基于ADVISOR的并联PHEV动力参数匹配的研究

潘二东，申江卫，肖仁鑫

(昆明理工大学 交通工程学院，云南 昆明 650500)



基于ADVISOR的并联PHEV动力参数匹配的研究

潘二东，申江卫，肖仁鑫

(昆明理工大学 交通工程学院，云南 昆明 650500)

摘要：分析了并联PHEV动力系统的基本结构，表明动力参数匹配对PHEV的设计研发具有重要的作用。总结得到了PHEV动力参数匹配的基本原则、方法和步骤，主要根据汽车动力学方程、整车基本参数，在满足整车动力性、经济性和纯电动续驶里程要求前提下，通过计算匹配得到了电动机峰值和额定功率、发动机峰值功率和额定功率、纯电动模式下车速与动力电池功率和动力电池能量关系以及传动系统的最大传动比和最小传动比等重要的动力参数。应用ADVISOR汽车仿真软件搭建了PHEV仿真模型，在CYC-HWFET行驶工况下进行了仿真试验。仿真结果表明，动力性、经济性以及纯电动续驶里程均满足整车开发设计要求，进一步验证了所使用的PHEV动力参数匹配方法的有效性和所匹配得到的PHEV动力参数的准确性。

关键词：PHEV；参数匹配；ADVISOR；行驶工况；仿真模型

设计研发电动汽车是缓解全球环境污染和能源危机的有效途径。混合动力汽车(尤其是PHEV)是目前电动汽车研究的主要方向。PHEV是可以外接充电设施的混合动力汽车，动力系统结构如图1所示，能利用电网的“低价电”为电动汽车充电，集合了纯电动汽车和一般混合动力汽车的共同特点，既能在排放要求严格的区域进行一定续航里程的纯电动行驶，又能在加速、爬坡等对动力性要求较高的情况下进行发动机和电动机的联合驱动[1]。动力系统是汽车驱动的核心，因此，动力参数匹配的研究对PHEV的设计开发具有重要的意义。PHEV共有串联、并联和混联等3种动力系统布置模式，本文主要对并联PHEV的参数匹配进行研究。

图1　并联式PHEV动力系统结构

1动力参数匹配的原则、方法和步骤

PHEV参数匹配主要是在满足汽车最高车速、最大加速度、最大爬坡度和纯电动续驶里程等动力性能的前提下，通过对发动机、电动机、电池组和变速器等性能参数的匹配，使PHEV整车质量、经济性和排放性能达到最优[2]。

PHEV参数匹配的一般方法是根据汽车动力学方程及相关算法，并在一定工况下运用优化仿真软件来确定发动机功率及转速、电动机功率及转速、传动比和动力电池的容量等相关的动力参数[3]。

PHEV参数匹配的一般步骤是：1)根据纯电动行驶模式下的最高车速、加速性能和最大爬坡度，确定电动机的额定功率、峰值功率和转速；2)根据发动机混合驱动工况行驶的最高车速、加速性能和爬坡度要求，确定发动机的功率及转速；3)确定最大、最小传动比；4)根据纯电动模式续驶里程和加速性能确定动力电池的容量及功率。

2动力参数匹配

设计研发的PHEV整车基本结构参数见表1，整车基本动力性能、经济性能要求见表2。

表1　整车基本结构参数

表2　整车基本动力性能、经济性能参数

2.1电动机参数的选择

根据纯电动模式下的最大车速、0～100 km/h的加速时间和最大爬坡度来确定电动机的最大功率[4-5]。

1)根据PHEV纯电动模式下最大车速确定的电动机最大功率Pm1_EM如下：

(1)

式中，mc是整车质量，单位为kg；g为重力加速度，单位为m/s2；f是滚动阻力系数，f=0.02；C是空气阻力系数；A是PHEV迎风面积，单位为m2；vmax_EM是纯电动模式下PHEV可达到的最大车速，单位为m/s；η是传动效率。

2)根据PHEV纯电动模式下0～100 km/h的加速时间确定的电动机最大功率Pm2_EM如下：

(2)

式中，v是加速末期的速度，v=100 km/h；δ是车辆质量换算系数，δ=1.05；ti是0～100 km/h加速时间，ti=12 s。

3)根据PHEV纯电动模式下的最大爬坡度确定的电动机最大功率Pm3_EM如下：

(3)

式中，α是PHEV纯电动模式下最大坡度倾斜角，α=arctanimax_EM，其中，imax_EM是纯电动模式下最大爬坡度，imax_EM=20%；vi是PHEV最大爬坡度时要求的车速，vi=10 km/h。

