章思超，葉亮波，王燕鵬

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410000；2.湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410100；3.中國(guó)人民大學(xué)，北京100000）

隨著全球各國(guó)對(duì)車輛的經(jīng)濟(jì)與排放要求的不斷提高，新能源車輛在新車銷售中的占比不斷提高，其中純電動(dòng)車輛與傳統(tǒng)燃油車相比較，具有系統(tǒng)架構(gòu)與控制簡(jiǎn)單、節(jié)能減排、動(dòng)力響應(yīng)速度快、運(yùn)行平順、工作振動(dòng)與噪音小、能實(shí)現(xiàn)能量回收等優(yōu)點(diǎn)［1］，是較為符合當(dāng)前技術(shù)水平與市場(chǎng)條件的車型。目前各大主機(jī)廠純電動(dòng)車型的動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，但是純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)價(jià)格高昂，質(zhì)量過(guò)重，容量相對(duì)不足，循環(huán)壽命衰減，熱失控，充電不便，充電速度慢，低溫性能差等問(wèn)題也十分突出，同時(shí)也成為了當(dāng)前制約新能源汽車發(fā)展的桎梏。

混合動(dòng)力車輛作為由傳統(tǒng)燃油車型到純電動(dòng)車的中間過(guò)渡車型，其動(dòng)力系統(tǒng)包含了傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)，也有純電動(dòng)車所有的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與動(dòng)力電池系統(tǒng)，使得混合動(dòng)力車輛不僅具備傳統(tǒng)燃油車的高續(xù)航、加油方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，還擁有純電動(dòng)車輛的能量回收、運(yùn)行平順、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)擁有能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)保持在高燃油效率工作點(diǎn)、不需要大容量動(dòng)力電池的特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)讓混合動(dòng)力車輛成為了當(dāng)前車輛市場(chǎng)一個(gè)重要的選擇和組成部分。

某整車生產(chǎn)企業(yè)為了適應(yīng)新消費(fèi)市場(chǎng)需求，需要對(duì)一老款SUV更新開(kāi)發(fā)新一代車型，新車型的開(kāi)發(fā)需要選擇搭載合適的動(dòng)力系統(tǒng)。本文以該車型為研究對(duì)象，在整車基本參數(shù)與傳統(tǒng)燃油車型大致相同的情況下，首先通過(guò)計(jì)算的方式初步對(duì)新車型的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配，再通過(guò)計(jì)算、仿真的方式，對(duì)該車型搭載純電動(dòng)、增程式混動(dòng)、混聯(lián)式混動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，同時(shí)與傳統(tǒng)燃油車型進(jìn)行對(duì)比分析。其結(jié)果為該車型動(dòng)力系統(tǒng)的選擇提供了依據(jù)和支撐，也為相關(guān)新能源車型的開(kāi)發(fā)提供參考和借鑒。

1 動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

從整車開(kāi)發(fā)的角度看，車輛動(dòng)力系統(tǒng)的傳統(tǒng)匹配一般是根據(jù)車輛應(yīng)用情況，結(jié)合零部件資源，著重零部件可靠性與成本進(jìn)行選型，車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性一般在樣車試制完成后，基于實(shí)車進(jìn)行驗(yàn)證［2］。如今隨著相關(guān)工具與技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)前期開(kāi)發(fā)中的仿真設(shè)計(jì)，能夠提前預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)，避免后期整改難度加大。為了保障項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的品質(zhì)與開(kāi)發(fā)速度，目前各大廠商都將產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)加入產(chǎn)品的早期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，并形成了相對(duì)固定、成熟、完善的動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，并與整車的開(kāi)發(fā)緊密結(jié)合起來(lái)。本文所研究車型采用的動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

2 整車基本參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文所研究車型為一款燃油SUV車型，搭載一臺(tái)額定功率160kW，最大扭矩330Nm的渦輪增壓4缸發(fā)動(dòng)機(jī)與一臺(tái)8速自動(dòng)變速器（換為2.0T）。其基本參數(shù)與新車型性能目標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 整車目標(biāo)參數(shù)表

3 動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

根據(jù)汽車行駛受力分析可知汽車行駛所需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的最大功率一般選取最高車速行駛時(shí)所需的功率Pmax1，在某一低車速下以最大爬坡度爬坡時(shí)所需的功率Pmax2，以及在百公里加速過(guò)程中所需的功率Pmax3中的最大值，如公式（1）所示。其中Pmax1通過(guò)公式（2）進(jìn)行計(jì)算、Pmax2通過(guò)公式（3）計(jì)算，Pmax3先通過(guò)公式（4）計(jì)算出恒功率區(qū)間的加速時(shí)間，再通過(guò)公式（5）計(jì)算出恒功率區(qū)間的需求功率。

式中Pmax——?jiǎng)恿ο到y(tǒng)所需要的峰值功率；Pmax1——最高車速行駛時(shí)所需功率；Pmax2——最大爬坡度對(duì)應(yīng)的需求功率；Pmax3——百公里加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的需求功率；umax——最高車速；α——最大爬坡角度；ui——爬坡時(shí)的車速；tcon，max——恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間加速時(shí)間；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；u1——拐點(diǎn)車速；Fmax——最大驅(qū)動(dòng)力；m——整車質(zhì)量；g——重力加速度；f——滾阻系數(shù)；v——車速；r——滾動(dòng)半徑；CD——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)面積；Pmax——整車需求峰值功率；η——系統(tǒng)效率。

