王曉東，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

在當(dāng)前人們對環(huán)境保護意識的增強以及嚴(yán)峻的環(huán)保形勢下，發(fā)展新能源汽車越來越受各國政府及車企的重視。根據(jù)某機構(gòu)采集的北京市2014年冬、春、夏、秋4個季節(jié)代表月1、4、7、10月的大氣細顆粒物PM2.5樣品，分析研究了PM2.5質(zhì)量濃度、化學(xué)特征、季節(jié)變化和污染成因。PM2.5主要來源于機動車排放、燃煤、地面揚塵和工業(yè)排放，其貢獻率分別為37.6%、30.7%、16.6%和15.1%。降低汽車行駛時有害物質(zhì)的排放已經(jīng)是各車企不得不面對的問題。汽車行業(yè)研發(fā)排放量更低的新能源汽車已經(jīng)成為主流趨勢。[1]

本文以P3+P4形式混合動力SUV車型為研究對象，以純電動和油電混合動力兩種驅(qū)動方式的動力性、經(jīng)濟性仿真為側(cè)重對混合動力SUV進了簡要的分析。根據(jù)車輛的動力性和經(jīng)濟性目標(biāo)要求制定了混合動力SUV的控制策略。在車輛減速或制動的過程中實現(xiàn)能量的回收再利用，我們采用AVL-Cruise與Simulink聯(lián)合仿真的方式對混合動力SUV的控制邏輯進行分析及對比，從而確定動力性及經(jīng)濟性最優(yōu)方案。

1 混合動力系統(tǒng)

1.1 P3+P4混合動力系統(tǒng)簡介

對于P0～P4混合動力形式而言，P代表并聯(lián)，數(shù)字代表不同的位置，其具體位置如圖1所示：

圖1 混合動力形式介紹

K0離合器的作用為在純電動模式時將不參與驅(qū)動的發(fā)動機與動力系統(tǒng)斷開，保證純電動系統(tǒng)的高效運行，K1離合器在油電混合動力模式時起到兩個動力源解耦的作用；

P0混合動力形式：電機置于變速箱之前，皮帶驅(qū)動BSG電機(啟動、發(fā)電一體電機)。

P1混合動力形式：ISG電機置于變速箱之前，安裝在發(fā)動機曲軸上，在K0離合器之前。

P2混合動力形式：電機置于變速箱的輸入端，在K0離合器之后。

P3混合動力形式：電機置于變速箱的輸出端，將動力與發(fā)動機同軸輸出。

P4電機置于變速箱之后，與發(fā)動機的輸出軸分離，一般是驅(qū)動無動力的車輪。[2]

1.2 建立整車模型

本文著重以P3+P4形式混合動力SUV為研究對象，利用AVL Cruise軟件進行整車物理模型搭建。AVL Cruise是一款用于動力經(jīng)濟性以及排放性能的仿真的軟件，主要用于對車輛傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的開發(fā)。其模塊化的建模理念使用戶可以便捷的搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型，其復(fù)雜完善的求解器可以確保計算的速度。

圖2 Cruise整車模型

在驅(qū)動形式方面本文以純電動和油電混合動力兩種驅(qū)動方式進行對比。當(dāng)車輛以純電動方式行駛時，動力經(jīng)動力電池傳輸給前后電動機，再經(jīng)過主減速器及差速器傳遞至車輪，從而帶動車輛行駛，發(fā)動機不直接驅(qū)動車輪；當(dāng)車輛以油電混合動力方式行駛時，發(fā)動機將動力傳遞至前輪，也可根據(jù)需求通過發(fā)電機向動力電池充電，同時動力電池以與純電動相同的方式進行驅(qū)動。根據(jù)動力傳遞路線建立車輛模型，輸入各結(jié)構(gòu)部件所需參數(shù)，如圖2所示。

