基于ADVISOR并聯混合動力汽車的參數設計與仿真*

2018-09-05 06:43:18朱華牛禮民呂建美

汽車工程師 2018年7期

朱華牛禮民呂建美

（安徽工業大學）

隨著經濟的快速發展和百姓生活水平的提高，汽車逐漸進入千家萬戶，深受廣大消費者的喜愛，然而，也帶來了能源危機和環境污染問題的日益嚴重，為此各大汽車公司開發了使用蓄電池作為動力源的一種清潔環保型交通工具——混合動力汽車（HEV）。HEV可以較好地解決城市環境污染問題，緩解石油短缺問題，大量節省能源。因此HEV將成為未來汽車工業的發展趨勢[1-2]，其動力系統參數匹配設計是HEV前期開發的重要前提和基礎性工作[3]。文獻[4]利用軟件AVL-Cruise的組件變量（Component Variation）功能，采用車輛傳統理論和經驗公式對混合動力系統進行了初步匹配，然后基于正交試驗理論設計了4因素正交試驗，對選取的部件參數進行優化，得到了一組最優參數組合方案，后又設計了9組DOE Plan仿真試驗，對優化方案進行了驗證和對比。結果表明：正交試驗方法理論思路合理，實際可行，能得到準確度較高的動力系統參數尋優結果。文獻[5]通過Cruise建立超級電容的混合動力客車（HEB）整車仿真模型和傳動系多目標參數優化模型，以等效燃油消耗量和加速時間為優化目標，同時運用帶精英策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）和ISIGHT優化軟件對HEB傳動系參數進行多目標優化，并進行了HEB性能仿真分析。結果表明，與優化前相比，優化后的等效燃油消耗量降低了7.8%，連續換擋加速時間減少了6.5%。文章通過選用某型并聯式混合動力汽車（PHEV），根據其傳動系統的結構，針對PHEV的特點，對發動機、電動機及蓄電池等參數進行合理的選擇與匹配，并搭建了多智能體系統模型，在軟件ADVISOR 2002中進行仿真分析，達到改善其動力性和燃油經濟性的目的。

1 PHEV的工作原理和傳動系結構

PHEV由發動機和電動機2套系統組成，根據不同的行駛工況，在共同驅動行駛的同時也可以單獨驅動行駛。當汽車在加速或爬坡時，發動機和電動機能夠同時向汽車的傳動系統提供動力；當蓄電池組儲存的電量過低時，發動機在驅動行駛的同時向蓄電池組充電。

PHEV結構由發動機、離合器、電動機、蓄電池組、轉矩合成裝置、變速箱及主減速器組成，其結構圖，如圖1所示。

圖1 并聯混合動力汽車傳動系統結構圖

1.1 PHEV動力系統的參數匹配與流程

PHEV發動機、電動機及蓄電池組等參數的選擇與匹配是否合理直接影響整車性能的發揮，參數匹配的原則是針對給定的車型、行駛目標工況及采取的控制策略，在保證純電動的續駛里程及整車的動力性前提下，以燃油經濟性為主要目標進行設計。

PHEV動力系統各參數匹配是一個反復計算，反復尋優仿真的過程，文章參數匹配的設計流程，如圖2所示。

圖2 并聯式混合動力汽車（PHEV）設計流程圖

1.2 某車型的基本參數

文章選取的某車型基本參數，如表1所示。

表1 某車型的基本參數

2 整車總功率（P總）的選取

PHEV動力總功率要滿足汽車的動力性要求，動力性由最高車速（umax）、加速時間（t）以及最大爬坡度（αmax）來確定[6]。PHEV總功率（P總）的設計為下一步進行發動機和電動機等參數的設計提供了依據，P總的設計流程，如圖3所示。

