并聯(lián)溷合動(dòng)力電動(dòng)轎車(chē)多能源動(dòng)力總成匹配仿真

1、并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)轎車(chē)多能源動(dòng)力總成匹配和控制策略的仿真研究 華中科技大學(xué)電動(dòng)汽車(chē)研究院一、 引言在并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成配置中，通常將內(nèi)燃動(dòng)力與電動(dòng)動(dòng)力通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置耦合在一起，在不同的工況條件下組成不同的工作模式，從而使內(nèi)燃動(dòng)力和電動(dòng)動(dòng)力各發(fā)揮所長(zhǎng)而避其短，以應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)酷的環(huán)保和能源限制要求。內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能裝置、傳動(dòng)裝置、電力電子和微電子控制器等組成了并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的多能源動(dòng)力總成，上述各部件的參數(shù)匹配和系統(tǒng)控制策略對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的性能起著至關(guān)重要的決定性作用。為此，在開(kāi)發(fā)階段必須通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)尋求適宜的匹配和控制策略，以使用較低的開(kāi)發(fā)成本、較短的開(kāi)發(fā)周

2、期實(shí)現(xiàn)預(yù)定的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。本文主要通過(guò)以MATLAB為平臺(tái)的Advisor分析軟件，對(duì)所開(kāi)發(fā)的奇瑞HEV混合動(dòng)力轎車(chē)多能源動(dòng)力總成的配置進(jìn)行驗(yàn)算和比較，對(duì)多能源控制策略的效果進(jìn)行初步的計(jì)算認(rèn)定。二、 仿真模型奇瑞HEV混合動(dòng)力轎車(chē)的仿真模型如圖1所示，其中分別建立了車(chē)輛模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)模型、電池模型、傳動(dòng)裝置模型、車(chē)輪模型、附件模型和動(dòng)力裝置控制模型等。發(fā)動(dòng)機(jī)模型的輸入?yún)?shù)采用376電噴汽油機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 但由于未得到有關(guān)排放的數(shù)據(jù)而未能置入排放模型。電機(jī)模型的輸入?yún)?shù)是按所設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求的指標(biāo)參考同類(lèi)產(chǎn)品性能曲線(xiàn)而假設(shè)的, 在實(shí)際電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果出來(lái)后再行替換，而電池模型輸入?yún)?shù)則參照了同樣容

3、量下國(guó)外公司的Li電池資料。為了比較不同的控制策略，構(gòu)筑了PTC-PAR2chery和INSIGHT兩種控制策略。圖2是其中之一的控制策略框圖。奇瑞HEV混合動(dòng)力轎車(chē)的傳動(dòng)裝置考慮了電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間直接連接的相同轉(zhuǎn)速關(guān)系以及變速器本身具有的5個(gè)前進(jìn)檔，按通常的方法考慮換檔規(guī)律，圖3是仿真中所用的376發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖，圖4是10kw交流感應(yīng)電機(jī)特性曲線(xiàn)圖。 圖1. 并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)仿真模型 圖2. 多能源動(dòng)力系統(tǒng)控制策略框圖 圖3. 376發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖 圖4. 10kw交流感應(yīng)電機(jī)特性曲線(xiàn)圖三、 仿真結(jié)果1、“標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)”下性能仿真：“標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)”指車(chē)輛總質(zhì)量1443kg，主減速比4.13

4、3，單元電池容量15Ah，裝376汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用PTC-PAR2chery控制策略。分別對(duì)ECE_EUDC（平均車(chē)速62.44km/h，最高車(chē)速120 km/h, 每10.93km內(nèi)有13次停車(chē)）, ECE_EUDC_LOW（平均車(chē)速31.11km/h，最高車(chē)速90 km/h, 每10.59km內(nèi)有13次停車(chē)）, US06_HWY（平均車(chē)速97.91km/h，最高車(chē)速129.23 km/h, 每10.04km內(nèi)有1次停車(chē)）, NYCCOMP（平均車(chē)速14.1km/h，最高車(chē)速57.94 km/h, 每4.03km內(nèi)有19次停車(chē)）, NYCC工況循環(huán) （平均車(chē)速11.41km/h，最高車(chē)速44

5、.58 km/h, 每1.9km內(nèi)有18次停車(chē)）進(jìn)行仿真，所得性能指標(biāo)如表1。表1“標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)”條件EUDCEUDC_LOWUS06_HWYNYCCOMPNYCC動(dòng)力性0100km/h加速時(shí)間(s)60100km/h 加速時(shí)間(s)最大爬坡度(%)最高車(chē)速(km/h)16.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.6經(jīng)濟(jì)性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿(mǎn)續(xù)駛里程(km)5.78775.78776.57697.864111454SOC在循環(huán)中的變化范圍2%1.3%2.8%1.3%0.5%圖5給出

