混聯(lián)式混合動力客車動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺架試驗仿真研究

劉振峰 顧力強(qiáng) 方 華

上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國家工程實驗室

引言

目前國內(nèi)已經(jīng)出臺了混合動力汽車整車相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),關(guān)于混合動力系統(tǒng)臺架試驗測試標(biāo)準(zhǔn)尚處于研究探索階段,國外也未曾公開相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),但美國SAE從2009年就開始著手開發(fā)混合動力和純電動驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)的臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)如SAEJ2907和J2908。國內(nèi)外混合動力標(biāo)準(zhǔn)體系均處于缺乏統(tǒng)一合理的混合動力系統(tǒng)臺架試驗標(biāo)準(zhǔn),而燃油經(jīng)濟(jì)性能作為混合動力客車重要性能之一,很大程度上決定其商業(yè)化應(yīng)用價值,所以開展混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺架試驗技術(shù)相關(guān)研究是很有必要的。

1 上海市典型臺架試驗循環(huán)工況開發(fā)

目前國外針對發(fā)動機(jī)的臺架試驗循環(huán)主要有重型柴油機(jī)FTP瞬態(tài)臺架試驗循環(huán)如圖1、CSVL(Constant-Speed,Varlable-Load)瞬態(tài)試驗循環(huán)、CTA(ChicagoTransitAuthority)測試循環(huán)、典型CTA(Chicago Transit Authority)發(fā)動機(jī)臺架試驗循環(huán)如圖2,而國內(nèi)重型車發(fā)動機(jī)試驗循環(huán)也都參照ECER49、ESC、ETC中的測試循環(huán)。

圖1 FTP瞬態(tài)臺架試驗循環(huán)圖Fig.1 FTP transient bench test cycle

圖2 CTA動態(tài)臺架循環(huán)工況Fig.2 CTA dynamic bench test cycle

我國大部分城市行駛工況與國外城市差別較大,其轉(zhuǎn)化得到的臺架試驗循環(huán)不能真實反映發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。為了能真實反映上海申沃型混合動力客車動力系統(tǒng)的真實的工況特性,本文利用統(tǒng)計學(xué)中相關(guān)性理論和運動學(xué)片段構(gòu)建方法建立了典型上海城市道路循環(huán)工況,并根據(jù)文中后續(xù)采用的SWB6116HEV型混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)選型方案將汽車行駛循環(huán)轉(zhuǎn)化成混合動力系統(tǒng)臺架試驗循環(huán),為混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺架試驗仿真建立基礎(chǔ)。典型上海市區(qū)和郊區(qū)臺架試驗循環(huán)分別如圖3-圖7所示。

圖4 典型上海市區(qū)臺架試驗循環(huán)扭矩圖Fig.4 Torque of typical shanghai urban bench test cycle

圖5 典型上海郊區(qū)臺架試驗循環(huán)轉(zhuǎn)速圖Fig.5 Speed of typical shanghai suburb bench test cycle

圖6 典型上海郊區(qū)臺架試驗循環(huán)扭矩圖Fig.6 Torque of typical shanghai suburb bench test cycle

2 混合動力系統(tǒng)虛擬臺架仿真平臺建模

2.1 SWB6116HEV型混合動力系統(tǒng)方案選型

申沃SWB6116HEV型混合動力客車采用的是一種基于機(jī)械式手動變速箱結(jié)構(gòu)的ISG型混聯(lián)式混合動客車動力系統(tǒng).該系統(tǒng)采用取消I擋的五檔手動變速箱。該車型的動力傳動系統(tǒng)主要包括ISDe210型六缸柴油機(jī)、ISG電機(jī)、離合器、五擋手動變速箱(取消 1擋)、TM(驅(qū)動電機(jī))、電機(jī)控制器、動力電池、扭矩耦合機(jī)構(gòu)等。SWB6116HEV型混合動力客車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖7和三維結(jié)構(gòu)圖如圖8。針對SWB6116HEV混合動力系統(tǒng)的特點,本文選用的動力系統(tǒng)選型方案主要部件參數(shù)具體如表1。

圖7 SWB6116型混合動力客車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Scheme of the SWB6116 hybrid electric bus powertrain

2.2 混合動力系統(tǒng)虛擬臺架仿真平臺建模

由于目前建立混合動力系統(tǒng)物理試驗臺架(如圖9)還存在各種問題包括信號同步性、多動力協(xié)同控制、測功機(jī)響應(yīng)等問題,先采用建立虛擬臺架的仿真方法對該臺架試驗進(jìn)行模擬研究,為上述問題的解決提供參考。

