四轮驱动混合动力汽车动力系统设计

% <4 % ,5 % #&0+; 12 3# 4!;$ & / ! <) 式中 !% 为驱动扭矩 !2’ (/ 为车轮滚动半径 !’(% 为
空气密度 !&/ ( ’8(4 为车速 !’ ( 1($ 为旋转质量换算 系数 " 将已知数据代入式 ,5%!得出轮毂电机转矩及额 定功率与车辆加速时间的关系 " 为了满足车辆的加速性指标要求 ! 选用每个后 轮 轮 毂 电 机 的 峰 值 转 矩 % =5"" 2* ’! 峰 值 功 率 为
"<=;>?5 ’;5@4AB5CD # $;<#,+-=,%E:B4F =; C94 F4B5>; 3A5;853G4 =H 8=I3=;4;C B4G48C5=; =H 9DJA5F 3=K4ACA:5; BDBC4I :;F C94 3=K4A6C=AL14
A4L15A4I4;C =H 8=I3G4C4 @4958G4 5; =34A:C5=; 8=;F5C5=;B6F4C4AI5;4 C94 34AH=AI:;84 3:A:I4C4AB =H 4;>5;46%%&6K944G 91J 4G48CA58 I=C=A :;F J:CC4AD 5; C94 3=K4ACA:5; BDBC4I6:;F :88=I3G5B9 C94 =3C5I:G I:C896I=F4G5;> B5I1G:C5=; :;F A=:F C4BCB* <94 A4B1GCB B9=K C9:C C94 9DJA5F 3=K4ACA:5; BDBC4I 8:; I44C C94 34AH=AI:;84 A4L15A4I4;C =H 8=I3G4C4 @4958G46:;F C94 I4C9=F :;F A4B1GCB 3A=@5F4 C94 C94=A4C58:G J:B5B H=A C94 F4B5>; =H 9DJA5F 3=K4ACA:5; BDBC4I*
汽车对电机的一般要求是具有较大范围内的调速性 能 $ 能通过四象限工作实现制动能反馈 %高效率和低 损耗 # 并联和混联式结构则要求电机能适应频繁的 起 % 停和电动 , 发电状态的切换 # 目前适合混合动力 汽车使用的电机主要是异步电机 !感应电机 " 和永磁 同步电机 #
A6 56 96 06 6 6 96
起动转矩为 56 2 * ’ !最大功率为 $35$ &7"
%!># &7" 轮毂电机的效率值取 9" ! !得出所需要的 电机峰值功率为 %5 &7 " 8>8>8 轮毂电机制动能回收转矩的确定
混合动力汽车利用电制动 ! 将其自身的动能转 化为电能给电池充电 ! 起到了进一步回收能量的作 用 ! 对提高车辆的燃油经济性具有重要的影响 " 车辆的制动主要有 8 种模式 #紧急制动 & 中轻度 制动和汽车长下坡时的制动 " 对于混合动力车 ! 在中 轻度制动和汽车下坡制动时 ! 后轮上两轮毂电机作 为发电机产生制动扭矩 ! 一方面对车辆进行制动 ! 另 一方面对电池充电 ! 实现了制动能反馈的目的 " 车辆在不同的工况下所需要的功率和扭矩是不 同的 ! 我国目前的道路工况与欧洲的 2?@A 工况非 常相似 ! 因此在实际的测试和仿真中都用此工况作 为标准 " 在这一特定工况下 !车辆在制动过程中所需 要的制动扭矩和功率如图 8 和图 5 所示 "
%( 为 节 气 门 全 开 时 发 动 机 起 动 阻 力 矩 !2* ’ ($ 为 **+ 与 发 动 机 之 间 的 传 动 比 (" % 为 带 轮 的 传 动 效 率 (" & 为 **+ 的效率 + 由 于 混 合 动 力 汽 车 的 动 力 性 指 标 要 求 **+ 的 冷起动发动机时间 )!"34 1 ! 由此可以选定 **+ 的
