并聯式混合動力汽車功率分配與總成設計

郭倉庫 孫亮

【摘要】在原有車型的基礎上通過增減某些部件來實現雙動力源驅動，本文主要研究并聯式混合動力汽車發動機功率、電動機功率、驅動附件功率及變速器、主減速器傳動比的分配與計算問題，并結合實例做了相關計算。

【關鍵詞】混合動力汽車;傳動系統;參數匹配;傳動比分配

能源危機、排放控制不斷地對傳統內燃機提出了新的挑戰，迫使工程師們在完善傳統內燃機的同時，不得不開始研發新的動力裝置。雖然純電動汽車被視為零排放的潔能型動力汽車，但是它受到燃料電池的限制，為了能達到與傳統內燃機的動力性能相近，且排放有進一步的降低的效果，混合動力汽車就應運而生了。

混合動力汽車與傳統內燃機驅動汽車的優越之處在于：（1）當車速低于某一設定汽車車速時，可由電動機單獨驅動，從而避免發動機怠速及低負荷工況，可大大降低排放和提高燃油經濟性，尤其是對于我國大中型城市車流量出現擁堵或是紅燈停車。（2）當車速超過某一設定車速時，電動機停止驅動，改為發動機作為動力源，此外發動機的富裕功率還可通過轉矩合成裝置和發電機轉換為電能，為電池充電，為下次電動驅動儲存能量。（3）當汽車負荷較大時，可由發動機和電動機同時驅動，以滿足汽車高負荷狀況（如汽車加速、爬坡等）。有助于發動機高效率工作。

1.混合動力汽車參數選取

混合動力汽車主要的動力參數有：發動機功率、電動機功率和傳動比分配等，本文主要針對圖1并聯式混合動力汽車布置作動力系統分析與計算。

圖1 并聯式混合動力汽車布置方案

1.1 車輛性能指標

五菱公司某一汽車的具體參數如表1所示：

表1 原車型整車參數

滿載總重（N） 空氣阻力系數 迎風面積（m2） 滾動半徑（m） 滾動阻力系數

15500 0.4 3.162 0.3 0.013

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

1.2 發動機功率

雖然混合動力汽車有雙動力源驅動，但受到電池的限制主要動力源還是發動機，因此發動機功率的選擇對并聯式混合動力汽車的設計至關重要。發動機功率偏大，其燃油經濟性和排放性就差，這樣混合動力汽車的優勢就不明顯，甚至還會造成成本高;功率偏小，在阻力功率不變的情況下，其后備功率就小，電動機需要提供更多的功率才能滿足一定的車輛行駛性能要求，電動機功率大需要的電池數目就增加，車輛的生產成本增加，同時也加大了在有限的空見內布置電池的困難，并且還會限制車輛的續行里程。從并聯式混合動力汽車的特色可知通常由發動機提供車輛平均行駛功率，因此其功率值的選擇主要應考慮車輛巡航行駛時的功率要求，一般按式1-1選取發動機最大功率：

（1-1）

式中：P1max為發動機最大功率，η為傳動系效率，G為整車滿載時總重，f為滾動阻力系數，u為車輛巡航時車速，CD為空氣阻力系數，A為汽車迎風面積。

計算后可得P1max=55kw，但考慮到減少對電機功率的需求，提高發動機的動力性，最終確定發動機功率為60kw。

1.3 電動機功率

首先由于電動機和發動機同時工作來保證車輛行駛最高車速，所以電動機的最大功率應滿足混合動力汽車行駛的最高車速，也就是發動機的最大功率與電動機最大功率之和至少等于混合動力最高車速時所需功率，其表達式為：

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

初步計算的電動機功率為P21=11kw。

其次電動機功率選取還應滿足純電動驅動時的兩個條件：即純電動驅動時的車速和爬坡度。

純電動驅動時車速為20 km/h，其所需功率為：

用公式（1-1）計算得P22=1.4kw。

純電動驅動時爬坡度要求20%，車速為5 km/h，所需功率為：

（1-3）

用公式（1-2）計算得P23=4.9kw。

綜合P21 、P22 、P23 選取三者中的最大值為11kw，同時考慮到混合動力汽車的驅動附件所需要的功率，最終選定電動機功率為15kw，電動機Y160M2-2具體參數如表2：

表2 電動機Y160M2-2具體參數

額定功率（kw） 額定轉速（r/min） 最大轉矩與額定轉矩之比

15 2930 2.3

1.4 主減速器傳動比選取

圖2為一汽車的功率平衡圖，其中。

圖2 不同時汽車功率平衡圖

由圖2可以看出，當車輛高速行駛時可以滿足，但低速行駛時后備功率顯得有些不足;當時，車輛低速時具有較大的后備功率，但滿足不了高速行駛的要求，只有將電動機功率選大，所帶來的后果是電池組要有更大的容量，綜合考慮選擇較為理想。

依據混合動力汽車最高車速時發動機最大功率計算：

（1-4）

為發動機發出最大扭矩時的汽車車速，為最高檔動力因數，選定為0.08。

由式1-4得主減速器傳動比為5.83。

1.5 變速器各擋傳動比的選擇

傳動系的擋位數與汽車的動力性、燃油經濟性有著密切的關系。就動力性而言，擋位數多，增加了發動機發揮最大功率附近高功率的機會，提高了汽車的加速和爬坡能力。就燃油經濟性而言，擋位越多，增加了發動機在低燃油消耗區工作的可能性，降低了油耗。但擋位數越多，增加了變速箱的復雜程度，增加汽車制造成本，應根據不同的車型及用途選取擋位數。擋位數的多少還影響到擋與擋之間傳動比比值，比值過大會造成換擋困難，一般比值不應超過1.7-1.8。

1.5.1 最小傳動比的計算

汽車在最高擋（超速擋）時即最小傳動比時可以達到要求的最高車速，因此最小傳動比可以根據最高車速來選定：

（1-5）

可得：

1.5.2 最大傳動比的計算

傳動系最大傳動比主要是根據發動機單獨驅動時的最大爬坡度，也就是說發動機的最大驅動力應大于等于車輛上坡時的車輪滾動阻力和坡度阻力，亦即變速器一擋傳動比應滿足下式：

（1-6）

可得：

1.5.3 各擋傳動比的計算

按等比級數分配傳動比的變速器，能使發動機經常在接近外特性最大功率處的大功率范圍內運轉，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數分配，應注意的是較高擋位相鄰兩擋間的傳動比的間隔應盡量小些，因為汽車主要用較高擋位行駛。

本例中采用等比級數分配各擋傳動比，其具體值如下：

另外要考慮到并聯式混合動力汽車在低速（傳動系的前兩個擋）行駛時用電動機驅動，所要求的是20 km/h的車速和20%的爬坡能力，1擋、2擋傳動比需要滿足以下兩個式子：

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，傳動系各擋傳動比分配合理。

1.6 仿真與結果分析

圖3 CYC-UDDS道路循環

圖4 蓄電池的SOC值

圖5 發動機的實際輸出轉速

圖6 發動機實際輸出轉矩

圖7 電動機輸出的輔助扭矩

圖8 混合汽車的動力排放

2.結論

混合動力汽車比常規汽車確實有優勢，有很大的市場發展潛力，尤其是在燃油經濟性和排放方面。本文試結合一實例簡述了并聯式混合動力汽車的參數總成及設計計算，同時又驗證了傳動系傳動比分配的合理性。

參考文獻

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作者簡介：郭倉庫（1985—），男，河南柘城人，助教，研究方向：汽車檢測與維修技術。