圖3 并聯混合動力汽車總功率的設計流程

2.1 根據umax確定整車動力總功率（Pmax1）

式中：m——滿載質量，kg；

umax——最高車速，取180 km/h；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

CD，f——空氣、車輪滾動阻力系數；

A——汽車迎風面積，m2；

ηT——傳動效率。

將表1中的數值代入式（1）得：Pmax1=55.72 kW。

2.2 根據t確定整車動力總功率（Pmax2）

根據0～100 km/h加速時間≤16 s，取t=14 s，則總功率為：

式中：δ——旋轉質量換算系數，取1.05；

將表1中的數值代入式（2）得：Pmax2=62.26 kW。

2.3 根據αmax確定整車動力總功率（Pmax3）

式中：ue——爬坡穩定時的車速，取30 km/h。

將表1中的數值代入式（3）得：Pmax3=45.99 kW。

根據以上的計算結果，動力總成功率（Pmax）必須滿足 Pmax≥[Pmax1，Pmax2，Pmax3]，所以 Pmax=62.26 kW。

由于空調等附件消耗的功率占10%～20%，即：P總=（1.1～1.2）Pmax，故P總=68.49～74.71kW，取P總=75kW。

3 發動機參數的選取

發動機參數的選擇對于整車的性能起到舉足輕重的作用，發動機功率偏大，汽車的燃油經濟性和排放性能就差；發動機功率偏小，后備功率就小。電動機只有提供更多的驅動功率，才能滿足一定的行駛性能要求,這勢必引起電動機和電池組容量取值的增大和整車成本的增加[7]。文章首先從保證汽車預期的最高車速來選擇發動機的功率，但是由于發動機存在單獨驅動汽車行駛的工況并且還具有一定的充電功率，所以還要在滿足經濟巡航車速的情況下來計算并選擇發動機功率。發動機參數設計流程，如圖4所示。

圖4 并聯混合動力汽車發動機參數設計流程圖

在經濟巡航車速（uc/（km/h））下，整車受到的勻速阻力功率（Pc/kW），如式（4）所示。

取uc=80 km/h，將表1中的數值代入式（4）得：Pc=8.8 kW。

除了汽車行駛需求的功率外,發動機單獨驅動勻速行駛時還應有一定的充電功率裕量（Pchr）、爬坡功率裕量（Pi）及附件功率（特別是有空調時）。這些功率之和應該是發動機工作在經濟區能輸出的功率[8]。即：PHEV的巡航功率（Pc*/kW），如式（5）所示。

式中：Pi——2%的爬坡功率裕量；

Pacc——附件功率，取5 kW；

Pchr——電池充電功率裕量，按P總的10%計算，即：Pchr=7.5 kW。

綜合計算得：Pc*=26.74kW，所以Pc*=8.8～26.74kW。由于發動機的選擇要滿足其單獨工作時的動力性要求，即能夠以最高車速行駛，綜合上述計算得到滿足最高車速時的需求功率為55.72 kW，因為汽車在實際行駛過程中（特別是在城市道路行駛）很少會長時間保持最高車速，所以文章選取12R發動機在滿足動力性需求的同時，也能夠滿足其他附件及充電功率的需求。該發動機額定功率為61 kW，額定轉速為5 400 r/min，額定轉矩為123 N·m，額定轉矩轉速為3 600 r/min。

4 電動機參數的選取

電動機作為PHEV的重要驅動單元，在參數匹配的設計計算中具有重要地位。文章采用永磁無刷直流電動機，適用于電動機的外特性，即當電動機轉速在額定轉速以下時，電動機以恒轉矩模式工作，當電動機轉速在額定轉速以上時，電動機則以恒功率模式工作。電動機參數匹配流程，如圖5所示。

圖5 并聯式混合動力汽車電動機參數匹配流程圖

4.1 額定功率（Pe）與峰值功率（Pemax）

由于動力源總功率不超過Pemax與Pmmax之和，即Pemax+Pmmax≥P總。由上述計算的P總范圍以及所選12R發動機的功率，經驗選擇電動機的峰值功率為Pemax=15 kW，額定功率為Pe=10kW。