汽車行駛所需動(dòng)力系統(tǒng)提供的最大扭矩一般選取最大爬坡度以及加速需要功率中的最大值，如公式（6）所示。其中最大爬坡度對(duì)應(yīng)需求扭矩通過(guò)公式（7）進(jìn)行計(jì)算，加速需求最大扭矩通過(guò)公式（8）進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)公式計(jì)算確定動(dòng)力系統(tǒng)功率與扭矩需求下限，再結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，選擇確定該車型動(dòng)力系統(tǒng)需求峰值功率≥100kW、峰值扭矩≥3000Nm。

4 整車性能仿真分析及對(duì)比

4.1 車型仿真模型搭建

對(duì)純電動(dòng)與增程式車型在cruise軟件中搭建仿真模型進(jìn)行動(dòng)力性與NEDC工況下的經(jīng)濟(jì)性仿真分析，對(duì)混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)由零部件供應(yīng)商進(jìn)行仿真分析提供結(jié)果數(shù)據(jù)。在cruise軟件中，搭建好的純電動(dòng)與增程式車型仿真模型如圖2所示。

圖2 cruise仿真計(jì)算模型

4.2 動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

搭建好的整車仿真計(jì)算模型中，需要定義動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略。其中純電動(dòng)車型采用最大能量回收的控制策略進(jìn)行控制，增程式車型的模型與控制策略與純電動(dòng)車型相似，只是額外增加一套增程器。增程器采用燃料消耗量最小的曲線功率跟隨控制策略進(jìn)行控制，燃料消耗量最小曲線通過(guò)將實(shí)測(cè)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的效率點(diǎn)與相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的燃料消耗量相乘得到的系統(tǒng)燃料消耗量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值查表得出。所得到的燃料消耗量最小的曲線如圖3所示。

圖3 燃料消耗量最小曲線圖

4.3 動(dòng)力系統(tǒng)主減速比匹配

在模型與控制策略搭建好后，對(duì)比常用可選減速比范圍內(nèi)整車的NEDC工況下百公里能耗、最大爬坡度、加速性能、最高車速等指標(biāo)差異，如圖4所示。

圖4 不同減速比下的整車性能指標(biāo)圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)隨減速比的變動(dòng)情況，結(jié)合具體減速器可選減速比的情況選定減速器減速比。本車型由于車重較大，在常用速比范圍內(nèi)其能耗隨減速比提高而減小，在滿足動(dòng)力性要求的前提下選擇較高的減速比，約為10.7。

4.4 整車性能仿真結(jié)果及對(duì)比分析

在動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)確定后，通過(guò)cruise軟件對(duì)該車型的傳統(tǒng)燃油式、純電動(dòng)、增程式、混聯(lián)式混合動(dòng)力車型的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 新老電機(jī)參數(shù)對(duì)比表

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，可以看出本文所研究SUV車型的增程式車型與混合動(dòng)力車型相比傳統(tǒng)燃油車型的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了25%以上。在動(dòng)力性指標(biāo)方面，純電動(dòng)與增程式車型相比燃油車型有小幅度下降，混合動(dòng)力車型相比燃油車有比較大的提高。

從整車能源消耗費(fèi)用方面來(lái)看，按照平均油價(jià)7元/L，平均充電電價(jià)1.2元/度進(jìn)行計(jì)算，燃油車型每公里燃油消耗費(fèi)用為0.58元，純電動(dòng)車型每公里行駛電費(fèi)為0.21元，增程式在純?nèi)加凸r下每公里燃油消耗費(fèi)用為0.42元，混合動(dòng)力車型在純?nèi)加凸r下燃油消耗費(fèi)用為0.38元。按一輛車整個(gè)生命周期行駛20萬(wàn)公里進(jìn)行計(jì)算，燃油車的能源消耗費(fèi)用為11.6萬(wàn)元，純電動(dòng)、增程式、混合動(dòng)力車型的能源消耗費(fèi)用依次是4.2萬(wàn)元、8.4萬(wàn)元、7.6萬(wàn)元，相比燃油車依次節(jié)省了7.4、3.2、4萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某整車企業(yè)某款SUV車型為研究對(duì)象，首先對(duì)該車型需要搭載的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配與仿真計(jì)算，最后對(duì)比了搭載不同類型動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)的整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)整車能源使用費(fèi)用進(jìn)行了分析。

本文結(jié)果表明同一車型在較好的動(dòng)力系統(tǒng)與整車匹配的情況下，搭載混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠獲得最佳的整車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性，增程式車型能夠獲得良好的節(jié)油效果，但其經(jīng)濟(jì)性略低于混聯(lián)式混合動(dòng)力車型，而純電動(dòng)車型在能源消耗費(fèi)用上能夠獲得最好的效果。

本文設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程能夠保證產(chǎn)品匹配方案的合理性，能夠有效降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，其計(jì)算結(jié)果對(duì)同類車型的動(dòng)力系統(tǒng)的匹配、類型選擇也能起到指導(dǎo)、借鑒的作用。