楊洪源，牛禮民，葉李軍，阮曉東,吳彬云

(安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002)

ISG型PHEV動力總成系統(tǒng)設(shè)計與仿真

楊洪源，牛禮民，葉李軍，阮曉東,吳彬云

(安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002)

為提高混合動力汽車燃油經(jīng)濟性和動力性，以ISG型并聯(lián)式HEV為對象，以某型傳統(tǒng)車參數(shù)為參考，根據(jù)整車運行功率需求，提出一種更加簡便的方法來對其動力總成系統(tǒng)進行設(shè)計，對各總成部件進行了參數(shù)設(shè)計計算。提出了基于ADVISOR軟件平臺的Insight車型模型較為快捷的整車二次開發(fā)，對動力總成系統(tǒng)的設(shè)計值進行仿真測試。結(jié)果表明：所設(shè)計的ISG型PHEV動力總成部件能夠滿足匹配要求，可進一步提高整車的經(jīng)濟性和動力性，設(shè)計方法正確可行，提供了更為便捷地進行混合動力汽車實車研發(fā)的參考依據(jù)。

混合動力汽車；動力總成；ISG；ADVISOR軟件

0 引言

ISG(Integrated Starter Generator)型HEV將發(fā)動機的起動機與發(fā)電機集成為一體，屬于輕度混合HEV[1]。ISG技術(shù)適合在中低排量傳統(tǒng)轎車的基礎(chǔ)上改裝，在節(jié)約燃油、降低排氣污染、快速啟?？刂?、制動能量回收等方面有著優(yōu)越的性能，具有較大的應(yīng)用開發(fā)前景。目前，HEV動力總成參數(shù)設(shè)計匹配的方法繁多，同時也較為繁瑣。

HEV動力參數(shù)的匹配過程是一個反復計算、尋優(yōu)仿真的過程。在設(shè)計初期，以汽車的設(shè)計要求為出發(fā)點，依據(jù)該車實際功率需求量計算出動力參數(shù)，即為匹配初始值，將值導入ADVISOR仿真軟件各動力模塊，進行優(yōu)化仿真計算。

1 參考車型數(shù)值

文中選用某型傳統(tǒng)轎車作為參考車型，基本參數(shù)或性能指標如表1所示。設(shè)計的任務(wù)是在參考車型的基礎(chǔ)上進行混合動力汽車的動力總成參數(shù)的設(shè)計匹配，力爭最大的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。

2 動力總成系統(tǒng)主要部件設(shè)計

對混合動力汽車動力總成參數(shù)進行合理匹配的目的在于獲得最優(yōu)的整車性能，即從汽車動力性能指標出發(fā)提高整車經(jīng)濟性能[2]。動力參數(shù)匹配設(shè)計主要是對ISG混合動力汽車行駛過程中驅(qū)動力與功率的平衡關(guān)系進行分析，以便確定發(fā)動機功率、電機功率和電池組容量等參數(shù)。

表1 某傳統(tǒng)型車基本參數(shù)

2.1 整車總功率的確定

混合動力汽車動力總成功率要滿足汽車的動力性要求，汽車動力性由最高車速vmax、加速時間t和爬坡度αmax來確定[3]。

2.1.1 由最高車速vmax確定總功率

(1)

式中：m1為半載時的質(zhì)量。將數(shù)據(jù)代入公式算得Pmax1=58.6 kW。

2.1.2 由加速時間t確定總功率

汽車起步加速過程中t時刻的加速度為：

(2)

由于整個加速過程中，末時刻的需求功率最大，因此根據(jù)0～100 km/h加速時間t≤15 s，取t=14 s來確定總功率：

(3)

2.1.3 由爬坡度αmax確定總功率

(4)

式中：va為爬坡穩(wěn)定時車速，取一般值30 km/h；αmax為最大爬坡度30%(16.7°)；m2為滿載時整車質(zhì)量1 660 kg。代入數(shù)值求得Pmax3=45.53 kW。

動力總成功率Pmax必須同時滿足：Pmax≥[Pmax1,Pmax2,Pmax3]，空調(diào)等附件消耗的功率為10%～20%，則Pmax=69.08～75.36 kW。

2.2 發(fā)動機的參數(shù)

