基于ADVISOR并联混合动力汽车的参数设计与仿真*

2018-09-05朱华牛礼民吕建美

汽车工程师 2018年7期

朱华牛礼民吕建美

（安徽工业大学）

随着经济的快速发展和百姓生活水平的提高，汽车逐渐进入千家万户，深受广大消费者的喜爱，然而，也带来了能源危机和环境污染问题的日益严重，为此各大汽车公司开发了使用蓄电池作为动力源的一种清洁环保型交通工具——混合动力汽车（HEV）。HEV可以较好地解决城市环境污染问题，缓解石油短缺问题，大量节省能源。因此HEV将成为未来汽车工业的发展趋势[1-2]，其动力系统参数匹配设计是HEV前期开发的重要前提和基础性工作[3]。文献[4]利用软件AVL-Cruise的组件变量（Component Variation）功能，采用车辆传统理论和经验公式对混合动力系统进行了初步匹配，然后基于正交试验理论设计了4因素正交试验，对选取的部件参数进行优化，得到了一组最优参数组合方案，后又设计了9组DOE Plan仿真试验，对优化方案进行了验证和对比。结果表明：正交试验方法理论思路合理，实际可行，能得到准确度较高的动力系统参数寻优结果。文献[5]通过Cruise建立超级电容的混合动力客车（HEB）整车仿真模型和传动系多目标参数优化模型，以等效燃油消耗量和加速时间为优化目标，同时运用带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）和ISIGHT优化软件对HEB传动系参数进行多目标优化，并进行了HEB性能仿真分析。结果表明，与优化前相比，优化后的等效燃油消耗量降低了7.8%，连续换挡加速时间减少了6.5%。文章通过选用某型并联式混合动力汽车（PHEV），根据其传动系统的结构，针对PHEV的特点，对发动机、电动机及蓄电池等参数进行合理的选择与匹配，并搭建了多智能体系统模型，在软件ADVISOR 2002中进行仿真分析，达到改善其动力性和燃油经济性的目的。

1 PHEV的工作原理和传动系结构

PHEV由发动机和电动机2套系统组成，根据不同的行驶工况，在共同驱动行驶的同时也可以单独驱动行驶。当汽车在加速或爬坡时，发动机和电动机能够同时向汽车的传动系统提供动力；当蓄电池组储存的电量过低时，发动机在驱动行驶的同时向蓄电池组充电。

PHEV结构由发动机、离合器、电动机、蓄电池组、转矩合成装置、变速箱及主减速器组成，其结构图，如图1所示。

图1 并联混合动力汽车传动系统结构图

1.1 PHEV动力系统的参数匹配与流程

PHEV发动机、电动机及蓄电池组等参数的选择与匹配是否合理直接影响整车性能的发挥，参数匹配的原则是针对给定的车型、行驶目标工况及采取的控制策略，在保证纯电动的续驶里程及整车的动力性前提下，以燃油经济性为主要目标进行设计。

PHEV动力系统各参数匹配是一个反复计算，反复寻优仿真的过程，文章参数匹配的设计流程，如图2所示。

图2 并联式混合动力汽车（PHEV）设计流程图

1.2 某车型的基本参数

文章选取的某车型基本参数，如表1所示。

表1 某车型的基本参数

2 整车总功率（P总）的选取

PHEV动力总功率要满足汽车的动力性要求，动力性由最高车速（umax）、加速时间（t）以及最大爬坡度（αmax）来确定[6]。PHEV总功率（P总）的设计为下一步进行发动机和电动机等参数的设计提供了依据，P总的设计流程，如图3所示。

图3 并联混合动力汽车总功率的设计流程

2.1 根据umax确定整车动力总功率（Pmax1）

式中：m——满载质量，kg；

umax——最高车速，取180 km/h；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

CD，f——空气、车轮滚动阻力系数；

A——汽车迎风面积，m2；

ηT——传动效率。

将表1中的数值代入式（1）得：Pmax1=55.72 kW。

2.2 根据t确定整车动力总功率（Pmax2）

根据0～100 km/h加速时间≤16 s，取t=14 s，则总功率为：

式中：δ——旋转质量换算系数，取1.05；

将表1中的数值代入式（2）得：Pmax2=62.26 kW。

2.3 根据αmax确定整车动力总功率（Pmax3）

式中：ue——爬坡稳定时的车速，取30 km/h。

将表1中的数值代入式（3）得：Pmax3=45.99 kW。

根据以上的计算结果，动力总成功率（Pmax）必须满足 Pmax≥[Pmax1，Pmax2，Pmax3]，所以 Pmax=62.26 kW。

由于空调等附件消耗的功率占10%～20%，即：P总=（1.1～1.2）Pmax，故P总=68.49～74.71kW，取P总=75kW。

3 发动机参数的选取

发动机参数的选择对于整车的性能起到举足轻重的作用，发动机功率偏大，汽车的燃油经济性和排放性能就差；发动机功率偏小，后备功率就小。电动机只有提供更多的驱动功率，才能满足一定的行驶性能要求,这势必引起电动机和电池组容量取值的增大和整车成本的增加[7]。文章首先从保证汽车预期的最高车速来选择发动机的功率，但是由于发动机存在单独驱动汽车行驶的工况并且还具有一定的充电功率，所以还要在满足经济巡航车速的情况下来计算并选择发动机功率。发动机参数设计流程，如图4所示。

