混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)*

宮喚春 宋志遠(yuǎn)

（1.中汽中心汽車工程研究院；2.河北東方學(xué)院；3.燕京理工學(xué)院）

混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)直接影響著汽車的性能，是混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。目前混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)主要是針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行，由于沒有考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配問題，使得設(shè)計(jì)精度受到影響。文章以某并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，以汽車動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能要求為參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系仿真所需的參數(shù)，然后進(jìn)行合理的參數(shù)匹配，優(yōu)化設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)的各連接部件。

1 整車參數(shù)和設(shè)計(jì)要求

通過對(duì)原型車各個(gè)參數(shù)的分析及選擇合適的參數(shù)進(jìn)行修改，來進(jìn)行優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。

表1 示出發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為JL475Q3 的某混動(dòng)車的主要參數(shù)[1]。

表1 某混動(dòng)車的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)表

1.1 設(shè)計(jì)要求

在汽車原有性能基本參數(shù)保持不變的條件下，最大限度地降低燃油消耗率。表2 示出某混動(dòng)原型車主要性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。

表2 某混動(dòng)車主要性能設(shè)計(jì)指標(biāo)表

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

汽車動(dòng)力性最主要的3 個(gè)參數(shù)分別為[2]：最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。根據(jù)表1 和表2 所選用的車輛參數(shù)以及性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，將數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算其動(dòng)力性能指標(biāo)。

式中：Pmax——混合動(dòng)力汽車最大功率，kW；

m——汽車總質(zhì)量，根據(jù)原型車的空載裝備質(zhì)量1 450 kg 計(jì)算；

g——重力加速度，g=9.8 N/kg；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)，f=0.012 5；

CD——空氣阻力系數(shù)，CD=0.32；

A——迎風(fēng)面積，A=2.28 m2；

ηT——傳動(dòng)效率，ηT=0.9；

umax——最高車速，umax=160 km/h。

通過計(jì)算得到，Pmax=54.65 kW。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇[3-4]。汽車以巡航速度行駛時(shí)的功率的計(jì)算，如式（2）所示。

式中：Pc——僅有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的功率，kW；

uc——巡航速度，此處為80 km/h。

通過式（2）計(jì)算，Pc=10.52 kW。在經(jīng)濟(jì)行駛功率的計(jì)算中，當(dāng)巡航速度較高時(shí)，需要考慮1%～2%的爬升功率余量和發(fā)動(dòng)機(jī)附件（特別是空調(diào)）消耗的功率。最大功率為51 kW 的混動(dòng)原型車配置1.0 L 發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線，如圖1 所示。

圖1 某混動(dòng)原型車1.0 L 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線圖

1.4 電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.4.1 電動(dòng)機(jī)特性分析

電動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的2 個(gè)核心動(dòng)力部件之一，其運(yùn)行特性對(duì)汽車的性能具有重要影響?；旌蟿?dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，如圖2 所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)有2 個(gè)工作范圍，具有恒定的扭矩和功率。它以低于額定轉(zhuǎn)速（Nm（rr/min））的恒轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)行，并且在額定轉(zhuǎn)速Nmr上具有恒定功率，以恒功率模式工作。相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)有[5]：Nmr，最大轉(zhuǎn)速（Nmax/（r/min）），額定功率（Pm/kW），最大轉(zhuǎn)矩（Tmax/N·m）和額定轉(zhuǎn)矩（Tmr/N·m）。

圖2 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率特性圖

1.4.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇

電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速會(huì)影響額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)矩間有一定的關(guān)系[6]。β 是恒定功率區(qū)系數(shù)，β 值越大，最大轉(zhuǎn)速反而越低，并且較大的值會(huì)使汽車更加容易啟動(dòng)，加速和穩(wěn)定性能也較好。通過選擇高速電動(dòng)機(jī)來降低額定轉(zhuǎn)矩，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速超過16 000 r/min 時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小量變得更?。ㄌ貏e是當(dāng)β 值較小時(shí)）。此外，β 值的增加也增加了驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩和變速器的負(fù)載。因此，需要協(xié)調(diào)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和β 值。目前，通常優(yōu)先選擇中速和高速電動(dòng)機(jī)（最大轉(zhuǎn)速在 9 000 和 13 000 r/min），并且 β 通常選擇范圍為 4～6。

1.4.3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定

把額定功率、額定轉(zhuǎn)速及最大功率分別代入式（3）和式（4）中，可計(jì)算出額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。

式中：P'max——電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的最大功率，kW。

1.5 電池組參數(shù)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車常用電池為鎳氫電池，當(dāng)其處于不完全放電或充電狀態(tài)時(shí)，對(duì)電池的壽命有較大的影響。因此，行車時(shí)合理地回收汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量給車載電池充電，對(duì)延長混合動(dòng)力汽車?yán)m(xù)駛里程是非常有利的。電池參數(shù)主要由能量需求和功率需求2 個(gè)因素決定。電池必須能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率要求，而電池的容量必須與汽車的純電力行駛里程需要的能量相近。因此，文章中的電池系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括電池的電壓，電池的功率和電池的容量的設(shè)計(jì)。