2.2.1 最大功率的確定

HEV發(fā)動機功率主要是提供在標準工況下車輛以巡航車速行駛所需的功率，當需要加速或者爬坡時，ISG電機提供所需的峰值功率。因此，發(fā)動機應(yīng)提供的最大功率可由巡航車速確定：

(5)

式中：PEmax1為發(fā)動機單獨驅(qū)動最大功率(kW)。代入數(shù)值計算得PEmax1=24.48 kW。

2.2.2 修正一

發(fā)動機除了應(yīng)該提供車輛行駛需求的功率外，還應(yīng)有為電池組充電的功率裕量Pbc(10%左右)、1%～2%的爬坡功率裕量Pi和其他附件功率Pacc(10～20 kW)。所以，要用這些功率之和來修正發(fā)動機應(yīng)具備的巡航功率[4]：

(6)

2.2.3 修正二

(7)

修正后的發(fā)動機的額定功率實際上是一條功率帶，應(yīng)保證這一功率帶穿越發(fā)動機萬有特性曲線上經(jīng)濟性較好區(qū)域。隨著發(fā)動機功率的增加，HEV的經(jīng)濟性變差，綜合性能同樣也變差，所以在滿足動力性要求的前提下，要盡可能選擇小功率發(fā)動機?？紤]上述因素，最后確定采用東風悅達起亞汽車G4EA發(fā)動機。其相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機基本參數(shù)

2.3 電機的參數(shù)

2.3.1 確定電機額定功率和最大功率

ISG電機的主要作用是削峰平谷，也就是在車輛起動、加速和爬坡時，帶動或輔助發(fā)動機提供峰值功率。所選的發(fā)動機的功率為61.5 kW，汽車總功率為Pmax=69.08～75.36 kW，并且Pmax=PE+PM，參考設(shè)計經(jīng)驗和已成功研發(fā)的車型，選擇ISG電機的額定功率PMr是10 kW，最大功率PMmax是15 kW。

2.3.2 確定電機額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速

ISG電機的最高轉(zhuǎn)速對整車的動力傳動系各擋速比大小、本身的額定轉(zhuǎn)矩都有顯著的影響。增大電機最高轉(zhuǎn)速有利于降低其體積、減小質(zhì)量，但會使傳動比增大，從而加大傳動系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和傳動損耗，所以最高轉(zhuǎn)速不要選得過高。ISG電機最高轉(zhuǎn)速nmax與額定轉(zhuǎn)速nmr的比值稱為ISG擴大恒功率區(qū)系數(shù)β[5]。β一般選擇在4～6之間，文中選擇4，相應(yīng)地，電機額定轉(zhuǎn)速是2 000 r/min。

設(shè)計大多都傾向于選擇最高轉(zhuǎn)速在6 000～15 000 r/min之間的中高速電機，作者參考成功研發(fā)的HEV，最終決定ISG電機的最高轉(zhuǎn)速定為8 000 r/min。ISG主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 電機主要參數(shù)

2.4 電池的參數(shù)

HEV的電池要能適應(yīng)頻繁的充放電，鎳氫電池能夠很好地滿足這個要求。此外鎳氫電池的技術(shù)越來越成熟，成本也越來越低，使用也越來越廣泛，因此文中采用鎳氫電池。電池參數(shù)設(shè)計主要包括電池功率、電池電壓等級、電池個數(shù)和電池容量[6]。

2.4.1 電池功率的確定

電池功率主要根據(jù)ISG電機的峰值功率，同時計入傳動效率，電動機和轉(zhuǎn)換裝置的效率為0.9：

(8)

圓整為20 kW，即PBat=20 kW。

2.4.2 電池個數(shù)及電壓等級的確定

動力電池的等效電路圖，如圖1所示。

圖1中：Ebat為動力電池的電動勢(V)；Ibat為動力電池工作電流(A)；Rbat為動力電池組的內(nèi)阻(Ω)；Ubat為動力電池的電壓(V)。

設(shè)鎳氫電池組由n個電池單元組成，每個單元的電壓為7.7 V，內(nèi)阻為0.026 Ω，可有：

即：(7.7×n)2/(4×0.026×n×1 000)≥PMmax

解得n≥26.3，考慮到效率問題，取整電池個數(shù)為30個。電池組串聯(lián)，因此電池組的額定電壓為：UB≈7.7×30=231 V。

2.4.3 確定電池容量

電池的容量主要考慮在電池SOC的高效范圍(0.2～0.8)內(nèi)，滿足急加速或爬坡過程中ISG電機的能量需求，蓄電池的容量Q(A·h)為：

(9)

