第４３卷㊀第３期２０１９年６月
武汉理工大学学报(交通科学与工程版)
J o u r n a l o fW u h a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y
(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g
)V o l ．４３㊀N o ．３
J u n ．２０１９
梅㊀鹏㊀张新塘㊀王㊀桀㊀徐㊀达
(武汉理工大学能源与动力工程学院㊀武汉４３００６３
)摘要：混合动力是当前商用车动力系统前沿技术之一．文中构建了某商用车轻度混合动力系统，采用A V I S O R 将轻度混合动力商用车和传统商用车的燃油经济性㊁动力性和排放特性进行了仿真对比分析．基于湖北省某道路工况，较之传统商用车：最大加速度提高３％；总耗油量节省１．６１％，发
动机平均热效率提高１．１％;N O x 排放量降低１．５％，制动回收的能量占刹车能量的１６％．关键词:４８V 动力系统；混合动力；参数设计；仿真中图法分类号:U ４６７．１
d o i :１０．３９６３/j
．i s s n ．２０９５Ｇ３８４４．２０１９．０３．０２４㊀㊀㊀㊀收稿日期:２０１９Ｇ０４Ｇ０２
㊀㊀㊀㊀梅鹏(１９９２ )
：男，硕士生，主要研究领域为智能驾驶汽车和新能源汽车工程０㊀引㊀㊀言
由于混合动力汽车的成本较高，很多整车和零部件制造商都在针对混合动力汽车设计一种低成本的解决方案，其中最为有效的方案是设计一
种４８V 轻度混合动力系统[１Ｇ２]
．
系统具有混合动力的效果[３]
．
与普通的混合动力系统相比,４８V 动力系统的电动机功率和输出转
扭矩都小很多，不能单独依靠电机驱动[４]
，电机仅
在车辆起步和加速时，辅助发动机输出部分动力，使发动机运行在最佳经济区．轻度混合动力商用车不但具有制动能量回收的功能，还具有加速助
力和发动机停机滑行等功能[５Ｇ６
]．
文中以福田某型传统商用车为研究对象，通
过仿真软件A D V I S O R 建立了整车模型，将４８V 轻度混合动力商用车与传统商用车进行比较，从而探讨４８V 动力系统的可行性．
１㊀４８V 动力系统设计
４８V 动力系统是在传统１２V 系统基础上添
加了一套４８V 系统，即１２V /４８V 双电压系统,
见图１．４８V 系统主要包括:B S G 电机㊁
君阁汽车锂离子电池组，以及D C ＧD C 转换器等部件[７Ｇ１０]
．
这种系统将汽车电器与电控装置根据耗电大小分为两组：传统电器装置采用１２V 供电；功率较大的电气装置采用４８V 电压供电．B S G 电机既可用作发电机，也可用做电动机,B S G 电机回收的能量一方面可通过D C ＧD C 转换器传入１２V 系统，供车载设备使用；另一方面可储存在锂离子电池中，为汽
车加速时提供能量[１１Ｇ１３]．
图１㊀４８V 动力系统
１．１㊀发动机参数匹配
根据市场发动机的类型，选取某型发动机，其基本参数见表１．
发动机相关特性是根据台架试验测得的，在
发动机模型中，输入的数据有：发动机万有特性,
发动机外特性以及发动机制动特性．图２为发动机万有特性图和发动机制动曲线．雪铁龙c2两厢
表１㊀发动机基本参数
参数
数值最大功率/k W
３３５
最大功率转速/(r m i n
－１)
grandis１４００~１７００最大转矩/(N m )
２２００最大转矩转速/(r m i n －１)
１０００~１３０
０
图２㊀发动机万有特性图和制动曲线
１．２㊀电池参数匹配
结合市场上电池的实际情况，最终选择某公司某型电池．该电池的基本参数见表２，根据整车的实际布局情况，将１４个锂电池串联为一个电池单元，然后并联三个电池单元．
表２㊀某型电池基本参数
参数名称
数值电池类型锂离子电池
电池单元３
额定功率/k W ３５额定电压/V ４８额定容量/(A h
)３２㊀㊀图３为不同因素随电池S O C 变化曲线
