总754期第二十期2021年7月
河南科技
Henan Science and Technology
基于AMESim的轻型摩托车各混动构型
仿真与对比分析
肖百卉董运达戚笑景王天麒王梓旭王达
（吉林大学，吉林长春130022）
摘要：为提高摩托车性能，节约开发费用，降低排放对环境的污染，本研究基于工程系统仿真高级建模环境（AMESim），分别对燃油、电动、串联混动以及并联混动等结构的轻型摩托车进行建模，同时以典型曲线作为所有测试的基本循环工况进行一维纵向动力学仿真，采用客观评价方法对动力性、经济性等指标进行对比和分析。
关键词：混合动力摩托车；建模；仿真；动力学分析；能耗计算
中图分类号：U469.7文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）20-0016-05 Simulation and Comparative Analysis of Various Hybrid
Configurations of Light Motorcycles Based on AMESim
XIAO Baihui DONG Yunda QI Xiaojing WANG Tianqi WANG Zixu WANG Da
（Jilin University，Changchun Jilin130022）
Abstract:In order to improve the performance of motorcycles,save development costs,and reduce environmental pollution caused by emissions,based on the Advanced Modeling Environment for performing Simulations of engineering systems(AMESim),this study carries out models of light motorcycles with fuel,electric,series hybrid and parallel hybrid structures,and uses typical curves as the basic cycle conditions for all tests to perform one-dimensional longitudinal dynamics simulation,and uses objective evaluation methods to compare and analyze indicators such as power and economy.
Keywords:hybrid motorcycle；modeling；simulation；dynamic analysis；energy consumption calculation
近年来，我国能源问题和环境问题逐渐凸显，摩托车作为燃油能源主要消耗者和空气环境的核心污染源之一，对其进行一场节能减排的产业技术革新刻不容缓。目前，我国摩托车仍保持相当高的产销量和社会保有量。2018年，我国摩托车保有量为0.87亿～1.08亿辆。
2019年，其产销量均突破1700万辆，二轮摩托车产销量均超过1500万辆，其中轻型摩托车占最大的比重［1］。
为了响应国家的号召，近年来，摩托车行业更加关注排放控制和能源节约，开始通过改进动力系统等方式来进一步提高摩托车的动力性和经济性，电动摩托车和混合动力摩托车应运而生，并逐渐成为发展的新主流方向。但是，相比传统的燃油摩托车，三者既有优点又有缺点。例如，燃油摩托车技术成熟，制造成本低，但尾气对空气的污染严重；电动摩托车可以很好地解决传统能源消耗量大及尾气污染严重的问题，但其使用寿命和续航里程都直接受到电池性能的较大制约；混合动力摩托车则类似二者的中间体，虽有较高的续航能力和寿命，但仍会对环境产生一定的污染。
