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摘要
石油储量逐步下降，对能源的需求也日益增加，这导致汽车制造商需要开发新的环境友好型车辆，如纯电动和混合动力汽车。混合动力车构件进行选型对于给定驾驶条件来说非常重要，因为它影响车辆动力性和燃油经济性。本文重点对串联混合动力电动汽车(SHEV)进行详细的参数分析。本文的目的是通过初始开发SHEV动力总成参数匹配和组件尺寸的调整，然后在给定限制条件下进行优化。基于车辆的动力学，研究和计算组件的功率规格。在初始参数条件下，满足设计目标对其进行优化。SHEV的仿真在软件ADVISOR中完成，以印度循环工况为条件 。基于仿真结果，最终的动力总成，部件最佳选型也就确定了。
关键词：串联混合动力汽车，汽车性能，组件尺寸，优化，ADVISOR，印度的驾驶循环。
专业术语
正面横截面积（）
阻力系数
C 电池容量（Ah）
F 车辆加速所需的力（N）
牵引力（N）
M 质量的车辆（kg）
P 功率（kW）
R 车辆总阻力（N）
气体阻力（N）
滚动阻力（N）
爬坡阻力（N）
最大转速（rpm）
S 纯电动模式下的车辆行驶范围（m）
T 扭矩输出（Nm）
电池电压（V）
W 车辆总重量（N）
前轴重量（N）
后轴重量（N）
a 纵向加速度（m /）
轮胎滚阻系数
g 重力加速度（m /）
减速比
n 电机转速（rpm）
r 有效车轮半径（m）
与电机基本速度相对应的车速（kmph）
车辆额定速度（kmph）
gamma; 转动惯量系数
电机的效率
传动效率
电池放电效率
道路坡度
Mu; 最大轮胎 - 路面摩擦/牵引系数
注：任何带有下标ele的变量都表示纯电动模式。
引言
现代经济和社会发展严重依赖基于化石燃料的交通运输。汽车的数量的日益增加正在导致全球能源系统的过度开采，不可再生能源高消耗率和严格的环境问题尾气排放条款，全球温度升高，极端天气条件和生态系统的不稳定[1,2]。在这种情况下，汽车行业已投资电动和混合动力汽车等技术改进燃油经济性和减少排放，同时适合现代使用的车辆能够保持良好的行驶性能，安全性和可靠性。
在文献中提到的常见的混合动力汽车（HEVs）的配置是：串联混合动力（SHEVs），并联混合动力（PHEVs）和混联混合动力HEVs，每个都带有它自己的优点和缺点[3]。 SHEV系统，操作和控制简单，是被认为最适合城市驾驶，频繁启停，车辆几乎可以在全电动模式下运行，大部分时间发动机关闭，从而减少了发动机燃料消耗和污染物排放。 图1给出了一个SHEV动力总成的简单布局。本文主要关注的是开发和优化一种SHEV重型公路车辆动力总成，尤其在城市路况条件下运行，例如公共汽车，自卸卡车，牵引车、皮卡等，以及在印度城市行驶路况条件下性能的评估，在此情况下可以以纯电动模式运行。
设计的第一步也是最重要的一步是HEV是的尺寸布置和动力总成部件参数匹配。正如Ehsani等人所证明的那样[3]，对于EV和HEV的设计给定的基本参数里边最主要的三个限制条件是：1）初始加速; 2）爬坡能力; 3）最大行驶速度
图 1. 串联混合动力系统布置
车辆的性能取决于传动系配置和动力总成部件特性。该车辆总重（GVW）是车辆的连续性和峰值功率的主要因素。GVW与燃油经济性之间的密切关系由Carlson等人发现。 [4] 在不同的行驶循环下，调查影响混合动力系统能耗的车辆质量。 测试显示在城市测功机驾驶时间表（UDDS;城市型驾驶）和US06补充联邦测试程序（SFTP;积极驱动型）驾驶循环，质量减少10％导致HEV和EV的能耗降低3％至4％。因此，选择合适尺寸的部件保持车辆性能与传统的车辆对比成为设计师的挑战。
SHEV比传统车辆和插电式混合动力车重，是由于大型牵引电机，重型电池组和一个附加发电机。 Ehsani等人[2]研究了电机扩展速度，恒定功率区域的特性，发现初始加速度和坡度条件可以满足最低额定功率，如果动力传动系在恒定功率区域运行。 但这导致很高扭矩输出，这增加了电机的重量，从而增加了车辆的重量GVW。 因此，在设计阶段GVW不能被视为常数值，因为的特征GVW不能被视为常数值，受每个动力总成部件影响，GVW不能被视为常数值。
下一步是优化车辆动力传动系统，来实现车辆动力性能和实现燃油经济性。对于电动和混合动力系统动力总成系统的设计的各种优化算法，可以在文献中找到[5,6]。基于梯度连续二次规划（SQP）等算法[5]使用派生信息查找局部最小值。无衍生算法，如分割矩形（DIRECT）和遗传算法（GA）[7]，效果很好不依赖衍客观函数。而且，DIRECT算法是一种确定性的全局优化，确保目标函数收敛的算法，在有限时间内实现全局最优。Gao等人[5]优化了PHEV，使用PSAT软件最大的实现燃油经济性复合驱动循环使用四个全局优化算法（DIRECT，GA，模拟退火和粒子Swarm Optimization）并发现无衍生物算法（DIRECT，模拟退火和GA）是有效解决复杂的HEV设计问题。
