王曉東，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

在當(dāng)前人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)以及嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)下，發(fā)展新能源汽車越來越受各國政府及車企的重視。根據(jù)某機(jī)構(gòu)采集的北京市2014年冬、春、夏、秋4個(gè)季節(jié)代表月1、4、7、10月的大氣細(xì)顆粒物PM2.5樣品，分析研究了PM2.5質(zhì)量濃度、化學(xué)特征、季節(jié)變化和污染成因。PM2.5主要來源于機(jī)動(dòng)車排放、燃煤、地面揚(yáng)塵和工業(yè)排放，其貢獻(xiàn)率分別為37.6%、30.7%、16.6%和15.1%。降低汽車行駛時(shí)有害物質(zhì)的排放已經(jīng)是各車企不得不面對(duì)的問題。汽車行業(yè)研發(fā)排放量更低的新能源汽車已經(jīng)成為主流趨勢(shì)。[1]

本文以P3+P4形式混合動(dòng)力SUV車型為研究對(duì)象，以純電動(dòng)和油電混合動(dòng)力兩種驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真為側(cè)重對(duì)混合動(dòng)力SUV進(jìn)了簡要的分析。根據(jù)車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)要求制定了混合動(dòng)力SUV的控制策略。在車輛減速或制動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)能量的回收再利用，我們采用AVL-Cruise與Simulink聯(lián)合仿真的方式對(duì)混合動(dòng)力SUV的控制邏輯進(jìn)行分析及對(duì)比，從而確定動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)方案。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)

1.1 P3+P4混合動(dòng)力系統(tǒng)簡介

對(duì)于P0～P4混合動(dòng)力形式而言，P代表并聯(lián)，數(shù)字代表不同的位置，其具體位置如圖1所示：

圖1 混合動(dòng)力形式介紹

K0離合器的作用為在純電動(dòng)模式時(shí)將不參與驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)斷開，保證純電動(dòng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，K1離合器在油電混合動(dòng)力模式時(shí)起到兩個(gè)動(dòng)力源解耦的作用；

P0混合動(dòng)力形式：電機(jī)置于變速箱之前，皮帶驅(qū)動(dòng)BSG電機(jī)(啟動(dòng)、發(fā)電一體電機(jī))。

P1混合動(dòng)力形式：ISG電機(jī)置于變速箱之前，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上，在K0離合器之前。

P2混合動(dòng)力形式：電機(jī)置于變速箱的輸入端，在K0離合器之后。

P3混合動(dòng)力形式：電機(jī)置于變速箱的輸出端，將動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸輸出。

P4電機(jī)置于變速箱之后，與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸分離，一般是驅(qū)動(dòng)無動(dòng)力的車輪。[2]

1.2 建立整車模型

本文著重以P3+P4形式混合動(dòng)力SUV為研究對(duì)象，利用AVL Cruise軟件進(jìn)行整車物理模型搭建。AVL Cruise是一款用于動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的仿真的軟件，主要用于對(duì)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。其模塊化的建模理念使用戶可以便捷的搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型，其復(fù)雜完善的求解器可以確保計(jì)算的速度。

圖2 Cruise整車模型

在驅(qū)動(dòng)形式方面本文以純電動(dòng)和油電混合動(dòng)力兩種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)車輛以純電動(dòng)方式行駛時(shí)，動(dòng)力經(jīng)動(dòng)力電池傳輸給前后電動(dòng)機(jī)，再經(jīng)過主減速器及差速器傳遞至車輪，從而帶動(dòng)車輛行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車輪；當(dāng)車輛以油電混合動(dòng)力方式行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞至前輪，也可根據(jù)需求通過發(fā)電機(jī)向動(dòng)力電池充電，同時(shí)動(dòng)力電池以與純電動(dòng)相同的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)動(dòng)力傳遞路線建立車輛模型，輸入各結(jié)構(gòu)部件所需參數(shù)，如圖2所示。

2 控制策略

該混合動(dòng)力汽車運(yùn)行模式主要分為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、油電混合驅(qū)動(dòng)兩種模式，當(dāng)汽車運(yùn)行在純電動(dòng)模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電池作為獨(dú)立能量源，電池SOC值呈下降趨勢(shì)；當(dāng)電池SOC值低于下限SOCmin或整車需要較強(qiáng)動(dòng)力輸出時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)參與驅(qū)動(dòng)車輛，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)向電池充電，電池再以與純電相同的方式將動(dòng)力傳遞至車輪。

