整車微混動力仿真計算

王軍，張傲，雷蕾，王宏大，張超

（江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

整車微混動力仿真計算

王軍，張傲，雷蕾，王宏大，張超

（江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

運用Cruise軟件對一款微混動力車皮帶驅動起動機／發電機系統進行了仿真分析，搭建混合動力模型，預測整車的節油特性和排放指標，為后期樣車開發提供了參考。

混合動力；皮帶驅動起動機／發電機系統；仿真計算

0 引言

微混動力BSG技術可以應用于多種車型，包括轎車、多功能車以及貨車，它可以給用戶提供很好的節油特性和滿足法規要求的排放指標。此系統的益處還包括對不同發動機的適應性，以及發動機或傳動系統的最小變更。

微混動力系統包括復雜的動力系統控制，帶有精確的電動機／發電機，以及制動能量再生和有效充電等功能。在怠速發動機關閉條件下，NEDC熱機循環CO2排放量減少6%。一個超級電容供給現有的12 V電池動力。

1 介紹

混合動力的燃油經濟性優勢是非常吸引人的，但是相比常規車輛的高系統成本是不能忽略的。大約節約4%～6%燃油經濟性，是因為怠速時發動機關閉策略，即在通常怠速條件下關閉發動機。一旦駕駛員需要扭矩時，例如踩油門或者獲得基于重新起動標準的混合控制單元的命令，發動機重新起動。

文中研究的混合動力系統安裝在JAC的瑞風商務車上，主動力源采用2.4 L自然吸氣發動機，輔助動力源采用法力奧的電動機／發電機取代原發動機的發電機設計。通過仿真分析評估它的設計可行性、燃油經濟性和排放。

微混功能主要包括：

（1）怠速發動機關閉，快速起動；

（2） 優化的電池充電；

（3）制動能力再生利用。

1.1 系統結構

總體方案包括皮帶驅動起動機／發電機系統、制動能量再生系統、控制系統等。皮帶驅動起動機／發電機系統是由皮帶驅動起動機／發電機系統 （BSG）來代替標準起動機、交流發電機和新型傳動帶等。一個發電機聯合一個電機完成起動機功能并在發動機運轉時提供電能。發電機和曲軸之間的實際連接是通過一個皮帶驅動系統完成的。起動時，由超級電容器向起動／發電機提供電能，電機迅速起動，通過皮帶起動發動機。在行車遇到交通紅燈停車時，通過控制系統自動將發動機關閉。

超級電容器組、AC／DC、起動／發電機等重要零部件構成制動能量再生系統。由車輛制動減速，掛擋行車，倒拖發動機繼續轉動，通過皮帶傳動帶動起動／發電機進行發電，向超級電容器充電，實現制動能量再生功能。

皮帶驅動起動機／發電機系統如圖1所示，替代原來的起動機和發電機。此系統針對起／停功能的性價比很高，微混的目的就是減少燃油消耗和CO2排放。

綜合，系統提供3種不同的功能：

（1）起動機／發電機的可逆向功能，針對起／停功能和發電機功能應用；

（2）制動能量回收功能，除了酸性電池，通過超級電容將能量儲存起來；

（3）輔助扭矩，通過儲存在超級電容模塊的動力，幫助發動機運行和停止保護。

1.2 主要電子元器件

參考圖1，微混動力車電子系統主要由不同的電氣元件組成：

（1）可逆向的起動機／發電機裝置，提供電壓和功率調節模式，它主要由一個功率轉換器和一個電機組成；

（2）可逆向的DC／DC轉換器，允許在超級電容和網絡間的能量轉換；

（3）超級電容模塊允許在電機和網絡 （充電－放電） 之間的能量交換；

（4）混合控制單元，作為BSG系統的主要控制模塊；

（5）所有微混系統的模塊通過CAN總線進行通信。

2 仿真分析

在技術方案選擇階段，進行系統選擇時，采用計算機技術，對混合系統和各部件進行建模及仿真，通過對其性能和特性的分析，進行系統評估是必不可少的一個環節。通過交替使用候選的子系統進行模擬仿真，從而找到最佳的方案。計算機模型為每個候選子系統提供了詳細規格和設計參數，從而方便了設計者的工作，而且還有助于為設計和制造樣車制定工程目標和計劃。在仿真技術的研究與軟件開發中，應該遵循的目標是精確，即能夠使不同結構的動力傳動系統間的比較有意義。

文中通過仿真分析評估整車微混系統的節油潛力 （在標準運行工況）。采用AVL公司的整車分析軟件Cruise中混合動力模塊進行仿真計算，可以預測燃油經濟性、排放和駕駛性能，圖2所示為建立的微混動力的整車模型。

2.1 整車仿真邊界條件

整車仿真邊界條件見表1—3。

表1 整車數據

表2 發動機數據

表3 傳動數據

2.2 仿真結果

在混合動力車的駕駛循環模式和燃油經濟性降低潛力之間，存在一定的因果關聯。很明顯，例如，怠速發動機關閉功能僅在有頻繁停車的工況是合適的。NEDC循環分析顯示發動機怠速時間占30% （如圖3），在怠速時關閉發動機，能夠持續改善燃油經濟性。

圖4顯示了針對不同駕駛循環，江淮瑞風微混車由于怠速發動機關閉功能的節油潛能，在 （NEDC冷機）4.9%節油和（NYCC熱機）15.5%節油之間存在明顯差異。

通過再生制動能量可以進一步降低燃油消耗，這種潛力取決于電動機的尺寸。在NEDC循環，三軸144型號4 kW的電動機能夠產生大約60%的可用能量，見圖5。

在微混動力車型上，再生能量可供用電子裝置，特別在發動機停機時。因此，發動機上發電機功能 （在正常駕駛工況下）可以弱化，這可以減少2%的燃油消耗。

最后，BSG效率的提高 （相對于常規發電機）對于燃油經濟性的改善有正面的影響，主要取決于電子元件的功率消耗。圖6顯示了對于兩種不同效率的電機驅動，電子裝置引起的額外燃油消耗。

3 結束語

BSG混合動力車，在系統結構上使用了一個超級電容器，給電機提供能量；在系統控制上，起停開關的模式和系統狀態變化轉換，通過混合控制單元實現。通過軟件對微混動力車進行了建模，仿真結果表明：預測的微混車型的節油性能和排放性能達到預期目標。

【1】余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2009.

【2】馮國勝，楊紹普.車輛現代設計方法［M］.北京：科學出版社，2007.

【3】陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現代電動汽車技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2002.

【4】馬芳武.汽車空氣動力學［M］.北京：機械工業出版社，1993.

【5】倪佑民.汽車滑行試驗方法的改進和數據處理［J］.汽車工程，1982（2）：35－43.

Simulation Calculation of Vehicle’s Mild Hybrid Power

WANG Jun，ZHANG Ao，LEILei，WANG Hongda，ZHANG Chao
（Anhui Jianhuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei Anhui230601，China）

Cruise software was used to carry out simulation analysis onmild hybrid power car belt-starter generotor.A hybrid modelwas built，to predictvehicle’s fuel-efficient characteristics and emission index.The research results provide reference for the later prototype development.

Hybrid power；Belt-starter generotor；Simulation calculation

2014－04－10

王軍（1979—），男，碩士，工程師，研究方向為內燃機工作過程。E-mail：wj.dly.jszx＠jac.com.cn