混联式混合动力客车动力系统经济性台架试验仿真研究

刘振峰 顾力强 方 华

上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室

引言

目前国内已经出台了混合动力汽车整车相关技术标准,关于混合动力系统台架试验测试标准尚处于研究探索阶段,国外也未曾公开相关技术标准,但美国SAE从2009年就开始着手开发混合动力和纯电动驱动系统相关的台架试验标准如SAEJ2907和J2908。国内外混合动力标准体系均处于缺乏统一合理的混合动力系统台架试验标准,而燃油经济性能作为混合动力客车重要性能之一,很大程度上决定其商业化应用价值,所以开展混合动力系统经济性台架试验技术相关研究是很有必要的。

1 上海市典型台架试验循环工况开发

目前国外针对发动机的台架试验循环主要有重型柴油机FTP瞬态台架试验循环如图1、CSVL(Constant-Speed,Varlable-Load)瞬态试验循环、CTA(ChicagoTransitAuthority)测试循环、典型CTA(Chicago Transit Authority)发动机台架试验循环如图2,而国内重型车发动机试验循环也都参照ECER49、ESC、ETC中的测试循环。

图1 FTP瞬态台架试验循环图Fig.1 FTP transient bench test cycle

图2 CTA动态台架循环工况Fig.2 CTA dynamic bench test cycle

我国大部分城市行驶工况与国外城市差别较大,其转化得到的台架试验循环不能真实反映发动机的工作状态。为了能真实反映上海申沃型混合动力客车动力系统的真实的工况特性,本文利用统计学中相关性理论和运动学片段构建方法建立了典型上海城市道路循环工况,并根据文中后续采用的SWB6116HEV型混联式混合动力系统选型方案将汽车行驶循环转化成混合动力系统台架试验循环,为混合动力系统经济性台架试验仿真建立基础。典型上海市区和郊区台架试验循环分别如图3-图7所示。

图4 典型上海市区台架试验循环扭矩图Fig.4 Torque of typical shanghai urban bench test cycle

图5 典型上海郊区台架试验循环转速图Fig.5 Speed of typical shanghai suburb bench test cycle

图6 典型上海郊区台架试验循环扭矩图Fig.6 Torque of typical shanghai suburb bench test cycle

2 混合动力系统虚拟台架仿真平台建模

2.1 SWB6116HEV型混合动力系统方案选型

申沃SWB6116HEV型混合动力客车采用的是一种基于机械式手动变速箱结构的ISG型混联式混合动客车动力系统.该系统采用取消I挡的五档手动变速箱。该车型的动力传动系统主要包括ISDe210型六缸柴油机、ISG电机、离合器、五挡手动变速箱(取消 1挡)、TM(驱动电机)、电机控制器、动力电池、扭矩耦合机构等。SWB6116HEV型混合动力客车动力系统结构示意图见图7和三维结构图如图8。针对SWB6116HEV混合动力系统的特点,本文选用的动力系统选型方案主要部件参数具体如表1。

图7 SWB6116型混合动力客车动力系统结构示意图Fig.7 Scheme of the SWB6116 hybrid electric bus powertrain

2.2 混合动力系统虚拟台架仿真平台建模

由于目前建立混合动力系统物理试验台架(如图9)还存在各种问题包括信号同步性、多动力协同控制、测功机响应等问题,先采用建立虚拟台架的仿真方法对该台架试验进行模拟研究,为上述问题的解决提供参考。

图8 SWB6116HEV型混合动力客车动力系统三维结构图Fig.8 3-D profile of SWB6116HEV hybrid powertrain

表1 SWB6116HEV动力系统参数Table 1 Specifications for powertrain of the SWB6116HEV

其中,基于理论模型建模方法采用大量微分方程和滑模控制方法等控制方法建模难度大,仿真缓慢且仅适于单个模型的瞬态分析,针对复杂混联式混合动力系统的特点,文中的发动机、ISG电机、驱动电机主要采用基于试验MAP数据的准稳态模型,电池模型采用美国爱达荷国家实验室设计的Rint模型,最后建立完整的混合动力系统虚拟台架仿真平台如图10.

3 混合动力系统经济性台架试验模拟仿真

3.1 混合动力系统经济性台架试验仿真

根据上述上海市区和郊区典型台架试验循环分别进行了混合动力系统经济性台架试验模拟仿真。转速和扭矩作为反映动态台架试验过程的最重要的两个参数,图11和图11说明了上海市区典型台架试验过程中测功机转速和扭矩跟踪目标值的情况。

从上海市区典型台架试验循环的仿真计算结果图13,图16可知,SOC从初始的52.4到最终SOC为45.5,整个工况循环中发动机的运行工况点主要集中在最优工作曲线附近,扭矩波动比较小,车辆大部分动态响应由驱动电机承担。混合动力系统百公里油耗约36.45 L/100 km

由于篇幅有限,不在列出上海郊区台架试验循环下的计算结果。

3.2 仿真与道路试验结果对比

最后针对上海市区和郊区典型城市循环工况进行了道路试验并与上述仿真结果对比如表2所示,对比结果显示该虚拟台架的仿真误差不超过10%.

表2 仿真结果和道路试验数据Table 2 Simulation and road test data

图9 混合动力系统实物台架示意图Fig.9 Configuration of HEV powertrain test bench sytem

图10 混合动力系统经济性虚拟台架仿真平台Fig.10 Virtual test bench for hybrid powertrain

图11 典型上海市区虚拟台架仿真转速与目标转速比较Fig.11 Simulation speed and expected speed under shanghai bench urban test cycle

图12 典型上海市区虚拟台架仿真扭矩与目标扭矩比较Fig.12 Simulation torque and expected torque under shanghai bench urban test cycle

图13 典型上海市区虚拟台架仿真中SOC变化情况Fig.13 SOC under shanghai bench urban test cycle

图14 发动机工作点分布Fig.14 Engine running points distributing

图15 驱动电机工况点分布Fig.15 Traction motor running points distributing

图16 混合动力系统扭矩分配Fig.16 Torque assignment of Engine,SG,TM

其中Velectric_fuel为电能消耗量等效的燃油消耗量(L);Vdiesel为混合动力系统发动机的燃料消耗量(L)：Vhybrid为混合动力系统总体等效的燃料消耗量(L)。

4 结论

1)针对上海道路循环工况特点,开发了混合动力客车动力系统典型台架试验循环。

2)基于SWB6116ISG型混联式混合动客车动力系统方案建立了该混合动力系统虚拟台架,并依据典型台架试验循环进行了经济性能台架试验仿真,仿真结果显示该模型仿真误差不超过10%,既验证了循环工况也验证了该虚拟台架仿真模型可有效评价其经济性能。

3)仿真模型还不能完全真实模拟混合动力系统模式动态切换过程中的惯性冲击,信号滞后等过程,依然存在一些问题需要进一步研究。

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