混合动力商用车48 V动力系统设计及仿真

梅 鹏 张新塘 王 桀 徐 达

(武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063)

0 引 言

由于混合动力汽车的成本较高，很多整车和零部件制造商都在针对混合动力汽车设计一种低成本的解决方案，其中最为有效的方案是设计一种48 V轻度混合动力系统[1-2].与传统动力系统相比，48 V动力系统增加了电机和电池等设备，能够配合发动机一起输出动力，因此，48 V动力系统具有混合动力的效果[3].与普通的混合动力系统相比，48 V动力系统的电动机功率和输出转扭矩都小很多，不能单独依靠电机驱动[4]，电机仅在车辆起步和加速时，辅助发动机输出部分动力，使发动机运行在最佳经济区.轻度混合动力商用车不但具有制动能量回收的功能，还具有加速助力和发动机停机滑行等功能[5-6].

文中以福田某型传统商用车为研究对象，通过仿真软件ADVISOR建立了整车模型，将48 V轻度混合动力商用车与传统商用车进行比较，从而探讨48 V动力系统的可行性.

1 48 V动力系统设计

48 V动力系统是在传统12 V系统基础上添加了一套48 V系统，即12 V/48 V双电压系统，见图1.48 V系统主要包括：BSG电机、锂离子电池组，以及DC-DC转换器等部件[7-10].这种系统将汽车电器与电控装置根据耗电大小分为两组：传统电器装置采用12 V供电；功率较大的电气装置采用48 V电压供电.BSG电机既可用作发电机，也可用做电动机，BSG电机回收的能量一方面可通过DC-DC转换器传入12 V系统，供车载设备使用；另一方面可储存在锂离子电池中，为汽车加速时提供能量[11-13].

图1 48 V动力系统

1.1 发动机参数匹配

根据市场发动机的类型，选取某型发动机，其基本参数见表1.

发动机相关特性是根据台架试验测得的，在发动机模型中，输入的数据有：发动机万有特性，发动机外特性以及发动机制动特性.图2为发动机万有特性图和发动机制动曲线.

表1 发动机基本参数

1.2 电池参数匹配

结合市场上电池的实际情况，最终选择某公司某型电池.该电池的基本参数见表2，根据整车的实际布局情况，将14个锂电池串联为一个电池单元，然后并联三个电池单元.

表2 某型电池基本参数

图3为不同因素随电池SOC变化曲线.

图3 电池SOC变化曲线

1.3 电机参数匹配

本文48V系统中的BSG电机既可以作为电动机提供转矩供汽车加速时使用，当汽车减速或者制动时可作为发电机回收能量储存在电池中.所以文本设计的电机模型既作为电动机也可作为发电机.

根据市场上电机类型和型号，选择某型BSG电机.该电机基本参数见表3.

表3 电机基本参数

电机的效率图见图4，电机的转速与功率和转速与转矩曲线见图5.

图4 电机的效率图

图5 电机最大功率与最大转矩曲线

1.4 整车参数

本文以某型商用车为研究对象，其基本参数见表4.

表4 某型商用车整车参数

1.5 道路工况

测试循环采用湖北省某实测路况，该道路工况参数见表5.

2 基于ADVISOR建模与仿真

整车根据输入行驶工况，对预计行驶速度进行判断，将汽车所需的驱动力传至整车模块，整车模块将其转化为转速和转矩传递给车轮模块.转速和转矩依次流经主减速器、变速器最后传递到发动机和电机模块，发动机和电机根据转速和转矩计算出所需提供的功率.发动机和电机提供的功率沿着变速器模块、主减速器模块、车轮模块最后到整车模块，减去每项损失的功率后可计算汽车的实际车速.

表5 某道路工况信息参数

/s13 400/km289/(km·h-1)79/ (km·h-1)113/(m·s-2)0.22/(m·s-2)3.38/(m·s-2)0.24

2.1 发动机模型

ADVISOR软件中通过实验建模法来建立发动机模型，该方法在脚本文件中输入了大量的实验所测数据，然后利用实验数据来模拟发动机的运行状态，因此能够非常准确的表示发动机的稳态特性[14-15].

发动机模型中主要包括了三个子系统模块，分别是发动机转速计算模块、发动机转矩计算模块和发动机油耗及排放计算模块.

2.1.1发动机转矩计算模块

发动机的实际转矩为

Tout=Te-Ta

(1)

当发动机估算转速小于实际转速，为

Te=Tout+Ta

(2)

当发动机估算转速大于实际转速，为

Te=Tθ

(3)

式中：Tout为发动机的输出转矩,N·m；Te为发动机与转速相关的输出转矩,N·m；Ta为发动机加速惯性转矩,N·m；Tθ为发动机在不同节气门下输出转矩,N·m.

发动机加速惯性转矩

Ta=β·a

(4)

式中:β为发动机转动惯量；a为加速度，m·s2.

