混合動力商用車48 V動力系統設計及仿真

梅 鵬 張新塘 王 桀 徐 達

(武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063)

0 引 言

由于混合動力汽車的成本較高，很多整車和零部件制造商都在針對混合動力汽車設計一種低成本的解決方案，其中最為有效的方案是設計一種48 V輕度混合動力系統[1-2].與傳統動力系統相比，48 V動力系統增加了電機和電池等設備，能夠配合發動機一起輸出動力，因此，48 V動力系統具有混合動力的效果[3].與普通的混合動力系統相比，48 V動力系統的電動機功率和輸出轉扭矩都小很多，不能單獨依靠電機驅動[4]，電機僅在車輛起步和加速時，輔助發動機輸出部分動力，使發動機運行在最佳經濟區.輕度混合動力商用車不但具有制動能量回收的功能，還具有加速助力和發動機停機滑行等功能[5-6].

文中以福田某型傳統商用車為研究對象，通過仿真軟件ADVISOR建立了整車模型，將48 V輕度混合動力商用車與傳統商用車進行比較，從而探討48 V動力系統的可行性.

1 48 V動力系統設計

48 V動力系統是在傳統12 V系統基礎上添加了一套48 V系統，即12 V/48 V雙電壓系統，見圖1.48 V系統主要包括：BSG電機、鋰離子電池組，以及DC-DC轉換器等部件[7-10].這種系統將汽車電器與電控裝置根據耗電大小分為兩組：傳統電器裝置采用12 V供電；功率較大的電氣裝置采用48 V電壓供電.BSG電機既可用作發電機，也可用做電動機，BSG電機回收的能量一方面可通過DC-DC轉換器傳入12 V系統，供車載設備使用；另一方面可儲存在鋰離子電池中，為汽車加速時提供能量[11-13].

圖1 48 V動力系統

1.1 發動機參數匹配

根據市場發動機的類型，選取某型發動機，其基本參數見表1.

發動機相關特性是根據臺架試驗測得的，在發動機模型中，輸入的數據有：發動機萬有特性，發動機外特性以及發動機制動特性.圖2為發動機萬有特性圖和發動機制動曲線.

表1 發動機基本參數

1.2 電池參數匹配

結合市場上電池的實際情況，最終選擇某公司某型電池.該電池的基本參數見表2，根據整車的實際布局情況，將14個鋰電池串聯為一個電池單元，然后并聯三個電池單元.

表2 某型電池基本參數

圖3為不同因素隨電池SOC變化曲線.

圖3 電池SOC變化曲線

1.3 電機參數匹配

本文48V系統中的BSG電機既可以作為電動機提供轉矩供汽車加速時使用，當汽車減速或者制動時可作為發電機回收能量儲存在電池中.所以文本設計的電機模型既作為電動機也可作為發電機.

根據市場上電機類型和型號，選擇某型BSG電機.該電機基本參數見表3.

表3 電機基本參數

電機的效率圖見圖4，電機的轉速與功率和轉速與轉矩曲線見圖5.

圖4 電機的效率圖

圖5 電機最大功率與最大轉矩曲線

1.4 整車參數

本文以某型商用車為研究對象，其基本參數見表4.

表4 某型商用車整車參數

1.5 道路工況

測試循環采用湖北省某實測路況，該道路工況參數見表5.

2 基于ADVISOR建模與仿真

整車根據輸入行駛工況，對預計行駛速度進行判斷，將汽車所需的驅動力傳至整車模塊，整車模塊將其轉化為轉速和轉矩傳遞給車輪模塊.轉速和轉矩依次流經主減速器、變速器最后傳遞到發動機和電機模塊，發動機和電機根據轉速和轉矩計算出所需提供的功率.發動機和電機提供的功率沿著變速器模塊、主減速器模塊、車輪模塊最后到整車模塊，減去每項損失的功率后可計算汽車的實際車速.

