基于Cruise的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

李明澤

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

近年來，我國汽車保有量不斷增加，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，方便大眾生活的同時(shí)也造成了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。為此，國家在油耗及排放方面的要求愈加嚴(yán)格，混合動(dòng)力汽車兼具傳統(tǒng)燃油車和電動(dòng)汽車的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，逐漸成為各大汽車公司重點(diǎn)研究的技術(shù)方案[1]。因此，本文以某款混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，對(duì)混動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行選型與參數(shù)匹配，分析不同傳動(dòng)系對(duì)車輛性能的影響，并使用Cruise軟件進(jìn)行建模及仿真分析。

1 整車仿真模型的建立

本文研究思路如下：首先根據(jù)該型號(hào)混合動(dòng)力汽車的參數(shù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)求解發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電池相關(guān)參數(shù)；車輛傳動(dòng)系統(tǒng)使用兩種方案：電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）與機(jī)械式無級(jí)變速器（Continuous Variable Transmission, CVT）。CVT相比于傳統(tǒng)離散擋位變速器，可提供近似線性的動(dòng)力輸出，給動(dòng)力源參數(shù)匹配帶來了更多靈活性，且有助于提高提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率。研究對(duì)象車輛參數(shù)如表1所示。

表1 車輛參數(shù)

本文研究的混動(dòng)車輛整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)如表2所示。

表2 整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

2 主要部件參數(shù)匹配

動(dòng)力系統(tǒng)部件選擇需根據(jù)設(shè)計(jì)性能，結(jié)合傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定混合動(dòng)力系統(tǒng)各部件的參數(shù)，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和動(dòng)力電池的選擇[2-4]。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型及參數(shù)

選擇發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，使用車輛的最高行駛車速（Vmax）和最大爬坡度（αmax）兩項(xiàng)指標(biāo)分別求得滿足條件的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，并取兩值中較大值作為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際功率。

1）根據(jù)最高車速求得的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率：

式中，ηt為傳動(dòng)效率；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。具體數(shù)值已在表2中給出。

2）根據(jù)最大爬坡度求解功率值，如式（2）所示：

式中，αmax為最大爬坡度；uα為在此坡度勻速行駛時(shí)的車速，uα=20 km/h。解得Pemax1=62.4 kW，Pemax2=50.1 kW。

發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率取最高車速對(duì)應(yīng)功率和爬坡度對(duì)應(yīng)功率的最大值，即

得到Pemax=62.4 kW；發(fā)動(dòng)機(jī)附件等消耗功率按需求功率的 10%計(jì)算，初步可選發(fā)動(dòng)機(jī)功率為70 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為

式中，n為輸出功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，n=5 000 r/min。解得Temax=133 Nm。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)選型和參數(shù)匹配，本項(xiàng)目所選發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能參數(shù)如表3所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2.2 電機(jī)選型及參數(shù)

當(dāng)混動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)需求功率較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)為整車提供動(dòng)力，例如：汽車處于起步、爬坡或加速工況；同時(shí)，當(dāng)汽車處于低速等工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作在低效率區(qū)間造成能量轉(zhuǎn)化效率低下，排放性惡化，此時(shí)可由電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)供能從而改善整車能量效率。根據(jù)以上分析，在發(fā)動(dòng)機(jī)功率和整車需求功率已經(jīng)確定的情況下，參考混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩和功率要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)由式（5）—式（6）確定。

1）純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下，以電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的設(shè)計(jì)時(shí)速（Vmaxm=100 km/h）計(jì)算所需的額定功率：

解得Pm=16.54 kW。

2）混合驅(qū)動(dòng)模式下，以最高車速Vmax計(jì)算整車需求總功率，減去發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，即為車輛維持最高速度所需的電機(jī)功率：

式中，Vmax為混合驅(qū)動(dòng)最高車速；Pvmax為混合動(dòng)力模式下的總功率。解得Pvmax=62.4 kW。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)可提供的最大功率Pemax大于Pvmax，即僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)做功就可使車輛達(dá)到最高設(shè)計(jì)時(shí)速要求。

