陳建文，蘇鐵熊

（中北大學(xué)車輛與動(dòng)力工程系，太原030051）

1 引言

能源供給和環(huán)境污染問題是21世紀(jì)全球面臨的兩大制約汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大難題。目前，保障能源供給已經(jīng)成為世界許多國(guó)家的重大國(guó)策[1]?；旌蟿?dòng)力汽車采用內(nèi)燃機(jī)和電力的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方式工作，節(jié)能環(huán)保，被公認(rèn)為目前汽車產(chǎn)業(yè)面臨的各種挑戰(zhàn)的最佳對(duì)策之一。

2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車方案設(shè)計(jì)及匹配

2.1 方案設(shè)計(jì)要求

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車方案設(shè)計(jì)主要有以下3個(gè)要求：（1）保證車輛動(dòng)力性，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少有害氣體排放；（2）當(dāng)一條驅(qū)動(dòng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，有備用線路保證車輛動(dòng)力性和續(xù)駛里程；（3）車輛的能量轉(zhuǎn)換和利用效率在較高區(qū)域。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

根據(jù)上述要求，圖1為混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)示意圖。其運(yùn)行工況有以下幾種：

（1）車輛起步、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)線路為蓄電池-逆變器-電動(dòng)機(jī)-變速器-傳動(dòng)軸-前驅(qū)動(dòng)橋-前輪。

（2）正常行駛時(shí)，有2條驅(qū)動(dòng)線路可選，分別為：發(fā)動(dòng)機(jī)-動(dòng)力分配裝置-單向離合器-變速器-傳動(dòng)軸-前驅(qū)動(dòng)橋-前輪；發(fā)動(dòng)機(jī)-動(dòng)力分配裝置-發(fā)電機(jī)-逆變器-后輪電機(jī)-后輪。

（3）全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)線路3條并行：發(fā)動(dòng)機(jī)-動(dòng)力分配裝置-單向離合器-變速器-傳動(dòng)軸-前驅(qū)動(dòng)橋-前輪；蓄電池-逆變器-電動(dòng)機(jī)-變速器-傳動(dòng)軸-前驅(qū)動(dòng)橋-前輪；蓄電池-逆變器-后輪電動(dòng)機(jī)-后輪。

（4）減速與制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量回收線路為：前輪-前驅(qū)動(dòng)橋-傳動(dòng)軸-變速器-發(fā)電機(jī)-逆變器-蓄電池；后輪-后輪電動(dòng)機(jī)-逆變器-蓄電池。

（5）蓄電池充電時(shí)，線路為：發(fā)動(dòng)機(jī)-動(dòng)力分配裝置-單向離合器-變速器-轉(zhuǎn)動(dòng)軸-前驅(qū)動(dòng)橋-前輪；發(fā)動(dòng)機(jī)-動(dòng)力分配裝置-發(fā)電機(jī)-逆變器-蓄電池。

（6）車輛停止時(shí)，2種可能線路為：發(fā)動(dòng)機(jī)-動(dòng)力分配裝置-發(fā)電機(jī)-逆變器-蓄電池；發(fā)動(dòng)機(jī)-動(dòng)力分配裝置-發(fā)電機(jī)-逆變器-汽車空調(diào)等[2～4]。

2.3 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力源功率的匹配

電動(dòng)汽車的整車總功率的確定是根據(jù)整車的動(dòng)力性（最高車速、加速性能、爬坡要求）來確定的[5]。該設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車整車的動(dòng)力性要求為：（1）車輛的最高車速vmax≥150 km/h；（2）0至100 km/h的加速時(shí)間t≤16s；（3）最大爬坡度i≥30%，v=25 km/h。

根據(jù)車輛最高車速vmax、加速性能和爬坡性能確定的最大功率分別為Pmax1=81.25 kW、Pmax2= 69.37 kW和Pmax3=69.53 kW，考慮到附加功率的消耗，此處取Pall≥90 kW。

