并联式混合动力商用车动力系统参数匹配研究

2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 并联混合动力商用车动力系统参数匹配研究并联混合动力商用车动力系统参数匹配研究 卢元辉，高莹，李君 吉林大学 130025 摘要：摘要：本文运用 AVL CRUISE 软件，针对某并联混合动力商用车的动力系统，建立原 型车和混合动力商用车的仿真模型，并进行了系统参数匹配研究，结果表明，通过参数 的优化匹配，在满足整车动力性能的前提下，经济性比原车节油 37.76%。 关键词关键词：并联混合动力，参数匹配，CRUISE 主要软件主要软件： CRUISE 1 1 前言 混合动力汽车具有节能减排的突出优势， 成为国际研发及推广的重点。 其动力总成的结 构选型、参数匹配、控制策略和控制算法，直接影响整车的排放和油耗，因此，本文运用 AVL CRUISE 软件，针对某并联混合动力商用车的动力系统，建立原型车和混合动力商用 车的仿真模型，并进行了系统参数匹配研究。 2 2 商用车混合动力总成参数设计 混合动力商用车动力系统选型包括发动机选型、电机选型、动力电池选型等。 2.12.1 发动机参数设计 本文的混合动力商用车动力总成采用发动机为主， 电机为辅的混合驱动方式。 发动机在 汽车行驶过程中处于经常工作状态，电机的参与可使发动机功率满足汽车平均需求功率即 可。 为保证汽车动力性， 在良好路面上纯发动机驱动模式仍能满足最高车速 80km/h 的要求， 确定发动机提供的功率如下： max 2 max 15.213600 1 u AuC GfP D T e 其中： 商用车满载G=26吨， 此时滚阻系数f=0.01208 （f=0.0076+0000056*u） ， Cd=0.67， 迎风面积 A=6.7688m2，umax=80km/h，传动效率=0.92，则 Pe=107.5kW，加上车载附件 13.2kW，增加 10%裕量为电池组充电，同时发动机高效、低油耗区域大约位于负荷率 80-90%之间，因此，综合各种因素，初步选取发动机功率为 167.63kW(228 马力)，则 240 马力系列发动机即可满足要求。 2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 2.2 2.2 电机参数设计 2.2.12.2.1 电机转速范围确定 混合动力总成的结构方案为单轴并联且电机位于发动机和变速器之间， 考虑到变速器的 换档规律，电机的转速工作范围与发动机相当，由于 240 马力发动机的标定转速为 2300r/min，所以，电机的最高转速为 2300-2500r/min；当电机工作在基速范围内时，效率 高，转矩大，且通常电机的扩大恒功率区系数 一般在 2-3 之间，因此，确定基速 1200-1600r/min 之间。 2.2.22.2.2 起动整车需求 本混合动力总成采用纯电动起车方案。 利用电机起动整车， 实现在规定时间内单独起动 整车到规定车速的需求。 在水平良好路面上，车辆的行驶加速度为 m FFF dt du rwt 2 2 0 2 1 r gmew Rm iiIII V wt V dv FFF m dv dv dt t 00 6 . 3 1 6 . 3 1 类别 混合动力商用车电机 传统商用车发动机 动力源功率 / kW 140 120 100 80 216 起动时间 / s 0-5km/h 0.370 0.434 0.524 0.662 0.28 0-10km/h 0.870 1.020 1.630 1.788 1.64 0-15km/h 1.564 1.851 2.540 3.520 3.17 注：电驱动提供电机的峰值功率仅能持续 1min 混合动力商用车的起动能力应与传统客车一致，则电机的峰值功率应大等于 100kW。 2.2.32.2.3 持续纯电动爬坡需求 电机应在 5%坡道上以 8km/h 实现 20min 的纯电驱动连续爬坡，此时需求功率为： uGi AuC GfP D T m 15.213600 1 2 1 则需求电机提供的额定功率应为 38.24kW。 2.2.4 2.2.4 纯电动运行最高车速需求 设电机提供纯电动行驶时的最高车速为 25km/h，此时需求功率为： 2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 max 2 max 2 15.213600 1 m mD T m u AuC GfP 则需求电机提供的额定功率应为 24.24kW。 综上所述，考虑到附件功耗以及电机效率，则可确定电机定额定功率为 50kW，通常电 机的过载系数峰值为 2，因此，确定电机的峰值功率为 100kW。 2.32.3 电池参数设计 动力电池提供电机能量，并向动力传动系输出峰值功率，同时，吸收再生制动能量并予 以存储。要求电池应在长时间内能够接收制动功率（例如 2min） 。 电池参数主要指电压等级、功率、容量及荷电状态(SOC)的应用范围。一般考虑如下原 则： 电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致； 电池容量应满足电机的功率要求； 2.3.12.3.1 电压等级。 