混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配研究

荀博深，耿龍偉，楊驍，趙振秀

（1.鹽城工學(xué)院汽車學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.英國(guó)華威大學(xué)制造工程學(xué)院，英格蘭 CV47AL）

前言

近年來，可持續(xù)能源存儲(chǔ)和管理技術(shù)得到迅速發(fā)展。因此，越來越多的電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車（BEV）或由燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車產(chǎn)生。電動(dòng)汽車是由牽引馬達(dá)和電池驅(qū)動(dòng)的，因此沒有任何排放。在環(huán)保方面，電動(dòng)汽車是最好的選擇。然而，受限于技術(shù)發(fā)展，電動(dòng)汽車行駛里程非常有限。在這種情況下，可采用大電池組和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)以增加行駛里程。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本設(shè)計(jì)方案以英國(guó)市場(chǎng)銷量較大的電動(dòng)版大眾up!汽車，本設(shè)計(jì)方案的工況選擇需滿足以下幾個(gè)要求：①3級(jí)油耗測(cè)試循環(huán)工況的的二氧化碳排放量為60g/km；②百公里加速時(shí)間16s；③高速公路巡航時(shí)速105km/h；④滿載時(shí)可在1/3斜坡上啟動(dòng)；⑤ 最小離地間隙大于 200mm。傳動(dòng)系中車輪相關(guān)的假定參數(shù)依據(jù)設(shè)置如下：

表1 車輪相關(guān)的假定設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)

2 車輪所需動(dòng)力

2.1 車輪所需功率

汽車需在 16s內(nèi)從靜止加速到 100km/h，因此，車輪所需功率：

假設(shè)100km/h的瞬時(shí)功率作為電機(jī)的峰值功率。Pa為加速度功率，，其變化率隨時(shí)間變化而變化。假設(shè)瞬時(shí)加速度和速度分別為0.67m/S2和27.8 m/s，則可推導(dǎo)出 16s所需的功率。將對(duì)應(yīng)的值代入公式 1可得：Pp=P車輪=44.16kw。

2.2 車輪所需扭矩

將上述所得功率、瞬時(shí)速度和輪胎半徑代入公式（2）可得：

3 布置方案設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)選擇

以大眾電動(dòng)版 Up!車型為參考對(duì)象，其布置結(jié)構(gòu)為串聯(lián)混動(dòng)。在串聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)中，電源由大容量發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組成。串聯(lián)混合動(dòng)力的顯著特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)不需與傳動(dòng)系統(tǒng)相耦合。在這種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要功能是充電，以延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間[1]。如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)和電池輸出的機(jī)械動(dòng)力通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪。

圖1 串聯(lián)混合結(jié)構(gòu)

該串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)怠速停止、再生制動(dòng)、蓄電池充電和靜止[2]。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。因此，研究和開發(fā)的成本較低；在串聯(lián)混合結(jié)構(gòu)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)較少，因此質(zhì)量更輕；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸也大大縮小，更好的節(jié)省了布置空間。

3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 電機(jī)

電機(jī)所需要的功率取決于驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。從最差的情況來看，所有的電力由牽引電機(jī)提供。機(jī)械動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪，再傳遞給車輪。通常沒有能量轉(zhuǎn)換的傳遞效果較好，傳輸?shù)男师强蛇_(dá)90%。其關(guān)系可描述如下：

因此，可得P峰值≈50kw。

額定功率應(yīng)滿足兩種情況下的功率要求，即巡航速度105km/h穩(wěn)定行駛工況，2.5s內(nèi)加速至40km行駛工況[3]。車輪所需的功率可由公式（4）取代：

取代后可得：

因此，可得P巡航≈16kw。同理可得P巡航≈28kw。電機(jī)所需較大功率為電機(jī)額定功率。因此，電機(jī)的額定功率為28kw。

為了推導(dǎo)電機(jī)的峰值扭矩，引入公式（6）如下：

3.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組

發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是為了滿足串聯(lián)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定狀態(tài)所需的功率。即巡航速度105km/h穩(wěn)定行駛工況的功率等于發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，這里不考慮多重轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的能量損耗。假設(shè)從發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率（ηe-g）為 95%；從發(fā)電機(jī)到電能的能量轉(zhuǎn)換效率（ηg-pe）為70%；從電能到電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率（ηpe-m）為80%，機(jī)械傳動(dòng)效率（ηm-w）為90%。將效率值代入公式（7）如下：

因此，可得P額定≈27kw。

3.2.3 蓄電池

忽略能源管理控制策略不計(jì)，整個(gè)循環(huán)由低相位、中相位、高相位和額外高相位組成。（Up!車型屬于 3b級(jí)是由于其處于工作狀態(tài)的功率質(zhì)量之比不足 75kg，比率大于 34W/kg，最高速度≥ 120km/h[5]）。最差情況下的電動(dòng)汽車更易于計(jì)算和推導(dǎo)。

圖2 EV模式在整個(gè)3b能量循環(huán)工況曲線圖

如圖2為整個(gè)WLTC在3b級(jí)驅(qū)動(dòng)循環(huán)的牽引、制動(dòng)和總能量，且都來源于蓄電池。由圖可知，在任何時(shí)刻，車輪所需總能量應(yīng)該等于相應(yīng)的牽引能量減去相應(yīng)的制動(dòng)能量，描述如下：

