混联式混合动力汽车动力系统参数匹配的研究

孙远涛,王 亮,石 伟,孙建华,张金柱，安永东，张德生，王悦新

(1.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050； 2.哈尔滨凌云汽车零部件有限公司，黑龙江 哈尔滨 150060)

混联式混合动力汽车动力系统参数匹配的研究

孙远涛1,王 亮1,石 伟2,孙建华1,张金柱1，安永东1，张德生1，王悦新1

(1.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050； 2.哈尔滨凌云汽车零部件有限公司，黑龙江 哈尔滨 150060)

混合动力汽车动力总成参数的合理匹配是混合动力汽车产品开发的重要前提和基础性工作。在对混联式混合动力汽车动力总成结构和整车控制策略分析的基础上，分别进行发动机、电动机和蓄电池等动力总成部件的选型和参数设计，并对传动系统进行参数设计。针对发动机、永磁同步电动机和镍氢蓄电池的工作特性建立模型，并基于NEDC工况进行仿真，得出发动机扭矩、电动机扭矩和蓄电池荷电状态的变化曲线。结果表明，混联式混合动力汽车动力系统的参数匹配合理。

混合动力汽车；混联式；动力总成；参数匹配；NEDC工况

混联式混合动力汽车(Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle，PSHEV)兼具串联式和并联式混合动力汽车的优点。目前，混联式混合动力汽车已成为各高等学校、科研所等部门的研究热点[1-2]。

混合动力汽车动力系统参数匹配是混合动力汽车前期开发的重要工作，目前国内外对其研究较多，但采用LabVIEW仿真的方法对混联式混合动力汽车动力系统参数匹配的研究却很少。LabVIEW作为虚拟仪器开发环境，不仅仿真精度比离线仿真要高，而且所需硬件成本相对较低，有利于产品开发。因此，基于LabVIEW的仿真方法对混联式混合动力汽车的研究将是未来的发展趋势[3-4]。

1 PSHEV动力系统结构分析

本文研究的PSHEV是参照典型的混联式混合动力汽车——丰田普锐斯来进行的，动力总成采用行星齿轮机构将发动机、电动机及发电机等部件连接起来。混联式混合动力系统结构简图如图1所示。

图1 混联式混合动力系统结构简图

图1中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传给外圈的齿圈和内圈的太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置将发动机输出的一部分转矩直接传递到驱动轴上，将另一部分输出转矩传送到发电机上，发电机发出的电将根据控制单元的指令或用于给电池组充电，或用于驱动电动机以增加驱动力。

2 整车控制策略分析

采用的行星机构可以进行灵活的控制策略设定，通过不同制动器和离合器的作用，这套行星齿轮机构能够实现如下的功能[5-6]：

1)启动及低速工况：从静止起步到车速低于一定的车速时，发动机不启动，行星齿轮系统只有一个自由度。车辆由驱动电机驱动，为纯电动工况。

2)正常行驶工况：此时发动机功率通过行星齿轮系统分为两条路线，一条是通过齿圈直接传到变速器，另一条是驱动发电机发电，给电池充电或者通过电动机驱动。

3)加速/爬坡工况：此时发动机的工作情况与正常行驶工况一样，而电动机不仅由发电机提供能量，还要从电池获得能量，此时系统工作在混合模式。

4)减速/制动工况：在踩下制动踏板后，齿圈轴反拖电机轴旋转，电机作为发电机发电，向蓄电池充电，同时产生制动转矩。

5)充电模式：在需要时发动机可以仅驱动发电机向蓄电池充电。

这种混合动力系统的结构是较为复杂的，无论在制造上和控制上都带来一定的困难，但正是这种复杂结构带来了控制上的灵活性，可以获得较佳的性能。

3 PSHEV动力系统各部件选型及参数设计

3.1 整车基本参数及动力性能指标

混合动力汽车整车基本参数及设计性能要求如表1所示，整车动力性能指标如表2所示。

表1 整车基本参数及设计性能要求

表2 整车动力性能指标

3.2 发动机选型及参数设计

由设定的整车控制策略可知，发动机在混联式混合动力汽车的动力总成中既可单独驱动汽车，也可同时与电动机共同驱动汽车。由于传统内燃机汽车为满足加速、爬坡等工况的要求，在功率选择上留有较大的后备功率，根据发动机功率曲线特点可知，其在很多情况下未工作在最佳效率区，而混合动力汽车由于有第二动力源的匹配，可不必考虑留有过大的后备功率。因此，混合动力汽车的发动机可选择功率相对较小的发动机，以使其工作在最佳效率工作区，但也要满足一定的动力性指标[7]。

根据设定的最高车速，选择发动机的最大功率应为以最高车速行驶时行驶阻力功率之和，即

(1)

