王楠楠,徐小東,仇多洋

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230051;2.合肥學(xué)院,安徽 合肥 230601)

1 研究背景

隨著汽車保有量的不斷增加,汽車尾氣的排放加劇了環(huán)境污染,造成了能源短缺。而混合動(dòng)力汽車被認(rèn)為是當(dāng)前階段降低油耗和空氣污染的有效解決方案,已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化[1]。發(fā)展節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)具有重要意義:是降低環(huán)境污染的有效途徑;是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的戰(zhàn)略需要;是汽車工業(yè)發(fā)展的必由之路;是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容。在我國多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策的扶持下,節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)搭上了發(fā)展的高速列車[2-4]。

根據(jù)輸出功率中電機(jī)輸出功率所占的比率,即混合度,可將混合動(dòng)力系統(tǒng)分為微混、輕混、強(qiáng)混、插電式四類。48 V混合動(dòng)力屬于微混合動(dòng)力技術(shù)的一種,采用標(biāo)稱電壓48 V作為系統(tǒng)電壓,在車輛行駛過程中利用BSG(Belt-driven Started/Generator)電機(jī)參與動(dòng)力輸出和能量回收,主要起到降低油耗的作用。48 V微混系統(tǒng)以其低成本、高節(jié)油性能得到了各整車廠及零部件供應(yīng)商的認(rèn)同,與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)混合動(dòng)力汽車相比,在技術(shù)層面,48 V微混系統(tǒng)車輛依靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)主要提供動(dòng)力和能量回收,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單;在安全層面,48 V微混系統(tǒng)車對(duì)電機(jī)功率要求較低,可使用中等大小的電壓值,安全成本低。因此,在多種混合動(dòng)力節(jié)油技術(shù)中,48 V微混動(dòng)力系統(tǒng)被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)、最安全、最可靠的有效解決方案。該系統(tǒng)可降低整車10%～15%油耗,并優(yōu)化駕駛性和車輛NVH性,而成本增加在6 000元以內(nèi),且開發(fā)難度低,是一種很有前景的方案。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的安裝位置的架構(gòu)形式分為五類,以P0、P1、P2、P3、P4命名,如圖1所示。P0架構(gòu)是用發(fā)電/啟動(dòng)(Stop-Start)一體式電機(jī)取代原來的起動(dòng)機(jī),通過皮帶驅(qū)動(dòng)飛輪。P1架構(gòu)是將ISG電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端,并且在離合器前。P2架構(gòu)是將電機(jī)安裝在離合器后、變速箱前。P3架構(gòu)是將電機(jī)安裝在主減速器前端、變速箱輸出軸后端。P4架構(gòu)是將電機(jī)安裝在驅(qū)動(dòng)橋上直接驅(qū)動(dòng)車輛,該架構(gòu)主要是和其他架構(gòu)組合,形成雙電機(jī)或者三電機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng),比如長(zhǎng)城WEY P8的P0+P4架構(gòu),沃爾沃T8的P2+P4架構(gòu),全新一代唐DM、宋DM的P0+P3+P4架構(gòu)[5]。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)分類

3 整車及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模

本文搭建基于P0架構(gòu)的48 V微混系統(tǒng)的整車及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型,進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性仿真,同時(shí)搭建對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)燃油車型和帶有啟停功能的燃油車型來對(duì)比分析48 V微混系統(tǒng)的節(jié)油效果?；贏VL CRUISE和Simulink的聯(lián)合仿真結(jié)果表明,在三種車型中,48 V微混系統(tǒng)節(jié)油效果最好。

48 V微混系統(tǒng)的整車及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型的主要模塊包括整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池、變速器、差速器、駕駛室模塊等[6]。

3.1 整車模塊

整車模塊是車輛最基本的模塊,在整車模塊中輸入車輛相應(yīng)參數(shù)后,比如整車驅(qū)動(dòng)形式、整備質(zhì)量、滿載質(zhì)量、重心高度、軸距、前后輪胎壓、迎風(fēng)面積、空氣阻力系數(shù)、阻力曲線及試驗(yàn)載荷/參考車阻力曲線及試驗(yàn)載荷等,可以計(jì)算得到車輪動(dòng)態(tài)負(fù)載,整車受到的總阻力、空氣阻力、滾動(dòng)阻力、加速阻力、坡道阻力等[7]。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模型基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過查詢發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線(圖2)和燃油消耗MAP圖(圖3),插值計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩和油耗[8]。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線

be=f(Te,ne),

其中,Te為發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況下的輸出扭矩;Ne為轉(zhuǎn)速;ai為擬合發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況下輸出扭矩時(shí)的多項(xiàng)式系數(shù);be為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)燃油消耗率;ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Q為發(fā)動(dòng)機(jī)從t0到t時(shí)間內(nèi)的總油耗;Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率;ρe為燃油密度。

