APU增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配及其仿真研究

焦燕青，孫玉

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

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APU增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配及其仿真研究

焦燕青，孫玉

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

系統(tǒng)闡述了增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配的基本方法，并結(jié)合整車實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)增程器的工作模式、運(yùn)行條件進(jìn)行了初設(shè)計(jì)，解決了項(xiàng)目初期系統(tǒng)選型輸入需求的生成與提出問題，為整車、系統(tǒng)設(shè)計(jì)乃至整車系統(tǒng)控制策略的開發(fā)確立了基礎(chǔ)。借助AVL.Cruise/Simulink軟件對(duì)所匹配的系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果，表明這種系統(tǒng)匹配的方法是可行和有效的。

增程式；混合動(dòng)力系統(tǒng);匹配；控制策略

0 引言

在當(dāng)前新能源汽車發(fā)展水平下，增程器(Auxiliary Power Unit，APU)混合動(dòng)力系統(tǒng)作為一種基于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式強(qiáng)混輕客動(dòng)力系統(tǒng)，較好地克服了EV(Electrical Vehicle)純電系統(tǒng)電池成本高、續(xù)駛里程受限，以及PHEV/HEV(Plug-in Hybrid Electrical Vehicle/Hybrid Electrical Vehicle) 混合動(dòng)力控制系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)水平要求高的情況，對(duì)于一些相對(duì)動(dòng)力性要求不高的大中型車輛運(yùn)輸系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)及工作模式

增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖1 增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)原理

蓄電池作為主動(dòng)力源保證車輛的動(dòng)力性能、吸收制動(dòng)回饋能量和提供一定的純電續(xù)駛里程。發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)組成的發(fā)電系統(tǒng)與蓄電池并聯(lián)成動(dòng)力電池系統(tǒng)，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供輔助功率和為蓄電池充電，增加續(xù)駛里程。驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)主減速器和差速器機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輪。

關(guān)于增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)的匹配，有兩種主流方式：一種是攤長動(dòng)力電池放電時(shí)間，即控制車輛運(yùn)行過程中動(dòng)力電池的放電功率，在車輛運(yùn)行過程中，增程器應(yīng)VMS大功率需求請(qǐng)求啟動(dòng)發(fā)電[1]，為動(dòng)力系統(tǒng)提供補(bǔ)充功率；另外一種控制模式是：設(shè)定動(dòng)力電池SOC放電區(qū)間，當(dāng)動(dòng)力電池SOC達(dá)到一定狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)增程器采取變功率發(fā)電，直接驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，同時(shí)為動(dòng)力電池充電。這兩種控制模式，前者以文獻(xiàn)[1]為代表。這種匹配方式可以考慮選用較小功率電機(jī)，能夠有效緩解前艙總布置局促的問題，但缺點(diǎn)是：車輛運(yùn)行過程中可能過于頻繁啟動(dòng)增程器導(dǎo)致燃油不經(jīng)濟(jì)，并且由于受客觀運(yùn)行工況影響，可能需要匹配較高容量動(dòng)力電池，車輛和運(yùn)行成本不一定經(jīng)濟(jì)。文中采用第二種動(dòng)力系統(tǒng)的匹配方式。

為簡(jiǎn)化模型，僅研究單速比減速器情形下增程器系統(tǒng)的匹配方法。多速比增程器系統(tǒng)的匹配可參照此進(jìn)行。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

以某款寬體輕客增程式混合動(dòng)力車輛為例來說明該架構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)匹配過程。已知整車設(shè)計(jì)目標(biāo)見表1。

表1 整車設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱參數(shù)需求

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

(2)

式中：ig為變速器速比，無變速器，取1；i0為主減速器速比，9.07；m為汽車質(zhì)量，3 500 kg；G為汽車重力，3 500×9.8 N；F為滾動(dòng)阻力系數(shù)，根據(jù)試車場(chǎng)道路，取0.015[3]；ηT為傳動(dòng)效率，0.92；r為車輪半徑，0.352 8 m；CD為空氣阻力系數(shù),0.4；A為迎風(fēng)面積，4 m2；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，1.05。

