1、.并聯混合動力電動轎車多能源動力總成匹配和控制策略的仿真研究 華中科技大學電動汽車研究院一、 引言在并聯混合動力電動汽車動力總成配置中，通常將內燃動力與電動動力通過機械傳動裝置耦合在一起，在不同的工況條件下組成不同的工作模式，從而使內燃動力和電動動力各發揮所長而避其短，以應對越來越嚴酷的環保和能源限制要求。內燃機、電動/發電機、儲能裝置、傳動裝置、電力電子和微電子控制器等組成了并聯混合動力電動汽車的多能源動力總成，上述各部件的參數匹配和系統控制策略對于混合動力電動汽車的性能起著至關重要的決定性作用。為此，在開發階段必須通過計算機仿真技術尋求適宜的匹配和控制策略，以使用較低的開發成本、較短的開發

2、周期實現預定的開發目標。本文主要通過以MATLAB為平臺的Advisor分析軟件，對所開發的奇瑞HEV混合動力轎車多能源動力總成的配置進行驗算和比較，對多能源控制策略的效果進行初步的計算認定。二、 仿真模型奇瑞HEV混合動力轎車的仿真模型如圖1所示，其中分別建立了車輛模型、發動機模型、電機模型、電池模型、傳動裝置模型、車輪模型、附件模型和動力裝置控制模型等。發動機模型的輸入參數采用376電噴汽油機的試驗數據, 但由于未得到有關排放的數據而未能置入排放模型。電機模型的輸入參數是按所設計任務書要求的指標參考同類產品性能曲線而假設的, 在實際電機試驗結果出來后再行替換，而電池模型輸入參數則參照了同樣

3、容量下國外公司的Li電池資料。為了比較不同的控制策略，構筑了PTC-PAR2chery和INSIGHT兩種控制策略。圖2是其中之一的控制策略框圖。奇瑞HEV混合動力轎車的傳動裝置考慮了電機與發動機之間直接連接的相同轉速關系以及變速器本身具有的5個前進檔，按通常的方法考慮換檔規律，圖3是仿真中所用的376發動機萬有特性圖，圖4是10kw交流感應電機特性曲線圖。 圖1. 并聯混合動力電動汽車仿真模型 圖2. 多能源動力系統控制策略框圖 圖3. 376發動機萬有特性圖 圖4. 10kw交流感應電機特性曲線圖三、 仿真結果1、“標準參數”下性能仿真：“標準參數”指車輛總質量1443kg，主減速比4.1

4、33，單元電池容量15Ah，裝376汽油發動機，采用PTC-PAR2chery控制策略。分別對ECE_EUDC（平均車速62.44km/h，最高車速120 km/h, 每10.93km內有13次停車）, ECE_EUDC_LOW（平均車速31.11km/h，最高車速90 km/h, 每10.59km內有13次停車）, US06_HWY（平均車速97.91km/h，最高車速129.23 km/h, 每10.04km內有1次停車）, NYCCOMP（平均車速14.1km/h，最高車速57.94 km/h, 每4.03km內有19次停車）, NYCC工況循環 （平均車速11.41km/h，最高車速4

5、4.58 km/h, 每1.9km內有18次停車）進行仿真，所得性能指標如表1。表1“標準參數”條件EUDCEUDC_LOWUS06_HWYNYCCOMPNYCC動力性0100km/h加速時間(s)60100km/h 加速時間(s)最大爬坡度(%)最高車速(km/h)16.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.616.39.643178.6經濟性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿續駛里程(km)5.78775.78776.57697.864111454SOC在循環中的變化范圍2%1.3%2.8%1.3%0.5%圖5給

6、出了EUDC_LOW工況下的一組曲線，其中（a）為行駛工況，（b）為發動機輸出轉速(rad/s)，（c）為發動機輸出轉矩(Nm)，（d）為電機輸入功率(相對量)，（e）為10個循環（共計105.9km路程）中的電池SOC變化范圍。圖6給出了NYCC工況下的一組曲線，（a）（d）的意義同前，（e）中10個循環的里程數為19km, 圖中橫坐標為時間(s)。 (a) (b) (c) (d) (e) 圖5. EUDC_LOW工況下的一組數據 (a) (b) (c) (d) (e) 圖6. NYCC工況下的一組數據2與純內燃動力情況的比較為了比較混合動力在性能方向與傳統動力的差異，進行了換裝純內燃動力的

7、仿真計算，計算中發動機仍為376汽油機，汽車總質量由于不裝電機和電池而減少至1372kg，所得性能結果如表2所示。對比表1與表2, 可以看到混合動力比純內燃動力的節油率因工況循環不同而有很大差異: 平均車速高, 停車頻率低則節油少; 平均車速低, 停車頻率高則節油多。表2純內燃動力條件EUDCEUDC_LOWUS06_HWYNYCCOMPNYCC動力性0100km/h加速時間(s)60100km/h 加速時間(s)最大爬坡度(%)最高車速(km/h)2414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154.32414.424.2154

8、.3經濟性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿續駛里程(km)7.46767.17046.972511.742715.9314混合動力相對于該純內燃動力的節油率23%20%5.8%33.3%30.8%3不同控制策略對于不同的控制策略,包括同樣控制策略下的一些門檻值參數選擇進行了仿真計算。表3給出的是按PTC-PAR2chery和PTC-Insight二種不同的控制策略所作的仿真結果。圖7給出了這二種不同策略下的電機輸入功率曲線的對比（NYCC工況循環下）。表3 EUDC_LOW NYCCPTC-PAR2cheryPTC-InsightPTC-PAR2cheryPTC-Insight經

