[1]韓懿,高曉梅.基于AMESim的插電式并聯(lián)混合動力汽車能量管理策略仿真分析[J].交通節(jié)能與環(huán)保,2020,16(01):5-9.

摘要：

為了縮短混合動力汽車開發(fā)時間，減少開發(fā)成本，本文以插電式并聯(lián)混合動力汽車為研究對象，針對設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行動力系統(tǒng)參數(shù)匹配以及使用AMESim 軟件搭建了整車模型，然后設(shè)計(jì)了基于門限值的能量管理策略并使用AMESim 軟件中的Signal，Control 庫進(jìn)行搭建。之后對已搭建完成的車輛進(jìn)行動力性經(jīng)濟(jì)性仿真分析，其中經(jīng)濟(jì)性分析是在NEDC 工況下進(jìn)行的，驗(yàn)證了本文所搭建策略和整車模型的正確性和可行性。

0 引言

在當(dāng)今社會能源危機(jī)與環(huán)境污染的背景下，傳統(tǒng)汽車工業(yè)受到了一定的沖擊?？刂破囄矚馀欧乓呀?jīng)成為了汽車生產(chǎn)廠商以及社會各界迫在眉睫、亟需解決的一項(xiàng)任務(wù)[1]。在純電動汽車由于動力電池技術(shù)瓶頸無法在短時間內(nèi)獲得突破及其配套基礎(chǔ)設(shè)施尚未普及的情況下，混合動力汽車成為當(dāng)下發(fā)展的首選。

插電式混合動力電動汽車是指可以利用電網(wǎng)對動力電池進(jìn)行充電的混合動力汽車，它集合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動汽車的優(yōu)點(diǎn)，是目前混合動力技術(shù)發(fā)展的趨勢之一[2]。而混合動力汽車的動力系統(tǒng)部件參數(shù)與控制策略參數(shù)決定了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能，尤其能量管理策略作為混合動力汽車的核心，決定了整車的工作狀態(tài)及車輛內(nèi)部的能量分配[3]

本文以某款車型為例，使用AMESim 軟件對能量管理策略以及整車模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建，并對整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)搭建的能量管理策略和整車模型的正確性及可行性。

1 混合動力汽車整車動力系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于插電式混合動力汽車，其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是整車開發(fā)的基礎(chǔ)，同時能量管理策略也是需要圍繞動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前對于插電式混合動力汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有三種結(jié)構(gòu)形式：串聯(lián)式、并聯(lián)式以及混聯(lián)式，本文采用目前較為成熟的并聯(lián)式作為動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。并聯(lián)式動力系統(tǒng)主要有內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動電機(jī)兩套驅(qū)動系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是既可以使用內(nèi)燃機(jī)或驅(qū)動電機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動車輛，也可以同時使用二者驅(qū)動車輛，故并聯(lián)式混合動力汽車驅(qū)動形式多樣且靈活[2]。其動力系統(tǒng)布置如圖1所示。

插電式混合動力汽車在進(jìn)行動力系統(tǒng)匹配計(jì)算的過程中需要考慮到以下幾個設(shè)計(jì)要點(diǎn)：最高車速、最高爬坡度、百公里加速時間、純電續(xù)航里程等。

1.2.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)匹配計(jì)算

本文設(shè)計(jì)的插電式并聯(lián)混合動力汽車的發(fā)動機(jī)依然為混合動力汽車的主要動力來源，而且發(fā)動機(jī)的選擇不僅影響著動力性，還關(guān)系到汽車的排放性能以及經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動機(jī)的功率如果選擇太小會造成功率不足而無法達(dá)到動力性能的指標(biāo)。我們選擇發(fā)動機(jī)時首先根據(jù)最高車速來初步確定發(fā)動機(jī)功率，然后再根據(jù)最大爬坡度來進(jìn)一步計(jì)算所需發(fā)動機(jī)的最大功率。

170 km/h最高車速下的發(fā)動機(jī)所需求的功率[4]：

同時，計(jì)算出結(jié)果后應(yīng)將所計(jì)算出的發(fā)動機(jī)最大功率上浮10%~15%，這是因?yàn)樾枰紤]到在汽車正常行駛過程中的電氣消耗，以及在混合動力模式下給動力電池充電的影響。

1.2.2 驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配計(jì)算

對于驅(qū)動電機(jī)最大功率的匹配計(jì)算主要是根據(jù)純電動模式下的最高車速，混合驅(qū)動模式下的最高車速以及根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的加速性能來計(jì)算[5]。

1.2.3 動力電池參數(shù)匹配計(jì)算

考慮到插電式并聯(lián)混合動力汽車布置難度大，所以本文型選用能量密度高、體積較小的三元鋰電池作為并聯(lián)式混合動力汽車的動力電池。而且近年來高能量密度的三元鋰電池占比逐漸提高，成為當(dāng)前動力電池的主流發(fā)展方向[6]。

