混合動力電動汽車方案設計與仿真研究

陳建文，蘇鐵熊

（中北大學車輛與動力工程系，太原030051）

1 引言

能源供給和環境污染問題是21世紀全球面臨的兩大制約汽車工業可持續發展的重大難題。目前，保障能源供給已經成為世界許多國家的重大國策[1]。混合動力汽車采用內燃機和電力的聯合驅動方式工作，節能環保，被公認為目前汽車產業面臨的各種挑戰的最佳對策之一。

2 混合動力電動汽車方案設計及匹配

2.1 方案設計要求

混合動力電動汽車方案設計主要有以下3個要求：（1）保證車輛動力性，提高燃油經濟性，減少有害氣體排放；（2）當一條驅動線路出現故障時，有備用線路保證車輛動力性和續駛里程；（3）車輛的能量轉換和利用效率在較高區域。

2.2 結構設計及分析

根據上述要求，圖1為混合動力汽車的結構示意圖。其運行工況有以下幾種：

（1）車輛起步、低負荷運行時，驅動線路為蓄電池-逆變器-電動機-變速器-傳動軸-前驅動橋-前輪。

（2）正常行駛時，有2條驅動線路可選，分別為：發動機-動力分配裝置-單向離合器-變速器-傳動軸-前驅動橋-前輪；發動機-動力分配裝置-發電機-逆變器-后輪電機-后輪。

（3）全負荷運行時，驅動線路3條并行：發動機-動力分配裝置-單向離合器-變速器-傳動軸-前驅動橋-前輪；蓄電池-逆變器-電動機-變速器-傳動軸-前驅動橋-前輪；蓄電池-逆變器-后輪電動機-后輪。

（4）減速與制動時，制動能量回收線路為：前輪-前驅動橋-傳動軸-變速器-發電機-逆變器-蓄電池；后輪-后輪電動機-逆變器-蓄電池。

（5）蓄電池充電時，線路為：發動機-動力分配裝置-單向離合器-變速器-轉動軸-前驅動橋-前輪；發動機-動力分配裝置-發電機-逆變器-蓄電池。

（6）車輛停止時，2種可能線路為：發動機-動力分配裝置-發電機-逆變器-蓄電池；發動機-動力分配裝置-發電機-逆變器-汽車空調等[2～4]。

2.3 混合動力電動汽車動力源功率的匹配

電動汽車的整車總功率的確定是根據整車的動力性（最高車速、加速性能、爬坡要求）來確定的[5]。該設計電動汽車整車的動力性要求為：（1）車輛的最高車速vmax≥150 km/h；（2）0至100 km/h的加速時間t≤16s；（3）最大爬坡度i≥30%，v=25 km/h。

根據車輛最高車速vmax、加速性能和爬坡性能確定的最大功率分別為Pmax1=81.25 kW、Pmax2= 69.37 kW和Pmax3=69.53 kW，考慮到附加功率的消耗，此處取Pall≥90 kW。

（1）電池組參數的選擇

該方案選取容量為84Ah的鎳氫電池，設定車輛以純電動方式行駛時的速度v=65 km/h，行駛里程S=100 km，計算得n≈32；功率需求方面，電池組的容量需要滿足車輛純電動行駛時電動機最大功率的需求，計算得n′=16；綜合考慮，取n=34。

（2）電動機的參數選擇

對于主電動機，其最大功率考慮以下2個因素：（1）車輛的最大爬坡度i≥15%；（2）0～100 km/h的加速時間t≤20 s。計算可得：Pmax=55.62 kW。

考慮附加功率消耗，取電動機功率Pmax≥60 kW。

對于輔助電動機，它的最大功率為汽車所需最大功率減去發動機的功率。主電動機選擇永磁電動機，它的額定功率為40 kW，最高功率為62 kW；故輔助電動機選擇輪轂式永磁電動機，額定功率為4 kW，最高功率為5 kW。

（3）發動機的參數設計

對于發動機：（1）最高車速vmax≥90 km/h；（2）最大爬坡度i≥15%，車速v=30 km/h。當vmax=90 km/h時，發動機功率P為48.75 kW；當最大爬坡度i=15%時，P′=45.78 kW。由此可取發動機功率P≥50 kW。

3 混合動力系統主要機構Simulink建模

3.1 Simulink整車模型

汽車在行駛時，總的阻力為

式中，

Ff——滾動阻力

Fw——空氣阻力

Fi——坡度阻力

Fj——加速阻力

建立整車動力學模型。首先得到循環工況下車輛的速度和加速度請求，然后計算出總的阻力，最后向車輪提出車速和驅動力請求或功率請求。根據車輪功率和速度請求，控制器實時將需求動力信號分配給電動機和發動機兩大動力源，將動力輸出到車輪，驅動車輛行駛?；谝陨侠碚摰姆治?，整車Simulink模塊圖2所示。

