基于CRUISE的混合動(dòng)力汽車(chē)仿真分析

周媛媛

基于CRUISE的混合動(dòng)力汽車(chē)仿真分析

周媛媛

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

文章基于混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)參數(shù)，結(jié)合其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)主要元件進(jìn)行了型號(hào)選擇與參數(shù)匹配。在AVL CRUISE軟件環(huán)境中搭建整車(chē)模型，進(jìn)行信號(hào)連接，搭建控制策略。建立滿負(fù)荷加速測(cè)試，穩(wěn)態(tài)行駛測(cè)試，爬坡度測(cè)試，循環(huán)工況測(cè)試共四個(gè)計(jì)算任務(wù)，比照前期設(shè)定的期望達(dá)到的目標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單地分析，證明了文章所設(shè)計(jì)的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的性能是符合標(biāo)準(zhǔn)的。

混聯(lián)式；混合動(dòng)力；AVL CRUISE；仿真分析

引言

21世紀(jì)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的重要方向就是節(jié)能和環(huán)保，混合動(dòng)力汽車(chē)既有傳統(tǒng)汽車(chē)優(yōu)良的動(dòng)力性，又有電動(dòng)汽車(chē)良好的凈排放特性，是汽車(chē)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

本文主要利用 AVL CRUISE，通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的參數(shù)匹配，對(duì)車(chē)輛性能進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真分析。AVL CRUISE是一款可以對(duì)汽車(chē)的主要性能進(jìn)行仿真的軟件，它可以通過(guò)設(shè)定工況與任務(wù)，對(duì)車(chē)輛的百公里燃油消耗量、最大爬坡度、百公里加速時(shí)間、最高車(chē)速等動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性的性能指標(biāo)進(jìn)行仿真計(jì)算，以便后續(xù)的分析工作[1-2]。

1 混合動(dòng)力汽車(chē)參數(shù)匹配

1.1 整車(chē)基本建模參數(shù)及目標(biāo)性能參數(shù)

論文的參數(shù)匹配，首先需要對(duì)各動(dòng)力總成的參數(shù)進(jìn)行合理計(jì)算。具體參數(shù)如表1所示。

表1 整車(chē)參數(shù)表

本文研究的混合動(dòng)力汽車(chē)期望達(dá)到的性能目標(biāo)如表2所示。

表2 整車(chē)性能目標(biāo)

1.2 整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

1.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的計(jì)算要滿足巡航行駛和爬坡能力的要求。

具體的計(jì)算過(guò)程如下[3-4]：

（1）當(dāng)以巡航車(chē)速在道路上行駛時(shí)，需要滿足的功率P1計(jì)算如下：

其中為定速巡航車(chē)速。

（2）滿足爬坡要求的功率P2：

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2.2電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

根據(jù)對(duì)電機(jī)的要求，本文選用永磁電動(dòng)機(jī)。永磁電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)速度快，整體性能好的特點(diǎn)。

電動(dòng)機(jī)的最高功率，需要以純電動(dòng)模式下，汽車(chē)能夠達(dá)到的最大速度，以及車(chē)輛低速行駛時(shí)可以行駛的坡度為依據(jù)，具體的計(jì)算過(guò)程如下：

（1）在純電動(dòng)模式下，汽車(chē)最多可以行駛5km，最高車(chē)速可達(dá)70km/h，將數(shù)值帶入式1，1=6.56kw。

（2）電動(dòng)機(jī)要滿足爬坡能力的要求，將車(chē)速1km/h，最大爬坡度20%代入式2中P2=kw。電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)滿足：

電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表4所示。

表4 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2.3發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配

發(fā)電機(jī)的功率與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，首先計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

式中I為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，me為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，re為氣缸半徑。

初步選定電機(jī)基速為2000r/min。則發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T應(yīng)滿足：

n為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速（1000r/min），發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率P可根據(jù)式5計(jì)算：

ω為發(fā)電機(jī)基速。

最后得到發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)如表5所示：

表5 發(fā)電機(jī)參數(shù)

