王 勇

(重慶電子工程職業(yè)學院 汽車工程學院，重慶 401331)

?

基于循環(huán)工況的單電機混合動力系統(tǒng)參數匹配

王 勇

(重慶電子工程職業(yè)學院 汽車工程學院，重慶 401331)

針對一款單電機混合動力汽車，選擇擁堵、市區(qū)、市郊、高速等4種標準循環(huán)作為動力系統(tǒng)設計的特征工況，匹配了發(fā)動機、電機、電池以及變速器的參數；在MATLAB/Simulink仿真平臺下建立模型進行了動力性能和經濟性能仿真。結果表明：所設計的混合動力汽車能滿足動力性指標要求，在NEDC，UDDS，HWFET循環(huán)工況下的百公里油耗比傳統(tǒng)車分別降低了17.5%，32.0%，14.5%。

車輛工程；混合動力汽車；標準循環(huán)；動力經濟性

目前，隨著能源的日益緊缺及越來越龐大的交通燃油消耗帶來的巨大壓力，結合純電動汽車和傳統(tǒng)汽車優(yōu)點的混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicles，HEV)成為研究的熱點[1-2]。

在HEV設計方面，秦大同，等[3]對輕度混合動力進行了匹配研究；黃大星，等[4]研究了微混合動力城市客車動力系統(tǒng)的參數匹配；那鵬飛[5]從發(fā)動機選型和功率計算兩方面討論混合動力汽車發(fā)動機匹配的相關問題；鄧文娟，等[6]針對XMQ6103GF2城市公交客車提出一種以動力系統(tǒng)功率最小化為目標，動力性能指標為約束條件的參數優(yōu)化匹配方法；崔淑梅，等[7]為使電氣無級變速器能在混合動力系統(tǒng)中合理應用，研究了其最優(yōu)參數的匹配；郭寬友，等[8]以燃料經濟性試驗中的動力系統(tǒng)監(jiān)控參數為基礎，對混合動力客車動力系統(tǒng)的匹配進行了分析。

鑒于此，筆者針對一款單電機并聯(lián)式混合動力汽車，選擇擁堵、市區(qū)、市郊和高速這4類標準循環(huán)作為動力系統(tǒng)匹配的特征工況，進行關鍵零部件(發(fā)動機、ISG電機、電池，CVT)的參數設計，在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建整車模型，進行整車動力學和燃油經濟性的仿真計算。

1 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)分析

該并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機、ISG電機、離合器、變速器、電池組等組成，其具體布置形式如圖1。

圖1 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)Fig.1 Parallel hybrid electric system

其工作模式包含純電動驅動、發(fā)動機單獨驅動、混合驅動、發(fā)動機驅動并充電、再生制動。驅動模式及離合器邏輯狀態(tài)表如表1。

表1 三向爆破振動信號頻帶能量分布

2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)功率匹配設計

2.1 行駛工況的選定及特征參數的提取

根據混合動力汽車行駛的環(huán)境特點以及經常遇到的工況類別，將其分為擁堵、市區(qū)、市郊和高速這4大類。故筆者選取代表上述工況類別的4種標準循環(huán)(NYCC、1015、NEDC、HWFET)作為動力系統(tǒng)匹配的特征工況，具體如圖2。

圖2 循環(huán)工況Fig.2 Driving cycles

根據汽車理論[9]，求取整車需求功率計算公式：

(1)

式中：Preq為整車需求功率；m為整車的質量；g為重力加速度，kg/m2；α為坡度角，(°)；fr為滾動阻力系數；CD為風阻系數；A為迎風面積，m2；v為車速，km/h；δ為旋轉質量系數；a為加速度，m/s2；ηt為傳動系效率。

結合整車結構參數(表2)，根據式(1)求取每個循環(huán)工況點的需求功率，并把需求功率按照0～10，10～20，20～30，>30 kW計算其功率分布，結果如圖3。

表2 整車參數

圖3 功率分布Fig.3 Power distribution

2.2 動力傳動系統(tǒng)匹配

2.2.1 發(fā)動機功率匹配設計

發(fā)動機需要滿足的條件：

1)滿足高速工況及市郊工況的驅動功率需求；

2)發(fā)動機功率應滿足最高車速巡航的要求[10]：

(2)

式中：vmax為最高車速，取160 km/h；

3)發(fā)動機的功率需要提供一定的爬坡的能力，即在30%的坡度以最大穩(wěn)定速度大于30 km/h行駛：

(3)

