混合動力越野汽車動力系統(tǒng)匹配研究

王慧晶　胡東方　馬忠民　郭萬超（北京汽車研究總院有限公司　北京　101300）

混合動力越野汽車動力系統(tǒng)匹配研究

王慧晶胡東方馬忠民郭萬超
（北京汽車研究總院有限公司北京101300）

以某四驅(qū)越野汽車為原型開發(fā)軸間耦合的并聯(lián)四驅(qū)混合動力越野汽車，取消原車分動器，加裝驅(qū)動電機(jī)、動力電池等電動部件，通過MATLAB軟件進(jìn)行動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和性能匹配計算，并對軸荷轉(zhuǎn)矩進(jìn)行校核分析，完成混合動力方案設(shè)計。仿真結(jié)果表明與傳統(tǒng)越野汽車相比，提高了混合動力越野汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性，符合混合動力越野汽車的設(shè)計要求。

混合動力越野汽車軸間耦合動力系統(tǒng)性能匹配MATLAB仿真

引言

混合動力汽車開發(fā)初期，動力系統(tǒng)部件的優(yōu)化選型和匹配計算是影響整車性能的主要因素，主要包括發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、動力電池等電動部件的參數(shù)匹配計算和工作特性優(yōu)化控制，使整車實現(xiàn)混合動力功能，保證動力性的同時，降低油耗和排放。

本文以某四驅(qū)越野汽車為原型開發(fā)軸間耦合的并聯(lián)四驅(qū)混合動力越野汽車，通過部件選型，參數(shù)匹配、軸荷轉(zhuǎn)矩校核研究，驗證混合動力四驅(qū)性能的可行性。

圖1　 四驅(qū)越野車結(jié)構(gòu)示意圖

1　軸間耦合混合動力方案

原四驅(qū)越野汽車結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，由分動器與差速器分配前后軸動力，前后軸輸出轉(zhuǎn)矩保持一定的比例關(guān)系，不能很好地適應(yīng)各種路面條件。

軸間耦合混合動力結(jié)構(gòu)簡圖見圖2，采用并聯(lián)驅(qū)動概念[1]，取消分動箱，增加驅(qū)動電機(jī)、動力電池、DC/DC等電動部件及控制器。由電機(jī)獨立驅(qū)動前橋，內(nèi)燃機(jī)獨立驅(qū)動后橋，可根據(jù)路面情況和運行狀況，進(jìn)行混合驅(qū)動工況轉(zhuǎn)換。

混合動力工況見圖3，可按要求在純電動、混合動力、停車充電等工況間切換。在合理的轉(zhuǎn)矩控制下，電機(jī)助力對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行削峰填谷，實現(xiàn)混合動力工作模式。電機(jī)還可承擔(dān)低速條件下的純電動行駛，實現(xiàn)一定程度的節(jié)油減排效果。在越野路面及低附著系數(shù)的非鋪裝路面條件下，軸間耦合混合動力方案可提高整車越野性能。

圖2　軸間耦合混合動力結(jié)構(gòu)簡圖

圖3　混合動力工況框圖

2　混合動力系統(tǒng)性能匹配

2.1電機(jī)參數(shù)匹配

電機(jī)參數(shù)匹配直接關(guān)系到驅(qū)動電機(jī)的選型，進(jìn)而對混合動力性能產(chǎn)生重大影響，是開發(fā)混合動力汽車的必要環(huán)節(jié)[2]。

電機(jī)外特性為：在額定轉(zhuǎn)速以下，以恒轉(zhuǎn)矩模式工作，在額定轉(zhuǎn)速以上，以恒功率模式工作。電機(jī)參數(shù)包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速的選擇。選用原則為：高性能，低自重和小尺寸；在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的效率；電磁輻射盡量?。怀杀镜?；維護(hù)方便；綜合考慮其控制系統(tǒng)的特點，要求能盡可能實現(xiàn)雙向控制，回收制動能量。

