ISG型PHEV动力总成系统设计与仿真

杨洪源，牛礼民，叶李军，阮晓东,吴彬云

(安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山 243002)

ISG型PHEV动力总成系统设计与仿真

杨洪源，牛礼民，叶李军，阮晓东,吴彬云

(安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山 243002)

为提高混合动力汽车燃油经济性和动力性，以ISG型并联式HEV为对象，以某型传统车参数为参考，根据整车运行功率需求，提出一种更加简便的方法来对其动力总成系统进行设计，对各总成部件进行了参数设计计算。提出了基于ADVISOR软件平台的Insight车型模型较为快捷的整车二次开发，对动力总成系统的设计值进行仿真测试。结果表明：所设计的ISG型PHEV动力总成部件能够满足匹配要求，可进一步提高整车的经济性和动力性，设计方法正确可行，提供了更为便捷地进行混合动力汽车实车研发的参考依据。

混合动力汽车；动力总成；ISG；ADVISOR软件

0 引言

ISG(Integrated Starter Generator)型HEV将发动机的起动机与发电机集成为一体，属于轻度混合HEV[1]。ISG技术适合在中低排量传统轿车的基础上改装，在节约燃油、降低排气污染、快速启停控制、制动能量回收等方面有着优越的性能，具有较大的应用开发前景。目前，HEV动力总成参数设计匹配的方法繁多，同时也较为繁琐。

HEV动力参数的匹配过程是一个反复计算、寻优仿真的过程。在设计初期，以汽车的设计要求为出发点，依据该车实际功率需求量计算出动力参数，即为匹配初始值，将值导入ADVISOR仿真软件各动力模块，进行优化仿真计算。

1 参考车型数值

文中选用某型传统轿车作为参考车型，基本参数或性能指标如表1所示。设计的任务是在参考车型的基础上进行混合动力汽车的动力总成参数的设计匹配，力争最大的动力性、经济性和环保性。

2 动力总成系统主要部件设计

对混合动力汽车动力总成参数进行合理匹配的目的在于获得最优的整车性能，即从汽车动力性能指标出发提高整车经济性能[2]。动力参数匹配设计主要是对ISG混合动力汽车行驶过程中驱动力与功率的平衡关系进行分析，以便确定发动机功率、电机功率和电池组容量等参数。

表1 某传统型车基本参数

2.1 整车总功率的确定

混合动力汽车动力总成功率要满足汽车的动力性要求，汽车动力性由最高车速vmax、加速时间t和爬坡度αmax来确定[3]。

2.1.1 由最高车速vmax确定总功率

(1)

式中：m1为半载时的质量。将数据代入公式算得Pmax1=58.6 kW。

2.1.2 由加速时间t确定总功率

汽车起步加速过程中t时刻的加速度为：

(2)

由于整个加速过程中，末时刻的需求功率最大，因此根据0～100 km/h加速时间t≤15 s，取t=14 s来确定总功率：

(3)

2.1.3 由爬坡度αmax确定总功率

(4)

式中：va为爬坡稳定时车速，取一般值30 km/h；αmax为最大爬坡度30%(16.7°)；m2为满载时整车质量1 660 kg。代入数值求得Pmax3=45.53 kW。

动力总成功率Pmax必须同时满足：Pmax≥[Pmax1,Pmax2,Pmax3]，空调等附件消耗的功率为10%～20%，则Pmax=69.08～75.36 kW。

2.2 发动机的参数

2.2.1 最大功率的确定

HEV发动机功率主要是提供在标准工况下车辆以巡航车速行驶所需的功率，当需要加速或者爬坡时，ISG电机提供所需的峰值功率。因此，发动机应提供的最大功率可由巡航车速确定：

(5)

式中：PEmax1为发动机单独驱动最大功率(kW)。代入数值计算得PEmax1=24.48 kW。

2.2.2 修正一

发动机除了应该提供车辆行驶需求的功率外，还应有为电池组充电的功率裕量Pbc(10%左右)、1%～2%的爬坡功率裕量Pi和其他附件功率Pacc(10～20 kW)。所以，要用这些功率之和来修正发动机应具备的巡航功率[4]：

(6)

2.2.3 修正二

(7)

修正后的发动机的额定功率实际上是一条功率带，应保证这一功率带穿越发动机万有特性曲线上经济性较好区域。随着发动机功率的增加，HEV的经济性变差，综合性能同样也变差，所以在满足动力性要求的前提下，要尽可能选择小功率发动机。考虑上述因素，最后确定采用东风悦达起亚汽车G4EA发动机。其相关参数见表2。

表2 发动机基本参数

2.3 电机的参数

2.3.1 确定电机额定功率和最大功率

ISG电机的主要作用是削峰平谷，也就是在车辆起动、加速和爬坡时，带动或辅助发动机提供峰值功率。所选的发动机的功率为61.5 kW，汽车总功率为Pmax=69.08～75.36 kW，并且Pmax=PE+PM，参考设计经验和已成功研发的车型，选择ISG电机的额定功率PMr是10 kW，最大功率PMmax是15 kW。

