某車型動力系統(tǒng)的匹配與選擇分析

章思超，葉亮波，王燕鵬

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 長沙410000；2.湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南 長沙410100；3.中國人民大學，北京100000）

隨著全球各國對車輛的經(jīng)濟與排放要求的不斷提高，新能源車輛在新車銷售中的占比不斷提高，其中純電動車輛與傳統(tǒng)燃油車相比較，具有系統(tǒng)架構與控制簡單、節(jié)能減排、動力響應速度快、運行平順、工作振動與噪音小、能實現(xiàn)能量回收等優(yōu)點［1］，是較為符合當前技術水平與市場條件的車型。目前各大主機廠純電動車型的動力系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，但是純電動汽車的動力電池系統(tǒng)價格高昂，質(zhì)量過重，容量相對不足，循環(huán)壽命衰減，熱失控，充電不便，充電速度慢，低溫性能差等問題也十分突出，同時也成為了當前制約新能源汽車發(fā)展的桎梏。

混合動力車輛作為由傳統(tǒng)燃油車型到純電動車的中間過渡車型，其動力系統(tǒng)包含了傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機，也有純電動車所有的電驅(qū)動系統(tǒng)與動力電池系統(tǒng)，使得混合動力車輛不僅具備傳統(tǒng)燃油車的高續(xù)航、加油方便快捷的優(yōu)點，還擁有純電動車輛的能量回收、運行平順、響應速度快的優(yōu)點，同時擁有能夠讓發(fā)動機保持在高燃油效率工作點、不需要大容量動力電池的特點。這些優(yōu)點和特點讓混合動力車輛成為了當前車輛市場一個重要的選擇和組成部分。

某整車生產(chǎn)企業(yè)為了適應新消費市場需求，需要對一老款SUV更新開發(fā)新一代車型，新車型的開發(fā)需要選擇搭載合適的動力系統(tǒng)。本文以該車型為研究對象，在整車基本參數(shù)與傳統(tǒng)燃油車型大致相同的情況下，首先通過計算的方式初步對新車型的動力系統(tǒng)參數(shù)進行匹配，再通過計算、仿真的方式，對該車型搭載純電動、增程式混動、混聯(lián)式混動動力系統(tǒng)時的動力性與經(jīng)濟性進行設計與分析，同時與傳統(tǒng)燃油車型進行對比分析。其結果為該車型動力系統(tǒng)的選擇提供了依據(jù)和支撐，也為相關新能源車型的開發(fā)提供參考和借鑒。

1 動力系統(tǒng)開發(fā)流程

從整車開發(fā)的角度看，車輛動力系統(tǒng)的傳統(tǒng)匹配一般是根據(jù)車輛應用情況，結合零部件資源，著重零部件可靠性與成本進行選型，車輛動力性、經(jīng)濟性一般在樣車試制完成后，基于實車進行驗證［2］。如今隨著相關工具與技術的發(fā)展，通過前期開發(fā)中的仿真設計，能夠提前預防風險，避免后期整改難度加大。為了保障項目開發(fā)的品質(zhì)與開發(fā)速度，目前各大廠商都將產(chǎn)品的仿真設計加入產(chǎn)品的早期開發(fā)過程中，并形成了相對固定、成熟、完善的動力系統(tǒng)開發(fā)流程，并與整車的開發(fā)緊密結合起來。本文所研究車型采用的動力系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 動力系統(tǒng)開發(fā)流程圖

2 整車基本參數(shù)及設計目標

本文所研究車型為一款燃油SUV車型，搭載一臺額定功率160kW，最大扭矩330Nm的渦輪增壓4缸發(fā)動機與一臺8速自動變速器（換為2.0T）。其基本參數(shù)與新車型性能目標見表1。

表1 整車目標參數(shù)表

3 動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

根據(jù)汽車行駛受力分析可知汽車行駛所需要動力系統(tǒng)的最大功率一般選取最高車速行駛時所需的功率Pmax1，在某一低車速下以最大爬坡度爬坡時所需的功率Pmax2，以及在百公里加速過程中所需的功率Pmax3中的最大值，如公式（1）所示。其中Pmax1通過公式（2）進行計算、Pmax2通過公式（3）計算，Pmax3先通過公式（4）計算出恒功率區(qū)間的加速時間，再通過公式（5）計算出恒功率區(qū)間的需求功率。

式中Pmax——動力系統(tǒng)所需要的峰值功率；Pmax1——最高車速行駛時所需功率；Pmax2——最大爬坡度對應的需求功率；Pmax3——百公里加速時間對應的需求功率；umax——最高車速；α——最大爬坡角度；ui——爬坡時的車速；tcon，max——恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間加速時間；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；u1——拐點車速；Fmax——最大驅(qū)動力；m——整車質(zhì)量；g——重力加速度；f——滾阻系數(shù)；v——車速；r——滾動半徑；CD——風阻系數(shù)；A——迎風面積；Pmax——整車需求峰值功率；η——系統(tǒng)效率。

