基于ADVISOR的并聯(lián)PHEV動(dòng)力參數(shù)匹配的研究

潘二東，申江衛(wèi)，肖仁鑫

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

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基于ADVISOR的并聯(lián)PHEV動(dòng)力參數(shù)匹配的研究

潘二東，申江衛(wèi)，肖仁鑫

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

摘要：分析了并聯(lián)PHEV動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，表明動(dòng)力參數(shù)匹配對(duì)PHEV的設(shè)計(jì)研發(fā)具有重要的作用?？偨Y(jié)得到了PHEV動(dòng)力參數(shù)匹配的基本原則、方法和步驟，主要根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)方程、整車基本參數(shù)，在滿足整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和純電動(dòng)續(xù)駛里程要求前提下，通過計(jì)算匹配得到了電動(dòng)機(jī)峰值和額定功率、發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率和額定功率、純電動(dòng)模式下車速與動(dòng)力電池功率和動(dòng)力電池能量關(guān)系以及傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比和最小傳動(dòng)比等重要的動(dòng)力參數(shù)。應(yīng)用ADVISOR汽車仿真軟件搭建了PHEV仿真模型，在CYC-HWFET行駛工況下進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及純電動(dòng)續(xù)駛里程均滿足整車開發(fā)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了所使用的PHEV動(dòng)力參數(shù)匹配方法的有效性和所匹配得到的PHEV動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：PHEV；參數(shù)匹配；ADVISOR；行駛工況；仿真模型

設(shè)計(jì)研發(fā)電動(dòng)汽車是緩解全球環(huán)境污染和能源危機(jī)的有效途徑?；旌蟿?dòng)力汽車(尤其是PHEV)是目前電動(dòng)汽車研究的主要方向。PHEV是可以外接充電設(shè)施的混合動(dòng)力汽車，動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，能利用電網(wǎng)的“低價(jià)電”為電動(dòng)汽車充電，集合了純電動(dòng)汽車和一般混合動(dòng)力汽車的共同特點(diǎn)，既能在排放要求嚴(yán)格的區(qū)域進(jìn)行一定續(xù)航里程的純電動(dòng)行駛，又能在加速、爬坡等對(duì)動(dòng)力性要求較高的情況下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)[1]。動(dòng)力系統(tǒng)是汽車驅(qū)動(dòng)的核心，因此，動(dòng)力參數(shù)匹配的研究對(duì)PHEV的設(shè)計(jì)開發(fā)具有重要的意義。PHEV共有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等3種動(dòng)力系統(tǒng)布置模式，本文主要對(duì)并聯(lián)PHEV的參數(shù)匹配進(jìn)行研究。

圖1　并聯(lián)式PHEV動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1動(dòng)力參數(shù)匹配的原則、方法和步驟

PHEV參數(shù)匹配主要是在滿足汽車最高車速、最大加速度、最大爬坡度和純電動(dòng)續(xù)駛里程等動(dòng)力性能的前提下，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電池組和變速器等性能參數(shù)的匹配，使PHEV整車質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性和排放性能達(dá)到最優(yōu)[2]。

PHEV參數(shù)匹配的一般方法是根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)方程及相關(guān)算法，并在一定工況下運(yùn)用優(yōu)化仿真軟件來確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率及轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)功率及轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比和動(dòng)力電池的容量等相關(guān)的動(dòng)力參數(shù)[3]。

PHEV參數(shù)匹配的一般步驟是：1)根據(jù)純電動(dòng)行駛模式下的最高車速、加速性能和最大爬坡度，確定電動(dòng)機(jī)的額定功率、峰值功率和轉(zhuǎn)速；2)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)工況行駛的最高車速、加速性能和爬坡度要求，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速；3)確定最大、最小傳動(dòng)比；4)根據(jù)純電動(dòng)模式續(xù)駛里程和加速性能確定動(dòng)力電池的容量及功率。

