PHEV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及Cruise性能仿真研究

崔淑華，馬煜森

(東北林業(yè)大學(xué)， 哈爾濱 150040)

插電式混合動(dòng)力汽車(chē)集合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)行駛里程短時(shí)采用純電動(dòng)模式，行駛里程長(zhǎng)時(shí)采用混合動(dòng)力模式[1-2]。它可在晚間低谷時(shí)使用外部電網(wǎng)對(duì)車(chē)載動(dòng)力電池進(jìn)行充電，不僅可以削峰填谷緩解電網(wǎng)供電壓力[3]，而且可以降低對(duì)石油的依賴(lài)，是一種有較好發(fā)展前景的混合動(dòng)力汽車(chē)，也是向最終的清潔能源汽車(chē)過(guò)渡的最佳方案之一[4-5]。插電式混合動(dòng)力汽車(chē)需求功率的大小直接影響了車(chē)輛的能量消耗，因此準(zhǔn)確地計(jì)算出需求功率并進(jìn)行匹配是合理使用PHEV電能、提高PHEV使用性能的基礎(chǔ)。

1 整車(chē)參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

在開(kāi)發(fā)初期，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力總成設(shè)計(jì)取決于車(chē)輛設(shè)計(jì)目標(biāo)的設(shè)定，即在進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配時(shí)應(yīng)充分考慮目標(biāo)車(chē)型中發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作模式。圖1所示為實(shí)際研發(fā)項(xiàng)目中的某PHEV的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)矩方式進(jìn)行耦合，其整車(chē)基本參數(shù)見(jiàn)表1，制定目標(biāo)車(chē)型PHEV的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性性能指標(biāo)如表2、表3所示。

圖1 插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置

表1 整車(chē)基本參數(shù)

表2 目標(biāo)車(chē)型動(dòng)力性能指標(biāo)

表3 目標(biāo)車(chē)型經(jīng)濟(jì)性能

2 整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

2.1 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了改善整車(chē)經(jīng)濟(jì)性和排放性，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)一般由包含電動(dòng)機(jī)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起步，通過(guò)消耗動(dòng)力電池內(nèi)部的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛，在電池荷電狀態(tài)下降到設(shè)定的閾值之前一直工作在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下。因此，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)電機(jī)應(yīng)具有啟動(dòng)整車(chē)能力、以一定車(chē)速在純電動(dòng)模式下行駛的能力和一定的爬坡能力。

1) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

圖2 純電動(dòng)模式不同車(chē)速下電機(jī)轉(zhuǎn)矩與起步加速度關(guān)系

對(duì)中國(guó)、美國(guó)、歐洲和日本主要循環(huán)工況下的車(chē)輛加速度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知PHEV的最大起步加速度在2.0～2.5 m·s-2范圍時(shí)即可滿足車(chē)輛在絕大部分情況下以純電動(dòng)模式起步的要求[6]。在車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，車(chē)輛純電動(dòng)起步加速度取決于電機(jī)轉(zhuǎn)矩，見(jiàn)式(1)。純電動(dòng)模式不同車(chē)速和不同電機(jī)轉(zhuǎn)矩下的純電動(dòng)起步加速度如圖2所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為300～350 N·m時(shí)，滿足PHEV起步加速度需求。

(1)

式中：m為整車(chē)質(zhì)量；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；im為電機(jī)合成箱速比；io為主減速器速比；ηtm為電機(jī)到車(chē)輪端的傳動(dòng)效率；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；f為摩擦阻力系數(shù)；g為重力系數(shù)；v為時(shí)間為t時(shí)的當(dāng)前車(chē)速。

2) 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

整車(chē)性能目標(biāo)要求最高車(chē)速180 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為9 433 r/min。因此，要求電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，這屬于高速電機(jī)，采用交流感應(yīng)電機(jī)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

