張恒先 周之光 景楓 王慶來

奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術中心 安徽省蕪湖市 241000

1 引言

插電式混合動力車（PHEV）是由傳統(tǒng)內(nèi)燃機和電力驅(qū)動系統(tǒng)所組成的混合驅(qū)動系統(tǒng)。與傳統(tǒng)汽車相比，在改善燃油經(jīng)濟性和減少廢氣排放、提高公交車的動力性能和續(xù)航里程等方面取得了很大成功。本文以動力性設計要求為依據(jù)，在汽車動力學基礎上針對PHEV動力系統(tǒng)的匹配計算進行動力參數(shù)匹配設計。

2 發(fā)動機選擇

首先，表1給出了部分關于插電式混合動力車的整車參數(shù)。

表1 整車參數(shù)

根據(jù)設計要求，以最高車速為基準，由公式（1）計算最大功率。

高速工況下工作時，公交車僅靠發(fā)動機驅(qū)動，由于發(fā)動機存在功率損失，并且當開啟空壓機、轉(zhuǎn)向泵及空調(diào)時產(chǎn)生功率負載，選擇標定功率為155kW、標定轉(zhuǎn)速為2300r/min的210馬力的直列水冷六缸發(fā)動機。

3 電機匹配

以混合動力系統(tǒng)配置形式及其控制策略為依據(jù)，同時分析電機參數(shù)對汽車發(fā)動機和整車動力的性能影響，對電機形式及性能參數(shù)進行匹配[1]。

由于插電混動車輛電機僅限于低速和加速情況下工作，故需使得電機功率滿足最大爬坡度以及加速時功率時的功率要求。

3.1 選擇最高車速功率

混動公交車最常行駛工況為水平道路，故需使電機額定功率滿足以純電動運行于水平道路上的的最高車速的要求。當混動車在純電動模式下工作時，且行駛在良好的道路面上，對其最高車速的要求為50km/h，故以公式（2）作為電機此時計算額定功率的依據(jù)。

3.2 選擇爬坡功率

最大爬坡度是指車輛行駛在良好道路上，并且在滿載情況下，以第一檔動力爬坡，能夠爬上的最大坡度的角度。另外，為了保證正常運行，還應該是的公交車電機的功率在純電動低速工況下，20%的爬坡度要求。以本文選擇的車輛控制策略為依據(jù)，該狀況下僅限于電機工作，故以公式（3）作為計算電機峰值的功率公式。

3.3 選擇電機扭矩

由于國內(nèi)現(xiàn)階段在高速區(qū)對永磁同步電機的恒功率控制具有相當?shù)碾y度。故電機連續(xù)工作狀態(tài)下，最高轉(zhuǎn)速取值且一般情況下，電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)（電機最高轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速）取值范圍為2.5-5，本文以2.5進行設計。于是電機連續(xù)工作的額定轉(zhuǎn)速由于電機額定扭矩為瞬時驅(qū)動最大爬坡度要求的電機峰值扭矩以公式（4）獲?。?/p>

故電機額定功率取值50kW，峰值功率取值100kW，電壓取值AC（300-410）V，額定扭矩取值1400r/min ，額定轉(zhuǎn)速取值340N?m，最高轉(zhuǎn)速取值3500r/min ，峰值扭矩取值680N?m。

4 選擇傳動比

作為主減速比，i0首先需滿足最高車速要求，進而使公交車達到在最高車速工作狀況下，依然能夠使用發(fā)動機的經(jīng)濟區(qū)間（1300-1700）r/min，因此，主減速比的約束條件設定為公式（5）[2-3]。

4.1 選擇主減速比

其中：r代表輪胎滾動半徑；

nemax代表發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速；

nep代表發(fā)動機最大輸出功率點所對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

根據(jù)已知數(shù)據(jù)可知3.679 ≤i0≤6.509。

在此速比范圍內(nèi)，考慮司機駕駛習慣，選用速比為4.3的HDZ450單級減速13T驅(qū)動橋。

4.2 選擇變速箱傳動比

在某公司選用的210馬力發(fā)動機情況下，由于其發(fā)動機功率較大，所以，在選擇傳動系統(tǒng)的最大傳動比過程中，首先考慮僅純發(fā)動機工作時，車輛能夠連續(xù)爬上的最大爬坡度的要求。如果低速工況，僅限于電機獨立驅(qū)動，選擇最大傳動比時，需要考慮車輛在純電機工作情況下的爬坡需求，并且有著充分盈余扭矩使得爬坡加速，此時由公式（6）計算。

