（机械制造及其自动化专业论文）并联混合动力汽车部件选型及整车性能分析系统研究.pdf

硕t 论文 并联混合动力汽节部件选犁及鲴 摘要 啪i | j ij j | i | 川j i | i i i | j j i j j j l l j i f i i f y 1918 8 3 0 并联混合动力汽车作为传统汽车与纯电动汽车之间的替代车型，应用非常广泛。 其结构及系统的复杂性也比较高，对整车设计提出了巨大的挑战。 本文针对并联混合动力汽车的动力总成进行了建模分析，研究了并联混合动力汽 车动力总成部件选型匹配条件并建立其数值仿真的模型。选型匹配包括发动机选型、 电机发电机选型、电池选氆和传动系选趔；部件的性能仿真模型主要包括整牟模裂、 发动机模型、电机发电机模型、蓄电池模型和动力传动系统模璎。分析制定了以发动 机负荷率与转速为参数的传动系换挡控制策略模趔。建立以电动机助力、发动机工作 在低油耗线为特征的能量控制策略。分析传统燃油汽车制动过程中制动力分配策略， 根据并联混合动力汽车的特点研究探讨了基于发动机反拖且由整车制动强度与车速为 参数的再生制动控制策略，建立并联混合动力汽车的再乍制动模型，获得整车仿真过 程的制动能回收能量管理模型。采用面向对象软件开发方式，给出了在统一建模语言 ( u m l ) 下数值仿真软件的设计图例。在s 豫ls 砌i oc 抖开发语占环境和a c c e s s 数 据库系统下，开发了并联混合动力汽车性能数值仿真号用软件系统。最后给出了软件 的应用实例。本文的研究为新能源汽车性能分析提供了新的思路和手段。 关键词：并联混合动力汽车；模趔；数值仿真；软件开发；u m l a b s t r a c t p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e l l i c l e ( p 髓v ) i s 谢d e l yu s e da s 趾a l t e m a t i v ev e h l c l e b 咖e e nc o n v e n t i o n a lv e b i c l ea i l dp u r ee l e 硎cv e k c l em o d e l s 1 1 l i si sah u g ec h a l l e n g ei i l t h ed e s i 弘o fv e h i c l eb e c a l l s eo ft h ec o m p l e x 毋i ns 仃咖a n ds y s t c i m i nt h i sp a p e r ，m e 咖d yo f 珈【o d e l i n ga n da 1 1 a l y s i sw e r ec a 玎i e d o u ta b o u tp h e v p o w e 她曲n ep h e vp o w e m a i nc 伽叩0 n e n t s s e l e c _ t i o no fn l a t c ha n dm n e n c a l s i m u l a t i o nm o d e l s 、e r ee s t a b l i s h e d t h ec o m p o n e n t so fm a t c ha n ds e l e c t i o ni n c l u d e st h e e n g i i l e 、m o t o ro rg e n e r a t i d r 、 c e l la n dt r 距s m i s s i o ns e l e c t i o n ；c o m p o n e n tp e n o r m m c e s i m u l a t i o nm o d e l si n c l u d ev e l l i c l em o d e l 、e n g i n em o d e l 、m o t o r g e n e r a t o rm o d e l s 、b 种c e 巧 a i l dp o w e n r a i nm o d e l s t l l ec o n 仃o ls t r a t e g ym o d e lo f 仃a n s m i s s i o ns h i r i n gi sd e v e l o p e d b a s e d0 n 也ep 骶u n l e t e r so fe n g i n el o a d 锄di t ss p e e d t h em o t o r - a i d e de n e 唱yc o n t r o l s t r a t e g yw a se s t a b l i s h e do nn l e 咖i to fe n g i n ew o r k i n ga t1 0 wr i e lc