馬 袁，劉登國，宋蘊璞

1.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，2.上海浦東新區(qū)公共交通有限公司，3.上海市環(huán)境監(jiān)測中心

0 引 言

新能源汽車是指采用非傳統(tǒng)車用燃料（汽柴油）作為動力來源，同時綜合動力控制和驅(qū)動的先進技術(shù)的車輛。新能源汽車包括純電動汽車、混合動力電動汽車、燃料電池電動汽車和其他能源汽車[1]。據(jù)研究表明，純電動汽車的綜合能量效率要比柴油、汽油發(fā)動機高出很多。然而，純電動汽車動力電池能量密度較低，且電能補充受到時間與地點的制約很大，續(xù)駛里程受限，通過技術(shù)手段延長續(xù)駛里程的增程式混合動力系統(tǒng)應(yīng)運而生。Waldner J[2]、姬芬竹[3]、劉雪梅[4]、李俊[5]、武小蘭[6]、李濤[7]等開展了混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計、匹配方面研究工作；隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，仿真技術(shù)在汽車制造及開發(fā)領(lǐng)域起到不可或缺的作用；常用的電動汽車仿真軟件大多基于兩種仿真建模方法：前向式建模仿真和后向式建模仿真[8,9]。

本文以增程式混合動力公交車（以SXC6110GSHEV為例）的設(shè)計需求和參數(shù)匹配方案為例，通過仿真軟件開展動力系統(tǒng)性能仿真研究。

1 仿真軟件

本文采用的仿真軟件為上海眾聯(lián)能創(chuàng)新能源科技有限公司研發(fā)的“整車動力計算軟件”、“混合動力仿真計算軟件”?！罢噭恿τ嬎丬浖边m用于純電動以及混合動力的動力仿真計算。主要是根據(jù)整車的基本參數(shù)以及整車的設(shè)計需求，來計算動力性需求，得到電機需求的最大扭矩、最高轉(zhuǎn)速以及最大功率等參數(shù)，根據(jù)選擇的電機參數(shù)，利用后向仿真建模的方式?！盎旌蟿恿Ψ抡嬗嬎丬浖敝饕m用于增程式混合動力的油耗以及控制策略的仿真；這套軟件主要針對西門子ELFA系統(tǒng)的增程式混合動力進行開發(fā)。采用前向仿真建模的方式，根據(jù)駕駛員模型，通過調(diào)整牽引踏板、制動踏板、檔位等信號，來控制電機的輸出滿足選定路譜的需求。再根據(jù)驅(qū)動電機需求的功率，通過控制策略來分配發(fā)電機—發(fā)動機組和動力電池的功率。

2 增程式混合動力公交車的整車參數(shù)及匹配方案

增程式混合動力公交車（SXC6110GSHEV）的整車參數(shù)以及系統(tǒng)匹配方案，詳見表1、表2所示。

表1 增程式混合動力公交車整車參數(shù)

表2 增程式混合動力公交車系統(tǒng)匹配方案

3 整車動力性仿真

動力仿真主要有加速性能仿真曲線、爬坡性能仿真曲線。

使用“整車動力計算軟件”對增程式混合動力公交車（SXC6110GSHEV）的系統(tǒng)匹配方案的動力性進行仿真計算。在“整車動力計算軟件”的整車參數(shù)中輸出相關(guān)參數(shù)，如圖1所示，為所需仿真車輛的整車參數(shù)，匹配方案配了西門子4.05速比的減速箱，匹配了6.17速比的后橋，增程式混合動力公交車的動力計算所需求的電機參數(shù)如圖2所示。

圖1 整車參數(shù)

圖2 動力計算所需求的參數(shù)

驅(qū)動電機選擇的是西門子1PV5138-4WS24的單電機配4.05減速箱方案。根據(jù)該方案，使用仿真軟件仿真的加速性能曲線（如圖3所示）。紅色曲線為最大扭矩下，增程式混合動力公交車（SXC6110GSHEV）滿載時的加速曲線，持續(xù)時間2 min。綠色曲線為額定扭矩下，SXC6110GSHEV客車滿載時的加速曲線，持續(xù)時間1 h。由紅色曲線可以得出0～50 km/h的加速時間為15 s，滿足整車25 s的設(shè)計需求。

根據(jù)軟件的仿真，得到增程式混合動力公交車（SXC6110GSHEV）爬坡性能曲線（如圖4所示）。黑色曲線為最大扭矩下的爬坡性能，持續(xù)時間2 min。藍色曲線為額定扭矩下的爬坡性能，持續(xù)時間為1 h。從黑色曲線中，可以得到整車的最大爬坡能力為16%，最高爬坡車速為18.4 km/h。從藍色曲線中，可以得到連續(xù)爬坡能力為6.3%，連續(xù)爬坡下的最高車速為21 km/h。滿足車輛最大爬坡度15%@15 km/h以及連續(xù)爬坡6%@20 km/h的要求。

