插電式混合動力汽車動力系統參數匹配與仿真研究

林鑫焱，錢瀟瀟

（鹽城工學院汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051）

插電式混合動力汽車動力系統參數匹配與仿真研究

林鑫焱，錢瀟瀟

（鹽城工學院汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051）

根據某款插電式混合動力汽車的設計要求，對動力系統主要部件電動機、發動機/發電機組、動力電池進行參數匹配。基于ADVISOR對整車性能進行仿真，仿真結果顯示動力性指標和純電動續駛里程均達到了設計要求，驗證了動力系統參數匹配方法是合理可行的。

混合動力汽車；動力系統；參數匹配；仿真；ADVISOR

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-81-03

前言

插電式混合動力汽車通過一定的控制策略，將包括發動機、動力電池在內的不同動力源進行耦合，使發動機在高效率、低排放區工作，還可進行制動能量回收，以達到節能減排的目的[1]。動力系統參數設計是插電式混合動力汽車設計的一個非常重要的環節，在整個設計的過程中，除了要滿足動力性要求外，還要盡量提高效率，以提高續駛里程。

1 設計要求

插電式混合動力汽車的設計要求主要有動力性指標和純電動續駛里程，其中動力性指標包括最高車速、加速時間以及最大爬坡度，如表1所示。整車基本參數如表2所示。

表1 設計要求

表2 整車基本參數

2 動力系統結構選型

混合動力汽車主要有串聯式、并聯式以及混聯式結構形式。本文選用串聯式動力系統，如圖1所示，主要包括電動機、發動機/發電機組、動力電池三大動力部件。串聯式動力系統結構簡單，布置方便，發動機可始終保持在高效區工作。在起步、低速等低載荷工況下以純電動模式工作，發動機不工作，由動力電池單獨輸出電能給電動機，從而驅動車輪。在中、高速行駛等中載荷工況下以純發動機模式工作，動力電池不工作，發動機/發電機組工作驅動電動機運轉。在加速、爬坡等高載荷工況下以混合驅動模式工作，動力電池和發動機/發電機組共同輸出電能驅動電動機運轉。動力電池電量不足時，發動機/發電機組還可以為其充電。

圖1 串聯式混合動力系統結構

動力電池選用單體工作電壓為 3.56 V，單體容量為25 A·h的某型號鋰電池。電動機選用效率高、體積小、質量輕的永磁同步電機。傳動系統采用固定速比傳動，取消變速器，單級主減速器的傳動比為5。

3 動力系統參數匹配

3.1 電動機參數匹配

電動機的參數匹配主要包括功率、轉矩、轉速的匹配。

3.1.1 功率

串聯式混合動力汽車的動力全部由電動機提供，因此其峰值功率Pmax必須滿足最高車速、加速時間、最大爬坡度這三個動力性能指標的功率需求Pmax1、Pmax2、Pmax3[2]，即：

式1-4中：vi為爬坡車速，取15 km/h；va為加速末時刻車速，取100 km/h；ηT為傳動系的機械效率，取92 %；g為重力加速度，m/s2；αmax為最大坡度角，αmax＝arctanλmax；δ為旋轉質量換算系數，取1.05；x為擬合系數，取0.5。

3.1.2 轉矩

電動機轉矩的選擇對加速性能和爬坡性能有很大影響。電動機的最大轉矩需滿足起步加速和在一定車速下以最大爬坡度爬坡行駛時的轉矩要求。一般情況下，爬坡性能對電動機最大轉矩的要求更高。因此電動機的最大轉矩Tmax可以根據電動汽車的最大爬坡度設計要求來確定：

式中：i為主減速器傳動比。

3.1.2 轉速

電動機最高轉速nmax可根據最高車速確定：

電動機的額定轉速nN為：

3.2 發動機/發電機組參數匹配

串聯式混合動力汽車的純發動機工作模式主要應用于中、高速行駛等中等載荷工況，因此其最大功率Pemax只需滿足以最高車速行駛的功率Pmax1，而在加速或爬坡時，不足的功率則由動力電池來補充。發電機與發動機同軸運轉，因此功率與發動機相同。

3.3 動力電池參數匹配

動力電池性能參數的選擇應從保證電動汽車的動力性和純電動續駛里程的角度出發，主要包括電池組電壓和電池組容量的匹配。

3.3.1 電壓

電池組電壓U的選擇影響電池組輸出功率的大小，從而影響整車動力性。電池組和發動機/發電機組最大輸出功率之和必須滿足電動機峰值功率Pmax的需求，即

式8-9中：n為電池組的串聯數目；Pbmax為單體電池的最大輸出功率，W；ηM為電動機及電機控制器的總體效率，取85 %；E為單體電池的電動勢，為單體鋰電池的標稱電壓3.56 V；R為單體電池的內阻，取0.006 Ω。

計算出串聯數目n后即可確定電池組電壓。

3.3.2 容量

電池組的容量C必須滿足純電動續駛里程所需能量的要求[3]，采用等速法計算：

式中：DOD為放電深度，取0.7；vN為50 km/h。PN為以50 km/h行駛所需功率，可通過式（2）計算；

綜上，動力系統參數匹配結果如表2所示。

表3 動力系統參數匹配結果

4 整車性能仿真

圖2 串聯式插電混合動力汽車仿真模型

圖3 仿真結果

ADVISOR廣泛應用于電動汽車的動力性和經濟性仿真。基于ADVISOR建立了串聯式插電混合動力汽車的仿真模型如圖2所示，對整車的最高車速、加速時間、最大爬坡度以及純電動續駛里程進行仿真分析。

仿真結果如圖3所示，最高車速達到128.6 km/h，0-100 km/h加速時間為19.7 s，15 km/h最大爬坡度為21.5 %，50 km/h等速純電動工況行駛時，當SOC降到0.3時續駛里程達到了68.8 km。綜上，動力性能指標和純電動續駛里程均達到了設計要求。

5 結論

根據某款插電式混合動力汽車的設計要求，對其動力系統進行結構選型和主要參數匹配。基于ADVISOR軟件對動力性指標和純電動續駛里程進行仿真。仿真結果顯示，混合動力汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度以及純電動續駛里程均達到了設計要求，驗證了動力系統參數匹配方法是合理可行的。

[1] 劉炳國.插電式單軸并聯混合動力城市客車驅動系統研發[D]. 武漢:武漢理工大學,2011.

[2] 熊明潔,胡國強,閔建平.純電動汽車驅動系統參數選擇與匹配[J].汽車工程師,2011,（5）:36-38.

[3] 林鑫焱,葛如海,王斌,等.純電動汽車動力系統參數匹配與仿真研究[J].機械制造,2014,52（600）:6-10.

Research on Parameters Matching and Simulation of Plug-in Hybrid Electric Vehicle Power System

Lin Xinyan, Qian Xiaoxiao
( Automotive Engineering College, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051 )

Parameters matching is conducted for motor, engine-generator and power cell according to the design requirement for certain type of hybrid electric vehicle. The vehicle performances are simulated based on ADVISOR.Simulation results show that both power indicators and pure electric driving range of electric vehicles meet the design requirements, while the parameters matching method of power system is feasible.

Hybrid Electric Vehicle; Power System; Parameter Matching; Simulation; ADVISOR

U472 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-81-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.028

林鑫焱，男，碩士，（1989-），助教，就職于鹽城工學院汽車工程學院，研究方向為電動汽車動力匹配。