并联混合动力轿车传动比初选方法.doc

并联混合动力轿车传动比初选方法摘要：从并联式油电混合动力轿车的动力源外特性与传统汽车相比存在的差别出发，针对这样的动力源如何与有级变速器进行配合满足车辆的输出特性要求进行了研究。从动力性角度出发，对传动比选定的一些基本原则进行论证，结合一个具体设计用例，对混合动力传动系统传动比的初选方法进行探讨。关键词：并联混合动力，传动比，动力性中图分类号： 文献标识码：APrimary methods of transmission ratio confirmation for parallel hybrid car ZHONG Zaimin MA Yong(College of automotive engineering, Tongji University, Shanghai, 200092,China)Abstract: The external characteristics of the parallel hybrid power source are different from that of the conventional cars, how such a power source matches transmission with a manual gearbox is studied to meet the dynamic needs of hybrid car . From the dynamic point of view, basic methods of transmission ratio confirmation is discussed，and combined with a specific design case, the primary methods of the hybrid powertrain transmission ratio confirmation are given. Key words: Parallel hybrid, Transmission ratio, Dynamic property汽车传动系统传动比的选定包括变速箱档位、各档位齿数比以及主减速器齿数比。对于以传统的发动机作为动力源的汽车而言，传动系统传动比的选择有一套完整的理论和较为成熟的实践经验，但是对于并联式油电混合动力汽车而言，由于电机的特性与发动机特性有较大差别，同时电机的控制也较为灵活，因此在确定传动系统传动比的时候，传统经验就不完全适用。1结构简介及模型建立1.1结构简介并联式混合动力汽车结构如图1所示。该并联式混合动力基于机械式自动变速器（AMT）平台，发动机和电机的动力在变速器前由离合器进行耦合。离合器、变速箱以及相应的自动执行机构组成AMT系统。发动机电池逆变器电机/发电机变速箱图1 并联混合动力典型结构这种并联式混合动力能够实现发动机和电机分别驱动车辆，也可以通过扭矩耦合联合驱动车辆，有结构简单，扭矩分配灵活等特点，本文的所有讨论都基于这种类型的并联混合动力。1.2 模型建立本文采用传统发动机汽车和混合动力汽车的各项表征动力性的指标比较来确定传动比的差别及选择方法，因此必须首先建立两个可用于比较的模型。车辆动力性由动力源的功率来表征。选定的两个比较模型出发点就是两个模型的动力源的最大功率是相同的，这样在保证动力性相同的基础上讨论传动系统的传动比分配问题才有意义。本文选择两款发动机以及一个电机，48kw发动机作为传统汽车模型的动力源，用37.5kw发动机和10.5kw电机联合作为混合动力汽车模型的动力源。为了使本文的模型更具有普遍性和参考价值，对于汽车的功率，采用比功率的概念来描述，即单位汽车总质量具有的发动机功率，单位为kw/t，本文用符号P_m表示汽车比功率。 (1)本文中的计算使用的参数均取自某一微型轿车作为参考，该车动力源具有48kw的最大功率，整备质量为910kg，满载质量为1250kg，根据整备质量计算本文两个模型的最大比功率均为52.7kw/t。本文采用的模型比功率在轿车中是比较小的，属于微型车范畴（见表1）。