陳雪平， 張海亮， 鐘再敏， 陳辛波

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院,上海 201804； 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200041)

?

插電式混合動(dòng)力汽車能耗及其影響因素分析

陳雪平1， 張海亮2， 鐘再敏1， 陳辛波1

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院,上海 201804； 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200041)

通過(guò)建立插電式混合動(dòng)力汽車(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)的前向仿真模型，對(duì)其能耗進(jìn)行仿真，并分析PHEV能耗的使用影響因素.基于Modelica物理建模語(yǔ)言，搭建PHEV整車動(dòng)力傳動(dòng)及縱向動(dòng)力學(xué)模型，并在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況下仿真整車各部分能耗變化.針對(duì)影響PHEV能耗的使用因素，重點(diǎn)仿真分析表征行駛工況的平均車速和駕駛激進(jìn)性對(duì)電量消耗(charge deplete, CD)階段電耗和電量保持(charge sustain, CS)階段油耗的影響規(guī)律.通過(guò)分析不同車速與駕駛激進(jìn)性下各部分能耗以及動(dòng)力部件工作效率的影響，揭示了行駛工況對(duì)能耗影響規(guī)律的內(nèi)在機(jī)理.

插電式混合動(dòng)力汽車； 能耗； Modelica語(yǔ)言； 行駛工況； 駕駛激進(jìn)性

插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)既能通過(guò)獲取電網(wǎng)電能而充分降低燃油消耗，又不完全依賴充電基礎(chǔ)設(shè)施，是一種成本相對(duì)較低，容易實(shí)現(xiàn)的過(guò)渡性電動(dòng)汽車解決方案[1].PHEV通常具有多種工作模式，不同模式之間能耗差異明顯，受用戶使用方式影響顯著[2]，具有復(fù)雜的能耗特征.基于仿真方法的能耗研究成本低、易操作，且更易揭示能耗影響規(guī)律.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者都是利用Simulink[3]，ADVISOR[4]，AVL CRUISE[5]，PSAT[6]等成熟商業(yè)軟件對(duì)混合動(dòng)力汽車能耗進(jìn)行仿真分析.基于Simulink的建模仿真采用信號(hào)流方式，因果關(guān)系在建模階段確定，不易搭建復(fù)雜物理對(duì)象模型，而且模型可移植性較差.商業(yè)仿真平臺(tái)CRUISE和PSAT基于物理建模方法，但其提供的模型封閉，僅對(duì)研究者提供參數(shù)定義接口，其內(nèi)部不可修改也不可見(jiàn)，無(wú)法滿足許多特定模型需求.

Modelica是面向?qū)ο?、多領(lǐng)域物理建模語(yǔ)言[7]，目前已有多個(gè)基于Modelica語(yǔ)言的建模與仿真平臺(tái)，其應(yīng)用日益廣泛.Modelica的陳述式特性非常適合用于搭建車輛正向仿真模型.

影響車輛能耗的因素可總結(jié)為結(jié)構(gòu)和使用方式兩方面[8].對(duì)于PHEV，由于其多能量源(發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池)及其引起的多工作模式的存在，使得其能耗受用戶使用方式與環(huán)境等因素的影響更顯著，因此，研究使用方式對(duì)能耗的影響規(guī)律對(duì)車輛設(shè)計(jì)和用戶使用都具有重要意義.

本文首先針對(duì)PHEV能耗影響因素特征，以某PHEV為研究對(duì)象，建立用于正向仿真的整車Modelica模型，然后仿真分析了PHEV在NEDC(new european driving cycle)循環(huán)工況中的能耗組成，最后仿真分析PHEV能耗受不同行駛工況的影響規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理.

1 PHEV仿真模型

1.1 PHEV整車模型架構(gòu)

通過(guò)建立描述車輛縱向動(dòng)力學(xué)特征的PHEV模型以計(jì)算能耗，該模型參考Modelica模型庫(kù)VehicleInterfaces中的頂層設(shè)計(jì)模式，采用前向仿真結(jié)構(gòu)，如圖1所示.仿真系統(tǒng)中的控制信號(hào)通過(guò)總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信.

