單軸并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究

吳曉亮，付景順，孫志強(qiáng)

單軸并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究

吳曉亮，付景順，孫志強(qiáng)

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

為了更好地研究混合動(dòng)力汽車的性能，根據(jù)混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)要求，對(duì)混合動(dòng)力汽車的基本參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。運(yùn)用理論計(jì)算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及電池組進(jìn)行了選型與參數(shù)匹配，利用ADVISOR2002進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，為以后混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究提供了一定的參考。

混合動(dòng)力汽車；并聯(lián)式；參數(shù)匹配

前言

近年來，我國(guó)汽車的保有量在不斷增加，環(huán)境污染日益加重，石油危機(jī)依舊沒有從根本得到解決。在國(guó)家“綠水青山就是金山銀山”的大政策下，新能源汽車已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。相對(duì)混合動(dòng)力汽車，純電動(dòng)汽車雖然具有比較突出的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究總體上還處于起步階段，受限于燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)，其行駛路程短、動(dòng)力性能差以及成本高等問題沒有得到解決，所以，純電動(dòng)汽車發(fā)展的局限導(dǎo)致其很難市場(chǎng)化[1]?；旌蟿?dòng)力汽車兼顧傳統(tǒng)汽車與純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，對(duì)動(dòng)力電池沒有過于苛刻的要求，很好地解決這一難題，目前，混合動(dòng)力汽車（HEV）的研發(fā)已經(jīng)成為各國(guó)新能源車輛開發(fā)的新熱點(diǎn)，具有特別好的發(fā)展前景。

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

本文選用單軸并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，其中主要包括電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)以及動(dòng)力電池三大動(dòng)力元件，圖1為該系統(tǒng)的示意圖。

圖1 并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

2 整車基本參數(shù)

混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)匹配的第一個(gè)問題便是目標(biāo)車輛車型定位問題，本文研究的車型為中型混合動(dòng)力卡車，車輛基本信息參考現(xiàn)有車型，整車參數(shù)及性能要求如表1所示。

表1 整車基本參數(shù)的標(biāo)定

指標(biāo)參數(shù) 整車整備質(zhì)量/kg5 500 整車滿載質(zhì)量/kg12 000 車身寬度/mm6 838/2 344/2 670 軸距/mm4 250 滾動(dòng)阻力系數(shù)0.015 主減速比4.875 車輪滾動(dòng)半徑/m0.51 傳動(dòng)系效率0.9 空氣阻力系數(shù)0.5 迎風(fēng)面積/m26.258

為保證車輛的動(dòng)力性能，參數(shù)匹配需要滿足動(dòng)力性能需求，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行特征分別匹配各個(gè)部件的功率，本文研究車輛性能目標(biāo)如表2所示。

表2 車輛動(dòng)力性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)最高車速/(km/h)≥90 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)最高車速/(km/h)≥110 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)最大爬坡度(%/7km/h)≥25 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)最大爬坡度(%/7km/h)≥30 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)0～50 km/h加速時(shí)間/s≤40 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)0～50 km/h加速時(shí)間/s≤25

3 主要部件參數(shù)匹配

3.1 總功率參數(shù)

整車總功率匹配分別依據(jù)最高行駛車速max(km/h)、最大爬坡角度要求max(%)以及0～50 km/h加速時(shí)間()來計(jì)算。

（1）根據(jù)最高車速求得的總功率：

式中：η為傳動(dòng)系的效率；為滾動(dòng)阻力系數(shù)。代入整車滿載質(zhì)量、空載質(zhì)量可以得到功率參數(shù)見表3。

表3 最高車速需求功率

整車質(zhì)量/kg發(fā)動(dòng)機(jī)功率/kW總功率/kW 滿載12 00082.3120.7 空載5 50055.788.2

（2）根據(jù)最大爬坡度確定最大功率：

式中：max為最大爬坡度；V則為爬坡時(shí)的車速?？梢郧蟮门榔聲r(shí)所需求的功率見表4。

表4 爬坡需求功率（車速7 km/h）

整車質(zhì)量/kg發(fā)動(dòng)機(jī)功率/kW總功率/kW 滿載12 00093.4109 空載 5 50042.850.2

（3）根據(jù)0～50 km/h加速時(shí)間確定的最大功率：

加速度根據(jù)汽車起步加速過程的速度經(jīng)驗(yàn)公式得到[2]：

式中：為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)取值為1.086；t為加速時(shí)間系數(shù)，取9.2 s；為擬合系數(shù)，取0.5；v為時(shí)間t的瞬時(shí)速度，m/s。