3.2 Simulink制動控制策略模型

該混合動力電動汽車制動時，采用電和液壓2種結合制動的形式。制動時，在保證安全性的前提下，為了最大化回收制動能量，增加車輛續駛里程，優先采用電制動；當車輛需要的制動力大于電制動所能提供的最大制動力時，電和液壓制動系統共同制動，確保車輛行駛安全；當車輛緊急制動時，車輛在短時間內急需較大制動力，因此液壓制動為主，電制動為輔，為車輛提供制動力?；谏鲜鲕囕v制動控制策略分析，車輛制動Simulink控制策略模型如圖3所示。

3.3 Simulink永磁同步電動機模型

混合動力電動汽車使燃油經濟性和排放性顯著改善的途徑就是增加電能-機械能的驅動模式。而電動機負責驅動時電能轉換成機械能以及減速制動時回收制動能量的作用。不同的工況，電動機要進行不同模式的轉換，因此對于電動機的要求也越來越高。永磁電動機以高效率、高轉矩密度、良好的轉矩平穩性、低振動噪聲以及在高速區域的弱磁控制能很好地滿足車輛恒功率運行的要求，被認為是電動汽車電驅動系統的理想選擇。永磁同步電動機Simulink模型如圖4所示。

4 CYC_UDDS循環工況下整車性能仿真分析

選擇由美國環境保護署EPA制定的城市道路循環CYC_UDDS進行整車性能仿真，仿真時間為1 369 s，里程12 km，最高車速90 km/h，平均爬坡度5%。在此參數條件設置下，仿真結果如圖5、6。

從圖6（c）可知，在CYC_UDDS道路循環工況下，電動機扭矩輸出集中在20～100 N·m，峰值扭矩200N·m左右。而電動機最大轉矩159N·m，工作區域所需扭矩＜159N·m。另外，對于永磁電動機而言，其過載能力是其額定情況下的3倍，甚至更高，所以電動機可以正常工作，電動機選型合理。

如圖6（d）所示，發動機工作時扭矩輸出集中在45～85N·m，峰值扭矩接近于100 N·m，最終確定發動機最大功率為57 kW，最大扭矩為115 N· m。在CYC_UDDS循環工況下，發動機能夠正常的工作，所以根據仿真結果，發動機選型合理。

CYC_UDDS循環工況，速度變化頻率較高，范圍較大，本次循環仿真中，共有17次停車，最高車速可以達到90 km/h，加速、減速較多，非常有利于制動能量的回收。

從圖6（e）可以看出，發電機輸出扭矩集中在0～25 N·m，并且變化幅度較小，這對于在頻繁變速的情況下為動力電池充電非常有利，一方面可持續的為電池充電，增加續駛里程；另一方面，不會由于發電機瞬時功率的突然增大，對電池造成傷害，影響其使用壽命。

圖7所示為車輛在CYC_UDDS循環工況下，無制動能量回收時的電動機工作效率圖。仿真結果顯示，電動機工作效率集中在0.8～0.9之間，處于一個較高的水平，電動機能夠發揮其最大作用，因此，電動機和發動機的選型和協調工作，都比較合理。

5 結論

（1）燃油經濟性

表1所示為混合動力汽車在CYC_UDDS循環工況下的能量消耗以及制動能量回收情況。結果表明，車輛在CYC_UDDS循環工況下的等效百公里油耗為5.9 L，節油率約為24%，節油效果明顯。該混合動力汽車設計方案采用3個電動機，對于復雜多變的循環路況，回收制動能量效果很好，發動機工作效率也得到極大改善，這對燃油經濟性的提高和改善都非常有利。

（2）排放性能分析

表2所示為混合動力汽車在CYC_UDDS循環工況下的尾氣排放情況。本文參考 GB18352. 3-2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國Ⅳ階段）進行尾氣對比分析。從表中可以看出，尾氣排放均低于國家標準規定的排放限值。

本文通過合理設計電動汽車的結構，選擇合適的部件匹配，優化電動汽車的控制策略，使其在保證動力性的前提下，最大化的提高了燃油經濟性和改善了排放性能。

1劉國卿.汽車行業節約型社會擔負責任[J].汽車工業研究，2005.

2于秀敏，曹珊等.混合動力汽車控制策略的研究現狀及其發展趨勢[J].機械工程學報，2006（11）：10-16.

3 Zoelch U,Schrode D.Optim ization Method for Rating the Componentsofa Hybrid Vehicle[C]. The 14th InternationalElectric Vehicle Symposium (EVS 14),O rlando,Florida,USA,1997.

4王婷.混合動力電動汽車控制策略的優化研究[D].北京交通大學，2009.

5余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2006.