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混合动力汽车动力系统的设计和评估
作者：1.Madhwi Kumari ,Department of Electrcal Engineering ,L TCoE Koparkhairane ,Navi Mumbai, India ,madhwikmr@redifJmail. Com2.P. R. Thakura ,Department of EEE ,BIT Mesra ,Ranchi, India ,prthakura@bitmesra. ac. In3.DNBadodkar ,B. A. R. C. Mumbai ,Mumbai, India ,dbadodkar@gmail. com
摘要
如今，混合动力汽车是针对具有不同结构和控制策略等要求而设计，车辆动力系统部件设计的期望值可以不再基于不同公式。燃油经济性和汽车的排放已成为了基础的约束。汽车制造商在决定动力系统部件的功率（尺寸）大小之前，必须考虑公路运输政策。基于建模和仿真的设计方法已经开始被许多研究人员和汽车制造商采用。为了得到预期的汽车性能，汽车的动力系统部件的功率（尺寸）大小在设计过程中被优化。NERLADVISOR就是这样一种车辆模拟软件，用于混合动力汽车动力系统的功率（尺寸）大小优化。本文使用ADVISOR模拟来确定混合动力汽车动力系统部件的功率（尺寸）大小，并获得预期的表现。
关键字-三齿轮混动，燃油经济性，排放性能，驱动周期，充电状态（SOC），PPS（峰值电源）。
Ⅰ 绪论
环境问题和气候变化迫使各国采取严格的排放政策。对外国石油进口的依赖使原油价格暴涨。这推动了混合动力汽车领域的持续研究，以最大限度地减少排放并改善燃料效率。最大限度地减少尾气排放和提高最大燃油效率是汽车持续行驶和响应减排政策的基本要求，但汽车制造商也将混合动力汽车用于其他目的，如传动系的尺寸大小和动力系的功率（尺寸）大小的改动也成为车辆效用和驾驶舒适性的参考条件。自TOYOTA推出首款具有串联和并联混合动力组合的PRIUS以来，混合动力汽车的结构也有各种改进[9]。
一些文献将混合动力定义为以电气和机械工程为媒介，任何由不同类型组件组成的，能够执行相同任务的的设备或车辆 [3-4]。
由两个或两个以上的不同动力源产生牵引力的车辆称为混合动力车辆。在混合动力汽车中，主要使用的两个动力源是汽油发动机和电动机。使用混合动力技术的丰田普锐斯，丰田汉兰达和本田Insight等车辆，正在根据传统车辆扩展驱动范围，同时追求更低的排放。在混合动力汽车中，电动机可以处理瞬态变化和汽油发动机的快速动态变化。在传统车辆中，最大的尾气排放发生在汽油发动机的瞬态。因此，混合动力汽车有能力控制车辆排放。在本文中，讨论了并联混合动力汽车的动力系统的功率（尺寸）大小。第二节对不同混合动力汽车的结构进行了简要讨论。接下来的部分利用仿真软件对动力系统的部件进行估算和设计。最后，通过后期的模拟再次观察车辆的性能。NERLADYISOR车辆模拟软件可用于执行这些任务。
Ⅱ 混合动力汽车的拓扑结构
虽然各种混合动力汽车制造商使用了许多不同的结构，但主要可以分为串联和并联两种混合动力汽车。其他结构只是这两类的结合和衍生形式。
A．串联混合动力
在串联混合动力系统中，汽油发动机驱动发电机，并且供应电力给电池。然后来自电池的电能由电动机接收，电动机又驱动车轮以推进车辆。汽油发动机始终以最佳效率运行，车辆仅通过电动机获得动力，该系统在停车和城市驾驶过程中效率最高。但在高速公路上持续行驶时，系统的效率降低。
B．并联混合动力
并联混合动力系统可以在两个动力源之间切换，即汽油发动机和电动机。根据具体情况，两个动力源也可以同时使用，以实现最大功率输出。该系统能够在高速公路行驶条件下提供更高的效率。此外，电动机可以在城市驾驶时单独使用，而汽油发动机可以为电池充电，从而提供的整体效率。
C．三齿轮混合动力