6、了EUDC_LOW工況下的一組曲線(xiàn)，其中（a）為行駛工況，（b）為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(rad/s)，（c）為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(Nm)，（d）為電機(jī)輸入功率(相對(duì)量)，（e）為10個(gè)循環(huán)（共計(jì)105.9km路程）中的電池SOC變化范圍。圖6給出了NYCC工況下的一組曲線(xiàn)，（a）（d）的意義同前，（e）中10個(gè)循環(huán)的里程數(shù)為19km, 圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間(s)。 (a) (b) (c) (d) (e) 圖5. EUDC_LOW工況下的一組數(shù)據(jù) (a) (b) (c) (d) (e) 圖6. NYCC工況下的一組數(shù)據(jù)2與純內(nèi)燃動(dòng)力情況的比較為了比較混合動(dòng)力在性能方向與傳統(tǒng)動(dòng)力的差異，進(jìn)行了換裝純內(nèi)燃動(dòng)力的仿

7、真計(jì)算，計(jì)算中發(fā)動(dòng)機(jī)仍為376汽油機(jī)，汽車(chē)總質(zhì)量由于不裝電機(jī)和電池而減少至1372kg，所得性能結(jié)果如表2所示。對(duì)比表1與表2, 可以看到混合動(dòng)力比純內(nèi)燃動(dòng)力的節(jié)油率因工況循環(huán)不同而有很大差異: 平均車(chē)速高, 停車(chē)頻率低則節(jié)油少; 平均車(chē)速低, 停車(chē)頻率高則節(jié)油多。表2純內(nèi)燃動(dòng)力條件EUDCEUDC_LOWUS06_HWYNYCCOMPNYCC動(dòng)力性0100km/h加速時(shí)間(s)60100km/h 加速時(shí)間(s)最大爬坡度(%)最高車(chē)速(km/h)2414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.

8、3經(jīng)濟(jì)性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿(mǎn)續(xù)駛里程(km)7.46767.17046.972511.742715.9314混合動(dòng)力相對(duì)于該純內(nèi)燃動(dòng)力的節(jié)油率23%20%5.8%33.3%30.8%3不同控制策略對(duì)于不同的控制策略,包括同樣控制策略下的一些門(mén)檻值參數(shù)選擇進(jìn)行了仿真計(jì)算。表3給出的是按PTC-PAR2chery和PTC-Insight二種不同的控制策略所作的仿真結(jié)果。圖7給出了這二種不同策略下的電機(jī)輸入功率曲線(xiàn)的對(duì)比（NYCC工況循環(huán)下）。表3 EUDC_LOW NYCCPTC-PAR2cheryPTC-InsightPTC-PAR2cheryPTC-Insight經(jīng)濟(jì)

9、性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿(mǎn)續(xù)駛里程(km)5.78776.37941145412.6397SOC在循環(huán)中的變化范圍1.3%2.5%0.5%0.3% (a) PTC-PAR2chery (b) PTC-Insight 圖7. 兩種控制策略下的電機(jī)輸入功率曲線(xiàn)4電池容量選擇奇瑞HEV混合動(dòng)力轎車(chē)選擇Li離子動(dòng)力電池作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，其單元電池容量初選為15Ah，此容量是否合適，需作參數(shù)分析。影響容量選擇的一個(gè)重要考慮是在典型的混合動(dòng)力工況下使電池的SOC變化在合理范圍內(nèi)。為此對(duì)容量選15Ah、10Ah和7Ah分別進(jìn)行仿真計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果如表4（對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響極小，故

10、表4只給出SOC變化）。 表415Ah10Ah7AhEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCSOC變化范圍（%）1.30.52.00.82.71.15. 主傳動(dòng)比：按主傳動(dòng)比 4.133 ，4.6，5.1分別進(jìn)行仿真計(jì)算，所得結(jié)果如表5。 表54.1334.65.1EUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCC動(dòng)力性0100km/h加速時(shí)間(s)60100km/h加速時(shí)間(s)最大爬坡度（%）最高車(chē)速（km/h）16.39.643178,616.39.643178.616.19.748.2160.916.19.748.2160.916.

