基于ADVISOR插電式混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)性能的仿真

趙林林，陳曉川，武濤

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

0 引言

目前，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)作為傳統(tǒng)燃油汽車(chē)向純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展過(guò)渡的產(chǎn)品，因?yàn)殡姵丶夹g(shù)的不成熟，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)揮重要的作用。此項(xiàng)技術(shù)已有很多專(zhuān)家在開(kāi)展研究[1-11]，但是因?yàn)槠鸩捷^晚，還需要持續(xù)深入研究混合動(dòng)力汽車(chē)。本文研究的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)采用混聯(lián)式動(dòng)力總成，此類(lèi)總成類(lèi)型兼顧了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩個(gè)能量源，因此為提高此類(lèi)動(dòng)力總成類(lèi)型的能量利用率和降低復(fù)雜程度，利用ADVISOR軟件對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行仿真，并對(duì)其進(jìn)行仿真結(jié)果分析。

1 插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的主要參數(shù)

以某款混聯(lián)式插電式動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)參數(shù)為例，整車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)置的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 插電式混合動(dòng)力汽車(chē)主要參數(shù)及性能指標(biāo)

2 插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的主要部件選擇

2.1 發(fā)電機(jī)

2.2 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇需要考慮最大車(chē)速vmax、爬坡度和v0-vt的加速時(shí)間t等，需要計(jì)算電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速，考慮插電式混合電動(dòng)汽車(chē)在純電動(dòng)模式下的工作情況，考慮3種情況，分別是：根據(jù)最高車(chē)速確定最大功率；根據(jù)爬坡性能確定最大功率；由加速性能來(lái)確定最大功率。

然后根據(jù)動(dòng)力性3項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算各自的最大功率，Ptotal≥Pmax=max（Pmax1，Pmax2，Pmax3），Ptotal為電動(dòng)機(jī)的最大功率。

2.3 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池選擇鋰離子電池，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出鋰離子電池的能量為18.4 kW·h，電池容量為26 Ah。

3 基于ADVISOR對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的仿真

3.1 ADVISOR軟件簡(jiǎn)介

ADVISOR 軟件是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室在MATLAB和Simulink軟件環(huán)境下開(kāi)發(fā)的高級(jí)車(chē)輛仿真軟件，主要采用后向仿真對(duì)整車(chē)進(jìn)行仿真，可以利用軟件自帶的子模塊來(lái)設(shè)計(jì)所需要的車(chē)型并進(jìn)行仿真，還可以通過(guò)軟件源代碼的修改來(lái)設(shè)計(jì)需要的子模塊。其中，子系統(tǒng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)、汽車(chē)動(dòng)力學(xué)與能量控制策略等模型，能夠保證精確的仿真結(jié)果。

3.2 設(shè)置整車(chē)仿真參數(shù)

1）整車(chē)仿真參數(shù)設(shè)置。本文采用GUI界面對(duì)整車(chē)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以通過(guò)GUI界面進(jìn)行設(shè)置相關(guān)參數(shù)，選擇單位為metric，選擇軟件自帶的Prius_Jpn仿真，首先設(shè)置整車(chē)參數(shù)：整車(chē)質(zhì)量m為2250 kg，空氣阻力系數(shù)Cd為0.37，迎風(fēng)面積A為3.013 m2，軸距為2820 mm。電動(dòng)機(jī)vechile，選擇VEH_Prius_JPN，然后在文件下修改如下參數(shù)：

veh_glider_mass=2250; % (kg), 整車(chē)裝備質(zhì)量

veh_CD=0.37; % (--), 車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)

veh_FA=3.013; % (m2), 車(chē)輛的迎風(fēng)面積

veh_wheelbase=2.82;% (m), 車(chē)輛的軸距

設(shè)置好PHEV整車(chē)參數(shù)，另存為PHEV_SUV_tang，然后選擇此文件。整車(chē)參數(shù)輸入界面如圖1所示。

圖1 整車(chē)參數(shù)輸入界面

2）驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)設(shè)置。設(shè)置驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)：動(dòng)力電池最高SOC值為0.9，最低SOC值為0.3，SOC目標(biāo)值為0.5。點(diǎn)擊Powertrain Control，選擇PTC_PRIUS_JPN，然后點(diǎn)擊View/Edit M-file，打開(kāi)文件，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改：

cs_hi_soc=0.9; % (--), 動(dòng)力電池最高SOC值

cs_lo_soc=0.3; % (--), 動(dòng)力電池最低SOC值

cs_target_soc=0.5;%動(dòng)力電池SOC目標(biāo)值

然后另存為PTC_PHEV_tang文件，選擇此文件。

3）電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)定。點(diǎn)擊Motor，選擇MC_PRIUS_JPN，然后點(diǎn)擊View/Edit M-file，打開(kāi)文件，對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行修改：

mc_max_crrnt=110;%電動(dòng)機(jī)最大功率為110 kW

mc_min_volts=40;%電動(dòng)機(jī)最小功率為40 kW。

然后另存為PTC_PHEV_tang文件，選擇此文件。

4）車(chē)輪/車(chē)軸參數(shù)設(shè)定。點(diǎn)擊wheel/axle，選擇WH_PRIUS_JPN，點(diǎn)擊View/Edit M-file，打開(kāi)文件，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改：

wh_radius=0.22; %車(chē)輪直徑為0.22 m

另存為WH_PHEV_tang文件，然后選擇此文件。

再設(shè)置其他的部件參數(shù)：在輸入窗口的右側(cè)頂端，分別設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池等參數(shù)，如表2所示，設(shè)置參數(shù)如圖1所示。

