混合动力汽车发动机匹配的研究

第1期(总第158期) 2010年2月 机械工程与自动化 MECHANICALENGINEERING&AUTOMATl0N No．1 Feb． 文章编号z1672—6413(2010)01—0167—03 混合动力汽车发动机匹配的研究 那鹏飞 (中北大学，山西 太原030051) 摘要：混合动力汽车是电动汽车中最具市场化前景的车型，发动机匹配是混合动力汽车MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713571108379_1中最重要的内容之 一。从发动机选型和发动机功率计算两个方面讨论了混合动力汽车发动机匹配的相关问题，认为混合动力汽车 的发动机应在传统发动机的基础上进行改进，才能更大地发挥混合动力汽车的优势。混合动力汽车发动机功率 的计算以路面负载和循环工况计算为基础，但需要考虑不同混合动力系统的结构和控制策略。 关键词：发动机；混合动力汽车，匹配 中图分类号：U464 文献标识码：A 0引言 环保和节能是当今汽车工业发展的两大主题，围 绕这两大主题各国竞相开展绿色环保汽车的开发，电 动汽车成为主要的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 之一。一般地，电动汽车 可分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车3 大类。纯电动汽车由于现有动力电池的续驶里程短和 成本高，其应用领域主要限制在小型车辆，市场化推 广进程十分缓慢。燃料电池汽车由于燃料电池技术尚 未突破以及由此形成的成本问题，大批量投入市场也 需很长一段时间。在上述背景下。以传统汽车发动机 和电动机为动力源的汽车——混合动力汽车应运而 生，成为目前电动汽车中最具有产业化和市场化前景 的车型之一。 混合动力汽车分为4种基本结构，即串联混合动 力、并联混合动力、混联混合动力和复合式混合动力。 无论采用哪种结构，都涉及到发动机、电动机、电池、 传动系统等部件的匹配问题，它是混合动力汽车设计 中最重要的内容之一。本文将从发动机选型和发动机 功率计算两个方面讨论混合动力汽车发动机匹配的相 关问题。 1发动机选型 在发动机选型之前，首先应确定发动机的运行模 式。根据驱动系统结构和运行模式的不同，混合动力 汽车发动机的运行模式也是多种多样的。丰田普锐斯 (ToyotaPrius)是目前世界上最成功的商用混合动力 汽车，根据车辆行驶状态的不同，它的发动机共有5种 工作状态：①在起车和低速时，发动机运行效率低，停 止工作，电机运行于电动机状态，单独驱动汽车，见 图1(a)；②正常行驶时，发动机的功率被分为两部分， 一部分功率带动发电机发电，并通过控制单元驱动电 机，电机运行于电动机状态驱动车轮，另一部分功率 直接驱动车轮，见图1(b)，这样，可以使发动机运行 于最高效率下；③突然加速或爬坡时，发动机和电机 同时工作，额外的功率由电池来提供，见图1(c)；④ 减速或制动时，发动机不工作，电机运行于发电机状 态，制动能量回馈到电池，见图1(d)；⑤停车时，如 果电池容量不足，发动机带动发电机给电池充电，见 图1(e)。 普锐斯的例子说明，混合动力汽车发动机的运行 模式与传统汽车发动机完全不同。发动机与电驱动系 统(电池、电动机和发电机)配合运行，从而使发动机在 绝大多数时间运行于最高效率区间，提高汽车的燃油 经济性。因此，混合动力汽车发动机的选择应考虑所 选择的混合动力系统结构、与电驱动系统的混合程度、 混合动力系统的控制方式和整车燃油经济性。普锐斯 所配置的发动机，特别考虑了3个方面，即提高发动 机的膨胀比、采用智能可变配气正时系统(VVT—i)。 和提高发动机输出能力。 普通发动机的压缩行程和膨胀行程是一样的，而 普锐斯发动机采用由阿特金森发明、米勒发展的高膨 收稿日期：2009—09．30 作者简介。那鹏飞(1980-)。男．山西太原人。顽士，研究方向：动力机械及工程。 万方数据 ·168· 机械工程与自动化 2010年第1期 胀比循环，压缩比和原来的相同，膨胀行程比压缩行 程长，这样就充分发挥了发动机的爆发压力，提高了 效率。 根据运行条件的变化，智能可变配气正时系统采 用可以极其细微控制吸气管开闭时序的阀门，在压缩 行程时，将混合气体的一部分通过活塞和汽缸头部的 夹击向燃烧室的中心顺势压出，增强气体的混合度，快 速传播火焰，使燃烧能够很好地进行，形成具有斜挤 流的篷型燃烧室，提高了发动机热效率。另外，铝合 金制成的汽缸模块、小型歧管使得发动机具有体积小、 (d)减速和制动 重量轻的特点。 普锐斯发动机的最高转速由传统发动机的 4500r／rain提高到5000r／min，从而提高了输出能 力。通过减轻运动部件重量、降低活塞环压力和减小 气门弹簧负载，减少了摩擦损失。此外，发动机转速 增加了500r／rain，使发电机的能力增强，这样在突然 加速和爬坡时，可以进一步提高燃油效率。 总之，为了最大限度地提高车辆的性能和燃油经 济性，混合动力汽车的发动机应根据驱动系统结构和 运行模式，在传统发动机基础上进行改进。 (e)停车电池充电 图1普锐斯不同行驶状态下发动机的工作模式 2发动机功率计算 发动机功率的计算对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，限制车辆的续行里程。 对于串联混合动力，发动机功率的计算可分为2 步：①计算发动机功率，当发动机功率为32．5kW，平 路最高车速为130km／h，5％坡度路面最高车速为 78km／h时，发动机功率随车速的变化曲线见图2(a)； ②选择的功率必须大于根据各种车辆循环工况计算得 出的平均负载功率，图2(b)给出了城市发动机随工况 的变化情况。 