ISG型PHEV動力總成系統設計與仿真

楊洪源，牛禮民，葉李軍，阮曉東,吳彬云

(安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002)

ISG型PHEV動力總成系統設計與仿真

楊洪源，牛禮民，葉李軍，阮曉東,吳彬云

(安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002)

為提高混合動力汽車燃油經濟性和動力性，以ISG型并聯式HEV為對象，以某型傳統車參數為參考，根據整車運行功率需求，提出一種更加簡便的方法來對其動力總成系統進行設計，對各總成部件進行了參數設計計算。提出了基于ADVISOR軟件平臺的Insight車型模型較為快捷的整車二次開發，對動力總成系統的設計值進行仿真測試。結果表明：所設計的ISG型PHEV動力總成部件能夠滿足匹配要求，可進一步提高整車的經濟性和動力性，設計方法正確可行，提供了更為便捷地進行混合動力汽車實車研發的參考依據。

混合動力汽車；動力總成；ISG；ADVISOR軟件

0 引言

ISG(Integrated Starter Generator)型HEV將發動機的起動機與發電機集成為一體，屬于輕度混合HEV[1]。ISG技術適合在中低排量傳統轎車的基礎上改裝，在節約燃油、降低排氣污染、快速啟停控制、制動能量回收等方面有著優越的性能，具有較大的應用開發前景。目前，HEV動力總成參數設計匹配的方法繁多，同時也較為繁瑣。

HEV動力參數的匹配過程是一個反復計算、尋優仿真的過程。在設計初期，以汽車的設計要求為出發點，依據該車實際功率需求量計算出動力參數，即為匹配初始值，將值導入ADVISOR仿真軟件各動力模塊，進行優化仿真計算。

1 參考車型數值

文中選用某型傳統轎車作為參考車型，基本參數或性能指標如表1所示。設計的任務是在參考車型的基礎上進行混合動力汽車的動力總成參數的設計匹配，力爭最大的動力性、經濟性和環保性。

2 動力總成系統主要部件設計

對混合動力汽車動力總成參數進行合理匹配的目的在于獲得最優的整車性能，即從汽車動力性能指標出發提高整車經濟性能[2]。動力參數匹配設計主要是對ISG混合動力汽車行駛過程中驅動力與功率的平衡關系進行分析，以便確定發動機功率、電機功率和電池組容量等參數。

表1 某傳統型車基本參數

2.1 整車總功率的確定

混合動力汽車動力總成功率要滿足汽車的動力性要求，汽車動力性由最高車速vmax、加速時間t和爬坡度αmax來確定[3]。

2.1.1 由最高車速vmax確定總功率

(1)

式中：m1為半載時的質量。將數據代入公式算得Pmax1=58.6 kW。

2.1.2 由加速時間t確定總功率

汽車起步加速過程中t時刻的加速度為：

(2)

由于整個加速過程中，末時刻的需求功率最大，因此根據0～100 km/h加速時間t≤15 s，取t=14 s來確定總功率：

(3)

2.1.3 由爬坡度αmax確定總功率

(4)

式中：va為爬坡穩定時車速，取一般值30 km/h；αmax為最大爬坡度30%(16.7°)；m2為滿載時整車質量1 660 kg。代入數值求得Pmax3=45.53 kW。

動力總成功率Pmax必須同時滿足：Pmax≥[Pmax1,Pmax2,Pmax3]，空調等附件消耗的功率為10%～20%，則Pmax=69.08～75.36 kW。

2.2 發動機的參數

2.2.1 最大功率的確定

HEV發動機功率主要是提供在標準工況下車輛以巡航車速行駛所需的功率，當需要加速或者爬坡時，ISG電機提供所需的峰值功率。因此，發動機應提供的最大功率可由巡航車速確定：

(5)

式中：PEmax1為發動機單獨驅動最大功率(kW)。代入數值計算得PEmax1=24.48 kW。

2.2.2 修正一

發動機除了應該提供車輛行駛需求的功率外，還應有為電池組充電的功率裕量Pbc(10%左右)、1%～2%的爬坡功率裕量Pi和其他附件功率Pacc(10～20 kW)。所以，要用這些功率之和來修正發動機應具備的巡航功率[4]：

(6)

2.2.3 修正二

(7)