本文将从燃油摩托车、电动摩托车、串联式混合动力摩托车、并联式混合动力摩托车的特点、结构、参数匹配等方面进行介绍，并使用AMESim软件对不同构型摩托车进行建模与仿真，根据计算结果进行动力性能和经济
收稿日期：2021-06-07
作者简介：肖百卉（2001—），女，本科，研究方向：汽车动力学仿真与控制；董运达（2000—），男，本科，研究方向：汽车动力学仿真与控制；戚笑景（2000—），男，本科，研究方向：交互设计；王天麒（2001—），男，本科，研究方向：能源与动力工程；王梓旭（2001—），男，本科，研究方向：能源与动力工程。
通信作者：王达（1988—），男，博士，副教授，研究方向：混合动力系统的匹配设计与控制技术。
信息技术
性能的对比分析。
1摩托车现有构型
目前，普遍意义上的摩托车一般默认为普通两轮摩托车，而根据动力系统，其又可分为3种。
1.1燃油摩托车
燃油摩托车是最常见的由燃油发动机提供动力的摩托车。在气缸中，点火机构点燃混合的可燃气体，推动活塞运动，带动连杆做功，迫使曲轴转动并从其尾部传出动力，传出的动力经传动轴和离合器送至变速器，再根据摩托车行驶具体情况的需要，通过传动轴把动力传给后桥总成，驱动摩托车行驶。
1.2电动摩托车
电动摩托车是指采用电动机驱动形式，将蓄电池作为动力源的摩托车。在车辆行驶时，电池输入的电能经电动机转化为机械能，电动机输出的扭矩通过传动装置驱动或直接驱动车轮，带动车辆前进、后退。
1.3混合动力摩托车
1.3.1串联式混合动力摩托车。其动力系统主要由内燃机-发电机组（APU）、电池组、电动机和控制系统组成。APU将燃料中的化学能转化为电能，一部分用来驱动电机的运转，以直接驱动车轮带动车辆行驶，剩余部分则储存在电池组内。控制系统相当于大脑，可以根据驾驶员的指令和工况的改变及时做出响应与调整，协调各部分稳定高效地工作。
1.3.2并联式混合动力摩托车。其动力系统主要由内燃机、电池组、电动机和控制系统组成。在混合动力汽车领域，主要依据电动机位置划分混合动力系统，于是得到P0、P1、P2等构型。类似地，在混合动力摩托车中也可得到相近的构型。本文针对P2并联式混合动力构型的摩托车进行研究与比较。
P2并联式混合动力构型下，摩托车的电动机布置在发动机与变速箱中间，即发动机输出端。电动机与发动机同轴线布置，传输路径较短，集成度更高，传动效率较高。但是，这种构型目前还没有得到广泛应用。
目前，混合动力摩托车的技术比较成熟，一些厂家已经开始制造和售卖整车，如雅马哈、本田等。2018年，本田推出了PCX Hybrid，它凭借辅助动力系统使得前进时的加速、行进间的加速都优于汽油引擎款的PCX，体现了优异的动力性能。2020年10月15日，我国首款成功下线的混合动力摩托车能够省油16%，同时，碳排放量大大降低，依靠混动原理，配合9.2L的油箱，其续航可达400km。
2串联、并联混合动力摩托车的动力系统参数匹配本文中，整车参数以豪爵Super Eagle HJ125T-32A为参照对象，在燃油车基础上进行参数设计，力求在总功率
保持不变的原则下设计关键部件参数并完成混合动力摩托车的参数匹配。其中，串联整车主要参数设计如表1所示，并联整车主要参数设计如表2所示。
表1串联混动构型整车的主要参数设计参数类别
整车参数
空气阻力参数
滚动阻力参数
动力性能指标
参数名称
整车质量（包含电机）M0/kg
满载质量M max/kg
规格（长×宽×高）/mm
轴距/mm
迎风面积A/m2
空气阻力系数C
D
空气密度ρ/（kg/m3）
驱动轮型号
滚动阻力系数μ
滚动半径（轮胎外径）r0/m
摩托车旋转惯量质量系数δ
最高车速υ
m/（km/h）
最高车速加速时间t
a/s
最大爬坡度θ/%
参数值
132
207
1800×705×1065
1250
0.6
0.57～0.78（取0.63）
1.2258
豪爵踏板摩托车报价100/90-1056J
0.183
0.248