（1）電池組參數(shù)的選擇

該方案選取容量為84Ah的鎳氫電池，設(shè)定車輛以純電動(dòng)方式行駛時(shí)的速度v=65 km/h，行駛里程S=100 km，計(jì)算得n≈32；功率需求方面，電池組的容量需要滿足車輛純電動(dòng)行駛時(shí)電動(dòng)機(jī)最大功率的需求，計(jì)算得n′=16；綜合考慮，取n=34。

（2）電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇

對(duì)于主電動(dòng)機(jī)，其最大功率考慮以下2個(gè)因素：（1）車輛的最大爬坡度i≥15%；（2）0～100 km/h的加速時(shí)間t≤20 s。計(jì)算可得：Pmax=55.62 kW。

考慮附加功率消耗，取電動(dòng)機(jī)功率Pmax≥60 kW。

對(duì)于輔助電動(dòng)機(jī)，它的最大功率為汽車所需最大功率減去發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。主電動(dòng)機(jī)選擇永磁電動(dòng)機(jī)，它的額定功率為40 kW，最高功率為62 kW；故輔助電動(dòng)機(jī)選擇輪轂式永磁電動(dòng)機(jī)，額定功率為4 kW，最高功率為5 kW。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)：（1）最高車速vmax≥90 km/h；（2）最大爬坡度i≥15%，車速v=30 km/h。當(dāng)vmax=90 km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率P為48.75 kW；當(dāng)最大爬坡度i=15%時(shí)，P′=45.78 kW。由此可取發(fā)動(dòng)機(jī)功率P≥50 kW。

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)主要機(jī)構(gòu)Simulink建模

3.1 Simulink整車模型

汽車在行駛時(shí)，總的阻力為

式中，

Ff——滾動(dòng)阻力

Fw——空氣阻力

Fi——坡度阻力

Fj——加速阻力

建立整車動(dòng)力學(xué)模型。首先得到循環(huán)工況下車輛的速度和加速度請(qǐng)求，然后計(jì)算出總的阻力，最后向車輪提出車速和驅(qū)動(dòng)力請(qǐng)求或功率請(qǐng)求。根據(jù)車輪功率和速度請(qǐng)求，控制器實(shí)時(shí)將需求動(dòng)力信號(hào)分配給電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩大動(dòng)力源，將動(dòng)力輸出到車輪，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。基于以上理論的分析，整車Simulink模塊圖2所示。

3.2 Simulink制動(dòng)控制策略模型

該混合動(dòng)力電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，采用電和液壓2種結(jié)合制動(dòng)的形式。制動(dòng)時(shí)，在保證安全性的前提下，為了最大化回收制動(dòng)能量，增加車輛續(xù)駛里程，優(yōu)先采用電制動(dòng)；當(dāng)車輛需要的制動(dòng)力大于電制動(dòng)所能提供的最大制動(dòng)力時(shí)，電和液壓制動(dòng)系統(tǒng)共同制動(dòng)，確保車輛行駛安全；當(dāng)車輛緊急制動(dòng)時(shí)，車輛在短時(shí)間內(nèi)急需較大制動(dòng)力，因此液壓制動(dòng)為主，電制動(dòng)為輔，為車輛提供制動(dòng)力?；谏鲜鲕囕v制動(dòng)控制策略分析，車輛制動(dòng)Simulink控制策略模型如圖3所示。

3.3 Simulink永磁同步電動(dòng)機(jī)模型

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車使燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性顯著改善的途徑就是增加電能-機(jī)械能的驅(qū)動(dòng)模式。而電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)時(shí)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能以及減速制動(dòng)時(shí)回收制動(dòng)能量的作用。不同的工況，電動(dòng)機(jī)要進(jìn)行不同模式的轉(zhuǎn)換，因此對(duì)于電動(dòng)機(jī)的要求也越來越高。永磁電動(dòng)機(jī)以高效率、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性、低振動(dòng)噪聲以及在高速區(qū)域的弱磁控制能很好地滿足車輛恒功率運(yùn)行的要求，被認(rèn)為是電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想選擇。永磁同步電動(dòng)機(jī)Simulink模型如圖4所示。