&4;4A:C=A #与发动机通过皮带连接 ’ 实现汽车自动起
停和发电的功能 ’ 后轮上的两个轮毂电机直接与后 轮 轴 相 连 ’起 到 单 独 驱 动 &功 率 补 偿 和 制 动 能 反 馈 的作用 )
轮毂 电机 主减 速器 差速器
由于内燃机最大功率点的转速通常低于其最高 转速 ’ 另一方面最高转速附近通常不属于内燃机的 燃油经济区域和排放优化区域 ’ 因此根据运行条件 实际选择的内燃机标定功率大于最高转速时内燃机 发出的功率 ’ 这样就能保证内燃机在最高车速下有 较好的燃油经济性和排放性能 ) 选用电动机的额定功率要根据电动机的性能特 点来定’一般电动机的峰值功率为额定功率的 !M/ 倍) 蓄电池的容量则要根据车辆运行条件和使用的 混合动力系统控制策略来确定 ) 如果对纯电动行驶 没有特殊要求 ’ 则要求在有利于提高工作效率和寿 , ! ,
进行合理的选型设计 #在驱动过程中 $ 考虑皮带轮的 效率问题 $ 得出在发电状态下 !!> 所需要的最大功 率为 0A :<$其最大的输出转矩为 56 C ( 2# 在行驶过程中 $ 控制发动机工作于经济油耗区 $ 将其释放能量的一部分驱动车辆前进 $ 另一部分给 电池充电 # 根据其行驶工况 $ 经研究表明 $其用于给 电池充电的多余能量最大不会超过发动机发出转矩 的 =6 ! # 由于发动机在经济油耗区工作时 $ 其最大 的 扭 矩 为 /66 C( 2 !4 666 * , 2?@"$ 考 虑 到 电 机 的 效 ( 率 $ 通过计算分析得出 !!> 的额定转矩为 46 C 2$ 其额定功率为 =-8 :< #
!""# 年
第$期
( ( ( ( 设计 计算 研究 命的蓄电池荷电状态 !"# !!$%$& ’( #)%*+&" 区间内的 电量能够满足行驶循环或车辆运行条件下的电能需 求#
!"1!#$%&2%3 , 4 5667’()&2%3 , 85 /96" , ! *
4
!/ "
式中 $# 为整车质量 $:+ ’% 为滚阻系数 ’’+ 为风阻系 数 ’) 为迎风面积 $20’&2%3 为最高车速 ’! * 为机械效 率# 根据计算得出 $ 发动机在最高车速情况下的功 率需求为 9;-9 :<# 在得到了良好动力性能的前提 下 $ 使混合驱动模式下发动机保持在经济工况下运 行 $ 再加 /= ! 的功率裕量 $ 最终确定发动机的最 大 功率为 =8 :<#
陆
渊
主题词 * 混合动力汽车 中图分类号 *’(#)*+*"!
四轮驱动
动力系统
优化匹配
文献标识码 *,
文章编号 *-"""./+"/ "!""# #"$."""-."(
!"#$%& ’( )’*"+,+-$& ./#,"0 $& 1’2+345""6 !+$7" 89:
01 21345671 %5891:;601 21:;
4-0-/ !!> 发电状态下功率的确定 根据 !!> 工作特性的要求 $ 当电池的 !"# 低于 最低限值时 $!!> 对电池进行充电 #
由于所选用的此款发动机经济油耗区在 0 666
$
动力系统各部件参数匹配
图 / 所示的混合动力车前轮由发动机驱动 $ 后
轮由轮毂电机驱动 $将电动驱动和机械驱动相分离 $ 利用地面合成方式实现四轮驱动 # 对这种结构布置 方式的研究 $ 关键在于首先要确定传动系中各部件 的特性参数 $ 使部件之间达到优化匹配 $充分显示混 合动力汽车较好的经济性和排放性能 #
/06 /66
功率 ! , :<
!"#
内燃机 混合动力车用内燃机与传统汽车中的内燃机相
比$主要追求的是高效率 $而并不是高功率# 为了追求 良好的油耗和排放性能 $会对其最高工作转速进行控 制$因此不要求其零部件具有象传统内燃机那样的强 度 $可以使其更小和更轻 $从而减少摩擦损失#
!"!
