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摘要：《节能与新能源汽车路线图2.0》发布，国家鼓励节能车大力发展。串联混动HEV具有油耗低、结构简单等优点。本文以公司开发的某后驱串联混动HEV样车为基础，对动力系统进行了参数选型，对WLTC工况下汽车的整车性能进行了仿真分析，并与燃油版进行了对比。结果表明：该串联混动HEV动力系统参数选型合理，满足设定的整车性能目标，与燃油版车型的对比中油耗优势明显。
Abstract： Energy saving and new energy vehicle roadmap 2.0 was released， and the State encourages the vigorous development of energy-saving vehicles. Series hybrid HEV has the advantages of low fuel consumption and simple structure. In this paper， based on the prototype of a rear drive series hybrid HEV developed by the company， the parameters of the power system are selected， and the vehicle performance under wltc condition is simulated and analyzed， and compared with the fuel version. The results show that the power system parameter selection of the series hybrid HEV is reasonable， meets the set vehicle performance target， and has obvious fuel consumption advantages compared with the fuel version.
关键词：后驱;联混动;HEV;阿特金森;整车性能
0 引言
在传统汽车向电动汽车的过渡时期，《节能与新能源汽车路线图2.0》发布，国家鼓励节能车大力发展。混合动力汽车一方面能够环保节能，另一方面又避免了传统汽车工业已形成的庞大生产规模和基础设施的浪费。因此，混合动力汽车在我国将有比较长的生命力和应用前景。
串联混动HEV车型，发动机只驱动发电机给电池充电，电动机负责整车行驶，具有良好的燃油经济性。在中国国内汽车市场上还没有此类串联混动HEV销售，上汽通用五菱汽车股份有限公司基于一款后驱纯燃油车，研发了一款后驱串联混动HEV。
1 后驱串联混动HEV动力系统基本结构
串联混动HEV汽车，车辆的驱动力只来源于电机，不同于增程式电动汽车。增程式电动汽车，是在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能，而当车载可充电储能系统无法满足续航里程要辅助供电装置为动力系统提供电能，以延长续航里程的电动汽车，且该车载辅助供电装置与驱动系统没有传动轴等传动联接。
串联混动HEV动力系统结构，由发动机、ISG发电机、驱动电机、电池组成，如图1所示，就是在纯电动汽车的基础上，将大容量电池更换为小容量电池，同时增加发动机和发电机。而发动机仅用于发电，不参与驱动，因此驾驶感受与纯电动类似。前置前置的车型，将发动机、发电机横置。驱动电机也是布置在发动机舱，布置方面比较容易。前置后驱的车型，会将发动机与发电机纵置在发动机舱，将驱动电机与后驱动桥后置用来驱动。
2 串联混动HEV主要工作模式
串联混动HEV主要有三种工作模式：纯电模式，当整车电池SOC值高于某一限定值时，发动机关闭不工作，动力全部由动力电池提供动力;混动模式，当动力电池SOC低于某一限定值时，发动机开启，工作在某一最佳燃油消耗点，输出功率固定，与动力电池一同为整车提供动力;制动能量回馈模式，在制动过程中，制动能量回收为电池充电。
3 串联混动HEV动力系统核心部件参数选择
3.1 发动机选择
阿特金森循环发动机是串联混动HEV动力系统的重要组成部分，在选择时要充分考虑发动机的特性及功率，汽车的爬坡性能和加速性能可以由汽车的最高车速来体现。因此常根据汽车行驶过程中能达到的最高车速来初步选择发动机最大功率，此时最大功率应满足式（1）。
其中Pmax表示车辆以最大车速在平坦路面行驶时所对应的功率;？浊t表示传动效率;m为整车质量;f表示滚动阻力系数;CD表示空气阻力系数;A表示车辆迎风面积;Vmax为最高稳定车速。选用的是四缸2.0L阿特金森循环发动机，最大功率为93kW，最大扭矩为167Nm，最高热效率为39.5%。
3.2 发电机选择
