孫遠(yuǎn)濤,王 亮,石 偉,孫建華,張金柱，安永東，張德生，王悅新

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050； 2.哈爾濱凌云汽車(chē)零部件有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的研究

孫遠(yuǎn)濤1,王 亮1,石 偉2,孫建華1,張金柱1，安永東1，張德生1，王悅新1

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050； 2.哈爾濱凌云汽車(chē)零部件有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力總成參數(shù)的合理匹配是混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要前提和基礎(chǔ)性工作。在對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)和整車(chē)控制策略分析的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池等動(dòng)力總成部件的選型和參數(shù)設(shè)計(jì)，并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)和鎳氫蓄電池的工作特性建立模型，并基于NEDC工況進(jìn)行仿真，得出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、電動(dòng)機(jī)扭矩和蓄電池荷電狀態(tài)的變化曲線。結(jié)果表明，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配合理。

混合動(dòng)力汽車(chē)；混聯(lián)式；動(dòng)力總成；參數(shù)匹配；NEDC工況

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)(Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle，PSHEV)兼具串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)。目前，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)已成為各高等學(xué)校、科研所等部門(mén)的研究熱點(diǎn)[1-2]。

混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配是混合動(dòng)力汽車(chē)前期開(kāi)發(fā)的重要工作，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究較多，但采用LabVIEW仿真的方法對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的研究卻很少。LabVIEW作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境，不僅仿真精度比離線仿真要高，而且所需硬件成本相對(duì)較低，有利于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。因此，基于LabVIEW的仿真方法對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的研究將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。

1 PSHEV動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文研究的PSHEV是參照典型的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)——豐田普銳斯來(lái)進(jìn)行的，動(dòng)力總成采用行星齒輪機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)等部件連接起來(lái)?；炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

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

圖1中發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相聯(lián)，通過(guò)行星齒輪將動(dòng)力傳給外圈的齒圈和內(nèi)圈的太陽(yáng)輪，齒圈軸與電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸相聯(lián)，太陽(yáng)輪軸與發(fā)電機(jī)相聯(lián)。動(dòng)力分配裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的一部分轉(zhuǎn)矩直接傳遞到驅(qū)動(dòng)軸上，將另一部分輸出轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電將根據(jù)控制單元的指令或用于給電池組充電，或用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以增加驅(qū)動(dòng)力。

2 整車(chē)控制策略分析

采用的行星機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行靈活的控制策略設(shè)定，通過(guò)不同制動(dòng)器和離合器的作用，這套行星齒輪機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)如下的功能[5-6]：

1)啟動(dòng)及低速工況：從靜止起步到車(chē)速低于一定的車(chē)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，行星齒輪系統(tǒng)只有一個(gè)自由度。車(chē)輛由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為純電動(dòng)工況。

2)正常行駛工況：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率通過(guò)行星齒輪系統(tǒng)分為兩條路線，一條是通過(guò)齒圈直接傳到變速器，另一條是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，給電池充電或者通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3)加速/爬坡工況：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況與正常行駛工況一樣，而電動(dòng)機(jī)不僅由發(fā)電機(jī)提供能量，還要從電池獲得能量，此時(shí)系統(tǒng)工作在混合模式。

4)減速/制動(dòng)工況：在踩下制動(dòng)踏板后，齒圈軸反拖電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)發(fā)電，向蓄電池充電，同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

5)充電模式：在需要時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以僅驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向蓄電池充電。

這種混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的，無(wú)論在制造上和控制上都帶來(lái)一定的困難，但正是這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來(lái)了控制上的靈活性，可以獲得較佳的性能。

3 PSHEV動(dòng)力系統(tǒng)各部件選型及參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 整車(chē)基本參數(shù)及動(dòng)力性能指標(biāo)

混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)基本參數(shù)及設(shè)計(jì)性能要求如表1所示，整車(chē)動(dòng)力性能指標(biāo)如表2所示。

表1 整車(chē)基本參數(shù)及設(shè)計(jì)性能要求

表2 整車(chē)動(dòng)力性能指標(biāo)

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)選型及參數(shù)設(shè)計(jì)

由設(shè)定的整車(chē)控制策略可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力總成中既可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，也可同時(shí)與電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)為滿足加速、爬坡等工況的要求，在功率選擇上留有較大的后備功率，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線特點(diǎn)可知，其在很多情況下未工作在最佳效率區(qū)，而混合動(dòng)力汽車(chē)由于有第二動(dòng)力源的匹配，可不必考慮留有過(guò)大的后備功率。因此，混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)可選擇功率相對(duì)較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，以使其工作在最佳效率工作區(qū)，但也要滿足一定的動(dòng)力性指標(biāo)[7]。