3) 電機(jī)峰值功率計(jì)算

對(duì)于大多數(shù)汽車(chē)，動(dòng)力源的最大功率通常由加速性指標(biāo)決定，即加速階段的功率足以滿足最高車(chē)速和爬坡要求[7]。汽車(chē)在水平路面上加速時(shí)，根據(jù)整車(chē)加速過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程，其瞬態(tài)過(guò)程總功率如下：

(2)

汽車(chē)起步加速過(guò)程車(chē)速曲線可以按式(3)來(lái)近似表示[8]。

(3)

由式(1)和(2)可得汽車(chē)在加速過(guò)程中所需的總功率為

(4)

其中：x為擬合系數(shù)，一般為0.5左右；tf、vf分別為加速過(guò)程的時(shí)間和末車(chē)速；t為時(shí)間；v為時(shí)間為t時(shí)的當(dāng)前車(chē)速；Pall為加速過(guò)程總功率；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

代入相關(guān)參數(shù)，可得此時(shí)電機(jī)峰值功率約為170 kW。

2.2 電池參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于功率型電池，電池參數(shù)匹配一般要滿足系統(tǒng)的電壓等級(jí)、功率要求、最大充放電電流等限制。對(duì)于高速電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力電池系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)，參照GB/T31466—2005《電動(dòng)車(chē)輛高壓系統(tǒng)等級(jí)》，可選擇144、288、320、346、400、576 V等。本文選定電池組的額定電壓為346 V。

表4 純電動(dòng)模式不同工況下所需功率

電池組容量為電池組總能量與額定電壓的比值，而電池組總能量需要根據(jù)純電動(dòng)模式下的續(xù)駛里程確定，即

(5)

(6)

其中：C為電池容量；Q為電池總能量；SOCH為電池承受較大充放電電流的SOC下限值；SOCL為電池承受較大充放電電流的SOC上限值；Ub為電池組額定電壓；va為車(chē)輛純電動(dòng)恒速行駛的車(chē)速；Sa為純電動(dòng)行駛里程。

對(duì)于特定的容量和工作電壓，電池組的充放電功率會(huì)隨著SOC的變化而變化，SOC下降時(shí)，最大充電功率增大，而最大放電功率則減小。當(dāng)SOC在30%～70% 時(shí)能夠承受較大的充放電電流[9]。因此，車(chē)輛在純電動(dòng)模式下以60 km/h恒定車(chē)速行駛65 km時(shí)，所需電池總能量為6 kW/h，電池容量為27 Ah。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率與總功率需求

發(fā)動(dòng)機(jī)功率的設(shè)計(jì)取決于PHEV混合模式下的控制策略。在車(chē)輛沒(méi)有峰值電源的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)能供給足夠的功率，以保證車(chē)輛可按一定的巡航車(chē)速運(yùn)行于水路面上且有剩余功率為電池充電。

在發(fā)動(dòng)機(jī)功率計(jì)算時(shí)，v的具體取值與車(chē)輛動(dòng)力性能具體要求和整車(chē)的控制策略有關(guān)。若按最高車(chē)速vmax進(jìn)行計(jì)算，則發(fā)動(dòng)機(jī)的功率值偏大，在運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致整車(chē)功率浪費(fèi)；另一方面，我國(guó)汽車(chē)在城市主干路上行駛的平均行駛車(chē)速為16～30 km/h[10]，若按行車(chē)的平均車(chē)速vave計(jì)算，則發(fā)動(dòng)機(jī)的功率取值偏小，無(wú)法滿足部分行駛工況，如急加速、爬坡等。結(jié)合我國(guó)車(chē)輛和路況的實(shí)際情況，v的取值應(yīng)介于平均車(chē)速與最高車(chē)速之間，即：

vave≤v≤vmax

(7)

因此，如在6%坡度上以120 km/h巡航車(chē)速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率P=70 kW?？紤]18～20 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)所帶附件功率及為電池充電預(yù)留10%余量[11]，則發(fā)動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)為96～99 kW。

