新能源混合動力汽車動力傳動系的參數匹配與仿真計算

祖炳潔，高坤，馬馳

新能源混合動力汽車動力傳動系的參數匹配與仿真計算

祖炳潔，高坤*，馬馳

（石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043）

根據某款中型轎車的能源改造需求，對并聯混合動力方案及傳動系關鍵部件參數進行了選型與計算。選擇單排行星齒輪機構作為混合動力輸出的轉速耦合裝置，并盡力保持原車傳動系制造工藝變動較小的原則；在ADVISOR 2002環境中，建立了發動機、電動機、轉速合成器、變速器、減速器等裝置組成的動力傳動系統整體仿真模型。依據整體仿真模型對混合動力車輛的動力性和經濟性做了仿真分析，并對動力傳動系參數的匹配方案做了初步優化。

混合動力汽車；轉速合成裝置；動力參數匹配；傳動系參數優化

相對于傳統燃油汽車和純電動汽車，混合動力汽車在節能、環保、動力性、比功率方面實現了兩者優點的折衷統一，并能極大拓展能源選擇的空間，因此在電池技術尚未取得突破的今天，混合動力汽車在汽車主流產品中占有不可或缺的一席之地。省油、低成本、成熟技術、高可靠率是混合動力汽車未來發展的決定性因素。

混合動力汽車的關鍵技術之一就是兩種動力的合成及與傳動系參數匹配及優化的問題。根據某款中型轎車的能源改型需求，對混合動力方案以及傳動系的參數匹配做了整體設計。

1 整車動力系統傳動方案

已知某款中型轎車整車參數如表1所示。根據設計要求，將原車汽油機－機械傳動系統改為新能源并聯混合驅動方式，并盡量保持原車傳動系制造工藝變動較小的原則。改型后的傳動方案如圖1所示。

表1 整車參數

圖1 并聯式混合動力傳動系組成

混合動力汽車傳動系統由發動機、離合器、電機、電池、動力合成器等部分組成，其中的關鍵部件——動力合成器采用具有兩個轉動自由度的單排行星輪系結構[1]。依據轉動自由度分類，該動力合成器屬于轉速合成器。轉速合成器的基本構成和原理如圖2所示。輸入輸出轉矩、輸入輸出轉速滿足關系式（1）。

式中：3為轉速合成器的輸出轉矩，N·m；1、2為兩動力源單獨輸入時、轉速合成器的傳動比；1、2為發動機和電動機的輸入轉矩，N·m；3為轉速合成器的輸出轉速，r/min；1、2為發動機和電動機的輸入轉速，r/min。

圖2 轉速合成器原理圖

轉速合成器工作邏輯比較簡單，結構緊湊，受力均勻，轉速控制靈活。特別是通過對發動機和電動機的單獨轉速控制，可以實現發動機和電動機的工作特性匹配，實施精細控制策略，如利用發動機高速區域高功率、比油耗低，電動機低速區域轉矩大、高效率的優勢，峰值功率、峰值扭矩工況采用混合動力合成輸出的模式。由此充分發揮兩個動力優勢互補，在保障足夠的加速性能同時發揮更優的經濟性能。

此外轉速合成器還能很好地實現兩個動力源的合成與分解：通過調節發動機或電動機的轉速能夠實現輸出軸的轉速調節和穩定變化；發動機的動力還可一分為二，一路輸入變速箱，另一路供給電動機（電動發電機兩用）發電，儲存剩余能量。