电机的峰值功率越大， 电系统的电压等级越高， 对保证电流不超过一定限值是非常有利 的。但电压等级也不能超过电系统的最高电压限值，否则系统高压安全问题难以解决。一般 交流感应电机的电压等级可分为 288V、336V、600V，参照电驱动提供的电机产品系列， 则确定动力电池组的额定电压为 320V，当选用镍氢电池，其单体额定电压为 1.2V，可以确 定动力电池串联个数 batt N为 320/1.2=267。 2.3.22.3.2 容量参数。容量参数。 2.3.2.12.3.2.1 电机峰值功率需求 根据电机的峰值功率，计入效率因素，则计算电池的最大充放电功率。 电机峰值功率为 100kW，假设电机效率为 0.91、逆变器效率为 0.96，则输入功率为： kW P P invmotor motor 47.114 96. 091. 0 100 max 因此，电池的功率应大于 115kW 。电池额定电压 320V,最大放电电流为： 114.47kW/320V=360A,若按最高 7C-8C 放电倍率计算， 电池的容量应为 360A/7=51.43Ah。 2.3.2.22.3.2.2 纯电动纯电动 5%坡道坡道 8km/h 连续爬坡连续爬坡 20min 当混合动力车满足在 5%坡道上以 8km/h 实现 20min 的纯电驱动连续爬坡需求，需求 功率为 38.24kW， 母线电压 320V， 则放电电流为 119.5A， 20min 持续放电容量为 39.83Ah， 2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 按动力电池充电后 SOC 达到 90%，放电下限设定为 35%，则电池的容量应为 72.42Ah。 经上所述，取上述两者的大值，且留有一定的裕度，同时参照目前在混合动力客车动力 总成台架试验的动力电池（40Ah、336V）放电试验数据（30kW、基速 1500r/min、3C 放 电，由 SOC 的 0.74 放到 0.3 持续 10min） ，并考虑到电池系列等级因素，则最终选择动力 电池为 320V、90Ah。 2.3.32.3.3 纯电续驶里程校核纯电续驶里程校核 当动力电池充电后 SOC 达到 90%， 放电下限设定为 35%， 则商用车在纯电驱动 20km/h 匀速行驶的续驶里程为： km AuC Gf AhU S D tm 6 .14 15.21 6 . 3)35. 090. 0( 2 3 3 商用车混合动力总成参数仿真优化 3.13.1 混合动力商用车主要性能指标 整备质量(kg) 13300 满载质量(kg) 26300 最高车速(km/h) 80 0-50km/h 加速时间(s) 30% 制动指标 30km/h 初速、满载，制动距离 63.24 63.24 0-50km/h 加速 / s 18.74 (目前该建模方式软件计算出错) 19.86 主减速比：5.262；变速器：10 档 上表计算结果表明， 发动机和电机的动力合成后， 整车的最高车速完全由二者的最高转 速上限约束，提供的功率可以满足需求；当混合动力总成采用最低功率等级的 200 马力发 动机时，低速大转矩爬坡度也超过原车，其他发动机同样也可以满足要求。通过下图的外特 性分析可知，210 马力以上的发动机，当与电机的额定转矩和功率合成时，已超出原车的外 特性，因此，加速性指标也能得到满足。 2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 结合整车的动力性和经济性要求，应选择 240 马力或 210 马力发动机。 3.4.2 3.4.2 主减速器比 主减速比 3.712 3.866 4.266 4.769 5.262 5.92 6.733 8.880 原车 最高车速 / km/h 102.78 102.78 99.38 94.39 89.97 84.68 78.94 66.95 86.22 最大爬坡度 / % 71.31 72.12 75.18 79.28 99.53 106.444 123.1 198.81 63.24 油耗 / L/100km 30.15 27.52 31.15 33.30 34.26 35.32 35.0 37.72 44.28 节油率 / % 31.91 37.85 29.65 24.80 22.63 20.23 20.96 14.81 0.00 发动机：210 马力；变速器：10 档 主减速比 3.712 3.866 4.266 4.769 5.262 5.92 6.733 8.880 原车 最高车速 / km/h 105.51 103.73 99.38 94.39 89.97 84.68 78.94 66.95 86.22 最大爬坡度 / % 79.75 80.64 84.55 89.84 115.1 125.25 150.24 199.99 63.24 油耗 / L/100km 31.61 29.61 32.91 33.8 34.84 35.84 36.71 40.39 44.28 节油率 / % 28.61 33.13 25.68 23.67 21.32 19.06 17.10 8.79 0.00 发动机：240 马力；变速器：10 档 优化备选主减速比为 3.721、3.866、4.266，发动机为 210 马力。 