增程式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件選型及參數(shù)匹配分析計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29230增程式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件選型及參數(shù)匹配分析計(jì)算案例 192691.1車輛的基本參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo) 2228701.2動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖 396701.3發(fā)動(dòng)機(jī)的選型和參數(shù)確定 3216781.4主減速比的計(jì)算 8174651.5電機(jī)的選型匹配 8163671.6動(dòng)力電池組選型及參數(shù)確定 1289731.6.1動(dòng)力電池組的選型 12232501.6.2動(dòng)力電池充放電特性分析 12174941.6.3電池單體成組參數(shù) 15309141.6.4動(dòng)力電池組參數(shù)確定與核算 16本次研究車型的選型主要包含汽車布置方案，動(dòng)力系統(tǒng)元件得選擇以及參數(shù)匹配，這些都影響了整車的架構(gòu)，其中更為詳細(xì)的內(nèi)容包含了發(fā)動(dòng)機(jī)的選型以及其參數(shù)匹配，電機(jī)的選型以及其參數(shù)匹配，動(dòng)力電池的選型以及其參數(shù)匹配，各個(gè)系統(tǒng)構(gòu)件的參數(shù)匹配都要考慮整車性能的均衡。保證整車動(dòng)力性的條件下，使其具有最好的燃油經(jīng)濟(jì)性、提升各能量轉(zhuǎn)換的利用率，同時(shí)保證電池組的使用壽命是本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)。增程式混合動(dòng)力汽車（2)在駕駛過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)隨時(shí)注意車況。時(shí)刻留意動(dòng)力電池組的剩余電量，確定和保證電池組的SOC值處于最優(yōu)范圍，避免頻繁對(duì)動(dòng)力電池組的過(guò)充電和放電，保證其高效充放電以及其使用壽命。（3)增程器開啟之后，要合理控制發(fā)動(dòng)機(jī)的開啟和停止。當(dāng)電池電量被增程器充到一定值之后，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的反復(fù)起動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。1.1車輛的基本參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)本節(jié)增程式混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)基于比亞迪秦PLUS汽車為參考車型，基于設(shè)計(jì)要求，對(duì)比亞迪秦PLUS的動(dòng)力系統(tǒng)重要元件進(jìn)行計(jì)算和參數(shù)匹配并核算是否符合性能要求。下面表3-1是比亞迪秦PLUS混合動(dòng)力汽車相關(guān)基本參數(shù)，表3-2是本次研究的設(shè)計(jì)目標(biāo)。表3-1比亞迪秦PLUS插電混合動(dòng)力汽車基礎(chǔ)參數(shù)整車整備質(zhì)量/kg軸距/mm長(zhǎng)×寬×高/mm*mm*mm車輪半徑/m汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)f總質(zhì)量/kg162027184765*1837*14950.3440.0121900空氣阻力系數(shù)Cd迎風(fēng)面積A/㎡機(jī)械傳動(dòng)效率ηt電傳動(dòng)系數(shù)ηm發(fā)動(dòng)機(jī)檔傳動(dòng)比ie電機(jī)檔傳動(dòng)比ir0.32.160.90.952.77.641注：ηm驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)到車輛的效率；ie×i0發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)總傳動(dòng)比；ηt發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)總效率。表3-2本次的設(shè)計(jì)任務(wù)1.2動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖如下：圖3-1混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖1.3發(fā)動(dòng)機(jī)的選型和參數(shù)確定對(duì)于此文所選擇的增程式混合動(dòng)力車型的工作特點(diǎn)，眼下市面上可供挑選的發(fā)動(dòng)機(jī)的種類有斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，汪格爾轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)等。