第55卷 第12期Vol. 55 No. 12
2017年12月
December 2017农业装备与车辆工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING
doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2017.12.013
串联混动商用车动力系统匹配与性能仿真
周正祥1 ，葛伟1 ，商菲2，穆加彩3
(1. 200438 上海市 上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心；2. 213100 江苏省 常州市 北汽新能源汽车常州有限公司；
3. 200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院)
采用理论公式和仿真分析相结合的方法对混合动力商用车的动力系统参数进行匹配。通过现有传统车辆的
及电池的主要设计参数。同时，结合现有零件资源确定整车动力系统选型。考虑传统车的整车滑行阻力参
数（常数项，一次项，二次项）进行混动车型的阻力设定，可以更精确地确定整车的动力需求。考虑整车
30 min最高车速性能指标以满足客户的实际驾驶需求。通过AVL Cruise软件对部件进行建模，从而搭建
整车动力性及经济性仿真模型，进行整车性能仿真分析。结果表明：改型的串联式混动车型可以满足设计
指标要求。
[关键词] 串联式混合动力；动力匹配；性能仿真；Cruise
[中图分类号] U462.3+1；U469.7 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2017)12-0054-05
Dynamic System Matching and Performance Simulation of Series Hybrid Commercial Vehicle
Zhou Zhengxiang1, Ge Wei1, Shang Fei2, Mu Jiacai3
（1. SAIC Motor Corporation Limited Commercial Vehicle Technology Center, Shanghai, 200438, China;
2. Beiqi New Energy Vehicle Changzhou Co., Ltd., Changzhou City，Jiangsu Province 213100, China；
3. College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093, China）[Abstract] Based on some kind of existing series wide-body light vehicles, hybrid vehicle is developed. On the basis of basic parameters and performance design indicators, the power system parameters of hybrid commercial vehicles are matched by theoretical formula and simulation analysis. Confirm the TM motor, generator motor, the battery and machine of the APU vehicle. Set the resistance of the hybrid model by considering the sliding resistance parameters of traditional vehicle, which can more accurately determine the vehicle power demand. Consider the m
ax speed for 30 mins of vehicle to meet the request of customer. Establish the simulink model by AVL Cruise software and analyze the performance of vehicle. The results showed that the APU can meet the requirements of design index.
[Key words] APU; power matching; performance simulink; Cruise
0 引言
插电式串联混合动力汽车由于加入电机调节发动机运行点的作用，使发动机避免了怠速和低速运转工况，提高了发动机的效率。采用插电式的动力电池结构，可以从供电网获取电能，在一定的行驶距离内以纯电模式进行行驶，降低了有害气体的排放，有效地降低对石油资源的依赖。
