基于AMESim的PSHEV动力系统性能研究

张心奕， 王建平*， 俞宴明， 叶华国， 卜少华， 钱志高

(1.安徽工程大学 机械工程学院，安徽 芜湖 241000；2.中国北方发动机研究所，天津 300400)

随着社会的不断进步，经济发展与能源消耗之间的矛盾日益尖锐。全世界都面临着能源匮乏、气候变化与废气污染的巨大挑战，这些问题是限制传统汽车行业快速发展的重要原因。纯电动汽车因电池续航低和充电桩覆盖率低，在段时间内难以普及推广，而混合动力汽车具有燃油发动机和电动机两种动力源，其具备传统车的续航要求和动力的同时，也能有效降低油耗和尾气排放。因而混合动力汽车是未来汽车行业发展的重要趋势，是当下企业和高校的研究重点。

根据车辆的不同驱动结构系统可以将混合动力汽车分为3种：串联式混合动力汽车(SHEV)、并联式混合动力汽车(PHEV)、混联式混合动力汽车(PSHEV)。本研究从功率分配角度分析不同工况下发动机、发电机和电动机之间的关系，在辅助动力系统中，通过提高电池容量可以降低混联式混合动力汽车的油耗和发动机尾气排放，适当地提高电动机启动功率，可以降低混联式混合动力汽车平均油耗，且对发动机排放影响较小。

1 混合动力汽车功率分配

混联式混合动力汽车构造实际是串联式和并联式的组合，它具有两者的主要特性，在此结构中，发动机和驱动电机的功率耦合驱动汽车运行在并联模式下。但功率从发动机到发电机再到驱动电机的过程可视为是串联的。因此PSHEV 拥有 SHEV 和 PHEV 两者的优点。相比串、并联式的单一形式，混联式的优缺点也更为突出。主要表现在运行模式更多，热效率高,排气污染低，其结构要更复杂，相应成本也较高。

图1为PSHEV的5种功率分配策略，当车辆起步或者速度较低时，发动机关闭，动力电池提供电能，车辆仅由电动机驱动。相比于PHEV的发动机会工作在效率较低、排放较差的区域。PSHEV由于电动机具有低转速高扭矩的特性，加速较快同时因为发动机不工作，减少了燃油消耗。当车辆速度提升到正常行驶速度时，发动机开始工作，同时带动发电机向电动机发电，此时发动机和电动机一起驱动车辆行驶，主要消耗燃料可以降低对电池依赖。当车辆需要爬坡或者急加速时，发动机正常工作，同时带动发电机发电。发电机和电池同时向电动机输出电能。相比SHEV在高功率工况下只能由电动机直接驱动车轮，从而需要更大容量的电池，同时频繁的能量转换也降低了整体效率。

图1 PSHEV功率分配策略

PSHEV此时由发动机与电动机一起工作驱动车辆运行，不仅改善车辆的加速性能与最大能力点也可以选择功率较小的元件，车辆布置更加灵活。当车辆需要减速滑行或者减速制动时，会向驱动电机发出负力矩信号，使其处于反拖发电状态，向电池组回馈电能。在车辆怠速工况下，发动机以一定的怠速转速输出动力，带动电机发电并存储到电池中。由此提升能量利用率，汽车节油、排放性能也得到提升。所以混联试动力汽车结合了串联式和并联式的结构特点，在低速状况下主要工作于串联模式，使发动机不受车速影响工作在高效率区间；在高速状况下主要工作于并联模式，减少能量转换提高整体效率。

2 仿真模型的建立

2.1 仿真模型的建立

利用AMESim建立PSHEV性能仿真模型，如图2所示。

图2 PSHEV性能仿真模型

2.2 混合动力汽车参数设置

考虑到部件的质量、转速、体积、动力性及经济性的要求，选择发动机、电动机、发电机的参数(表1～3)。

表1 发动机参数

表2 电动机参数

表3 发电机参数

3 仿真与测试

在仿真模型中设置基本参数后，选定如图3所示，以NEDC为混联式混合动力汽车的仿真工况，仿真时间为1 200 s。在NEDC工况下仿真得到混合动力汽车的发动机和电池运行性能如图4所示。

图3 NEDC工况

图4 PSHEV的功率分配和性能分析

如图4a所示，为混联式混合动力汽车在运行工况下各阶段发动机、发电机和电动机的功率变化以及对应车速的变化。根据车辆速度分析车辆运行状态，在电动机驱动阶段，初始状态车辆的速度为0，此时为纯电动机驱动阶段，混合动力汽车的功率由电动机提供，功率流向如图1b；在车辆提速到一定车速时，汽车变速箱开始升档，此时出现电动机功率小幅下降，当换挡操作完成后，电机功率输出恢复正常。

