新能源混合动力汽车动力传动系的参数匹配与仿真计算

祖炳洁，高坤，马驰

新能源混合动力汽车动力传动系的参数匹配与仿真计算

祖炳洁，高坤*，马驰

（石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043）

根据某款中型轿车的能源改造需求，对并联混合动力方案及传动系关键部件参数进行了选型与计算。选择单排行星齿轮机构作为混合动力输出的转速耦合装置，并尽力保持原车传动系制造工艺变动较小的原则；在ADVISOR 2002环境中，建立了发动机、电动机、转速合成器、变速器、减速器等装置组成的动力传动系统整体仿真模型。依据整体仿真模型对混合动力车辆的动力性和经济性做了仿真分析，并对动力传动系参数的匹配方案做了初步优化。

混合动力汽车；转速合成装置；动力参数匹配；传动系参数优化

相对于传统燃油汽车和纯电动汽车，混合动力汽车在节能、环保、动力性、比功率方面实现了两者优点的折衷统一，并能极大拓展能源选择的空间，因此在电池技术尚未取得突破的今天，混合动力汽车在汽车主流产品中占有不可或缺的一席之地。省油、低成本、成熟技术、高可靠率是混合动力汽车未来发展的决定性因素。

混合动力汽车的关键技术之一就是两种动力的合成及与传动系参数匹配及优化的问题。根据某款中型轿车的能源改型需求，对混合动力方案以及传动系的参数匹配做了整体设计。

1 整车动力系统传动方案

已知某款中型轿车整车参数如表1所示。根据设计要求，将原车汽油机－机械传动系统改为新能源并联混合驱动方式，并尽量保持原车传动系制造工艺变动较小的原则。改型后的传动方案如图1所示。

表1 整车参数

图1 并联式混合动力传动系组成

混合动力汽车传动系统由发动机、离合器、电机、电池、动力合成器等部分组成，其中的关键部件——动力合成器采用具有两个转动自由度的单排行星轮系结构[1]。依据转动自由度分类，该动力合成器属于转速合成器。转速合成器的基本构成和原理如图2所示。输入输出转矩、输入输出转速满足关系式（1）。

式中：3为转速合成器的输出转矩，N·m；1、2为两动力源单独输入时、转速合成器的传动比；1、2为发动机和电动机的输入转矩，N·m；3为转速合成器的输出转速，r/min；1、2为发动机和电动机的输入转速，r/min。

图2 转速合成器原理图

转速合成器工作逻辑比较简单，结构紧凑，受力均匀，转速控制灵活。特别是通过对发动机和电动机的单独转速控制，可以实现发动机和电动机的工作特性匹配，实施精细控制策略，如利用发动机高速区域高功率、比油耗低，电动机低速区域转矩大、高效率的优势，峰值功率、峰值扭矩工况采用混合动力合成输出的模式。由此充分发挥两个动力优势互补，在保障足够的加速性能同时发挥更优的经济性能。

此外转速合成器还能很好地实现两个动力源的合成与分解：通过调节发动机或电动机的转速能够实现输出轴的转速调节和稳定变化；发动机的动力还可一分为二，一路输入变速箱，另一路供给电动机（电动发电机两用）发电，储存剩余能量。

可见，作为混合动力汽车的关键部件——动力耦合装置，转速合成器由于具有明显的优势，在动力合成器中具有良好的应用前景。

2 混合动力传动系参数匹配与计算

2.1 动力传动系工作策略与匹配原则

（1）中型轿车的主要动力指标为稳定行驶的最高速度，因此高速稳定工况为发动机额定功率的计算依据；

（2）起步、爬坡等短时过渡工况需要恒定大转矩的支持，主要依靠电动机低速大转矩的过载能力和传动系总传动比的最大变矩能力。

（3）60～80 km/h之间的超车加速工况，设定以发动机为主、电动机为辅混合输出动力，共同提供峰值功率和转矩。

根据上述原则进行动力与传动系的参数计算。按照行业设计标准，整车性能设计指标如表2所示。

表2 整车性能指标

2.2 发动机动力参数设定

发动机额定功率应满足平坦路面稳定行驶的最大车速（max≥130 km/h）要求，同时应满足车速＝90 km/h时爬坡度≥5%的要求。前者按式（2）计算，后者按式（3）计算[2]。

式中：U为车速，km/h；为机械传动效率，取0.9。

式（2）、式（3）计算后取大值得到额定功率为31 kW。考虑一定的功率余量，选择发动机最大功率为45 kW。据此选定发动机型号为4缸8气门多点电喷汽油机，其动力参数为最大功率及转速45 kW（5500 r/min）、最大扭矩及转速100 N·m（4000 r/min）。

2.3 电动机动力参数匹配

市区内行驶需要频繁地起停、加速，要求足够的转矩支持；而城市快速路行驶，要求足够的功率支持。按照市区内行驶以纯电动模式为主的设计原则，电机的驱动特性应近似低速恒转矩、高速恒功率的理想驱动特性，以保障电机各个工况的高效率[3]。

