朱華 牛禮民 呂建美

（安徽工業(yè)大學(xué)）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和百姓生活水平的提高，汽車逐漸進(jìn)入千家萬戶，深受廣大消費(fèi)者的喜愛，然而，也帶來了能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，為此各大汽車公司開發(fā)了使用蓄電池作為動(dòng)力源的一種清潔環(huán)保型交通工具——混合動(dòng)力汽車（HEV）。HEV可以較好地解決城市環(huán)境污染問題，緩解石油短缺問題，大量節(jié)省能源。因此HEV將成為未來汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢[1-2]，其動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)是HEV前期開發(fā)的重要前提和基礎(chǔ)性工作[3]。文獻(xiàn)[4]利用軟件AVL-Cruise的組件變量（Component Variation）功能，采用車輛傳統(tǒng)理論和經(jīng)驗(yàn)公式對混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了初步匹配，然后基于正交試驗(yàn)理論設(shè)計(jì)了4因素正交試驗(yàn)，對選取的部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了一組最優(yōu)參數(shù)組合方案，后又設(shè)計(jì)了9組DOE Plan仿真試驗(yàn)，對優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證和對比。結(jié)果表明：正交試驗(yàn)方法理論思路合理，實(shí)際可行，能得到準(zhǔn)確度較高的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果。文獻(xiàn)[5]通過Cruise建立超級(jí)電容的混合動(dòng)力客車（HEB）整車仿真模型和傳動(dòng)系多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化模型，以等效燃油消耗量和加速時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)運(yùn)用帶精英策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）和ISIGHT優(yōu)化軟件對HEB傳動(dòng)系參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，并進(jìn)行了HEB性能仿真分析。結(jié)果表明，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的等效燃油消耗量降低了7.8%，連續(xù)換擋加速時(shí)間減少了6.5%。文章通過選用某型并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PHEV），根據(jù)其傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對PHEV的特點(diǎn)，對發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)及蓄電池等參數(shù)進(jìn)行合理的選擇與匹配，并搭建了多智能體系統(tǒng)模型，在軟件ADVISOR 2002中進(jìn)行仿真分析，達(dá)到改善其動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。

1 PHEV的工作原理和傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)

PHEV由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)2套系統(tǒng)組成，根據(jù)不同的行駛工況，在共同驅(qū)動(dòng)行駛的同時(shí)也可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)行駛。當(dāng)汽車在加速或爬坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)向汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力；當(dāng)蓄電池組儲(chǔ)存的電量過低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)行駛的同時(shí)向蓄電池組充電。

PHEV結(jié)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、電動(dòng)機(jī)、蓄電池組、轉(zhuǎn)矩合成裝置、變速箱及主減速器組成，其結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 PHEV動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配與流程

PHEV發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)及蓄電池組等參數(shù)的選擇與匹配是否合理直接影響整車性能的發(fā)揮，參數(shù)匹配的原則是針對給定的車型、行駛目標(biāo)工況及采取的控制策略，在保證純電動(dòng)的續(xù)駛里程及整車的動(dòng)力性前提下，以燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

PHEV動(dòng)力系統(tǒng)各參數(shù)匹配是一個(gè)反復(fù)計(jì)算，反復(fù)尋優(yōu)仿真的過程，文章參數(shù)匹配的設(shè)計(jì)流程，如圖2所示。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PHEV）設(shè)計(jì)流程圖

1.2 某車型的基本參數(shù)

文章選取的某車型基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某車型的基本參數(shù)

2 整車總功率（P總）的選取

PHEV動(dòng)力總功率要滿足汽車的動(dòng)力性要求，動(dòng)力性由最高車速（umax）、加速時(shí)間（t）以及最大爬坡度（αmax）來確定[6]。PHEV總功率（P總）的設(shè)計(jì)為下一步進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)等參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，P總的設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

圖3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車總功率的設(shè)計(jì)流程

2.1 根據(jù)umax確定整車動(dòng)力總功率（Pmax1）

式中：m——滿載質(zhì)量，kg；

umax——最高車速，取180 km/h；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

CD，f——空氣、車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)；

A——汽車迎風(fēng)面積，m2；

ηT——傳動(dòng)效率。

將表1中的數(shù)值代入式（1）得：Pmax1=55.72 kW。

2.2 根據(jù)t確定整車動(dòng)力總功率（Pmax2）

根據(jù)0～100 km/h加速時(shí)間≤16 s，取t=14 s，則總功率為：

式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.05；

將表1中的數(shù)值代入式（2）得：Pmax2=62.26 kW。

2.3 根據(jù)αmax確定整車動(dòng)力總功率（Pmax3）

式中：ue——爬坡穩(wěn)定時(shí)的車速，取30 km/h。

將表1中的數(shù)值代入式（3）得：Pmax3=45.99 kW。

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，動(dòng)力總成功率（Pmax）必須滿足 Pmax≥[Pmax1，Pmax2，Pmax3]，所以 Pmax=62.26 kW。

