新型两轴驱动混合动力汽车动力系统设计

郑晨飞, 田韶鹏

(1. 武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430070; 2. 武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心, 湖北 武汉 430070)

迫于化石燃料逐步减少和环境污染日益严重的共同压力,各国车企、高校以及研究机构都对新能源汽车的设计与研发投入了大量的时间和精力,在大家的共同努力下也取得了一定的研究成果[1].由于受到市场、技术条件以及其他因素的影响,混合动力汽车目前最贴近市场需求,是传统燃油车到纯电动汽车的一个非常重要的过渡阶段,也是世界各国研究的热点.混合动力汽车依照动力的分布方式主要分为并联式混合动力系统、串联式混合动力系统和混联式混合动力系统3种,不同的动力分布形式都各有自己的技术特点[2].

笔者结合混合动力汽车常见的3种动力分布形式,利用一款国产燃油车作为研究设计平台,提出1种新型两轴驱动的混合动力系统结构,并借用AVL-Cruise软件对新型的两轴混合动力驱动系统在燃油经济性和动力性上进行仿真分析.

1 新型两轴驱动系统的结构

为了较明显地体现出该新型两轴驱动混合动力汽车的特点与性能优势,该整车动力系统保留了原车的发动机以及整套变速传动系统来驱动前桥;而后桥由电动机驱动.该动力系统拥有前后2个相对独立的动力源,可以实现两驱模式,同时在特定的情况也可以实现四驱模式.该新型两轴驱动混合动力汽车的结构如图1所示,前桥动力总成由发动机、5挡变速箱和主减速组成,保持了原车前置前驱的动力分布结构，电动机以及主减速器等构成了后驱动桥.同时车辆还配有HCU整车控制器,用来管理整车的控制策略,决定车辆的行驶模式.

图1 新型两轴驱动混合动力汽车结构图

2 整车动力系统的设计

2.1 目标平台车的情况

选取了一款国产燃油车作为设计基础,并保留了原有的动力总成,其参数如下:整车整备质量为1 400 kg,车轮滚动半径为0.299 m,迎风面积为2.496 m2,传动效率为0.92,风阻系数为0.392,旋转质量换算系数为1.12,滚动阻力系数为0.015,前轴主减速比为5.125;该车搭载1台1.2 L排量的直列4缸发动机,最低转速为750 r·min-1,最大功率为63 kW(6 000 r·min-1),最大转矩为108 N·m(4 800 r·min-1),同时该车还匹配了1台5速手动变速箱,其各挡位速比为1挡3.500,2挡2.043,3挡1.383,4挡1.000,5挡0.806.

2.2 后桥的动力参数匹配

动力系统是影响汽车性能的关键要素.在本设计中前后拥有2个相对独立的动力源,由整车控制器调节各动力源工作在高效区,避开低效区,使2个动力源协调配合达到最优控制[3].在对该车的动力系统部件进行分析的基础上,利用汽车动力学理论,对后桥驱动系统进行参数匹配,选取合适的电动机、电池,并对车辆的工作模式进行分析研究[4].混合动力汽车驱动电动机的匹配与整车控制策略有关，当混合动力汽车在市区行驶时,行驶工况固定[5]，依据标准循环工况进行功率需求分析,根据汽车行驶功率分布,确定最佳低速纯电动驱动的车速和电动机功率[6].

车辆在城市道路上行驶时,一般车速较低，维持在30 km·h-1,因此在整车控制策略下设定,当车速低于30 km·h-1时,主要由电动机驱动.为了保证车辆在纯电动模式下具有一定的通过性能,设计车辆能以20 km·h-1的速度通过20%的坡度.依据以上2个性能指标确定电动机参数如下.

1) 依据车辆纯电动模式下的最高车速计算电动机功率:

(1)

式中:P1为电动机功率,kW;vmax为纯电动模式下的最高车速,取35 km·h-1;ηt为传动效率;m为整车质量,kg;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;CD为风阻系数;A为迎风面积,m2.