该车市区行驶的动力性指标要求为原地起步加速0～60 km/h所用加速时间＜10 s，60～80 km/h区间超车加速所用加速时间＜15 s，城市道路最高车速80 km/h。

（1）额定功率计算：

以市内最高稳定车速80 km/h作为电机额定功率的计算依据，沿用式（2）计算，求得额定功率为16 kW。

（2）峰值功率计算

首先假定坡道行驶所需功率最大，以坡道行驶速度25 km/h、最大爬坡度30%作为电机峰值功率的计算依据，沿用式（3）计算，求得峰值功率为41 kW。

（3）超车加速时间计算与功率验证

在60～80 km/h超车加速时，车辆的速度与加速度都在变化，所需功率不好计算，因此不能直接与坡道功率比较。可以将坡道功率代入式（4）验算超车加速时间，进而比较超车加速所需的功率大小。

式中：为汽车旋转质量转换系数，取1.06。

式（4）中代入1＝60 km/h、2＝80 km/h，采用数值积分方法编程计算，可求解得到超车加速时间。

将电机最大爬坡度功率值41 kW代入式（4），得超车加速时间＝7.28 s＜15 s；

采用混合动力互补做为峰值功率，此时混合动力为两动力的额定功率之和，即31＋16＝47 kW，代入式（4），得到超车加速时间＝6.78 s＜15 s。

显然，最大坡道行驶功率为峰值功率。

（4）电机额定转矩计算

从混合动力轿车的成本考虑，选择峰值转速不高于6000 r/min的普通电机，并设计电机额定转速为3000 r/min、峰值转速为6000 r/min。

驱动电机的额定转矩为：

式中：P为额定功率，kW；n为额定转速，r/min。

求得额定转矩为T＝79 N·m。

（5）电机峰值转矩计算

峰值转矩为：

式中：为电机过载系数，一般取2～4，本次设计取值为3，以提高电机自身的过载能力，同时可减小传动系的总传动比[4]。

求得峰值转矩T＝237 N·m。

由此求得电机参数如表3所示，在0～6000 r/min工作转速之间的机械特性如图3所示。

表3 电动机参数

图3 电机0～6000 r/min工作转速的机械特性

2.3 转速合成器参数

本设计选择的转速合成器为单排行星轮系，按照该车传动系尺寸匹配条件，选择的转速合成器结构参数＝2.15，的定义为：

由此算得转速合成器两个动力单独驱动时的传动比1＝1＋＝3.15；2＝(1＋)/＝1.46。

2.4 主减速器传动比、变速器最大速比的确定

（1）主减速器传动比需要满足车辆行驶时的最高车速，即：

式中：N为发动机最高转速，r/min；max为最高设计车速，km/h；为车轮旋转半径，m。

代入求得0≤7.09。一般混动汽车主减速器传动比0范围为4≤0≤6，为了提高发动机高转速速区间的功率负荷率[5]，选择较小的主减速器传动值0＝4.2。

（2）变速器最大速比需要满足克服最大爬坡度时阻力矩的要求，即：

式中：max为电机峰值力矩，N·m；0为发主减速器传动比；max为变速器最大速比；max·0·max为最大爬坡度时的阻力矩，N·m。

求得变速器最大传动比max＝1.677。

传动系总传动比为总＝0·max＝7.01。

至此，混合动力传动系部件之间的逻辑关系以及匹配参数全部确定。

3 建立混和动力传动系统仿真模型

虽然混动汽车动力传动系的各个部件参数已经确定，但动力传动系各部件参数之间的相互关系对整车的性能影响，依据传统设计方法无法直观判断，只能依靠传统的道路试验。借助计算机辅助开发工具ADVISOR软件可以突破传统设计方法的局限。通过ADVISOR软件对混动汽车进行整车建模，可以直接分析、观测传动系参数对动力性能及其经济性能的影响，并能实时在线修改参数、实时输出结果进行优化对比[6]。显然，现代设计方法体现出无与比拟的巨大优势。

3.1 动力传动系整体建模

依据ADVISOR软件的强大仿真功能，首先对该车车身、驱动电机、蓄电池组、发动机、主减速器、变速器、转速合成器、车轮及半轴等部件进行仿真建模。然后将以上部件模型作为整车的子系统首尾连接起来进行封装，从而建立整车系统的仿真模型[7]。进行动力性能仿真需要勾选Acceleration Test和Gradeability Test两个选项，并在弹出窗口中设置汽车的试验标准来进行加速性能和爬坡性能测试。