式中：Temax表示在純電模式下，低速爬坡時電機的最大扭矩。

本文所選210馬力發(fā)動機的功率大于實際需求，由于控制策略中要求最小傳動比必須滿足最高車速，此外還需考慮發(fā)動機在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)進行工作，所以，為了能夠提高汽車在最高檔位行進過程中使發(fā)動機負荷率滿足要求，在進行最小速比選取設計時可以按照車輛最高車速等于或者略微小于發(fā)動機最大功率點所對應的車速進行。應滿足公式（7）。

由此可知，變速箱的傳動比必須滿足itmin≤1.514和itmax≥7.738。

根據(jù)上述計算結(jié)果，選定一款九擋變速箱，共九個檔位，次低擋傳動比為8.08，最高擋傳動比為1，額定轉(zhuǎn)速2600r/min，額定輸入功率220kW，額定輸入扭矩1190N?m。

5 確定動力電池參數(shù)

5.1 連續(xù)運行額定功率計算

計算動力電池連續(xù)運行的額定功率，首先應使其滿足牽引電機和發(fā)動機等其它輔機連續(xù)功率的要求。對于能力維持型的并聯(lián)混合動力車，要求其在長時間的穩(wěn)定運行前后動力電池的SOC保持不變，或變化很小（ΔSOC＜0.05）。此外，不同廠家的動力電池的SOC最佳工作范圍有所不同，但一般SOC在0.6-0.8范圍內(nèi)，動力電池組的內(nèi)阻最小，效率最高[4]。

發(fā)動機其他輔機主要考慮電動助力轉(zhuǎn)向泵和電動空壓機，輔機共需要消耗功率P_aec=12kW，則保證動力電池連續(xù)運行的額定功率為：

當SOC為0.6-0.8時，其峰值功率需要達到牽引電機峰值功率的要求和發(fā)動機的輔機系統(tǒng)消耗功率的要求，即：

5.2 動力電池峰值功率

5.3 動力電池容量和能量

動力電池的容量由設計要求決定。根據(jù)設計要求，車在純電動運行模式下，按40km/h勻速行駛里程不小于30km。一般情況下，動力電池放電SOC的下限取20%。按照控制策略不同，純電動狀態(tài)下分兩種情況進行分析：

（1）純電動模式下發(fā)動機不工作，空壓機和助力轉(zhuǎn)向泵僅由電機驅(qū)動。當該混動車直線行駛時，如果助力轉(zhuǎn)向泵的功率消耗減小到1kW，則輔機系統(tǒng)共消耗功率按Paec=7kW計算，則：

式中：E—動力電池標稱電壓，取E=346V。

根據(jù)計算結(jié)果，選取動力電池的容量為120A.h。此時，動力電池的總能量為：

WB1=120×346=41.52kW.h

（2）純電動模式下發(fā)動機繼續(xù)運行，驅(qū)動助力轉(zhuǎn)向泵和空壓機，此時不考慮輔機系統(tǒng)消耗的功率，則：

根據(jù)計算結(jié)果，選取動力電池的容量為100A.h。此時，動力電池的總能量為：

WB2=100×346=34.6kW.h

5.4 動力電池質(zhì)量

設計過程中，要選用比能量較高的鋰離子動力電池。本設計選用的動力電池比能量We=69W.h/kg，滿足要求的動力電池質(zhì)量為：

6 結(jié)語

本文以動力性指標為設計依據(jù)，理論與實踐相結(jié)合，對插電混動車動力系統(tǒng)關鍵部件進行了選擇與匹配。并詳細說明了動力總成部件選擇參數(shù)的原則以及過程和方法，文中針對這些過程和方法分別闡述了各部件參數(shù)的計算公式，并對其主要參數(shù)給予確定。