本文针对插电式串联混合动力汽车从电驱系统、储能系统和辅助动力系统等几个方面进行APU车型关键动力参数的匹配分析研究工作，在满足整车VTS指标的前提下进行性能开发工作，同时，通过整车建模仿真分析对比，在进行车型开发前期对整车动力性及经济性进行前期仿真预测并与整车指标进行对比分析[1]。结果表明，理论建立的动力系统匹配方法是可行的，同时也说明了APU车型的相关技术参数特性。
1 整车构型与基本参数
1.1 整车构型
传统车型是一辆6MT柴油内燃机的宽体轻
收稿日期: 2017-03-24 修回日期: 2017-04-05
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第55卷第12期客，车辆驱动型式为前置前驱。考虑整车的改动及成本，采用串联式混动方案。发电机（Gen）与内燃机（ICE）组合，为整车提供增程，整车采用单级主减，驱动电机（TM）连接单级主减进行整车驱动。在电池电量充足时，可以由动力电池提供功率给电机用于整车驱动，当动力电池电量下降到一定程度时，由发动机带动发电机进行功率输出[2]，既可以用于驱动整车，也可以给动力电池充电。改型车混动构型图见图1。
1.2 整车基本参数
本文研究的串联式混动车型是基于某现有上市车型进行开发，考虑整车的主要差异更改件，进行整车整备质量与满载质量的计算分析。基型车与混动车整车主要参数见表1。
考虑整车的一般使用需求，定义混动车型的整车动力性及经济性指标，主要包括最高车速项。考虑到
串联式混动车的功率输出特性，即在长时间高速行驶过程中，发动机工作提供功率以及动力电池提供功率用来驱动整车，电池电量持续下降。当一定动力电池放电时间后，整车驱动功率将全部由发动机单独提供。因此定义指标时考虑持续最高车速项，同时定义了加速能力以保证TM 电机的中高速输出能力可以满足要求。考虑最大爬坡能力，主要保证TM 电机的峰值扭矩可以满足要求。考虑纯电续驶里程，既能满足国家补贴政策要求，也符合短距离绿出行的新能源车型的初衷。考虑串联式的构型特性，发动机工作在特定工作点，从而保证了综合工况的油耗数值相比传统车要低[3]。整车主要设计技术参数见表2。
2 动力系统匹配
串联插电式混合动力汽车动力驱动系统主要由电驱动系统、储能系统、辅助动力单元三大系统构成。其中，外部能源输入包括发动机及外接充电两种方式，发动机与发电机组成辅助动力单元，整车由驱动电机单独驱动。当整车需求功率小于发电机的发电功率时，整车功率主要来源于发电机发出的功率，同时发电机多出的功率对动力电池进行充电。当整车需求功率大于发电机的发电功率时，动力电池同样也输出功率给驱动电机以满足整车动力性需求，保证了发动机运行点的高效性及动力性。2.1 电机参数确定
电机区别与传统发动机特性，表现为低速恒转矩高速恒功率特性。在低转速区域，电机输出扭矩大，
响应快，正好满足车辆起步工况需要大扭矩的特性。在高转速区域，输出为恒功率，满足车辆高速行驶的要求。由于电机驱动特性，整车可以采用主减固定速比的传动装置而不必采用多速变速器，提升了效率与成本[4]。
电机的主要参数包括功率、扭矩及转速，具体分为峰值特性与持续特性。一般峰值特性的持续时间为10 s 左右，主要在考虑1 km 及WOT 加速性能的时候使用峰值特性，而持续特性主要考虑持续爬坡能力及持续最高车速的整车性能。电机的功率越大，整车的中高速加速能力及最高车速能力越好，但功率越大，电机体积及成本也会随之升高，所以选择合理的电机参数在进行电动车的开发中非常关键。
电机功率需求主要由以下计算确定(1)最高车速确定的功率
P mgf V C A V 1360076140max max max
D 3
h =+c m (1)(2)满足加速性能的功率
性能条目设计目标值
最高车速/(km/h)12030 min 持续最高车速/(km/h)800-100 km/h 加速时间/s 30最大爬坡能力/%20纯电续驶里程/km 50综合工况NEDC 油耗/L
6.5
表2 整车主要设计技术参数
Tab.2 Main technical parameters of vehicle design
商用汽车整车主要参数基型车混动车长×宽×高/mm
4 950×1 998×2 34
5 4 950×1 998×2 345
轴距/mm 3 100 3 100整备质量/kg 2 230 2 360满载质量/kg
3 500
3 700
表1 基型车&混动车整车主要基本参数
Tab.1 Basic parameters of traditional vehicle and hybrid vehicle
图1 APU 串联式混合动力构型图Fig.1 APU series hybrid configuration diagram
ICE Gen Transmission TM
ECU
PCU A/C VMS Fuel Tank Battery charger
机械高压控制油路