．
图３㊀电池S O C 变化曲线
１．３㊀电机参数匹配
本文４８V 系统中的B S G 电机既可以作为电动机提供转矩供汽车加速时使用，当汽车减速或
者制动时可作为发电机回收能量储存在电池中．所以文本设计的电机模型既作为电动机也可作为发电机．
根据市场上电机类型和型号，选择某型B S G
电机．该电机基本参数见表３．
表３㊀电机基本参数
参数名称
数值
额定/峰值功率/k W
２４/３１
额定/最高转速/(r m i n
－１)６５００/２００００
额定/峰值转矩/(N m )４０/４５额定/最高电压/V
４６/５６㊀㊀电机的效率图见图４，电机的转速与功率和转速与转矩曲线见图５．
图４㊀
电机的效率图
图５㊀电机最大功率与最大转矩曲线
１．４㊀整车参数
本文以某型商用车为研究对象，其基本参数见表４．
表４㊀某型商用车整车参数
项目
数值长ˑ宽ˑ高/(mˑmˑm )６．３ˑ２．５ˑ４．０
整车质量/k g
４５０００滚阻系数０．７０风阻系数０．４２迎风面积/m ２
１０．０轮胎半径/m ０．５主减速比
３．５
１．５㊀道路工况
测试循环采用湖北省某实测路况，该道路工况参数见表５．
２㊀基于A D V I S O R 建模与仿真
整车根据输入行驶工况，对预计行驶速度进
雪铁龙报价６９４ 武汉理工大学学报(交通科学与工程版)
２０１９年㊀第４３卷
表５㊀某道路工况信息参数
道路工况信息数值行驶时间/s１３４００
行驶距离/k m２８９
平均车速/(k m h－１)７９
最高车速/(k m h－１)１１３
平均加速度/(m s－２)０．２２
最大加速度/(m s－２)３．３８
平均减速度/(m s－２)０．２４
行判断，将汽车所需的驱动力传至整车模块，整车模块将其转化为转速和转矩传递给车轮模块．转速和转矩依次流经主减速器㊁变速器最后传递到发动机和电机模块，发动机和电机根据转速和转矩计算出所需提供的功率．发动机和电机提供的功率沿着变速器模块㊁主减速器模块㊁车轮模块最后到整车模块，减去每项损失的功率后可计算汽车的实际车速．
２．１㊀发动机模型
A D V I S O R软件中通过实验建模法来建立发动机模型，该方法在脚本文件中输入了大量的实验所测数据，然后利用实验数据来模拟发动机的运行状态，因此能够非常准确的表示发动机的稳态特性[１４Ｇ１５]．
发动机模型中主要包括了三个子系统模块，分别是发动机转速计算模块㊁发动机转矩计算模块和发动机油耗及排放计算模块．２．１．１㊀发动机转矩计算模块
发动机的实际转矩为
T o u t＝T e－T a(１)㊀㊀当发动机估算转速小于实际转速，为
T e＝T o u t＋T a(２)㊀㊀当发动机估算转速大于实际转速，为
T e＝Tθ(３)式中:T o u t为发动机的输出转矩,N m;T e为发动机与转速相关的输出转矩,N m;T a为发动机加速惯性转矩,N m;Tθ为发动机在不同节气门下输出转矩,N m．
发动机加速惯性转矩
T a＝β a(４)式中:β为发动机转动惯量;a为加速度,m s２．２．１．２㊀发动机转速计算模块
发动机转速计算模块是根据汽车行驶速度和离合器信号来计算的，当离合器闭合时，为
v c＝v o u t(５)㊀㊀当离合器断开，汽车需求速度上升时，为
v c＝m i n(N d㊁n m a x)(６)㊀㊀当离合器断开，汽车需求速度降低
v c＝ʏa d t(７)式中:v c为计算车速,m/s;v o u t为实际车速,m/s; v d为需求车速,m/s;n m a x为发动机最大转速, r/m i n．
２．１．３㊀发动机燃油和排放量计算模块
燃油消耗量的计算公式为
m f＝r f ∂θ(８)发动机排放量的计算公式为
m e＝r e ∂θ(９)式中:m f发动机燃油消耗量,k g/h;m e为发动机排放量,k g/h;r f为发动机燃油消耗率,g/(k W h); r e为发动机排放率,g/(k W h);∂θ为温度修正系数．