式中：t為車輛的加速時間。代入數(shù)值計算得到Q≥7.26 A·h。參考市場上的蓄電池情況，選擇鎳氫電池的額定容量為7.5 A·h，該蓄電池性能參數(shù)見表4。

表4 鎳氫電池性能參數(shù)

2.5 變速器的參數(shù)

傳動系的參數(shù)主要是指變速器各擋速比和主減速比大小，最大傳動比由車輛的最大爬坡度決定，最小傳動比由車輛的最高車速決定[7]。首先根據(jù)整車性能指標計算出傳動系的最大速比和最小速比，接著在變速器各個擋位之間進行速比分配。

2.5.1 主減速器速比i0的選擇

i0應(yīng)滿足最高車速要求：

(10)

式中：nemax為發(fā)動機的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；r為車輪的轉(zhuǎn)動半徑；vmax為車輛最高速度。

另外，當車輛行駛在最高速度時，應(yīng)使發(fā)動機仍能發(fā)揮出其最大功率：

(11)

式中：nepr為發(fā)動機最大功率點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

初步確定主減速比為4.124。

2.5.2 最大傳動比的確定

(1)當汽車處于循環(huán)工況的爬坡度工況時，車輛運行速度比較低，忽略空氣阻力[8]，最大傳動比大小應(yīng)滿足：

(12)

式中：ig1為變速器一擋傳動比；Ttq為車輛輸出扭矩，取最大值182 N·m。

(2)滿足地面附著條件的要求，也就是牽引力應(yīng)該小于地面附著力[9]：

(13)

式中：φ為附著系數(shù)，取φ=0.7；m*為整車驅(qū)動橋質(zhì)量，取m*=μm(μ取原車比例系數(shù)500/(500+365)=0.578)。

綜合上述計算結(jié)果與現(xiàn)有的變速器，選取一擋傳動比為3.537，可以滿足相關(guān)技術(shù)要求。

2.5.3 變速器擋位數(shù)以及各擋傳動比

參考傳統(tǒng)車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)，文中研究的變速器擋位數(shù)定為5擋，并且各擋比數(shù)值按等比級數(shù)來分配[10]，設(shè)計各速比如表5所示。

表5 傳動系速比參數(shù)表

3 整車二次開發(fā)

完成HEV動力總成參數(shù)設(shè)計后，使用汽車軟件ADVISOR對所設(shè)計動力系統(tǒng)進行仿真校驗。設(shè)計的ISG型HEV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與本田公司的Insight車型的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，但是，兩者的動力配置不相同，文中設(shè)計采用手動5擋變速箱，231 V的鎳氫電池，采用G4EA汽油發(fā)動機和10 kW直流永磁電機作為雙能源。所以根據(jù)以上混合動力轎車的配置， 在ADVISOR2002軟件中的Insight車輛定義文件INSIG-T_defaults_in.的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，編輯適合設(shè)計的混合轎車的車輛定義文件和部件數(shù)據(jù)文件，即修改對應(yīng)部件的m文件[11]。完成二次開發(fā)后的參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。

使用默認的CYC_UDDS仿真路況，勾選“Accel Options”和“Grade Options”，仿真任務(wù)設(shè)置界面如圖3所示，然后點擊“Run”按鈕，仿真開始運行。仿真過程會彈出Acceleration Test Advanced Options對話框和Grade Test Advanced Options對話框，具體的參數(shù)設(shè)置分別如圖4和如圖5所示。

運行結(jié)束后，出現(xiàn)仿真運行結(jié)果界面，如圖6所示。

4 仿真結(jié)果分析

選擇美國環(huán)境保護署EPA制訂的城市道路循環(huán)UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule)作為道路循環(huán)，對混合動力轎車進行仿真。UDDS[12]的總行程11.99 km，時間1 369 s，坡度為0，最大速度91.25 km/h，平均速度31.51 km/h，行駛期間共計有17次停車，它對汽車行駛速度(變量：km/h)的要求見圖7。