根據(jù)以上計(jì)算求得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配參數(shù)，匯總?cè)绫?所示。

表4 電機(jī)主要參數(shù)

2.3 動(dòng)力電池選型及參數(shù)

作為動(dòng)力系統(tǒng)的能量源和重要組成，動(dòng)力電池在高負(fù)荷工況下幫助提供車輛所需的部分功率，通過分析現(xiàn)有各類型電池的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選用鋰離子電池。由于混合動(dòng)力汽車布置難度較大，選用能量密度高的鋰離子電池，減小了電池體積，有效節(jié)省了車輛內(nèi)部布置空間[5]。本文接下來從車輛動(dòng)力需求、動(dòng)力電池容量兩個(gè)方面選擇動(dòng)力電池的參數(shù)。

上文已對(duì)混動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)以及純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下的需求功率做了分析，得到了電機(jī)的需求功率，電池功率可基于已求出的電池功率進(jìn)行計(jì)算：

式中，ηg為電機(jī)效率，取ηg=0.95；ηb為電池效率，取ηb= 0.95。

電池容量與本身的最大充放電容量有關(guān)，C為電池容量；WB為電池能量。計(jì)算公式為

式中，S為行駛距離，取50 km；Δsoc為行駛中電量變化值，取Δsoc=0.8；Ub為電池組的額定電壓。動(dòng)力電池匹配參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表5 動(dòng)力電池主要參數(shù)

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

本文研究的混動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)方案有兩種：AMT方案與 CVT方案。首先根據(jù)上文求出的發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)參數(shù)，計(jì)算傳動(dòng)系的傳動(dòng)比；其中，最小傳動(dòng)比使用最高車速進(jìn)行計(jì)算，最大傳動(dòng)比使用最大爬坡度進(jìn)行計(jì)算。

在得到傳動(dòng)系的最大及最小傳動(dòng)比后，對(duì)兩種傳動(dòng)方案的具體傳動(dòng)比進(jìn)行匹配。AMT方案下，選擇變速器擋位共5擋，每擋速比如表6所示。

表6 AMT各擋速比

CVT方案下，取主減速器傳動(dòng)比為5.5，CVT最小傳動(dòng)比為0.5，最大傳動(dòng)比為2.87。

4 整車性能仿真

本文利用Cruise 仿真軟件對(duì)所研究的混動(dòng)車輛進(jìn)行建模及仿真，驗(yàn)證車輛性能是否達(dá)標(biāo)，以及上文中動(dòng)力系統(tǒng)各部件選擇是否合理，并使用新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle,NEDC）循環(huán)測(cè)試兩種傳動(dòng)方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響。

4.1 模型建立

在 Cruise 軟件中建立車輛模型并創(chuàng)建測(cè)試任務(wù)，步驟如下：

1）導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、駕駛艙等相關(guān)模塊，并輸入相關(guān)參數(shù)，以發(fā)動(dòng)機(jī)部件為例，需輸入外特性曲線及發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖等數(shù)據(jù)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)模塊的創(chuàng)建。除上述模塊外，還需指定能量管理策略和兩種傳動(dòng)方案下的變速器控制策略。其中，CVT傳動(dòng)方案控制策略由負(fù)荷和車速控制期望傳動(dòng)比以及離合器的接合。AMT傳動(dòng)方案需加入GB Control和GB Program模塊來進(jìn)行換擋控制。其中，GB Program模塊根據(jù)負(fù)荷信息計(jì)算理想擋位，向GB Control模塊輸出升擋、降擋信息，GB Control模塊根據(jù)當(dāng)前車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速執(zhí)行擋位變換。能量管理策略在Simulink中構(gòu)建，封裝為MATLAB DLL的形式導(dǎo)入到Cruise軟件中。

2）設(shè)置各部件的機(jī)械連接和數(shù)據(jù)連接，并進(jìn)行測(cè)試，確保數(shù)據(jù)傳遞正確；使用 Cruise自帶的檢查功能確保模型構(gòu)建無錯(cuò)誤后，進(jìn)行下一步添加仿真任務(wù)。

