單軸并聯混合動力汽車動力系統參數匹配研究

吳曉亮，付景順，孫志強

單軸并聯混合動力汽車動力系統參數匹配研究

吳曉亮，付景順，孫志強

（沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110000）

為了更好地研究混合動力汽車的性能，根據混合動力汽車的設計要求，對混合動力汽車的基本參數進行了標定。運用理論計算法對發動機、電動機以及電池組進行了選型與參數匹配，利用ADVISOR2002進行了仿真驗證，為以后混合動力系統的研究提供了一定的參考。

混合動力汽車；并聯式；參數匹配

前言

近年來，我國汽車的保有量在不斷增加，環境污染日益加重，石油危機依舊沒有從根本得到解決。在國家“綠水青山就是金山銀山”的大政策下，新能源汽車已經成為汽車產業的發展方向。相對混合動力汽車，純電動汽車雖然具有比較突出的環保優勢，但是其產業發展的研究總體上還處于起步階段，受限于燃料電池等關鍵技術，其行駛路程短、動力性能差以及成本高等問題沒有得到解決，所以，純電動汽車發展的局限導致其很難市場化[1]。混合動力汽車兼顧傳統汽車與純電動汽車的優勢，對動力電池沒有過于苛刻的要求，很好地解決這一難題，目前，混合動力汽車（HEV）的研發已經成為各國新能源車輛開發的新熱點，具有特別好的發展前景。

1 并聯式混合動力系統結構

本文選用單軸并聯混合動力系統，其中主要包括電機、發動機以及動力電池三大動力元件，圖1為該系統的示意圖。

圖1 并聯混合動力系統示意圖

2 整車基本參數

混合動力系統動力參數匹配的第一個問題便是目標車輛車型定位問題，本文研究的車型為中型混合動力卡車，車輛基本信息參考現有車型，整車參數及性能要求如表1所示。

表1 整車基本參數的標定

指標參數 整車整備質量/kg5 500 整車滿載質量/kg12 000 車身寬度/mm6 838/2 344/2 670 軸距/mm4 250 滾動阻力系數0.015 主減速比4.875 車輪滾動半徑/m0.51 傳動系效率0.9 空氣阻力系數0.5 迎風面積/m26.258

為保證車輛的動力性能，參數匹配需要滿足動力性能需求，根據傳動系統運行特征分別匹配各個部件的功率，本文研究車輛性能目標如表2所示。

表2 車輛動力性能指標

指標參數 發動機驅動最高車速/(km/h)≥90 混合動力驅動最高車速/(km/h)≥110 發動機驅動最大爬坡度(%/7km/h)≥25 混合動力驅動最大爬坡度(%/7km/h)≥30 發動機驅動0～50 km/h加速時間/s≤40 混合動力驅動0～50 km/h加速時間/s≤25

3 主要部件參數匹配

3.1 總功率參數

整車總功率匹配分別依據最高行駛車速max(km/h)、最大爬坡角度要求max(%)以及0～50 km/h加速時間()來計算。

（1）根據最高車速求得的總功率：

式中：η為傳動系的效率；為滾動阻力系數。代入整車滿載質量、空載質量可以得到功率參數見表3。

表3 最高車速需求功率

整車質量/kg發動機功率/kW總功率/kW 滿載12 00082.3120.7 空載5 50055.788.2

（2）根據最大爬坡度確定最大功率：

式中：max為最大爬坡度；V則為爬坡時的車速。可以求得爬坡時所需求的功率見表4。

表4 爬坡需求功率（車速7 km/h）

整車質量/kg發動機功率/kW總功率/kW 滿載12 00093.4109 空載 5 50042.850.2

（3）根據0～50 km/h加速時間確定的最大功率：

加速度根據汽車起步加速過程的速度經驗公式得到[2]：

式中：為旋轉質量換算系數取值為1.086；t為加速時間系數，取9.2 s；為擬合系數，取0.5；v為時間t的瞬時速度，m/s。

經計算可得加速度1=0.362 m/s2、2=0.458 m/s2分別代入整車滿載與空載質量得到所需功率見表5。

表5 0～50 km/h加速所需功率

整車質量/kg發動機功率/ kW總功率/ kW 滿載12000105.7119.4 空載550051.554.8

綜上所述：動力源總功率P_max為：

3.2 發動機參數匹配

考慮到整車以最高車速（90 km/h）勻速行駛時所需功率約為82.3 kW和空調、散熱裝置等附件消耗的總功率在10～20 kW范圍[3]，最后選擇發動機功率為100 kW。

