基于ADVISOR仿真的混合動力客車動力系統(tǒng)匹配研究

嚴程健，夏靖武，崔月月

（揚州亞星客車股份有限公司 汽車研究院，江蘇 揚州 225116）

當今世界面臨兩個重大的挑戰(zhàn)，即不斷上升的能源需求和日益嚴峻的環(huán)境問題。汽車是空氣污染和溫室氣體排放的主要貢獻者之一，也是石油能源消耗大戶[1]。在這樣的背景下，針對電動汽車、混合動力汽車、插電式混合動力汽車以及燃料電池汽車的研發(fā)已經(jīng)成為當今汽車工業(yè)最熱的主題?；旌蟿恿夹g(shù)在工況復(fù)雜多變的城市客車上最為適用、效果最好[2]。我國非常重視混合動力城市客車的推廣，至2012年年底，已將節(jié)能補貼政策推行到了全國各城市?；旌蟿恿Τ鞘锌蛙囈呀?jīng)成為我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的一個突破點[3]。

1 混合動力系統(tǒng)原理

混合動力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種。本車型采用了結(jié)構(gòu)簡單、可靠的單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)（下文簡稱系統(tǒng)）配置方案，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由發(fā)動機、自動離合器、驅(qū)動電機（發(fā)電機）、AMT變速器、動力電池組以及控制單元等構(gòu)成。其驅(qū)動電機和發(fā)動機可以單獨驅(qū)動，也可以共同驅(qū)動整車，驅(qū)動電機還可以工作在發(fā)電機模式，這樣的結(jié)構(gòu)可以省掉一個專門的發(fā)電機。發(fā)動機可由大電機快速啟動，不依賴于傳統(tǒng)的啟動系統(tǒng)，可以保障運行過程中發(fā)動機快速啟/停功能的實現(xiàn)。發(fā)動機與驅(qū)動電機同軸布置，通過一個6檔AMT變速器連接到驅(qū)動橋。這種純機械式連接的方式有效地減少了能量的損耗，提高了系統(tǒng)的整體效率。

系統(tǒng)采用的是電動助力控制策略：首先通過驅(qū)動電機快速起動發(fā)動機，之后離合器脫開，發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)向助力泵、空調(diào)等附件工作；剛開始由驅(qū)動電機單獨驅(qū)動整車行駛，當油門輸入驅(qū)動力需求大于驅(qū)動電機當前狀態(tài)下所能提供的最大驅(qū)動力時，離合器結(jié)合，驅(qū)動電機與發(fā)動機共同驅(qū)動整車；當發(fā)動機到達最佳經(jīng)濟點時，驅(qū)動電機退出，基本上為純發(fā)動機驅(qū)動；在踩制動踏板減速時，驅(qū)動電機工作在發(fā)電機模式，將制動能量回收到動力電池組儲存起來。因此，通過對各部件的合理控制，系統(tǒng)可以工作在發(fā)動機起動、純電機驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、純發(fā)動機驅(qū)動、再生制動等五種不同的工作模式，以適應(yīng)復(fù)雜的城市公交工況的需求，從而達到節(jié)能減排的效果。

2 傳動系參數(shù)匹配

混合動力城市客車應(yīng)該與同一長度級別的傳統(tǒng)城市客車具有相當?shù)膭恿π?，因此，其傳動系的設(shè)計原則與傳統(tǒng)城市客車類似，都是根據(jù)最高車速、爬坡能力、加速能力三項指標來判定。參考傳統(tǒng)城市客車的標準，確定本車型各項動力性指標及經(jīng)濟性指標如下：最高車速≥80km/h，0～50km/h加速時間≤30s，最大爬坡度≥20%，燃油經(jīng)濟性（節(jié)油率）≥30%[4]。

2.1 發(fā)動機功率計算

對發(fā)動機功率大小的選擇，既要考慮整車動力性，又要考慮燃油經(jīng)濟性，需兩者兼顧。發(fā)動機在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中是主要的動力源，在電動助力控制策略的系統(tǒng)中，發(fā)動機提供大部分時間的汽車行駛需求功率，驅(qū)動電機是起平滑整車功率需求的作用。因此，根據(jù)系統(tǒng)的控制策略原則，在最高車速下汽車所需要克服的行駛阻力功率應(yīng)該全部由發(fā)動機來承擔，可用下面公式表示[5]：

式中：Pe為發(fā)動機輸出功率，kW；ηt為傳動效率；Vmax為最高車速，km/h；m為整車質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；f為滾阻系數(shù)；Cd為空阻系數(shù)；A 為迎風面積，m2。具體整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

當達到經(jīng)濟車速運行時，系統(tǒng)工作在純發(fā)動機模式，發(fā)動機成了唯一的動力源，此時發(fā)動機不僅要能單獨驅(qū)動整車，且還需留有一定的功率空間給動力電池組充電；發(fā)動機的高效低耗區(qū)一般位于最大負荷的80%～90%之間。為了盡可能地讓發(fā)動機工作在經(jīng)濟區(qū)域，發(fā)動機的實際功率應(yīng)該適當加大一些。此外，還需考慮給發(fā)動機留一定的安全裕度以及發(fā)動機帶動的各種附件功率損耗[6]。綜合各種因素，計算得出發(fā)動機需求功率約為150kW，最后選擇了額定功率為155kW、額定轉(zhuǎn)矩為800N·m的國Ⅳ柴油發(fā)動機。

