混合動力微型商務車動力系統的匹配計算

摘要：針對某國產微型商務車的混合動力車型開發的初步設計要求，結合原車參數，運用汽車理論相關知識，簡單有效地計算出滿足該車的動力系統參數，并選擇合適的工況對初步設計進行仿真研究，為混合動力車型的開發提供了動力系統匹配方案。

關鍵詞：混合動力；動力匹配；ADVISOR仿真

中圖分類號：U461.1 文獻標志碼：A文章編號：1005-2550（2011）02-0033-04

Power System Match and Calculation of Hybrid

Micro Commercial Vehicle

FANG Xi-bang，WU Zhe，LI Da-wei，WANG Fang

（School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230022，China）

Abstract：The work is based on preliminary design from a hybrid-type development of Domestic commercial vehicle. Calculate the power system parameter simply and effectively by using auto theory knowledge. Choose an appropriate condition for simulation research of preliminary design and provide a matching scheme for power system development.

Key words：hybrid；power system match；ADVISOR simulation

環境污染問題及日漸枯竭的石油資源使得汽車的發展更加關注環保和節能［1］。一種融合了內燃機和電動汽車的優點的混合動力汽車（HEV）成為了當今世界各大車企研究與發展的重點。它既具有純電動汽車高效率和低排放或零排放的特性，又具有傳統內燃機汽車動力性強和續駛里程長的優點，是當前解決節能、環保問題切實可行的一種過渡方案。而插電式混合動力技術又是混合動力技術的新趨勢。

本文從原車使用環境、成本、性能及充電便捷等各方面綜合考慮，選擇了插電式（Plug-in）串聯混合動力系統（見圖1），對動力系統進行了匹配。串聯式混合動力電動汽車 （SHEV）主要由發動機、發電機和驅動電機三大動力總成組成，其主要特點是采用電動機直接驅動車輪，電動機的電能來自于蓄電池組和發電機。通過發動機帶動發電機產生的電能一部分用于給蓄電池充電，另一部分經由電動機和傳動裝置驅動車輪，發動機在串聯式混合電動車中的作用僅僅用于給發電機發電產生電能。

1 整車參數及性能要求

本文研究將奇瑞汽車股份有限公司生產的某微型商務用車改裝成混合動力微型車，目前串聯式混合動力形式多用在城市客車和公交車上，而本文考慮該車型的使用特點：多行駛于城鄉結合處，多用于載客或運送日常貨物，需要頻繁的起停車輛，而此特點正是符合串聯式混合動力的優勢：適用于較頻繁的停車起步。因此試在小型商務車上實現串聯式混合動力的匹配工作。整車參數及根據使用環境提出的性能要求見表1。

2 動力系統匹配

任何車輛的動力系統都要求：①產生足夠的動力以滿足車輛性能的需要；②配置充分的車載能量以保證車輛行駛給定的路程；③高效率與低排放［2］。

基本的車輛性能包含最高的巡航車速、爬坡能力和加速性能。通過牽引力曲線與阻力曲線的交點，即可求得最高車速，如圖2所示。

動力系統的初步設計匹配可根據整車性能要求，運用理論公式進行計算。

2.1 汽車行駛功率需求

運用汽車理論相關公式可計算出不同行駛功率需求。

最高車速功率需求［3］

P=（+）（1）

最大爬坡度功率需求［3］

P=（++）（2）

滿足加速性能的功率需求［4］

P=m（+fgm）+ACDm3（3）

由（1）、（2）、（3）式計算所得功率見表2。

表2 功率需求kW

2.2 驅動電機參數選擇

驅動電機是串聯式混合動力電動車的唯一驅動系統，參數匹配尤為重要，要在滿足動力性的前提下盡可能減少整車的非有效載荷。

2.2.1 功率

峰值功率要大于或等于車輛所需最大功率，同時要保證各部件質量總和最小，以利于提高電動機效率和減小尺寸，降低整車成本。所以，選擇電動機的峰值功率時，能滿足車輛最大需求功率即可［5］，從表2可得電機的峰值功率不小于17.29 kW，額定功率取在平路上以最高車速行駛時所需功率，即為表2中第一項計算的功率10.55 kW。

2.2.2 電機轉速

電機最高轉速可由公式計算：

nmax=［1］

max為最高車速80 km/h，i0為主減速比，r為車輪半徑，算得最高轉速為4 948 r/min，取最高轉速5 000 r/min，參照多個電機參數后將額定轉速暫定為2 000 r/min。