o n s 姗p t i o n t h e 仃a d i t i o 脚m e lv e l l i c l eb r 撕n gf o r c ed i 妤b u t i o ns 仃a t e g yw a sa n a l y z e d a c c o r d l n gt 0 妣 c h a r a c t e r i s t i c so fp h e v ， m er e g e n e r a t i v eb r 描n gc o 咖ls t r a t e g yw 弱m v e s t l g a t e d 硫l u d i n g 肌t i d r a go nt h ee n g 硫b r 越n gb a s e do nm e 晰c k i n gs t r e n 啦觚dm cv e h i c l e s p e e dp 娥l i i l e t e r s t h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gm o d e lo f p h e v 、a se s t a b l i s h e d n ee n e r g y m a i l a g e m e n tm o d e lo fm ev e m c l eb r a l ( i n ge n e r g yr e c o v e 巧i so b t a i n e dd u r i n gm e s i m u l a t i o n p r o c e s s t h eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 叫m l ) m o d e lo fd e s i 印i ns i i n u l a t i o ns o 脚a r e 、娜西v e n 1 1 1 es i 枷l a t i n gs o 脚a r es y s t 哪w a sd e v e l o p e d i nm em 砒o do fo b j e c t 一耐e n t e d s o r 眦鹏d e v e l o p m e mv v i m 吐l e s u a ls t u d i oc # s o 胁a r e1 a 1 1 9 i l a g ea i l dm e a c c e s sd a t a b a s e s y s t e m f i n a l l y ，a 1 1e x 舭1 p l ew 嬲p r o v i d e do f “ss o r 啪r es y s t e m i ti s an e ww a ya i l d m e t b o df o rn m l r er e s e a r c hi i ln e we n e r g yp e r f o m a i l c e 锄1 y s i s k e y w o r d s ：p a r a l l e lh y b r i de 1 e c t r i cv e l l i c l e s ；m o d e l ；n 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ；s o f h a 肥 d e v e l o p m e m ；u m l 【i 硕论文 并联混合动力汽车部件选型及整车件能分析系统研究 图表目录 图2 1 - l 发动机选型流程图7 图2 2 1 电机发电机一体式连接整车布置示意图9 图2 2 2 电机发电机选型流程图9 图2 3 1 电池选型流程图1 1 图2 4 1 传动系选型流程图1 4 图3 1 1 汽车爬坡受力分析1 5 图3 2 1 发动机数值计算流程1 7 图3 3 1 电机发电机数值计算流程1 9 图3 4 1 电池充放电等效【口l 路2 0 图3 4 2 放电内阻、端电压与s o c 值的关系2 l 图3 4 3 充电内阻、端电压与s o c 值的关系2 l 图3 4 4 蓄电池数值计算流程2 2 图3 5 1 1 自动变速器换捎规律图2 5 图3 5 1 2 基于油门开度与车速的换挡判断逻辑2 5 图3 5 2 1 基于发动机负荷率换挡策略示意图2 6 图3 5 2 2 换挡策略判断流程2 7 图4 2 1 发动机工作曲线3 0 图4 2 3 控制策略简图3 l 图4 3 1 1 发动机反拖力矩随转速变化曲线3 3 图4 3 2 。