混聯式混合動力汽車參數匹配設計及性能仿真

石洪，張蕾

（1.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津300222；2.天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津300222）

混聯式混合動力汽車參數匹配設計及性能仿真

石洪1，張蕾2

（1.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津300222；2.天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津300222）

對混聯式混合動力汽車動力系統各部件進行選型及參數匹配設計，選定合適的發動機、動力電池、ISG電機和驅動電機的型號及參數，并運用CRUISE仿真平臺建立該動力系統整車模型并進行性能仿真。仿真結果表明：該動力系統動力性能滿足設計要求，汽車部件選型及參數匹配合理，為混合動力汽車的設計提供了理論依據。

混聯式混合動力汽車；參數匹配設計；動力系統；CRUISE

發展混合動力汽車（hybrid electric vehicel，HEV）的必要性在于其具有良好的社會效益和經濟效益，并能夠優化能源消耗結構［1］。混合動力汽車動力系統參數匹配設計是HEV前期開發的重要前提和基礎性工作［2］。混聯式混合動力汽車（parallel-series hybrid electric vehicle，PSHEV）兼有串聯式和并聯式混合動力汽車的優點，適用于各種工況，在轎車上的應用較多，能夠有效改善汽車燃油消耗及降低排放。本文選擇PSHEV動力系統為研究對象，對其動力部件進行選型和參數匹配設計，借助CRUISE仿真平臺建立整車模型，并對該PSHEV動力性和經濟性進行仿真，為PSHEV后期開發提供依據。

1　混聯式混合動力汽車布置形式

PSHEV動力系統布置簡圖如圖1所示。PSHEV有2種能量復合形式：一種是發動機與動力電池之間以電力形式進行動力耦合，此種動力耦合方式與串聯式混合動力汽車相似，發動機的機械能經過動力分配機構驅使ISG電機發電，與來自蓄電池的電能耦合后通過驅動電機輸出給主減速器；另一種是發動機與動力電池之間以機械形式進行動力復合，此種動力耦合方式與并聯式混合動力汽車相似，發動機產生的機械能與驅動電機產生的機械能通過動力復合機構進行動力耦合后傳遞給主減速器。

圖1　PSHEV動力系統

本文的動力復合及分配機構采用雙行星排結構，發動機連接第1個行星排行星架，ISG電機與驅動電機分別與2個行星排的太陽輪連接，第2個行星排行星架固定，2個行星排共用一個行星架向車輪輸出機械能。

2　混合動力系統部件參數選型及匹配設計

PSHEV整車參數如表1所示。汽車設計要求如表2所示。通過表中參數對汽車各部件進行參數設計。

表1　汽車整車參數

表2　汽車設計指標

PSHEV動力系統參數設計主要確定發動機、ISG電機、驅動電機、動力電池、傳動比等部件參數。

2.1發動機參數匹配及選型

發動機功率應遵循3個基本原則，即發動機功率應同時滿足汽車在平直路面上以一定車速高速巡航的動力性要求、汽車爬長坡的動力性要求以及發動機單獨驅動時的加速要求。3個基本原則的計算公式分別為：

式中：P為功率；vcruise為汽車巡航車速；ηt為傳動系傳動效率；m為汽車質量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數；CD為風阻系數；A為迎風面積；tm為0～100 km/h加速時間；δ為車輛旋轉質量換算系數；vm為加速時最終速度；vi為爬坡速度；αmax為最大爬坡度對應的斜坡與水平面夾角。

由式（1）-（3）得出Pmax1=26.061 kW、Pmax2=48.936 kW、Pmax3=51.089 kW，所以發動機功率應大于等于51 kW。考慮到發動機工作在經濟區域，需要10%左右的功率富余量；而發動機在行車過程中，還需要一部分額外能量為蓄電池充電，通過對比確定選取4G13S發動機，其基本參數如表3所示。

