混合动力车动力系统关键部件分析

庞小兰+李瑶瑶

摘 要 混合动力车与传统燃油车型相比，最大的优势是节能环保，原因是其能根据实际的车辆行驶状态用不同方式的驱动力提供动力源。以某传统燃油车辆动力系统为基础进行动力源总功率和各性能指标的分析计算，初步确定发动机功率、电动机功率和蓄电池功率；进而应用Advisor的仿真计算建立该车的混合动力系统整车模型，并进行仿真模拟。根据Simulink进行仿真模型测试，并对仿真结果进行优化分析计算，从而确定最优的动力匹配，使得该车比原车更加节能环保。

关键词 混合动力车 ；动力系统 ；建模 ；advisor仿真

中图分类号 U469.7

Hybrid Power System Design Using Advisor and Simulink

PANG Xiaolan1） LI Yaoyao2）

（1 Guangdong Polytechnic College， Zhaoqing， Guangdong 526114；

2 South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510641）

Abstract Hybrid vehicles compared with traditional fuel models， the biggest advantage is energy saving and environmental protection. The reason is based on the actual state of the vehicle driving force in different ways to provide power. Based on a traditional fuel vehicle power system， the total power and the performance index is analyzed. It is preliminary determination of engine power， motor power and battery power. The vehicle model of the hybrid system is established by the simulation of Advisor， and the simulation is carried out. According to simulation model test， and the simulation results of the optimal analysis and calculation， it is determined the optimal power matching， to make the car more energy-efficient than the original car environmental protection.

Key words micro-mixer ； numerical simulation ； AC field ； fluid dynamics ； electroosmosis

现代社会环境污染和能源短缺问题越来越严重，节能与环保成为汽车技术的主要研究方向。在国家政策的大力支持下，新能源汽车技术发展迅速。为了提高混合动力汽车的动力性和经济性，需要优化混合动力传动系统，提高传动系统的能量利用率。混合动力汽车传动系统建模与仿真是混合动力汽车传动系统参数匹配优化和能量控制策略优化的重要手段[1]。

1 混合动力汽车车型特点

原车型搭载2.5 L的发动机，工信部测量百公里油耗10.4 L。本研究在该传统燃油车的基础上进行混合动力传动系统的建模与分析，原车型基本参数（表1）保持不变，分析车辆的动力源匹配，计算发动机功率、电动机功率、蓄电池功率，同时建立动力系统模型，并把模型导入到Advisor软件中进行分析计算仿真。

2 动力系统动力源参数设计

2.1 发动机模型参数设计

混合动力车的动力系统中发动机的选择非常关键，因为它影响着整车的动力性和经济性指标。如果匹配的发动机扭矩和功率过大，会造成车辆的油耗升高，经济性能下降；如果匹配的发动机扭矩和功率过小，那就要匹配大功率电动机来增加驱动力从而满足行驶要求，会造成蓄电池组的电压过大，这样，车辆的综合性能下降，生产成本提高。

最高车速umax、加速时间t、最大爬坡度amax是衡量汽车动力性的三大指标。下面从这三方面来分析发动机的最大功率。

2.1.1 最高车速分析发动机最大功率

满足最高车速的发动机最大功率为：

公式（1）中，ηT为传动效率；m为整备质量；g为重力加速度，取值为9.8 N/kg；f为滚动阻力系数；CD为风阻系数；A为迎风面积；

当车辆纯油模式工作时，最高车速umax=140 km/h，代入表1中的基本参数，则

Pmax1=24.98 kw

2.1.2 加速时间分析发動机功率

满足0-100 km/h的加速时间为15 s时，发动机的最大功率为：

公式（2）中，ut为t时刻的车速；δ为旋转质量换算系数，为0-100 km/h的加速度，其余参数与公式（1）中含义相同。

当车速ut=100 km/h，代入表1中的基本参数，则

Pmax2=29.65 kw

2.1.3 最大爬坡度amax分析发动机功率

满足最大爬坡度为30 %，车速为25 km/h时，发动机的最大功率为：

公式（3）中，ut为爬坡时的稳定车速，取值25 km/h；α为最大爬坡度，取值为30 %，换算为角度约16.7°；其余参数与公式（1）中含义相同。代入表1中的参数值，则

Pmax3=42.80 kw

根据上面的分析计算，考虑汽车空调、散热风扇等附件的消耗功率，发动机需要有一定的备用功率，发动机的功率应大于为50 kw，所以选定型号为HM484Q-A，功率为60 kw的发动机。

2.2 电动机模型参数设计

混合动力汽车上电动机有直流电动机、交流电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等多种，本文采用永磁无刷直流电动机。电动机的评价指标有最高转速和额定转速、最大功率和额定功率，下面从这2个方面分析电动机的参数。

2.2.1 分析最高转速nmmav和额定转速nmr

电动机的最高转速和额定转速影响着电动机的最大功率和额定功率，同时还会影响到底盘传动的尺寸设计和位置布置。在电动机功率一定的情况下，电动机的最高转速和额定转速满足公式（4）的关系。

nmmav=nmr×β （4）

公式（4）中，nmmav表示最高转速；nmr表示额定转速；β表示电动机扩大恒功率區系数，β值一般为4-6[2]。

2.2.2 分析最大功率pmmax和额定功率pmr

该车型的电动机在起步、加速、爬坡时电动机工作，同时，在蓄电池电量充足时，还能够实现纯电动模式运行。因此，本文从纯电动模式分析其参数的设定。

当车辆以80 km/h纯电动模式运行时，电动机的额定功率为：

公式（5）中，Pmr为电机的额定功率，ut为纯电动模式下的最高车速。代入表1中的参数值，则：

Pmr=13.35 kw

同时在纯电动模式下考虑爬坡的情况，当在坡度为30 %的路面上以不低于20 kw/h的速度行驶时，代入式（3）中，Pmr的值为34.20 kw。综合考虑，选用的电动机型号为BS45-3200/320，额定功率为40 kw。