2動(dòng)力參數(shù)匹配

設(shè)計(jì)研發(fā)的PHEV整車基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，整車基本動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能要求見表2。

表1　整車基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2　整車基本動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)

2.1電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇

根據(jù)純電動(dòng)模式下的最大車速、0～100 km/h的加速時(shí)間和最大爬坡度來確定電動(dòng)機(jī)的最大功率[4-5]。

1)根據(jù)PHEV純電動(dòng)模式下最大車速確定的電動(dòng)機(jī)最大功率Pm1_EM如下：

(1)

式中，mc是整車質(zhì)量，單位為kg；g為重力加速度，單位為m/s2；f是滾動(dòng)阻力系數(shù)，f=0.02；C是空氣阻力系數(shù)；A是PHEV迎風(fēng)面積，單位為m2；vmax_EM是純電動(dòng)模式下PHEV可達(dá)到的最大車速，單位為m/s；η是傳動(dòng)效率。

2)根據(jù)PHEV純電動(dòng)模式下0～100 km/h的加速時(shí)間確定的電動(dòng)機(jī)最大功率Pm2_EM如下：

(2)

式中，v是加速末期的速度，v=100 km/h；δ是車輛質(zhì)量換算系數(shù)，δ=1.05；ti是0～100 km/h加速時(shí)間，ti=12 s。

3)根據(jù)PHEV純電動(dòng)模式下的最大爬坡度確定的電動(dòng)機(jī)最大功率Pm3_EM如下：

(3)

式中，α是PHEV純電動(dòng)模式下最大坡度傾斜角，α=arctanimax_EM，其中，imax_EM是純電動(dòng)模式下最大爬坡度，imax_EM=20%；vi是PHEV最大爬坡度時(shí)要求的車速，vi=10 km/h。

電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與其本身的質(zhì)量、尺寸和內(nèi)在損耗等有很大的關(guān)系，對(duì)傳動(dòng)系的尺寸也有一定的影響。電動(dòng)機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)γ是電動(dòng)機(jī)一個(gè)很重要的性能參數(shù)，其定義為電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值。目前，一般選擇轉(zhuǎn)速為中高速的電動(dòng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速一般為9 000～15 000 r/min，擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)γ一般為4～6，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速可由nmn=nnmax/γ計(jì)算出。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇

首先根據(jù)PHEV混合驅(qū)動(dòng)模式下的最高車速、0～100 km/h的加速時(shí)間、最大爬坡度來確定動(dòng)力系統(tǒng)所需要的最大功率，然后再根據(jù)計(jì)算所得電動(dòng)機(jī)的功率最終匹配出發(fā)動(dòng)機(jī)的功率[6-7]。

1)根據(jù)PHEV混合驅(qū)動(dòng)模式下最高車速確定的動(dòng)力系統(tǒng)最大功率PHM1如下：

(4)

式中，vmax_HM是PHEV混合驅(qū)動(dòng)模式下的最高車速，單位為km/h。

2)根據(jù)PHEV混合驅(qū)動(dòng)模式下0～100 km/h加速時(shí)間確定動(dòng)力系統(tǒng)最大功率PHM2如下：

(5)

式中，tj是PHEV混合驅(qū)動(dòng)模式下0～100 km/h的加速時(shí)間，單位為s。

3)根據(jù)PHEV混合驅(qū)動(dòng)模式下的最大爬坡度確定動(dòng)力系統(tǒng)的最大功率PHM3如下：

(6)

式中，β是PHEV混合驅(qū)動(dòng)模式下最大坡度傾斜角，β=arctanjmax_HM，其中，jmax_HM是混合驅(qū)動(dòng)模式下最大爬坡度，jmax_HM=30%。

考慮到目前電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的產(chǎn)品，最終得到的電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)匹配參數(shù)見表3。