电动机最高转速与其本身的质量、尺寸和内在损耗等有很大的关系，对传动系的尺寸也有一定的影响。电动机扩大恒功率区系数γ是电动机一个很重要的性能参数，其定义为电动机最高转速与额定转速的比值。目前，一般选择转速为中高速的电动机，最高转速一般为9 000～15 000 r/min，扩大恒功率区系数γ一般为4～6，电动机额定转速可由nmn=nnmax/γ计算出。

2.2发动机参数的选择

首先根据PHEV混合驱动模式下的最高车速、0～100 km/h的加速时间、最大爬坡度来确定动力系统所需要的最大功率，然后再根据计算所得电动机的功率最终匹配出发动机的功率[6-7]。

1)根据PHEV混合驱动模式下最高车速确定的动力系统最大功率PHM1如下：

(4)

式中，vmax_HM是PHEV混合驱动模式下的最高车速，单位为km/h。

2)根据PHEV混合驱动模式下0～100 km/h加速时间确定动力系统最大功率PHM2如下：

(5)

式中，tj是PHEV混合驱动模式下0～100 km/h的加速时间，单位为s。

3)根据PHEV混合驱动模式下的最大爬坡度确定动力系统的最大功率PHM3如下：

(6)

式中，β是PHEV混合驱动模式下最大坡度倾斜角，β=arctanjmax_HM，其中，jmax_HM是混合驱动模式下最大爬坡度，jmax_HM=30%。

考虑到目前电动机和发动机市场的产品，最终得到的电动机和发动机匹配参数见表3。

表3　电动机和发动机参数匹配表

2.3传动比参数的选择

2.3.1最小传动比的选择

PHEV混合驱动模式下的最大车速是由发动机最大转速和最小传动比决定的，发动机的最大转速已经确定，最小传动比可由下式确定：

(7)

式中，imin是最小传动比；nemax是发动机最大转速，单位为r/min；r是PHEV车轮半径，单位为m。

2.3.2最大传动比参数选择

最大传动比是由PHEV纯电动模式下的最大爬坡度、电动机额定功率对应的转矩，以及发动机最大的转矩确定，其计算公式为如下：

(8)

(9)

式中，imax是最大传动比；fmax是最大驱动阻力，单位为N；T是发动机最大转矩或者电动机额定功率对应下的转矩，单位为N·m。

通过计算得出imin≤3.52，imax≥7.19，即最小传动比为3.52，最大传动比为7.19。

2.4动力电池参数的选择

PHEV动力电池既要能满足纯电动模式下动力系统的功率需求和续航里程的能量需求，又要能满足混合驱动模式下动力系统的功率需求，动力电池要在SOC较低时也能提供较高的功率。动力电池功率特性一般为放电功率随着SOC的减小而降低，充电功率随着SOC的增大而降低。PHEV对动力电池要求能在低SOC状态时大功率放电，在高SOC状态时大功率充电[8-9]。目前，和其他类型动力电池相比，锂离子电池能基本满足上述要求，而且锂离子电池的功率密度和能量密度也较大。

动力电池参数主要由纯电动模式下动力系统的功率要求和能量要求决定，功率和能量是动力电池的重要参数，可分别由如下2个公式求出：

(10)

(11)

式中，Pb是PHEV纯电动模式动力电池功率，单位为kW；Eb是PHEV纯电动模式动力电池所需能量，单位为kWh；vEM是纯电动模式PHEV的车速，单位为km/h；Pa是纯电动模式PHEV附件所需功率，设Pa=1 kW；L是PHEV纯电动模式续驶里程，单位为km。

PHEV纯电动模式下车速与动力电池功率和动力电池能量关系分别如图2和图3所示。

图2　PHEV纯电动模式速度与动力电池功率关系图

图3　PHEV纯电动模式速度与动力电池能量关系图

由图2和图3可知，当PHEV纯电动模式下达到最大速度(120 km/h)时，动力电池所需功率为30.28 kW，动力电池所需能量为12.61 kWh。结合目前锂离子电池市场情况，动力电池功率选35 kW，动力电池能量选15 kWh。

3仿真试验

3.1ADVISOR软件介绍

ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)高级车辆仿真软件是由美国可再生能源实验室开发的，主要用于电动汽车前期研发阶段的仿真，以节省新型车辆的研发时间和成本[10]。ADVISOR软件基于MATLAB/Simulink 软件平台，建立了发动机、电动机、离合器、变速器和能量储存系统等部件模型。ADVISOR的源代码和仿真模型是完全公开的，用户可以方便地更改模型和源代码进行案件模型的搭建和仿真。另外，ADVISOR采用后向仿真为主、前向仿真为辅的仿真方法，集中了2种仿真方法的优点，不但仿真速度较快，计算量较小，而且也保证了仿真结果的精度。