下面依表2所示的主減速器參數(shù)，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配。

表2 主減速器參數(shù)

2.1.1 電機(jī)峰值扭矩

上述已求得輪邊驅(qū)動(dòng)扭矩需要大于2 720 N·m，據(jù)式(1)、(2)，電機(jī)峰值扭矩需求300 N·m。

2.1.2 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

為滿足整車120 km/h 的峰值最高車速，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，由式(3)求得電機(jī)需求最高轉(zhuǎn)速為8 183 r/min，考慮一定裕量，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需求9 000 r/min，約合130 km/h車速。

(3)

2.1.3 電機(jī)峰值功率

電機(jī)峰值功率主要決定整車最高車速及0～100 km/h加速時(shí)間，下面就從這兩個(gè)方面分別求得各自所需功率，取其較大者作為對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率需求。

(1)當(dāng)車輛在平直路面上達(dá)到峰值最高車速時(shí)，du/dt=0，由式(4)得出：

(4)

為方便下一步計(jì)算，這里圓整為60 kW。

(2)車輛在平直路面上零起步加速過程中，整車加速度是變化的。在系統(tǒng)匹配的初期，可以假定車輛在起步過程中整車加速度恒定，基于能量守恒原理通過對(duì)整車做功過程的分析，得出加速過程對(duì)電機(jī)功率的需求。

整車在從0加速到100 km/h過程中，動(dòng)力系統(tǒng)有效做功：

(5)

有效功功率：

(6)

根據(jù)公式(5)、(6)，當(dāng)車速為100 km/h時(shí)整車需求功率最大。

這樣公式(4)可表示為，

由此，整車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率需求為90 kW，考慮到必要的后備功率，確定整車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率需求為100 kW。

2.1.4 電機(jī)持續(xù)功率

根據(jù)電機(jī)特性,取功率因子eP=Pt/Pe=0.6，則電機(jī)持續(xù)功率Pt=100×0.6=60 kW。

2.2 動(dòng)力電池電量需求計(jì)算

已知：客車空調(diào)壓縮機(jī)取功率3 000 W；SOC按(100%-20%)計(jì)算；電機(jī)平均效率：EPT系統(tǒng)92%。

通過Cruise系統(tǒng)建模仿真不難得出GVW 3 500 kg半載時(shí)NEDC工況能耗率：40.6 kW·h/100 km。若按50 km續(xù)駛里程計(jì)算，所需工作電量為50/100×40.6=20.3 kW·h，而對(duì)動(dòng)力電池的最大能量需求為20.3/(1-20%)=25 kW·h。

3 系統(tǒng)匹配

前面提到，增程式混合動(dòng)力以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制邏輯簡(jiǎn)單、可以在純電基礎(chǔ)上大大增加續(xù)駛里程見長。但另一方面，由于能量需要通過二次轉(zhuǎn)化，先是由燃油轉(zhuǎn)化為電，然后再由電轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能，其效率相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)車輛要大大降低。在此基礎(chǔ)上，核算APU系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性將成為系統(tǒng)匹配工作的另一個(gè)重點(diǎn)，這其中包括兩個(gè)方面：一方面是增程器輸出功率需要滿足整車工況需要，另一方面，需要通過一定的控制策略，實(shí)現(xiàn)消耗燃油最低。

