó)同世界汽車工業(yè)強(qiáng)國(guó)此時(shí)處于同一起跑線.混合動(dòng)力汽車按照發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的不同分為并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(PHEV)，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(SHEV)，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(PSHEV)三種類型[1]. 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(PHEV)的動(dòng)力源可以是電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合，通過(guò)動(dòng)力耦合裝置驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn). 發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)通過(guò)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示.

Advisor(Advanced Vehicle simulator)是高級(jí)汽車仿真器，屬于后向仿真為主的軟件，其從循環(huán)工況出發(fā)，計(jì)算各部分部件所需提供的功率/轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，信息從工況出發(fā)經(jīng)過(guò)車輪模型、傳動(dòng)系、控制策略一直到動(dòng)力總成. 另外Advisor還部分采用了前向仿真，形成混合仿真方法.它融合了兩種仿真方法的優(yōu)點(diǎn)，使得以較小的計(jì)算量獲得較高的仿真精度[2].

基于混合動(dòng)力后驅(qū)公交車的基本參數(shù)，利用Advisor 2002對(duì)其進(jìn)行仿真分析. 根據(jù)整車基本參數(shù)及動(dòng)力性要求，建立動(dòng)力學(xué)模型和整車仿真模型.通過(guò)Simulink搭建模塊，建立后驅(qū)車仿真模型.適配所選后驅(qū)車型，利用所建立的后驅(qū)混合動(dòng)力汽車模型進(jìn)行仿真，分析該車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性.

圖1 并聯(lián)混合動(dòng)力簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of parallel hybrid engine

1 后驅(qū)汽車模型建立

1.1 后驅(qū)模塊Traction Control數(shù)學(xué)模型的建立

Traction control主要包括輪胎牽引極限限速子模塊和后輪最大驅(qū)動(dòng)力限制子模塊.輪胎牽引極限限速子模塊主要控制在極限附著條件下驅(qū)動(dòng)時(shí)車輪不打滑的汽車最高車速Vmax、制動(dòng)時(shí)汽車最低車速Vmin.后輪最大驅(qū)動(dòng)力子模塊主要限制汽車要求的驅(qū)動(dòng)力不超過(guò)現(xiàn)有條件下的最大驅(qū)動(dòng)力Fmax. 這兩個(gè)子模塊需要根據(jù)相關(guān)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型來(lái)搭建.

1.1.1 后驅(qū)汽車動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)汽車在行駛過(guò)程中受力情況建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，即驅(qū)動(dòng)力行駛方程[3]，求得極限附著力條件下的最高車速Vmax和最低車速Vmin. 汽車在坡度角為α的路面上行駛，滿足

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

或

(2)

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力(N)；Ff為滾動(dòng)阻力(N)；Fw為空氣阻力(N)；Fi為坡度阻力(N)；Fj為加速阻力(N)；M為整車質(zhì)量(kg)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積(m2)；va為行駛車速(m/s)；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；α為道路坡度角.

當(dāng)加速阻力和坡度阻力為零時(shí)，在極限附著力下汽車所能達(dá)到的最大車速vmax：

(3)

計(jì)算vmax是為了限制從車輛模塊傳來(lái)的請(qǐng)求車速不會(huì)超過(guò)此速度與初始速度v0的均值.接下來(lái)計(jì)算車輛制動(dòng)時(shí)達(dá)到極限附著條件時(shí)所能得到的最小車速vmin，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力變?yōu)橹苿?dòng)力，達(dá)到極限時(shí)最大驅(qū)動(dòng)力變?yōu)樽畲笾苿?dòng)力且方向相反.

Ftmax=-Fbmax

(4)

Fb=Fzφ

(5)

式中：Fz為地面垂直反作用力(N)；φ為附著系數(shù).

將公式(2)、(4)、(5)聯(lián)立即可得出極限條件下最小車速vmin：

(6)

計(jì)算vmin是為了限制從車輛模塊傳來(lái)的需求車速必須大于此速度與v0的均值.

1.1.2 Simulink 仿真模塊的建立

基于所建立的數(shù)學(xué)模型，在Simulink環(huán)境中建立牽引力極限限速子模塊見(jiàn)圖2，此模塊輸出的是被限制后的平均速度.汽車驅(qū)動(dòng)力由后輪提供，后軸載荷與路面最大附著系數(shù)的乘積即為后輪所能提供的最大驅(qū)動(dòng)力. 最大限制驅(qū)動(dòng)力Fmax的子模塊如圖3.

