混合动力汽车动力系统选配分析

AutoEngineer-47-2010(7)技术聚焦FOCUSFeature汽车的产生和发展极大地影响了人们的生活方式和社会生产方式，针对目前汽车工业发展所引发的环境及资源问题，必须开发更节能、更环保和使用替代能源的先进技术，解决传统汽车所带来的问题，必须满足：减少能源消耗，降低成本，提高可靠性；减少或杜绝有害物质的排放；降低体积质量，减少阻力，提高整车及零部件性能，提高舒适性、安全性和机动性的要求[1]。混合动力汽车可以满足对汽车动力性的要求，且易于改进，目前成为具有实用价值的新技术。1混合动力轿车动力总成方案初步分析采用同轴并联方式，初步考虑2种可选方案：1）采用离合器实现发动机与电机的结合与分离；2）采用行星轮机构作为动力复合装置。具体实施需要进一步考虑设计、制造、空间布置及动作过程控制等因素。经过调研分析，发现采用双离合器方案适合本车型，其中发动机与电机分离和复合的装置采用单向离合器。混合动力轿车整车技术方案，如图1所示。ԧү఻ႃູଣऐүҧႃ෉ጸ˟ѓᤴ٨ᢼᣃႃ఻ԫᤴኸሏՌ٨үҧᏹՌᜉᎶᡔᡕሏՌ٨+GE+HC图1混合动力轿车整车技术方案2电机选型Plug—inHEV电机的选型原则为：1）高性能、低自重和小尺寸；2）在较宽的转速范围内有较高的效率；3）电磁辐射尽量小；4）成本低；5）维护方便。另外，对电机的选用还应综合考虑其控制系统的特点，要求尽可能实现双向控制，对制动能量可以回收[2]。根据我国城市工况和相关标准，在设计Plug—in刘文华杨金星李辉（武汉理工大学汽车工程学院）摘要：随着全球石油资源短缺，全球环境恶化给我们带来的生活压力越来越大，混合动力汽车可以有效地改善日益加剧的环境问题。文章在某车型的基础上，根据汽车行驶要求和理论，先确定动力总成方案，然后对混合动力汽车的电机、电池和传动比进行了精确地计算和选型分析。选定的动力系统总成能够满足混合动力汽车的各项动力性能要求，指出基于原车的动力系统选型能够保证混合动力汽车动力性要求，而且易于改进。关键词：混合动力汽车；电机；电池AnalysisonPowerSystemsSelectionofPlug-inHybridElectricVehicleAbstract:Withtheglobaloilshortageandthelifepressurebroughtbyenvironmentaldegradationintheworld,plug-inhybridelectricvehiclecanimprovetheenvironmentalproblemseffectively.Basedonvehicledrivingrequirementsandtheory,thepowerassemblyprojectisdetermined,andtheprecisecalculationandselectinganalysisofplug-inhybridelectricvehicle'smotor,batteriesandtransmissionratioisconducted.Theselectedpowersystemsmeetthedynamicperformancerequirementsofplug-inhybridelectricvehicle.Itisindicatedthatthepowersystemselectionbasedontheoriginalvehiclecanensurethedynamicperformanceoftheplug-inhybridelectricvehicle,andeasytomakeimprovements.Keywords:Plug-inhybridelectricvehicle;Motor;Battery混合动力汽车动力系统选型分析AutoEngineer-48-2010年7月技术聚焦FOCUS技术看点HEV纯电动模式下的常规车速为40km/h，最高车速设计为75km/h。电动汽车整车动力性能指标中最高车速对应的是电机的额定功率；最大爬坡度和全力加速时间对应的则是电动的峰值功率。在纯电动模式下对爬坡度不做要求，所以在设计最大功率时，是以全力加速时间来确定的[3]。2.1确定电机额定功率根据最高车速计算电机功率时不考虑加速阻力和坡道阻力，电机功率PN应满足：2dmaxNmaxTCAu1Pmgfu360021.15η⋅⋅=⋅⋅⋅+⋅（1）式中：PN——电机输出功率，kW，ηT——传动系效率，取0.85；m——最大车重，取1725kg；f——滚动摩擦系数，取0.02；Cd——风阻系数，取0.29；A——车辆迎风面积，取2.49m2；umax——最高车速，取75km/h。得出在纯电动模式最高车速时，电机输出功率为13.16kW。电机的最大功率可以由式（2）计算得出：maxPPλ=×乱（2）式中：Pmax——电机峰值功率，kW；P额——电机额定功率，取13.16kW；λ——电机过载系数，λ＞2。根据式（2）可以粗略计算出所用电机的最大功率，其数值应大于26.32kW，所以初步假设电机的最大功率为30kW。2.2电机额定转速和转速的选择一般来说，额定功率相同的电机其额定转速越高，体积越小，质量越小，造价越低；而且电机功率恒定时，随着电机额定转速和最高转速的增加，电机的最大转矩将减小，从而避免造成转矩过大的不利影响，选择高速电机比较有利。当电机转速超过一定程度后，其转矩降低幅度明显减小，导致电机及减速装置的成本增加。电机转速的选择要考虑负载的要求，还要兼顾电机与传动机构的经济性等因素。