3.4.3 3.4.3 变速器 发动机与电机动力合成后，由变速器对外输出转矩与功率，因此选择输入功率 331kW、 输入转矩 1800Nm 以上的变速器。 60080010001200140016001800200022002400 0 300 600 900 1200 1500 0 50 100 150 200 250 300 WP10_290 WP07_270 WP07_240 WP07_210 WP05_200 Mot_Peak Mot_Rate Torque / Nm Speed / r/min WP10_290 WP07_270 WP07_240 WP07_210 WP05_200 Mot_Peak Mot_Rate Power / kW 2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 型号 扭矩 (Nm) 输入功 率 （kW） 额定转 速(rpm) 各档速比 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R1 型号 1 1190 220 2600 12.11 8.08 5.93 4.42 3.36 2.41 1.76 1.32 1.00 - 12.66 型号 2 1190 220 2600 11.02 6.55 4.64 3.36 2.46 1.95 1.38 1.00 0.73 - 11.52 型号 3 1350 243 2600 12.11 8.08 5.93 4.42 3.36 2.41 1.76 1.32 1.00 - 12.66 型号 4 1350 243 2600 11.02 6.55 4.64 3.36 2.46 1.95 1.38 1.00 0.73 - 11.52 型号 5 1490 265 2600 12.65 8.38 6.22 4.57 3.40 2.46 1.83 1.34 1.00 - 13.22 型号 6 1490 265 2600 12.57 7.47 5.28 3.82 2.79 1.95 1.38 1.00 0.73 - 13.14 型号 7 1490 265 2600 12.42 8.29 6.08 4.53 3.36 2.47 1.81 1.35 1.00 - 12.99 型号 8 1490 265 2600 10.69 7.08 5.25 3.40 2.68 2.08 1.55 1.00 0.79 - 11.17 型号 9 1490 265 2600 10.06 6.71 4.92 3.36 2.65 2.00 1.47 1.00 0.79 - 10.51 型号 10 1500 265 2600 12.56 7.35 5.93 3.77 2.76 1.95 1.38 1.00 0.73 - 12.93 型号 11 1500 265 2600 12.57 8.39 6.15 4.59 3.40 2.47 1.81 1.35 1.00 - 13.14 型号 12 1800 331 2600 12.65 8.38 6.22 4.57 3.40 2.46 1.83 1.34 1.00 - 13.22 型号 13 1800 331 2600 12.69 7.08 5.25 3.40 2.68 2.08 1.55 1.00 0.79 - 11.17 型号 14 2200 380 2600 12.42 8.29 6.08 4.53 3.36 2.47 1.81 1.35 1.00 - 12.99 型号 15 2200 380 2600 10.06 6.71 4.92 3.36 2.65 2.00 1.47 1.00 0.79 - 10.51 10 档 14.86 11.02 8.07 6.02 4.46 3.33 2.41 1.81 1.35 1.00 - 主减速比 10 档 型号 12 型号 4 型号 13 型号 14 型号 15 原车 最高车速 / km/h 89.97 89.97 102.73 102.73 89.97 102.79 86.22 最大爬坡度 / % 99.53 69.0 55.53 71.53 70.57 53.24 63.24 油耗 / L/100km 34.84 34.03 23.14 25.54 34.32 25.2 44.28 节油率 / % 21.32 23.15 47.74 42.32 22.49 43.09 0.00 发动机 210 马力、主减速比：5.262 主减速比 10 档 型号 12 型号 4 型号 13 型号 14 型号 15 原车 最高车速 / km/h 89.97 89.97 108.62 108.6 89.97 108.6 86.22 最大爬坡度 / % 115.1 76.61 61.75 79.85 78.56 58.25 63.24 油耗 / L/100km 34.84 34.45 24.07 26.84 34.91 26.48 44.28 节油率 / % 21.32 22.20 45.64 39.39 21.16 40.20 0.00 发动机 240 马力、主减速比：5