并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車功率分配與總成設(shè)計(jì)

郭倉(cāng)庫(kù) 孫亮

【摘要】在原有車型的基礎(chǔ)上通過(guò)增減某些部件來(lái)實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，本文主要研究并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電動(dòng)機(jī)功率、驅(qū)動(dòng)附件功率及變速器、主減速器傳動(dòng)比的分配與計(jì)算問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)例做了相關(guān)計(jì)算。

【關(guān)鍵詞】混合動(dòng)力汽車;傳動(dòng)系統(tǒng);參數(shù)匹配;傳動(dòng)比分配

能源危機(jī)、排放控制不斷地對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)提出了新的挑戰(zhàn)，迫使工程師們?cè)谕晟苽鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的同時(shí)，不得不開(kāi)始研發(fā)新的動(dòng)力裝置。雖然純電動(dòng)汽車被視為零排放的潔能型動(dòng)力汽車，但是它受到燃料電池的限制，為了能達(dá)到與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能相近，且排放有進(jìn)一步的降低的效果，混合動(dòng)力汽車就應(yīng)運(yùn)而生了。

混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的優(yōu)越之處在于：（1）當(dāng)車速低于某一設(shè)定汽車車速時(shí)，可由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，從而避免發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及低負(fù)荷工況，可大大降低排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性，尤其是對(duì)于我國(guó)大中型城市車流量出現(xiàn)擁堵或是紅燈停車。（2）當(dāng)車速超過(guò)某一設(shè)定車速時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，改為發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，此外發(fā)動(dòng)機(jī)的富裕功率還可通過(guò)轉(zhuǎn)矩合成裝置和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，為電池充電，為下次電動(dòng)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)存能量。（3）當(dāng)汽車負(fù)荷較大時(shí)，可由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，以滿足汽車高負(fù)荷狀況（如汽車加速、爬坡等）。有助于發(fā)動(dòng)機(jī)高效率工作。

1.混合動(dòng)力汽車參數(shù)選取

混合動(dòng)力汽車主要的動(dòng)力參數(shù)有：發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電動(dòng)機(jī)功率和傳動(dòng)比分配等，本文主要針對(duì)圖1并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車布置作動(dòng)力系統(tǒng)分析與計(jì)算。

圖1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車布置方案

1.1 車輛性能指標(biāo)

五菱公司某一汽車的具體參數(shù)如表1所示：

表1 原車型整車參數(shù)

滿載總重（N） 空氣阻力系數(shù) 迎風(fēng)面積（m2） 滾動(dòng)半徑（m） 滾動(dòng)阻力系數(shù)

15500 0.4 3.162 0.3 0.013

按照項(xiàng)目要求，初步確定主要性能指標(biāo)如下：（1）巡航車速：135km/h;（2）最大車速150km/h;（3）最大爬坡度：30%（4）純電動(dòng)勻速20km/h，最大爬坡度20%，爬坡車速5km/h。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率

雖然混合動(dòng)力汽車有雙動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，但受到電池的限制主要?jiǎng)恿υ催€是發(fā)動(dòng)機(jī)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。發(fā)動(dòng)機(jī)功率偏大，其燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性就差，這樣混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢(shì)就不明顯，甚至還會(huì)造成成本高;功率偏小，在阻力功率不變的情況下，其后備功率就小，電動(dòng)機(jī)需要提供更多的功率才能滿足一定的車輛行駛性能要求，電動(dòng)機(jī)功率大需要的電池?cái)?shù)目就增加，車輛的生產(chǎn)成本增加，同時(shí)也加大了在有限的空見(jiàn)內(nèi)布置電池的困難，并且還會(huì)限制車輛的續(xù)行里程。從并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的特色可知通常由發(fā)動(dòng)機(jī)提供車輛平均行駛功率，因此其功率值的選擇主要應(yīng)考慮車輛巡航行駛時(shí)的功率要求，一般按式1-1選取發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率：

（1-1）

式中：P1max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，η為傳動(dòng)系效率，G為整車滿載時(shí)總重，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，u為車輛巡航時(shí)車速，CD為空氣阻力系數(shù)，A為汽車迎風(fēng)面積。

計(jì)算后可得P1max=55kw，但考慮到減少對(duì)電機(jī)功率的需求，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率為60kw。

1.3 電動(dòng)機(jī)功率

首先由于電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作來(lái)保證車輛行駛最高車速，所以電動(dòng)機(jī)的最大功率應(yīng)滿足混合動(dòng)力汽車行駛的最高車速，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率與電動(dòng)機(jī)最大功率之和至少等于混合動(dòng)力最高車速時(shí)所需功率，其表達(dá)式為：

P1max+P2max≥Pmax ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1-2）

初步計(jì)算的電動(dòng)機(jī)功率為P21=11kw。

其次電動(dòng)機(jī)功率選取還應(yīng)滿足純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)的兩個(gè)條件：即純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)的車速和爬坡度。

