基于ADVISOR的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析

曠水章　王虎　周閣成

摘 要：近年來，經(jīng)濟(jì)的崛起和工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了汽車行業(yè)的崛起，但同時(shí)帶來了環(huán)境污染與能源匱乏等問題。應(yīng)對這一問題，燃料與電力結(jié)合的混合動(dòng)力汽車是目前汽車企業(yè)中廣泛采用的過渡策略。本文基于奧迪A6L2.8型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇ZYT型永磁直流電機(jī)、18650型鋰離子電池共同構(gòu)成混合動(dòng)力新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)。挑選轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、油耗、電壓等發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池等模塊的數(shù)學(xué)模型。使用MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立混合動(dòng)力汽車仿真模型，并在電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR2002中進(jìn)行仿真分析及參數(shù)優(yōu)化。將混合動(dòng)力汽車性能仿真結(jié)果與純?nèi)加推囆阅苓M(jìn)行對比分析，結(jié)果表明混合動(dòng)力汽車比純?nèi)加推嚲哂懈训娜加徒?jīng)濟(jì)性與排放性。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 動(dòng)力系統(tǒng) ADVISOR仿真分析 燃油經(jīng)濟(jì)性

Simulation Analysis of Hybrid Electric Vehicle Power System Based on ADVISOR

Kuang Shui Zhang Wang Hu Zhou Gecheng

Abstract：In recent years， the rise of economy and the development of industry have promoted the rise of the automobile industry， but at the same time it has brought environmental pollution and energy shortages. To deal with this problem， hybrid vehicles that combine fuel and electricity are currently a transition strategy widely adopted by auto companies. Based on the Audi A6L2.8 automobile engine， this article selects ZYT permanent magnet DC motor and 18650 lithium ion battery to form the power system of hybrid new energy vehicles. The engine parameters such as torque， speed， fuel consumption， voltage， etc. were selected for calculation， and mathematical models of the engine， electric motor， battery and other modules were established. The article uses MATLAB/SIMULINK simulation software to establish a hybrid electric vehicle simulation model， and perform simulation analysis and parameter optimization in the electric vehicle simulation software ADVISOR2002. Comparing the performance simulation results of hybrid electric vehicles with that of pure fuel vehicles， the article finds that the results show that hybrid vehicles have better fuel economy and emissions than pure fuel vehicles.

Key words：hybrid electric vehicle， power system， ADVISOR simulation analysis， fuel economy

全球汽車制造業(yè)正面臨著能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大難題。有效地改善生活環(huán)境，是全人類的共同社會責(zé)任。純電動(dòng)汽車和氫燃料電池技術(shù)仍未取得革命性突破，難以成為汽車行業(yè)的近期發(fā)展主流。而混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)、蓄電池、電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步開發(fā)，其兼具純?nèi)加蛙囁哂械谋饶芰亢捅裙β矢叩膬?yōu)點(diǎn)，又解決了電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程較低的缺點(diǎn)，混合動(dòng)力汽車可以較好地解決燃油消耗和排放問題，因此開發(fā)性能優(yōu)異的混合動(dòng)力汽車，成為了當(dāng)今所有汽車企業(yè)的共同目標(biāo)。

1 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)確定（表1）

2 動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)可以輸出的轉(zhuǎn)矩Tf_out_a為：

（1）

式中Tfc_a——發(fā)動(dòng)機(jī)總轉(zhuǎn)矩（N·m）;

Tacc——附加阻轉(zhuǎn)矩（N·m）;

Pacc——附加功率（KW）;

Jfc——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為：

（2）

2.2 電機(jī)模塊

電機(jī)三相繞組有著完全對稱式的空間幾何結(jié)構(gòu)，對無刷式直流電機(jī)進(jìn)行分析，忽略磁場磁滯及渦流的影響，如果電機(jī)的磁場不飽和，通過計(jì)算可得到電機(jī)的三相電壓方程：

（3）

式中u——定子相繞組電壓（V）;

e——繞組電動(dòng)勢（V）;

i——定子相繞組電流（I）;

