混合動力轎車虛擬設計和仿真

徐凌

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

各種類型的電動汽車是解決節能與環保問題的現實途徑之一，其中混合動力汽車同時采用內燃機和電機作為其動力裝置，是目前市場化前景最好的節能汽車之一。文章在某款經濟型轎車的基礎上，加入電機、電池箱和電機控制器，以發動機與發電機串聯構成輔助動力單元，并與動力蓄電池箱結合形成串聯混合動力系統，驅動電機采用輪轂電機與車輪相連接形成電動輪驅動系統，進行了混合動力轎車虛擬設計。

1 利用CAD進行整車總布置

基礎車型的結構非常緊湊，為了保證足夠的內部空間，以滿足用戶對乘坐空間和行李艙空間的要求，采用CATIA三維數模與AutoCAD二維數模相結合的手段，進行反復優化設計和多方案對比，確定了混合動力樣車的總布置方案，如圖1所示。

圖1 混合動力轎車總布置方案圖

在性能樣車的總布置方案設計中，為了實現輕量化和擴大行李箱空間，重新在行李箱中布置了電池箱和輪邊電機控制器，增加電機和控制器的水冷系統。通過優化設計，使可用空間得到充分利用，實現了減重和優化軸荷分配等。

2 利用CATIA進行發動機艙和后橋的布置

2.1 發動機艙布置

根據車內空間的情況，確定動力構成由兩部分組成：一是發動機艙的ISG電機；二是后輪的輪轂電機。在混合動力轎車設計中，基礎車型的發動機艙變動較大。首先發動機動力總成的懸置需要更改設計；其次新增加了ISG電機，動力總成軸向尺寸發生變化，ISG電機的接口尺寸需要與發動機及離合器殼相適應，需要對發動機艙重新布置。文章采用CATIA三維數模進行了反復的布置比較，最終確定保持變速器質心不變，最大程度地保證與基礎平臺車零件通用，同時與ISG電機提供方確定了風冷電機的幾何尺寸。性能樣車發動機艙布置，如圖2所示。

圖2 混合動力轎車發動機艙布置模型圖

在性能樣車發動機艙布置方案優化設計中，為了實現輕量化，對水冷電機進行了減重；布置了水冷系統的水泵和散熱器；提升12 V電池支架，避免和變速箱機構發生干涉等。

2.2 后橋布置

由于后輪安裝輪轂電機，造成后橋變動較大，需要重新進行設計[1]。使用CATIA進行布置，確定了后橋布置方案，如圖3所示。

圖3 混合動力轎車后橋布置圖

3 后橫梁總成的有限元計算

由于混合動力車后軸荷增加較大，所以必須對其進行強度校核[2]。但后橫梁總成結構形狀及受力復雜，很難用傳統的計算方法確定正確的危險截面及應力分布狀態，因此采用了計算機有限元分析的方法對其進行分析計算。對基礎車型進行了整車試驗測試，將測試計算結果與有限元計算結果進行對比。

3.1 建立模型

利用CATIA建立托架、加強板、橫梁、上下縱臂、減振器銷軸及后懸架支承管等相關零件的三維模型，如圖4所示。然后通過裝配關系將零件裝配起來，形成后橫梁總成，再將總成傳入PATRAN中進行應力計算。

圖4 混合動力轎車后橋布置三維模型

3.2 約束狀態

后懸架支承管與車身以橡膠套連接，其剛度與實際剛度相同；在彈簧上下支點之間加彈簧元，其剛度與實際彈簧剛度相同；在減振器上下支點之間加阻尼元，其阻尼值與實際減振器阻尼值相同[3]。

3.3 有限元計算結果與分析

由于實際測量時是以滿載為測量的初始狀態，測得應力是相對值，所以不能與計算值做絕對值對比，只做趨勢對比。由于垂直載荷工況和制動力載荷工況為最大載荷工況，其計算應力與測試應力大小及趨勢基本相同，所以可以確認垂直載荷工況和制動力載荷工況的有限元計算應力基本準確[4]。

通過與原型車后橫梁計算結果的對比，發現兩者最大應力基本相同，據此推斷新設計的后橫梁靜強度符合要求。

4 整車經濟性仿真計算

對于混合動力車型而言，由于存在著發動機、ISG電機及輪邊電機3個機械動力源，因而可以采用不同的能量流動路徑。因此，文章提出了等效燃油消耗率（EFCR）的概念：同樣質量的燃油通過不同的路徑最終到達輪胎的驅動功率大小，代表了能量利用效率的高低。

由于發動機的燃油消耗率可以直接得到，因此只需要計算3種情況的EFCR即可。

4.1 ISG電機助力時的EFCR

能量流動路徑為：燃油—發動機—ISG發電—電池充電—電池放電—ISG驅動。因此計算公式為：

式中：ECFRisg——ISG電機的等效燃油消耗率，g/kW·h；

bchg——發動機的實際平均油耗，g/kW·h；

ηisg1，——ISG電機的瞬時驅動效率和平均驅動效率；

ηbat1，——蓄電池的瞬時放電效率和平均充電效率。

4.2 輪邊電機助力時的EFCR

能量流動路徑為：燃油—發動機—ISG發電—電池充電—電池放電—輪邊電機驅動。因此計算公式為：

式中：ECFRmot——輪邊電機的等效燃油消耗率，g/kW·h；

ηdt——前軸傳動系平均效率；

ηmot1——輪邊電機的瞬時驅動效率。

這里ηdt的存在是因為要將輪胎上的驅動功率等效為發動機輸出端的功率。

4.3 發動機通過ISG發電時的EFCR

當部分發動機轉矩用于驅動ISG發電時，發動機的工作點發生了改變，所以直接用實際的燃油消耗率代表能量利用效率是不合適的?？紤]到發電產生的電能在將來也要用于驅動車輛，此時的EFCR可以用下式表示：

式中：ECFReng——發動機通過ISG發電時的等效燃油消耗率，g/kW·h；

be——用于發電的實際油耗，g/kW·h；

Te——發動機的實際轉矩，Te=Te_dr+Te_chg，N·m；

Te_dr——不發電時的發動機轉矩，N·m；

Te_chg——用于發電的發動機轉矩，N·m；

4.4 等效燃油消耗率仿真計算

等效燃油消耗率仿真計算結果，如圖5所示。從圖5d可以看出，與原車型相比，混合動力車的油耗有了很明顯的下降。

圖5 混合動力轎車與原型車等效燃油消耗率計算

5 結論

文章通過虛擬設計和仿真研究，為在現有傳統汽車上進行混合動力汽車開發提供了參考。

1）以發動機與發電機串聯作為輔助動力單元，與動力蓄電池箱相結合，可作為混合動力系統；

2）以電機與車輪相連接形成電動輪驅動系統；

3）通過仿真計算發現，在發動機低負荷時，采用行車發電模式可以提高燃油消耗率。