【正文】 da Accord并聯(lián)式動(dòng)力總成中，電動(dòng)機(jī)可以兼做發(fā)電機(jī)使用，沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪，相對于串聯(lián)式傳動(dòng)系統(tǒng)而言，其能量利用率較高。同時(shí)并聯(lián)式動(dòng)力總成可以選擇功率較小的部件，安裝空間較小，便于整車布置。但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，工作模式比較多，對控制系統(tǒng)要求較高。③ 混聯(lián)式動(dòng)力總成方案圖 豐田 Prius 混聯(lián)式動(dòng)力總成結(jié)構(gòu) Seriesparallel hybrid vehicle powertrain configuration of Toyota Prius發(fā) 動(dòng) 機(jī)動(dòng) 力 電 池 發(fā) 電 機(jī) 行星排 電 動(dòng) 機(jī)電 動(dòng) 機(jī)控 制 器發(fā) 動(dòng) 機(jī) 電 動(dòng) 機(jī)電 動(dòng) 機(jī)控 制 器動(dòng) 力 電 池 變 速 器2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)匹配13 新型并聯(lián)式動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)通過對典型動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析比較可知，串聯(lián)式動(dòng)力總成具有能量效率低，部件成本高的缺陷，混聯(lián)式動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、控制策略復(fù)雜、成本高。而并聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡單、控制較為容易，零部件成本較低，適合在傳統(tǒng)車型上改裝實(shí)現(xiàn)。因此采用如下新型并聯(lián)式動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)原理如圖 所示：圖 新型并聯(lián)式動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) New parallel hybrid vehicle powertrain configuration該動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、濕式多片離合器、ISG 電機(jī)、CVT、主減速器和動(dòng)力電池組成。其中濕式多片離合器、ISG 電機(jī)、CVT 和主減速器集成為一體（簡稱 ISG 電機(jī)和 CVT 總成） ，體積較小，便于在前置前驅(qū)車輛上運(yùn)用。ISG 電機(jī)和 CVT 總成的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示。濕式多片離合器安裝在 ISG 電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)部，這樣可以很大程度上節(jié)約空間，便于車輛的整體布局。在沒有給離合器提供壓力的情況下，濕式多片離合器處于分離狀態(tài)，ISG 電機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)工況；在行車制動(dòng)時(shí)，ISG 電機(jī)作為發(fā)電機(jī)為電池充電，可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回收。給濕式多片離合器提供壓力時(shí)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)和 ISG 電機(jī)機(jī)械連接，完成電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、ISG 電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)以及行車充電三種工作模式。ISG 電機(jī)和 CVT 總成部分還包含了換向機(jī)構(gòu)，通過控制前進(jìn)檔離合器和倒檔離合器，改變換擋機(jī)構(gòu)行星排的輸出轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)行車和倒車功能。 工作模式分析通過對該并聯(lián)式動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)分析可知，本文所研究的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)共有六種工作模式：純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式、混合驅(qū)動(dòng)模式、行車充電模式、再生制動(dòng)模式和停車充電模式。而工作模式的選用需要充分考慮汽車的行駛工況和動(dòng)力電池 SOC，以下詳細(xì)分析在不同行駛工況時(shí)車輛工作模式的使用發(fā) 動(dòng) 機(jī) ISG電 機(jī) CVT電 動(dòng) 機(jī)控 制 器動(dòng) 力 電 池重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文14控制。圖 ISG 電機(jī)和 CVT 總成原理圖 Sketch of ISG motor and CVT① 啟動(dòng)工況傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車在運(yùn)行過程中，尤其在市區(qū)工況時(shí)，需要不斷地重復(fù)怠速和啟動(dòng)工況。