圖1 基于Modelica的PHEV縱向動(dòng)力學(xué)模型

Fig.1 Longitudinal dynamic model of PHEV using Modelica

整車主要參數(shù)如表1所示.

表1 整車參數(shù)

模型基于Modelica語(yǔ)言搭建，包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、車身、輪胎、制動(dòng)系統(tǒng)等.該P(yáng)HEV為并聯(lián)、插電式混合動(dòng)力車，基于NEDC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況，對(duì)其能耗研究分為CD階段的電耗(electrical consumption, EC, kW·h·(100 km)-1)和CS階段的油耗(fuel consumption, FC, L·(100 km)-1)兩方面.

1.2 基于Modelica的關(guān)鍵部件模型

對(duì)于PHEV經(jīng)濟(jì)性的仿真，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)這兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換模塊的建模至關(guān)重要.

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

本文采用試驗(yàn)建模法搭建汽油發(fā)動(dòng)機(jī)模型，即在建立模型前通過(guò)試驗(yàn)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、燃油消耗等數(shù)據(jù)，采用查表或數(shù)據(jù)擬合方式得到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性.所搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)本體模型能模擬以下工作過(guò)程和特性：①啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程.啟動(dòng)過(guò)程將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?升高到怠速區(qū)間；停機(jī)過(guò)程輸出發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻力產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩.②動(dòng)力輸出動(dòng)態(tài)特性.根據(jù)節(jié)氣門開(kāi)度目標(biāo)值及發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速得出相應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)慣性環(huán)節(jié)模擬輸出扭矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng).③燃油消耗動(dòng)態(tài)特性.根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及節(jié)氣門開(kāi)度變化率得出相應(yīng)燃油消耗率.

1.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用插入式永磁同步電機(jī).為提高仿真速度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)建模同樣采取實(shí)驗(yàn)法，基于電機(jī)速度-轉(zhuǎn)矩特性以及效率特性曲線，建立其穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)Modelica模型[9]，如圖2所示.

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型拓?fù)鋱D

1.2.3 駕駛員模型

為實(shí)現(xiàn)仿真按既定工況運(yùn)行，正向仿真時(shí)需通過(guò)建立駕駛員模型，使其在能夠反映工況需求的前提下盡可能模擬真實(shí)駕駛員的操作過(guò)程.本文的駕駛員模型主要根據(jù)給定工況和實(shí)際車速計(jì)算加速踏板和制動(dòng)踏板位置，是典型因果模型.算法主體是車速閉環(huán)，以及修正車速偏差的比例積分(PI)調(diào)節(jié).

1.3 能耗模型

PHEV的能量消耗主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)阻消耗、電池內(nèi)阻消耗、電機(jī)能量轉(zhuǎn)換消耗、傳動(dòng)系機(jī)械損耗、制動(dòng)損耗以及整車阻力損耗.通過(guò)建立隨工況變化的制動(dòng)力矩模型實(shí)現(xiàn)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)阻損耗；通過(guò)建立等效內(nèi)部電阻模型實(shí)現(xiàn)模擬電池內(nèi)阻損耗；通過(guò)插入電機(jī)工作效率隨工況變化的二維表格實(shí)現(xiàn)模擬電機(jī)能量轉(zhuǎn)換消耗；傳動(dòng)系機(jī)械損耗包括離合器摩擦損耗、齒輪傳動(dòng)損耗以及軸承摩擦損耗，第一項(xiàng)由摩擦片間滑動(dòng)摩擦力和相對(duì)轉(zhuǎn)速確定，第二、三項(xiàng)能耗的模擬通過(guò)試驗(yàn)獲得的齒輪傳動(dòng)效率及軸承摩擦力兩個(gè)二維表格實(shí)現(xiàn)；制動(dòng)損耗由制動(dòng)盤與輪轂間摩擦力和相對(duì)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定；整車阻力包括加速阻力、輪胎與地面的滾動(dòng)阻力、坡道阻力以及風(fēng)阻.