可見，作為混合動力汽車的關鍵部件——動力耦合裝置，轉速合成器由于具有明顯的優勢，在動力合成器中具有良好的應用前景。

2 混合動力傳動系參數匹配與計算

2.1 動力傳動系工作策略與匹配原則

（1）中型轎車的主要動力指標為穩定行駛的最高速度，因此高速穩定工況為發動機額定功率的計算依據；

（2）起步、爬坡等短時過渡工況需要恒定大轉矩的支持，主要依靠電動機低速大轉矩的過載能力和傳動系總傳動比的最大變矩能力。

（3）60～80 km/h之間的超車加速工況，設定以發動機為主、電動機為輔混合輸出動力，共同提供峰值功率和轉矩。

根據上述原則進行動力與傳動系的參數計算。按照行業設計標準，整車性能設計指標如表2所示。

表2 整車性能指標

2.2 發動機動力參數設定

發動機額定功率應滿足平坦路面穩定行駛的最大車速（max≥130 km/h）要求，同時應滿足車速＝90 km/h時爬坡度≥5%的要求。前者按式（2）計算，后者按式（3）計算[2]。

式中：U為車速，km/h；為機械傳動效率，取0.9。

式（2）、式（3）計算后取大值得到額定功率為31 kW。考慮一定的功率余量，選擇發動機最大功率為45 kW。據此選定發動機型號為4缸8氣門多點電噴汽油機，其動力參數為最大功率及轉速45 kW（5500 r/min）、最大扭矩及轉速100 N·m（4000 r/min）。

2.3 電動機動力參數匹配

市區內行駛需要頻繁地起停、加速，要求足夠的轉矩支持；而城市快速路行駛，要求足夠的功率支持。按照市區內行駛以純電動模式為主的設計原則，電機的驅動特性應近似低速恒轉矩、高速恒功率的理想驅動特性，以保障電機各個工況的高效率[3]。

該車市區行駛的動力性指標要求為原地起步加速0～60 km/h所用加速時間＜10 s，60～80 km/h區間超車加速所用加速時間＜15 s，城市道路最高車速80 km/h。

（1）額定功率計算：

以市內最高穩定車速80 km/h作為電機額定功率的計算依據，沿用式（2）計算，求得額定功率為16 kW。

（2）峰值功率計算

首先假定坡道行駛所需功率最大，以坡道行駛速度25 km/h、最大爬坡度30%作為電機峰值功率的計算依據，沿用式（3）計算，求得峰值功率為41 kW。

（3）超車加速時間計算與功率驗證

在60～80 km/h超車加速時，車輛的速度與加速度都在變化，所需功率不好計算，因此不能直接與坡道功率比較。可以將坡道功率代入式（4）驗算超車加速時間，進而比較超車加速所需的功率大小。