1 再生制动计算流程3 4 图4 3 2 2 再生制动判断逻辑流程3 5 图5 1 1 软件生存周期各阶段3 9 图5 2 1 系统功能模块图4 0 图5 3 1 操作流程图4 l 图5 4 1 系统组件图4 2 图5 4 2 系统用例图4 3 图5 4 3 工况仿真功能类图4 4 图5 4 4 发动机类状态图4 4 图5 4 5 电机发电机类状态图4 5 图5 4 6 电池类状态图4 5 图5 4 7 传动系类状态图4 5 图5 4 8 整车类状态图4 6 v 图表目录 硕二l 论文 图5 5 1 软件主界面4 6 图5 5 3 部分参数设置界面4 7 图5 5 2 仿真结果显示选项卡4 7 图5 6 3 1 1 加速时间随速度变化5 2 图5 6 3 1 2 动力凶素随速度变化5 2 图5 6 3 1 3 爬坡度随速度变化5 2 图5 6 3 1 4 牵引力随速度变化5 2 图5 6 3 1 5 等速卣公里油耗随速度变化5 2 图5 6 3 1 6 再，f 制动能量 n 1 收5 2 图5 6 3 2 1 工况仿真速度5 3 图5 6 3 2 2 发动机转速特性5 3 图5 6 3 2 3 发动机转矩特性5 3 图5 6 3 2 4 发动机功率特性5 3 图5 6 3 2 5 电机发电机转速特性5 4 图5 6 3 2 6 电机发电机转矩特性5 4 图5 6 3 2 7 电机发电机功率特性5 4 图5 6 3 2 8 电池s o c 值5 4 图5 6 3 2 9 电池f 作电压值一5 4 图5 6 3 2 1 0 电池工作电流值5 4 图5 6 3 2 1 l 电池工作功率值5 4 图5 6 3 3 1 制动力分配曲线5 5 图5 6 3 3 2 传动系总速比变化5 5 表1 2 2 1 混合动力汽车性能分析软件发展状况2 表2 3 1 几种电池的优缺点比较1 0 表4 2 1 发动机、电机、电池亡作状态表3 2 表4 3 2 1 发动机、电机、电池工作状态表3 7 表5 6 1 1 整车参数4 8 表5 6 1 2 其他部分参数4 8 表5 6 1 3 发动机参数4 9 表5 6 1 4 电机发电机参数4 9 表5 6 1 5 电池参数4 9 表5 6 2 1 发动机选型结果对比5 0 表5 6 2 2 电机发电机选犁结果对比5 0 表5 6 2 3 电池选型结果对比5 0 v 1 硕l 论文 并联混合动力汽车部件选犁及整车性能分析系统研究 v i i o l l 5 5 5 p b u 卜 对 一性 果 一济 结度经 型坡与选爬性比挡力动各动 传2 ，l 1 2 3 3 6 6 6 5 5 5 表表表 硕仁论文 并联混合动力汽车部件选型及整车性能分析系统研究 1 绪论 1 1 研究背景 科技部在“十五”国家8 6 3 计划中，设置了电动汽车重大专项，这表明已经把新 能源汽车的发展提高到国家一级的战略高度，以电动车的产业化作为工作的重心，力 争在电动汽车关键部件技术、软硬件系统集成控制技术及整车技术上取得重大进展， 加速推进创新型圈家的建设步伐，促进发展符合现代企业制度和现代市场经济体制要 求的研发体系和制度。介于纯电动汽车与传统汽车中间的是混合动力汽车。而并联 混合动力汽车作为混合动力车型的代表，是一个复杂的系统工程，具有很强的多学科 性，其涉及的学科包括电力电子工程、汽车工程和化学工程等f 2 j 。它集成了多个子系 统如电驱动系、能源、能量管理、动力总成等。产品的多学科复杂性和企业快速发展， 要求设计灵活、高效且经济，利用计算机软件集成企业的经验数据与经验设计方法使 这种设计过程成为可能，而且与传统没计相比显著提高了混合动力汽车系统优化的层 次。 新能源汽车除了纯电动，串联混合动力汽车外，还包括并联混合动力汽车，并联 混合动力汽车类似于传统燃油汽车，但又有很人不同。由于汽车结构与系统的复杂性， 在车辆前期设计过程对汽车关键性能的预测至关重要。通过计算机仿真可显著减轻设 计工程师的劳动强度，缩短产品设计周期，从而把精力放在产品性能改善与新产品开 发上。因此，新能源汽车的性能仿真分析就成为必不町少的重要环节【4 j 。 随着市场竞争的e 1 益激烈，出现了各种c a d c a e 的大璎软件。由丁：其应用的广 泛性舴常大，所以软件本身的通用性还是限制了其使用的针对性的进一步提高，除此 而且导致产生设计效率不高和对于专用产品的没计显得繁杂等一系列矛盾。 目i ； 国内与国外常用的新能源汽车性能分析软件主要包括c r u i s e 、 a d v i s o r 2 0 0 2 、p s a t 等。有嵝软件的使用需要另外一些软件的环境支持，例如工程 计算软件m a t l a b 。这在一定程度上增加了软件的操作难度，并且软件的运行也不是 很方便。 本文的选题正是基于并联混合动力部件选型与整牟性能仿真的开发研究。针对并 联混合动力汽车，建立其中动力系关键部件的选型数学模型及性能仿真模型，通过给 定的汽车设计日标，通过计算机编程实现对汽车动力系关键部件的选型匹配，然后对 选定的部件进行整车性能的数值仿真，最终得出反映汽车性能的若干图表、数值及报 告，达到降低汽车设计成本与缩短设计周期的目的。 