PHEV動力系統(tǒng)參數匹配及Cruise性能仿真研究

崔淑華，馬煜森

(東北林業(yè)大學， 哈爾濱 150040)

插電式混合動力汽車集合了傳統(tǒng)內燃機和純電動汽車的優(yōu)點，當行駛里程短時采用純電動模式，行駛里程長時采用混合動力模式[1-2]。它可在晚間低谷時使用外部電網對車載動力電池進行充電，不僅可以削峰填谷緩解電網供電壓力[3]，而且可以降低對石油的依賴，是一種有較好發(fā)展前景的混合動力汽車，也是向最終的清潔能源汽車過渡的最佳方案之一[4-5]。插電式混合動力汽車需求功率的大小直接影響了車輛的能量消耗，因此準確地計算出需求功率并進行匹配是合理使用PHEV電能、提高PHEV使用性能的基礎。

1 整車參數和動力系統(tǒng)構型

在開發(fā)初期，插電式混合動力汽車動力總成設計取決于車輛設計目標的設定，即在進行動力系統(tǒng)參數匹配時應充分考慮目標車型中發(fā)動機和電機的工作模式。圖1所示為實際研發(fā)項目中的某PHEV的動力傳動系統(tǒng)布置，發(fā)動機與發(fā)電機/電動機以轉矩方式進行耦合，其整車基本參數見表1，制定目標車型PHEV的動力性和經濟性性能指標如表2、表3所示。

圖1 插電式混合動力電動汽車動力傳動系統(tǒng)布置

表1 整車基本參數

表2 目標車型動力性能指標

表3 目標車型經濟性能

2 整車動力系統(tǒng)參數計算

2.1 電機參數設計

為了改善整車經濟性和排放性，插電式混合動力汽車一般由包含電動機的電驅動系統(tǒng)起步，通過消耗動力電池內部的電能來驅動汽車行駛，在電池荷電狀態(tài)下降到設定的閾值之前一直工作在純電動驅動模式下。因此，插電式混合動力汽車電機應具有啟動整車能力、以一定車速在純電動模式下行駛的能力和一定的爬坡能力。

1) 電機轉矩計算

圖2 純電動模式不同車速下電機轉矩與起步加速度關系

對中國、美國、歐洲和日本主要循環(huán)工況下的車輛加速度值進行統(tǒng)計，可知PHEV的最大起步加速度在2.0～2.5 m·s-2范圍時即可滿足車輛在絕大部分情況下以純電動模式起步的要求[6]。在車輛傳動系統(tǒng)參數不變的情況下，車輛純電動起步加速度取決于電機轉矩，見式(1)。純電動模式不同車速和不同電機轉矩下的純電動起步加速度如圖2所示，當電機轉矩為300～350 N·m時，滿足PHEV起步加速度需求。

(1)

式中：m為整車質量；δ為旋轉質量轉換系數；Tm為電機轉矩；im為電機合成箱速比；io為主減速器速比；ηtm為電機到車輪端的傳動效率；r為車輪滾動半徑；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；f為摩擦阻力系數；g為重力系數；v為時間為t時的當前車速。

2) 電機轉速計算

整車性能目標要求最高車速180 km/h時，對應電機轉速為9 433 r/min。因此，要求電機的最高轉速為10 000 r/min，這屬于高速電機，采用交流感應電機是比較容易實現的。

3) 電機峰值功率計算

對于大多數汽車，動力源的最大功率通常由加速性指標決定，即加速階段的功率足以滿足最高車速和爬坡要求[7]。汽車在水平路面上加速時，根據整車加速過程動力學方程，其瞬態(tài)過程總功率如下：

(2)

汽車起步加速過程車速曲線可以按式(3)來近似表示[8]。

(3)

由式(1)和(2)可得汽車在加速過程中所需的總功率為

(4)

其中：x為擬合系數，一般為0.5左右；tf、vf分別為加速過程的時間和末車速；t為時間；v為時間為t時的當前車速；Pall為加速過程總功率；δ為旋轉質量轉換系數。

代入相關參數，可得此時電機峰值功率約為170 kW。

2.2 電池參數設計

對于功率型電池，電池參數匹配一般要滿足系統(tǒng)的電壓等級、功率要求、最大充放電電流等限制。對于高速電動車輛動力電池系統(tǒng)的額定電壓等級，參照GB/T31466—2005《電動車輛高壓系統(tǒng)等級》，可選擇144、288、320、346、400、576 V等。本文選定電池組的額定電壓為346 V。

表4 純電動模式不同工況下所需功率

電池組容量為電池組總能量與額定電壓的比值，而電池組總能量需要根據純電動模式下的續(xù)駛里程確定，即

(5)

(6)

其中：C為電池容量；Q為電池總能量；SOCH為電池承受較大充放電電流的SOC下限值；SOCL為電池承受較大充放電電流的SOC上限值；Ub為電池組額定電壓；va為車輛純電動恒速行駛的車速；Sa為純電動行駛里程。