表3　發動機參數表

2.2傳動比參數匹配

對傳動比的匹配設計，需要確定最大傳動比和最小傳動比，計算公式為［3］：

式中：i為汽車傳動比；nemax為發動機最高轉速；rw為車輪有效滾動半徑；Tmax為發動機最高轉矩。

由上式計算得出imin=3.05、imax≥13.84，本文取主減速傳動比為5.68，行星排齒圈與太陽輪之比為1.454。

2.3驅動電機參數匹配

永磁電動機具有效率高、結構緊湊、低轉速時大轉矩、易于再生制動控制等優點，在EV和HEV動力系統中應用最廣泛［4］，因此本文以永磁電動機作為該車的驅動電機。

驅動電機需確定2個參數：自然轉速與額定功率。驅動電機的自然轉速應大于等于車輛最高行駛車速所對應的驅動電機連接點的轉速值，驅動電機的自然轉速計算公式為：

式中：nMmax為主電機需求轉速；k2為主電機到主減速器之間的傳動比；i0為主減速器速比；vemax為汽車純電動行駛最高速度。

驅動電機功率必須滿足汽車純電動巡航、爬坡和加速時的要求，分別由式（1）-（3）求出。

純電動巡航速度取90 km/h，百米加速時間取值22 s，由式（6）計算得nMmax≥4 834.863 r/min。由式（1）-（3）得到Pmax1=14.171 kW、Pmax2=48.936 kW、Pmax3=47.278 kW，因此主電機額定功率應大于等于48.936 kW，選擇永磁電動機功率為50 kW，驅動電機參數如表4所示。

表4　驅動電機參數

2.4ISG電機選擇

ISG電機作為啟動機時，額定轉矩應滿足汽車怠速啟動的要求，即電機能在規定時間內將發動機拖轉至怠速轉速，該額定轉矩的計算公式為：

式中：TG為在t時間內將發動機拖轉至怠速轉速所需轉矩；nidle為發動機怠速轉速；I為發動機轉動慣量；t為將發動機啟動到怠速轉速所需要的時間；me為發動機質量；re為發動機氣缸半徑。

由式（7）、式（8）可得TG=23.175 N·m，由于發動機最高轉速為6 000 r/min，ISG電機應大于發動機最高轉速，初步選定ISG電機轉速為6 500 r/min，電機基速為3 000 r/min［5］。對應的ISG電機峰值功率為：

式中：PISG為ISG電機的峰值功率；ωb為ISG電機基速。

根據式（9）計算得PISG=11.588 kW，最終選定ISG電機參數如表5所示。

表5　ISG電機參數表

2.5能量存儲單元選型及參數匹配

氫鎳電池具有良好的充電特性、較高的能量利用率及安全的適用性，幾乎高達100%的充電特性也能更好地回收汽車制動或減速時產生的能量，使用壽命長，受頻繁充放電影響狀態小。本文用氫鎳電池作為汽車能量存儲單元［6］。氫鎳電池的參數匹配設計需要確定2個參數：電池個數和電池容量。

2.5.1氫鎳電池個數計算

氫鎳電池單體個數的確定應滿足2個基本條件：一是電池充放電功率應與發電機的功率相適應，二是動力電池功率應滿足驅動電機正常工作時的所需功率。由于驅動電機功率遠大于ISG電機，動力電池需求功率滿足條件二即可，計算公式為：

由動力電池所需功率除以單體氫鎳電池的功率可得所需單體氫鎳電池的個數，計算公式為：

式中：Ps為滿足主電機正常工作所需的功率；ηM為主電機傳動效率；ηc為功率轉換器效率；ns為氫鎳電池的個數；Pb為單體氫鎳電池功率；U為單體氫鎳電池電壓；R為單體氫鎳電池電阻。

由式（10）可得Ps≥58.480 kW，單體氫鎳電池電壓為1.2 V，一般氫鎳電池6個為一組，每組電壓為7.2 V，由式（12）得出ns=189.519。此處取整，則該車氫鎳電池組為192組。

2.5.2氫鎳電池電量計算

氫鎳電池功率需滿足汽車純電動低速巡航要求，該功率由式（1）求得，蓄電池的電容計算公式為：

式中：ve為汽車純電動低速巡航速度；Q為蓄電池的容量；Qb為蓄電池電能；ηb為電池組效率；ηm為主電機傳動效率；Ub為工作電壓；SH、SL為SOC上下限值；PB為滿足汽車純電動低速巡航時所需瞬時功率；L為純電動模式續航里程。

由式（13）和（14）得出PB=6.888 kW、Qb=5 740 Wh、Q≥24.282 Ah。由于ns=192，單體氫鎳電池組電壓為7.2 V，電容為9 Ah，綜合考慮將192組電池平均分成3組，每組64個，64個氫鎳電池組串聯，再將3組并聯，基本參數如表6所示［7］。

表6　氫鎳電池參數表

3　整車性能仿真

3.1建立仿真模型

本文運用CRUISE軟件對該車混合動力系統建立整車模型，根據動力總成結構依次建立發動機、ISG電機、驅動電機、氫鎳電池、行星排等部件模塊，建立各個部件的電氣連接、機械連接以及信號連接，以確定各部件之間的能量傳遞關系及信號命令傳輸路徑，整車模型如圖2所示。