l 绪论硕 ：论文 1 2 并联混合动力技术国内外发展概况 1 2 1 并联混合动力汽车国内外发展现状【6 卜嘲 自从二十世纪九十年代，几乎所有汽车公司均投入巨大人力、物力进行了纯电动 汽车与混合动力汽车技术的研发。很多公司采用了包括现代精密机械、电子电气、控 制系统、新型材料甚至航空航天技术的各种高新科技，使不少汽车的主要动力性能可 以达到了燃油汽车的水平。二十一世纪后，各个企业加速了h e v 的产业化的进程， 相继推出了各种型式的h e v 车型，例如福特的p r o d i g y 、丰田的p “u s 、本田的i n s i 出、 d a i m l e r c l l r y s l e r 的e s x 3 、通用的p r e c e p t 、日产的t i n o 等，其中p r i u s 和i n s i g h t 已 是成熟的产品。东风汽车推出了东风混合动力轿车e q 7 2 0 0 和混合动力城市公交车 e q 6 1 1 0 h e v 。上汽集团成功研制“超越一号 和“春晖一号两款燃料电池的混合动 力轿车；在2 0 0 8 年1 月的底特律图际车展上比亚迪汽车推出其f 3 版插入式混合动力 车。奇瑞汽车分别开发出基于a 5 车型的弱混b s g 和中混i s g 两种璎号混合动力车。 以上这些表明国内的混合动力汽车的技术开发及整车研制已取得了一定的成果。很多 车型都显示出了优良的环保与节能性能。这标志着混合动力巾场的逐渐成熟。随着各 国环境立法的日趋完善，电动汽车、混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断 降低，混合动力汽车的市场份额逐渐增大，已成为重点发展的新型汽车。 1 2 2 并联混合动力汽车性能分析软件发展盯k 嘲9 1 表1 2 2 1 混合动力汽车性能分析软件发展状况 软件名称开发商开发平台适用车型仿真模式 a d v i s o r 美国能源可叫收实验 【a t l a b s i m u l i n k e v 、s h e v 、后向 窜( n r e l ) p h e v 、c v 、f c v p s a r n a s a 、d o e 等 l a t l a b s i m u l l n ke v 、s h e v 、 前向 p h e v 、c v 、f c v c r u j s e a v l 公司 cp h e v 、c v 前向 h e v s i m o p a l - r t 技术公司 m a t l ab s i m u l i n kp h e v 后向 s i m p l e v 爱达荷州因家r ：程和q b a s i c e v 、s h e v 、 后向 环境实验室 p h e v 、c v v 二e l p ht e x a sa & m u n i v e r s 时 m 觚a b s l m u l i n ke v 、s h e v 、 后向 p h e v h v e c l a w r e n c e 陶家实验室ce v 、s h e v后向 e v s i m l 香港入学电动乍研究v c + + 与m a t l a b 混 e v 后向 所合编程 ( i )h e v s 上m h e v s i m 足由o p a l r t 技术公司开发的汽牟仿真软件，采用后向建模方式。主要用 于串联、并联、混联式汽车的仿真分析。其软件窗口包括主窗口、车辆参数输入窗口、 仿真窗口。 2 硕 ：论文并联混合动力汽车部件选型及整车性能分析系统研究 ( 2 )a d v j s o r a d v i s o r 是由美国能源部运输技术办公室混合电动车项目所支持的位于n r r e l 的 车辆系统分析组( v a s t ) 根据工业的需要开发了一套复杂的系统分析工具，它町以对 部件和整车的设计中各种问题进行仿真，是目前世界各国企业使用最多的免费软件。 开发环境为m a t l a b ，采用后向建模为主的方式，软件的运行也需要m a t l a b 环境的支 持。 ( 3 ) c r u i s e c r u i s e 是基于c 开发可用于计算整车的动力性、经济性、制动与排放的仿真软件， 并且实现了商业化运作。该软件采用可视的模块化方式，实现了内燃机、纯电动和混 合动力汽车的仿真分析。c r u i s e 可以计算不同循环工况下整车的动力性、经济性与排 放性能计算。计算发动机的燃油经济性与排放性、整车的加速特性、传动系速比、制 动性能等。还可用于车辆的传动系的扭转振动计算和集中载倚计算。 a v l 的b o o s t 与c r u i s e 软件的联合仿真可以实现对发动机瞬态性能的仿真分析； f l o 眦s t e r 软件或k u l i 软件的联合仿真能实现车辆热管理系统的分析。 