3）在 Project中創(chuàng)建 Task Folder，對(duì)仿真方法和仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，隨后進(jìn)行動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性計(jì)算；本文計(jì)算任務(wù)總共分為三項(xiàng)：經(jīng)濟(jì)性任務(wù)使用NEDC循環(huán)工況進(jìn)行測(cè)試，仿真算法設(shè)置為VSS Implicit Euler，仿真步長設(shè)置為0.5；動(dòng)力性任務(wù)包括最高速度、加速測(cè)試以及爬坡度測(cè)試，仿真算法設(shè)置為Quasi-stationary S，仿真步長設(shè)置為0.1。

以CVT傳動(dòng)方案為例，本文搭建的仿真模型如圖1所示。

圖1 CVT混合動(dòng)力汽車仿真模型

4.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果分析

使用NEDC工況進(jìn)行測(cè)試，混動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下，AMT傳動(dòng)方案百公里油耗為 5.39 L/100 km；CVT傳動(dòng)方案百公里油耗為 5.12 L/100 km。可見，兩種傳動(dòng)方案油耗均滿足設(shè)計(jì)要求，CVT傳動(dòng)方案百公里油耗降低了5%。AMT與CVT傳動(dòng)方案下發(fā)動(dòng)機(jī)十四工況圖如表7所示。

表7 發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作點(diǎn)

表7列舉了AMT和CVT兩種傳動(dòng)方案下發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作點(diǎn)，包括轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間占比；對(duì)比可得，CVT傳動(dòng)方案下發(fā)動(dòng)機(jī)更多工作在高效率區(qū)間，故油耗更低，經(jīng)濟(jì)型更好。

CVT傳動(dòng)方案下NEDC工況下的車速及電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）變化如圖2所示。

圖2 NEDC工況下的車速及SOC變化

如圖2所示，本模型能量管理模式動(dòng)力電池充放電策略為CD-CS策略，即在SOC高于設(shè)定值時(shí)為放電模式，當(dāng)SOC降低至設(shè)定值以下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗一部分功率給電池充電，進(jìn)入電量保持模式。仿真初始SOC設(shè)定為80%，可見在低速工況下車輛主要由電機(jī)提供動(dòng)力，當(dāng) SOC下降到70%時(shí)進(jìn)入電量保持狀態(tài)，工況最后100 s時(shí)汽車車速較高，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)對(duì)電池充電，SOC值回升。

4.3 動(dòng)力性仿真結(jié)果分析

以CVT傳動(dòng)方案為研究對(duì)象，本文進(jìn)行的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性測(cè)試項(xiàng)目包括 0～100 km/h加速時(shí)間、最高車速、爬坡性能三項(xiàng)要求。最高車速、百公里加速時(shí)間以及車輛加速度如圖3所示。

如圖，最高車速為179.89 km/h，0～100 km/h加速時(shí)間為13.59 s。分別超過設(shè)計(jì)目標(biāo)（170 km/h和 16 s）。

車輛在車速為 20 km/h時(shí)的爬坡度為43%，超過設(shè)計(jì)目標(biāo)（30%）。

5 結(jié)論

1）本文首先確定研究對(duì)象的整車參數(shù)和設(shè)計(jì)性能目標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)了AMT和CVT兩種傳動(dòng)方案并進(jìn)行傳動(dòng)比匹配。在 Cruise 軟件中搭建車輛模型進(jìn)行動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性仿真。

2）動(dòng)力性仿真結(jié)果表明，最高車速 0～100 km/h加速時(shí)間、爬坡度均超過設(shè)計(jì)目標(biāo)，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇合理。經(jīng)濟(jì)性仿真對(duì)比了AMT傳動(dòng)方案以及CVT傳動(dòng)方案在NEDC工況下的百公里油耗，結(jié)果表明，CVT傳動(dòng)方案百公里油耗比AMT方案降低了5%，且發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率更高。