混合动力轿车虚拟设计和仿真

徐凌

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

各种类型的电动汽车是解决节能与环保问题的现实途径之一，其中混合动力汽车同时采用内燃机和电机作为其动力装置，是目前市场化前景最好的节能汽车之一。文章在某款经济型轿车的基础上，加入电机、电池箱和电机控制器，以发动机与发电机串联构成辅助动力单元，并与动力蓄电池箱结合形成串联混合动力系统，驱动电机采用轮毂电机与车轮相连接形成电动轮驱动系统，进行了混合动力轿车虚拟设计。

1 利用CAD进行整车总布置

基础车型的结构非常紧凑，为了保证足够的内部空间，以满足用户对乘坐空间和行李舱空间的要求，采用CATIA三维数模与AutoCAD二维数模相结合的手段，进行反复优化设计和多方案对比，确定了混合动力样车的总布置方案，如图1所示。

图1 混合动力轿车总布置方案图

在性能样车的总布置方案设计中，为了实现轻量化和扩大行李箱空间，重新在行李箱中布置了电池箱和轮边电机控制器，增加电机和控制器的水冷系统。通过优化设计，使可用空间得到充分利用，实现了减重和优化轴荷分配等。

2 利用CATIA进行发动机舱和后桥的布置

2.1 发动机舱布置

根据车内空间的情况，确定动力构成由两部分组成：一是发动机舱的ISG电机；二是后轮的轮毂电机。在混合动力轿车设计中，基础车型的发动机舱变动较大。首先发动机动力总成的悬置需要更改设计；其次新增加了ISG电机，动力总成轴向尺寸发生变化，ISG电机的接口尺寸需要与发动机及离合器壳相适应，需要对发动机舱重新布置。文章采用CATIA三维数模进行了反复的布置比较，最终确定保持变速器质心不变，最大程度地保证与基础平台车零件通用，同时与ISG电机提供方确定了风冷电机的几何尺寸。性能样车发动机舱布置，如图2所示。

图2 混合动力轿车发动机舱布置模型图

在性能样车发动机舱布置方案优化设计中，为了实现轻量化，对水冷电机进行了减重；布置了水冷系统的水泵和散热器；提升12 V电池支架，避免和变速箱机构发生干涉等。

2.2 后桥布置

由于后轮安装轮毂电机，造成后桥变动较大，需要重新进行设计[1]。使用CATIA进行布置，确定了后桥布置方案，如图3所示。

图3 混合动力轿车后桥布置图

3 后横梁总成的有限元计算

由于混合动力车后轴荷增加较大，所以必须对其进行强度校核[2]。但后横梁总成结构形状及受力复杂，很难用传统的计算方法确定正确的危险截面及应力分布状态，因此采用了计算机有限元分析的方法对其进行分析计算。对基础车型进行了整车试验测试，将测试计算结果与有限元计算结果进行对比。

3.1 建立模型

利用CATIA建立托架、加强板、横梁、上下纵臂、减振器销轴及后悬架支承管等相关零件的三维模型，如图4所示。然后通过装配关系将零件装配起来，形成后横梁总成，再将总成传入PATRAN中进行应力计算。

图4 混合动力轿车后桥布置三维模型

3.2 约束状态

后悬架支承管与车身以橡胶套连接，其刚度与实际刚度相同；在弹簧上下支点之间加弹簧元，其刚度与实际弹簧刚度相同；在减振器上下支点之间加阻尼元，其阻尼值与实际减振器阻尼值相同[3]。

3.3 有限元计算结果与分析

由于实际测量时是以满载为测量的初始状态，测得应力是相对值，所以不能与计算值做绝对值对比，只做趋势对比。由于垂直载荷工况和制动力载荷工况为最大载荷工况，其计算应力与测试应力大小及趋势基本相同，所以可以确认垂直载荷工况和制动力载荷工况的有限元计算应力基本准确[4]。

通过与原型车后横梁计算结果的对比，发现两者最大应力基本相同，据此推断新设计的后横梁静强度符合要求。

4 整车经济性仿真计算

对于混合动力车型而言，由于存在着发动机、ISG电机及轮边电机3个机械动力源，因而可以采用不同的能量流动路径。因此，文章提出了等效燃油消耗率（EFCR）的概念：同样质量的燃油通过不同的路径最终到达轮胎的驱动功率大小，代表了能量利用效率的高低。

由于发动机的燃油消耗率可以直接得到，因此只需要计算3种情况的EFCR即可。

4.1 ISG电机助力时的EFCR

能量流动路径为：燃油—发动机—ISG发电—电池充电—电池放电—ISG驱动。因此计算公式为：

式中：ECFRisg——ISG电机的等效燃油消耗率，g/kW·h；

bchg——发动机的实际平均油耗，g/kW·h；

ηisg1，——ISG电机的瞬时驱动效率和平均驱动效率；

ηbat1，——蓄电池的瞬时放电效率和平均充电效率。

4.2 轮边电机助力时的EFCR

能量流动路径为：燃油—发动机—ISG发电—电池充电—电池放电—轮边电机驱动。因此计算公式为：

式中：ECFRmot——轮边电机的等效燃油消耗率，g/kW·h；

ηdt——前轴传动系平均效率；

ηmot1——轮边电机的瞬时驱动效率。

这里ηdt的存在是因为要将轮胎上的驱动功率等效为发动机输出端的功率。

4.3 发动机通过ISG发电时的EFCR

当部分发动机转矩用于驱动ISG发电时，发动机的工作点发生了改变，所以直接用实际的燃油消耗率代表能量利用效率是不合适的。考虑到发电产生的电能在将来也要用于驱动车辆，此时的EFCR可以用下式表示：

式中：ECFReng——发动机通过ISG发电时的等效燃油消耗率，g/kW·h；

be——用于发电的实际油耗，g/kW·h；

Te——发动机的实际转矩，Te=Te_dr+Te_chg，N·m；

Te_dr——不发电时的发动机转矩，N·m；

Te_chg——用于发电的发动机转矩，N·m；

4.4 等效燃油消耗率仿真计算

等效燃油消耗率仿真计算结果，如图5所示。从图5d可以看出，与原车型相比，混合动力车的油耗有了很明显的下降。

图5 混合动力轿车与原型车等效燃油消耗率计算

5 结论

文章通过虚拟设计和仿真研究，为在现有传统汽车上进行混合动力汽车开发提供了参考。

1）以发动机与发电机串联作为辅助动力单元，与动力蓄电池箱相结合，可作为混合动力系统；

2）以电机与车轮相连接形成电动轮驱动系统；

3）通过仿真计算发现，在发动机低负荷时，采用行车发电模式可以提高燃油消耗率。