混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的研究

孫遠(yuǎn)濤,王 亮,石 偉,孫建華,張金柱，安永東，張德生，王悅新

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050； 2.哈爾濱凌云汽車零部件有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的研究

孫遠(yuǎn)濤1,王 亮1,石 偉2,孫建華1,張金柱1，安永東1，張德生1，王悅新1

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050； 2.哈爾濱凌云汽車零部件有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

混合動力汽車動力總成參數(shù)的合理匹配是混合動力汽車產(chǎn)品開發(fā)的重要前提和基礎(chǔ)性工作。在對混聯(lián)式混合動力汽車動力總成結(jié)構(gòu)和整車控制策略分析的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行發(fā)動機、電動機和蓄電池等動力總成部件的選型和參數(shù)設(shè)計，并對傳動系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計。針對發(fā)動機、永磁同步電動機和鎳氫蓄電池的工作特性建立模型，并基于NEDC工況進(jìn)行仿真，得出發(fā)動機扭矩、電動機扭矩和蓄電池荷電狀態(tài)的變化曲線。結(jié)果表明，混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配合理。

混合動力汽車；混聯(lián)式；動力總成；參數(shù)匹配；NEDC工況

混聯(lián)式混合動力汽車(Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle，PSHEV)兼具串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)點。目前，混聯(lián)式混合動力汽車已成為各高等學(xué)校、科研所等部門的研究熱點[1-2]。

混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配是混合動力汽車前期開發(fā)的重要工作，目前國內(nèi)外對其研究較多，但采用LabVIEW仿真的方法對混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的研究卻很少。LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，不僅仿真精度比離線仿真要高，而且所需硬件成本相對較低，有利于產(chǎn)品開發(fā)。因此，基于LabVIEW的仿真方法對混聯(lián)式混合動力汽車的研究將是未來的發(fā)展趨勢[3-4]。

1 PSHEV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文研究的PSHEV是參照典型的混聯(lián)式混合動力汽車——豐田普銳斯來進(jìn)行的，動力總成采用行星齒輪機構(gòu)將發(fā)動機、電動機及發(fā)電機等部件連接起來?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖1中發(fā)動機與行星架相聯(lián)，通過行星齒輪將動力傳給外圈的齒圈和內(nèi)圈的太陽輪，齒圈軸與電動機和傳動軸相聯(lián)，太陽輪軸與發(fā)電機相聯(lián)。動力分配裝置將發(fā)動機輸出的一部分轉(zhuǎn)矩直接傳遞到驅(qū)動軸上，將另一部分輸出轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機上，發(fā)電機發(fā)出的電將根據(jù)控制單元的指令或用于給電池組充電，或用于驅(qū)動電動機以增加驅(qū)動力。

2 整車控制策略分析

采用的行星機構(gòu)可以進(jìn)行靈活的控制策略設(shè)定，通過不同制動器和離合器的作用，這套行星齒輪機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)如下的功能[5-6]：

1)啟動及低速工況：從靜止起步到車速低于一定的車速時，發(fā)動機不啟動，行星齒輪系統(tǒng)只有一個自由度。車輛由驅(qū)動電機驅(qū)動，為純電動工況。

2)正常行駛工況：此時發(fā)動機功率通過行星齒輪系統(tǒng)分為兩條路線，一條是通過齒圈直接傳到變速器，另一條是驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，給電池充電或者通過電動機驅(qū)動。

3)加速/爬坡工況：此時發(fā)動機的工作情況與正常行駛工況一樣，而電動機不僅由發(fā)電機提供能量，還要從電池獲得能量，此時系統(tǒng)工作在混合模式。

4)減速/制動工況：在踩下制動踏板后，齒圈軸反拖電機軸旋轉(zhuǎn)，電機作為發(fā)電機發(fā)電，向蓄電池充電，同時產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。

5)充電模式：在需要時發(fā)動機可以僅驅(qū)動發(fā)電機向蓄電池充電。

這種混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的，無論在制造上和控制上都帶來一定的困難，但正是這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來了控制上的靈活性，可以獲得較佳的性能。

3 PSHEV動力系統(tǒng)各部件選型及參數(shù)設(shè)計

3.1 整車基本參數(shù)及動力性能指標(biāo)

混合動力汽車整車基本參數(shù)及設(shè)計性能要求如表1所示，整車動力性能指標(biāo)如表2所示。

表1 整車基本參數(shù)及設(shè)計性能要求

表2 整車動力性能指標(biāo)

3.2 發(fā)動機選型及參數(shù)設(shè)計

由設(shè)定的整車控制策略可知，發(fā)動機在混聯(lián)式混合動力汽車的動力總成中既可單獨驅(qū)動汽車，也可同時與電動機共同驅(qū)動汽車。由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車為滿足加速、爬坡等工況的要求，在功率選擇上留有較大的后備功率，根據(jù)發(fā)動機功率曲線特點可知，其在很多情況下未工作在最佳效率區(qū)，而混合動力汽車由于有第二動力源的匹配，可不必考慮留有過大的后備功率。因此，混合動力汽車的發(fā)動機可選擇功率相對較小的發(fā)動機，以使其工作在最佳效率工作區(qū)，但也要滿足一定的動力性指標(biāo)[7]。

