混合动力汽车动力系统选配分析

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第7期
Feature
FOCUS 技术聚焦
imax r (mgf cos α max
Auto Engineer
带的总能量为： W0 = Qm U e = 22 × 320 = 7.04 kW·h。综 上所述， 初选电池组合方式为 11 A·h 电池 2 并、 104 串， 容量为 7.04 kW·h。 如果电池能够在 30% SOC 时且 5 C（电池放电 倍率）放电维持 20 s 以上，可以配合 24.6 kW（由 7.04 kW×5×0.7 计算得到，0.7 的修正系数是对电机 效率和电池在倍率放电下电压平台变化的初步修正） 峰值功率的驱动电机，如果能够 6 C 放电，所配合电 机的峰值功率可以达到 29.6 kW，所用电池组能满足 电机的要求。
Analysis on Power Systems Selection of Plug-in Hybrid Electric Vehicle
Abstract: With the global oil shortage and the life pressure brought by environmental degradation in the world, plug-in hybrid electric vehicle can improve the environmental problems effectively. Based on vehicle driving requirements and theory, the power assembly project is determined, and the precise calculation and selecting analysis of plug-in hybrid electric vehicle's motor, batteries and transmission ratio is conducted. The selected power systems meet the dynamic performance requirements of plug-in hybrid electric vehicle. It is indicated that the power system selection based on the original vehicle can ensure the dynamic performance of the plug-in hybrid electric vehicle, and easy to make improvements. Key words: Plug-in hybrid electric vehicle; Motor; Battery
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图 2 最小传动比、转速和最高车速的关系图
参考原车的变速器，选取其各挡位的变速比，如 表 2 所示。
表 2 变速器各挡变速比 挡位 1挡 2挡 3挡 变速比 3.853 1.947 1.343 挡位 4挡 5挡 6挡 变速比 0.976 0.804 3.416
汽车的产生和发展极大地影响了人们的生活方式 和社会生产方式，针对目前汽车工业发展所引发的环 境及资源问题，必须开发更节能、更环保和使用替代 能源的先进技术，解决传统汽车所带来的问题，必须 满足：减少能源消耗，降低成本，提高可靠性；减少 或杜绝有害物质的排放；降低体积质量，减少阻力， 提高整车及零部件性能，提高舒适性、安全性和机动 性的要求 。混合动力汽车可以满足对汽车动力性的 要求，且易于改进，目前成为具有实用价值的新技术。
C ⋅ A ⋅u 2max 1 ⋅ m ⋅g ⋅f + d ⋅u 3 600ηT 21.15 式中： PN——电机输出功率，kW， ηT——传动系效率，取 0.85； PN =
m——最大车重，取 1 725 kg； f——滚动摩擦系数，取 0.02； Cd——风阻系数，取 0.29； A——车辆迎风面积，取 2.49 m2； umax——最高车速，取 75 km/h。
5.1 kW。初步设定电机效率为 0.89，控制器效率为 根据式 （2） 可以粗略计算出所用电机的最大功率， 0.91，总效率（η）为 0.81。则电池输出功率应为： 其数值应大于 26.32 kW，所以初步假设电机的最大 Pb × η = PM ，得电池的输出功率为 6.3 kW。 S 功率为 30 kW。 电池携带的额定总能量为：W 0 = Pb × t = Pb × u 2.2 电机额定转速和转速的选择 式中： S——等速 40 km/h 的续驶里程，取 50 km； 一般来说， 额定功率相同的电机其额定转速越高， u——车辆等速运行速度，取 40 km/h； 体积越小，质量越小，造价越低；而且电机功率恒定 W0——电池额定总容量，kW·h。 时，随着电机额定转速和最高转速的增加，电机的最 可以求得电池额定总能量为 7.88 kW·h。 大转矩将减小，从而避免造成转矩过大的不利影响， 考 虑 到 电 机 外 电 压， 初 步 选 择 电 池 端 电 压 为 选择高速电机比较有利。 当电机转速超过一定程度后， 320 V，则电池的额定容量 Qm 满足： 其转矩降低幅度明显减小，导致电机及减速装置的Leabharlann Baidu W Qm = 0 本增加。电机转速的选择要考虑负载的要求，还要兼 Ue 顾电机与传动机构的经济性等因素。综合上述因素， 式中： Q ——电池的额定容量，A·h； m 根据车用驱动电机的特点并参考原车发动机的最大转 Ue——电池端电压，取 320 V。 速 5 700 r/min，选定电机的额定转速为 1 800 r/min， 电池的额定容量为 24.6 A·h。若用 11 A·h 和 3.2 V 最高转速为 6 000 r/min。 电机额定转矩和最大转矩由式（3）和式（4）计 算得出： 锂电池，则需要串联的电池组为：320/3.2=100 组； 需要并联的电池数为：24.6/11=2.2 组，取 2 组；电池 携带的额定容量为：Qm=2×1=2 A·h；则电池需要携