1.079
100
20
20
表2并联混动构型整车的主要参数设计
参数类别
整车参数
空气阻力参数
滚动阻力参数
动力性能指标
参数名称
整车质量（包含电机）/kg
满载质量M max1/kg
规格（长×宽×高）/m
轴距/mm
迎风面积A1/m2
空气阻力系数C
D1
空气密度ρ1/（kg/m3）
驱动轮型号
滚动阻力系数μ1
滚动半径（轮胎外径）r01/m
摩托车旋转惯量质量系数δ1
最高车速υ
m1/（km/h）
电机驱动切换点υ1/（km/h）
最高车速加速时间t
a1/s
最大爬坡度θ1/%
参数值
121
196
1800×705×1065
1250
0.6
0.63
1.2258
100/90-1056J
0.183
0.248
1.079
100
18
20
20对于串联形式的混合动力摩托车关键部件的参数设计，考虑到串联结构特性，本文的设计目标是在单动力源输出的情况下，即发动机或电动机单独输出时，其功率须满足整车额定功率。因此，这种情况下发动机和电动机的功率都至少为6.6kW。其次，由于发动机的输出与发电机的输入应满足对等原则，发电机的最佳功率应同样设定为6.6kW。在确定好基本参数后，可根据式（1）至式（3）设计出电机的相关参数，确定转矩。
P
m
=
υmax
3600ηæèçöø÷
M max gμ+
C
D
Aυ2max
21.15（1）
n =
30υmax
πr （2）
T =9550P
m n
（3）
式中：
P m 为电机功率；η为电机至驱动轮的传动装置效率；g 为重力加速度；n 为电机在某一速度下的转速；
T 为电机转矩。串联混合动力摩托车的发动机和电机参数设计如表
3所示。
表3
串联混合动力系统参数设计
设备名称电动机
发电机发动机参数名称峰值功率/kW 最大转矩/（N·m ）最大转矩对应转速/（r/min ）
峰值功率/kW
最大转矩（N·m ）最大转矩对应转速/（r/min ）
峰值功率（低）/kW
峰值功率（高）/kW 最大转矩对应转速/（r/min ）
参数值6.620
30006.62030006.68.8
8000
对于并联混合动力构型的摩托车，其整车功率应与豪爵Super Eagle HJ125T-32A 功率一致。并联构型发动机的功率是一个与整车参数有关的量，其计算公式如下：
P e =υ1000ηe æèöø
M max 1gμ1+12ρ1C D A 1υ2+M max 1gθ1（4）式中：
P e 为发动机功率；ηe 为电动机至驱动轮的传动装置效率；
υ为车速；g 为重力加速度。将表2中各设计参数代入，可计算出发动机功率。对于电动机而言，其功率为整车功率与发动机功率之差。通过计算，并联构型的动力系统各参数如表4所示。
表4
并联混合动力系统参数设计
设备名称电动机
发动机电池
参数名称峰值功率／kW 最大转矩／（N·m ）最高转速／（r/min ）峰值功率／kW
峰值功率／kW 最大转矩对应转速／（r/min ）
容量／Ah 最大放电电流／A
参数值1.2
4.123000
5.47.4650040100
3各构型的节能潜力与速度特性仿真
本文选定为对标研究对象的125mL 轻型踏板摩托车的基本数据由各摩托车品牌对应型号提供的资料总结得到，详情如表5、表6所示。
3.1
仿真循环工况
为尽量符合我国实际情况，本文选用以济南市和温
岭市等为代表的中国典型摩托车城市实地采集数据而合成的反映我国轻型摩托车道路行驶特征的行驶循环（简称典型曲线），作为所有测试的基本循环工况进行一维纵向动力学仿真［2］。对于典型曲线，测试者驾驶150mL 的
各型号摩托车，密切跟随其他正常的摩托车交通参与者，系统可以采集行驶数据，并通过寻规律自动合成最终曲线。典型曲线整体时长为560s ，预计行驶4078.208m ，极速为49.3km/h （13.6944m/s ）。整段循环中不设置爬坡，温度设为25℃。另外，为比较加速能力，本文统一使用20m/s 的恒定预期速度曲线，仿真得到同一加速工况下各个类型能够达到的最大加速度。