2.3.2 确定电机额定转速和最高转速

ISG电机的最高转速对整车的动力传动系各挡速比大小、本身的额定转矩都有显著的影响。增大电机最高转速有利于降低其体积、减小质量，但会使传动比增大，从而加大传动系统的体积、质量和传动损耗，所以最高转速不要选得过高。ISG电机最高转速nmax与额定转速nmr的比值称为ISG扩大恒功率区系数β[5]。β一般选择在4～6之间，文中选择4，相应地，电机额定转速是2 000 r/min。

设计大多都倾向于选择最高转速在6 000～15 000 r/min之间的中高速电机，作者参考成功研发的HEV，最终决定ISG电机的最高转速定为8 000 r/min。ISG主要性能参数如表3所示。

表3 电机主要参数

2.4 电池的参数

HEV的电池要能适应频繁的充放电，镍氢电池能够很好地满足这个要求。此外镍氢电池的技术越来越成熟，成本也越来越低，使用也越来越广泛，因此文中采用镍氢电池。电池参数设计主要包括电池功率、电池电压等级、电池个数和电池容量[6]。

2.4.1 电池功率的确定

电池功率主要根据ISG电机的峰值功率，同时计入传动效率，电动机和转换装置的效率为0.9：

(8)

圆整为20 kW，即PBat=20 kW。

2.4.2 电池个数及电压等级的确定

动力电池的等效电路图，如图1所示。

图1中：Ebat为动力电池的电动势(V)；Ibat为动力电池工作电流(A)；Rbat为动力电池组的内阻(Ω)；Ubat为动力电池的电压(V)。

设镍氢电池组由n个电池单元组成，每个单元的电压为7.7 V，内阻为0.026 Ω，可有：

即：(7.7×n)2/(4×0.026×n×1 000)≥PMmax

解得n≥26.3，考虑到效率问题，取整电池个数为30个。电池组串联，因此电池组的额定电压为：UB≈7.7×30=231 V。

2.4.3 确定电池容量

电池的容量主要考虑在电池SOC的高效范围(0.2～0.8)内，满足急加速或爬坡过程中ISG电机的能量需求，蓄电池的容量Q(A·h)为：

(9)

式中：t为车辆的加速时间。代入数值计算得到Q≥7.26 A·h。参考市场上的蓄电池情况，选择镍氢电池的额定容量为7.5 A·h，该蓄电池性能参数见表4。

表4 镍氢电池性能参数

2.5 变速器的参数

传动系的参数主要是指变速器各挡速比和主减速比大小，最大传动比由车辆的最大爬坡度决定，最小传动比由车辆的最高车速决定[7]。首先根据整车性能指标计算出传动系的最大速比和最小速比，接着在变速器各个挡位之间进行速比分配。

2.5.1 主减速器速比i0的选择

i0应满足最高车速要求：

(10)

式中：nemax为发动机的最高稳定转速；r为车轮的转动半径；vmax为车辆最高速度。

另外，当车辆行驶在最高速度时，应使发动机仍能发挥出其最大功率：

(11)

式中：nepr为发动机最大功率点对应的转速。

初步确定主减速比为4.124。

2.5.2 最大传动比的确定

(1)当汽车处于循环工况的爬坡度工况时，车辆运行速度比较低，忽略空气阻力[8]，最大传动比大小应满足：

(12)

式中：ig1为变速器一挡传动比；Ttq为车辆输出扭矩，取最大值182 N·m。

(2)满足地面附着条件的要求，也就是牵引力应该小于地面附着力[9]：

(13)

式中：φ为附着系数，取φ=0.7；m*为整车驱动桥质量，取m*=μm(μ取原车比例系数500/(500+365)=0.578)。

综合上述计算结果与现有的变速器，选取一挡传动比为3.537，可以满足相关技术要求。

2.5.3 变速器挡位数以及各挡传动比

参考传统车辆的结构参数，文中研究的变速器挡位数定为5挡，并且各挡比数值按等比级数来分配[10]，设计各速比如表5所示。

表5 传动系速比参数表

3 整车二次开发

完成HEV动力总成参数设计后，使用汽车软件ADVISOR对所设计动力系统进行仿真校验。设计的ISG型HEV动力系统结构与本田公司的Insight车型的动力系统结构相同，但是，两者的动力配置不相同，文中设计采用手动5挡变速箱，231 V的镍氢电池，采用G4EA汽油发动机和10 kW直流永磁电机作为双能源。所以根据以上混合动力轿车的配置， 在ADVISOR2002软件中的Insight车辆定义文件INSIG-T_defaults_in.的基础上进行二次开发，编辑适合设计的混合轿车的车辆定义文件和部件数据文件，即修改对应部件的m文件[11]。完成二次开发后的参数设置界面如图2所示。