3.1 增程器的匹配

整車對(duì)增程器的需求，主要考慮其電量輸出，也就是對(duì)功率的需求。表3列出了混合動(dòng)力車輛各運(yùn)行工況基本功率需求。

表3 各運(yùn)行工況基本功率需求

增程器工作時(shí)機(jī)的定義主要考慮道路條件及其運(yùn)行工況。峰值最高車速和0～100 km/s急加速持續(xù)時(shí)間僅30 s,從用電量考慮，不足功率可以自動(dòng)力電池中補(bǔ)充，通過功率對(duì)比，很容易明確校核的重點(diǎn)在于要滿足100 km/h持續(xù)車速的功率需求。由于高速持續(xù)工況沒有能量回收，動(dòng)力電池電量很快下降到功率輸出極限。在這種情況下，維持車輛以持續(xù)車速運(yùn)行的功率主要來源增程器的工作。那么很容易得出，增程器輸出的最小持續(xù)功率應(yīng)為37.5 kW?？紤]到能量從發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能量效率的損失，要滿足100 km/h持續(xù)車速需求，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速輸出功率需要達(dá)到37.5÷0.9=42 kW。

3.2 動(dòng)力系統(tǒng)匹配的結(jié)果

動(dòng)力系統(tǒng)初步匹配結(jié)果如表4所示。

表4 動(dòng)力系統(tǒng)初步匹配結(jié)果

3.3 控制策略

根據(jù)整車前艙空間初步選定一款1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)，其3 500 r/min經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速下最大峰值功率可達(dá)55 kW，初步判定該款發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿足系統(tǒng)需求。該款發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性

圖示粗線為發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速曲線，可以設(shè)定增城器工作時(shí)采用功率跟隨策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作工況點(diǎn)始終在該曲線上。為了儲(chǔ)存制動(dòng)能量及儲(chǔ)納增程器工作過程中的能量富余及最小限度地出現(xiàn)油電二次轉(zhuǎn)換帶來的效率損失，設(shè)定增程器工作過程中電池荷電量在30%～40%之間轉(zhuǎn)化，如圖3所示。

圖3 增城器工作模式與電量關(guān)系

當(dāng)動(dòng)力電池荷電量達(dá)到和低于30% SOC時(shí)增程器啟動(dòng)，一方面給電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輛，另一方面給電池充電。當(dāng)電池SOC達(dá)到40%時(shí)，關(guān)閉增程器再次進(jìn)入純電驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，當(dāng)系統(tǒng)需求功率較小時(shí)，可以采用固定轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終在3 000 r/min經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速工作;當(dāng)整車需求功率較大時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)沿經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速曲線上移，發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于相對(duì)的經(jīng)濟(jì)油耗點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述思想，應(yīng)用MATLAB/Simulink程序建立一個(gè)Demo(如圖4所示),通過查表法根據(jù)需求功率求得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并設(shè)定油門開度，應(yīng)用Cruise接口程序轉(zhuǎn)換為.dll文件，帶入Cruise程序模型進(jìn)行整車性能計(jì)算，Cruise模型見圖5。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨策略Demo

4 仿真計(jì)算

4.1 仿真結(jié)果

NEDC工況整車動(dòng)力轉(zhuǎn)速時(shí)間分布如圖6，可見發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分時(shí)間都是運(yùn)轉(zhuǎn)在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)。

圖6 NEDC工況整車動(dòng)力轉(zhuǎn)速時(shí)間分布

仿真結(jié)果匯總見表4。計(jì)算結(jié)果表明：匹配結(jié)果滿足預(yù)期目標(biāo)要求。

表4 仿真結(jié)果

備注：條件A為純電驅(qū)動(dòng)模式；條件B為保持電量平衡、燃油消耗模式。加權(quán)油耗(單位L/100 km)=條件B油耗×25/(25+純電續(xù)駛里程)。

根據(jù)上述搭建的模型，還可以計(jì)算出不同的持續(xù)穩(wěn)定車速下整車燃油消耗率。經(jīng)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)動(dòng)力比較，可以發(fā)現(xiàn)：條件B[4]市區(qū)工況時(shí)增程器架構(gòu)省油17%左右；而相對(duì)高速等速運(yùn)行時(shí)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)動(dòng)力較省油，見表5。

表5 APU架構(gòu)整車與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)動(dòng)力燃油消耗率對(duì)比