每一種都有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。就目前來(lái)說(shuō)適合應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)還是技術(shù)成熟，升功率高，應(yīng)用范圍廣的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)所選發(fā)動(dòng)機(jī)功率過(guò)大時(shí)，其一直工作在低負(fù)荷功率區(qū)，不僅僅沒發(fā)揮高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，也造成了油耗增高，尾氣污染嚴(yán)重等問題。而若是選取發(fā)動(dòng)機(jī)功率過(guò)小，需要緊急加速的時(shí)候動(dòng)力響應(yīng)慢，車輛的動(dòng)力性就會(huì)變差。本文根據(jù)將以發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)以100-120km/h等速行駛時(shí)，計(jì)算阻力功率，根據(jù)阻力功率，將此時(shí)的阻力功率作為發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率點(diǎn)。車輛行駛過(guò)程中的阻力有：滾動(dòng)阻力RR,風(fēng)阻WR，坡度阻力GR，加速阻力AR,如圖為車輛行駛阻力圖圖3-2汽車行駛阻力圖汽車行駛的過(guò)程就是牽引力TE克服阻力行駛的過(guò)程，車輛的縱向運(yùn)動(dòng)可以分為：（1）水平勻速TE=RR+WR，（2）水平加速TE=RR+WR+AR,（3）坡道勻速TE=RR+WR+GR，（4）坡道加速TE=RR+WR+GR+AR.滾動(dòng)阻力計(jì)算公式RR=mg*f*cosα（3-1）f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，一般是根據(jù)路面情況而定：硬質(zhì)混凝土取0.006-0.010，瀝青路取0.010-0.15，土路取0.20-0.025，沙路取0.100-0.300。風(fēng)阻計(jì)算公式WR=CD一般乘用車風(fēng)阻系數(shù)取CA坡道阻力GR=mg*sinα（3-3）α為水平面與坡道的角度加速阻力公式：AR=δm*a（3-4）δ表示汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)車輛克服行駛阻力所需要的功率為：p=帶入上式可得p=1汽車的最大車速Vmax（3-7）式中計(jì)算后可知發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為40.73kw.以發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)以100-120km/h等速行駛時(shí)，計(jì)算阻力功率，根據(jù)阻力功率，將此時(shí)的阻力功率作為發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)功率區(qū)間為：（3-8）式中Pe發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)功率（kw）；V經(jīng)計(jì)算可得倒發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率為15.46-23.54kw根據(jù)計(jì)算數(shù)值可以分析得知發(fā)動(dòng)機(jī)的選型應(yīng)該接近于目前市場(chǎng)售賣的微型汽車所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)。在翻閱資料和經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研之后，最后選取了比亞迪F0汽車上裝備的BYD371QA發(fā)動(dòng)機(jī)。下表3-4是該發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)下圖為1.0L發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性圖：圖3-5發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線圖1.4主減速比的計(jì)算車輛的動(dòng)力系統(tǒng)總傳動(dòng)比選擇需要計(jì)算汽車高速巡航時(shí)候，這時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)直接輸出動(dòng)力到車輪，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)燃油區(qū)間，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線圖可以了解發(fā)動(dòng)機(jī)這時(shí)候轉(zhuǎn)速為2500rpm,這時(shí)候汽車動(dòng)力系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為i=0.377rn式中v1為發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)時(shí)的r為車輪半徑，取0.344m。