插电式混合动力车动力系统匹配计算

张恒先 周之光 景枫 王庆来

奇瑞汽车股份有限公司动力总成技术中心 安徽省芜湖市 241000

1 引言

插电式混合动力车（PHEV）是由传统内燃机和电力驱动系统所组成的混合驱动系统。与传统汽车相比，在改善燃油经济性和减少废气排放、提高公交车的动力性能和续航里程等方面取得了很大成功。本文以动力性设计要求为依据，在汽车动力学基础上针对PHEV动力系统的匹配计算进行动力参数匹配设计。

2 发动机选择

首先，表1给出了部分关于插电式混合动力车的整车参数。

表1 整车参数

根据设计要求，以最高车速为基准，由公式（1）计算最大功率。

高速工况下工作时，公交车仅靠发动机驱动，由于发动机存在功率损失，并且当开启空压机、转向泵及空调时产生功率负载，选择标定功率为155kW、标定转速为2300r/min的210马力的直列水冷六缸发动机。

3 电机匹配

以混合动力系统配置形式及其控制策略为依据，同时分析电机参数对汽车发动机和整车动力的性能影响，对电机形式及性能参数进行匹配[1]。

由于插电混动车辆电机仅限于低速和加速情况下工作，故需使得电机功率满足最大爬坡度以及加速时功率时的功率要求。

3.1 选择最高车速功率

混动公交车最常行驶工况为水平道路，故需使电机额定功率满足以纯电动运行于水平道路上的的最高车速的要求。当混动车在纯电动模式下工作时，且行驶在良好的道路面上，对其最高车速的要求为50km/h，故以公式（2）作为电机此时计算额定功率的依据。

3.2 选择爬坡功率

最大爬坡度是指车辆行驶在良好道路上，并且在满载情况下，以第一档动力爬坡，能够爬上的最大坡度的角度。另外，为了保证正常运行，还应该是的公交车电机的功率在纯电动低速工况下，20%的爬坡度要求。以本文选择的车辆控制策略为依据，该状况下仅限于电机工作，故以公式（3）作为计算电机峰值的功率公式。

3.3 选择电机扭矩

由于国内现阶段在高速区对永磁同步电机的恒功率控制具有相当的难度。故电机连续工作状态下，最高转速取值且一般情况下，电机扩大恒功率区系数（电机最高转速/额定转速）取值范围为2.5-5，本文以2.5进行设计。于是电机连续工作的额定转速由于电机额定扭矩为瞬时驱动最大爬坡度要求的电机峰值扭矩以公式（4）获取：

故电机额定功率取值50kW，峰值功率取值100kW，电压取值AC（300-410）V，额定扭矩取值1400r/min ，额定转速取值340N⋅m，最高转速取值3500r/min ，峰值扭矩取值680N⋅m。

4 选择传动比

作为主减速比，i0首先需满足最高车速要求，进而使公交车达到在最高车速工作状况下，依然能够使用发动机的经济区间（1300-1700）r/min，因此，主减速比的约束条件设定为公式（5）[2-3]。

4.1 选择主减速比

其中：r代表轮胎滚动半径；

nemax代表发动机最高转速；

nep代表发动机最大输出功率点所对应的发动机转速。

根据已知数据可知3.679 ≤i0≤6.509。

在此速比范围内，考虑司机驾驶习惯，选用速比为4.3的HDZ450单级减速13T驱动桥。

4.2 选择变速箱传动比

在某公司选用的210马力发动机情况下，由于其发动机功率较大，所以，在选择传动系统的最大传动比过程中，首先考虑仅纯发动机工作时，车辆能够连续爬上的最大爬坡度的要求。如果低速工况，仅限于电机独立驱动，选择最大传动比时，需要考虑车辆在纯电机工作情况下的爬坡需求，并且有着充分盈余扭矩使得爬坡加速，此时由公式（6）计算。

式中：Temax表示在纯电模式下，低速爬坡时电机的最大扭矩。

本文所选210马力发动机的功率大于实际需求，由于控制策略中要求最小传动比必须满足最高车速，此外还需考虑发动机在经济区域内进行工作，所以，为了能够提高汽车在最高档位行进过程中使发动机负荷率满足要求，在进行最小速比选取设计时可以按照车辆最高车速等于或者略微小于发动机最大功率点所对应的车速进行。应满足公式（7）。

由此可知，变速箱的传动比必须满足itmin≤1.514和itmax≥7.738。

根据上述计算结果，选定一款九挡变速箱，共九个档位，次低挡传动比为8.08，最高挡传动比为1，额定转速2600r/min，额定输入功率220kW，额定输入扭矩1190N⋅m。

5 确定动力电池参数

5.1 连续运行额定功率计算

计算动力电池连续运行的额定功率，首先应使其满足牵引电机和发动机等其它辅机连续功率的要求。对于能力维持型的并联混合动力车，要求其在长时间的稳定运行前后动力电池的SOC保持不变，或变化很小（ΔSOC＜0.05）。此外，不同厂家的动力电池的SOC最佳工作范围有所不同，但一般SOC在0.6-0.8范围内，动力电池组的内阻最小，效率最高[4]。

发动机其他辅机主要考虑电动助力转向泵和电动空压机，辅机共需要消耗功率P_aec=12kW，则保证动力电池连续运行的额定功率为：

当SOC为0.6-0.8时，其峰值功率需要达到牵引电机峰值功率的要求和发动机的辅机系统消耗功率的要求，即：

5.2 动力电池峰值功率

5.3 动力电池容量和能量

动力电池的容量由设计要求决定。根据设计要求，车在纯电动运行模式下，按40km/h匀速行驶里程不小于30km。一般情况下，动力电池放电SOC的下限取20%。按照控制策略不同，纯电动状态下分两种情况进行分析：

（1）纯电动模式下发动机不工作，空压机和助力转向泵仅由电机驱动。当该混动车直线行驶时，如果助力转向泵的功率消耗减小到1kW，则辅机系统共消耗功率按Paec=7kW计算，则：

式中：E—动力电池标称电压，取E=346V。

根据计算结果，选取动力电池的容量为120A.h。此时，动力电池的总能量为：

WB1=120×346=41.52kW.h

（2）纯电动模式下发动机继续运行，驱动助力转向泵和空压机，此时不考虑辅机系统消耗的功率，则：

根据计算结果，选取动力电池的容量为100A.h。此时，动力电池的总能量为：

WB2=100×346=34.6kW.h

5.4 动力电池质量

设计过程中，要选用比能量较高的锂离子动力电池。本设计选用的动力电池比能量We=69W.h/kg，满足要求的动力电池质量为：

6 结语

本文以动力性指标为设计依据，理论与实践相结合，对插电混动车动力系统关键部件进行了选择与匹配。并详细说明了动力总成部件选择参数的原则以及过程和方法，文中针对这些过程和方法分别阐述了各部件参数的计算公式，并对其主要参数给予确定。