表5 某道路工況信息參數

/s13 400/km289/(km·h-1)79/ (km·h-1)113/(m·s-2)0.22/(m·s-2)3.38/(m·s-2)0.24

2.1 發動機模型

ADVISOR軟件中通過實驗建模法來建立發動機模型，該方法在腳本文件中輸入了大量的實驗所測數據，然后利用實驗數據來模擬發動機的運行狀態，因此能夠非常準確的表示發動機的穩態特性[14-15].

發動機模型中主要包括了三個子系統模塊，分別是發動機轉速計算模塊、發動機轉矩計算模塊和發動機油耗及排放計算模塊.

2.1.1發動機轉矩計算模塊

發動機的實際轉矩為

Tout=Te-Ta

(1)

當發動機估算轉速小于實際轉速，為

Te=Tout+Ta

(2)

當發動機估算轉速大于實際轉速，為

Te=Tθ

(3)

式中：Tout為發動機的輸出轉矩,N·m；Te為發動機與轉速相關的輸出轉矩,N·m；Ta為發動機加速慣性轉矩,N·m；Tθ為發動機在不同節氣門下輸出轉矩,N·m.

發動機加速慣性轉矩

Ta=β·a

(4)

式中:β為發動機轉動慣量；a為加速度，m·s2.

2.1.2發動機轉速計算模塊

發動機轉速計算模塊是根據汽車行駛速度和離合器信號來計算的，當離合器閉合時，為

vc=vout

(5)

當離合器斷開，汽車需求速度上升時，為

vc=min(Nd、nmax)

(6)

當離合器斷開，汽車需求速度降低

(7)

式中：vc為計算車速，m/s；vout為實際車速，m/s；vd為需求車速， m/s；nmax為發動機最大轉速，r/min.

2.1.3發動機燃油和排放量計算模塊

燃油消耗量的計算公式為

mf=rf·?θ

(8)

發動機排放量的計算公式為

me=re·?θ

(9)

式中：mf發動機燃油消耗量，kg/h；me為發動機排放量，kg/h；rf為發動機燃油消耗率，g/(kW·h)；re為發動機排放率，g/(kW·h)；?θ為溫度修正系數.

溫度修正的計算隨發動機的標志變量的變化而有不同的修正算法，當發動機標志變量為1時，溫度修正系數和標準溫度修正系數的計算公式為

?θ=1+(z-1)·?B

(10)

?B=(θ1-θ2)/(θ1-θ3)

(11)

當發動機標志變量為0時，溫度修正系數和標準溫度修正系數的計算公式為

(12)

(13)

式中：?B為標準溫度修正系數；θ1為恒溫調節裝置設定的恒溫溫度，℃；θ2為發動機冷卻液溫度，℃.

2.2 電池模型

汽車在行駛過程中，蓄電池既能夠儲存電能也能夠釋放電能.在建立蓄電池模型的過程中，通常是將其看成由理想的開路電壓和內阻串聯的等效電路.

2.2.1功率控制模塊

功率控制模塊的主要功能是控制電池的輸出功率范圍，電池的最大限制功率為

P=Vbus·(Voc-Vbus)/R

(13)

Vbus=max(Voc/2,Um,Emin)

(14)

式中：P為電池最大限制功率，kW；Voc為開路電壓,V；Um為電動機最低控制電壓, V；Emin為電池最低電壓， V.

2.2.2電流計算模塊

電流計算模塊的主要通過功率和基爾霍夫電壓定律來計算電流的大小，計算如公式為

P=(Voc×I)-I2R(3-20)

(15)

2.2.3電池SOC計算模塊

電池SOC計算模塊主要根據電流的大小計算電池SOC值，首先通過平均庫倫效率計算充放電電流積分，確定總電量的變化，計算公式為

SOC=(C-C1)/C

(16)

式中：C為電池最大容量，kW·h;C1為放電電量，kW·h.

2.3 電機模型

48 V系統中的BSG電機既可以作為電動機提供轉矩供汽車加速時使用，當汽車減速或者制動時可作為發電機回收能量儲存在電池中.所以文中設計的電機模型既作為電動機也可作為發電機.

選用的電機為永磁同步電機，具有低速恒轉矩，高速恒功率的輸出特性.