1.2.4電池組參數(shù)匹配

（1）氫鎳電池個(gè)數(shù)的計(jì)算

電池組所需功率，要以滿足電動(dòng)機(jī)的功率為依據(jù)，具體的計(jì)算過(guò)程如式6所示：

式中P為電動(dòng)機(jī)正常工作所需功率，P為電動(dòng)機(jī)功率，為工作效率。

單體氫鎳電池的電壓為1.2v，一般6個(gè)為一組，每組電壓為7.2v。

單體電池的個(gè)數(shù)可由動(dòng)力電池所需功率除以單體電池功率求得，如式7：

式中P為單體氫鎳電池功率

式中n為單體電池個(gè)數(shù)，最后取單體氫鎳電池為192組。

（2）氫鎳電池電量計(jì)算

除了要滿足電動(dòng)機(jī)的功率需求，電池組的功率還應(yīng)該滿足混合動(dòng)力汽車(chē)在純電動(dòng)模式下，能夠進(jìn)行低速巡航的要求。具體的計(jì)算過(guò)程如式9、式10所示[5-6]：

式中v為汽車(chē)純電動(dòng)低速巡航車(chē)速，Q為蓄電池的容量，Qb為蓄電池電能，Ub為工作電壓，SH、SL為SOC上下限值，PB為滿足純電動(dòng)低速巡航的功率，L為純電動(dòng)續(xù)航里程。

將結(jié)果取整，則Q=27Ah，根據(jù)以上的計(jì)算可知ns=192,由于本文所研究的混合動(dòng)力汽車(chē)是混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的，所以將192個(gè)單體電池分為3組，每組64個(gè)，將這64個(gè)電池串聯(lián)，組成3組電池組，再并聯(lián)。最后得到的電池組基本參數(shù)如表6所示：

表6 基本參數(shù)

2 CRUISE仿真模型搭建

AVL CRUISE可以進(jìn)行車(chē)輛各系統(tǒng)的試驗(yàn)研發(fā)。軟件采用拖拽式方法搭建模型，所以擁有高效的模型搭建的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，CRUISE軟件在進(jìn)行仿真分析后，輸出的結(jié)果非常直觀明了。另外，軟件還提供了與各種程序編輯軟件的連接口，包括MATLAB/SIMULINK、C語(yǔ)言等常用的軟件，實(shí)現(xiàn)軟件之間的高效連接。

利用仿真軟件對(duì)車(chē)輛的形式特性進(jìn)行分析，搭建出正確的模型，首先要拖出各個(gè)需要的部件模塊，確定好位置再進(jìn)行各組件間的機(jī)械、電氣和信號(hào)連接，如圖1所示[7-8]。

圖1 信號(hào)連接

將各個(gè)元件的參數(shù)輸入到對(duì)應(yīng)的整車(chē)模塊里，組成正確的整車(chē)模型，如圖2所示。

圖2 建立整車(chē)模型

3 整車(chē)性能仿真分析

3.1 動(dòng)力性能仿真分析

3.1.1百公里加速時(shí)間

百公里加速時(shí)間是由Full Load Acceleration任務(wù)計(jì)算得出的。在Task Folder中添加該任務(wù)，選擇熱車(chē)啟動(dòng)，不考慮輪胎的滑移現(xiàn)象，運(yùn)行計(jì)算任務(wù)得到的結(jié)果如圖3所示：

圖3 全負(fù)荷加速時(shí)間表

由圖3可知，汽車(chē)全負(fù)荷加速到100km/h所用的時(shí)間為17.65s，略小于18s，滿足前期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.1.2最大爬坡度

再次添加任務(wù)，在AVL CRUISE的Climbing Performance仿真任務(wù)中，設(shè)定Hot Start-steady state（車(chē)輛熱啟動(dòng)）和without slip（不考慮滑移），Drive與Course同樣選擇standard模式，運(yùn)行任務(wù)，得到的結(jié)果如圖4所示：

圖4 速度-爬坡度圖

根據(jù)圖4可知，車(chē)輛在車(chē)速區(qū)間為0~40km/h時(shí)爬坡性能比較好，而在40km/h以后爬坡性能有很大的下降。在車(chē)速為30km/h時(shí)，車(chē)輛的最大爬坡度約為21%，大于前期所設(shè)定的爬坡度目標(biāo)（20%），所以符合最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.1.3最高車(chē)速

