整车道路工况油耗仿真

【专家解说】：与传统的燃油汽车相比，混合动力汽车的内燃机可以工作在油耗和排放指标较好的区域，且动力性能和续驶里程可以保持传统汽车的水准，还可以在繁华市区内运行，并可以实现“零排放”行驶模式，与燃料电池技术相比，更具有现实性和可行性。因此，综合了纯电动汽车和传统燃油汽车优点的混合动力汽车在国内外都得到了广泛的发展。 1 上海市区道路行驶循环 汽车的实际行驶条件对汽车性能具有直接影响。对于混合动力汽车，其部件的选型以及控制策略的制定都与上海市区道路行驶工况密切相关，所以应对上海市区道路行驶循环进行研究。图1为参照欧洲ECE+EUDC汽车行驶曲线制定方法制定的上海市区道路行驶循环曲线，其中低速部分为上海市地面道路行驶循环，包括4个循环，高速部分为高架道路行驶循环。表1为上海市区行驶循环曲线与其他行驶循环曲线的比较情况。可见在4个行驶循环中，上海市行驶工况循环具有平均速度与最高车速较低、停车时间相对较长(29.7%)、平均加(减)速度最大等特点。这意味着在上海市区使用混合动力汽车，可以更多地从怠速停机、制动能回收方面提高汽车的燃油经济性。 2 基于上海市区道路行驶循环的混合动力汽车性能仿真 2.1 混合动力汽车总体方案的确定 以桑塔纳2000为原型车，发动机的扭矩和驱动电机的扭矩通过扭矩合成器合成，然后传递到变速器和传动轴，从而对前轮进行驱动。主要驱动部件包括：发动机、电机/发电机、传动系统以及电池。其结构方案参见图2所示。 2.2 混合动力汽车主要部件的选型 发动机、电机以及蓄电池等主要动力系统部件的选用要考虑上海市区道路行驶工况。最终选用的结果应保持原车的主要动力性能基本不变，即0～100km/h的加速时间不超过13.5s，最高车速不低于170km/h，且在上海市地面行驶时可以满足纯电动模式行驶的要求。 2.2.1 发动机的选用 作为混合动力系统主动力源的发动机在具体选用时应遵循以下原则：(1)在保证原车动力性的前提下可以选用功率较小的发动机；(2)在保证最高车速的前提下，应考虑发动机的经济工作区域；(3)所选用的发动机易于购买和调整。基于以上考虑，原车75 kW的2VQS汽油发动机换用59 kW的波罗车汽油发动机。 2.2.2 传动系统的选择 为了尽量减少工作量，沿用波罗1.4L汽车的传动系统，其1、2、3、4、5档的传动比分别为3.45、 2.1、1.39、1.03、0.81，主传动比为3.88。 2.2.3 电机的选用 选择PM 16 kW的电机。其额定转速为6000 r/min，额定功率为15.8 kW，过载系数为1.454。 2.2.4 蓄电池的选用 大连和平海湾公司提供的10组12QNF25镍氢电池。其额定总电压为120V，额定容量/放电电流3.0 AH/25 A，重量为80kg，外形体积为41 L。 2.2.5 混合动力汽车动力性能的验证 混合动力汽车进行上述配置后，整车重量为1596kg，0～100km/h的加速时间为13.3 s，最高车速为181 km/h，与原车相比，动力性能略有提高。图3为在纯电动行驶模式时电机的动力性能情况。可见，在进行纯电动行驶时，电机基本满足行驶循环最高车速55 km/h的要求。但在行驶循环加速度较高的时段功率略显不足。考虑到纯电动行驶模式主要是为了达到零排放的自的，所选用的电机基本能够满足上海市区地面道路的纯电动行驶模式的功率需求。同时在纯电动模式下行驶6km时，所选用蓄电池的SOC变化为0.3～0.7的理想区间。 因此，上述主要动力部件的选型满足了混合动力汽车在动力性能方面的要求。 2.3 并联式混合动力系统的基本控制策略 混合动力系统的基本控制策略也称电机辅助控制策略，即以发动机作为扭矩输出的主要动力源，而电机作为辅助动力源。其主要目的是减少混合动力系统的燃油消耗。基本控制策略根据动力系统运行时不同的SOC状况，通过6个参数将动力系统的工作区域进行划定。 当动力系统的SOC大于设定的低限时，如车速小于设定的纯电动车速时，发动机关闭，混合动力车进入纯电动行驶状态；如发动机的负荷小于设定的发动机关闭的负荷时，发动机同样关闭，进入制动能回收或者强制刹车状态；而在其它情况时，以发动机为主要动力源，电机为辅助动力源进入混合驱动状态，或者发动机单独驱动状态。当动力系统的SOC小于设定的低限时，发动机向电机充电成为首要任务：如果这时车辆没有驱动需求，则发动机的输出功率全部用来对电池进行充电；如果车辆有驱动需求，则发动机除了提供车辆行驶需要的功率外，还要额外输出电池充电的扭矩，当然为了保证发动机运转在较为经济的区域，在发动机没有驱动功率输出时，发动机的负荷率不能太小，即充电的附加扭矩不能太小。因为一般工况都为SOC>SOClow_lim，的普通工况，所以只对5个参数进行优化，具体参数如表2所示。 2.4 混合动力汽车性能仿真研究 图4所示为本文建立的混合动力系统仿真模型的顶层结构，所用软件为美国能源部开发的ADVISOR混合动力专用软件。 为了便于比较分析，分别计算了原桑塔纳2000轿车、桑塔纳2000装载波罗发动机和桑塔纳2000混合动力轿车方案的经济性，其整车重量分别取1358kg、1307 kg和1596 kg。为了便于比较分析，除了上海市区道路循环曲线外，还选取EUDC欧洲道路行驶循环、UDDC美国道路行驶循环、1015日本道路循环。具体结果见表3。 由表3可见，原桑塔纳2000轿车汽油机1.8 L(75 kW)换装波罗1.4 L(59 kW)后，汽车的经济性提高的幅度为18.5%～24.8%，由此也带来整车动力性能下降的问题；取消汽油机的怠速状况，可以改善车辆的经济性，其中对于2VQS发动机取消怠速工况，基于各种行驶循环，提高的幅度为12.6%～23.6%，在日本1015工况时提高的幅度最大，为23.6%；采用混合动力驱动型式，相对于各循环，燃油经济性提高的幅度为34%～44%，发动机的热效率也接近传统车辆发动机热效率的极限范围30%左右，发动机的工况点基本集中于发动机的较高区域。 3 结论 混合动力系统使原轿车采用小发动机和取消发动机的怠速状况成为可能，又通过控制策略的优化调整，使发动机避免在低负荷区域工作，再加上制动能回收等措施，在不牺牲车辆动力性能的前提下大幅度地提高了车辆的经济性。 与传统方式驱动的汽车相比，混合动力系统汽车对不同行驶循环的适应性提高。无论在平均车速较低的日本1015循环工况，还是平均车速较高的美国UDDS工况，混合动力汽车的经济性能基本都保持在6～7 L/100 km，发动机的平均热效率更趋向一致，保持在28%～29%之间。 按照平均车速由低到高以及相对怠速时间由长到短排序，依次为：日本1015工况循环、上海市工况循环、欧洲ECE_EUDC循环和美国UDDS循环，按照此顺序，车辆油耗提高的幅度分别为44%、42.2%、37.3和34%，并且车辆相对于各种循环曲线最终油耗水平保持在6～7L/100km。所以从燃油经济性角度考虑，混合动力系统更适合于在低速、低负荷、工况变动频繁的路面上行驶的汽车。