采用等速法計(jì)算汽車達(dá)到指標(biāo)要求續(xù)航里程所需能量：

1.2.4 傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算

主減速器傳動比和變速箱傳動比作為汽車傳動系傳動比的重要參數(shù)，在選擇計(jì)算時需要滿足汽車的最大爬坡度指標(biāo)要求和最高車速要求，并且應(yīng)使電機(jī)工作在高效區(qū)。

1.2.5 參數(shù)匹配結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算和分析，動力系統(tǒng)匹配結(jié)果見表2。

2 能量管理策略設(shè)計(jì)

AMESim軟件是一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件，其提供了一個系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺。其面向工程的應(yīng)用使得AMESim 成為在汽車、液壓和航空工業(yè)研發(fā)部門的理想選擇[2]。

能量管理策略的作用是能合理地動態(tài)地協(xié)調(diào)控制發(fā)動機(jī)與驅(qū)動電機(jī)的輸出功率流，以獲得最優(yōu)的綜合性能[7]。其品質(zhì)直接影響車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能[8]。本文采用邏輯門限值的能量管理策略，因?yàn)殡姍C(jī)擁有低速大扭矩的特點(diǎn)，所以在低速時使用驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動汽車行駛，同時在使用發(fā)動機(jī)時盡量使發(fā)動機(jī)可以工作在最佳扭矩區(qū)域，從而減少油耗提高車輛的經(jīng)濟(jì)性。

基于AMESim軟件的Signal，Signal & Control庫設(shè)計(jì)及搭建的并聯(lián)式混合動力汽車能量管理策略擁有四種工作模式。

（1）EV純電動運(yùn)行模式。當(dāng)電池SOC電量充足且目前車速較低時，如果啟動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)將運(yùn)行在低經(jīng)濟(jì)區(qū)，此時離合器打開，發(fā)動機(jī)停止工作，駕駛員需求扭矩全部由驅(qū)動電機(jī)提供。

（2） ICE發(fā)動機(jī)運(yùn)行模式。此模式將在兩種情形下觸發(fā)：①當(dāng)前電池SOC值低于限定值下限且車速較低；②當(dāng)前電池SOC值高于限定值上限但車速較高。此時離合器關(guān)閉，發(fā)動機(jī)正常工作，驅(qū)動電機(jī)停機(jī)，電池SOC值保持不變。同時為了減少發(fā)動機(jī)啟動時的瞬時油耗，當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時轉(zhuǎn)速低于怠速轉(zhuǎn)速時，驅(qū)動電機(jī)將會啟動幫助發(fā)動機(jī)盡快提高轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于怠速轉(zhuǎn)速后驅(qū)動電機(jī)停止工作，之后駕駛員需求扭矩全部由發(fā)動機(jī)提供。

（3）PHEV混合動力運(yùn)行模式。此模式下，離合器關(guān)閉，發(fā)動機(jī)將啟動工作，此時汽車進(jìn)入混合驅(qū)動模式并分為三種運(yùn)行狀態(tài)：①駕駛員需求扭矩高于發(fā)動機(jī)的最佳扭矩，此時發(fā)動機(jī)輸出其最佳扭矩，剩余需求扭矩由驅(qū)動電機(jī)提供，發(fā)動機(jī)和驅(qū)動電機(jī)共同驅(qū)動汽車行駛；②駕駛員需求扭矩低于發(fā)動機(jī)的最佳扭矩，汽車進(jìn)入行駛充電模式，發(fā)動機(jī)依然按照最佳扭矩輸出，多余扭矩帶動驅(qū)動電機(jī)發(fā)電。③當(dāng)駕駛員輸出的加速命令大于0.85 且需求扭矩大于驅(qū)動電機(jī)最大扭矩時，認(rèn)為車輛進(jìn)入急加速或爬坡狀態(tài)，此時忽略SOC值的判定，駕駛員需求扭矩主要由發(fā)動機(jī)提供，驅(qū)動電機(jī)將提供剩余扭矩。

（4） 制動能量回收模式。當(dāng)駕駛員需求扭矩為負(fù)時，汽車進(jìn)入制動狀態(tài)，此時驅(qū)動電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，回收制動時多余的能量并給電池充電。

根據(jù)模式判定的結(jié)果，相應(yīng)的子模塊將進(jìn)行發(fā)動機(jī)負(fù)載，電機(jī)扭矩，制動扭矩的計(jì)算，并對發(fā)動機(jī)啟停（1 或0） 和離合器開合（0 或1） 進(jìn)行控制，之后將計(jì)算結(jié)果輸出至各個部件接口。