2) 依据纯电动模式下的最大爬坡度计算电动机功率:

(2)

式中:P2为电动机的最大功率,kW;vi为纯电动模式最大爬坡度下的最小稳定车速,取20 km·h-1;αmax为纯电动模式下的最大爬坡度,取20%.

电动机功率要满足最高车速性能,也要满足一定的爬坡性能,所以电动机峰值功率Pm选择如下:

Pm≥{P1,P2}.

(3)

最后确定选取额定功率为11 kW的永磁直流无刷电动机,其具体参数:额定功率为11 kW;最大功率为27 kW;最大转矩为170 N·m;最高转速为6 000 r·min-1;额定电压为312 V.

2.3 动力电池参数的匹配

动力电池对纯电动行驶模式是非常重要的动力源,车辆的续驶里程取决于动力电池容量的大小,同时电池的额定电压也对电动机的性能有一定的影响[7].但是对于该新型两轴驱动混合动力汽车来说,电动机大部分情况下都只作为辅助驱动,只有在低速情况下才作为主要的驱动力,下面计算车辆以30 km·h-1在城市道路行驶的情况.

当车辆在城市道路匀速行驶时所需的功率为

(4)

式中:P3为车辆匀速行驶时的电动机功率,kW;vc为城市道路匀速行驶车速,取30 km·h-1.

车辆匀速行驶所需消耗的能量为

(5)

式中:t为时间,h;s为车辆匀速行驶路程,km.

为了尽可能延长动力电池的寿命,避免电池出现过充过放行为,将电池的起始放电SOC(state of charge)设定为90%,终止放电的SOC设定为20%.

车载电池拥有的总能量[8]为

W=UCZ-1,

(6)

式中:U为动力电池组的标称电压,V;C为动力电池组的总容量,A·h;Z为换算系数,取1 000.

则电池组的容量满足下式：

W×70%≥W1.

(7)

于是初步估计该动力电池组的总容量为16 A·h,标称电压为312 V.

3 整车控制策略的设计

为了使发动机和电动机高效工作,提高能量利用率，设计了4种工作模式:纯电动模式、发动机模式、电动机辅助驱动模式和制动能量回收模式.

纯电动模式:在起步阶段,使用电动机起步,充分发挥电动机在短时间内低速高转矩的特点,避免发动机的怠速工况,降低排放;当车辆行驶在市区道路时,需频繁制动加速,车速一般维持在30 km·h-1,此时发动机关闭,电动机单独驱动,避免了发动机工作在低效区.纯电动模式下,动力电池作为唯一的动力源为电动机提供能量驱动后桥,而HCU整车控制器控制发动机不工作,前桥为从动桥.

发动机模式:发动机模式一般用在市郊或高速路况下,发动机正好工作在低燃油消耗区.当车辆运行在高速工况时,HCU整车控制器控制发动机单独驱动,动力经过离合器、变速箱、主减速器、差速器传递给前轮,此时前轴为驱动轴，而电动机处于空转状态,后轮为从动轮.但当整车控制器检测到电池的SOC值低于设定的终止放电值时,为了尽可能地延长动力电池组的寿命,依然由发动机单独驱动.

电动机辅助驱动模式:当车辆行驶在爬坡或加速工况时,需求的驱动力矩可能非常大,即使此时发动机仍然可以提供较大的转矩,但是发动机的工作点会严重偏离发动机的高效区,燃油消耗率大大升高,排放也远远超过要求.当整车控制器检测到这种情况时,会控制发动机依然高效地工作,剩余的转矩由电动机提供,驱动电动机作为辅助动力参与工作.电动机辅助驱动模式下,前后桥都作为驱动桥,并在整车控制器的协调下,实现前后牵引力的耦合,充分发挥2套动力系统的特性.在发动机高效工作的同时,也提高发动机的燃料利用率和车辆的动力性能.