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2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

在傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)比非常關(guān)鍵，在很大程度上會(huì)影響動(dòng)力源的工作狀態(tài)。在選擇傳動(dòng)比時(shí)，動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性是必不可少的考慮因素。

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)最小傳動(dòng)比

當(dāng)汽車以最高車速行駛時(shí)，剛好對(duì)應(yīng)最小傳動(dòng)比imin，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于最高穩(wěn)定速度狀況，imin的計(jì)算，如式（5）所示。

式中：Nmax——最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，Nmax=6 000 r/min；

r——車輪滾動(dòng)半徑，mm。

imin取不同值時(shí)的汽車功率平衡圖，如圖3 所示。

圖3 不同最小傳動(dòng)比時(shí)的汽車功率平衡圖

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)比

當(dāng)汽車達(dá)到最大爬坡度時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)系傳動(dòng)比為最大傳動(dòng)比（imax）。

1）純電動(dòng)模式下的最大爬坡度為30%，最大傳動(dòng)比 imin的計(jì)算，如式（6）所示。

式中：T——純電動(dòng)模式下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，N·m；

當(dāng) T=139.20 N·m 時(shí)，imin≥11.22。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下的最大爬坡度為30%，最大傳動(dòng)比（i'max）的計(jì)算，如式（7）所示。

式中：T'——發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，N·m；

當(dāng) T'=90 N·m 時(shí)，i'max≥17.36。

3 混合動(dòng)力車輛傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算分析

當(dāng)確定了混合動(dòng)力汽車電動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式和各部件參數(shù)后，在滿足性能要求的條件下，控制發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間合理有效的能量分配。車輛控制系統(tǒng)是汽車的“大腦”，能夠協(xié)調(diào)各種系統(tǒng)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性和駕駛平順性之間的最佳平衡。為了達(dá)到上述目標(biāo)，就需要精準(zhǔn)地控制汽車能量的使用，再生制動(dòng)回收的能量能夠提供電量，減少油耗以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少污染排放。

發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況隨汽車復(fù)雜的行駛工況變化而變化。發(fā)動(dòng)機(jī)并不總是工作在高效率區(qū)間，大多數(shù)時(shí)間都是在低效率區(qū)工作，但是混合動(dòng)力汽車可以使用電機(jī)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)低效率工作的時(shí)間，從而可以降低油耗和減少排放。圖4 示出發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗曲線。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率曲線圖

從圖4 可以看出，在不同的載荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線所對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)是不同的，在這條曲線上的點(diǎn)就是其最佳工作點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性較好的工況主要處于中等負(fù)荷及中等轉(zhuǎn)速運(yùn)行中。圖4 的曲線上面存在的一些小負(fù)荷判斷點(diǎn)，應(yīng)使燃油消耗率一直低于小負(fù)荷判斷點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的燃油消耗率，借此來提升汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域的劃分，如圖5 所示。從圖5 可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)開始進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)超過電動(dòng)機(jī)的最大功率時(shí)由兩者一起驅(qū)動(dòng)。若發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃料消耗率高于所需功率，電動(dòng)機(jī)是發(fā)電狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷將會(huì)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在最佳曲線上運(yùn)轉(zhuǎn)。如果剩余電池的電量低，發(fā)動(dòng)機(jī)開啟并且汽車所需要的電能在行駛過程中獲取，將會(huì)利用發(fā)動(dòng)機(jī)多余的輸出功率來進(jìn)行發(fā)電，使電機(jī)有足夠的電量。圖6 示出電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)等效率曲面圖。

圖5 混動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域的劃分圖

圖6 混動(dòng)汽車電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)等效率曲面圖

圖6 中粗實(shí)線表示優(yōu)化過后的電動(dòng)狀態(tài)效率工作曲線，即電機(jī)輸出在曲線上是恒定的，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)于最高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率和電能利用效率。發(fā)動(dòng)機(jī)的有效運(yùn)行需要電機(jī)與其相對(duì)應(yīng)，使它在相對(duì)較高的工作點(diǎn)高效率地運(yùn)行。首先，根據(jù)工況確定電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，然后采用最高功率轉(zhuǎn)換效率原理控制發(fā)動(dòng)機(jī)在高效工作區(qū)內(nèi)，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)的2 條高效優(yōu)化工作曲線附近運(yùn)行。

4 結(jié)論

文章以某并聯(lián)式混合動(dòng)力原型車為研究對(duì)象，對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，通過分析該車發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，做出汽車萬有特性曲線以及電動(dòng)機(jī)效率脈譜圖，得出混合動(dòng)力汽車高效工作區(qū)域的主要參數(shù)特性，為優(yōu)化混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。利用文章參數(shù)匹配設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，可以使得混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳狀態(tài)，確保汽車高效率運(yùn)行。