混合动力汽车动力转换性能仿真分析*

郭家田 徐建喜

（1.山东科技职业学院；2.天津职业技术师范大学）

针对不同的动力需求，混合动力系统运行工况可分为纯电动工况、纯发动机工况、发动机/电动机混合驱动工况、发动机驱动电动机发电工况、能量回收工况及停车充电工况，通过各工况的合理分配能够提高车辆的燃油经济性并降低排放[1]。ADVISOR仿真软件可实现汽车性能仿真分析[2]，文献[3-5]对混合动力汽车发动机和电动机切换控制进行了研究。文章采用ADVISOR仿真软件对汽车发动机与电动机在不同动力切换车速下汽车动力性、经济性及排放性进行仿真，分析混合动力汽车在不同动力切换车速下的优缺点，通过建立合理的动力切换控制策略，充分利用混合动力汽车两动力源的优势。

1 仿真建模

以某款投放市场的混合动力汽车为原型，建立ADVISOR整车仿真模型，分析动力切换车速对混合动力汽车动力性、经济性及排放性的影响。

该混合动力汽车驱动电动机采用永磁直流电动机，动力电池采用镍氢电池，整车参数如下：加速度为9.81 m/s2；空气体积质量为1.2 kg/m3；汽车质量为865 kg；汽车质心高度为1.380 m；车宽为1.590 m；空气阻力系数为0.38；迎风面积为1.7 m2；轴距为2.365 m。

与美国城市道路循环工况相比，欧洲城市道路工况（ECE_EDUC）与我国城市道路工况更为接近，所以选取ECE_EDUC工况用于仿真分析。

1.1 门限值控制仿真建模

门限值控制策略能够较为准确地反映出不同动力切换车速下汽车的各项性能参数。选取发动机与电动机进行动力切换时的车速分别为25，20，15，10 km/h，建立门限值控制仿真模型，通过仿真获取在各动力切换车速下汽车动力性、经济性及排放性的各项参数。

1.2 模糊控制仿真建模

现今多数混合动力汽车都是以节气门开度作为重要参数用来确定驾驶员对动力性的需求，然后辅以其他参数，如蓄电池SOC值、冷却液温度等，综合计算后确定出动力切换车速。精确门限值的模糊化能够反映出2个门限值之间存在的过渡区，用模糊参数取代精确参数，并综合考虑蓄电池的充放电效率，模糊控制比传统的门限值控制更接近人的思维方式，能够更好地描述控制规则。

通过蓄电池SOC值和油门踏板位置判断动力切换车速，使用MATLAB模糊逻辑工具箱设计一个输入变量为油门踏板开度（T）和蓄电池荷电状态（SOC），输出变量为动力切换车速（V）的模糊控制器，如图1所示。

图1 模糊控制器隶属函数

SOC，T，V 的模糊集合均规定为{L，PL，W，PH，H}。其中：L表示低（小），PL表示偏低（偏小），W表示适中，PH表示偏高（偏大），H表示高（大）。

由相应的隶属函数和模糊规则，可生成模糊控制规则曲面，如图2所示。将设计的模糊逻辑控制器嵌入汽车动力输出控制模块中。

图2 模糊规则曲面

2 仿真结果

图3～图6分别示出动力切换车速为25，20，15，10km/h时在ECE_EDUC工况下的仿真结果。

图3 动力切换车速为25 km/h时在ECE_EDUC工况下的仿真结果

图4 动力切换车速为20 km/h时在ECE_EDUC工况下的仿真结果

图5 动力切换车速为15 km/h时在ECE_EDUC工况下的仿真结果

图6 动力切换车速为10 km/h时在ECE_EDUC工况下的仿真结果

从图3可以看出，动力切换车速为25 km/h时，蓄电池电量在一个循环工况的后期会接近保护极限（0.5）。如果蓄电池SOC值低于保护极限，发动机将会提前运行以保护蓄电池不受损伤。从图3和图4可以看出，动力切换车速为25 km/h和20 km/h时，能够满足低动力需求工况，但在动力性要求较高的情况下，汽车运行工况与目标工况有一定的偏差，驾驶员会有汽车无力的感觉。从图5和图6可以看出，随着动力切换车速的降低，汽车的动力性得到改善，动力切换车速降低至15 km/h时，汽车的运行工况可以达到目标工况的要求。随着动力切换车速的降低，汽车动力性提高的同时，蓄电池的SOC值能够更好地保持在高效区。

ECE_EDUC循环工况模糊控制仿真结果，如图7所示。

图7 ECE_EDUC循环工况模糊控制仿真结果

从图7可以看出，混合动力汽车在动力切换模糊逻辑控制策略下，汽车运行工况能够达到目标工况的要求，且蓄电池SOC值能够稳定在高效区。各动力切换车速下汽车的经济性和排放性能，如表1所示。

表1 各动力切换车速下汽车的燃油消耗量和排放量

3 仿真分析

仿真结果表明，在平均车速较低的循环工况下，电动机的工作比重较大时可提高汽车的经济性和排放性，而且动力能够满足驾驶需求，蓄电池SOC值能够控制在合理的工作区间内；但在动力需求和加速要求较高时，如果发动机不能尽快地介入工作，汽车的动力性不能得到满足。

从表1中可以看出，所选择的汽车动力切换车速越高，汽车的经济性和排放性越好，所以在所选动力切换车速为25 km/h时，汽车的经济性和排放性最好。燃油消耗量和排放量随着动力切换车速的降低而逐渐升高，当动力切换车速降低到10 km/h时，汽车燃油消耗量为动力切换车速为25 km/h时的3.35倍。动力切换车速模糊逻辑控制下汽车的经济性和排放性介于动力切换车速在15～20 km/h时的状态，汽车燃油消耗量为动力切换车速为25 km/h时的2.12倍。

从仿真结果可以看出，动力切换车速高于20 km/h时，汽车运行工况会与目标工况出现偏差，而要满足汽车的动力性，改善运行工况，就需要降低动力切换车速；从表1可得，当动力切换车速为15 km/h时，汽车燃油消耗量和排放量均高于动力切换车速模糊控制工况。

4 结论

从仿真结果可以看出，动力切换车速对混合动力汽车的经济性和排放性有较大影响；动力切换车速门限值控制策略在混合动力汽车经济性和排放性方面具有优势，动力切换车速模糊控制可以在满足混合动力汽车动力需求的情况下，在20～15 km/h选取合适的动力切换车速，避免动力切换车速直接下降到15 km/h，能够在满足汽车动力性要求前提下提高汽车的经济性。当汽车以经济性作为目标时，可将25 km/h作为动力切换车速，在确保蓄电池SOC值能够维持在稳定区的前提下，让混合动力汽车得到较好的经济性和排放性。