經(jīng)計(jì)算可得加速度1=0.362 m/s2、2=0.458 m/s2分別代入整車滿載與空載質(zhì)量得到所需功率見表5。

表5 0～50 km/h加速所需功率

整車質(zhì)量/kg發(fā)動(dòng)機(jī)功率/ kW總功率/ kW 滿載12000105.7119.4 空載550051.554.8

綜上所述：動(dòng)力源總功率P_max為：

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

考慮到整車以最高車速（90 km/h）勻速行駛時(shí)所需功率約為82.3 kW和空調(diào)、散熱裝置等附件消耗的總功率在10～20 kW范圍[3]，最后選擇發(fā)動(dòng)機(jī)功率為100 kW。

可用于混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、氣體透平機(jī)、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)以及四沖程汽油機(jī)和柴油機(jī)等，各種發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能對(duì)比見表6[4]。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能表

類型優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)應(yīng)用情況 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸小、重量輕、暖機(jī)快、轉(zhuǎn)速與扭矩曲線平坦油耗大、環(huán)境污染比較嚴(yán)重可用于HEV 氣體透平機(jī)轉(zhuǎn)速高、比能量高、比功率高、效率可達(dá)30%～40%開關(guān)響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)比較適用于HEV 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕、成本低、具有較好的動(dòng)力性部件損耗快、經(jīng)濟(jì)性差、技術(shù)不成熟可用于HEV但有待繼續(xù)研究 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)整體技術(shù)成熟、成本低尺寸大、自重大適用于HEV

綜上所述由于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟和成本較低，因此本文混合動(dòng)力卡車最后選擇功率為100 kW的直列四缸、水冷、高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。其技術(shù)參數(shù)如表7所示。

表7 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)表

項(xiàng)目參數(shù)值 型式高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 缸數(shù)四缸 額定功率/kW100 額定轉(zhuǎn)速/rpm3 000 最大扭矩/Nm350 最大扭矩轉(zhuǎn)速/rpm1 600～2 800 排放標(biāo)準(zhǔn)國(guó)六

3.3 電機(jī)參數(shù)匹配

電機(jī)作為混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要?jiǎng)恿Σ考?，不僅在車輛行駛中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，同時(shí)其參數(shù)也極大程度上影響著車輛最后的動(dòng)力性能。其與發(fā)動(dòng)機(jī)形成互補(bǔ)，一方面可以作為動(dòng)力源直接對(duì)車輛進(jìn)行動(dòng)力輸出，另一方面還可在再生制動(dòng)和行車發(fā)電等工況將多余的能量充入動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)能量的回收再利用[5]?，F(xiàn)有市場(chǎng)的電機(jī)種類、各自優(yōu)劣勢(shì)及電機(jī)特性如見表8。

表8 各類電機(jī)主要性能表

指標(biāo)直流電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)永磁同步電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī) 功率密度低一般高一般 轉(zhuǎn)速范圍/rpm4 000～6 0004 000～15 0009 000～15 000大于15 000 效率/%80～8779～8590～9578～86 過載能力/%200300～500300300～500 可靠性一般好較好好 尺寸及質(zhì)量大、較重一般、一般小、輕便小、輕便 成本高低較低高

通過對(duì)上表的分析可知，直流電機(jī)雖然控制簡(jiǎn)單，但其成本高、體積大功率密度低，汽車領(lǐng)域應(yīng)用較少；交流感應(yīng)電機(jī)調(diào)速范圍比較廣，但是這款電機(jī)功率也密度比較低；開關(guān)磁阻電機(jī)雖然轉(zhuǎn)矩特性好，但在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中通常會(huì)因機(jī)械振動(dòng)而受損，因此限制了該類電機(jī)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用；永磁同步電機(jī)由于功率密度高，轉(zhuǎn)速特性等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合本課題中混合動(dòng)力卡車實(shí)際運(yùn)行工況的特點(diǎn)，最終選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力輔助裝置，在汽車需求功率過大時(shí)如車輛起步、爬坡或者加速時(shí)，由電機(jī)做功率補(bǔ)償，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率與電機(jī)輸出的功率滿足車輛需求的最大功率。故電機(jī)參數(shù)用以下公式確定：

上式中：P為電機(jī)額定功率；P為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率； Pmax為車輛所需最大功率。計(jì)算可得：kW。電機(jī)具體參數(shù)見表9。

