基于Advisor的并聯混合動力客車動力匹配仿真分析

宋百玲,黃 瑾

(東北林業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

目前汽車行業普遍看好混合動力汽車——一種兼顧環保性、動力性、續航性的新能源汽車.現階段混合動力汽車主要是指油電混合動力汽車，目前來看，只有混合動力汽車才能在現有技術條件下很好的滿足人們對汽車節能環保、動力續航的要求. 在全世界范圍內，混合動力汽車技術尚處于初級發展階段，我國同世界汽車工業強國此時處于同一起跑線.混合動力汽車按照發動機與電動機動力系統結構形式的不同分為并聯式混合動力汽車(PHEV)，串聯式混合動力汽車(SHEV)，混聯式混合動力汽車(PSHEV)三種類型[1]. 并聯式混合動力汽車(PHEV)的動力源可以是電動機、發動機及電動機和發動機聯合，通過動力耦合裝置驅動車輛前進. 發動機與電動機通過并聯的結構形式組成驅動系統，其一般結構如圖1所示.

Advisor(Advanced Vehicle simulator)是高級汽車仿真器，屬于后向仿真為主的軟件，其從循環工況出發，計算各部分部件所需提供的功率/轉矩、轉速，信息從工況出發經過車輪模型、傳動系、控制策略一直到動力總成. 另外Advisor還部分采用了前向仿真，形成混合仿真方法.它融合了兩種仿真方法的優點，使得以較小的計算量獲得較高的仿真精度[2].

基于混合動力后驅公交車的基本參數，利用Advisor 2002對其進行仿真分析. 根據整車基本參數及動力性要求，建立動力學模型和整車仿真模型.通過Simulink搭建模塊，建立后驅車仿真模型.適配所選后驅車型，利用所建立的后驅混合動力汽車模型進行仿真，分析該車的動力性、燃油經濟性.

圖1 并聯混合動力簡圖Fig.1 Diagram of parallel hybrid engine

1 后驅汽車模型建立

1.1 后驅模塊Traction Control數學模型的建立

Traction control主要包括輪胎牽引極限限速子模塊和后輪最大驅動力限制子模塊.輪胎牽引極限限速子模塊主要控制在極限附著條件下驅動時車輪不打滑的汽車最高車速Vmax、制動時汽車最低車速Vmin.后輪最大驅動力子模塊主要限制汽車要求的驅動力不超過現有條件下的最大驅動力Fmax. 這兩個子模塊需要根據相關動力學數學模型來搭建.

1.1.1 后驅汽車動力學模型

根據汽車在行駛過程中受力情況建立動力學數學模型，即驅動力行駛方程[3]，求得極限附著力條件下的最高車速Vmax和最低車速Vmin. 汽車在坡度角為α的路面上行駛，滿足

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

或

(2)

式中：Ft為驅動力(N)；Ff為滾動阻力(N)；Fw為空氣阻力(N)；Fi為坡度阻力(N)；Fj為加速阻力(N)；M為整車質量(kg)；f為滾動阻力系數；CD為為風阻系數；A為迎風面積(m2)；va為行駛車速(m/s)；δ為旋轉質量換算系數；α為道路坡度角.

當加速阻力和坡度阻力為零時，在極限附著力下汽車所能達到的最大車速vmax：

(3)

計算vmax是為了限制從車輛模塊傳來的請求車速不會超過此速度與初始速度v0的均值.接下來計算車輛制動時達到極限附著條件時所能得到的最小車速vmin，此時驅動力變為制動力，達到極限時最大驅動力變為最大制動力且方向相反.

Ftmax=-Fbmax

(4)

Fb=Fzφ

(5)

式中：Fz為地面垂直反作用力(N)；φ為附著系數.

將公式(2)、(4)、(5)聯立即可得出極限條件下最小車速vmin：

(6)

計算vmin是為了限制從車輛模塊傳來的需求車速必須大于此速度與v0的均值.

1.1.2 Simulink 仿真模塊的建立

基于所建立的數學模型，在Simulink環境中建立牽引力極限限速子模塊見圖2，此模塊輸出的是被限制后的平均速度.汽車驅動力由后輪提供，后軸載荷與路面最大附著系數的乘積即為后輪所能提供的最大驅動力. 最大限制驅動力Fmax的子模塊如圖3.

圖2 牽引極限限速子模塊Fig.2 Sub module of speed limiting of traction

圖3 最大驅動力限制子模塊Fig.3 Sub module of maximum driving force

該模塊輸出的是后軸載荷和被限制的驅動力[4]. 將圖2和圖3兩個子模塊封裝連接相關線路后得Traction Control 模塊，如圖4所示.

圖4 Traction Control模塊Fig.4 The module of Traction Control

1.2 Traction Control后驅模塊的嵌入

根據建立好的后驅牽引力控制模塊(Traction Control)封裝好后，拷貝到par中，連接接口，將par 重命名為par_hou重新裝入Simulink控制庫中.建立后驅車頂層仿真模型如圖5所示.

