基于Cruise的混合動力汽車動力系統(tǒng)參數匹配

李明澤

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

近年來，我國汽車保有量不斷增加，在促進經濟發(fā)展，方便大眾生活的同時也造成了日益嚴重的環(huán)境問題。為此，國家在油耗及排放方面的要求愈加嚴格，混合動力汽車兼具傳統(tǒng)燃油車和電動汽車的特點和優(yōu)勢，逐漸成為各大汽車公司重點研究的技術方案[1]。因此，本文以某款混合動力汽車為研究對象，對混動汽車動力系統(tǒng)進行選型與參數匹配，分析不同傳動系對車輛性能的影響，并使用Cruise軟件進行建模及仿真分析。

1 整車仿真模型的建立

本文研究思路如下：首先根據該型號混合動力汽車的參數與設計目標求解發(fā)動機、電動機、電池相關參數；車輛傳動系統(tǒng)使用兩種方案：電控機械式自動變速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）與機械式無級變速器（Continuous Variable Transmission, CVT）。CVT相比于傳統(tǒng)離散擋位變速器，可提供近似線性的動力輸出，給動力源參數匹配帶來了更多靈活性，且有助于提高提高發(fā)動機工作效率。研究對象車輛參數如表1所示。

表1 車輛參數

本文研究的混動車輛整車性能設計目標如表2所示。

表2 整車性能設計目標

2 主要部件參數匹配

動力系統(tǒng)部件選擇需根據設計性能，結合傳動系統(tǒng)結構確定混合動力系統(tǒng)各部件的參數，主要包括發(fā)動機、電機和動力電池的選擇[2-4]。

2.1 發(fā)動機選型及參數

選擇發(fā)動機功率時，使用車輛的最高行駛車速（Vmax）和最大爬坡度（αmax）兩項指標分別求得滿足條件的發(fā)動機最大功率，并取兩值中較大值作為發(fā)動機實際功率。

1）根據最高車速求得的發(fā)動機最大功率：

式中，ηt為傳動效率；f為滾動阻力系數；CD為風阻系數；A為迎風面積。具體數值已在表2中給出。

2）根據最大爬坡度求解功率值，如式（2）所示：

式中，αmax為最大爬坡度；uα為在此坡度勻速行駛時的車速，uα=20 km/h。解得Pemax1=62.4 kW，Pemax2=50.1 kW。

發(fā)動機最大功率取最高車速對應功率和爬坡度對應功率的最大值，即

得到Pemax=62.4 kW；發(fā)動機附件等消耗功率按需求功率的 10%計算，初步可選發(fā)動機功率為70 kW，發(fā)動機最大轉矩為

式中，n為輸出功率最大時對應的發(fā)動機轉速，n=5 000 r/min。解得Temax=133 Nm。

根據發(fā)動機選型和參數匹配，本項目所選發(fā)動機為直列四缸水冷發(fā)動機，其性能參數如表3所示。

表3 發(fā)動機主要參數

2.2 電機選型及參數

當混動汽車動力系統(tǒng)需求功率較大時，驅動電機輔助發(fā)動機為整車提供動力，例如：汽車處于起步、爬坡或加速工況；同時，當汽車處于低速等工況時，發(fā)動機持續(xù)工作在低效率區(qū)間造成能量轉化效率低下，排放性惡化，此時可由電機代替發(fā)動機供能從而改善整車能量效率。根據以上分析，在發(fā)動機功率和整車需求功率已經確定的情況下，參考混合動力汽車驅動電機的扭矩和功率要求，驅動電機參數由式（5）—式（6）確定。

1）純電動驅動模式下，以電機單獨驅動時的設計時速（Vmaxm=100 km/h）計算所需的額定功率：

解得Pm=16.54 kW。

2）混合驅動模式下，以最高車速Vmax計算整車需求總功率，減去發(fā)動機最大功率，即為車輛維持最高速度所需的電機功率：

式中，Vmax為混合驅動最高車速；Pvmax為混合動力模式下的總功率。解得Pvmax=62.4 kW。

由于發(fā)動機可提供的最大功率Pemax大于Pvmax，即僅靠發(fā)動機做功就可使車輛達到最高設計時速要求。

根據以上計算求得驅動電機的匹配參數，匯總如表4所示。

表4 電機主要參數

2.3 動力電池選型及參數

作為動力系統(tǒng)的能量源和重要組成，動力電池在高負荷工況下幫助提供車輛所需的部分功率，通過分析現有各類型電池的優(yōu)缺點，本文選用鋰離子電池。由于混合動力汽車布置難度較大，選用能量密度高的鋰離子電池，減小了電池體積，有效節(jié)省了車輛內部布置空間[5]。本文接下來從車輛動力需求、動力電池容量兩個方面選擇動力電池的參數。

上文已對混動系統(tǒng)在發(fā)動機-電機混合驅動以及純電動驅動模式下的需求功率做了分析，得到了電機的需求功率，電池功率可基于已求出的電池功率進行計算：

式中，ηg為電機效率，取ηg=0.95；ηb為電池效率，取ηb= 0.95。

電池容量與本身的最大充放電容量有關，C為電池容量；WB為電池能量。計算公式為

式中，S為行駛距離，取50 km；Δsoc為行駛中電量變化值，取Δsoc=0.8；Ub為電池組的額定電壓。動力電池匹配參數匯總如表5所示。

表5 動力電池主要參數

2.4 傳動系統(tǒng)參數匹配

本文研究的混動汽車傳動系統(tǒng)方案有兩種：AMT方案與 CVT方案。首先根據上文求出的發(fā)動機與電機參數，計算傳動系的傳動比；其中，最小傳動比使用最高車速進行計算，最大傳動比使用最大爬坡度進行計算。