修正后的發動機的額定功率實際上是一條功率帶，應保證這一功率帶穿越發動機萬有特性曲線上經濟性較好區域。隨著發動機功率的增加，HEV的經濟性變差，綜合性能同樣也變差，所以在滿足動力性要求的前提下，要盡可能選擇小功率發動機。考慮上述因素，最后確定采用東風悅達起亞汽車G4EA發動機。其相關參數見表2。

表2 發動機基本參數

2.3 電機的參數

2.3.1 確定電機額定功率和最大功率

ISG電機的主要作用是削峰平谷，也就是在車輛起動、加速和爬坡時，帶動或輔助發動機提供峰值功率。所選的發動機的功率為61.5 kW，汽車總功率為Pmax=69.08～75.36 kW，并且Pmax=PE+PM，參考設計經驗和已成功研發的車型，選擇ISG電機的額定功率PMr是10 kW，最大功率PMmax是15 kW。

2.3.2 確定電機額定轉速和最高轉速

ISG電機的最高轉速對整車的動力傳動系各擋速比大小、本身的額定轉矩都有顯著的影響。增大電機最高轉速有利于降低其體積、減小質量，但會使傳動比增大，從而加大傳動系統的體積、質量和傳動損耗，所以最高轉速不要選得過高。ISG電機最高轉速nmax與額定轉速nmr的比值稱為ISG擴大恒功率區系數β[5]。β一般選擇在4～6之間，文中選擇4，相應地，電機額定轉速是2 000 r/min。

設計大多都傾向于選擇最高轉速在6 000～15 000 r/min之間的中高速電機，作者參考成功研發的HEV，最終決定ISG電機的最高轉速定為8 000 r/min。ISG主要性能參數如表3所示。

表3 電機主要參數

2.4 電池的參數

HEV的電池要能適應頻繁的充放電，鎳氫電池能夠很好地滿足這個要求。此外鎳氫電池的技術越來越成熟，成本也越來越低，使用也越來越廣泛，因此文中采用鎳氫電池。電池參數設計主要包括電池功率、電池電壓等級、電池個數和電池容量[6]。

2.4.1 電池功率的確定

電池功率主要根據ISG電機的峰值功率，同時計入傳動效率，電動機和轉換裝置的效率為0.9：

(8)

圓整為20 kW，即PBat=20 kW。

2.4.2 電池個數及電壓等級的確定

動力電池的等效電路圖，如圖1所示。

圖1中：Ebat為動力電池的電動勢(V)；Ibat為動力電池工作電流(A)；Rbat為動力電池組的內阻(Ω)；Ubat為動力電池的電壓(V)。

設鎳氫電池組由n個電池單元組成，每個單元的電壓為7.7 V，內阻為0.026 Ω，可有：

即：(7.7×n)2/(4×0.026×n×1 000)≥PMmax

解得n≥26.3，考慮到效率問題，取整電池個數為30個。電池組串聯，因此電池組的額定電壓為：UB≈7.7×30=231 V。

2.4.3 確定電池容量

電池的容量主要考慮在電池SOC的高效范圍(0.2～0.8)內，滿足急加速或爬坡過程中ISG電機的能量需求，蓄電池的容量Q(A·h)為：

(9)

式中：t為車輛的加速時間。代入數值計算得到Q≥7.26 A·h。參考市場上的蓄電池情況，選擇鎳氫電池的額定容量為7.5 A·h，該蓄電池性能參數見表4。

表4 鎳氫電池性能參數

2.5 變速器的參數

傳動系的參數主要是指變速器各擋速比和主減速比大小，最大傳動比由車輛的最大爬坡度決定，最小傳動比由車輛的最高車速決定[7]。首先根據整車性能指標計算出傳動系的最大速比和最小速比，接著在變速器各個擋位之間進行速比分配。

2.5.1 主減速器速比i0的選擇

i0應滿足最高車速要求：

(10)

式中：nemax為發動機的最高穩定轉速；r為車輪的轉動半徑；vmax為車輛最高速度。

另外，當車輛行駛在最高速度時，應使發動機仍能發揮出其最大功率：

(11)

式中：nepr為發動機最大功率點對應的轉速。

初步確定主減速比為4.124。

2.5.2 最大傳動比的確定

(1)當汽車處于循環工況的爬坡度工況時，車輛運行速度比較低，忽略空氣阻力[8]，最大傳動比大小應滿足：

(12)

式中：ig1為變速器一擋傳動比；Ttq為車輛輸出扭矩，取最大值182 N·m。

(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[9]：

(13)

