插电式混合动力汽车系统整车建模及动力性仿真分析∗

2020-11-02黄珊珊

计算机与数字工程 2020年9期

黄珊珊

（陕西交通职业技术学院汽车工程系西安 710018）

1 引言

新能源汽车具有和传统汽车不同的动力来源，既可以采用非常规车用燃料，也可以在采用常规车用燃料的情况下增加新的动力设备［1～2］。由于新能源汽车综合运用了高效的车辆动力控制与驱动技术，促进了整体技术水平的提升。EV 是一种以电能提供驱动力的汽车，既可以选择电机驱动方式，也可以通过轮毂电机实现车轮的驱动作用，上述技术需克服的难点是如何提高电力的储存能力［3～5］。纯电动汽车不会在行驶阶段产生污染废气。由于电动汽车属于一个储存与消耗电能的设备，因此可将其充电过程安排在夜间用电低谷时期，从而确保发电设备可以长期维持高利用率的状态。HEV 是根据传统汽车进一步开发得到的，在传统汽车动力结构中新增了电动机，有效提升了汽车低速动力特性并达到更高的燃油利用率［6～8］。

插电式混合动力（PHEV）汽车指的是利用插电方式完成充电过程的混合动力汽车。通常可将其分成增程式与混联插电式共两类，或将其称为全电型与混合型插电方式［9～11］。其中，增程式电动汽车在汽车动力结构中设置了增程器，因此这是一种特殊PHEV，属于全型PHEV，是以纯电动汽车为基础发展形成的，电机属于增程式结构的唯一动力源，所有功率都由电机提供，是一种串连形式的混合动力结构；PHEV 是在混合动力汽车基础上发展形成的，由电机与发动机共同组成驱动源，功率并不是全部由电机提供，但已经把之前的功率型电池采用能量型电池进行了代替，进一步提高了纯电动运行条件下的续航里程，相对于HEV 车型，可以达到更高的燃油经济性，这使其成为现阶段的一个重点研究领域［12～14］。对于混合型结构来说，采用同轴并联形式可以获得紧凑结构并达到更高的传递效率，因此被大量应用在各类车型中，对于轻型货车也同样适用，可以选择同轴并联结构作为动力总成系统的布局方式，为确保能够实现以上各项优势，需要对动力总成系统进行参数合理配置并选择最优控制策略［15］。

对PHEV 车型进行设计开发时，可以先利用软件仿真模拟以缩短开发时间并有效减少开发成本，并达到更高的实车运行效率。本文采用CRUISE软件完成整车建模的过程，同时比较了PHEV 车型和传统车型的运行经济性与动力性能。

2 整车建模

PHEV 轻型货车由多个模块组成，包含动力电池、驱动电机、发动机、MATLAB-API 接口、变速器换挡控制、驾驶员、监视器、能耗附件、变速器、离合器、差速器、DC-DC 转换器等多个模块，现对上述各模块依次进行分析。

对整车进行参数设置需要包括整车质量、阻力模型、空气阻力系数、迎风面积，为了获得最优的控制策略重点是要构建合适的整车阻力模型，可以采用如下三种方法。

1）根据物理模块确定总行驶阻力：

上式的FV表示总行驶阻力；kpush表示额外推力系数；ktrac表示牵引力系数；ma表示汽车实际质量。

2）根据参考车型行驶阻力函数进行计算：

式中CA、CB、CC分别表示各车型的行驶阻力系数；mr表示参考汽车质量。

3）利用汽车实际行驶阻力函数进行计算：

综合考虑上述三种计算方法的特点，最后决定采用第二种方法来计算PHEV车型行驶阻力。

3 整车性能仿真

3.1 原车动力性仿真

按照原车型数据构建得到整车模型。接着，对Project Data 进行动力性与经济性仿真。图1 显示了为原车型构建的整车模型。

图1 整车模型

对于不同的仿真任务所选择的计算模式也存在较大差异，通常是以正向仿真计算的方式来完成动力性仿真过程，相对于准静态计算模式，此模式通过驾驶员模型构建控制环。图2 给出了原车模型的车速和距离随时间变化。从图2 中可以发现，百公里加速时间为12.13s，可以达到的最大车速125.72km/h。

图2 原车模型的车速和距离随时间变化

在NEDC循环工况下进行经济性仿真测试，此工况由4 个市区以及1 个郊区循环构成，其中，0～800s内属于市区循环，到800s之后进入郊区循环，总共为1180s。图3显示了循环工况下车速和转矩随时间变化仿真测试所得结果。从图3（a）中可以看到实际车速和目标车速对应的曲线，两种曲线在贴合度方面存在较大的误差，基本达到了整车动力性的要求。图3（b）显示了不同时间对应的发动机转矩曲线，可以发现发动机工作条件为低转矩与低负荷状态，对燃油的消耗较大，无法达到良好的经济性。

图3 循环工况下车速和转矩随时间变化

3.2 动力性仿真分析

模型的动力性仿真内容包含满负荷加速性能、最大车速以及爬坡度性能的计算，依次得到纯电动模式下的最大车速、0～40km/h 的加速时间以及在混合驱动模式下每个挡位所能达到的最大爬坡度。以NEDC循环工况对车辆进行经济性仿真测试。

1）纯电动模式

控制模型以纯电动模式运行，计算满负荷下的加速性能，图4 给出了纯电动模式下车速和加速度随时间变化。根据图4 可以发现，由纯电动模式下插电式汽车加速至40km/h 所需的时间约10s，可以达到的最大加速度为1.32m/s2。可见纯电动模式下汽车气动表现出快速的特点，这不利于安全。

图4 纯电动模式下车速和加速度随时间变化

之后计算采用纯电动模式所能达到的续航里程。将等速巡航工况文件加入Cycle run内，同时将电池SOC 的初值设定在80%，并控制目标SOC 值为30%，图5给出了纯电动模式下续航里程随时间变化结果。根据图5 可以发现，采用纯电动模式可以达到约65km的续航里程。

2）混合驱动模式

控制模型的工作状态为混合驱动模式，同时计算满负荷条件下的加速与爬坡性能。利用跟原车相同的NEDC 循环工况进行经济性仿真测试，混合驱动模式下车速和转矩随时间变化结果见图6。由图6 可以发现，实际车速和目标车速之间形成了良好的贴合，实际车速可以精确跟随目标车速，表现出优异的整车动力性。分析电机转矩结果可知，此时电机工作于低转矩与低负荷的工况下，可以利用启动发动机来弥补转矩不足。由混合驱动模式下车速和转矩结果得出，相比较纯电动模式，混合驱动模式下汽车具有补偿机制，可以应对一些突发情况，进一步地保证运行的安全，大大降低了事故的发生概率。