插电式混合动力汽车动力系统参数匹配与仿真研究

林鑫焱，钱潇潇

（盐城工学院汽车工程学院，江苏 盐城 224051）

插电式混合动力汽车动力系统参数匹配与仿真研究

林鑫焱，钱潇潇

（盐城工学院汽车工程学院，江苏 盐城 224051）

根据某款插电式混合动力汽车的设计要求，对动力系统主要部件电动机、发动机/发电机组、动力电池进行参数匹配。基于ADVISOR对整车性能进行仿真，仿真结果显示动力性指标和纯电动续驶里程均达到了设计要求，验证了动力系统参数匹配方法是合理可行的。

混合动力汽车；动力系统；参数匹配；仿真；ADVISOR

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-81-03

前言

插电式混合动力汽车通过一定的控制策略，将包括发动机、动力电池在内的不同动力源进行耦合，使发动机在高效率、低排放区工作，还可进行制动能量回收，以达到节能减排的目的[1]。动力系统参数设计是插电式混合动力汽车设计的一个非常重要的环节，在整个设计的过程中，除了要满足动力性要求外，还要尽量提高效率，以提高续驶里程。

1 设计要求

插电式混合动力汽车的设计要求主要有动力性指标和纯电动续驶里程，其中动力性指标包括最高车速、加速时间以及最大爬坡度，如表1所示。整车基本参数如表2所示。

表1 设计要求

表2 整车基本参数

2 动力系统结构选型

混合动力汽车主要有串联式、并联式以及混联式结构形式。本文选用串联式动力系统，如图1所示，主要包括电动机、发动机/发电机组、动力电池三大动力部件。串联式动力系统结构简单，布置方便，发动机可始终保持在高效区工作。在起步、低速等低载荷工况下以纯电动模式工作，发动机不工作，由动力电池单独输出电能给电动机，从而驱动车轮。在中、高速行驶等中载荷工况下以纯发动机模式工作，动力电池不工作，发动机/发电机组工作驱动电动机运转。在加速、爬坡等高载荷工况下以混合驱动模式工作，动力电池和发动机/发电机组共同输出电能驱动电动机运转。动力电池电量不足时，发动机/发电机组还可以为其充电。

图1 串联式混合动力系统结构

动力电池选用单体工作电压为 3.56 V，单体容量为25 A·h的某型号锂电池。电动机选用效率高、体积小、质量轻的永磁同步电机。传动系统采用固定速比传动，取消变速器，单级主减速器的传动比为5。

3 动力系统参数匹配

3.1 电动机参数匹配

电动机的参数匹配主要包括功率、转矩、转速的匹配。

3.1.1 功率

串联式混合动力汽车的动力全部由电动机提供，因此其峰值功率Pmax必须满足最高车速、加速时间、最大爬坡度这三个动力性能指标的功率需求Pmax1、Pmax2、Pmax3[2]，即：

式1-4中：vi为爬坡车速，取15 km/h；va为加速末时刻车速，取100 km/h；ηT为传动系的机械效率，取92 %；g为重力加速度，m/s2；αmax为最大坡度角，αmax＝arctanλmax；δ为旋转质量换算系数，取1.05；x为拟合系数，取0.5。

3.1.2 转矩

电动机转矩的选择对加速性能和爬坡性能有很大影响。电动机的最大转矩需满足起步加速和在一定车速下以最大爬坡度爬坡行驶时的转矩要求。一般情况下，爬坡性能对电动机最大转矩的要求更高。因此电动机的最大转矩Tmax可以根据电动汽车的最大爬坡度设计要求来确定：

式中：i为主减速器传动比。

3.1.2 转速

电动机最高转速nmax可根据最高车速确定：

电动机的额定转速nN为：

3.2 发动机/发电机组参数匹配

串联式混合动力汽车的纯发动机工作模式主要应用于中、高速行驶等中等载荷工况，因此其最大功率Pemax只需满足以最高车速行驶的功率Pmax1，而在加速或爬坡时，不足的功率则由动力电池来补充。发电机与发动机同轴运转，因此功率与发动机相同。

3.3 动力电池参数匹配

动力电池性能参数的选择应从保证电动汽车的动力性和纯电动续驶里程的角度出发，主要包括电池组电压和电池组容量的匹配。

3.3.1 电压

电池组电压U的选择影响电池组输出功率的大小，从而影响整车动力性。电池组和发动机/发电机组最大输出功率之和必须满足电动机峰值功率Pmax的需求，即

式8-9中：n为电池组的串联数目；Pbmax为单体电池的最大输出功率，W；ηM为电动机及电机控制器的总体效率，取85 %；E为单体电池的电动势，为单体锂电池的标称电压3.56 V；R为单体电池的内阻，取0.006 Ω。

计算出串联数目n后即可确定电池组电压。

3.3.2 容量

电池组的容量C必须满足纯电动续驶里程所需能量的要求[3]，采用等速法计算：

式中：DOD为放电深度，取0.7；vN为50 km/h。PN为以50 km/h行驶所需功率，可通过式（2）计算；

综上，动力系统参数匹配结果如表2所示。

表3 动力系统参数匹配结果

4 整车性能仿真

图2 串联式插电混合动力汽车仿真模型

图3 仿真结果

ADVISOR广泛应用于电动汽车的动力性和经济性仿真。基于ADVISOR建立了串联式插电混合动力汽车的仿真模型如图2所示，对整车的最高车速、加速时间、最大爬坡度以及纯电动续驶里程进行仿真分析。

仿真结果如图3所示，最高车速达到128.6 km/h，0-100 km/h加速时间为19.7 s，15 km/h最大爬坡度为21.5 %，50 km/h等速纯电动工况行驶时，当SOC降到0.3时续驶里程达到了68.8 km。综上，动力性能指标和纯电动续驶里程均达到了设计要求。

5 结论

根据某款插电式混合动力汽车的设计要求，对其动力系统进行结构选型和主要参数匹配。基于ADVISOR软件对动力性指标和纯电动续驶里程进行仿真。仿真结果显示，混合动力汽车的最高车速、加速时间、最大爬坡度以及纯电动续驶里程均达到了设计要求，验证了动力系统参数匹配方法是合理可行的。

[1] 刘炳国.插电式单轴并联混合动力城市客车驱动系统研发[D]. 武汉:武汉理工大学,2011.

[2] 熊明洁,胡国强,闵建平.纯电动汽车驱动系统参数选择与匹配[J].汽车工程师,2011,（5）:36-38.

[3] 林鑫焱,葛如海,王斌,等.纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真研究[J].机械制造,2014,52（600）:6-10.

Research on Parameters Matching and Simulation of Plug-in Hybrid Electric Vehicle Power System

Lin Xinyan, Qian Xiaoxiao
( Automotive Engineering College, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051 )

Parameters matching is conducted for motor, engine-generator and power cell according to the design requirement for certain type of hybrid electric vehicle. The vehicle performances are simulated based on ADVISOR.Simulation results show that both power indicators and pure electric driving range of electric vehicles meet the design requirements, while the parameters matching method of power system is feasible.

Hybrid Electric Vehicle; Power System; Parameter Matching; Simulation; ADVISOR

U472 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-81-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.028

林鑫焱，男，硕士，（1989-），助教，就职于盐城工学院汽车工程学院，研究方向为电动汽车动力匹配。