插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真研究

林鑫焱，錢瀟瀟

（鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真研究

林鑫焱，錢瀟瀟

（鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

根據(jù)某款插電式混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)要求，對動(dòng)力系統(tǒng)主要部件電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力電池進(jìn)行參數(shù)匹配?；贏DVISOR對整車性能進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示動(dòng)力性指標(biāo)和純電動(dòng)續(xù)駛里程均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法是合理可行的。

混合動(dòng)力汽車；動(dòng)力系統(tǒng)；參數(shù)匹配；仿真；ADVISOR

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-81-03

前言

插電式混合動(dòng)力汽車通過一定的控制策略，將包括發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池在內(nèi)的不同動(dòng)力源進(jìn)行耦合，使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效率、低排放區(qū)工作，還可進(jìn)行制動(dòng)能量回收，以達(dá)到節(jié)能減排的目的[1]。動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)是插電式混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，除了要滿足動(dòng)力性要求外，還要盡量提高效率，以提高續(xù)駛里程。

1 設(shè)計(jì)要求

插電式混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)要求主要有動(dòng)力性指標(biāo)和純電動(dòng)續(xù)駛里程，其中動(dòng)力性指標(biāo)包括最高車速、加速時(shí)間以及最大爬坡度，如表1所示。整車基本參數(shù)如表2所示。

表1 設(shè)計(jì)要求

表2 整車基本參數(shù)

2 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型

混合動(dòng)力汽車主要有串聯(lián)式、并聯(lián)式以及混聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式。本文選用串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)，如圖1所示，主要包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力電池三大動(dòng)力部件。串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，布置方便，發(fā)動(dòng)機(jī)可始終保持在高效區(qū)工作。在起步、低速等低載荷工況下以純電動(dòng)模式工作，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，由動(dòng)力電池單獨(dú)輸出電能給電動(dòng)機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)車輪。在中、高速行駛等中載荷工況下以純發(fā)動(dòng)機(jī)模式工作，動(dòng)力電池不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組工作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在加速、爬坡等高載荷工況下以混合驅(qū)動(dòng)模式工作，動(dòng)力電池和發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組共同輸出電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。動(dòng)力電池電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組還可以為其充電。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

動(dòng)力電池選用單體工作電壓為 3.56 V，單體容量為25 A·h的某型號鋰電池。電動(dòng)機(jī)選用效率高、體積小、質(zhì)量輕的永磁同步電機(jī)。傳動(dòng)系統(tǒng)采用固定速比傳動(dòng)，取消變速器，單級主減速器的傳動(dòng)比為5。

3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

電動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配主要包括功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配。

3.1.1 功率

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力全部由電動(dòng)機(jī)提供，因此其峰值功率Pmax必須滿足最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度這三個(gè)動(dòng)力性能指標(biāo)的功率需求Pmax1、Pmax2、Pmax3[2]，即：

式1-4中：vi為爬坡車速，取15 km/h；va為加速末時(shí)刻車速，取100 km/h；ηT為傳動(dòng)系的機(jī)械效率，取92 %；g為重力加速度，m/s2；αmax為最大坡度角，αmax＝arctanλmax；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.05；x為擬合系數(shù)，取0.5。

3.1.2 轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的選擇對加速性能和爬坡性能有很大影響。電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩需滿足起步加速和在一定車速下以最大爬坡度爬坡行駛時(shí)的轉(zhuǎn)矩要求。一般情況下，爬坡性能對電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的要求更高。因此電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax可以根據(jù)電動(dòng)汽車的最大爬坡度設(shè)計(jì)要求來確定：

式中：i為主減速器傳動(dòng)比。

3.1.2 轉(zhuǎn)速

電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax可根據(jù)最高車速確定：

電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nN為：

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組參數(shù)匹配

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的純發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式主要應(yīng)用于中、高速行駛等中等載荷工況，因此其最大功率Pemax只需滿足以最高車速行駛的功率Pmax1，而在加速或爬坡時(shí)，不足的功率則由動(dòng)力電池來補(bǔ)充。發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，因此功率與發(fā)動(dòng)機(jī)相同。

3.3 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

動(dòng)力電池性能參數(shù)的選擇應(yīng)從保證電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和純電動(dòng)續(xù)駛里程的角度出發(fā)，主要包括電池組電壓和電池組容量的匹配。

3.3.1 電壓

電池組電壓U的選擇影響電池組輸出功率的大小，從而影響整車動(dòng)力性。電池組和發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組最大輸出功率之和必須滿足電動(dòng)機(jī)峰值功率Pmax的需求，即

式8-9中：n為電池組的串聯(lián)數(shù)目；Pbmax為單體電池的最大輸出功率，W；ηM為電動(dòng)機(jī)及電機(jī)控制器的總體效率，取85 %；E為單體電池的電動(dòng)勢，為單體鋰電池的標(biāo)稱電壓3.56 V；R為單體電池的內(nèi)阻，取0.006 Ω。

計(jì)算出串聯(lián)數(shù)目n后即可確定電池組電壓。

3.3.2 容量

電池組的容量C必須滿足純電動(dòng)續(xù)駛里程所需能量的要求[3]，采用等速法計(jì)算：

式中：DOD為放電深度，取0.7；vN為50 km/h。PN為以50 km/h行駛所需功率，可通過式（2）計(jì)算；

綜上，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果如表2所示。

表3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果

4 整車性能仿真

圖2 串聯(lián)式插電混合動(dòng)力汽車仿真模型

圖3 仿真結(jié)果

ADVISOR廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真。基于ADVISOR建立了串聯(lián)式插電混合動(dòng)力汽車的仿真模型如圖2所示，對整車的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度以及純電動(dòng)續(xù)駛里程進(jìn)行仿真分析。

仿真結(jié)果如圖3所示，最高車速達(dá)到128.6 km/h，0-100 km/h加速時(shí)間為19.7 s，15 km/h最大爬坡度為21.5 %，50 km/h等速純電動(dòng)工況行駛時(shí)，當(dāng)SOC降到0.3時(shí)續(xù)駛里程達(dá)到了68.8 km。綜上，動(dòng)力性能指標(biāo)和純電動(dòng)續(xù)駛里程均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

根據(jù)某款插電式混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)要求，對其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型和主要參數(shù)匹配?；贏DVISOR軟件對動(dòng)力性指標(biāo)和純電動(dòng)續(xù)駛里程進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，混合動(dòng)力汽車的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度以及純電動(dòng)續(xù)駛里程均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法是合理可行的。

[1] 劉炳國.插電式單軸并聯(lián)混合動(dòng)力城市客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)[D]. 武漢:武漢理工大學(xué),2011.

[2] 熊明潔,胡國強(qiáng),閔建平.純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)選擇與匹配[J].汽車工程師,2011,（5）:36-38.

[3] 林鑫焱,葛如海,王斌,等.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真研究[J].機(jī)械制造,2014,52（600）:6-10.

Research on Parameters Matching and Simulation of Plug-in Hybrid Electric Vehicle Power System

Lin Xinyan, Qian Xiaoxiao
( Automotive Engineering College, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051 )

Parameters matching is conducted for motor, engine-generator and power cell according to the design requirement for certain type of hybrid electric vehicle. The vehicle performances are simulated based on ADVISOR.Simulation results show that both power indicators and pure electric driving range of electric vehicles meet the design requirements, while the parameters matching method of power system is feasible.

Hybrid Electric Vehicle; Power System; Parameter Matching; Simulation; ADVISOR

U472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-81-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.028

林鑫焱，男，碩士，（1989-），助教，就職于鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車動(dòng)力匹配。