根據(jù)設(shè)定的最高車(chē)速，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率應(yīng)為以最高車(chē)速行駛時(shí)行駛阻力功率之和，即

(1)

式中：Pemax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，ηT為傳動(dòng)系效率，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，Vamax為最高車(chē)速。

結(jié)合表1中混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)基本參數(shù)，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的功率值Pemax=45 kW?？紤]到汽車(chē)混合驅(qū)動(dòng)工況工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)按最小油耗特性運(yùn)行，因此要加上8%～12%的功率裕量，以減少對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的需求，并可提高純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力性能。最后確定的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為48.6～50.4 kW。綜上，選定汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率Pemax為50 kW。

3.3 電動(dòng)機(jī)選型及參數(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車(chē)中的另一個(gè)重要的動(dòng)力源，起到汽車(chē)起步、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收等作用，能夠提高整車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放。適合做混合動(dòng)力汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型有：直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率密度、可靠性、外形尺寸、重量及控制器成本等參數(shù)綜合考慮。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有功率密度高、調(diào)速范圍寬、效率高、性能更加可靠、結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、體積小的優(yōu)點(diǎn)，與相同功率的其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)比較，更加適合作為混合動(dòng)力汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此選擇永磁同步電動(dòng)機(jī)[8]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的確定最主要的是其功率確定，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要滿足的條件[9]如下：

1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率之和應(yīng)該大于行駛工況中最大驅(qū)動(dòng)功率；

2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力復(fù)合后，滿足車(chē)輛起步加速性能要求；

3)能夠在純電動(dòng)工況下提供驅(qū)動(dòng)功率，根據(jù)不同的控制策略和純電動(dòng)動(dòng)力性能的要求，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求；

4)制動(dòng)時(shí)能最大回收能量。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)滿足

Pm+Peng≥Pcyc_max，

(2)

Pm≥Pe_max.

(3)

式中：Pm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率；Peng為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；行駛工況中的最大功率Pcyc_max為90 kW。

由前面發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算可知：發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pe_max為50 kW，由式(2)計(jì)算得，Pm≥40 kW，由式(3)計(jì)算得Pm≥50 kW，選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定功率Pm_rmax為45 kW，最大功率Pm_max為55 kW。

3.4 蓄電池選型及參數(shù)設(shè)計(jì)

蓄電池在混合動(dòng)力汽車(chē)中不僅起到向電動(dòng)機(jī)輸出峰值功率的作用，還起到吸收再生制動(dòng)能量并儲(chǔ)存的作用。適合做混合動(dòng)力汽車(chē)用蓄電池的類(lèi)型有：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。鉛酸電池雖然具有技術(shù)成熟，可靠性高、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但其比能量較低，不能快充深放，循環(huán)壽命短；鋰離子電池雖然具有高能量密度，無(wú)污染，循環(huán)壽命高，無(wú)記憶效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但其化學(xué)特性活潑，使用時(shí)對(duì)環(huán)境要求比較高，價(jià)格高和安全問(wèn)題；鎳氫電池具有高比功率、很好的耐過(guò)充電特性、良好的使用安全性和充放電效率、無(wú)污染的特點(diǎn)，因此選擇鎳氫電池[10]。

蓄電池的參數(shù)主要有電壓、容量、能量、功率等，對(duì)其參數(shù)的確定需做到：電池的電壓等級(jí)要與電機(jī)的電壓等級(jí)保持一致；電池容量在規(guī)定范圍內(nèi)(0.3～0.8)；最大充、放電功率要滿足電機(jī)的功率需求。

(4)

Pbmax_chg≥Pmmax，

(5)

Q(0.3～0.8)Ebat≥Pmt.

(6)

式中：Pbmax_dis為電池最大放電功率；Pm_max為電機(jī)最大功率；ηm為電機(jī)效率；Pacc為附件功率，約為5 kW；Pbmax_chg為電池最大充電功率；Q為電池容量；Ebat為電池電壓；t為蓄電池得不到補(bǔ)充的最長(zhǎng)時(shí)間。

由前面對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算可知，Pm_max為55 kW，聯(lián)合式(4)、式(5)計(jì)算得：電池最大放電功率Pbmax_dis≥ 60 kW,電池最大充電功率Pbmax_chg≥ 50 kW。選擇Pbmax_dis為60 kW,Pbmax_chg為50 kW。

鎳氫電池荷電狀態(tài)工作區(qū)在設(shè)計(jì)能量管理策略時(shí)應(yīng)使其始終工作在具有較低的充放電內(nèi)阻的0.2～0.8之間。