点击RUN后，仿真模型开始运行、并显示仿真结果。

3.2 仿真结果与分析

混合动力汽车的性能指标主要包括动力性指标和经济性指标。利用ADVISOR的仿真功能，可以分析最大加速度、爬坡度、最高车速等动力指标，和车辆续驶里程数、电池组SOC值、车辆燃油消耗等经济性指标，以及尾气排放等环保指标。根据前面计算的动力传动系匹配参数（表4），所做仿真结果的主要性能指标如表5所示。从加速时间及最大爬坡度看出，发动机和电动机都有一定的功率余量，特别是60～100 km/h的加速时间仅为2.7 s，比理论计算值小很多。为实现动力传统系统的参数匹配更优、减少动力余量，可以利用ADVISOR在线仿真、实时输出结果的功能，按一定规则组合不同的匹配方案进行比较[9]。仿真过程中已知影响混动汽车百公里油耗的最大因素为电池荷电状态SOC和滚动阻力系数，为保障混动汽车的良好经济性，应保证电池一直处于较高的荷电状态，因此匹配动力传动系不同参数方案时，不再改变电池参数[10]。同时在保证动力性能不低于设计指标的约束条件下，对动力传动系的发动机、电动机、主减速比、变速箱最大速比四个参数进行组合。将发动机、电动机峰值功率按一定步长（2 kW）逐渐减小；主减速比与变速箱最大速比取值呈反比变化。由此算得一组优化后的匹配参数（表4）仿真结果最好（表5）：0～60 km/h起步加速时间为4.2 s，60～100 km/h加速时间为3.2 s，0～100 km/h起步加速时间为7.1 s，且最大加速度为3.6 m/s2，最大车速为133.6 km/h，百公里油耗为3.7 L。综上可见最大车速已接近约束条件（最大车速≥130 km/h），仿真计算结束，匹配方案满足性能设计要求。

表4 动力传动系优化前后匹配参数

表5 优化参数前后主要性能仿真结果

4 小结

对某款中型轿车的传动系进行并联混合动力传动系的设计与参数匹配，结果表明：

（1）转速合成器具有工作逻辑简单、结构紧凑、受力均匀、转速控制灵活等优点，能够很好地实现两个动力源的合成与分解。通过对发动机和电动机的单独转速控制，可以充分发挥发动机和电动机优势互补的特点，在保障足够的加速性能、同时能够发挥更优的经济性能。

（2）利用ADVISOR仿真软件，可以方便有效地进行新能源汽车混合动力传动系的参数匹配、仿真计算和优化对比，对混合动力传动系统的设计和匹配优化具有良好的指导意义。

[1]宫唤春，宋志远. 混合动力汽车传动系统参数匹配设计[J]. 汽车工程师，2019（10）：27-30.

[2]余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2009：75-87.

[3]曾小华，王庆年，李骏，等. 基于ADVISOR2002混合动力汽车控制策略模块开发[J]. 汽车工程，2004，26（4）：394-396.

[4]王勇. 纯电动汽车双驱动力传动系统参数匹配与控制方法研究[D]. 重庆：重庆大学，2018.

[5]曾育平. 插电式混合动力汽车动力传动系统参数匹配优化[J].南昌工程学院学报，2017，36（4）：59-64.

[6]牛秦玉，李珍惜，王智超，等. 电动汽车动力传动系统参数匹配与优化[J]. 机械传动，2019，43（2）：129-136.

[7]彭大. 插电式并联混合动力汽车动力传动系统与控制参数匹配优化[D]. 重庆：重庆大学，2011.

[8]邓涛，周豪，唐鹏. 并联混合动力传动系统结构创新设计研究[J]. 汽车工程，2018，40（9）：997-1004.

[9]万帆，傅春耘，盖江涛，等. 插电式混合动力汽车动力传动系统的参数匹配及仿真[J]. 重庆理工大学学报（自然科学），2015，29（6）：19-26.

[10]张鹏，马海英，侯晓晓. 矿用汽车动力传动系统参数匹配建模优化[J]. 机械设计与制造，2019（6）：60-64.

Parameter Matching and Optimization of Power Train of New Energy Hybrid Electric Vehicle

ZU Bingjie，GAO Kun，MA Chi

( School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China )

According to the energy transformation needs of a medium-sized car, the key components of its new energy parallel hybrid power scheme and drive train were selected and calculated. A single-row planetary gear mechanism is selected as the speed coupling device for hybrid power output, and the composition of other mechanisms of the original car's drive train is remained unchanged. In theADVISOR2002 environment, an overall simulation model of power transmission system have been established, which includes the engine, electric motor, speed synthesizer, transmission, reducer and other devices. The dynamic and economic performance of the hybrid electric vehicle are simulated and analyzed, and the matching scheme of the power train parameters is initially optimized.

hybrid electric vehicle；speed synthesis device；power parameter matching；drive train parameteroptimization

U463.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.001

1006－0316 (2021) 02－0001－06

2020－08－13

国家自然基金项目：独立驱动电动载货汽车三维耦合动力学及纵－横－垂向协调控制（11972238）；河北省教育厅重点项目：新能源混合动力汽车动力传动系的匹配与优化（ZD2020346）

祖炳洁（1961－），女，河北秦皇岛人，硕士，教授，主要研究方向为车辆工程。*通讯作者：高坤（1996－），男，河北张家口人，硕士研究生，主要研究方向为车辆工程，E-mail：1335462428@qq.com。