根據(jù)設(shè)定的最高車速，選擇發(fā)動機的最大功率應(yīng)為以最高車速行駛時行駛阻力功率之和，即

(1)

式中：Pemax為發(fā)動機的最大功率，ηT為傳動系效率，f為滾動阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，Vamax為最高車速。

結(jié)合表1中混合動力汽車的整車基本參數(shù)，計算出發(fā)動機的功率值Pemax=45 kW?？紤]到汽車混合驅(qū)動工況工作時，發(fā)動機按最小油耗特性運行，因此要加上8%～12%的功率裕量，以減少對驅(qū)動功率的需求，并可提高純發(fā)動機驅(qū)動時的動力性能。最后確定的發(fā)動機功率為48.6～50.4 kW。綜上，選定汽油發(fā)動機的最大功率Pemax為50 kW。

3.3 電動機選型及參數(shù)設(shè)計

電動機是混合動力汽車中的另一個重要的動力源，起到汽車起步、電動驅(qū)動和制動能量回收等作用，能夠提高整車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放。適合做混合動力汽車用電動機的類型有：直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電機等。根據(jù)電動機的功率密度、可靠性、外形尺寸、重量及控制器成本等參數(shù)綜合考慮。永磁同步電動機具有功率密度高、調(diào)速范圍寬、效率高、性能更加可靠、結(jié)構(gòu)更加簡單、體積小的優(yōu)點，與相同功率的其他類型的電動機比較，更加適合作為混合動力汽車的驅(qū)動電機，因此選擇永磁同步電動機[8]。

驅(qū)動電機參數(shù)的確定最主要的是其功率確定，主驅(qū)動電機需要滿足的條件[9]如下：

1)驅(qū)動電機和發(fā)動機功率之和應(yīng)該大于行駛工況中最大驅(qū)動功率；

2)驅(qū)動電機與發(fā)動機動力復(fù)合后，滿足車輛起步加速性能要求；

3)能夠在純電動工況下提供驅(qū)動功率，根據(jù)不同的控制策略和純電動動力性能的要求，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整驅(qū)動電機的功率需求；

4)制動時能最大回收能量。

電機的驅(qū)動功率應(yīng)滿足

Pm+Peng≥Pcyc_max，

(2)

Pm≥Pe_max.

(3)

式中：Pm為驅(qū)動電機的功率；Peng為發(fā)動機功率；行駛工況中的最大功率Pcyc_max為90 kW。

由前面發(fā)動機的參數(shù)計算可知：發(fā)動機最大功率Pe_max為50 kW，由式(2)計算得，Pm≥40 kW，由式(3)計算得Pm≥50 kW，選擇驅(qū)動電動機額定功率Pm_rmax為45 kW，最大功率Pm_max為55 kW。

3.4 蓄電池選型及參數(shù)設(shè)計

蓄電池在混合動力汽車中不僅起到向電動機輸出峰值功率的作用，還起到吸收再生制動能量并儲存的作用。適合做混合動力汽車用蓄電池的類型有：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。鉛酸電池雖然具有技術(shù)成熟，可靠性高、價格便宜的優(yōu)點，但其比能量較低，不能快充深放，循環(huán)壽命短；鋰離子電池雖然具有高能量密度，無污染，循環(huán)壽命高，無記憶效應(yīng)的優(yōu)點，但其化學(xué)特性活潑，使用時對環(huán)境要求比較高，價格高和安全問題；鎳氫電池具有高比功率、很好的耐過充電特性、良好的使用安全性和充放電效率、無污染的特點，因此選擇鎳氫電池[10]。

蓄電池的參數(shù)主要有電壓、容量、能量、功率等，對其參數(shù)的確定需做到：電池的電壓等級要與電機的電壓等級保持一致；電池容量在規(guī)定范圍內(nèi)(0.3～0.8)；最大充、放電功率要滿足電機的功率需求。

(4)

Pbmax_chg≥Pmmax，

(5)

Q(0.3～0.8)Ebat≥Pmt.

(6)

式中：Pbmax_dis為電池最大放電功率；Pm_max為電機最大功率；ηm為電機效率；Pacc為附件功率，約為5 kW；Pbmax_chg為電池最大充電功率；Q為電池容量；Ebat為電池電壓；t為蓄電池得不到補充的最長時間。

由前面對驅(qū)動電動機的參數(shù)計算可知，Pm_max為55 kW，聯(lián)合式(4)、式(5)計算得：電池最大放電功率Pbmax_dis≥ 60 kW,電池最大充電功率Pbmax_chg≥ 50 kW。選擇Pbmax_dis為60 kW,Pbmax_chg為50 kW。

