鄭晨飛, 田韶鵬

(1. 武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430070; 2. 武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 武漢 430070)

迫于化石燃料逐步減少和環(huán)境污染日益嚴重的共同壓力,各國車企、高校以及研究機構都對新能源汽車的設計與研發(fā)投入了大量的時間和精力,在大家的共同努力下也取得了一定的研究成果[1].由于受到市場、技術條件以及其他因素的影響,混合動力汽車目前最貼近市場需求,是傳統(tǒng)燃油車到純電動汽車的一個非常重要的過渡階段,也是世界各國研究的熱點.混合動力汽車依照動力的分布方式主要分為并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)、串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)3種,不同的動力分布形式都各有自己的技術特點[2].

筆者結合混合動力汽車常見的3種動力分布形式,利用一款國產燃油車作為研究設計平臺,提出1種新型兩軸驅動的混合動力系統(tǒng)結構,并借用AVL-Cruise軟件對新型的兩軸混合動力驅動系統(tǒng)在燃油經濟性和動力性上進行仿真分析.

1 新型兩軸驅動系統(tǒng)的結構

為了較明顯地體現(xiàn)出該新型兩軸驅動混合動力汽車的特點與性能優(yōu)勢,該整車動力系統(tǒng)保留了原車的發(fā)動機以及整套變速傳動系統(tǒng)來驅動前橋;而后橋由電動機驅動.該動力系統(tǒng)擁有前后2個相對獨立的動力源,可以實現(xiàn)兩驅模式,同時在特定的情況也可以實現(xiàn)四驅模式.該新型兩軸驅動混合動力汽車的結構如圖1所示,前橋動力總成由發(fā)動機、5擋變速箱和主減速組成,保持了原車前置前驅的動力分布結構，電動機以及主減速器等構成了后驅動橋.同時車輛還配有HCU整車控制器,用來管理整車的控制策略,決定車輛的行駛模式.

圖1 新型兩軸驅動混合動力汽車結構圖

2 整車動力系統(tǒng)的設計

2.1 目標平臺車的情況

選取了一款國產燃油車作為設計基礎,并保留了原有的動力總成,其參數如下:整車整備質量為1 400 kg,車輪滾動半徑為0.299 m,迎風面積為2.496 m2,傳動效率為0.92,風阻系數為0.392,旋轉質量換算系數為1.12,滾動阻力系數為0.015,前軸主減速比為5.125;該車搭載1臺1.2 L排量的直列4缸發(fā)動機,最低轉速為750 r·min-1,最大功率為63 kW(6 000 r·min-1),最大轉矩為108 N·m(4 800 r·min-1),同時該車還匹配了1臺5速手動變速箱,其各擋位速比為1擋3.500,2擋2.043,3擋1.383,4擋1.000,5擋0.806.

2.2 后橋的動力參數匹配

動力系統(tǒng)是影響汽車性能的關鍵要素.在本設計中前后擁有2個相對獨立的動力源,由整車控制器調節(jié)各動力源工作在高效區(qū),避開低效區(qū),使2個動力源協(xié)調配合達到最優(yōu)控制[3].在對該車的動力系統(tǒng)部件進行分析的基礎上,利用汽車動力學理論,對后橋驅動系統(tǒng)進行參數匹配,選取合適的電動機、電池,并對車輛的工作模式進行分析研究[4].混合動力汽車驅動電動機的匹配與整車控制策略有關，當混合動力汽車在市區(qū)行駛時,行駛工況固定[5]，依據標準循環(huán)工況進行功率需求分析,根據汽車行駛功率分布,確定最佳低速純電動驅動的車速和電動機功率[6].

車輛在城市道路上行駛時,一般車速較低，維持在30 km·h-1,因此在整車控制策略下設定,當車速低于30 km·h-1時,主要由電動機驅動.為了保證車輛在純電動模式下具有一定的通過性能,設計車輛能以20 km·h-1的速度通過20%的坡度.依據以上2個性能指標確定電動機參數如下.

1) 依據車輛純電動模式下的最高車速計算電動機功率:

(1)

式中:P1為電動機功率,kW;vmax為純電動模式下的最高車速,取35 km·h-1;ηt為傳動效率;m為整車質量,kg;g為重力加速度;f為滾動阻力系數;CD為風阻系數;A為迎風面積,m2.

