并联溷合动力电动轿车多能阳源动力总成匹配仿真.doc

并联混合动力电动轿车多能源动力总成匹配和控制策略的仿真研究 华中科技大学电动汽车研究院一、 引言在并联混合动力电动汽车动力总成配置中，通常将内燃动力与电动动力通过机械传动装置耦合在一起，在不同的工况条件下组成不同的工作模式，从而使内燃动力和电动动力各发挥所长而避其短，以应对越来越严酷的环保和能源限制要求。内燃机、电动/发电机、储能装置、传动装置、电力电子和微电子控制器等组成了并联混合动力电动汽车的多能源动力总成，上述各部件的参数匹配和系统控制策略对于混合动力电动汽车的性能起着至关重要的决定性作用。为此，在开发阶段必须通过计算机仿真技术寻求适宜的匹配和控制策略，以使用较低的开发成本、较短的开发周期实现预定的开发目标。本文主要通过以MATLAB为平台的Advisor分析软件，对所开发的奇瑞HEV混合动力轿车多能源动力总成的配置进行验算和比较，对多能源控制策略的效果进行初步的计算认定。二、 仿真模型奇瑞HEV混合动力轿车的仿真模型如图1所示，其中分别建立了车辆模型、发动机模型、电机模型、电池模型、传动装置模型、车轮模型、附件模型和动力装置控制模型等。发动机模型的输入参数采用376电喷汽油机的试验数据, 但由于未得到有关排放的数据而未能置入排放模型。电机模型的输入参数是按所设计任务书要求的指标参考同类产品性能曲线而假设的, 在实际电机试验结果出来后再行替换，而电池模型输入参数则参照了同样容量下国外公司的Li电池资料。为了比较不同的控制策略，构筑了PTC-PAR2chery和INSIGHT两种控制策略。图2是其中之一的控制策略框图。奇瑞HEV混合动力轿车的传动装置考虑了电机与发动机之间直接连接的相同转速关系以及变速器本身具有的5个前进档，按通常的方法考虑换档规律，图3是仿真中所用的376发动机万有特性图，图4是10kw交流感应电机特性曲线图。 图1. 并联混合动力电动汽车仿真模型 图2. 多能源动力系统控制策略框图 图3. 376发动机万有特性图 图4. 10kw交流感应电机特性曲线图三、 仿真结果1、“标准参数”下性能仿真：“标准参数”指车辆总质量1443kg，主减速比4.133，单元电池容量15Ah，装376汽油发动机，采用PTC-PAR2chery控制策略。分别对ECE_EUDC（平均车速62.44km/h，最高车速120 km/h, 每10.93km内有13次停车）, ECE_EUDC_LOW（平均车速31.11km/h，最高车速90 km/h, 每10.59km内有13次停车）, US06_HWY（平均车速97.91km/h，最高车速129.23 km/h, 每10.04km内有1次停车）, NYCCOMP（平均车速14.1km/h，最高车速57.94 km/h, 每4.03km内有19次停车）, NYCC工况循环 （平均车速11.41km/h，最高车速44.58 km/h, 每1.9km内有18次停车）进行仿真，所得性能指标如表1。表1“标准参数”条件EUDCEUDC_LOWUS06_HWYNYCCOMPNYCC动力性0100km/h加速时间(s)60100km/h 加速时间(s)最大爬坡度(%)最高车速(km/h)16.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.6经济性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充满续驶里程(km)5.78775.78776.57697.864111454SOC在循环中的变化范围2%1.3%2.8%1.3%0.5%图5给出了EUDC_LOW工况下的一组曲线，其中（a）为行驶工况，（b）为发动机输出转速(rad/s)，（c）为发动机输出转矩(Nm)，（d）为电机输入功率(相对量)，（e）为10个循环（共计105.9km路程）中的电池SOC变化范围。图6给出了NYCC工况下的一组曲线，（a）（d）的意义同前，（e）中10个循环的里程数为19km, 图中横坐标为时间(s)。 (a) (b) (c) (d) (e) 图5. EUDC_LOW工况下的一组数据 (a) (b) (c) (d) (e) 图6. NYCC工况下的一组数据2与纯内燃动力情况的比较为了比较混合动力在性能方向与传统动力的差异，进行了换装纯内燃动力的仿真计算，计算中发动机仍为376汽油机，汽车总质量由于不装电机和电池而减少至1372kg，所得性能结果如表2所示。对比表1与表2, 可以看到混合动力比纯内燃动力的节油率因工况循环不同而有很大差异: 平均车速高, 停车频率低则节油少; 平均车速低, 停车频率高则节油多。表2纯内燃动力条件EUDCEUDC_LOWUS06_HWYNYCCOMPNYCC动力性0100km/h加速时间(s)60100km/h 加速时间(s)最大爬坡度(%)最高车速(km/h)2414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.3经济性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充满续驶里程(km)7.46767.17046.972511.742715.9314混合动力相对于该纯内燃动力的节油率23%20%5.8%33.3%30.8%3不同控制策略对于不同的控制策略,包括同样控制策略下的一些门槛值参数选择进行了仿真计算。表3给出的是按PTC-PAR2chery和PTC-Insight二种不同的控制策略所作的仿真结果。图7给出了这二种不同策略下的电机输入功率曲线的对比（NYCC工况循环下）。表3 EUDC_LOW NYCCPTC-PAR2cheryPTC-InsightPTC-PAR2cheryPTC-Insight经济性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充满续驶里程(km)5.78776.37941145412.6397SOC在循环中的变化范围1.3%2.5%0.5%0.3% (a) PTC-PAR2chery (b) PTC-Insight 图7. 