代入數(shù)值進(jìn)行計(jì)算后可得到i=2.7,再查閱汽車?yán)碚撨@本書籍，可以得到主減速器傳動(dòng)比i其計(jì)算公式為i0=式中imin代入數(shù)值之后計(jì)算得到主減速器傳動(dòng)比值是2.7。1.5電機(jī)的選型匹配電機(jī)是混合動(dòng)力汽車部件的重要部分，電機(jī)選取要考慮到車輛的各種工況。下列所述情況就是選取的電機(jī)需要滿足組的需求：（1）在高速且勻速運(yùn)行時(shí)候可以有穩(wěn)定的功率輸出，在平日用車的時(shí)候要保證可以滿足一定的爬坡度即為低速大扭矩；（2）功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度；（3）短時(shí)間過(guò)載運(yùn)行的能力；（4）效率要高，同時(shí)在逆變器的電壓下可以達(dá)到大扭矩；（5）要有夠?qū)挿旱恼{(diào)速區(qū)間，可以滿足3～4倍基速；（6）運(yùn)行可靠，可以容忍一些錯(cuò)誤；（7）成本低。1.5.1混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型目前的市場(chǎng)上在混合動(dòng)力汽車上應(yīng)用廣泛的電機(jī)可以分成下列的幾種：1)直流電機(jī)2)交流感應(yīng)電機(jī)3)永磁同步電機(jī)4)開關(guān)磁阻電機(jī)以上電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景如表3-5所示：表3-5混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)比[11]電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性，而且它的轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)的范圍較低，大體可以確保扭矩和功率的有高的效率輸出。對(duì)于本文所研究的車型來(lái)看圖3-6為永磁同步電機(jī)外特性曲線圖。圖3-6永磁同步電機(jī)外特性曲線圖由圖可以看出，nb之前電機(jī)功率是跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而提升的，其中在轉(zhuǎn)速為nb轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)達(dá)到額定功率，nb1.5.2電機(jī)功率的確定在選取電機(jī)的時(shí)候需要顧慮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的配適問題，如果選取的電機(jī)功率偏小，發(fā)動(dòng)機(jī)能耗會(huì)增加，同時(shí)有違其經(jīng)濟(jì)性的需求。如果選擇的電機(jī)功率過(guò)高，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法在高功率區(qū)間輸出，無(wú)法適配，只會(huì)造成成本上升。由此，選取一個(gè)可以和發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的電機(jī)是可以有效保證整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的。關(guān)于發(fā)電機(jī)的額定功率的匹配，由于要求電機(jī)的輸出功率可以提供整車經(jīng)濟(jì)車速時(shí)需要的功率，所以可以以發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率來(lái)作為發(fā)電機(jī)的額定功率。但是同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間有功率損耗，所以取值0.9，Pg=式中m——汽車總質(zhì)量(kg)；f滾動(dòng)阻力系數(shù)；空氣阻力系數(shù)；A迎風(fēng)正面面積(m2)；電動(dòng)機(jī)到車輪的機(jī)械效率；Vm--車速取120(km/h)代入?yún)?shù)得：Pg以發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率作為發(fā)電機(jī)的額定功率來(lái)選擇發(fā)電機(jī)，再結(jié)合市場(chǎng)上在售的發(fā)電機(jī)，選取比亞迪F3DM車型所搭載的永磁同步電機(jī)表3-6為比亞迪F3DM電機(jī)的參數(shù)。