2.4 變速器模型

設計的48 V微混動力商用車采用的變速器為機械式自動變速箱(AMT)，變速器的輸入是需求的轉矩和轉速，輸出是變速器實際的輸出轉矩和轉速.

2.5 控制策略模型

48 V動力系統采用轉矩分離控制策略，該控制策略是根據汽車反饋到離合器所需的轉矩大小，計算BSG電機提供的輔助轉矩大小，剩余的轉矩由發動機提供，所建立的控制策略模型見圖6.

圖6 控制策略設計

電機轉矩需要根據以下幾個方面進行確定：

1) 當汽車在加速狀態時，電機的最大輸出轉矩為45 N·m.

2) 當汽車在減速或者制動時，電機能夠實現制動能量回收，將動能轉化成電能儲存在電池中或供負載使用.

3) 當車速低于15 km/h時，汽車在制動時，電機不參與工作，制動力僅由摩擦力提供.

2.6 整車模型

整車的仿真模型主要是根據汽車動力學相關公式搭建的，主要由加速阻力計算模塊、坡道阻力計算模塊、滾動阻力模塊和車速計算模塊組成，其計算公式如下.

F=Ff+Fw+Fi+Fj=mg(μ(cosα+

(17)

3 仿真結果及特性分析

3.1 輕度混合動力商用車模型的驗證

由于輕度混合動力商用車是在原型車的基礎上建立的，所以發動機和傳動裝置等參數與原型車幾乎沒有變化.除此之外，轉矩分離控制策略在沒有電機工作時，輕度混合動力商用車和傳統商用車發動機控制策略以及整車工作模式大致相同.所以為了驗證上述建模的真實可靠性，關閉輕度混合動力商用車中的電氣化部分，使其動力來源只有發動機，電池和電機都不參與工作，此時模型變為傳統商用車模型.將更改后的模型進行仿真，同時把傳統商用車模型與原型商用車在某路段實測數據進行對比，仿真結果對比見圖7.

圖7 原型商用車與傳統商用車模型相關性能對比

原型車和仿真模型的平均車速、發動機平均轉速和發動機所做的功對比見表6.

表6 仿真結果與實際數據值對比

由表6可知，傳統商用車模型的仿真結果與原型車相差不大，誤差均在5%范圍以內.由于仿真模型很難做到與實際情況完全一致，汽車在實際情況中行駛比仿真道路工況要復雜得多，比如駕駛員的駕駛習慣、天氣原因以及行駛過程中應急情況等，這樣都會對汽車的行駛造成影響.綜上分析，本文所建立的模型是合理的.

3.2 混合動力商用車動力性分析

根據汽車加速性能對傳統商用車和混合動力商用車的加速性能進行比較，見圖8.由圖8可知，混合動力汽車的加速性能比傳統商用車更好.圖9為在混合動力商用車以最大加速度達到100 km/h時，發動機輸出功率、電動機輸出功率和駕駛員需求功率的變化歷程.由圖9可知，前45 s內，圖像波動比較頻繁，這是因為混合動力商用車在加速時，AMT會進行換擋操作，在換檔過程中，發動機和電動機的輸出功率會有明顯的波動.駕駛員的需求功率是發動機輸出功率和電動機輸出功率之和，所以紅線位于綠線上方.圖10為本段加速路況中，電池SOC的變化曲線與電機輸出功率的變化歷程.由圖10可知，電池SOC一直處于下降狀態，電機功率變化曲線一直位于x軸上方，說明汽車在加速過程中，電機一直在給汽車提供驅動力.

綜上所述，混合動力商用車在加速時，電機會配合發動機一起給汽車提供驅動力，與傳統商用車相比，混合動力商用車的動力性能更好，最大加速度提高3%.由于本文采用的BSG電機只在汽車起步或者加速時提供驅動力，所以輕度混合動力商用車和傳統商用車的最高車速幾乎相等.

