基于混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性研究

丁衛(wèi)臣 王強(qiáng) 杜建輝 張清官

摘 要：隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，能源問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題的出現(xiàn)，人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，使得汽車(chē)生產(chǎn)商越來(lái)越重視新型汽車(chē)的開(kāi)發(fā)。目前世界各國(guó)都加大了對(duì)節(jié)能低排高效能汽車(chē)的研發(fā)力度，新能源汽車(chē)主要包括純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)，其中混合動(dòng)力汽車(chē)同時(shí)具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的良好動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性新高的優(yōu)點(diǎn)。本文將從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性

作為汽車(chē)生產(chǎn)商而言優(yōu)化自身產(chǎn)品是生存和發(fā)展所必需的，怎樣使用戶的汽車(chē)更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能同時(shí)不失強(qiáng)勁的動(dòng)力是汽車(chē)研發(fā)人員的主要目標(biāo)。而混合動(dòng)力汽車(chē)便是其中研究方向之一?，F(xiàn)在我們針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行探討。

1 關(guān)于國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力汽車(chē)

2011年豐田公司最早開(kāi)發(fā)了Prius插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。在德國(guó)，寶馬公司在i系列汽車(chē)運(yùn)用了混合動(dòng)力，使得寶馬汽車(chē)邁向新能源的大門(mén)。寶馬i8由1.5升的三缸渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)組成器動(dòng)力系統(tǒng)。其發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率為70kW，最大輸出扭矩力為320N·m，而電動(dòng)機(jī)最大輸出功率為96kW，最大扭矩我250N·m，兩者同時(shí)運(yùn)行時(shí)最大可產(chǎn)生266kW的輸出功率和570N·m的最大輸出扭矩。且百公里耗油僅2.5升。在純電力驅(qū)動(dòng)模式下，寶馬i8續(xù)航里程為35km，最高時(shí)速可達(dá)120km/h。我國(guó)政府也十分重視混合動(dòng)力汽車(chē)在中國(guó)的發(fā)展，很多自主品牌也研發(fā)了混合動(dòng)力汽車(chē)。例如上海一汽生產(chǎn)的榮威500、大眾自主開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力車(chē)型XL1等等。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性研究

汽車(chē)的最高車(chē)速、加速時(shí)間和最大爬坡度是評(píng)定一輛傳統(tǒng)動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性能的標(biāo)準(zhǔn)。而混合動(dòng)力汽車(chē)同時(shí)具備大功率電動(dòng)機(jī)和大容量?jī)?chǔ)能裝置，在超車(chē)、拖載或爬坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，同時(shí)輸出峰值功率以獲得足夠大的加速度，滿足車(chē)輛在特定工況下的動(dòng)力需求。

混合動(dòng)力汽車(chē)在動(dòng)力匹配上，通過(guò)將發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)動(dòng)力參數(shù)、傳動(dòng)速比及主減速比進(jìn)行合理匹配，并對(duì)兩套動(dòng)力源運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)定，以達(dá)到最優(yōu)的整車(chē)性能，在滿足動(dòng)力需求的前提下提高整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與傳統(tǒng)汽車(chē)相同：最高車(chē)速、加速時(shí)間和最大爬坡度。

根據(jù)汽車(chē)?yán)碚撥?chē)輛驅(qū)動(dòng)力Ft=mgsina+mgfcosa+v+δm×，其中f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；a為坡度角；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車(chē)速；m為車(chē)質(zhì)量；δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

表2-1為某品牌混動(dòng)系列產(chǎn)品的整車(chē)參數(shù)，為下述動(dòng)力性演算提供參考數(shù)據(jù)：

表2-1 整車(chē)參數(shù)表

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][總質(zhì)量（kg）

傳動(dòng)效率（%）

迎風(fēng)面積（m2）

發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)][1715

90

2.4][整備質(zhì)量（kg）

風(fēng)阻系數(shù)

車(chē)輪滾動(dòng)半徑（m）][1200

0.36

0.289][（49kW/6000r/min，82N·m/4500～5000r/min）/

（5.5kW/2200r/min，56.4N·m/2200r/min）]

