1、.并聯(lián)混合動力電動轎車多能源動力總成匹配和控制策略的仿真研究 華中科技大學(xué)電動汽車研究院一、 引言在并聯(lián)混合動力電動汽車動力總成配置中，通常將內(nèi)燃動力與電動動力通過機(jī)械傳動裝置耦合在一起，在不同的工況條件下組成不同的工作模式，從而使內(nèi)燃動力和電動動力各發(fā)揮所長而避其短，以應(yīng)對越來越嚴(yán)酷的環(huán)保和能源限制要求。內(nèi)燃機(jī)、電動/發(fā)電機(jī)、儲能裝置、傳動裝置、電力電子和微電子控制器等組成了并聯(lián)混合動力電動汽車的多能源動力總成，上述各部件的參數(shù)匹配和系統(tǒng)控制策略對于混合動力電動汽車的性能起著至關(guān)重要的決定性作用。為此，在開發(fā)階段必須通過計算機(jī)仿真技術(shù)尋求適宜的匹配和控制策略，以使用較低的開發(fā)成本、較短的開發(fā)

2、周期實現(xiàn)預(yù)定的開發(fā)目標(biāo)。本文主要通過以MATLAB為平臺的Advisor分析軟件，對所開發(fā)的奇瑞HEV混合動力轎車多能源動力總成的配置進(jìn)行驗算和比較，對多能源控制策略的效果進(jìn)行初步的計算認(rèn)定。二、 仿真模型奇瑞HEV混合動力轎車的仿真模型如圖1所示，其中分別建立了車輛模型、發(fā)動機(jī)模型、電機(jī)模型、電池模型、傳動裝置模型、車輪模型、附件模型和動力裝置控制模型等。發(fā)動機(jī)模型的輸入?yún)?shù)采用376電噴汽油機(jī)的試驗數(shù)據(jù), 但由于未得到有關(guān)排放的數(shù)據(jù)而未能置入排放模型。電機(jī)模型的輸入?yún)?shù)是按所設(shè)計任務(wù)書要求的指標(biāo)參考同類產(chǎn)品性能曲線而假設(shè)的, 在實際電機(jī)試驗結(jié)果出來后再行替換，而電池模型輸入?yún)?shù)則參照了同樣

3、容量下國外公司的Li電池資料。為了比較不同的控制策略，構(gòu)筑了PTC-PAR2chery和INSIGHT兩種控制策略。圖2是其中之一的控制策略框圖。奇瑞HEV混合動力轎車的傳動裝置考慮了電機(jī)與發(fā)動機(jī)之間直接連接的相同轉(zhuǎn)速關(guān)系以及變速器本身具有的5個前進(jìn)檔，按通常的方法考慮換檔規(guī)律，圖3是仿真中所用的376發(fā)動機(jī)萬有特性圖，圖4是10kw交流感應(yīng)電機(jī)特性曲線圖。 圖1. 并聯(lián)混合動力電動汽車仿真模型 圖2. 多能源動力系統(tǒng)控制策略框圖 圖3. 376發(fā)動機(jī)萬有特性圖 圖4. 10kw交流感應(yīng)電機(jī)特性曲線圖三、 仿真結(jié)果1、“標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)”下性能仿真：“標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)”指車輛總質(zhì)量1443kg，主減速比4.1

4、33，單元電池容量15Ah，裝376汽油發(fā)動機(jī)，采用PTC-PAR2chery控制策略。分別對ECE_EUDC（平均車速62.44km/h，最高車速120 km/h, 每10.93km內(nèi)有13次停車）, ECE_EUDC_LOW（平均車速31.11km/h，最高車速90 km/h, 每10.59km內(nèi)有13次停車）, US06_HWY（平均車速97.91km/h，最高車速129.23 km/h, 每10.04km內(nèi)有1次停車）, NYCCOMP（平均車速14.1km/h，最高車速57.94 km/h, 每4.03km內(nèi)有19次停車）, NYCC工況循環(huán) （平均車速11.41km/h，最高車速4