发动机功率只的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 为： Pt=赢‘m。g以+专＆c。A∥2)。 ⋯⋯ (1) 式中：口——车速； 仇——传动效率； ％——电机效率； m，——车的质量； g——重力加速度； ^——轮胎滚动阻力系数； R——空气密度； CD——空气阻力系数； A，——迎风面积。 对于并联混合动力，负载可根据式(2)进行计算。 平路最高车速通过最高档位确定，不同坡度最高车速 通过档位情况确定，城市工况时发动机功率随车速的 变化曲线见图3(a)，功率随工况的变化情况见图 3(b)。 负载功率R计算公式为： 万方数据 2010年第1期 那鹏飞：混合动力汽车发动机匹配的研究 ·169· P，=i—石i：南瓦(m。g^+虿1&c。A∥2+m。∥) 式中：仉——发动机效率； i——坡度。 发动机最大平均功率P。。计算公式为： P一=参f只(可)出。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 重 ＼ o= 擘 _ 、 乱 芷 (2) (3) u／(kra·K1) (a)车速一功率曲线 式中：丁——工况循环周期。 对于混联混合动力和复合式混合动力，发动机功 率的确定也要进行路面负载和循环工况的计算，不过 更为复杂，因为这两种混合动力系统的结构和控制策 略更为多样。 P 100 z 互 50 鲁 』 o= 图2 串联混合动力发动机功率的计算 v／(km·h_1)’ (a)车速一功率曲线 誊_ ＼ o= t／s (b)功率随工况的变化 图3并联混合动力发动机功率的计算 3结论 混合动力汽车的发动机应在传统发动机的基础上 进行改进，才能更大地发挥其优势。混合动力汽车发 动机功率的计算以路面负载和循环工况计算为基础， 但需要考虑不同混合动力系统的结构和控制策略。 参考文献： [1]陈清泉，孙逢春．现代电动汽车技术[M]．北京：北京理工 大学出版社．2002． [2]ChanCC．WongYS．Electricvehicleschargeforward [J]．IEEEPowerandEnergyMagazine，2004(6)：24—33． [3]刘明辉．混合动力客车整车控制策略及总成参数匹配研 究[D]．长春：吉林大学，2005：1-13． [4]ChanCC．Thestateoftheartofelectric，hybrid，andfuel cellvehicles[J]．ProceedingsoftheIEEE。2007，95(4)l 704—718． [5]松本廉平．汽车环保新技术[M]．曹秉刚．译．西安：西安 交通大学出版社，2005． u／(km·h一1) (b)功率随工况的变化 [63王庆年，何洪文，李幼德，等．并联混合动力汽车传动系参 数匹配[J]．吉林工业大学学报．2000(1)：72—75． [7]YiminGao，EhsaniM．Parametricdesignofthetraction motorandenergystorageforserieshybridoff-roadand militaryvehicles[J]．IEEETransactions0nPower Electronics。2006(3)：749—755． 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loopfrequenceconversioncontrolsystem．Thesystemhasmanyadvantagessuchassimplestructure。lowCost，goodreliabilityand SOOff·canbeappliedtoindustrialoperation． Keywords：constantpressurewatersupplysystem；PLC；frequencecontrol m，，I●mIImm⋯mm，’mmI，’m，’’●■’’'，'''Iml’l’’I'’'I’'’’’，，'，'，I●’'’，'’，’''I，'II．’’，'，’，' (上接第169页) StudyonHybridElectricVehicleEngineMatching NAPeng—fei (NorthUniversity0fChina，Taiyuan030051·China) Abstract：Hybridelectricvehicleisonetypeofvehiclewithgreatmarketprospects．Enginematchingisoneofthemostimportant partsofhybridelectricvehicledesign．Thepapermainlydiscussestherelatedproblemofhybridelectricvehicleenginematching fromtheaspectsofenginetypeselectionandenginepowercalculation．Thefollowingconclusionsaredrawn：theengineofhybrid electricvehiclecanbebetteronlyifitisimprovedbasedontraditionalengines．Powercalculationofhybridelectricvehicleisbased onpavementloadanddrivingcyclecalculation，butthestructuresofhybridelectricsystemsandcontrolstrategiesshouldbetaken intoconsideration． Keywords：enginef hybridelectricvehicle；matching ． 万方数据