传统汽车转混合动力基准研究

白云生

摘 要：文章将采用传统汽车为对象，搭建基于Artemis URM130循环工况，将其转为并联式混合动力汽车的基准研究。以提升车辆燃油经济性为目标，传统汽车与仿真混合动力汽车为对象，研究车辆在重新设计过程中并联式混合动力系统工作的较优燃油经济性算法。研究结果表明，在Artemis URM130循环工况中，并联式混合动力汽车在低速且电池电量较高时，能有效提高燃油经济性;在较高速段合理控制发动机工作策略将有效提升车辆续航能力。

关键词：混合动力汽车 基准研究 循环工况 燃油经济性

Benchmark Research on Converting Traditional Vehicles to Hybrid Power

Bai Yunsheng

Abstract：This article will use traditional cars as the object to build a benchmark study based on Artemis URM130 cycle conditions and turn it into a parallel hybrid electric vehicle. With the goal of improving vehicle fuel economy， traditional vehicles and simulated hybrid vehicles are the objects to study the optimal fuel economy algorithms for parallel hybrid power systems during vehicle redesign. The research results show that in Artemis URM130 cycle conditions， parallel hybrid electric vehicles can effectively improve fuel economy at low speeds and high battery power; reasonable control of engine working strategies at higher speeds will effectively improve vehicle endurance.

Key words： hybrid vehicle， benchmark research， drive cycle， fuel economy

1 引言

在環境污染及能源短缺双重制约下，各种新能源或节能汽车相继出现在汽车市场。伴随各国推出汽车节能减排制度与相关政策，各大厂商也着手加大研发优化燃油经济性与开发新能源的力度。混合动力汽车作为介于传统汽车与纯电动汽车之间的过渡车辆，由于其油电混合的特性在汽车市场也持有可观占比。继上世纪末日本后，多数厂商在对其已发售车辆为原型基础上，进行结构改造为混合动力汽车的案例屡见不鲜，可见节能及新能源汽车的可观发展未来。

并联式混合动力汽车作为典型的电机与发动机可以分别且同时提供动力的车型，在汽车驱动性能上已大幅改善传统汽车只能燃烧燃油的劣势。作为混合动力汽车的典型代表，在保有基本燃油经济性优势的前提下，持续改善其环境污染及节能减排也始终是其作为混合动力车型的主要发展目标。现今对混合动力汽车的节能减排优化的主要技术包括：优化改造混动系统与持续提升控制策略。

优化改造混动系统可从原混合动力车辆上进行结构改造，或将现有传统车辆模型作为基础进行，这种方式需将重心放在车辆的动力仿真模拟及计算上;控制策略的持续提升着重在车辆模拟工况下进行更合理的能量管理，除了需要考虑机械系统性能以外同时需要结合混合动力系统中电机扭矩、能量的需求、电池SOC与SOH等因素综合权衡，形成电机与发动机相辅相成的动力总成。

传统汽车转混合动力需要通过对车辆基准再开发及布置，结合循环工况对改装后车辆性能进行计算对比。同时就循环工况中纯电机驱动、纯发动机驱动以及混合驱动多种工况结合车辆在具体时间内的控制策略来最大化提升车辆燃油经济性。混合动力汽车在本文采用EXCEL搭建车辆基准模型，结合Artemis URM130循环工况进行车辆性能计算;CATIA进行混合动力系统改造布局，综合研究传统汽车转混合动力汽车以提升燃油经济性目的的模拟分析。

2 车辆基准研究

2.1 模拟平台搭建

模拟采用2012款英版1.4L福特嘉年华作为原车模型进行基准研究。原车基准参数如表1所示：

为使模拟数据与原车实际数据更匹配，围绕原车进行性能及Artemis URM130循环工况模拟平台搭建主要从几个数据进行仿真调整：性能模拟中换挡耗时以0.2秒为基准，换挡时间参考车辆加速度大于0且发动机转速在6000rpm以下执行，性能模拟中模拟时间参数为0.1秒总共100秒，车辆运行质量按照车辆有效载荷最大指标进行模拟。

