基于ADVISOR的插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

徐貴勇，唐永琪，方錫邦

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

基于ADVISOR的插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

徐貴勇，唐永琪，方錫邦

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

根據(jù)目標(biāo)車型的初步設(shè)計(jì)要求，快速有效地計(jì)算出插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)；基于ADVISOR軟件，對(duì)選定的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，為相關(guān)人員提供參考。

插電式混合動(dòng)力汽車；動(dòng)力系統(tǒng)；ADVISOR仿真

本文結(jié)合奇瑞某微型商用車項(xiàng)目由傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為純電動(dòng)動(dòng)力的研制,闡述對(duì)微型商用電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)的設(shè)計(jì)及方法,可為電動(dòng)汽車產(chǎn)品開發(fā)提供參考。綜合使用環(huán)境、成本、性能及充電便捷等方面的考慮，最終選擇插電式串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，并對(duì)所選的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行匹配。串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（SHEV）主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)三大動(dòng)力總成組成。其主要特點(diǎn)是采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，電動(dòng)機(jī)所需電能主要來自車載蓄電池，車載發(fā)動(dòng)機(jī)主要用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。所發(fā)電能首先供給電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛正常行駛，其次給蓄電池充電。

1 動(dòng)力系統(tǒng)匹配

1.1 整車功率需求計(jì)算

整車參數(shù)及性能要求見表1。

表1 整車參數(shù)及性能要求

電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)與普通工業(yè)用電動(dòng)機(jī)有不同的要求，電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較大的調(diào)速范圍，高效、低耗。根據(jù)汽車行駛中的頻繁啟動(dòng)、加速、減速、停車等特點(diǎn)，在低速或爬坡時(shí)需要有高轉(zhuǎn)矩，在高速行駛時(shí)需要有低轉(zhuǎn)矩，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)能滿足汽車從零到最大行駛速度的要求，即要求電動(dòng)機(jī)具有高的比功率和功率密度；各種配套的控制裝置要盡可能輕，系統(tǒng)噪聲要低。另外，還要求可靠性好、耐高溫及耐潮、結(jié)構(gòu)簡單，適合于大批量生產(chǎn)、使用維修方便、價(jià)格便宜等。

如果電動(dòng)機(jī)的功率選擇過小，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作于過載狀態(tài)，影響其性能和壽命；如果電動(dòng)機(jī)的功率選擇過大，電動(dòng)機(jī)常在欠載狀態(tài)運(yùn)行，效率和功率因數(shù)將降低,不僅浪費(fèi)電能,同時(shí)還要增加動(dòng)力電池的容量[1-2]。根據(jù)電動(dòng)汽車的運(yùn)行模式,勻速行駛時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)功率較小，但運(yùn)行時(shí)間長；而加速行駛時(shí)所需功率大，但運(yùn)行時(shí)間較短。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，通常按照要求的勻速行駛最高車速，初步確定電動(dòng)機(jī)額定功率[3-4]，即

式中：g為重力加速度9.8 m/s2。

電動(dòng)機(jī)的峰值功率則要滿足汽車最大爬坡度和加速性能的要求。

1）電動(dòng)汽車爬上最大坡度時(shí)的功率[5]：

式中：υθ為車輛爬坡時(shí)的車速20 km/h；θ為最大爬坡度arctani，最大坡度=20%。

2）電動(dòng)汽車滿足加速性能的功率[6]：

式中：υm為加速結(jié)束時(shí)的車速50 km/h；tm為加速到υm所需的時(shí)間20 s；x為擬合系數(shù)，取0.5；ρ為空氣密度1.2258 N·S2·m-4。

1.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)確定

對(duì)直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合對(duì)比，最后選定變頻交流異步電動(dòng)機(jī)作為本車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并且采用日益成熟的變頻調(diào)速技術(shù)，可以有效地應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中載荷的頻繁變化。

1）電動(dòng)機(jī)的功率。峰值功率要大于或等于車輛所需最大功率，同時(shí)要保證各部件質(zhì)量綜合最小，以利于提高電動(dòng)機(jī)效率和減小尺寸，降低整車成本。所以，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率時(shí)，能滿足車輛最大需求功率即可。由上述計(jì)算可知，電機(jī)的峰值功率不小于16.93 kW；根據(jù)選取交流變頻電動(dòng)機(jī)的基本原則，電機(jī)的額定功率應(yīng)能滿足電動(dòng)汽車最高車速的要求，即為11 kW[7]，額定電壓為72 V。該選定電機(jī)的峰值功率為18 kW。

2）電機(jī)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不但影響混合動(dòng)力車傳動(dòng)系的尺寸，而且影響電動(dòng)機(jī)的扭矩。根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系,以及相應(yīng)的支撐條件,需要綜合考慮電動(dòng)機(jī)的擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β和傳動(dòng)系的體積尺寸。一般情況下,交流異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在9000～15000 r/min，擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β一般取2～4[8]。

電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速nmax(r/min)由最高車速uamax(km/h)和減速裝置速比Σi來確定，即：

式中：Σi=ig·io，io為主減速比 5.372；ig為變速器高檔的變速比約為2。估算得最高轉(zhuǎn)速為8572 r/min，取最高轉(zhuǎn)速為9000 r/min，擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β取3，則額定轉(zhuǎn)速暫定為3000 r/min。

3）電機(jī)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)公式T=9550 P/n算出最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩：Tmax=54.12 N·m，Te=35 N·m。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)(APU)參數(shù)選擇

