基于ADVISOR的插电式混合动力汽车动力系统参数设计

徐贵勇，唐永琪，方锡邦

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009）

基于ADVISOR的插电式混合动力汽车动力系统参数设计

徐贵勇，唐永琪，方锡邦

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009）

根据目标车型的初步设计要求，快速有效地计算出插电式混合动力汽车的动力系统参数；基于ADVISOR软件，对选定的动力系统参数进行仿真分析，为相关人员提供参考。

插电式混合动力汽车；动力系统；ADVISOR仿真

本文结合奇瑞某微型商用车项目由传统动力转换为纯电动动力的研制,阐述对微型商用电动汽车动力传动系统部件参数的设计及方法,可为电动汽车产品开发提供参考。综合使用环境、成本、性能及充电便捷等方面的考虑，最终选择插电式串联混合动力系统，并对所选的动力系统进行匹配。串联式混合动力电动汽车（SHEV）主要由发动机、发电机、驱动电机三大动力总成组成。其主要特点是采用电动机直接驱动车轮，电动机所需电能主要来自车载蓄电池，车载发动机主要用来驱动发电机产生电能。所发电能首先供给电动机来驱动车辆正常行驶，其次给蓄电池充电。

1 动力系统匹配

1.1 整车功率需求计算

整车参数及性能要求见表1。

表1 整车参数及性能要求

电动汽车用电动机与普通工业用电动机有不同的要求，电动汽车用电动机应具有较大的调速范围，高效、低耗。根据汽车行驶中的频繁启动、加速、减速、停车等特点，在低速或爬坡时需要有高转矩，在高速行驶时需要有低转矩，而电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度；各种配套的控制装置要尽可能轻，系统噪声要低。另外，还要求可靠性好、耐高温及耐潮、结构简单，适合于大批量生产、使用维修方便、价格便宜等。

如果电动机的功率选择过小，电动机经常工作于过载状态，影响其性能和寿命；如果电动机的功率选择过大，电动机常在欠载状态运行，效率和功率因数将降低,不仅浪费电能,同时还要增加动力电池的容量[1-2]。根据电动汽车的运行模式,匀速行驶时所需要的驱动功率较小，但运行时间长；而加速行驶时所需功率大，但运行时间较短。因此，设计时，通常按照要求的匀速行驶最高车速，初步确定电动机额定功率[3-4]，即

式中：g为重力加速度9.8 m/s2。

电动机的峰值功率则要满足汽车最大爬坡度和加速性能的要求。

1）电动汽车爬上最大坡度时的功率[5]：

式中：υθ为车辆爬坡时的车速20 km/h；θ为最大爬坡度arctani，最大坡度=20%。

2）电动汽车满足加速性能的功率[6]：

式中：υm为加速结束时的车速50 km/h；tm为加速到υm所需的时间20 s；x为拟合系数，取0.5；ρ为空气密度1.2258 N·S2·m-4。

1.2 电动机参数确定

对直流电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机和交流异步电动机进行综合对比，最后选定变频交流异步电动机作为本车的驱动电机，并且采用日益成熟的变频调速技术，可以有效地应对电动汽车运行过程中载荷的频繁变化。

1）电动机的功率。峰值功率要大于或等于车辆所需最大功率，同时要保证各部件质量综合最小，以利于提高电动机效率和减小尺寸，降低整车成本。所以，选择发动机的峰值功率时，能满足车辆最大需求功率即可。由上述计算可知，电机的峰值功率不小于16.93 kW；根据选取交流变频电动机的基本原则，电机的额定功率应能满足电动汽车最高车速的要求，即为11 kW[7]，额定电压为72 V。该选定电机的峰值功率为18 kW。

2）电机转速。电动机的最高转速不但影响混合动力车传动系的尺寸，而且影响电动机的扭矩。根据电动机转速与扭矩的关系,以及相应的支撑条件,需要综合考虑电动机的扩大恒功率区系数β和传动系的体积尺寸。一般情况下,交流异步电动机的最高转速在9000～15000 r/min，扩大恒功率区系数β一般取2～4[8]。

电机最高工作转速nmax(r/min)由最高车速uamax(km/h)和减速装置速比Σi来确定，即：

式中：Σi=ig·io，io为主减速比 5.372；ig为变速器高档的变速比约为2。估算得最高转速为8572 r/min，取最高转速为9000 r/min，扩大恒功率区系数β取3，则额定转速暂定为3000 r/min。