使用默认的CYC_UDDS仿真路况，勾选“Accel Options”和“Grade Options”，仿真任务设置界面如图3所示，然后点击“Run”按钮，仿真开始运行。仿真过程会弹出Acceleration Test Advanced Options对话框和Grade Test Advanced Options对话框，具体的参数设置分别如图4和如图5所示。

运行结束后，出现仿真运行结果界面，如图6所示。

4 仿真结果分析

选择美国环境保护署EPA制订的城市道路循环UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule)作为道路循环，对混合动力轿车进行仿真。UDDS[12]的总行程11.99 km，时间1 369 s，坡度为0，最大速度91.25 km/h，平均速度31.51 km/h，行驶期间共计有17次停车，它对汽车行驶速度(变量：km/h)的要求见图7。

通过对仿真结果进行分析，蓄电池系统SOC的初始值为0.7，在整个工况循环过程中，电池SOC的波动幅度在正常的范围内，只是在启动时，SOC值略有所下降，如图8所示。发动机转速的仿真结果见图9，可以观察到在道路循环的停车期间，发动机处于关闭状态，以达到节油的效果 。图10为电机输出的辅助驱动扭矩，可以观察到在道路循环要求汽车加速时，电机提供辅助驱动，协同发动机共同工作来满足车辆峰值功率的需求，实现车辆良好的动力性能要求。

该混合动力汽车的性能仿真如表6所示。

表6 仿真性能参数比较

仿真结果表明混合动力汽车的动力性和经济性都达到了文中所提出的设计要求和指标，表明设计的SG型PHEV的动力总成参数匹配是正确、可行的。

5 结论

(1)对ISG型PHEV所使用的计算方法能够满足匹配要求，并且具有较为简单、条理清晰的特点，可有效提高汽车的动力性和经济性。这就说明了这种设计计算方法具有一定的可借鉴性。

(2)在Insight车型模型的基础上对ISG型PHEV进行二次开发是成功的，是一种可行的、简单有效的二次开发手段。

【1】 雷雨成,严斌,李峰.汽车与可持续发展[J].汽车研究与开发，2003(5)：1-3.

【2】 陈祥丰,混合动力SUV总成参数匹配与优化[D].武汉:武汉理工大学,2010.

【3】 郑维.混合动力汽车动力总成参数匹配方法与控制策略的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.

【4】 熊伟威,舒杰.一种混联式混合动力客车动力系统参数匹配[J].上海交通大学学报,2008,42(8):1324-1328.

【5】 李国斐,林逸,何洪文.ISG 系统动力部件参数设计及仿真[J].机械设计与制造,2009(6)：1-3.

【6】 杨伟斌.ISG型轻度混合动力汽车动力传动系的匹配与仿真研究[D].重庆：重庆大学,2004.

【7】 王家明.并联式ISG混合动力总成设计与性能优化研究[D].上海：上海交通大学,2008.

【8】 Gao W Z,Porandla S K.Design Optimization of a Parallel Hybrid Electric Power train[C]//IEEE Conference on Vehicle Power and Propulsion,2005:530-535.

【9】 陈智家,陈祥丰,褚晓波.混合动力系统的匹配设计与优化算法[J].汽车工程师,2009(6)：37-40.

【10】 袁庆强.新型混合动力轿车动力匹配及控制策略的研究[D].武汉：武汉理工大学,2007.

【11】 张翔,赵韩,钱立军,等.电动汽车仿真软件ADVISOR [J].汽车研究与开发,2003(4):14-16.

【12】 刘磊,刚宪约,王树凤,等.汽车仿真软件ADVISOR[J].农业装备与车辆工程,2007(2)：40-43.

ParameterMatchingandSimulationforPowerTrainofISGParallelHEV

YANG Hongyuan,NIU Limin,YE Lijun,RUAN Xiaodong,WU Binyun

(School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma’anshan Anhui 243002,China)

In order to improve the dynamic performance and the fuel economy performance,taking the ISG PHEV as the object,according to the running power requirements of a vehicle,a new and clearer method was proposed to do power train system parameters matching calculation based on a certain type of traditional vehicle parameters for reference.For the sake of convenience,a second development on the basis of Insight in ADVISOR was set up to evaluate the design value by simulation.The results show that the designed assembly parts of ISG PHEV can meet the matching requirements and improve the power and economy performance of the vehicle.The design method is correct and feasible,and provides some reference for HEV.

Hybrid electric vehicle;Power assembly;ISG;ADVISOR software

2014-11-11

国家自然科学基金资助项目(51275002)；安徽工业大学研究生创新研究基金资助项目(2014058)

杨洪源(1991—)，男，主要从事混合动力汽车控制策略方面的研究。E-mail:18355517596@163.com。