式中：φ為附著系數，取φ=0.7；m*為整車驅動橋質量，取m*=μm(μ取原車比例系數500/(500+365)=0.578)。

綜合上述計算結果與現有的變速器，選取一擋傳動比為3.537，可以滿足相關技術要求。

2.5.3 變速器擋位數以及各擋傳動比

參考傳統車輛的結構參數，文中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[10]，設計各速比如表5所示。

表5 傳動系速比參數表

3 整車二次開發

完成HEV動力總成參數設計后，使用汽車軟件ADVISOR對所設計動力系統進行仿真校驗。設計的ISG型HEV動力系統結構與本田公司的Insight車型的動力系統結構相同，但是，兩者的動力配置不相同，文中設計采用手動5擋變速箱，231 V的鎳氫電池，采用G4EA汽油發動機和10 kW直流永磁電機作為雙能源。所以根據以上混合動力轎車的配置， 在ADVISOR2002軟件中的Insight車輛定義文件INSIG-T_defaults_in.的基礎上進行二次開發，編輯適合設計的混合轎車的車輛定義文件和部件數據文件，即修改對應部件的m文件[11]。完成二次開發后的參數設置界面如圖2所示。

使用默認的CYC_UDDS仿真路況，勾選“Accel Options”和“Grade Options”，仿真任務設置界面如圖3所示，然后點擊“Run”按鈕，仿真開始運行。仿真過程會彈出Acceleration Test Advanced Options對話框和Grade Test Advanced Options對話框，具體的參數設置分別如圖4和如圖5所示。

運行結束后，出現仿真運行結果界面，如圖6所示。

4 仿真結果分析

選擇美國環境保護署EPA制訂的城市道路循環UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule)作為道路循環，對混合動力轎車進行仿真。UDDS[12]的總行程11.99 km，時間1 369 s，坡度為0，最大速度91.25 km/h，平均速度31.51 km/h，行駛期間共計有17次停車，它對汽車行駛速度(變量：km/h)的要求見圖7。

通過對仿真結果進行分析，蓄電池系統SOC的初始值為0.7，在整個工況循環過程中，電池SOC的波動幅度在正常的范圍內，只是在啟動時，SOC值略有所下降，如圖8所示。發動機轉速的仿真結果見圖9，可以觀察到在道路循環的停車期間，發動機處于關閉狀態，以達到節油的效果 。圖10為電機輸出的輔助驅動扭矩，可以觀察到在道路循環要求汽車加速時，電機提供輔助驅動，協同發動機共同工作來滿足車輛峰值功率的需求，實現車輛良好的動力性能要求。

該混合動力汽車的性能仿真如表6所示。

表6 仿真性能參數比較

仿真結果表明混合動力汽車的動力性和經濟性都達到了文中所提出的設計要求和指標，表明設計的SG型PHEV的動力總成參數匹配是正確、可行的。

5 結論

(1)對ISG型PHEV所使用的計算方法能夠滿足匹配要求，并且具有較為簡單、條理清晰的特點，可有效提高汽車的動力性和經濟性。這就說明了這種設計計算方法具有一定的可借鑒性。

(2)在Insight車型模型的基礎上對ISG型PHEV進行二次開發是成功的，是一種可行的、簡單有效的二次開發手段。

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ParameterMatchingandSimulationforPowerTrainofISGParallelHEV

YANG Hongyuan,NIU Limin,YE Lijun,RUAN Xiaodong,WU Binyun

(School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma’anshan Anhui 243002,China)

In order to improve the dynamic performance and the fuel economy performance,taking the ISG PHEV as the object,according to the running power requirements of a vehicle,a new and clearer method was proposed to do power train system parameters matching calculation based on a certain type of traditional vehicle parameters for reference.For the sake of convenience,a second development on the basis of Insight in ADVISOR was set up to evaluate the design value by simulation.The results show that the designed assembly parts of ISG PHEV can meet the matching requirements and improve the power and economy performance of the vehicle.The design method is correct and feasible,and provides some reference for HEV.

Hybrid electric vehicle;Power assembly;ISG;ADVISOR software

2014-11-11

國家自然科學基金資助項目(51275002)；安徽工業大學研究生創新研究基金資助項目(2014058)

楊洪源(1991—)，男，主要從事混合動力汽車控制策略方面的研究。E-mail:18355517596@163.com。