并联混合动力汽车传动系参数匹配

吉林工业大学自然科学学报NATURAL SCIENCE JOURNAL OF JILINUNIVERSITY OF TECHNOLOGY2000　Vol.30　No.1　P.72-75并联混合动力汽车传动系参数匹配王庆年　何洪文　李幼德　初亮摘　要：研究了并联混合动力汽车动力传动系中发动机功率、电动机功率 以及主减速器速比的选择依据，给出了计算实例，通过模拟计算验证了选择依据的合理性。

关键词：并联混合动力汽车；动力传动系；参数选择；匹配中图分类号：U273 文献标识码：A文章编号：1002-378X(2000)01-0072-04Study on Parameter Matching for Parallel Hybrid Electric VehiclePowertrainWANG Qing-nian, HE Hong-wen， LI You-de, CHU Liang(College of Automobile Engineering,Jilin University of Technolo gy,Changchun 130025,China)Abstract：Based on theoretical analysis,a parameter selection met hod on engine power, motor power and the final drive radio of a parallel Hybrid E lectric Vehicle is presented in this paper and a practical example is also given .Finally,through simulation results the feasibility of this method has been vali dated.Key words：parallel hybrid electric vehicle;power train;parameter selection;matching1　发动机功率的选择 混合动力汽车动力传动装置参数(包括发动机功率、电动机功 率、传动系速比等)，对车辆的动力性、燃油经济性和排放性能有显著影响。

混合动力汽车 动力传动系主要有并联式和串联式两种典型结构。

本文主要针对并联混合动力汽车传动系 (如图1所示)进行参数选择和匹配分析。

图1　并联混合动力汽车结构简图Fig.1　The configuration of a parallel hybrid electric vehicle 发动机功率的选择对并联混合动力传动系的设计至关重要。

发动机功率偏大，车辆燃油经济 性和排放性能就差；发动机功率偏小，后备功率就小，电动机只有提供更多的驱动功率，才 能满足一定的车辆行驶性能要求，这势必引起电动机和电池组容量取值的增大和车辆成本的 增加。

另外，电池组数目增多，在车辆上布置困难，车重增加，仅依靠发动机的富裕功率难 以维持电池组的额定电量，限制了车辆的续行里程。

由于并联混合动力汽车通常都采用由发 动机提供车辆平均行驶功率，由电动机提供峰值功率的控制策略，因此其功率值的选择主要 应考虑车辆匀速行驶时的功率需求，通常按下式初选发动机最大功率　(1)式中P e,max为发动机最大功率；v*为车辆匀速行驶的速度；C d为空气阻力系 数；A为迎风面积；m为整车质量；η为传动系效率；f为滚动阻力系数。

v*的具体取值应依据所设计车辆的动力性能要求而定。

取v*=v max〔1〕 (最高车速km/h)，显然发动机的功率偏大，因为实际上车辆很少以最高车速行驶，尤 其在我国更是如此。

据文献〔2〕，我国城市车辆的平均行驶车速v a仅在20 ～30 km/h之间 ，取v*=v a，则发动机的功率将偏小。

因此结合我国车辆和路况实际现状，v*的取值为v a≤v*≤v max。

2　主减速器速比i o的选择 i o的选择首先应满足车辆最高行驶速度要求，即　(2)式中N e,max为发动机最高稳定转速(r/min)；R r为车轮滚动半径(m )。

另外，为使发动机在最高车速时仍能发挥出最大功率，i0的选择还应满足　(3)式中N ep为发动机最大功率点对应的转速(r/min)。

图2　不同i o时车辆的功率平衡图Fig.2　Vehicle power-speed diagram withfinal drive ratios 由图2知，当i o=i o3时，车辆低速行驶具有较大的后备功率，但满足不了最高车速 的要求，这就需要电动机具有更大的额定功率，电池组具有更大的容量；当i o=i o1 时，虽可以稍微减小高速行驶时的电动机供应功率(P A-P B)，但却显著减小 了车辆低速行驶时的后备功率，得不偿失；而当i o=i o2时，即可以满足最高车速的 要求，同时，车辆低速行驶时又具有相当大的后备功率，但前提条件是最高车速行驶 时电动机必须提供更大的输出功率(P A-P C)。

