焦燕青，孙玉

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)



APU增程式混合动力系统匹配及其仿真研究

焦燕青，孙玉

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)

系统阐述了增程式混合动力系统匹配的基本方法，并结合整车实际运行工况对增程器的工作模式、运行条件进行了初设计，解决了项目初期系统选型输入需求的生成与提出问题，为整车、系统设计乃至整车系统控制策略的开发确立了基础。借助AVL.Cruise/Simulink软件对所匹配的系统进行了验证，达到了预期效果，表明这种系统匹配的方法是可行和有效的。

增程式；混合动力系统;匹配；控制策略

0 引言

在当前新能源汽车发展水平下，增程器(Auxiliary Power Unit，APU)混合动力系统作为一种基于串联结构的插电式强混轻客动力系统，较好地克服了EV(Electrical Vehicle)纯电系统电池成本高、续驶里程受限，以及PHEV/HEV(Plug-in Hybrid Electrical Vehicle/Hybrid Electrical Vehicle) 混合动力控制系统复杂、技术水平要求高的情况，对于一些相对动力性要求不高的大中型车辆运输系统具有现实意义。

1 增程式混合动力系统及工作模式

增程式混合动力系统结构和原理如图1所示。

图1 增程式混合动力系统原理

蓄电池作为主动力源保证车辆的动力性能、吸收制动回馈能量和提供一定的纯电续驶里程。发动机和电机组成的发电系统与蓄电池并联成动力电池系统，给驱动电机提供辅助功率和为蓄电池充电，增加续驶里程。驱动电机经主减速器和差速器机构驱动车轮。

关于增程式混合动力系统的匹配，有两种主流方式：一种是摊长动力电池放电时间，即控制车辆运行过程中动力电池的放电功率，在车辆运行过程中，增程器应VMS大功率需求请求启动发电[1]，为动力系统提供补充功率；另外一种控制模式是：设定动力电池SOC放电区间，当动力电池SOC达到一定状态时启动增程器采取变功率发电，直接驱动车辆运行，同时为动力电池充电。这两种控制模式，前者以文献[1]为代表。这种匹配方式可以考虑选用较小功率电机，能够有效缓解前舱总布置局促的问题，但缺点是：车辆运行过程中可能过于频繁启动增程器导致燃油不经济，并且由于受客观运行工况影响，可能需要匹配较高容量动力电池，车辆和运行成本不一定经济。文中采用第二种动力系统的匹配方式。

为简化模型，仅研究单速比减速器情形下增程器系统的匹配方法。多速比增程器系统的匹配可参照此进行。

2 动力系统参数设计

以某款宽体轻客增程式混合动力车辆为例来说明该架构动力系统匹配过程。已知整车设计目标见表1。

表1 整车设计目标

2.1 驱动电机及减速箱参数需求

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

(2)

式中：ig为变速器速比，无变速器，取1；i0为主减速器速比，9.07；m为汽车质量，3 500 kg；G为汽车重力，3 500×9.8 N；F为滚动阻力系数，根据试车场道路，取0.015[3]；ηT为传动效率，0.92；r为车轮半径，0.352 8 m；CD为空气阻力系数,0.4；A为迎风面积，4 m2；δ为旋转质量换算系数，1.05。

下面依表2所示的主减速器参数，进行驱动电机匹配。

表2 主减速器参数

2.1.1 电机峰值扭矩

上述已求得轮边驱动扭矩需要大于2 720 N·m，据式(1)、(2)，电机峰值扭矩需求300 N·m。

2.1.2 电机最高转速

为满足整车120 km/h 的峰值最高车速，根据传动系统参数，由式(3)求得电机需求最高转速为8 183 r/min，考虑一定裕量，电机最高转速需求9 000 r/min，约合130 km/h车速。

(3)

2.1.3 电机峰值功率

电机峰值功率主要决定整车最高车速及0～100 km/h加速时间，下面就从这两个方面分别求得各自所需功率，取其较大者作为对驱动电机的峰值功率需求。

(1)当车辆在平直路面上达到峰值最高车速时，du/dt=0，由式(4)得出：

(4)

为方便下一步计算，这里圆整为60 kW。

(2)车辆在平直路面上零起步加速过程中，整车加速度是变化的。在系统匹配的初期，可以假定车辆在起步过程中整车加速度恒定，基于能量守恒原理通过对整车做功过程的分析，得出加速过程对电机功率的需求。

