一種混合動力汽車動力系統(tǒng)匹配計算

王俊顏，劉 濤，李 洋

（煙臺南山學(xué)院 工學(xué)院，山東 煙臺 265713）

1 背景介紹

隨著我國內(nèi)燃機汽車保有量不斷遞增，化石資源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重等問題，成為我國汽車行業(yè)發(fā)展所面臨的重大危機。同時我國大力提倡節(jié)能環(huán)保，促進(jìn)了汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)向清潔低碳化轉(zhuǎn)型，燃油經(jīng)濟性改善研究已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一[1-2]。

傳統(tǒng)汽車為了滿足汽車的動力性能，在運行狀態(tài)下，發(fā)動機后備功率較大。這就使得在一般情況下，汽車燃油經(jīng)濟性較低；在城市工況下，車輛制動頻繁，制動消耗的能量甚至能夠達(dá)到總驅(qū)動能量的 50%。混合動力汽車，可通過電機與內(nèi)燃機的耦合驅(qū)動，滿足動力性要求的同時，實現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟性；同時車輛再生制動可最大限度的回收制動能量[3-4]。

本文研究，保留傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)的前提下，在驅(qū)動橋末端增加行星輪系式輪邊減速器和驅(qū)動、發(fā)電電機，滿足汽車動力性要求的同時，減少發(fā)動機后備功率，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的；同時，再生制動技術(shù)進(jìn)行汽車制動能回收，提升車輛能量利用率、增加車輛續(xù)航里程。

2 動力傳動系統(tǒng)設(shè)計

如圖 1所示，通常模式下，發(fā)動機動力輸出通過 4主減速器、差速器驅(qū)動車輪。此時，2、3左、右驅(qū)動、發(fā)電電機不進(jìn)行驅(qū)動，只進(jìn)行制動能量回收。汽車急加速情況下，2、3左、右驅(qū)動電機進(jìn)行驅(qū)動，輔助發(fā)動機提供動力。制動情況下，2、3左、右發(fā)電電機優(yōu)先進(jìn)行方向發(fā)電，回收制動能量。

圖1 動力傳動系統(tǒng)

2.1 汽車峰值功率的計算

本文研究基于傳統(tǒng)的燃油車進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)行動力系統(tǒng)參數(shù)匹配計算，整車參數(shù)如表1所示。

表1 汽車主要參數(shù)

汽車所需最大功率（峰值功率）Pemax由汽車以最高速度行駛時所需功率Pm1，汽車以最大坡度爬坡時所需功率Pm2，汽車以最大加速度加速時所需功率Pm3確定，即需要滿足式（1）。

式中，f為滾動阻力系數(shù)，取 0.015；ηt為傳動效率，取0.92；vf為加速后車速，取60 km/h；tα為預(yù)期加速時間，取5 s；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1.085。

把表1中汽車主要參數(shù)，帶入式（2）—式（4）中，求得Pm1=44.52 kW，Pm2=25.95 kW，Pm3=192.24 kW。

通過計算可知，汽車普通狀態(tài)行駛時所需的最大功率較小，傳統(tǒng)汽車發(fā)動機最大功率主要用在加速情況下，這就造成了一般工況行駛時后備功率較大，不利于汽車經(jīng)濟性。因此，本文在汽車車輪處采用輪邊電機驅(qū)動。

2.2 內(nèi)燃機參數(shù)的確定

內(nèi)燃機工作應(yīng)能驅(qū)動基本要求，根據(jù)式（2）—式（4）計算得，內(nèi)燃機最大功率應(yīng)大于44.52 kW。

混合動力汽車內(nèi)燃機應(yīng)滿足體積小、質(zhì)量輕、性能高、成本低等特性[5]。按照本文計算結(jié)果，所得內(nèi)燃機參數(shù)如表2所示。

表2 內(nèi)燃機參數(shù)

2.3 驅(qū)動電機主要參數(shù)的確定

本設(shè)計驅(qū)動電機采用永磁同步電動機，其特點主要包括體積小、重量輕、啟動速度快、過載能力強。永磁同步電機功率因數(shù)高、響應(yīng)速度快以及抗干擾能力強等優(yōu)點應(yīng)用到純電動汽車上，可以有效地節(jié)約動能，提高再生制動能量回收效率[6]。根據(jù)內(nèi)燃機計算的功率，以及式（1）的要求，驅(qū)動電機峰值功率Pemax計算可得70.12 kW。

