太陽能主流乘用車動(dòng)力總成建模及仿真

郝成 陳賽 張怡 宋文超

摘 ?要： 文中提出一款以太陽能為主要能源的新能源主流乘用車，以單軸并聯(lián)混合動(dòng)力汽車底盤為基礎(chǔ)，采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)為汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，搭載薄膜太陽能電池板和蓄電池為能源系統(tǒng)。基于ADVISOR 2002仿真軟件，搭建單軸并聯(lián)混合動(dòng)力汽車模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)參數(shù)進(jìn)行選擇，并采用電機(jī)輔助控制策略。仿真結(jié)果表明，整車的動(dòng)力性能達(dá)到傳動(dòng)主流乘用車的標(biāo)準(zhǔn)。在城市短途工況下，太陽能主流乘用車具有低使用成本、零排放的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 太陽能; 新能源; 單軸并聯(lián)混合動(dòng)力; ADVISOR 2002; 動(dòng)力性能; 控制策略; 零排放

中圖分類號(hào)： TN99?34; U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）09?0068?04

Modeling and simulation of power assembly for solar energy mainstream passenger vehicle

HAO Cheng， CHEN Sai， ZHANG Yi， SONG Wenchao

（College of Electrical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China）

Abstract： A new energy mainstream passenger vehicle taking solar energy as the main energy source is proposed. On the basis of single?axial parallel hybrid power vehicle chassis， the integrated fuel engine and electricmotor/generator are taken as the power system of the vehicle， and the thin film solar panel and storage battery are equipped as energy system. On the basis of ADVISOR 2002 simulation software， the single?axis parallel hybrid power vehicle model was built， and the motor?assisted control strategy was adopted to select engine and motor parameters. The simulation results show that the dynamic performance of the vehicle reaches the standard of the transmission mainstream passenger vehicle. Under the short?term conditions in the city， the solar energy mainstream passenger vehicle has the advantages of low use cost and zero emission.

Keywords： solar energy; new energy resource; single?axis parallel hybrid power; ADVISOR 2002; power performance; control strategy; zero emission

汽車行業(yè)飛速發(fā)展的后果是使生活環(huán)境受到污染[1]。純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)依靠內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車不同，可以實(shí)現(xiàn)零排放和零污染，進(jìn)一步緩解污染問題[2]。太陽能可以作為純電動(dòng)汽車的新來源，具有來源充足且是可再生資源的優(yōu)勢[3]。然而，太陽能的不穩(wěn)定性、分散性等問題[4]阻礙了太陽能成為純電動(dòng)汽車的持續(xù)來源。因此，結(jié)合太陽能純電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一款太陽能主流乘用車。太陽能主流乘用車是一款混合動(dòng)力汽車，以太陽能作為主要能源，具有目前主流乘用車的基本性能指標(biāo)。

1 ?太陽能主流乘用車結(jié)構(gòu)

太陽能主流乘用車采用單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用前置前驅(qū)的布置方式，整車由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)控制電路、蓄電池組、太陽能控制裝置、太陽能薄膜電池等構(gòu)成。整車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?動(dòng)力總成與能源方面

2.1 ?動(dòng)力源總功率

太陽能主流乘用車的動(dòng)力源總功率是由加速性能、最高車速、最大爬坡性能在內(nèi)的動(dòng)力性能因素決定的。

1） 根據(jù)最高車速[vmax]確定最大功率[Pmax1]：

式中：[vmax]為最高車速，單位為m/s;[ηt]為整車動(dòng)力傳動(dòng)效率;[M]為整車質(zhì)量，單位為kg;[g]為重力加速度，單位為m/s2;[f]為滾動(dòng)阻力系數(shù);[CD]為空氣阻力系數(shù);[A]為迎風(fēng)面積，單位為m2。

圖1 ?太陽能主流乘用車整車結(jié)構(gòu)方案

2） 根據(jù)爬坡性能確定的最大功率[Pmax2]：

3） 由加速性能確定最大功率[Pmax3]：

2.2 ?電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

在電量充足的情況下，太陽能主流乘用車速度在60 km/h以下為純電動(dòng)模式，即電機(jī)單獨(dú)運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算整車需要電機(jī)提供5.84 kW的驅(qū)動(dòng)功率。因此，電機(jī)額定功率選定為6 kW，峰值功率選定為12 kW。

發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分情況下不需要低速運(yùn)行，只需要定速巡航，所以選擇小功率發(fā)動(dòng)機(jī)。太陽能主流乘用車在高速公路上長距離行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率選定為41 kW。

2.3 ?蓄電池參數(shù)選擇

衡量儲(chǔ)能器件的指標(biāo)有比能量、能量密度、比功率、功率密度、循環(huán)壽命、快速充電性能、充放電時(shí)間[5]。太陽能主流乘用車搭載鎳氫蓄電池，其具有高比能量和比功率、平坦的放電曲線和快速再充電能力的優(yōu)勢[6]。為了保證整車純電動(dòng)模式下的續(xù)航能力，整車的能源系統(tǒng)為由25個(gè)25 A·h鎳氫蓄電池組成的鎳氫蓄電池組，總儲(chǔ)能能量可達(dá)7.5 kW·h。

2.4 ?太陽能電池板

太陽能是一種可再生的清潔能源，同時(shí)我國的太陽能資源十分豐富[7]。整車可配備約4 m2的薄膜太陽能電池板，為整車提供續(xù)航能力。根據(jù)我國太陽能輻射數(shù)據(jù)，6月份日均太陽能總輻射達(dá)到5.27 kW·h/m2，目前，我國光伏電池的轉(zhuǎn)換效率約為20%。

