混合動力汽車動力轉(zhuǎn)換性能仿真分析*

郭家田 徐建喜

（1.山東科技職業(yè)學(xué)院；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)）

針對不同的動力需求，混合動力系統(tǒng)運(yùn)行工況可分為純電動工況、純發(fā)動機(jī)工況、發(fā)動機(jī)/電動機(jī)混合驅(qū)動工況、發(fā)動機(jī)驅(qū)動電動機(jī)發(fā)電工況、能量回收工況及停車充電工況，通過各工況的合理分配能夠提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放[1]。ADVISOR仿真軟件可實(shí)現(xiàn)汽車性能仿真分析[2]，文獻(xiàn)[3-5]對混合動力汽車發(fā)動機(jī)和電動機(jī)切換控制進(jìn)行了研究。文章采用ADVISOR仿真軟件對汽車發(fā)動機(jī)與電動機(jī)在不同動力切換車速下汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性進(jìn)行仿真，分析混合動力汽車在不同動力切換車速下的優(yōu)缺點(diǎn)，通過建立合理的動力切換控制策略，充分利用混合動力汽車兩動力源的優(yōu)勢。

1 仿真建模

以某款投放市場的混合動力汽車為原型，建立ADVISOR整車仿真模型，分析動力切換車速對混合動力汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性的影響。

該混合動力汽車驅(qū)動電動機(jī)采用永磁直流電動機(jī)，動力電池采用鎳氫電池，整車參數(shù)如下：加速度為9.81 m/s2；空氣體積質(zhì)量為1.2 kg/m3；汽車質(zhì)量為865 kg；汽車質(zhì)心高度為1.380 m；車寬為1.590 m；空氣阻力系數(shù)為0.38；迎風(fēng)面積為1.7 m2；軸距為2.365 m。

與美國城市道路循環(huán)工況相比，歐洲城市道路工況（ECE_EDUC）與我國城市道路工況更為接近，所以選取ECE_EDUC工況用于仿真分析。

1.1 門限值控制仿真建模

門限值控制策略能夠較為準(zhǔn)確地反映出不同動力切換車速下汽車的各項(xiàng)性能參數(shù)。選取發(fā)動機(jī)與電動機(jī)進(jìn)行動力切換時的車速分別為25，20，15，10 km/h，建立門限值控制仿真模型，通過仿真獲取在各動力切換車速下汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性的各項(xiàng)參數(shù)。

1.2 模糊控制仿真建模

現(xiàn)今多數(shù)混合動力汽車都是以節(jié)氣門開度作為重要參數(shù)用來確定駕駛員對動力性的需求，然后輔以其他參數(shù)，如蓄電池SOC值、冷卻液溫度等，綜合計(jì)算后確定出動力切換車速。精確門限值的模糊化能夠反映出2個門限值之間存在的過渡區(qū)，用模糊參數(shù)取代精確參數(shù)，并綜合考慮蓄電池的充放電效率，模糊控制比傳統(tǒng)的門限值控制更接近人的思維方式，能夠更好地描述控制規(guī)則。

通過蓄電池SOC值和油門踏板位置判斷動力切換車速，使用MATLAB模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)一個輸入變量為油門踏板開度（T）和蓄電池荷電狀態(tài)（SOC），輸出變量為動力切換車速（V）的模糊控制器，如圖1所示。

圖1 模糊控制器隸屬函數(shù)

SOC，T，V 的模糊集合均規(guī)定為{L，PL，W，PH，H}。其中：L表示低（小），PL表示偏低（偏小），W表示適中，PH表示偏高（偏大），H表示高（大）。

由相應(yīng)的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則，可生成模糊控制規(guī)則曲面，如圖2所示。將設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制器嵌入汽車動力輸出控制模塊中。