經過計算，滿足最高車速時，發(fā)動機最大功率應大于63 kW；滿足30%的爬坡度時，發(fā)動機的最大功率應大于58 kW；考慮到5 kW的輔助系統(tǒng)功率消耗需求，筆者選擇發(fā)動機的最大功率為68 kW，最高轉速為6 000 r/min，通過臺架試驗得到發(fā)動機負荷特性，如圖4。

圖4 發(fā)動機油耗Fig.4 Engine fuel consumption

2.2.2 ISG電機功率匹配設計

ISG電機需要滿足的條件：①滿足擁堵工況時驅動功率的需求；②滿足車輛起步的要求；③滿足純電動性能的要求；④滿足混合驅動時性能的要求。

由圖3可知，擁堵循環(huán)工況下需求功率>30 kW的百分比只有0.5%左右，大部分都工作于<20 kW的區(qū)域，故選擇電機的峰值功率Pm,max為30 kW，額定功率為18 kW；同時為了使電機與發(fā)動機轉速更好的匹配，選擇電機的最高轉速6 000 r/min。

通過臺架試驗得到ISG電機的效率，如圖5。

圖5 電機效率Fig.5 Motor efficiency

2.2.3 電池參數匹配設計

鎳氫電池具有比能量高、高低溫性能好、安全耐用等優(yōu)點，筆者選用鎳氫電池作為動力電池組。

為滿足ISG電機的最大功率需求,則需要的電池峰值功率為：

(4)

式中：Pbat為電池功率，kW；ηbat為電池的平均效率，取為0.9；ηm為電機的平均效率，取為0.8。

為滿足純電動續(xù)駛里程要求，則需要的動力電池組容量為：

(5)

式中：s為純電動續(xù)駛里程，取為10 km；vm,max為純電動模式下的最高車速；Ubat為電池組的電壓，336 V。

經過式(4)和式(5)計算，筆者選擇電池組的最大功率為41.7 kW，容量為8 Ah。

2.2.4 CVT速比及主減速器比設計

為滿足最高車速的要求，CVT系統(tǒng)(包含主減速器比)的最小速比應滿足下面關系，即：

(6)

式中：nou為耦合器的最高轉速。

另外，混合動力汽車要滿足一定的爬坡度要求，因此CVT系統(tǒng)(包含主減速器比)還要滿足：

(7)

式中：Tou為耦合器的最大轉矩。

經過計算CVT系統(tǒng)的最小速比為4.58；最大速比為11.25。因此文中選用CVT的速比范圍為0.442～2.432，主減速比為5.24。

3 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)性能仿真

為驗證所匹配動力傳動系統(tǒng)的正確性，采用數值模型和數學模型相結合的方法，與在MATLAB/ Simulink仿真平臺上搭建整車模型，分別對動力性能和經濟性能進行仿真。

3.1 整車動力性能仿真

筆者從加速時間、爬坡度和最高車速這3個評價動力性指標的角度，進行了純電動模式和混合驅動模式下的動力性能仿真，結果如表3。

表3 動力性能仿真結果

由表3可以看出，0～50 km電機單獨驅動的加速時間為5.91 s，滿足國標對電動汽車加速性能指標的要求，最大爬坡度超過了30%，最高車速為190 km/h，滿足了重度混合動力汽車動力性指標的要求。

3.2 整車經濟性能仿真

筆者采用“城市+城郊”循環(huán)工況NEDC對車輛經濟性進行評價，仿真結果如圖6。

圖6 NEDC工況仿真結果Fig.6 NEDC condition simulation results

從圖6中可以看出，車速可以實現很好的跟蹤，發(fā)動機與電機轉矩實現合理的分配，從而使電池SOC保持相對的平衡。

圖7給出了燃油經濟性的仿真結果比較。由圖7可以看出在NEDC，UDDS，HWFET循環(huán)工況下，HEV的百公里油耗比傳統(tǒng)車分別降低了17.5%，32.0%，14.5%；從這個仿真結果還可以看出控制策略對工況的適應性較差，是筆者下一步研究的重點。

圖7 燃油經濟性的仿真比較Fig.7 Simulation comparison of fuel economy

4 結 語

1)選擇具有代表性的擁堵、市區(qū)、市郊和高速這4類標準循環(huán)作為動力系統(tǒng)匹配的特征工況，進行關鍵零部件(發(fā)動機、ISG電機、電池，CVT)的參數匹配設計。

2)根據MATLAB/Simulink仿真平臺搭建整車性能仿真模型，進行整車動力學和燃油經濟性的仿真計算。結果表明，所設計的混合動力汽車能滿足動力性指標要求，在NEDC，UDDS,HWFET循環(huán)工況下，HEV的百公里油耗比傳統(tǒng)車分別降低了17.5%，32.0%，14.5%。

[1] 隗寒冰,何義團,李軍,等.混合動力電動汽車控制策略—分類、現狀與趨勢[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2013,32(5):1049-1054. Wei Hanbing,He Yituan,Li Jun,et al.Classification,state of the art and development tendency of strategies for hybrid electric vehicles[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(5):1049-1054.