2.2 驅(qū)動電機選型

目前車用驅(qū)動電機應(yīng)用最多的主要有直流電機、交流感應(yīng)電機和永磁同步電機三種。直流電機結(jié)構(gòu)簡單，但是體積大，成本較高，干擾大，維修困難；交流感應(yīng)電機技術(shù)成熟，成本低，維修方便，但是體積較大，控制系統(tǒng)復(fù)雜；永磁同步電機體積小，可靠性好，效率高，不過成本較高。

本車動力系統(tǒng)是一種單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，系統(tǒng)中的發(fā)動機、離合器、驅(qū)動電機、變速器等都是同軸分布的，受發(fā)動機后置車安裝空間的限制，留給驅(qū)動電機的位置較小，所以本設(shè)計選用了體積小、功率密度大的永磁同步電機作為驅(qū)動電機。

由于系統(tǒng)中的驅(qū)動電機是助力動力源，只在起步以及爬坡或加速需要峰值功率的時候參與驅(qū)動。因此，在計算驅(qū)動電機功率大小時，主要考慮汽車最大爬坡度與最大加速度下的功率需求，如下列公式所示：

式中：Pi為整車爬坡功率，kW；α為最大坡度角；V0為最小穩(wěn)定車速，取5km/h；Pj為整車加速功率，kW；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.2；a為最大加速度，取1.6m/s2。

代入數(shù)據(jù)計算得到Pi≈58kW、Pj≈56kW。系統(tǒng)在爬坡或急加速時，不需要向動力電池組充電，這時發(fā)動機大約有Ps≈20kW額外的剩余功率可臨時用來參與驅(qū)動。因此，此時需要驅(qū)動電機提供的峰值功率Pm=Pi-Ps≈38kW，故驅(qū)動電機選擇峰值功率為45kW的永磁同步電機。

2.3 傳動系的設(shè)計

本系統(tǒng)配備了一個6檔AMT變速器，各檔速比依次為7.16/4.24/2.63/1.48/1.0/0.77，在合理匹配主減速比后，整車動力性和經(jīng)濟性都將能滿足要求。

主減速比i0的選擇應(yīng)該考慮兩條原則：滿足系統(tǒng)最高車速的要求，發(fā)動機在最高車速能發(fā)揮出最大功率。但是近年來，為了提高汽車經(jīng)濟性、增大發(fā)動機負荷率，出現(xiàn)了減小最小傳動比的趨勢。尤其對于混合動力城市客車，設(shè)計者們往往選擇一種較小的減速比，稍微犧牲一部分動力性，以追求車輛更佳的燃油經(jīng)濟性。若兼顧動力性和經(jīng)濟性的理想原則，車輛傳動系主減速比可用下列公式表示[7]：

式中：r為車輛半徑，m；nP為發(fā)動機最大功率點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（2300 r/min）；ig6為變速器第6檔速比。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，計算得出i0=6.89。根據(jù)系統(tǒng)廠家的建議和對市場上成熟車型的參考，以及采用小減速器比的原則，最后本設(shè)計選擇了一款市面上較為常見的驅(qū)動橋，主減速比為6.17。

2.4 動力電池選型

在目前技術(shù)條件下，可作為新能源汽車電儲能器的元件主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池及超級電容器四種，性能對比如表2所示。

表2 車用電儲能元件各項參數(shù)對比表

顯然，除超級電容器以外的三種蓄電池中，鋰電池除了價格稍貴外，其他性能都明顯優(yōu)越于另外兩種。雖然鋰電池在使用壽命、比功率方面不及超級電容器，但是其成本大大低于后者。隨著技術(shù)的進步，鋰電池的性能和成本都已接近商業(yè)化的水平，安全性能也有較大提高。因此，選擇鋰電池組作為本系統(tǒng)的動力電池組。

考慮到系統(tǒng)驅(qū)動電機功率不大，再參照市場上成熟混合動力客車系統(tǒng)電池容量，本車型選裝總?cè)萘繛?6 Ah的鋰電池組，標稱電壓346V，單體電壓3.6V，由192個單體采用2并96串的形式連接而成。

3 性能仿真分析

為了較為準確地預(yù)測和評估新設(shè)計車型的各項性能，應(yīng)用軟件進行仿真分析是非常必要的。高級車輛仿真器ADVISOR是美國國家可再生能源試驗室專門開發(fā)的一款混合動力汽車仿真軟件，可以快速分析傳統(tǒng)汽車、電動汽車以及混合動力汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性。