表1 常见轿车比功率表车型比功率（kw/t）车型比功率（kw/t）宝马325107雅阁2.484宝来1.8T84奥迪A6 1.8T75宝来1.870凯越1.663QQ 1.156长安奔奔1.3 63下面比较两个模型动力源比功率特性以及扭矩特性，如下图：图2 模型动力源比功率特定及输出扭矩特性在低速段混合动力模型的功率比传统车模型略大，而输出扭矩远大于传统车模型；在高速段，两个动力源模型的输出功率扭矩是几乎相等的。电机本身具有额定功率和瞬时功率，上面的计算使用电机的额定功率，因此在不考虑电池容量前提下，功率是可以持续输出的。电机瞬时功率一般约为额定功率的倍，即可以达到18kw，在车辆行驶时电机瞬时功率在加速、爬坡等工况下可以为车辆带来更好的动力，本文在传动比的选择上，仍保守地以额定功率作为计算基础。1.3 混合动力模型动力源功率选择依据混合动力模型动力源发动机与电机的功率比为3.6:1。这样选择出于以下两点考虑：一、当电机无法提供动力时，发动机可以单独驱动车辆完成跛行模式行驶过程。二、电机功率可以在适当的档位下完成起步和驱动车辆行驶，能够实现纯电动模式。基于以上两点，经过计算和比较暂时选定以上比例。本文模型使用微型车的参数，因此以上比例并不一定适合动力源功率较大的混合动力车型。2最小传动比的选择当动力源工作在最大功率点时，恰当选择传动系统的总传动比，使得汽车能够达到最高设计车速，此时变速器的传动比为最小传动比。因此，本文中两个模型的最小传动比的选择是相同的。本文模型设计最大车速为150km/h，根据参考车型数据，两种模型的最小传动比暂选为（一般手动挡轿车即为5档传动比），=0.838；主减速器减速比=4.412。3 最大传动比的选择确定最大传动比时，要考虑三方面的问题：最大爬坡度，附着率以及汽车最低稳定车速。附着率需要考虑到轮胎和路面的情况，这里不做讨论。3.1根据爬坡度计算汽车爬大坡时，车速很低，因此忽略空气阻力，汽车的最大传动比要满足： （2）式中：a轿车的最大爬坡度，一般超过30%r车轮半径Ttqmax动力源最大扭矩f滚动阻力系数i0主减速比考虑到爬坡是在比较低的车速下，因此选取发动机转速在1600rpm时两种模型动力源能够提供的最大扭矩作为计算标准。分别计算可得：传统车一档传动比最小值=3.34；混合动力模型=2.07；如果混合动力模型电机不提供输出功率，那么相应的一档传动比最小值=4.22。3.2根据最小车速计算为了保证汽车在可以较低速度“爬行”，满足汽车在城市中堵车、泊车等工况需求，变速箱一档的传动比应该能使汽车在一定的“低速”下稳定行驶，本文界定对于传统汽车以发动机转速900rpm且离合器完全结合时汽车的行驶速度为最低车速。根据汽车理论提供的经验，当最低车速为4到6km/h时，相应一档传动比3.3到4.9，结合参考车型，将传统车模型的一档传动比暂选为3.818。对于混合动力汽车，由于电机可以在极低的车速下能够输出稳定的扭矩，并且本文采用的并联混合动力模型可以具有纯电动工作模式，因此混合动力最大传动比的选择可以不受最小车速这个条件的约束。3.3根据一档加速性能计算在乘用车设计中最大传动比的选择更多的是根据其加速性能来最终确定的。最大传动比除了满足起步要求外，还要使车辆能够在低速时具有更好的加速能力，满足车辆实际使用中的需要。下面考察传统车不同的一档传动比对其加速性能的影响。由汽车行驶方程式 （3）式中：Ft驱动力 Ff滚动阻力 Fw空气阻力将汽车理论中Ft，Ff和Fw的计算公式分别带入（3）式并分别取值从2.54.5之间的一系列数值，针对两个模型计算可以得到下面的图：图3 两个模型不同一档传动比下加速度特性从图4可以看出，在最大传动比的选取上，在保证加速度的前提下，混合动力模型可以比传统车模型选的小一些。仅从图上来看，传动比可以选到2.5以下。4 传动系档数和各档传动比的选择对于传统汽车，增加档位数都可以改善汽车的动力性和经济性。目前，经过多年的实践，普通手动变速器轿车普遍采用5档变速器，既能减小发动机排量同时传动系统不至于过于复杂，从而达到保证动力性的前提下节省燃油的目的。本文的传统车模型也采取5档变速器。根据汽车理论，在分配中间各档传动比的时候，主要原则是要充分利用发动机提供的功率，提高汽车动力性。为方便讨论，再假设两个对比模型，如图6，两种都具有三个档位的传动系统，最大和最小传动比都是相同的，中间传动比不同。