3.3 電機(jī)模塊

電機(jī)模塊可以作為電動(dòng)機(jī),也可以作為發(fā)電機(jī)。作為電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)的輸出功率Pd和作為發(fā)電機(jī)時(shí)的輸出功率Pc的計(jì)算公式如下[8]:

Pc=(Tm+Tr)·nm·ηm,

其中,Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速;ηm為電機(jī)效率;Tr為制動(dòng)回收扭矩。

電機(jī)的外特性曲線如圖4所示,電機(jī)效率如圖5所示。

圖4 電機(jī)外特性曲線

圖5 電機(jī)效率圖

3.4 電池模塊

電池模型可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻的電路。電池的端電壓Ub=UO-IbRb。電池輸出給電機(jī)的功率的計(jì)算公式為

Pb=UbIb.

電池的回路電流計(jì)算公式為

其中,Ub為電池端電壓;UO為電池開環(huán)電壓;Ib為電池回路電流;Rb為電池內(nèi)阻;Pb為電池輸出功率。

電池開環(huán)電壓曲線如圖6所示。

3.5 駕駛員模塊

駕駛員模塊通過信號(hào)連接完成駕駛員和車輛的信息傳遞。采用閉環(huán)控制方式來建模,即基于車輛需求車速和實(shí)際車速的差值來控制加速踏板和制動(dòng)踏板開度[5]。

其中,y(t)為控制信號(hào);k1為比例系數(shù);k2為積分控制系數(shù);k3為微分控制系數(shù);vo(t)為目標(biāo)車速;v(t)為實(shí)際車速;ya(t)為加速踏板開度信號(hào);yb(t)為制動(dòng)踏板開度信號(hào)。

為了體現(xiàn)48 V微混車的燃油經(jīng)濟(jì)性能好的優(yōu)勢(shì),使用分層建模方式。將模型分為三個(gè)層級(jí),分別是傳統(tǒng)燃油車、12 V啟停車、48 V微混車,每個(gè)層級(jí)有以下子系統(tǒng):公用傳遞系、發(fā)動(dòng)機(jī)+制動(dòng)機(jī)+監(jiān)視器+附件、48 V系統(tǒng)部件、48 V系統(tǒng)控制單元。各個(gè)層級(jí)模型是不同子系統(tǒng)的組合。傳統(tǒng)燃油車、12 V啟停車和48 V微混車系統(tǒng)模型分別如圖7至圖9所示。

圖7 傳統(tǒng)燃油車分層模型

圖8 12 V啟停車模型

圖9 48 V微混車系統(tǒng)整車分層模型

4 控制策略

混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)核心是能量管理策略,在不同的行駛工況下,協(xié)調(diào)各個(gè)能量源的工作,從能量利用最優(yōu)的角度控制汽車各個(gè)部件的工作狀態(tài),同時(shí)滿足汽車的行駛需求。目前能量管理策略主要有兩種:基于優(yōu)化的能量管理策略和基于規(guī)則的能量管理策略。其中,基于優(yōu)化的能量管理策略分為全局優(yōu)化和瞬時(shí)優(yōu)化;基于規(guī)則的能量管理策略對(duì)控制器硬件性能要求不高,魯棒性好,容易實(shí)現(xiàn),開發(fā)成本低,多用于當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)?；谝?guī)則的混合動(dòng)力汽車能量管理策略,本文研究共包含三部分:負(fù)載扭矩解析、模式切換策略、扭矩分配。

4.1 負(fù)載扭矩解析

駕駛員控制油門踏板,將不同的扭矩輸送給車輪,使車輛獲得相應(yīng)的加速度。當(dāng)車輛有小的加速度需求時(shí),駕駛員踩下小的油門踏板開度,當(dāng)車輛有大的加速度需求時(shí),駕駛員踩下大的油門踏板開度。也就是說,負(fù)載扭矩與油門踏板開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。負(fù)載扭矩解析的目的是獲得油門踏板開度、負(fù)載扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,在控制策略中可以通過建立MAP圖來實(shí)現(xiàn)。圖10為負(fù)載扭矩解析的MAP圖。