而在此過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)效率低、油耗高、尾氣污染嚴(yán)重。插電式混合動(dòng)力汽車在啟動(dòng)時(shí)采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，可以有效避免傳統(tǒng)車的缺陷。因?yàn)镮SG 電機(jī)在啟動(dòng)過程中響應(yīng)快，可以瞬間提供大的扭矩，啟動(dòng)車輛前行，并且車輛不需要怠速工作模式，在臨時(shí)停車時(shí)可以節(jié)省能量消耗。② 中低速工況在動(dòng)力電池電量充足時(shí)，ISG 電機(jī)足以提供車輛中低速工況時(shí)所需的動(dòng)力，可以采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)動(dòng)力電池電量消耗達(dá)到一定限值時(shí)，可以啟用行車充電模式，這樣不僅可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，還可以使 ISG 電機(jī)做發(fā)電機(jī)使用，為動(dòng)力電池充電。③ 加速和高速工況在加速和高速工況時(shí)，車輛需求功率較大，ISG 電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)不能滿足車輛要求，需要進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，ISG 電機(jī)輔助助力。當(dāng)動(dòng)力電池電量不足時(shí)，啟用發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式，這就需要發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率能夠滿足車輛的基本動(dòng)力性能需求。④ 減速制動(dòng)工況當(dāng)汽車剎車制動(dòng)時(shí)，啟用再生制動(dòng)模式，濕式多片離合器斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油、定 子定 子轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn) 子ISG電 機(jī) 換 向 機(jī) 構(gòu) 主 動(dòng) 帶 輪從 動(dòng) 帶 輪 主 減 速 器 差 速 器倒 檔 離 合 器前 進(jìn) 檔 離 合 器2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)匹配15停機(jī)，在確保制動(dòng)安全的情況下，ISG 電機(jī)作為發(fā)電機(jī)給動(dòng)力電池充電。如制動(dòng)功率超過 ISG 電機(jī)的使用范圍，則采用混合制動(dòng)，即再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)同時(shí)使用。當(dāng)動(dòng)力電池電量超過充電限值時(shí)，不啟用再生制動(dòng)模式，僅使用機(jī)械制動(dòng)模式。⑤ 停車充電工況在車輛停車狀態(tài)時(shí)，如果動(dòng)力電池電量較低時(shí)，啟用停車充電模式，利用家庭用電，或者在專用充電站，對動(dòng)力電池進(jìn)行充電。當(dāng)動(dòng)力電池電量達(dá)到設(shè)定的限值時(shí)，停止充電。在本文緒論部分對插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配的三種常用方法進(jìn)行了對比分析，其中理論計(jì)算法簡單實(shí)用，但可能造成部件匹配功率過大，而優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)法又過于復(fù)雜，循環(huán)工況綜合分析法操作簡單，但容易忽略車輛極限工況。因此本文結(jié)合各種方法的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用理論計(jì)算法和循環(huán)工況綜合分析法進(jìn)行插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配。具體方法為：在確定車輛基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于車輛的動(dòng)力性能設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用汽車動(dòng)力學(xué)原理，初步確定車輛的功率需求；其次在研究車輛工作模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合循環(huán)工況分析，進(jìn)一步確定各部件的具體參數(shù)；最后在仿真建模的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證匹配結(jié)果的合理性。前兩部分在本章實(shí)現(xiàn)，仿真驗(yàn)證在第四章完成。本文選定四種典型汽車循環(huán)工況作為參考，分別是歐洲城市郊區(qū)典型循環(huán)工況 NEDC（New European Driving Cycle） 、紐約市循環(huán)工況 NYCC（New York City Cycle） 、美國典型城市循環(huán)工況 UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）和美國公路循環(huán)工況 HWFET（Highway Fuel Economy Certification Test） 。 