4.2 仿真結(jié)果分析

(1)由式(3)結(jié)合圖6，當(dāng)整車車速小于110 km、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 800～3 000 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為40～50 kW時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳油耗區(qū)。而如果要使整車持續(xù)行駛車速進(jìn)一步提升，則勢(shì)必要提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以便輸出更高的功率。經(jīng)過計(jì)算，條件B情況下整車最高車速每增加5 km/h,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率需要增加10 kW。

(2)由于增程式電動(dòng)車的特色之一是動(dòng)力電池作為能量源具有較大的比重，其意義在于發(fā)動(dòng)機(jī)為整車提供擴(kuò)充的續(xù)駛里程。由表5看出：如果車輛要在高速運(yùn)行，其經(jīng)濟(jì)性較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車顯然不具優(yōu)勢(shì)。所以，APU架構(gòu)的意義在于具有制動(dòng)能量回饋功能，一定程度上降低油耗和減少排放，而由于在高速上較少變速，無充分的回饋能量，反而燃油消耗率高。

(3)增程器混合動(dòng)力汽車在需求功率較小的情況下，盡管可以使發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，但是由于要經(jīng)過二次能量轉(zhuǎn)化，在由燃油的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中，其效率較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車大大降低[5]，這樣在定速巡航?jīng)]有制動(dòng)能量回饋的條件下，其經(jīng)濟(jì)性不具有優(yōu)勢(shì)。

(4)由表5可知：增程器混合動(dòng)力汽車在變功率工況條件下，由于可以采用策略盡力使發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，再加上減速時(shí)制動(dòng)能量的有效回收，在城區(qū)工況條件下，僅為同等量級(jí)內(nèi)燃機(jī)車能耗的1/3左右。

5 結(jié)論

通過上述匹配及對(duì)其匹配有效性的驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

(1)APU增城器架構(gòu)的應(yīng)用延長了純電動(dòng)車輛整車巡航里程，大大緩解了純電動(dòng)車輛客戶的里程焦慮。同時(shí)由于其出色的制動(dòng)能量回收表現(xiàn)，相較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛而言，又具有更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能。

(2)增程器混合動(dòng)力相較其他形式的混動(dòng)架構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制策略易于實(shí)現(xiàn)、成本價(jià)格適中的優(yōu)勢(shì)，尤其是較好地滿足了廣大市區(qū)工況運(yùn)營客戶的需要，對(duì)于一些相對(duì)動(dòng)力性要求不高的大中型車輛運(yùn)輸系統(tǒng)，在當(dāng)前乃至以后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，具有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

【1】尹劍.基于Cruise和Matlab的增程式電動(dòng)車聯(lián)合仿真分析[J].客車技術(shù)研究，2012(5):13.

YIN J.Co-simulation Analysis of Increased Program Pure Electric Bus Based on Cruise and Matlab Software[J].Bus Technology and Research,2012(5):13.

【2】余志生.汽車?yán)碚揫M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009:18-19,31.

【3】彭莫,刁增祥.汽車動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算匹配及評(píng)價(jià)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009:61.

【4】GB/T 19753-2005輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法[S].

【5】朱軍.新能源汽車動(dòng)系統(tǒng)控制原理及應(yīng)用[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2013:99.

APU Extended Range Hybrid System Matching and Simulation

JIAO Yanqing, SUN Yu

(Commercial Vehicle Technical Center,Shanghai Automotive Group Co., Ltd.,Shanghai 200438,China)

The system matching method for one extend range hybrid system was expounded. According to the real work situations, the work mode and operating conditions were designed preliminarily to solve the initial input demand of the project.The Simulink model was built by AVL.Cruise/Simulink software.The simulation results show that the ways and the models are feasible and effective.

APU; Hybrid system; Matching; Operating mode

2016-06-15

焦燕青(1977—)，男，工學(xué)學(xué)士，工程師,研究方向?yàn)樾履茉聪到y(tǒng)匹配技術(shù)。E-mail:yakin_chiao@yeah.net。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.002

U461.2

A

1674-1986(2016)09-006-05