3.1 仿真模型的建立

ADVISOR軟件中內(nèi)嵌的并聯(lián)混合動力汽車模型及其控制策略，與系統(tǒng)都非常相似，只需要進行少量的修改，即可用來對其進行仿真研究。

根據(jù)系統(tǒng)的控制策略在ADVISOR軟件中修改仿真模型，使其功率流按如圖2所示傳遞。

軟件仿真過程設(shè)計如下：啟動后，首先讀取工況中的時間-車速要求；計算出當前車速要求下系統(tǒng)總的驅(qū)動力需求；然后判斷總驅(qū)動力需要是否超過了驅(qū)動電機當前狀態(tài)下能提供的最大驅(qū)動力。如果沒有超過，則將全部驅(qū)動力需求直接傳給驅(qū)動電機，由驅(qū)動電機單獨驅(qū)動整車（包括制動減速時整車驅(qū)動力需求為負值的時候）；如果總驅(qū)動力需求超過了驅(qū)動電機的最大限值，則將總驅(qū)動力需求傳遞給發(fā)動機，發(fā)動機根據(jù)控制條件提供相應(yīng)的驅(qū)動力，若發(fā)動機沒能提供驅(qū)動力需求的全部，將總驅(qū)動力需求減去發(fā)動機實際輸出驅(qū)動力后得到一個“虧欠”驅(qū)動力需求，將上一步的“虧欠”驅(qū)動力需求傳給驅(qū)動電機，這部分驅(qū)動力需要由驅(qū)動電機來填補（“虧欠”驅(qū)動力為負值時即為系統(tǒng)讓驅(qū)動電機給動力電池組充電），驅(qū)動電機輸出驅(qū)動力與發(fā)動機輸出驅(qū)動力相加得到系統(tǒng)實際的總驅(qū)動力，最后根據(jù)實際總驅(qū)動力即可算出當前條件下的實際車速。

根據(jù)要求對ADVISOR軟件進行二次開發(fā)，修改后的發(fā)動機控制策略模塊如圖3所示；最終確定的本車型頂層仿真模型如圖4所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

首先進行動力性指標的計算。將車輛設(shè)定成滿載狀態(tài)后，在軟件中進行動力性仿真。為了使仿真結(jié)果更加直觀可信，選擇一款與本車型同一長度級別的傳統(tǒng)城市客車在軟件中進行對比仿真計算，得到兩款車型相關(guān)動力性數(shù)據(jù)結(jié)果，如表3所示。

表3 兩種車型動力性指標軟件仿真結(jié)果對比

為了提高本車型燃油經(jīng)濟性仿真計算結(jié)果的可信度，軟件中參數(shù)的設(shè)置完全跟國家標準一致。參照GB/T 19754-2005[8]和中機《節(jié)能與新能源汽車節(jié)油率與最大電功率比檢驗大綱》[9]中的相關(guān)要求，在軟件中嵌入了“中國典型城市公交循環(huán)”工況。根據(jù)標準要求，城市客車應(yīng)裝載設(shè)計載荷65%的負載質(zhì)量，采用2次重復(fù)的“中國典型城市公交循環(huán)”作為試驗的行駛循環(huán)[10-12]。“中國典型城市公交循環(huán)”各項數(shù)據(jù)詳見表4；本車型的仿真計算結(jié)果如圖5所示。

表4 中國典型城市公交循環(huán)數(shù)據(jù)

由圖5可看出，本車型仿真車速與工況要求車速重合度好，表明車輛動力性完全可以滿足“中國典型城市公交循環(huán)”工況的要求。系統(tǒng)電池荷電狀態(tài)（SOC值）下降到0.64附近后保持一定范圍內(nèi)的動態(tài)平衡，說明系統(tǒng)控制策略合理，車輛運行過程中可以維持電池電量的動態(tài)平衡。本車型與對比傳統(tǒng)城市客車的最終油耗仿真計算結(jié)果如表5所示。

表5 兩種車型仿真油耗數(shù)據(jù)對比

通過仿真分析，本車型百公里油耗相對傳統(tǒng)城市客車節(jié)省了13.1 L，相對節(jié)油率為31.04%，達到了不小于30%的預(yù)期目標。因此，可以初步認為，本混合動力總成系統(tǒng)的優(yōu)化匹配是合理的，待樣車制造出來后，通過實車試驗再對本研究工作進行進一步的考量。

4 結(jié)束語

在能源短缺與環(huán)境污染的雙重壓力下，以混合動力汽車為代表的新能源汽車逐漸成了當今汽車行業(yè)的熱門。在國家補貼政策的大力支持下，我國混合動力城市客車發(fā)展迅猛，各客車制造公司紛紛推出混合動力城市客車，呈現(xiàn)出百家爭鳴之態(tài)。本車型采用單軸并聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實用性更強、可靠性更好為主要特色。在分析理解了系統(tǒng)的工作原理后，通過一系列的選型與匹配計算，確定了整個系統(tǒng)各主要部件類型和參數(shù)，最后利用ADVISOR軟件與傳統(tǒng)城市客車的對比仿真，預(yù)測了系統(tǒng)各關(guān)鍵部件選型及其參數(shù)設(shè)計的初步合理性，同時也預(yù)測了本車型在燃油經(jīng)濟性方面相對于傳統(tǒng)城市客車的優(yōu)越性。

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