当车速达到混合动力设定要求时，发动机开始启动后介入，汽车的主要动力源发生改变，在发动机启动后的混合动力阶段中可以看出，发动机介入的瞬间，电动机功率产生突变，突变中降低的原因是发动机启动能量较大，而能量是来源于电池，造成电动机瞬间功率突变；突变后小幅度升高原因是发动机启动后，电池电流流向稳定，此时发动机作为主要动力源，电动机成为了辅助动力源。在混合动力阶段车速提升时，汽车处于大功率运行工况，如图1 d所示，此时汽车动力输出总功率高，发动机多余功率输出到发电机，转化为电能为电动机驱动提供动力。

当车辆进入正常行驶状态时，汽车的动力来源由发动机提供，电动机停止工作，在发动机驱动阶段可知，在恒车速稳定行驶下，发动机功率输出较为稳定。

车辆减速和制动时，发动机关闭，发电机工作，将车辆减速的动能转化为电能存储在电池中，其功率流向如图1e所示。经减速后进入混合动力阶段，与加速阶段混合动力不同，该阶段车速恒定，其发动机功率和电机功率基本稳定；再经混合动力阶段进入制动阶段，制动阶段是汽车制动停车，此时发电机功率变化不稳定。

图4b为在NEDC工况下发动机和电池的运行性能。结合图3可知，NEDC工况下，混合动力汽车的车速具有多个起步阶段、加速阶段、匀速和减速阶段，在完成一个工况下，混合动力汽车经过多个发动机启动和关闭转态，即功率分配非常复杂。发动机的转速表明发动机不同的工作状态，发动机启动9次，发动机转速恒定表示其功率输出恒定，转速提高表示发动机大功率输出，转速降低表示车辆处于减速阶段；电池荷电状态SOC值的波动变化表明电池处于不停的充放电状态，在NEDC工况后期，汽车速度快制动回收能量多，此时的SOC值明显增加；从发动机排放量中可以得出，在NEDC工况后期，发动机工作时间长且功率输出大。

图5为不同电池容量下，发动机的尾气排放量和发动机油耗的对应变化，以及在一个NEDC工况下电池容量对电池荷电状态SOC的影响。在一个NEDC工况完成后，电池容量越小电电池荷电状态越高，当电池容量为325 Ah时，在一个NEDC工况下，电池荷电状态基本保持不变；图5b表明不同电池容量下，电池容量越高发动机的平均油耗越低，电池容量与平均油耗呈线性关系，相对应于图5a中电池荷电状态变化，表明电池容量越高混合动力汽车的经济性越好，相对于电池容量130 Ah下，在不同电池容量下平均油耗分别降低22.72%、38.64%和54.55%；对于发动机排放性能的影响：电池容量的变化对混合动力汽车的排放有一定的影响，电池容量的增加能在一定程度上改善混合动力汽车的排放性能。

图5 电池容量对PSHEV性能的影响

图6为不同电动机启动功率下发动机尾气排放和平均油耗的对应变化，以及在一个NEDC工况下电动机启动功率对电池荷电状态SOC的影响。在一个NEDC工况下电动机启动功率越大电池的荷电状态SOC值越低，当启动功率为22 kW时，在一个NEDC工况下，电池的荷电状态基本保持不变；从图6b中可知，电动机启动功率越大，发动机平均油耗越低，在功率为13 kW时厚，平均油耗降低表现更好，以9 kW电动机启动功率为参考，11 kW、13 kW和15 kW功率下，平均油耗分别降低0.41%、0.82%和2.45%；对于发动机排放性能的影响：电动机启动功率变化对发动机的排放有一定的影响，电动机启动功率的增大会对混合动力汽车的排放性能有一定恶化影响。

图6 电动机启动功率对PSHEV性能的影响

4 结论

为了研究混联式混合动力汽车辅助动力系统对发动机性能的影响，本研究对混合动力汽车功率分配问题进行分析，建立PSHEV的仿真模型，并在NEDC工况下分析混合动力汽车各阶段的功率如何分配以及发动机和电池性能变化。对不同容量电池和不同电动机启动功率进行性能测试对比，比较相同工况下两种变量对混合动力汽车的油耗和排放性能的数据，得到如下结论：

电池容量的增加能改善发动机的排放性能，对发动机的经济性提升最佳，平均每1 Ah可有效降低发动机油耗0.28%。

电动机启动功率的增大虽然会导致发动机尾气排放略微恶化，但是对发动机的经济性提升最佳，当电机启动功率为12 kW时，其经济性表现更为突出，当启动功率为15 kW时，发动机平均油耗降低2.45%。