温度修正的计算随发动机的标志变量的变化而有不同的修正算法，当发动机标志变量为１时，温度修正系数和标准温度修正系数的计算公式为
∂θ＝１＋(z－１) ∂B(１０)
∂B＝(θ１－θ２)/(θ１－θ３)(１１)㊀㊀当发动机标志变量为０时，温度修正系数和标准温度修正系数的计算公式为
∂θ＝１＋(θ１－θ２７５)３．１(１２)
∂B＝θ１－θ２
θ１－２０(１３)式中:∂B为标准温度修正系数;θ１为恒温调节装置设定的恒温温度,ħ;θ２为发动机冷却液温度,ħ．
２．２㊀电池模型
汽车在行驶过程中，蓄电池既能够储存电能也能够释放电能．在建立蓄电池模型的过程中，通常是将其看成由理想的开路电压和内阻串联的等效电路．
２．２．１㊀功率控制模块
功率控制模块的主要功能是控制电池的输出功率范围，电池的最大限制功率为
P＝V b u s (V o c－V b u s)/R(１３)
V b u s＝m a x(V o c/２,U m,E m i n)(１４)式中:P为电池最大限制功率,k W;V o c为开路电压,V;U m为电动机最低控制电压,V;E m i n为电池最低电压,V．
２．２．２㊀电流计算模块
电流计算模块的主要通过功率和基尔霍夫电压定律来计算电流的大小，计算如公式为
P＝(V o cˑI)－I２R(３－２０)(１５)
７９４
㊀第３期梅㊀鹏，等：混合动力商用车４８V动力系统设计及仿真
２．２．３㊀电池S O C 计算模块
电池S O C 计算模块主要根据电流的大小计算电池S O C 值，首先通过平均库伦效率计算充放电电流积分，确定总电量的变化，计算公式为S O C ＝(C －C １)/C (１６)式中:C 为电池最大容量,k W h ;C １为放电电量,k W h ．
２．３㊀电机模型
４８V 系统中的B S G 电机既可以作为电动机提供转矩供汽车加速时使用，当汽车减速或者制动时可作为发电机回收能量储存在电池中．所以文中设计的电机模型既作为电动机也可作为发电机．
选用的电机为永磁同步电机，具有低速恒转矩，高速恒功率的输出特性．
２．４㊀变速器模型
设计的４８V 微混动力商用车采用的变速器为机械式自动变速箱(AMT )，变速器的输入是需求的转矩和转速，输出是变速器实际的输出转矩和转速．
２．５㊀控制策略模型
４８V 动力系统采用转矩分离控制策略，该控制策略是根据汽车反馈到离合器所需的转矩大小,
计算B S G 电机提供的辅助转矩大小，剩余的转矩由发动机提供，所建立的控制策略模型见图６
．图６㊀控制策略设计
电机转矩需要根据以下几个方面进行确定:
１
)当汽车在加速状态时，电机的最大输出转矩为４５N m．２
)
当汽车在减速或者制动时，电机能够实现制动能量回收，将动能转化成电能储存在电池中或供负载使用．
３)当车速低于１５k m /h 时，汽车在制动时，电机不参与工作，制动力仅由摩擦力提供．
２．６㊀整车模型
广汽传祺首付多少钱整车的仿真模型主要是根据汽车动力学相关公式搭建的，主要由加速阻力计算模块㊁坡道阻力计算模块㊁滚动阻力模块和车速计算模块组成，其计算公式如下．
F ＝F f ＋F w ＋F i ＋F j ＝m g (μ(
c o s α＋A c d
V ２２１．１５＋m g (
s i n α＋δ m d V d t
(１７)３㊀仿真结果及特性分析
３．１㊀轻度混合动力商用车模型的验证
由于轻度混合动力商用车是在原型车的基础上建立的，所以发动机和传动装置等参数与原型车几乎没有变化．除此之外，转矩分离控制策略在没有电机工作时，轻度混合动力商用车和传统商用车发动机控制策略以及整车工作模式大致相同．所以为了验证上述建模的真实可靠性，关闭轻度混合动力商用车中的电气化部分，使其动力来源只有发动机，电池和电机都不参与工作，此时模型变为传统商用车模型．将更改后的模型进行仿真，同时把传统商用车模型与原型商用车在某路段实测数据进行对比，仿真结果对比见图７．
图７㊀原型商用车与传统商用车模型相关性能对比