純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)車速為20 km/h，其所需功率為：

用公式（1-1）計(jì)算得P22=1.4kw。

純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)爬坡度要求20%，車速為5 km/h，所需功率為：

（1-3）

用公式（1-2）計(jì)算得P23=4.9kw。

綜合P21 、P22 、P23 選取三者中的最大值為11kw，同時(shí)考慮到混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)附件所需要的功率，最終選定電動(dòng)機(jī)功率為15kw，電動(dòng)機(jī)Y160M2-2具體參數(shù)如表2：

表2 電動(dòng)機(jī)Y160M2-2具體參數(shù)

額定功率（kw） 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比

15 2930 2.3

1.4 主減速器傳動(dòng)比選取

圖2為一汽車的功率平衡圖，其中。

圖2 不同時(shí)汽車功率平衡圖

由圖2可以看出，當(dāng)車輛高速行駛時(shí)可以滿足，但低速行駛時(shí)后備功率顯得有些不足;當(dāng)時(shí)，車輛低速時(shí)具有較大的后備功率，但滿足不了高速行駛的要求，只有將電動(dòng)機(jī)功率選大，所帶來(lái)的后果是電池組要有更大的容量，綜合考慮選擇較為理想。

依據(jù)混合動(dòng)力汽車最高車速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率計(jì)算：

（1-4）

為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出最大扭矩時(shí)的汽車車速，為最高檔動(dòng)力因數(shù)，選定為0.08。

由式1-4得主減速器傳動(dòng)比為5.83。

1.5 變速器各擋傳動(dòng)比的選擇

傳動(dòng)系的擋位數(shù)與汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性有著密切的關(guān)系。就動(dòng)力性而言，擋位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會(huì)，提高了汽車的加速和爬坡能力。就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，擋位越多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在低燃油消耗區(qū)工作的可能性，降低了油耗。但擋位數(shù)越多，增加了變速箱的復(fù)雜程度，增加汽車制造成本，應(yīng)根據(jù)不同的車型及用途選取擋位數(shù)。擋位數(shù)的多少還影響到擋與擋之間傳動(dòng)比比值，比值過(guò)大會(huì)造成換擋困難，一般比值不應(yīng)超過(guò)1.7-1.8。

1.5.1 最小傳動(dòng)比的計(jì)算

汽車在最高擋（超速擋）時(shí)即最小傳動(dòng)比時(shí)可以達(dá)到要求的最高車速，因此最小傳動(dòng)比可以根據(jù)最高車速來(lái)選定：

（1-5）

可得：

1.5.2 最大傳動(dòng)比的計(jì)算

傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比主要是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的最大爬坡度，也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于等于車輛上坡時(shí)的車輪滾動(dòng)阻力和坡度阻力，亦即變速器一擋傳動(dòng)比應(yīng)滿足下式：

（1-6）

可得：

1.5.3 各擋傳動(dòng)比的計(jì)算

按等比級(jí)數(shù)分配傳動(dòng)比的變速器，能使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在接近外特性最大功率處的大功率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而增加了汽車的后備功率，提高了汽車的加速或是上坡能力。

若是不能滿足等比級(jí)數(shù)分配，應(yīng)注意的是較高擋位相鄰兩擋間的傳動(dòng)比的間隔應(yīng)盡量小些，因?yàn)槠囍饕幂^高擋位行駛。

本例中采用等比級(jí)數(shù)分配各擋傳動(dòng)比，其具體值如下：

另外要考慮到并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在低速（傳動(dòng)系的前兩個(gè)擋）行駛時(shí)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所要求的是20 km/h的車速和20%的爬坡能力，1擋、2擋傳動(dòng)比需要滿足以下兩個(gè)式子：

a.20%的爬坡

由公式1-6可以求得：

b.20 km/h

由公式1-5求得：

綜上所述，傳動(dòng)系各擋傳動(dòng)比分配合理。

1.6 仿真與結(jié)果分析

圖3 CYC-UDDS道路循環(huán)

圖4 蓄電池的SOC值

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩

圖7 電動(dòng)機(jī)輸出的輔助扭矩

圖8 混合汽車的動(dòng)力排放

2.結(jié)論

混合動(dòng)力汽車比常規(guī)汽車確實(shí)有優(yōu)勢(shì)，有很大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，尤其是在燃油?jīng)濟(jì)性和排放方面。本文試結(jié)合一實(shí)例簡(jiǎn)述了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的參數(shù)總成及設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)又驗(yàn)證了傳動(dòng)系傳動(dòng)比分配的合理性。

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作者簡(jiǎn)介：郭倉(cāng)庫(kù)（1985—），男，河南柘城人，助教，研究方向：汽車檢測(cè)與維修技術(shù)。