[2] 李軍,鄒發(fā)明,涂雄,等.基于模糊控制策略的PHEV仿真研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2013,32(2):329-334. Li Jun,Zou Faming,Tu Xiong,et al.Simulation research on PHEV based on fuzzy logic control strategies[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(2):329-334.

[3] 秦大同,舒紅,胡建軍,等.輕度混合動力汽車動力性能仿真及動力系統(tǒng)參數匹配研究[J].機械工程學報,2004,40(2):78-82. Qin Datong,Shu Hong,Hu Jianjun,et al.Study on a mild HEV’s performance simulation and propulsion system parameter matching[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2004,40(2):78-82.

[4] 黃大星,何仁,李麗群,等.微混合動力城市客車動力系統(tǒng)的參數匹配 [J].重慶交通大學學報:自然科學版,2009,28(6):1118-1120. Huang Daxing,He Ren,Li Liqun,et al.Parameters matching of power system of micro hybrid electric city bus[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2009,28(6):1118-1120.

[5] 那鵬飛.混合動力汽車發(fā)動機匹配的研究[J].機械工程與自動化,2010(1) :167-170. Na Pengfei.Study on hybrid electric vehicle engine matching[J].Mechanical Engineering & Automation,2010(1):167-170.

[6] 鄧文娟,謝冰.混合動力系統(tǒng)參數優(yōu)化匹配研究[J].科學技術與工程,2009,21 (9):6449-6452. Deng Wenjuan,Xie Bing.Research of parameters match,optimization and simulation for power system of hybrid electric bus[J].Science Technology and Engineering,2009,21 (9):6449-6452.

[7] 崔淑梅,葛浩,馬澤濤.基于電氣變速器的混合動力汽車參數匹配研究[J].電工技術學報,2013,28(2):36-44. Cui Shumei,Ge Hao,Ma Zetao.Study on parameter matching for hybrid electric vehicle based on electric variable transmission[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(2):36-44.

[8] 郭寬友,簡曉春,游國平.混合動力客車動力系統(tǒng)參數匹配評價分析 [J].重慶理工大學學報:自然科學版,2012,26(12):11-16. Guo Kuanyou,Jian Xiaochun,You Guoping.Design evaluation for hybrid electric bus power system[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2012,26(12):11-16.

[9] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:1-38. Yu Zhisheng.Automobile Theory[M].Beijing:China Machine Press,2007:1-38.

[10] 彭濤,陳全世,田光宇,等.并聯(lián)混合動力電動汽車動力系統(tǒng)的參數匹配 [J].機械工程學報,2003,39(2):69-73. Peng Tao,Chen Quanshi,Tian Guangyu,et al.Parameter matching of parallel hybrid electric vehicle powertrain[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2003,39(2):69-73.

Parameter Matching of Single-Motor Hybrid Electric VehicleBased on Driving Cycles

Wang Yong

(School of Automotive Engineering, Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China)

Aiming at a single-motor hybrid electric vehicles, four standard cycles including congestion, city, suburb, highway which were chosen as the working condition of the power system design, and the parameter of the engine, motor, battery and transmission were matched. On the Matlab/Simulink platform, the mode was built to simulate dynamic and economic performance. Simulation results indicate that the fuel consumption per hundred kilometers have increased respectively by 17.5%, 32.0%, 14.5% comparing with conventional car under NEDC, UDDS, HWFET.

vehicle engineering; hybrid electric vehicle(HEV); standard cycle; dynamic and economic performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.34

2013-10-27；

2014-04-23

重慶市教育委員會科學技術研究項目(KJ1402903)

王 勇(1982—)，男，重慶人，講師，博士研究生，主要從事電動汽車智能傳動與控制方面的研究。E-mail:wycowboy@163.com。

U461.8

A

1674-0696(2015)02-156-05