動(dòng)力性能需求初步分析本節(jié)依據(jù)車輛的基本參數(shù)和車輛的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，應(yīng)用車輛動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性（包括車輛最高行駛車速、最大爬坡度和車輛加速性）進(jìn)行初步分析。車輛相關(guān)參數(shù)以及設(shè)計(jì)指標(biāo)如下表 所示。依據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可知車輛的需求功率為 [56,57]： （）21(cos()+sin()+) CAuduPMgfMgt?????式中 為整車質(zhì)量（單位:kg）。 為滾動(dòng)阻力系數(shù)； 為爬坡度（單位：176。） ；M為空氣阻力系數(shù)； 為迎風(fēng)面積（單位：m 2） ； 為車速（單位：km/h） ； 為DCA ?重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文16汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； 為汽車行駛加速度（單位：m/s 2） ； 為傳動(dòng)系統(tǒng)dut t?效率。表 車輛基本參數(shù)及性能指標(biāo)Table Basic parameter and performance target of vehicle參數(shù)名稱 數(shù)值整車質(zhì)量（空載） 1547kg整車質(zhì)量（滿載） 1922kg原型車參數(shù) 迎風(fēng)面積 ?? 風(fēng)阻系數(shù) ???? 輪胎滾動(dòng)半徑 ?? 滾動(dòng)阻力系數(shù) ? 0~100km/h 加速時(shí)間 15s最高車速 150 km/h性能指標(biāo) 40Km/h 最大爬坡度 30%90km/h 持續(xù)爬坡度 %純電動(dòng)行駛里程 50Km車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率需要滿足車輛行駛的基本動(dòng)力性指標(biāo)，即最高行駛車速、最大爬坡度和車輛加速度。 （）maxmaxax(,)tuiPP?式中 為車輛最大需求功率（單位：kw） ， 為最高車速行駛時(shí)汽車需求功maxtP率（單位：kw） ， 為最大爬坡度時(shí)驅(qū)動(dòng)功率（單位：kw ） ， 為加速時(shí)的maxi maxP最大需求功率（單位：kw） 。① 車輛最高行駛車速下動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的功率需求計(jì)算公式如下： （）2maxmax1(+)??式中 為車輛最高行駛車速（單位：km/h） 。maxu② 最大爬坡度下車輛功率需求計(jì)算公式如下： （）2axmaxmax1(cos()+sin() ugf gu???式中 為車輛最大爬坡度（單位：176。） 。max?③ 加速性功率需求計(jì)算公式：2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)匹配17車輛起步加速過程可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 計(jì)算 [15,25] （）max()ttu?式中 x 為擬合系數(shù)，數(shù)值通常取 ； 為加速到 所需的時(shí)間； 為加速到utu時(shí)刻的車速。t （）2max1(+)??? ??? ?? ?根據(jù)表 21 中對車輛基本動(dòng)力性能的基本要求，通過公式 ~ 計(jì)算得：為 、 為 、 為 ，車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最大maxuPaxi maxP需求功率為 85kw。考慮到汽車附件需要消耗一定的功率，因此在選定最大驅(qū)動(dòng)功率基礎(chǔ)上增加了 10%左右的富余量 [14,16,58]，初步選定整車驅(qū)動(dòng)功率為 93kw。 行駛工況分析表 循環(huán)工況特性Table Feature of driving cycle循環(huán)工況 NEDC HWFET NYCC UDDS時(shí)間 t/s 1184 765 598 1369距離 s/km 最高車速 u/km/h 120 平均車速 u/km/h 最大加速度 a/m/s2 最大減速度 a/ m/s2 相對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，插電式混合動(dòng)力汽車在停車工況下可以利用外接電源對動(dòng)力電池充電，在一定距離內(nèi)主要使用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況，因此插電式混合動(dòng)力汽車的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況應(yīng)該可以滿足一定的循環(huán)工況需求。本文選定的四種典型車輛循環(huán)工況的速度變化規(guī)律如圖 ，其特征參數(shù)如表 。基于插電式混合動(dòng)力汽車的基本參數(shù)，依據(jù)計(jì)算公式 對四種循環(huán)工況的車輛需求功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表 所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不難看出，車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最大功率需求在 45~57kw 的范圍內(nèi)。對循環(huán)工況的功率需求進(jìn)一步分析，做出不同循環(huán)工況下車速與需求功率的散點(diǎn)圖 。