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插电式串联混合动力轿车的选型匹配与仿真

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插电式串联混合动力轿车的选型匹配与仿真
时间:2011-03—29 12：05来源：同济大学汽车学院 作者:孙永正等 点击： 次
以某插电式串联混合动力轿车为例，在整车性能指标和系统结构确定的基础上，对电驱动系统、储能系统和辅助动力单元进行选型和优化匹配，确定了发动机的最优工作点，并对所建的整车进行仿真。
前言

随着我国经济的迅猛发展， 汽车的需求不断增加, 预计到2030年我国汽车保有量将达到2。7 亿辆, 这将会导致石油资源过度消耗， 加剧环境污染.混合动力汽车的节能环保、技术成熟和成本相对较低的特点将使之成为近期内替代传统汽车的优选方案之一。插电式串联混合动力轿车适用于城市内频繁起步和低速运行工况, 使发动机避免了怠速和低速运转的工况, 从而提高了发动机的效率； 同时可以从供电网获取电能， 在一定的行驶距离内以纯电动模式行驶, 降低对石油资源的依赖,减少有害气体的排放。文中针对插电式串联混合动力轿车, 从电驱动系统、储能系统和辅助动力单元这几方面进行选型匹配分析， 以期在满足整车动力性、续驶里程的前提下, 提高整车燃油经济性。

1 整车参数性能指标和系统结构

1。1 整车参数性能指标
所研究的串联混合动力轿车原型车是排量为1.8L的轿车。在结构不改变的情况下, 换装了新的动力系统。在确定整车纯电动续驶里程时， 参考美国私人交通调查报告( NPTS) ， 车辆日常行驶里程在60mile（约96。6km )以内的累积概率为60% , 考虑到动力电池通常并不是在充满状态, 故确定该车纯电动续驶里程为110km。整车参数及性能要求如表1所示。

1.2 整车系统结构
插电式串联混合电动轿车的结构如图1所示，其动力系统主要由电驱动系统、储能系统和辅助动力单元3部分组成, 外部能源输入有发动机燃油供应和外接充电两种方式。发动机和ISG 电机同轴连接组成辅助动力单元（ auxiliary power unit ,APU ).

发动机工作在恒定的工作点带动ISG 电机发电, 动力电池用来平衡APU 输出功率和电机输入功率: 当ISG 电机的输出功率大于电机需求功率时（汽车减速滑行、低速行驶时停车等工况) , 控制器控制ISG电机向电池充电； 当ISG 电机的输出功率低于电机需求功率时(汽车起步、加速、高速行驶和爬坡等工况) ， 电池则向电机提供额外的电能。由于电机能够四象限运行, 系统无须设置变速器和离合器, 且电机在正反两个方向上都能实现驱动和制动能量回收，因而提高了系统效率.

2 电驱动系统

电驱动系统主要由电机及其控制器、机械传动装置和驱动轮组成。与发动机特性不同， 电机的机械特性是低速恒转矩和高速恒功率。低速时， 电机输出转矩大， 正好满足汽车起步或爬坡工况车速较低时需要较大转矩的要求; 高速时, 电机输出恒功率， 满足汽车的最高车速行驶要求; 与汽车的行驶特性非常相符。因此, 可用固定挡的齿轮传动装置来替代多速变速器, 从而简化了机械传动装置.

2.1 电机选型
驱动电机选用永磁同步电机, 其参数应由整车参数及其性能要求决定。相对发动机而言， 电机具有一定的过载能力。选择电机功率时要综合考虑电机的额定功率和最大功率, 在设计中一般根据最高车速确定电机的额定功率, 整车的加速、爬坡性能则与峰值功率密切相关。电机功率越大, 整车的加速和爬坡性能越好， 但增大电机功率将导致电机的体积和质量迅速增加, 而且会使电机不能经常工作在额定功率附近, 电机的效率和功率因数下降。
考虑到国家标准GB /T 19752-2005中所规定整车性能测试时装备质量要求, 在计算电机功率需求时采用半载质量, 即m = 1750kg, g = 9。8m / s2。传动效率t、路面滚动阻力系数f、汽车风阻系数CD、汽车行驶迎风面积A、最高车速vmax、爬坡车速va、爬坡角度α、0- 100km /h加速时间t的值如表2所示。

根据以上分析和计算结果， 电机的额定功率至少为30。8kW, 峰值功率至少为60。5kW。根据电动汽车用电机及其控制器技术条件( GB /T18488.1—2006）对电机功率等级的规定, 确定电机的额定功率为30kW, 峰值功率为70kW。控制器电压等级为336VDC。综合考虑整车布置、电机技术等原因， 确定电机额定转矩为100Nm， 基速为2800r/min， 最高转速为6000r/min.