2.1.2发动机转速计算模块

发动机转速计算模块是根据汽车行驶速度和离合器信号来计算的，当离合器闭合时，为

vc=vout

(5)

当离合器断开，汽车需求速度上升时，为

vc=min(Nd、nmax)

(6)

当离合器断开，汽车需求速度降低

(7)

式中：vc为计算车速，m/s；vout为实际车速，m/s；vd为需求车速， m/s；nmax为发动机最大转速，r/min.

2.1.3发动机燃油和排放量计算模块

燃油消耗量的计算公式为

mf=rf·∂θ

(8)

发动机排放量的计算公式为

me=re·∂θ

(9)

式中：mf发动机燃油消耗量，kg/h；me为发动机排放量，kg/h；rf为发动机燃油消耗率，g/(kW·h)；re为发动机排放率，g/(kW·h)；∂θ为温度修正系数.

温度修正的计算随发动机的标志变量的变化而有不同的修正算法，当发动机标志变量为1时，温度修正系数和标准温度修正系数的计算公式为

∂θ=1+(z-1)·∂B

(10)

∂B=(θ1-θ2)/(θ1-θ3)

(11)

当发动机标志变量为0时，温度修正系数和标准温度修正系数的计算公式为

(12)

(13)

式中：∂B为标准温度修正系数；θ1为恒温调节装置设定的恒温温度，℃；θ2为发动机冷却液温度，℃.

2.2 电池模型

汽车在行驶过程中，蓄电池既能够储存电能也能够释放电能.在建立蓄电池模型的过程中，通常是将其看成由理想的开路电压和内阻串联的等效电路.

2.2.1功率控制模块

功率控制模块的主要功能是控制电池的输出功率范围，电池的最大限制功率为

P=Vbus·(Voc-Vbus)/R

(13)

Vbus=max(Voc/2,Um,Emin)

(14)

式中：P为电池最大限制功率，kW；Voc为开路电压,V；Um为电动机最低控制电压, V；Emin为电池最低电压， V.

2.2.2电流计算模块

电流计算模块的主要通过功率和基尔霍夫电压定律来计算电流的大小，计算如公式为

P=(Voc×I)-I2R(3-20)

(15)

2.2.3电池SOC计算模块

电池SOC计算模块主要根据电流的大小计算电池SOC值，首先通过平均库伦效率计算充放电电流积分，确定总电量的变化，计算公式为

SOC=(C-C1)/C

(16)

式中：C为电池最大容量，kW·h;C1为放电电量，kW·h.

2.3 电机模型

48 V系统中的BSG电机既可以作为电动机提供转矩供汽车加速时使用，当汽车减速或者制动时可作为发电机回收能量储存在电池中.所以文中设计的电机模型既作为电动机也可作为发电机.

选用的电机为永磁同步电机，具有低速恒转矩，高速恒功率的输出特性.

2.4 变速器模型

设计的48 V微混动力商用车采用的变速器为机械式自动变速箱(AMT)，变速器的输入是需求的转矩和转速，输出是变速器实际的输出转矩和转速.

2.5 控制策略模型

48 V动力系统采用转矩分离控制策略，该控制策略是根据汽车反馈到离合器所需的转矩大小，计算BSG电机提供的辅助转矩大小，剩余的转矩由发动机提供，所建立的控制策略模型见图6.

图6 控制策略设计

电机转矩需要根据以下几个方面进行确定：

1) 当汽车在加速状态时，电机的最大输出转矩为45 N·m.

2) 当汽车在减速或者制动时，电机能够实现制动能量回收，将动能转化成电能储存在电池中或供负载使用.

3) 当车速低于15 km/h时，汽车在制动时，电机不参与工作，制动力仅由摩擦力提供.

2.6 整车模型

整车的仿真模型主要是根据汽车动力学相关公式搭建的，主要由加速阻力计算模块、坡道阻力计算模块、滚动阻力模块和车速计算模块组成，其计算公式如下.

F=Ff+Fw+Fi+Fj=mg(μ(cosα+

(17)

3 仿真结果及特性分析

3.1 轻度混合动力商用车模型的验证

由于轻度混合动力商用车是在原型车的基础上建立的，所以发动机和传动装置等参数与原型车几乎没有变化.除此之外，转矩分离控制策略在没有电机工作时，轻度混合动力商用车和传统商用车发动机控制策略以及整车工作模式大致相同.所以为了验证上述建模的真实可靠性，关闭轻度混合动力商用车中的电气化部分，使其动力来源只有发动机，电池和电机都不参与工作，此时模型变为传统商用车模型.将更改后的模型进行仿真，同时把传统商用车模型与原型商用车在某路段实测数据进行对比，仿真结果对比见图7.

图7 原型商用车与传统商用车模型相关性能对比

原型车和仿真模型的平均车速、发动机平均转速和发动机所做的功对比见表6.

表6 仿真结果与实际数据值对比

由表6可知，传统商用车模型的仿真结果与原型车相差不大，误差均在5%范围以内.由于仿真模型很难做到与实际情况完全一致，汽车在实际情况中行驶比仿真道路工况要复杂得多，比如驾驶员的驾驶习惯、天气原因以及行驶过程中应急情况等，这样都会对汽车的行驶造成影响.综上分析，本文所建立的模型是合理的.

