基于CRUISE并联式HEV动力总成参数匹配与仿真*（续1）
2014-06-22阮晓东牛礼民叶李军
阮晓东 牛礼民 叶李军
（安徽工业大学机械工程学院）
ISG（Integrated Starter Generator）型 HEV 是将发动机的启动机与发电机集成为一体的新能源汽车，本质上是一种轻度并联HEV[1]。HEV 动力参数的匹配过程是一个对多变量多目标函数的优化过程，只有在正确模型基础上反复寻优仿真，才能获得较为理想的动力匹配结果。在HEV 设计初期，需要从汽车设计要求出发，按照该车实际运行中的功率需求量计算出动力参数匹配初始值，将该值导入Cruise 仿真软件各动力模块，进行优化仿真计算。
1 整车参数及性能指标
在对动力总成主要零部件的选型和参数确定之前，需要制定一定的整车性能目标要求。文章选用某型传统轿车作为参考车型，该传统轿车的基本参数，如表1所示。
表1 某型传统车基本参数及性能指标
2 参数匹配方法与实现
HEV 总功率匹配与传统车匹配原则相似，都是根据整车的动力性来确定[2]。ISG 并联式HEV 的参数匹配是由其工作模式和针对该工作模式所提出的控制策略所决定的，其混合动力总成主要包括发动机、ISG 电机、动力蓄电池及变速器等主要零部件，动力总成零部件的性能参数对整车综合性能有重要影响。
2.1 确定发动机参数
1）HEV 的发动机功率。主要是根据汽车匀速行驶所需功率来估算，加速和爬坡时所需的峰值功率由电机来补充，因此，发动机应提供的最大功率由式（1）确定[3]。
式中：Pemax1——发动机单独驱动最大功率，kW；
ηT——整车传动效率；
vc——汽车平坦路上匀速行驶的速度，km/h；
f——滚动阻力系数；
g——重力加速度，取9.8 m/s2；
m——满载质量，kg；
A——迎风面积，m2；
CD——风阻系数。
带入相关参数，计算得：Pemax1=28.01 kW。
2）汽车处于最高车速时，发动机与电机的峰值功率应满足所需功率之和。
式中：Pmc_max——驱动模式时最高车速所要求的总功率，kW；
vmax——汽车可以达到的最高速度，km/h。
代入相关参数，计算得：Pmc_max=68.84 kW。
一般的发动机除了应该提供汽车行驶需求的功率外，还应有一定的为电池组充电的功率裕量（Pbc，约10%）、1%～2%的爬坡功率裕量（Pi）及附件功率（Pacc，10～20 kW）[4]，这些功率之和应该是发动机所需的巡航功率（Pe*/kW），即：
式中：Pe——发动机功率，kW。
考虑上述因素，最后确定采用SQR473H 发动机，相关参数，如图1所示。
2.2 确定电机参数
2.2.1 电机额定功率和最大功率
ISG 电机的主要作用是削峰平谷，也就是在汽车起动、加速及爬坡时，带动或辅助发动机提供峰值功率。对于电动机的功率设计，汽车的加速性能、爬坡性能及在典型循环中负载的峰值功率是主要关注点。
1）发动机与电机的最大功率之和必须满足汽车处于最大爬坡度功率的要求[5]，即：
式中：αmax——最大爬坡度，%；
vi——最大爬坡时汽车行驶速度，km/h。
代入相应数据计算得：Pmc_max=47.74 kW。
2）根据汽车的100 km 加速性能来估算。汽车在平坦无坡度的道路上原地起步全负荷加速时，电机需要提供额外的功率，汽车行驶的总功率，如式（5）所示[6]：
式中：vm——加速过程中汽车的平均速度，km/h；
δ——旋转质量换算系数。
代入数据，得：Pmc_max=54.43 kW。
根据所选发动机额定功率为65 kW，可知能满足上述最大爬坡度与100 km 加速性能要求。参考目前汽车行业已经成功开发的HEV，选择ISG 电机的额定功率（Pmr）为10 kW，最大功率（Pmmax）为15 kW。
