PDF《配及油耗策略研究》

基于 AVL CRUISE 的混合动力汽车参数匹 配及油耗策略研究 陈勇 (泛亚汽车技术中心有限公司,上海市浦东新区龙东大道

3999 号) [摘要]AVL-CRUISE 软件广泛应用于汽车性能仿真计算,其能快速便捷建立模型及仿真.

本 文利用 CRUISE 建立 PHEV 整车油耗模型,进行参数匹配和油耗研究;

在确保整车动力性 能的前提下,降低整车综合油耗. 关键词:汽车;

仿真;

油耗 主要软件: AVLCRUISE Hybrid Vehicle Parameter Matching and Fuel Economy Study Based on AVL Cruise Chen Yong Pan Asia Technical Automotive Center Co. NO.3999 Longdong Avenue,Pudong ,Shanghai [Abstract] AVL-CRUISE software is widely used in vehicle performance simulation calculation, it can build simulation model quickly and easily. Built the PHEV vehicle fuel consumption model to match the parameter and study the fuel economy. Without impact the vehicle dynamic performances, and then reduce the fuel consumption. Keywords: Vehicle;

Simulation;

Fuel economy Software: AVL CRUISE 1. 前言 随着全球能源问题和环境问题的日益加剧, 人们对汽车节能和环保的要求越来越高, 国 家法规也不断提高了汽车油耗与排放的要求. 积极发展汽车新技术新能源新材料, 提高发动 机热效率及传动效率,加快发展新能源汽车,利用拓扑优化及新材料降低整车重量,进而降 低汽车油耗与排放,成为汽车研究的热点问题.随着计算机技术和虚拟仿真技术的发展,计 算机仿真建模广泛地应用于汽车产品前期开发研究中[1-6] . 建立汽车的仿真模型,对车辆性能进行仿真计算,合理选择动力总成,优化速比和控制 策略,缩短产品研发周期,并为后续验证开发提供了依据,并进行混合动力汽车各种参数匹 配以及整车控制策略性能优化.目前 AVL CRUISE 软件广泛应用于整车性能与油耗开发研 究,并实现对复杂车辆动力传动系统的仿真分析.AVL CRUISE 各个部件进行模块化处理, 搭建模型方便快捷,不同模型之间可以进行数据转换和传递. 本文利用 AVL CRUISE 搭建混合动力整车仿真模型,计算整车纯电动续航里程以及混 e i i n r v ? ? ?

0 377 .

0 合动力模式下的整车油耗,通过匹配电机、速比以及电池等参数,确保整车动力性能并提高 整车燃油经济性. 2. 混合动力汽车参数匹配 随着国家法规政策的激励以及能源和环境污染问题的不断凸显, 新能源汽车的发展形成 了一个新的趋势,其中 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)已经成为混合动力汽车的重要 发展和研究方向[7] .企业以及高校广泛开展 PHEV 的设计研究,上汽和比亚迪分别推出了荣 威550 和BYD"秦"等PHEV 车型. 2.1 整车基本参数与性能 本文基于某传统轿车车型为基准车型, 进行混合动力汽车性能与油耗的研究, 在不影响 整车动力性能的前提下,降低整车油耗.该PHEV 基于基准车型进行参数匹配,本文总体 设计方案考虑整车的动力性、能耗经济性等方面的设计要求,在保证动力性能的前提下,以 燃油经济性为目标进行仿真设计.其原车整车性能如下: 表1整车性能参数 参数 参数值 F.E. 油耗 (L/100km) 6.8 0-100kph 加速 (s) 10.8 最高车速(km/h)

180 2.2 整车参数匹配 2.2.1 电机参数的选择 PHEV 根据 GBT19753-2013 轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法进行能耗试验, 其分别需要进行条件 A 与条件 B 的能耗试验.条件 A 即为储能装置处于充电终止的最高荷 电状态;

条件 B 为储能装置处于运行放电结束的最低荷电状态.为了尽可能降低整车油耗, 需确保条件 A 下的油耗试验值为零,即在条件 A 下需要纯电动模式完成 MVEG 工况需求, 因此电机的扭矩以及功率需要满足整个 MVEG 工况要求,即: max max max max ;

v e v e T T P P ? ? 式中: Pemex 为电机最大功率;

Pvmax 为整车最大功率需求;

Temax 为电机最大扭矩;

Tvmax 为整车最大扭矩需求. 根据原车初步计算可知,整车 Pvmax 为49.7kw;

选用电机 Pemex 为55kW.同时满足纯电 动最高车速功率需求以及制动功率回收要求. 电动机最大转速的选择主要从整车最高车速以及通过扩大恒功率区以改善整车加速性 能的要求出发,协调电机转速,尽量使其工作在高效区.根据车速与转速计算关系: 目前整车主减速比为 3.1,轮胎滚动半径为 300mm,整车最高车速不低于 180kph,电 机可选速比有 2.2 和3.2 等.选择电机速比为 2.2,电机最高转速约为 1500rpm.为了满足纯 电动模式完成 MVEG 工况,Tvmax 为72Nm,电机最大扭矩需求 Temax 为85Nm. 2.2.2 电池参数的选择 对于 PHEV 电池参数的匹配,首先考虑电池充放电功率满足 MVEG 工况需求[8] ,并根 据动力总成要求决定蓄电池额定电压及电流;

其次为满足续航里程的行驶以及持续加速等工 况的需求,并考虑条件 B 下混合动力模式的油耗策略,决定电池模块数量以及电池总容量. 根据目前整车参数以及纯电动续航里程 60km 的要求, 初步选定电池最大放电功率为 60kW, 电池容量为 9kWh. 3. PHEV 建模与仿真 根据整车参数,完成整车仿真模型搭建,对vehicle、engine、torque converter、gear box、 gear box control and program、tire、motor、battery 以及 driver 等各个模块进行定义设置,完 成仿真参数设置,并根据汽车动力传递路径,完成各个模块数据传递和通信.其仿真模型如 图1所示: 图1PHEV 仿真模型 3.1 PHEV 油耗试验标准 PHEV 试验应分别在两个条件进行, 即条件 A: 储能装置处于充电终止的最高荷电状态;

条件 B:储能装置处于运行放电结束的最低荷电状态. 按照 GBT19753-2013 轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法进行试验的燃料消耗 量的加权平均值: ? ?