式中：為汽車旋轉質量轉換系數，取1.06。

式（4）中代入1＝60 km/h、2＝80 km/h，采用數值積分方法編程計算，可求解得到超車加速時間。

將電機最大爬坡度功率值41 kW代入式（4），得超車加速時間＝7.28 s＜15 s；

采用混合動力互補做為峰值功率，此時混合動力為兩動力的額定功率之和，即31＋16＝47 kW，代入式（4），得到超車加速時間＝6.78 s＜15 s。

顯然，最大坡道行駛功率為峰值功率。

（4）電機額定轉矩計算

從混合動力轎車的成本考慮，選擇峰值轉速不高于6000 r/min的普通電機，并設計電機額定轉速為3000 r/min、峰值轉速為6000 r/min。

驅動電機的額定轉矩為：

式中：P為額定功率，kW；n為額定轉速，r/min。

求得額定轉矩為T＝79 N·m。

（5）電機峰值轉矩計算

峰值轉矩為：

式中：為電機過載系數，一般取2～4，本次設計取值為3，以提高電機自身的過載能力，同時可減小傳動系的總傳動比[4]。

求得峰值轉矩T＝237 N·m。

由此求得電機參數如表3所示，在0～6000 r/min工作轉速之間的機械特性如圖3所示。

表3 電動機參數

圖3 電機0～6000 r/min工作轉速的機械特性

2.3 轉速合成器參數

本設計選擇的轉速合成器為單排行星輪系，按照該車傳動系尺寸匹配條件，選擇的轉速合成器結構參數＝2.15，的定義為：

由此算得轉速合成器兩個動力單獨驅動時的傳動比1＝1＋＝3.15；2＝(1＋)/＝1.46。

2.4 主減速器傳動比、變速器最大速比的確定

（1）主減速器傳動比需要滿足車輛行駛時的最高車速，即：

式中：N為發動機最高轉速，r/min；max為最高設計車速，km/h；為車輪旋轉半徑，m。

代入求得0≤7.09。一般混動汽車主減速器傳動比0范圍為4≤0≤6，為了提高發動機高轉速速區間的功率負荷率[5]，選擇較小的主減速器傳動值0＝4.2。

（2）變速器最大速比需要滿足克服最大爬坡度時阻力矩的要求，即：

式中：max為電機峰值力矩，N·m；0為發主減速器傳動比；max為變速器最大速比；max·0·max為最大爬坡度時的阻力矩，N·m。

求得變速器最大傳動比max＝1.677。

傳動系總傳動比為總＝0·max＝7.01。

至此，混合動力傳動系部件之間的邏輯關系以及匹配參數全部確定。

3 建立混和動力傳動系統仿真模型

雖然混動汽車動力傳動系的各個部件參數已經確定，但動力傳動系各部件參數之間的相互關系對整車的性能影響，依據傳統設計方法無法直觀判斷，只能依靠傳統的道路試驗。借助計算機輔助開發工具ADVISOR軟件可以突破傳統設計方法的局限。通過ADVISOR軟件對混動汽車進行整車建模，可以直接分析、觀測傳動系參數對動力性能及其經濟性能的影響，并能實時在線修改參數、實時輸出結果進行優化對比[6]。顯然，現代設計方法體現出無與比擬的巨大優勢。

3.1 動力傳動系整體建模

依據ADVISOR軟件的強大仿真功能，首先對該車車身、驅動電機、蓄電池組、發動機、主減速器、變速器、轉速合成器、車輪及半軸等部件進行仿真建模。然后將以上部件模型作為整車的子系統首尾連接起來進行封裝，從而建立整車系統的仿真模型[7]。進行動力性能仿真需要勾選Acceleration Test和Gradeability Test兩個選項，并在彈出窗口中設置汽車的試驗標準來進行加速性能和爬坡性能測試。

點擊RUN后，仿真模型開始運行、并顯示仿真結果。

3.2 仿真結果與分析

混合動力汽車的性能指標主要包括動力性指標和經濟性指標。利用ADVISOR的仿真功能，可以分析最大加速度、爬坡度、最高車速等動力指標，和車輛續駛里程數、電池組SOC值、車輛燃油消耗等經濟性指標，以及尾氣排放等環保指標。根據前面計算的動力傳動系匹配參數（表4），所做仿真結果的主要性能指標如表5所示。從加速時間及最大爬坡度看出，發動機和電動機都有一定的功率余量，特別是60～100 km/h的加速時間僅為2.7 s，比理論計算值小很多。為實現動力傳統系統的參數匹配更優、減少動力余量，可以利用ADVISOR在線仿真、實時輸出結果的功能，按一定規則組合不同的匹配方案進行比較[9]。仿真過程中已知影響混動汽車百公里油耗的最大因素為電池荷電狀態SOC和滾動阻力系數，為保障混動汽車的良好經濟性，應保證電池一直處于較高的荷電狀態，因此匹配動力傳動系不同參數方案時，不再改變電池參數[10]。同時在保證動力性能不低于設計指標的約束條件下，對動力傳動系的發動機、電動機、主減速比、變速箱最大速比四個參數進行組合。將發動機、電動機峰值功率按一定步長（2 kW）逐漸減小；主減速比與變速箱最大速比取值呈反比變化。由此算得一組優化后的匹配參數（表4）仿真結果最好（表5）：0～60 km/h起步加速時間為4.2 s，60～100 km/h加速時間為3.2 s，0～100 km/h起步加速時間為7.1 s，且最大加速度為3.6 m/s2，最大車速為133.6 km/h，百公里油耗為3.7 L。綜上可見最大車速已接近約束條件（最大車速≥130 km/h），仿真計算結束，匹配方案滿足性能設計要求。