5、4.58 km/h, 每1.9km內(nèi)有18次停車）進(jìn)行仿真，所得性能指標(biāo)如表1。表1“標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)”條件EUDCEUDC_LOWUS06_HWYNYCCOMPNYCC動力性0100km/h加速時間(s)60100km/h 加速時間(s)最大爬坡度(%)最高車速(km/h)16.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.6經(jīng)濟(jì)性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿續(xù)駛里程(km)5.78775.78776.57697.864111454SOC在循環(huán)中的變化范圍2%1.3%2.8%1.3%0.5%圖5給

6、出了EUDC_LOW工況下的一組曲線，其中（a）為行駛工況，（b）為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(rad/s)，（c）為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(Nm)，（d）為電機(jī)輸入功率(相對量)，（e）為10個循環(huán)（共計105.9km路程）中的電池SOC變化范圍。圖6給出了NYCC工況下的一組曲線，（a）（d）的意義同前，（e）中10個循環(huán)的里程數(shù)為19km, 圖中橫坐標(biāo)為時間(s)。 (a) (b) (c) (d) (e) 圖5. EUDC_LOW工況下的一組數(shù)據(jù) (a) (b) (c) (d) (e) 圖6. NYCC工況下的一組數(shù)據(jù)2與純內(nèi)燃動力情況的比較為了比較混合動力在性能方向與傳統(tǒng)動力的差異，進(jìn)行了換裝純內(nèi)燃動力的

7、仿真計算，計算中發(fā)動機(jī)仍為376汽油機(jī)，汽車總質(zhì)量由于不裝電機(jī)和電池而減少至1372kg，所得性能結(jié)果如表2所示。對比表1與表2, 可以看到混合動力比純內(nèi)燃動力的節(jié)油率因工況循環(huán)不同而有很大差異: 平均車速高, 停車頻率低則節(jié)油少; 平均車速低, 停車頻率高則節(jié)油多。表2純內(nèi)燃動力條件EUDCEUDC_LOWUS06_HWYNYCCOMPNYCC動力性0100km/h加速時間(s)60100km/h 加速時間(s)最大爬坡度(%)最高車速(km/h)2414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154

8、.3經(jīng)濟(jì)性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿續(xù)駛里程(km)7.46767.17046.972511.742715.9314混合動力相對于該純內(nèi)燃動力的節(jié)油率23%20%5.8%33.3%30.8%3不同控制策略對于不同的控制策略,包括同樣控制策略下的一些門檻值參數(shù)選擇進(jìn)行了仿真計算。表3給出的是按PTC-PAR2chery和PTC-Insight二種不同的控制策略所作的仿真結(jié)果。圖7給出了這二種不同策略下的電機(jī)輸入功率曲線的對比（NYCC工況循環(huán)下）。表3 EUDC_LOW NYCCPTC-PAR2cheryPTC-InsightPTC-PAR2cheryPTC-Insight經(jīng)

9、濟(jì)性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿續(xù)駛里程(km)5.78776.37941145412.6397SOC在循環(huán)中的變化范圍1.3%2.5%0.5%0.3% (a) PTC-PAR2chery (b) PTC-Insight 圖7. 兩種控制策略下的電機(jī)輸入功率曲線4電池容量選擇奇瑞HEV混合動力轎車選擇Li離子動力電池作為系統(tǒng)的儲能裝置，其單元電池容量初選為15Ah，此容量是否合適，需作參數(shù)分析。影響容量選擇的一個重要考慮是在典型的混合動力工況下使電池的SOC變化在合理范圍內(nèi)。為此對容量選15Ah、10Ah和7Ah分別進(jìn)行仿真計算。其計算結(jié)果如表4（對動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響極小，

10、故表4只給出SOC變化）。 表415Ah10Ah7AhEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCSOC變化范圍（%）1.30.52.00.82.71.15. 主傳動比：按主傳動比 4.133 ，4.6，5.1分別進(jìn)行仿真計算，所得結(jié)果如表5。 表54.1334.65.1EUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCC動力性0100km/h加速時間(s)60100km/h加速時間(s)最大爬坡度（%）最高車速（km/h）16.39.643178,616.39.643178.616.19.748.2160.916.19.748.2160.916

11、.09.648.314516.09.648.3145經(jīng)濟(jì)性百公里油耗（L/100km）5.7115.7115.810.850L油箱一次充滿續(xù)駛里程（km）877454877454862463SOC在循環(huán)中變化范圍1.30.51.40.51.50.46總質(zhì)量按1443kg , 1200kg 和1000kg三檔總質(zhì)量進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表6。 表6140012001000EUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCC動力性0100km/h加速時間(s)60100km/h加速時間(s)最大爬坡度（%）最高車速(km/h)16.39.643178.616.39.643178.

