傳統汽車轉混合動力基準研究

白云生

摘 要：文章將采用傳統汽車為對象，搭建基于Artemis URM130循環工況，將其轉為并聯式混合動力汽車的基準研究。以提升車輛燃油經濟性為目標，傳統汽車與仿真混合動力汽車為對象，研究車輛在重新設計過程中并聯式混合動力系統工作的較優燃油經濟性算法。研究結果表明，在Artemis URM130循環工況中，并聯式混合動力汽車在低速且電池電量較高時，能有效提高燃油經濟性;在較高速段合理控制發動機工作策略將有效提升車輛續航能力。

關鍵詞：混合動力汽車 基準研究 循環工況 燃油經濟性

Benchmark Research on Converting Traditional Vehicles to Hybrid Power

Bai Yunsheng

Abstract：This article will use traditional cars as the object to build a benchmark study based on Artemis URM130 cycle conditions and turn it into a parallel hybrid electric vehicle. With the goal of improving vehicle fuel economy， traditional vehicles and simulated hybrid vehicles are the objects to study the optimal fuel economy algorithms for parallel hybrid power systems during vehicle redesign. The research results show that in Artemis URM130 cycle conditions， parallel hybrid electric vehicles can effectively improve fuel economy at low speeds and high battery power; reasonable control of engine working strategies at higher speeds will effectively improve vehicle endurance.

Key words： hybrid vehicle， benchmark research， drive cycle， fuel economy

1 引言

在環境污染及能源短缺雙重制約下，各種新能源或節能汽車相繼出現在汽車市場。伴隨各國推出汽車節能減排制度與相關政策，各大廠商也著手加大研發優化燃油經濟性與開發新能源的力度。混合動力汽車作為介于傳統汽車與純電動汽車之間的過渡車輛，由于其油電混合的特性在汽車市場也持有可觀占比。繼上世紀末日本后，多數廠商在對其已發售車輛為原型基礎上，進行結構改造為混合動力汽車的案例屢見不鮮，可見節能及新能源汽車的可觀發展未來。

并聯式混合動力汽車作為典型的電機與發動機可以分別且同時提供動力的車型，在汽車驅動性能上已大幅改善傳統汽車只能燃燒燃油的劣勢。作為混合動力汽車的典型代表，在保有基本燃油經濟性優勢的前提下，持續改善其環境污染及節能減排也始終是其作為混合動力車型的主要發展目標。現今對混合動力汽車的節能減排優化的主要技術包括：優化改造混動系統與持續提升控制策略。

優化改造混動系統可從原混合動力車輛上進行結構改造，或將現有傳統車輛模型作為基礎進行，這種方式需將重心放在車輛的動力仿真模擬及計算上;控制策略的持續提升著重在車輛模擬工況下進行更合理的能量管理，除了需要考慮機械系統性能以外同時需要結合混合動力系統中電機扭矩、能量的需求、電池SOC與SOH等因素綜合權衡，形成電機與發動機相輔相成的動力總成。

傳統汽車轉混合動力需要通過對車輛基準再開發及布置，結合循環工況對改裝后車輛性能進行計算對比。同時就循環工況中純電機驅動、純發動機驅動以及混合驅動多種工況結合車輛在具體時間內的控制策略來最大化提升車輛燃油經濟性。混合動力汽車在本文采用EXCEL搭建車輛基準模型，結合Artemis URM130循環工況進行車輛性能計算;CATIA進行混合動力系統改造布局，綜合研究傳統汽車轉混合動力汽車以提升燃油經濟性目的的模擬分析。

2 車輛基準研究

2.1 模擬平臺搭建

模擬采用2012款英版1.4L福特嘉年華作為原車模型進行基準研究。原車基準參數如表1所示：

為使模擬數據與原車實際數據更匹配，圍繞原車進行性能及Artemis URM130循環工況模擬平臺搭建主要從幾個數據進行仿真調整：性能模擬中換擋耗時以0.2秒為基準，換擋時間參考車輛加速度大于0且發動機轉速在6000rpm以下執行，性能模擬中模擬時間參數為0.1秒總共100秒，車輛運行質量按照車輛有效載荷最大指標進行模擬。

