基于ADVISOR的并聯(lián)PHEV動力參數(shù)匹配的研究

潘二東，申江衛(wèi)，肖仁鑫

(昆明理工大學 交通工程學院，云南 昆明 650500)

?

基于ADVISOR的并聯(lián)PHEV動力參數(shù)匹配的研究

潘二東，申江衛(wèi)，肖仁鑫

(昆明理工大學 交通工程學院，云南 昆明 650500)

摘要：分析了并聯(lián)PHEV動力系統(tǒng)的基本結構，表明動力參數(shù)匹配對PHEV的設計研發(fā)具有重要的作用。總結得到了PHEV動力參數(shù)匹配的基本原則、方法和步驟，主要根據(jù)汽車動力學方程、整車基本參數(shù)，在滿足整車動力性、經濟性和純電動續(xù)駛里程要求前提下，通過計算匹配得到了電動機峰值和額定功率、發(fā)動機峰值功率和額定功率、純電動模式下車速與動力電池功率和動力電池能量關系以及傳動系統(tǒng)的最大傳動比和最小傳動比等重要的動力參數(shù)。應用ADVISOR汽車仿真軟件搭建了PHEV仿真模型，在CYC-HWFET行駛工況下進行了仿真試驗。仿真結果表明，動力性、經濟性以及純電動續(xù)駛里程均滿足整車開發(fā)設計要求，進一步驗證了所使用的PHEV動力參數(shù)匹配方法的有效性和所匹配得到的PHEV動力參數(shù)的準確性。

關鍵詞：PHEV；參數(shù)匹配；ADVISOR；行駛工況；仿真模型

設計研發(fā)電動汽車是緩解全球環(huán)境污染和能源危機的有效途徑。混合動力汽車(尤其是PHEV)是目前電動汽車研究的主要方向。PHEV是可以外接充電設施的混合動力汽車，動力系統(tǒng)結構如圖1所示，能利用電網的“低價電”為電動汽車充電，集合了純電動汽車和一般混合動力汽車的共同特點，既能在排放要求嚴格的區(qū)域進行一定續(xù)航里程的純電動行駛，又能在加速、爬坡等對動力性要求較高的情況下進行發(fā)動機和電動機的聯(lián)合驅動[1]。動力系統(tǒng)是汽車驅動的核心，因此，動力參數(shù)匹配的研究對PHEV的設計開發(fā)具有重要的意義。PHEV共有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等3種動力系統(tǒng)布置模式，本文主要對并聯(lián)PHEV的參數(shù)匹配進行研究。

圖1　并聯(lián)式PHEV動力系統(tǒng)結構

1動力參數(shù)匹配的原則、方法和步驟

PHEV參數(shù)匹配主要是在滿足汽車最高車速、最大加速度、最大爬坡度和純電動續(xù)駛里程等動力性能的前提下，通過對發(fā)動機、電動機、電池組和變速器等性能參數(shù)的匹配，使PHEV整車質量、經濟性和排放性能達到最優(yōu)[2]。

PHEV參數(shù)匹配的一般方法是根據(jù)汽車動力學方程及相關算法，并在一定工況下運用優(yōu)化仿真軟件來確定發(fā)動機功率及轉速、電動機功率及轉速、傳動比和動力電池的容量等相關的動力參數(shù)[3]。

PHEV參數(shù)匹配的一般步驟是：1)根據(jù)純電動行駛模式下的最高車速、加速性能和最大爬坡度，確定電動機的額定功率、峰值功率和轉速；2)根據(jù)發(fā)動機混合驅動工況行駛的最高車速、加速性能和爬坡度要求，確定發(fā)動機的功率及轉速；3)確定最大、最小傳動比；4)根據(jù)純電動模式續(xù)駛里程和加速性能確定動力電池的容量及功率。

2動力參數(shù)匹配

設計研發(fā)的PHEV整車基本結構參數(shù)見表1，整車基本動力性能、經濟性能要求見表2。

表1　整車基本結構參數(shù)