表3　電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配表

2.3傳動(dòng)比參數(shù)的選擇

2.3.1最小傳動(dòng)比的選擇

PHEV混合驅(qū)動(dòng)模式下的最大車速是由發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速和最小傳動(dòng)比決定的，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速已經(jīng)確定，最小傳動(dòng)比可由下式確定：

(7)

式中，imin是最小傳動(dòng)比；nemax是發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速，單位為r/min；r是PHEV車輪半徑，單位為m。

2.3.2最大傳動(dòng)比參數(shù)選擇

最大傳動(dòng)比是由PHEV純電動(dòng)模式下的最大爬坡度、電動(dòng)機(jī)額定功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，以及發(fā)動(dòng)機(jī)最大的轉(zhuǎn)矩確定，其計(jì)算公式為如下：

(8)

(9)

式中，imax是最大傳動(dòng)比；fmax是最大驅(qū)動(dòng)阻力，單位為N；T是發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩或者電動(dòng)機(jī)額定功率對(duì)應(yīng)下的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。

通過計(jì)算得出imin≤3.52，imax≥7.19，即最小傳動(dòng)比為3.52，最大傳動(dòng)比為7.19。

2.4動(dòng)力電池參數(shù)的選擇

PHEV動(dòng)力電池既要能滿足純電動(dòng)模式下動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求和續(xù)航里程的能量需求，又要能滿足混合驅(qū)動(dòng)模式下動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求，動(dòng)力電池要在SOC較低時(shí)也能提供較高的功率。動(dòng)力電池功率特性一般為放電功率隨著SOC的減小而降低，充電功率隨著SOC的增大而降低。PHEV對(duì)動(dòng)力電池要求能在低SOC狀態(tài)時(shí)大功率放電，在高SOC狀態(tài)時(shí)大功率充電[8-9]。目前，和其他類型動(dòng)力電池相比，鋰離子電池能基本滿足上述要求，而且鋰離子電池的功率密度和能量密度也較大。

動(dòng)力電池參數(shù)主要由純電動(dòng)模式下動(dòng)力系統(tǒng)的功率要求和能量要求決定，功率和能量是動(dòng)力電池的重要參數(shù)，可分別由如下2個(gè)公式求出：

(10)

(11)

式中，Pb是PHEV純電動(dòng)模式動(dòng)力電池功率，單位為kW；Eb是PHEV純電動(dòng)模式動(dòng)力電池所需能量，單位為kWh；vEM是純電動(dòng)模式PHEV的車速，單位為km/h；Pa是純電動(dòng)模式PHEV附件所需功率，設(shè)Pa=1 kW；L是PHEV純電動(dòng)模式續(xù)駛里程，單位為km。

PHEV純電動(dòng)模式下車速與動(dòng)力電池功率和動(dòng)力電池能量關(guān)系分別如圖2和圖3所示。

圖2　PHEV純電動(dòng)模式速度與動(dòng)力電池功率關(guān)系圖

圖3　PHEV純電動(dòng)模式速度與動(dòng)力電池能量關(guān)系圖

由圖2和圖3可知，當(dāng)PHEV純電動(dòng)模式下達(dá)到最大速度(120 km/h)時(shí)，動(dòng)力電池所需功率為30.28 kW，動(dòng)力電池所需能量為12.61 kWh。結(jié)合目前鋰離子電池市場(chǎng)情況，動(dòng)力電池功率選35 kW，動(dòng)力電池能量選15 kWh。

3仿真試驗(yàn)

3.1ADVISOR軟件介紹

ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)高級(jí)車輛仿真軟件是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，主要用于電動(dòng)汽車前期研發(fā)階段的仿真，以節(jié)省新型車輛的研發(fā)時(shí)間和成本[10]。ADVISOR軟件基于MATLAB/Simulink 軟件平臺(tái)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、離合器、變速器和能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)等部件模型。ADVISOR的源代碼和仿真模型是完全公開的，用戶可以方便地更改模型和源代碼進(jìn)行案件模型的搭建和仿真。另外，ADVISOR采用后向仿真為主、前向仿真為輔的仿真方法，集中了2種仿真方法的優(yōu)點(diǎn)，不但仿真速度較快，計(jì)算量較小，而且也保證了仿真結(jié)果的精度。