式中：Pemax为发动机的最大功率，ηT为传动系效率，f为滚动阻力系数，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，Vamax为最高车速。

结合表1中混合动力汽车的整车基本参数，计算出发动机的功率值Pemax=45 kW。考虑到汽车混合驱动工况工作时，发动机按最小油耗特性运行，因此要加上8%～12%的功率裕量，以减少对驱动功率的需求，并可提高纯发动机驱动时的动力性能。最后确定的发动机功率为48.6～50.4 kW。综上，选定汽油发动机的最大功率Pemax为50 kW。

3.3 电动机选型及参数设计

电动机是混合动力汽车中的另一个重要的动力源，起到汽车起步、电动驱动和制动能量回收等作用，能够提高整车的动力性、燃油经济性并降低排放。适合做混合动力汽车用电动机的类型有：直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电机等。根据电动机的功率密度、可靠性、外形尺寸、重量及控制器成本等参数综合考虑。永磁同步电动机具有功率密度高、调速范围宽、效率高、性能更加可靠、结构更加简单、体积小的优点，与相同功率的其他类型的电动机比较，更加适合作为混合动力汽车的驱动电机，因此选择永磁同步电动机[8]。

驱动电机参数的确定最主要的是其功率确定，主驱动电机需要满足的条件[9]如下：

1)驱动电机和发动机功率之和应该大于行驶工况中最大驱动功率；

2)驱动电机与发动机动力复合后，满足车辆起步加速性能要求；

3)能够在纯电动工况下提供驱动功率，根据不同的控制策略和纯电动动力性能的要求，可以适当地调整驱动电机的功率需求；

4)制动时能最大回收能量。

电机的驱动功率应满足

Pm+Peng≥Pcyc_max，

(2)

Pm≥Pe_max.

(3)

式中：Pm为驱动电机的功率；Peng为发动机功率；行驶工况中的最大功率Pcyc_max为90 kW。

由前面发动机的参数计算可知：发动机最大功率Pe_max为50 kW，由式(2)计算得，Pm≥40 kW，由式(3)计算得Pm≥50 kW，选择驱动电动机额定功率Pm_rmax为45 kW，最大功率Pm_max为55 kW。

3.4 蓄电池选型及参数设计

蓄电池在混合动力汽车中不仅起到向电动机输出峰值功率的作用，还起到吸收再生制动能量并储存的作用。适合做混合动力汽车用蓄电池的类型有：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等。铅酸电池虽然具有技术成熟，可靠性高、价格便宜的优点，但其比能量较低，不能快充深放，循环寿命短；锂离子电池虽然具有高能量密度，无污染，循环寿命高，无记忆效应的优点，但其化学特性活泼，使用时对环境要求比较高，价格高和安全问题；镍氢电池具有高比功率、很好的耐过充电特性、良好的使用安全性和充放电效率、无污染的特点，因此选择镍氢电池[10]。

蓄电池的参数主要有电压、容量、能量、功率等，对其参数的确定需做到：电池的电压等级要与电机的电压等级保持一致；电池容量在规定范围内(0.3～0.8)；最大充、放电功率要满足电机的功率需求。

(4)

Pbmax_chg≥Pmmax，

(5)

Q(0.3～0.8)Ebat≥Pmt.

(6)

式中：Pbmax_dis为电池最大放电功率；Pm_max为电机最大功率；ηm为电机效率；Pacc为附件功率，约为5 kW；Pbmax_chg为电池最大充电功率；Q为电池容量；Ebat为电池电压；t为蓄电池得不到补充的最长时间。

由前面对驱动电动机的参数计算可知，Pm_max为55 kW，联合式(4)、式(5)计算得：电池最大放电功率Pbmax_dis≥ 60 kW,电池最大充电功率Pbmax_chg≥ 50 kW。选择Pbmax_dis为60 kW,Pbmax_chg为50 kW。

镍氢电池荷电状态工作区在设计能量管理策略时应使其始终工作在具有较低的充放电内阻的0.2～0.8之间。

3.5 传动系统参数设计

1)主减速器减速比的确定。 主减速器减速比的确定不仅要满足汽车行驶的最高车速，也要达到蓄电池充电时对发动机后备功率的要求，即

(7)

式中：i0为主减速比，r为轮胎滚动半径，nmax为发动机最高转速，vmax为汽车最高车速。

发动机最高转速nmax控制在5200 r/min，由式(7)计算得，主减速器减速比i0=3.8。

2)变速器最大传动比设计。 变速器最大传动比应根据发动机单独驱动时的最大爬坡度来设计，同时还要考虑各种阻力的影响。变速器最大传动比需满足

(8)