整车在从0加速到100 km/h过程中，动力系统有效做功：

(5)

有效功功率：

(6)

根据公式(5)、(6)，当车速为100 km/h时整车需求功率最大。

这样公式(4)可表示为，

由此，整车对驱动电机的峰值功率需求为90 kW，考虑到必要的后备功率，确定整车对驱动电机峰值功率需求为100 kW。

2.1.4 电机持续功率

根据电机特性,取功率因子eP=Pt/Pe=0.6，则电机持续功率Pt=100×0.6=60 kW。

2.2 动力电池电量需求计算

已知：客车空调压缩机取功率3 000 W；SOC按(100%-20%)计算；电机平均效率：EPT系统92%。

通过Cruise系统建模仿真不难得出GVW 3 500 kg半载时NEDC工况能耗率：40.6 kW·h/100 km。若按50 km续驶里程计算，所需工作电量为50/100×40.6=20.3 kW·h，而对动力电池的最大能量需求为20.3/(1-20%)=25 kW·h。

3 系统匹配

前面提到，增程式混合动力以其结构简单、控制逻辑简单、可以在纯电基础上大大增加续驶里程见长。但另一方面，由于能量需要通过二次转化，先是由燃油转化为电，然后再由电转化为机械动能，其效率相对于传统内燃机直驱车辆要大大降低。在此基础上，核算APU系统燃油经济性将成为系统匹配工作的另一个重点，这其中包括两个方面：一方面是增程器输出功率需要满足整车工况需要，另一方面，需要通过一定的控制策略，实现消耗燃油最低。

3.1 增程器的匹配

整车对增程器的需求，主要考虑其电量输出，也就是对功率的需求。表3列出了混合动力车辆各运行工况基本功率需求。

表3 各运行工况基本功率需求

增程器工作时机的定义主要考虑道路条件及其运行工况。峰值最高车速和0～100 km/s急加速持续时间仅30 s,从用电量考虑，不足功率可以自动力电池中补充，通过功率对比，很容易明确校核的重点在于要满足100 km/h持续车速的功率需求。由于高速持续工况没有能量回收，动力电池电量很快下降到功率输出极限。在这种情况下，维持车辆以持续车速运行的功率主要来源增程器的工作。那么很容易得出，增程器输出的最小持续功率应为37.5 kW。考虑到能量从发动机经发电机转化为电能量效率的损失，要满足100 km/h持续车速需求，发动机经济转速输出功率需要达到37.5÷0.9=42 kW。

3.2 动力系统匹配的结果

动力系统初步匹配结果如表4所示。

表4 动力系统初步匹配结果

3.3 控制策略

根据整车前舱空间初步选定一款1.5 L发动机，其3 500 r/min经济转速下最大峰值功率可达55 kW，初步判定该款发动机可以满足系统需求。该款发动机万有特性如图2所示。

图2 发动机万有特性

图示粗线为发动机经济转速曲线，可以设定增城器工作时采用功率跟随策略，使发动机工作工况点始终在该曲线上。为了储存制动能量及储纳增程器工作过程中的能量富余及最小限度地出现油电二次转换带来的效率损失，设定增程器工作过程中电池荷电量在30%～40%之间转化，如图3所示。

图3 增城器工作模式与电量关系

当动力电池荷电量达到和低于30% SOC时增程器启动，一方面给电机供电驱动车辆，另一方面给电池充电。当电池SOC达到40%时，关闭增程器再次进入纯电驱动状态。根据发动机外特性，当系统需求功率较小时，可以采用固定转速，使发动机始终在3 000 r/min经济转速工作;当整车需求功率较大时，使发动机工况点沿经济转速曲线上移，发动机始终处于相对的经济油耗点。

为了实现上述思想，应用MATLAB/Simulink程序建立一个Demo(如图4所示),通过查表法根据需求功率求得发动机转速，并设定油门开度，应用Cruise接口程序转换为.dll文件，带入Cruise程序模型进行整车性能计算，Cruise模型见图5。