表9 電機(jī)機(jī)參數(shù)

項(xiàng)目參數(shù)值 電機(jī)類型永磁同步電機(jī) 額定功率/kW25 峰值功率/kW42 額定轉(zhuǎn)速/rpm3 700 峰值轉(zhuǎn)速/rpm6 000 額定扭矩/Nm54 峰值扭矩/Nm150 電壓等級(jí)/v360 冷卻方式液冷

3.4 電池參數(shù)匹配

可循環(huán)充放電的二次電池是混合動(dòng)力汽車的重要?jiǎng)恿Σ考?，電池的性能一方面受到使用次?shù)和行車工況的影響，另一方面電池的實(shí)際性能又反過來影響到整車的性能水平[6]?，F(xiàn)有市場(chǎng)上運(yùn)用在混合動(dòng)力汽車上的動(dòng)力電池主要有鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰電池和燃料電池。每種電池都有其優(yōu)劣勢(shì)，上述各類電池具體特性見表10。

表10 各類電池特性對(duì)比表

項(xiàng)目鉛蓄電池氫鎳電池鋰電池燃料電池 能量密度/(Wh/kg)60～90130～170140～220500 功率密度/(W/kg)150～400200～300200～300100 電池成本/kg1 000460333800 成本低較高較高極高

通過對(duì)上表的分析可知，鉛蓄電池雖然成本低，但是其能量密度較低，電池壽命較短；鎳氫電池功率密度比較高，但是成本也很高；而燃料電池雖然物理特性極佳，但是其存儲(chǔ)、運(yùn)輸、補(bǔ)充等問題仍需解決；而鋰電池具有能量密度大、使用壽命長(zhǎng)、單位質(zhì)量續(xù)駛里程高、充放電特性優(yōu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，故本文選取鋰電池作為車輛的儲(chǔ)能系統(tǒng)。在動(dòng)力電池的參數(shù)設(shè)計(jì)需從車輛動(dòng)力需求、動(dòng)力電池容量等方面進(jìn)行考慮。

電池需求功率根據(jù)電機(jī)需求功率確定，計(jì)算公式如下：

上式中：η表示電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)換效率，取0.95；η表示電池化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的效率，取0.95；0表示車輛其他附件的功率消耗，由于電機(jī)其輔助作用，所以0取0。代入上述公式可得電池功率kW，峰值功率為42 kW。

電池的容量與本身的最大充放電容量有關(guān)計(jì)算公式如下[7]。

上式中，C是最大充電速率的倒數(shù)；max、表示電池的最大發(fā)電電流與電壓（A/V）；U表示電池的額定電壓（V）。最終電池匹配參數(shù)見表11。

表11 電池參數(shù)表

項(xiàng)目參數(shù) 額定功率/kW24 峰值功率/kW42 容量/Ah10 放電率20 充電率10

4 整車性能仿真

基于advisor 2002，建立了并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。對(duì)混合動(dòng)力汽車的最大行駛車速速度、最大爬坡坡度和加速時(shí)間進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，汽車最大車速為91.8 km/h、0～50 km加速時(shí)間為21.3 s、最大爬坡度為25.3%；混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，汽車最大車速為111.6 km/h、0～50 km加速時(shí)間為11.5 s、最大爬坡度為37.9%。即兩種運(yùn)行工況東滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車仿真模型

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果

圖4 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)地對(duì)中型混合動(dòng)力貨車的各主要部件進(jìn)行了選型以及參數(shù)匹配。并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)與混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)兩種模式進(jìn)行了動(dòng)力上的仿真驗(yàn)證，其各項(xiàng)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，完成了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的參數(shù)匹配，驗(yàn)證了匹配法的可行性。

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Research on Parameter Matching of Powertrain of Single Axis Parallel Hybrid Electric Vehicle

WU Xiaoliang, FU Jingshun, SUN Zhiqiang

（School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110000）

In order to better study the performance of HEV, the basic parameters of HEV were calibrated according to the design requirements of HEV. The model selection and parameter matching of the engine, motor and battery pack are carried out by using the theoretical calculation method, and the simulation verification is carried out by ADVISOR2002, which provides a certain reference for the future research of hybrid power system.

HEV; Parallel type; Parameter matching

A

1671-7988(2021)22-88-04

U463.8

A

1671-7988(2021)22-88-04

CLC NO.: U463.8

吳曉亮，碩士研究生，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.023