IEDS的插电式气、电混合城市客车的仿真与研究

摘要：论述了应用Autonomie软件对基于IEDS（传动集成式电驱动系统）系统的插电式气、电混合城市客车的仿真，并对其动力性、经济性、排放性及电池管理控制进行了分析。仿真结果表明融合先进技术的气、电混合城市客车不但满足其城市公交运行要求，而且相比于传统天然气汽车节气率达22.4%，具有较高的能源利用率及较低的污染物排放。

关键词：混合动力汽车； 气电混合；插电式；Autonomie；仿真

中图分类号：U469.7 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2013）02-0011-05

IEDS系统是指传动集成式电驱动系统，其包括变频调速电机、齿轮式变速器、控制系统等。基于IEDS系统插电式气、电混合城市公交车辆与传统公交车辆相比，其具有明显的技术优势。

其一，与传统的汽油和柴油发动机相比天然气作为替代燃料具有更低的温室气体排放，并且结合电动机组成混合动力系统，既能弥补燃气发动机功率的不足，也能使燃气发动机一直处于高效的工作区，同时结合混合动力系统的优势，进一步达到提高能量利用率与减少污染物排放的目的[1][2]。

其二，插电式混合动力汽车[3]可以利用外部电网通过充电装置对车载电池组进行充电，从而增加纯电动续驶里程，大大减少对燃油的依赖，同时还可以降低车辆的废气排放。

其三，利用IEDS系统代替传统的可变速比齿轮变速传动系统。传统的可变速比齿轮变速传动系统采用直齿滑动齿轮方式、啮合套方式在换挡时，会造成换挡或结合冲击的问题，易造成啮合齿轮损坏。而IEDS系统通过集成手段，去掉电机与齿轮式变速器之间的离合器，利用电机的调速功能，实现换挡过程中的待啮合齿轮等转速、同相位控制，利用气压（或液压）操纵机构完成换挡，实现了系统变速器的自动换挡控制，有效地避免了上述问题。

所以，基于IEDS系统插电式气、电混合城市客车的开发研究非常具有实际意义。本文通过Autonomie软件对其进行建模仿真，研究其动力性、经济性，为其实际应用做技术性的探讨。

1 车辆结构参数介绍

1.1 并联混合动力架构

本文仿真车型采用的混合动力驱动系统形式为并联式驱动。如图1所示为外插充电并联式混合动力系统，该系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。

其各系统协调控制关系如下：

（1）电机及电机控制器：锂电池组提供的电能经由电机控制器调控以驱动三相异步电机工作。

（2）离合器执行器：离合器执行机构接收整车控制器的信号，驱动自动离合器工作，以切断或结合发动机与EMT（电驱动机械式自动变速系统）动力源。

（3）IEDS执行机构：IEDS执行机构接收整车控制器的信号，驱动EMT实现自动换挡功能。

（4）整车控制器：整车控制器接收驾驶信号（加速踏板信号、制动信号以及行车开关信号），并结合EMT和离合器反馈信号，输出指令给电机控制器、离合器执行器和IEDS执行器，实现整车的驱动控制。

这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单且成本低。

1.2 整车介绍

1.3 相关设备选取

所选电机参数如表2所示。

1.4 IEDS系统结构及工作原理介绍

IEDS系统包括变频调速电机、齿轮式变速器、控制系统。其中可调速电机的电机轴与齿轮式变速器的第一轴为同一轴。可调速电机的输出端的电机壳体直接与齿轮式变速器的变速器机体固定连接；其去掉了电机与齿轮式变速器之间的离合器，取消了传统变速器中的同步器，采用啮合套式换挡结构；利用电机的调速功能，实现换挡过程中的待啮合齿轮等转速、同相位控制，利用气压（或液压）操纵机构完成换挡，实现系统变速器的自动换挡控制。

（1）空挡的设计，使其去掉了电机与齿轮式变速器之间的离合器。

（2）取消了传统变速器中的同步器，采用啮合套式换挡结构；利用电机的调速功能，实现换挡过程中的待啮合齿轮等转速、同相位控制，利用气压（或液压）操纵机构完成换挡，实现系统的自动控制。

（3）挡位互锁机构：为了使变速箱在变速中只能挂上某一个需要的挡位，不出现同时挂上两个以上的挡位的情况，在变速箱上盖上设计有互锁机构。变速箱挂上某一档位后，使其中两只钢球分别进入另外两根拨叉轴槽内，并通过互锁销、钢球将其它拨叉轴锁住，起到了换挡机构互锁作用。

1.5 工作过程[4][5]（控制策略）

在城市公交路况上，车辆优先选用二挡起步（程序自动控制）。行车过程中，根据驾驶员要求和车辆行驶状态，变速箱进行自动换挡操作。车辆在起步、怠速和行驶速度小于15 km/h时，车辆处于纯电动工作模式。当车辆处于中高转速时，发动机驱动，同时电机辅助驱动。车辆高速行驶时，发动机处于额定功率点，单独驱动车辆。进站时尽可能的关闭发动机，缩短发动机怠速时间，利用蓄电池储存刹车制动的能量[6]。

2 基于Autonomie的动力系统建模

混合动力汽车的仿真建模[7][8]对于实际车辆的生产具有极大的参考价值。本文采用Autonomie软件对上述车辆进行整车建模并性能分析。Autonomie是在PSAT和PSAT-PRO的基础上开发出的新一代功能比PSAT更为强大的汽车动力系统开发工具。

本文采用电机辅助的能量控制策略。以发动机作为主动力源，电动机和蓄电池协助提供峰值功率，以达到“削峰填谷”的作用，这种控制策略容易对发动机运行工况进行优化。与发动机相比，电动机响应快、控制灵敏，容易实现不同的控制方法。其控制规则如下：