2.3 蓄电池组的选用

车辆在纯电动模式下，蓄电池组不但要提供能量给发电机，而且还需要保证发动机附件的正常工作电量。蓄电池的连续运行额定功率应满足牵引电动机和发动机附件系统的连续功率之和要求[3]。

当蓄电池荷电状态SOC在30 %-40 %时，蓄电池连续运行的功率为：

Pb=■ （6）

公式（6）中，Pb为蓄电池连续运行功率；pm为电动机额定功率；pma为发动机附件功率；ηm为能量转换效率，取值0.85。由此可知，Pb=58.82 kw。

蓄电池是直接给驱动电机提供电能，它必须满足驱动电机的工作要求，因此，在匹配电池参数时还需考虑以下几个原则[4]：

（1）蓄电池的电压和电流范围必须满足牵引电机的电压和电流的工作范围；

（2）放电功率范围必须覆盖电机驱动和再生制动的最大功率范围；

（3）电池能量满足整车按标准循环工况行驶的要求。

由前面的计算可知，要选择的蓄电池的输出功率必须大于所计算得到的峰值功率，这样才能满足驱动电机的工作需求和车辆行驶要求。最终选择蓄电池规格为112节标称容量为180 A.h、单体额定电压为3 v的锂离子电池，额定电压为112×3=336 V，额定容量（A.h）为336*180=60.48 kWh。因此，该混合动力车动力系统的参数如表2所示。

3 混合动力动力系统仿真模型的建立

在上述分析计算的基础上，在该混合动力车的工作模式和能量传递方向如图1 A-D所示。

在车辆起步或低速运行时，发动机不工作，蓄电池给电动机电能驱动车辆运行，此时蓄电池处于放电状态。

在车辆正常行驶阶段，发动机输出的功率直接驱动车辆，同时，发电机有发动机提供动力给蓄电池充电。当蓄电电池电量充足时，蓄电池通过变频器给电动机提供动力来源，驱动车辆运行。

在全负荷阶段，发动机、电动机一起提供动力驱动车辆，保证车辆有足够的动力运行。

在车辆减速或制动模式中，通过制动能力回收系统，电动机以发电机模式工作，实现再生制动。

在计算分析和工作模式的研究基础上，通过Advisor和Simulink仿真建模和数学建模，把各个模块加入到整车模型中，并进行连接，其总体的仿真模型如图2所示。

4 混合动力车性能仿真及结果分析

汽车在实际行驶过程中不可能长时间在稳定车速下行驶，尤其是在市区行驶时，常常伴有频繁的加速、减速、怠速、停车等行驶工况。行驶工况应该是在对实际路面和交通状况的大量统计的基础上得出的，能够反映车轮战实际使用中的状况[5]。因此，在advisor模拟仿真中，选用日本的10-15工况来进行仿真，其仿真结果如图3-6所示。

由理论分析可知，在其他条件不变，只有发动机、电动机、蓄电池组的公路发生改变时，对于整车的动力性和燃油经济性的函数关系如公式7-12所示。

由于该函数的多变量非线性函数，利用Simulink进行仿真模型测试，在保持车量的外形尺寸不变，整车的基本设计参数不改变，只调整发动机、电动机、蓄电池组的功率，使得动力源优化分配，提取到的优化后的结果是：发动机功率为42 kw，蓄电池功率为36 kw，电动机功率为50 kw，并根据优化后的数据再次进行仿真，车辆在高速路HW EFT循环工况下得到的仿真结果如图7-10所示。

由此分析，原车性能和优化设计后得到的整车性能数据见表3所示。

可以看出，优化设计后的混合动力车最高车速与原车的最高车速相等，加速能力和爬坡能力比原车稍好，但是综合油耗明显下降，HC、CO、NOx的排放性明显比原车有很大的改善，所以达到了节能环保的目的。

5 小结

通过对某传统燃油车辆进行动力系统二次计算设计，并进行动力系统建模，利用Advisor和simulink仿真软件进行仿真分析，由仿真结果可知，该混合动力车型无论在起步、低速路况还是在加速、减速模式下都能适应城市或高速路况，说明该车的动力系统设计模型实用、可行。

参考文献

[1] 赵晓静，武一民，王海霞. 丰田PRIUS混合动力传动系统分析与建模[J]. 机械传动，2010，34（6）：31-35.

[2] 饶 阳. 并联混合动力汽车总成参数匹配及优化研究[D]. 成都：西南交通大学，2013.

[3] 赵伟峰. 某重型混合动力垃圾车方案设计[J]. 汽车实用技术，2011（2）：43-46.

[4] 杨芸芸. 充电式混合动力城市客车设计及仿真[D]. 武汉：武汉理工大学，2010.

[5] 崔胜民. 新能源汽车技术[M]. 北京：北京大学出版社，2014：164-165.