新型混合動力汽車動力經濟性匹配分析

王曉東，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

在當前人們對環境保護意識的增強以及嚴峻的環保形勢下，發展新能源汽車越來越受各國政府及車企的重視。根據某機構采集的北京市2014年冬、春、夏、秋4個季節代表月1、4、7、10月的大氣細顆粒物PM2.5樣品，分析研究了PM2.5質量濃度、化學特征、季節變化和污染成因。PM2.5主要來源于機動車排放、燃煤、地面揚塵和工業排放，其貢獻率分別為37.6%、30.7%、16.6%和15.1%。降低汽車行駛時有害物質的排放已經是各車企不得不面對的問題。汽車行業研發排放量更低的新能源汽車已經成為主流趨勢。[1]

本文以P3+P4形式混合動力SUV車型為研究對象，以純電動和油電混合動力兩種驅動方式的動力性、經濟性仿真為側重對混合動力SUV進了簡要的分析。根據車輛的動力性和經濟性目標要求制定了混合動力SUV的控制策略。在車輛減速或制動的過程中實現能量的回收再利用，我們采用AVL-Cruise與Simulink聯合仿真的方式對混合動力SUV的控制邏輯進行分析及對比，從而確定動力性及經濟性最優方案。

1 混合動力系統

1.1 P3+P4混合動力系統簡介

對于P0～P4混合動力形式而言，P代表并聯，數字代表不同的位置，其具體位置如圖1所示：

圖1 混合動力形式介紹

K0離合器的作用為在純電動模式時將不參與驅動的發動機與動力系統斷開，保證純電動系統的高效運行，K1離合器在油電混合動力模式時起到兩個動力源解耦的作用；

P0混合動力形式：電機置于變速箱之前，皮帶驅動BSG電機(啟動、發電一體電機)。

P1混合動力形式：ISG電機置于變速箱之前，安裝在發動機曲軸上，在K0離合器之前。

P2混合動力形式：電機置于變速箱的輸入端，在K0離合器之后。

P3混合動力形式：電機置于變速箱的輸出端，將動力與發動機同軸輸出。

P4電機置于變速箱之后，與發動機的輸出軸分離，一般是驅動無動力的車輪。[2]

1.2 建立整車模型

本文著重以P3+P4形式混合動力SUV為研究對象，利用AVL Cruise軟件進行整車物理模型搭建。AVL Cruise是一款用于動力經濟性以及排放性能的仿真的軟件，主要用于對車輛傳動系統和發動機的開發。其模塊化的建模理念使用戶可以便捷的搭建不同布置結構的車輛模型，其復雜完善的求解器可以確保計算的速度。

圖2 Cruise整車模型

在驅動形式方面本文以純電動和油電混合動力兩種驅動方式進行對比。當車輛以純電動方式行駛時，動力經動力電池傳輸給前后電動機，再經過主減速器及差速器傳遞至車輪，從而帶動車輛行駛，發動機不直接驅動車輪；當車輛以油電混合動力方式行駛時，發動機將動力傳遞至前輪，也可根據需求通過發電機向動力電池充電，同時動力電池以與純電動相同的方式進行驅動。根據動力傳遞路線建立車輛模型，輸入各結構部件所需參數，如圖2所示。

2 控制策略

該混合動力汽車運行模式主要分為純電動驅動、油電混合驅動兩種模式，當汽車運行在純電動模式時，發動機關閉，電池作為獨立能量源，電池SOC值呈下降趨勢；當電池SOC值低于下限SOCmin或整車需要較強動力輸出時，發動機啟動參與驅動車輛，同時發動機通過發電機向電池充電，電池再以與純電相同的方式將動力傳遞至車輪。

圖3 整車混合動力控制策略圖

整車混合動力控制策略如圖 3所示，基本控制思路為：首先采集SOC值、踏板信號、電機輸出扭矩，當電機需求轉矩 T＜0時汽車處于制動狀態，電動機將動力轉化為電能儲存到電池中；當T＞0，電池SOC＞SOCmin， 且電機可輸出功率大于車輛需求功率，即P電＞P需時，車輛處于純電動模式，蓄電池單獨為車輛提供能量；當T＞0，電機輸出功率不能滿足車輛所需功率，即P電＜P需，車輛進入油電混合動力模式，電動機發動機同時為車輛提供能量，發動機通過主減速器及差速器將動力傳遞至車輪，同時通過發電機向電池充電，電池再以和純電相同的方式將動力傳遞至車輪，此時車輛可以獲得更好的動力表現。按照上述邏輯建立Simulink仿真模型，如圖4所示。[3]

圖4 Simulink仿真模型

3 整車性能分析

3.1 動力性分析

車輛動力性體現了一輛車動力總成系統匹配程度的好壞，也考驗了工程師的設計水平。我們從原地起步加速時間、最大加速度以及最高車速三項指標來分析車輛的動力性。根據國標要求，動力性測試要在整車半載質量下進行。對軟件中Full Load Acceleration 任務進行設置，明確計算任務并輸入參數，計算后可得到整車加速曲線及參數。[4]