实际上，车辆以最高速度行驶时的功率并 不高，而车辆低速行驶时，发动机具有较高的后备功率，从而使其有富裕的功率为电池组充 电，有助于减小车辆携带的电池组的容量。

因此，为获得比较好的综合性能，i o的选择应符合式(2)中的等号要求。

3　电动机参数的选择 通常，适用于电动车辆使用的电动机外特性为：在额定转速N mr以下，电动机以 恒扭矩模式工作，在N mr以上，以恒功率模式工作。

相应参数选择包括：电动机 额定功率P mr、电动机额定转速Nmr、电动机最大转速N m,max。

3.1　电动机额定转速和最高转速的选择 电动机的最高转速对传动系的尺寸、电动机的额定扭矩都有影响。

在电动机功率一定的前提 下，其额定扭矩与最高转速间的关系如图3所示。

图中，y坐标表示电动机的最高转速与额定 转速的比值，也称电动机扩大恒功率区系数β。

由图3知，随β值增大，转速越低，对应的 电动机额定转矩越高，因此对电机支撑要求就越高。

另外，高扭矩需较大的电机电流和电子 设备，增加了功率变换器矽钢片的尺寸和损耗，但大β值又是车辆起步加速和稳定运行所必 需的，所以电机传动轴额定扭矩的减小只能通过选用高速电机来解决。

但这又影响传动比， 所以必须协调考虑电机最高转速和传动系尺寸。

另一方面，增大β值也会使驱动轴扭矩和齿 轮应力增大，选择时还要协调考虑β值和齿轮应力。

就目前来看，一般都倾向于选择中高速 电机(最高转速在9 000～15 000 r/min之间)，扩大恒功率区系数β一般选择在4～6之间，相应地，电动机额定转速N mr=N m,max/β　(4)图3　电机额定转矩与最高转速间的关系曲线Fig.3　The relation map of rated motor power maximum图4　并联混合动力汽车驱动力-车速图Fig.4　Parallel hybrid electric vehic le drivemotor speed and rated motor　force-speed diagram3.2　电动机额定功率的选择 在并联混合动力汽车传动系中，电动机主要为车辆提供峰值功率，因此其功率参数的选择要 由具体车辆的加速性能要求决定。

在良好水平路面上，车辆由起步加速到u a的加速时 间t1(单位：s)为：　(5)式中F t为车辆行驶驱动力(N);F w为空气阻力(N)；F f为滚动阻力(N);m为 整车质量(kg)；δ为转动质量换算系数；u为设定车速(km/h) 变速箱采用单一速比，并联混合动力车辆的驱动力-车速图如图4所示。

车辆驱动力的计 算如下　(6)　(7)　(8)式中Pe(v)为发动机输出功率(kW);i t为变速箱速比；i m为扭矩合成装置 速比。

由式(5)可知，电动机功率的选择应满足：t不应超过期望的最大加速时间t a。

4　计算实例 利用前述理论，现以CA6440轻型客车为例，将其动力传动系改造为双轴式并联混合动力 传动系。

由于混合动力传动系采用了小型内燃机和单前进档变速箱，附加了电动机和电 池组，可认为采用混合动力传动系后，整车质量没有变化。

CA6440客车整车参数为：m= 2 295 kg;C d=0.40;A=2.73 m2;R r=0.3 302 m;f=0.015。

所选择的 混合动力传动系参数：取DA462汽油发动机；P mr=35 kW;N mr =2 200 r/min;N m,max=11 000 r/min;E bat=240 V(6V×40 )；i t=1.00；i o=6.84;i m=1.90。