轮毂电机 与纯电动汽车对电动机的要求相似 $ 混合动力
在水平路面最高车速情况下 $ 由车辆的行驶方 程式求得发动机的功率需求为 & ) ! )
4-0-0 !!> 起动转矩的确定
汽 车 技 术
* * * * 设计 计算 研究 在汽车静止起步之前 ! 自动变速器处于空挡 " 起 步时 ! 首先由后轮上的轮毂电机带动车辆前进 ! 当车 速 达 到 %" &’ ( ) 时 ! 发 动 机 起 动 ! 此 时 **+ 通 过 皮 带带动发动机 ! 当发动机的转速达到 $"" , ( ’-. 时 ! 式中 !*) 为驱动力 (*+ 为滚动阻力 (*- 为空气阻力 (*. 为加速阻力 由式 ,8 %得出 #
F
零部件选型原则
在混合动力系统中 ’电动机在四象限运行 ’ 既以
发电机状态工作又以电动机状态工作 ’ 因此混合动 力系统零部件选型主要是内燃机 & 电动机和蓄电池 的选择 ) 混合动力系统基本的控制策略是用内燃机提供 车辆稳速行驶的功率 ’用电动机提供加 &减速时的额 外功率 ) 内燃机的功率应该保证不小于最高车速下 所需发动机的功率 ’ 电动机应该保证其峰值功率不 小于最大加减速度下所需的电机功率 )
机 混 合 程 度 的 大 小 ’被 分 为 轻 度 混 合 +中 度 混 合 和 完全混合 ) 以制造成本低 & 改型设计少 &性能指标优 为 出 发 点 ’在 轻 度 混 合 动 力 汽 车 的 基 础 上 ’开 发 了 一款四轮驱动的完全混合动力汽车 ’ 其组成如图 所示 ) 在这一系统中 ’%%& "%5F4.I=1;C4F %C:AC4A :;F
B9 666 * , 2?@ 之 间 $ 此 区 域 的 最 大 扭 矩 为 /66 C( 2 !4 666 * , 2?@"$!!> 相 应 于 此 区 域 工 况 的 转 速 范 围 为 4 666B5 666 * , 2?@# 为了保证发动机在最佳油耗 区驱动 !> 作为发电机给电池充电 $ 就需要对 !!>
= ! 坡度
水平路面
A6
/06
/56
066
!"$
蓄电池 混合动力汽车对蓄电池进行的是频繁和浅度的
图0
( 车速 , , :2 )D/
不同车速对发动机功率的需求
充 % 放电循环 #在充 %放电过程中 $ 电压和电流可能有 较大变化 $因此要求蓄电池有以下特点 &
%.-
大功率充放电能力 较高的充 % 放电效 率
%N’
%%&
PN’
变速器
ON’
液 力 变 矩 器
蓄电池
PN’ EN’
轮毂 电机
<N’
机械连接 信号连接
图-
四轮驱动的混合动力汽车动力系统组成
在混合动力系统中 ’ 各部件特性参数直接决定 了 整 车 的 动 力 性 &经 济 性 和 排 放 性 能’因 此 在 对 混 合动力系统进行设计初期 ’ 有必要通过理论上的计
对混合动力系统电池 由于混合动力汽车
$%! ’’( 参数的确定 !!> 通过皮带与发动机曲轴相连接 $ 其传动比 选定为 /-=$ 由此得 !!> 的最高转速为 ; 666 * , 2?@ #
若规定 !!> 的扩大恒功率系数为 = $ 即可得出其额 定转速为 / A66 * , 2?@#
的能量要求比对功率的要求更高 ’ 利用蓄电池作为能量缓冲器 $其充 % 放电效率的高低 将直接影响到整车能量利用率 $因此要选择充 %放电 效率较高的蓄电池 #
>"/ *’+?# *8/<+$? "6"=,+$= 7"5$=6"@A’2+3*5""6 ?+$7"@B’*"+,+-$& #/#,"0@CD,$0-6 0-,=5
E
完全混合动力汽车的研发
在汽车的混合动力系统中 ’ 根据电动机和发动
算和分析确定各部件的特性参数 ’ 为建立仿真计算 模型和进行优化匹配设计提供基础 )
! ! ! ! 设计 计算 研究
四轮驱动混合动力汽车动力系统设计
陆玉佩 许思传
"同济大学 #
$ 摘要 % 根据混合动力系统零部件选型设计原则和整车在运行条件下的功率 & 扭矩需求 ’ 确定了动力系统的发动 机 &%%& & 轮毂电机和蓄电池的性能参数 ’ 并进行了优化匹配 & 建模仿真和道路试验 ( 结果表明 ’ 所设计的混合动力系 统可满足整车的性能要求 ’ 所述方法和所得结果为混合动力系统的设计提供了理论基础 )
**+ 停止工作 ! 发动机单独驱动车辆前进 " 在 **+ 带动发动机和液力变矩器空转过程中 !
为了缩短起动时间 !应使节气门处于全开位置 ! 以减 少发动机起动阻力 " 如图 % 所示 !对系统进行简化 ! 得出动力学方程 # $! % !"#! "#$" %" &%&’%"’%( 式中 !!" 为 **+ & 发动机 & 变矩器泵轮在泵轮轴 上 的 ’ 等效转动惯量 !&/ ’!(! " 为发动机角速度 !$0 % ( 1(%& 为 **+ 启动转矩 !2 ) * ’ (%" 为变矩器泵轮转矩 !2 ’(
$%&
发动机参数的确定 发动机排量越小 $燃油经济性就越好 # 为了满足
整车动力性的要求 $ 该混合动力汽车选用了中排量 的发动机 #基于混合动力汽车的控制策略 $ 在最高车 速情况下 $ 为了避免混合驱动使电池快速充 % 放电 $ 延长电池的使用寿命 $采用发动机单独驱动模式 #图
0 为不同车速对发动机功率的要求 #