L——定子相繞組的自感（H）;

M——定子相繞組之間的互感（H）。

2.3 蓄電池模塊

電壓、電阻的數(shù)值是測量soc和蓄電池工作溫度的兩個(gè)重要參數(shù)，它們是方程式計(jì)算過程中的重要測量數(shù)值，對于蓄電池的溫度和工作效率的大小起著決定性作用。在進(jìn)行系統(tǒng)建模和分析的過程中，若我們?nèi)コ郎囟茸兓瘜ぷ鬟^程及蓄電池溫度的影響因素，電阻及電壓的工作效率大小就由電壓和soc的數(shù)值所確定。那么整個(gè)蓄電池的溫度和工作效率只由電壓和soc的數(shù)值來決定。電壓電阻計(jì)算見式（4）。

（4）

蓄電池功率值取決于電機(jī)額定功率、蓄電池SOC值、內(nèi)阻及蓄電池開環(huán)電壓等因素。

（5）

式中Voc——蓄電池開環(huán)電壓（V）;

Rint——蓄電池內(nèi)阻（Ω）;

Pbatt——蓄電池限制功率（KW）;

Pm——電機(jī)的額定功率（KW）;

Ibatt——蓄電池電流（A）。

3 動(dòng)力系統(tǒng)仿真與分析

3.1 仿真條件的設(shè)定

3.1.1 道路循環(huán)工況設(shè)置

我國對于乘用車的城市道路工況要求為NEDC工況，因此，本文將NEDC作為本次仿真模擬的循環(huán)工況。通過這個(gè)模擬界面我們可以對車輛仿真條件、測試方案進(jìn)行設(shè)定，如城市道路工況、循環(huán)仿真次數(shù)、電池荷電狀態(tài)以及加速性、爬坡性測試等。車輛仿真條件模擬的界面可以提供多種循環(huán)工況測試的方案[4]。

3.1.2 電池充電狀態(tài)修正

電池充電狀態(tài)修正有2種SOC修正方式：其中一種方式是線性SOC修正，總的來說，SOC校正是為了當(dāng)我們不了解汽車實(shí)際性能時(shí)，暫停電池的使用，僅僅通過對發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出來判斷汽車的燃油消耗率等性能。線性SOC修正方式是先由SOC給出正反饋，對荷電狀態(tài)修正后的變量值通過線性關(guān)系排列。這是一種增量變化修正的方法[5]，這種方法能有效解決汽車行駛過程中SOC值的變化。另一種是給由SOC給出負(fù)反饋，將SOC值定義為0，荷電量會隨著仿真的運(yùn)行進(jìn)行修正，這種方式是調(diào)整初始的SOC值，以便于在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，汽車的SOC值的波動(dòng)區(qū)間始終在一定的區(qū)間內(nèi)。這個(gè)區(qū)間可以在仿真界面中進(jìn)行設(shè)置[6]。

3.2 仿真結(jié)果

圖3與圖4中左側(cè)從上至下分別為汽車車速隨時(shí)間變化曲線圖、電池能量隨時(shí)間變化曲線圖、廢氣排放隨時(shí)間變化圖以及汽車整體傳動(dòng)效率隨時(shí)間變化曲線圖。

最高車速未達(dá)到235km/h是在考慮汽車滑移率的情況下所得出來的結(jié)果，結(jié)果顯示，仿真各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合初步預(yù)期。與原車型進(jìn)行對比，各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表2所示。

4 結(jié)論

本次研究的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，在傳統(tǒng)純?nèi)加蛙嚨幕A(chǔ)上，進(jìn)行混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的開發(fā)，賦予車輛更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，符合目前汽車發(fā)展的趨勢。通過對所搭建的仿真模型完成仿真分析，把仿真結(jié)果和原純?nèi)加蛙囘M(jìn)行對比，結(jié)果表明，混合動(dòng)力汽車擁有更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

基金項(xiàng)目（Foundation item）：湖南省教育廳科學(xué)研究優(yōu)秀青年項(xiàng)目（18B560）

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