5　并联混合动力汽车动力传动系参数匹配分析 并联混合动力汽车与纯电动车辆的最大区别在于它的续行里程不受电池组容量的限制，即电池组在车辆行驶过程中始终有充足的电量，而这一点的实现依赖于动力传动系参数的合理匹配。

车辆在行驶始末，电池组中的总能量变化为E=∑ΔE c-∑ΔE d　(9)式中ΔE d为电动机工作输出功率在时间段Δt内电池组的放电量；ΔE c为 电动机以发电机模式向电池组充电，电池组在Δt时间内获得的电量。

若E≥0，则说明电池组充放电量可达到平衡，因而车辆的续行里程可不受电池组容量限制。

按照我国城市十五工况循环对依照上述理论所设计的并联混合动力传动系车辆进行了模拟计 算。

图5给出了电池组能量变化与主减速器速比间关系的模拟计算结果。

图5　电池组能量变化与主减速器速比间关 系曲线Fig.5　Battery energy change diagram andfinal drive ratio 由图5可以看出，设计值十分接近满足E≥0的要求，说明按前述理论进行参数选择是合理的。

6　结　论 (1)发动机功率参数的选择以满足车辆匀速行驶功率为依据，即略低于车辆以最高速度行驶 时的功率需求为宜； (2)理论上主减速器速比取得越大越好，但应以保证车辆能达到最高车速为界限； (3)电动机参数的选择应能够满足车辆的加速性能要求。