表2　整車基本動力性能、經濟性能參數(shù)

2.1電動機參數(shù)的選擇

根據(jù)純電動模式下的最大車速、0～100 km/h的加速時間和最大爬坡度來確定電動機的最大功率[4-5]。

1)根據(jù)PHEV純電動模式下最大車速確定的電動機最大功率Pm1_EM如下：

(1)

式中，mc是整車質量，單位為kg；g為重力加速度，單位為m/s2；f是滾動阻力系數(shù)，f=0.02；C是空氣阻力系數(shù)；A是PHEV迎風面積，單位為m2；vmax_EM是純電動模式下PHEV可達到的最大車速，單位為m/s；η是傳動效率。

2)根據(jù)PHEV純電動模式下0～100 km/h的加速時間確定的電動機最大功率Pm2_EM如下：

(2)

式中，v是加速末期的速度，v=100 km/h；δ是車輛質量換算系數(shù)，δ=1.05；ti是0～100 km/h加速時間，ti=12 s。

3)根據(jù)PHEV純電動模式下的最大爬坡度確定的電動機最大功率Pm3_EM如下：

(3)

式中，α是PHEV純電動模式下最大坡度傾斜角，α=arctanimax_EM，其中，imax_EM是純電動模式下最大爬坡度，imax_EM=20%；vi是PHEV最大爬坡度時要求的車速，vi=10 km/h。

電動機最高轉速與其本身的質量、尺寸和內在損耗等有很大的關系，對傳動系的尺寸也有一定的影響。電動機擴大恒功率區(qū)系數(shù)γ是電動機一個很重要的性能參數(shù)，其定義為電動機最高轉速與額定轉速的比值。目前，一般選擇轉速為中高速的電動機，最高轉速一般為9 000～15 000 r/min，擴大恒功率區(qū)系數(shù)γ一般為4～6，電動機額定轉速可由nmn=nnmax/γ計算出。

2.2發(fā)動機參數(shù)的選擇

首先根據(jù)PHEV混合驅動模式下的最高車速、0～100 km/h的加速時間、最大爬坡度來確定動力系統(tǒng)所需要的最大功率，然后再根據(jù)計算所得電動機的功率最終匹配出發(fā)動機的功率[6-7]。

1)根據(jù)PHEV混合驅動模式下最高車速確定的動力系統(tǒng)最大功率PHM1如下：

(4)

式中，vmax_HM是PHEV混合驅動模式下的最高車速，單位為km/h。

2)根據(jù)PHEV混合驅動模式下0～100 km/h加速時間確定動力系統(tǒng)最大功率PHM2如下：

(5)

式中，tj是PHEV混合驅動模式下0～100 km/h的加速時間，單位為s。

3)根據(jù)PHEV混合驅動模式下的最大爬坡度確定動力系統(tǒng)的最大功率PHM3如下：

(6)

式中，β是PHEV混合驅動模式下最大坡度傾斜角，β=arctanjmax_HM，其中，jmax_HM是混合驅動模式下最大爬坡度，jmax_HM=30%。

考慮到目前電動機和發(fā)動機市場的產品，最終得到的電動機和發(fā)動機匹配參數(shù)見表3。

表3　電動機和發(fā)動機參數(shù)匹配表

2.3傳動比參數(shù)的選擇

2.3.1最小傳動比的選擇

PHEV混合驅動模式下的最大車速是由發(fā)動機最大轉速和最小傳動比決定的，發(fā)動機的最大轉速已經確定，最小傳動比可由下式確定：

(7)

式中，imin是最小傳動比；nemax是發(fā)動機最大轉速，單位為r/min；r是PHEV車輪半徑，單位為m。

2.3.2最大傳動比參數(shù)選擇

最大傳動比是由PHEV純電動模式下的最大爬坡度、電動機額定功率對應的轉矩，以及發(fā)動機最大的轉矩確定，其計算公式為如下：

(8)

(9)