2.2 混合动力系统模拟

混动系统模拟将在原车基础增加电机、电机控制器、逆变器、电池等电能部件及冷却相关管路。系统总质量、空间布置等都将对车辆动力性及燃油经济性造成影响，基于动力性能模拟及Artemis URM130循环工况模拟测试后混动系统相关部件选择如表2所示：

值得注意的是，考虑到原车是两厢车，为在混动系统改造上不过大影响车辆后备厢容量，电池将呈两块分别置于发动机舱与后部底盘，电池单体均采用3.2V棱柱形锂离子袋状电池进行组合。电机、电机控制器均置于发动机舱以减小车辆传动损耗。性能模拟均采用原车相同基准，Artemis URM130循环工况中根据发动机转速及能量进行纯发动机模式、纯电机模式以及混合动力模式转换，电机工作与否根据循环工况中电池SOC值与车速。

混动汽车布置形式如图1所示：

3 基准对比与分析

3.1 模拟结果对比

原车与混动汽车模型根据Artemis URM130循环工况及动力性能仿真，结果如表3所示：

Artemis URM130循环工况中发动机与电机转速如图2所示：

在模拟结果中，发动机基本处于工作状态，在车辆速度低于52km/h时（以下简称工况一），发动机能量都将用于电池充电，若电池电量较高，此时发动机将处于怠速状态，车辆速度高于52km/h时（以下简称工况二），发动机将开始工作，此时电机提供能量相对减小，当车辆速度高于100km/h时（以下简称工况三），车辆属于高负荷状态运行，不考虑电池SOC值前提下，电机与发动机均处于高功率运转状态。

3.2 模拟结果分析

原车与混动车辆在性能模拟中，由于行驶距离及时间短，不会出现混动车辆电池电量过低的情况。在Artemis URM130循环工况中，由于车辆运行时间长，电池容量小，在循环工况测试中后期，需要在发动机或电机消耗较小时或电池电量较低时保有较好燃油经济经性的前提下制定电池充电策略，同时为防止电池出现过放状态，当电池SOC低于10%时，车辆控制策略会将充电优先级提高，以防止此类情况发生。

在循环工况一中，最佳燃油消耗状态是全程电机工作，如果行驶时间较长，发动机可发电对电池进行充电，这种控制策略能显著降低混合动力车辆油耗。在工况二中，有两种控制策略对混合动力车辆进行油耗管理：电池电量较高时，电机可作为辅助动力源根据发动机负荷决定是否加入动力系统提供能量，也可由电机驱动车辆，当电池电量较低或车辆所需速度超过电机能提供最大值时，发动机介入代替电机工作;电池电量较低时，除了正常制动能量回收以外，将会增加发动机功率，保证车辆速度的同时对电池进行充电。在工况三中，可有两种控制策略进行油耗管理：电池SOC值较高时，电机可对发动机助力，让发动机保有较低油耗同时不影响车速;电池SOC值较低时，增加发动机负荷进行行车充电模式。

本文研究原车与混动汽车性能对比为基础，提升混动车辆燃油经济性为目的，因此在上述各工况中，采取低速电机主要驱动，发动机主要充电，以及高速时电机辅助驱动，发动机行车充电的控制策略将最大化保有混合动力车辆的燃油经济性。

4 结论

在Artemis URM130循環工况中，采用EXCEL搭建性能模拟平台，可对传统汽车转混合动力汽车改造部件及混合动力系统工况进行对比，结合循环工况进行控制策略筛选达到提升燃油经济性的目的。通过模拟结果表明，在Artemis URM130循环工况中，不考虑电池充电次数的前提下，低速段采用纯电机驱动，中高速段采用电机辅助驱动，发动机进行充电的方式能使混合动力车辆保有更佳燃油经济性。

重庆市自然科学基金项目资助（CSTC2019JCYJ

-BSHX0031）;重庆工业职业技术学院院级项目资助（GZY201904-YA）

参考文献：

[1]麦明珠，何建威.混合动力汽车驱动系统方案设计及控制策略研究[J].2020（16）：18-19.

[2]宋文福，于忠贵，张志斌，王悦，郭宇.增程式混合动力汽车能量管理策略研究[J].2020（16）：80-81，95.