汽车在全油门开度下加速时，在一档发动机达到最大功率输出时换入第二档可以保证一档发动机功率得到充分发挥，从而获得最大动力；二档换入三档也是如此。每个档位下发动机功率的覆盖面积和传动比分配方式有关系，不同档位加和得到的功率覆盖面积也有所不同。这个覆盖面积越大意味着发动机在转速随车速和档位变化时可以利用的功率越多，从而使汽车加速时间就越短，动力性越好。通过求覆盖面积极值，可以获得最佳中间传动比分配方式。图4 不同档位及分配比下发动机功率覆盖面积发动机输出扭矩外特性曲线可以用三次或三次以上的多项式来表示。本文使用的发动机模型的外特性曲线是用4次多项式通过最小二乘法拟合获得，即 (5)设，发动机爆发最大功率处的转速为，图6中的二档和三档可利用功率曲线覆盖面积之和为： （6）带入公式并整理可以获得 （7）根据数学中的平均值不等式定理（代数平均值大于或等于几何平均值，等号成立的条件为各个元素相等），式（7）中（其中n=2,3,4,5,6），因此Q取最大值的条件为，即每两个相邻档位之间的传动比的比值是相等的，此时各档传动比是按照等比级数分配。将档位数扩展到5个档，应用平均值不等式定理同样可以得到相同的结论。上述结论对混合动力模型同样适用。5减少一个档位的混合动力与传统车动力性的比较5.1选定模型传动系参数对于传统车模型和混合动力模型传动比的选择，经过前面的讨论可以得到以下三个原则：1)两种模型最小传动比选择要相同。2)混合动力模型的最大转动比可以选的小一点，基本可以选到2.5以下，但要大于2.07（爬坡要求）。3）对于最大和最小传动比之间的中间档位，两种模型都应按照等比级数分配传动比的原则进行分配，以充分利用动力源的功率。结合参考车型，暂时选定两个模型的传动比见下表。表2 混合动力模型最终选定的传动比传统车混合动力ig13.8182.613ig22.6131.789ig31.7891.224ig41.2240.838ig50.838-igR3.583-从表中可以看出，混合动力模型的传动系相当于传统车模型传动系去掉了第一挡和倒档。除了车速极低的情况外，两种模型的传动比对发动机转速的调节能力是相同的，即对经济性能的影响相同。在低速的时候，混合动力模型的纯电动模式可以解决少了一个档位后的低速爬行问题和倒车问题。5.2动力性能比较图5 两个模型功率外特性对比从图5中可以看出在不同档位的动力源低速段两种模型功率输出特性几乎相同，而高速段功率输出各有千秋，并且与换挡时机有密切关系，为了能够统一标准进行比较，本文比较两种模型全油门加速能力，即0-100km/h加速时间和加速到最大车速的时间，来说明动力性的差异。首先画两种模型的曲线（加速度倒数与车速之间关系），如下图：图6 两种模型加速度倒数及最小覆盖面积对比在曲线中，各条曲线与车速轴围成的面积中最小面积即为最快加速所需时间。 根据公式 （8）分段计算两种模型从0km/h到100km/h和 0km/h到最大车速的加速时间（理论上的最大车速为150km/h），其中将起步时间也计算在内，最终获得如下对比数据：表3 加速性能对比传统车混合动力纯加速时间（秒）换档次数纯加速时间（秒）换档次数0100km/h21.72s320.04s20150km/h112.07s4102.66s3从表格3可以看出，混合动力模型和传统车相比虽然少了一档，但是动力性却仍然比原车好，又因为档位数目有所减少，从而可以在相同的行驶条件下减少换挡次数。上面的讨论都是针对全油门情况，在车辆的实际使用中，全油门工况较少，绝大多是时间发动机在部分节气门开度下以部分负荷特性工作。由于电机扭矩调节不依附于节气门开度，具有很大的灵活性，因此可以根据发动机的最佳工作点对发动机输出功率进行调节；在瞬时工况中（如起步或短时超车等），电机还能够爆发瞬时功率提供动力，因此混合动力对发动机动力性方面缺陷的弥补将更加明显。另外，在去掉传统车一档和倒档后，混合动力模型传动系统的档位总数变为4个，对于变速箱齿轮轴结构的优化，选换挡执行机构的优化以及选换挡控制都带来诸多好处，如果就此深入研究将更好地推动混合动力技术的应用和推广。6 结论本文针对特定混合度的并联混合动力轿车，建立基于动力性的可比较模型，利用汽车理论中档位和传动比选择原则，