太阳能主流乘用车动力总成建模及仿真

郝成 陈赛 张怡 宋文超

摘  要： 文中提出一款以太阳能为主要能源的新能源主流乘用车，以单轴并联混合动力汽车底盘为基础，采用燃油发动机和电动/发电机为汽车的动力系统，搭载薄膜太阳能电池板和蓄电池为能源系统。基于ADVISOR 2002仿真软件，搭建单轴并联混合动力汽车模型，对发动机和电机参数进行选择，并采用电机辅助控制策略。仿真结果表明，整车的动力性能达到传动主流乘用车的标准。在城市短途工况下，太阳能主流乘用车具有低使用成本、零排放的优势。

关键词： 太阳能; 新能源; 单轴并联混合动力; ADVISOR 2002; 动力性能; 控制策略; 零排放

中图分类号： TN99?34; U469.72                    文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）09?0068?04

Modeling and simulation of power assembly for solar energy mainstream passenger vehicle

HAO Cheng， CHEN Sai， ZHANG Yi， SONG Wenchao

（College of Electrical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China）

Abstract： A new energy mainstream passenger vehicle taking solar energy as the main energy source is proposed. On the basis of single?axial parallel hybrid power vehicle chassis， the integrated fuel engine and electricmotor/generator are taken as the power system of the vehicle， and the thin film solar panel and storage battery are equipped as energy system. On the basis of ADVISOR 2002 simulation software， the single?axis parallel hybrid power vehicle model was built， and the motor?assisted control strategy was adopted to select engine and motor parameters. The simulation results show that the dynamic performance of the vehicle reaches the standard of the transmission mainstream passenger vehicle. Under the short?term conditions in the city， the solar energy mainstream passenger vehicle has the advantages of low use cost and zero emission.

Keywords： solar energy; new energy resource; single?axis parallel hybrid power; ADVISOR 2002; power performance; control strategy; zero emission

汽车行业飞速发展的后果是使生活环境受到污染[1]。纯电动汽车与传统依靠内燃机驱动的汽车不同，可以实现零排放和零污染，进一步缓解污染问题[2]。太阳能可以作为纯电动汽车的新来源，具有来源充足且是可再生资源的优势[3]。然而，太阳能的不稳定性、分散性等问题[4]阻碍了太阳能成为纯电动汽车的持续来源。因此，结合太阳能纯电动汽车的优缺点，本文提出一款太阳能主流乘用车。太阳能主流乘用车是一款混合动力汽车，以太阳能作为主要能源，具有目前主流乘用车的基本性能指标。

1  太阳能主流乘用车结构

太阳能主流乘用车采用单轴并联式混合动力系统结构，发动机采用前置前驱的布置方式，整车由燃油发动机、电动/发电机、电动/发电机控制电路、蓄电池组、太阳能控制装置、太阳能薄膜电池等构成。整车结构如图1所示。

2  动力总成与能源方面

2.1  动力源总功率

太阳能主流乘用车的动力源总功率是由加速性能、最高车速、最大爬坡性能在内的动力性能因素决定的。

1） 根据最高车速[vmax]确定最大功率[Pmax1]：

式中：[vmax]为最高车速，单位为m/s;[ηt]为整车动力传动效率;[M]为整车质量，单位为kg;[g]为重力加速度，单位为m/s2;[f]为滚动阻力系数;[CD]为空气阻力系数;[A]为迎风面积，单位为m2。

图1  太阳能主流乘用车整车结构方案

2） 根据爬坡性能确定的最大功率[Pmax2]：

3） 由加速性能确定最大功率[Pmax3]：

2.2  电机和发动机参数选择

在电量充足的情况下，太阳能主流乘用车速度在60 km/h以下为纯电动模式，即电机单独运行。经计算整车需要电机提供5.84 kW的驱动功率。因此，电机额定功率选定为6 kW，峰值功率选定为12 kW。

发动机在大部分情况下不需要低速运行，只需要定速巡航，所以选择小功率发动机。太阳能主流乘用车在高速公路上长距离行驶时，发动机和电机联合驱动，因此发动机峰值功率选定为41 kW。