2.2.3 轉矩

根據公式T=9550算出最大轉矩和額定轉矩：Tmax=86 N#8226;m，Te=53 N#8226;m。

根據以上計算數據，驅動電機的具體參數見表3。

表3 電機參數

2.3 發動機—發電機（APU）參數選擇

在串聯式混合動力系統中，負載功率可分解成兩個分量：穩定功率和動態功率，如圖3所示［2］。APU用以供給穩定功率，既使發動機不受汽車行駛工況的影響，可以工作于高效率和較低排放狀態，又可以防止蓄電池組完全放電。基本原則是：發動機功率只需滿足在平坦路面上以最高車速行駛的要求，即加速和爬坡所需的峰值功率由電池來補充，從表2可知此功率為10.55 kW。發電機與發動機同軸運轉，功率選擇與發動機功率相同。

圖3 負載功率分解為穩定分量和動態分量

2.4 蓄電池參數選擇

在串聯式混合動力系統中，蓄電池對APU起到“削峰填谷”的作用，如圖3所示。當車輛的需求功率大于APU提供的功率時，蓄電池放電提供功率補充；當車輛的需求功率小于APU提供的功率時，多余的功率對蓄電池進行充電。電池數量可根據電機額定電壓和單塊電池電壓計算：72/12=6（塊）。

電池容量按照純電動模式行駛的里程計算［5］，該車要求在純電動模式下，能夠在平路上以50 km/h的速度行駛80 km。

W=P#8226;t=（+）#8226;

計算可得汽車在純電動模式下所需能量為7.54 kWh。綜合考慮各部件效率后，最終選取電池容量為105 AH。

2.5 傳動比的設計［6］

傳動比需遵循以下原則進行計算：①最大傳動比ig1必須要保證爬坡度；②最小傳動比ig2需保證最高行駛速度。計算公式如下：

ig1≥

ig1≤=

由上式可推算出∑i1=ig1i0≥10.51，∑i2=ig2i0≤6.26，考慮擋與擋之間的傳動比比值過大會造成換擋困難，一般認為比值不宜大于1.7~1.8，取∑i1=10.6，∑i2=6.2。

3 系統仿真結果分析

運用ADVISOR軟件對系統進行整車建模、仿真（見圖4）。車型參數選擇默認的串聯式混合動力車型，將車型參數M文件編輯修改成該車型，并將前文計算的各項參數輸入發動機、電動機、發電機等M文件進行修改保存。

由于國內目前采用的循環工況是基于歐洲體系的ECE＿EUDC建立的，故采用ADVISOR內嵌的ECE＿EUDC循環工況模塊對混合動力電動汽車驅動系統結構進行初步的仿真計算［7］，運行仿真軟件，性能仿真結果見表4。對比表1中的性能要求，從表4數據可以看出，初步設計滿足動力性能的要求，理論油耗比原車型節省25%左右。

4 結論

運用理論知識計算出混合動力系統參數，通過電動汽車仿真軟件ADVISOR仿真分析，設計參數總體上能滿足動力性能要求。驗證了小型車改裝成串聯式混合動力電動車的可行性。本文使用的方法簡單有效，但仿真參數是在軟件原有部件參數的基礎上編輯修改所得，更合適的循環工況數據也待由進一步實驗獲得，加上仿真計算中的簡化處理，所得仿真結果僅供參考，但可為后續的設計開發提供指導。

本文僅對動力系統的匹配進行了初步設計，但影響整車性能的因素有很多，在動力系統匹配方面不僅包括動力驅動系統匹配，還包括動力源匹配。因此在進行匹配優化計算時，要從整體出發，進行全局優化設計，尋求一個最優點，使車輛動力系統有一個比較全面合理的配置。另外，所選動力系統的經濟性和排放性有待下一步做專門的研究工作。

參考文獻：

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［2］Mehrdad Ehsani，Yimin Gao，Ali Emadi.現代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車—基本原理、理論和設計［M］.倪光正，倪培宏，熊素銘，譯.北京：機械工業出版社，2010：105-107.

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［4］汪新云.串聯式混合動力電動客車動力系統建模與仿真［D］.武漢：武漢理工大學汽車工程學院，2003.

［5］高燕.串聯式混和動力城市客車參數匹配與控制策略研究［D］.淄博：山東理工大學交通與車輛工程學院，2007.

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［7］吳彤峰，李新春，過磊.基于ADVISOR的混合動力微型客車驅動系統機構類型選擇［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2006，29（11）：1354-1357.