基于ADVISOR的插電式混合動力汽車動力系統參數設計

徐貴勇，唐永琪，方錫邦

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009）

基于ADVISOR的插電式混合動力汽車動力系統參數設計

徐貴勇，唐永琪，方錫邦

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009）

根據目標車型的初步設計要求，快速有效地計算出插電式混合動力汽車的動力系統參數；基于ADVISOR軟件，對選定的動力系統參數進行仿真分析，為相關人員提供參考。

插電式混合動力汽車；動力系統；ADVISOR仿真

本文結合奇瑞某微型商用車項目由傳統動力轉換為純電動動力的研制,闡述對微型商用電動汽車動力傳動系統部件參數的設計及方法,可為電動汽車產品開發提供參考。綜合使用環境、成本、性能及充電便捷等方面的考慮，最終選擇插電式串聯混合動力系統，并對所選的動力系統進行匹配。串聯式混合動力電動汽車（SHEV）主要由發動機、發電機、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，電動機所需電能主要來自車載蓄電池，車載發動機主要用來驅動發電機產生電能。所發電能首先供給電動機來驅動車輛正常行駛，其次給蓄電池充電。

1 動力系統匹配

1.1 整車功率需求計算

整車參數及性能要求見表1。

表1 整車參數及性能要求

電動汽車用電動機與普通工業用電動機有不同的要求，電動汽車用電動機應具有較大的調速范圍，高效、低耗。根據汽車行駛中的頻繁啟動、加速、減速、停車等特點，在低速或爬坡時需要有高轉矩，在高速行駛時需要有低轉矩，而電動機的轉速范圍應能滿足汽車從零到最大行駛速度的要求，即要求電動機具有高的比功率和功率密度；各種配套的控制裝置要盡可能輕，系統噪聲要低。另外，還要求可靠性好、耐高溫及耐潮、結構簡單，適合于大批量生產、使用維修方便、價格便宜等。

如果電動機的功率選擇過小，電動機經常工作于過載狀態，影響其性能和壽命；如果電動機的功率選擇過大，電動機常在欠載狀態運行，效率和功率因數將降低,不僅浪費電能,同時還要增加動力電池的容量[1-2]。根據電動汽車的運行模式,勻速行駛時所需要的驅動功率較小，但運行時間長；而加速行駛時所需功率大，但運行時間較短。因此，設計時，通常按照要求的勻速行駛最高車速，初步確定電動機額定功率[3-4]，即

式中：g為重力加速度9.8 m/s2。

電動機的峰值功率則要滿足汽車最大爬坡度和加速性能的要求。

1）電動汽車爬上最大坡度時的功率[5]：

式中：υθ為車輛爬坡時的車速20 km/h；θ為最大爬坡度arctani，最大坡度=20%。

2）電動汽車滿足加速性能的功率[6]：

式中：υm為加速結束時的車速50 km/h；tm為加速到υm所需的時間20 s；x為擬合系數，取0.5；ρ為空氣密度1.2258 N·S2·m-4。

1.2 電動機參數確定

對直流電動機、永磁同步電動機、開關磁阻電動機和交流異步電動機進行綜合對比，最后選定變頻交流異步電動機作為本車的驅動電機，并且采用日益成熟的變頻調速技術，可以有效地應對電動汽車運行過程中載荷的頻繁變化。

1）電動機的功率。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綜合最小，以利于提高電動機效率和減小尺寸，降低整車成本。所以，選擇發動機的峰值功率時，能滿足車輛最大需求功率即可。由上述計算可知，電機的峰值功率不小于16.93 kW；根據選取交流變頻電動機的基本原則，電機的額定功率應能滿足電動汽車最高車速的要求，即為11 kW[7]，額定電壓為72 V。該選定電機的峰值功率為18 kW。

2）電機轉速。電動機的最高轉速不但影響混合動力車傳動系的尺寸，而且影響電動機的扭矩。根據電動機轉速與扭矩的關系,以及相應的支撐條件,需要綜合考慮電動機的擴大恒功率區系數β和傳動系的體積尺寸。一般情況下,交流異步電動機的最高轉速在9000～15000 r/min，擴大恒功率區系數β一般取2～4[8]。