基金项目：吉林省科委资助项目(980506) 作者简介：王庆年(1952-)，男，黑龙江佳木斯人，吉林工业大学教授王庆年（吉林工业大学 汽车工程学院，吉林 长春　130025）何洪文（吉林工业大学 汽车工程学院，吉林 长春　130025）李幼德（吉林工业大学 汽车工程学院，吉林 长春　130025）初亮（吉林工业大学 汽车工程学院，吉林 长春　130025）参考文献:［1］　Gao Yimin.Parametric design of the drive train of an electrically peaking hybrid vehicle ［A］.SAE Paper［C］970294,1997.［2］　李东军，李理光.中国典型城市车辆行驶状况的测试统计［J］.汽车技术， 1998 (3).［3］　Mehrdad Ehsani.Khwaja Rahman M.Propulsion system design of electr ic and hybrid vehicles［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,1997,44( 1).［4］　Udo Winter,Jurgen Brandes.Influence of battery characteristics on traction drive performance［A］.SAE Paper［C］.940293,1994.收稿日期 ：1999-09-06并联混合动力汽车传动系参数匹配作者：王庆年， 何洪文， 李幼德， 初亮， WANG Qing-nian， HE Hong-wen， LI You-de， CHU Liang作者单位：吉林工业大学,汽车工程学院,吉林,长春,130025刊名：吉林工业大学自然科学学报英文刊名：NATURAL SCIENCE JOURNAL OF JILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年，卷(期)：2000,30(1)被引用次数：53次1.Udo Winter;Jurgen Brandes Influence of battery characteristics on traction drive performance 19942.Mehrdad Ehsani;Khwaja Rahman M Propulsion system design of electr ic and hybrid vehicles[外文期刊] 1997(01)3.李东军;李理光中国典型城市车辆行驶状况的测试统计 1998(03)4.Gao Yimin Parametric design of the drive train of an electrically peaking hybrid vehicle 19971.舒红.秦大同.胡明辉.杨亚联.叶明.SHU Hong.QIN Datong.HU Minghui.YANG Yalian.YE Ming轻度混合动力汽车再生制动能量管理策略[期刊论文]-机械工程学报2009,45(1)2.朱元.吴志红.陆科.ZHU Yuan.WU Zhihong.LU Ke行星齿轮混合动力汽车驱动模式的切换规则[期刊论文]-同济大学学报（自然科学版）2009,37(7)3.舒红.秦大同.胡建军混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势[期刊论文]-重庆大学学报(自然科学版)2001,24(6)4.舒红.刘文杰.袁景敏.高银平.Shu Hong.Liu Wenjie.Yuan Jingmin.Gao Yinping混联型混合动力汽车能量管理策略优化[期刊论文]-农业机械学报2009,40(3)5.舒红.秦大同.杨为混合动力汽车动力传动系参数设计[期刊论文]-农业机械学报2002,33(1)1.舒红宇.王锟.陈齐平.田野.代幼文天然气混合动力城市客车动力系统的设计与开发[期刊论文]-重庆大学学报：自然科学版 2012(2)2.季新杰.李声晋.方宗德单轴并联式混合动力汽车动力系统参数匹配的研究[期刊论文]-汽车工程 2011(3)3.张闻.张建武.陆明消防车混合动力系统的模拟与仿真[期刊论文]-消防科学与技术 2011(8)4.罗朝晖.李纪雄混合动力旅游客车整车轻量化设计[期刊论文]-客车技术与研究 2011(2)5.杨攀.赵又群Plug—in混合动力城市公交车参数匹配与仿真[期刊论文]-机械科学与技术 2011(8)6.韩立金.项昌乐.刘辉.张东好.唐正华双模式混合驱动装置电机参数匹配[期刊论文]-吉林大学学报：工学版 2011(6)7.舒红宇.陈齐平.代明兵.阮登芳.张勇重型商用车动力传动系参数优化与软件开发[期刊论文]-解放军理工大学学报（自然科学版）2011(6)8.那鹏飞混合动力汽车发动机匹配的研究[期刊论文]-机械工程与自动化 2010(1)9.付苗苗.吴乙万.陈广菱形四轮驱动汽车动力传动系统的设计与研究[期刊论文]-计算机仿真 2010(2)10.王昕彦.梁桂航.牟春燕基于ADVISOR的混合动力车辆动力源功率匹配仿真研究[期刊论文]-计算机应用与软件 2010(11)11.王加雪.王庆年.吴栋.杨钫.