2 控制策略

該混合動力汽車運行模式主要分為純電動驅(qū)動、油電混合驅(qū)動兩種模式，當(dāng)汽車運行在純電動模式時，發(fā)動機關(guān)閉，電池作為獨立能量源，電池SOC值呈下降趨勢；當(dāng)電池SOC值低于下限SOCmin或整車需要較強動力輸出時，發(fā)動機啟動參與驅(qū)動車輛，同時發(fā)動機通過發(fā)電機向電池充電，電池再以與純電相同的方式將動力傳遞至車輪。

圖3 整車混合動力控制策略圖

整車混合動力控制策略如圖 3所示，基本控制思路為：首先采集SOC值、踏板信號、電機輸出扭矩，當(dāng)電機需求轉(zhuǎn)矩 T＜0時汽車處于制動狀態(tài)，電動機將動力轉(zhuǎn)化為電能儲存到電池中；當(dāng)T＞0，電池SOC＞SOCmin， 且電機可輸出功率大于車輛需求功率，即P電＞P需時，車輛處于純電動模式，蓄電池單獨為車輛提供能量；當(dāng)T＞0，電機輸出功率不能滿足車輛所需功率，即P電＜P需，車輛進入油電混合動力模式，電動機發(fā)動機同時為車輛提供能量，發(fā)動機通過主減速器及差速器將動力傳遞至車輪，同時通過發(fā)電機向電池充電，電池再以和純電相同的方式將動力傳遞至車輪，此時車輛可以獲得更好的動力表現(xiàn)。按照上述邏輯建立Simulink仿真模型，如圖4所示。[3]

圖4 Simulink仿真模型

3 整車性能分析

3.1 動力性分析

車輛動力性體現(xiàn)了一輛車動力總成系統(tǒng)匹配程度的好壞，也考驗了工程師的設(shè)計水平。我們從原地起步加速時間、最大加速度以及最高車速三項指標(biāo)來分析車輛的動力性。根據(jù)國標(biāo)要求，動力性測試要在整車半載質(zhì)量下進行。對軟件中Full Load Acceleration 任務(wù)進行設(shè)置，明確計算任務(wù)并輸入?yún)?shù)，計算后可得到整車加速曲線及參數(shù)。[4]

3.1.1 原地起步加速時間分析

原地起步加速模擬車輛從靜止加速到一定速度的時間，反映整車的動力水平，為汽車設(shè)計中常見的動力性評價指標(biāo)。我們分別計算純電動模式和油電混合動力模式下的加速性能。

純電動模式中，設(shè)置SOC值為90%，計算結(jié)果如圖5：

圖5 純電動模式0-100km/h加速時間

由圖5可知純電動模式0-100km/h原地起步加速時間為6.79S。

混合動力汽車最強加速模式為電動機和發(fā)動機同時向車輛提供動力，且SOC值較高。在軟件中設(shè)置SOC值為90%，發(fā)動機為啟動狀態(tài)，計算結(jié)果如圖6：

圖6 混合動力模式0-100km/h加速時間

如圖6所示油電混合動力模式0-100km/h原地起步加速時間為5.5S。油電混合動力模式在0-100km/h加速時間方面較純電動模式有明顯提高。

3.1.2 最大加速度

最大加速度性能也是評價車輛加速能力的一項指標(biāo)，較大的加速度會給人較強的加速感受，對軟件中 Full Load Acceleration 任務(wù)進行設(shè)置，計算結(jié)果如圖7、圖8：

圖7 純電動模式最大加速度

如圖7，純電動模式最大加速度為5.6m^2/s。

圖8 混合動力模式最大加速度

如圖8，油電混合動力模式最大加速度為6.6m^2/s。

可知車輛在油電混合動力模式下，會給人體更強烈的主觀加速感受。也從側(cè)面證明0-100km/h加速時間對比結(jié)論的正確性。

3.1.3 最高車速分析

由于世界各國對最高車速的限制不同，車輛行駛在高速公路上時，在不違反交通規(guī)則的情況下，較高的最高車速可以使汽車更快的到達目的地，減少乘客路途上的時間。分別計算純電動模式和油電混合動力模式下的最高車速性能，計算結(jié)果如圖9、圖10：