3.2建立仿真模型进行仿真试验

在Simulink 软件平台上搭建PHEV仿真模型(见图4)，将整车基本参数和动力系统参数匹配结果输入ADVISOR仿真软件，并修改相应的m文件，在CYC-HWFET行驶工况下(见图5)，进行仿真试验，并得到仿真结果。

图4　PHEV仿真模型

图5　CYC-HWFET行驶工况

3.3仿真结果分析

设定ADVISOR软件的各个仿真参数，并运行ADVISOR软件进行仿真，仿真结果见表4。

表4　仿真试验结果

仿真试验结果表明，各个性能试验结果均满足整车开发所要求的动力性能和经济性能指标，所匹配的PHEV动力性能参数完全符合要求。

4结语

1)通过对PHEV动力系统结构的分析，总结得出了发动机、电动机、传动比和动力电池等是PHEV的重要动力参数，对各个动力参数的准确匹配具有重要的意义。

2)根据PHEV汽车动力学方程、整车基本参数以及整车动力性和经济性要求，匹配出各个动力参数。电动机最大功率为110 kW，额定功率为45 kW，最大转速为12 000 r/min，最大转矩为250 N·m，额定功率对应转矩为175 N·m；电动机最大功率为113 kW，额定功率为75 kW，最大转速为5 200 rpm，最大转矩为240 N·m。

3)在CYC-HWFET行驶工况下进行ADVISOR仿真试验，得出了仿真结果。纯电动模式：最大车速为126.3 km/h，0～100 km/h加速时间为10.6 s，最大爬坡度为21.3%，纯电动续驶里程为63.8 km；混合驱动模式：最大车速为172.6 km/h，0～100 km/h加速时间为7.2 s，最大爬坡度为30.5%，每百公里油耗为4.52 L。结果表明，各个动力性能指标均满足设计要求，验证了所使用的动力参数匹配方法的有效性和所匹配动力参数的准确性。

参考文献

[1] 杨奕武. 插电式混合动力车前景光明[J]. 汽车与配件,2012,(33):21-23.

[2] 余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[3] 刘雪梅,黄伟,周云山,等. 插电式混合动力汽车动力系统参数研究[J]. 计算机仿真,2009(10):302-306.

[4] 李江波,颜文胜,申江卫,等. 不同技术路线混合动力公交客车适应性分析[J]. 新技术新工艺,2014(4):65-67.

[5] 罗锐,颜文胜,王坤俊,等. 增程式电动汽车参数匹配及控制策略仿真[J]. 新技术新工艺,2014(7):93-97.

[6] Xu K, Qiu B. Optimized parameter matching method of plug-in series hybrid electric bus [C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Connected Vehicles and Expo. Washington D.C.: IEEE Computer Society,2012.

[7] 舒红,彭大,袁月会,等. 插电式并联混合动力汽车动力传动系统与控制参数匹配设计[J]. 汽车工程学报,2012(2):105-112.

[8] 赵又群,李佳. Plug-in混合动力汽车动力系统参数匹配[J]. 应用基础与工程科学学报,2011(3):459-465.

[9] 何畏,熊尉伶,孙宇,等. 插电式混合动力汽车动力系统的研究与仿真[J]. 科学技术与工程,2014(5):155-162.

[10] 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.

责任编辑彭光宇

Research of the Parameters Matching of Parallel PHEV based on ADVISOR

PAN Erdong， SHEN Jiangwei， XIAO Renxin

(College of Traffic Engineering, Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China)

Abstract：Analyze the basic structure of PHEV power system, and it indicates that the parameter matching is very important to the design and the development of PHEV. The basic principles, methods and procedures of the parameter matching of PHEV are got through some summaries. According to the vehicle dynamics equations, the basic vehicle parameters and under the satisfaction of the dynamic performance, the pure electric driving range and the economic performance of PHEV, some important parameters of PHEV are matched through some calculations. The parameters are the peak power and the rated power of the motor and the engine, the relationship between the speed and the power and energy of the battery, the maximum transmission ratio and the minimum transmission ratio of the transmission system etc. A PHEV simulation model is built in the ADVISOR vehicle simulation software and a simulation experiment is carried out under the CYC-HWFET driving cycle. The simulation results show that the dynamic performance, the economic performance and the pure electric driving range can all meet the design requirements. Furthermore, it verifies the effectiveness of the matching method of dynamic parameters of PHEV that is used and the accuracy of the matching parameters of PHEV.

Key words:PHEV， parameters matching， ADVISOR， driving cycle， simulation model

收稿日期：2015-06-08

通信作者：申江卫

作者简介：潘二东(1989-)，男，硕士研究生，主要从事新能源汽车优化控制等方面的研究。

中图分类号：U 69.72

文献标志码:A