1.4 控制策略

整車動(dòng)力系統(tǒng)能量管理采取簡(jiǎn)單易行的邏輯門穩(wěn)態(tài)控制策略實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)動(dòng)力電池荷電狀態(tài)(stage of charge, SOC)確定PHEV在CD還是CS模式工作，再根據(jù)目標(biāo)扭矩計(jì)算值和當(dāng)前車速判斷CD模式下發(fā)動(dòng)機(jī)是否開(kāi)啟、應(yīng)輸出的轉(zhuǎn)矩值，以及CS模式下電機(jī)應(yīng)輸出的轉(zhuǎn)矩值.

制動(dòng)能量回饋控制策略采用串聯(lián)式，即最大限度回收制動(dòng)能量[13].所搭建的車輛模型為前驅(qū)車型，前輪可提供機(jī)電復(fù)合制動(dòng)，后輪只能提供機(jī)械制動(dòng).根據(jù)駕駛員制動(dòng)強(qiáng)度，在滿足前后制動(dòng)力分配法規(guī)以及保證緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)安全前提下，確定電機(jī)制動(dòng)力.當(dāng)車速過(guò)低時(shí)，由于電樞反電動(dòng)勢(shì)過(guò)低而導(dǎo)致再生制動(dòng)失效，電機(jī)制動(dòng)力迅速降為零.

2 PHEV能耗組成仿真分析

2.1 CD階段綜合電耗

CD階段主要由動(dòng)力電池提供能量驅(qū)動(dòng)車輛按照給定循環(huán)工況行駛.行駛過(guò)程能量的消耗主要包括電池?fù)p耗、電機(jī)損耗、傳動(dòng)系能耗、制動(dòng)能耗、輪胎與路面之間的滾動(dòng)阻力能耗以及風(fēng)阻能耗6部分，單個(gè)NEDC循環(huán)工況內(nèi)的各部分能耗的變化過(guò)程及最終分布如圖3、圖4所示.

圖3 CD模式下的能耗變化

如圖5所示，仿真過(guò)程車輛行駛11.03 km，其中電池消耗電量1.75 kW·h，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗汽油0.066 L.根據(jù)汽油熱值，即每升汽油的能量等效為8.9 kW·h，折算成電量后的百公里綜合電耗ECD為16.46 kW·h.

圖4 CD模式NEDC工況下的能耗分布

Fig.4 Energy consumption distribution following NEDC at CD stage

圖5 CD模式下的NEDC工況電耗與油耗

2.2 CS階段綜合油耗

電量保持CS階段，車輛動(dòng)力主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī).較之CD模式，車輛內(nèi)部阻力增加了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦阻力及其附件損耗，如圖6、圖7所示.

圖6 CS模式下的能耗變化

圖8顯示NEDC單循環(huán)工況內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)消耗0.97 L汽油，電池電量增加0.35 kW·h，按照能量等效成百公里油耗為8.66 L.

3 能耗影響因素仿真分析

3.1 工況參數(shù)

通常用平均車速、平均加/減速度、怠速時(shí)間比3個(gè)特征參數(shù)反映不同行駛工況[9].怠速時(shí)間比對(duì)應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)的工作時(shí)間.車速與加/減速度會(huì)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的工作點(diǎn)以及能耗分布造成影響，因此本文只對(duì)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)能耗的影響進(jìn)行仿真分析.文獻(xiàn)[11]提出用一個(gè)“駕駛強(qiáng)度(driving intensity)”參數(shù)統(tǒng)一表征平均車速和平均加/減速度.本文為了區(qū)別二者對(duì)PHEV能耗的影響規(guī)律，將反映駕駛員駕駛車輛激進(jìn)程度的加/減速度以激進(jìn)因子G表示，令標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況對(duì)應(yīng)的G為1.

