基于Cruise的混合动力汽车动力系统参数匹配

2023-03-27李明泽

汽车实用技术 2023年6期

李明泽

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

近年来，我国汽车保有量不断增加，在促进经济发展，方便大众生活的同时也造成了日益严重的环境问题。为此，国家在油耗及排放方面的要求愈加严格，混合动力汽车兼具传统燃油车和电动汽车的特点和优势，逐渐成为各大汽车公司重点研究的技术方案[1]。因此，本文以某款混合动力汽车为研究对象，对混动汽车动力系统进行选型与参数匹配，分析不同传动系对车辆性能的影响，并使用Cruise软件进行建模及仿真分析。

1 整车仿真模型的建立

本文研究思路如下：首先根据该型号混合动力汽车的参数与设计目标求解发动机、电动机、电池相关参数；车辆传动系统使用两种方案：电控机械式自动变速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）与机械式无级变速器（Continuous Variable Transmission, CVT）。CVT相比于传统离散挡位变速器，可提供近似线性的动力输出，给动力源参数匹配带来了更多灵活性，且有助于提高提高发动机工作效率。研究对象车辆参数如表1所示。

表1 车辆参数

本文研究的混动车辆整车性能设计目标如表2所示。

表2 整车性能设计目标

2 主要部件参数匹配

动力系统部件选择需根据设计性能，结合传动系统结构确定混合动力系统各部件的参数，主要包括发动机、电机和动力电池的选择[2-4]。

2.1 发动机选型及参数

选择发动机功率时，使用车辆的最高行驶车速（Vmax）和最大爬坡度（αmax）两项指标分别求得满足条件的发动机最大功率，并取两值中较大值作为发动机实际功率。

1）根据最高车速求得的发动机最大功率：

式中，ηt为传动效率；f为滚动阻力系数；CD为风阻系数；A为迎风面积。具体数值已在表2中给出。

2）根据最大爬坡度求解功率值，如式（2）所示：

式中，αmax为最大爬坡度；uα为在此坡度匀速行驶时的车速，uα=20 km/h。解得Pemax1=62.4 kW，Pemax2=50.1 kW。

发动机最大功率取最高车速对应功率和爬坡度对应功率的最大值，即

得到Pemax=62.4 kW；发动机附件等消耗功率按需求功率的 10%计算，初步可选发动机功率为70 kW，发动机最大转矩为

式中，n为输出功率最大时对应的发动机转速，n=5 000 r/min。解得Temax=133 Nm。

根据发动机选型和参数匹配，本项目所选发动机为直列四缸水冷发动机，其性能参数如表3所示。

表3 发动机主要参数

2.2 电机选型及参数

当混动汽车动力系统需求功率较大时，驱动电机辅助发动机为整车提供动力，例如：汽车处于起步、爬坡或加速工况；同时，当汽车处于低速等工况时，发动机持续工作在低效率区间造成能量转化效率低下，排放性恶化，此时可由电机代替发动机供能从而改善整车能量效率。根据以上分析，在发动机功率和整车需求功率已经确定的情况下，参考混合动力汽车驱动电机的扭矩和功率要求，驱动电机参数由式（5）—式（6）确定。

1）纯电动驱动模式下，以电机单独驱动时的设计时速（Vmaxm=100 km/h）计算所需的额定功率：

解得Pm=16.54 kW。

2）混合驱动模式下，以最高车速Vmax计算整车需求总功率，减去发动机最大功率，即为车辆维持最高速度所需的电机功率：

式中，Vmax为混合驱动最高车速；Pvmax为混合动力模式下的总功率。解得Pvmax=62.4 kW。

由于发动机可提供的最大功率Pemax大于Pvmax，即仅靠发动机做功就可使车辆达到最高设计时速要求。

根据以上计算求得驱动电机的匹配参数，汇总如表4所示。

表4 电机主要参数

2.3 动力电池选型及参数

作为动力系统的能量源和重要组成，动力电池在高负荷工况下帮助提供车辆所需的部分功率，通过分析现有各类型电池的优缺点，本文选用锂离子电池。由于混合动力汽车布置难度较大，选用能量密度高的锂离子电池，减小了电池体积，有效节省了车辆内部布置空间[5]。本文接下来从车辆动力需求、动力电池容量两个方面选择动力电池的参数。