從循環(huán)工況散點(diǎn)圖不難看出，在城市循環(huán)工況（如 NYCC 和UDDS）中車輛主要工作在低速區(qū)，而城市與郊區(qū)循環(huán)工況（如 NEDC）中，車速、功率等分布較均勻，城市間循環(huán)（如 HWFET）中，車速主要維持在高速區(qū)。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文18對于插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配，需要認(rèn)真考慮幾種典型循環(huán)工況的功率分布情況。圖 循環(huán)工況 Driving cycle表 循環(huán)工況需求功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table Power statistical data of driving cycle循環(huán)工況 NEDC HWFET NYCC UDDS最大正功率 P/kw 最大負(fù)功率 P/kw 對循環(huán)工況的功率分布情況進(jìn)一步分析，做循環(huán)工況的功率需求頻數(shù)分布直方圖 可知，在車輛循環(huán)過程中，功率需求大部分集中在低功率區(qū)域15~20kw。NEDC 在該功率區(qū)域的概率為 %；HWFET 為 %；NYCC 為2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)匹配19%； UDDS 為 %；為更好的發(fā)揮插電式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢，純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況應(yīng)該能夠滿足循環(huán)工況在此低功率區(qū)域的需求。圖 循環(huán)工況功率需求分析散點(diǎn)圖 Power scatter diagram of driving cycle ISG 電機(jī)選型及參數(shù)匹配插電式混合動(dòng)力汽車成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，關(guān)鍵在于其可以很好的使用外接電源，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)更大的純電動(dòng)續(xù)駛里程，因此在插電式混合動(dòng)力汽車中ISG 電機(jī)的選型與參數(shù)匹配尤為重要。① ISG 電機(jī)選型ISG 電機(jī)是集發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電機(jī)為一體的電機(jī)，也是插電式混合動(dòng)力汽車的核心部件，需要滿足以下基本要求 [59]：? 高功率密度和高瞬時(shí)輸出功率；? 在電動(dòng)汽車低速或者爬坡時(shí)，能夠提供低速大轉(zhuǎn)矩輸出，高速時(shí)能為巡重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文20航提供高速低轉(zhuǎn)矩特性；? 具有寬調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)；? 在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩工作區(qū)內(nèi)，保持較高能量效率；? 再生制動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高的能量回收效率；? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要適應(yīng)汽車上空間小、高溫、壞天氣及頻繁振動(dòng)等的惡劣環(huán)境；? 價(jià)格合理。 圖 循環(huán)工況功率需求頻數(shù)分布直方圖 Power frequency histogram of driving cycle現(xiàn)階段用于新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁無刷電機(jī)或開關(guān)磁阻電機(jī)等。采用數(shù)字評分的方法比較上述幾種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能，主要對電機(jī)六個(gè)方面的性能加以評價(jià)，每個(gè)性能分為 1~5 分，表 21 列出了比較結(jié)果[60]。從表中可以看出永磁無刷電動(dòng)機(jī)非常具有競爭力，在本文中 ISG 電機(jī)選用永磁無刷電機(jī)。2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)匹配21② ISG 電機(jī)參數(shù)匹配插電式混合動(dòng)力汽車需要實(shí)現(xiàn)一定的純電動(dòng)行駛需求，電機(jī)和電池的功率必須能夠滿足循環(huán)工況的部分要求。通過上一節(jié)對循環(huán)工況功率需求的詳細(xì)分析，我們可以確定 20kw 左右的電機(jī)功率可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)工況 75%以上的功率需求。由于原型車 CVT 結(jié)構(gòu)空間改裝的限制，我們選定 ISG 電機(jī)的額定功率為 18kw，峰值功率為 30kw，具體參數(shù)如表 。表 各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能比較Table Comparison of motor capability直流電機(jī) 感應(yīng)電機(jī) 永磁無刷電機(jī) 開關(guān)磁阻電機(jī)功率密度 5 效率 5 可控制性 5 4 4 3可靠性 3 5 4 5成熟性 5 5 4 4成本 4 5 3 4綜合 22