周媛媛

基于CRUISE的混合動力汽車仿真分析

周媛媛

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110000）

文章基于混合動力汽車的整車參數(shù)，結(jié)合其動力性和經(jīng)濟性要求，對動力系統(tǒng)主要元件進行了型號選擇與參數(shù)匹配。在AVL CRUISE軟件環(huán)境中搭建整車模型，進行信號連接，搭建控制策略。建立滿負(fù)荷加速測試，穩(wěn)態(tài)行駛測試，爬坡度測試，循環(huán)工況測試共四個計算任務(wù)，比照前期設(shè)定的期望達到的目標(biāo)進行簡單地分析，證明了文章所設(shè)計的混聯(lián)式混合動力汽車的性能是符合標(biāo)準(zhǔn)的。

混聯(lián)式；混合動力；AVL CRUISE；仿真分析

引言

21世紀(jì)汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向就是節(jié)能和環(huán)保，混合動力汽車既有傳統(tǒng)汽車優(yōu)良的動力性，又有電動汽車良好的凈排放特性，是汽車市場的主流產(chǎn)品。

本文主要利用 AVL CRUISE，通過對混合動力汽車的參數(shù)匹配，對車輛性能進行動力性和經(jīng)濟性仿真分析。AVL CRUISE是一款可以對汽車的主要性能進行仿真的軟件，它可以通過設(shè)定工況與任務(wù)，對車輛的百公里燃油消耗量、最大爬坡度、百公里加速時間、最高車速等動力性以及經(jīng)濟性的性能指標(biāo)進行仿真計算，以便后續(xù)的分析工作[1-2]。

1 混合動力汽車參數(shù)匹配

1.1 整車基本建模參數(shù)及目標(biāo)性能參數(shù)

論文的參數(shù)匹配，首先需要對各動力總成的參數(shù)進行合理計算。具體參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)表

本文研究的混合動力汽車期望達到的性能目標(biāo)如表2所示。

表2 整車性能目標(biāo)

1.2 整車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

1.2.1發(fā)動機參數(shù)匹配

發(fā)動機參數(shù)的計算要滿足巡航行駛和爬坡能力的要求。

具體的計算過程如下[3-4]：

（1）當(dāng)以巡航車速在道路上行駛時，需要滿足的功率P1計算如下：

其中為定速巡航車速。

（2）滿足爬坡要求的功率P2：

表3 發(fā)動機參數(shù)

1.2.2電動機參數(shù)匹配

根據(jù)對電機的要求，本文選用永磁電動機。永磁電動機具有響應(yīng)速度快，整體性能好的特點。

電動機的最高功率，需要以純電動模式下，汽車能夠達到的最大速度，以及車輛低速行駛時可以行駛的坡度為依據(jù)，具體的計算過程如下：

（1）在純電動模式下，汽車最多可以行駛5km，最高車速可達70km/h，將數(shù)值帶入式1，1=6.56kw。

（2）電動機要滿足爬坡能力的要求，將車速1km/h，最大爬坡度20%代入式2中P2=kw。電動機功率應(yīng)滿足：

電動機的參數(shù)如表4所示。

表4 電動機參數(shù)

1.2.3發(fā)電機參數(shù)匹配

發(fā)電機的功率與發(fā)動機有關(guān)，首先計算發(fā)動機的轉(zhuǎn)動慣量：

式中I為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，me為發(fā)動機質(zhì)量，re為氣缸半徑。

初步選定電機基速為2000r/min。則發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩T應(yīng)滿足：

n為發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速（1000r/min），發(fā)動機的峰值功率P可根據(jù)式5計算：

ω為發(fā)電機基速。

最后得到發(fā)電機的主要參數(shù)如表5所示：

表5 發(fā)電機參數(shù)

1.2.4電池組參數(shù)匹配

（1）氫鎳電池個數(shù)的計算

電池組所需功率，要以滿足電動機的功率為依據(jù)，具體的計算過程如式6所示：

式中P為電動機正常工作所需功率，P為電動機功率，為工作效率。

單體氫鎳電池的電壓為1.2v，一般6個為一組，每組電壓為7.2v。

單體電池的個數(shù)可由動力電池所需功率除以單體電池功率求得，如式7：

式中P為單體氫鎳電池功率

式中n為單體電池個數(shù)，最后取單體氫鎳電池為192組。

（2）氫鎳電池電量計算

除了要滿足電動機的功率需求，電池組的功率還應(yīng)該滿足混合動力汽車在純電動模式下，能夠進行低速巡航的要求。具體的計算過程如式9、式10所示[5-6]：

式中v為汽車純電動低速巡航車速，Q為蓄電池的容量，Qb為蓄電池電能，Ub為工作電壓，SH、SL為SOC上下限值，PB為滿足純電動低速巡航的功率，L為純電動續(xù)航里程。

將結(jié)果取整，則Q=27Ah，根據(jù)以上的計算可知ns=192,由于本文所研究的混合動力汽車是混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的，所以將192個單體電池分為3組，每組64個，將這64個電池串聯(lián)，組成3組電池組，再并聯(lián)。最后得到的電池組基本參數(shù)如表6所示：

表6 基本參數(shù)

2 CRUISE仿真模型搭建

AVL CRUISE可以進行車輛各系統(tǒng)的試驗研發(fā)。軟件采用拖拽式方法搭建模型，所以擁有高效的模型搭建的優(yōu)點。除此之外，CRUISE軟件在進行仿真分析后，輸出的結(jié)果非常直觀明了。另外，軟件還提供了與各種程序編輯軟件的連接口，包括MATLAB/SIMULINK、C語言等常用的軟件，實現(xiàn)軟件之間的高效連接。