圖7 CS模式NEDC工況下的能耗分布

Fig.7 Energy distribution following NEDC cycle at CS stage

圖8 CS模式NEDC工況下的油耗和電耗

基于標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況分別衍生出不同平均車速和激進(jìn)因子的循環(huán)工況曲線.圖9所示為標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況以及1.3倍車速和激進(jìn)因子的NEDC曲線.值得注意的是，衍生工況的最高車速受限于當(dāng)前驅(qū)動(dòng)部件的最高轉(zhuǎn)速及其最大功率.

3.2 CD電耗影響

圖10為CD模式下百公里電耗隨平均車速和駕駛激進(jìn)性的變化曲線.平均車速較低時(shí)電耗隨車速增大而減小，至29.1 km·h-1達(dá)到最小.車速繼續(xù)增大，則電耗也逐漸增大.而駕駛激進(jìn)性增大總會(huì)導(dǎo)致電耗增加，只是開(kāi)始階段電耗增加速率較小.

進(jìn)一步分析并比較電耗峰/谷值對(duì)應(yīng)的行駛工況與標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況下各部分能耗.

圖9 不同NEDC工況曲線

圖10 行駛工況對(duì)電耗的影響

圖11為平均車速分別為29.1和54.9 km·h-1時(shí)單位行駛里程內(nèi)各部分能耗相對(duì)于平均車速為32.3 km·h-1，即標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況下各部分能耗的變化.由于駕駛行為對(duì)滾阻幾乎沒(méi)有影響，因此不考慮滾阻能耗的變化.車速越低，電機(jī)負(fù)荷越小，效率越低，能夠回饋的能量也越低，二者導(dǎo)致車速影響下的CD電耗曲線的前半段電耗隨車速增大而下降.后半段電耗上升主要是因?yàn)轱L(fēng)阻、傳動(dòng)系統(tǒng)等能耗的增加.高速行駛時(shí)，大功率需求使得控制器啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)參與車輛驅(qū)動(dòng).由于發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率遠(yuǎn)低于電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，因此油耗等效成電耗后將增大整車的平均電耗.

圖11 CD模式平均車速對(duì)各部分能耗的影響

Fig.11 Influences on each energy consumption component from average vehicle speed on CD stage

圖12所示為駕駛激進(jìn)性因子分別為0.67和1.50時(shí)單位行駛里程內(nèi)的各部分能耗相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況下各部分能耗的變化.風(fēng)阻由車速?zèng)Q定，因此其能耗不受駕駛激進(jìn)性影響.駕駛激進(jìn)性越高表明加/減速度越大，則駕駛員作用于油門踏板和制動(dòng)踏板深度越大，分別導(dǎo)致電機(jī)處于低速大扭矩的低效率區(qū)間的概率增大以及電機(jī)制動(dòng)力的減少.大油門操作也使發(fā)動(dòng)機(jī)工作更頻繁，增加了油耗.

圖12 CD模式駕駛激進(jìn)性對(duì)各部分能耗的影響

Fig.12 Influences of driving aggressiveness at CD stage on each energy consumption component

3.3 CS油耗影響

圖13為CS模式下的油耗隨平均車速和駕駛激進(jìn)性的變化曲線.駕駛激進(jìn)性對(duì)CS油耗的影響趨勢(shì)與其對(duì)CD電耗的影響一致，但敏感度更高.CS油耗受平均車速影響呈現(xiàn)兩端升高，中間下降的趨勢(shì).

