混合動力物流車動力系統(tǒng)匹配及仿真

趙尚義，鄭青星，劉豪森

(1.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545000；2．武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；3．武漢理工大學 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

由于能源危機和環(huán)境問題的日益嚴峻，傳統(tǒng)燃油物流車已經(jīng)無法滿足人們的各項需求，新能源物流車因此得到極大的發(fā)展[1].物流車作為運輸車型，需要有較好的動力性能，還需要較好的續(xù)駛里程來提高運輸效率.純電動物流車由于充電設(shè)備普及度較低，續(xù)航里程難以滿足要求，實現(xiàn)起來有一定的難度.目前，集傳統(tǒng)燃油車和電動車優(yōu)勢于一身的混動物流車是一種合理的解決方案，在動力性不輸燃油車的情況下，能滿足嚴格的排放法規(guī)，經(jīng)濟性方面也有提升.筆者以一款傳統(tǒng)柴油物流車為原型，根據(jù)其性能指標重新設(shè)計一款混動物流車，并匹配相應的發(fā)動機、電動機、電池和傳動系統(tǒng).通過在AVL Cruise軟件中進行仿真計算分析，驗證該混動車的可行性與合理性.通過Isight與Cruise對整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制參數(shù)進行優(yōu)化，得到更優(yōu)的結(jié)果.

1 混動車整車參數(shù)

在原傳統(tǒng)物流車基礎(chǔ)上進行設(shè)計，部分整車參數(shù)沿用原車參數(shù)，加速時間、最大爬坡度以及最高車速等性能指標以原車指標為目標值.整車參數(shù)如下：汽車整備質(zhì)量為3 400 kg；滿載質(zhì)量為4 950 kg；迎風面積為5.8 m2；軸距為2 750 mm；輪胎半徑為350 mm；風阻系數(shù)為0.4；滾動阻力系數(shù)為0.015；整車機械傳動效率為0.9.動力性性能指標如下：最高車速≥90 km·h-1；0-50 km·h-1加速時間≤9 s；車速為20 km·h-1時的滿載最大爬坡度≥20%.

2 整車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 整車功率需求匹配

根據(jù)整車動力性指標，即最高車速、最大爬坡度以及加速性能，分別計算得到需求功率P1，P2，P3，在此基礎(chǔ)上確定需要的總功率[2].

以最高車速計算，由功率平衡方程可得

(1)

式中：ηT為整車機械傳動效率；m為汽車總質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風阻系數(shù)；A為迎風面積；vmax為最高車速.

以最大爬坡度計算，可得

(2)

式中：α為最大爬坡度；vα為爬坡車速.

以加速性能計算，根據(jù)加速性能確定的功率為

(3)

式中：v為車輛的實時車速.

計算得P1=45 kW，P2=108 kW，P3=86 kW.汽車總功率Ptotal≥max(P1，P2，P3).考慮到汽車風扇空調(diào)等用電件的消耗及各部件的能量損失，總功率需預留10%～20%.最終選定Ptoatal= 130 kW.

2.2 發(fā)動機選型與參數(shù)設(shè)計

為滿足動力性指標，汽車在發(fā)動機單獨驅(qū)動時能達到最高車速，選定一款功率為93 kW的四缸四沖程汽油機，其參數(shù)如下：發(fā)動機排量為1.8 L；最大轉(zhuǎn)矩為170 N·m，對應轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1；最大功率為93 kW，對應轉(zhuǎn)速為5 600 r·min-1.

2.3 驅(qū)動電動機選型與參數(shù)設(shè)計

由于電動機在汽車起步、加速以及爬坡等情況下需要與發(fā)動機共同驅(qū)動車輛達到動力性指標，最終選定一款峰值功率為42 kW的永磁同步電動機.電動機的參數(shù)如下：額定電壓為320 V；最大轉(zhuǎn)矩為163 N·m；最大轉(zhuǎn)速為7 300 r·min-1；最大功率為42 kW，對應轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1；額定功率為22 kW，對應轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1.