后驱串联混动HEV中，发电机把发动机的机械能转化为电能，给车辆的所有用电器供电，是车辆电能的唯一来源。因此发动机和发电机组成的发电系统的性能和效率优劣直接决定车辆的燃油经济性，同时对车辆动力性也有一定影响。串联式混动的结构决定了发动机大多数时间会运行在最高效率的工况，当车辆需要最大输出功率时，发动机就进入满功率输出工况，因此，匹配的发电机设计要求为：①发电机峰值功率应覆盖发动机性能的峰值输出;②发电机转速范围与发动机转速范围乘传动比后相匹配;③发电机的高效率工作区域与发动机的最高效率区域匹配;④发电机应有优良的NVH性能、高稳定性和低重量。因此增程式电动汽车之中，发电机的选型原则和驱动电机差不多，永磁同步电机还是最适宜的选择。发电机参数见表1。
3.3 驱动电机
串联混动HEV中，发动机不直接参与车辆驱动，所有工况下都是仅靠驱动电机来驱动车辆。因此，驱动电机性能的优劣直接决定了车辆的动力性，并且对燃油经济性也有很大影响。目前主要驱动电机类型有直流电机、异步交流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机，其中永磁同步电机以其高功率密度，低速大扭矩，高效率，运行稳定可靠，维护简单方便等优点成为目前驱动电机的主流类型。因此本项目选择永磁同步电机作为驱动电机。驱动电机参数见表2。
3.4 动力电池选择
对于混合动力汽车，电池容量越大，汽车的储能能力越强，以纯电动状态行驶的距离越长，但是容量越大，质量、体积越大，反而影响车辆的动力性和车辆的布置。因此，要综合考虑车辆的性能要求和电池比能量、比功率来合理地选择电池。
4 整车性能仿真分析
通过CRUISE软件搭建串联混动HEV仿真模型，在CRUISE软件平台上，将驱动电机系统、动力电池系统、发动机、发电机、传动系统和整车行驶系统等进行搭建，建立各系统的机械、电气和控制连接。仿真所需要的整车参数，见表4。
4.1 串联混动HEV整车动力能分析
动力性是整车性能中重要的指标，通过最高车速、加速时间和最大爬坡度进行评价。表5是仿真结果。
4.2 串联混动HEV整车经济性分析
经济性分析至关重要，国家对油耗有法规方面的明确要求。
第五阶段油耗目标值如表6所示。
2020年以后，油耗测试工况将由NEDC工况改变为WLTC工况，故本文对WLTC工况完成了仿真分析。结果见表7。本文把混动车与燃油车的WLTC油耗仿真结果进行了对比，见表8，可见，混动车在油耗方面优势很明显。
5 总结
后驱串联混动HEV，由于引入了电机、电池等系统，发动机只是用来发电，可以让发动机运行在高效率区，动力系统会有一个比较高的效率，整车会有良好的燃油经济性。通过对发动机、电机、电池参数的合理匹配，在软件中对整车进行了整车性能仿真分析，其结果都达到了设计目标。下一步等样车制造出来后，对实车进行测试，然后与仿真分析结果进行对比。
參考文献：
[1]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2]徐杨.串联混合动力客车参数选择及仿真[J].设计研究，2006（1）.
[3]贾姝超.基于日产e-POWER的串联混合动力系统工况适应性研究[J].2019中国汽车工程学会论文集，2019.
Abstract： Energy saving and new energy vehicle roadmap 2.0 was released， and the State encourages the vigorous development of energy-saving vehicles. Series hybrid HEV has the advantages of low fuel consumption and simple structure. In this paper， based on the prototype of a rear drive series hybrid HEV developed by the company， the parameters of the power system are selected， and the vehicle performance under wltc condition is simulated and analyzed， and compared with the fuel version. The results show that the power system parameter selection of the series hybrid HEV is reasonable， meets the set vehicle performance target， and has obvious fuel consumption advantages compared with the fuel version.
关键词：后驱;联混动;HEV;阿特金森;整车性能
0 引言
在传统汽车向电动汽车的过渡时期，《节能与新能源汽车路线图2.0》发布，国家鼓励节能车大力发展。混合动力汽车一方面能够环保节能，另一方面又避免了传统汽车工业已形成的庞大生产规模和基础设施的浪费。因此，混合动力汽车在我国将有比较长的生命力和应用前景。
串联混动HEV车型，发动机只驱动发电机给电池充电，电动机负责整车行驶，具有良好的燃油经济性。在中国国内汽车市场上还没有此类串联混动HEV销售，上汽通用五菱汽车股份有限公司基于一款后驱纯燃油车，研发了一款后驱串联混动HEV。
1 后驱串联混动HEV动力系统基本结构