3.2建立仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)

在Simulink 軟件平臺(tái)上搭建PHEV仿真模型(見圖4)，將整車基本參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果輸入ADVISOR仿真軟件，并修改相應(yīng)的m文件，在CYC-HWFET行駛工況下(見圖5)，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并得到仿真結(jié)果。

圖4　PHEV仿真模型

圖5　CYC-HWFET行駛工況

3.3仿真結(jié)果分析

設(shè)定ADVISOR軟件的各個(gè)仿真參數(shù)，并運(yùn)行ADVISOR軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見表4。

表4　仿真試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，各個(gè)性能試驗(yàn)結(jié)果均滿足整車開發(fā)所要求的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，所匹配的PHEV動(dòng)力性能參數(shù)完全符合要求。

4結(jié)語

1)通過對(duì)PHEV動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)得出了發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)比和動(dòng)力電池等是PHEV的重要?jiǎng)恿?shù)，對(duì)各個(gè)動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確匹配具有重要的意義。

2)根據(jù)PHEV汽車動(dòng)力學(xué)方程、整車基本參數(shù)以及整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，匹配出各個(gè)動(dòng)力參數(shù)。電動(dòng)機(jī)最大功率為110 kW，額定功率為45 kW，最大轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為250 N·m，額定功率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩為175 N·m；電動(dòng)機(jī)最大功率為113 kW，額定功率為75 kW，最大轉(zhuǎn)速為5 200 rpm，最大轉(zhuǎn)矩為240 N·m。

3)在CYC-HWFET行駛工況下進(jìn)行ADVISOR仿真試驗(yàn)，得出了仿真結(jié)果。純電動(dòng)模式：最大車速為126.3 km/h，0～100 km/h加速時(shí)間為10.6 s，最大爬坡度為21.3%，純電動(dòng)續(xù)駛里程為63.8 km；混合驅(qū)動(dòng)模式：最大車速為172.6 km/h，0～100 km/h加速時(shí)間為7.2 s，最大爬坡度為30.5%，每百公里油耗為4.52 L。結(jié)果表明，各個(gè)動(dòng)力性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了所使用的動(dòng)力參數(shù)匹配方法的有效性和所匹配動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性。

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責(zé)任編輯彭光宇

Research of the Parameters Matching of Parallel PHEV based on ADVISOR

PAN Erdong， SHEN Jiangwei， XIAO Renxin

(College of Traffic Engineering, Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China)

Abstract：Analyze the basic structure of PHEV power system, and it indicates that the parameter matching is very important to the design and the development of PHEV. The basic principles, methods and procedures of the parameter matching of PHEV are got through some summaries. According to the vehicle dynamics equations, the basic vehicle parameters and under the satisfaction of the dynamic performance, the pure electric driving range and the economic performance of PHEV, some important parameters of PHEV are matched through some calculations. The parameters are the peak power and the rated power of the motor and the engine, the relationship between the speed and the power and energy of the battery, the maximum transmission ratio and the minimum transmission ratio of the transmission system etc. A PHEV simulation model is built in the ADVISOR vehicle simulation software and a simulation experiment is carried out under the CYC-HWFET driving cycle. The simulation results show that the dynamic performance, the economic performance and the pure electric driving range can all meet the design requirements. Furthermore, it verifies the effectiveness of the matching method of dynamic parameters of PHEV that is used and the accuracy of the matching parameters of PHEV.

Key words:PHEV， parameters matching， ADVISOR， driving cycle， simulation model

收稿日期：2015-06-08

通信作者：申江衛(wèi)

作者簡(jiǎn)介：潘二東(1989-)，男，碩士研究生，主要從事新能源汽車優(yōu)化控制等方面的研究。

中圖分類號(hào)：U 69.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A