4 CYC_UDDS循環(huán)工況下整車性能仿真分析

選擇由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署EPA制定的城市道路循環(huán)CYC_UDDS進(jìn)行整車性能仿真，仿真時(shí)間為1 369 s，里程12 km，最高車速90 km/h，平均爬坡度5%。在此參數(shù)條件設(shè)置下，仿真結(jié)果如圖5、6。

從圖6（c）可知，在CYC_UDDS道路循環(huán)工況下，電動(dòng)機(jī)扭矩輸出集中在20～100 N·m，峰值扭矩200N·m左右。而電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩159N·m，工作區(qū)域所需扭矩＜159N·m。另外，對(duì)于永磁電動(dòng)機(jī)而言，其過載能力是其額定情況下的3倍，甚至更高，所以電動(dòng)機(jī)可以正常工作，電動(dòng)機(jī)選型合理。

如圖6（d）所示，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)扭矩輸出集中在45～85N·m，峰值扭矩接近于100 N·m，最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為57 kW，最大扭矩為115 N· m。在CYC_UDDS循環(huán)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常的工作，所以根據(jù)仿真結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)選型合理。

CYC_UDDS循環(huán)工況，速度變化頻率較高，范圍較大，本次循環(huán)仿真中，共有17次停車，最高車速可以達(dá)到90 km/h，加速、減速較多，非常有利于制動(dòng)能量的回收。

從圖6（e）可以看出，發(fā)電機(jī)輸出扭矩集中在0～25 N·m，并且變化幅度較小，這對(duì)于在頻繁變速的情況下為動(dòng)力電池充電非常有利，一方面可持續(xù)的為電池充電，增加續(xù)駛里程；另一方面，不會(huì)由于發(fā)電機(jī)瞬時(shí)功率的突然增大，對(duì)電池造成傷害，影響其使用壽命。

圖7所示為車輛在CYC_UDDS循環(huán)工況下，無制動(dòng)能量回收時(shí)的電動(dòng)機(jī)工作效率圖。仿真結(jié)果顯示，電動(dòng)機(jī)工作效率集中在0.8～0.9之間，處于一個(gè)較高的水平，電動(dòng)機(jī)能夠發(fā)揮其最大作用，因此，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的選型和協(xié)調(diào)工作，都比較合理。

5 結(jié)論

（1）燃油經(jīng)濟(jì)性

表1所示為混合動(dòng)力汽車在CYC_UDDS循環(huán)工況下的能量消耗以及制動(dòng)能量回收情況。結(jié)果表明，車輛在CYC_UDDS循環(huán)工況下的等效百公里油耗為5.9 L，節(jié)油率約為24%，節(jié)油效果明顯。該混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)方案采用3個(gè)電動(dòng)機(jī)，對(duì)于復(fù)雜多變的循環(huán)路況，回收制動(dòng)能量效果很好，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率也得到極大改善，這對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高和改善都非常有利。

（2）排放性能分析

表2所示為混合動(dòng)力汽車在CYC_UDDS循環(huán)工況下的尾氣排放情況。本文參考 GB18352. 3-2005《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法》（中國(guó)Ⅳ階段）進(jìn)行尾氣對(duì)比分析。從表中可以看出，尾氣排放均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值。

本文通過合理設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)，選擇合適的部件匹配，優(yōu)化電動(dòng)汽車的控制策略，使其在保證動(dòng)力性的前提下，最大化的提高了燃油經(jīng)濟(jì)性和改善了排放性能。

1劉國(guó)卿.汽車行業(yè)節(jié)約型社會(huì)擔(dān)負(fù)責(zé)任[J].汽車工業(yè)研究，2005.

2于秀敏，曹珊等.混合動(dòng)力汽車控制策略的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006（11）：10-16.

3 Zoelch U,Schrode D.Optim ization Method for Rating the Componentsofa Hybrid Vehicle[C]. The 14th InternationalElectric Vehicle Symposium (EVS 14),O rlando,Florida,USA,1997.

4王婷.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略的優(yōu)化研究[D].北京交通大學(xué)，2009.

5余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.