图4 发动机功率跟随策略Demo

4 仿真计算

4.1 仿真结果

NEDC工况整车动力转速时间分布如图6，可见发动机绝大部分时间都是运转在经济油耗区。

图6 NEDC工况整车动力转速时间分布

仿真结果汇总见表4。计算结果表明：匹配结果满足预期目标要求。

表4 仿真结果

备注：条件A为纯电驱动模式；条件B为保持电量平衡、燃油消耗模式。加权油耗(单位L/100 km)=条件B油耗×25/(25+纯电续驶里程)。

根据上述搭建的模型，还可以计算出不同的持续稳定车速下整车燃油消耗率。经与传统发动机直驱动力比较，可以发现：条件B[4]市区工况时增程器架构省油17%左右；而相对高速等速运行时传统发动机直驱动力较省油，见表5。

表5 APU架构整车与传统发动机直驱动力燃油消耗率对比

4.2 仿真结果分析

(1)由式(3)结合图6，当整车车速小于110 km、发动机转速为2 800～3 000 r/min、发动机输出功率为40～50 kW时，发动机工作在最佳油耗区。而如果要使整车持续行驶车速进一步提升，则势必要提升发动机转速以便输出更高的功率。经过计算，条件B情况下整车最高车速每增加5 km/h,发动机输出功率需要增加10 kW。

(2)由于增程式电动车的特色之一是动力电池作为能量源具有较大的比重，其意义在于发动机为整车提供扩充的续驶里程。由表5看出：如果车辆要在高速运行，其经济性较传统内燃机车显然不具优势。所以，APU架构的意义在于具有制动能量回馈功能，一定程度上降低油耗和减少排放，而由于在高速上较少变速，无充分的回馈能量，反而燃油消耗率高。

(3)增程器混合动力汽车在需求功率较小的情况下，尽管可以使发动机一直工作在经济油耗区，但是由于要经过二次能量转化，在由燃油的热能转化为机械能的过程中，其效率较传统内燃机车大大降低[5]，这样在定速巡航没有制动能量回馈的条件下，其经济性不具有优势。

(4)由表5可知：增程器混合动力汽车在变功率工况条件下，由于可以采用策略尽力使发动机一直工作在经济油耗区，再加上减速时制动能量的有效回收，在城区工况条件下，仅为同等量级内燃机车能耗的1/3左右。

5 结论

通过上述匹配及对其匹配有效性的验证，可以得出以下结论：

(1)APU增城器架构的应用延长了纯电动车辆整车巡航里程，大大缓解了纯电动车辆客户的里程焦虑。同时由于其出色的制动能量回收表现，相较传统内燃机车辆而言，又具有更佳的燃油经济性能和排放性能。

(2)增程器混合动力相较其他形式的混动架构形式，具有结构简单、控制策略易于实现、成本价格适中的优势，尤其是较好地满足了广大市区工况运营客户的需要，对于一些相对动力性要求不高的大中型车辆运输系统，在当前乃至以后相当一段时期内，具有相当的开发应用价值。

【1】尹剑.基于Cruise和Matlab的增程式电动车联合仿真分析[J].客车技术研究，2012(5):13.

YIN J.Co-simulation Analysis of Increased Program Pure Electric Bus Based on Cruise and Matlab Software[J].Bus Technology and Research,2012(5):13.

【2】余志生.汽车理论[M].5版.北京：机械工业出版社,2009:18-19,31.

【3】彭莫,刁增祥.汽车动力系统计算匹配及评价[M].北京:北京理工大学出版社,2009:61.

【4】GB/T 19753-2005轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法[S].

【5】朱军.新能源汽车动系统控制原理及应用[M].上海:上海科学技术出版社,2013:99.

APU Extended Range Hybrid System Matching and Simulation

JIAO Yanqing, SUN Yu

(Commercial Vehicle Technical Center,Shanghai Automotive Group Co., Ltd.,Shanghai 200438,China)

The system matching method for one extend range hybrid system was expounded. According to the real work situations, the work mode and operating conditions were designed preliminarily to solve the initial input demand of the project.The Simulink model was built by AVL.Cruise/Simulink software.The simulation results show that the ways and the models are feasible and effective.

APU; Hybrid system; Matching; Operating mode

2016-06-15

焦燕青(1977—)，男，工学学士，工程师,研究方向为新能源系统匹配技术。E-mail:yakin_chiao@yeah.net。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.002

U461.2

A

1674-1986(2016)09-006-05