但實(shí)際上再生制動(dòng)效率不可能達(dá)到 100%。在制動(dòng)過程中，受滑動(dòng)摩擦影響，車輪表面的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成了熱能，因此，假設(shè)車輪的再生制動(dòng)效率ηw=40%[6]。假設(shè)再生能量從傳動(dòng)系流向電機(jī)的效率 ηw-m=90%。在制動(dòng)過程中電機(jī)也將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，假設(shè)效率 ηm-pe=80%。在此之后，電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化成電化學(xué)能儲(chǔ)存到蓄電池中，假定效率 ηpe-b=90%。最后，假設(shè)電池的放電效率ηb=95%。綜上所述，蓄電池中儲(chǔ)存的可再生制動(dòng)能量：

相反，蓄電池中釋放出來的牽引能量會(huì)在蓄電池向車輪的流動(dòng)過程中損失。假設(shè)蓄電池到車輪的轉(zhuǎn)換效率在兩個(gè)方向上相同，可描述如下：

代入公式（7）可得E總=4.89kwh。

由于整個(gè)驅(qū)動(dòng)循環(huán)被假定為在EV模式下驅(qū)動(dòng)，電池容量可以通過乘以完成的WLTC 3b循環(huán)的數(shù)量來計(jì)算。電動(dòng)版Up!可以跑到電池耗盡從3b循環(huán)中需求能量。使用公式（11）進(jìn)行計(jì)算：

在整個(gè)驅(qū)動(dòng)周期的范圍由電控單元控制，這里取 Range周期=23.266km，電動(dòng)汽車 Up!在 WLTC循環(huán)中指定行駛范圍為120km，該值小于電動(dòng)汽車e-Up! (NEDC)[5]。代入公式（11）可得：E蓄電池=25.22kmh。綜上所述，本文選擇ANR26650型號(hào)蓄電池，并提出整個(gè)電池的布置由10個(gè)串聯(lián)模塊組成，每個(gè)模塊由10個(gè)并聯(lián)組組成，并聯(lián)布置32節(jié)電池，其參數(shù)如下表2所示。

表2 蓄電池及其布置的技術(shù)參數(shù)規(guī)格

4 驅(qū)動(dòng)模式設(shè)計(jì)

圖3所示為Up!中管理控制系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)控制策略，確定驅(qū)動(dòng)模式。電控系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)循環(huán)算法，根據(jù)輸入的不同來確定最合適的驅(qū)動(dòng)模式。根據(jù)該算法產(chǎn)生三種不同的驅(qū)動(dòng)模式，以確定最佳的能源使用及管理情況，并將SOC保持在20%到80%之間[5]。

4.1 強(qiáng)制充電模式

汽車啟動(dòng)后，單片機(jī)開始檢查電池組的充電狀態(tài)。為了使鋰離子電池組的生命周期最大化，防止SOC值下降，與此同時(shí)保持燃料油位為 0%，在此情況下對(duì)蓄電池進(jìn)行強(qiáng)制充電。此外，在這種模式下，需限制牽引電機(jī)和ICE的運(yùn)行以達(dá)到能耗最低的目的。

4.2 增程模式

如果當(dāng) SOC低于 10%且燃料罐不是空的，單片機(jī)就會(huì)觸發(fā)，此時(shí)，啟動(dòng)牽引電機(jī)和 ICE給蓄電池充電。若 SOC＜40%，則傳感器將檢查油箱以確定是否開啟ICE進(jìn)行充電。如果燃料油位高于 0%，則由單片機(jī)選擇混動(dòng)模式自動(dòng)啟動(dòng)ICE給蓄電池充電。若油箱是空的，盡管SOC＜40%，汽車仍將保持電動(dòng)模式。一旦 SOC＞40%，駕駛員可選擇關(guān)閉 ICE以增程模式來進(jìn)行移動(dòng)充電。

4.3 電動(dòng)模式

當(dāng)檢測(cè)到SOC＞80%時(shí)，由于放電速率變快，ICE將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

圖3 驅(qū)動(dòng)模式管理控制系統(tǒng)

5 制動(dòng)系統(tǒng)（能量回收）

再生制動(dòng)系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車廣泛應(yīng)用的制動(dòng)系統(tǒng)。在制動(dòng)過程中，牽引電機(jī)可以反向旋轉(zhuǎn)以恢復(fù)動(dòng)能干擾扭矩。與此同時(shí)，牽引電機(jī)也可以像發(fā)電機(jī)一樣將能量轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電能[5]。為了實(shí)現(xiàn)必要的穩(wěn)態(tài)制動(dòng)以確定制動(dòng)力如何分布在前軸和后軸上。通常情況下，混合動(dòng)力汽車有兩種制動(dòng)控制策略[5]：串聯(lián)制動(dòng)和平行制動(dòng)。其中，串聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)可以給駕駛員更好的制動(dòng)感覺以及更好的回收能量。但是串聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，研發(fā)投入較大。而平行制動(dòng)從再生制動(dòng)中回收動(dòng)能較少，更多的是依靠較簡(jiǎn)單的控制策略來確保穩(wěn)定性。考慮到成本與穩(wěn)定性，本文選擇并行制動(dòng)系統(tǒng)。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案針對(duì)純電動(dòng)車的不足之處，參考混動(dòng)版典范汽車大眾 Up!車型。討論、設(shè)計(jì)并研究了混動(dòng)汽車設(shè)計(jì)過程中所需的動(dòng)力計(jì)算過程、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，其中包括電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)以及蓄電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算過程，研究了三種驅(qū)動(dòng)模式，分別是強(qiáng)制充電模式、增程模式、電動(dòng)模式，最后選擇了較為適合混動(dòng)汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng)，為今后能在混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)方面提供一定的參考。