整車微混動(dòng)力仿真計(jì)算

王軍，張傲，雷蕾，王宏大，張超

（江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

整車微混動(dòng)力仿真計(jì)算

王軍，張傲，雷蕾，王宏大，張超

（江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

運(yùn)用Cruise軟件對(duì)一款微混動(dòng)力車皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，搭建混合動(dòng)力模型，預(yù)測(cè)整車的節(jié)油特性和排放指標(biāo)，為后期樣車開發(fā)提供了參考。

混合動(dòng)力；皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；仿真計(jì)算

0 引言

微混動(dòng)力BSG技術(shù)可以應(yīng)用于多種車型，包括轎車、多功能車以及貨車，它可以給用戶提供很好的節(jié)油特性和滿足法規(guī)要求的排放指標(biāo)。此系統(tǒng)的益處還包括對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的適應(yīng)性，以及發(fā)動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)系統(tǒng)的最小變更。

微混動(dòng)力系統(tǒng)包括復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)控制，帶有精確的電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)，以及制動(dòng)能量再生和有效充電等功能。在怠速發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉條件下，NEDC熱機(jī)循環(huán)CO2排放量減少6%。一個(gè)超級(jí)電容供給現(xiàn)有的12 V電池動(dòng)力。

1 介紹

混合動(dòng)力的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)是非常吸引人的，但是相比常規(guī)車輛的高系統(tǒng)成本是不能忽略的。大約節(jié)約4%～6%燃油經(jīng)濟(jì)性，是因?yàn)榈∷贂r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉策略，即在通常怠速條件下關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。一旦駕駛員需要扭矩時(shí)，例如踩油門或者獲得基于重新起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的混合控制單元的命令，發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)。

文中研究的混合動(dòng)力系統(tǒng)安裝在JAC的瑞風(fēng)商務(wù)車上，主動(dòng)力源采用2.4 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，輔助動(dòng)力源采用法力奧的電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)取代原發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)。通過仿真分析評(píng)估它的設(shè)計(jì)可行性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。

微混功能主要包括：

（1）怠速發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，快速起動(dòng)；

（2） 優(yōu)化的電池充電；

（3）制動(dòng)能力再生利用。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

總體方案包括皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、制動(dòng)能量再生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是由皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng) （BSG）來代替標(biāo)準(zhǔn)起動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和新型傳動(dòng)帶等。一個(gè)發(fā)電機(jī)聯(lián)合一個(gè)電機(jī)完成起動(dòng)機(jī)功能并在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)提供電能。發(fā)電機(jī)和曲軸之間的實(shí)際連接是通過一個(gè)皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成的。起動(dòng)時(shí)，由超級(jí)電容器向起動(dòng)／發(fā)電機(jī)提供電能，電機(jī)迅速起動(dòng)，通過皮帶起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。在行車遇到交通紅燈停車時(shí)，通過控制系統(tǒng)自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。

超級(jí)電容器組、AC／DC、起動(dòng)／發(fā)電機(jī)等重要零部件構(gòu)成制動(dòng)能量再生系統(tǒng)。由車輛制動(dòng)減速，掛擋行車，倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)起動(dòng)／發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，向超級(jí)電容器充電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再生功能。

皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，替代原來的起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。此系統(tǒng)針對(duì)起／停功能的性價(jià)比很高，微混的目的就是減少燃油消耗和CO2排放。

綜合，系統(tǒng)提供3種不同的功能：

（1）起動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)的可逆向功能，針對(duì)起／停功能和發(fā)電機(jī)功能應(yīng)用；

（2）制動(dòng)能量回收功能，除了酸性電池，通過超級(jí)電容將能量儲(chǔ)存起來；

（3）輔助扭矩，通過儲(chǔ)存在超級(jí)電容模塊的動(dòng)力，幫助發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和停止保護(hù)。

1.2 主要電子元器件

參考圖1，微混動(dòng)力車電子系統(tǒng)主要由不同的電氣元件組成：

（1）可逆向的起動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)裝置，提供電壓和功率調(diào)節(jié)模式，它主要由一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器和一個(gè)電機(jī)組成；