可用于混合動力汽車的發動機有轉子發動機、氣體透平機、二沖程發動機以及四沖程汽油機和柴油機等，各種發動機主要性能對比見表6[4]。

表6 發動機主要性能表

類型優勢劣勢應用情況 轉子發動機尺寸小、重量輕、暖機快、轉速與扭矩曲線平坦油耗大、環境污染比較嚴重可用于HEV 氣體透平機轉速高、比能量高、比功率高、效率可達30%～40%開關響應時間比較長比較適用于HEV 二沖程發動機結構簡單、自重輕、成本低、具有較好的動力性部件損耗快、經濟性差、技術不成熟可用于HEV但有待繼續研究 四沖程發動機整體技術成熟、成本低尺寸大、自重大適用于HEV

綜上所述由于四沖程發動機技術成熟和成本較低，因此本文混合動力卡車最后選擇功率為100 kW的直列四缸、水冷、高壓共軌柴油發動機。其技術參數如表7所示。

表7 發動機主要參數表

項目參數值 型式高壓共軌柴油發動機 缸數四缸 額定功率/kW100 額定轉速/rpm3 000 最大扭矩/Nm350 最大扭矩轉速/rpm1 600～2 800 排放標準國六

3.3 電機參數匹配

電機作為混合動力汽車驅動系統主要動力部件之一，不僅在車輛行駛中發揮著至關重要的作用，同時其參數也極大程度上影響著車輛最后的動力性能。其與發動機形成互補，一方面可以作為動力源直接對車輛進行動力輸出，另一方面還可在再生制動和行車發電等工況將多余的能量充入動力電池，實現能量的回收再利用[5]。現有市場的電機種類、各自優劣勢及電機特性如見表8。

表8 各類電機主要性能表

指標直流電機交流感應電機永磁同步電機開關磁阻電機 功率密度低一般高一般 轉速范圍/rpm4 000～6 0004 000～15 0009 000～15 000大于15 000 效率/%80～8779～8590～9578～86 過載能力/%200300～500300300～500 可靠性一般好較好好 尺寸及質量大、較重一般、一般小、輕便小、輕便 成本高低較低高

通過對上表的分析可知，直流電機雖然控制簡單，但其成本高、體積大功率密度低，汽車領域應用較少；交流感應電機調速范圍比較廣，但是這款電機功率也密度比較低；開關磁阻電機雖然轉矩特性好，但在車輛實際運行過程中通常會因機械振動而受損，因此限制了該類電機在汽車領域的應用；永磁同步電機由于功率密度高，轉速特性等諸多優點，同時結合本課題中混合動力卡車實際運行工況的特點，最終選擇永磁同步電機作為驅動電機。

在混合動力系統中，驅動電機作為動力輔助裝置，在汽車需求功率過大時如車輛起步、爬坡或者加速時，由電機做功率補償，使發動機輸出的功率與電機輸出的功率滿足車輛需求的最大功率。故電機參數用以下公式確定：

上式中：P為電機額定功率；P為發動機額定功率； Pmax為車輛所需最大功率。計算可得：kW。電機具體參數見表9。

表9 電機機參數

項目參數值 電機類型永磁同步電機 額定功率/kW25 峰值功率/kW42 額定轉速/rpm3 700 峰值轉速/rpm6 000 額定扭矩/Nm54 峰值扭矩/Nm150 電壓等級/v360 冷卻方式液冷

3.4 電池參數匹配

可循環充放電的二次電池是混合動力汽車的重要動力部件之一，電池的性能一方面受到使用次數和行車工況的影響，另一方面電池的實際性能又反過來影響到整車的性能水平[6]。現有市場上運用在混合動力汽車上的動力電池主要有鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰電池和燃料電池。每種電池都有其優劣勢，上述各類電池具體特性見表10。