鎳氫電池荷電狀態(tài)工作區(qū)在設(shè)計能量管理策略時應(yīng)使其始終工作在具有較低的充放電內(nèi)阻的0.2～0.8之間。

3.5 傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

1)主減速器減速比的確定。 主減速器減速比的確定不僅要滿足汽車行駛的最高車速，也要達(dá)到蓄電池充電時對發(fā)動機后備功率的要求，即

(7)

式中：i0為主減速比，r為輪胎滾動半徑，nmax為發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速，vmax為汽車最高車速。

發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速nmax控制在5200 r/min，由式(7)計算得，主減速器減速比i0=3.8。

2)變速器最大傳動比設(shè)計。 變速器最大傳動比應(yīng)根據(jù)發(fā)動機單獨驅(qū)動時的最大爬坡度來設(shè)計，同時還要考慮各種阻力的影響。變速器最大傳動比需滿足

(8)

式中：igmax為變速器最大傳動比，αmax為最大爬坡度，發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩Te_max為105 Nm。

由式(8)計算得變速器最大傳動比igmax≥3.4，取igmax=3.5。

因此，傳動系統(tǒng)的最大傳動比imax=i0·igmax=13.3。

4 整車EUDC工況仿真

所選混聯(lián)式混合動力汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖2所示，電動機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3所示，鎳氫電池的荷電狀態(tài)曲線如圖4所示。

圖2 發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖3 永磁同步電動機的驅(qū)動特性

圖4 鎳氫電池電壓與荷電狀態(tài)性能曲線

在對混聯(lián)式混合動力汽車各動力總成的選型和參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合各動力總成的特性曲線，應(yīng)用LabVIEW軟件建立混聯(lián)式混合動力汽車各動力總成的模型，并基于NEDC工況進(jìn)行仿真(NEDC循環(huán)工況曲線如圖5所示)，得出NEDC循環(huán)工況下發(fā)動機扭矩曲線、電動機扭矩曲線和鎳氫電池的SOC曲線，如圖6～8所示。

圖5 NEDC循環(huán)工況曲線

圖6 發(fā)動機在NEDC工況下的扭矩曲線

圖7 鎳氫電池在NEDC工況下的SOC曲線

圖8 電機在NEDC工況下的扭矩曲線

由圖7可以看出，在NEDC循環(huán)工況的起始時SOC值為0.7，之后電池SOC曲線先是呈現(xiàn)出逐漸緩慢下降的趨勢，然后又迅速上升，并上升到0.7附近。電池SOC曲線先下降是因為驅(qū)動電機主要是工作在電動機狀態(tài)，消耗了蓄電池的電能，而后迅速上升是因為驅(qū)動電機工作在發(fā)電狀態(tài)，給蓄電池充電的結(jié)果，可從圖8看出對應(yīng)的再生制動扭矩的變化，這符合設(shè)定的混合動力汽車整車控制策略。

5 結(jié)束語

在對混聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形式和整車控制策略進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，并依據(jù)整車基本參數(shù)和動力性能指標(biāo)的要求，對動力系統(tǒng)各部件進(jìn)行了選型及參數(shù)設(shè)計，確定了發(fā)動機、電動機、蓄電池和傳動系統(tǒng)傳動比的具體參數(shù)。

根據(jù)各動力總成的工作特性曲線建立相關(guān)模型，并在NEDC循環(huán)工況下仿真，得出發(fā)動機扭矩、電池SOC和電動機扭矩的變化曲線，其變化特征符合設(shè)定的整車控制策略，驗證了混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性，為混合動力汽車的設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

[1]趙克剛,黃向東,羅玉濤.混聯(lián)式混合動力電動汽車動力總成的優(yōu)化匹配與監(jiān)控[J].汽車工程,2005,27(2):147-150.

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[10]張金柱.混合動力汽車結(jié)構(gòu)、原理與維修[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

Research on parameters matching of HEV powertrain system

SUN Yuan-tao1，WANG Liang1，SHI Wei2，SUN Jian-hua1，ZHANG Jin-zhu1,AN Yong-dong1,ZHANG De-sheng1,WANG Yue-xin1

(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050，China; 2.Harbin Lingyun Automobile Parts Co.,Ltd,Harbin 150050，China)

The reasonable parameter matching of hybrid electric vehicle powertrain is an important precondition and fundamental work for the development of hybrid electric vehicle product.Based on the analysis of parallel-serial HEV powertrain structure and the control strategy,the type and parameter of powertrain parts,such as engine,motor and battery are selected and designed,and the parameters of transmission system are designed.The operation characteristics of the engine,permanent magnet synchronous motor and Ni-MH power battery are established,and the engine torque,motor torque and the battery state of charge curve are acquired based on the simulation of NEDC.The results show that the parameters matching of hybrid electric vehicle power system is reasonable.

hybrid electric vehicle; powertrain; parameter matching; NEDC condition

2014-06-03

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項目(12511456)

孫遠(yuǎn)濤(1983-)，男，實驗師，博士研究生，研究方向：混合動力汽車控制與測試技術(shù).

U469.72

A

1671-4679(2014)06-0021-04

劉文霞]