1.3 后驅混合動力汽車GUI模型

把所建立的模型嵌入到Advisor平臺的GUI界面，進行裝載文件的配置，將Advisor自帶的并聯混合動力汽車PARALLEL_defaults_in.m整車配置文件另存為PARALLEL_hou_defaults_in.m，然后對其m文件進行編輯如圖6所示.

打開Advisor中GUI界面optionlist中的all_menus.mat文件，通過程序語句在動力系統中增加剛才定義的混合動力后驅構型parallel_hou，在options_drivetrain中添加驅動鏈.同時在MATLAB命令窗口中輸入如下命令：

options.input_file_names=optionlist(′add′,′input_file_names′,′PARALLEL_hou_dafaults_in′);options.drivertrain=optionlist(′add′,′drivetrain′,′parallel_hou′)，完成操作.同時修改Advisor中相關m文件，完成GUI嵌入過程.

2 動力總成匹配

2.1 整車基本參數及性能要求

根據建立的并聯混合動力客車仿真模型，對仿真車型的動力總成部分進行選型及仿真參數的匹配，其中包括發動機、電動機、蓄電池，變速器等[5]. 仿真對象車輛的基本參數和期待的動力要求見表1和2.

表1 整車基本參數
Tab.1 Fundamental parameters of vehicles

參數項目數值整車參數總質量/kg14000整備質量/kg11800風阻系數0．62迎風面積/m26．1軸距/mm5285滾阻系數0．006后軸載荷系數0．55滾動半徑/m0．470變速器五檔自動變速器(5．7853．3081．6231．00．772)

2.2 發動機選型與參數匹配

發動機作為混合動力汽車的主要動力源，需要具有足夠的功率驅動車輛正常行駛，克服各種阻力，滿足多種工況需求. 最高車速越高， 要求的發動機功率越大；汽車后備功率越大，加速與爬坡能力必然越好. 設計中先從保證汽車預期的最高車速初選發動機應有的功率. 作為并聯混合動力汽車的主要動力源，根據汽車理論知識算出滿足動力性的理論需求功率，根據汽車所受到的各項阻力以及獲得的動力，可以得到汽車行駛方程式(2)，將式(2)等號兩邊同時乘上車速v，經過單位變換得到汽車行駛功率平衡方程[6]

表2 混合動力客車動力要求
Tab.2 Power requirements of hybrid engine buses

參數項目數值最高車速/km·h-11000～50km/h加速時間/s≤2310km/h車速最大爬坡度≥22%最大爬坡度/

(7)

由公式(7)計算整車發動機需求功率進行計算，需要分別計算在最高車速、最大爬坡性能、最大加速性能所需要的發動機功率.

1)根據要求的最高車速確定P1max

所研究的車型最高車速要求為vmax=100km/h. 根據式(7)，可得在最高車速時所需發動機功率為

(8)

式中：CD=0.62；A=6.1m2.經計算得出P1max=78.85 kW，也可以根據式(8)在MATLAB中進行編程，得出所需功率與最大車速的關系圖，如圖7所示.

圖5 后驅車頂層仿真模型Fig.5 The simulation model of rear wheel driving vehicles

圖6 配置文件修改Fig.6 The modification of configuration file

圖7 驅動功率與最高車速的關系Fig.7 The relationship between driving power and maximum speed

2)根據要求的爬坡性能確定P2max

整車對爬坡度的要求是以10 km/h車速在坡度至少為22%的坡道上行駛，根據式(7)可以列出爬坡時所需最大功率：

(9)

式中：αmax=artcan(imax/100). 經計算得出P2max=91.49 kW. 同樣，根據式(9)也可以在MATLAB中編程，得出功率、爬坡車速、坡度三者的關系如圖8所示.

圖8 功率、爬坡車速、爬坡度關系圖Fig.8 The relationship of power climbing speed and slope

3)由加速性能確定最大需求功率P3max

整車對加速性能的要求是0～55 km/h加速時間不多于23s，根據式(7)可得出

(10)

汽車起步加速過程中的車速曲線，可通過下面的公式進行擬合：

(11)

式中：vm為加速后末速度(km/h)；tm為加速時間(s)；x為擬合系數(取0.5).

將式(10)與式(11)聯立，再將其積分求平均值即可得出由加速時間與加速末車速確定的所需功率方程式：

(12)

計算得出：P3max=89.93 kW，同樣得出了加速時間與末速度、功率的關系圖如圖9所示.

圖9 末速度、加速時間、需求功率關系圖Fig.9 The relationship of end speed，acceleration time and demand power

綜上，發動機功率必須滿足下列關系式：

Pmax=max(P1max,P2max,P3max). 所以，發動機功率Pmax至少為91.49 kW，考慮發動機需要給空調等電器附件提供功率，所以功率應該適當大于91.49 kW. 綜合考慮，選擇102 kW的發動機模型，即選擇3.0 L六汽缸汽油發動機，其功率為102 kW，最大轉矩214.2 N·m，最大轉速4 875 r/min.