表4 動力傳動系優化前后匹配參數

表5 優化參數前后主要性能仿真結果

4 小結

對某款中型轎車的傳動系進行并聯混合動力傳動系的設計與參數匹配，結果表明：

（1）轉速合成器具有工作邏輯簡單、結構緊湊、受力均勻、轉速控制靈活等優點，能夠很好地實現兩個動力源的合成與分解。通過對發動機和電動機的單獨轉速控制，可以充分發揮發動機和電動機優勢互補的特點，在保障足夠的加速性能、同時能夠發揮更優的經濟性能。

（2）利用ADVISOR仿真軟件，可以方便有效地進行新能源汽車混合動力傳動系的參數匹配、仿真計算和優化對比，對混合動力傳動系統的設計和匹配優化具有良好的指導意義。

[1]宮喚春，宋志遠. 混合動力汽車傳動系統參數匹配設計[J]. 汽車工程師，2019（10）：27-30.

[2]余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社，2009：75-87.

[3]曾小華，王慶年，李駿，等. 基于ADVISOR2002混合動力汽車控制策略模塊開發[J]. 汽車工程，2004，26（4）：394-396.

[4]王勇. 純電動汽車雙驅動力傳動系統參數匹配與控制方法研究[D]. 重慶：重慶大學，2018.

[5]曾育平. 插電式混合動力汽車動力傳動系統參數匹配優化[J].南昌工程學院學報，2017，36（4）：59-64.

[6]牛秦玉，李珍惜，王智超，等. 電動汽車動力傳動系統參數匹配與優化[J]. 機械傳動，2019，43（2）：129-136.

[7]彭大. 插電式并聯混合動力汽車動力傳動系統與控制參數匹配優化[D]. 重慶：重慶大學，2011.

[8]鄧濤，周豪，唐鵬. 并聯混合動力傳動系統結構創新設計研究[J]. 汽車工程，2018，40（9）：997-1004.

[9]萬帆，傅春耘，蓋江濤，等. 插電式混合動力汽車動力傳動系統的參數匹配及仿真[J]. 重慶理工大學學報（自然科學），2015，29（6）：19-26.

[10]張鵬，馬海英，侯曉曉. 礦用汽車動力傳動系統參數匹配建模優化[J]. 機械設計與制造，2019（6）：60-64.

Parameter Matching and Optimization of Power Train of New Energy Hybrid Electric Vehicle

ZU Bingjie，GAO Kun，MA Chi

( School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China )

According to the energy transformation needs of a medium-sized car, the key components of its new energy parallel hybrid power scheme and drive train were selected and calculated. A single-row planetary gear mechanism is selected as the speed coupling device for hybrid power output, and the composition of other mechanisms of the original car's drive train is remained unchanged. In theADVISOR2002 environment, an overall simulation model of power transmission system have been established, which includes the engine, electric motor, speed synthesizer, transmission, reducer and other devices. The dynamic and economic performance of the hybrid electric vehicle are simulated and analyzed, and the matching scheme of the power train parameters is initially optimized.

hybrid electric vehicle；speed synthesis device；power parameter matching；drive train parameteroptimization

U463.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.001

1006－0316 (2021) 02－0001－06

2020－08－13

國家自然基金項目：獨立驅動電動載貨汽車三維耦合動力學及縱－橫－垂向協調控制（11972238）；河北省教育廳重點項目：新能源混合動力汽車動力傳動系的匹配與優化（ZD2020346）

祖炳潔（1961－），女，河北秦皇島人，碩士，教授，主要研究方向為車輛工程。*通訊作者：高坤（1996－），男，河北張家口人，碩士研究生，主要研究方向為車輛工程，E-mail：1335462428@qq.com。