在得到傳動系的最大及最小傳動比后，對兩種傳動方案的具體傳動比進行匹配。AMT方案下，選擇變速器擋位共5擋，每擋速比如表6所示。

表6 AMT各擋速比

CVT方案下，取主減速器傳動比為5.5，CVT最小傳動比為0.5，最大傳動比為2.87。

4 整車性能仿真

本文利用Cruise 仿真軟件對所研究的混動車輛進行建模及仿真，驗證車輛性能是否達標，以及上文中動力系統(tǒng)各部件選擇是否合理，并使用新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle,NEDC）循環(huán)測試兩種傳動方案對發(fā)動機效率的影響。

4.1 模型建立

在 Cruise 軟件中建立車輛模型并創(chuàng)建測試任務，步驟如下：

1）導入發(fā)動機、電動機、駕駛艙等相關模塊，并輸入相關參數，以發(fā)動機部件為例，需輸入外特性曲線及發(fā)動機萬有特性圖等數據，完成發(fā)動機模塊的創(chuàng)建。除上述模塊外，還需指定能量管理策略和兩種傳動方案下的變速器控制策略。其中，CVT傳動方案控制策略由負荷和車速控制期望傳動比以及離合器的接合。AMT傳動方案需加入GB Control和GB Program模塊來進行換擋控制。其中，GB Program模塊根據負荷信息計算理想擋位，向GB Control模塊輸出升擋、降擋信息，GB Control模塊根據當前車速和發(fā)動機轉速執(zhí)行擋位變換。能量管理策略在Simulink中構建，封裝為MATLAB DLL的形式導入到Cruise軟件中。

2）設置各部件的機械連接和數據連接，并進行測試，確保數據傳遞正確；使用 Cruise自帶的檢查功能確保模型構建無錯誤后，進行下一步添加仿真任務。

3）在 Project中創(chuàng)建 Task Folder，對仿真方法和仿真參數進行設置，隨后進行動力性，經濟性計算；本文計算任務總共分為三項：經濟性任務使用NEDC循環(huán)工況進行測試，仿真算法設置為VSS Implicit Euler，仿真步長設置為0.5；動力性任務包括最高速度、加速測試以及爬坡度測試，仿真算法設置為Quasi-stationary S，仿真步長設置為0.1。

以CVT傳動方案為例，本文搭建的仿真模型如圖1所示。

圖1 CVT混合動力汽車仿真模型

4.2 經濟性仿真結果分析

使用NEDC工況進行測試，混動驅動模式下，AMT傳動方案百公里油耗為 5.39 L/100 km；CVT傳動方案百公里油耗為 5.12 L/100 km?？梢姡瑑煞N傳動方案油耗均滿足設計要求，CVT傳動方案百公里油耗降低了5%。AMT與CVT傳動方案下發(fā)動機十四工況圖如表7所示。

表7 發(fā)動機主要工作點

表7列舉了AMT和CVT兩種傳動方案下發(fā)動機的主要工作點，包括轉速/轉矩以及對應的時間占比；對比可得，CVT傳動方案下發(fā)動機更多工作在高效率區(qū)間，故油耗更低，經濟型更好。

CVT傳動方案下NEDC工況下的車速及電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）變化如圖2所示。

圖2 NEDC工況下的車速及SOC變化

如圖2所示，本模型能量管理模式動力電池充放電策略為CD-CS策略，即在SOC高于設定值時為放電模式，當SOC降低至設定值以下時，發(fā)動機消耗一部分功率給電池充電，進入電量保持模式。仿真初始SOC設定為80%，可見在低速工況下車輛主要由電機提供動力，當 SOC下降到70%時進入電量保持狀態(tài)，工況最后100 s時汽車車速較高，發(fā)動機同時對電池充電，SOC值回升。

4.3 動力性仿真結果分析

以CVT傳動方案為研究對象，本文進行的混合動力汽車動力性測試項目包括 0～100 km/h加速時間、最高車速、爬坡性能三項要求。最高車速、百公里加速時間以及車輛加速度如圖3所示。

如圖，最高車速為179.89 km/h，0～100 km/h加速時間為13.59 s。分別超過設計目標（170 km/h和 16 s）。

車輛在車速為 20 km/h時的爬坡度為43%，超過設計目標（30%）。

5 結論

1）本文首先確定研究對象的整車參數和設計性能目標，對發(fā)動機、動力電池、驅動電機等部件參數進行計算，設計了AMT和CVT兩種傳動方案并進行傳動比匹配。在 Cruise 軟件中搭建車輛模型進行動力性及經濟性仿真。

2）動力性仿真結果表明，最高車速 0～100 km/h加速時間、爬坡度均超過設計目標，動力系統(tǒng)參數選擇合理。經濟性仿真對比了AMT傳動方案以及CVT傳動方案在NEDC工況下的百公里油耗，結果表明，CVT傳動方案百公里油耗比AMT方案降低了5%，且發(fā)動機運行效率更高。