利用仿真軟件對車輛的形式特性進行分析，搭建出正確的模型，首先要拖出各個需要的部件模塊，確定好位置再進行各組件間的機械、電氣和信號連接，如圖1所示[7-8]。

圖1 信號連接

將各個元件的參數(shù)輸入到對應(yīng)的整車模塊里，組成正確的整車模型，如圖2所示。

圖2 建立整車模型

3 整車性能仿真分析

3.1 動力性能仿真分析

3.1.1百公里加速時間

百公里加速時間是由Full Load Acceleration任務(wù)計算得出的。在Task Folder中添加該任務(wù)，選擇熱車啟動，不考慮輪胎的滑移現(xiàn)象，運行計算任務(wù)得到的結(jié)果如圖3所示：

圖3 全負(fù)荷加速時間表

由圖3可知，汽車全負(fù)荷加速到100km/h所用的時間為17.65s，略小于18s，滿足前期的設(shè)計目標(biāo)。

3.1.2最大爬坡度

再次添加任務(wù)，在AVL CRUISE的Climbing Performance仿真任務(wù)中，設(shè)定Hot Start-steady state（車輛熱啟動）和without slip（不考慮滑移），Drive與Course同樣選擇standard模式，運行任務(wù)，得到的結(jié)果如圖4所示：

圖4 速度-爬坡度圖

根據(jù)圖4可知，車輛在車速區(qū)間為0~40km/h時爬坡性能比較好，而在40km/h以后爬坡性能有很大的下降。在車速為30km/h時，車輛的最大爬坡度約為21%，大于前期所設(shè)定的爬坡度目標(biāo)（20%），所以符合最初的設(shè)計目標(biāo)。

3.1.3最高車速

在軟件中添加Constant Drive仿真任務(wù)中，設(shè)定Start- steady state（車輛熱啟動）和without slip（不考慮滑移）等條件，Driver與Course依然選擇standard模式，運行后的得到的結(jié)果如圖5所示：

圖5 最高車速任務(wù)結(jié)果

由圖5可知，本文設(shè)計的混合動力汽車的理論最高車速為156.58km/h，實際最高車速為155.00km/h，均遠遠大于120km/h，完全符合開始的設(shè)計目標(biāo)。

3.2 經(jīng)濟性能仿真分析

根據(jù)汽車?yán)碚摰闹R，一般以百公里油耗作為燃油經(jīng)濟性的評價指標(biāo)。運用CRUISE軟件進行燃油經(jīng)濟性的仿真時，需要設(shè)定路況。

在AVL CRUISE中，提供了很多標(biāo)準(zhǔn)的行駛工況，零件庫中工況包括：

（1）NEDC（New European Driving Cycle）；

（2）UDC（Urban Driving Cycle）；

（3）EUDC（Extra Urban Driving Cycle）；

（4）FTP 75（the Federal Test Procedure）；

（5）Highway（US Highway Driving Cycle）。

本文選用NEDC工況，在搭建好的車輛模型里添加Cycle Run任務(wù)，在工況庫中選擇NEDC工況。

設(shè)定任務(wù)中的Driver與Course全部選擇standard（標(biāo)準(zhǔn)）模式，確認(rèn)無誤后進行計算，計算結(jié)果如圖6所示：

圖6 經(jīng)濟型的計算結(jié)果

根據(jù)圖6可以看出，本文所設(shè)計模型的百公里燃油消耗量為1.31L/km，遠遠小于最初設(shè)計目標(biāo)的5.6L/km，完全符合設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)語

（1）以某款混合動力汽車的整車參數(shù)為參考，以混合動力汽車的性能設(shè)計指標(biāo)為前提，制定相應(yīng)的參數(shù)匹配方案，建立各參數(shù)之間的耦合關(guān)系。從性能角度出發(fā)，確定各參數(shù)的取值，并確定電機的類型、電池的組成和傳動系統(tǒng)的傳動比。

（2）在AVL CRUISE軟件環(huán)境中搭建整車模型。將計算好的參數(shù)輸入進動力部件，按照邏輯對各部件進行電氣、機械、信號連接，正確搭建混合動力汽車模型。

（3）添加計算任務(wù)進行仿真分析。利用Cycle Run等計算任務(wù)進行動力性和經(jīng)濟性的仿真，計算得出動力性三大性能指標(biāo)以及經(jīng)濟性能指標(biāo)（百公里油耗）的數(shù)值。將計算所得數(shù)值與前期設(shè)定目標(biāo)進行對比，得出本次對混合動力汽車的仿真達到了前期要求的結(jié)論。

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Simulation and Analysis for Hybrid Vehicle

Zhou Yuanyuan

( Shenyang Ligong University, Liaoning Shenyang 110000 )

Based on the parameters of hybrid electric vehicle and its power performance and economic requirements, this paper selects model and parameter of the main components of the power system. Building the vehicle model in the AVL CRUISE, connecting signal and set up the control strategy.Then it establishes four calculation tasks: Full Load Acceleration, Constant Drive, Climbing Performance and Cycle Run. Comparing with the expected goal set in the previous period, it takes a simple analysis. It is proved that the performance of the hybrid hybrid electric vehicle designed in this paper is meet the standard.

Split hybrid electric vehicle; Hybrid; AVL CRUISE; Simulation analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.031

U467

A

1671-7988(2021)07-94-04

U467

A

1671-7988(2021)07-94-04

周媛媛（1995-），女，學(xué)生，就讀于沈陽理工大學(xué)，研究方向：車輛系統(tǒng)動力學(xué)與控制。