整車道路工況油耗仿真

【專家解說】：與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，混合動(dòng)力汽車的內(nèi)燃機(jī)可以工作在油耗和排放指標(biāo)較好的區(qū)域，且動(dòng)力性能和續(xù)駛里程可以保持傳統(tǒng)汽車的水準(zhǔn)，還可以在繁華市區(qū)內(nèi)運(yùn)行，并可以實(shí)現(xiàn)“零排放”行駛模式，與燃料電池技術(shù)相比，更具有現(xiàn)實(shí)性和可行性。因此，綜合了純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)燃油汽車優(yōu)點(diǎn)的混合動(dòng)力汽車在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的發(fā)展。 1 上海市區(qū)道路行駛循環(huán) 汽車的實(shí)際行駛條件對(duì)汽車性能具有直接影響。對(duì)于混合動(dòng)力汽車，其部件的選型以及控制策略的制定都與上海市區(qū)道路行駛工況密切相關(guān)，所以應(yīng)對(duì)上海市區(qū)道路行駛循環(huán)進(jìn)行研究。圖1為參照歐洲ECE+EUDC汽車行駛曲線制定方法制定的上海市區(qū)道路行駛循環(huán)曲線，其中低速部分為上海市地面道路行駛循環(huán)，包括4個(gè)循環(huán)，高速部分為高架道路行駛循環(huán)。表1為上海市區(qū)行駛循環(huán)曲線與其他行駛循環(huán)曲線的比較情況?？梢娫?個(gè)行駛循環(huán)中，上海市行駛工況循環(huán)具有平均速度與最高車速較低、停車時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)(29.7%)、平均加(減)速度最大等特點(diǎn)。這意味著在上海市區(qū)使用混合動(dòng)力汽車，可以更多地從怠速停機(jī)、制動(dòng)能回收方面提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。 2 基于上海市區(qū)道路行駛循環(huán)的混合動(dòng)力汽車性能仿真 2.1 混合動(dòng)力汽車總體方案的確定 以桑塔納2000為原型車，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩通過扭矩合成器合成，然后傳遞到變速器和傳動(dòng)軸，從而對(duì)前輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主要驅(qū)動(dòng)部件包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)/發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及電池。其結(jié)構(gòu)方案參見圖2所示。 2.2 混合動(dòng)力汽車主要部件的選型 發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)以及蓄電池等主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)部件的選用要考慮上海市區(qū)道路行駛工況。最終選用的結(jié)果應(yīng)保持原車的主要?jiǎng)恿π阅芑静蛔?，?～100km/h的加速時(shí)間不超過13.5s，最高車速不低于170km/h，且在上海市地面行駛時(shí)可以滿足純電動(dòng)模式行駛的要求。 2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的選用 作為混合動(dòng)力系統(tǒng)主動(dòng)力源的發(fā)動(dòng)機(jī)在具體選用時(shí)應(yīng)遵循以下原則：(1)在保證原車動(dòng)力性的前提下可以選用功率較小的發(fā)動(dòng)機(jī)；(2)在保證最高車速的前提下，應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)工作區(qū)域；(3)所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)易于購(gòu)買和調(diào)整?；谝陨峡紤]，原車75 kW的2VQS汽油發(fā)動(dòng)機(jī)換用59 kW的波羅車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。 2.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇 為了盡量減少工作量，沿用波羅1.4L汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)，其1、2、3、4、5檔的傳動(dòng)比分別為3.45、 2.1、1.39、1.03、0.81，主傳動(dòng)比為3.88。 2.2.3 電機(jī)的選用 選擇PM 16 kW的電機(jī)。其額定轉(zhuǎn)速為6000 r/min，額定功率為15.8 kW，過載系數(shù)為1.454。 2.2.4 蓄電池的選用 大連和平海灣公司提供的10組12QNF25鎳氫電池。其額定總電壓為120V，額定容量/放電電流3.0 AH/25 A，重量為80kg，外形體積為41 L。 2.2.5 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性能的驗(yàn)證 混合動(dòng)力汽車進(jìn)行上述配置后，整車重量為1596kg，0～100km/h的加速時(shí)間為13.3 s，最高車速為181 km/h，與原車相比，動(dòng)力性能略有提高。圖3為在純電動(dòng)行駛模式時(shí)電機(jī)的動(dòng)力性能情況?？梢姡谶M(jìn)行純電動(dòng)行駛時(shí)，電機(jī)基本滿足行駛循環(huán)最高車速55 km/h的要求。但在行駛循環(huán)加速度較高的時(shí)段功率略顯不足?？紤]到純電動(dòng)行駛模式主要是為了達(dá)到零排放的自的，所選用的電機(jī)基本能夠滿足上海市區(qū)地面道路的純電動(dòng)行駛模式的功率需求。同時(shí)在純電動(dòng)模式下行駛6km時(shí)，所選用蓄電池的SOC變化為0.3～0.7的理想?yún)^(qū)間。 因此，上述主要?jiǎng)恿Σ考倪x型滿足了混合動(dòng)力汽車在動(dòng)力性能方面的要求。 2.3 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本控制策略 混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本控制策略也稱電機(jī)輔助控制策略，即以發(fā)動(dòng)機(jī)作為扭矩輸出的主要?jiǎng)恿υ?