2.3  蓄电池参数选择

衡量储能器件的指标有比能量、能量密度、比功率、功率密度、循环寿命、快速充电性能、充放电时间[5]。太阳能主流乘用车搭载镍氢蓄电池，其具有高比能量和比功率、平坦的放电曲线和快速再充电能力的优势[6]。为了保证整车纯电动模式下的续航能力，整车的能源系统为由25个25 A·h镍氢蓄电池组成的镍氢蓄电池组，总储能能量可达7.5 kW·h。

2.4  太阳能电池板

太阳能是一种可再生的清洁能源，同时我国的太阳能资源十分丰富[7]。整车可配备约4 m2的薄膜太阳能电池板，为整车提供续航能力。根据我国太阳能辐射数据，6月份日均太阳能总辐射达到5.27 kW·h/m2，目前，我国光伏电池的转换效率约为20%。

经理论计算，整车太阳能电池板在6月份日均发电量约为4.2 kW·h，并且太阳能电池板日均发电量占整车蓄电池组容量的56%。

3  ADVISOR仿真与分析

3.1  建立仿真模型与控制策略

ADVISOR是由美国可再生能源实验室在Matlab/Simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件[8]。太阳能主流乘用车是以单轴并联结构作为动力模型，通过ADVISOR 2002软件建立单轴并联混合汽车模型。

发动机是汽车的主要驱动源，电机用作辅助驱动源。通过设定车速、蓄电池组的电荷状态，决定发动机和电机的运行状态。在ADVISOR 2002软件中对整车控制策略设计进行如下说明：

1） 当汽车行驶速度小于等于60 km/h，且SOC（蓄电池电荷）大于0.3时，电机单独驱动汽车。

2） 当汽车行驶速度大于60 km/h，且SOC大于0.3时，发动机和电机联合驱动汽车。

3） 当汽车发动机提供最大转矩低于汽车需要转矩时，电机提供辅助转矩。

4） 当汽车制动情况下，驱动电机为蓄电池充电。

5） 当SOC小于等于0.3时，发动机提供额外转矩，驱动电机为蓄电池充电。

3.2  整车动力性能仿真

本文的研究对象是一款太阳能主流乘用车，该车的主要参数如表1所示。

表1  太阳能主流乘用车主要参数

目前检测和评定汽车动力性能的循环工况主要有ECE?EUDC，CYC?ECE等。为测试整车从纯电动模式切换混动模式的动力性能，采用ECE?EUDC循环工况。该循环工况下的特征数据如下[9]：循环时间为1 225 s、行驶里程为10.93 km、最大速度为120 km/h、平均速度为32.1 km/h。整车的仿真变化曲线图如图2所示。其中：cyc_kph_r表示行驶要求速度;kpha表示当前行驶速度;ess_soc_hist表示电池容量;hc，co/10，nox，pm表示汽车尾气排放物。整车动力性能仿真数据如表2所示。

图2  循环工况、蓄电池组容量及尾气排放量图

表2  整车动力性能仿真结果

根据我国交通法规，高速限速一般为110～120 km/h;一级公路，如国道、省道等限速为80 km/h;城市郊区道路限速为70～80 km/h;城市道路限速40～60 km/h。城市中大部分路口都设有交通信号灯，汽车需要频繁地起步和制动，因此CYC?ECE循環工况符合城市道路情况，为测试整车纯电动模式下的性能，采用CYC?ECE特环工况。该循环工况特征数据如下：行驶里程0.99 km、最大速度为50 km/h。该循环工况行驶速度较低，太阳能主流乘用车采用纯电动模式。设置整车在CYC?ECE循环工况下循环3次，整车的仿真变化曲线图如图3所示。

太阳能主流乘用车在CYC?ECE工况下行驶3圈，总共行驶里程为3 km，消耗SOC约为0.06。理论上计算，太阳能电池板日均发电量能提供整车在纯电动模式下行驶28 km。根据文献[10]数据统计，我国消费者日均出行距离小于20 km占54.75%，20～50 km占31.26%。因此，太阳能主流乘用车的纯电动续航能力能满足绝大多数消费者的日均出行距离。