2.2 混合動力系統模擬

混動系統模擬將在原車基礎增加電機、電機控制器、逆變器、電池等電能部件及冷卻相關管路。系統總質量、空間布置等都將對車輛動力性及燃油經濟性造成影響，基于動力性能模擬及Artemis URM130循環工況模擬測試后混動系統相關部件選擇如表2所示：

值得注意的是，考慮到原車是兩廂車，為在混動系統改造上不過大影響車輛后備廂容量，電池將呈兩塊分別置于發動機艙與后部底盤，電池單體均采用3.2V棱柱形鋰離子袋狀電池進行組合。電機、電機控制器均置于發動機艙以減小車輛傳動損耗。性能模擬均采用原車相同基準，Artemis URM130循環工況中根據發動機轉速及能量進行純發動機模式、純電機模式以及混合動力模式轉換，電機工作與否根據循環工況中電池SOC值與車速。

混動汽車布置形式如圖1所示：

3 基準對比與分析

3.1 模擬結果對比

原車與混動汽車模型根據Artemis URM130循環工況及動力性能仿真，結果如表3所示：

Artemis URM130循環工況中發動機與電機轉速如圖2所示：

在模擬結果中，發動機基本處于工作狀態，在車輛速度低于52km/h時（以下簡稱工況一），發動機能量都將用于電池充電，若電池電量較高，此時發動機將處于怠速狀態，車輛速度高于52km/h時（以下簡稱工況二），發動機將開始工作，此時電機提供能量相對減小，當車輛速度高于100km/h時（以下簡稱工況三），車輛屬于高負荷狀態運行，不考慮電池SOC值前提下，電機與發動機均處于高功率運轉狀態。

3.2 模擬結果分析

原車與混動車輛在性能模擬中，由于行駛距離及時間短，不會出現混動車輛電池電量過低的情況。在Artemis URM130循環工況中，由于車輛運行時間長，電池容量小，在循環工況測試中后期，需要在發動機或電機消耗較小時或電池電量較低時保有較好燃油經濟經性的前提下制定電池充電策略，同時為防止電池出現過放狀態，當電池SOC低于10%時，車輛控制策略會將充電優先級提高，以防止此類情況發生。

在循環工況一中，最佳燃油消耗狀態是全程電機工作，如果行駛時間較長，發動機可發電對電池進行充電，這種控制策略能顯著降低混合動力車輛油耗。在工況二中，有兩種控制策略對混合動力車輛進行油耗管理：電池電量較高時，電機可作為輔助動力源根據發動機負荷決定是否加入動力系統提供能量，也可由電機驅動車輛，當電池電量較低或車輛所需速度超過電機能提供最大值時，發動機介入代替電機工作;電池電量較低時，除了正常制動能量回收以外，將會增加發動機功率，保證車輛速度的同時對電池進行充電。在工況三中，可有兩種控制策略進行油耗管理：電池SOC值較高時，電機可對發動機助力，讓發動機保有較低油耗同時不影響車速;電池SOC值較低時，增加發動機負荷進行行車充電模式。

本文研究原車與混動汽車性能對比為基礎，提升混動車輛燃油經濟性為目的，因此在上述各工況中，采取低速電機主要驅動，發動機主要充電，以及高速時電機輔助驅動，發動機行車充電的控制策略將最大化保有混合動力車輛的燃油經濟性。

4 結論

在Artemis URM130循環工況中，采用EXCEL搭建性能模擬平臺，可對傳統汽車轉混合動力汽車改造部件及混合動力系統工況進行對比，結合循環工況進行控制策略篩選達到提升燃油經濟性的目的。通過模擬結果表明，在Artemis URM130循環工況中，不考慮電池充電次數的前提下，低速段采用純電機驅動，中高速段采用電機輔助驅動，發動機進行充電的方式能使混合動力車輛保有更佳燃油經濟性。

重慶市自然科學基金項目資助（CSTC2019JCYJ

-BSHX0031）;重慶工業職業技術學院院級項目資助（GZY201904-YA）

參考文獻：

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