圖8 SWB6116HEV型混合動力客車動力系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.8 3-D profile of SWB6116HEV hybrid powertrain

表1 SWB6116HEV動力系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Specifications for powertrain of the SWB6116HEV

其中,基于理論模型建模方法采用大量微分方程和滑?？刂品椒ǖ瓤刂品椒ńｋy度大,仿真緩慢且僅適于單個模型的瞬態(tài)分析,針對復(fù)雜混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特點,文中的發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)主要采用基于試驗MAP數(shù)據(jù)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型,電池模型采用美國愛達(dá)荷國家實驗室設(shè)計的Rint模型,最后建立完整的混合動力系統(tǒng)虛擬臺架仿真平臺如圖10.

3 混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺架試驗?zāi)M仿真

3.1 混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺架試驗仿真

根據(jù)上述上海市區(qū)和郊區(qū)典型臺架試驗循環(huán)分別進(jìn)行了混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺架試驗?zāi)M仿真。轉(zhuǎn)速和扭矩作為反映動態(tài)臺架試驗過程的最重要的兩個參數(shù),圖11和圖11說明了上海市區(qū)典型臺架試驗過程中測功機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩跟蹤目標(biāo)值的情況。

從上海市區(qū)典型臺架試驗循環(huán)的仿真計算結(jié)果圖13,圖16可知,SOC從初始的52.4到最終SOC為45.5,整個工況循環(huán)中發(fā)動機(jī)的運行工況點主要集中在最優(yōu)工作曲線附近,扭矩波動比較小,車輛大部分動態(tài)響應(yīng)由驅(qū)動電機(jī)承擔(dān)。混合動力系統(tǒng)百公里油耗約36.45 L/100 km

由于篇幅有限,不在列出上海郊區(qū)臺架試驗循環(huán)下的計算結(jié)果。

3.2 仿真與道路試驗結(jié)果對比

最后針對上海市區(qū)和郊區(qū)典型城市循環(huán)工況進(jìn)行了道路試驗并與上述仿真結(jié)果對比如表2所示,對比結(jié)果顯示該虛擬臺架的仿真誤差不超過10%.

表2 仿真結(jié)果和道路試驗數(shù)據(jù)Table 2 Simulation and road test data

圖9 混合動力系統(tǒng)實物臺架示意圖Fig.9 Configuration of HEV powertrain test bench sytem

圖10 混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性虛擬臺架仿真平臺Fig.10 Virtual test bench for hybrid powertrain

圖11 典型上海市區(qū)虛擬臺架仿真轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速比較Fig.11 Simulation speed and expected speed under shanghai bench urban test cycle

圖12 典型上海市區(qū)虛擬臺架仿真扭矩與目標(biāo)扭矩比較Fig.12 Simulation torque and expected torque under shanghai bench urban test cycle

圖13 典型上海市區(qū)虛擬臺架仿真中SOC變化情況Fig.13 SOC under shanghai bench urban test cycle

圖14 發(fā)動機(jī)工作點分布Fig.14 Engine running points distributing

圖15 驅(qū)動電機(jī)工況點分布Fig.15 Traction motor running points distributing

圖16 混合動力系統(tǒng)扭矩分配Fig.16 Torque assignment of Engine,SG,TM

其中Velectric_fuel為電能消耗量等效的燃油消耗量(L);Vdiesel為混合動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)的燃料消耗量(L)：Vhybrid為混合動力系統(tǒng)總體等效的燃料消耗量(L)。

4 結(jié)論

1)針對上海道路循環(huán)工況特點,開發(fā)了混合動力客車動力系統(tǒng)典型臺架試驗循環(huán)。

2)基于SWB6116ISG型混聯(lián)式混合動客車動力系統(tǒng)方案建立了該混合動力系統(tǒng)虛擬臺架,并依據(jù)典型臺架試驗循環(huán)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性能臺架試驗仿真,仿真結(jié)果顯示該模型仿真誤差不超過10%,既驗證了循環(huán)工況也驗證了該虛擬臺架仿真模型可有效評價其經(jīng)濟(jì)性能。

3)仿真模型還不能完全真實模擬混合動力系統(tǒng)模式動態(tài)切換過程中的慣性沖擊,信號滯后等過程,依然存在一些問題需要進(jìn)一步研究。

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