综合上述因素，根据车用驱动电机的特点并参考原车发动机的最大转速5700r/min，选定电机的额定转速为1800r/min，最高转速为6000r/min。电机额定转矩和最大转矩由式（3）和式（4）计算得出：max95509550PTnPTn×=×=乱乱乱ዄ乱式中：P额——电机的额定功率，取13.16kW；P峰——电机的峰值功率，取30kW；T额——电机的额定转矩，N·m；Tmax——电机的最大转矩，N·m；n额——电机的额定转速，r/min。算出电机的最大转矩为：Tmax=159.2N·m，额定转矩为：T额=69.8N·m。通过计算得到的电机计算参数和确定型号电机的实际参数，如表1所示。表1电机计算与实际参数项目永磁同步电机　计算参数实际参数峰值功率/kW3030最大转矩/（N·m）159.2160最大转速/（r/min）60006000额定功率/kW13.1614.6额定转矩/（N·m）69.869.8额定转速/（r/min）180018003电池参数设计纯电动平均车速设定为40km/h，良好平直路面，根据公式可计算出此时电机输出功率PM为5.1kW。初步设定电机效率为0.89，控制器效率为0.91，总效率（η）为0.81。则电池输出功率应为：MbP=×ηP，得电池的输出功率为6.3kW。电池携带的额定总能量为：uW0SPtPbb×=×=式中：S——等速40km/h的续驶里程，取50km；u——车辆等速运行速度，取40km/h；W0——电池额定总容量，kW·h。可以求得电池额定总能量为7.88kW·h。考虑到电机外电压，初步选择电池端电压为320V，则电池的额定容量Qm满足：emUWQ0=式中：Qm——电池的额定容量，A·h；Ue——电池端电压，取320V。电池的额定容量为24.6A·h。若用11A·h和3.2V锂电池，则需要串联的电池组为：320/3.2=100组；需要并联的电池数为：24.6/11=2.2组，取2组；电池携带的额定容量为：Qm=2×1=2A·h；则电池需要携（3）（4）AutoEngineer-49-第7期技术聚焦FOCUSFeature带的总能量为：kW·hUQWem04.7320220=×==。综上所述，初选电池组合方式为11A·h电池2并、104串，容量为7.04kW·h。如果电池能够在30%SOC时且5C（电池放电倍率）放电维持20s以上，可以配合24.6kW（由7.04kW×5×0.7计算得到，0.7的修正系数是对电机效率和电池在倍率放电下电压平台变化的初步修正）峰值功率的驱动电机，如果能够6C放电，所配合电机的峰值功率可以达到29.6kW，所用电池组能满足电机的要求。4传动速比的选择4.1最小传动速比的选择传动系最小传动比是变速器最高挡的传动比与主减速器速比的乘积。最小传动比的imin应从满足汽车行驶最高车速的要求出发：maxmaxmin0.377rnui××=式中：umax——汽车的最高车速，取170km/h；r——汽车车轮滚动半径，取0.29m；nmax——最高转速，取6000r/min。因为Plug—inHEV是发动机和电机一起驱动的，最高转速的选择取发动机和电机两者之间的最大值6000r/min。通过计算得出：满足最高车速不低于170km/h，传动系的最小传动比为imin≤3.859。采用原车主减速器，主减速器速比为i0=4.052。那么，变速器最高挡的速比为i5≤0.952。用matalab进行仿真，得到最小传动比、转速和最高车速的关系，如图2所示。




త࠵͜үඋᣁᤴ SNJOతܸᢼᤴ LNI图2最小传动比、转速和最高车速的关系图4.2最大传动速比的选择确定传动系最大传动比时，应考虑2个方面的问题：最大爬坡度以及地面附着率。最大传动比是1挡的传动比与主减速器速比的乘积。maxmaxmaxmax(cossin)TrimgfmgTααη式中：imax——最大传动比；ηT——传动系效率，取0.85；Tmax——最大扭矩，取220N·m；αmax——最大爬坡角，取16.7°。通过计算可以得出：imax≥8.2。主减速器速比为i0=4.052，所以i1≥2.03。用matalab进行仿真，得到最大传动比、最大爬坡度和最大转矩的关系，如图3所示。తܸ͜үඋྔڹए cతܸੵᅾ /eN图3最大传动比、最大爬坡度和最大转矩的关系图参考原车的变速器，选取其各挡位的变速比，如表2所示。表2变速器各挡变速比挡位变速比挡位变速比1挡3.8534挡0.9762挡1.9475挡0.8043挡1.3436挡3.4165结论文章中的Plug—inHEV采用单向离合器动力分配装置的双离合器方案，整车的动力系统采用同轴并联型的布置形式。在原车型和汽车理论的基础上，初步设计了混合动力汽车动力系统各重要部件的参数。动力系统并联的混合动力汽车所选取的电机和发动机的各项参数应进行计算匹配，以保证汽车的稳定性。在此基础上进行的变速器选型要实现混合动力汽车应具备的最高车速和爬坡能力。参考文献[1]廖承林，张俊智．混合动力轿车动力总成控制系统的研发[J]．汽车工程，2006（5）：1-2．[2]何洪文，祝嘉光，李剑．混合动力电动汽车技术发展与现状[J]．车辆与动力技术，2004（2）：13-15．[3]张雄飞，何天明．新型混合动力汽车（PHEV）技术简介[J]．城市车辆，2008（8）：46-48．[4]余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2009：2-17．（收稿日期：2010-03-15）