混合動力車動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件分析

龐小蘭+李瑤瑤

摘 要 混合動力車與傳統(tǒng)燃油車型相比，最大的優(yōu)勢是節(jié)能環(huán)保，原因是其能根據(jù)實際的車輛行駛狀態(tài)用不同方式的驅(qū)動力提供動力源。以某傳統(tǒng)燃油車輛動力系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行動力源總功率和各性能指標(biāo)的分析計算，初步確定發(fā)動機功率、電動機功率和蓄電池功率；進(jìn)而應(yīng)用Advisor的仿真計算建立該車的混合動力系統(tǒng)整車模型，并進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)Simulink進(jìn)行仿真模型測試，并對仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析計算，從而確定最優(yōu)的動力匹配，使得該車比原車更加節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞 混合動力車 ；動力系統(tǒng) ；建模 ；advisor仿真

中圖分類號 U469.7

Hybrid Power System Design Using Advisor and Simulink

PANG Xiaolan1） LI Yaoyao2）

（1 Guangdong Polytechnic College， Zhaoqing， Guangdong 526114；

2 South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510641）

Abstract Hybrid vehicles compared with traditional fuel models， the biggest advantage is energy saving and environmental protection. The reason is based on the actual state of the vehicle driving force in different ways to provide power. Based on a traditional fuel vehicle power system， the total power and the performance index is analyzed. It is preliminary determination of engine power， motor power and battery power. The vehicle model of the hybrid system is established by the simulation of Advisor， and the simulation is carried out. According to simulation model test， and the simulation results of the optimal analysis and calculation， it is determined the optimal power matching， to make the car more energy-efficient than the original car environmental protection.

Key words micro-mixer ； numerical simulation ； AC field ； fluid dynamics ； electroosmosis

現(xiàn)代社會環(huán)境污染和能源短缺問題越來越嚴(yán)重，節(jié)能與環(huán)保成為汽車技術(shù)的主要研究方向。在國家政策的大力支持下，新能源汽車技術(shù)發(fā)展迅速。為了提高混合動力汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性，需要優(yōu)化混合動力傳動系統(tǒng)，提高傳動系統(tǒng)的能量利用率。混合動力汽車傳動系統(tǒng)建模與仿真是混合動力汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化和能量控制策略優(yōu)化的重要手段[1]。

1 混合動力汽車車型特點

原車型搭載2.5 L的發(fā)動機，工信部測量百公里油耗10.4 L。本研究在該傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上進(jìn)行混合動力傳動系統(tǒng)的建模與分析，原車型基本參數(shù)（表1）保持不變，分析車輛的動力源匹配，計算發(fā)動機功率、電動機功率、蓄電池功率，同時建立動力系統(tǒng)模型，并把模型導(dǎo)入到Advisor軟件中進(jìn)行分析計算仿真。

2 動力系統(tǒng)動力源參數(shù)設(shè)計

2.1 發(fā)動機模型參數(shù)設(shè)計

混合動力車的動力系統(tǒng)中發(fā)動機的選擇非常關(guān)鍵，因為它影響著整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。如果匹配的發(fā)動機扭矩和功率過大，會造成車輛的油耗升高，經(jīng)濟(jì)性能下降；如果匹配的發(fā)動機扭矩和功率過小，那就要匹配大功率電動機來增加驅(qū)動力從而滿足行駛要求，會造成蓄電池組的電壓過大，這樣，車輛的綜合性能下降，生產(chǎn)成本提高。

最高車速umax、加速時間t、最大爬坡度amax是衡量汽車動力性的三大指標(biāo)。下面從這三方面來分析發(fā)動機的最大功率。

2.1.1 最高車速分析發(fā)動機最大功率

滿足最高車速的發(fā)動機最大功率為：

公式（1）中，ηT為傳動效率；m為整備質(zhì)量；g為重力加速度，取值為9.8 N/kg；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；

