基于ADVISOR的混合动力汽车动力系统仿真分析

2020-03-03旷水章王虎周阁成

时代汽车 2020年24期

旷水章　王虎　周阁成

摘要：近年来，经济的崛起和工业的发展促进了汽车行业的崛起，但同时带来了环境污染与能源匮乏等问题。应对这一问题，燃料与电力结合的混合动力汽车是目前汽车企业中广泛采用的过渡策略。本文基于奥迪A6L2.8型汽车发动机，选择ZYT型永磁直流电机、18650型锂离子电池共同构成混合动力新能源汽车的动力系统。挑选转矩、转速、油耗、电压等发动机参数进行计算，建立了发动机、电动机、蓄电池等模块的数学模型。使用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立混合动力汽车仿真模型，并在电动汽车仿真软件ADVISOR2002中进行仿真分析及参数优化。将混合动力汽车性能仿真结果与纯燃油汽车性能进行对比分析，结果表明混合动力汽车比纯燃油汽车具有更佳的燃油经济性与排放性。

关键词：混合动力汽车动力系统 ADVISOR仿真分析燃油经济性

Simulation Analysis of Hybrid Electric Vehicle Power System Based on ADVISOR

Kuang Shui Zhang Wang Hu Zhou Gecheng

Abstract：In recent years， the rise of economy and the development of industry have promoted the rise of the automobile industry， but at the same time it has brought environmental pollution and energy shortages. To deal with this problem， hybrid vehicles that combine fuel and electricity are currently a transition strategy widely adopted by auto companies. Based on the Audi A6L2.8 automobile engine， this article selects ZYT permanent magnet DC motor and 18650 lithium ion battery to form the power system of hybrid new energy vehicles. The engine parameters such as torque， speed， fuel consumption， voltage， etc. were selected for calculation， and mathematical models of the engine， electric motor， battery and other modules were established. The article uses MATLAB/SIMULINK simulation software to establish a hybrid electric vehicle simulation model， and perform simulation analysis and parameter optimization in the electric vehicle simulation software ADVISOR2002. Comparing the performance simulation results of hybrid electric vehicles with that of pure fuel vehicles， the article finds that the results show that hybrid vehicles have better fuel economy and emissions than pure fuel vehicles.

Key words：hybrid electric vehicle， power system， ADVISOR simulation analysis， fuel economy

全球汽車制造业正面临着能源危机和环境污染两大难题。有效地改善生活环境，是全人类的共同社会责任。纯电动汽车和氢燃料电池技术仍未取得革命性突破，难以成为汽车行业的近期发展主流。而混合动力电动汽车是在传统内燃机、蓄电池、电机系统结构的基础上做进一步开发，其兼具纯燃油车所具有的比能量和比功率高的优点，又解决了电动车续航里程较低的缺点，混合动力汽车可以较好地解决燃油消耗和排放问题，因此开发性能优异的混合动力汽车，成为了当今所有汽车企业的共同目标。

1 动力系统参数确定（表1）

2 动力系统数学模型的建立

2.1 发动机模块

发动机可以输出的转矩Tf_out_a为：

（1）

式中Tfc_a——发动机总转矩（N·m）;

Tacc——附加阻转矩（N·m）;

Pacc——附加功率（KW）;

Jfc——转动惯量。

发动机的输出转速为：

（2）

2.2 电机模块

电机三相绕组有着完全对称式的空间几何结构，对无刷式直流电机进行分析，忽略磁场磁滞及涡流的影响，如果电机的磁场不饱和，通过计算可得到电机的三相电压方程：

（3）

式中u——定子相绕组电压（V）;

e——绕组电动势（V）;

i——定子相绕组电流（I）;

L——定子相绕组的自感（H）;

M——定子相绕组之间的互感（H）。

2.3 蓄电池模块

电压、电阻的数值是测量soc和蓄电池工作温度的两个重要参数，它们是方程式计算过程中的重要测量数值，对于蓄电池的温度和工作效率的大小起着决定性作用。在进行系统建模和分析的过程中，若我们去除温度变化对工作过程及蓄电池温度的影响因素，电阻及电压的工作效率大小就由电压和soc的数值所确定。那么整个蓄电池的温度和工作效率只由电压和soc的数值来决定。电压电阻计算见式（4）。

（4）

蓄电池功率值取决于电机额定功率、蓄电池SOC值、内阻及蓄电池开环电压等因素。

（5）

式中Voc——蓄电池开环电压（V）;

Rint——蓄电池内阻（Ω）;

Pbatt——蓄电池限制功率（KW）;

Pm——电机的额定功率（KW）;

Ibatt——蓄电池电流（A）。

3 动力系统仿真与分析

3.1 仿真条件的设定

3.1.1 道路循环工况设置

我国对于乘用车的城市道路工况要求为NEDC工况，因此，本文将NEDC作为本次仿真模拟的循环工况。通过这个模拟界面我们可以对车辆仿真条件、测试方案进行设定，如城市道路工况、循环仿真次数、电池荷电状态以及加速性、爬坡性测试等。车辆仿真条件模拟的界面可以提供多种循环工况测试的方案[4]。

3.1.2 电池充电状态修正

电池充电状态修正有2种SOC修正方式：其中一种方式是线性SOC修正，总的来说，SOC校正是为了当我们不了解汽车实际性能时，暂停电池的使用，仅仅通过对发动机的输出来判断汽车的燃油消耗率等性能。线性SOC修正方式是先由SOC给出正反馈，对荷电状态修正后的变量值通过线性关系排列。这是一种增量变化修正的方法[5]，这种方法能有效解决汽车行驶过程中SOC值的变化。另一种是给由SOC给出负反馈，将SOC值定义为0，荷电量会随着仿真的运行进行修正，这种方式是调整初始的SOC值，以便于在进行仿真计算时，汽车的SOC值的波动区间始终在一定的区间内。这个区间可以在仿真界面中进行设置[6]。

3.2 仿真结果

图3与图4中左侧从上至下分别为汽车车速随时间变化曲线图、电池能量随时间变化曲线图、废气排放随时间变化图以及汽车整体传动效率随时间变化曲线图。

最高车速未达到235km/h是在考虑汽车滑移率的情况下所得出来的结果，结果显示，仿真各项数据均符合初步预期。与原车型进行对比，各项数据如表2所示。

4 结论

本次研究的混合动力电动汽车，在传统纯燃油车的基础上，进行混合动力电动汽车的开发，赋予车辆更佳的燃油经济性与环保性，符合目前汽车发展的趋势。通过对所搭建的仿真模型完成仿真分析，把仿真结果和原纯燃油车进行对比，结果表明，混合动力汽车拥有更佳的燃油经济性和环保性。

基金项目（Foundation item）：湖南省教育厅科学研究优秀青年项目（18B560）

参考文献：

[1]曾小华，宫维钧.ADVISOR 2002 电动汽车仿真与再开发应用（第二版）[M].北京机械工业出版社，2017.

[2]张文春.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3]程晶晶，王建平，朱学慢，等.并聯式混合动力汽车动力系统的参数匹配及优化[J].新乡学院学报，2019，36（03）：54-58.

[4]游震洲，张鹏，牛礼民.并联式混合动力汽车动力总成发动机的模糊控制仿真分析[J].计算机集成制造系统，2016，（11）：2573-2579.

[5]张丹，李治国，陈标.串联式混合动力汽车能量控制策略研究与仿真分析[J].时代汽车，2019（10）：46-47.