圖8 混合動力商用車與傳統商用車加速性能比較

圖9 發動機輸出功率、電動機輸出功率和駕駛員需求功率的變化歷程

圖10 電池SOC與電機輸出功率的變化歷程

3.3 混合動力商用車燃油經濟性分析

整段路況中混合動力商用車行駛速度與時間的變化關系見圖11.

圖11 混合動力商用車在整段路況中的行駛速度曲線

發動機的功率、電機的工作功率和駕駛員的需求功率隨時間的變化見圖12.汽車在加速時，駕駛員的需求功率大于零，發動機和電機都提供輸出功率驅動汽車加速行駛；汽車在減速行駛時，駕駛員的需求功率為零，混合動力商用車利用慣性帶動電動機轉子旋轉而產生反轉力矩，將一部分的動能或勢能轉化為電能并加以儲存，剩余的能量利用發動機制動和剎車制動消耗.

圖12 發動機功率、電機功率與駕駛員的需求功率對比

電池功率和電機功率對比見圖13，當汽車加速時，電池釋放電能供電機使用，因為能量傳遞過程中會有部分能量損失，所以電池的放電功率大于電機功率；當汽車在減速時，電機回收能量儲存在電池中，由于傳遞效率和能量損失的影響，電機回收的能量大于充入電池的能量.電池電量的變化見圖14.

圖13 電池充電功率 與電機功率對比 圖14 電池SOC變化曲線

圖15為整段路況和局部路況中混合動力商用車發動機轉矩與傳統商用車發動機轉矩對比圖，由圖15可知，傳統商用車發動機提供的轉矩高于混合動力商用車.

圖15 發動機轉矩隨時間的變化

圖16為整段路況和局部路況中混合動力商用車發動機的燃油消耗率與傳統商用車發動機的燃油消耗率的對比圖，由圖16可知，傳統商用車的油耗高于混合動力商用車.

圖16 發動機耗油率隨時間的關系

在整段路程中輕度混合動力商用車和傳統商用車的能量對比見表7.表8為電機能量回收時間和加速助力時間表.

表7 混合動力商用車與傳統商用車能量對比表

表8 混合動力商用車電機工作時間表

由表7可知，以某道路作為循環工況，輕度混合動力商用車與傳統商用車相比，電機回收能量時間燃油消耗量節約了1.66%，發動機平均效率提高了0.97%，發動機總輸出能量降低了1.1%，輕度混合動力商用車經濟性提高的原因主要在于電機在汽車減速或者制動時能夠實現能量的回收利用，這樣就降低了剎車時以熱能散失的能量，能量回收率達到13.96%.電機回收的能量為51 336 kJ，實際用于加速助力的能量為34 869 kJ，其中有16 467 kJ能量用于給車載電器化設備功能，另外11 281 kJ能量為能量傳遞過程中，電池內阻以及其他機械附件流失的能量.

由表8可知，電機在整段行駛路況中，有57.5%的時間處于工作狀態，其中有27.6%的時間作為發電機實現能量的回收利用，將回收的能量給電池充電，有30%的時間作為電動機，將回收的能量轉化成動能供商用車加速時使用.

3.4 發動機排放特性分析

混合動力商用車和傳統商用車在某路段的比排放見圖17.經過計算得出，傳統商用車NOx比排放是3.44 g/(kW·h),48 V輕度混合動力商用車NOx的比排放是3.39 g/(kW·h)，排放降低了1.5%.

圖17 發動機排放特性

4 結 論

1) 對福田某型混合動力商用車進行的仿真分析表明48 V動力系統具有較好的動力性和經濟性.

2) 基于襄陽到十堰往返道路工況，記錄商用車實際油耗及行駛狀況，將仿真模型與實際數據相比較，很好的驗證了模型的準確性.

3) 實驗和仿真結果對比分析表明了輕度混合動力系統在汽車行業有很好的實用性，48 V是未來新能源汽車發展方向之一.