2.2 固定传动比的确定
（1)传动系最大传动比
传动比i应满足汽车行驶最高车速的要求, 根据汽车理论:
i= 0.377rnmax /vmax (4）
式中： r 为车轮滚动半径; nmax为电机的最高转速。由于电机的外特性与发动机的不同, 串联混合动力轿车的最高车速同时还受到电机最大功率的限制。
(2)传动系最小传动比
确定最小传动比， 应考虑3 个因素： 最大爬坡度、0- 100km /h加速时间和地面附着率.根据汽车理论：
i= Ft r / （Ttqηt ) （5)
式中： F t 为汽车驱动力； T tq为电机转矩。可见, 传动比越大， 汽车的驱动力越大， 整车的爬坡性和加速性能就越好.
GB /T 19752—2005 规定的混合动力模式下的最高车速有两种情况： 行驶1km 以上的最高车速和30min最高车速， 文中以30min 最高车速来评价整车的动力性。通过选择不同的传动比, 按照国家标准进行整车动力性仿真， 得出不同传动比下整车的最高车速、爬坡性能和加速性能见图2和图3。

由图2可见, 传动比较小时, 最高车速受额定功率限制， 保持在129km/h, 当传动比大于5。5时， 最高车速受到电机最高转速限制， 逐渐变小。最高车速在电机额定功率下实现， 由于电机还具有一定的过载能力， 这样车辆在一定的时间内还可以达到更高的车速， 当电机以30.8kW 的功率运行时, 车速可达130km/h。
由图3可见， 车速为30km /h时爬坡度随着传动比的增大而直线上升。小传动比时， 加速时间随着传动比的增大明显减少, 但大传动比时变化比较平缓， 直至趋于不变。这是因为电机的峰值功率主要受加速时间的限制.
综上所述， 在满足最高车速的前提下， 应尽可能选择大的传动比。同时根据主减速器的设计特点,确定本车固定传动比为5。4。

3 储能系统

混合动力轿车的储能系统是指动力电池、电池控制系统和外接充电系统.磷酸铁锂电池以其超长寿命、使用安全、可大电流快速充放电、耐高温、大容量、无记忆效应、体积小、质量轻和绿色环保等特点成为当前最佳的车用动力电源, 因而选用磷酸铁锂动力电池.

3。1 电池参数的确定
电池的主要参数包括电压等级、容量和最大充放电功率。
参数确定的原则为: 电压要和HEV 的电压等级和变化范围一致; 容量要满足HEV 在运行过程中对能量的要求； 最大充电功率和放电功率要满足ISG电机和电机的功率要求。
考虑到电机外电压, 选择电池端电压为336V。
电池组容量的选择主要考虑车辆行驶时的最大输出功率和消耗的能量, 以保证电动汽车动力性和续驶里程的要求.结合整车纯电动续驶里程指标计算所需动力电池的容量。为避免电池过度放电, 纯电动续驶里程一般以电池容量的75％来计算。

式中： v为车辆等速运行速度, v= 60km/h； S 为v= 60km/h时的续驶里程, S = 110km; Pm 为电机需求电功率， Pm = 7.5kW; Ubat为电池端电压， Ubat = 336V; Wbat为电池能量， kWh; Qbat为电池的容量， Ah。
由式（6）可以计算出电池的容量为54.6Ah,结合实际情况选择电池的容量为55Ah, 可放电能量为18。4kWh。电池连续工作可放电电流为110A， 峰值可充放电功率为110kW, 能够满足ISG电机发电和制动能量回收充电。

3.2 电池SOC界限的确定
根据电池特性， 在不同的放电电流下, 电池的电压不同， 因而， 放电电流的大小对电池的放电曲线有一定影响。通常在恒流放电时, 放电电流越大， 电池的电压下降越迅速。同时放电电流大小对电池的可用容量大小也有影响.在确定SOC 界限时应考虑到这一点, 以便选择合适的SOC 初始值.根据所选电池参数， 通过仿真计算, 可得出不同车速下电池电压随SOC 的变化关系， 如图4所示。