通過對仿真結(jié)果進行分析，蓄電池系統(tǒng)SOC的初始值為0.7，在整個工況循環(huán)過程中，電池SOC的波動幅度在正常的范圍內(nèi)，只是在啟動時，SOC值略有所下降，如圖8所示。發(fā)動機轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果見圖9，可以觀察到在道路循環(huán)的停車期間，發(fā)動機處于關(guān)閉狀態(tài)，以達到節(jié)油的效果 。圖10為電機輸出的輔助驅(qū)動扭矩，可以觀察到在道路循環(huán)要求汽車加速時，電機提供輔助驅(qū)動，協(xié)同發(fā)動機共同工作來滿足車輛峰值功率的需求，實現(xiàn)車輛良好的動力性能要求。

該混合動力汽車的性能仿真如表6所示。

表6 仿真性能參數(shù)比較

仿真結(jié)果表明混合動力汽車的動力性和經(jīng)濟性都達到了文中所提出的設(shè)計要求和指標，表明設(shè)計的SG型PHEV的動力總成參數(shù)匹配是正確、可行的。

5 結(jié)論

(1)對ISG型PHEV所使用的計算方法能夠滿足匹配要求，并且具有較為簡單、條理清晰的特點，可有效提高汽車的動力性和經(jīng)濟性。這就說明了這種設(shè)計計算方法具有一定的可借鑒性。

(2)在Insight車型模型的基礎(chǔ)上對ISG型PHEV進行二次開發(fā)是成功的，是一種可行的、簡單有效的二次開發(fā)手段。

【1】 雷雨成,嚴斌,李峰.汽車與可持續(xù)發(fā)展[J].汽車研究與開發(fā)，2003(5)：1-3.

【2】 陳祥豐,混合動力SUV總成參數(shù)匹配與優(yōu)化[D].武漢:武漢理工大學,2010.

【3】 鄭維.混合動力汽車動力總成參數(shù)匹配方法與控制策略的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2010.

【4】 熊偉威,舒杰.一種混聯(lián)式混合動力客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配[J].上海交通大學學報,2008,42(8):1324-1328.

【5】 李國斐,林逸,何洪文.ISG 系統(tǒng)動力部件參數(shù)設(shè)計及仿真[J].機械設(shè)計與制造,2009(6)：1-3.

【6】 楊偉斌.ISG型輕度混合動力汽車動力傳動系的匹配與仿真研究[D].重慶：重慶大學,2004.

【7】 王家明.并聯(lián)式ISG混合動力總成設(shè)計與性能優(yōu)化研究[D].上海：上海交通大學,2008.

【8】 Gao W Z,Porandla S K.Design Optimization of a Parallel Hybrid Electric Power train[C]//IEEE Conference on Vehicle Power and Propulsion,2005:530-535.

【9】 陳智家,陳祥豐,褚曉波.混合動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計與優(yōu)化算法[J].汽車工程師,2009(6)：37-40.

【10】 袁慶強.新型混合動力轎車動力匹配及控制策略的研究[D].武漢：武漢理工大學,2007.

【11】 張翔,趙韓,錢立軍,等.電動汽車仿真軟件ADVISOR [J].汽車研究與開發(fā),2003(4):14-16.

【12】 劉磊,剛憲約,王樹鳳,等.汽車仿真軟件ADVISOR[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2007(2)：40-43.

ParameterMatchingandSimulationforPowerTrainofISGParallelHEV

YANG Hongyuan,NIU Limin,YE Lijun,RUAN Xiaodong,WU Binyun

(School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma’anshan Anhui 243002,China)

In order to improve the dynamic performance and the fuel economy performance,taking the ISG PHEV as the object,according to the running power requirements of a vehicle,a new and clearer method was proposed to do power train system parameters matching calculation based on a certain type of traditional vehicle parameters for reference.For the sake of convenience,a second development on the basis of Insight in ADVISOR was set up to evaluate the design value by simulation.The results show that the designed assembly parts of ISG PHEV can meet the matching requirements and improve the power and economy performance of the vehicle.The design method is correct and feasible,and provides some reference for HEV.

Hybrid electric vehicle;Power assembly;ISG;ADVISOR software

2014-11-11

國家自然科學基金資助項目(51275002)；安徽工業(yè)大學研究生創(chuàng)新研究基金資助項目(2014058)

楊洪源(1991—)，男，主要從事混合動力汽車控制策略方面的研究。E-mail:18355517596@163.com。