圖9 純電動模式最高車速

如圖9，純電動模式最高車速為131km/h。

圖10 混合動力模式最高車速

如圖10，油電混合動力模式最高車速為171km/h。

通過以上動力性指標(biāo)對比可知，油電混合模式在整車動力性方面較純電動模式有明顯優(yōu)勢。

3.2 經(jīng)濟性分析

對于混合動力車型來說，其工況包含油電混合式驅(qū)動，純電動式驅(qū)動，需分別結(jié)算其能量消耗情況。我們采用NEDC工況對其進行測試。根據(jù)目前我國對于新能源汽車法規(guī)GB/T 19753-2013 輕型混合動力電動汽車能量消耗量計算方法中要求，混合動力汽車能量消耗計算方法分為條件A、條件B進行。條件A為在車輛SOC最高值作為初始點，行駛完一個NEDC循環(huán)后消耗的電量。在純電動模式下車輛以50±2km/h的速度行駛，至發(fā)動機自行啟動時的SOC值作為條件 B的初始點，計算混合動力模式下的電量和燃油消耗量。[5]

3.2.1 續(xù)駛里程分析

圖11 純電動模式續(xù)航里程

如圖 11，根據(jù)軟件計算結(jié)果，車輛以 SOC最高值90%作為起點，行駛至電池放電過程終止（SOC值為30%），共行駛了5個完整的NEDC循環(huán)及額外4.128km，總共58.718km。

3.2.2 燃油消耗分析

式中：

C——燃料消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

c1——條件A試驗中所得燃油消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

c2——條件 B試驗中所得燃油消耗量，單位為升每百千米（L/100km）。

De——按照附錄B規(guī)定的試驗規(guī)程，所測得的純電動續(xù)駛里程，單位為千米（km）。

Dav——25km（假設(shè)的儲能裝置兩次充電之間的平均行駛里程）。

分別計算式（1）中各參數(shù)。其中，條件 A中燃油消耗量c1為0 L/100km，條件B中燃油消耗量c2為7.12 L/100km，所測的純電動續(xù)航里程De為58.718km，根據(jù)公式求得綜合燃油消耗量C為2.13 L/100km。

4 總結(jié)

本文對新能源汽車在純電動及油電混合動力模式下的動力經(jīng)濟性進行計算及對比，在油電混合動力模下車輛可以獲得更強的動力性，同時在經(jīng)濟性方面較傳統(tǒng)汽油車也有明顯優(yōu)勢。在如今國家和民眾對于環(huán)境保護的意識越來越強，傳統(tǒng)制造業(yè)已經(jīng)來到了必須進行技術(shù)革新的新階段。

汽車行業(yè)中，世界范圍各大主流汽車廠商已經(jīng)宣布在2025年停止傳統(tǒng)燃油車的生產(chǎn)及銷售，汽車行業(yè)電氣化已經(jīng)是必然趨勢，抓緊提升新能源汽車研發(fā)能力是新一代工程師面臨的緊迫任務(wù)。作為最大的發(fā)展中國家，同時也是新能源消費大國，我國發(fā)展新能源汽車行業(yè)已經(jīng)勢在必行。

參考文獻

[1] 韓力慧.北京市大氣細顆粒物污染與來源解析研究.[J]中國環(huán)境科學(xué).2016.36 (11):3203-3210 .

[2] 杜莎.深耕混合動力技術(shù)[C].汽車與配件.2017（26）:58-60.

[3] 張杰.混合動力城市客車多能源控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學(xué).2010.

[4] 黃華,邱森,李獻菁,黃錦成.車用替代能源動力性、排放性研究[J].裝備制造技術(shù),2006(04):29-31.

[5] GB/T 19753-2013,輕型混合動力電動汽車能量消耗量計算方法[S].