經(jīng)理論計(jì)算，整車太陽能電池板在6月份日均發(fā)電量約為4.2 kW·h，并且太陽能電池板日均發(fā)電量占整車蓄電池組容量的56%。

3 ?ADVISOR仿真與分析

3.1 ?建立仿真模型與控制策略

ADVISOR是由美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級(jí)車輛仿真軟件[8]。太陽能主流乘用車是以單軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為動(dòng)力模型，通過ADVISOR 2002軟件建立單軸并聯(lián)混合汽車模型。

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的主要驅(qū)動(dòng)源，電機(jī)用作輔助驅(qū)動(dòng)源。通過設(shè)定車速、蓄電池組的電荷狀態(tài)，決定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在ADVISOR 2002軟件中對(duì)整車控制策略設(shè)計(jì)進(jìn)行如下說明：

1） 當(dāng)汽車行駛速度小于等于60 km/h，且SOC（蓄電池電荷）大于0.3時(shí)，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車。

2） 當(dāng)汽車行駛速度大于60 km/h，且SOC大于0.3時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)汽車。

3） 當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供最大轉(zhuǎn)矩低于汽車需要轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩。

4） 當(dāng)汽車制動(dòng)情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為蓄電池充電。

5） 當(dāng)SOC小于等于0.3時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為蓄電池充電。

3.2 ?整車動(dòng)力性能仿真

本文的研究對(duì)象是一款太陽能主流乘用車，該車的主要參數(shù)如表1所示。

表1 ?太陽能主流乘用車主要參數(shù)

目前檢測和評(píng)定汽車動(dòng)力性能的循環(huán)工況主要有ECE?EUDC，CYC?ECE等。為測試整車從純電動(dòng)模式切換混動(dòng)模式的動(dòng)力性能，采用ECE?EUDC循環(huán)工況。該循環(huán)工況下的特征數(shù)據(jù)如下[9]：循環(huán)時(shí)間為1 225 s、行駛里程為10.93 km、最大速度為120 km/h、平均速度為32.1 km/h。整車的仿真變化曲線圖如圖2所示。其中：cyc_kph_r表示行駛要求速度;kpha表示當(dāng)前行駛速度;ess_soc_hist表示電池容量;hc，co/10，nox，pm表示汽車尾氣排放物。整車動(dòng)力性能仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 ?循環(huán)工況、蓄電池組容量及尾氣排放量圖

表2 ?整車動(dòng)力性能仿真結(jié)果

根據(jù)我國交通法規(guī)，高速限速一般為110～120 km/h;一級(jí)公路，如國道、省道等限速為80 km/h;城市郊區(qū)道路限速為70～80 km/h;城市道路限速40～60 km/h。城市中大部分路口都設(shè)有交通信號(hào)燈，汽車需要頻繁地起步和制動(dòng)，因此CYC?ECE循環(huán)工況符合城市道路情況，為測試整車純電動(dòng)模式下的性能，采用CYC?ECE特環(huán)工況。該循環(huán)工況特征數(shù)據(jù)如下：行駛里程0.99 km、最大速度為50 km/h。該循環(huán)工況行駛速度較低，太陽能主流乘用車采用純電動(dòng)模式。設(shè)置整車在CYC?ECE循環(huán)工況下循環(huán)3次，整車的仿真變化曲線圖如圖3所示。

太陽能主流乘用車在CYC?ECE工況下行駛3圈，總共行駛里程為3 km，消耗SOC約為0.06。理論上計(jì)算，太陽能電池板日均發(fā)電量能提供整車在純電動(dòng)模式下行駛28 km。根據(jù)文獻(xiàn)[10]數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國消費(fèi)者日均出行距離小于20 km占54.75%，20～50 km占31.26%。因此，太陽能主流乘用車的純電動(dòng)續(xù)航能力能滿足絕大多數(shù)消費(fèi)者的日均出行距離。

太陽能主流乘用車不管是混動(dòng)模式還是純電動(dòng)模式下都能完整地按設(shè)定循環(huán)工況行駛，在動(dòng)能性能方面發(fā)揮出色。為了評(píng)定該車能否達(dá)到主流乘用車動(dòng)力性能效果，對(duì)某型傳統(tǒng)主流乘用車和某型混合動(dòng)力汽車在CYC?ECE循環(huán)工況進(jìn)行仿真，三款車型動(dòng)力性能比較如表3所示。

圖3 ?循環(huán)工況及蓄電池組容量圖

表3 ?動(dòng)力性能比較

結(jié)合三款車型比較，在城市路況下，太陽能主流乘用車可采用純電動(dòng)模式，不消耗能源，無污染，且具有很低的行車成本，但在加速性和最大速度方面略低于傳統(tǒng)主流乘用車和混合動(dòng)力汽車。綜合全部動(dòng)力性能，太陽能主流乘用車能夠達(dá)到目前主流乘用車的動(dòng)力性能標(biāo)準(zhǔn)。

4 ?結(jié) ?語

本文提出一款太陽能主流乘用車，以單軸并聯(lián)混合動(dòng)力為底盤，搭載太陽能電池板。提出一種在城市工況下行駛的控制策略，即該車在低速下采用純電動(dòng)模式?；贏DVISOR 2002軟件建立整車模型，并對(duì)整車在ECE?EUDC和CYC?ECE循環(huán)工況下分別進(jìn)行動(dòng)力性能仿真。分析表明，太陽能主流乘用車能夠達(dá)到目前主流乘用車的動(dòng)力性能標(biāo)準(zhǔn)，且具有較低的使用成本。

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