2) 依據純電動模式下的最大爬坡度計算電動機功率:

(2)

式中:P2為電動機的最大功率,kW;vi為純電動模式最大爬坡度下的最小穩(wěn)定車速,取20 km·h-1;αmax為純電動模式下的最大爬坡度,取20%.

電動機功率要滿足最高車速性能,也要滿足一定的爬坡性能,所以電動機峰值功率Pm選擇如下:

Pm≥{P1,P2}.

(3)

最后確定選取額定功率為11 kW的永磁直流無刷電動機,其具體參數:額定功率為11 kW;最大功率為27 kW;最大轉矩為170 N·m;最高轉速為6 000 r·min-1;額定電壓為312 V.

2.3 動力電池參數的匹配

動力電池對純電動行駛模式是非常重要的動力源,車輛的續(xù)駛里程取決于動力電池容量的大小,同時電池的額定電壓也對電動機的性能有一定的影響[7].但是對于該新型兩軸驅動混合動力汽車來說,電動機大部分情況下都只作為輔助驅動,只有在低速情況下才作為主要的驅動力,下面計算車輛以30 km·h-1在城市道路行駛的情況.

當車輛在城市道路勻速行駛時所需的功率為

(4)

式中:P3為車輛勻速行駛時的電動機功率,kW;vc為城市道路勻速行駛車速,取30 km·h-1.

車輛勻速行駛所需消耗的能量為

(5)

式中:t為時間,h;s為車輛勻速行駛路程,km.

為了盡可能延長動力電池的壽命,避免電池出現(xiàn)過充過放行為,將電池的起始放電SOC(state of charge)設定為90%,終止放電的SOC設定為20%.

車載電池擁有的總能量[8]為

W=UCZ-1,

(6)

式中:U為動力電池組的標稱電壓,V;C為動力電池組的總容量,A·h;Z為換算系數,取1 000.

則電池組的容量滿足下式：

W×70%≥W1.

(7)

于是初步估計該動力電池組的總容量為16 A·h,標稱電壓為312 V.

3 整車控制策略的設計

為了使發(fā)動機和電動機高效工作,提高能量利用率，設計了4種工作模式:純電動模式、發(fā)動機模式、電動機輔助驅動模式和制動能量回收模式.

純電動模式:在起步階段,使用電動機起步,充分發(fā)揮電動機在短時間內低速高轉矩的特點,避免發(fā)動機的怠速工況,降低排放;當車輛行駛在市區(qū)道路時,需頻繁制動加速,車速一般維持在30 km·h-1,此時發(fā)動機關閉,電動機單獨驅動,避免了發(fā)動機工作在低效區(qū).純電動模式下,動力電池作為唯一的動力源為電動機提供能量驅動后橋,而HCU整車控制器控制發(fā)動機不工作,前橋為從動橋.

發(fā)動機模式:發(fā)動機模式一般用在市郊或高速路況下,發(fā)動機正好工作在低燃油消耗區(qū).當車輛運行在高速工況時,HCU整車控制器控制發(fā)動機單獨驅動,動力經過離合器、變速箱、主減速器、差速器傳遞給前輪,此時前軸為驅動軸，而電動機處于空轉狀態(tài),后輪為從動輪.但當整車控制器檢測到電池的SOC值低于設定的終止放電值時,為了盡可能地延長動力電池組的壽命,依然由發(fā)動機單獨驅動.

電動機輔助驅動模式:當車輛行駛在爬坡或加速工況時,需求的驅動力矩可能非常大,即使此時發(fā)動機仍然可以提供較大的轉矩,但是發(fā)動機的工作點會嚴重偏離發(fā)動機的高效區(qū),燃油消耗率大大升高,排放也遠遠超過要求.當整車控制器檢測到這種情況時,會控制發(fā)動機依然高效地工作,剩余的轉矩由電動機提供,驅動電動機作為輔助動力參與工作.電動機輔助驅動模式下,前后橋都作為驅動橋,并在整車控制器的協(xié)調下,實現(xiàn)前后牽引力的耦合,充分發(fā)揮2套動力系統(tǒng)的特性.在發(fā)動機高效工作的同時,也提高發(fā)動機的燃料利用率和車輛的動力性能.

制動能量回收模式:當控制器接收到制動信號時,能夠通過后橋電動機回收制動時的能量,將機械能轉化為電能儲存在蓄電池里,這樣不僅提供了制動力矩,又提高了能量的利用率.