2.3 電動機選型與參數匹配

并聯混合動力汽車上的電動機主要起輔助動力作用，當車輛處于發動機低效率工作區時，電動機提供動力，提高整車的燃油經濟性[5]. 根據需求選擇交流異步電機驅動，根據車輛的要求指標(即電動機需要保證車輛能保持最高50 km/h車速行駛，還需要滿足以10 km/h的速度在22%的坡道上行駛)來確定電動機的功率.

根據最高穩定車速確定電動機功率為

(13)

得出Pmoto1=22.56 kW(ηm為電動機效率估計值).根據汽車以10km/h的速度爬22%的坡度，得出所需動力源功率為

Pmoto2=

(14)

得出Pmoto2=107.7 kW，則需要的電動機功率Pmotomax>max(Pmoto1,Pmoto2). 經過考察，決定選用Advisor自帶的MC_AC124交流電動機，額定功率124kW，其外特性曲線以及工作效率曲線如圖10所示.

圖10 交流電機外特性曲線Fig.10 The external characteristic curve of AC motor

2.4 蓄電池選型及參數匹配

混合動力電池選用鉛酸蓄電池，其性能可靠，價格便宜，滿足混合動力車型的需求，且目前也普遍應用在混合動力客車上[7]. 電池參數選擇應該保證純電動續航能力和足夠的輸出功率.根據匹配好的電動機的相關參數，選擇12V鉛酸蓄電池串聯24個，蓄電池的電壓為288V. 按照整車的設計指標，客車以純電動模式保持v0=40km/h的車速續航要求達到S=35km，則電池所需要的能量為

(15)

得出Es=13.8kW·h，此時電池容量C=50Ah. 考慮到電池使用循環壽命要求，SOC要在較高范圍內工作，所以選取Advisor中的91Ah的鉛酸蓄電池，其含有25個單個電壓為12V的電池模塊進行串聯，額定電壓為300V. 蓄電池的工作電壓與其SOC有關，關系如圖11所示.

圖11 電池SOC與電壓的關系Fig.11 The relationship between SOC and voltage of battery

3 性能仿真及結果分析

根據建立的整車模型和部件的相關參數，輸入整車參數進行仿真，并對基本參數相同的傳統客車進行仿真，分析對比兩者油耗.

3.1 仿真工況的選擇

由于仿真對象為城市客車，綜合考量各種循環工況后，決定采用使用較廣泛的美國FTP75循環工況[8-10]. 設置最大爬坡度和加速測試，仿真測試的設置窗口如圖11所示.

圖12 最大爬坡度測試、加速測試設置窗口Fig.12 The window of maximum climbing test and accelerated test

在FTP工況下仿真，循環工況輸出車速變化(取前430s)和電池組SOC值變化如圖13、圖14所示.

為了進一步看清跟隨情況，取前430s的時間進行分析. 由此看出，工況要求車速與車輛實際輸出車速基本相吻合(實線為實際車速，虛線為要求車速)，差別很小，說明車輛動力性是比較充足的.

圖13 前430s車速跟隨情況Fig.13 The following situation of former 430s speed

圖14 電池SOC變化Fig.14 Changes of battery SOC

從圖12～15可以看出，當循環工況中車速需求較大時，發動機與電機共同工作，動力電池組SOC值下降，為電機提供能量；當車速需求明顯變小或制動時，電機根據SOC值變化情況提供轉矩或是對電池組充電.

3.2 對比分析

3.2.1 混合動力客車仿真結果

在FTP工況下，混合動力汽車的仿真結果見表3.

表3 混合動力客車性能表現
Tab.3 The performance of hybrid engine bus

項目設計要求FTP工況仿真結果百公里油耗/L·km-1/30．6最高車速/km·h-1100135．4最大爬坡度/10km·h-1≥2237．80～55km/h加速時間/s≤2310．9

3.2.2 與傳統客車油耗對比

為了能更好的突出混合動力車輛的優越性能，本次采用傳統客車作為對比車型，其一切相關參數與本文對象車輛一致. 該車運行FTP75工況后得出的燃油消耗與混動客車對比結果見表4.

表4 油耗對比
Tab.4 The comparison of fuel consumption

燃油消耗/L·(100km)-1混動客車傳統客車節油率30．644．931．8%

通過表3、表4對比可以看出，仿真結果符合設計要求，且與傳統客車相比，混合動力客車節油率為31.8%，具有良好的動力性和燃油經濟性.

4 結論

通過建立的混合動力客車車輛行駛動力學數學模型和仿真模型，進行了FTP75工況下的車輛動力性和油耗的仿真分析，仿真結果表明：

(1)所建立的混合動力客車模型功能完善，通用性強. 在數字環境下，可以實現對車輛不同工況下相關參數的測試.

(2)車輛動力總成的匹配合理. 仿真結果表明所匹配的發動機、電動機和蓄電池等動力部件的選型及參數匹配合理.

(3)匹配的混合動力客車的動力總成滿足設計要求，燃油消耗改善明顯. 車輛的最高車速、最大爬坡度及加速時間均很好的達到了設計要求，較傳統客車節油31.8%.

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