基于Cruise的混合动力客车的电源参数设计与仿真

盛　精，陈峰磊，马腾腾

(厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门　361024)



基于Cruise的混合动力客车的电源参数设计与仿真

盛精，陈峰磊，马腾腾

(厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门361024)

摘要：为满足混合动力客车驱动电源能量密度和功率密度的双重要求，分析超级电容对整车动力性能的影响，提出了复合电源供能系统.基于整车动力性设计指标要求，对复合电源参数进行匹配，建立了基于Simulink的动力电池、超级电容及控制策略的模型，并将其嵌入基于Cruise的整车模型中进行仿真，最后进行样车试验验证.仿真和试验结果表明：复合电源使整车动力性和经济性得到了提升，最大爬坡度增加了10.2%，0~50 km/h加速时间减少了4.31 s，节油率达到13.7%.

关键词：混合动力客车；超级电容；复合电源；Cruise仿真

相比于传统客车，混合动力客车具有低噪声、节能、低排放、构型简单等优点，是近年来新能源汽车发展的主要方向[1].传统电动汽车采用电池作为唯一储能装置，而传统铅酸电池普遍存在体积大、质量重、功率密度低、充电时间长、连续工作时间短、不支持大电流充放电等问题，一直制约着纯电客车的发展.近年发展起来的超级电容作为储能装置，具有很大的功率密度，充电速度快，循环寿命长，但其能量密度小，因而无法保存充足的电量[2-6].为同时满足车用电源高比功率和高比能量的双重要求，针对现有单一蓄电池增程式混合动力客车的不足，本文提出一种由锂电池和超级电容组成的车载电源作为新一代混合动力客车的复合储能装置，并且基于城市循环工况(UDC)对复合电源的参数进行优化匹配，并对装载该构型的车辆进行道路试验.复合电源能够提高整车动力性和经济性指标，同时由于超级电容在工作过程中吸收了大倍率充放电电流，使得电池寿命得到了延长.

1复合电源的构型

城市公交在日常行驶过程中，发动机频繁起动、加速、制动、停车，导致电池频繁充放电，从而降低电池的使用寿命和能量效率[7-10].而采用超级电容与动力电池并联的复合结构，可在保证整车动力性的前提下，利用超级电容的瞬间大电流充放电的特性，减小瞬时大电流对动力电池的冲击；反之，电池的高充放效率，能最大限度地回收制动能量，起到削峰填谷的作用，进而提高整车的效率和经济性[11].如图1所示，蓄电池通过DC/DC直流斩波变换器与超级电容并联，共同为负载提供能量.当发动机加速或者需求扭矩增加时，DC/DC变换器处于升压状态，超级电容放电；当汽车制动或低速行驶时，DC/DC变换器处于降压状态，超级电容充电.该复合结构使整车的动力性和制动能量的回收得到改善.

图1　整车动力总成构型

2复合电源关键部件参数设计

本文根据某城市公交客车，给出车辆初始参数，见表1、表2.

表1　某城市公交客车整车主要参数

表2　整车设计指标

2.1整车功率需求

驱动电机是增程式车唯一动力源，根据整车设计动力性指标要求，对最高车速Vmax、最大爬坡度αmax及0~50 km/h加速时间t进行整车功率需求计算.

根据最高车速进行匹配：

(1)

根据最大爬坡度进行匹配：

(2)

根据加速性能进行匹配：

(3)

根据上述由动力性三项指标计算的各自最大功率，动力源总功率Pmax必须满足上述所有的设计要求，即

Pmax≥max(Pmax1,Pmax2,Pmax3).

(4)

综上求得Pmax=186 kW.

2.2动力电池参数选择及模型建立

2.2.1参数确定

以纯电动驱动模式续驶里程S为标准，计算动力电池组功率P和能量W.电池输出功率

(5)

考虑到电机的效率和充电情况(很多时候没有充满，因此按电池SOC值80%考虑)，得到

(6)

电池组额定总能量为(t=S/V，V为中国城市公交循环工况平均车速40 km/h)

(7)

式中：S为续驶里程，V为车辆等速运行速度，W0为电池额定总容量(kW·h).

电池额定容量公式为

(8)

式中：Qm为电池额定容量(Ah)，Ue为电池端电压.

综上所述，通过所选用的电池具体参数可以确定需要并联的电池组数，以及电池需要携带的总能量.欲使续驶里程达到60 km(可通过增加电池容量来增加续驶里程)，所选电池参数见表3.

表3　电池参数

Uoc—理想压源；Ro—欧姆电阻；Rp—极化电阻；Cp—极化电容；Ip—极化电流；Cb—储能电容图2　PNGV等效电路模型

2.2.2模型建立

动力电池的功率随汽车负载的变化而在动态变化着，因此，要求动力电池模型必须能精确反映其时变冲放电特性.目前，动力电池的建模方法主要有RC模型、Rint模型、PNGV等效电路模型[12]等.

PNGV模型采用恒压电源、电容电阻模型来模拟电池的动态变化特性.图2为PNGV等效电路模型图.

基于PNGV等效电路模型，在Simulink环境下建立电池模型如图3所示，该模块根据功率需求，可计算经过电池内部的电流、电压、SOC及耗电量.

图3　PNGV电池模型

2.3超级电容参数及模型确定

2.3.1参数确定

超级电容器在设计过程中需要满足两个基本要求，即功率要求和能量要求[14].

根据功率要求，通过功率约束法确定超级电容的数量：

(9)

式中：K1为超级电容器组均一系数，在理想情况下K1=1.

最大功率匹配

(10)

式中：RCES为超级电容器组的等效内阻，Ucmax为电容器组最高电压.