通过软件在基于传统车辆模型的基础上实现纯电动汽车或混合动力车辆模型的搭 建，对各种动力传动系模式( c v t 、a t 、a m t 等) 及控制策略进行仿真分析的同时；并 通过与m a t l a b ( a p i 、d l l 、i n t e r f a c e 等) 或c ( b 1 a c k b o x ) 语言的接口实现整牟控 制策略的开发； ( 4 ) e v s i m e v sr m 足香港大学电动车研究所和北京理工大学联合开发的纯电动汽车仿真软 件，采用v c + + 与m a t l a b 的混合编程开发，采用后向仿真建模，但只能用于纯电动汽 车的仿真分析。 ( 7 ) 其它 爱达荷州国家工程和环境实验室( i d a h on a t i o n a le n g i n e e r i n ga n d e n v i r o n i i l e n t a ll a b o r a t o r y ) 开发的s 工m p l e v v e r s i o n3 1 ，它的主要由用在电动汽 车和混合动力车的仿真。可以对传统、纯电动、串联混合和并联混合驱动系统的牟辆 进行仿真。t e x a sa m 大学开发的基于m a t l a b s i 叫h n k 的v e i 。p h 汽车仿真软件，主 要用于串、并联混合动力车；a n s o f t 公司开发的a n s o f t 软件系统，主要的使用范围 为纯电动、混合动力、燃料电池牟辆；l a w r e n c el i v e m o r e 美国国家实验窀开发的h e v c ， 主要的使用范围为纯电动、串联式混合动力牟辆；目前，国内还没有较系统和成熟的混 合动力汽车仿真软件，因此，这也是我困汽车工业应该研究的一个重点内容。 1 3 本文研究的主要内容 本文用s 砌c j 5 f n e t 面向对象编程技术及数据库技术编写高效的数学算法及仿真 功能代码，开发出单机版汽车动力系部件选型与整车性能仿真专用软件系统，实现汽 l 绪论 硕 ：论文 车设计前期的动力系部件选型及选氆后整车性能的后向数值仿真。通过用户界面，用 户输入数据并选型仿真计算出仿真结果，即可对动力系部件进行优化匹配，达到降低 汽车设计成本与缩短设计周期的目的。 本文的主要研究内容包括以下几方面： ( 1 ) 建立并联混合动力汽车动力总成部件选型的数学模璎 分析并联混合动力系统中发动机、电机发电机、蓄电池和传动系统等工作性能的 要求，根据参数匹配原则，建立了选型数学模型，确定其计算流程。 ( 2 ) 建立整车动力总成部件功能仿真数学模型。 建立并联混合动力系统中发动机、电机发电机、蓄电池和整车的仿真功能数学模 型，利用此模型通过循环工况的仿真分析，实现对上述各部件性能的预测分析。 ( 3 ) 并联混合动力车型的动力总成能量管理策略与再生制动策略的模型建立。 建立以电动机助力、发动机工作在低油耗线为特征的电力助力的能量控制策略。 实现动力总成动力源的能量管理与优化。 分析传统燃油汽牟制动过程中制动力分配策略，根据并联混合动力汽车的特点研 究探讨基于发动机反拖且由整车制动强度与车速为参数的再生制动控制策略，建立并 联混合动力汽车的再生制动模型。实现整车仿真过程的制动能回收能量管理。 ( 4 ) 并联混合动力性能数值仿真软件的开发。在软件开发平台v i s u a lc # 2 0 0 8 及数据库平台m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 下，采用面向对象技术开发出相应的软件系统。 最后给出了软件运行实例。 4 硕t 论文 并联混合动力汽车部件选型及整车件能分析系统研究 2 并联混合动力驱动部件选型 混合动力的部件选型的参数匹配是一个多变量的优化问题【1 1j 。在进行并联混合动 力系统性能仿真之前，进行动力总成的选理，为构建更加精准的仿真模型进行优化提 供基础。这样也可以进一步提高整年的优化日标。并联混合动力汽车的部件选型主要 包括发动机、电机发电机、电池和传动系部分。 2 1 发动机选型 在选择并联式混合动力发动机时在满足设计要求的前提下应选择低功率、低排放 的发动机，目的是使动力总成的效率能够最大，实现低油耗、低排放的混合动力车辆 设计目标【4 】。在动力性能的衡量上，需根据混合动力的混合类型选择不同的功率的发 动机，如弱混式并联混合动力车型b s g 中的发动机的动力输出要求比中混式i s g 的 动力要求更高【9 1 ，原因是i s g 车型在行车过程中的峰值转矩需求由电机补充，这在一 定程度f ：降低了对发动机的要求。比i s g 车璎对发动机动力方面要求更低的足全混式 并联混合动力，全混式可以实现任意行驶条件f 的混合驱动。 ( 1 ) 发动机额定功率 在并联混合动力系统中，发动机供应的能量，要保证整牟在没有电机助力f ，可 按规定速度巡航。