表5125mL 踏板摩托车的常见车体参数
序号123456
参数名称规格（长×宽×高）/mm
轴距/mm 整备质量/kg 油箱容量/L 制动器形式轮胎规格
详情1800×705×1065
12501105.9
前轮碟刹，后轮鼓刹
前轮90/90-1050J ，后轮100/90-1050J
表6125mL 踏板摩托车的常见发动机参数
序号123456789
10参数名称发动机型式排量/mL 规格（缸径×行程）/mm
压缩比最大功率/kW 最大扭矩/（N·m ）
供油方式变速器形式起动方式排放标准
详情
单缸、强制风冷、四冲程
125
52.4×57.99.3∶1.06.6（7500r/min ）10（5000r/min ）智能电喷自动无级变速电/脚双起动
国IV 3.2燃油摩托车
首先就125mL 传统燃油摩托车（见图1）进行验证性仿真并与实际情况进行简单对比，以此检验自定义的各项参数（参数取自表5、表6）是否合理。挡位设置参考相关研究推荐的摩托车变速箱挡位［3-5］。车身设置里的前后轮转动惯量分别使用相对应的模型在CATIA 软件中测出，前轮为0.183kg/m 2，后轮为0.214kg/m 2。
传统燃油摩托
图1燃油摩托车仿真模型
仿真结果主要包括动力性能与经济性能，对于燃油车，包含典型曲线跟随情况与加速能力；对于电动车，包含加速能力和能耗；对于混合动力摩托车，三者都包含在内［6-7］。燃油摩托车速度特性仿真结果如图2所示。根据AMESim 软件的仿真结果，在典型曲线的一个循环内，燃油摩托车实际行驶4035.33m ，全程油耗为66.0281g ，折合每百千米2.18L 95号汽油（热值根据95号汽油的成分进行查表计算），总体CO 2排放量为207.989g ，循环能耗为3155.922kJ 。其计算过程如下：47777kJ/kg×0.95+48170kJ/kg×0.05=47796.65kJ/kg ；47796.65kJ/kg×0.0660281kg≈3155.922kJ （异辛烷热值为47777kJ/kg ，正庚烷热值为48170kJ/kg ）。
141210864200
100
200
300400
500
600
时间/s
实际车速
驾驶员控制速度
速度/（m /s ）图2燃油摩托车速度特性仿真结果
据调查，目前，125mL 系列摩托车中，电喷弯梁摩托车最省油，每百千米油耗低至1.7L ，跨骑摩托车每百千米油耗为1.8～2.0L ，化油器踏板摩托车耗油量最大，每百千米油耗达到2.5L 。而本例中的电喷踏板摩托车每百千米油耗约为2.2L ，仿真结果与实际情况符合良好，总体误差小于1%，因此整车参数定义比较合理。
3.3电动摩托车
电动摩托车控制总功率（即电机输出功率）为6.6kW ，以方便与燃油摩托车对比，除发动机换成电动机和去掉变速箱外，其余设置和燃油模型相同。电动摩托车仿真模型如图3所示，电动摩托车速度特性仿真结果如图4所示，电动摩托车最大加速度特性仿真结果如图5所示。
根据AMESim 软件的仿真结果，在典型曲线的一个循环内，电动摩托车实际行驶距离为4062.13m ，无
CO 2排放，最大加速度为2.24m/s 2，循环能耗为285.5797kJ 。能耗通过电动机的电流、电压以及仿真时间由Matlab 求解得出。计算过程不考虑电池传输到电动机过程的电路传输损失，只考虑电动机输出功率及电动机损失功率。
3.4
串联式混合动力摩托车
串联式混合动力摩托车速度特性仿真结果如图6所示。根据AMESim 软件的仿真结果，在典型曲线的一个循环内，串联式混合动力摩托车的实际行驶距离为3918.08m ，CO 2排放量为0.072g ，在最大加速度工况下，
加速度的最大值为1.45m/s 2，总能耗为489.2199kJ 。总能耗为电动机的能耗以及发动机传输至电动机的损耗之和。发动机产生的能源一部分被电动机利用，另一部分因储存效率或电动机利用不完全而损失。串联构型使用的电动机、发动机、发电机的功率均为6.6kW ，以保证电池电量耗尽时仍可以在边充电边行驶的过程中达到峰值功率（6.6kW ）。