2.4 動力電池選型及參數(shù)設(shè)計

動力電池的選型和設(shè)計也是動力系統(tǒng)匹配的重要一環(huán)[3].按照所選擇的電動機的額定電壓，選取磷酸鐵鋰電池，電池的額定電壓為320 V，最大電壓為350 V.結(jié)合電動機額定功率Pm，計算得電池額定放電電流為68.75 A.設(shè)計中，電動機的作用是削峰填谷，因此電動機以及電池的持續(xù)工作時間及電池容量都要求較低.假設(shè)電池每次工作時按額定放電電流連續(xù)放電15 min.電池的額定容量為

C=It，

(4)

式中：I為放電電流；t為連續(xù)放電時間.

計算后確定的電池額定容量為15.625 A·h.

2.5 傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

2.5.1主減速器傳動比設(shè)計

主減速器傳動比范圍[4]為

(5)

式中：nemax為發(fā)動機最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；nep為發(fā)動機最大功率點的對應轉(zhuǎn)速；r為車輪滾動半徑.

根據(jù)式(5)選擇主減速器傳動比i0= 4.556.

2.5.2最大傳動比設(shè)計

最大傳動比是變速器1擋的傳動比i1，即

(6)

式中：Tmax為汽車輸出最大轉(zhuǎn)矩，取333 N·m.

為滿足汽車最大爬坡度要求，據(jù)式(6)計算得i1≥2.62.參考傳統(tǒng)車和電動車的變速箱擋位設(shè)計[5]，最終確定變速器擋位為5擋，各擋傳動比如下：1擋傳動比i1為4.313；2擋傳動比i2為2.330；3擋傳動比i3為1.436；4擋傳動比i4為1.000；5擋傳動比i5為0.789；倒擋傳動比iR為3.250.

3 動力系統(tǒng)控制策略設(shè)計

3.1 控制策略設(shè)計原則

對混合動力汽車進行合理的控制策略設(shè)計，可以在滿足動力性要求的前提下改善整車經(jīng)濟性能.為了合理利用電動機和發(fā)動機，根據(jù)不同行駛情況下的負荷需求，劃分了不同的工作模式，制定了基于規(guī)則的控制策略[6].針對設(shè)計的混動汽車，在設(shè)計控制策略時應遵循以下原則：① 電動機優(yōu)先工作，在汽車行駛需求負荷較低時，盡量讓電動機單獨工作，在實現(xiàn)零排放的同時，可以有效降低整車能耗；② 發(fā)動機在高效區(qū)工作，汽車行駛需求負荷較高時讓發(fā)動機工作，盡量使發(fā)動機在其高效區(qū)或高效率工作點工作；③ 電動機制動回收，在減速制動情況下，結(jié)合電池SOC情況選擇進行制動能量回收，從而降低能耗；④ 電池SOC(state of charge)保護，保持電池SOC在一定的范圍內(nèi)，避免電池過度充電或放電，影響電池的使用壽命.

3.2 邏輯門限值設(shè)計

在基于規(guī)則的控制策略設(shè)計中，主要依據(jù)邏輯規(guī)則和工程經(jīng)驗，使車輛能根據(jù)不同的工況需求工作在不同的行駛模式下，保證動力系統(tǒng)始終處于較高的工作效率下，降低整車行駛的瞬時能耗.因此設(shè)計合適的邏輯門限值是重要的一環(huán).在對邏輯門限值進行設(shè)計時，需要結(jié)合發(fā)動機和電動機穩(wěn)態(tài)工作時的Map圖來確定具體數(shù)值.發(fā)動機Map圖如圖1所示，電動機Map圖如圖2所示.

圖1 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)Map圖

圖2 電動機穩(wěn)態(tài)Map圖

3.3 工作模式劃分及控制

在汽車行駛過程中，其工作模式可根據(jù)需求劃分為純電動模式、發(fā)動機單獨工作模式、混動模式a、混動模式b、制動模式a和制動模式b.通過界定的邏輯門限值來判斷和切換不同的工作模式.

1) 純電動模式，在整車電量充足的前提下，車輛處于起步階段或者低速勻速行駛階段，整車負荷較低.整車由電動機獨自驅(qū)動，提供全部需求轉(zhuǎn)矩.整車轉(zhuǎn)矩分配如下：

(7)

式中：Tm為電動機輸出轉(zhuǎn)矩；Treq為整車需求轉(zhuǎn)矩；Te為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩.

