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

MECHANICAL　ENGINEERING　&　AUTOMATIONNo11

Feb1

文章编号:167226413(2010)0120167203

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设计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。的计算以路面负载和循环工况计算为基础,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

,围,电动汽车成为主要的解决方案之一。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

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

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

收稿日期:2009209230

作者简介:那鹏飞(19802),男,山西太原人,硕士,研究方向:动力机械及工程。

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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、

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 min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 min,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

。

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3215kW,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Pe的计算公式为:

Pe=

1000ΓtΓm

(mvgfΧ+

2

ΘaCDAfv)。……(1)2

式中:v——车速;

Γt——传动效率;—电机效率;Γm—

mΜ——车的质量;g——重力加速度;f

Χ

——轮胎滚动阻力系数;

—空气密度;a—Θ

CD——空气阻力系数;Af——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Pl计算公式为:

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Pl=

1000ΓtΓe

(mvgfΧ+

2ΘaCDAfv+mvgi)。2

…………………………………………………(2)式中:Γe——发动机效率;

i——坡度。

发动机最大平均功率Peam计算公式为:

T=PeamPe(v)dt。………………………(3)

T

式中:T——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

。

2图3　并联混合动力发动机功率的计算

[6]　王庆年,何洪文,李幼德,等.并联混合动力汽车传动系参3　结论

数匹配[J].吉林工业大学学报,2000(1):72275.混合动力汽车的发动机应在传统发动机的基础上

[7]　YiminGao,EhsaniM.Parametricdesignofthetraction进行改进,才能更大地发挥其优势。混合动力汽车发

motorandenergystorageforserieshybridoff2roadand

动机功率的计算以路面负载和循环工况计算为基础,

militaryvehicles[J].IEEETransactionsonPower

但需要考虑不同混合动力系统的结构和控制策略。

Electronics,2006(3):7492755.

参考文献:

[8]　EhsaniM,RahmanKM,ToliyatHA.Propulsionsystem