電機最高工作轉速nmax(r/min)由最高車速uamax(km/h)和減速裝置速比Σi來確定，即：

式中：Σi=ig·io，io為主減速比 5.372；ig為變速器高檔的變速比約為2。估算得最高轉速為8572 r/min，取最高轉速為9000 r/min，擴大恒功率區系數β取3，則額定轉速暫定為3000 r/min。

3）電機轉矩。根據公式T=9550 P/n算出最大轉矩和額定轉矩：Tmax=54.12 N·m，Te=35 N·m。

1.3 發動機—發電機(APU)參數選擇

作為串聯式混合動力系統，負載功率可分為兩個分量：穩定功率和動態功率。APU用以供給穩定功率，即能使發動機不受汽車行駛工況的影響，以高效率和低排放狀態進行工作，又可以防止車載蓄電池組的完全放電[9]。APU功率選取的基本原則：發動機功率只需滿足在平坦路面上電動汽車以最高車速行駛的要求，加速和爬坡所需的峰值功率則由動力電池組來補充，即發動機額定功率為11 kW。發電機與發動機剛性連接同軸運轉，功率選擇與發動機相同。

1.4 電池組參數確定

在串聯式混動動力驅動系統中，電池組起到對APU“削峰填谷”的作用。當車輛在加速或爬坡工況時，汽車所需功率大于APU的功率，電池組放電進行功率補充；當負載功率小于APU提供的功率時，多余的功率用于電池組充電，避免能量的浪費。

電池組電池數量需要滿足兩個條件：電池組電壓和驅動電機的額定電壓保持一致；純電動行駛的情況下，滿足續駛里程要求。

1）根據電機的額定電壓和電池的單塊電壓，電池數量：72/12=6（塊）。

2）根據設計要求，車輛要在純電動模式下，以50 km/h的速度勻速行駛80 km,所需電池能量

但是驅動電機、變頻調速器、變速器等部件都有功率損失，綜合考慮各部件的效率，最終選取蓄電池的容量為 7.56 kW·h，即 105 Ah。

1.5 傳動系參數確定

變速器首先要保證汽車有必要的動力性和經濟性，變速器傳動比的確定需要遵循兩個基本原則：最大傳動比ig1要滿足汽車對最大轉矩的需求，即滿足最大爬坡度；最小傳動比ig2要滿足汽車最高車速的要求[10-11]。計算如下：

由上兩式得ig1/ig2≥1.25，變速器在設計時，要求相鄰檔位之間的傳動比比值在1.8以下。該值越小，換檔工作越容易進行，取ig1=2.7，ig2=2.1。

2 系統仿真分析

動力系統參數確定后，運用Advisor軟件對整車進行建模、仿真。將車型參數輸入軟件，并對相關M文件予以保存。采用Advisor內嵌的ECE_EUDC循環工況，對混合動力汽車的動力系統進行仿真分析，運行仿真軟件，得出仿真結果[12-13]。見表2。

表2 仿真結果

從仿真分析結果看，微型混合動力商用車動力系統的初步選型在滿足了整車動力性能的前提下，理論節油率超過20%。

3 結束語

本文所進行的仿真分析是在修改Advisor軟件原有參數的情況下進行的，內嵌的循環工況數據不一定是最適合的，而且仿真過程中有一些簡化處理，但是仿真結果可為相關的設計開發提供一些參考。整個匹配和仿真過程中，只對動力系統進行了設計，而沒有考慮到排放等其他性能，沒有做全局性的優化設計，有待進一步研究探討。

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修改稿日期：2012-03-31

Parameter Design of Power System for Plug-in HEV Based on ADVISOR Software

XU Gui-yong,TANG Yong-qi,FANG Xi-bang
(School of Mechanical and Automotive Eng.,Hefei Univ.ofTechnol.,Hefei 230009,China)

According to the primary design requirements of a target vehicle,the power system parameters of plug-in HEV could be calculated rapidly,the power system parameters mentioned above are carried on simulation analysis based on ADVISOR.These will provide references for related someones.

plug-in HEV;power system;ADVISOR simulation

U463.83+1；U461.2

A

1006-3331（2012）04-0004-03

徐貴勇，男，碩士研究生。