2.2.2 电机额定转速和最高转速
目前，一般都倾向于选择中高速电机（最高转速在6 000～15 000 r/min），参考已经成功研发的HEV，选 ISG 电机的最高转速（nmax）为 8 000 r/min。nmax与额定转速（nmr）的比值，也称为ISG 扩大恒功率区系数（β）。β 值直接影响到电机的额定扭矩、电子设备的工作电流及传动系统的稳定性等，β 一般取4～6，文章取4，相应地，nmr=2 000 r/min；选额定和最大扭矩分别为60，100 N·m。根据上面确定的ISG 电机各项指标，选择永磁无刷直流电机。
2.3 动力电池参数计算
电池的主要功能是在汽车需要大功率时为ISG 电机提供电能，在汽车减速或制动时存储部分回馈能量。文章选用的是镍氢电池，单节电池的电压为1.2 V，质量为0.155 kg。
2.3.1 电池功率
电池功率主要根据电机的峰值功率，同时计入传动效率，则电池功率（Pb/kW）；可按式（6）估算[7]：
式中：Pmmax——电机的峰值功率，kW；
ηDC_AC——逆变器的效率；
ηb——电池的放电效率。
将上述值圆整为Pb=20 kW。
2.3.2 电池个数及电压等级
电池个数（Nb）一般按式（7）和（8）估算[8-9]：
式中：Pbmax——单节电池的最大理论功率，kW；
S——纯电动模式行驶里程，km；
e——单位里程电池耗电，kW·h/km；
Cb——单体电池额定容量，A·h；
Ub——单节电池额定电压，V；
R0——单节电池充放电内阻，Ω。
由式（7）和（8）可知，确定电池的总个数时，应该考虑电池功率和汽车纯电动运行模式下续驶里程。分析现有的HEV 上所用的电池类型，文章选取镍氢电池内阻 R0=0.002 Ω，将其代入式（7）和（8）中，计算得：Nb=111 个。电池组采用串联形式连接，因此电池组的额定电压按式（9）计算：
将其圆整得：UB=144 V，确定Nb=120 个。
2.4 传动系统设计
2.4.1 主减速器速比（i0）
i0的选择首先应满足整车能够运行的最高车速要求，另外，当汽车行驶在最高速度时，应使发动机仍能发挥其最大功率，即：
式中：nemax——发动机的最高稳定转速，r/min；
r——车轮的转动半径，m；
vmax——汽车最高速度，km/h；
nepr——发动机最大功率点对应的转速，r/min。
根据式（10）和（11），计算得：3.919≤i0≤4.246。
HEV 在实际低速行驶时，发动机不仅为加速爬坡提供有后备功率，还应有为车载动力电池组充电的额外功率，因此，综合考虑各方面性能，确定i0=4.104。
2.4.2 最大传动比
1）满足汽车最大爬坡度和最低稳定车速的要求。变速器1 挡传动比（ig1）应满足：
式中：Ttqmax——汽车最大输出扭矩，取182 N·m；
αmax——汽车最大爬坡度。
代入相关数值计算得：ig1≥2.18。
2）满足地面附着条件的要求，也就是牵引力应该小于地面附着力，即：
式中：Ftmax——最大牵引力，N；
Fφ——地面附着力，N；
φ——附着系数；
m1——整车驱动桥质量，kg。
代入数据，计算得：ig1≤11.97。综合上述计算结果，选取ig1=3.546，可以满足相关技术要求。
参考传统汽车的结构参数，文章研究的变速器挡位数定为5 挡，并且各挡比数值按等比级数来分配。根据以上分析，设计1～5 挡、倒挡及主减速比的传动比分别为 3.546，2.048，1.346，1.088，0.865，3.333，4.104。
（待续）