3.5 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

1)主減速器減速比的確定。 主減速器減速比的確定不僅要滿足汽車(chē)行駛的最高車(chē)速，也要達(dá)到蓄電池充電時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率的要求，即

(7)

式中：i0為主減速比，r為輪胎滾動(dòng)半徑，nmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，vmax為汽車(chē)最高車(chē)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax控制在5200 r/min，由式(7)計(jì)算得，主減速器減速比i0=3.8。

2)變速器最大傳動(dòng)比設(shè)計(jì)。 變速器最大傳動(dòng)比應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的最大爬坡度來(lái)設(shè)計(jì)，同時(shí)還要考慮各種阻力的影響。變速器最大傳動(dòng)比需滿足

(8)

式中：igmax為變速器最大傳動(dòng)比，αmax為最大爬坡度，發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩Te_max為105 Nm。

由式(8)計(jì)算得變速器最大傳動(dòng)比igmax≥3.4，取igmax=3.5。

因此，傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比imax=i0·igmax=13.3。

4 整車(chē)EUDC工況仿真

所選混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖2所示，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3所示，鎳氫電池的荷電狀態(tài)曲線如圖4所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性

圖4 鎳氫電池電壓與荷電狀態(tài)性能曲線

在對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)各動(dòng)力總成的選型和參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各動(dòng)力總成的特性曲線，應(yīng)用LabVIEW軟件建立混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)各動(dòng)力總成的模型，并基于NEDC工況進(jìn)行仿真(NEDC循環(huán)工況曲線如圖5所示)，得出NEDC循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線、電動(dòng)機(jī)扭矩曲線和鎳氫電池的SOC曲線，如圖6～8所示。

圖5 NEDC循環(huán)工況曲線

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)在NEDC工況下的扭矩曲線

圖7 鎳氫電池在NEDC工況下的SOC曲線

圖8 電機(jī)在NEDC工況下的扭矩曲線

由圖7可以看出，在NEDC循環(huán)工況的起始時(shí)SOC值為0.7，之后電池SOC曲線先是呈現(xiàn)出逐漸緩慢下降的趨勢(shì)，然后又迅速上升，并上升到0.7附近。電池SOC曲線先下降是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)主要是工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，消耗了蓄電池的電能，而后迅速上升是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，給蓄電池充電的結(jié)果，可從圖8看出對(duì)應(yīng)的再生制動(dòng)扭矩的變化，這符合設(shè)定的混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)控制策略。

5 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的結(jié)構(gòu)形式和整車(chē)控制策略進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，并依據(jù)整車(chē)基本參數(shù)和動(dòng)力性能指標(biāo)的要求，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)各部件進(jìn)行了選型及參數(shù)設(shè)計(jì)，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池和傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的具體參數(shù)。

根據(jù)各動(dòng)力總成的工作特性曲線建立相關(guān)模型，并在NEDC循環(huán)工況下仿真，得出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、電池SOC和電動(dòng)機(jī)扭矩的變化曲線，其變化特征符合設(shè)定的整車(chē)控制策略，驗(yàn)證了混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性，為混合動(dòng)力汽車(chē)的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

[1]趙克剛,黃向東,羅玉濤.混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成的優(yōu)化匹配與監(jiān)控[J].汽車(chē)工程,2005,27(2):147-150.

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Research on parameters matching of HEV powertrain system

SUN Yuan-tao1，WANG Liang1，SHI Wei2，SUN Jian-hua1，ZHANG Jin-zhu1,AN Yong-dong1,ZHANG De-sheng1,WANG Yue-xin1

(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050，China; 2.Harbin Lingyun Automobile Parts Co.,Ltd,Harbin 150050，China)

The reasonable parameter matching of hybrid electric vehicle powertrain is an important precondition and fundamental work for the development of hybrid electric vehicle product.Based on the analysis of parallel-serial HEV powertrain structure and the control strategy,the type and parameter of powertrain parts,such as engine,motor and battery are selected and designed,and the parameters of transmission system are designed.The operation characteristics of the engine,permanent magnet synchronous motor and Ni-MH power battery are established,and the engine torque,motor torque and the battery state of charge curve are acquired based on the simulation of NEDC.The results show that the parameters matching of hybrid electric vehicle power system is reasonable.

hybrid electric vehicle; powertrain; parameter matching; NEDC condition

2014-06-03

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(12511456)

孫遠(yuǎn)濤(1983-)，男，實(shí)驗(yàn)師，博士研究生，研究方向：混合動(dòng)力汽車(chē)控制與測(cè)試技術(shù).

U469.72

A

1671-4679(2014)06-0021-04

劉文霞]