（3）
9 550 × Pዄ （4） n乱 式中： P 额——电机的额定功率，取 13.16 kW； P 峰——电机的峰值功率，取 30 kW； Tmax =
T 额——电机的额定转矩，N·m； Tmax——电机的最大转矩，N·m； n 额——电机的额定转速，r/min。 算出电机的最大转矩为：Tmax=159.2 N·m，额定 转矩为：T 额 =69.8 N·m。 通过计算得到的电机计算参数和确定型号电机的 实际参数，如表 1 所示。
5
结论
文章中的 Plug—in HEV 采用单向离合器动力分配
装置的双离合器方案，整车的动力系统采用同轴并联

ηT Tmax
mg sin α max )
式中： imax——最大传动比； ηT——传动系效率，取 0.85； Tmax——最大扭矩，取 220 N·m； αmax——最大爬坡角，取 16.7°。 通过计算可以得出：imax ≥ 8.2。主减速器速比为 i0=4.052，所以 i1 ≥ 2.03。 用 matalab 进行仿真，得到最大传动比、最大爬 坡度和最大转矩的关系，如图 3 所示。
低自重和小尺寸；2）在较宽的转速范围内有较高的 效率；3）电磁辐射尽量小；4）成本低；5）维护方便。 另外， 对电机的选用还应综合考虑其控制系统的特点， 要求尽可能实现双向控制，对制动能量可以回收 [2]。 根据我国城市工况和相关标准，在设计 Plug—in
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技术聚焦 FOCUS
表 1 电机计算与实际参数 项目 峰值功率 /kW 最大转矩 /（N·m） 最大转速 /（r/min） 额定功率 /kW 额定转矩 /（N·m） 额定转速 /（r/min） 永磁同步电机 计算参数 30 159.2 6 000 13.16 69.8 1 800 实际参数 30 160 6 000 14.6 69.8 1 800
T乱 = 9 550 × P乱 n乱
2010 年 7 月
技术看点
HEV 纯电动模式下的常规车速为 40 km/h，最高车速 设计为 75 km/h。电动汽车整车动力性能指标中最高 车速对应的是电机的额定功率；最大爬坡度和全力加 速时间对应的则是电动的峰值功率。在纯电动模式下 对爬坡度不做要求，所以在设计最大功率时，是以全 力加速时间来确定的 [3]。 2.1 确定电机额定功率 根据最高车速计算电机功率时不考虑加速阻力和 坡道阻力，电机功率 PN 应满足：
max
（1）
得出在纯电动模式最高车速时，电机输出功率为 13.16 kW。 电机的最大功率可以由式（2）计算得出：
Pmax = P乱 × λ
（2）
3
电池参数设计
式中： Pmax——电机峰值功率，kW； P 额——电机额定功率，取 13.16 kW； λ——电机过载系数，λ ＞ 2。
纯 电 动 平 均 车 速 设 定 为 40 km/h， 良 好 平 直 路 面， 根 据 公 式 可 计 算 出 此 时 电 机 输 出 功 率 PM 为
0.377 × r × nmax imin 式中： umax——汽车的最高车速，取 170 km/h； u max =
r——汽车车轮滚动半径，取 0.29 m； nmax——最高转速，取 6 000 r/min。 因为 Plug—in HEV 是发动机和电机一起驱动的， 最高转速的选择取发动机和电机两者之间的最大值 6 000 r/min。通过计算得出：满足最高车速不低于 170 km/h，传动系的最小传动比为 imin ≤ 3.859。采用 原车主减速器，主减速器速比为 i0=4.052。那么，变 速器最高挡的速比为 i5 ≤ 0.952。 用 matalab 进行仿真，得到最小传动比、转速和 最高车速的关系，如图 2 所示。
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1
混合动力轿车动力总成方案初步分析
采用同轴并联方式，初步考虑 2 种可选方案：
图 1 混合动力轿车整车技术方案
2
电机选型
Plug—in HEV 电机的选型原则为：1）高性能、
1）采用离合器实现发动机与电机的结合与分离；2） 采用行星轮机构作为动力复合装置。具体实施需要进 一步考虑设计、制造、空间布置及动作过程控制等因 素。经过调研分析，发现采用双离合器方案适合本车 型，其中发动机与电机分离和复合的装置采用单向离 合器。混合动力轿车整车技术方案，如图 1 所示。
2010(7)
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FOCUS 技术聚焦
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混合动力汽车动力系统 选型分析
刘文华 杨金星 李辉 （武汉理工大学汽车工程学院）
摘要： 随着全球石油资源短缺，全球环境恶化给我们带来的生活压力越来越大，混合动力汽车可以有效地改善日益 加剧的环境问题。文章在某车型的基础上，根据汽车行驶要求和理论，先确定动力总成方案，然后对混合动力汽 车的电机、电池和传动比进行了精确地计算和选型分析。选定的动力系统总成能够满足混合动力汽车的各项动力 性能要求，指出基于原车的动力系统选型能够保证混合动力汽车动力性要求，而且易于改进。 关键词： 混合动力汽车； 电机； 电池
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图 3 最大传动比、最大爬坡度和最大转矩的关系图
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传动速比的选择
4.1 最小传动速比的选择 传动系最小传动比是变速器最高挡的传动比与主 减速器速比的乘积。最小传动比的 imin 应从满足汽车 行驶最高车速的要求出发：