圖2 模糊規(guī)則曲面

2 仿真結(jié)果

圖3～圖6分別示出動力切換車速為25，20，15，10km/h時在ECE_EDUC工況下的仿真結(jié)果。

圖3 動力切換車速為25 km/h時在ECE_EDUC工況下的仿真結(jié)果

圖4 動力切換車速為20 km/h時在ECE_EDUC工況下的仿真結(jié)果

圖5 動力切換車速為15 km/h時在ECE_EDUC工況下的仿真結(jié)果

圖6 動力切換車速為10 km/h時在ECE_EDUC工況下的仿真結(jié)果

從圖3可以看出，動力切換車速為25 km/h時，蓄電池電量在一個循環(huán)工況的后期會接近保護(hù)極限（0.5）。如果蓄電池SOC值低于保護(hù)極限，發(fā)動機(jī)將會提前運(yùn)行以保護(hù)蓄電池不受損傷。從圖3和圖4可以看出，動力切換車速為25 km/h和20 km/h時，能夠滿足低動力需求工況，但在動力性要求較高的情況下，汽車運(yùn)行工況與目標(biāo)工況有一定的偏差，駕駛員會有汽車無力的感覺。從圖5和圖6可以看出，隨著動力切換車速的降低，汽車的動力性得到改善，動力切換車速降低至15 km/h時，汽車的運(yùn)行工況可以達(dá)到目標(biāo)工況的要求。隨著動力切換車速的降低，汽車動力性提高的同時，蓄電池的SOC值能夠更好地保持在高效區(qū)。

ECE_EDUC循環(huán)工況模糊控制仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7 ECE_EDUC循環(huán)工況模糊控制仿真結(jié)果

從圖7可以看出，混合動力汽車在動力切換模糊邏輯控制策略下，汽車運(yùn)行工況能夠達(dá)到目標(biāo)工況的要求，且蓄電池SOC值能夠穩(wěn)定在高效區(qū)。各動力切換車速下汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性能，如表1所示。

表1 各動力切換車速下汽車的燃油消耗量和排放量

3 仿真分析

仿真結(jié)果表明，在平均車速較低的循環(huán)工況下，電動機(jī)的工作比重較大時可提高汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性，而且動力能夠滿足駕駛需求，蓄電池SOC值能夠控制在合理的工作區(qū)間內(nèi)；但在動力需求和加速要求較高時，如果發(fā)動機(jī)不能盡快地介入工作，汽車的動力性不能得到滿足。

從表1中可以看出，所選擇的汽車動力切換車速越高，汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性越好，所以在所選動力切換車速為25 km/h時，汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性最好。燃油消耗量和排放量隨著動力切換車速的降低而逐漸升高，當(dāng)動力切換車速降低到10 km/h時，汽車燃油消耗量為動力切換車速為25 km/h時的3.35倍。動力切換車速模糊邏輯控制下汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性介于動力切換車速在15～20 km/h時的狀態(tài)，汽車燃油消耗量為動力切換車速為25 km/h時的2.12倍。

從仿真結(jié)果可以看出，動力切換車速高于20 km/h時，汽車運(yùn)行工況會與目標(biāo)工況出現(xiàn)偏差，而要滿足汽車的動力性，改善運(yùn)行工況，就需要降低動力切換車速；從表1可得，當(dāng)動力切換車速為15 km/h時，汽車燃油消耗量和排放量均高于動力切換車速模糊控制工況。

4 結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看出，動力切換車速對混合動力汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性有較大影響；動力切換車速門限值控制策略在混合動力汽車經(jīng)濟(jì)性和排放性方面具有優(yōu)勢，動力切換車速模糊控制可以在滿足混合動力汽車動力需求的情況下，在20～15 km/h選取合適的動力切換車速，避免動力切換車速直接下降到15 km/h，能夠在滿足汽車動力性要求前提下提高汽車的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)汽車以經(jīng)濟(jì)性作為目標(biāo)時，可將25 km/h作為動力切換車速，在確保蓄電池SOC值能夠維持在穩(wěn)定區(qū)的前提下，讓混合動力汽車得到較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性。