圖2　混聯式混合動力汽車動力系統總成

圖2中，發動機、ISG電機及驅動電機由2個行星排進行動力分配及動力復合，輸入表1中的汽車基本參數及本文所匹配的各個部件參數值。

3.2計算任務設定

建立整車模型后，根據設計需要設定計算任務進行仿真。對混合動力汽車動力系統設計的關鍵在于在滿足汽車動力性要求的前提下，以提高汽車燃油經濟性、降低汽車尾氣排放為目標，所以主要計算任務為動力性能仿真和燃油經濟性仿真。動力性能仿真任務包括汽車的最高車速、百米加速時間、最大爬坡度；汽車燃油經濟性任務，需要選定一種測試工況，本文選取歐洲NEDC循環工況作為測試工況，在cycle run任務下寫入NEDC測試工況mat數據文件。

3.3仿真結果分析

運用CRUISE軟件對該混合動力汽車進行仿真，并選擇2款市場上的HEV的動力性與經濟性進行對比，結果如表7所示。

表7　混合動力模型仿真結果

（1）由動力性仿真結果可知，該汽車模型動力性能滿足最初的設計指標，說明混合動力系統總成及動力裝置選型及匹配合理。

（2）與對比車1相比，本文設計的PSHEV最高車速高出13.3%，百米加速性能較差，這是由于動力源功率相對較低、傳動比設置及整車功率提升較慢所致；NEDC循環工況下燃油消耗為2.34 L/km，油耗降低44.29%，主要是由于本文發動機排量及功率較低。

（3）與對比車2相比，本文PSHEV最高車速依舊較高，這主要是由于傳動比的設置原因；百米加速性能相對較差，這是由于發動機及電機功率均較低的原因；油耗雖然略高17%，但2.34 L/km的油耗在目前混合動力汽車中依舊相對較低。

（4）PSHEV速度跟隨曲線如圖3所示。由圖3可知，該混合動力汽車實際車速與期望車速基本吻合，表明該汽車模型對仿真工況車速變化具有良好的跟隨性，也證明了該仿真模型的正確性。

圖3　NEDC仿真PSHEV速度跟隨

4　結束語

本文對以雙行星排為動力分配及復合裝置的混聯式混合動力汽車部件進行了選型及參數匹配設計，運用CRUISE軟件建立了混合動力系統整車模型，并進行了性能仿真，驗證了參數匹配設計的合理性。仿真結果表明：本文設計的該款車型相對于對比車1最高車速較高，百米加速性能略差，但是燃油經濟性更好；與對比車2相比最高車速較高，百米加速性能相對較差，燃油經濟性略低。上述研究表明該車具有可行性，有一定的市場競爭力，可實現的混合度較高，對燃油經濟性的改善較好。

［1］史程.混合動力汽車的發展現狀與未來［J］.黑龍江生態工程職業學院學報，2012，25（4）：46-47.

［2］孫元濤，王亮，石偉，等.混聯式混合動力汽車動力系統參數匹配的研究［J］.黑龍江工程學院學報，2014，28（6）：21-28.

［3］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］MI C，MASRUR M A，GAO W Z.混合動力電動汽車原理及應用前景［M］.趙志國，姜嬌龍，譯.北京：機械工業出版社，2013.

［5］王興.基于CRUISE的混聯混合動力客車建模與仿真研究［D］.鄭州：鄭州大學，2013.

［6］魏朝陽.并聯混合動力汽車驅動系統參數設計及匹配研究［D］.重慶：重慶交通大學，2014.

［7］王喜明，郭志軍，李忠利，等.混合動力汽車動力電池組參數匹配［J］.河南科技大學學報：自然科學版，2011，32（4）：19-23.

Parameter matching and performance simulating of series/parallel hybrid electric vehicle

SHI Hong1，ZHANG Lei2
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

The dynamic components selection and parameter matching of different parts of dynamic system of PSHEV is designed in this paper.The types and parameters of the appropriate engine，power battery，ISG motor，drive motor are selected.Using CRUISE simulation platform establish the vehicle power system model and simulate its performance.The simulation results show that the dynamic system meet the design requirements，and the selection of the components and the parameters are reasonable，which provides a theoretical basis for the design of hybrid power vehicles.

series/parallel hybrid electric vehicle；parameter matching；dynamic system；CRUISE

U469.7

A

2095－0926（2016）03－0014－05

2016-03-14

天津職業技術師范大學科研發展基金項目（KJ15-08）.

石洪（1989—），女，碩士研究生；張蕾（1975—），女，教授，碩士生導師，研究方向為汽車現代設計方法、故障診斷技術及計算機輔助技術.