圖2 牽引極限限速子模塊Fig.2 Sub module of speed limiting of traction

圖3 最大驅(qū)動(dòng)力限制子模塊Fig.3 Sub module of maximum driving force

該模塊輸出的是后軸載荷和被限制的驅(qū)動(dòng)力[4]. 將圖2和圖3兩個(gè)子模塊封裝連接相關(guān)線路后得Traction Control 模塊，如圖4所示.

圖4 Traction Control模塊Fig.4 The module of Traction Control

1.2 Traction Control后驅(qū)模塊的嵌入

根據(jù)建立好的后驅(qū)牽引力控制模塊(Traction Control)封裝好后，拷貝到par中，連接接口，將par 重命名為par_hou重新裝入Simulink控制庫(kù)中.建立后驅(qū)車頂層仿真模型如圖5所示.

1.3 后驅(qū)混合動(dòng)力汽車GUI模型

把所建立的模型嵌入到Advisor平臺(tái)的GUI界面，進(jìn)行裝載文件的配置，將Advisor自帶的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車PARALLEL_defaults_in.m整車配置文件另存為PARALLEL_hou_defaults_in.m，然后對(duì)其m文件進(jìn)行編輯如圖6所示.

打開(kāi)Advisor中GUI界面optionlist中的all_menus.mat文件，通過(guò)程序語(yǔ)句在動(dòng)力系統(tǒng)中增加剛才定義的混合動(dòng)力后驅(qū)構(gòu)型parallel_hou，在options_drivetrain中添加驅(qū)動(dòng)鏈.同時(shí)在MATLAB命令窗口中輸入如下命令：

options.input_file_names=optionlist(′add′,′input_file_names′,′PARALLEL_hou_dafaults_in′);options.drivertrain=optionlist(′add′,′drivetrain′,′parallel_hou′)，完成操作.同時(shí)修改Advisor中相關(guān)m文件，完成GUI嵌入過(guò)程.

2 動(dòng)力總成匹配

2.1 整車基本參數(shù)及性能要求

根據(jù)建立的并聯(lián)混合動(dòng)力客車仿真模型，對(duì)仿真車型的動(dòng)力總成部分進(jìn)行選型及仿真參數(shù)的匹配，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池，變速器等[5]. 仿真對(duì)象車輛的基本參數(shù)和期待的動(dòng)力要求見(jiàn)表1和2.

表1 整車基本參數(shù)
Tab.1 Fundamental parameters of vehicles

參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值整車參數(shù)總質(zhì)量/kg14000整備質(zhì)量/kg11800風(fēng)阻系數(shù)0．62迎風(fēng)面積/m26．1軸距/mm5285滾阻系數(shù)0．006后軸載荷系數(shù)0．55滾動(dòng)半徑/m0．470變速器五檔自動(dòng)變速器(5．7853．3081．6231．00．772)

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)選型與參數(shù)匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)作為混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ矗枰哂凶銐虻墓β黍?qū)動(dòng)車輛正常行駛，克服各種阻力，滿足多種工況需求. 最高車速越高， 要求的發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大；汽車后備功率越大，加速與爬坡能力必然越好. 設(shè)計(jì)中先從保證汽車預(yù)期的最高車速初選發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有的功率. 作為并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ?，根?jù)汽車?yán)碚撝R(shí)算出滿足動(dòng)力性的理論需求功率，根據(jù)汽車所受到的各項(xiàng)阻力以及獲得的動(dòng)力，可以得到汽車行駛方程式(2)，將式(2)等號(hào)兩邊同時(shí)乘上車速v，經(jīng)過(guò)單位變換得到汽車行駛功率平衡方程[6]

表2 混合動(dòng)力客車動(dòng)力要求
Tab.2 Power requirements of hybrid engine buses

參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值最高車速/km·h-11000～50km/h加速時(shí)間/s≤2310km/h車速最大爬坡度≥22%最大爬坡度/

(7)

由公式(7)計(jì)算整車發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率進(jìn)行計(jì)算，需要分別計(jì)算在最高車速、最大爬坡性能、最大加速性能所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)功率.

1)根據(jù)要求的最高車速確定P1max

所研究的車型最高車速要求為vmax=100km/h. 根據(jù)式(7)，可得在最高車速時(shí)所需發(fā)動(dòng)機(jī)功率為

(8)

式中：CD=0.62；A=6.1m2.經(jīng)計(jì)算得出P1max=78.85 kW，也可以根據(jù)式(8)在MATLAB中進(jìn)行編程，得出所需功率與最大車速的關(guān)系圖，如圖7所示.