由于空調(diào)等附件消耗的功率占10%～20%，即：P總=（1.1～1.2）Pmax，故P總=68.49～74.71kW，取P總=75kW。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的選取

發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇對于整車的性能起到舉足輕重的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)功率偏大，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能就差；發(fā)動(dòng)機(jī)功率偏小，后備功率就小。電動(dòng)機(jī)只有提供更多的驅(qū)動(dòng)功率，才能滿足一定的行駛性能要求,這勢必引起電動(dòng)機(jī)和電池組容量取值的增大和整車成本的增加[7]。文章首先從保證汽車預(yù)期的最高車速來選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)存在單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車行駛的工況并且還具有一定的充電功率，所以還要在滿足經(jīng)濟(jì)巡航車速的情況下來計(jì)算并選擇發(fā)動(dòng)機(jī)功率。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。

圖4 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖

在經(jīng)濟(jì)巡航車速（uc/（km/h））下，整車受到的勻速阻力功率（Pc/kW），如式（4）所示。

取uc=80 km/h，將表1中的數(shù)值代入式（4）得：Pc=8.8 kW。

除了汽車行駛需求的功率外,發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)勻速行駛時(shí)還應(yīng)有一定的充電功率裕量（Pchr）、爬坡功率裕量（Pi）及附件功率（特別是有空調(diào)時(shí)）。這些功率之和應(yīng)該是發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)能輸出的功率[8]。即：PHEV的巡航功率（Pc*/kW），如式（5）所示。

式中：Pi——2%的爬坡功率裕量；

Pacc——附件功率，取5 kW；

Pchr——電池充電功率裕量，按P總的10%計(jì)算，即：Pchr=7.5 kW。

綜合計(jì)算得：Pc*=26.74kW，所以Pc*=8.8～26.74kW。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇要滿足其單獨(dú)工作時(shí)的動(dòng)力性要求，即能夠以最高車速行駛，綜合上述計(jì)算得到滿足最高車速時(shí)的需求功率為55.72 kW，因?yàn)槠囋趯?shí)際行駛過程中（特別是在城市道路行駛）很少會(huì)長時(shí)間保持最高車速，所以文章選取12R發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足動(dòng)力性需求的同時(shí)，也能夠滿足其他附件及充電功率的需求。該發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為61 kW，額定轉(zhuǎn)速為5 400 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為123 N·m，額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。

4 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選取

電動(dòng)機(jī)作為PHEV的重要驅(qū)動(dòng)單元，在參數(shù)匹配的設(shè)計(jì)計(jì)算中具有重要地位。文章采用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，適用于電動(dòng)機(jī)的外特性，即當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩模式工作，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，電動(dòng)機(jī)則以恒功率模式工作。電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配流程，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配流程圖

4.1 額定功率（Pe）與峰值功率（Pemax）

由于動(dòng)力源總功率不超過Pemax與Pmmax之和，即Pemax+Pmmax≥P總。由上述計(jì)算的P總范圍以及所選12R發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，經(jīng)驗(yàn)選擇電動(dòng)機(jī)的峰值功率為Pemax=15 kW，額定功率為Pe=10kW。

同時(shí)，要驗(yàn)算Pe是否滿足純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況時(shí)的功率要求和Pemax是否滿足最大加速度時(shí)峰值功率以及循環(huán)工況的功率要求。

4.2 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（ne）和最高轉(zhuǎn)速（nemax）

當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率一定時(shí)，隨著nemax的增加，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，當(dāng)nemax超過16 000 r/min后，轉(zhuǎn)矩降低幅度變小，因此nemax不宜過高。一般可選擇nemax范圍在9 000～15 000 r/min，文章選取 nemax=10 000 r/min。

在轉(zhuǎn)矩合成裝置速比不變時(shí)，當(dāng)nemax與ne的比值（β）增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)整車的功率下降，但是對于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部設(shè)備的損耗以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)部件應(yīng)力的需求增加，對電動(dòng)機(jī)的使用壽命影響很大，通常β的選取范圍在4～6。綜合考慮各方面的影響因素，取β=5，則：ne=2 000 r/min。

4.3 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（Te）與峰值轉(zhuǎn)矩（Temax，Temin）

由 Pe，Pemax，ne，nemax確定 Te，Temax和 Temin。

5 蓄電池參數(shù)的選取

蓄電池參數(shù)的選擇包括電池功率、電壓等級(jí)及電池的個(gè)數(shù)，蓄電池選擇合理與否直接影響PHEV的續(xù)駛里程及在制動(dòng)能量回收時(shí)的回收效率，同時(shí)蓄電池的選擇在整車的參數(shù)設(shè)計(jì)中還要考慮電動(dòng)機(jī)的最大功率需求。為了得到較高的效率，SOC范圍一般取在內(nèi)阻較小的范圍內(nèi)。