混合動力方案中，僅發(fā)動機(jī)驅(qū)動工況即可滿足車輛的最高車速要求，且高速時后輪驅(qū)動可以提高車輛的操縱穩(wěn)定性。四驅(qū)功能主要在轉(zhuǎn)矩需求和越野爬坡工況下使用，因此對驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)匹配主要考慮爬坡和越野轉(zhuǎn)矩需求[3]。

2.1.1爬坡性能

對四驅(qū)車來說，最大爬坡度60%時，前后驅(qū)動輪的附著率都不能大于地面附著系數(shù) φ=0.8。由MATLAB仿真可知[4]，如果爬坡最低穩(wěn)定車速按照發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速計算（圖4中E點）為7.3km/h，此時發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為2572N·m，電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩為3334 （5906～2572）N·m，大于地面能夠給前軸提供的附著力（圖5中B點）2376N·m，前輪會發(fā)生打滑。而如果將爬坡最低穩(wěn)定車速提高到12km/h（圖4中F點），則電機(jī)僅需提供的轉(zhuǎn)矩為2277（5906～3629）N·m，小于地面附著力，不會發(fā)生打滑。

因此電機(jī)驅(qū)動前軸爬坡度為60%需提供的最小驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為2277N·m（60%爬坡最低穩(wěn)定車速需大于12km/h）。

圖4　 爬坡轉(zhuǎn)矩需求

圖5　 60%坡度地面附著力

由圖6可知，對于60%的爬坡功率需求，可知電機(jī)起步功率（12km/h）需求為19.75（50.49～30.74）kW，持續(xù)電機(jī)功率（15km/h）需求為11.04（63.14～52.1）kW。

圖6　爬坡功率需求

圖7　前輪越障轉(zhuǎn)矩需求

2）越障性能

計算前后輪的越障高度隨驅(qū)動力矩變化的關(guān)系，由圖7可知前輪過0.35m臺階前后軸需求轉(zhuǎn)矩分別為2810N·m，5040N·m。

由圖8可知后輪過0.28m臺階前后軸需求轉(zhuǎn)矩分別為3031N·m，4380N·m。

計算前后軸轉(zhuǎn)矩功率需求見表2。

圖8　后輪越障轉(zhuǎn)矩需求

表2　越野時前后軸最大轉(zhuǎn)矩需求

選擇前軸最大越障轉(zhuǎn)矩需求3031N·m為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩需求，爬坡（60%）轉(zhuǎn)矩需求2277N·m為額定轉(zhuǎn)矩需求。電機(jī)與單級減速器的匹配見表3。

表3　電機(jī)與減速器參數(shù)匹配

由表3綜合考慮，選取5.92為電機(jī)主減速比，電機(jī)驅(qū)動的最高車速為40km/h。

選擇電壓等級為288V的直流永磁無刷電動機(jī)，參數(shù)見表4，既具備交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，又具備直流電動機(jī)的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點。冷卻方式選擇水冷。

表4　 電機(jī)匹配參數(shù)

原車設(shè)計涉水深度為600mm，分動器最低位置< 390mm，因此改裝后如果在原車分動器位置安裝電機(jī)，需考慮涉水時對電機(jī)的防水保護(hù)。

2.2電池參數(shù)匹配

電池參數(shù)主要指電壓等級、功率、電池荷電狀態(tài)（SOC）。一般考慮以下原則:電壓等級要與電力系統(tǒng)電壓等級和變化范圍一致；最大充電和放電功率滿足電機(jī)的功率要求；SOC應(yīng)用范圍。

電池需滿足峰值放電和持續(xù)放電續(xù)駛里程需求，峰值放電為22kW，持續(xù)放電為12kW，按照峰值放電10C計算，持續(xù)放電5C計算，需要不小于2.89kW·h，電壓等級為288V，則需要10.03A·h。

