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并联混合动力汽车驱动系参数匹配


第 34卷第 6期 2007 年 12 月

拖拉机与 农用运 输车 T racto r& F ar T ransporter m

V o.l 34 N o 6 . Dec , 2007 .

并联混合动力汽车驱动系参数匹配
张忠伟, 文建辉
( 无锡科技职业学院, 江苏 无锡 214028

)

摘要: 通过 ADV ISOR 2002软件对并联混合动力汽车进行仿真。以动力性、 经济性为控制目标同时考虑电池的荷电状态, 对并联 混合动力汽车进行仿真分析, 分析驱动系各元件参数对整车性能的影响; 研究驱动系组成元件的参数选择和参数间的合理匹配。 关键词: 混合动力汽车; 并联混合动力; 参数匹配 中图分类号: U 469. 72 文献标识码: A 文章编号: 1006 0006( 2007) 06- 0063 03 -

Param etric M atch ing o f D rivetrain for ParallelH ybrid E lectric V eh icle
Z HANG Zhong w ei, WEN J ian hu i
(W ux i P ro fessiona l Co lleg e o f Science and T echno logy W ux i 214028 Ch ina) , , m Abstrac: B ased on the so ftw are ADV ISOR 2002, the si ulation m oda l o f the assem bly pow er and veh ic le of the t Para llelH ybr id E lec tric V ehic le ( PHEV ) has been se t up. W ith the con tro l targets for powe r character istic and for fue l charac teristic this paper still considers the state of charg e m eanwh ile th is thesis presents a si ulation ana lys is of the PHEV , ; m and the in fluence on veh icle character istic by co ponent para eters of drivetra in, and stud ies the para e tric cho ice and m m m proper para etric m a tch ing a ong drivetra in co ponent m m m .

Key wo rds H ybrid e lectr ic vehicle; Pa ra lle l hybr id e lectric veh icle; Param etric m atch ing :
混合动力汽车驱 动系有串联、 联和混联三种形 式。并联在组 并 成上更接近传统汽车动力传动系, 技术开发难点少, 按现 有条件较适 于技术开发。不同结构的混合动力汽车, 以及特定结构、 不同参数的 混合动力 汽车的性能评 估和比较, 大都 采用基于 M atlab / S i u l ink环 m 境的计算机仿真技术平台, 其中 A DV ISO R 就是上述计算机环境下应 用最广泛的后向式建模与仿真 技术平台。 利用 ADV ISOR 可 以快速 预测整车动力性能和经济性能, 评价整车控制策略的优 劣, 以进行混 合动力汽车参数的优化 [ 1~ 2] 。本文以图 1 确定的并联混合动力汽车 驱动系结构为例, 也是基 于 ADV I SOR 2002 采用 计算机 仿真的 手段, 进行驱动系匹配的研究。 续驶里程试验方法, 选取 170 km / h作为最高车速; ( 3) 爬坡性能 道上行驶; ( 4 )加速性能 汽车对加速性能的要 求很大程 度上决定 了汽车 后备功率的 大小, 轿车 0 ~ 100 km / h 的加 速时间 为 12 ~ 20 s 参照 , G B /T 18386- 2001 电动汽车实验循环中市 郊行驶循环和轿 车的加速 性能, 设计车辆 0 ~ 100 km / h的加速时间不大于 15 s 。 1 2 整车参数 . ( 1 )车型 四门五座, 前驱动。 总长: 4 300~ 4 400 mm; 总宽: 1 600~ 1 700 mm; ( 2 )外形尺寸 汽车整车能够以 20 km / h车速 在大于 25% 的坡

总高: 1 400~ 1 450 mm。 ( 3 )驱动系统主要部件 发动机: 四冲程汽油发动机 电机: 三相交流感应电机 蓄电池: 镍氢电池 变速器: 手动 5 挡 ( 4 )其他参数 风阻系数 C d : 0 34 .
图 1 并联混合动力轿车传动系结构示意图 F ig 1 Ske tch Map of D ri etrain o f PH EV . v

车轮滚动半径 r 0 28 m : .

1 控制目标
1. 1 动力性指标的确定 混合动力汽车驱动系统各部件参数的选择直接影响 车辆动力性 能指标。参照国家标准的要求, 本文的并 联混合动 力汽车的 动力性 能指标如下: ( 1 ) 行驶 里程 对于电量 维持型混 合动力汽 车, 其续驶 里程与

2 混合比的确定
在混合动力汽车上发动机功率 P e 与电机功率 P m 之间存在如图 2所示关系。 并联混合动力驱动系统混合比定义为 R= 式中 R Pm Pe 混合比 电机的功率, k W 发动机的功率, kW Pm Pm + Pe ( 1)

电池组的容量无关, 主要由油箱的容积决定; ( 2) 最高车速 参照 G B /T 18386 2001 电动汽车 能量消耗率和 收稿日期: 2006 08 25 收修改稿日期: 2007 01 09 - - ; - -

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拖拉机与农用运输车

第 6期 2007年 12月

图 2 P e 与 Pm 关系简图 F ig 2 Re lationship o fP e andP m .