原型车和仿真模型的平均车速㊁发动机平均
转速和发动机所做的功对比见表６．
表６㊀仿真结果与实际数据值对比
对比项目燃油消耗量/(L １００k m －１)商用车平均
速度/(k m
h
－１)发动机平
均转矩/(N m )发动机
总输出功/k J
原型车
５１．０１２８０．８２１３１７．４１１０３５５０㊀传统商用
车模型４９．１６４８０．５１１２５９．３
１０６７１３３偏差值/％
３．６
０．４
４
３．３
㊀㊀由表６可知,
传统商用车模型的仿真结果与原型车相差不大，误差均在５％范围以内．由于仿真模型很难做到与实际情况完全一致，汽车在实
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２０１９年㊀第４３卷
际情况中行驶比仿真道路工况要复杂得多，比如驾驶员的驾驶习惯㊁天气原因以及行驶过程中应急情况等，这样都会对汽车的行驶造成影响．综上分析，本文所建立的模型是合理的．
３．２㊀混合动力商用车动力性分析
根据汽车加速性能对传统商用车和混合动力商用车的加速性能进行比较，见图８．由图８可知，混合动力汽车的加速性能比传统商用车更好．图９为在混合动力商用车以最大加速度达到１００k m /h 时,
发动机输出功率㊁电动机输出功率和驾驶员需求功率的变化历程．由图９可知，前４５s 内，图像波动比较频繁，这是因为混合动力商用车在加速时,AMT 会进行换挡操作，在换档过程中，发动机和电动机的输出功率会有明显的波动．驾驶员的需求功率是发动机输出功率和电动机输出功率之和，所以
红线位于绿线上方．图１０为本段加速路况中，电池S O C 的变化曲线与电机输出功率的变化历程．由图１０可知，电池S O C 一直处于下降状态，电机功率变化曲线一直位于x 轴上方，说明汽车在加速过程中，电机一直在给汽车提供驱动力．
综上所述，混合动力商用车在加速时，电机会配合发动机一起给汽车提供驱动力，与传统商用车相比，混合动力商用车的动力性能更好，最大加速度提高３％．由于本文采用的B S G 电机只在汽车起步或者加速时提供驱动力，所以轻度混合动力商用车和传统商用车的最高车速几乎相等
．
图８㊀
混合动力商用车与传统商用车加速性能比较
图９㊀发动机输出功率㊁电动机输出功率
和驾驶员需求功率的变化历程
交通违章投诉３．３㊀混合动力商用车燃油经济性分析
整段路况中混合动力商用车行驶速度与时间的变化关系见图１１
．
图１０㊀电池S O C
与电机输出功率的变化历程
图１１㊀混合动力商用车在整段路况中的行驶速度曲线
发动机的功率㊁电机的工作功率和驾驶员的
需求功率随时间的变化见图１２．汽车在加速时，驾驶员的需求功率大于零，发动机和电机都提供输出功率驱动汽车加速行驶；汽车在减速行驶时,
驾驶员的需求功率为零，混合动力商用车利用惯性带动电动机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存，剩余的能量利用发动机制动和刹车制动消耗．
图１２㊀发动机功率㊁
电机功率与驾驶员的需求功率对比电池功率和电机功率对比见图１３,
当汽车加速时，电池释放电能供电机使用，因为能量传递过程中会有部分能量损失，所以电池的放电功率大
于电机功率；当汽车在减速时，电机回收能量储存在电池中，由于传递效率和能量损失的影响，电机回收的能量大于充入电池的能量．电池电量的变化见图１４．
图１５为整段路况和局部路况中混合动力商
用车发动机转矩与传统商用车发动机转矩对比图，由图１５可知，传统商用车发动机提供的转矩高于混合动力商用车．
图１６为整段路况和局部路况中混合动力商
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梅㊀鹏，等：混合动力商用车４８V 动力系统设计及仿真
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