選擇比能量和比功率高，循環(huán)壽命長的10A·h、288V鋰離子電池。

2.3發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配

發(fā)電機(jī)需滿足對電池充電和整車低壓電氣供電需求，整車電氣用電量按0.6kW計算，按照以上匹配電池容量，充電時間和發(fā)電機(jī)功率關(guān)系如表5所示（SOC可用范圍按0.2～0.9計算）。

表5　發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配

表5　發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配

選擇3.5kW發(fā)電機(jī)，充電時間約為45分鐘。

2.4校核計算

2.4.1軸荷校核

混合動力汽車改制增加了電機(jī)、電池及相關(guān)附件重量，減掉原車分動器，可認(rèn)為分動器與電機(jī)及減速裝置等重，因此增加電池重量和電機(jī)控制器重量，且分布在后軸上方，按10A·h、288V計算，電池質(zhì)量為60kg，電機(jī)控制器質(zhì)量為15kg。軸荷變化見表6。

2.4.2傳動軸及半軸轉(zhuǎn)矩校核

改裝后的前后軸傳遞轉(zhuǎn)矩均小于原車，所以原車傳動軸和半軸可延用見表7。

表6　載荷校核

表7　傳動軸校核

3　仿真分析

電機(jī)的可驅(qū)動車速范圍為0～40km/h。軸間耦合四輪驅(qū)動，可通過控制電機(jī)驅(qū)動力實現(xiàn)軸間驅(qū)動力分配功能，從而實現(xiàn)牽引力控制，有效防止車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)，最大程度利用地面附著力，改善低速越野性能，包括整車通過低附著路面的能力和爬坡能力。

混合動力模式下，可將發(fā)動機(jī)控制在其經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)矩曲線附近運行，通過電機(jī)的削峰填谷作用實現(xiàn)較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

改裝前后加速時間分析見圖9。

原車加速時間為兩驅(qū)時取得，0～100km/h為23.28s，改裝后四驅(qū)模式下，低速電機(jī)參與助力，0～100km/h加速時間為20.79s，較原車有所改善。

圖9　加速時間仿真

改裝前后最高車速均為142km/h，改裝后最大爬坡度為60%。

綜合以上計算，性能匹配結(jié)果如表8所示。

表8　 性能匹配結(jié)果

4　結(jié)論

按照動力性和經(jīng)濟(jì)性要求設(shè)計軸間耦合越野汽車混合動力方案，通過對驅(qū)動電機(jī)、動力電池、發(fā)電機(jī)等進(jìn)行參數(shù)匹配和部件選型，以及對軸荷、傳動軸和半軸轉(zhuǎn)矩進(jìn)行校核，仿真結(jié)果表明設(shè)計方案滿足改制要求，增強了動力性和通過性，同時提高發(fā)動機(jī)的工作效率和能量利用率，達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)性。

1陳家瑞.汽車構(gòu)造（第五版）[M].北京：人民交通出版社，2006

2余志生.汽車?yán)碚摚ǖ谖灏妫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

3胡驊.電動汽車（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2006

4阿爾弗雷德·克拉普爾.起動機(jī)-發(fā)電機(jī)一體化技術(shù)（ISG）[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008

5黃永安.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真開發(fā)與高級工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社

4WDHEV Powertrain System M atching Research

W ang Huijing,M a Zhongm in,Hu Dongfang,GuoW anchao
Beijing Automotive Technology Center（Beijing，101300，China）

A parallel cross-axis 4WD HEV based on the conventional 4WD vehicle is developed by removing the power divider,adding the drive motor，power battery etc.Applying MATLAB to achieve powertrain optimization design and thematching calculation,through axles load torque analysis，the hybrid performance scheme is realized.Simulation results show that the research improves the dynamic performanceand economicalefficiency，conforms to the4WDHEV design objects.

4WDHEV，Cross-axis，Powertrainmatching，MATLAB simulation

U469.3

A

2095-8234（2015）01-0077-07

王慧晶（1984-），女，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向為整車性能研究及混合動力汽車開發(fā)。

（2014-12-12）