前沿资讯| 插电式混合动力汽车开发初期的概念仿真

在PHEV（插电式混合动力汽车）开发的早期阶段，由一维仿真工具GTSUITE和Matlab/SIMULINK及优化和自动化工具modeFRONTIER建立了车辆概念和基本结构模型，包括燃油经济性、车辆加速度和电动续航里程，对一个法定行驶循环和0-60mph车辆加速度下的燃油经济性进行了验证。此外，还具体描述了在车辆开发的早期阶段确定满足车辆目标和要求的部件规格的程序，证明了该方法有助于设计车辆概念和确定系统和部件规范。

插电式混合动力汽车（PHEV）是未来交通运输最有前途的解决方案之一。混合动力汽车（HEV）最初的特点是与传统的汽油机和柴油机车辆相比具有更好的燃油经济性，然而近年来，客户越来越期待车辆的加速性和动力性等其他优点，即使是对于环保型车辆。此外，电动续航里程是PHEV的一个主要关注点，并对车辆结构（包括电池容量、功率和车辆重量）产生重大影响。

在开发的早期阶段预测车辆特性和定义部件规格对于缩短开发周期和减少后期的设计更改有着重要的作用。因此，利用一维仿真进行早期概念研究起着至关重要的作用。目前仿真工作中的大多数都专注于燃油经济性，但是随着PHEV进入运动型和豪华车市场，对车辆性能（如车辆加速度和动力性）的要求也越来越高。因此，预测汽车的燃油经济性和加速性，并在开发初期设计出兼顾这两个特性的汽车概念显得尤为重要。

本研究旨在建立一个实用的概念模拟系统，以便在PHEV开发的早期阶段设计车辆概念并定义部件规格。本文介绍了由边界条件和仿真模型构建组成的仿真方法，并以串并联型插电式混合动力汽车为例，给出了具体的仿真模型和仿真结果。并具体给出了根据车辆加速和油耗仿真结果确定发动机和发动机规格的方法。

图1显示了已在欧盟市场上市或即将发布的PHEV在充电模式下的二氧化碳排放与0至100kph车辆加速之间的关系。这张图表明汽车制造商正在积极地将PHEV扩展到豪华车、超级车和SUV市场。作为这张图表的另一个方面，粉红色 区域显示了顶尖跑车在二氧化碳排放和车辆加速之间有一种权衡关系。随着PHEV的广泛普及，在PHEV开发的早期阶段预测车辆特性和设计车辆概念是非常必要的。

图1 二氧化碳排放与汽车加速度的关系

图2显示了基于模型的车辆开发的V型图。汽车具有许多特性，如油耗、车辆加速度和动力性。为了缩短开发周期，有必要更精确地定义满足早期目标和需求的系统和组件规范。因此，应采用一维模拟进行概念研究。

在这个阶段，模拟的另一个有益结果是从各种方案中评估实际的最佳系统配置。混合系统结构的评估是一个典型的例子，因为混合系统非常复杂，其特性取决于控制策略。热系统仿真有助于有效利用热控器件和流体回路的集成来设计热管理策略。

在车辆开发的早期阶段，设计具有竞争力的车辆概念和定义规范，减少原型和车辆或系统验证时间。特别是对于插电式混合动力汽车，电池容量等部件规格会显著影响车辆特性和其他部件规格。因此，对混合动力电动汽车的早期仿真显得越来越重要。

图2 基于模型的车辆开发V型图

图3给出了所开发的仿真结构和过程的示意图。仿真模型由油耗仿真和车辆加速仿真两大部分组成。这两种基于前瞻性方法的仿真采用相同的对象模型和控制器，分别由一维仿真工具GT-SUITE和Matlab/SIMULINK进行。在电荷维持模式下的燃料消耗模拟需要迭代计算，以将最终SOC（电荷状态）设置为初始SOC。本研究采用实验设计（DOE）技术来探索最佳规格。上述计算是使用优化和自动化工具modeFRONTIER自动实现的。

图3 开发的仿真结构和程序示意图

图4以双电机串并联式前轮驱动为例，给出了混合动力系统的体系结构。该系统具有电驱动、串联、蓄电池充电、发动机驱动、并联和再生六种驱动方式。图5和图6显示了每种驱动模式相对于车速和车轮所需扭矩的范围。驱动模式之间的边界线取决于部件特性（例如发动机排量和电机峰值功率）和蓄电池充电状态。例如，CS模式下电驱动模式的面积随SOC的变化而变化。