4 整車性能仿真分析

4.1 動力性能

建立的仿真模型如圖2所示.依據汽車理論,最高車速、加速時間、最大爬坡度是評價車輛動力性能的重要指標[9].原車及新型兩軸驅動混合動力汽車的加速性能分別如圖3,4所示.新型兩軸驅動混合動力汽車0-100 km·h-1的加速時間為14.48 s,而原車0-100 km·h-1的加速時間為20.35 s,100 km加速性能提高了28.85%;新型兩軸驅動混合動力汽車50-100 km·h-1加速時間為9.50 s,而原車50-100 km·h-1的加速時間為13.93 s;原車的最高車速為150 km·h-1,而新型兩軸驅動混合動力汽車的最高車速可以達到170 km·h-1.

圖2 整車仿真模型

圖3 原車加速性能曲線

圖4 混合動力汽車加速性能曲線

原車滿載爬坡性能如圖5所示.由仿真數據得出新型兩軸驅動混合動力汽車的爬坡性能如圖6所示.

從圖5,6可以看出:新型兩軸驅動混合動力汽車較原車在爬坡性能上提升了36.88%;原車的最大爬坡度為31.42%,而新型兩軸驅動混合動力汽車的最大爬坡度可以達到43.01%.

圖5 原車滿載爬坡性能曲線

圖6 混合動力汽車滿載爬坡性能曲線

綜合圖3-6可以看出,新型兩軸驅動混合動力汽車的動力性能相比原車有很大的提升.

4.2 燃油經濟性

汽車的燃油經濟性是在不犧牲汽車動力性的條件下,車輛經濟行駛的能力.車輛的燃油經濟性好,能夠降低石油的使用量、節(jié)約資源、減少污染物的排放,有利于保護生態(tài)環(huán)境;同時也能夠降低車輛的使用費用.

同樣燃油經濟性也是衡量混合動力汽車節(jié)油減排的重要指標之一,城市道路工況復雜多變需要頻繁更換車輛的行駛狀態(tài),因此理想的等速行駛工況不能反映在實際道路上的運行情況.新歐洲循環(huán)工況NEDC如圖7所示,包括市區(qū)運轉循環(huán)ECE15和市郊運轉循環(huán)EUDC,非常貼近車輛在城市道路上的實際運行工況.

圖7 NEDC循環(huán)工況圖

為了便于對經濟性進行評價,利用有油電轉化法[10]將耗電量轉化為耗油量,電消耗量和燃料消耗量的換算關系[11-12]為

(8)

式中:Vf為等效的燃油循環(huán)量,L;Ek為測試中的電量消耗量,kW·h;ρf為燃油密度,g·cm-3;Qfl為燃料燃燒的低熱值,J·g-1;ηe為發(fā)電工況下,發(fā)動機的平均工作效率;ηg為發(fā)電工況下,發(fā)電機的平均工作效率.

NEDC工況下的耗油量和耗電量如表1所示.

表1 NEDC工況下的耗油量和耗電量

從表1可以看出,新型兩軸驅動混合動力汽車與原車車相比100 km油耗降低10.58%,說明新型兩軸驅動混合動力汽車比傳統(tǒng)燃油乘用車更適合在城市道路上行駛.

循環(huán)工況下電池的SOC曲線如圖8所示,電池的起始SOC值為60%,循環(huán)結束SOC值為57%,整個循環(huán)下電池的SOC值趨于平衡,也進一步說明了所設計的整車控制策略適用于該新型兩軸驅動混合動力系統(tǒng).

圖8 循環(huán)工況下電池的SOC變化曲線

5 結 論

以某國產品牌車為平臺設計的新型兩軸驅動混合動力汽車,在不改變原車整體結構的前提下,在后橋上加裝了1套電動機驅動系統(tǒng),然后經過整車控制器的管理將前后橋2套相對獨立的動力驅動系統(tǒng)實現(xiàn)耦合,充分發(fā)揮出各自動力系統(tǒng)的特性.最后由AVL-Cruise的仿真數據得出,新型兩軸驅動混合動力汽車在燃油經濟性方面比原車降低10.58%,在動力性方面也有較大提升,驗證了該新型兩軸驅動混合動力系統(tǒng)的合理性.

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