图4 并联混合动力汽车发动机参数设计流程图

在经济巡航车速（uc/（km/h））下，整车受到的匀速阻力功率（Pc/kW），如式（4）所示。

取uc=80 km/h，将表1中的数值代入式（4）得：Pc=8.8 kW。

除了汽车行驶需求的功率外,发动机单独驱动匀速行驶时还应有一定的充电功率裕量（Pchr）、爬坡功率裕量（Pi）及附件功率（特别是有空调时）。这些功率之和应该是发动机工作在经济区能输出的功率[8]。即：PHEV的巡航功率（Pc*/kW），如式（5）所示。

式中：Pi——2%的爬坡功率裕量；

Pacc——附件功率，取5 kW；

Pchr——电池充电功率裕量，按P总的10%计算，即：Pchr=7.5 kW。

综合计算得：Pc*=26.74kW，所以Pc*=8.8～26.74kW。由于发动机的选择要满足其单独工作时的动力性要求，即能够以最高车速行驶，综合上述计算得到满足最高车速时的需求功率为55.72 kW，因为汽车在实际行驶过程中（特别是在城市道路行驶）很少会长时间保持最高车速，所以文章选取12R发动机在满足动力性需求的同时，也能够满足其他附件及充电功率的需求。该发动机额定功率为61 kW，额定转速为5 400 r/min，额定转矩为123 N·m，额定转矩转速为3 600 r/min。

4 电动机参数的选取

电动机作为PHEV的重要驱动单元，在参数匹配的设计计算中具有重要地位。文章采用永磁无刷直流电动机，适用于电动机的外特性，即当电动机转速在额定转速以下时，电动机以恒转矩模式工作，当电动机转速在额定转速以上时，电动机则以恒功率模式工作。电动机参数匹配流程，如图5所示。

图5 并联式混合动力汽车电动机参数匹配流程图

4.1 额定功率（Pe）与峰值功率（Pemax）

由于动力源总功率不超过Pemax与Pmmax之和，即Pemax+Pmmax≥P总。由上述计算的P总范围以及所选12R发动机的功率，经验选择电动机的峰值功率为Pemax=15 kW，额定功率为Pe=10kW。

同时，要验算Pe是否满足纯电动驱动工况时的功率要求和Pemax是否满足最大加速度时峰值功率以及循环工况的功率要求。

4.2 电动机额定转速（ne）和最高转速（nemax）

当电动机功率一定时，随着nemax的增加，电动机启动转矩减小，当nemax超过16 000 r/min后，转矩降低幅度变小，因此nemax不宜过高。一般可选择nemax范围在9 000～15 000 r/min，文章选取 nemax=10 000 r/min。

在转矩合成装置速比不变时，当nemax与ne的比值（β）增加时，电动机启动整车的功率下降，但是对于电动机内部设备的损耗以及电动机驱动轴转矩和传动部件应力的需求增加，对电动机的使用寿命影响很大，通常β的选取范围在4～6。综合考虑各方面的影响因素，取β=5，则：ne=2 000 r/min。

4.3 电动机额定转矩（Te）与峰值转矩（Temax，Temin）

由 Pe，Pemax，ne，nemax确定 Te，Temax和 Temin。

5 蓄电池参数的选取

蓄电池参数的选择包括电池功率、电压等级及电池的个数，蓄电池选择合理与否直接影响PHEV的续驶里程及在制动能量回收时的回收效率，同时蓄电池的选择在整车的参数设计中还要考虑电动机的最大功率需求。为了得到较高的效率，SOC范围一般取在内阻较小的范围内。

镍氢电池具有质量轻、使用寿命长、储存电量多及对环境无污染的特点，且SOC工作区在0.2～0.8以及充放电内阻为0.02～0.03 Ω。因此文章选取镍氢电池作为蓄电池且其充放电内阻为0.025 Ω。图6示出镍氢电池SOC值特性曲线，由图6可估算该电池每个单元的额定电压的平均值为7.65 V。

图6 镍氢电池SOC特性曲线

假设该蓄电池组由n个单元组成，则应保证：

式中：PBat——蓄电池组放电功率，kW；

R——蓄电池内阻，Ω；

E——蓄电池的电动势，V。

将上述蓄电池参数值代入式（9）得：n≥25.6，考虑到效率等问题的影响，取n=30。

为能够满足汽车在加速或爬坡时电动机的能量需求，电池的容量（Q/A·h）应满足式（10）：

式中：ηb，ηDC-AC——电动机和转换装置的效率，取值为0.9。

代入数值得：Q≥7.23 A·h，取 Q=7.5 A·h。

6 传动系统参数的选取

主减速器传动比（i0）的参数设计既要满足汽车行驶时最高车速的要求，也要满足蓄电池在充电过程中对发动机后备功率的需求[9]，即：

式中：nemax——发动机最高稳定转速，取6 000 r/min；

nmp——最大功率点对应的转速，取5 600 r/min。

综上计算：3.70≤i0≤3.96。

传动系统最大传动比（imax）的确定由发动机单独驱动时汽车的爬坡度进行计算，同时还要考虑阻力等因素的影响。计算公式，如式（12）所示。

式中：r——车轮滚动半径，m。

将表 1 中的数值代入式（12）得：imax≥7.1。

由以上计算得到的动力系统参数，如表2所示。

表2 动力系统的参数设计结果表

7 智能体建模

在完成各个部件的参数匹配的基础上，利用Agent的智能性以及多个Agent的协同性来改善HEV动力性和燃油经济性。由于在汽车内部发动机、电动机及蓄电池是相互独立分布的，因此在PHEV动力体系中定义3个部件Agent，分别是发动机Agent、蓄电池Agent及电动机Agent。此外还定义一个系统Agent，用于识别工况、确定行车模式以及感知节气门开度信息和制动踏板位置信息[10]。根据动力总成部件结构及多智能体的协作求解机制，构建出PHEV动力总成多智能体系统，如图7所示。