2) 發(fā)動機單獨工作模式，此模式工作環(huán)境如下：① 電池電量低于設(shè)定最低值，電動機停止工作，發(fā)動機獨自驅(qū)動；② 電池電量高于設(shè)定最低值，車速超過發(fā)動機起動的最低車速且整車負荷達到發(fā)動機高效率負荷區(qū).當發(fā)動機獨自驅(qū)動時，發(fā)動機提供全部需求轉(zhuǎn)矩.整車轉(zhuǎn)矩分配情況為

(8)

3) 混動模式，混動模式a工作環(huán)境是電池電量高于設(shè)定最低值，整車負荷較大，需求轉(zhuǎn)矩超過發(fā)動機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩.發(fā)動機提供最大工作轉(zhuǎn)矩，剩余部分轉(zhuǎn)矩由電動機提供，電動機起到助力作用，以此來保證提供足夠轉(zhuǎn)矩且發(fā)動機工作在高效區(qū).整車轉(zhuǎn)矩分配情況為

(9)

式中：Temax為發(fā)動機最大工作轉(zhuǎn)矩.

混動模式b工作環(huán)境一般是電池電量高于設(shè)定最低值，整車需求負荷較低，小于發(fā)動機最小工作轉(zhuǎn)矩.此時使發(fā)動機保持工作在其高效區(qū)，提供最小工作轉(zhuǎn)矩，超出整車需求部分驅(qū)動電動機發(fā)電給電池充電.整車轉(zhuǎn)矩分配情況為

(10)

式中：Temin為發(fā)動機最小工作轉(zhuǎn)矩.

4) 制動模式，制動模式a為制動回收模式，制動模式b為機械制動模式.2種模式根據(jù)電池SOC來選擇，當SOC

控制策略流程圖如圖3所示，Tmmax為電動機最大工作轉(zhuǎn)矩，p為制動壓力，ve為發(fā)動機起動最低車速，SOCl為電池最低SOC.為了方便控制程序的編寫與實現(xiàn)，引入轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)代替轉(zhuǎn)矩：Lmmax為電動機最大工作轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)；Lemax為發(fā)動機最大工作轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)；Lemin為電動機最小工作轉(zhuǎn)矩比例系數(shù).各比例系數(shù)與對應轉(zhuǎn)矩關(guān)系式如下：

圖3 模式切換流程框圖

Tmmax=LmmaxTmax1，

(11)

Temax=LemaxTmax2，

(12)

Temin=LeminTmax2，

(13)

式中：Tmax1為電動機可輸出最大轉(zhuǎn)矩；Tmax2為發(fā)動機可輸出最大轉(zhuǎn)矩.

4 整車建模及仿真分析

在設(shè)計好動力系統(tǒng)的各部件參數(shù)及控制策略后，通過AVL Cruise軟件進行整車建模和仿真分析.

4.1 整車模型建立

選擇要用到的模塊并放入界面中，包括整車模塊、電動機模塊、電池組模塊、控制模塊和駕駛員模塊等，并將各模塊按整車實際情況來連接，如圖4所示.根據(jù)各部件間的信號傳輸，在數(shù)據(jù)總線(Data Bus)中進行信號連接.將電動機、發(fā)動機和電池等部件的參數(shù)輸入到模塊中.至此整車模型搭建完成.

圖4 整車結(jié)構(gòu)模型

4.2 仿真結(jié)果分析

在搭建好的整車模型上完成一系列仿真任務，包括爬坡性能任務、滿載加速任務和工況循環(huán)任務，得到最大爬坡度、最高車速和加速時間3個動力性評價指標及每百公里能耗經(jīng)濟性評價指標.由于物流車的運輸特性，工況循環(huán)任務選用CWTVC工況[7].在所有仿真任務中，電池的初始電量均設(shè)定為89%.

4.2.1動力性能仿真結(jié)果

1) 對最大爬坡度仿真分析得到汽車滿載時各擋爬坡性能結(jié)果如圖5所示.汽車在1擋車速為20 km·h-1時的爬坡度為24.02%，滿足設(shè)計要求.

2) 對最高車速及加速性能仿真分析得到汽車滿載加速曲線如圖6所示，汽車在加速時，最高車速大于90 km·h-1，最高車速滿足設(shè)計要求；汽車的0-50 km·h-1加速時間為7.81 s，滿足設(shè)計要求.