表3—6比亞迪F3DM永磁同步電機(jī)參數(shù)由于本次設(shè)計(jì)的增程式混合動(dòng)力轎車采用兩個(gè)離合器，兩個(gè)電機(jī)分別可以作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)使用，故此次設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)采用同一型號(hào)的永磁交流電機(jī)。所用電機(jī)的特性曲線如下圖圖3—7電機(jī)特性曲線圖1.6動(dòng)力電池組選型及參數(shù)確定1.6.1動(dòng)力電池組的選型動(dòng)力電池也是增程式混合動(dòng)力車型的重心，其直接影響到整車的動(dòng)力性能，續(xù)馳能力和安全性。給整車提供電能來(lái)源的電池組需要滿足以下要求：電池的能量密度要高，可以足夠確保汽車可以行駛一定遠(yuǎn)的距離。電池功率密度和能量密度要高，確保整車有足夠的后備功率和能量可以再生。安全性要高和使用壽命要長(zhǎng)。電池具有的可回收性目前車載電池的類型有鉛酸電池，鎳氫電池，鋰離子電池和燃料電池等。其特性如下表;表3—7車用動(dòng)力電池性能參數(shù)鉛酸電池技術(shù)成熟且成本低廉，但其比能量低，循環(huán)壽命短。燃料電池技術(shù)成熟且無(wú)污染但成本高，安全性能低。鎳氫電池安全性能相較下高，而且比功率大，充放電時(shí)電流可以很大，充電所用時(shí)間更短，但是這樣的大電流也造成了損失的能量更加大。鋰電池比能量高，能量密度高，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)于插電混合動(dòng)力車可以實(shí)現(xiàn)快充，非常符合本次設(shè)計(jì)的要求。1.6.2動(dòng)力電池充放電特性分析充放電功率，效率跟隨電池荷電狀態(tài)（SOC）改變而改變的特性就是鋰離子電池的充放電特性。鋰離子動(dòng)力電池電量剩余多時(shí)，最大充電功率/充電效率就小，最大放電功率/放電效率大；電量剩余不多的時(shí)候，電池的最大放電功率/放電效率小，但其最大充電功率/充電效率變大。當(dāng)剩余電量再50%附近的時(shí)候，鋰離子電池?fù)碛胁粌H良好的的充放電功率還有效率。鋰離子電池的充放電特性圖如圖3-8，不同放電倍率放電特性如圖3-9。圖3-8鋰離子電池充放電特性曲線圖圖3-9放電倍率不同下的電池特性動(dòng)力電池的功率選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該計(jì)算純電動(dòng)行駛時(shí)汽車所需要的動(dòng)能以及其最大輸出功率，保障汽車在純電動(dòng)模式下行駛的整車動(dòng)力性和續(xù)馳里程，所以要滿足以下條件：Pb_max≥其中PbPmηbηPacc算出來(lái)Pb本次設(shè)計(jì)目標(biāo)規(guī)定了汽車以純電模式的續(xù)航行程應(yīng)超過(guò)100km，此時(shí)假設(shè)汽車在純電動(dòng)模式下以每小時(shí)60km勻速運(yùn)行需求的電池能量有（3-13）式中WessSessVessSOC上限取0.9，下限取0.3，所以本次取值0.75Pess綜上計(jì)算電池容量WessPb其中，UbIIb_max其中，βbIc查閱相關(guān)資料得知?jiǎng)恿﹄姵仉妷旱牡燃?jí)要和選取的電機(jī)的電壓匹配，且一般工作情況下電池電壓取值在300—400V。為了和電機(jī)的相關(guān)參數(shù)配合在這里選取UbWess代入數(shù)據(jù)得動(dòng)力電池最小容量C=37.3A﹒h.1.6.3電池單體成組參數(shù)動(dòng)力電池組是由電池單體經(jīng)過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)的形式進(jìn)行組合后形成的，其動(dòng)力電池組的串聯(lián)數(shù)量、并聯(lián)數(shù)量以及其電池單體數(shù)量由算式(3-17)、(3-18)和(3-19)來(lái)確定[16]。（3-17）其中，Nb_series（3-18）其中，Nb_parallel（3-19）其中，Nb綜上所屬，經(jīng)過(guò)以上的公式計(jì)算，本次車用電池組各個(gè)數(shù)據(jù)如下表3-8。表3-8動(dòng)力電池組基本參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)類型磷酸鐵鋰電池電池組總電壓/v336電池組總?cè)萘?Ah40單體數(shù)目210單體電壓/v3.2單體容量/Ah20組成方式2并聯(lián)105串聯(lián)最大允許放電倍率51.6.4動(dòng)力電池組參數(shù)確定與核算緊接著應(yīng)該要核算在如下行駛情況下所選用的電池組是否可以滿足純電行駛100km的距離。計(jì)算方式是把20-120km/h這個(gè)范圍劃分成11個(gè)不同的速度且勻速區(qū)間，再利用由下列所示的公式來(lái)檢驗(yàn)計(jì)算：S1t1為電池的續(xù)航時(shí)間，tt其中PaPa=m經(jīng)