鎳氫電池具有質(zhì)量輕、使用壽命長、儲(chǔ)存電量多及對環(huán)境無污染的特點(diǎn)，且SOC工作區(qū)在0.2～0.8以及充放電內(nèi)阻為0.02～0.03 Ω。因此文章選取鎳氫電池作為蓄電池且其充放電內(nèi)阻為0.025 Ω。圖6示出鎳氫電池SOC值特性曲線，由圖6可估算該電池每個(gè)單元的額定電壓的平均值為7.65 V。

圖6 鎳氫電池SOC特性曲線

假設(shè)該蓄電池組由n個(gè)單元組成，則應(yīng)保證：

式中：PBat——蓄電池組放電功率，kW；

R——蓄電池內(nèi)阻，Ω；

E——蓄電池的電動(dòng)勢，V。

將上述蓄電池參數(shù)值代入式（9）得：n≥25.6，考慮到效率等問題的影響，取n=30。

為能夠滿足汽車在加速或爬坡時(shí)電動(dòng)機(jī)的能量需求，電池的容量（Q/A·h）應(yīng)滿足式（10）：

式中：ηb，ηDC-AC——電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)換裝置的效率，取值為0.9。

代入數(shù)值得：Q≥7.23 A·h，取 Q=7.5 A·h。

6 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的選取

主減速器傳動(dòng)比（i0）的參數(shù)設(shè)計(jì)既要滿足汽車行駛時(shí)最高車速的要求，也要滿足蓄電池在充電過程中對發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率的需求[9]，即：

式中：nemax——發(fā)動(dòng)機(jī)最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，取6 000 r/min；

nmp——最大功率點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，取5 600 r/min。

綜上計(jì)算：3.70≤i0≤3.96。

傳動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)比（imax）的確定由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)汽車的爬坡度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還要考慮阻力等因素的影響。計(jì)算公式，如式（12）所示。

式中：r——車輪滾動(dòng)半徑，m。

將表 1 中的數(shù)值代入式（12）得：imax≥7.1。

由以上計(jì)算得到的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，如表2所示。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果表

7 智能體建模

在完成各個(gè)部件的參數(shù)匹配的基礎(chǔ)上，利用Agent的智能性以及多個(gè)Agent的協(xié)同性來改善HEV動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。由于在汽車內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)及蓄電池是相互獨(dú)立分布的，因此在PHEV動(dòng)力體系中定義3個(gè)部件Agent，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)Agent、蓄電池Agent及電動(dòng)機(jī)Agent。此外還定義一個(gè)系統(tǒng)Agent，用于識(shí)別工況、確定行車模式以及感知節(jié)氣門開度信息和制動(dòng)踏板位置信息[10]。根據(jù)動(dòng)力總成部件結(jié)構(gòu)及多智能體的協(xié)作求解機(jī)制，構(gòu)建出PHEV動(dòng)力總成多智能體系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成多智能體系統(tǒng)

8 仿真分析

按照上述的計(jì)算結(jié)果，將各個(gè)智能體模型嵌入試驗(yàn)整車的仿真模型并將各參數(shù)數(shù)值導(dǎo)入ADVISOR 2002中進(jìn)行仿真，如圖8所示。采用系統(tǒng)默認(rèn)的CYC_UDDS工況進(jìn)行仿真，仿真的運(yùn)行結(jié)果，如圖9～圖12所示。

圖8 試驗(yàn)整車仿真模型圖

圖9 CYC_UDDS工況下汽車的行駛速度

圖10 CYC_UDDS工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速

綜合圖9～圖12仿真結(jié)果可得：其最大爬坡度增加了7.7%，100 km油耗降低了28.6%，該P(yáng)HEV雖然加速時(shí)間有所下降，但根據(jù)整體的設(shè)計(jì)來看，滿足了燃油經(jīng)濟(jì)性和爬坡性能的要求。

圖11 CYC_UDDS工況下電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

圖12 CYC_UDDS工況下蓄電池SOC值

綜上所述與所選的某車型對比結(jié)果，如表3所示。

表3 參考車型與并聯(lián)混合動(dòng)力汽車結(jié)果對比表

9 結(jié)論

通過對該P(yáng)HEV進(jìn)行參數(shù)匹配的計(jì)算，搭建多智能體系統(tǒng)模型，將所設(shè)計(jì)的參數(shù)導(dǎo)入仿真后，經(jīng)過對比分析，滿足了預(yù)設(shè)要求。此設(shè)計(jì)對PHEV的動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)有一定的參考意義，有助于縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本及提高系統(tǒng)的整體性能，而且隨著PHEV的發(fā)展，仿真技術(shù)和高效率的控制系統(tǒng)研究同樣有著重要的意義。