并联混合动力汽车驱动系统设计与仿真Word文档下载推荐.docx
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0.3
驱动轮半径r/m
0.2794
发动机至驱动轮的传动效率
0.9
电动机至驱动轮的传动效率
0.95
并联混合动力汽车的参数匹配的要求主要包括基本的动力性要求和目标循环工况下的经济性和排放要求。
1.发动机功率设计
发动机应能供给足够的功率,以保证车辆在没有峰值电源的协助下,可按规定恒速运行于平坦的或低坡度的路面上。
同时,当车辆以停车—起动模式行驶时,发动机应能产生大于平均载荷功率的平均功率。
在设计常规汽车时,通常从保证汽车初期的最高车速来初步选择发动机的功率,即:
(1)
式中
——发动机最大功率;
——传动系效率;
——汽车总质量;
——车轮滚动阻力系数;
——最高车速;
——空气阻力系数;
——汽车迎风面积。
由于本文并联混合动力汽车采用由发动机提供车辆平均行驶时的功率需求,确保在巡航车速
下,发动机能工作在最佳经济区。
(2)式为车速在
下发动机应提供的行驶功率。
(2)
除了车辆行驶需求的功率外,发动机单独驱动车辆匀速行驶时还应有一定那个的电池充电的功率裕量(10%左右)、1%~2%的爬坡功率裕量及附件功率(特别是有空调时),这些功率之和应该是发动机工作在经济区能爬出的功率。
本文选定某汽油发动机,最大功率43
,其燃油消耗特性曲线如图2所示。
车速
第四档
第三档
第二档
第一档
在平坦路面上的阻尼功率
在5%路面上的阻尼功率
发动机功率
功率/kw
图2
2.电机参数的选择
2.1电机额定功率的
的选择
在混合动力电动汽车中,电动机的主要功能是向电驱动系提供所需的峰值功率。
先根据给定的加速性能,先进行电动机功率容量的估算,然后通过选代模拟,得出最终的设计结果。
最为初始的估算,可假设稳态载荷(滚动阻力和空气阻力)由发动机承载,而动态载荷(加速中的惯性载荷)由电动机承载。
基于这一假设,车辆的加速直接与电动机的输出转矩相关联,其关系式为
(3)
式中,
为电动机转矩;
为从电动机到驱动轮的传动比,现设为单档传动装置;
为从电动机到驱动轮的传动效率;
为与电动机相关联的转动惯量系数。
如图3所示的电动机输出特性,以及由零车速到最终高车速
的给定加速时间
,电动机的额定功率可表示为
(4)
牵引力
图3
对于最高车速为160
、基速为50
、加速时间
=10
(加速的最终车速为100
)、
的1500
的客车,电动机的额定功率为74
。
应该注意,以上所得的电动机功率估算值略微过高,实际上,发动机有一些剩余功率协助电动机加速车辆。
这一事实也表明于图4中,其中,车速、节气门全开的发动机功率、阻尼功率(滚动阻力、空气阻力和传动装置中的功率损耗)在多档和单档传动装置情况下随着加速时间而变化均描绘于图中。
用于加速车辆的发动机的剩余平均功率可计算如下:
(5)
图4
和
分别为发动机功率和阻尼功率。
应注意,传递给驱动轮的发动机功率与传动装置的齿轮数量和传动比相关联。
显然,由图1可见,多档传动装置将有效地增加地驱动轮处的剩余功率,因而也就减少了加速对电动机功率的需求。
图4描述了加速期间,分别配置多档和单档传动装置的发动机,克服滚动阻力和空气阻力所需功率后的剩余功率。
该图表明,加速中,对应于单档和多档传动装置,分别约有17
和22
的发动机功率可用于辅助电动机。
因而,对于单档传动装置,电动机的额定功率应为
;
对于多档传动装置,电动机的额定功率应为
图5
如图5所示的图形给出了配置单档传动装置的客车实例的设计结果,它表明当车速约为40
(点A)时,该车最大爬坡能力约为42%(
)。
当车速为100