由图 2可知, 随着混合比的增 大, 驱动系 统会由传 统汽车、 电助 力型混合动力汽车向续驶里程延伸型混合动力汽车、 电动汽车过渡。 目前电动汽车动力电池技 术尚不成 熟, 电池比功 率和比能 量均 较低, 而 且成本居高不 下, 混合比的选 择会影响质量以 及整车成本, 对混合动力汽车来说同时会引起整车布置困难等问题。 混合动力汽 车混合比与整车整备质量的关系, 在总功率一定的情况 下, 混合比越 大, 整车质量越大, 电机的功 率也越大, 相应整车 成本也越 高。对混 合动力汽车来说, 在满足控制目标的前提下, 采用并联电 助力型驱动 系统比较合适, 即取混合比小于 0. 5 。
图 3 发动机单独驱动混合比对整车性能的影响 F ig 3 E ffects o f B rid i ation of Eng ine dri e A lone on Pe rfo r ance . z v m

图 4 是混合驱动时不 同混合比 整车性能 的仿真结 果, 根据 仿真 结果, 可得出以下结论: ( 1 )在整车总功率为 60 k 时, 混合比 取值在 0. 2~ 0 5 时对最 W . 高车速 0 ~ 100 k /h 的加速时间以 及最大爬 坡度基本 没有影 响, 此 m 时想提高混合动力汽车的整车动力性能, 必须增大整车总功率。 ( 2) 无论混合比在小于 0. 5 范围内取何值, 整车总功率为 60 k W 时, 混合驱动时的整车动力性能都能达到混合动力汽车的技术指标。 综合考虑发动 机单 独和 混 合驱 动 性能 指 标, 可 确定 总 功率 为 60 k W时, 当混合动力汽车混合比为 0 3 时, 混合动 力汽车的 最高车 . 速为 177 7 k / h; 20 k / h 行 驶时的 最大 爬坡 度为 49 7% ; 0 ~ 100 . m m . km /h 的加速时间为 12 6 s . 。所以 当混合 比为 0 3 时就 可以满 足混 . 合动力汽车的动力性要求。 最后确定的发动机和电机的参数: 发动机, 42 k 电机, 18 kW。 W;

3 驱动系参数匹配
并联混合动力汽车驱动系 参数匹配 是要在满 足动力性、 油经 燃 济性和排放性上合理的确定 各部 件的 参数 [ 3] 。并 联混合 动力 汽车 驱动系包括发动机、 电机、 电池、 转矩合成器、 变速器和主减速器。 3. 1 发动机参数匹配 混合动力汽车发动机参数 匹配应满 足: 发动机单 独驱动时 最高 时速可达 120 km / h 发动机单独驱动整车能够 以 20 km / h车 速在大 ; 于 10 的坡道上行驶; 满足混合比小于 0 5 同时满足发 动机单独驱 % . , 动和与电机混合驱动时的动力性, 并有较好的燃油经济性。 发动机功率是发动机参数匹配的重要参数。在电机 和电池的参 数还未确定的情况下, 发动机功 率的初步 选择以单 独驱动时 整车的 动力性能为依据。由汽车理论可知汽车所需的最大功率 p ma x可按下 式求得 pm ax = 式中 Vm ax
t

1
t

Cd A 3 m gf V + V 3 600 m ax 76 140 m ax

( 2)

最高车速, k / h( 取 170 ) m 传动系效率 ( 取 0. 90) 整车质量, kg( 取 1 600 ) 滚动阻力系数 ( 取 0. 012) 迎风面积, m 2 (取 1 84) . 风阻系数 ( 取 0 34 ) .

m f A Cd

根据上式计 算 汽车 所 需 最大 功 率时 还 应 加上 10 的 储备 系 % 数 [ 3] , 则最后得到的最大功率是混合动力汽车发动 机和电机 功率的 和, 计算结果为 60 k W。 将混合比控制在小于 0. 5的范 围内, 选取 不同的混 合比对 不同 混合比的混合动力汽 车发动 机单 独驱动 时的 整车 性能进 行仿 真计 算。图 3是不同混合比对发动 机单独驱 动时整车 性能的仿真 结果。 由图中可看出, 随着混合比的增大, 发动机单 独驱动时, 整车 0~ 100 km / h时加速时间变长; 20 km / h行驶时爬坡度变小; 最高车速和油耗 降低。按照上文确定的发动机单独驱动整车动力性能指标, 初步选取 混合比的范围为 0~ 0. 4 即发动机的功率取值范围为 24~ 60 k , W。 3. 2 电机参数匹配 电机需满足: 电机与发动机混 合驱动应 满足整车 动力性能 和燃 油经济性指标; 电机对整车动力性有影响, 可进一步缩小 混合比的取 值范围。
图 4 电机与发动机混合驱动不同混合比对整车性能的影响 F i . 4 Effects o f D iffe ren t Hybri ization w ith H ybri dri e on Perfo rmance g d d v

