基于ADVISOR的混合動力汽車動力系統仿真分析

曠水章　王虎　周閣成

摘 要：近年來，經濟的崛起和工業的發展促進了汽車行業的崛起，但同時帶來了環境污染與能源匱乏等問題。應對這一問題，燃料與電力結合的混合動力汽車是目前汽車企業中廣泛采用的過渡策略。本文基于奧迪A6L2.8型汽車發動機，選擇ZYT型永磁直流電機、18650型鋰離子電池共同構成混合動力新能源汽車的動力系統。挑選轉矩、轉速、油耗、電壓等發動機參數進行計算，建立了發動機、電動機、蓄電池等模塊的數學模型。使用MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立混合動力汽車仿真模型，并在電動汽車仿真軟件ADVISOR2002中進行仿真分析及參數優化。將混合動力汽車性能仿真結果與純燃油汽車性能進行對比分析，結果表明混合動力汽車比純燃油汽車具有更佳的燃油經濟性與排放性。

關鍵詞：混合動力汽車 動力系統 ADVISOR仿真分析 燃油經濟性

Simulation Analysis of Hybrid Electric Vehicle Power System Based on ADVISOR

Kuang Shui Zhang Wang Hu Zhou Gecheng

Abstract：In recent years， the rise of economy and the development of industry have promoted the rise of the automobile industry， but at the same time it has brought environmental pollution and energy shortages. To deal with this problem， hybrid vehicles that combine fuel and electricity are currently a transition strategy widely adopted by auto companies. Based on the Audi A6L2.8 automobile engine， this article selects ZYT permanent magnet DC motor and 18650 lithium ion battery to form the power system of hybrid new energy vehicles. The engine parameters such as torque， speed， fuel consumption， voltage， etc. were selected for calculation， and mathematical models of the engine， electric motor， battery and other modules were established. The article uses MATLAB/SIMULINK simulation software to establish a hybrid electric vehicle simulation model， and perform simulation analysis and parameter optimization in the electric vehicle simulation software ADVISOR2002. Comparing the performance simulation results of hybrid electric vehicles with that of pure fuel vehicles， the article finds that the results show that hybrid vehicles have better fuel economy and emissions than pure fuel vehicles.

Key words：hybrid electric vehicle， power system， ADVISOR simulation analysis， fuel economy

全球汽車制造業正面臨著能源危機和環境污染兩大難題。有效地改善生活環境，是全人類的共同社會責任。純電動汽車和氫燃料電池技術仍未取得革命性突破，難以成為汽車行業的近期發展主流。而混合動力電動汽車是在傳統內燃機、蓄電池、電機系統結構的基礎上做進一步開發，其兼具純燃油車所具有的比能量和比功率高的優點，又解決了電動車續航里程較低的缺點，混合動力汽車可以較好地解決燃油消耗和排放問題，因此開發性能優異的混合動力汽車，成為了當今所有汽車企業的共同目標。

1 動力系統參數確定（表1）

2 動力系統數學模型的建立

2.1 發動機模塊

發動機可以輸出的轉矩Tf_out_a為：

（1）

式中Tfc_a——發動機總轉矩（N·m）;

Tacc——附加阻轉矩（N·m）;

Pacc——附加功率（KW）;

Jfc——轉動慣量。

發動機的輸出轉速為：

（2）

2.2 電機模塊

電機三相繞組有著完全對稱式的空間幾何結構，對無刷式直流電機進行分析，忽略磁場磁滯及渦流的影響，如果電機的磁場不飽和，通過計算可得到電機的三相電壓方程：

（3）

式中u——定子相繞組電壓（V）;

e——繞組電動勢（V）;

i——定子相繞組電流（I）;

L——定子相繞組的自感（H）;

M——定子相繞組之間的互感（H）。

2.3 蓄電池模塊

電壓、電阻的數值是測量soc和蓄電池工作溫度的兩個重要參數，它們是方程式計算過程中的重要測量數值，對于蓄電池的溫度和工作效率的大小起著決定性作用。在進行系統建模和分析的過程中，若我們去除溫度變化對工作過程及蓄電池溫度的影響因素，電阻及電壓的工作效率大小就由電壓和soc的數值所確定。那么整個蓄電池的溫度和工作效率只由電壓和soc的數值來決定。電壓電阻計算見式（4）。

（4）

蓄電池功率值取決于電機額定功率、蓄電池SOC值、內阻及蓄電池開環電壓等因素。

（5）

式中Voc——蓄電池開環電壓（V）;

Rint——蓄電池內阻（Ω）;

Pbatt——蓄電池限制功率（KW）;

Pm——電機的額定功率（KW）;

Ibatt——蓄電池電流（A）。

3 動力系統仿真與分析

3.1 仿真條件的設定

3.1.1 道路循環工況設置

我國對于乘用車的城市道路工況要求為NEDC工況，因此，本文將NEDC作為本次仿真模擬的循環工況。通過這個模擬界面我們可以對車輛仿真條件、測試方案進行設定，如城市道路工況、循環仿真次數、電池荷電狀態以及加速性、爬坡性測試等。車輛仿真條件模擬的界面可以提供多種循環工況測試的方案[4]。

3.1.2 電池充電狀態修正

電池充電狀態修正有2種SOC修正方式：其中一種方式是線性SOC修正，總的來說，SOC校正是為了當我們不了解汽車實際性能時，暫停電池的使用，僅僅通過對發動機的輸出來判斷汽車的燃油消耗率等性能。線性SOC修正方式是先由SOC給出正反饋，對荷電狀態修正后的變量值通過線性關系排列。這是一種增量變化修正的方法[5]，這種方法能有效解決汽車行駛過程中SOC值的變化。另一種是給由SOC給出負反饋，將SOC值定義為0，荷電量會隨著仿真的運行進行修正，這種方式是調整初始的SOC值，以便于在進行仿真計算時，汽車的SOC值的波動區間始終在一定的區間內。這個區間可以在仿真界面中進行設置[6]。

3.2 仿真結果

圖3與圖4中左側從上至下分別為汽車車速隨時間變化曲線圖、電池能量隨時間變化曲線圖、廢氣排放隨時間變化圖以及汽車整體傳動效率隨時間變化曲線圖。

最高車速未達到235km/h是在考慮汽車滑移率的情況下所得出來的結果，結果顯示，仿真各項數據均符合初步預期。與原車型進行對比，各項數據如表2所示。

4 結論

本次研究的混合動力電動汽車，在傳統純燃油車的基礎上，進行混合動力電動汽車的開發，賦予車輛更佳的燃油經濟性與環保性，符合目前汽車發展的趨勢。通過對所搭建的仿真模型完成仿真分析，把仿真結果和原純燃油車進行對比，結果表明，混合動力汽車擁有更佳的燃油經濟性和環保性。

基金項目（Foundation item）：湖南省教育廳科學研究優秀青年項目（18B560）

參考文獻：

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