汽車行駛所需動力系統(tǒng)提供的最大扭矩一般選取最大爬坡度以及加速需要功率中的最大值，如公式（6）所示。其中最大爬坡度對應需求扭矩通過公式（7）進行計算，加速需求最大扭矩通過公式（8）進行計算。

通過公式計算確定動力系統(tǒng)功率與扭矩需求下限，再結合現(xiàn)有產(chǎn)品技術指標，選擇確定該車型動力系統(tǒng)需求峰值功率≥100kW、峰值扭矩≥3000Nm。

4 整車性能仿真分析及對比

4.1 車型仿真模型搭建

對純電動與增程式車型在cruise軟件中搭建仿真模型進行動力性與NEDC工況下的經(jīng)濟性仿真分析，對混聯(lián)式動力系統(tǒng)由零部件供應商進行仿真分析提供結果數(shù)據(jù)。在cruise軟件中，搭建好的純電動與增程式車型仿真模型如圖2所示。

圖2 cruise仿真計算模型

4.2 動力系統(tǒng)控制策略

搭建好的整車仿真計算模型中，需要定義動力系統(tǒng)的控制策略。其中純電動車型采用最大能量回收的控制策略進行控制，增程式車型的模型與控制策略與純電動車型相似，只是額外增加一套增程器。增程器采用燃料消耗量最小的曲線功率跟隨控制策略進行控制，燃料消耗量最小曲線通過將實測的電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩對應的效率點與相應的發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩對應的燃料消耗量相乘得到的系統(tǒng)燃料消耗量數(shù)據(jù)進行插值查表得出。所得到的燃料消耗量最小的曲線如圖3所示。

圖3 燃料消耗量最小曲線圖

4.3 動力系統(tǒng)主減速比匹配

在模型與控制策略搭建好后，對比常用可選減速比范圍內(nèi)整車的NEDC工況下百公里能耗、最大爬坡度、加速性能、最高車速等指標差異，如圖4所示。

圖4 不同減速比下的整車性能指標圖

根據(jù)上述設計指標參數(shù)隨減速比的變動情況，結合具體減速器可選減速比的情況選定減速器減速比。本車型由于車重較大，在常用速比范圍內(nèi)其能耗隨減速比提高而減小，在滿足動力性要求的前提下選擇較高的減速比，約為10.7。

4.4 整車性能仿真結果及對比分析

在動力系統(tǒng)參數(shù)確定后，通過cruise軟件對該車型的傳統(tǒng)燃油式、純電動、增程式、混聯(lián)式混合動力車型的動力性、經(jīng)濟性進行仿真計算，其計算結果見表2。

表2 新老電機參數(shù)對比表

根據(jù)仿真計算結果，可以看出本文所研究SUV車型的增程式車型與混合動力車型相比傳統(tǒng)燃油車型的燃油經(jīng)濟性提高了25%以上。在動力性指標方面，純電動與增程式車型相比燃油車型有小幅度下降，混合動力車型相比燃油車有比較大的提高。

從整車能源消耗費用方面來看，按照平均油價7元/L，平均充電電價1.2元/度進行計算，燃油車型每公里燃油消耗費用為0.58元，純電動車型每公里行駛電費為0.21元，增程式在純?nèi)加凸r下每公里燃油消耗費用為0.42元，混合動力車型在純?nèi)加凸r下燃油消耗費用為0.38元。按一輛車整個生命周期行駛20萬公里進行計算，燃油車的能源消耗費用為11.6萬元，純電動、增程式、混合動力車型的能源消耗費用依次是4.2萬元、8.4萬元、7.6萬元，相比燃油車依次節(jié)省了7.4、3.2、4萬元。

5 結語

本文以某整車企業(yè)某款SUV車型為研究對象，首先對該車型需要搭載的動力系統(tǒng)進行設計匹配與仿真計算，最后對比了搭載不同類型動力系統(tǒng)時的整車動力性與經(jīng)濟性，并對整車能源使用費用進行了分析。

本文結果表明同一車型在較好的動力系統(tǒng)與整車匹配的情況下，搭載混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能夠獲得最佳的整車動力性與燃油經(jīng)濟性，增程式車型能夠獲得良好的節(jié)油效果，但其經(jīng)濟性略低于混聯(lián)式混合動力車型，而純電動車型在能源消耗費用上能夠獲得最好的效果。

本文設計計算過程能夠保證產(chǎn)品匹配方案的合理性，能夠有效降低開發(fā)風險，降低產(chǎn)品開發(fā)周期，其計算結果對同類車型的動力系統(tǒng)的匹配、類型選擇也能起到指導、借鑒的作用。