圖3 加速性能曲線

圖4 爬坡性能曲線

圖5 目標路譜和實際運行路譜圖（80 kW）

圖6 目標路譜和實際運行路譜圖（100 kW）

4 整車燃油經(jīng)濟性仿真

根據(jù)選擇的路譜，仿真計算初步的能耗、功率分布曲線、扭矩-T曲線、功率-T曲線等。

在發(fā)動機最大功率分別設(shè)置為80 kW、100 kW情況下，利用“混合動力仿真計算軟件”對燃油經(jīng)濟性及發(fā)電機—發(fā)動機組以及動力電池的匹配方案在選擇中國城市公交車典型路譜上進行仿真模擬。根據(jù)中國城市公交典型路譜，選擇了驅(qū)動電機為1PV5138-4WS24單電機，動力電池組為電池組電壓621.6 V、電池組容量32 A·h的錳系高功率鋰離子電池組，發(fā)動機為SC4H140.1Q5，發(fā)電機為1FV5139-6WS28。控制策略選擇功率為80 kW、100 kW。

4.1 中國城市公交循環(huán)工況符合率

從圖5可以看出，動力系統(tǒng)匹配選擇功率為80 kW時，在中國城市公交循環(huán)工況最后一段急加速階段，整車動力不夠助力整車的加速需求，全路譜符合率為90%左右?？紤]到此時的電動機供電狀態(tài)，實際上發(fā)動機的輸出功率在滿足電動機發(fā)電，補充電能的同時，也在為電動機供電，而車輛也正處于加速工況，需要發(fā)動機額外輸出功率，同時也需保證在得到良好動力性能的前提下，發(fā)動機應(yīng)保持在經(jīng)濟工況下運行。因此綜合考慮上述因素，將控制策略發(fā)動機最大功率提升至100 kW。

從圖6可以看出，動力系統(tǒng)匹配選擇功率為100 kW時，實際路譜車速已經(jīng)接近了中國城市公交典型路譜，符合率為97%以上。

4.2 發(fā)動機功率隨時間變化

從圖7、圖8、圖9的比較中可以看出，控制策略選擇發(fā)動機在80 kW和100 kW時，發(fā)動機功率的負荷情況基本相似，只是在最后急加速階段，發(fā)動機在80 kW的控制策略時多次滿負荷運行，而控制策略在100 kW時，發(fā)動機運行狀態(tài)相對穩(wěn)定許多。

圖7 發(fā)動機功率隨時間的運行曲線(80 kW)

圖8 發(fā)動機功率隨時間的運行曲線(100 kW)

圖9 功率分布圖

圖10 SOC隨時間的運行曲線

4.3 SOC變化

從圖10可以看出，動力電池組的SOC值在車輛起步后，從70%逐步降低，在行車制動過程中的能量回收使得SOC值有趨于平緩的趨勢，當(dāng)仿真至約880 s時，SOC值降至35%， 此時發(fā)動機啟動充電，使SOC值有所回升，但隨后汽車進入高速工況，電池耗電量增大，電池SOC值回升至0.45后開始下降，當(dāng)汽車降速后，SOC值又逐漸回升。由此可見，發(fā)動機增程發(fā)電使得電池電量得到了有效的補充，在循環(huán)末期進入高速工況時，仍然可以滿足行車需要，增程效果明顯。

4.4 油耗仿真

目前國家政策認定“插電式混合動力（含增程式）客車節(jié)油率水平要高于40%”方可被認為是新能源車輛。以目前上海地方同等10.5 m常規(guī)柴油公交車成本規(guī)制中要求的百公里油耗34～36 L/100 km算，符合要求的10.5米級增程式車輛的百公里油耗應(yīng)當(dāng)小于20.4 L/100 km。從表3可以看出，發(fā)動機最大功率分別設(shè)置為80 kW、100 kW情況下，整車綜合油耗分別是18.4 L/100 km、18.79 L/100 km，均滿足油耗≤20.4 L/100 km的要求，且與常規(guī)柴油公交車相比，其油耗可以減低50%。

表3 油耗仿真結(jié)果

5 結(jié) 論

1）通過仿真軟件的分析可知：在城市道路爬坡度要求不高（坡度≤15%），急加速或急減速要求不太頻繁的工況下，此方案的增程式混合動力城市公交車動力系統(tǒng)的油耗指標已滿足2016年新版國家新能源車輛補貼標準要求。

2）經(jīng)過對于發(fā)動機不同功率（80 kW和100 kW）的仿真試驗，在兼顧燃油經(jīng)濟性、車輛急加速性能和發(fā)動機使用壽命的前提下，在選擇增程式動力系統(tǒng)的發(fā)動機功率時，可在根據(jù)公式估算的發(fā)動機輸出功率基礎(chǔ)上，略作適當(dāng)上浮。油耗雖有小幅上升，但在車輛急加速性能和延長使用壽命方面更為合理。

3）對仿真結(jié)果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)匹配還有需要優(yōu)化的地方：（1）控制策略不完善，導(dǎo)致仿真結(jié)果存在一定的偏差；（2）動力電池組的容量或發(fā)電機組的功率匹配偏低，導(dǎo)致在加速時，有個別工況不能滿足需求。

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