根据能量要求

(11)

式中：η为再生制动效率，m为整车质量，υ为汽车制动时的行驶速度.

本文针对城市客车大功率充放电应用，选择美国Maxwell公司生产的型号为BMODO165 PO48B01的超级电容，基本参数如下：电容量为165 F，额定工作电压为48 V，直流最大内阻为6.3 mΩ.综上所述超级电容参数见表4.

表4　超级电容参数

I—流进超级电容的电流；Is—漏电流；C—理想超级电容；U0—路端电压图4　经典RC等效电路图

2.3.2模型建立

超级电容是一种复杂的电容网络，建模方式与普通的电容有很大不同.目前比较常用建模方式为经典RC模型、三支路模型[16]等.由于三支路模型的建立需要大量的试验基础，建模过程非常复杂，所以本文采用相对简单实用的经典RC模型.经典RC模型采用理想电容与大阻值电阻并联，再与小阻值电阻串联的模式，等效电路如图4所示.

基于经典RC等效电路在Simulink软件中搭建超级电容模型如图5所示.

图5　超级电容模型

3控制策略的确定

复合电源的控制目标是在保证整车动力性的前提下，利用超级电容“削峰填谷”的作用，减少瞬时大电流对动力电池的冲击，提高电池寿命和充放电效率、系统再生制动能量回收效率、整车燃油经济性[5]等.超级电容极板所储存电量与电压成正比，可将超级电容SOC限制到0.5~1之间，使得有较高的能量利用率.电机对复合电源的正功率需求为0~185 kW之间，根据这4个门限值，制定逻辑门限值控制策略(图6).

图6　4逻辑门限值控制策略

式中：P为电机需求功率，Pbat为动力电池提供功率，Pc为超级电容提供功率，τ为动力电池低通滤波时间常数.

4基于Cruise的仿真实验

Cruise软件有较好的人机界面，可以方便地进行参数设置输入和提供直观的图形化仿真结果.利用Simulink建立的动力电池模型、超级电容模型、控制策略模型转化为dll文件，通过Cruise搭建的物理模型进行联合仿真，验证控制策略以及复合电源的效果，最后设置全油门加速性能、最大爬坡度性能及UDC工况循环等仿真任务，验证复合电源对车辆性能的影响.详见图7~图9及表5.

图7　基于Cruise软件搭建的整车物理模型

图8　复合电源控制策略图

图9　UDC循环工况

内容单一蓄电池复合电源最高车速/(km/h)68.5068.50最大爬坡度/%20.0122.060~50km/h加速时间/s27.6623.350~50km/h加速距离/m253.40244.83初速度50km/h的滑行距离/m1142.701130.40初速度30km/h、100%制动的时间/s1.721.66初速度30km/h、100%制动的距离/m7.256.71循环工况百公里油耗/(L/100km)22.5919.50

从仿真结果可以看出：改装后的混合动力客车，由于增加了超级电容，使得最大爬坡度增加了10.2%，0~50 km加速时间减少了4.31 s.这是因为复合电源的超级电容在整车加速阶段提供了大功率放电电流，提高了驱动电机的驱动功率，使得整车动力性有了大幅度的提升.同时由于采用了4逻辑门控制策略，对复合电源的能量分配有了更为高效的管理，使得整车节油率提升了13.7%.

5整车试验验证

为验证复合电源对实际车辆动力性能的提升能力，本文对原型车辆进行复合能源改装之后进行整车道路试验.通过非接触式汽车性能测试仪AM-2026M，对整车动力性和经济性进行验证.将最优构型仿真计算结果和整车的试验结果进行对比，其动力性、综合油耗、制动性等误差均在可接受范围，如表6所示.

表6　 仿真结果与实车道路试验对比表

6结语

1)对复合电源的构型进行了分析，在满足整车动力性指标的基础上，对复合电源中的动力电池和超级电容进行参数计算，使其同时满足功率要求和能量要求.

2)采用4逻辑门限值编写控制逻辑，对复合电源的功率分配进行管理；利用Cruise仿真软件在整车结构中对复合电源进行仿真分析，结果表明：整车动力性指标有明显改善，节油率提高了13.7%.

3)对搭载单一电源和复合电源的样车进行道路试验，结果表明：仿真结果与实际道路试验结果误差控制在10%以内.该复合电源系统能满足设计指标要求，并且在加速性能、爬坡性能以及节油率方面，相比于原车有了较大提升.

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(编辑武峰)

Design and Simulation of Electric Power Parameter of Hybrid Vehicle Based on Cruise

SHENG Jing,CHEN Fenglei,MA Tengteng

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024,China)

Abstract:In order to meet the dual demands of hybrid vehicle's driving density both inenergy and power, and to analyze the effect of the super capacitor on the dynamic performance of the vehicle, a composite power supply system was presented based on the vehicle power performance and the matching parameters were designed.Meanwhile, amathematics model about battery, super capacitor and control strategy on the basis of Simulink was also built and embed into the Cruise to be simulated.Sample vehicle verifies the correctness of simulation results:Maximum climb gradient rises 10.2%;Acceleration time from 0~50 km/h reduces 4.31 s.;Gasoline saving rate reaches 13.7%.

Key words:hybrid electric vehicle; super capacitor; hybrid electric power system; Cruise simulation

中图分类号：U469.1;U464.9+3

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2016)01-0001-08

作者简介：盛精(1965-)，男，教授，博士，硕士生导师，主要从事汽车零部件信息化技术、汽车产品CAD/CAE研究.

基金项目：“863计划”项目(2012AA111105)；厦门理工学院研究生科技创新计划项目(YKJCX2014009)

收稿日期：2015-10-30