基于CRUISE并聯式HEV動力總成參數匹配與仿真*（續1）

阮曉東 牛禮民 葉李軍

（安徽工業大學機械工程學院）

ISG（Integrated Starter Generator）型 HEV 是將發動機的啟動機與發電機集成為一體的新能源汽車，本質上是一種輕度并聯HEV[1]。HEV 動力參數的匹配過程是一個對多變量多目標函數的優化過程，只有在正確模型基礎上反復尋優仿真，才能獲得較為理想的動力匹配結果。在HEV 設計初期，需要從汽車設計要求出發，按照該車實際運行中的功率需求量計算出動力參數匹配初始值，將該值導入Cruise 仿真軟件各動力模塊，進行優化仿真計算。

1 整車參數及性能指標

在對動力總成主要零部件的選型和參數確定之前，需要制定一定的整車性能目標要求。文章選用某型傳統轎車作為參考車型，該傳統轎車的基本參數，如表1所示。

表1 某型傳統車基本參數及性能指標

2 參數匹配方法與實現

HEV 總功率匹配與傳統車匹配原則相似，都是根據整車的動力性來確定[2]。ISG 并聯式HEV 的參數匹配是由其工作模式和針對該工作模式所提出的控制策略所決定的，其混合動力總成主要包括發動機、ISG 電機、動力蓄電池及變速器等主要零部件，動力總成零部件的性能參數對整車綜合性能有重要影響。

2.1 確定發動機參數

1）HEV 的發動機功率。主要是根據汽車勻速行駛所需功率來估算，加速和爬坡時所需的峰值功率由電機來補充，因此，發動機應提供的最大功率由式（1）確定[3]。

式中：Pemax1——發動機單獨驅動最大功率，kW；

ηT——整車傳動效率；

vc——汽車平坦路上勻速行駛的速度，km/h；

f——滾動阻力系數；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

m——滿載質量，kg；

A——迎風面積，m2；

CD——風阻系數。

帶入相關參數，計算得：Pemax1=28.01 kW。

2）汽車處于最高車速時，發動機與電機的峰值功率應滿足所需功率之和。

式中：Pmc_max——驅動模式時最高車速所要求的總功率，kW；

vmax——汽車可以達到的最高速度，km/h。

代入相關參數，計算得：Pmc_max=68.84 kW。

一般的發動機除了應該提供汽車行駛需求的功率外，還應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]，這些功率之和應該是發動機所需的巡航功率（Pe*/kW），即：

式中：Pe——發動機功率，kW。

考慮上述因素，最后確定采用SQR473H 發動機，相關參數，如圖1所示。

2.2 確定電機參數

2.2.1 電機額定功率和最大功率

ISG 電機的主要作用是削峰平谷，也就是在汽車起動、加速及爬坡時，帶動或輔助發動機提供峰值功率。對于電動機的功率設計，汽車的加速性能、爬坡性能及在典型循環中負載的峰值功率是主要關注點。

1）發動機與電機的最大功率之和必須滿足汽車處于最大爬坡度功率的要求[5]，即：

式中：αmax——最大爬坡度，%；

vi——最大爬坡時汽車行駛速度，km/h。

代入相應數據計算得：Pmc_max=47.74 kW。

2）根據汽車的100 km 加速性能來估算。汽車在平坦無坡度的道路上原地起步全負荷加速時，電機需要提供額外的功率，汽車行駛的總功率，如式（5）所示[6]：

式中：vm——加速過程中汽車的平均速度，km/h；

δ——旋轉質量換算系數。

代入數據，得：Pmc_max=54.43 kW。

根據所選發動機額定功率為65 kW，可知能滿足上述最大爬坡度與100 km 加速性能要求。參考目前汽車行業已經成功開發的HEV，選擇ISG 電機的額定功率（Pmr）為10 kW，最大功率（Pmmax）為15 kW。

2.2.2 電機額定轉速和最高轉速

目前，一般都傾向于選擇中高速電機（最高轉速在6 000～15 000 r/min），參考已經成功研發的HEV，選 ISG 電機的最高轉速（nmax）為 8 000 r/min。nmax與額定轉速（nmr）的比值，也稱為ISG 擴大恒功率區系數（β）。β 值直接影響到電機的額定扭矩、電子設備的工作電流及傳動系統的穩定性等，β 一般取4～6，文章取4，相應地，nmr=2 000 r/min；選額定和最大扭矩分別為60，100 N·m。根據上面確定的ISG 電機各項指標，選擇永磁無刷直流電機。

2.3 動力電池參數計算

電池的主要功能是在汽車需要大功率時為ISG 電機提供電能，在汽車減速或制動時存儲部分回饋能量。文章選用的是鎳氫電池，單節電池的電壓為1.2 V，質量為0.155 kg。

2.3.1 電池功率

電池功率主要根據電機的峰值功率，同時計入傳動效率，則電池功率（Pb/kW）；可按式（6）估算[7]：

式中：Pmmax——電機的峰值功率，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 電池個數及電壓等級

電池個數（Nb）一般按式（7）和（8）估算[8-9]：

式中：Pbmax——單節電池的最大理論功率，kW；

S——純電動模式行駛里程，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——單節電池額定電壓，V；

R0——單節電池充放電內阻，Ω。

由式（7）和（8）可知，確定電池的總個數時，應該考慮電池功率和汽車純電動運行模式下續駛里程。分析現有的HEV 上所用的電池類型，文章選取鎳氫電池內阻 R0=0.002 Ω，將其代入式（7）和（8）中，計算得：Nb=111 個。電池組采用串聯形式連接，因此電池組的額定電壓按式（9）計算：

將其圓整得：UB=144 V，確定Nb=120 個。

2.4 傳動系統設計

2.4.1 主減速器速比（i0）

i0的選擇首先應滿足整車能夠運行的最高車速要求，另外，當汽車行駛在最高速度時，應使發動機仍能發揮其最大功率，即：

式中：nemax——發動機的最高穩定轉速，r/min；

r——車輪的轉動半徑，m；

vmax——汽車最高速度，km/h；

nepr——發動機最大功率點對應的轉速，r/min。

根據式（10）和（11），計算得：3.919≤i0≤4.246。

HEV 在實際低速行駛時，發動機不僅為加速爬坡提供有后備功率，還應有為車載動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 最大傳動比

1）滿足汽車最大爬坡度和最低穩定車速的要求。變速器1 擋傳動比（ig1）應滿足：

式中：Ttqmax——汽車最大輸出扭矩，取182 N·m；

αmax——汽車最大爬坡度。

代入相關數值計算得：ig1≥2.18。

2）滿足地面附著條件的要求，也就是牽引力應該小于地面附著力，即：

式中：Ftmax——最大牽引力，N；

Fφ——地面附著力，N；

φ——附著系數；

m1——整車驅動橋質量，kg。

代入數據，計算得：ig1≤11.97。綜合上述計算結果，選取ig1=3.546，可以滿足相關技術要求。

參考傳統汽車的結構參數，文章研究的變速器擋位數定為5 擋，并且各擋比數值按等比級數來分配。根據以上分析，設計1～5 擋、倒擋及主減速比的傳動比分別為 3.546，2.048，1.346，1.088，0.865，3.333，4.104。

（待續）