周正祥 等：串联混动商用车动力系统匹配与性能仿真
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农业装备与车辆工程 2017年
.P mv t t mgfv C A V
11296101360076140.D 20583h =--++b l ;E '1(2)(3)满足定义中的NEDC 工况中要求的功率
需求。
根据以上分析和计算结果，电机的峰值功率选取80 kW。根据电动汽车用电机及其控制器技术条件对电机功率等级的规定，确定电机的额定功率为40 kW，峰值功率为80 kW。综合考虑整车布置及成本等原因，确定电机额定转矩为280 N·m，基速为2 800 r/min，最高转速为8 000 r/min。2.2 主减速比的确定
(1)最大主减速比
速比i 应满足汽车行驶最高车速的要求
.i V nr
0377= (3)
(2)最小主减速比确定
选定对应的轮胎参数，对应的最小主减速比需要保证整车的最大爬坡能力
i T F r
tq t
t h = (4)
由图3可知最高车速及最大爬坡能力随主减速比的变化趋势，在满足整车100 km/h 最高车速及最大爬坡能力20%的性能要求，同时根据主
减速比的设计参数，确定采用主减速比为9.92。2.3 动力电池与ISG 电机及发动机参数确定
动力电池的主要参数包括电池容量及最大放电功率，参数确定的基本原则是电量需要满足整车纯电NEDC 行驶工况行驶50 km 的要求，最大放点功率在ISG 电机的协同下可以满足驱动电机的最大功率输出需求[5]。
总电量的确定。考虑到电池的寿命及性能衰减问题，考虑纯电模式下电池的DOD 放电深度为80%，电量的计算：
..Q t mgf C A V
V 1081
2115bat D 2>#h =+b l (5) 由图4可得到整车在运行NEDC 工况耗电量为3.6 kW·h，整车平台电压为338 V，电池的总电量需求为22.5 kW·h，可以计算出电池的容量为66.5 A·h。
在考虑ISG 电机的特性参数时需要兼顾考虑整车附属设备的功率需求，包括整车在运行过程中助力转向电机、照明和影音等各种电功率设备的功率损耗，相关参数见表3。
同时，DC/DC 的工作特性见图5。
用电器电流/A 空调前鼓风机22空调后鼓风机
15冷却风扇42近光灯5前雾灯3后雾灯2小灯 1.3EHPS 30刹车助力3基础用电 32合计
155.3
表3 整车附属设备的放电电流
Tab.3 Discharge current of vehicle auxiliary equipment
图2 整车NEDC 工况电机功率需求分析
Fig.2 Analysis of motor power demand for vehicle NEDC
车速/(k m /h )
功率/k W
时间/s
40036032028024020016012080400
10080
60
40200-20-40-60-80
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 200
v (km/h)电机需求功率
55 kW 图4 NEDC 工况整车动力电池耗电量分析Fig.4 Analysis of power consumption of whole vehicle power battery in NEDC
车速/(k m /h )
耗电量/(k W ·h )
时间/s
40036032028024020016012080400
4.03.53.02.52.01.51.00.50
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 200
v (km/h)电量消耗
图3 不同主减速比对应最高车速及最大爬坡能力分析Fig.3 Analysis of maximum speed and maximum climbing ability of different main reduction ratio
最高车速/(k m /h )
最高爬坡度/%
主减速比
200180160140120100806040200
3025201510
50
6 7 8 9 10 11
最高车速最大爬坡能力
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第55卷第12期
周正祥 等：串联混动商用车动力系统匹配与性能仿真
结合电池的设计特性进行电池匹配选型，电池组的放点功率为58 kW。整车驱动电机功率需求为80 kW，则可确定ISG 电机的功率为22 kW。考虑电机特性进行ISG 电机选型，功率为22 kW，扭矩为80 N·m，额定转速为2 600 r/min，最高转速为5 800 r/min。