3.1.1 原地起步加速時間分析

原地起步加速模擬車輛從靜止加速到一定速度的時間，反映整車的動力水平，為汽車設計中常見的動力性評價指標。我們分別計算純電動模式和油電混合動力模式下的加速性能。

純電動模式中，設置SOC值為90%，計算結果如圖5：

圖5 純電動模式0-100km/h加速時間

由圖5可知純電動模式0-100km/h原地起步加速時間為6.79S。

混合動力汽車最強加速模式為電動機和發動機同時向車輛提供動力，且SOC值較高。在軟件中設置SOC值為90%，發動機為啟動狀態，計算結果如圖6：

圖6 混合動力模式0-100km/h加速時間

如圖6所示油電混合動力模式0-100km/h原地起步加速時間為5.5S。油電混合動力模式在0-100km/h加速時間方面較純電動模式有明顯提高。

3.1.2 最大加速度

最大加速度性能也是評價車輛加速能力的一項指標，較大的加速度會給人較強的加速感受，對軟件中 Full Load Acceleration 任務進行設置，計算結果如圖7、圖8：

圖7 純電動模式最大加速度

如圖7，純電動模式最大加速度為5.6m^2/s。

圖8 混合動力模式最大加速度

如圖8，油電混合動力模式最大加速度為6.6m^2/s。

可知車輛在油電混合動力模式下，會給人體更強烈的主觀加速感受。也從側面證明0-100km/h加速時間對比結論的正確性。

3.1.3 最高車速分析

由于世界各國對最高車速的限制不同，車輛行駛在高速公路上時，在不違反交通規則的情況下，較高的最高車速可以使汽車更快的到達目的地，減少乘客路途上的時間。分別計算純電動模式和油電混合動力模式下的最高車速性能，計算結果如圖9、圖10：

圖9 純電動模式最高車速

如圖9，純電動模式最高車速為131km/h。

圖10 混合動力模式最高車速

如圖10，油電混合動力模式最高車速為171km/h。

通過以上動力性指標對比可知，油電混合模式在整車動力性方面較純電動模式有明顯優勢。

3.2 經濟性分析

對于混合動力車型來說，其工況包含油電混合式驅動，純電動式驅動，需分別結算其能量消耗情況。我們采用NEDC工況對其進行測試。根據目前我國對于新能源汽車法規GB/T 19753-2013 輕型混合動力電動汽車能量消耗量計算方法中要求，混合動力汽車能量消耗計算方法分為條件A、條件B進行。條件A為在車輛SOC最高值作為初始點，行駛完一個NEDC循環后消耗的電量。在純電動模式下車輛以50±2km/h的速度行駛，至發動機自行啟動時的SOC值作為條件 B的初始點，計算混合動力模式下的電量和燃油消耗量。[5]

3.2.1 續駛里程分析

圖11 純電動模式續航里程

如圖 11，根據軟件計算結果，車輛以 SOC最高值90%作為起點，行駛至電池放電過程終止（SOC值為30%），共行駛了5個完整的NEDC循環及額外4.128km，總共58.718km。

3.2.2 燃油消耗分析

式中：

C——燃料消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

c1——條件A試驗中所得燃油消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

c2——條件 B試驗中所得燃油消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

De——按照附錄B規定的試驗規程，所測得的純電動續駛里程，單位為千米（km）。

Dav——25km（假設的儲能裝置兩次充電之間的平均行駛里程）。

分別計算式（1）中各參數。其中，條件 A中燃油消耗量c1為0 L/100km，條件B中燃油消耗量c2為7.12 L/100km，所測的純電動續航里程De為58.718km，根據公式求得綜合燃油消耗量C為2.13 L/100km。

4 總結

本文對新能源汽車在純電動及油電混合動力模式下的動力經濟性進行計算及對比，在油電混合動力模下車輛可以獲得更強的動力性，同時在經濟性方面較傳統汽油車也有明顯優勢。在如今國家和民眾對于環境保護的意識越來越強，傳統制造業已經來到了必須進行技術革新的新階段。

汽車行業中，世界范圍各大主流汽車廠商已經宣布在2025年停止傳統燃油車的生產及銷售，汽車行業電氣化已經是必然趨勢，抓緊提升新能源汽車研發能力是新一代工程師面臨的緊迫任務。作為最大的發展中國家，同時也是新能源消費大國，我國發展新能源汽車行業已經勢在必行。

參考文獻

[1] 韓力慧.北京市大氣細顆粒物污染與來源解析研究.[J]中國環境科學.2016.36 (11):3203-3210 .

[2] 杜莎.深耕混合動力技術[C].汽車與配件.2017（26）:58-60.

[3] 張杰.混合動力城市客車多能源控制策略研究[D].合肥工業大學.2010.

[4] 黃華,邱森,李獻菁,黃錦成.車用替代能源動力性、排放性研究[J].裝備制造技術,2006(04):29-31.

[5] GB/T 19753-2013,輕型混合動力電動汽車能量消耗量計算方法[S].