3 3 电池参数匹配 . 镍氢 ( N MH )电池能量密度高、 i 功率密度较高、 环保性好、 使用寿 命较长、 可快速充电且放电曲 线平坦。目前 混合动力 汽车首选 镍氢 电池作为其储能系统。 对于电量维持型混合动力汽 车电池参 数的匹配, 主要考虑 电池 能量满足整车按标准循环工况行 驶的要求; 电池匹 配在满足 整车按 标准循环工况行驶的能量需求同时, 在循环结束后, 电池中 的能量必 须能够维持在一个可以 接受 的水平 上, 即循 环结 束后 SO C ( 荷 电状 态 ) 应能维持在一个可以接受的数值。

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张忠伟等: 并联混合动力汽车驱动系参数匹配
图 5是单体电池个数即电压 对混合动 力汽车性 能的影响, 从图 可以看出单体电池个数对整车 的动力性 基本没影 响, 对燃油 经济性 是随电池个数的增加而减 少, 当数量达 到 50 节时, 燃 油经济性 趋于 平稳。电池数量增加整车成本将同时增大, 再者, 根据研 究并联混合 动力汽车的电压应在 288~ 350 V。图 6 是电池容量对混合动力汽车 燃油经济性的影响, 从 图中可 知, 随 电池 容量 的增 加燃油 经济 性变 坏, 同样, 大量的电池也会使整车成本增加。综合考虑选 取电池节数 为 50节 ( 电压 335 V ) 、 电池容量 15 A h 。

图 7 动力电池 SOC 时间历程曲线 F i . 7 Curve of SOC fo rPow er Ba tte ry g

工作为原则而确定, 应保证必要 时电机和 发动机都 能够输出 最大功 率。电机轴到发动机轴的速比应当由电机的最高转速和发 动机最高 转速之比决定。转矩合成器的速比由下式确定 itc = 式中 nm r m ax nen m ax itc
图 5 单体电池个数对混合动力汽车性能的影响 F i . 5 E ffects of Q uantity of Ba ttery on Perfo rmance o f HEV g

nm r m ax n en m ax

( 3)

电机最高转速, r/m in 发动机最高转速, r/m in 转矩合成器速比

3 5 变速器的速比 . 一般混合动力汽车是由传统 汽车基础 改装, 所以 变速器和 主减 速器的速比仍沿用传统汽车的速比。 综合上述, 混合动力汽车转矩合成器和变速器的速比见表 1。
表 1 变速器、 主减速器和转矩合成器的速比 Tab 1 Speed R atio o f To rque Coup l r and T rans i si n . e ms o 位置 速比 位置 速比 ! 变 速 器 # ? % 3 445 . 1 944 . 1 370 4 . 1 302 3 . ? 倒挡 主减速器 转矩合成器 0 85 . 3 167 . 3 941 . 1 736 8 .

4 结束语
以仿真为手段, 研究了混合动 力汽车驱 动系参数 对整车动 力性 能、 燃油经济性能以及电池能量维持的影响, 并对混合动力 汽车进行 了匹配设计工作。在同时考虑整车质量以及整车布置等因 素的基础 上, 确定了并联混合动力汽车的混合比的 取值为 0. 3( 即发 动机和电 机的参数: 发动机, 42 k 电机, 18 k ) ; 经综合考虑, 选取 镍氢电池 W; W 节数为 50 节, 其电压为 335 V, 电池容量为 15 A 参考文献:
[ 1] 图 6 电池容量对混合动力汽车油耗的影响 F i . 6 Effects o f Batte ry Capacity on Fue lC onsump ti n o f HEV g o [ 2] 张翔, 赵韩, 钱立军. 电动汽车仿真软件 ADV ISOR [ J]. 汽车研究与开发, 2003( 4): 14~ 16 . 王庆年, 金启前, 初亮, 等. 传动系参数和控制 参数对并联 混合动力 轿车 性能的影响 [ J] . 吉林大学学报 (工学版 ), 2005 35( 3) : 224~ 248 , . [ 3] 王庆年, 何洪文, 李幼德. 并联混 合动力 汽车动 力传动 系参数 匹配 分析 [ J] . 吉林工业大学自然科学学报, 2000 30( 1): 72~ 75 , . ( 编辑 作者简介: 张忠伟 ( 1986- ), 吉林永吉人, 研究方向为混合动力汽车。 郭聚臣 )

h 。

图 7是根据上述匹配后, 在分别经历 UD DS ( 美国 EPA 城市测功 机运转循环 ) 和 HW FET( 美 国环 保局的 高速公 路省油 测试模 式 ) 循 环两个标准循环工况后, 混合动力电动汽车电 池 SO C 的时间 历程曲 线。电池 SOC 值维持在 0. 64左右。 3. 4 转矩合成器 并联混合动力汽车转矩合成器的参数匹配以满足整车动力性能

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