基于循环工况的单电机混合动力系统参数匹配

王 勇

(重庆电子工程职业学院 汽车工程学院，重庆 401331)



基于循环工况的单电机混合动力系统参数匹配

王 勇

(重庆电子工程职业学院 汽车工程学院，重庆 401331)

针对一款单电机混合动力汽车，选择拥堵、市区、市郊、高速等4种标准循环作为动力系统设计的特征工况，匹配了发动机、电机、电池以及变速器的参数；在MATLAB/Simulink仿真平台下建立模型进行了动力性能和经济性能仿真。结果表明：所设计的混合动力汽车能满足动力性指标要求，在NEDC，UDDS，HWFET循环工况下的百公里油耗比传统车分别降低了17.5%，32.0%，14.5%。

车辆工程；混合动力汽车；标准循环；动力经济性

目前，随着能源的日益紧缺及越来越庞大的交通燃油消耗带来的巨大压力，结合纯电动汽车和传统汽车优点的混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicles，HEV)成为研究的热点[1-2]。

在HEV设计方面，秦大同，等[3]对轻度混合动力进行了匹配研究；黄大星，等[4]研究了微混合动力城市客车动力系统的参数匹配；那鹏飞[5]从发动机选型和功率计算两方面讨论混合动力汽车发动机匹配的相关问题；邓文娟，等[6]针对XMQ6103GF2城市公交客车提出一种以动力系统功率最小化为目标，动力性能指标为约束条件的参数优化匹配方法；崔淑梅，等[7]为使电气无级变速器能在混合动力系统中合理应用，研究了其最优参数的匹配；郭宽友，等[8]以燃料经济性试验中的动力系统监控参数为基础，对混合动力客车动力系统的匹配进行了分析。

鉴于此，笔者针对一款单电机并联式混合动力汽车，选择拥堵、市区、市郊和高速这4类标准循环作为动力系统匹配的特征工况，进行关键零部件(发动机、ISG电机、电池，CVT)的参数设计，在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建整车模型，进行整车动力学和燃油经济性的仿真计算。

1 并联式混合动力系统分析

该并联式混合动力系统主要由发动机、ISG电机、离合器、变速器、电池组等组成，其具体布置形式如图1。

图1 并联式混合动力系统Fig.1 Parallel hybrid electric system

其工作模式包含纯电动驱动、发动机单独驱动、混合驱动、发动机驱动并充电、再生制动。驱动模式及离合器逻辑状态表如表1。

表1 三向爆破振动信号频带能量分布

2 并联式混合动力系统功率匹配设计

2.1 行驶工况的选定及特征参数的提取

根据混合动力汽车行驶的环境特点以及经常遇到的工况类别，将其分为拥堵、市区、市郊和高速这4大类。故笔者选取代表上述工况类别的4种标准循环(NYCC、1015、NEDC、HWFET)作为动力系统匹配的特征工况，具体如图2。

图2 循环工况Fig.2 Driving cycles

根据汽车理论[9]，求取整车需求功率计算公式：

(1)

式中：Preq为整车需求功率；m为整车的质量；g为重力加速度，kg/m2；α为坡度角，(°)；fr为滚动阻力系数；CD为风阻系数；A为迎风面积，m2；v为车速，km/h；δ为旋转质量系数；a为加速度，m/s2；ηt为传动系效率。

结合整车结构参数(表2)，根据式(1)求取每个循环工况点的需求功率，并把需求功率按照0～10，10～20，20～30，>30 kW计算其功率分布，结果如图3。

表2 整车参数

图3 功率分布Fig.3 Power distribution

2.2 动力传动系统匹配

2.2.1 发动机功率匹配设计

发动机需要满足的条件：

1)满足高速工况及市郊工况的驱动功率需求；

2)发动机功率应满足最高车速巡航的要求[10]：

(2)

式中：vmax为最高车速，取160 km/h；

3)发动机的功率需要提供一定的爬坡的能力，即在30%的坡度以最大稳定速度大于30 km/h行驶：

(3)

经过计算，满足最高车速时，发动机最大功率应大于63 kW；满足30%的爬坡度时，发动机的最大功率应大于58 kW；考虑到5 kW的辅助系统功率消耗需求，笔者选择发动机的最大功率为68 kW，最高转速为6 000 r/min，通过台架试验得到发动机负荷特性，如图4。

图4 发动机油耗Fig.4 Engine fuel consumption

2.2.2 ISG电机功率匹配设计

ISG电机需要满足的条件：①满足拥堵工况时驱动功率的需求；②满足车辆起步的要求；③满足纯电动性能的要求；④满足混合驱动时性能的要求。

由图3可知，拥堵循环工况下需求功率>30 kW的百分比只有0.5%左右，大部分都工作于<20 kW的区域，故选择电机的峰值功率Pm,max为30 kW，额定功率为18 kW；同时为了使电机与发动机转速更好的匹配，选择电机的最高转速6 000 r/min。

