基于ADVISOR的混合动力汽车性能仿真研究

张良，宋秦中，刘旭，朱学超

基于ADVISOR的混合动力汽车性能仿真研究

张良，宋秦中，刘旭，朱学超

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

节能和环保是当今世界的两大主题，仿真分析可以在制作实车前节约大量的实验成本。为改善混合动力汽车的性能，在ADVISOR中建立整车仿真模型及蓄电池仿真模型，对发动机和电动机进行参数匹配及选型，对混合动力汽车的最高车速、百公里加速时间、蓄电池系统的SOC变化情况等性能进行仿真分析，结果显示，改良后的混合动力汽车性能能够达到要求，车辆的动力性以及燃油经济性都有所提高。

节能环保；仿真分析；ADVISOR；混合动力汽车

随着汽车产业的飞速发展，能源危机和环境保护两大问题也越发突出。20世纪末至今，石油不足、环境恶劣等全球性难题始终无法改善。在环境问题逐渐严重的情况下，各国政府机关都制定了更为严格的汽车尾气排放标准。开发能够节能减排的新型汽车已经成为各国汽车公司的首要任务。“中国制造2025”已经将新能源汽车的研究开发作为一项国家战略。

混合动力电动汽车（HEV）是传统内燃机和电动汽车的完美结合。HEV包含了传统内燃机汽车与纯电动汽车两种汽车的优势：既具备传统内燃机汽车续航里程长的优点，又具有纯电动汽车节能环保的特性。该类型汽车的出现，在一定程度上能够改善能源、环境等问题不断恶化的现状。

1 汽车模型建立

1.1 整车模型建立

一般来说，根据汽车动力源布置的位置，混合动力汽车可以分为串联式混合动力系统、并联式混合动力系统和混联式混合动力系统。其中，串联式混合动力系统的结构最为简单，但是传动效率较低，部分情况下，发动机无法直接驱动车轮，要经过发电机和电动机的两次损耗。此外，还需要一个较小功率的发电机，成本较高；混联式混合动力系统结构过于复杂，成本高，混联式混合动力汽车在长距离高速行驶过程中，基本上是不能省油的；并联式混合动力系统与传统汽车较为接近，并联构型只需要一个电机，而且电机不需要给车辆提供全部的驱动力，电机的功率可以比较小，可大大降低成本。同时，因为电机和内燃机可以共同驱动车辆，所以极限动力输出更高。综上所述，本文以并联式混合动力汽车为研究对象，改变其车辆性能参数，以求达到改善汽车动力的目的。

1.2 电池组模型建立

电池组是混合动力汽车的关键部位，电池组的质量直接影响汽车的动力性，对于能源的节约与环境的保护也起到了关键的作用。蓄电池的内阻模型依照动力总线所需功率计算SOC值和有效功率输出值，车辆行驶过程中损耗的部分功率按照“库仑效率”定律和内阻损耗进行评定，从而构建全部模型。蓄电池仿真模型包含受限功率模块、内阻模块、核算电压模块、SOC模块、内部电流荷载模块以及散热模块等多个核算模块。

1.3 控制策略的制订

混合动力汽车的控制策略决定了汽车的工作状态，作为电动机动力控制的主要因素，蓄电池SOC值的控制范围十分重要。汽车在行驶过程中，应当将SOC值保持在比较平稳的范围内。电池组的峰值放电功率必须比电动机所需的最大功率要高；当SOC值降低，发动机开始为电池充电时，电池组的峰值必须满足汽车的充电功率需求。蓄电池最为理想的SOC值上下限在0.6～0.85之间。当SOC值接近下限时，汽车改为纯电动模式。

2 动力总成参数匹配

动力总成参数匹配原则是发动机功率需要满足汽车在平坦路面上以最高车速行驶的要求。至于行驶过程中，当汽车需要加速或爬坡时，其峰值功率由电动机补充。在此基础上，尽可能地减少电池容量，降低燃油消耗。

2.1 发动机参数匹配

混合动力汽车的发动机要求有一定的驱动功率，有足够的动力性能和机动性能，能够满足混合动力汽车的基本动力性能要求，并且能够与驱动电动机一起提供混合动力汽车所需的最大功率，使混合动力汽车达到或接近燃油汽车的动力性能水平。发动机的最大输出功率取值要依据车辆匀速行驶时的功率要求，满足公式：