式中，imax是最大傳動比；fmax是最大驅動阻力，單位為N；T是發(fā)動機最大轉矩或者電動機額定功率對應下的轉矩，單位為N·m。

通過計算得出imin≤3.52，imax≥7.19，即最小傳動比為3.52，最大傳動比為7.19。

2.4動力電池參數(shù)的選擇

PHEV動力電池既要能滿足純電動模式下動力系統(tǒng)的功率需求和續(xù)航里程的能量需求，又要能滿足混合驅動模式下動力系統(tǒng)的功率需求，動力電池要在SOC較低時也能提供較高的功率。動力電池功率特性一般為放電功率隨著SOC的減小而降低，充電功率隨著SOC的增大而降低。PHEV對動力電池要求能在低SOC狀態(tài)時大功率放電，在高SOC狀態(tài)時大功率充電[8-9]。目前，和其他類型動力電池相比，鋰離子電池能基本滿足上述要求，而且鋰離子電池的功率密度和能量密度也較大。

動力電池參數(shù)主要由純電動模式下動力系統(tǒng)的功率要求和能量要求決定，功率和能量是動力電池的重要參數(shù)，可分別由如下2個公式求出：

(10)

(11)

式中，Pb是PHEV純電動模式動力電池功率，單位為kW；Eb是PHEV純電動模式動力電池所需能量，單位為kWh；vEM是純電動模式PHEV的車速，單位為km/h；Pa是純電動模式PHEV附件所需功率，設Pa=1 kW；L是PHEV純電動模式續(xù)駛里程，單位為km。

PHEV純電動模式下車速與動力電池功率和動力電池能量關系分別如圖2和圖3所示。

圖2　PHEV純電動模式速度與動力電池功率關系圖

圖3　PHEV純電動模式速度與動力電池能量關系圖

由圖2和圖3可知，當PHEV純電動模式下達到最大速度(120 km/h)時，動力電池所需功率為30.28 kW，動力電池所需能量為12.61 kWh。結合目前鋰離子電池市場情況，動力電池功率選35 kW，動力電池能量選15 kWh。

3仿真試驗

3.1ADVISOR軟件介紹

ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)高級車輛仿真軟件是由美國可再生能源實驗室開發(fā)的，主要用于電動汽車前期研發(fā)階段的仿真，以節(jié)省新型車輛的研發(fā)時間和成本[10]。ADVISOR軟件基于MATLAB/Simulink 軟件平臺，建立了發(fā)動機、電動機、離合器、變速器和能量儲存系統(tǒng)等部件模型。ADVISOR的源代碼和仿真模型是完全公開的，用戶可以方便地更改模型和源代碼進行案件模型的搭建和仿真。另外，ADVISOR采用后向仿真為主、前向仿真為輔的仿真方法，集中了2種仿真方法的優(yōu)點，不但仿真速度較快，計算量較小，而且也保證了仿真結果的精度。

3.2建立仿真模型進行仿真試驗

在Simulink 軟件平臺上搭建PHEV仿真模型(見圖4)，將整車基本參數(shù)和動力系統(tǒng)參數(shù)匹配結果輸入ADVISOR仿真軟件，并修改相應的m文件，在CYC-HWFET行駛工況下(見圖5)，進行仿真試驗，并得到仿真結果。

圖4　PHEV仿真模型

圖5　CYC-HWFET行駛工況

3.3仿真結果分析

設定ADVISOR軟件的各個仿真參數(shù)，并運行ADVISOR軟件進行仿真，仿真結果見表4。

表4　仿真試驗結果

仿真試驗結果表明，各個性能試驗結果均滿足整車開發(fā)所要求的動力性能和經濟性能指標，所匹配的PHEV動力性能參數(shù)完全符合要求。

4結語

1)通過對PHEV動力系統(tǒng)結構的分析，總結得出了發(fā)動機、電動機、傳動比和動力電池等是PHEV的重要動力參數(shù)，對各個動力參數(shù)的準確匹配具有重要的意義。