圖5 后驅(qū)車頂層仿真模型Fig.5 The simulation model of rear wheel driving vehicles

圖6 配置文件修改Fig.6 The modification of configuration file

圖7 驅(qū)動(dòng)功率與最高車速的關(guān)系Fig.7 The relationship between driving power and maximum speed

2)根據(jù)要求的爬坡性能確定P2max

整車對(duì)爬坡度的要求是以10 km/h車速在坡度至少為22%的坡道上行駛，根據(jù)式(7)可以列出爬坡時(shí)所需最大功率：

(9)

式中：αmax=artcan(imax/100). 經(jīng)計(jì)算得出P2max=91.49 kW. 同樣，根據(jù)式(9)也可以在MATLAB中編程，得出功率、爬坡車速、坡度三者的關(guān)系如圖8所示.

圖8 功率、爬坡車速、爬坡度關(guān)系圖Fig.8 The relationship of power climbing speed and slope

3)由加速性能確定最大需求功率P3max

整車對(duì)加速性能的要求是0～55 km/h加速時(shí)間不多于23s，根據(jù)式(7)可得出

(10)

汽車起步加速過(guò)程中的車速曲線，可通過(guò)下面的公式進(jìn)行擬合：

(11)

式中：vm為加速后末速度(km/h)；tm為加速時(shí)間(s)；x為擬合系數(shù)(取0.5).

將式(10)與式(11)聯(lián)立，再將其積分求平均值即可得出由加速時(shí)間與加速末車速確定的所需功率方程式：

(12)

計(jì)算得出：P3max=89.93 kW，同樣得出了加速時(shí)間與末速度、功率的關(guān)系圖如圖9所示.

圖9 末速度、加速時(shí)間、需求功率關(guān)系圖Fig.9 The relationship of end speed，acceleration time and demand power

綜上，發(fā)動(dòng)機(jī)功率必須滿足下列關(guān)系式：

Pmax=max(P1max,P2max,P3max). 所以，發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pmax至少為91.49 kW，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)需要給空調(diào)等電器附件提供功率，所以功率應(yīng)該適當(dāng)大于91.49 kW. 綜合考慮，選擇102 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，即選擇3.0 L六汽缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率為102 kW，最大轉(zhuǎn)矩214.2 N·m，最大轉(zhuǎn)速4 875 r/min.

2.3 電動(dòng)機(jī)選型與參數(shù)匹配

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車上的電動(dòng)機(jī)主要起輔助動(dòng)力作用，當(dāng)車輛處于發(fā)動(dòng)機(jī)低效率工作區(qū)時(shí)，電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性[5]. 根據(jù)需求選擇交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)車輛的要求指標(biāo)(即電動(dòng)機(jī)需要保證車輛能保持最高50 km/h車速行駛，還需要滿足以10 km/h的速度在22%的坡道上行駛)來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的功率.

根據(jù)最高穩(wěn)定車速確定電動(dòng)機(jī)功率為

(13)

得出Pmoto1=22.56 kW(ηm為電動(dòng)機(jī)效率估計(jì)值).根據(jù)汽車以10km/h的速度爬22%的坡度，得出所需動(dòng)力源功率為

Pmoto2=

(14)

得出Pmoto2=107.7 kW，則需要的電動(dòng)機(jī)功率Pmotomax>max(Pmoto1,Pmoto2). 經(jīng)過(guò)考察，決定選用Advisor自帶的MC_AC124交流電動(dòng)機(jī)，額定功率124kW，其外特性曲線以及工作效率曲線如圖10所示.

圖10 交流電機(jī)外特性曲線Fig.10 The external characteristic curve of AC motor

2.4 蓄電池選型及參數(shù)匹配

混合動(dòng)力電池選用鉛酸蓄電池，其性能可靠，價(jià)格便宜，滿足混合動(dòng)力車型的需求，且目前也普遍應(yīng)用在混合動(dòng)力客車上[7]. 電池參數(shù)選擇應(yīng)該保證純電動(dòng)續(xù)航能力和足夠的輸出功率.根據(jù)匹配好的電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，選擇12V鉛酸蓄電池串聯(lián)24個(gè)，蓄電池的電壓為288V. 按照整車的設(shè)計(jì)指標(biāo)，客車以純電動(dòng)模式保持v0=40km/h的車速續(xù)航要求達(dá)到S=35km，則電池所需要的能量為

(15)

得出Es=13.8kW·h，此時(shí)電池容量C=50Ah. 考慮到電池使用循環(huán)壽命要求，SOC要在較高范圍內(nèi)工作，所以選取Advisor中的91Ah的鉛酸蓄電池，其含有25個(gè)單個(gè)電壓為12V的電池模塊進(jìn)行串聯(lián)，額定電壓為300V. 蓄電池的工作電壓與其SOC有關(guān)，關(guān)系如圖11所示.