圖6 汽車加速曲線

4.2.2經(jīng)濟性能仿真結(jié)果

結(jié)合設(shè)計的物流車特點，選定符合城市物流車工況特性的CWTVC工況，在Cruise中進行經(jīng)濟性仿真試驗.CWTVC循環(huán)工況下發(fā)動機和驅(qū)動電動機的工作點如圖7，8所示.從圖7可以看出，當發(fā)動機工作時，超過90%的工作點都落在發(fā)動機的高效區(qū)內(nèi).從圖8可以看出，電動機在驅(qū)動時，工作點也基本都落在高效區(qū).

圖7 循環(huán)工況下發(fā)動機工作點

圖8 循環(huán)工況下電動機工作點

根據(jù)仿真結(jié)果，原車在該工況下的柴油油耗量為10.062 L·(100 km)-1，設(shè)計的混動車同工況下的汽油油耗量為7.710 L·(100 km)-1，電耗量為8.490 kW·h·(100 km)-1.由于汽油熱值為30.7 MJ·L-1，柴油熱值為33.0 MJ·L-1，根據(jù)燃油熱值將原車的柴油消耗量換算為汽油消耗量，即10.820 L·(100 km)-1.對比原車，設(shè)計的混動車在燃油消耗方面改善了28.00%.

5 混合動力物流車能耗優(yōu)化

為了進一步改善能耗并保證電池SOC平衡，利用Isight和Cruise實現(xiàn)集成優(yōu)化[8]，對整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制參數(shù)進行優(yōu)化.

5.1 優(yōu)化模型的建立

在優(yōu)化工作前期，首先設(shè)置好一系列文件，在Isight中調(diào)用Cruise中搭建好的模型來進行計算；然后在Isight中建立優(yōu)化模型，通過合適的算法進行迭代計算；最后得出計算結(jié)果.在算法選擇上，選擇多目標粒子群算法[9]，參數(shù)設(shè)置如下：迭代次數(shù)為200 次；種群大小為30個；慣性因子為0.9；全局增重為0.4；種群增量為0.6；最大搜索速度為2.

5.2 優(yōu)化仿真結(jié)果分析

經(jīng)過4 021次優(yōu)化循環(huán)后，經(jīng)篩選，計算結(jié)果中滿足的約束解如表1所示.其中，felec和ffuel分別是百公里電耗量和油耗量.根據(jù)優(yōu)化目標，即在電池SOC平衡前提下選擇綜合能耗最小的解為最優(yōu)解，本次優(yōu)化結(jié)果中的最優(yōu)解見表1中的序號8.優(yōu)化前后參數(shù)及能耗對比如表2所示.

表1 部分約束解列表

表2 優(yōu)化前后參數(shù)及能耗對比

優(yōu)化后發(fā)動機和電動機在CWTVC循環(huán)工況下工作點如圖9，10所示.對比圖7可以看出，落在發(fā)動機高效區(qū)(即180 g·(kW·h)-1)工作點較優(yōu)化前增加了11%，表明發(fā)動機工作效率較優(yōu)化前有所改善.對比圖8可以看出，電動機優(yōu)化后工作點整體右移，更多工作點落在高效區(qū)內(nèi).

圖9 優(yōu)化后循環(huán)工況下發(fā)動機工作點

圖10 優(yōu)化后循環(huán)工況下電動機工作點

優(yōu)化后，汽車在車速為20 km·h-1時的爬坡度達到23.35%，0-50 km·h-1加速時間為7.64 s，均滿足動力性指標；整車油耗為9.430 L·(100 km)-1，電耗為0.030 kW·h·(100 km)-1.優(yōu)化后的綜合能耗較優(yōu)化前降低了15.00%.表明本次優(yōu)化后的各項參數(shù)合理可用.

6 結(jié) 論

所設(shè)計的混動車的爬坡性能、加速性能和最高車速均能滿足動力性要求，表明動力參數(shù)匹配較合理；相比于原車，由于電動機“削峰填谷”，使發(fā)動機大部分工作點都處在高效區(qū)，因此在能耗優(yōu)化前，整車燃油消耗相較原車降低了28.00%，車輛排放物也會大幅減少，因此車輛的排放性能必然隨之得到較大改善；在以降低綜合能耗和電池SOC平衡為目標進行能耗優(yōu)化后，整車綜合能耗也較優(yōu)化前降低了15.00%.

后續(xù)工作可以對控制策略進行進一步優(yōu)化，通過換用轉(zhuǎn)矩實時分配的控制方法[10]來進一步提高整車經(jīng)濟性.