混合动力轿车动力系统匹配仿真分析

0 前言 　　汽车的节能和排放已成为国际社会广泛关注的热点和难点问题。开发节能、环保的新一代汽车是目前世界各大汽车公司研究的重点之一。 　　当前，纯电动汽车的成本和大容量电池等技术要取得重大突破尚需时日，而开发混合动力汽车的三大关键技术（电池、电机和电控技术）已经突破，而且混合动力汽车相对于纯电动汽车和代用燃料汽车更具有良好的商业前景。自主混合动力轿车开发符合国家汽车产业政策，能有效提高能源利用率、降低排放，是现实可行的。本文对一款自主品牌轿车的混合动力系统方案进行了性能匹配仿真分析，仿真结果为选择电机、电池及系统电压水平提供了关键依据，并为该方案确定预期的开发目标提供了重要参考。 　　1 混合动力系统方案 　　本文采用汽油发动机（1.8T）＋ISG电机＋自动变速器的并联式混合动力系统方案，如图1所示。ISG（Integrated Starter Generator）集成起动一发电机，采用扁平结构的永磁电机，与发动机飞轮集成在一起，既可以工作于电动机状态，为发动机提供助力，又可以在汽车减速制动时工作于发电机状态，回收汽车的部分动能。由于空间布置的限制，ISG电机的功率不能太大，峰值功率约为10-15kW，主要实现起停、发电、回馈制动和电机助力等功能，发动机和电机之间无离合器，无法实现纯电动机功能，该方案属于弱混合模式。 　　2 混合动力系统匹配仿真分析 仿真的有效性依赖于数据的准确性和模型的可靠性，需先建立传统车辆基准模型，再对基准模型进行验证，然后对模型进行混合动力化，此后进人输入数据-仿真-结果分析-供应商信息反馈-重新输入数据的循环过程。几次循环之后，确定零部件的参数、整车油耗和动力性等指标。 　　2.1基准车辆仿真模型的建立及验证 　　整车基准车辆模型主要包括发动机、车辆动力学、变速器和驾驶员等仿真模块，主要参数包括和以上关键部件相关的重要参数，如：发动机输出特性曲线、油耗脉谱图、整车质量、风阻系数、迎风面积、转动惯量、速比、换档逻辑图、效率以及指定的行驶工况等等。模型的有效性验证按照NEDC工况下（市区、郊区和综合油耗）官方公布或实验室测得的数据为基准进行比较，验证指标要求仿真结果与公布结果关于综合油耗（L/100km）的误差低于3％。 　　从表中数据可以看出，仿真结果和公布的数据吻合较好，NEDC工况下综合油耗误差和0~100km/h加速时间误差都在1%范围内，表明基准模型是有效的。 在基准模型的有效性得到验证之后，通过添加混合动力模块建立混合动力模型。模型中主要使用了以下混合动力模块：电池模块、电力负载模块、电机模块和整车控制器模块等，并输入了影响模块性能的主要参数，如：电池的开路电压、温度、容量、内阻、SOC（荷电状态）、电辅助系统的负载、电机的输出特性、效率等。整车控制器模块控制其它所有模块，并定义了混合动力的整车行驶、能量管理等控制策略，有4种基本工作模式（见图2）：起停模式（1区下侧横线区域），再生制动模式（2区上侧横线区域），电机助力模式（3区上侧阴影区域）和电机发电模式（3区上侧横线区域）。建模完成后，对模型不断优化，包括采用不同的控制策略等。 为了方便比较不同系统匹配和控制策略等对整车燃油消耗的影响，仿真中假设电池组SOC在仿真开始与结束时状态一致。该假设虽然可以方便比较油耗的影响，但在某种程度上限制了电机的助力和发电模式的作用，使得燃油节省的潜力没有完全发挥出来。 　　2.2电机功率的选择 电机功率的匹配选择要考虑不同行驶工况下、不同功率的电机对燃油消耗的影响，同时结合整车布置的可行性。仿真主要在NEDC和SHDC工况下完成。 　　