本文首先用数学概述简要介绍了车辆性能要求和开发动力总成部件的基本特征，然后是他们的初始参数匹配。 迭代方法用于选择SHEV的GVW，因为它是受电机和电池特性的影响。 最后，对于印度的驾驶循环，设定一组特定的约束和评估方法，以最低的燃油消耗优化车辆动力系统。对于车辆运行，使用的控制策略是恒温器控制策略[3]。本文中使用的混合技术是电池混合技术。用DIRECT算法来优化车辆[7]。
控制车辆行驶性能的公式
为了计算动力系统初始组件的特性，动力系统的管理来确定车辆的性能。重要的沿纵向的作用在车辆上的驱动力，如图2 [8]所示。加速期间，控制纵向运动的基本方程是
对于前轮驱动（FWD）系统，最大牵引力力估算的计算式是
该最大牵引力将限制原动机（SHEV的牵引电机）的扭矩输出，避免轮胎打滑。 对于最大牵引力的最大电机扭矩输出可以计算为
图2. 爬坡受力图
通常描述车辆性能要计算其最大速度，加速度和爬坡能力[9]。对于SHEV，最高车速受最大电机速度的限制，可以找到：
电机输出的功率和扭矩决定了最高速度为：
根据功率需求和电机扭矩输出来实现爬坡度，给出如下：
加速性能的评估是要求车辆从静止开始加速到某一点速度（𝑣𝑟𝑣）所用的时间。表示加速度的等式是：
典型的电动扭矩速度特性可分为两个不同的区域：恒转矩区域延伸到电机基本速度omega;b（或vrm），其中它提供额定转矩Tmax，恒定功率区域达到额定功率Pm的基本速度。 图3显示了感应电动机转矩速度特征曲线，这在自然模式区域是不予考虑的。
可以找到电动机功率的解析表达式Pm具有初始加速度（0到vrv kmph，tf秒）整合方程式（9）首先，基本阻力被忽略。 假设vrv大于vrm，式（9）可以整合为[3]：
从式（10），对于给定的𝑣𝑟𝑣，很明显Pm取决于vrm的值。 在恒定功率区域（vrm = 0），如果是电机在tf秒内达到0-vrv，功率的要求是最低的，这实际上是不可行的。 然而以上讨论是建立在增加电机恒定功率的范围降低电机功率[2]基础之上的。当考虑所有阻力时，式（10）可以重写为[3]：
图3.电机转矩和功率特性
SHEV动力系统的零件尺寸
SHEV组件的大小和参数分析是根据车辆性能要求来实现的，如上一节所述。重卡被作为SHEV的设计和模拟的对象[10]。 车辆参数在表格1中给出。 车辆的性能参数在表格2中给出。由于各个组件规格的数据不足，在用ADVISOR [13]软件对这些近似值进行模拟。这导致了一些车辆参数的值例如GVW和表1中给出的发动机额定扭矩，并且在模拟中使用，与参考的车辆[10]是不同的。
表 1. 车辆参数
|
Glider mass |
3940 kg |
|
Cargo mass |
9700 kg |
|
ICE power/mass |
200 kW/545 kg |
|
GVW |
14351 kg |
|
Cd |
0.440 |
|
Af |
6.50 m2 |
|
fr |
0.009 |
|
r |
0.50 m |
|
L |
4.75 m |
表 2. 车辆的动力性能
|
最大速度 (Vmax) |
95 kmph |
|
爬坡度 |
15% at 16 kmph |
|
加速度 |
0-50 kmph |
|
加速时间 (tf) |
13 s |
|
纯电动行驶里程 |
100 km |
使用相同的车辆作为改变的基础，把牵引系统从传统的的动力系统改变为SHEV动力传动系统。与传统车辆相比，把缩小尺寸的ICE用作SHEV中的辅助电源，而牵引电动机和电池被合并，成为车辆总质量的主要部分。 因此，GVW可以写成
其中mtot和mglider分别是GVW和没有变速器和货物（滑翔机质量）的车辆质量。 主要目标是在满足车辆性能的同时，尽量减少SHEV总质量。 Roussea等人[11]展示了增加了10％车辆重量导致燃油消耗增加6％。正在研究的基础车辆保持不变，滑翔机质量和式中的货物质量（12）取恒定值。
发动机 - 发电机
在纯发动机驱动模式期间，发动机-发电机的输出功率是直接用于驱动电动机的，反过来推动车辆。发动机-高速公路驾驶和走走停停模式城市驾驶这两个开车条件被用来计算的额定功率。对于城市驾驶，发动机-发电机应该提供足够的电力来维持电池的SOC，而在高速公路驾驶中，发动机-发电机和动力列车应该能够支持车辆处于恒定的高速[2]。
电动机
驱动电机通过单步变速器和最终驱动器直接连接到车轮。 因为它是只有扭矩源来驱动车轮，用到的是体积大笨重的电动机，这使得SHEV非常重。因此，选择恰当的电机额定功率变得非常重要。在速比方面可以重写等式（11）为
图4显示了驱动电机的功率和扭矩的额定值，达到延申总质量为15000千克重型卡车的恒功率区域的性能要求的目的。 从式（13）获得了功率曲线，对五种不同电机，它们最高速度范围从9000 rpm到13000 rpm，通过改变的速比，速比范围是从2-10
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