由此决定的巡航发动机功率计算如f 式 吃l = ( 删痧一+ p 口c d 么吐2 ) ( 1 0 0 0 n ，) ( 2 1 1 ) 式中：最高车速( 砌乃) ； c n 空气阻力系数； 彳迎风面积( 所2 ) ； 聊整车质量( 蛔) ； g 霞力加速度( 聊s 2 ) ； 厂摩擦阻力系数，轿牟取o 0 1 6 5 ； p 口空气密度( 堙所3 ) ； t 1 ，传动效率。 对于城市( 频繁停车一起动) 行驶工况。根据所选工况，发动机所产生的功率应 等于或略大于平均的负载功率。工况行驶发动机的功率计算如下 气：= “ ( 乃+ 昂) 瞅+ e 州6c 肋) ( 1 0 0 呻，) ( 2 1 2 ) 气z2 叱。( 乃+ 昂) 瞅+ j 二。c 肋) ( 1 0 0 呻r ) ( 2 1 2 ) 式中：，仿真的步数； 办仿真时间步长( s ) ： 凡单个步长的滚动阻力( ) ； 乃单个步长的空气阻力( ) ； 5 2 并联混合动力驱动部件选型 硕b 论文 f ，单个步长的加速阻力( ) ； y 车速( 翩办) 。 发动机的总功率选择原则应是上述两者中的较大者，并且在此基础上还需要乘以 一定的裕黾1 2 l 。而常取的发动机裕量百分比为2 0 ，则发动机的功率值为 = m a x ( l ，如2 ) 1 2 0 ( 2 1 3 ) ( 2 ) 发动机最大转矩【1 3 1 ， 由发动机的一i = 作特性曲线可知：最大转矩所对应的转速一般不是发动机的最高转 速，而多数情况卜- 足当汽车处于最大爬坡度时，发动机转矩达到峰值。那么包括2 0 的转矩裕量的发动机最大转矩计算式是 z y _ 坚竺亟丝鬯k 立塑业 ( 2 1 4 ) 一加m 戤 。 o o 0 9 1 1 l f 式中：仅一道路最大坡度角( 度) 。 厶主减速比： 。 f 卅挡传动比； 车轮直径( m ) 。 ( 3 ) 发动机最大转速 车辆的基本性能中包含最高巡航车速、爬坡能力和加速能力1 2 1 。一般情况下，通 过车辆的行驶牵引力曲线和阻力曲线( 滚动阻力与空气阻力之和) 的交点，可求出最 高车速；但是，在采用大功率动力源或大传动比的菜螳设计中，并不存在这样的交点， 这时最高车速町由动力源的最高转速求得，最高转速为 ：翌磐查垡 ( 2 1 5 ) 雠= 卫型_ 竺 ( 2 1 5 ) 7 v 0 式中：最高车速( 历s ) ； 乃车轮半径( 聊) ； 名衄变速器最小传动比； 瓦主减速比。 发动机的选择流程图如下所示。 6 硕仁论文并联混合动力汽车部件选晕及整车性能分析系统研究 发动机选璎 土 读取参数：最高车速。、传动效率胁、整 乍质量耽率气阻力系数c b ，迎风面积彳等 i 上上上1 l 计算功率p e n l ， 计算功率p e n 2 ，计算最大转矩， 按公式2 1 5 按公式2 1 1 按公式2 1 2按公式2 1 4 上 计算所需总功率p e l l ，按公式2 1 3 选择发动机 上 输出型号、力有特性图( 表) 翻2 1 1 发动机选聚流程图 2 2 电机发电机选型 目前应用丁二纯电动和混合动力车上的电机一般可分为三种：开关磁阻电机、交流 异步电机、永磁无刷电删1 4 】。电机的选用总体原则为性能稳定、尺寸小、重量轻、转 速特性好、效率高、低成本等；除此之外，电机的峰值功率要具有启动发动机、整车 电力驱动、再生制动等一系列能力。在实际设计过程中，应根据不同的设计日标，选 择相应的电机类型。 在本文所研究的并联混合动力系统中，电动机与发电机采用一体式结构，利用电 气等控制方法实现电机的双向控制，对制动能量实现州收，这样可以有效地节约车辆 布置空间与成本。 ( 1 ) 电机发电机的峰值功率【1 5 1 并联混合动力牟型动力总成按混合程度的大小对电机机械性能的要求也有区别， 具体可以分为轻度混合式和中度混合式两种。 轻度混合并联汽车往往采用小型电动机作为发动机的启动机、交流发电机，并辅 助再生制动。一般情况_ f 小璎电机的额定功率大致为发动机额定功率的1 0 。启动时 间一般为o 3 s ( 不大于o 5 s ，否则会感到明显的启动延迟) ，其额定功率大小可以根据 启动发动机能力由下式计算 。面艺f 以吐如e + 等等 ( 2 2 1 ) 2 并联混合动力驱动部件选型 硕l ：论文 式中：z 发动机转动惯量( 妇聊2 ) ； t 删发动机的起动时间( s ) ； 。、分别为发动机转速，怠速转速( r 训s ) ； d 发动机输出轴直径( 聊) ； 乃发动机摩擦转矩( ) 。 对于中度混合并联汽车又分为两种，一种是以发动机为主，另一种以电动机为主。 对于前者，电动机的主要功能足为驱动系提供所需的峰值功率，冈此电机的额定功率 可由汽车纯电驱动爬坡性能进行确定，如下式： = 去c 警+ 警+ 篇， 旺2 式中：只电机额定功率( 加) ； 仪一预期纯电驱动时汽车可以达到的最大爬坡度( 度) ； k 相应于汽车最大爬坡性能时的汽车速度( 砌办) 。 