上文已对混动系统在发动机-电机混合驱动以及纯电动驱动模式下的需求功率做了分析，得到了电机的需求功率，电池功率可基于已求出的电池功率进行计算：

式中，ηg为电机效率，取ηg=0.95；ηb为电池效率，取ηb= 0.95。

电池容量与本身的最大充放电容量有关，C为电池容量；WB为电池能量。计算公式为

式中，S为行驶距离，取50 km；Δsoc为行驶中电量变化值，取Δsoc=0.8；Ub为电池组的额定电压。动力电池匹配参数汇总如表5所示。

表5 动力电池主要参数

2.4 传动系统参数匹配

本文研究的混动汽车传动系统方案有两种：AMT方案与 CVT方案。首先根据上文求出的发动机与电机参数，计算传动系的传动比；其中，最小传动比使用最高车速进行计算，最大传动比使用最大爬坡度进行计算。

在得到传动系的最大及最小传动比后，对两种传动方案的具体传动比进行匹配。AMT方案下，选择变速器挡位共5挡，每挡速比如表6所示。

表6 AMT各挡速比

CVT方案下，取主减速器传动比为5.5，CVT最小传动比为0.5，最大传动比为2.87。

4 整车性能仿真

本文利用Cruise 仿真软件对所研究的混动车辆进行建模及仿真，验证车辆性能是否达标，以及上文中动力系统各部件选择是否合理，并使用新欧洲驾驶循环（New European Driving Cycle,NEDC）循环测试两种传动方案对发动机效率的影响。

4.1 模型建立

在 Cruise 软件中建立车辆模型并创建测试任务，步骤如下：

1）导入发动机、电动机、驾驶舱等相关模块，并输入相关参数，以发动机部件为例，需输入外特性曲线及发动机万有特性图等数据，完成发动机模块的创建。除上述模块外，还需指定能量管理策略和两种传动方案下的变速器控制策略。其中，CVT传动方案控制策略由负荷和车速控制期望传动比以及离合器的接合。AMT传动方案需加入GB Control和GB Program模块来进行换挡控制。其中，GB Program模块根据负荷信息计算理想挡位，向GB Control模块输出升挡、降挡信息，GB Control模块根据当前车速和发动机转速执行挡位变换。能量管理策略在Simulink中构建，封装为MATLAB DLL的形式导入到Cruise软件中。

2）设置各部件的机械连接和数据连接，并进行测试，确保数据传递正确；使用 Cruise自带的检查功能确保模型构建无错误后，进行下一步添加仿真任务。

3）在 Project中创建 Task Folder，对仿真方法和仿真参数进行设置，随后进行动力性，经济性计算；本文计算任务总共分为三项：经济性任务使用NEDC循环工况进行测试，仿真算法设置为VSS Implicit Euler，仿真步长设置为0.5；动力性任务包括最高速度、加速测试以及爬坡度测试，仿真算法设置为Quasi-stationary S，仿真步长设置为0.1。

以CVT传动方案为例，本文搭建的仿真模型如图1所示。

图1 CVT混合动力汽车仿真模型

4.2 经济性仿真结果分析

使用NEDC工况进行测试，混动驱动模式下，AMT传动方案百公里油耗为 5.39 L/100 km；CVT传动方案百公里油耗为 5.12 L/100 km。可见，两种传动方案油耗均满足设计要求，CVT传动方案百公里油耗降低了5%。AMT与CVT传动方案下发动机十四工况图如表7所示。

表7 发动机主要工作点

表7列举了AMT和CVT两种传动方案下发动机的主要工作点，包括转速/转矩以及对应的时间占比；对比可得，CVT传动方案下发动机更多工作在高效率区间，故油耗更低，经济型更好。

CVT传动方案下NEDC工况下的车速及电池荷电状态（State Of Charge, SOC）变化如图2所示。

图2 NEDC工况下的车速及SOC变化

如图2所示，本模型能量管理模式动力电池充放电策略为CD-CS策略，即在SOC高于设定值时为放电模式，当SOC降低至设定值以下时，发动机消耗一部分功率给电池充电，进入电量保持模式。仿真初始SOC设定为80%，可见在低速工况下车辆主要由电机提供动力，当 SOC下降到70%时进入电量保持状态，工况最后100 s时汽车车速较高，发动机同时对电池充电，SOC值回升。