图4 本研究之混合系统架构

图5 在CD模式下，每种模式相对于车速和车轮所需扭矩的范围

图6 在CS模式下，每种模式相对于车速和车轮所需扭矩的范围

在这项研究中，发动机基本上被控制在较低的油耗区运行，除非在需要较高发动机功率的情况下，如陡坡爬坡。在蓄电池充电模式下，发动机在最低油耗点运行，发动机超过车轮要求的功率通过电动发电机储存电能。这种模式的能量流如图7所示。

图7 电池充电模式的能量流

本文选择发动机排量和发动机峰值功率作为可变输入参数，并定义了它们的范围。使用DOE技术在其范围内进行了燃料消耗和车辆加速仿真。假设发动机和发动机重量分别随发动机排量和发动机峰值功率而变化。与制动平均有效压力（BMEP）和发动机转速对应的相同的制动比燃料消耗图与发动机排量无关，这些结果导致发动机峰值功率随发动机排量的增加而增加。

我们探索了发动机排量和电动机功率之间的最佳平衡，以满足车辆目标要求。在车辆要求方面，CD模式和电驱动模式下电驱动的最大车速规定了所需的最小电机功率。最低荷电状态下的等级能力规定了所需的最低发动机功率。基于NEDC实现了CS模式和电动档油耗的仿真。

图8显示了0到60迈的加速度与发动机排量和电机峰值功率的关系。

图8 根据发动机排量和电机峰值功率，0至60 mph车辆加速结果

在串并联方式下，采用发动机和电动机两种动力源加速时，电动机峰值功率和发动机排量的增加使车辆在相对较低的电机功率下线性加速。但当电机峰值功率超过80kw时，电机功率增加对车辆加速度的影响会减弱。这是因为牵引力控制并没有将整个电机的转矩传递给车轮，以防止轮胎打滑。

如果确定了车辆的目标加速时间，发动机和电机之间沿目标时间线的许多组合是可行的，但根据车辆要求，具体确定了所需的发动机和电机的最小尺寸。

图8证明了加速目标时间8秒和最小SOC的分级能力对发动机和发动机的组合起着关键性的约束作用。因此，在这一阶段，车辆加速度模拟确定了所需的推进功率和组合。

图9显示处于NEDC充电维持模式的发动机工作点。结果表明，发动机在最小油耗面积的情况下精确运行。由于处于蓄电池充电模式，发动机不会在较低的发动机转速和扭矩区域工作，而这些区域的燃油消耗相对较高。

图9 NEDC荷电维持模式下的发动机工作点（发动机排量：1.0L，电机峰值功率：60kW）

图10显示了发动机在NEDC模式下的累积油耗和峰值。它表明从燃油经济性而言，发动机排量从0.75升到1.1升是最好的。同时，由于重量减轻，较低的发动机峰值功率有助于提高燃油经济性。那么，更好的燃油经济性的最佳点就存在了。在本研究中，我们介绍了电池充电模式的引擎控制策略。油耗结果受发动机油耗图和行驶循环的影响较大。

图10 针对发动机排量和发动机峰值功率的荷电维持模式下的燃油经济性

根据车辆加速和油耗仿真结果，可以确定发动机和发动机的最佳组合。具体而言，通过将目标车辆加速度叠加在先前的油耗结果上，我们可以明确发动机和发动机尺寸的最佳组合。例如，当0到60mph加速的目标时间为8秒时，最佳区域如图11所示，动力总成结合约70千瓦的电机和1.2升发动机是这个混合动力系统和控制的最佳平衡。

图11 发动机峰值功率与发动机排量的最佳组合面积

结论:

本文研究了车辆开发初期的实际仿真。这个模拟使我们能够精确地预测油耗和车辆加速。研究结果表明，该方法对设计车辆概念、确定系统和部件规范有重要贡献。

作为今后的工作，我们将着重于以下主题：；

1.混合体系结构和控制策略的影响评估

2.基于混合结构和控制策略的最优控制策略的标定方法。

3.基于GPS（全球定位系统）的真实世界燃油消耗模拟

* 论文来源：https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2015-01-0980/