制动能量回收模式:当控制器接收到制动信号时,能够通过后桥电动机回收制动时的能量,将机械能转化为电能储存在蓄电池里,这样不仅提供了制动力矩,又提高了能量的利用率.

4 整车性能仿真分析

4.1 动力性能

建立的仿真模型如图2所示.依据汽车理论,最高车速、加速时间、最大爬坡度是评价车辆动力性能的重要指标[9].原车及新型两轴驱动混合动力汽车的加速性能分别如图3,4所示.新型两轴驱动混合动力汽车0-100 km·h-1的加速时间为14.48 s,而原车0-100 km·h-1的加速时间为20.35 s,100 km加速性能提高了28.85%;新型两轴驱动混合动力汽车50-100 km·h-1加速时间为9.50 s,而原车50-100 km·h-1的加速时间为13.93 s;原车的最高车速为150 km·h-1,而新型两轴驱动混合动力汽车的最高车速可以达到170 km·h-1.

图2 整车仿真模型

图3 原车加速性能曲线

图4 混合动力汽车加速性能曲线

原车满载爬坡性能如图5所示.由仿真数据得出新型两轴驱动混合动力汽车的爬坡性能如图6所示.

从图5,6可以看出:新型两轴驱动混合动力汽车较原车在爬坡性能上提升了36.88%;原车的最大爬坡度为31.42%,而新型两轴驱动混合动力汽车的最大爬坡度可以达到43.01%.

图5 原车满载爬坡性能曲线

图6 混合动力汽车满载爬坡性能曲线

综合图3-6可以看出,新型两轴驱动混合动力汽车的动力性能相比原车有很大的提升.

4.2 燃油经济性

汽车的燃油经济性是在不牺牲汽车动力性的条件下,车辆经济行驶的能力.车辆的燃油经济性好,能够降低石油的使用量、节约资源、减少污染物的排放,有利于保护生态环境;同时也能够降低车辆的使用费用.

同样燃油经济性也是衡量混合动力汽车节油减排的重要指标之一,城市道路工况复杂多变需要频繁更换车辆的行驶状态,因此理想的等速行驶工况不能反映在实际道路上的运行情况.新欧洲循环工况NEDC如图7所示,包括市区运转循环ECE15和市郊运转循环EUDC,非常贴近车辆在城市道路上的实际运行工况.

图7 NEDC循环工况图

为了便于对经济性进行评价,利用有油电转化法[10]将耗电量转化为耗油量,电消耗量和燃料消耗量的换算关系[11-12]为

(8)

式中:Vf为等效的燃油循环量,L;Ek为测试中的电量消耗量,kW·h;ρf为燃油密度,g·cm-3;Qfl为燃料燃烧的低热值,J·g-1;ηe为发电工况下,发动机的平均工作效率;ηg为发电工况下,发电机的平均工作效率.

NEDC工况下的耗油量和耗电量如表1所示.

表1 NEDC工况下的耗油量和耗电量

从表1可以看出,新型两轴驱动混合动力汽车与原车车相比100 km油耗降低10.58%,说明新型两轴驱动混合动力汽车比传统燃油乘用车更适合在城市道路上行驶.

循环工况下电池的SOC曲线如图8所示,电池的起始SOC值为60%,循环结束SOC值为57%,整个循环下电池的SOC值趋于平衡,也进一步说明了所设计的整车控制策略适用于该新型两轴驱动混合动力系统.

图8 循环工况下电池的SOC变化曲线

5 结 论

以某国产品牌车为平台设计的新型两轴驱动混合动力汽车,在不改变原车整体结构的前提下,在后桥上加装了1套电动机驱动系统,然后经过整车控制器的管理将前后桥2套相对独立的动力驱动系统实现耦合,充分发挥出各自动力系统的特性.最后由AVL-Cruise的仿真数据得出,新型两轴驱动混合动力汽车在燃油经济性方面比原车降低10.58%,在动力性方面也有较大提升,验证了该新型两轴驱动混合动力系统的合理性.

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