混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)

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1、混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)【摘要】本文介紹了混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法，根據(jù)設(shè)計(jì)的性能要求對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件ADVISOR對(duì)整車(chē)性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性?！娟P(guān)鍵詞】混合動(dòng)力汽車(chē)；動(dòng)力系統(tǒng);仿真;設(shè)計(jì)一、前言新能源汽車(chē)的發(fā)展是我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的戰(zhàn)略性發(fā)展方向。在新能源汽車(chē)中，混合動(dòng)力汽車(chē)?yán)^承了石油燃料高比能量和高比功率的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程短的不足，使其成為當(dāng)前新能源汽車(chē)領(lǐng)域最為切實(shí)可行的方案［1］?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

2、是其關(guān)鍵部分，本文針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，討論了混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的一般思路和方法。二、混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)1?發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車(chē)的主要?jiǎng)恿?lái)源，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要部分。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要工作是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇。如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇過(guò)大，汽車(chē)的燃油消耗就會(huì)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性能差；如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇較小，后備功率就小，動(dòng)力性能不足。發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇是由汽車(chē)在單驅(qū)動(dòng)工況下行駛的最大速度及其爬坡度來(lái)決定的，即：其中，Pemax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大

3、功率；為傳動(dòng)系效率；為最高車(chē)速;m為汽車(chē)的總質(zhì)量；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為空氣密度;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積。由于混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的是汽車(chē)正常行駛時(shí)的平均功率，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇主要是根據(jù)汽車(chē)勻速行駛的工況下功率的值，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)性能最好的區(qū)域，用下式計(jì)算：其中，Pe為汽車(chē)正常行駛時(shí)的功率；為汽車(chē)的平均行駛速度。2.電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)混合動(dòng)力汽車(chē)使用的電機(jī)具有這樣的特性：電機(jī)以小于額定轉(zhuǎn)速工作時(shí)，處于恒定轉(zhuǎn)矩的工作模式，反之，處于恒定功率的工作模式。電機(jī)本身的質(zhì)量、尺寸、損耗等因素都直接影響著

4、最高轉(zhuǎn)速，對(duì)傳動(dòng)系尺寸的大小也有較大的影響。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱(chēng)為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)B。當(dāng)電機(jī)功率為定值，隨B增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩增大，對(duì)電機(jī)支撐要求就越高，同時(shí)，電機(jī)會(huì)使傳動(dòng)比和齒輪應(yīng)力增大。低速電機(jī)B小，額定轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)尺寸和重量也較大，損耗也就增加，同時(shí)汽車(chē)起步加速和穩(wěn)定行駛要求電機(jī)具有較大的B值。因此，電機(jī)的選擇要綜合考慮最高轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)系尺寸和齒輪應(yīng)力等因素。一般情況下選擇中高速電機(jī)，即最高轉(zhuǎn)速在9000?15000r/min,B的取值為4?6,電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。電機(jī)的功

5、率要能滿(mǎn)足汽車(chē)在最高車(chē)速行駛的需要，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，電機(jī)的最大功率至少應(yīng)等于加速時(shí)的最大功率［2］,即：其中，為電機(jī)最大功率；為加速時(shí)間；為與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速相應(yīng)的車(chē)速；為加速后的車(chē)速。2.電池參數(shù)設(shè)計(jì)電池參數(shù)的設(shè)計(jì)主要考慮汽車(chē)電機(jī)的最大功率需求和汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程能量的需求［3］。電池在不同的荷電狀態(tài)下具有不同的內(nèi)阻值和峰值功率，在正常工作過(guò)程中峰值放電功率要大于電機(jī)的最大功率，此外，電池的總?cè)萘恳惨獫M(mǎn)足汽車(chē)在連續(xù)加速工況下和爬坡時(shí)電機(jī)做功的需求。(1)由電機(jī)最大功率確定電池?cái)?shù)目其中，為單個(gè)電池的最

6、大功率；為電機(jī)以最大功率工作時(shí)的效率；為電機(jī)控制器的工作效率;N為單個(gè)蓄電池組包含的電池?cái)?shù)目；E0為單個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì);Rint為單個(gè)電池的等效內(nèi)阻。(2)確定電池組數(shù)目蓄電池總?cè)萘繎?yīng)滿(mǎn)足汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的要求。電池組數(shù)目：其中，W為汽車(chē)行駛lkm所消耗的電池能量;L為續(xù)駛里程;CT為單個(gè)電池的容量;VT為單個(gè)電池的電壓。鎳氫電池具有高比能、大功率、耐用、體積小、重量輕和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的主流。鎳氫電池荷電狀態(tài)工作區(qū)在設(shè)計(jì)能量管理策略時(shí)應(yīng)使其始終工作在具有較低的充放電內(nèi)阻的0.2?0.

7、8之間。2.主減速器速比和速器最大傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)主減速器速比的選擇既要能滿(mǎn)足車(chē)輛行駛的最高車(chē)速也要能達(dá)到蓄電池充電時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率的要求，即：其中，為主減速器速比；為輪胎的滾動(dòng)半徑；為發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。變速器的最大傳動(dòng)比應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的最大爬坡度來(lái)設(shè)計(jì)，同時(shí)，還要考慮各種阻力的影響。變速器傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足下式：其中，為變速器的最大傳動(dòng)比；為最大爬坡度；為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩。三、整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真本文選取某電動(dòng)汽車(chē)作為研究對(duì)象，其整車(chē)基本參數(shù)及設(shè)計(jì)性能要求如表1所示。根據(jù)前述動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

8、方法，得出混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，如表2所示。利用ADVISOR軟件對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力性能進(jìn)行仿真分析。ADVISOR軟件能夠依據(jù)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的性能要求對(duì)一定行駛循環(huán)工況下汽車(chē)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能和排放性能進(jìn)行估算。仿真結(jié)果如圖1至圖4所示。汽車(chē)的最高車(chē)速為132km/h,最大爬坡度為30%。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷的發(fā)生變化,汽車(chē)在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)能夠提供額外轉(zhuǎn)矩，而在減速情況下電機(jī)開(kāi)始發(fā)電，有效的回收能量為蓄電池充電。從圖中得出