3）电机转矩。根据公式T=9550 P/n算出最大转矩和额定转矩：Tmax=54.12 N·m，Te=35 N·m。

1.3 发动机—发电机(APU)参数选择

作为串联式混合动力系统，负载功率可分为两个分量：稳定功率和动态功率。APU用以供给稳定功率，即能使发动机不受汽车行驶工况的影响，以高效率和低排放状态进行工作，又可以防止车载蓄电池组的完全放电[9]。APU功率选取的基本原则：发动机功率只需满足在平坦路面上电动汽车以最高车速行驶的要求，加速和爬坡所需的峰值功率则由动力电池组来补充，即发动机额定功率为11 kW。发电机与发动机刚性连接同轴运转，功率选择与发动机相同。

1.4 电池组参数确定

在串联式混动动力驱动系统中，电池组起到对APU“削峰填谷”的作用。当车辆在加速或爬坡工况时，汽车所需功率大于APU的功率，电池组放电进行功率补充；当负载功率小于APU提供的功率时，多余的功率用于电池组充电，避免能量的浪费。

电池组电池数量需要满足两个条件：电池组电压和驱动电机的额定电压保持一致；纯电动行驶的情况下，满足续驶里程要求。

1）根据电机的额定电压和电池的单块电压，电池数量：72/12=6（块）。

2）根据设计要求，车辆要在纯电动模式下，以50 km/h的速度匀速行驶80 km,所需电池能量

但是驱动电机、变频调速器、变速器等部件都有功率损失，综合考虑各部件的效率，最终选取蓄电池的容量为 7.56 kW·h，即 105 Ah。

1.5 传动系参数确定

变速器首先要保证汽车有必要的动力性和经济性，变速器传动比的确定需要遵循两个基本原则：最大传动比ig1要满足汽车对最大转矩的需求，即满足最大爬坡度；最小传动比ig2要满足汽车最高车速的要求[10-11]。计算如下：

由上两式得ig1/ig2≥1.25，变速器在设计时，要求相邻档位之间的传动比比值在1.8以下。该值越小，换档工作越容易进行，取ig1=2.7，ig2=2.1。

2 系统仿真分析

动力系统参数确定后，运用Advisor软件对整车进行建模、仿真。将车型参数输入软件，并对相关M文件予以保存。采用Advisor内嵌的ECE_EUDC循环工况，对混合动力汽车的动力系统进行仿真分析，运行仿真软件，得出仿真结果[12-13]。见表2。

表2 仿真结果

从仿真分析结果看，微型混合动力商用车动力系统的初步选型在满足了整车动力性能的前提下，理论节油率超过20%。

3 结束语

本文所进行的仿真分析是在修改Advisor软件原有参数的情况下进行的，内嵌的循环工况数据不一定是最适合的，而且仿真过程中有一些简化处理，但是仿真结果可为相关的设计开发提供一些参考。整个匹配和仿真过程中，只对动力系统进行了设计，而没有考虑到排放等其他性能，没有做全局性的优化设计，有待进一步研究探讨。

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[3]郭孔辉，江辉，张建伟.电动汽车传动系统的匹配及优化[J].科学技术与工程，2010，（10）：3892-3896.

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[6]汪新云.串联式混合动力电动客车动力系统建模与仿真[D].武汉:武汉理工大学汽车工程学院，2003.

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[10]汪涵，郑燕萍，何海波，等.城市公交车动力传动系统参数匹配研究[J].公路与汽运，2010，（2）

[11]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2009：78-96.

[12]徐杨，钱立军.串联混合动力客车参数选择及仿真[J].汽车科技，2006，（1）：24-27.

[13]方锡邦，吴哲，李大伟，等.混合动力微型商务车动力系统的匹配计算[J].汽车科技，2010，（2）：33-36.

修改稿日期：2012-03-31

Parameter Design of Power System for Plug-in HEV Based on ADVISOR Software

XU Gui-yong,TANG Yong-qi,FANG Xi-bang
(School of Mechanical and Automotive Eng.,Hefei Univ.ofTechnol.,Hefei 230009,China)

According to the primary design requirements of a target vehicle,the power system parameters of plug-in HEV could be calculated rapidly,the power system parameters mentioned above are carried on simulation analysis based on ADVISOR.These will provide references for related someones.

plug-in HEV;power system;ADVISOR simulation

U463.83+1；U461.2

A

1006-3331（2012）04-0004-03

徐贵勇，男，硕士研究生。