3 整車(chē)性能仿真分析

3.1 整車(chē)CRUISE仿真模型搭建

根據(jù)以上匹配參數(shù)，基于AVL CRUISE搭建的整車(chē)仿真模型，如圖3所示。

3.2 整車(chē)控制策略模型搭建

基于Matlab/Simulink搭建整車(chē)控制策略模型，如圖4所示。整車(chē)控制策略模型主要包括三大模塊：整車(chē)工作模式判斷模塊、制動(dòng)能量回收模塊和扭矩分配模塊。車(chē)輛運(yùn)行模式主要依據(jù)駕駛員扭矩請(qǐng)求、電池SOC、油門(mén)開(kāi)度及車(chē)速等信息選擇純電動(dòng)和混合動(dòng)力模式。制動(dòng)能量回收模式主要根據(jù)制動(dòng)踏板和加速踏板信息，結(jié)合車(chē)輛行駛狀態(tài)，電機(jī)、電池的有效負(fù)荷計(jì)算制動(dòng)減速度，當(dāng)滿足制動(dòng)回饋條件時(shí)，將能量回饋給電池。扭矩分配模塊，混合動(dòng)力模式下扭矩分配主要涉及電機(jī)助力或發(fā)電工況扭矩分配。

圖3 整車(chē)仿真模型

圖4 整車(chē)控制策略模型

3.3 變速器換擋策略

進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真分析時(shí)，需要考慮變速器換擋策略。文中采用Cruise自帶的換擋規(guī)律，在仿真模型搭建時(shí)，GB Control模塊設(shè)定車(chē)速或轉(zhuǎn)速的換擋點(diǎn)。其換擋點(diǎn)設(shè)定和換擋控制原理分別如圖5和6所示。

3.4 仿真結(jié)果及分析

基于模型分別進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真，其中動(dòng)力性仿真結(jié)果如表5所示，純電動(dòng)模式下0～50 km/h加速過(guò)程如圖7所示，混合模式下50～100 km/h加速過(guò)程如圖8所示。

表5 整車(chē)動(dòng)力性仿真結(jié)果

圖5 變速箱換擋點(diǎn)設(shè)定

圖7 0～50 km/h加速過(guò)程

圖8 50～100 km/h加速過(guò)程

由表2可知:動(dòng)力性仿真結(jié)果基本符合整車(chē)性能目標(biāo)。百公里加速性能與目標(biāo)設(shè)定值存在偏差。由圖7與圖8可見(jiàn):在百公里高速段加速時(shí)，由純電動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到混合驅(qū)動(dòng)模式，存在模式切換，動(dòng)力合成箱中有動(dòng)力中斷，所以0～100 km/h加速性較差。

表6 整車(chē)經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

圖9 NEDC工況下電機(jī)分布點(diǎn)

整車(chē)經(jīng)濟(jì)性仿真依據(jù)GB/T19753—2013《輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量試驗(yàn)方法》進(jìn)行NEDC油耗與電耗分析。純電動(dòng)續(xù)駛里程根據(jù)ECE R101-09版，SOC從90%降到20%的要求獲得，仿真結(jié)果如表6所示，可見(jiàn)基本滿足整車(chē)性能要求。圖9為電機(jī)在NEDC工況下的工作點(diǎn)分布及效率區(qū)間圖。由圖可以看出：電機(jī)工作效率區(qū)間為80%～90%，導(dǎo)致電能損耗較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

PHEV性能指標(biāo)要求與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)不同，在確定整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)布置方案和運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，首先應(yīng)參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定合理的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。其次，運(yùn)用Cruise仿真軟件進(jìn)一步確定混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配參數(shù)，并分析整車(chē)性能仿真結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。本文仿真結(jié)果中動(dòng)力合成箱模式切換造成加速性能不良、電機(jī)運(yùn)行效率偏低的問(wèn)題，與動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)的控制策略有關(guān)，因此應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制策略的優(yōu)化研究，以提高整車(chē)性能。

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