由图4 可知, 电池电压随着SOC 的降低而降低, 在相同的SOC 下， 车速越高电池电压越低， 这是因高车速下放电电流较大引起的。为防止电池在较低的SOC 下过度放电以及电池过充引起的电压瞬间升高, 同时为利用更多电能, 减少APU 起停次数,结合电机的最低电压限制为240VDC, 故将SOC 的界限值设为25％ ～ 90%。
根据确定的电池参数和电池SOC 界限， 在SOC从100%降低到25% 的情形下对不同车速下该车的纯电动续驶里程进行仿真分析, 结果如表3所示。从表3可知, 车速越高, 续驶里程越短, 故以中低速行驶可有效提高电动车辆的续驶里程.

4 辅助动力单元

在串联混合动力轿车动力系统中， 辅助动力单元包括ISG电机、发动机和空调系统.在对辅助单元选型匹配过程中, 既要考虑电机的功率需求, 也要协调控制空调系统, 以取得最优的经济性.本车采用了原型车的空调系统， 由发动机直接驱动机械式压缩机.

4。1 ISG电机选型
ISG电机也选择永磁同步电机, 控制器电压等级为336VDC。APU 系统中的ISG 电机产生的电能主要用来给电机供给稳态功率。ISG电机功率的设计主要考虑以下几点。
(1）满足轿车在稳定高速路行驶时的功率需求根据我国的交通法规, 高速公路最高行驶车速为120km/h, 最低车速为60km/h。通过计算可以得出整车以不同车速匀速行驶时的耗电功率, 车速为60、80和120km /h 时, 消耗的电功率分别为7。5、12。3和27。8kW。
轿车在轻型车用运转循环-快速路 （CDC 快速）下运行时电机消耗的电功率如图5所示, 在没有制动能量回收的情况下， 该车运行所消耗的平均电功率为8.8kW, 有制动能回收时消耗的平均电功率为8.4kW, 循环需求的最大电功率为32。9kW。

（2)和电池一起满足加速和爬坡功率需求在频繁起停的市区路行驶时， ISG 电机应产生足够的功率以保持峰值电源的能量存储, 使之有充裕的功率满足车辆加速和爬坡的功率需求。
轿车在轻型车用运转循环—城区( CDC城区)下运行的电机消耗电功率图如图6所示, 在没有制动能量回收的情况下运行所消耗的平均电功率为4。2kW, 有制动能回收的情况下消耗的平均电功率为3.6kW, 最大的电功率为32.3kW。

（3)附属设备功率需求
还应考虑在整车运行过程中助力转向电机、照明和影音设备等各种电功率消耗设备的功率损耗。
电机所消耗的电功率需要ISG 电机和电池供应, ISG电机用来提供稳态功率, 电池用来提供峰值功率。根据上面的分析和计算结果， 选取ISG 电机额定功率为12kW, 这样一方面能够满足整车以80km /h匀速行驶的功率需求, 另一方面, 18。4kWh的电池在1C 放电的情况下所能提供的功率为18。4kW, 再加上ISG电机的12kW， 就能满足高速和加速行驶工况的功率需求。提高ISG 电机额定转矩， 有利于发动机的起动, 但会增加永磁体体积， 不利于动力系统的布置。据此确定ISG 电机的参数为： 额定转矩为55Nm, 额定转速为2400r/min， 最高转速为6000r/min。

4.2 发动机选型及其工作点的确定
APU 系统中的发动机主要有两个功能: 驱动空调系统和驱动ISG 电机发电。因而, 选择发动机时要考虑ISG 电机和空调压缩机的额定功率， 以使发动机工作在最佳油耗区域。
根据空调系统方案, 确定不同运行模式下对发动机的功率需求。在该串联混合动力轿车上, 使用的空调压缩机机械功率需求为3.8kW， ISG 电机额定功率为12kW, 因而对发动机的功率需求在12~15.8kW, 在此选用1.0L 直列3 缸四冲程发动机。
发动机控制策略采用定点工作方式， 在对发动机ISG 电机组进行匹配优化时, 只须考虑发动机不同工作点下的燃油经济性。
选定发动机、ISG电机和空调压缩机之后， 为获得更好的燃油经济性, 须确定最佳燃油经济性工作点。图7为发动机、电机和空调压缩机转矩特性， 由图7可以看出， 空调压缩机和ISG 电机的转矩在转速低时较大， 有利于提高发动机负荷率， 进而提高燃油经济性, 随着转速的上升， 二者的转矩降低， 远离发动机的最优油耗区域。

