整车微混动力仿真计算

王军，张傲，雷蕾，王宏大，张超

（江淮汽车股份有限公司，安徽合肥230601）

整车微混动力仿真计算

王军，张傲，雷蕾，王宏大，张超

（江淮汽车股份有限公司，安徽合肥230601）

运用Cruise软件对一款微混动力车皮带驱动起动机／发电机系统进行了仿真分析，搭建混合动力模型，预测整车的节油特性和排放指标，为后期样车开发提供了参考。

混合动力；皮带驱动起动机／发电机系统；仿真计算

0 引言

微混动力BSG技术可以应用于多种车型，包括轿车、多功能车以及货车，它可以给用户提供很好的节油特性和满足法规要求的排放指标。此系统的益处还包括对不同发动机的适应性，以及发动机或传动系统的最小变更。

微混动力系统包括复杂的动力系统控制，带有精确的电动机／发电机，以及制动能量再生和有效充电等功能。在怠速发动机关闭条件下，NEDC热机循环CO2排放量减少6%。一个超级电容供给现有的12 V电池动力。

1 介绍

混合动力的燃油经济性优势是非常吸引人的，但是相比常规车辆的高系统成本是不能忽略的。大约节约4%～6%燃油经济性，是因为怠速时发动机关闭策略，即在通常怠速条件下关闭发动机。一旦驾驶员需要扭矩时，例如踩油门或者获得基于重新起动标准的混合控制单元的命令，发动机重新起动。

文中研究的混合动力系统安装在JAC的瑞风商务车上，主动力源采用2.4 L自然吸气发动机，辅助动力源采用法力奥的电动机／发电机取代原发动机的发电机设计。通过仿真分析评估它的设计可行性、燃油经济性和排放。

微混功能主要包括：

（1）怠速发动机关闭，快速起动；

（2） 优化的电池充电；

（3）制动能力再生利用。

1.1 系统结构

总体方案包括皮带驱动起动机／发电机系统、制动能量再生系统、控制系统等。皮带驱动起动机／发电机系统是由皮带驱动起动机／发电机系统 （BSG）来代替标准起动机、交流发电机和新型传动带等。一个发电机联合一个电机完成起动机功能并在发动机运转时提供电能。发电机和曲轴之间的实际连接是通过一个皮带驱动系统完成的。起动时，由超级电容器向起动／发电机提供电能，电机迅速起动，通过皮带起动发动机。在行车遇到交通红灯停车时，通过控制系统自动将发动机关闭。

超级电容器组、AC／DC、起动／发电机等重要零部件构成制动能量再生系统。由车辆制动减速，挂挡行车，倒拖发动机继续转动，通过皮带传动带动起动／发电机进行发电，向超级电容器充电，实现制动能量再生功能。

皮带驱动起动机／发电机系统如图1所示，替代原来的起动机和发电机。此系统针对起／停功能的性价比很高，微混的目的就是减少燃油消耗和CO2排放。

综合，系统提供3种不同的功能：

（1）起动机／发电机的可逆向功能，针对起／停功能和发电机功能应用；

（2）制动能量回收功能，除了酸性电池，通过超级电容将能量储存起来；

（3）辅助扭矩，通过储存在超级电容模块的动力，帮助发动机运行和停止保护。

1.2 主要电子元器件

参考图1，微混动力车电子系统主要由不同的电气元件组成：

（1）可逆向的起动机／发电机装置，提供电压和功率调节模式，它主要由一个功率转换器和一个电机组成；

（2）可逆向的DC／DC转换器，允许在超级电容和网络间的能量转换；

（3）超级电容模块允许在电机和网络 （充电－放电） 之间的能量交换；

（4）混合控制单元，作为BSG系统的主要控制模块；

（5）所有微混系统的模块通过CAN总线进行通信。

2 仿真分析

在技术方案选择阶段，进行系统选择时，采用计算机技术，对混合系统和各部件进行建模及仿真，通过对其性能和特性的分析，进行系统评估是必不可少的一个环节。通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真，从而找到最佳的方案。计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格和设计参数，从而方便了设计者的工作，而且还有助于为设计和制造样车制定工程目标和计划。在仿真技术的研究与软件开发中，应该遵循的目标是精确，即能够使不同结构的动力传动系统间的比较有意义。

文中通过仿真分析评估整车微混系统的节油潜力 （在标准运行工况）。采用AVL公司的整车分析软件Cruise中混合动力模块进行仿真计算，可以预测燃油经济性、排放和驾驶性能，图2所示为建立的微混动力的整车模型。

2.1 整车仿真边界条件

整车仿真边界条件见表1—3。

表1 整车数据

表2 发动机数据

表3 传动数据

2.2 仿真结果

在混合动力车的驾驶循环模式和燃油经济性降低潜力之间，存在一定的因果关联。很明显，例如，怠速发动机关闭功能仅在有频繁停车的工况是合适的。NEDC循环分析显示发动机怠速时间占30% （如图3），在怠速时关闭发动机，能够持续改善燃油经济性。

图4显示了针对不同驾驶循环，江淮瑞风微混车由于怠速发动机关闭功能的节油潜能，在 （NEDC冷机）4.9%节油和（NYCC热机）15.5%节油之间存在明显差异。

通过再生制动能量可以进一步降低燃油消耗，这种潜力取决于电动机的尺寸。在NEDC循环，三轴144型号4 kW的电动机能够产生大约60%的可用能量，见图5。

在微混动力车型上，再生能量可供用电子装置，特别在发动机停机时。因此，发动机上发电机功能 （在正常驾驶工况下）可以弱化，这可以减少2%的燃油消耗。

最后，BSG效率的提高 （相对于常规发电机）对于燃油经济性的改善有正面的影响，主要取决于电子元件的功率消耗。图6显示了对于两种不同效率的电机驱动，电子装置引起的额外燃油消耗。

3 结束语

BSG混合动力车，在系统结构上使用了一个超级电容器，给电机提供能量；在系统控制上，起停开关的模式和系统状态变化转换，通过混合控制单元实现。通过软件对微混动力车进行了建模，仿真结果表明：预测的微混车型的节油性能和排放性能达到预期目标。

【1】余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2009.

【2】冯国胜，杨绍普.车辆现代设计方法［M］.北京：科学出版社，2007.

【3】陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2002.

【4】马芳武.汽车空气动力学［M］.北京：机械工业出版社，1993.

【5】倪佑民.汽车滑行试验方法的改进和数据处理［J］.汽车工程，1982（2）：35－43.

Simulation Calculation of Vehicle’s Mild Hybrid Power

WANG Jun，ZHANG Ao，LEILei，WANG Hongda，ZHANG Chao
（Anhui Jianhuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei Anhui230601，China）

Cruise software was used to carry out simulation analysis onmild hybrid power car belt-starter generotor.A hybrid modelwas built，to predictvehicle’s fuel-efficient characteristics and emission index.The research results provide reference for the later prototype development.

Hybrid power；Belt-starter generotor；Simulation calculation

2014－04－10

王军（1979—），男，硕士，工程师，研究方向为内燃机工作过程。E-mail：wj.dly.jszx＠jac.com.cn