作為串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，負(fù)載功率可分為兩個(gè)分量：穩(wěn)定功率和動(dòng)態(tài)功率。APU用以供給穩(wěn)定功率，即能使發(fā)動(dòng)機(jī)不受汽車行駛工況的影響，以高效率和低排放狀態(tài)進(jìn)行工作，又可以防止車載蓄電池組的完全放電[9]。APU功率選取的基本原則：發(fā)動(dòng)機(jī)功率只需滿足在平坦路面上電動(dòng)汽車以最高車速行駛的要求，加速和爬坡所需的峰值功率則由動(dòng)力電池組來補(bǔ)充，即發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為11 kW。發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)剛性連接同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，功率選擇與發(fā)動(dòng)機(jī)相同。

1.4 電池組參數(shù)確定

在串聯(lián)式混動(dòng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電池組起到對(duì)APU“削峰填谷”的作用。當(dāng)車輛在加速或爬坡工況時(shí)，汽車所需功率大于APU的功率，電池組放電進(jìn)行功率補(bǔ)充；當(dāng)負(fù)載功率小于APU提供的功率時(shí)，多余的功率用于電池組充電，避免能量的浪費(fèi)。

電池組電池?cái)?shù)量需要滿足兩個(gè)條件：電池組電壓和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓保持一致；純電動(dòng)行駛的情況下，滿足續(xù)駛里程要求。

1）根據(jù)電機(jī)的額定電壓和電池的單塊電壓，電池?cái)?shù)量：72/12=6（塊）。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，車輛要在純電動(dòng)模式下，以50 km/h的速度勻速行駛80 km,所需電池能量

但是驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻調(diào)速器、變速器等部件都有功率損失，綜合考慮各部件的效率，最終選取蓄電池的容量為 7.56 kW·h，即 105 Ah。

1.5 傳動(dòng)系參數(shù)確定

變速器首先要保證汽車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，變速器傳動(dòng)比的確定需要遵循兩個(gè)基本原則：最大傳動(dòng)比ig1要滿足汽車對(duì)最大轉(zhuǎn)矩的需求，即滿足最大爬坡度；最小傳動(dòng)比ig2要滿足汽車最高車速的要求[10-11]。計(jì)算如下：

由上兩式得ig1/ig2≥1.25，變速器在設(shè)計(jì)時(shí)，要求相鄰檔位之間的傳動(dòng)比比值在1.8以下。該值越小，換檔工作越容易進(jìn)行，取ig1=2.7，ig2=2.1。

2 系統(tǒng)仿真分析

動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)確定后，運(yùn)用Advisor軟件對(duì)整車進(jìn)行建模、仿真。將車型參數(shù)輸入軟件，并對(duì)相關(guān)M文件予以保存。采用Advisor內(nèi)嵌的ECE_EUDC循環(huán)工況，對(duì)混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，運(yùn)行仿真軟件，得出仿真結(jié)果[12-13]。見表2。

表2 仿真結(jié)果

從仿真分析結(jié)果看，微型混合動(dòng)力商用車動(dòng)力系統(tǒng)的初步選型在滿足了整車動(dòng)力性能的前提下，理論節(jié)油率超過20%。

3 結(jié)束語

本文所進(jìn)行的仿真分析是在修改Advisor軟件原有參數(shù)的情況下進(jìn)行的，內(nèi)嵌的循環(huán)工況數(shù)據(jù)不一定是最適合的，而且仿真過程中有一些簡化處理，但是仿真結(jié)果可為相關(guān)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一些參考。整個(gè)匹配和仿真過程中，只對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，而沒有考慮到排放等其他性能，沒有做全局性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有待進(jìn)一步研究探討。

[1]余朝蓬，高峰，王營，等.農(nóng)用電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化及動(dòng)力性驗(yàn)證[J].農(nóng)機(jī)化研究.2009.（5）：204-207.

[2]徐曉美，鄭燕萍.混合動(dòng)力輕型客車動(dòng)力系統(tǒng)建模與性能仿真[J].公路與汽運(yùn)，2011，（6）

[3]郭孔輝，江輝，張建偉.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配及優(yōu)化[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，（10）：3892-3896.

[4]劉清虎，郭孔輝.動(dòng)力參數(shù)的選擇對(duì)純電動(dòng)汽車性能的影響[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，（3）:62-64.

[5]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:57-70.

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[7]高燕.串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)客車參數(shù)匹配與控制策略研究[D].淄博:山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，2007.

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[9]劉文杰，鄧建軍.TEG6128SHEV串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車總體設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2009，31（1）：15-16.

[10]汪涵，鄭燕萍，何海波，等.城市公交車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配研究[J].公路與汽運(yùn)，2010，（2）

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[13]方錫邦，吳哲，李大偉，等.混合動(dòng)力微型商務(wù)車動(dòng)力系統(tǒng)的匹配計(jì)算[J].汽車科技，2010，（2）：33-36.

修改稿日期：2012-03-31

Parameter Design of Power System for Plug-in HEV Based on ADVISOR Software

XU Gui-yong,TANG Yong-qi,FANG Xi-bang
(School of Mechanical and Automotive Eng.,Hefei Univ.ofTechnol.,Hefei 230009,China)

According to the primary design requirements of a target vehicle,the power system parameters of plug-in HEV could be calculated rapidly,the power system parameters mentioned above are carried on simulation analysis based on ADVISOR.These will provide references for related someones.

plug-in HEV;power system;ADVISOR simulation

U463.83+1；U461.2

A

1006-3331（2012）04-0004-03

徐貴勇，男，碩士研究生。