串联混动HEV汽车，车辆的驱动力只来源于电机，不同于增程式电动汽车。增程式电动汽车，是在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能，而当车载可充电储能系统无法满足续航里程要辅助供电装置为动力系统提供电能，以延长续航里程的电动汽车，且该车载辅助供电装置与驱动系统没有传动轴等传动联接。
串联混动HEV动力系统结构，由发动机、ISG发电机、驱动电机、电池组成，如图1所示，就是在纯电动汽车的基础上，将大容量电池更换为小容量电池，同时增加发动机和发电机。而发动机仅用于发电，不参与驱动，因此驾驶感受与纯电动类似。前置前置的车型，将发动机、发电机横置。驱动电机也是布置在发动机舱，布置方面比较容易。前置后驱的车型，会将发动机与发电机纵置在发动机舱，将驱动电机与后驱动桥后置用来驱动。
2 串联混动HEV主要工作模式
串联混动HEV主要有三种工作模式：纯电模式，当整车电池SOC值高于某一限定值时，发动机关闭不工作，动力全部由动力电池提供动力;混动模式，当动力电池SOC低于某一限定值时，发动机开启，工作在某一最佳燃油消耗点，输出功率固定，与动力电池一同为整车提供动力;制动能量回馈模式，在制动过程中，制动能量回收为电池充电。
3 串联混动HEV动力系统核心部件参数选择
3.1 发动机选择
阿特金森循环发动机是串联混动HEV动力系统的重要组成部分，在选择时要充分考虑发动机的特性及功率，汽车的爬坡性能和加速性能可以由汽车的最高车速来体现。因此常根据汽车行驶过程中能达到的最高车速来初步选择发动机最大功率，此时最大功率应满足式（1）。
其中Pmax表示车辆以最大车速在平坦路面行驶时所对应的功率;？浊t表示传动效率;m为整车质量;f表示滚动阻力系数;CD表示空气阻力系数;A表示车辆迎风面积;Vmax为最高稳定车速。选用的是四缸2.0L阿特金森循环发动机，最大功率为93kW，最大扭矩为167Nm，最高热效率为39.5%。
3.2 发电机选择
后驱串联混动HEV中，发电机把发动机的机械能转化为电能，给车辆的所有用电器供电，是车辆电能的唯一来源。因此发动机和发电机组成的发电系统的性能和效率优劣直接决定车辆的燃油经济性，同时对车辆动力性也有一定影响。串联式混动的结构决定了发动机大多数时间会运行在最高效率的工况，当车辆需要最大输出功率时，发动机就进入满功率输出工况，因此，匹配的发电机设计要求为：①发电机峰值功率应覆盖发动机性能的峰值输出;②发电机转速范围与发动机转速范围乘传动比后相匹配;③发电机的高效率工作区域与发动机的最高效率区域匹配;④发电机应有优良的NVH性能、高稳定性和低重量。因此增程式电动汽车之中，发电机的选型原则和驱动电机差不多，永磁同步电机还是最适宜的选择。发电机参数见表1。
3.3 驱动电机
串联混动HEV中，发动机不直接参与车辆驱动，所有工况下都是仅靠驱动电机来驱动车辆。因此，驱动电机性能的优劣直接决定了车辆的动力性，并且对燃油经济性也有很大影响。目前主要驱动电机类型有直流电机、异步交流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机，其中永磁同步电机以其高功率密度，低速大扭矩，高效率，运行稳定可靠，维护简单方便等优点成为目前驱动电机的主流类型。因此本项目选择永磁同步电机作为驱动电机。驱动电机参数见表2。
3.4 动力电池选择
对于混合动力汽车，电池容量越大，汽车的储能能力越强，以纯电动状态行驶的距离越长，但是容量越大，质量、体积越大，反而影响车辆的动力性和车辆的布置。因此，要综合考虑车辆的性能要求和电池比能量、比功率来合理地选择电池。
4 整车性能仿真分析
通过CRUISE软件搭建串联混动HEV仿真模型，在CRUISE软件平台上，将驱动电机系统、动力电池系统、发动机、发电机、传动系统和整车行驶系统等进行搭建，建立各系统的机械、电气和控制连接。仿真所需要的整车参数，见表4。
4.1 串联混动HEV整车动力能分析
动力性是整车性能中重要的指标，通过最高车速、加速时间和最大爬坡度进行评价。表5是仿真结果。
4.2 串联混动HEV整车经济性分析
经济性分析至关重要，国家对油耗有法规方面的明确要求。
第五阶段油耗目标值如表6所示。
2020年以后，油耗测试工况将由NEDC工况改变为WLTC工况，故本文对WLTC工况完成了仿真分析。结果见表7。本文把混动车与燃油车的WLTC油耗仿真结果进行了对比，见表8，可见，混动车在油耗方面优势很明显。
5 总结
后驱串联混动HEV，由于引入了电机、电池等系统，发动机只是用来发电，可以让发动机运行在高效率区，动力系统会有一个比较高的效率，整车会有良好的燃油经济性。通过对发动机、电机、电池参数的合理匹配，在软件中对整车进行了整车性能仿真分析，其结果都达到了设计目标。下一步等样车制造出来后，对实车进行测试，然后与仿真分析结果进行对比。
參考文献：
[1]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2]徐杨.串联混合动力客车参数选择及仿真[J].设计研究，2006（1）.
[3]贾姝超.基于日产e-POWER的串联混合动力系统工况适应性研究[J].2019中国汽车工程学会论文集，2019.