时,以全混合、单电动机和单发动机牵引模式运行的该车爬坡能力分别为18.14%(
)(点B)、10.36%(点C)和4.6%(
)(点D)。
该车以单发动机牵引模式,由发动机功率点(点E)表示的最高车速约为160
但若发动机和电动机的最高速度能超过这一车速,则以混合牵引和单电动机牵引模式运行,该车最高车速可进一步提高。
加速距离/m
时间
车速(km/h)
距离
加速时间(s)
图6
图6描绘了配置单档传动装置的客车实例的加速性能,它表明当车辆由零车速加速到100
时,需时10.7s,行程167m。
对于图5和图6所示的客车性能,其计算结果表明,发动机和电动机功率容量的设计是合适的。
3.峰值电源设计
峰值电源设计主要包含其功率和能量容量的设计,峰值电源的端口功率必须大于电动机的输入电功率,即
(6)
分别为电动机额定功率和效率。
峰值电源的能量设计与各种行驶模式中的电能量消耗密切相关,其中,主要是全负载加速和典型市区行驶循环时的能量消耗。
在加速期间,从峰值电源和发动机所提取的能量,随着加速时间和距离的计算,可通过如下关系算出:
(7)
(8)
分别是从峰值电源盒发动机所提取的能量;
分别是从电动机和发动机所提取的功率。
对于客车实例,图7描述了经历车速全加速期间从峰值电源和发动机所提取的能量,在终速为120
时,约有0.3
的能量来自于峰值电源。
来自峰值电源的能量
图7
峰值电源的能量容量也必须满足典型行驶循环中停车-启动模式的要求。
在峰值电源中的能量变化可通过如下算出:
(9)
分别为峰值电源的瞬时充电和放电功率。
图8描述了按FTP75市区行驶循环,对配置最大荷电状态控制策略的客车实例的仿真结果。
可以看出,在峰值电源中,最大的能量变化约为0.11
,其值小于全负荷加速时的能量变化值(0.3
因此,在全负荷加速时的能量消耗决定了峰值电源的能量容量。
峰值电源的能量容量可按下式计算:
(10)
为源于峰值电源的最大许可的放电容量;
分别为峰值电源荷电状态的顶线和底线。
在本例中,
,并设峰值能量的30%可予利用,则峰值电源的最小能量容量为1
图8
4.1主减速器比的选择
本文的变速器选用5档手动变速器,V档为直接档,所以主减速器速比就为车辆传动系统最小传动比。
PHEV的最小传动比应从满足车辆最高车速的要求来选择。
首先应满足最高车速要求,即:
—主减速器比,
—发动机最高车速,
—车轮滚动半径。
同时,发动机在最高车速时还应能发挥其最大功率,所以必须满足:
(11)
—发动机最大功率点对应的转速。
本文中
,
=5500,计算可得到
,主减速器比可选用5.5。
4.2变速器各档传动比的确定
变速器的最大速比主要是根据发动机单独驱动时的最大爬坡度,同时考虑车轮附着极限来选择。
即发动机的最大驱动力应大于或等于车辆上坡时的车轮滚动阻力和坡度阻力,即变速器I档速比应该满足:
式中:
—最大爬坡度;
—发动机最大输出扭矩;
—车辆总质量。
取
=3.985。
档传动比依次为:
3.985、2.818、1.955、1.412、1。
5.仿真
图8和图9分别描述了发动机和电动机的运行点。
当发动机在车辆停止和制动期间熄火时,本例中在燃油经济性方面的仿真结果为每100
油耗4.66
,或每USgal行驶50.7mile;
当发动机在车辆停止和制动期间怠速时,本例在燃油经济性方面的仿真方面为每100
油耗5.32L,或USgal行驶44.4mile。
发动机功率/kW
发动机转矩/Nm
发动机转速(r/min)
运行点
电动机转矩/Nm
电动机转速/(r/min)
图9
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- 并联 混合 动力 汽车 驱动 系统 设计 仿真