對于特定的容量和工作電壓，電池組的充放電功率會隨著SOC的變化而變化，SOC下降時，最大充電功率增大，而最大放電功率則減小。當SOC在30%～70% 時能夠承受較大的充放電電流[9]。因此，車輛在純電動模式下以60 km/h恒定車速行駛65 km時，所需電池總能量為6 kW/h，電池容量為27 Ah。

2.3 發(fā)動機功率與總功率需求

發(fā)動機功率的設計取決于PHEV混合模式下的控制策略。在車輛沒有峰值電源的情況下，發(fā)動機應能供給足夠的功率，以保證車輛可按一定的巡航車速運行于水路面上且有剩余功率為電池充電。

在發(fā)動機功率計算時，v的具體取值與車輛動力性能具體要求和整車的控制策略有關。若按最高車速vmax進行計算，則發(fā)動機的功率值偏大，在運行時會導致整車功率浪費；另一方面，我國汽車在城市主干路上行駛的平均行駛車速為16～30 km/h[10]，若按行車的平均車速vave計算，則發(fā)動機的功率取值偏小，無法滿足部分行駛工況，如急加速、爬坡等。結合我國車輛和路況的實際情況，v的取值應介于平均車速與最高車速之間，即：

vave≤v≤vmax

(7)

因此，如在6%坡度上以120 km/h巡航車速行駛時，發(fā)動機的功率P=70 kW。考慮18～20 kW的發(fā)動機所帶附件功率及為電池充電預留10%余量[11]，則發(fā)動機的功率應為96～99 kW。

3 整車性能仿真分析

3.1 整車CRUISE仿真模型搭建

根據以上匹配參數，基于AVL CRUISE搭建的整車仿真模型，如圖3所示。

3.2 整車控制策略模型搭建

基于Matlab/Simulink搭建整車控制策略模型，如圖4所示。整車控制策略模型主要包括三大模塊：整車工作模式判斷模塊、制動能量回收模塊和扭矩分配模塊。車輛運行模式主要依據駕駛員扭矩請求、電池SOC、油門開度及車速等信息選擇純電動和混合動力模式。制動能量回收模式主要根據制動踏板和加速踏板信息，結合車輛行駛狀態(tài)，電機、電池的有效負荷計算制動減速度，當滿足制動回饋條件時，將能量回饋給電池。扭矩分配模塊，混合動力模式下扭矩分配主要涉及電機助力或發(fā)電工況扭矩分配。

圖3 整車仿真模型

圖4 整車控制策略模型

3.3 變速器換擋策略

進行整車動力性、經濟性仿真分析時，需要考慮變速器換擋策略。文中采用Cruise自帶的換擋規(guī)律，在仿真模型搭建時，GB Control模塊設定車速或轉速的換擋點。其換擋點設定和換擋控制原理分別如圖5和6所示。

3.4 仿真結果及分析

基于模型分別進行動力性和經濟性仿真，其中動力性仿真結果如表5所示，純電動模式下0～50 km/h加速過程如圖7所示，混合模式下50～100 km/h加速過程如圖8所示。

表5 整車動力性仿真結果

圖5 變速箱換擋點設定

圖7 0～50 km/h加速過程

圖8 50～100 km/h加速過程

由表2可知:動力性仿真結果基本符合整車性能目標。百公里加速性能與目標設定值存在偏差。由圖7與圖8可見:在百公里高速段加速時，由純電動模式轉換到混合驅動模式，存在模式切換，動力合成箱中有動力中斷，所以0～100 km/h加速性較差。

表6 整車經濟性仿真結果

圖9 NEDC工況下電機分布點

整車經濟性仿真依據GB/T19753—2013《輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》進行NEDC油耗與電耗分析。純電動續(xù)駛里程根據ECE R101-09版，SOC從90%降到20%的要求獲得，仿真結果如表6所示，可見基本滿足整車性能要求。圖9為電機在NEDC工況下的工作點分布及效率區(qū)間圖。由圖可以看出：電機工作效率區(qū)間為80%～90%，導致電能損耗較大。

4 結束語

PHEV性能指標要求與傳統(tǒng)內燃機汽車不同，在確定整車動力系統(tǒng)布置方案和運行模式的基礎上，首先應參考相關標準制定合理的動力性與經濟性指標，對動力系統(tǒng)各參數進行分析計算。其次，運用Cruise仿真軟件進一步確定混合動力電動汽車動力系統(tǒng)匹配參數，并分析整車性能仿真結果是否滿足設計要求，為產品開發(fā)提供依據。本文仿真結果中動力合成箱模式切換造成加速性能不良、電機運行效率偏低的問題，與動力與傳動系統(tǒng)的控制策略有關，因此應在此基礎上進行控制策略的優(yōu)化研究，以提高整車性能。

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