（2）可逆向的DC／DC轉(zhuǎn)換器，允許在超級(jí)電容和網(wǎng)絡(luò)間的能量轉(zhuǎn)換；

（3）超級(jí)電容模塊允許在電機(jī)和網(wǎng)絡(luò) （充電－放電） 之間的能量交換；

（4）混合控制單元，作為BSG系統(tǒng)的主要控制模塊；

（5）所有微混系統(tǒng)的模塊通過CAN總線進(jìn)行通信。

2 仿真分析

在技術(shù)方案選擇階段，進(jìn)行系統(tǒng)選擇時(shí)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)混合系統(tǒng)和各部件進(jìn)行建模及仿真，通過對(duì)其性能和特性的分析，進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過交替使用候選的子系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，從而找到最佳的方案。計(jì)算機(jī)模型為每個(gè)候選子系統(tǒng)提供了詳細(xì)規(guī)格和設(shè)計(jì)參數(shù)，從而方便了設(shè)計(jì)者的工作，而且還有助于為設(shè)計(jì)和制造樣車制定工程目標(biāo)和計(jì)劃。在仿真技術(shù)的研究與軟件開發(fā)中，應(yīng)該遵循的目標(biāo)是精確，即能夠使不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)間的比較有意義。

文中通過仿真分析評(píng)估整車微混系統(tǒng)的節(jié)油潛力 （在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況）。采用AVL公司的整車分析軟件Cruise中混合動(dòng)力模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，可以預(yù)測(cè)燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和駕駛性能，圖2所示為建立的微混動(dòng)力的整車模型。

2.1 整車仿真邊界條件

整車仿真邊界條件見表1—3。

表1 整車數(shù)據(jù)

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)

表3 傳動(dòng)數(shù)據(jù)

2.2 仿真結(jié)果

在混合動(dòng)力車的駕駛循環(huán)模式和燃油經(jīng)濟(jì)性降低潛力之間，存在一定的因果關(guān)聯(lián)。很明顯，例如，怠速發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉功能僅在有頻繁停車的工況是合適的。NEDC循環(huán)分析顯示發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)間占30% （如圖3），在怠速時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠持續(xù)改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖4顯示了針對(duì)不同駕駛循環(huán)，江淮瑞風(fēng)微混車由于怠速發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉功能的節(jié)油潛能，在 （NEDC冷機(jī)）4.9%節(jié)油和（NYCC熱機(jī)）15.5%節(jié)油之間存在明顯差異。

通過再生制動(dòng)能量可以進(jìn)一步降低燃油消耗，這種潛力取決于電動(dòng)機(jī)的尺寸。在NEDC循環(huán)，三軸144型號(hào)4 kW的電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生大約60%的可用能量，見圖5。

在微混動(dòng)力車型上，再生能量可供用電子裝置，特別在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)上發(fā)電機(jī)功能 （在正常駕駛工況下）可以弱化，這可以減少2%的燃油消耗。

最后，BSG效率的提高 （相對(duì)于常規(guī)發(fā)電機(jī)）對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性的改善有正面的影響，主要取決于電子元件的功率消耗。圖6顯示了對(duì)于兩種不同效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電子裝置引起的額外燃油消耗。

3 結(jié)束語

BSG混合動(dòng)力車，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上使用了一個(gè)超級(jí)電容器，給電機(jī)提供能量；在系統(tǒng)控制上，起停開關(guān)的模式和系統(tǒng)狀態(tài)變化轉(zhuǎn)換，通過混合控制單元實(shí)現(xiàn)。通過軟件對(duì)微混動(dòng)力車進(jìn)行了建模，仿真結(jié)果表明：預(yù)測(cè)的微混車型的節(jié)油性能和排放性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

【1】余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

【2】馮國勝，楊紹普.車輛現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

【3】陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

【4】馬芳武.汽車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

【5】倪佑民.汽車滑行試驗(yàn)方法的改進(jìn)和數(shù)據(jù)處理［J］.汽車工程，1982（2）：35－43.

Simulation Calculation of Vehicle’s Mild Hybrid Power

WANG Jun，ZHANG Ao，LEILei，WANG Hongda，ZHANG Chao
（Anhui Jianhuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei Anhui230601，China）

Cruise software was used to carry out simulation analysis onmild hybrid power car belt-starter generotor.A hybrid modelwas built，to predictvehicle’s fuel-efficient characteristics and emission index.The research results provide reference for the later prototype development.

Hybrid power；Belt-starter generotor；Simulation calculation

2014－04－10

王軍（1979—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過程。E-mail：wj.dly.jszx＠jac.com.cn