圖11 電池SOC與電壓的關(guān)系Fig.11 The relationship between SOC and voltage of battery

3 性能仿真及結(jié)果分析

根據(jù)建立的整車模型和部件的相關(guān)參數(shù)，輸入整車參數(shù)進(jìn)行仿真，并對(duì)基本參數(shù)相同的傳統(tǒng)客車進(jìn)行仿真，分析對(duì)比兩者油耗.

3.1 仿真工況的選擇

由于仿真對(duì)象為城市客車，綜合考量各種循環(huán)工況后，決定采用使用較廣泛的美國(guó)FTP75循環(huán)工況[8-10]. 設(shè)置最大爬坡度和加速測(cè)試，仿真測(cè)試的設(shè)置窗口如圖11所示.

圖12 最大爬坡度測(cè)試、加速測(cè)試設(shè)置窗口Fig.12 The window of maximum climbing test and accelerated test

在FTP工況下仿真，循環(huán)工況輸出車速變化(取前430s)和電池組SOC值變化如圖13、圖14所示.

為了進(jìn)一步看清跟隨情況，取前430s的時(shí)間進(jìn)行分析. 由此看出，工況要求車速與車輛實(shí)際輸出車速基本相吻合(實(shí)線為實(shí)際車速，虛線為要求車速)，差別很小，說(shuō)明車輛動(dòng)力性是比較充足的.

圖13 前430s車速跟隨情況Fig.13 The following situation of former 430s speed

圖14 電池SOC變化Fig.14 Changes of battery SOC

從圖12～15可以看出，當(dāng)循環(huán)工況中車速需求較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)共同工作，動(dòng)力電池組SOC值下降，為電機(jī)提供能量；當(dāng)車速需求明顯變小或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)根據(jù)SOC值變化情況提供轉(zhuǎn)矩或是對(duì)電池組充電.

3.2 對(duì)比分析

3.2.1 混合動(dòng)力客車仿真結(jié)果

在FTP工況下，混合動(dòng)力汽車的仿真結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 混合動(dòng)力客車性能表現(xiàn)
Tab.3 The performance of hybrid engine bus

項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求FTP工況仿真結(jié)果百公里油耗/L·km-1/30．6最高車速/km·h-1100135．4最大爬坡度/10km·h-1≥2237．80～55km/h加速時(shí)間/s≤2310．9

3.2.2 與傳統(tǒng)客車油耗對(duì)比

為了能更好的突出混合動(dòng)力車輛的優(yōu)越性能，本次采用傳統(tǒng)客車作為對(duì)比車型，其一切相關(guān)參數(shù)與本文對(duì)象車輛一致. 該車運(yùn)行FTP75工況后得出的燃油消耗與混動(dòng)客車對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 油耗對(duì)比
Tab.4 The comparison of fuel consumption

燃油消耗/L·(100km)-1混動(dòng)客車傳統(tǒng)客車節(jié)油率30．644．931．8%

通過(guò)表3、表4對(duì)比可以看出，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，且與傳統(tǒng)客車相比，混合動(dòng)力客車節(jié)油率為31.8%，具有良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性.

4 結(jié)論

通過(guò)建立的混合動(dòng)力客車車輛行駛動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型和仿真模型，進(jìn)行了FTP75工況下的車輛動(dòng)力性和油耗的仿真分析，仿真結(jié)果表明：

(1)所建立的混合動(dòng)力客車模型功能完善，通用性強(qiáng). 在數(shù)字環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛不同工況下相關(guān)參數(shù)的測(cè)試.

(2)車輛動(dòng)力總成的匹配合理. 仿真結(jié)果表明所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池等動(dòng)力部件的選型及參數(shù)匹配合理.

(3)匹配的混合動(dòng)力客車的動(dòng)力總成滿足設(shè)計(jì)要求，燃油消耗改善明顯. 車輛的最高車速、最大爬坡度及加速時(shí)間均很好的達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，較傳統(tǒng)客車節(jié)油31.8%.

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