赵子亮插电式混合动力客车功率匹配与仿真[期刊论文]-吉林大学学报（工学版） 2010(6)12.孔晓龙重型混合动力电动汽车能量消耗量测试方法研究[期刊论文]-上海汽车 2009(9)13.插电式混合动力汽车动力系统参数研究[期刊论文]-计算机仿真 2009(10)14.SUN Hui.JIANG Ji-hai.WANG Xin Energy control strategy for parallel hydrostatic transmission hybrid vehicles[期刊论文]-哈尔滨工业大学学报（英文版） 2009(4)15.于永涛.曾小华.王庆年.李骏.王伟华混合动力汽车性能仿真软件的可用性仿真验证[期刊论文]-系统仿真学报 2009(2)16.于远彬.王庆年.王伟华.曾小华应用复合电源的轻度混合动力汽车的参数匹配[期刊论文]-吉林大学学报(工学版) 2009(2)17.姚小刚.邓明星并联混合动力汽车性能仿真分析[期刊论文]-企业技术开发（学术版） 2009(7)19.李国斐.林逸.何洪文ISG系统动力部件参数设计及仿真[期刊论文]-机械设计与制造 2009(6)20.肖清.王庆丰液压挖掘机混合动力系统的参数匹配方法[期刊论文]-中国公路学报 2008(1)21.熊伟威.舒杰.张勇.殷承良.姜杰峰.陈彦雷一种混联式混合动力客车动力系统参数匹配[期刊论文]-上海交通大学学报 2008(8)22.武小兰.王军平.曹秉刚.边延胜充电式混合动力电动汽车动力系统的参数匹配[期刊论文]-汽车工程 2008(12)23.张忠伟.文建辉并联混合动力汽车驱动系参数匹配[期刊论文]-拖拉机与农用运输车 2007(6)24.曾小华.王庆年.李胜.王伟华正向仿真模型与反向软件ADVISOR的集成开发[期刊论文]-汽车工程 2007(10)25.杨伟斌.吴光强.秦大同.鞠丽娟混合动力汽车传动系优化匹配及性能仿真[期刊论文]-同济大学学报（自然科学版） 2006(7)26.周春国.冯莉.刘凯.崔亚辉并联混合动力汽车动力分配装置的建模与仿真[期刊论文]-西安理工大学学报 2006(1)27.张林.杜子学.文孝霞.栾彦龙.周均并联混合动力汽车动力系统参数设计及仿真[期刊论文]-北京汽车 2006(1)28.徐杨串联混合动力城市客车问题研究[学位论文]硕士 200629.王克峰基于虚拟仪器的混合动力电动车车载数据采集分析系统的研制[学位论文]硕士 200630.熊志伟混合动力城市客车动力系统研究[学位论文]硕士 200631.李静红混合动力汽车驱动系统设计与仿真分析[学位论文]硕士 200632.符代竹基于载荷谱的MT变速器疲劳设计及试验研究[学位论文]硕士 200633.张林.杜子学.文孝霞.栾彦龙.周均并联混合动力汽车动力系统参数设计及仿真[期刊论文]-天津汽车 2005(5)34.曾小华.王庆年.李骏.王伟华.赵子亮城市混合动力客车功能样车的典型模式调试及动态过程分析[期刊论文]-汽车工程 2005(5)35.王庆年.金启前.初亮.王伟华传动系参数和控制参数对并联混合动力轿车性能的影响[期刊论文]-吉林大学学报（工学版） 2005(3)36.薛峰混合动力轿车用行星齿轮动力分配装置及整车仿真研究[学位论文]硕士 200537.何晶混合动力汽车电控系统的设计[学位论文]硕士 200538.方伟新混合动力电动汽车运行参数记录分析系统的研制[学位论文]硕士 200539.王凤麒并联式混合动力汽车动力传动系的研究[学位论文]硕士 200540.林枫可持续发展城市公共交通的新型汽车动力系统研究[学位论文]硕士 200541.郑利SWB6105HEV混合动力城市客车动力系统的布置方式及性能分析[学位论文]硕士 200542.曾小华.王庆年.王伟华混合动力汽车动力电池容量特性[期刊论文]-农业机械学报 2004(6)43.张京明.崔智全.崔胜民一种混联式混合动力轿车动力源功率的优化计算[期刊论文]-公路交通科技 2004(6)44.曾小华.王庆年.李骏.王伟华.初亮基于ADVISOR2002混合动力汽车控制策略模块开发[期刊论文]-汽车工程 2004(4)45.吴华基于上海市道路运行条件的四轮驱动混合动力汽车的仿真研究[学位论文]硕士 200446.杨伟斌ISG型轻度混合动力汽车动力传动系的匹配与仿真研究[学位论文]硕士 200447.曹文明燃料电池/蓄电池双能源电动汽车动力系统匹配的研究[学位论文]硕士 200448.朱正礼并联式混合动力轿车动力系统性能匹配与优化研究[学位论文]博士 200449.杨伟斌.秦大同.杨亚联.杨阳.舒红轻度混合动力汽车动力元件的选型与参数匹配[期刊论文]-重庆大学学报(自然科学版) 2003(11)50.钱劲燃料电池电动汽车动力系统集成设计及系统控制算法开发研究[学位论文]硕士 200351.蒲斌混合动力汽车参数设计及电机控制系统仿真[学位论文]硕士 200352.舒红.秦大同.杨为混合动力汽车动力传动系参数设计[期刊论文]-农业机械学报 2002(1)53.何洪文.孙逢春.李幼德混合动力轻型客车动力传动系的设计研究[期刊论文]-车辆与动力技术 2001(4)54.罗玉涛.胡勤栋.张桂连混合动力客车系统参数匹配及仿真[期刊论文]-中国机械工程 2010(24)本文链接：/Periodical_jlgydxzrkxxb200001016.aspx。