对于以电动机为差的情况，电机额定功率的选取町参照发动机的功率计算方法来 确定。 ( 2 ) 电机发电机额定转速与最高转速【4 】【7 1 、【1 6 j 混合动力用电机按其转速划分可以分为高速电机与普通电机，转速在8 0 0 0 r m i i l 以上的是高速电机，以下的为普通电机。两种电机在成本与结构方面具有显著差异。 高速电机输出功率大，具有良好的转速转矩稳定性，但是在高转速时性能不稳定、工 作发热大要求复杂的电机控制系统。普通电机相对于高速电机具有技术成熟、成本低、 易于控制等硅著优点，因此，并联混合动力系统首选普通电机。 在并联混合动力汽车的电机发电机一体式结构中( 如f 图所示) ，电机轴通过机 械结构连接到发动机输出轴上。一般情况下，电机的速比与发动机的速比值不宜人于 2 ，否则会导致连接发动机与电机的机械结构径向尺寸过大而难于布置动力系部件。通 常发动机的最高转速在5 0 0 0 r i i l i n “o o o r m i n ，那么电机的最高转速一般在7 0 0 0 r m i n 左右，在一体式结构中，为使电机的工作转速范围覆盖发动机的转速范围，电机的最 高转速应不低于发动机的最高转速。得到式2 2 3 电机最高转速范围值。而考虑到电机 的转速转矩特性，基速通常在1 2 0 0 r m i n 2 0 0 0 r m i n 左右为宜。 一邮2 麟 ( 2 2 3 ) 式中：一发动机最高转速( 灿) 。 硕t 论文并联混合动力汽车部件选型及整车件能分析系统研究 图2 2 1 电机发电机一体式连接整车布置示意图 ( 3 ) 电机发电机的额定电压l i 6 j 对于电机的电压系统等级，高等级与低等级有着不同的优缺点。高等级的电压系 统在工作时电流较小，铜损也比较少，但是要求有更严格的安令措施。另外，对于电 池的要求同样更大，高等级的电压需要更多的单体电池。相反，低等级的电压系统结 构紧凑，但是工作电流过犬会导致电池、电机发热，降低使用寿命。 一般而言，电机的电压等级与其功率的大小旱正比，也就是高功率电机选择高电 压等级，低功率选择低等级电压，电机的电压等级一般在1 2 0 1 4 0 v 之间。 电机发电机的选择流程如f 图 图2 2 2 电机发电机选型流程图 2 3 电池选型 混合动力车常用的动力电池包括铅酸电池、锂电池、镍氢电池、钠硫电池等。总 体上来说几种电池的优缺点比较见下表1 7 1 ，在实际车型设计过程中，应根据设计目标 2 并联混合动力驱动部件选型硕卜论文 的不同选用不同的电池。例如，当设计的整车质量较小，而汽车的动力性要求又比较 高时，应选用锂电池。 表2 3 1 几种电池的优缺点比较 名称优点缺点 铅酸电池技术成熟、成本低能鼍密度小、寿命短 锂电池各力面表现优良使用环境要求高，成本高 镍氢电池耐过充、效率高 价格较高 钠硫电池动态特性较好 功率密度小 由于电池与动力系统的参数匹配复杂性，本文探讨给出电池的常见参数选理匹配 原则。根据车型的不同，并联混合动力汽车的电池选型可以分为轻度混合b s g 式和中 度混合i s g 式两种。 ( 1 ) b s g 式f 9 】 a ) 电池功率 电池输出功率应保证电机能顺利启动发动机，由电机的启动功率确定的电池功率 为 缃胁1 1 砌) ( 2 3 1 ) 式中：电机启动发动机的最大输出功率： 胁电机的平均效率； 1 鼢电池的平均放电效率。 b ) 电池的容最 b s g 式混合动力汽车动力电池的主要功能是在电动机对发动机快速启动过程中 提供能量，而b s g 的发动机启动时间一般都在o 5 s 以内( 否则车辆会有明显的延迟 启动) 。启动过程对电池的容量基本没有影响，在确定电池容最的时候，与传统车相同， 按车辆的电气负载选择即可。 c ) 电池电压等级 b s g 车型与传统车型相比，具有发动机快速启动能力与消除发动机怠速的工作特 点。只需传统车辆的1 2 v 电压系统即可满足要求，但特别的，如果为降低电机快速启 动过程中的放电电流，也可使用1 4 4 v 级的i s g 混合动力电压系统。 ( 2 ) i s g 式【9 j a ) 电池功率 i s g 行车过程中电机的助力工作模式，要求电池具有一定的整车驱动能力，电池 功率的选取可按电机单独驱动整车达到一定最大车速时对动力源的需求功率数值来选 取。本文研究所选取的纯电动驱动最大车速为2 0 k n l ，1 1 ，即 1 0 硕h 仑文 并联混合动力汽车部件选型及整车性能分析系统研究 = 赢杀( 嘁+ 警渤砂屹( 2 3 2 )t 1 ，。t 1 胁t 1 胁 。 z l i ) 式中：6 质量转换系数。 b ) 电池的容黾 对于电池容最主要考虑在规定s o c 范围内( 0 2 0 8 ) ，在急加速或爬坡过程中， 输出的能量能满足i s g 的要求。