在軟件中添加Constant Drive仿真任務(wù)中，設(shè)定Start- steady state（車(chē)輛熱啟動(dòng)）和without slip（不考慮滑移）等條件，Driver與Course依然選擇standard模式，運(yùn)行后的得到的結(jié)果如圖5所示：

圖5 最高車(chē)速任務(wù)結(jié)果

由圖5可知，本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)的理論最高車(chē)速為156.58km/h，實(shí)際最高車(chē)速為155.00km/h，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于120km/h，完全符合開(kāi)始的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 經(jīng)濟(jì)性能仿真分析

根據(jù)汽車(chē)?yán)碚摰闹R(shí)，一般以百公里油耗作為燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。運(yùn)用CRUISE軟件進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真時(shí)，需要設(shè)定路況。

在AVL CRUISE中，提供了很多標(biāo)準(zhǔn)的行駛工況，零件庫(kù)中工況包括：

（1）NEDC（New European Driving Cycle）；

（2）UDC（Urban Driving Cycle）；

（3）EUDC（Extra Urban Driving Cycle）；

（4）FTP 75（the Federal Test Procedure）；

（5）Highway（US Highway Driving Cycle）。

本文選用NEDC工況，在搭建好的車(chē)輛模型里添加Cycle Run任務(wù)，在工況庫(kù)中選擇NEDC工況。

設(shè)定任務(wù)中的Driver與Course全部選擇standard（標(biāo)準(zhǔn)）模式，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示：

圖6 經(jīng)濟(jì)型的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖6可以看出，本文所設(shè)計(jì)模型的百公里燃油消耗量為1.31L/km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最初設(shè)計(jì)目標(biāo)的5.6L/km，完全符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）以某款混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)參數(shù)為參考，以混合動(dòng)力汽車(chē)的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)為前提，制定相應(yīng)的參數(shù)匹配方案，建立各參數(shù)之間的耦合關(guān)系。從性能角度出發(fā)，確定各參數(shù)的取值，并確定電機(jī)的類(lèi)型、電池的組成和傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。

（2）在AVL CRUISE軟件環(huán)境中搭建整車(chē)模型。將計(jì)算好的參數(shù)輸入進(jìn)動(dòng)力部件，按照邏輯對(duì)各部件進(jìn)行電氣、機(jī)械、信號(hào)連接，正確搭建混合動(dòng)力汽車(chē)模型。

（3）添加計(jì)算任務(wù)進(jìn)行仿真分析。利用Cycle Run等計(jì)算任務(wù)進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真，計(jì)算得出動(dòng)力性三大性能指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)（百公里油耗）的數(shù)值。將計(jì)算所得數(shù)值與前期設(shè)定目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得出本次對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的仿真達(dá)到了前期要求的結(jié)論。

[1] 李佩珩,易翔翔,侯福深.國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展啟示[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,30(1):49-54.

[2] 鐳射.能源危機(jī)孕育汽車(chē)工業(yè)新的發(fā)展機(jī)遇[J].上海汽車(chē).2018(11): 1-3.

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Simulation and Analysis for Hybrid Vehicle

Zhou Yuanyuan

( Shenyang Ligong University, Liaoning Shenyang 110000 )

Based on the parameters of hybrid electric vehicle and its power performance and economic requirements, this paper selects model and parameter of the main components of the power system. Building the vehicle model in the AVL CRUISE, connecting signal and set up the control strategy.Then it establishes four calculation tasks: Full Load Acceleration, Constant Drive, Climbing Performance and Cycle Run. Comparing with the expected goal set in the previous period, it takes a simple analysis. It is proved that the performance of the hybrid hybrid electric vehicle designed in this paper is meet the standard.

Split hybrid electric vehicle; Hybrid; AVL CRUISE; Simulation analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.031

U467

A

1671-7988(2021)07-94-04

U467

A

1671-7988(2021)07-94-04

周媛媛（1995-），女，學(xué)生，就讀于沈陽(yáng)理工大學(xué)，研究方向：車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制。