三齿轮混合动力由顺序运行的三齿轮箱连接混合动力系统的简称，它有两个电机和发动机组成。通过在额外的电机和并联混合动力汽车之间增加一个离合器，它可以从并联切换到串联模式。这需要两台电机、一台额外的离合器和计算机容量来处理所造成的瞬时损耗比较。
D．功率分配
混合动力功率分流（PSH）能够实现在串联和并联混合状态之间变换。PSH甚至被称为复杂的、组合的或双重的混合动力。行星齿轮箱连接两台电机和汽油发动机。牵引电动机连接到环形轮，发电机连接到太阳轮，最后汽油发动机连接到支架，从而可以选择关闭汽油发动机，并且车辆可以以纯电动模式驱动。由于太阳轮和行星轮的连接，可以通过改变发电机的速度简单地调节发动机的速度。
Ⅲ 混合动力汽车动力系统部件设计
在混合动力汽车中，电能存储在电池中并作为电池储备，并且还可以通过在再生模式下或在汽油发动机空转时将机械能转换为电能。电能转换器和逆变器集中用于这些功率转换，即从AC到DC，反之亦然。这样，电力推进系统成为混合动力汽车的核心。
电力推进系统的选择取决于所需的性能和许多限制条件。所需性能要求包括最大加速度，最大速度，爬坡能力，制动和制动距离。而限制条件主要是尺寸，重量，体积，成本，车辆类型和有效载荷等。设计一系列混合动力汽车的动力系统非常简单，因为所有车辆的性能完全取决于牵引电动机的功率大小。在整个驾驶循环的任何时刻所需的总牵引功率仅由电动机提供。排放控制和燃油经济性可以是性能要求和约束。因此，汽油发动机可以小型化，并且可以在其固定的最大效率点运行。电动机驱动和传动齿轮的尺寸也与电动车辆相同。通常，系列混合动力汽车使用单传动齿轮。
并联传动系混合动力汽车的零部件尺寸的确定是一项繁琐的任务，因为发动机和电动机都连接到从动轮。并联混合动力汽车的控制较为复杂。考虑到车辆的重量，必须优化所有部件的尺寸。同时发电机也不与混合动力汽车并联。
由于并联混合动力汽车可以具有不同的配置，因此设计动力系统部件对于有特定要求和约束，因此设计的车辆将是独特的。即使总牵引功率相同，相同的设计也不适用于其他车辆。比如，与用于城市驾驶的车辆相比，用于赛车的动力系统部件的设计将是完全不同的。
驱动循环模拟在混合动力汽车的动力系统部件的功率（尺寸）设计中起着非常重要的作用，主要参考参数为混合动力汽车发动机功率，电动机功率，传动齿轮比以及峰值功率源（PPS）的功率和电池能量容量。
联合测试程序（FTP）驾驶循环，ECE循环和US06驾驶循环是用于乘用车和轻型车辆的一些循环，用于模拟估算动力系统部件的功率（尺寸）。
Ⅳ 并联混合动力车传动部件设计实例
通过设计并联混合动力汽车动力系统可以很好地理解混合动力汽车动力系统。这需要一些车辆的基本参数和性能要求[10-13]。
考虑车辆参数：车辆质量Mv=1300kg，滚动阻力系数fr=0.012，空气密度
rho;a=1.205kg/m3，前部面积Delta;f=2.5m2，气动阻力系数CD=0.4，车轮半径r=0.3m，传动效率eta;t=0.9，电动机效率eta;m=0.95。车辆需要在13秒内加速到100公里/小时。平路所需的最高速度为180km/h，5%坡度上的最大速度应为100公里/小时，再生功率为30％。
A．发动机功率的设计
图1.并联式混合动力车示意图
由于它是一款并联混合动力汽车，发动机应该能够单独提供足够的动力，并保证车辆像常规车辆一样，在平坦的道路上正常行驶。在这种情况下，车辆行驶所需的功率如[3-5]所示。
平坦道路的最大速度要求为180公里/小时，需要90KW的发动机功率和多齿轮传动。在5％坡度的道路上需要保持100千米/小时的最大速度，所需的发动机功率为39KW。平路功率要求与坡度功率要求之间存在较大差距。因此，应该计算发动机的平均功率，如[3]所示。
平均功率被视为整个驱动周期所需功率的平均值。该车辆模拟了FTE、ECE和US06全油门燃油转换器(发动机)的驱动循环，发动机的平均功率计算结果为63kW。
90kW的平坦道路功率要求将使发动机尺寸非常大，这将影响车辆的总重量，因此63kW的发动机功率是最佳的选择，发动机在5档时或在混合动力模式下借助电动机可以达到90kW的功率需求。因为即使在平坦的道路上，180km/h的速度也是非常高的速度。
