基于ADVISOR的混合動力客車動力系統匹配與仿真*

錢超 馮國勝 張小榮 支亞輝

（石家莊鐵道大學）

隨著當前嚴重的環境污染和石油資源的缺乏[1]，國家對汽車排放的要求越來越嚴格，“中國制造2025”已經將新能源汽車的研發作為一項國家戰略。由于受到當前電池技術的影響[2]，混合動力汽車（HEV）成為最合適的汽車減排方案之一。HEV是傳統內燃機和電動汽車的有效組合，它不僅具有電動汽車排放低和油耗低的優點[3]，而且使傳統內燃機處于高效工作區，提高了工作效率，減少了排放，提高了燃油經濟性。同時HEV處于純電動行駛模式時能實現零排放，因此HEV是一種有效的節能減排方式。ADVISOR作為一款整車性能仿真軟件，采用了獨特的將后向仿真和前向仿真相結合的混合仿真方法，以后向仿真為主，前向仿真為輔[4]，這樣能保證仿真結果的準確性。文章以某小型客車為原型，在其基礎上設計并改裝成混合動力客車。

1 結構設計建模參數匹配

該小型客車基本參數，如表1所示。

表1 某小型客車基本參數

為改善該小型客車發動機的工作狀況，提高其經濟性，其建模、仿真及分析思路，如圖1所示。

1.1 結構形式選擇

HEV按照動力傳遞方式主要分為串聯式、并聯式及混聯式3種[5]。串聯式結構簡單，但是傳動效率較低；并聯式傳動效率與傳統汽車接近，而其經濟性能得到明顯提高；混聯式具有串聯和并聯式的共同優點，控制簡單，但是其結構復雜[6]。綜合考慮本次設計采用并聯式結構形式，如圖2所示。

1.2 發動機模塊建模

該小型客車的發動機型號為EQ6102-Ⅰ，其額定功率/轉速（kW/（r/min））：88/2 800，最大扭矩/轉速（N·m/（r/min））：343/1 600，最低燃油消耗率（g/kW·h）：230，其萬有特性曲線和外特性曲線，如圖3和圖4所示。

依據圖3和圖4，可將發動機模塊的轉速范圍、轉矩范圍、發動機最大轉矩曲線及發動機燃油消耗率定義成矩陣形式，通過編寫M文件的形式對其進行定義。

1.3 電機的匹配

電機作為并聯HEV的輔助動力，其功率必須滿足客車最高車速、爬坡度及加速能力的功率需求[7]。通過其峰值功率的計算可以得到客車的動力源總功率峰值要求。具體計算過程，如式（1）～（5）所示。

該客車在最高車速時，確定的最大功率（Pem1/kW）為：

假設爬坡度α=tan α=sin α=0.1時，其爬坡性能決定的最大功率（Pem2/kW）為：

汽車加速到速度為60 km/h時，其加速能力確定的最大功率（Pem3/kW）為：

式中：m——整車滿載質量，取6 300 kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

f1，f3——高速行駛和加速到60 km/h時的滾動阻力系數，取0.001 29；

vmax——最高車速，取95 km/h；

v0——低速爬坡時車速，取20 km/h；

f2——爬坡行駛時，滾動阻力系數，取0.008 72；

vi——行駛車速，取60 km/h；

ηt——傳動效率，由于電機到驅動輪只經過單級主減速器，取0.9；

Cd——空氣阻力，取0.6；

A——迎風面積，取4.83 m2；

δb——汽車旋轉質量換算系數，取1.35。

將各參數數值代入式（1）～（3）得：Pem1，Pem2，Pem3分別為38.59，39.15，86.57 kW。考慮20%的加速后備余量，取Pem3=103.88 kW。

