基于ADVISOR的混合動力汽車性能仿真研究

張良，宋秦中，劉旭，朱學超

基于ADVISOR的混合動力汽車性能仿真研究

張良，宋秦中，劉旭，朱學超

（蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

節(jié)能和環(huán)保是當今世界的兩大主題，仿真分析可以在制作實車前節(jié)約大量的實驗成本。為改善混合動力汽車的性能，在ADVISOR中建立整車仿真模型及蓄電池仿真模型，對發(fā)動機和電動機進行參數(shù)匹配及選型，對混合動力汽車的最高車速、百公里加速時間、蓄電池系統(tǒng)的SOC變化情況等性能進行仿真分析，結果顯示，改良后的混合動力汽車性能能夠達到要求，車輛的動力性以及燃油經(jīng)濟性都有所提高。

節(jié)能環(huán)保；仿真分析；ADVISOR；混合動力汽車

隨著汽車產業(yè)的飛速發(fā)展，能源危機和環(huán)境保護兩大問題也越發(fā)突出。20世紀末至今，石油不足、環(huán)境惡劣等全球性難題始終無法改善。在環(huán)境問題逐漸嚴重的情況下，各國政府機關都制定了更為嚴格的汽車尾氣排放標準。開發(fā)能夠節(jié)能減排的新型汽車已經(jīng)成為各國汽車公司的首要任務?！爸袊圃?025”已經(jīng)將新能源汽車的研究開發(fā)作為一項國家戰(zhàn)略。

混合動力電動汽車（HEV）是傳統(tǒng)內燃機和電動汽車的完美結合。HEV包含了傳統(tǒng)內燃機汽車與純電動汽車兩種汽車的優(yōu)勢：既具備傳統(tǒng)內燃機汽車續(xù)航里程長的優(yōu)點，又具有純電動汽車節(jié)能環(huán)保的特性。該類型汽車的出現(xiàn)，在一定程度上能夠改善能源、環(huán)境等問題不斷惡化的現(xiàn)狀。

1 汽車模型建立

1.1 整車模型建立

一般來說，根據(jù)汽車動力源布置的位置，混合動力汽車可以分為串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。其中，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結構最為簡單，但是傳動效率較低，部分情況下，發(fā)動機無法直接驅動車輪，要經(jīng)過發(fā)電機和電動機的兩次損耗。此外，還需要一個較小功率的發(fā)電機，成本較高；混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結構過于復雜，成本高，混聯(lián)式混合動力汽車在長距離高速行駛過程中，基本上是不能省油的；并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車較為接近，并聯(lián)構型只需要一個電機，而且電機不需要給車輛提供全部的驅動力，電機的功率可以比較小，可大大降低成本。同時，因為電機和內燃機可以共同驅動車輛，所以極限動力輸出更高。綜上所述，本文以并聯(lián)式混合動力汽車為研究對象，改變其車輛性能參數(shù)，以求達到改善汽車動力的目的。

1.2 電池組模型建立

電池組是混合動力汽車的關鍵部位，電池組的質量直接影響汽車的動力性，對于能源的節(jié)約與環(huán)境的保護也起到了關鍵的作用。蓄電池的內阻模型依照動力總線所需功率計算SOC值和有效功率輸出值，車輛行駛過程中損耗的部分功率按照“庫侖效率”定律和內阻損耗進行評定，從而構建全部模型。蓄電池仿真模型包含受限功率模塊、內阻模塊、核算電壓模塊、SOC模塊、內部電流荷載模塊以及散熱模塊等多個核算模塊。

1.3 控制策略的制訂

混合動力汽車的控制策略決定了汽車的工作狀態(tài)，作為電動機動力控制的主要因素，蓄電池SOC值的控制范圍十分重要。汽車在行駛過程中，應當將SOC值保持在比較平穩(wěn)的范圍內。電池組的峰值放電功率必須比電動機所需的最大功率要高；當SOC值降低，發(fā)動機開始為電池充電時，電池組的峰值必須滿足汽車的充電功率需求。蓄電池最為理想的SOC值上下限在0.6～0.85之間。當SOC值接近下限時，汽車改為純電動模式。

2 動力總成參數(shù)匹配

動力總成參數(shù)匹配原則是發(fā)動機功率需要滿足汽車在平坦路面上以最高車速行駛的要求。至于行駛過程中，當汽車需要加速或爬坡時，其峰值功率由電動機補充。在此基礎上，盡可能地減少電池容量，降低燃油消耗。

2.1 發(fā)動機參數(shù)匹配

混合動力汽車的發(fā)動機要求有一定的驅動功率，有足夠的動力性能和機動性能，能夠滿足混合動力汽車的基本動力性能要求，并且能夠與驅動電動機一起提供混合動力汽車所需的最大功率，使混合動力汽車達到或接近燃油汽車的動力性能水平。發(fā)動機的最大輸出功率取值要依據(jù)車輛勻速行駛時的功率要求，滿足公式：

