问题25 并联式混合动力汽车的动力总成是如何匹配的？

不同于串联式混合动力汽车，并联式混合动力汽车具有发动机和驱动电机直接向驱动轮提供机械功率的能力。根据耦合装置位置的不同，可能有多种并联混合动力电驱动系统。对于一种结构的设计方法，可能并不适应与其他结构。这里仅以双轴并联混合动力汽车为例（图2-23）进行简要设计分析。

双轴并联混合动力总成元件匹配包括发动机参数、电机参数、电池参数、动力分配装置参数设计。

1．发动机参数设计

发动机的参数设计主要依据以下三个基本原则：

①满足发动机单独驱动的功率需求。

②满足整车动力性要求。

③满足整车经济性最佳要求。

针对应用最为广泛的助力型混合动力汽车，根据发动机和电机自身的特点，即发动机转动惯量较大，响应较慢，而电机的响应较快，应让发动机提供变化较慢的稳态功率，而电机提供瞬态变化的峰值功率。稳态功率包括以巡航车速行驶的功率要求P_e1、爬坡功率要求P_e2、循环工况的平均功率要求P_e3，以及极限加速过程的平均功率要求P_e4。

稳态功率由发动机提供，即克服与车速相关的空气阻力、滚动阻力和坡道阻力；瞬态功率由电机提供，即克服整车的加速阻力。因此，可把整车动力学方程分成两项，即

式中，P_ν为与车速相关的稳态功率；P_dν为与加速相关的瞬态功率。

将巡航车速ν_cruise代入式（2-34），即可计算得巡航车速形式的功率要求P_e1。一般情况下ν_cruise介于车辆经常行驶的平均车速ν_aver和最高行驶车速ν_max之间，即ν_aver≤ν_cruise≤ν_max。

当汽车需要爬坡时，尤其是在爬长坡时，为了维持电池电量，一般不要求电机助力。因此，将爬坡车速ν_i和坡度指标i_max代入式（2-34），即可计算得爬坡功率要求P_e2。

发动机功率选择还要考查循环工况下的平均功率P_e3，即

式中，T_cyc为循环工况测试时间；P_wh为发动机瞬时功率。

同时，发动机功率的最终确定还要考虑另一种情况，就是整车的极限加速过程（驾驶人将加速踏板踩到底）。该过程为整车加速常用工况，此时要求发动机提供其平均功率，峰值功率由电机提供。这种加速过程比较短，应当充分发挥两动力源本身的特性。发动机提供该过程的平均功率P_e4，即

式中，t_max为极限加速过程中车速从0到最高车速ν_max的加速时间；F_t为发动机输出的瞬时驱动力；ν为汽车的瞬时速度。

综上所述，发动机功率至少要满足上述四种情况下所确定的功率要求，即

2．电机参数设计

对于混合动力汽车的驱动电机而言，需要确定的电机特性参数主要有额定功率和峰值功率、额定转矩与峰值转矩、额定转速与最高转速。一般来说，混合动力汽车整车动力性指标中的纯电动最高车速对应为稳态持续工作区，即电机的额定功率的选择；而最大爬坡度和全力加速时间对应的应该是短时工作区（1～5min），即电机的峰值功率。

（1）电机峰值功率匹配原则

电机的峰值功率必须同时满足整车动力性指标中的最高车速、最大加速度以及加速时间要求，同时还要满足以下三个方面的需要。

①动发动机能力：电机在规定时间内起动发动机达到规定转速，其功率应满足

式中，t_star为发动机起动时间；J_e为发动机转动惯量；ω_e为发动机起动过程中的瞬时角速度；ω_idle为发动机的怠速角速度；T_d为发动机的摩擦转矩。

②单独起动整车能力：在规定时间内单独起动整车达到规定车速。

③整车加速能力：满足整车的加速时间的要求。

（2）电机额定功率和额定转速的匹配原则

由于驱动电机的额定功率和额定转速直接影响着电机的高效区，而电机的高效区分布对混合动力汽车的燃油经济性影响很大。因此，应确定电机额定功率和额定转速，以使电机最大限度工作在高效率区域。一般电机的最大效率点发生在0.7～1.0倍的额定功率范围内。