因此，小型客車動力源的總峰值功率（P）需要滿足：

由于發動機功率為88 kW，所以電機功率為：

根據計算結果，綜合考慮選擇20 kW的無刷直流電機。根據軟件ADVISOR 2002中的電機模型通過編輯M文件建立MC_AC20電機模型。

1.4 電池參數匹配

電池作為混合動力汽車的第二動力源，其選擇不僅要考慮滿足提供電功率的需要，還要考慮滿足汽車

式中：Wess——電池實際放出的能量，J；

Wroad——汽車行駛過程中所需能量，J；

Pess——純電動行駛功率，kW；

t——續駛時間，s；

n——電池數量；

C——單節電池的容量，A·h；

U——單節電池的輸出電壓，V；

f——車速為20 km/h時的滾動阻力系數，取0.008 72；

S——電池的續駛里程，取60 km；

vele——純電動行駛車速，取20 km/h。

將各物理量代入式（8），計算得Wroad=10 988.72 J，通過式（6）和式（7）來確定 C，U，n。

根據計算結果，最終取20%的后備能量，綜合考慮選擇單節電壓為12 V，容量為105 A·h的電池12個。

1.5 變速機構

該小型客車的變速器為5擋變速器，其變速機構的主減速比 i0=4.875，變速器 1～5擋傳動比 ig1，ig2，ig3，ig4，ig5依次為 4.762，2.808，1.594，1.000，0.756。將變速器和主減速器的質量、主減速比及傳動比參數通過M文件的形式建立其模型。

1.6 控制策略

控制策略作為電機輔助動力控制的關鍵，決定著混合動力汽車的工作狀態，其電池SOC值的控制是十分關鍵的，應當讓電池經常工作在內阻較低的SOC范圍內，并且SOC值的波動要較平穩。電池在SOC工作區內，電池組的峰值放電功率應大于電動機的最大需求功率；當SOC值較低由發動機提供額外充電功率工況下，電池的峰值功率必須滿足整車的充電功率需求。

電機輔助控制策略為蓄電池理想電荷上限：cs_hi_soc為0.85；蓄電池理想電荷下限：cs_lo_soc為0.6；SOC大于下限時，客車采用純電動模式的門檻車速：cs_electric_launch_spd_hi為20km/h；客車采用純電動模式的門檻扭矩系數：cs_off_trq_frac為0.3，其余用默認值。的續駛里程[8]。具體計算，如式（6）～（8）所示。

2 性能仿真

HEV的整車仿真需要先選定整車結構類型，即并聯式HEV類型，然后將已建立的發動機、變速機構、電機、電池組及控制策略模塊嵌入到ADVISOR軟件中[9]，嵌入后仿真界面，如圖5所示。

為了研究混合動力客車的優越性，選用標準美國城市工況作為循環工況，并且選用一致的加速測試和爬坡能力測試條件，分別對原傳統客車和設計的混合動力客車進行仿真，其仿真結果，如表2所示。圖6示出蓄電池SOC值變化情況；圖7和圖8分別示出混合動力客車和原客車的發動機實際輸出轉速；圖9和圖10分別示出混合動力客車和原客車的發動機燃油消耗情況。

表2 某小型客車性能仿真結果對比

由表2的仿真結果可以看出，文章設計的混合動力客車在0～40 km/h的加速時間提高了30.4%；最高加速度提高了62.5%；綜合燃油消耗降低了19%；40 km/h等速油耗降低了12%。

由圖6可以看出，電池SOC值在0.6～0.85之間波動，符合控制策略要求。由圖7和圖8可以看出，混合動力客車在停車狀態轉速為0，也即是說在停車狀態中，發動機關閉，達到節約油耗的效果。由圖9和圖10可以看出，在停車以及低速時發動機的燃油消耗為0，也就是說這種工況下只用電機工作，發動機是關閉的，進而達到降低油耗的目的。

3 結論

以某小型客車為原型的小型混合動力客車的動力系統匹配仿真完成后，與原車型在加速性能、爬坡度及燃油消耗方面進行對比，對于爬坡性能，所設計的混合動力客車與原客車持平，在加速時間、加速度及燃油消耗方面有了顯著提高，體現了混合動力客車較原客車的優越性。該混合動力客車動力系統參數匹配方案較為合理，能用于后期試制中。