圖10 負(fù)載扭矩解析MAP圖

4.2 模式切換策略

整車工作模式的劃分及切換邏輯是通過MATLAB/SIMULINK中的Stateflow模塊來制定,通過輸入輸出信號(hào)與SIMULINK的其他模塊相連,使控制策略模型協(xié)調(diào)控制整車模塊。

4.3 扭矩分配

當(dāng)不同的動(dòng)力源工作時(shí),需要根據(jù)當(dāng)前需求扭矩和動(dòng)力部件的自身特點(diǎn)來分配各個(gè)動(dòng)力源需要提供的扭矩。為了判斷哪個(gè)動(dòng)力部件參與驅(qū)動(dòng),需要設(shè)定不同的工作模式,對(duì)不同模式設(shè)定不同規(guī)則,只要車輛運(yùn)行工況符合設(shè)定的規(guī)則,那么車輛即進(jìn)入指定工作模式[7]?？刂撇呗皂攲幽Ｐ腿鐖D11所示。根據(jù)電池荷電狀態(tài)、需求扭矩、車速時(shí)間狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、電機(jī)輸出扭矩將車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為六種驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。各工作模式的扭矩分配如表1所示,S為電池荷電狀態(tài)值,Sl為電池荷電狀態(tài)下限值,Sh為荷電狀態(tài)上限值,Tr為整車需求扭矩,v為當(dāng)前車速,Tm為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩,Te為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳效率工作扭矩,Tb為允許制動(dòng)能量回收的最大扭矩值,Tc為發(fā)動(dòng)機(jī)充電扭矩,vb為允許制動(dòng)能量回收的最低車速,Ts為允許發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止的最大扭矩值,t為車輛當(dāng)前停車的時(shí)間,ts為允許發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止的最小車輛停止時(shí)間,Ta為允許發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)的最小扭矩值。

表1 各工作模式的扭矩分配

圖11 控制策略頂層模型

5 整車仿真結(jié)果分析

在道路仿真中使用較為廣泛的NEDC循環(huán)工況,由4個(gè)城市工況(ECE)和1個(gè)市郊工況(EUDC)組成,循環(huán)工況總時(shí)間為1 181 s,總距離為10.93 km,平均速度為33.2 km/h,最大速度為120 km/h,怠速時(shí)間為300 s。對(duì)傳統(tǒng)車、增加普通啟停的汽車、48 V微混車在NEDC循環(huán)工況下進(jìn)行仿真。仿真過程中車速跟隨情況見圖12。由仿真結(jié)果可以看出,基于規(guī)則的能量管理策略下,實(shí)際車速與目標(biāo)車速是一致的,車速跟隨誤差較小。

圖12 車速跟隨情況

傳統(tǒng)車、增加普通啟停的汽車、48 V微混車三種車型的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)圖如圖13至圖15所示。從三種車型在低扭矩區(qū)域的工作點(diǎn)分布來看,傳統(tǒng)車和啟停車的分布情況相似,最不密集的是48 V微混車,其次是啟停車,最密集的是傳統(tǒng)車。48 V微混車的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)更多集中在燃油經(jīng)濟(jì)性能好的區(qū)域。

圖13 傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)圖

圖14 啟停車發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)圖

圖15 48 V微混車發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)圖

將三種車型的累積油耗進(jìn)行對(duì)比(圖16),從圖16可以看出,隨著時(shí)間增加,累積油耗逐漸增多,且增加率越來越大。48 V微混車的油耗最小,啟停車次之,傳統(tǒng)車最大。原車百公里油耗是5.152 L,啟停車百公里油耗是4.685 L,其相比原車減少的油耗量是0.467 L,節(jié)油率為11.8%。48 V微混車百公里油耗是4.148 L,比原車油耗節(jié)省1.004 L,節(jié)油率是19.488%。經(jīng)過比較可以得到如下結(jié)論:相對(duì)于啟停車,從燃油經(jīng)濟(jì)性來看,48 V微混車更加省油。

圖16 累積油耗對(duì)比

6 結(jié)語

本文基于CRUISE軟件構(gòu)建48 V微混系統(tǒng)動(dòng)力模型,并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)車、啟停車,匹配48 V系統(tǒng)的汽車在燃油經(jīng)濟(jì)性方面更具優(yōu)勢(shì)。