（1）当蓄电池SOC较高时（SOC大于下限值），在车速较低、发动机目标转速低于起动转速，或者系统需求转矩过低的情况下，发动机效率太低，此时发动机停机或怠速，离合器分离，由电动机提供全部驱动转矩；

（2）当系统需求转矩大于发动机能提供的最大转矩时，发动机和电动机共同提供驱动转矩；

（3）当车辆制动时，分离离合器，电动机切换到发电机状态进行制动能量回收；

（4）当蓄电池SOC过低时（SOC小于下限值），发动机除提供系统需求转矩外，还需要提供额外的转矩驱动电机给蓄电池充电。

为了便于仿真时控制策略的设计与调整，本文引入了Stateflow作为控制策略的设计研究界面。图2为基于Stateflow开发的混合动力控制策略。

基于Autonomie软件仿真建模，其相关动力学仿真方程如下：根据车辆运动方程，车辆的驱动力F、滚动阻力Ff、风阻Fw、坡度阻力Fi、惯性力Fj与车速u之间有如下关系[9]：

F=Ff+Fw+Fi+Fj （1）

式中：CD为空气阻力系数，A为迎风面积，m为车重，f为滚动阻力系数，u为车速，ua为迎风速度。

蓄电池的能量为：

？驻E=？驻Ah×V×3600 （3）

根据能量守恒原理，蓄电池的电能全部转换为机械能驱动车辆有：

E=？驻E×？浊m=F×udt （4）

式中：？驻Ah为等效电量，V为额定电压，？浊m为电机驱动效率。

根据以上各式即可算出纯电动的续航里程、最大车速和加速时间。

在已知驱动系统（发动机与电机的复合）的峰值转矩和轮胎滚动半径的前提下，可通过以下公式计算：

式中：Cr为车轮转矩，Ca为驱动系统的转矩，T为总减速比，？浊t为传动效率，Ft为地面驱动力，r为轮胎滚动半径，g为重力加速度，？姿为坡度。

仿真过程在模型的配置文件中输入各个动力部件的参数及相应的MAP数据。

3 混合动力车性能仿真结果及分析

基于Autonomie软件仿真平台下进行仿真，仿真过程参考了SAE2000-01-2011标准，选择代表城市公交汽车的运行工况的Manhattan道路循环，如图3所示。

设置好零部件参数后，在Manhattan道路循环工况下，运行三次，得到的结果如图4所示。

（1）发动机运行在高效区内，有助于提高整车动力性、经济性以及排放。

（2）通过上面的SOC变化图可以看出车辆在运行过程中，SOC波动幅度较小，有利于延长蓄电池的使用寿命。当发动机给蓄电池充电或制动能量回馈产生电能给蓄电池充电时，蓄电池SOC上升；当蓄电池单独给电机供电时SOC下降较快。

（3）蓄电池功率大于零时说明蓄电池在放电，小于零时蓄电池在充电。电机功率大于零时说明电动机在驱动客车，小于零时电动机在进行能量回馈。

（4）混合动力系统转矩分配合理，状态切换过程中驱动转矩过渡平稳，换挡过程平顺。

表3为混合动力城市客车经济性和动力性仿真结果。

从表3中可以看出采用混合动力后，整车的经济性有了很大提高。原车的经济性约为55立方/100 km，该插电式混合动力城市客车在Manhattan工况下的经济性为42.66立方/100 km，从仿真结果看出该型并联混合动力客车在满足动力性基础之上，较原车节气效率达22.4%左右。在代表城市公交工况的Manhattan工况下节油明显，原因是Manhanttan工况下特点是：①整车怠速时间长；②停车次数频繁；③平均车速很低；④最高车速远低于城郊工况。与其他工况比较，MAHATTAN工况平均车速最低，起停次数最多。城区工况下，整车的加速度和减速度比城郊工况下大许多。这种平均车速不高，最大加速度和最大减速度又很大的情况下，采用并联混合动力系统可以减小发动机的动态过程，同时有利于整车制动能量的回馈利用。

4 结语

本文针对城市公交运行需求结合原型天然气汽车，在Autonomie中建立仿真模型并进行仿真计算得出仿真结果。仿真结果表明融合诸多先进技术的气、电混合城市客车不但满足其工作运行要求，而且具有较高的能源利用率及较低的污染物排放。

参考文献：

[1] 李西秦，刘冰. 国内外燃气汽车发动机研究动向[J].车用发动机，2008，（176）： 8-11.

[2] 舒红宇，王锟，陈齐平，等. 天然气混合动力城市客车动力系统的设计与开发[J]. 重庆大学学报，2012，35（2）： 112-117.

[3] 王凤琥，孙跃东. 电动汽车传动系统方案研究[J]. 制造业自动化，2012，34（2）： 75-78.

[4] 路锋，任永乐，郭猛超.混合动力车辆控制策略研究[J]. 车用发动机，2011，（1）：1-4.

[5] 张松，吴光强，郑松林. 插电式混合动力汽车能量管理策略多目标优化[J]. 同济大学报，2011，39（7）：1025-1044.

[6] 吴志伟，张建龙，殷承良. 混合动力汽车用混合能量存储系统的设计[J]. 汽车工程，2012，34（3）： 190-196.

[7] 陈琼英. 基于 ADVISOR 的混合动力公交车经济性仿真[J]. 机电技术，2012（2）： 26-29.

[8] 范彪. 插电式并联混合动力客车建模及仿真[D]. 重庆：重庆大学机械工程学院车辆工程，2011.

[9] 高卫民，朱军，王晓明，等. 混合动力轿车仿真研究[J]. 新能源汽车，2007（4）： 3-7.

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