，而電機(jī)作為輔助動(dòng)力源。其主要目的是減少混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃油消耗?；究刂撇呗愿鶕?jù)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不同的SOC狀況，通過6個(gè)參數(shù)將動(dòng)力系統(tǒng)的工作區(qū)域進(jìn)行劃定。 當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)的SOC大于設(shè)定的低限時(shí)，如車速小于設(shè)定的純電動(dòng)車速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，混合動(dòng)力車進(jìn)入純電動(dòng)行駛狀態(tài)；如發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉的負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)同樣關(guān)閉，進(jìn)入制動(dòng)能回收或者強(qiáng)制剎車狀態(tài)；而在其它情況時(shí)，以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ矗姍C(jī)為輔助動(dòng)力源進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，或者發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)的SOC小于設(shè)定的低限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)向電機(jī)充電成為首要任務(wù)：如果這時(shí)車輛沒有驅(qū)動(dòng)需求，則發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率全部用來對(duì)電池進(jìn)行充電；如果車輛有驅(qū)動(dòng)需求，則發(fā)動(dòng)機(jī)除了提供車輛行駛需要的功率外，還要額外輸出電池充電的扭矩，當(dāng)然為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在較為經(jīng)濟(jì)的區(qū)域，在發(fā)動(dòng)機(jī)沒有驅(qū)動(dòng)功率輸出時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率不能太小，即充電的附加扭矩不能太小。因?yàn)橐话愎r都為SOC>SOClow_lim，的普通工況，所以只對(duì)5個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體參數(shù)如表2所示。 2.4 混合動(dòng)力汽車性能仿真研究 圖4所示為本文建立的混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型的頂層結(jié)構(gòu)，所用軟件為美國(guó)能源部開發(fā)的ADVISOR混合動(dòng)力專用軟件。 為了便于比較分析，分別計(jì)算了原桑塔納2000轎車、桑塔納2000裝載波羅發(fā)動(dòng)機(jī)和桑塔納2000混合動(dòng)力轎車方案的經(jīng)濟(jì)性，其整車重量分別取1358kg、1307 kg和1596 kg。為了便于比較分析，除了上海市區(qū)道路循環(huán)曲線外，還選取EUDC歐洲道路行駛循環(huán)、UDDC美國(guó)道路行駛循環(huán)、1015日本道路循環(huán)。具體結(jié)果見表3。 由表3可見，原桑塔納2000轎車汽油機(jī)1.8 L(75 kW)換裝波羅1.4 L(59 kW)后，汽車的經(jīng)濟(jì)性提高的幅度為18.5%～24.8%，由此也帶來整車動(dòng)力性能下降的問題；取消汽油機(jī)的怠速狀況，可以改善車輛的經(jīng)濟(jì)性，其中對(duì)于2VQS發(fā)動(dòng)機(jī)取消怠速工況，基于各種行駛循環(huán)，提高的幅度為12.6%～23.6%，在日本1015工況時(shí)提高的幅度最大，為23.6%；采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)型式，相對(duì)于各循環(huán)，燃油經(jīng)濟(jì)性提高的幅度為34%～44%，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率也接近傳統(tǒng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的極限范圍30%左右，發(fā)動(dòng)機(jī)的工況點(diǎn)基本集中于發(fā)動(dòng)機(jī)的較高區(qū)域。 3 結(jié)論 混合動(dòng)力系統(tǒng)使原轎車采用小發(fā)動(dòng)機(jī)和取消發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速狀況成為可能，又通過控制策略的優(yōu)化調(diào)整，使發(fā)動(dòng)機(jī)避免在低負(fù)荷區(qū)域工作，再加上制動(dòng)能回收等措施，在不犧牲車輛動(dòng)力性能的前提下大幅度地提高了車輛的經(jīng)濟(jì)性。 與傳統(tǒng)方式驅(qū)動(dòng)的汽車相比，混合動(dòng)力系統(tǒng)汽車對(duì)不同行駛循環(huán)的適應(yīng)性提高。無論在平均車速較低的日本1015循環(huán)工況，還是平均車速較高的美國(guó)UDDS工況，混合動(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性能基本都保持在6～7 L/100 km，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均熱效率更趨向一致，保持在28%～29%之間。 按照平均車速由低到高以及相對(duì)怠速時(shí)間由長(zhǎng)到短排序，依次為：日本1015工況循環(huán)、上海市工況循環(huán)、歐洲ECE_EUDC循環(huán)和美國(guó)UDDS循環(huán)，按照此順序，車輛油耗提高的幅度分別為44%、42.2%、37.3和34%，并且車輛相對(duì)于各種循環(huán)曲線最終油耗水平保持在6～7L/100km。所以從燃油經(jīng)濟(jì)性角度考慮，混合動(dòng)力系統(tǒng)更適合于在低速、低負(fù)荷、工況變動(dòng)頻繁的路面上行駛的汽車。