混合动力汽车的整车基本参数为：传动效率t为0.8，汽车质量为1 400 kg，滚动阻力系数为0.02，风阻系数d为0.34，迎风面积为2.5 m2，最高车速为120 km/h。将整车基本参数代入公式计算，通过计算得出发动机输出功率为36 kW；发动机功率余量为发动机输出功率的12%，取值为4.3 kW；汽车各附属设备需要消耗功率约为4 kW，得正常工况下汽车的总功率为44.3 kW，为保证车辆在使用发动机驱动汽车时整车的动力性能，应选取功率大于44.3 kW的发动机。考虑以上因素，选择最大功率63 kW，排量1.0 L的发动机最为合适。

2.2 电动机参数匹配

电动机是混合动力汽车的关键辅助动力，电动机的转速和功率等，是在匹配和选型时需要考虑的主要参数。根据混合动力汽车电动机的实际情况，选择扩大恒功率系数为4～6，最高转速为5 000 r/min的电动机最为合适，计算公式为：

根据上述公式，将数值代入公式，计算出电动机额定功率35.5 kW，加上汽车的最大爬坡度20%，求出电动机功率为42.6 kW，所选电动机的最大功率需要大于所求出的实际功率，因此，最终选择最大功率为59 kW的电动机，在ADVISOR中，选择电动机型号为MC_AC59。

2.3 电池组参数匹配

在汽车运行期间，电池组需要反复地充电和放电，因此对于混合动力汽车而言，有关电池的配置会考虑输入和输出功率需求、安全性以及电池寿命等主要问题。此外，还要考虑实际应用过程中的成本以及维修问题。综合以上因素，阀控铅酸电池是一个比较合适的选择。

选定电池类型之后，电池组的大小也需要综合考量。如果电池组的容量太小，会影响汽车行驶距离，行驶途中充电十分不方便；如果电池容量太大，汽车的体积和质量必然会相应的增大，汽车的动力性和经济性都会降低。综上所述，初定选取PB25铅酸电池最为合适。

3 仿真结果与分析

ADVISOR软件总共提供了50多种国外标准的道路循环供仿真测试使用，美国城市道路循环工况UDDS如图1所示：选取UDDS道路循环，用于仿真测试所设计混合动力汽车的最高车速、平均车速、百公里加速时间、百公里油耗及最大爬坡度等车辆性能。

图1 UDDS道路循环

将车辆参数数据输入模型，经ADVISOR仿真分析，得到蓄电池系统的SOC值变化。蓄电池系统的SOC值变化如图2所示：蓄电池系统的SOC值随着行驶时间而降低。在前600 s中，蓄电池系统的SOC值下降明显，之后趋于平缓。从汽车开始行驶到实验结束的1 800 s时间中，电池SOC值始终维持在0.6～0.8之间，符合实验要求。

图2 蓄电池系统的SOC值变化

混合动力汽车的仿真性能指标如表1所示：通过仿真可知，车辆的最远行驶距离为11.99 km，最高行驶速度为 91.25 km/h，平均车速为31.51 km/h，平均加速度为0.5 km/s2，百公里加速时间为11.62 s，百公里油耗为5.1 L/km，最大爬坡度为19.8%。上述参数与预想的车辆性能基本相符，该混合动力汽车各关键部件的参数选择基本合理。

表1 混合动力汽车的仿真性能指标

项目仿真结果 最远行驶距离/km11.99 最高车速/（km/h）91.25 平均车速/（km/h）31.51 平均加速度/（km/s2）0.5 百公里加速时间/s11.62 百公里油耗/（L/km）5.1 最大爬坡度/（%）19.8

4 总结

在基于ADVISOR的混合动力汽车性能仿真研究中，建立了并联式混合动力汽车的整车模型，建立了混合动力汽车的蓄电池仿真模型，匹配了发动机和电动机的相关参数，并选择了相应的发动机和电动机型号，对混合动力汽车的最高车速、百公里加速时间、蓄电池系统的SOC变化情况等车辆性能进行了仿真分析，分析结果显示，该并联式混合动力汽车的相关性能均能够达到标准，而且车辆的动力性以及燃油经济性都有所提高。

ADVISOR软件在混合动力汽车项目开发阶段能够起到十分重要的作用，可以提前模拟出车辆的各项动力性能量消耗等。在项目的开发初期阶段可以很好地评估整车技术方案的可行性，减少投资，缩短开发周期。

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U467

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.062

2095－6835（2020）02－0149－02

张良（1988—），男，江苏苏州人，硕士研究生，实验师，研究方向为机械工程、车辆智能控制。

〔编辑：张思楠〕