太阳能主流乘用车不管是混动模式还是纯电动模式下都能完整地按设定循环工况行驶，在动能性能方面发挥出色。为了评定该车能否达到主流乘用车动力性能效果，对某型传统主流乘用车和某型混合动力汽车在CYC?ECE循环工况进行仿真，三款车型动力性能比较如表3所示。

图3  循环工况及蓄电池组容量图

表3  动力性能比较

结合三款车型比较，在城市路况下，太阳能主流乘用车可采用纯电动模式，不消耗能源，无污染，且具有很低的行车成本，但在加速性和最大速度方面略低于传统主流乘用车和混合动力汽车。综合全部动力性能，太阳能主流乘用车能够达到目前主流乘用车的动力性能标准。

4  结  语

本文提出一款太阳能主流乘用车，以单轴并联混合动力为底盘，搭载太阳能电池板。提出一种在城市工况下行驶的控制策略，即该车在低速下采用纯电动模式。基于ADVISOR 2002软件建立整车模型，并对整车在ECE?EUDC和CYC?ECE循环工况下分别进行动力性能仿真。分析表明，太阳能主流乘用车能够达到目前主流乘用车的动力性能标准，且具有较低的使用成本。

参考文献

[1] 吴洪坤.汽车新能源领域的太阳能技术应用研究[J].能源与节能，2017（4）：73?74.

WU Hongkun. Research on the application of solar energy technology in new energy automobile [J]. Energy and energy conservation， 2017（4）： 73?74.

[2] 邵余丰.对新能源汽车技术的几点探讨[J].内燃机与配件，2017（5）：132.

SHAO Yufeng. Discussion on new energy vehicle technology [J]. Internal combustion engine and parts， 2017（5）： 132.

[3] 张红伟.新能源汽车的发展现状及前景分析[J].汽车实用技术，2016（9）：22?24.

ZHANG Hongwei. Analysis of development status and prospect of new energy vehicles [J]. Automobile applied technology， 2016（9）： 22?24.

[4] 海里且木·阿布都热依木，吐尔尼沙·尼亚孜.浅谈太阳能汽车的优势[J].统计与管理，2015（8）：89?90.

HAILIQIEMU Abudureyimu， TUERNISHA Niyazi. Talking about the advantages of solar vehicles [J]. Statistics and ma?nagement， 2015（8）： 89?90.

[5] 陈屹，孙锡红.新型太阳能汽车的探索与思考[J].科技视界，2012（2）：14?16.

CHEN Yi， SUN Xihong. Searching and thinking about the new type of the solar energy auto [J]. Science and technology vision， 2012（2）： 14?16.

[6] 向培勇.燃料电池/蓄电池混合动力系统能量管理策略研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2015.

XIANG Peiyong. Research on energy management strategy of fuel cell/storage battery hybrid power system [D]. Shenyang： Shenyang Jianzhu University， 2015.

[7] 杨帜，张铭显，孙天宇，等.太阳能自动追光系统的节能技术研究[J].中国新技术新产品，2018（15）：1?3.

YANG Zhi， ZHANG Mingxian， SUN Tianyu， et al. Research on energy saving technology of solar automatic chasing system [J]. New technology and new products of China， 2018（15）： 1?3.

[8] 孙建强，贠海涛，吕福麟，等.基于ADVISOR的纯电动汽车动力系统匹配设计[J].移动电源与车辆，2013（2）：31?34.

SUN Jianqiang， YUN Haitao， L? Fulin， et al. The match research of the pure electric vehicle′s power system based on ADVISOR [J]. Movable power station and vehicle， 2013（2）： 31?34.

[9] 张勇，刘伟.不同循环工况下电动汽车的动力性仿真分析[J].机械设计与制造工程，2018，47（7）：16?20.

ZHANG Yong， LIU Wei. The dynamic simulation analysis of the pure electric vehicle based on different circulation [J]. Machine design and manufacturing engineering， 2018， 47（7）： 16?20.

[10] 付雷.石家庄市居民出行特征分析及交通发展对策研究[J].智能城市，2018（18）：1?2.

FU Lei. Analysis of residents′ trip characteristics and traffic development countermeasures in Shijiazhuang [J]. Intelligent city， 2018（18）： 1?2.