K
T M K
K K K
VCU
ELEC
acc br gl
Vc gl
V
Env
info
ω
图3电动摩托车仿真模型
141210864200
100
200
300
400
500
600
时间/s
车速
驾驶员控制速度
速度/（m /s ）图4电动摩托车速度特性仿真结果
加速度/（m /s 2）
2.52.01.51.00.50.0-0.5
0102030
40
50607080
时间/s
车辆线加速度
图5电动摩托车最大加速度特性仿真结果
3.5并联式混合动力摩托车
P2并联式混合动力摩托车速度特性仿真结果如
图7所示。根据AMESim 软件的仿真结果，在典型曲
线的一个循环内，P2并联式混合动力摩托车的实际行驶距离为4060.04m ，CO 2排放量为7.453g ，循
环总能耗为1420.8355kJ 。这里的能耗是通过对纯电动驱动模式、纯发动机驱动模式、混合驱动模式、充电模式以及制动能量回收模式的几种工况进行综合分析，结合Matlab 求解计算得到的，不考虑传输电路中的能量损失。
14121086420速度/（m /s ）实际车速
驾驶员控制速度
100
200
300
400
500
600
时间/s
图6串联式混合动力摩托车速度特性仿真结果
4结果对比与分析
依据上述仿真结果，下面将从动力性能及经济性能两个角度对几种摩托车构型进行对比与分析。
141062-2
速度/（m /s ）实际车速
驾驶员控制速度
100
200
300
400
500
600
700
时间/s
图7P2并联式混合动力摩托车速度特性仿真结果
4.1
动力性能
4种构型摩托车的动力性能主要从典型曲线跟随情
况进行判断。从速度特性仿真结果图中可以看出，电动摩托车和P2并联式混合动力摩托车的跟随情况最好，燃
油摩托车次之，串联式混合动力摩托车最差。换句话说，电动摩托车和P2并联式混合动力摩托车在行驶中的实际速度与驾驶员控制情况匹配最为良好，可靠性最高，可以提供稳定的驾驶体验；燃油摩托车的跟随情况也很好，但在几处加速阶段会表现出加速度在期望值附近波动的情况；串联式混合动力摩托车
跟随情况中的问题主要体现在车辆实际速度多次超出驾驶员的控制速度，这是一个不稳定因素，可能会带来一定的行驶风险。
4.2
经济性能
4种构型摩托车均完成一次典型曲线循环，经计算，
所得各项指标如表7所示。
表7各构型摩托车经济性能数据比较
参数名称实际行驶距离/m 循环能耗/kJ CO 2排放量/g
燃油摩托车4035.333155.922207.989
电动摩托车4062.13285.5800.000
串联式混合动力摩托车3918.08489.2200.072
P2并联式混合动力摩托车4060.041420.8367.453
依据表7数据，只从经济性、节能环保角度来看，燃油摩托车对空气产生的污染远比另外三种严重，同时其能耗最大；电动摩托车和串联式混合动力摩托车由于其能量“部分使用、部分存储”的机制，能源利用效率更高，行驶中的耗能更少；P2并联式混合动力摩托车发动机工作中的高温会使电机升温加速，导致电机降功率运行，使得能耗相对大一些。
5
结论
本文运用AMESim 软件建立4种类型摩托车各工况的纵向动力学模型，基于之前试验中得到的中国摩托车典型行驶工况（典型曲线），对传统燃油摩托车、电动摩托车、串联式以及P2并联式混合动力摩托车进行仿真分析。仿真结果表明，燃油摩托车动力性能尚可，但能耗较大、排放较多，环境污染更严重；电动摩托车的动力特性较好，但存在续航里程受限的问题；在混合动力的各种构型中，串联构型速度特性不稳定，且能量损耗最大，P2并联式混合构型可以兼顾能耗和速度特性，是较为理想的构型。
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