式中：igmax为变速器最大传动比，αmax为最大爬坡度，发动机最大输出转矩Te_max为105 Nm。

由式(8)计算得变速器最大传动比igmax≥3.4，取igmax=3.5。

因此，传动系统的最大传动比imax=i0·igmax=13.3。

4 整车EUDC工况仿真

所选混联式混合动力汽车发动机的转矩-转速关系曲线如图2所示，电动机的转矩-转速特性曲线如图3所示，镍氢电池的荷电状态曲线如图4所示。

图2 发动机外特性转矩与转速关系曲线

图3 永磁同步电动机的驱动特性

图4 镍氢电池电压与荷电状态性能曲线

在对混联式混合动力汽车各动力总成的选型和参数设计的基础上，结合各动力总成的特性曲线，应用LabVIEW软件建立混联式混合动力汽车各动力总成的模型，并基于NEDC工况进行仿真(NEDC循环工况曲线如图5所示)，得出NEDC循环工况下发动机扭矩曲线、电动机扭矩曲线和镍氢电池的SOC曲线，如图6～8所示。

图5 NEDC循环工况曲线

图6 发动机在NEDC工况下的扭矩曲线

图7 镍氢电池在NEDC工况下的SOC曲线

图8 电机在NEDC工况下的扭矩曲线

由图7可以看出，在NEDC循环工况的起始时SOC值为0.7，之后电池SOC曲线先是呈现出逐渐缓慢下降的趋势，然后又迅速上升，并上升到0.7附近。电池SOC曲线先下降是因为驱动电机主要是工作在电动机状态，消耗了蓄电池的电能，而后迅速上升是因为驱动电机工作在发电状态，给蓄电池充电的结果，可从图8看出对应的再生制动扭矩的变化，这符合设定的混合动力汽车整车控制策略。

5 结束语

在对混联式混合动力汽车的结构形式和整车控制策略进行分析的基础上，并依据整车基本参数和动力性能指标的要求，对动力系统各部件进行了选型及参数设计，确定了发动机、电动机、蓄电池和传动系统传动比的具体参数。

根据各动力总成的工作特性曲线建立相关模型，并在NEDC循环工况下仿真，得出发动机扭矩、电池SOC和电动机扭矩的变化曲线，其变化特征符合设定的整车控制策略，验证了混合动力汽车动力系统参数匹配的合理性，为混合动力汽车的设计提供了基础。

[1]赵克刚,黄向东,罗玉涛.混联式混合动力电动汽车动力总成的优化匹配与监控[J].汽车工程,2005,27(2):147-150.

[2]吴宁强.混联式混合动力电动汽车驱动系统特性及其仿真的研究[D].西安:西安理工大学,2010.

[3]邓鹃.基于LabVIEW的混合动力汽车驱动系统的研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[4]季新杰,李声晋,方宗德.单轴并联式混合动力汽车动力系统参数匹配的研究[J].汽车工程,2011,33(3):188-193.

[5]张桂连.基于行驶工况的混合动力汽车参数匹配、控制策略研究及仿真平台搭建[D].广州:华南理工大学,2010.

[6]张琦.混合动力汽车动力系统参数匹配与仿真[J].德州学院学报,2013,29(2):66-68.

[7]孙远涛,张洪田.丰田普锐斯混合动力汽车发动机的技术特点分析[J].黑龙江工程学院学报：自然科学版,2011,25(4):13-15.

[8]王鹏飞,张铁柱,霍炜,等.增程式电动汽车动力参数匹配与仿真研究[J].青岛大学学报：工程技术版,2013,28(2):1-5.

[9]蒋大千.混合电动汽车驱动用永磁同步电机的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[10]张金柱.混合动力汽车结构、原理与维修[M].2版.北京:化学工业出版社,2011.

Research on parameters matching of HEV powertrain system

SUN Yuan-tao1，WANG Liang1，SHI Wei2，SUN Jian-hua1，ZHANG Jin-zhu1,AN Yong-dong1,ZHANG De-sheng1,WANG Yue-xin1

(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050，China; 2.Harbin Lingyun Automobile Parts Co.,Ltd,Harbin 150050，China)

The reasonable parameter matching of hybrid electric vehicle powertrain is an important precondition and fundamental work for the development of hybrid electric vehicle product.Based on the analysis of parallel-serial HEV powertrain structure and the control strategy,the type and parameter of powertrain parts,such as engine,motor and battery are selected and designed,and the parameters of transmission system are designed.The operation characteristics of the engine,permanent magnet synchronous motor and Ni-MH power battery are established,and the engine torque,motor torque and the battery state of charge curve are acquired based on the simulation of NEDC.The results show that the parameters matching of hybrid electric vehicle power system is reasonable.

hybrid electric vehicle; powertrain; parameter matching; NEDC condition

2014-06-03

黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(12511456)

孙远涛(1983-)，男，实验师，博士研究生，研究方向：混合动力汽车控制与测试技术.

U469.72

A

1671-4679(2014)06-0021-04

刘文霞]