B．电动机的功率选择
在混合动力汽车中，电动机在混合模式下提供峰值功率需求。电机功率的设计需要满足加速性能和峰值功率要求。电机额定功率表示为[3]。
其中是质量因子，取1.04。使电动机的传动效率为0.95，在10秒内将车辆从基速=50km/h加速到=100km/h的最终速度需要电动机功率为72kW。如果考虑从静止到100km/h的加速时间为13秒，那么电动机功率仅为42kW。差异很大，因此需要优化的电机的功率大小。
图2.评估内燃机功率的各种驱动循环测试
（a）ECE行驶循环（b）FIP行驶循环试验
如图2所示，FTP驱动循环中发动机最大功率为55kWh，这也是两个循环中的最大功率，我们可以将电机额定功率最大化如下：
发动机的最大功率=55kW；
发动机剩余功率=63-55=8kW；
所需电机功率=72-8=64kW。
当在HL07行驶循环中进行如图3所示的加速性能测试时，所需的最大电动机功率约为50kW，并且车辆仅在8.4秒内即可从静止状态推进至100km/h。所以64kW电机是可以接受的。
C．变速器设计
五档变速箱将是一个很好的选择，因为平路上的速度要求是180公里/小时，
这是非常高的速度。通过五档变速器，车辆在城市道路行驶时也能表现良好。
图3.用于观察电机功率要求的HL07驱动循环的加速度测试
D．能量存储设计
在混合动力汽车中，能量存储系统必须能够为电动机提供足够的能量，因此能量存储的额定功率必须大于,电机的功率为64kW，效率为0.95，所以额定功率必须高于68kW
混合动力汽车的储能系统（ESS）是根据其功率与能量比[1]，[18]选择的。功率与能量比（功能比）定义为：
ESS的功能比还与特定放电循环中的电池充电状态（SOC）有关。对于不同的SOC，不同的电池具有不同的功能比。
此外，电池容量应足够高，以便在任何时候处理峰值功率需求时，保证其在全电范围（AER）中运行车辆。驱动周期测试是决定电池功能比和估算SOC非常实用的方法。将城市测功机驾驶时间表（UDDS）测试和公路驱动燃料经济性测试（HWFET）用于在AER中测试的车辆，获得的结果列于表I中。
表Ⅰ 全电范围结果
|
行驶循环 |
时间（s） |
最大功率（kW） |
能量（kWh） |
SOC 改变 |
|
UDD |
1110 |
66 |
21 |
46% |
|
HWFET |
759 |
66 |
14 |
80% |
图4.UDDS驱动周期中储能系统（ESS）的电力需求和SOC记录
对于46％电池放电，UDDS循环时的功能比为3.2而在HWFET循环测试期间，对于SOC为80%的电池放电是4.7。虽然在两个测试驱动周期中，峰值功率需求为66kW，低于根据68kW的电机额定功率计算的动力电池功率，但我们将在68kW和66kW之间进行转换。表2显示了市场上的一些混合动力汽车电池产品及其功能和可用SOC[14-15]。
SAFT是锂离子电池，而Cobasys是镍氢电池。该特定车辆可选择高能电池，额定电流为80％，额定电压为12V。混合动力汽车电池也可根据额定电压，深度放电次数，温度，重量，体积等进行选择。因此，在最终选择之前，ESS的选择实际上是在许多技术参数之间的权衡[2]。
表Ⅱ 混合动力电动车电池
|
电池类型 |
电池 |
功能比 |
可用SOC |
|
高能量 |
SAFT VLE 45 cell |
5.6 |
80% |
|
Cobays 9500 module |
5.2 |
80% |
|
|
中范围 |
SAFT VLE 27 cell |
9.9 |
80% |
|
Cobays 9500 module |
16.8 |
80% |
Ⅴ 混合动力汽车动力系统部件的仿真研究
对混合动力汽车进行排放、燃油经济性和加速度测试。图5显示了在FTP驱动循环中模拟的车辆情况。
图
资料编号：[5111]
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