2.3 NEDC工况下油耗分析 　　对6种不同电机和电池匹配情况进行了仿真试验，每种匹配的仿真试验包括NEDC工况下电池荷电状态、燃油消耗监测、电机／发动机输出转矩和工作状态等的仿真。 　　表2给出了电池容量为 1000 Wh、电压为144V的情况下，不同电机功率匹配的仿真结果。 　　2.4上海工况油耗分析 假设混合动力轿车的主要投放市场是上海，结合上海工况对混合动力系统的匹配进行了仿真分析。图3显示的仿真结果表明，在NEDC和SHDC工况下仿真得到的趋势是一致的，都应选择功率大于7kw的电机，但随着电机功率的增大， 　　整车燃油消耗率的改善并不明显。由于SHDC有了更多的起停阶段，相对于原基准样车模型，可获得更多的燃油经济性。 2.5加速性能仿真试验 永磁无刷直流电机在低速时可以提供较大的转矩，高速时提供较大功率，刚好可以弥补发动机在低速时动力不足、燃油效率低的缺陷。图4给出了仿真所用的发动机＋ISG电机的复合输出特性曲线。 加速性能仿真试验表明，在一定范围内，电机的功率大小和车辆的加速性能有直接的关系，电机的功率越大，对加速性能越有益（见表3）。根据加速仿真结果，如果要以2. 5L V6轿车0~100km/h加速性能（8.9s）为预设基准，采用LST发动机所匹配的ISG电机功率大小应为大约10~15kW的峰值功率，电机功率大于12kW时可达到同样的加速性能。 由于电机助力的作用，混合动力轿车低速段加速能力明显优于原型车，仿真结果如表4所示。 　　2.6电池的选择 　　目前，对电池容量的确定尚无标准可循，因为实际的行驶工况变化多端，并且需要较长的时间考核电池的容量是否够用。根据目前国际上混合动力的开发经验，一般采用5次连续加速循环进行测试，然后选择电池容量。图5给出了采用18kW的电机5次连续加速仿真试验的结果。 　　多次加速仿真试验后最终SOC为42.28％，根据供应商提供的信息，SOC波动值在正常运行模式下应保持在20%以内。结果显示:SOC的最终值在5次加速之后仍在许可的范围内（大于40%）。仿真结果也表明，选用的电池供应商的主流产品144V,8Ah电池容量比需求稍大，可以满足系统要求。 　　3 结语 　　通过以上混合动力系统匹配仿真分析，可得到如下结论： 　　（1）对电机功率大小的匹配结果表明，在NEDC和SHDC工况下的燃油消耗有相同的趋势，在SHDC工况下可得到更多的油耗节省；电机功率大于7kW后对燃油消耗的影响很小。 　　（2）要达到传统2. 5LV6发动机轿车0－100km/h的加速性能要求，1.8T发动机轿车需要匹配的ISG电机峰值功率大约为12kW，持续时间要大于20s，低速端扭矩大约为100Nm，可以满足频繁热启动发动机的要求。 　　（3）采用多次连续加速仿真测试表明，采用系统电压为144V、单体电池容量为8Ah、峰值功率为30kW、容量为1 kWh的电池组可以满足1.8T发动机平台的混合动力要求。 　　（4）由于以上两个工况减速制动的情况较多，选用7kW以上的电机功率可以回收所有的制动能量，但蓄电池荷电状态前后一致的假设在一定程度上限制了电机的助力作用，进一步对蓄电池荷电状态前后不一致的情况进行仿真分析，包括对发电机工作点进一步优化，考虑到电机助力和发电模式潜力的发挥，预计还有4%~8%左右燃油消耗节省的潜力。 　　（5）仿真结果表明：1．8T发动机＋12kW ISG电机＋144V电池系统可以满足2.5L V6发动机平台轿车百公里加速动力性水平，比原1.8T发动机轿车改善8%，燃油经济性比原车改善预期能达到15％以上。 信息来源于：造汽车网