1 2 e av e av D c D c C D D ? ? ? ? ? 式中: C 为综合燃料消耗量(L/100km);

c1 为条件 A 试验中所得燃油消耗量(L/100km);

c2 为条件 B 试验中所得燃油消耗量(L/100km);

De 为按照附录 B 规定的试验规程,所测得的纯电动续驶里程(km);

Dav 为25km(假设的储能装置两次充电之间的平均行驶里程). 3.2 PHEV 仿真计算 3.2.1 条件 A 下的油耗仿真 车辆在最高荷电状态正常起动,按照 GB 18352.3-2005 附录 C 的规定开始试验.目前电 机电池特性能满足 MVEG 工况需求,因此在高荷电状态为纯电动驱动,整个 MVEG 工况油 耗消耗值 c1 为零,并根据标准附录 B 仿真可得纯电动续航里程可达 63km.其仿真结果如图 所示: 图2PHEV 车速以及电机仿真结果 图3PHEV 电池仿真结果 3.2.2 条件 B 下的油耗仿真 本文采用发动机最佳工作区域的控制策略, 使发动机尽量工作在高效区域, 从而提高整 车的能量转换效率.既能保持发动机工作于高效区,降低了发动机油耗,同时电机的工作模 式切换不至于过于频繁, 保护了电机和电池的使用寿命, 使得系统效率提高, 系统成本降低.

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400 600

800 1000

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1000 1200 -60 -40 -20

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6 图4原车发动机工作点分布 PHEV 提高整车燃油经济性的主要方法就是改善 MVEG 工况中发动机的工作点,通过 仿真分析研究,尽量使发动机工作于高效区,如图中红色区域,对于发动机低效率区(低速 低扭) ,采用 EV 模式,对于可调节工作点,通过电机助力或充电及升降档等来调整发动机 工作点提高发动机的工作效率, 降低整车油耗, 如图

4 工作点通过电机充电提高发动机工作 点扭矩,再进行升档改善发动机工作点.由图

5 可知,仿真车速能够很好的跟随 MVEG 目 标车速的变化,满足法规试验要求,仿真模型实现正确换挡. 图5PHEV 车速以及变速箱档位 在MVEG 循环工况中,试验油耗值 c2 为5.6L/100km.根据综合油耗计算其综合油耗为 1.6L/100km.通过发动机最佳工作区域策略的控制,提高了发动机工作效率,如图

6 所示. Speed(rpm) Torque(Nm)

5 15

25 35

45 55

65 75

1000 1500

2000 2500

3000 3500

4000 4500

5000 5500

6000 20

40 60

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120 140 Speed(rpm) Torque(Nm)

5 15

25 35

45 55

65 75

75 1000

1500 2000

2500 3000

3500 4000

4500 5000

5500 6000

20 40

60 80

100 120

140 图6PHEV 发动机工作点分布

4 结论 本文利用 AVL CRUISE 对传统轿车进行电机电池等参数匹配,并对 PHEV 进行油耗性 能建模仿真计算,得出以下结论: 1) AVL CRUISE 软件具有建模方便快捷特点,而且仿真模型精度较高,满足试验设计 要求,CRUISE 具有强大的矩阵计算能力;

2) AVL CRUISE 软件能较好地对进行整车性能计算分析, 为PHEV 动力参数匹配提供 依据,并为方案选择提供了思路;

3) PHEV 通过合理的参数匹配以及仿真分析表明其能够保证整车动力性并提高整车经 济性. 参考文献: [1] Sakata S., Ashida F., Zako M. Comparative study on gradient and Hessian estimation using the Kriging method and neural network approximation [J]. Mathematical and computer modeling. 2010, 3-4(51): 309-319. [2] Forsberg J,Nilsson L. On polynomial response surfaces and Kriging for use in structural optimization of crashworthiness [J]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2005, 3(29): 232-243. [3] Sakata S., Ashida F., Zako M. Comparative study on gradient and Hessian estimation using the Kriging method and neural network approximation [J]. Mathematical and computer modeling. 2010, 3-4(51): 309-319. [4] 彭涛,陈全世,田光宇等,并联混合动力电动汽车动力系统的参数匹配[J]. 机械工程学报,2003,2(39): 69-73. [5] 王保华, 罗永革. 基于 CRUISE 的汽车建模与仿真[J]. 湖北汽车工业学报, 2005, 2(19): 6-9. [6] 汪斌, 李峥, 彭红涛等. CRUISE 软件在混合动力汽车性能仿真中的应用[J].汽车技术, 2007, 9(5): 38-40. [7] 陈全世. 先进电动车技术[M]. 化工工业出版社, 2007, 3. [8] 张忠伟, 文建辉. 并联混合动力汽车驱动系参数匹配[J]. 拖拉机与农用运输车, 2007, 6(34): 63-65.