表2 選擇插電式混合動(dòng)力汽車(chē)部件類(lèi)型表

3.3 設(shè)置仿真任務(wù)

完成整車(chē)參數(shù)設(shè)置后，點(diǎn)擊continue，如圖2所示，在循環(huán)工況中設(shè)置次數(shù)1。

圖2 仿真參數(shù)界面

循環(huán)行駛工況設(shè)定城市道路工況CYC_UDDS 和CYC_NEDC兩種循環(huán)工況，循環(huán)周期為1，其他參數(shù)不變，進(jìn)行仿真；單擊“Initial Conditions”對(duì)整車(chē)初始值進(jìn)行設(shè)置，其中動(dòng)力電池組SOC初始值為1，空氣阻力系數(shù)為1009；單擊“Acceleration Test”設(shè)置加速度性能參數(shù)，其中換擋延遲時(shí)間設(shè)置為0.2，整車(chē)質(zhì)量值為2250 kg，加速時(shí)間設(shè)置靜止起步到50 km/h、100 km/h，并選取汽車(chē)最大速度和最大加速度，然后單擊“RUN”。

3.4 分析仿真結(jié)果

根據(jù)上面建立的PHEV仿真模型，進(jìn)行仿真后得到此車(chē)模型的動(dòng)力性能指標(biāo)、整車(chē)百公里油耗、動(dòng)力電池SOC值變化等數(shù)據(jù)。

1）城市道路工況CYC_UDDS的仿真結(jié)果。如圖3所示，第一幅圖為速度仿真曲線(xiàn)，描述車(chē)速跟隨循環(huán)工況的運(yùn)行曲線(xiàn)，通過(guò)圖中可以看出該插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的實(shí)際車(chē)速能夠很好地跟隨循環(huán)工況車(chē)速，最高車(chē)速為124.4 km/h。第二幅圖為SOC值仿真曲線(xiàn)，描述了能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的SOC的變化曲線(xiàn)，從圖中可以看出，在1個(gè)循環(huán)工況下，SOC值從設(shè)定的起始值0.7，最后下降到0.45附近趨于穩(wěn)定，波動(dòng)范圍變化不大，充放電過(guò)程穩(wěn)定，汽車(chē)整體處在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或混合驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，保證整車(chē)的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)電池使用壽命。同時(shí)，該插電式混合動(dòng)力汽車(chē)在1個(gè)循環(huán)工況下，行駛了12 km，燃油經(jīng)濟(jì)性為5.7，0～50 km的加速時(shí)間為5.2 s。第三幅圖為排放性能曲線(xiàn)，其中HC排放量為0.683，CO排放量為0.745，NOx排放量為0.147。從圖中可以看出在混合驅(qū)動(dòng)下，排放量相比傳統(tǒng)的車(chē)型下降顯著，甚至在純電動(dòng)模式下達(dá)到了零排放，體現(xiàn)了插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)。

圖3 城市道路工況CYC_UDDS的仿真結(jié)果

2）城市道路工況CYC_NEDC下的仿真結(jié)果。如圖4所示，在此循環(huán)工況下，通過(guò)第一幅圖速度仿真曲線(xiàn)，可以看出該插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的實(shí)際車(chē)速能夠很好地跟隨循環(huán)工況車(chē)速，最高車(chē)速為124.4 km/h，和上一個(gè)循環(huán)工況一致。通過(guò)第二幅圖SOC值仿真曲線(xiàn)，可以看出在1個(gè)循環(huán)工況下，SOC值從設(shè)定的起始值0.7，最后下降到0.45附近，然后又略有上升，波動(dòng)范圍變化不大，充放電過(guò)程穩(wěn)定，汽車(chē)整體處在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或混合驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下。同時(shí)，該插電式混合動(dòng)力汽車(chē)在1個(gè)此類(lèi)循環(huán)工況下，行駛了10.9 km，燃油經(jīng)濟(jì)性為6.5，0～50 km，加速時(shí)間為5.2 s。通過(guò)第三幅圖排放性能曲線(xiàn)，其中HC排放量為0.745，CO排放量為0.729，NOx排放量為0.115。從圖中可以看出在混合驅(qū)動(dòng)下，此循環(huán)工況下，排放量比上一個(gè)循環(huán)工況下要多一些，在純電動(dòng)模式下幾乎達(dá)到了零排放。

圖4 城市道路工況CYC_NEDC下的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

以某車(chē)型為參照對(duì)象，對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)。采用ADVISOR仿真軟件，建立插電式混合動(dòng)力汽車(chē)分配機(jī)構(gòu)——行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真模型，修改其中的M文件，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電池等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在兩種循環(huán)工況下進(jìn)行仿真分析，通過(guò)分析仿真，得出插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力仿真輸出結(jié)果，分析各項(xiàng)參數(shù)，為整車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。