圖3 整車混合動(dòng)力控制策略圖

整車混合動(dòng)力控制策略如圖 3所示，基本控制思路為：首先采集SOC值、踏板信號(hào)、電機(jī)輸出扭矩，當(dāng)電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩 T＜0時(shí)汽車處于制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到電池中；當(dāng)T＞0，電池SOC＞SOCmin， 且電機(jī)可輸出功率大于車輛需求功率，即P電＞P需時(shí)，車輛處于純電動(dòng)模式，蓄電池單獨(dú)為車輛提供能量；當(dāng)T＞0，電機(jī)輸出功率不能滿足車輛所需功率，即P電＜P需，車輛進(jìn)入油電混合動(dòng)力模式，電動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)為車輛提供能量，發(fā)動(dòng)機(jī)通過主減速器及差速器將動(dòng)力傳遞至車輪，同時(shí)通過發(fā)電機(jī)向電池充電，電池再以和純電相同的方式將動(dòng)力傳遞至車輪，此時(shí)車輛可以獲得更好的動(dòng)力表現(xiàn)。按照上述邏輯建立Simulink仿真模型，如圖4所示。[3]

圖4 Simulink仿真模型

3 整車性能分析

3.1 動(dòng)力性分析

車輛動(dòng)力性體現(xiàn)了一輛車動(dòng)力總成系統(tǒng)匹配程度的好壞，也考驗(yàn)了工程師的設(shè)計(jì)水平。我們從原地起步加速時(shí)間、最大加速度以及最高車速三項(xiàng)指標(biāo)來分析車輛的動(dòng)力性。根據(jù)國標(biāo)要求，動(dòng)力性測(cè)試要在整車半載質(zhì)量下進(jìn)行。對(duì)軟件中Full Load Acceleration 任務(wù)進(jìn)行設(shè)置，明確計(jì)算任務(wù)并輸入?yún)?shù)，計(jì)算后可得到整車加速曲線及參數(shù)。[4]

3.1.1 原地起步加速時(shí)間分析

原地起步加速模擬車輛從靜止加速到一定速度的時(shí)間，反映整車的動(dòng)力水平，為汽車設(shè)計(jì)中常見的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)。我們分別計(jì)算純電動(dòng)模式和油電混合動(dòng)力模式下的加速性能。

純電動(dòng)模式中，設(shè)置SOC值為90%，計(jì)算結(jié)果如圖5：

圖5 純電動(dòng)模式0-100km/h加速時(shí)間

由圖5可知純電動(dòng)模式0-100km/h原地起步加速時(shí)間為6.79S。

混合動(dòng)力汽車最強(qiáng)加速模式為電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)向車輛提供動(dòng)力，且SOC值較高。在軟件中設(shè)置SOC值為90%，發(fā)動(dòng)機(jī)為啟動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如圖6：

圖6 混合動(dòng)力模式0-100km/h加速時(shí)間

如圖6所示油電混合動(dòng)力模式0-100km/h原地起步加速時(shí)間為5.5S。油電混合動(dòng)力模式在0-100km/h加速時(shí)間方面較純電動(dòng)模式有明顯提高。

3.1.2 最大加速度

最大加速度性能也是評(píng)價(jià)車輛加速能力的一項(xiàng)指標(biāo)，較大的加速度會(huì)給人較強(qiáng)的加速感受，對(duì)軟件中 Full Load Acceleration 任務(wù)進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8：

圖7 純電動(dòng)模式最大加速度

如圖7，純電動(dòng)模式最大加速度為5.6m^2/s。

圖8 混合動(dòng)力模式最大加速度

如圖8，油電混合動(dòng)力模式最大加速度為6.6m^2/s。

可知車輛在油電混合動(dòng)力模式下，會(huì)給人體更強(qiáng)烈的主觀加速感受。也從側(cè)面證明0-100km/h加速時(shí)間對(duì)比結(jié)論的正確性。