当电机的峰值功率和最高转速确定后，电机的额定转速和额定功率决定了驱动电机系统的高效率区域，系统的高效率区可以针对不同的行驶循环工况进行上下和左右调整，如图2-24所示。

在驱动电机的效率脉谱（MAP）图中，还尽量保持在额定功率点附近工作时，使电机的实际工作点尽可能地靠近额定功率。城市公交客车最常用的是以25～50km/h的速度行驶，应保证车辆以此速度行驶时，电机工作在额定功率点。

（3）电机峰值转矩和转速匹配原则

车用驱动电机具有低速、大转矩的特点。汽车利用这个特点可以获得很好的加速性能。电机的最大转矩至少应该大于负载可能出现的最大转矩，且电机的最大转矩越大，越有利于汽车的原地起步加速、爬坡。但过大的转矩不仅会对电机及其支撑的机械强度、电机及其控制器的电流提出更高的要求，增大了变换器硅钢片的尺寸和损耗，也增大了驱动转矩和传动部件的应力；如果使用多档变速器，那么过大的电机转矩会导致低档驱动力超过车辆的附着极限，使驱动力得不到充分利用。因此电机最大转矩选择应该满足车辆动力性要求，特别是低速最大爬坡度要求，同时应与传动系统最大传动比协调控制。

对电机本身而言，额定功率相同的电机，额定转速越高，体积越小，质量越小，造价越低；而且电机功率恒定的时候，随着电机额定转速和最高转速的增加，电机的最大转矩会减小，从而避免造成最大转矩过大的不利影响。电动汽车选择高速电机是比较有利的，但当电机转速超过一定程度后，其转矩降低幅度明显减小。

3．电池参数设计

电池是混合动力汽车参数匹配中的被动元件，其参数匹配主要考虑电池功率要求，能量要求和电压等级三个问题。参数设计的原则如下：

①电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致。

②大充电和放电功率要满足电机的功率要求。

③要满足运行过程中的能量消耗。

在车用电池的使用过程中，电池的最大电流不应超过300A。电机的峰值功率越大，电驱动系统的电压等级越高，对保证电流不超过一定限值非常有利。但电压等级也不能超过电系统的最高电压限值，一般混合动力汽车的电压等级统计结果见表2-1。

电池的功率等级与电机相关，即电池的输出功率要大于所选择电机的功率总和，并且电池对其充放电电流有一定的限制。否则，过大的充放电电流会造成电池温度升高，缩短电池的使用寿命。电池的充放电电流与电池容量有关，最大电流一般限制在3C～5C（C为电池容量）。在混合动力汽车中电动辅件改动易使整车成本提高。如果整车还保留传统汽车的附件由发动机供能，则只需考虑电机的功率要求。

电池功率应和电机功率相匹配，应满足

式中，P_b为电池的功率；P_m为电机的功率；η_m为电机效率；η_c为逆变器效率。

电池须保证满足电机起动发动机的功率要求，以及急加速电机助力时的功率要求，由于电压等级已经确定，电池的功率反过来就与其电池最大充放电电流有关。

将电压等级以及电机起动发动机的功率需求代入式（2-40），可计算电池的最大电流为

式中，I_max为电池最大电流；V为电池电压。

电池的容量与其最大充放电能力有关，电容量越大，其充放电功率也就越大。当电压等级确定时，其容量与其最大充放电电流成正比，即容量越大，其允许的最大充放电电流越大。因此，首先根据式（2-41）确定最大允许放电电流I_max，进而即可通过式（2-42）确定电池电容C为

式中，C_ci为电池容量与其最大充放电系数的比值。对于镍氢电池，C_ci一般取值为1/5～1/3；对于锂电池，由于正、负极材料种类不同，取值变化较大，C_ci一般可以取1/8～1/5。代入电机的总功率、电压等级及其电机和逆变器效率参数，即可计算确定电池的容量。考虑整车的纯电动功能，根据续驶里程行驶要求，电池容量的确定需要根据工况需要重新匹配。

4．动力分配装置参数设计

动力分配装置的设计参数主要是啮合齿轮的速比，该速比取决于电机最高转速n_mmax和发动机最高转速n_emax的比值I_t。