當(dāng)車輛純油模式工作時，最高車速umax=140 km/h，代入表1中的基本參數(shù)，則

Pmax1=24.98 kw

2.1.2 加速時間分析發(fā)動機功率

滿足0-100 km/h的加速時間為15 s時，發(fā)動機的最大功率為：

公式（2）中，ut為t時刻的車速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，為0-100 km/h的加速度，其余參數(shù)與公式（1）中含義相同。

當(dāng)車速ut=100 km/h，代入表1中的基本參數(shù)，則

Pmax2=29.65 kw

2.1.3 最大爬坡度amax分析發(fā)動機功率

滿足最大爬坡度為30 %，車速為25 km/h時，發(fā)動機的最大功率為：

公式（3）中，ut為爬坡時的穩(wěn)定車速，取值25 km/h；α為最大爬坡度，取值為30 %，換算為角度約16.7°；其余參數(shù)與公式（1）中含義相同。代入表1中的參數(shù)值，則

Pmax3=42.80 kw

根據(jù)上面的分析計算，考慮汽車空調(diào)、散熱風(fēng)扇等附件的消耗功率，發(fā)動機需要有一定的備用功率，發(fā)動機的功率應(yīng)大于為50 kw，所以選定型號為HM484Q-A，功率為60 kw的發(fā)動機。

2.2 電動機模型參數(shù)設(shè)計

混合動力汽車上電動機有直流電動機、交流電動機、永磁無刷電動機、開關(guān)磁阻電動機等多種，本文采用永磁無刷直流電動機。電動機的評價指標(biāo)有最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速、最大功率和額定功率，下面從這2個方面分析電動機的參數(shù)。

2.2.1 分析最高轉(zhuǎn)速nmmav和額定轉(zhuǎn)速nmr

電動機的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速影響著電動機的最大功率和額定功率，同時還會影響到底盤傳動的尺寸設(shè)計和位置布置。在電動機功率一定的情況下，電動機的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速滿足公式（4）的關(guān)系。

nmmav=nmr×β （4）

公式（4）中，nmmav表示最高轉(zhuǎn)速；nmr表示額定轉(zhuǎn)速；β表示電動機擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，β值一般為4-6[2]。

2.2.2 分析最大功率pmmax和額定功率pmr

該車型的電動機在起步、加速、爬坡時電動機工作，同時，在蓄電池電量充足時，還能夠?qū)崿F(xiàn)純電動模式運行。因此，本文從純電動模式分析其參數(shù)的設(shè)定。

當(dāng)車輛以80 km/h純電動模式運行時，電動機的額定功率為：

公式（5）中，Pmr為電機的額定功率，ut為純電動模式下的最高車速。代入表1中的參數(shù)值，則：

Pmr=13.35 kw

同時在純電動模式下考慮爬坡的情況，當(dāng)在坡度為30 %的路面上以不低于20 kw/h的速度行駛時，代入式（3）中，Pmr的值為34.20 kw。綜合考慮，選用的電動機型號為BS45-3200/320，額定功率為40 kw。

2.3 蓄電池組的選用

車輛在純電動模式下，蓄電池組不但要提供能量給發(fā)電機，而且還需要保證發(fā)動機附件的正常工作電量。蓄電池的連續(xù)運行額定功率應(yīng)滿足牽引電動機和發(fā)動機附件系統(tǒng)的連續(xù)功率之和要求[3]。

當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)SOC在30 %-40 %時，蓄電池連續(xù)運行的功率為：

Pb=■ （6）

公式（6）中，Pb為蓄電池連續(xù)運行功率；pm為電動機額定功率；pma為發(fā)動機附件功率；ηm為能量轉(zhuǎn)換效率，取值0.85。由此可知，Pb=58.82 kw。

