阮曉東 牛禮民 葉李軍

（安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

ISG（Integrated Starter Generator）型 HEV 是將發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)集成為一體的新能源汽車(chē)，本質(zhì)上是一種輕度并聯(lián)HEV[1]。HEV 動(dòng)力參數(shù)的匹配過(guò)程是一個(gè)對(duì)多變量多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化過(guò)程，只有在正確模型基礎(chǔ)上反復(fù)尋優(yōu)仿真，才能獲得較為理想的動(dòng)力匹配結(jié)果。在HEV 設(shè)計(jì)初期，需要從汽車(chē)設(shè)計(jì)要求出發(fā)，按照該車(chē)實(shí)際運(yùn)行中的功率需求量計(jì)算出動(dòng)力參數(shù)匹配初始值，將該值導(dǎo)入Cruise 仿真軟件各動(dòng)力模塊，進(jìn)行優(yōu)化仿真計(jì)算。

1 整車(chē)參數(shù)及性能指標(biāo)

在對(duì)動(dòng)力總成主要零部件的選型和參數(shù)確定之前，需要制定一定的整車(chē)性能目標(biāo)要求。文章選用某型傳統(tǒng)轎車(chē)作為參考車(chē)型，該傳統(tǒng)轎車(chē)的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某型傳統(tǒng)車(chē)基本參數(shù)及性能指標(biāo)

2 參數(shù)匹配方法與實(shí)現(xiàn)

HEV 總功率匹配與傳統(tǒng)車(chē)匹配原則相似，都是根據(jù)整車(chē)的動(dòng)力性來(lái)確定[2]。ISG 并聯(lián)式HEV 的參數(shù)匹配是由其工作模式和針對(duì)該工作模式所提出的控制策略所決定的，其混合動(dòng)力總成主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG 電機(jī)、動(dòng)力蓄電池及變速器等主要零部件，動(dòng)力總成零部件的性能參數(shù)對(duì)整車(chē)綜合性能有重要影響。

2.1 確定發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1）HEV 的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。主要是根據(jù)汽車(chē)勻速行駛所需功率來(lái)估算，加速和爬坡時(shí)所需的峰值功率由電機(jī)來(lái)補(bǔ)充，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)提供的最大功率由式（1）確定[3]。

式中：Pemax1——發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)最大功率，kW；

ηT——整車(chē)傳動(dòng)效率；

vc——汽車(chē)平坦路上勻速行駛的速度，km/h；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

m——滿載質(zhì)量，kg；

A——迎風(fēng)面積，m2；

CD——風(fēng)阻系數(shù)。

帶入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得：Pemax1=28.01 kW。

2）汽車(chē)處于最高車(chē)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的峰值功率應(yīng)滿足所需功率之和。

式中：Pmc_max——驅(qū)動(dòng)模式時(shí)最高車(chē)速所要求的總功率，kW；

vmax——汽車(chē)可以達(dá)到的最高速度，km/h。

代入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得：Pmc_max=68.84 kW。

一般的發(fā)動(dòng)機(jī)除了應(yīng)該提供汽車(chē)行駛需求的功率外，還應(yīng)有一定的為電池組充電的功率裕量（Pbc，約10%）、1%～2%的爬坡功率裕量（Pi）及附件功率（Pacc，10～20 kW）[4]，這些功率之和應(yīng)該是發(fā)動(dòng)機(jī)所需的巡航功率（Pe*/kW），即：

式中：Pe——發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW。

考慮上述因素，最后確定采用SQR473H 發(fā)動(dòng)機(jī)，相關(guān)參數(shù)，如圖1所示。

2.2 確定電機(jī)參數(shù)

2.2.1 電機(jī)額定功率和最大功率

ISG 電機(jī)的主要作用是削峰平谷，也就是在汽車(chē)起動(dòng)、加速及爬坡時(shí)，帶動(dòng)或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)提供峰值功率。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的功率設(shè)計(jì)，汽車(chē)的加速性能、爬坡性能及在典型循環(huán)中負(fù)載的峰值功率是主要關(guān)注點(diǎn)。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的最大功率之和必須滿足汽車(chē)處于最大爬坡度功率的要求[5]，即：

式中：αmax——最大爬坡度，%；

vi——最大爬坡時(shí)汽車(chē)行駛速度，km/h。

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算得：Pmc_max=47.74 kW。

2）根據(jù)汽車(chē)的100 km 加速性能來(lái)估算。汽車(chē)在平坦無(wú)坡度的道路上原地起步全負(fù)荷加速時(shí)，電機(jī)需要提供額外的功率，汽車(chē)行駛的總功率，如式（5）所示[6]：