2)根據(jù)PHEV汽車動力學方程、整車基本參數(shù)以及整車動力性和經濟性要求，匹配出各個動力參數(shù)。電動機最大功率為110 kW，額定功率為45 kW，最大轉速為12 000 r/min，最大轉矩為250 N·m，額定功率對應轉矩為175 N·m；電動機最大功率為113 kW，額定功率為75 kW，最大轉速為5 200 rpm，最大轉矩為240 N·m。

3)在CYC-HWFET行駛工況下進行ADVISOR仿真試驗，得出了仿真結果。純電動模式：最大車速為126.3 km/h，0～100 km/h加速時間為10.6 s，最大爬坡度為21.3%，純電動續(xù)駛里程為63.8 km；混合驅動模式：最大車速為172.6 km/h，0～100 km/h加速時間為7.2 s，最大爬坡度為30.5%，每百公里油耗為4.52 L。結果表明，各個動力性能指標均滿足設計要求，驗證了所使用的動力參數(shù)匹配方法的有效性和所匹配動力參數(shù)的準確性。

參考文獻

[1] 楊奕武. 插電式混合動力車前景光明[J]. 汽車與配件,2012,(33):21-23.

[2] 余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 劉雪梅,黃偉,周云山,等. 插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)研究[J]. 計算機仿真,2009(10):302-306.

[4] 李江波,顏文勝,申江衛(wèi),等. 不同技術路線混合動力公交客車適應性分析[J]. 新技術新工藝,2014(4):65-67.

[5] 羅銳,顏文勝,王坤俊,等. 增程式電動汽車參數(shù)匹配及控制策略仿真[J]. 新技術新工藝,2014(7):93-97.

[6] Xu K, Qiu B. Optimized parameter matching method of plug-in series hybrid electric bus [C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Connected Vehicles and Expo. Washington D.C.: IEEE Computer Society,2012.

[7] 舒紅,彭大,袁月會,等. 插電式并聯(lián)混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)與控制參數(shù)匹配設計[J]. 汽車工程學報,2012(2):105-112.

[8] 趙又群,李佳. Plug-in混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配[J]. 應用基礎與工程科學學報,2011(3):459-465.

[9] 何畏,熊尉伶,孫宇,等. 插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)的研究與仿真[J]. 科學技術與工程,2014(5):155-162.

[10] 劉磊,剛憲約,王樹鳳,等. 汽車仿真軟件ADVISOR[J]. 農業(yè)裝備與車輛工程,2007(2):40-43.

責任編輯彭光宇

Research of the Parameters Matching of Parallel PHEV based on ADVISOR

PAN Erdong， SHEN Jiangwei， XIAO Renxin

(College of Traffic Engineering, Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China)

Abstract：Analyze the basic structure of PHEV power system, and it indicates that the parameter matching is very important to the design and the development of PHEV. The basic principles, methods and procedures of the parameter matching of PHEV are got through some summaries. According to the vehicle dynamics equations, the basic vehicle parameters and under the satisfaction of the dynamic performance, the pure electric driving range and the economic performance of PHEV, some important parameters of PHEV are matched through some calculations. The parameters are the peak power and the rated power of the motor and the engine, the relationship between the speed and the power and energy of the battery, the maximum transmission ratio and the minimum transmission ratio of the transmission system etc. A PHEV simulation model is built in the ADVISOR vehicle simulation software and a simulation experiment is carried out under the CYC-HWFET driving cycle. The simulation results show that the dynamic performance, the economic performance and the pure electric driving range can all meet the design requirements. Furthermore, it verifies the effectiveness of the matching method of dynamic parameters of PHEV that is used and the accuracy of the matching parameters of PHEV.

Key words:PHEV， parameters matching， ADVISOR， driving cycle， simulation model

收稿日期：2015-06-08

通信作者：申江衛(wèi)

作者簡介：潘二東(1989-)，男，碩士研究生，主要從事新能源汽車優(yōu)化控制等方面的研究。

中圖分類號：U 69.72

文獻標志碼:A