两种控制策略下的电机输入功率曲线4电池容量选择奇瑞HEV混合动力轿车选择Li离子动力电池作为系统的储能装置，其单元电池容量初选为15Ah，此容量是否合适，需作参数分析。影响容量选择的一个重要考虑是在典型的混合动力工况下使电池的SOC变化在合理范围内。为此对容量选15Ah、10Ah和7Ah分别进行仿真计算。其计算结果如表4（对动力性和经济性的影响极小，故表4只给出SOC变化）。 表415Ah10Ah7AhEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCSOC变化范围（%）1.30.52.00.82.71.15. 主传动比：按主传动比 4.133 ，4.6，5.1分别进行仿真计算，所得结果如表5。 表54.1334.65.1EUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCC动力性0100km/h加速时间(s)60100km/h加速时间(s)最大爬坡度（%）最高车速（km/h）16.39.643178,616.39.643178.616.19.748.2160.916.19.748.2160.916.09.648.314516.09.648.3145经济性百公里油耗（L/100km）5.7115.7115.810.850L油箱一次充满续驶里程（km）877454877454862463SOC在循环中变化范围1.30.51.40.51.50.46总质量按1443kg , 1200kg 和1000kg三档总质量进行比较，所得结果如表6。 表6140012001000EUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCC动力性0100km/h加速时间(s)60100km/h加速时间(s)最大爬坡度（%）最高车速(km/h)16.39.643178.616.39.643178.613.78.148.3178.613.78.148.3178.611.76.848.3178.611.76.848.3178.6经济性百公里油耗（L/100km）50L油箱一次充满续驶里程（km）5.7877114555.29629.85104.910209.1549SOC在循环中变化范围1.3%0.5%1.4%0.5%1.4%0.5%四、 结果分析结合并联混合动力电动轿车的仿真计算结果，以下就多能源动力总成配置和多能源动力系统控制两个方面进一步分析。1、 配置奇瑞混合动力电动轿车是低混合度电动汽车，其混合度为26.8%左右，发动机为普通电喷汽油机，电机为飞轮壳内置集成式大转矩、高效率交流感应电机，两个动力装置的最大功率之和为56KW左右，这就使得其动力性比单用376汽油机的原车优越。由表1和表2可知，其0-100km/h加速时间从24s缩短至16.3s，60-100km/h加速时间从14.4s缩短至9.6s，其最大爬坡度（8km/h速度）从24.2增加至43%，最高车速从154.3km/h提高至178.6km/h。从经济性来说，奇瑞混合动力电动轿车的配置使其在ECE-EUDC-LOW的城郊道路工况下比原车型节能20%，而在典型的城市道路工况（NYCCOMP和NYCC）下，节能33.3和30.8%，当然，在高速公路上混合动力的优势不能得到充分体现，例如，在US06_HWY工况下，其节能幅度仅5.8%。本次仿真中由于缺乏发动机排放数据，因此未能就该混合动力配置情况下有害物排放量的减少幅度做出估计，但我们根据资料选择了Geo1.0L发动机(最大功率也是41kw)的数据进行估算得到的结果如表7所示。表7EUDC_LOW NYCC混合内燃混合内燃污染物 CO (g/km)0.2890.2960.9871.278 HC (g/km)0.090.1030.180.245 NO (g/km)0.0970.1050.1840.223由上表可知，在城市工况条件下，混合动力配置时其CO、HC、NO的比排放率分别比传统内燃动力配置时降低23%、26.5和17.5%；而在市郊公路上，这一降低量仅分别为2.3%、12.5%和7.6%。由此可见，低混合度并联型混合动力配置在动力性和经济性方面的收益大于环保方面的收益。 有关电池的配置涉及到电池组的输入、输出功率需求，寿命预计和成本考虑等因素，通常高性能的功率型Li电池SOC循环脉动幅度5%时的循环寿命达20万次以上，10%脉动幅度时的循环寿命达5万次以上，计算表明，即使单元电池7AH（参见表4），其EUDC_LOW循环中的SOC变化范围也仅2.1%，而在NYCC循环中的SOC变化范围更低，才1.1%，完全能满足寿命要求，问题在于要进一步提高电池的比功率，使其能满足10C以上的充放电要求，否则就只能增加电池容量。2、 控制策略美国RENL国立实验室根据对日本Insight 车IMA系统所作的试验建立了PTC-Insight控制策略，按该控制策略对奇瑞混合动力电动轿车的性能进行仿真，发现在该种多能源系统的控制策略下电动力的作用未充分发挥，故与纯内燃动力相比其节能幅度较小（EUDC_LOW循环时11%，NYCC循环时20.8%，参见表3）；采用PTC-PAR2chery控制策略时奇瑞混合动力电动轿车的性能得到了进一步的提高（EUDC_LOW循环时20%，NYCC循环时30.8%，参见表2）。图7通过两种情况下电机输入功率的比较对此作出了一定的解释。五、 结论根据以上的仿真计算与分析，可以得到以下结论：1、 对于所选择的配置，在城市道路的典型工况下，用PTC-PAR2chery控制策略，可以达到节能30%的目标；2、 上述并联混合动力电动轿车与同排量的纯内燃动力轿车相比，其动力性能也有明显提高；3、 奇瑞混合动力电动轿车由于采用低混合度并联混合方式，其排放下降幅度在城市道路的典型工况下只能达到20%左右，无法实现30%的目标。4、 从降低成本的角度出发，应努力提高动力电池的比功率，以便选用容量较小（如7AH）的电池。