式中：vm——加速過(guò)程中汽車(chē)的平均速度，km/h；

δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

代入數(shù)據(jù)，得：Pmc_max=54.43 kW。

根據(jù)所選發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為65 kW，可知能滿足上述最大爬坡度與100 km 加速性能要求。參考目前汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)的HEV，選擇ISG 電機(jī)的額定功率（Pmr）為10 kW，最大功率（Pmmax）為15 kW。

2.2.2 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速

目前，一般都傾向于選擇中高速電機(jī)（最高轉(zhuǎn)速在6 000～15 000 r/min），參考已經(jīng)成功研發(fā)的HEV，選 ISG 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速（nmax）為 8 000 r/min。nmax與額定轉(zhuǎn)速（nmr）的比值，也稱為ISG 擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)（β）。β 值直接影響到電機(jī)的額定扭矩、電子設(shè)備的工作電流及傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等，β 一般取4～6，文章取4，相應(yīng)地，nmr=2 000 r/min；選額定和最大扭矩分別為60，100 N·m。根據(jù)上面確定的ISG 電機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)，選擇永磁無(wú)刷直流電機(jī)。

2.3 動(dòng)力電池參數(shù)計(jì)算

電池的主要功能是在汽車(chē)需要大功率時(shí)為ISG 電機(jī)提供電能，在汽車(chē)減速或制動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)部分回饋能量。文章選用的是鎳氫電池，單節(jié)電池的電壓為1.2 V，質(zhì)量為0.155 kg。

2.3.1 電池功率

電池功率主要根據(jù)電機(jī)的峰值功率，同時(shí)計(jì)入傳動(dòng)效率，則電池功率（Pb/kW）；可按式（6）估算[7]：

式中：Pmmax——電機(jī)的峰值功率，kW；

ηDC_AC——逆變器的效率；

ηb——電池的放電效率。

將上述值圓整為Pb=20 kW。

2.3.2 電池個(gè)數(shù)及電壓等級(jí)

電池個(gè)數(shù)（Nb）一般按式（7）和（8）估算[8-9]：

式中：Pbmax——單節(jié)電池的最大理論功率，kW；

S——純電動(dòng)模式行駛里程，km；

e——單位里程電池耗電，kW·h/km；

Cb——單體電池額定容量，A·h；

Ub——單節(jié)電池額定電壓，V；

R0——單節(jié)電池充放電內(nèi)阻，Ω。

由式（7）和（8）可知，確定電池的總個(gè)數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮電池功率和汽車(chē)純電動(dòng)運(yùn)行模式下續(xù)駛里程。分析現(xiàn)有的HEV 上所用的電池類型，文章選取鎳氫電池內(nèi)阻 R0=0.002 Ω，將其代入式（7）和（8）中，計(jì)算得：Nb=111 個(gè)。電池組采用串聯(lián)形式連接，因此電池組的額定電壓按式（9）計(jì)算：

將其圓整得：UB=144 V，確定Nb=120 個(gè)。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 主減速器速比（i0）

i0的選擇首先應(yīng)滿足整車(chē)能夠運(yùn)行的最高車(chē)速要求，另外，當(dāng)汽車(chē)行駛在最高速度時(shí)，應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)仍能發(fā)揮其最大功率，即：

式中：nemax——發(fā)動(dòng)機(jī)的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，r/min；

r——車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m；

vmax——汽車(chē)最高速度，km/h；

nepr——發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)式（10）和（11），計(jì)算得：3.919≤i0≤4.246。

HEV 在實(shí)際低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不僅為加速爬坡提供有后備功率，還應(yīng)有為車(chē)載動(dòng)力電池組充電的額外功率，因此，綜合考慮各方面性能，確定i0=4.104。

2.4.2 最大傳動(dòng)比

1）滿足汽車(chē)最大爬坡度和最低穩(wěn)定車(chē)速的要求。變速器1 擋傳動(dòng)比（ig1）應(yīng)滿足：

式中：Ttqmax——汽車(chē)最大輸出扭矩，取182 N·m；

αmax——汽車(chē)最大爬坡度。

代入相關(guān)數(shù)值計(jì)算得：ig1≥2.18。

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，即：

式中：Ftmax——最大牽引力，N；

Fφ——地面附著力，N；

φ——附著系數(shù)；

m1——整車(chē)驅(qū)動(dòng)橋質(zhì)量，kg。

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：ig1≤11.97。綜合上述計(jì)算結(jié)果，選取ig1=3.546，可以滿足相關(guān)技術(shù)要求。

參考傳統(tǒng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，文章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(jí)數(shù)來(lái)分配。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)1～5 擋、倒擋及主減速比的傳動(dòng)比分別為 3.546，2.048，1.346，1.088，0.865，3.333，4.104。

（待續(xù)）