通过台架试验得到ISG电机的效率，如图5。

图5 电机效率Fig.5 Motor efficiency

2.2.3 电池参数匹配设计

镍氢电池具有比能量高、高低温性能好、安全耐用等优点，笔者选用镍氢电池作为动力电池组。

为满足ISG电机的最大功率需求,则需要的电池峰值功率为：

(4)

式中：Pbat为电池功率，kW；ηbat为电池的平均效率，取为0.9；ηm为电机的平均效率，取为0.8。

为满足纯电动续驶里程要求，则需要的动力电池组容量为：

(5)

式中：s为纯电动续驶里程，取为10 km；vm,max为纯电动模式下的最高车速；Ubat为电池组的电压，336 V。

经过式(4)和式(5)计算，笔者选择电池组的最大功率为41.7 kW，容量为8 Ah。

2.2.4 CVT速比及主减速器比设计

为满足最高车速的要求，CVT系统(包含主减速器比)的最小速比应满足下面关系，即：

(6)

式中：nou为耦合器的最高转速。

另外，混合动力汽车要满足一定的爬坡度要求，因此CVT系统(包含主减速器比)还要满足：

(7)

式中：Tou为耦合器的最大转矩。

经过计算CVT系统的最小速比为4.58；最大速比为11.25。因此文中选用CVT的速比范围为0.442～2.432，主减速比为5.24。

3 并联式混合动力系统性能仿真

为验证所匹配动力传动系统的正确性，采用数值模型和数学模型相结合的方法，与在MATLAB/ Simulink仿真平台上搭建整车模型，分别对动力性能和经济性能进行仿真。

3.1 整车动力性能仿真

笔者从加速时间、爬坡度和最高车速这3个评价动力性指标的角度，进行了纯电动模式和混合驱动模式下的动力性能仿真，结果如表3。

表3 动力性能仿真结果

由表3可以看出，0～50 km电机单独驱动的加速时间为5.91 s，满足国标对电动汽车加速性能指标的要求，最大爬坡度超过了30%，最高车速为190 km/h，满足了重度混合动力汽车动力性指标的要求。

3.2 整车经济性能仿真

笔者采用“城市+城郊”循环工况NEDC对车辆经济性进行评价，仿真结果如图6。

图6 NEDC工况仿真结果Fig.6 NEDC condition simulation results

从图6中可以看出，车速可以实现很好的跟踪，发动机与电机转矩实现合理的分配，从而使电池SOC保持相对的平衡。

图7给出了燃油经济性的仿真结果比较。由图7可以看出在NEDC，UDDS，HWFET循环工况下，HEV的百公里油耗比传统车分别降低了17.5%，32.0%，14.5%；从这个仿真结果还可以看出控制策略对工况的适应性较差，是笔者下一步研究的重点。

图7 燃油经济性的仿真比较Fig.7 Simulation comparison of fuel economy

4 结 语

1)选择具有代表性的拥堵、市区、市郊和高速这4类标准循环作为动力系统匹配的特征工况，进行关键零部件(发动机、ISG电机、电池，CVT)的参数匹配设计。

2)根据MATLAB/Simulink仿真平台搭建整车性能仿真模型，进行整车动力学和燃油经济性的仿真计算。结果表明，所设计的混合动力汽车能满足动力性指标要求，在NEDC，UDDS,HWFET循环工况下，HEV的百公里油耗比传统车分别降低了17.5%，32.0%，14.5%。

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Parameter Matching of Single-Motor Hybrid Electric VehicleBased on Driving Cycles

Wang Yong

(School of Automotive Engineering, Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China)

Aiming at a single-motor hybrid electric vehicles, four standard cycles including congestion, city, suburb, highway which were chosen as the working condition of the power system design, and the parameter of the engine, motor, battery and transmission were matched. On the Matlab/Simulink platform, the mode was built to simulate dynamic and economic performance. Simulation results indicate that the fuel consumption per hundred kilometers have increased respectively by 17.5%, 32.0%, 14.5% comparing with conventional car under NEDC, UDDS, HWFET.

vehicle engineering; hybrid electric vehicle(HEV); standard cycle; dynamic and economic performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.34

2013-10-27；

2014-04-23

重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ1402903)

王 勇(1982—)，男，重庆人，讲师，博士研究生，主要从事电动汽车智能传动与控制方面的研究。E-mail:wycowboy@163.com。

U461.8

A

1674-0696(2015)02-156-05