基于門限值的能量管理策略流程圖如圖2所示。

圖2 中，torbrak 為當(dāng)前行駛所需的制動力矩；V_spd 為當(dāng)前行駛車速；Acc 為加速命令；tmaxMel為驅(qū)動電機(jī)最大扭矩；SOCH與SOCL分別為啟動關(guān)閉混合運(yùn)行模式的閾值；V_spdH 為脫離純電動運(yùn)行模式的車速閾值；sommetorq 為當(dāng)前行駛需求扭矩；opt_enginetorq為發(fā)動機(jī)最佳扭矩。PHEV_1 模式為混合驅(qū)動模式；PHEV_2 模式為行駛充電模式；PHEV_3模式為急加速或爬坡模式。

3 并聯(lián)式混合動力汽車整車模型建立及仿真分析

本文采用AMESim 軟件進(jìn)行整車建模及仿真分析。

3.1 整車模型建立

主要使用軟件中的IFP Drive 庫以及Mechanical庫進(jìn)行建模，使用的主要模型包括：車輛模型、駕駛員模型、發(fā)動機(jī)模型、電機(jī)模型、電池模型、帶主減速器的手動變速箱模型、基于Signal&Control 庫搭建的能量管理策略（VCU） 模型等。

3.2 能量管理策略及動力性經(jīng)濟(jì)性仿真驗(yàn)證

針對本文所設(shè)計(jì)的并聯(lián)式混合動力汽車能量管理策略基于上節(jié)所述車輛模型進(jìn)行驗(yàn)證，首先將動力系統(tǒng)匹配計(jì)算結(jié)果參數(shù)輸入相應(yīng)的模型中，然后對于策略中所提到的部分閾值進(jìn)行設(shè)置，其中V_spdH = 15m/s，SOCH = 80，SOCL = 30。

3.2.1 動力性仿真驗(yàn)證

首先對所設(shè)計(jì)車型的動力性能進(jìn)行驗(yàn)證，需要驗(yàn)證的指標(biāo)有：最高車速，最大爬坡度以及0~100km/h加速時間。

從圖3 可以看出，車輛在經(jīng)過40 s 左右時達(dá)到了最大車速172.77 km/h，此過程中加速命令始終為1且需求扭矩大于電機(jī)最大扭矩車輛處于PHEV_3模式下，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；圖4 中，道路坡度為35%，擋位限制在第一擋位，車輛在此坡度下可以正常行駛且最高車速達(dá)到了40 km/h，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；從圖5 中可以看出車輛從5 s 開始啟動，經(jīng)過12.2 s 車速達(dá)到100 km/h，滿足≤13 s的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

經(jīng)過分析，本文所設(shè)計(jì)車型均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)中動力性指標(biāo)的要求。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)性仿真驗(yàn)證

本文選用NEDC工況對所搭建車輛的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行驗(yàn)證，初始SOC = 29，以驗(yàn)證混合工況下的油耗。

圖6 表明所搭建策略和整車模型可以較好的按照控制車速進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)際車速與控制車速基本吻合。

圖7 中可以看出，由于初始SOC = 29 小于允許使用EV純電動模式的SOC值下限，所以車輛在車速小于15 m/s時處于ICE模式下，此時驅(qū)動電機(jī)僅在發(fā)動機(jī)啟動時啟動幫助發(fā)動機(jī)盡快提高轉(zhuǎn)速，并在汽車制動時回收多余的制動能量，當(dāng)車速在NEDC的郊區(qū)工況段行駛時，車速大于15 m/s 后車輛切換至PHEV 模式，且根據(jù)需求扭矩的不同在PHEV_1 和PHEV_2模式下切換，經(jīng)過一個NEDC循環(huán)電池SOC值提高了大約4.5%。

在一個NEDC循環(huán)下的車輛位移為10 961.7 m，圖8 中顯示耗油為489.25 g，經(jīng)過計(jì)算，在混合驅(qū)動模形式下的百公里油耗為5.95 L，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中≤6 L的要求。

綜上所述，本文基于AMESim 搭建的混合動力汽車整車模型及能量管理策略可行，并且完全符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以某款混合動力汽車設(shè)計(jì)指標(biāo)作為研究對象，對動力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配計(jì)算，之后基于AMESim軟件設(shè)計(jì)了適用于本車型的能量管理策略，搭建了插電式并聯(lián)混合動力汽車的整車模型，并依據(jù)對動力系統(tǒng)匹配計(jì)算的結(jié)果將參數(shù)導(dǎo)入各個子模型中，最后對車輛進(jìn)行了動力性經(jīng)濟(jì)性仿真分析，仿真結(jié)果顯示完全達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性及可行性。本文對于混合動力汽車的開發(fā)提供了一種有效且可靠的方法，同時可以大大縮短了研發(fā)周期，減少研發(fā)成本。

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