電機額定功率為

式中，Pe為電機額定功率；λ為電機過載系數(shù)，取1.6。計算可得Pe為43.83 kW。

驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速越大，動力性能會越好，但會使制造難度增大，制造成本增加，同時機械損失增大，能量利用率變差[7]。一般情況下，電機轉(zhuǎn)速要滿足設(shè)計要求，選取應(yīng)適宜，本文取驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速nmax6 000 r/min。

電機額定轉(zhuǎn)速為

式中，ne為電機額定轉(zhuǎn)速；nmax為電機最高轉(zhuǎn)速；β為擴大恒功率區(qū)系數(shù)，取β=2[5]，通過式（6）可以求得電機額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

驅(qū)動電機的額定扭矩為

求得驅(qū)動電機的額定扭矩為239 Nm，綜上，電機參數(shù)如表3所示。

表3 電機主要參數(shù)

3 動力學(xué)仿真分析

如圖2所示，⑨為城市-郊區(qū)工況下，車速隨時間的變化曲線；⑩為在此工況下，混合動力汽車所需的功率變化。從計算數(shù)據(jù)可以看出，在⑨所示城市-郊區(qū)工況下，汽車所需的最大功率處在A點38.84 kW，可見發(fā)動機的額定功率足以滿足工況下的要求。

圖2 城市-郊區(qū)工況及汽車所需功率

如圖 3所示，①、②、③、④表示汽車車速從0 km/h到60 km/h，加速時間為5 s、6 s、7 s、8 s時，汽車所需的功率；⑤、⑥、⑦、⑧為在對應(yīng)狀態(tài)下，電動機需要提供的功率。

圖3 汽車加速-功率圖

通過仿真計算可知汽車車速從 0 km/h到60 km/h，加速時間為 5 s時汽車所需最大功率192.24 kW，每個電動機需提供的最大功率68.12 kW，符合設(shè)計的要求。

4 制動能量回收仿真

汽車制動能量回收需要保證汽車正常制動狀態(tài)不受影響。因此，在制動能量回收時，需考慮車輛制動力分配，在所需制動力較小的情況下，優(yōu)先考慮再生制動，不足制動力由制動器提供；當(dāng)所需制動力較大時，則必須完全利用機械制動，以確保制動效果達(dá)到安全運行要求[8-10]。

當(dāng)汽車制動踏板作用時，將這一部分動能通過能量回收裝置轉(zhuǎn)換為電能，并儲存在電池中，當(dāng)汽車加速的工況下，動力蓄電池中的電能再轉(zhuǎn)換為汽車行駛所需要的動能。減少了能量的損失，從而實現(xiàn)了能量的再次利用。

本設(shè)計發(fā)動機的額定功率為45 kW。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，一般城市-郊區(qū)路況下，發(fā)動機功率滿足要求。現(xiàn)假設(shè)額定功率是發(fā)動機效率最高，在城市-郊區(qū)路況狀態(tài)下，可以把發(fā)動機的后備功率用于驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，進(jìn)行電能回收。

假設(shè)汽車制動時 50%的動能用于外界阻力的消耗，50%的能量用于制動能回收。?為在城市-郊區(qū)工況下，汽車制動時理論上可以回收的能量；?為在發(fā)動機額定功率下，發(fā)動機滿足行駛需求后，后備功率與可制動回收功率的和。

圖4 能量回收圖

本次設(shè)計汽車在制動過程中，均為勻減速，一個城市-郊區(qū)過程求得制動時回收的電能為0.395 kW·h，發(fā)動機可回收的后備電能為11.79 kW·h。通過分析可知，相比于制動能回收，混合動力汽車中內(nèi)燃機后備功率的回收更有回收價值。

5 小結(jié)

本文從汽車發(fā)動機后備功率利用率入手，分析了一種混合動力汽車的主要參數(shù)，利用電機與內(nèi)燃機的功率耦合，在滿足汽車動力性要求的前提下，減少內(nèi)燃機的運行功率，同時進(jìn)行內(nèi)燃機后備功率的回收和汽車制動能的回收。通過計算仿真表明，本設(shè)計可滿足汽車行駛的要求，同時可最大限度的進(jìn)行能量回收，達(dá)到節(jié)能減排的目的，具有一定的研究意義。