蓄電池是直接給驅(qū)動電機提供電能，它必須滿足驅(qū)動電機的工作要求，因此，在匹配電池參數(shù)時還需考慮以下幾個原則[4]：

（1）蓄電池的電壓和電流范圍必須滿足牽引電機的電壓和電流的工作范圍；

（2）放電功率范圍必須覆蓋電機驅(qū)動和再生制動的最大功率范圍；

（3）電池能量滿足整車按標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況行駛的要求。

由前面的計算可知，要選擇的蓄電池的輸出功率必須大于所計算得到的峰值功率，這樣才能滿足驅(qū)動電機的工作需求和車輛行駛要求。最終選擇蓄電池規(guī)格為112節(jié)標(biāo)稱容量為180 A.h、單體額定電壓為3 v的鋰離子電池，額定電壓為112×3=336 V，額定容量（A.h）為336*180=60.48 kWh。因此，該混合動力車動力系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

3 混合動力動力系統(tǒng)仿真模型的建立

在上述分析計算的基礎(chǔ)上，在該混合動力車的工作模式和能量傳遞方向如圖1 A-D所示。

在車輛起步或低速運行時，發(fā)動機不工作，蓄電池給電動機電能驅(qū)動車輛運行，此時蓄電池處于放電狀態(tài)。

在車輛正常行駛階段，發(fā)動機輸出的功率直接驅(qū)動車輛，同時，發(fā)電機有發(fā)動機提供動力給蓄電池充電。當(dāng)蓄電電池電量充足時，蓄電池通過變頻器給電動機提供動力來源，驅(qū)動車輛運行。

在全負(fù)荷階段，發(fā)動機、電動機一起提供動力驅(qū)動車輛，保證車輛有足夠的動力運行。

在車輛減速或制動模式中，通過制動能力回收系統(tǒng)，電動機以發(fā)電機模式工作，實現(xiàn)再生制動。

在計算分析和工作模式的研究基礎(chǔ)上，通過Advisor和Simulink仿真建模和數(shù)學(xué)建模，把各個模塊加入到整車模型中，并進(jìn)行連接，其總體的仿真模型如圖2所示。

4 混合動力車性能仿真及結(jié)果分析

汽車在實際行駛過程中不可能長時間在穩(wěn)定車速下行駛，尤其是在市區(qū)行駛時，常常伴有頻繁的加速、減速、怠速、停車等行駛工況。行駛工況應(yīng)該是在對實際路面和交通狀況的大量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上得出的，能夠反映車輪戰(zhàn)實際使用中的狀況[5]。因此，在advisor模擬仿真中，選用日本的10-15工況來進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖3-6所示。

由理論分析可知，在其他條件不變，只有發(fā)動機、電動機、蓄電池組的公路發(fā)生改變時，對于整車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的函數(shù)關(guān)系如公式7-12所示。

由于該函數(shù)的多變量非線性函數(shù)，利用Simulink進(jìn)行仿真模型測試，在保持車量的外形尺寸不變，整車的基本設(shè)計參數(shù)不改變，只調(diào)整發(fā)動機、電動機、蓄電池組的功率，使得動力源優(yōu)化分配，提取到的優(yōu)化后的結(jié)果是：發(fā)動機功率為42 kw，蓄電池功率為36 kw，電動機功率為50 kw，并根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行仿真，車輛在高速路HW EFT循環(huán)工況下得到的仿真結(jié)果如圖7-10所示。

由此分析，原車性能和優(yōu)化設(shè)計后得到的整車性能數(shù)據(jù)見表3所示。

可以看出，優(yōu)化設(shè)計后的混合動力車最高車速與原車的最高車速相等，加速能力和爬坡能力比原車稍好，但是綜合油耗明顯下降，HC、CO、NOx的排放性明顯比原車有很大的改善，所以達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。

5 小結(jié)

通過對某傳統(tǒng)燃油車輛進(jìn)行動力系統(tǒng)二次計算設(shè)計，并進(jìn)行動力系統(tǒng)建模，利用Advisor和simulink仿真軟件進(jìn)行仿真分析，由仿真結(jié)果可知，該混合動力車型無論在起步、低速路況還是在加速、減速模式下都能適應(yīng)城市或高速路況，說明該車的動力系統(tǒng)設(shè)計模型實用、可行。

參考文獻(xiàn)

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[5] 崔勝民. 新能源汽車技術(shù)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2014：164-165.