并联式混合动力商用车动力系统参数匹配研究

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。
2.1 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：
1 V dt 1 V m dv dv 0 3.6 dv 3.6 0 Ft Fw F
传统商用车发动机 216 0.28 1.64 3.17
类别 混合动力商用车电机 140 120 100 80 动力源功率 / kW 0-5km/h 0.370 0.434 0.524 0.662 0-10km/h 0.870 1.020 1.630 1.788 起动时间 / s 0-15km/h 1.564 1.851 2.540 3.520 注：电驱动提供电机的峰值功率仅能持续 1min
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：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：并联混合动力，参数匹配，CRUISE 主要软件： CRUISE
Pe
1 3600 T
2 C D Au max Gf 21.15
u max
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， 2 迎风面积 A=6.7688m ，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。
Teng 0 Tmtr Tdrv Tgen _ max Tdrv , Teng _ opt _ low Teng min Tmtr Tdrv Teng
若电机不满足道路负荷，则电池充电或放电：
式中：Tdrv 为道路需求力矩，Teng 为发动机转矩，Tmtr 为电机转矩，Teng_opt_high 为发动机优 化区上限，Teng_opt_low 为发动机优化区下限，Tmot_max 为电机电动最大转矩，Tgen_max 为电机 发电最大转矩。
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 。
2.3 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；
2.3.3 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：
S
(0.90 0.35) 3.6 U Ah m t 14.6km CD Au 2 Gf 21.15
3 商用车混合动力总成参数仿真优化 3.1 混合动力商用车主要性能指标
Full Load 250
200
150
3.3.3.1 高负荷区 0
若： Tdrv Teng _ opt _ high Tmot _ max 则：
Tmtr Tmot _ max Teng Tdrv Tmtr
3.3.3.2 优化区 1
若：
Tdrv Teng _ opt _ low Tdrv Teng _ opt _ high Tmot _ max
2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文
2.2 电机参数设计 2.2.1 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 β 一般在 2-3 之间，因此，确定基速 1200-1600r/min 之间。
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。
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 。
2.2.3 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：
1 Pm1 3600T
C Au 2 Gf D u Gi 21 . 15
则需求电机提供的额定功率应为 38.24kW。
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：
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Pm 2
1 3600T
2 CD Au m max um max Gf 21.15
整备质量(kg) 满载质量(kg) 最高车速(km/h) 0-50km/h 加速时间(s) 最大爬坡度 节油率 制动指标 13300 26300 80 < 20 30% > 30% 30km/h 初速、满载，制动距离 <= 9m
3.2 混合动力总成布置方案
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SOC / %
3.3.3 驱动能量分配优化函数
为达到节能和减排目标， 要控制发动机工作在高效区， 即在低负荷由电机提供驱动功率， 发动机关闭；在高负荷（发动机无法满足整车需求） ，电机参与工作。 根据循环工况、驾驶员要求，决定整车的总力矩需求在发动机与电机之间的合理分配。 根据道路力矩需求，可将发动机和电机的工作区域分为三部分，高负荷区 0、优化区 1 和低 负荷区 2。
2.2.2 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
du Ft Fw Fr dt m
1
t
2 2 I w I e I m ig i0 m Rr2
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则：
Tdrv min Teng _ opt _ low , Tdrv , Tmot _ max Tmtr min Teng Tdrv Tmtr
3.3.3.3 低负荷区 2
若： Tdrv Teng _ opt _ low 则： 若电机能够满足道路负荷，则纯电动驱动：
motor torque / Nm
电池技术参数 最大容量 单体 名义电压 最高电压 最低电压 每模块单元组数 模块数量 90Ah 3.6V 3.9V 3.2V 12 8
3.9
VOC for discharge or charge / V
3.8
3.7
3.6
3.5
3.4 0 20 40 60 80 100
3.3 混合动力商用车 CRUISE 建模
3.3.1 电机模型
电驱动提供转子磁钢内嵌式 IPM 交流永磁电机用于混合动力商用车的开发。 电机技术参数 90kW 峰值功率 额定功率 峰值转矩 额定转矩 峰值转速 额定转速 直流母线电压 满功率输出电压范围 峰值功率持续时间 50kW 600Nm 360Nm 2500rpm 1500rpm 320V 310-415V 30s
2.3.2 容量参数。 2.3.2.1 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：
Pmotor
motorinv
Pmax

100 114.47kW 0.91 0.96
motor efficiency 600 51kW 90kW 96 94 92 90 88 0 86 84 -300 82 80 78 -600 300 500 1000 1500 motor speed / r/min 2000 2400 76
300
3.3.2 电池模型
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2.3.1 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 N batt 为 320/1.2=267。
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。
2.3.2.2 纯电动 5%坡道 8km/h 连续爬坡 20min
3.3.4 再生制动能量优化函数
下图给出了商用车满载时制动系统的 I 曲线、机械制动器的前后轴制动力分配曲线、及 r 和 f 曲线、ECE 规定的最小后轮制动力曲线。再生制动能量优化函数采用了电和机械制力 之间固定比设计和控制原理。在满足 ECE 法规的前提下，制动力分配优化函数如下： 1. 当车速低于给定值(如 15km/h)时，制动完全由机械制动完成； 2. 当制动强度小于完全电制动阈值(如 0.1)时，制动力完全由电制动产生； 3. 当制动强度高于完全电制动阈值、且低于电制动饱合阈值(如 0.3)时，制动力由线 性增加的机械制动和电制动饱合阈值共同承担； 4. 当制动强度高于电制动饱合阈值、且低于完全机械制动阈值(如 0.4)时，制动力由 线性增加的机械制动和线性退出的电制动共同承担； 5. 当制动强度高于完全机械制动阈值时，制动力完全由机械制动完成； 6. 当 SOC 高于给定上限值(如 0.95)时，制动完全由机械制动完成；
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，
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按动力电池源自文库电后 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。