评价传统轿车的燃油经济性多采用100km 燃油消耗量, 但串联混合动力轿车的发动机主要是用来驱使ISG电机发电， 参考轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法（GB/T 19753-2005) , 以单位燃油发电量( kWh /L) 评价APU 的燃油经济性。
运用PID控制可使发动机驱动ISG 电机以12kW 额定功率恒转速运行。通过设定不同的发动机转速，得出不同工作点的单位燃油发电量见图8。由图可见， 当发动机转速在2400 r/min， ISG 电机工作在额定功率点时， APU 系统获得了最优的燃油经济性。

根据上面的分析最终确定发动机的工作点如图9所示: ISG电机和空调压缩机同时工作时, 发动机工作在A 点; 只有ISG电机发电时， 发动机工作在B点； 只有空调压缩机工作时， 发动机工作在C 点。

5 整车性能仿真

根据前面的分析, 确定了串联混合动力轿车的动力系统各部件的参数， 并最终确定了整车整备质量为1560kg， 最大质量为1950kg， 如表4所示。据此建立了整车仿真模型。

5。1 整车动力性
参照GB /T 19752—2005进行整车动力性能仿真, 其中纯电动续驶里程性能是在SOC 从100％ 降低到25% 的情形下得到的, 结果如表5所示。由表可见， 所匹配动力系统可以满足整车动力性能指标。

5.2 整车经济性
仿真所选取工况为GB /T 19753-2005 规定的UDC和NEDC循环工况， 我国轻型车用循环工况以及等速行驶工况（ 60km/h、80km/h） ， 结果如表6 所示， 其中带空调的情况是在APU 系统工作情况下得出的100km 燃油消耗量.

该串联混合动力轿车可接受外部电网对车载电池组充电， 进而减少对燃油的依赖程度, 降低能量使用成本.若考虑外接充电的情况， 以上海市为例, 到2009年11月份， 上海市93＃汽油价格为6.61元/L，未实行分时电价用户的居民生活用电价约为0。615元/ （kWh）.以空调未启动的NEDC 工况100km油耗为例对外接充电下的节约能量成本效果进行分析, 如表7 所示, 当外接充电电能占所消耗能量的20％ 时, 相比于单纯使用燃油可节约能量使用成本约15％ ； 如果外接充电电能达到60% ， 则可节约能量使用成本约45%。

从表7中可以看出, 对于空调未启动的100km燃油消耗量， 与原型车综合工况（NEDC ) 下100km油耗不高于6。5L的结果相比, 在不考虑外接充电电能的情况下, 本串联混合动力轿车的燃油经济性提高了4。6％ 。若根据国家发改委在2006年10 月份公布的乘用车燃料消耗量（第一批)的情况, 在综合工况下1.8L 级别轿车的综合工况油耗在7.6 ~9.4L之间, 即燃油经济性提高了19.4% ~ 34。0% 。
根据所选定的动力系统的仿真结果, 在国家标准规定的UDC和NEDC 循环工况、轻型车循环工况和等速行驶的情况下， 都获得了较好的燃油经济性。若考虑采用外接充电的情况, 整车的燃油经济性会更好.因而， 所选定的整车动力系统很好地满足了整车动力性能要求, 同时具有较优的燃油经济性。

6 结论

(1) 合理利用电机特性优化设计传动比可以减少机械传动装置结构， 获得较优的整车动力性能， 最大爬坡度达到20%, 0—100km/s加速时间不到17s。
(2) 车速大小影响电池的放电电压， 据此设定SOC界限为25％ ~ 90% , 以增加电池使用寿命, 同时也得到了较长的纯电动续驶里程。
(3） 根据确定的辅助能源系统方案进行了整车经济性能仿真, 在空调未开启的综合工况情况下, 相比于与原型车同级别的轿车, 燃油经济性可提高19.4％ ～ 34。0％ ， 当外接充电电能占所消耗能量的60%时， 可节约能量使用成本约45％ 。