圖13 行駛工況對(duì)油耗的影響

Fig.13 Influence of driving cycles on fuel consumption

CS模式下，風(fēng)阻、傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械制動(dòng)能耗與CD模式一致，與滾阻能耗歸并為其他項(xiàng)，較之CD模式能耗增加了發(fā)動(dòng)機(jī)附件一項(xiàng)，如圖14所示.選取平均車速分別為12.9 km·h-1和62.8 km·h-1時(shí)單位行駛里程內(nèi)各部分能耗與標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況下各部分能耗進(jìn)行比較.車速影響下的CS油耗曲線的前小段油耗上升主要是因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)比例，即EC等效油耗的下降，中間段下降主要是發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油燃油消耗率的降低，車速越高，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載越大，工作在高效區(qū)的概率越大，因此能耗越低，如圖15所示(圖中數(shù)字表示發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，g·(kW·h)-1).后小段上升主要是因?yàn)轱L(fēng)阻等能耗的增大.

圖14 CS模式平均車速對(duì)能耗和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的影響

Fig.14 Influences of average vehicle speed at CS stage on each energy consumption component and fuel consumption rate

圖15 CS模式不同平均車速下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

Fig.15 Influences of average vehicle speed at CS stage on distribution of engine working points

圖16為駕駛激進(jìn)性因子分別為0.67和1.50時(shí)單位行駛里程內(nèi)的各部分能耗相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況下能耗的變化.駕駛激進(jìn)性影響下的CS油耗曲線上升是因?yàn)榭偰芎暮桶l(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的增大.

綜合比較CD電耗與CS油耗受平均車速和駕駛激進(jìn)性代表的行駛工況的影響，如表2所示.

油耗受駕駛行為的影響較之電耗更大，二者均隨駕駛激進(jìn)增大而升高.但平均車速對(duì)二者的影響規(guī)律不同，電耗的最低點(diǎn)在平均車速的中低段，油耗的最低點(diǎn)處于平均車速的偏高速段.

圖16 CS模式駕駛激進(jìn)性對(duì)能耗和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的影響
Fig.16 Influences of driving aggressiveness at CS stage on each energy consumption component and fuel consumption rate

表2 電耗和油耗受駕駛工況影響統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)基于Modelica物理建模語(yǔ)言搭建的PHEV整車模型進(jìn)行能耗仿真，由于其完全開(kāi)放特性，不僅可以節(jié)約軟件成本，而且能夠?yàn)檠芯空咛峁┛煽壳腋咝У恼蚍抡嫫脚_(tái).

(2)以平均車速和駕駛激進(jìn)性表征影響車輛能耗的行駛工況因素.無(wú)論是CD電耗還是CS油耗，都隨駕駛激進(jìn)性升高而增大.CD電耗隨平均車速增大先減小后增大，最低點(diǎn)處于中低速段，而CS油耗隨平均車速增大先增大，然后減小，最后增大，最低點(diǎn)處于中高速段.

(3)對(duì)在用PHEV能耗的使用因素影響進(jìn)行了仿真分析，有助于用戶了解駕駛行為與能耗的關(guān)系，指導(dǎo)用戶更經(jīng)濟(jì)地使用PHEV.

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Simulation and User Factors Analysis of Energy Consumption of Plug-in Hybrid Electric Vehicles

CHEN Xueping1, ZHANG Hailiang2, ZHONG Zaimin1,CHEN Xinbo1

(1. School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. SAIC Motor Co., Ltd., Shanghai 200041, China)

The energy consumption of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) was simulated using forward-facing stream of calculations, and the user influence factors of the economy of PHEVs were discussed. Then, the model of powertrain and longitudinal dynamics system of PHEVs were built based on Modelica language and utilized to simulate the fuel consumption of Charge-sustaining (CS) mode and electric consumption of Charge-depleting (CD) mode under the standard driving cycle. Finally, the influencing mechanism of average driving speed and driving aggressiveness on CS fuel and CD electrical consumption was obtained by analyzing the energy consumption of each consuming component and the engine thermal efficiency.

plug-in hybrid electric vehicles; energy consumption; Modelica language; driving cycles; driving aggressiveness

2015-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(51575392)

陳雪平(1987—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力系統(tǒng)控制.E-mail:1210083@#edu.cn

U469.7

A