11、09.648.314516.09.648.3145經(jīng)濟(jì)性百公里油耗（L/100km）5.7115.7115.810.850L油箱一次充滿(mǎn)續(xù)駛里程（km）877454877454862463SOC在循環(huán)中變化范圍1.30.51.40.51.50.46總質(zhì)量按1443kg , 1200kg 和1000kg三檔總質(zhì)量進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表6。 表6140012001000EUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCC動(dòng)力性0100km/h加速時(shí)間(s)60100km/h加速時(shí)間(s)最大爬坡度（%）最高車(chē)速(km/h)16.39.643178.616.39.643178.6

12、13.78.148.3178.613.78.148.3178.611.76.848.3178.611.76.848.3178.6經(jīng)濟(jì)性百公里油耗（L/100km）50L油箱一次充滿(mǎn)續(xù)駛里程（km）5.7877114555.29629.85104.910209.1549SOC在循環(huán)中變化范圍1.3%0.5%1.4%0.5%1.4%0.5%四、 結(jié)果分析結(jié)合并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)轎車(chē)的仿真計(jì)算結(jié)果，以下就多能源動(dòng)力總成配置和多能源動(dòng)力系統(tǒng)控制兩個(gè)方面進(jìn)一步分析。1、 配置奇瑞混合動(dòng)力電動(dòng)轎車(chē)是低混合度電動(dòng)汽車(chē)，其混合度為26.8%左右，發(fā)動(dòng)機(jī)為普通電噴汽油機(jī)，電機(jī)為飛輪殼內(nèi)置集成式大轉(zhuǎn)矩、高效率交流感應(yīng)

13、電機(jī)，兩個(gè)動(dòng)力裝置的最大功率之和為56KW左右，這就使得其動(dòng)力性比單用376汽油機(jī)的原車(chē)優(yōu)越。由表1和表2可知，其0-100km/h加速時(shí)間從24s縮短至16.3s，60-100km/h加速時(shí)間從14.4s縮短至9.6s，其最大爬坡度（8km/h速度）從24.2增加至43%，最高車(chē)速?gòu)?54.3km/h提高至178.6km/h。從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，奇瑞混合動(dòng)力電動(dòng)轎車(chē)的配置使其在ECE-EUDC-LOW的城郊道路工況下比原車(chē)型節(jié)能20%，而在典型的城市道路工況（NYCCOMP和NYCC）下，節(jié)能33.3和30.8%，當(dāng)然，在高速公路上混合動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)不能得到充分體現(xiàn)，例如，在US06_HWY工況下，其

14、節(jié)能幅度僅5.8%。本次仿真中由于缺乏發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)，因此未能就該混合動(dòng)力配置情況下有害物排放量的減少幅度做出估計(jì)，但我們根據(jù)資料選擇了Geo1.0L發(fā)動(dòng)機(jī)(最大功率也是41kw)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算得到的結(jié)果如表7所示。表7EUDC_LOW NYCC混合內(nèi)燃混合內(nèi)燃污染物 CO (g/km)0.2890.2960.9871.278 HC (g/km)0.090.1030.180.245 NO (g/km)0.0970.1050.1840.223由上表可知，在城市工況條件下，混合動(dòng)力配置時(shí)其CO、HC、NO的比排放率分別比傳統(tǒng)內(nèi)燃動(dòng)力配置時(shí)降低23%、26.5和17.5%；而在市郊公路上，這一降低量

15、僅分別為2.3%、12.5%和7.6%。由此可見(jiàn)，低混合度并聯(lián)型混合動(dòng)力配置在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面的收益大于環(huán)保方面的收益。 有關(guān)電池的配置涉及到電池組的輸入、輸出功率需求，壽命預(yù)計(jì)和成本考慮等因素，通常高性能的功率型Li電池SOC循環(huán)脈動(dòng)幅度5%時(shí)的循環(huán)壽命達(dá)20萬(wàn)次以上，10%脈動(dòng)幅度時(shí)的循環(huán)壽命達(dá)5萬(wàn)次以上，計(jì)算表明，即使單元電池7AH（參見(jiàn)表4），其EUDC_LOW循環(huán)中的SOC變化范圍也僅2.1%，而在NYCC循環(huán)中的SOC變化范圍更低，才1.1%，完全能滿(mǎn)足壽命要求，問(wèn)題在于要進(jìn)一步提高電池的比功率，使其能滿(mǎn)足10C以上的充放電要求，否則就只能增加電池容量。2、 控制策略美國(guó)RENL國(guó)立實(shí)驗(yàn)室根據(jù)對(duì)日本Insight 車(chē)IMA系統(tǒng)所作的試驗(yàn)建立了PTC-Insight控制策略，按該控制策略對(duì)奇瑞混合動(dòng)力電動(dòng)轎車(chē)的性能進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)在該種多能源系統(tǒng)的控制策略下電動(dòng)力的作用未充分發(fā)揮，故與純內(nèi)燃動(dòng)力相比其節(jié)能幅度較?。‥UDC_LOW循環(huán)時(shí)11%，NYCC循環(huán)時(shí)20.8%，參見(jiàn)表3）；采用PTC-PAR2chery控制策略時(shí)奇瑞混合動(dòng)力電動(dòng)轎車(chē)的性能得到了進(jìn)一步的提高（EUDC_LOW循環(huán)時(shí)20%，NYCC循環(huán)時(shí)30.8%，參見(jiàn)表2）。圖7通過(guò)兩種情況下電機(jī)輸入功率的比較