同時，要驗算Pe是否滿足純電動驅動工況時的功率要求和Pemax是否滿足最大加速度時峰值功率以及循環工況的功率要求。

4.2 電動機額定轉速（ne）和最高轉速（nemax）

當電動機功率一定時，隨著nemax的增加，電動機啟動轉矩減小，當nemax超過16 000 r/min后，轉矩降低幅度變小，因此nemax不宜過高。一般可選擇nemax范圍在9 000～15 000 r/min，文章選取 nemax=10 000 r/min。

在轉矩合成裝置速比不變時，當nemax與ne的比值（β）增加時，電動機啟動整車的功率下降，但是對于電動機內部設備的損耗以及電動機驅動軸轉矩和傳動部件應力的需求增加，對電動機的使用壽命影響很大，通常β的選取范圍在4～6。綜合考慮各方面的影響因素，取β=5，則：ne=2 000 r/min。

4.3 電動機額定轉矩（Te）與峰值轉矩（Temax，Temin）

由 Pe，Pemax，ne，nemax確定 Te，Temax和 Temin。

5 蓄電池參數的選取

蓄電池參數的選擇包括電池功率、電壓等級及電池的個數，蓄電池選擇合理與否直接影響PHEV的續駛里程及在制動能量回收時的回收效率，同時蓄電池的選擇在整車的參數設計中還要考慮電動機的最大功率需求。為了得到較高的效率，SOC范圍一般取在內阻較小的范圍內。

鎳氫電池具有質量輕、使用壽命長、儲存電量多及對環境無污染的特點，且SOC工作區在0.2～0.8以及充放電內阻為0.02～0.03 Ω。因此文章選取鎳氫電池作為蓄電池且其充放電內阻為0.025 Ω。圖6示出鎳氫電池SOC值特性曲線，由圖6可估算該電池每個單元的額定電壓的平均值為7.65 V。

圖6 鎳氫電池SOC特性曲線

假設該蓄電池組由n個單元組成，則應保證：

式中：PBat——蓄電池組放電功率，kW；

R——蓄電池內阻，Ω；

E——蓄電池的電動勢，V。

將上述蓄電池參數值代入式（9）得：n≥25.6，考慮到效率等問題的影響，取n=30。

為能夠滿足汽車在加速或爬坡時電動機的能量需求，電池的容量（Q/A·h）應滿足式（10）：

式中：ηb，ηDC-AC——電動機和轉換裝置的效率，取值為0.9。

代入數值得：Q≥7.23 A·h，取 Q=7.5 A·h。

6 傳動系統參數的選取

主減速器傳動比（i0）的參數設計既要滿足汽車行駛時最高車速的要求，也要滿足蓄電池在充電過程中對發動機后備功率的需求[9]，即：

式中：nemax——發動機最高穩定轉速，取6 000 r/min；

nmp——最大功率點對應的轉速，取5 600 r/min。

綜上計算：3.70≤i0≤3.96。

傳動系統最大傳動比（imax）的確定由發動機單獨驅動時汽車的爬坡度進行計算，同時還要考慮阻力等因素的影響。計算公式，如式（12）所示。

式中：r——車輪滾動半徑，m。

將表 1 中的數值代入式（12）得：imax≥7.1。

由以上計算得到的動力系統參數，如表2所示。

表2 動力系統的參數設計結果表

7 智能體建模

在完成各個部件的參數匹配的基礎上，利用Agent的智能性以及多個Agent的協同性來改善HEV動力性和燃油經濟性。由于在汽車內部發動機、電動機及蓄電池是相互獨立分布的，因此在PHEV動力體系中定義3個部件Agent，分別是發動機Agent、蓄電池Agent及電動機Agent。此外還定義一個系統Agent，用于識別工況、確定行車模式以及感知節氣門開度信息和制動踏板位置信息[10]。根據動力總成部件結構及多智能體的協作求解機制，構建出PHEV動力總成多智能體系統，如圖7所示。