馬 袁，劉登國，宋蘊(yùn)璞

1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)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(dòng)力來源，同時(shí)綜合動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)技術(shù)的車輛。新能源汽車包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車和其他能源汽車[1]。據(jù)研究表明，純電動(dòng)汽車的綜合能量效率要比柴油、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高出很多。然而，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量密度較低，且電能補(bǔ)充受到時(shí)間與地點(diǎn)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(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)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(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、匹配方面研究工作；隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(dòng)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(dòng)力公交車（以SXC6110GSHEV為例）的設(shè)計(jì)需求和參數(shù)匹配方案為例，通過仿真軟件開展動(dòng)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(dòng)力計(jì)算軟件”、“混合動(dòng)力仿真計(jì)算軟件”?！罢噭?dòng)力計(jì)算軟件”適用于純電動(dòng)以及混合動(dòng)力的動(dòng)力仿真計(jì)算。主要是根據(jù)整車的基本參數(shù)以及整車的設(shè)計(jì)需求，來計(jì)算動(dòng)力性需求，得到電機(jī)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(jī)參數(shù)，利用后向仿真建模的方式。“混合動(dòng)力仿真計(jì)算軟件”主要適用于增程式混合動(dòng)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(dòng)力進(jìn)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(dòng)踏板、檔位等信號，來控制電機(jī)的輸出滿足選定路譜的需求。再根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求的功率，通過控制策略來分配發(fā)電機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組和動(dòng)力電池的功率。

2 增程式混合動(dòng)力公交車的整車參數(shù)及匹配方案

增程式混合動(dòng)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(dòng)力公交車整車參數(shù)

表2 增程式混合動(dòng)力公交車系統(tǒng)匹配方案

3 整車動(dòng)力性仿真

動(dòng)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(dòng)力計(jì)算軟件”對增程式混合動(dòng)力公交車（SXC6110GSHEV）的系統(tǒng)匹配方案的動(dòng)力性進(jìn)行仿真計(jì)算。在“整車動(dòng)力計(jì)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(dòng)力公交車的動(dòng)力計(jì)算所需求的電機(jī)參數(shù)如圖2所示。

圖1 整車參數(shù)

圖2 動(dòng)力計(jì)算所需求的參數(shù)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇的是西門子1PV5138-4WS24的單電機(jī)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(dòng)力公交車（SXC6110GSHEV）滿載時(shí)的加速曲線，持續(xù)時(shí)間2 min。綠色曲線為額定扭矩下，SXC6110GSHEV客車滿載時(shí)的加速曲線，持續(xù)時(shí)間1 h。由紅色曲線可以得出0～50 km/h的加速時(shí)間為15 s，滿足整車25 s的設(shè)計(jì)需求。

根據(jù)軟件的仿真，得到增程式混合動(dòng)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(shí)間2 min。藍(lán)色曲線為額定扭矩下的爬坡性能，持續(xù)時(shí)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(lán)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(biāo)路譜和實(shí)際運(yùn)行路譜圖（80 kW）

圖6 目標(biāo)路譜和實(shí)際運(yùn)行路譜圖（100 kW）

4 整車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真

根據(jù)選擇的路譜，仿真計(jì)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(dòng)機(jī)最大功率分別設(shè)置為80 kW、100 kW情況下，利用“混合動(dòng)力仿真計(jì)算軟件”對燃油經(jīng)濟(jì)性及發(fā)電機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組以及動(dòng)力電池的匹配方案在選擇中國城市公交車典型路譜上進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)中國城市公交典型路譜，選擇了驅(qū)動(dòng)電機(jī)為1PV5138-4WS24單電機(jī)，動(dòng)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(dòng)機(jī)為SC4H140.1Q5，發(fā)電機(jī)為1FV5139-6WS28?？刂撇呗赃x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(dòng)力系統(tǒng)匹配選擇功率為80 kW時(shí)，在中國城市公交循環(huán)工況最后一段急加速階段，整車動(dòng)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(shí)的電動(dòng)機(jī)供電狀態(tài)，實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率在滿足電動(dòng)機(jī)發(fā)電，補(bǔ)充電能的同時(shí)，也在為電動(dòng)機(jī)供電，而車輛也正處于加速工況，需要發(fā)動(dòng)機(jī)額外輸出功率，同時(shí)也需保證在得到良好動(dòng)力性能的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)保持在經(jīng)濟(jì)工況下運(yùn)行。因此綜合考慮上述因素，將控制策略發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率提升至100 kW。

從圖6可以看出，動(dòng)力系統(tǒng)匹配選擇功率為100 kW時(shí)，實(shí)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(dòng)機(jī)功率隨時(shí)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(dòng)機(jī)在80 kW和100 kW時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的負(fù)荷情況基本相似，只是在最后急加速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)在80 kW的控制策略時(shí)多次滿負(fù)荷運(yùn)行，而控制策略在100 kW時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)相對穩(wěn)定許多。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨時(shí)間的運(yùn)行曲線(80 kW)

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨時(shí)間的運(yùn)行曲線(100 kW)

圖9 功率分布圖

圖10 SOC隨時(shí)間的運(yùn)行曲線

4.3 SOC變化

從圖10可以看出，動(dòng)力電池組的SOC值在車輛起步后，從70%逐步降低，在行車制動(dòng)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(shí)，SOC值降至35%， 此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)充電，使SOC值有所回升，但隨后汽車進(jìn)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(dòng)機(jī)增程發(fā)電使得電池電量得到了有效的補(bǔ)充，在循環(huán)末期進(jìn)入高速工況時(shí)，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(rèn)定“插電式混合動(dòng)力（含增程式）客車節(jié)油率水平要高于40%”方可被認(rèn)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(dòng)機(jī)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(dòng)力城市公交車動(dòng)力系統(tǒng)的油耗指標(biāo)已滿足2016年新版國家新能源車輛補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）經(jīng)過對于發(fā)動(dòng)機(jī)不同功率（80 kW和100 kW）的仿真試驗(yàn)，在兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛急加速性能和發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的前提下，在選擇增程式動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，可在根據(jù)公式估算的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(dòng)力電池組的容量或發(fā)電機(jī)組的功率匹配偏低，導(dǎo)致在加速時(shí)，有個(gè)別工況不能滿足需求。

[1]劉嘉，吳志軍，李理光，等. 微型混合動(dòng)力車的研究概況與趨勢[J]. 北京汽車，2008（1）: 18-24.

[2]Waldner J, Wise J, Crawford C, et al.Development and testing of an advanced extended range electric vehicle. SAE Technical Paper. 2011-01-0913, 2011.

[3]姬芬竹，高峰. 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006,34(4): 33-37.

[4]劉雪梅，周云山，黃偉. 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2009（10）：302-306.

[5]李俊，趙子亮. 插電式雙電機(jī)強(qiáng)混合動(dòng)力轎車的參數(shù)匹配[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41(2): 299-302.

[6]武小蘭，王軍平，曹秉剛，等. 充電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J].汽車工程，2008，30(12)：1095-1098.

[7]李濤，陳猛. 增程式公交車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例化研究[J]. 中國機(jī)械工程，2011，22(14): 1758-1763.

[8]賈輝，占澤民. 混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)能量流分析[J]. 汽車工程師，2010 (7) : 39-41.

[9]夏小華，吳小清. 混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)的選擇與仿真比較[J]. 汽車技術(shù)，2005 (6) :17-20.