也就是 r c ( o 8 一o 2 ) u 胁 ( 2 3 3 ) 式中：c 电池容量( 彳厅) ； 电池的端电压( y ) ； 电池的额定功率( k w ) ； f 加速和爬坡时间的最大值( s ) 。 c ) 电池电压等级 i s g 式混合动力汽车在行车过程中，动力电池通过电动机对车辆提供助力峰值转 矩【1 3 1 。对电池功率与容量都比传统式汽车大。为了减少在高功率放电工作状态下的电 池、电机发热，电池系统的电压等级应选取大些较为合适。如丰田p r i u s 的电压系统 为5 0 0 v 。但是高的电压等级对电气系统及车辆的使用安全性构成了威胁。综合各种因 素，i s g 式中度混合动力汽车的电压系统一般选为1 4 4 v 。 电池选型的一般步骤是： 图2 3 1 电池选型流程图 2 4 传动系选型 传动系选型功能主要是根据整车设计目标与动力源性能计算出最大、最小传动比 2 并联混合动力驱动部件选型 硕 ：论文 范围及确定在此范围内的各挡传动比数值。 ( 1 ) 最小传动必1 8 l 并联混合动力汽车传动比的设计应使发动机在未超过最高稳定转速之前车辆在最 高挡上可以达到最高车速，即有以下公式： o 。：乞乇塑生凸迪 ( 2 4 1 ) y 懈 式中：瓦主减速比； 0 吨速箱最高挡( 万挡) 传动比； 甩砌嗽发动机最高稳定转速( ，m i n ) ； v 麟汽车最大速度( 砌办) ； 屹车轮滚动半径( 肌) 。 另外为保证发动机在最高车速时仍能发挥出最大功率，应尽可能使汽车在最大功 率点时汽车车速达到最大，因此有 k 2 ：0 如塑坠 ( 2 4 2 ) 矿瓤 式中：船脚发动机处于最高功率点时对应转速。 由式2 4 1 和式2 4 2 可以确定最小传动比k 的范围，一般选取其最大值作为最小 传动比。即 k = m a x ( k l ，2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 ) 最大速比 在最大速比参数设计过程中，起决定性冈素足整车设计目标与动力源转矩特性。 在并联式混合动力汽车中，最大转矩乙主要决定于发动机与电动机的耦合方式，其 耦合方式有转矩耦合和转速耦合两种脚。 a ) 转矩耦合式 采用转矩耦合式忽略损耗的输出转矩和转速如式2 4 4 和式2 4 5 所示 乙= 毛乙l + 也乙2 ( 2 4 4 ) 式中：乙电动机与发动机合输出转矩( 朋) ； 乇。发动机输出转矩( 聊) ； 乙：为电动机输出转矩( 所) ； 毛、乞转矩耦合常数。 ”等2 等 弦4 式中：电动机与发动机合输出转速( ，m i n ) ； 1 2 硕 j 论文并联混合动力汽车部件选型及整车性能分析系统研究 l 发动机转速( ，m i l l ) ； 甩。2 电动机转速( ，m i l l ) ； b ) 转速耦合式 采用转矩耦合式忽略损耗的输出转速和转矩如式2 4 6 和式2 4 7 所示 0 l f f = 毛由i l + 七2 0 ) 拥2 ( 2 4 6 ) 式中：删电动机与发动机合输出转速( 蒯j ) ； 抽，发动机输出转速( 删j ) ； 们为电动机输出转速( 俐s ) ； 毛、如转矩耦合常数。 下t l 。= 挚= 垒堕 ( 2 4 7 ) 上d 埘一， 一 f 一 厶- r ， k l筇2 式中：电动机与发动机合输出转速( 册) ： z 。发动机转速( 所) ； 已：电动机转速( 垅) 。 本文研究的并联混合动力系统采用转矩耦合方式，且毛= 1 ，屯的值视情况而定。 一般情况下舷值越大，汽车动力性越好，所需要的电动机功率越小，因此应尽叮能选 取较大的值，且其最大值为电动机最高转速与发动机最高转速之比。 由输出端转矩一转速曲线，可以得到最大转矩瓦瓤及其对应转速唧一，由最大转矩 乙，可确定传动系最大传动比： 0 。：，厶：塑盟竺坠竺些 ( 2 4 8 ) z 懈2 ，g l b2 ：= 一一 l2 4 5j m 。r l f 式中：k 电动机与发动机最大合转矩； j 州变速器一挡传动比： 0 【预期最大路面坡度角( 度) 。 ( 3 ) 各捎速比值及挡位数 传动系挡位数的多少与汽车用途有密切的关系。例如大型货车的挡位数一般多于 轿车的挡位数【1 8 】。挡位数越多，提高了发动机的负荷率，增加了整车的爬坡、加速性 能；另一方面，采用合理的换挡方法，可以明显改善发动机的油耗。但是，当挡位数 超过5 挡后，传动系统机械结构极为复杂，给零件制造与整车动力布置带来困难。在 车辆设计过程中应根据设计目标选择合适的挡位数【1 9 1 。计算出传动系最小、最人速比 值后，按相邻挡位间公比值范围为1 2 1 6 预确定各挡传动比大小。考虑到各捎的利 用率差别很大的缘故，较高挡位相邻两挡间的传动比间隔应小些。 传动系选型一般步骤为： 1 3 图2 4 1 传动系选型流程图 2 5 本章小结 简耍分析了混合动力汽车动力源及传动系