基于循環(huán)工況的單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

王 勇

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，重慶 401331)

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基于循環(huán)工況的單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

王 勇

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，重慶 401331)

針對(duì)一款單電機(jī)混合動(dòng)力汽車，選擇擁堵、市區(qū)、市郊、高速等4種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)作為動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特征工況，匹配了發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池以及變速器的參數(shù)；在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)下建立模型進(jìn)行了動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能仿真。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車能滿足動(dòng)力性指標(biāo)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(dòng)力汽車；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)；動(dòng)力經(jīng)濟(jì)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(jié)合純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車優(yōu)點(diǎn)的混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electric Vehicles，HEV)成為研究的熱點(diǎn)[1-2]。

在HEV設(shè)計(jì)方面，秦大同，等[3]對(duì)輕度混合動(dòng)力進(jìn)行了匹配研究；黃大星，等[4]研究了微混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配；那鵬飛[5]從發(fā)動(dòng)機(jī)選型和功率計(jì)算兩方面討論混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的相關(guān)問題；鄧文娟，等[6]針對(duì)XMQ6103GF2城市公交客車提出一種以動(dòng)力系統(tǒng)功率最小化為目標(biāo)，動(dòng)力性能指標(biāo)為約束條件的參數(shù)優(yōu)化匹配方法；崔淑梅，等[7]為使電氣無級(jí)變速器能在混合動(dòng)力系統(tǒng)中合理應(yīng)用，研究了其最優(yōu)參數(shù)的匹配；郭寬友，等[8]以燃料經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)中的動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)的匹配進(jìn)行了分析。

鑒于此，筆者針對(duì)一款單電機(jī)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，選擇擁堵、市區(qū)、市郊和高速這4類標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)作為動(dòng)力系統(tǒng)匹配的特征工況，進(jìn)行關(guān)鍵零部件(發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、電池，CVT)的參數(shù)設(shè)計(jì)，在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上搭建整車模型，進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)和燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真計(jì)算。

1 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)分析

該并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、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(dòng)力系統(tǒng)Fig.1 Parallel hybrid electric system

其工作模式包含純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并充電、再生制動(dòng)。驅(qū)動(dòng)模式及離合器邏輯狀態(tài)表如表1。

表1 三向爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布

2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)功率匹配設(shè)計(jì)

2.1 行駛工況的選定及特征參數(shù)的提取

根據(jù)混合動(dòng)力汽車行駛的環(huán)境特點(diǎn)以及經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(NYCC、1015、NEDC、HWFET)作為動(dòng)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(jù)汽車?yán)碚揫9]，求取整車需求功率計(jì)算公式：

(1)

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

結(jié)合整車結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2)，根據(jù)式(1)求取每個(gè)循環(huán)工況點(diǎn)的需求功率，并把需求功率按照0～10，10～20，20～30，>30 kW計(jì)算其功率分布，結(jié)果如圖3。

表2 整車參數(shù)

圖3 功率分布Fig.3 Power distribution

2.2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)需要滿足的條件：

1)滿足高速工況及市郊工況的驅(qū)動(dòng)功率需求；

2)發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)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(dòng)機(jī)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(jīng)過計(jì)算，滿足最高車速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率應(yīng)大于63 kW；滿足30%的爬坡度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率應(yīng)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(dòng)機(jī)的最大功率為68 kW，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，通過臺(tái)架試驗(yàn)得到發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性，如圖4。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗Fig.4 Engine fuel consumption

2.2.2 ISG電機(jī)功率匹配設(shè)計(jì)

ISG電機(jī)需要滿足的條件：①滿足擁堵工況時(shí)驅(qū)動(dòng)功率的需求；②滿足車輛起步的要求；③滿足純電動(dòng)性能的要求；④滿足混合驅(qū)動(dòng)時(shí)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(jī)的峰值功率Pm,max為30 kW，額定功率為18 kW；同時(shí)為了使電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更好的匹配，選擇電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min。

通過臺(tái)架試驗(yàn)得到ISG電機(jī)的效率，如圖5。

圖5 電機(jī)效率Fig.5 Motor efficiency

2.2.3 電池參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

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

為滿足ISG電機(jī)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(jī)的平均效率，取為0.8。

為滿足純電動(dòng)續(xù)駛里程要求，則需要的動(dòng)力電池組容量為：

(5)

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

經(jīng)過式(4)和式(5)計(jì)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(shè)計(jì)

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(yīng)滿足下面關(guān)系，即：

(6)

式中：nou為耦合器的最高轉(zhuǎn)速。

另外，混合動(dòng)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(zhuǎn)矩。

經(jīng)過計(jì)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(dòng)力系統(tǒng)性能仿真

為驗(yàn)證所匹配動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的正確性，采用數(shù)值模型和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法，與在MATLAB/ Simulink仿真平臺(tái)上搭建整車模型，分別對(duì)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行仿真。

3.1 整車動(dòng)力性能仿真

筆者從加速時(shí)間、爬坡度和最高車速這3個(gè)評(píng)價(jià)動(dòng)力性指標(biāo)的角度，進(jìn)行了純電動(dòng)模式和混合驅(qū)動(dòng)模式下的動(dòng)力性能仿真，結(jié)果如表3。

表3 動(dòng)力性能仿真結(jié)果

由表3可以看出，0～50 km電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的加速時(shí)間為5.91 s，滿足國標(biāo)對(duì)電動(dòng)汽車加速性能指標(biāo)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(dòng)力汽車動(dòng)力性指標(biāo)的要求。

3.2 整車經(jīng)濟(jì)性能仿真

筆者采用“城市+城郊”循環(huán)工況NEDC對(duì)車輛經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，仿真結(jié)果如圖6。

圖6 NEDC工況仿真結(jié)果Fig.6 NEDC condition simulation results

從圖6中可以看出，車速可以實(shí)現(xiàn)很好的跟蹤，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)合理的分配，從而使電池SOC保持相對(duì)的平衡。

圖7給出了燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真結(jié)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(gè)仿真結(jié)果還可以看出控制策略對(duì)工況的適應(yīng)性較差，是筆者下一步研究的重點(diǎn)。

圖7 燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真比較Fig.7 Simulation comparison of fuel economy

4 結(jié) 語

1)選擇具有代表性的擁堵、市區(qū)、市郊和高速這4類標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)作為動(dòng)力系統(tǒng)匹配的特征工況，進(jìn)行關(guān)鍵零部件(發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、電池，CVT)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。

2)根據(jù)MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建整車性能仿真模型，進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)和燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真計(jì)算。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車能滿足動(dòng)力性指標(biāo)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%。

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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(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1402903)

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

U461.8

A

1674-0696(2015)02-156-05