并联式混合动力汽车功率分配与总成设计

2014-04-29郭仓库孙亮

电子世界 2014年15期

郭仓库孙亮

【摘要】在原有车型的基础上通过增减某些部件来实现双动力源驱动，本文主要研究并联式混合动力汽车发动机功率、电动机功率、驱动附件功率及变速器、主减速器传动比的分配与计算问题，并结合实例做了相关计算。

【关键词】混合动力汽车;传动系统;参数匹配;传动比分配

能源危机、排放控制不断地对传统内燃机提出了新的挑战，迫使工程师们在完善传统内燃机的同时，不得不开始研发新的动力装置。虽然纯电动汽车被视为零排放的洁能型动力汽车，但是它受到燃料电池的限制，为了能达到与传统内燃机的动力性能相近，且排放有进一步的降低的效果，混合动力汽车就应运而生了。

混合动力汽车与传统内燃机驱动汽车的优越之处在于：（1）当车速低于某一设定汽车车速时，可由电动机单独驱动，从而避免发动机怠速及低负荷工况，可大大降低排放和提高燃油经濟性，尤其是对于我国大中型城市车流量出现拥堵或是红灯停车。（2）当车速超过某一设定车速时，电动机停止驱动，改为发动机作为动力源，此外发动机的富裕功率还可通过转矩合成装置和发电机转换为电能，为电池充电，为下次电动驱动储存能量。（3）当汽车负荷较大时，可由发动机和电动机同时驱动，以满足汽车高负荷状况（如汽车加速、爬坡等）。有助于发动机高效率工作。

1.混合动力汽车参数选取

混合动力汽车主要的动力参数有：发动机功率、电动机功率和传动比分配等，本文主要针对图1并联式混合动力汽车布置作动力系统分析与计算。

图1 并联式混合动力汽车布置方案

1.1 车辆性能指标

五菱公司某一汽车的具体参数如表1所示：

表1 原车型整车参数

满载总重（N）空气阻力系数迎风面积（m2）滚动半径（m）滚动阻力系数

15500 0.4 3.162 0.3 0.013

按照项目要求，初步确定主要性能指标如下：（1）巡航车速：135km/h;（2）最大车速150km/h;（3）最大爬坡度：30%（4）纯电动匀速20km/h，最大爬坡度20%，爬坡车速5km/h。

1.2 发动机功率

虽然混合动力汽车有双动力源驱动，但受到电池的限制主要动力源还是发动机，因此发动机功率的选择对并联式混合动力汽车的设计至关重要。发动机功率偏大，其燃油经济性和排放性就差，这样混合动力汽车的优势就不明显，甚至还会造成成本高;功率偏小，在阻力功率不变的情况下，其后备功率就小，电动机需要提供更多的功率才能满足一定的车辆行驶性能要求，电动机功率大需要的电池数目就增加，车辆的生产成本增加，同时也加大了在有限的空见内布置电池的困难，并且还会限制车辆的续行里程。从并联式混合动力汽车的特色可知通常由发动机提供车辆平均行驶功率，因此其功率值的选择主要应考虑车辆巡航行驶时的功率要求，一般按式1-1选取发动机最大功率：

（1-1）

式中：P1max为发动机最大功率，η为传动系效率，G为整车满载时总重，f为滚动阻力系数，u为车辆巡航时车速，CD为空气阻力系数，A为汽车迎风面积。

计算后可得P1max=55kw，但考虑到减少对电机功率的需求，提高发动机的动力性，最终确定发动机功率为60kw。

1.3 电动机功率

首先由于电动机和发动机同时工作来保证车辆行驶最高车速，所以电动机的最大功率应满足混合动力汽车行驶的最高车速，也就是发动机的最大功率与电动机最大功率之和至少等于混合动力最高车速时所需功率，其表达式为：

P1max+P2max≥Pmax （1-2）

初步计算的电动机功率为P21=11kw。

其次电动机功率选取还应满足纯电动驱动时的两个条件：即纯电动驱动时的车速和爬坡度。

纯电动驱动时车速为20 km/h，其所需功率为：

用公式（1-1）计算得P22=1.4kw。

纯电动驱动时爬坡度要求20%，车速为5 km/h，所需功率为：

（1-3）

用公式（1-2）计算得P23=4.9kw。

综合P21 、P22 、P23 选取三者中的最大值为11kw，同时考虑到混合动力汽车的驱动附件所需要的功率，最终选定电动机功率为15kw，电动机Y160M2-2具体参数如表2：

表2 电动机Y160M2-2具体参数

额定功率（kw）额定转速（r/min）最大转矩与额定转矩之比

15 2930 2.3

1.4 主减速器传动比选取

图2为一汽车的功率平衡图，其中。

图2 不同时汽车功率平衡图

由图2可以看出，当车辆高速行驶时可以满足，但低速行驶时后备功率显得有些不足;当时，车辆低速时具有较大的后备功率，但满足不了高速行驶的要求，只有将电动机功率选大，所带来的后果是电池组要有更大的容量，综合考虑选择较为理想。

依据混合动力汽车最高车速时发动机最大功率计算：

（1-4）

为发动机发出最大扭矩时的汽车车速，为最高档动力因数，选定为0.08。

由式1-4得主减速器传动比为5.83。

1.5 变速器各挡传动比的选择

传动系的挡位数与汽车的动力性、燃油经济性有着密切的关系。就动力性而言，挡位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了汽车的加速和爬坡能力。就燃油经济性而言，挡位越多，增加了发动机在低燃油消耗区工作的可能性，降低了油耗。但挡位数越多，增加了变速箱的复杂程度，增加汽车制造成本，应根据不同的车型及用途选取挡位数。挡位数的多少还影响到挡与挡之间传动比比值，比值过大会造成换挡困难，一般比值不应超过1.7-1.8。

1.5.1 最小传动比的计算

汽车在最高挡（超速挡）时即最小传动比时可以达到要求的最高车速，因此最小传动比可以根据最高车速来选定：

（1-5）

可得：

1.5.2 最大传动比的计算

传动系最大传动比主要是根据发动机单独驱动时的最大爬坡度，也就是说发动机的最大驱动力应大于等于车辆上坡时的车轮滚动阻力和坡度阻力，亦即变速器一挡传动比应满足下式：

（1-6）

可得：

1.5.3 各挡传动比的计算

按等比级数分配传动比的变速器，能使发动机经常在接近外特性最大功率处的大功率范围内运转，从而增加了汽车的后备功率，提高了汽车的加速或是上坡能力。

若是不能满足等比级数分配，应注意的是较高挡位相邻两挡间的传动比的间隔应尽量小些，因为汽车主要用较高挡位行驶。

本例中采用等比级数分配各挡传动比，其具体值如下：