9、濟性百公里油耗(L/100km)50L油箱一次充滿續駛里程(km)5.78776.37941145412.6397SOC在循環中的變化范圍1.3%2.5%0.5%0.3% (a) PTC-PAR2chery (b) PTC-Insight 圖7. 兩種控制策略下的電機輸入功率曲線4電池容量選擇奇瑞HEV混合動力轎車選擇Li離子動力電池作為系統的儲能裝置，其單元電池容量初選為15Ah，此容量是否合適，需作參數分析。影響容量選擇的一個重要考慮是在典型的混合動力工況下使電池的SOC變化在合理范圍內。為此對容量選15Ah、10Ah和7Ah分別進行仿真計算。其計算結果如表4（對動力性和經濟性的影響極小，

10、故表4只給出SOC變化）。 表415Ah10Ah7AhEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCSOC變化范圍（%）1.30.52.00.82.71.15. 主傳動比：按主傳動比 4.133 ，4.6，5.1分別進行仿真計算，所得結果如表5。 表54.1334.65.1EUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCC動力性0100km/h加速時間(s)60100km/h加速時間(s)最大爬坡度（%）最高車速（km/h）16.39.643178,616.39.643178.616.19.748.2160.916.19.748.2160.916

11、.09.648.314516.09.648.3145經濟性百公里油耗（L/100km）5.7115.7115.810.850L油箱一次充滿續駛里程（km）877454877454862463SOC在循環中變化范圍1.30.51.40.51.50.46總質量按1443kg , 1200kg 和1000kg三檔總質量進行比較，所得結果如表6。 表6140012001000EUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCCEUDC_LOWNYCC動力性0100km/h加速時間(s)60100km/h加速時間(s)最大爬坡度（%）最高車速(km/h)16.39.643178.616.39.643178.

12、613.78.148.3178.613.78.148.3178.611.76.848.3178.611.76.848.3178.6經濟性百公里油耗（L/100km）50L油箱一次充滿續駛里程（km）5.7877114555.29629.85104.910209.1549SOC在循環中變化范圍1.3%0.5%1.4%0.5%1.4%0.5%四、 結果分析結合并聯混合動力電動轎車的仿真計算結果，以下就多能源動力總成配置和多能源動力系統控制兩個方面進一步分析。1、 配置奇瑞混合動力電動轎車是低混合度電動汽車，其混合度為26.8%左右，發動機為普通電噴汽油機，電機為飛輪殼內置集成式大轉矩、高效率交流感

13、應電機，兩個動力裝置的最大功率之和為56KW左右，這就使得其動力性比單用376汽油機的原車優越。由表1和表2可知，其0-100km/h加速時間從24s縮短至16.3s，60-100km/h加速時間從14.4s縮短至9.6s，其最大爬坡度（8km/h速度）從24.2增加至43%，最高車速從154.3km/h提高至178.6km/h。從經濟性來說，奇瑞混合動力電動轎車的配置使其在ECE-EUDC-LOW的城郊道路工況下比原車型節能20%，而在典型的城市道路工況（NYCCOMP和NYCC）下，節能33.3和30.8%，當然，在高速公路上混合動力的優勢不能得到充分體現，例如，在US06_HWY工況下，

14、其節能幅度僅5.8%。本次仿真中由于缺乏發動機排放數據，因此未能就該混合動力配置情況下有害物排放量的減少幅度做出估計，但我們根據資料選擇了Geo1.0L發動機(最大功率也是41kw)的數據進行估算得到的結果如表7所示。表7EUDC_LOW NYCC混合內燃混合內燃污染物 CO (g/km)0.2890.2960.9871.278 HC (g/km)0.090.1030.180.245 NO (g/km)0.0970.1050.1840.223由上表可知，在城市工況條件下，混合動力配置時其CO、HC、NO的比排放率分別比傳統內燃動力配置時降低23%、26.5和17.5%；而在市郊公路上，這一降低

15、量僅分別為2.3%、12.5%和7.6%。由此可見，低混合度并聯型混合動力配置在動力性和經濟性方面的收益大于環保方面的收益。 有關電池的配置涉及到電池組的輸入、輸出功率需求，壽命預計和成本考慮等因素，通常高性能的功率型Li電池SOC循環脈動幅度5%時的循環壽命達20萬次以上，10%脈動幅度時的循環壽命達5萬次以上，計算表明，即使單元電池7AH（參見表4），其EUDC_LOW循環中的SOC變化范圍也僅2.1%，而在NYCC循環中的SOC變化范圍更低，才1.1%，完全能滿足壽命要求，問題在于要進一步提高電池的比功率，使其能滿足10C以上的充放電要求，否則就只能增加電池容量。2、 控制策略美國RENL國立實驗室根據對日本Insight 車IMA系統所作的試驗建立了PTC-Insight控制策略，按該控制策略對奇瑞混合動力電動轎車的性能進行仿真，發現在該種多能源系統的控制策略下電動力的作用未充分發揮，故與純內燃動力相比其節能幅度較小（EUDC_LOW循環時11%，NYCC循環時20.8%，參見表3）；采用PTC-PAR2chery控制策略時奇瑞混合動力電動轎車的性能得到了進一步的提高（EUDC_LOW循環時20%，NYCC循環時30.8%，參見表2）。圖7通過兩種情況下電機輸入功率的比較對