結(jié)合上表參數(shù)，采用汽車(chē)?yán)碚摴β势胶夤接?jì)算如下：

Pt=（mgsina+mgfcosa+v+δm）

式中，Pt為車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪處的驅(qū)動(dòng)率，等同行駛過(guò)程中各阻功率大小之和。

考慮整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)效率，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)需要提供的總功率P為：

P=Pt/η=（mg sina+mgf cos a+v+δm）

通過(guò)上述公式對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行分析，得到整車(chē)動(dòng)力性曲線圖如下：

驅(qū)動(dòng)力-車(chē)速圖 加速時(shí)間 爬坡度圖

由上可知合理的設(shè)定整車(chē)動(dòng)力性參數(shù)，并通過(guò)理論計(jì)算分析來(lái)合理的選型混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力源及傳動(dòng)系統(tǒng)，是混動(dòng)車(chē)型動(dòng)力性預(yù)研分析的有效方法。

在汽車(chē)市場(chǎng)已經(jīng)投產(chǎn)的混合動(dòng)力車(chē)型，擁有十分良好的動(dòng)力性能：最高車(chē)速可達(dá)180公里/小時(shí)，百公里加速時(shí)間在10秒左右，最大爬坡度在30%左右。

3 混合動(dòng)力汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性研究

混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)生的目的是較少能源消耗，傳統(tǒng)汽車(chē)有動(dòng)力性好、 使用方便的優(yōu)點(diǎn)?？蓚鹘y(tǒng)汽車(chē)存在熱效率不高和環(huán)境污染等問(wèn)題，尤其是在保證高動(dòng)力性的條件下傳統(tǒng)汽車(chē)會(huì)設(shè)置較大的車(chē)輛單位質(zhì)量功率，但在一般情況下汽車(chē)使用的都是中、低負(fù)荷工況，不僅熱效率不高并且存在嚴(yán)重的污染問(wèn)題。下面我們就混合動(dòng)力汽車(chē)在節(jié)能經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行初步的研究。

傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)行駛時(shí)，汽車(chē)的啟動(dòng)在消耗相當(dāng)大能量的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較高的排放，在汽車(chē)被迫停車(chē)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)立即熄火，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)噴少量的油來(lái)維持發(fā)動(dòng)機(jī)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)，在城市道路中多次的停車(chē)制動(dòng)過(guò)程中會(huì)消耗大量的能量?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)就很好的解決了這一問(wèn)題，它將能量和功率分開(kāi)管理，在減速停車(chē)時(shí)，可將制動(dòng)能量回收，同時(shí)怠速狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)藏起來(lái)，在必要時(shí)作為驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力。

混合動(dòng)力汽車(chē)在動(dòng)力分配上也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)控制汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源達(dá)到提高能源的利用率。在交通擁擠、時(shí)走時(shí)停的情況下，僅使用電力驅(qū)動(dòng)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)閉時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)完全意義上的節(jié)油，在電機(jī)不能滿足動(dòng)力需求的情況下可切換為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)控制動(dòng)力來(lái)源的工作策略可以使經(jīng)濟(jì)性提高5%—10%。

目前電動(dòng)機(jī)的效率大概在90%—95%，驅(qū)動(dòng)效率在80%—85%，蓄電池的能量效率為55%—75%?；旌蟿?dòng)力車(chē)型通過(guò)儲(chǔ)能裝置能量的釋放增加車(chē)輛的續(xù)航里程，以降低單位里程的燃油消耗。同時(shí)通過(guò)雙模切換，將制動(dòng)能量、怠速能量及時(shí)回收存儲(chǔ)，避開(kāi)不適合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的工況，綜合多方面考慮，降低車(chē)輛使用過(guò)程中的能量浪費(fèi)。

在仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果下，實(shí)驗(yàn)得到混合動(dòng)力樣車(chē)百公里耗油為5L，相比較傳統(tǒng)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性提高了37%，因此混合動(dòng)力汽車(chē)具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。

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作者簡(jiǎn)介：丁衛(wèi)臣，1982.04.02，畢業(yè)學(xué)校：太原科技大學(xué)。