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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 m T ransporter

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 ulation m oda l o f the asse m bly pow er and veh ic le of the Abstrac: t B ased on the so ftw are ADV ISOR 2002, the si 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 m ulation ana lys is of the PHEV and the in fluence on veh icle character istic by co m ponent para m eters of drivetra in, and stud ies the para m e tric cho ice and proper para m etric m a tch ing a m ong drivetra in co m ponent .

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、 并 联和混联三种形 式。并联在组 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 m u l ink环 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 v etrain o f PH EV

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 z ation of Eng ine dri ve A lone on Pe rfo r m ance

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 W 时 , 混合比 取值在 0. 2~ 0 . 5 时对最 高车速 0 ~ 100 k m /h 的加速时间以 及最大爬 坡度基本 没有影 响 , 此 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 m / h; 20 k m / h 行 驶时的 最大 爬坡 度为 49 . 7% ; 0 ~ 100 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 W; 电机 , 18 kW。

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、 燃 油经 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 m / h( 取 170 ) 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 Fi g. 4 Effects o f D iffe ren t Hybri d ization w ith H ybri d dri v e on Perfo rmance

3 . 3 电池参数匹配 镍氢 ( N M i H )电池能量密度高、 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 Fi g. 7 Curve of SOC fo rPow er Ba tte ry

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 Fi g . 5 E ffects of Q uantity of Ba ttery on Perfo rmance o f HEV

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 e r and T rans ms i si on 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 W; 电机 , 18 k W ) ; 经综合考虑 , 选取 镍氢电池 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 Fi g. 6 Effects o f Batte ry Capacity on Fue lC onsump ti on o f HEV [ 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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