12、613.78.148.3178.613.78.148.3178.611.76.848.3178.611.76.848.3178.6經(jīng)濟(jì)性百公里油耗（L/100km）50L油箱一次充滿續(xù)駛里程（km）5.7877114555.29629.85104.910209.1549SOC在循環(huán)中變化范圍1.3%0.5%1.4%0.5%1.4%0.5%四、 結(jié)果分析結(jié)合并聯(lián)混合動力電動轎車的仿真計算結(jié)果，以下就多能源動力總成配置和多能源動力系統(tǒng)控制兩個方面進(jìn)一步分析。1、 配置奇瑞混合動力電動轎車是低混合度電動汽車，其混合度為26.8%左右，發(fā)動機(jī)為普通電噴汽油機(jī)，電機(jī)為飛輪殼內(nèi)置集成式大轉(zhuǎn)矩、高效率交流感

13、應(yīng)電機(jī)，兩個動力裝置的最大功率之和為56KW左右，這就使得其動力性比單用376汽油機(jī)的原車優(yōu)越。由表1和表2可知，其0-100km/h加速時間從24s縮短至16.3s，60-100km/h加速時間從14.4s縮短至9.6s，其最大爬坡度（8km/h速度）從24.2增加至43%，最高車速從154.3km/h提高至178.6km/h。從經(jīng)濟(jì)性來說，奇瑞混合動力電動轎車的配置使其在ECE-EUDC-LOW的城郊道路工況下比原車型節(jié)能20%，而在典型的城市道路工況（NYCCOMP和NYCC）下，節(jié)能33.3和30.8%，當(dāng)然，在高速公路上混合動力的優(yōu)勢不能得到充分體現(xiàn)，例如，在US06_HWY工況下，

14、其節(jié)能幅度僅5.8%。本次仿真中由于缺乏發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)，因此未能就該混合動力配置情況下有害物排放量的減少幅度做出估計，但我們根據(jù)資料選擇了Geo1.0L發(fā)動機(jī)(最大功率也是41kw)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算得到的結(jié)果如表7所示。表7EUDC_LOW NYCC混合內(nèi)燃混合內(nèi)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，在城市工況條件下，混合動力配置時其CO、HC、NO的比排放率分別比傳統(tǒng)內(nèi)燃動力配置時降低23%、26.5和17.5%；而在市郊公路上，這一降低

15、量僅分別為2.3%、12.5%和7.6%。由此可見，低混合度并聯(lián)型混合動力配置在動力性和經(jīng)濟(jì)性方面的收益大于環(huán)保方面的收益。 有關(guān)電池的配置涉及到電池組的輸入、輸出功率需求，壽命預(yù)計和成本考慮等因素，通常高性能的功率型Li電池SOC循環(huán)脈動幅度5%時的循環(huán)壽命達(dá)20萬次以上，10%脈動幅度時的循環(huán)壽命達(dá)5萬次以上，計算表明，即使單元電池7AH（參見表4），其EUDC_LOW循環(huán)中的SOC變化范圍也僅2.1%，而在NYCC循環(huán)中的SOC變化范圍更低，才1.1%，完全能滿足壽命要求，問題在于要進(jìn)一步提高電池的比功率，使其能滿足10C以上的充放電要求，否則就只能增加電池容量。2、 控制策略美國RENL國立實驗室根據(jù)對日本Insight 車IMA系統(tǒng)所作的試驗建立了PTC-Insight控制策略，按該控制策略對奇瑞混合動力電動轎車的性能進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)在該種多能源系統(tǒng)的控制策略下電動力的作用未充分發(fā)揮，故與純內(nèi)燃動力相比其節(jié)能幅度較?。‥UDC_LOW循環(huán)時11%，NYCC循環(huán)時20.8%，參見表3）；采用PTC-PAR2chery控制策略時奇瑞混合動力電動轎車的性能得到了進(jìn)一步的提高（EUDC_LOW循環(huán)時20%，NYCC循環(huán)時30.8%，參見表2）。圖7通過兩種情況下電機(jī)輸入功率的比較對