混合動力汽車的整車基本參數(shù)為：傳動效率t為0.8，汽車質量為1 400 kg，滾動阻力系數(shù)為0.02，風阻系數(shù)d為0.34，迎風面積為2.5 m2，最高車速為120 km/h。將整車基本參數(shù)代入公式計算，通過計算得出發(fā)動機輸出功率為36 kW；發(fā)動機功率余量為發(fā)動機輸出功率的12%，取值為4.3 kW；汽車各附屬設備需要消耗功率約為4 kW，得正常工況下汽車的總功率為44.3 kW，為保證車輛在使用發(fā)動機驅動汽車時整車的動力性能，應選取功率大于44.3 kW的發(fā)動機?？紤]以上因素，選擇最大功率63 kW，排量1.0 L的發(fā)動機最為合適。

2.2 電動機參數(shù)匹配

電動機是混合動力汽車的關鍵輔助動力，電動機的轉速和功率等，是在匹配和選型時需要考慮的主要參數(shù)。根據(jù)混合動力汽車電動機的實際情況，選擇擴大恒功率系數(shù)為4～6，最高轉速為5 000 r/min的電動機最為合適，計算公式為：

根據(jù)上述公式，將數(shù)值代入公式，計算出電動機額定功率35.5 kW，加上汽車的最大爬坡度20%，求出電動機功率為42.6 kW，所選電動機的最大功率需要大于所求出的實際功率，因此，最終選擇最大功率為59 kW的電動機，在ADVISOR中，選擇電動機型號為MC_AC59。

2.3 電池組參數(shù)匹配

在汽車運行期間，電池組需要反復地充電和放電，因此對于混合動力汽車而言，有關電池的配置會考慮輸入和輸出功率需求、安全性以及電池壽命等主要問題。此外，還要考慮實際應用過程中的成本以及維修問題。綜合以上因素，閥控鉛酸電池是一個比較合適的選擇。

選定電池類型之后，電池組的大小也需要綜合考量。如果電池組的容量太小，會影響汽車行駛距離，行駛途中充電十分不方便；如果電池容量太大，汽車的體積和質量必然會相應的增大，汽車的動力性和經(jīng)濟性都會降低。綜上所述，初定選取PB25鉛酸電池最為合適。

3 仿真結果與分析

ADVISOR軟件總共提供了50多種國外標準的道路循環(huán)供仿真測試使用，美國城市道路循環(huán)工況UDDS如圖1所示：選取UDDS道路循環(huán)，用于仿真測試所設計混合動力汽車的最高車速、平均車速、百公里加速時間、百公里油耗及最大爬坡度等車輛性能。

圖1 UDDS道路循環(huán)

將車輛參數(shù)數(shù)據(jù)輸入模型，經(jīng)ADVISOR仿真分析，得到蓄電池系統(tǒng)的SOC值變化。蓄電池系統(tǒng)的SOC值變化如圖2所示：蓄電池系統(tǒng)的SOC值隨著行駛時間而降低。在前600 s中，蓄電池系統(tǒng)的SOC值下降明顯，之后趨于平緩。從汽車開始行駛到實驗結束的1 800 s時間中，電池SOC值始終維持在0.6～0.8之間，符合實驗要求。

圖2 蓄電池系統(tǒng)的SOC值變化

混合動力汽車的仿真性能指標如表1所示：通過仿真可知，車輛的最遠行駛距離為11.99 km，最高行駛速度為 91.25 km/h，平均車速為31.51 km/h，平均加速度為0.5 km/s2，百公里加速時間為11.62 s，百公里油耗為5.1 L/km，最大爬坡度為19.8%。上述參數(shù)與預想的車輛性能基本相符，該混合動力汽車各關鍵部件的參數(shù)選擇基本合理。

表1 混合動力汽車的仿真性能指標

項目仿真結果 最遠行駛距離/km11.99 最高車速/（km/h）91.25 平均車速/（km/h）31.51 平均加速度/（km/s2）0.5 百公里加速時間/s11.62 百公里油耗/（L/km）5.1 最大爬坡度/（%）19.8

4 總結

在基于ADVISOR的混合動力汽車性能仿真研究中，建立了并聯(lián)式混合動力汽車的整車模型，建立了混合動力汽車的蓄電池仿真模型，匹配了發(fā)動機和電動機的相關參數(shù)，并選擇了相應的發(fā)動機和電動機型號，對混合動力汽車的最高車速、百公里加速時間、蓄電池系統(tǒng)的SOC變化情況等車輛性能進行了仿真分析，分析結果顯示，該并聯(lián)式混合動力汽車的相關性能均能夠達到標準，而且車輛的動力性以及燃油經(jīng)濟性都有所提高。

ADVISOR軟件在混合動力汽車項目開發(fā)階段能夠起到十分重要的作用，可以提前模擬出車輛的各項動力性能量消耗等。在項目的開發(fā)初期階段可以很好地評估整車技術方案的可行性，減少投資，縮短開發(fā)周期。

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U467

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.062

2095－6835（2020）02－0149－02

張良（1988—），男，江蘇蘇州人，碩士研究生，實驗師，研究方向為機械工程、車輛智能控制。

〔編輯：張思楠〕