APU 系统中的发动机主要有两个功能：驱动空调系统和驱动ISG 电机发电以补充动力电池输出功率给驱动电机。因而，选择发动机时需要考虑ISG 电机和空调的功率，并且可以使发动机工作在最佳油耗区域。该串联式混合动力汽车上，使用的空调的前后空调功率为5 kW，ISG 额定功率为22 kW，根据状态选择1.5 L 的发动机。发动机控制策略采用定点工作方式，在对发动机ISG 电机组进行匹配优化时，只须考虑发动机不同工作点下的燃油经济性。ISG 电机低速运转时需求的功率较低，可以提供发电机的负荷率，进而提高燃油经济性。随着转速的上升，发动机运行在经济点[6]。
根据空调用电及ISG 电机确定电机的工作点。当ISG 电机与空调同时工作时，发动机工作在点A；当只有ISG 电机工作时，发动机工作在B 点；当只有空调压缩机工作时，发动机工作在C 点。工作点见图6。
3 整车性能仿真分析
采用AVL-Cruise 软件进行整车建模仿真分
析，通过确定的动力系统的参数进行部件模型的参数输入建立。参见图7。
仿真分析的结果见图8及表4。
图7 整车Cruise 模型Fig.7 Vehicle Cruise model
序号性能条目单位设计目标值
仿真结果1最高车速kph 120123230 min 持续最高车速kph 808030-100 km/h 加速时间
s 3029.84最大爬坡能力%20215纯电续驶里程km 5050.86
综合工况NEDC 油耗
L
6.5
6.4
图8 整车电机及电池工作参数
Fig.8 Motor and battery operating parameters
表4 整车仿真结果
Tab.4 Vehicle simulation results
图5 DC/DC 工作特性
Fig.5 DC/DC operating characteristics
效率/%
10090
80706050
I_Load/A
0 50 100 150 200 250
图6 发动机运行点Fig.6 Engine operating point
扭矩/(N ·m )
22020018016014012010080604020
速度/(r/min)
1 000 1 500
2 000 2 500
3 000 3 500
4 000 4 500
5 000 5 500
6 000
A 250C 260260
270
280
300
330
450450
400
400
500345B （下转第61页）
61
第55卷第12期张松松 等：RSIRobot 机构原理在封堵器锁紧机构中的应用根据仿真分析结果，选型的驱动电机、动力电池及ISG 电机与发动机可以满足整车VTS 要求，采用APU 方式整车动力系统很好地满足了整车动力性要求，同时整车的燃油经济性得到提升。
4 结论
（1）利用电机特性确定采用主减方案，减少了机械传动装置结构，减少损失，获得高效的动力性能，最大爬坡度达到20%，百公里加速时间30 s。
（2）设定电池DOD 为80%，考虑电池的使用寿命，同时也保证了纯电的续驶里程要求。
（3）通过理论分析方法，建立电机、电池发动机的选型基本原则，同时结合仿真结果验证选型方法的可靠性。
（4）运用AVL-Cruise 软件进行整车动力性与续驶里程建模仿真分析，进一步说明APU 串联式混合动力汽车的匹配分析结果可以满足整车
动力性与经济性要求。
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（上接第57页）
擦系数。
若作用于x 轴的交点位于点,r 0n ^h 处，则：
sinsin cos cos sin F F F F F F L r n k f fk
f 1i i i i t i n +--+=-l (3)联立上式，利用虚功原理可以得到其锁止装
置实现自锁的条件：
,,,,tan cos tan r
T F M k 1211i t i n i t n i -^h (4)由此可见，在设计凸轮式锁止装置时，各参数
的设置应满足式(４)。工程实际中，,,F 12n n 由具体工况给定，r 则根据强度要求与安装共同空间决定，同时，cos L t i
=。因此只需根据具体情况
中L 的取值调整M k 与θ即可使机构实现锁止。
3 结语
利用Proe 三维设计软件建立了基于RSIRobot 机构原理的封堵器锁紧机构模型，并且对模型进行了数学建模以对其进行受力分析。分析结果显示该锁紧机构在一定条件下能够进行自锁，且该锁紧模块结
构简单，长度较短，过弯能力较好。对其外表面的锯齿形凹槽形状分布，齿形角度的大小，和其径向曲率的多少对锁紧性能
影响还有待研究。对封堵器的过弯性能要求较高的管道可以采用本锁紧机构。
参考文献
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孙首（1964— ），男，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：机电系统动力学。
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