一种混合动力汽车动力系统匹配计算

王俊颜，刘 涛，李 洋

（烟台南山学院 工学院，山东 烟台 265713）

1 背景介绍

随着我国内燃机汽车保有量不断递增，化石资源短缺、环境污染日益严重等问题，成为我国汽车行业发展所面临的重大危机。同时我国大力提倡节能环保，促进了汽车产业技术向清洁低碳化转型，燃油经济性改善研究已成为汽车产业发展的重要方向之一[1-2]。

传统汽车为了满足汽车的动力性能，在运行状态下，发动机后备功率较大。这就使得在一般情况下，汽车燃油经济性较低；在城市工况下，车辆制动频繁，制动消耗的能量甚至能够达到总驱动能量的 50%。混合动力汽车，可通过电机与内燃机的耦合驱动，满足动力性要求的同时，实现最优的经济性；同时车辆再生制动可最大限度的回收制动能量[3-4]。

本文研究，保留传统动力传动系统的前提下，在驱动桥末端增加行星轮系式轮边减速器和驱动、发电电机，满足汽车动力性要求的同时，减少发动机后备功率，从而达到节能减排的目的；同时，再生制动技术进行汽车制动能回收，提升车辆能量利用率、增加车辆续航里程。

2 动力传动系统设计

如图 1所示，通常模式下，发动机动力输出通过 4主减速器、差速器驱动车轮。此时，2、3左、右驱动、发电电机不进行驱动，只进行制动能量回收。汽车急加速情况下，2、3左、右驱动电机进行驱动，辅助发动机提供动力。制动情况下，2、3左、右发电电机优先进行方向发电，回收制动能量。

图1 动力传动系统

2.1 汽车峰值功率的计算

本文研究基于传统的燃油车进行设计，进行动力系统参数匹配计算，整车参数如表1所示。

表1 汽车主要参数

汽车所需最大功率（峰值功率）Pemax由汽车以最高速度行驶时所需功率Pm1，汽车以最大坡度爬坡时所需功率Pm2，汽车以最大加速度加速时所需功率Pm3确定，即需要满足式（1）。

式中，f为滚动阻力系数，取 0.015；ηt为传动效率，取0.92；vf为加速后车速，取60 km/h；tα为预期加速时间，取5 s；δ为旋转质量转换系数，取1.085。

把表1中汽车主要参数，带入式（2）—式（4）中，求得Pm1=44.52 kW，Pm2=25.95 kW，Pm3=192.24 kW。

通过计算可知，汽车普通状态行驶时所需的最大功率较小，传统汽车发动机最大功率主要用在加速情况下，这就造成了一般工况行驶时后备功率较大，不利于汽车经济性。因此，本文在汽车车轮处采用轮边电机驱动。

2.2 内燃机参数的确定

内燃机工作应能驱动基本要求，根据式（2）—式（4）计算得，内燃机最大功率应大于44.52 kW。

混合动力汽车内燃机应满足体积小、质量轻、性能高、成本低等特性[5]。按照本文计算结果，所得内燃机参数如表2所示。

表2 内燃机参数

2.3 驱动电机主要参数的确定

本设计驱动电机采用永磁同步电动机，其特点主要包括体积小、重量轻、启动速度快、过载能力强。永磁同步电机功率因数高、响应速度快以及抗干扰能力强等优点应用到纯电动汽车上，可以有效地节约动能，提高再生制动能量回收效率[6]。根据内燃机计算的功率，以及式（1）的要求，驱动电机峰值功率Pemax计算可得70.12 kW。

电机额定功率为

式中，Pe为电机额定功率；λ为电机过载系数，取1.6。计算可得Pe为43.83 kW。

驱动电机的最高转速越大，动力性能会越好，但会使制造难度增大，制造成本增加，同时机械损失增大，能量利用率变差[7]。一般情况下，电机转速要满足设计要求，选取应适宜，本文取驱动电机最高转速nmax6 000 r/min。

电机额定转速为

式中，ne为电机额定转速；nmax为电机最高转速；β为扩大恒功率区系数，取β=2[5]，通过式（6）可以求得电机额定转速为3 000 r/min。

驱动电机的额定扭矩为

求得驱动电机的额定扭矩为239 Nm，综上，电机参数如表3所示。

表3 电机主要参数

3 动力学仿真分析

如图2所示，⑨为城市-郊区工况下，车速随时间的变化曲线；⑩为在此工况下，混合动力汽车所需的功率变化。从计算数据可以看出，在⑨所示城市-郊区工况下，汽车所需的最大功率处在A点38.84 kW，可见发动机的额定功率足以满足工况下的要求。

图2 城市-郊区工况及汽车所需功率

如图 3所示，①、②、③、④表示汽车车速从0 km/h到60 km/h，加速时间为5 s、6 s、7 s、8 s时，汽车所需的功率；⑤、⑥、⑦、⑧为在对应状态下，电动机需要提供的功率。

图3 汽车加速-功率图

通过仿真计算可知汽车车速从 0 km/h到60 km/h，加速时间为 5 s时汽车所需最大功率192.24 kW，每个电动机需提供的最大功率68.12 kW，符合设计的要求。

4 制动能量回收仿真

汽车制动能量回收需要保证汽车正常制动状态不受影响。因此，在制动能量回收时，需考虑车辆制动力分配，在所需制动力较小的情况下，优先考虑再生制动，不足制动力由制动器提供；当所需制动力较大时，则必须完全利用机械制动，以确保制动效果达到安全运行要求[8-10]。

当汽车制动踏板作用时，将这一部分动能通过能量回收装置转换为电能，并储存在电池中，当汽车加速的工况下，动力蓄电池中的电能再转换为汽车行驶所需要的动能。减少了能量的损失，从而实现了能量的再次利用。

本设计发动机的额定功率为45 kW。根据仿真数据可知，一般城市-郊区路况下，发动机功率满足要求。现假设额定功率是发动机效率最高，在城市-郊区路况状态下，可以把发动机的后备功率用于驱动发电机发电，进行电能回收。

假设汽车制动时 50%的动能用于外界阻力的消耗，50%的能量用于制动能回收。⑫为在城市-郊区工况下，汽车制动时理论上可以回收的能量；⑪为在发动机额定功率下，发动机满足行驶需求后，后备功率与可制动回收功率的和。

图4 能量回收图

本次设计汽车在制动过程中，均为匀减速，一个城市-郊区过程求得制动时回收的电能为0.395 kW·h，发动机可回收的后备电能为11.79 kW·h。通过分析可知，相比于制动能回收，混合动力汽车中内燃机后备功率的回收更有回收价值。

5 小结

本文从汽车发动机后备功率利用率入手，分析了一种混合动力汽车的主要参数，利用电机与内燃机的功率耦合，在满足汽车动力性要求的前提下，减少内燃机的运行功率，同时进行内燃机后备功率的回收和汽车制动能的回收。通过计算仿真表明，本设计可满足汽车行驶的要求，同时可最大限度的进行能量回收，达到节能减排的目的，具有一定的研究意义。