3.1.3 最高車速分析

由于世界各國對(duì)最高車速的限制不同，車輛行駛在高速公路上時(shí)，在不違反交通規(guī)則的情況下，較高的最高車速可以使汽車更快的到達(dá)目的地，減少乘客路途上的時(shí)間。分別計(jì)算純電動(dòng)模式和油電混合動(dòng)力模式下的最高車速性能，計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10：

圖9 純電動(dòng)模式最高車速

如圖9，純電動(dòng)模式最高車速為131km/h。

圖10 混合動(dòng)力模式最高車速

如圖10，油電混合動(dòng)力模式最高車速為171km/h。

通過以上動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)比可知，油電混合模式在整車動(dòng)力性方面較純電動(dòng)模式有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于混合動(dòng)力車型來說，其工況包含油電混合式驅(qū)動(dòng)，純電動(dòng)式驅(qū)動(dòng)，需分別結(jié)算其能量消耗情況。我們采用NEDC工況對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)目前我國對(duì)于新能源汽車法規(guī)GB/T 19753-2013 輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量計(jì)算方法中要求，混合動(dòng)力汽車能量消耗計(jì)算方法分為條件A、條件B進(jìn)行。條件A為在車輛SOC最高值作為初始點(diǎn)，行駛完一個(gè)NEDC循環(huán)后消耗的電量。在純電動(dòng)模式下車輛以50±2km/h的速度行駛，至發(fā)動(dòng)機(jī)自行啟動(dòng)時(shí)的SOC值作為條件 B的初始點(diǎn)，計(jì)算混合動(dòng)力模式下的電量和燃油消耗量。[5]

3.2.1 續(xù)駛里程分析

圖11 純電動(dòng)模式續(xù)航里程

如圖 11，根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，車輛以 SOC最高值90%作為起點(diǎn)，行駛至電池放電過程終止（SOC值為30%），共行駛了5個(gè)完整的NEDC循環(huán)及額外4.128km，總共58.718km。

3.2.2 燃油消耗分析

式中：

C——燃料消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

c1——條件A試驗(yàn)中所得燃油消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

c2——條件 B試驗(yàn)中所得燃油消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

De——按照附錄B規(guī)定的試驗(yàn)規(guī)程，所測(cè)得的純電動(dòng)續(xù)駛里程，單位為千米（km）。

Dav——25km（假設(shè)的儲(chǔ)能裝置兩次充電之間的平均行駛里程）。

分別計(jì)算式（1）中各參數(shù)。其中，條件 A中燃油消耗量c1為0 L/100km，條件B中燃油消耗量c2為7.12 L/100km，所測(cè)的純電動(dòng)續(xù)航里程De為58.718km，根據(jù)公式求得綜合燃油消耗量C為2.13 L/100km。

4 總結(jié)

本文對(duì)新能源汽車在純電動(dòng)及油電混合動(dòng)力模式下的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算及對(duì)比，在油電混合動(dòng)力模下車輛可以獲得更強(qiáng)的動(dòng)力性，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性方面較傳統(tǒng)汽油車也有明顯優(yōu)勢(shì)。在如今國家和民眾對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意識(shí)越來越強(qiáng)，傳統(tǒng)制造業(yè)已經(jīng)來到了必須進(jìn)行技術(shù)革新的新階段。

汽車行業(yè)中，世界范圍各大主流汽車廠商已經(jīng)宣布在2025年停止傳統(tǒng)燃油車的生產(chǎn)及銷售，汽車行業(yè)電氣化已經(jīng)是必然趨勢(shì)，抓緊提升新能源汽車研發(fā)能力是新一代工程師面臨的緊迫任務(wù)。作為最大的發(fā)展中國家，同時(shí)也是新能源消費(fèi)大國，我國發(fā)展新能源汽車行業(yè)已經(jīng)勢(shì)在必行。

參考文獻(xiàn)

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[3] 張杰.混合動(dòng)力城市客車多能源控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學(xué).2010.

[4] 黃華,邱森,李獻(xiàn)菁,黃錦成.車用替代能源動(dòng)力性、排放性研究[J].裝備制造技術(shù),2006(04):29-31.

[5] GB/T 19753-2013,輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量計(jì)算方法[S].