表10 各類電池特性對比表

項目鉛蓄電池氫鎳電池鋰電池燃料電池 能量密度/(Wh/kg)60～90130～170140～220500 功率密度/(W/kg)150～400200～300200～300100 電池成本/kg1 000460333800 成本低較高較高極高

通過對上表的分析可知，鉛蓄電池雖然成本低，但是其能量密度較低，電池壽命較短；鎳氫電池功率密度比較高，但是成本也很高；而燃料電池雖然物理特性極佳，但是其存儲、運輸、補充等問題仍需解決；而鋰電池具有能量密度大、使用壽命長、單位質量續駛里程高、充放電特性優等諸多優點，故本文選取鋰電池作為車輛的儲能系統。在動力電池的參數設計需從車輛動力需求、動力電池容量等方面進行考慮。

電池需求功率根據電機需求功率確定，計算公式如下：

上式中：η表示電機控制器的轉換效率，取0.95；η表示電池化學能轉換為電能的效率，取0.95；0表示車輛其他附件的功率消耗，由于電機其輔助作用，所以0取0。代入上述公式可得電池功率kW，峰值功率為42 kW。

電池的容量與本身的最大充放電容量有關計算公式如下[7]。

上式中，C是最大充電速率的倒數；max、表示電池的最大發電電流與電壓（A/V）；U表示電池的額定電壓（V）。最終電池匹配參數見表11。

表11 電池參數表

項目參數 額定功率/kW24 峰值功率/kW42 容量/Ah10 放電率20 充電率10

4 整車性能仿真

基于advisor 2002，建立了并聯混合動力系統仿真模型，如圖2所示。對混合動力汽車的最大行駛車速速度、最大爬坡坡度和加速時間進行了仿真驗證。仿真結果如圖3、圖4所示。發動機單獨驅動時，汽車最大車速為91.8 km/h、0～50 km加速時間為21.3 s、最大爬坡度為25.3%；混合動力驅動時，汽車最大車速為111.6 km/h、0～50 km加速時間為11.5 s、最大爬坡度為37.9%。即兩種運行工況東滿足設計要求。

圖2 并聯式混合動力汽車仿真模型

圖3 發動機單獨驅動仿真結果

圖4 混合動力驅動仿真結果

5 結論

本文系統地對中型混合動力貨車的各主要部件進行了選型以及參數匹配。并對發動機單獨驅動與混合動力驅動兩種模式進行了動力上的仿真驗證，其各項性能均達到了設計的要求，完成了并聯式混合動力汽車的參數匹配，驗證了匹配法的可行性。

[1] 季新杰,李聲晉,方宗德.單軸并聯式混合動力汽車動力系統參數匹配的研究[J].汽車工程,2011,33(03):188-193+202.

[2] 秦浩.并聯式混合動力客車AMT換擋策略研究[D].長春:吉林大學,2014.

[3] 高龍飛.插電式同軸并聯混合動力系統參數匹配與控制策略研究[D].太原:太原理工大學,2019.

[4] 李振磊.混合動力電動汽車的動力系統設計與仿真[D].長沙:湖南大學,2007.

[5] 程晶晶,王建平,朱學慢,等.并聯式混合動力汽車動力系統的參數匹配及優化[J].新鄉學院學報,2019,36(03):54-58.

[6] 孫勇.混合動力汽車動力系統參數匹配及優化研究[D].沈陽:沈陽理工大學,2020.

[7] 林鑫焱,錢瀟瀟.插電式混合動力汽車動力系統參數匹配與仿真研究[J].汽車實用技術,2017(19):81-83.

Research on Parameter Matching of Powertrain of Single Axis Parallel Hybrid Electric Vehicle

WU Xiaoliang, FU Jingshun, SUN Zhiqiang

（School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110000）

In order to better study the performance of HEV, the basic parameters of HEV were calibrated according to the design requirements of HEV. The model selection and parameter matching of the engine, motor and battery pack are carried out by using the theoretical calculation method, and the simulation verification is carried out by ADVISOR2002, which provides a certain reference for the future research of hybrid power system.

HEV; Parallel type; Parameter matching

A

1671-7988(2021)22-88-04

U463.8

A

1671-7988(2021)22-88-04

CLC NO.: U463.8

吳曉亮，碩士研究生，沈陽工業大學機械工程學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.023