3.2 混合动力商用车动力性分析

根据汽车加速性能对传统商用车和混合动力商用车的加速性能进行比较，见图8.由图8可知，混合动力汽车的加速性能比传统商用车更好.图9为在混合动力商用车以最大加速度达到100 km/h时，发动机输出功率、电动机输出功率和驾驶员需求功率的变化历程.由图9可知，前45 s内，图像波动比较频繁，这是因为混合动力商用车在加速时，AMT会进行换挡操作，在换档过程中，发动机和电动机的输出功率会有明显的波动.驾驶员的需求功率是发动机输出功率和电动机输出功率之和，所以红线位于绿线上方.图10为本段加速路况中，电池SOC的变化曲线与电机输出功率的变化历程.由图10可知，电池SOC一直处于下降状态，电机功率变化曲线一直位于x轴上方，说明汽车在加速过程中，电机一直在给汽车提供驱动力.

综上所述，混合动力商用车在加速时，电机会配合发动机一起给汽车提供驱动力，与传统商用车相比，混合动力商用车的动力性能更好，最大加速度提高3%.由于本文采用的BSG电机只在汽车起步或者加速时提供驱动力，所以轻度混合动力商用车和传统商用车的最高车速几乎相等.

图8 混合动力商用车与传统商用车加速性能比较

图9 发动机输出功率、电动机输出功率和驾驶员需求功率的变化历程

图10 电池SOC与电机输出功率的变化历程

3.3 混合动力商用车燃油经济性分析

整段路况中混合动力商用车行驶速度与时间的变化关系见图11.

图11 混合动力商用车在整段路况中的行驶速度曲线

发动机的功率、电机的工作功率和驾驶员的需求功率随时间的变化见图12.汽车在加速时，驾驶员的需求功率大于零，发动机和电机都提供输出功率驱动汽车加速行驶；汽车在减速行驶时，驾驶员的需求功率为零，混合动力商用车利用惯性带动电动机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存，剩余的能量利用发动机制动和刹车制动消耗.

图12 发动机功率、电机功率与驾驶员的需求功率对比

电池功率和电机功率对比见图13，当汽车加速时，电池释放电能供电机使用，因为能量传递过程中会有部分能量损失，所以电池的放电功率大于电机功率；当汽车在减速时，电机回收能量储存在电池中，由于传递效率和能量损失的影响，电机回收的能量大于充入电池的能量.电池电量的变化见图14.

图13 电池充电功率 与电机功率对比 图14 电池SOC变化曲线

图15为整段路况和局部路况中混合动力商用车发动机转矩与传统商用车发动机转矩对比图，由图15可知，传统商用车发动机提供的转矩高于混合动力商用车.

图15 发动机转矩随时间的变化

图16为整段路况和局部路况中混合动力商用车发动机的燃油消耗率与传统商用车发动机的燃油消耗率的对比图，由图16可知，传统商用车的油耗高于混合动力商用车.

图16 发动机耗油率随时间的关系

在整段路程中轻度混合动力商用车和传统商用车的能量对比见表7.表8为电机能量回收时间和加速助力时间表.

表7 混合动力商用车与传统商用车能量对比表

表8 混合动力商用车电机工作时间表

由表7可知，以某道路作为循环工况，轻度混合动力商用车与传统商用车相比，电机回收能量时间燃油消耗量节约了1.66%，发动机平均效率提高了0.97%，发动机总输出能量降低了1.1%，轻度混合动力商用车经济性提高的原因主要在于电机在汽车减速或者制动时能够实现能量的回收利用，这样就降低了刹车时以热能散失的能量，能量回收率达到13.96%.电机回收的能量为51 336 kJ，实际用于加速助力的能量为34 869 kJ，其中有16 467 kJ能量用于给车载电器化设备功能，另外11 281 kJ能量为能量传递过程中，电池内阻以及其他机械附件流失的能量.

由表8可知，电机在整段行驶路况中，有57.5%的时间处于工作状态，其中有27.6%的时间作为发电机实现能量的回收利用，将回收的能量给电池充电，有30%的时间作为电动机，将回收的能量转化成动能供商用车加速时使用.

3.4 发动机排放特性分析

混合动力商用车和传统商用车在某路段的比排放见图17.经过计算得出，传统商用车NOx比排放是3.44 g/(kW·h),48 V轻度混合动力商用车NOx的比排放是3.39 g/(kW·h)，排放降低了1.5%.

图17 发动机排放特性

4 结 论

1) 对福田某型混合动力商用车进行的仿真分析表明48 V动力系统具有较好的动力性和经济性.

2) 基于襄阳到十堰往返道路工况，记录商用车实际油耗及行驶状况，将仿真模型与实际数据相比较，很好的验证了模型的准确性.

3) 实验和仿真结果对比分析表明了轻度混合动力系统在汽车行业有很好的实用性，48 V是未来新能源汽车发展方向之一.