问题27 混联式混合动力汽车的动力总成是如何匹配的？

以图2-14所示的混联式混合动力汽车为分析对象，讨论混联式混合动力汽车动力总成的匹配。因为发动机为整车的主要动力源，所以从发动机的参数匹配开始。按照发动机的功率，行星排速比设计，发电机（MG1）的功率、转矩和转速范围，驱动电机（MG2）功率、转矩和转速范围，动力电池功率及容量的顺序，完成动力总成参数的匹配。

1．发动机参数设计

发动机是车辆的主要动力源，为了提高整车的燃油经济性，降低排放，在全负荷工况下，发动机运行在基本工作曲线上。基本工作曲线为发动机万有特性曲线中等功率线与等油耗曲线的交点的连线，起始点为发动机怠速转速，终点为发动机最高期望转速，如图2-25所示。因此，选定发动机应遵循以下两个基本原则：

①发动机功率需满足在平直路面上汽车以某一确定车速高速巡航的动力性要求或相应的略低的车速在一定坡度路面巡航行驶的动力性需求。

②发动机的功率至少要大于目标循环工况的平均功率，发动机作为动力系统的主要动力源，整车的能量都将来自于发动机，因此对于电量维持型混合动力汽车，为了避免电池深度放电，发动机的功率应满足这一功率要求。

在确定了发动机功率后，其他特性参数如发动机的最高转速、最大转矩都可以按照传统汽车的设计方法来进行研究和确定。

2．行星排速比设计

①在满足给定动力性设计目标的前提下，尽可能使发动机工作于燃油经济性较好的区域，驱动电机MG2工作于效率较高的区域，尤其对于高负荷工况，尽可能提高总成的效率（减小电功率比例），从而使得整车经济性达到最佳。

②在满足第①条设计原则的前提下，通过行星排速比的适当设计可保证整车动力性不变基础上减小对电机转矩要求，即减小对其尺寸要求，为整车创造更大的乘用空间。

3．发电机设计

①能够在不同驱动工况下解耦发动机与车轮之间的转速，配合驱动电机对发动机的转矩解耦，使发动机的工作点独立于车轮，以保证输出最佳动力的同时，发动机还可以保持在高效区工作。尤其消除传统汽车起动过程中发动机低转速、低效率的工况。在保证整车动力性要求的情况下，达到尽可能提高整车燃油经济性的目的。为实现这一目的，发电机MG1与发动机的转速和转矩之间要满足一定的关系。

首先，对于转速关系，可以参考图2-26。在车辆起动的过程中，当车速为零时，对发电机MG1的转速要求最高，以发动机与发电机MG1为研究对象，发动机和发电机MG1的转速应满足式（2-43），即

式中，ω_MG1-max为发电机MG1的最大允许转速；k为发电机MG1与发动机的速比；ω_eexp为发动机在基本工作线的期望转速，应介于怠速与最高期望转速之间。

当车速很低时，车辆需求功率很小，发动机的功率几乎全部流向了发电机。为了减小能量二次转换带来的损失，可以适当降低发动机的期望转速，如对应于发动机最佳燃油经济性区域的转速，约为发动机中间转速附近。

对于发电机MG1与发动机的转矩关系，应满足式（2-44）和式（2-45），即

式中，T_MG1-act为发动机的实际工作转矩；T_MG1-max为发动机在任意转速下对应的最大转矩；T_e-max为发动机在基本工作曲线上的最大输出转矩；T_MG1-max为发电机最高转速时的最大转矩。

发电机MG1在任意转速下的转矩应满足

显然，发动机与发电机MG1之间的速度解耦装置只影响两者之间的转速和转矩关系，并不改变两者之间的功率关系。参考图2-27，当发动机运行在基本工作曲线的最大允许转速时，发电机MG1的功率达到最大值。

根据式（2-47）可以确定的功率值，即为电机MG1的功率等级。

式中，P_MG1-max为发电机MG1的最大功率；T_MG1-max为发电机MG1最大允许转速所对应的最大转矩。

②在满足第①条设计原则的前提下，尽量选择高转速、低转矩的发电机，以减小发电机的尺寸。

4．驱动电机设计

由于乘用车部件安装空间受到限制，在满足整车动力性目标的前提下，应尽可能减小驱动电机MG2的设计尺寸。尺寸越大，电机电流越大，增加了功率转换器的尺寸和能量损耗，使整车布置难度增加，也会增大整车质量，从而降低整车的燃油经济性。

尽可能增大驱动电机MG2的最高转速，提高电机效率。但同时转速越高，系统电压等级越高，对电子元件绝缘材料等级的要求提高，从而带来更高的附加成本。要协调好以上设计原则中的矛盾，从而匹配出符合给定车型的最佳参数的驱动电机。首先，在转速方面，驱动电机MG2的自然转速n_MG2应大于或等于车辆最高行驶车速，n_MG2所对应的驱动电机连接点的转速值，即

式中，k₂为驱动电机与主减速器之间的减速比；i_d为主减速器速比；r为驱动轮有效滚动半径。

在功率方面，因为很难直接确定驱动电机功率，所以可以假设驱动电机用于处理整车加速过程中的惯性阻力功率（加速阻力功率）和发动机处理的静态阻力功率（空气阻力、滚动阻力和爬坡阻力功率），这样加速整车需求功率与发动机静态阻力功率之差就是驱动电机最后的功率。

对于驱动电机的最大转矩T_MG2-max，可根据驱动电机的最大功率和基速的关系初步确定为

式中，P_MG2-max为驱动电机的峰值功率；T_MG2-max为驱动电机的峰值转矩；n_MG2-e为驱动电机的基速。

5．动力电池选择

动力电池的参数匹配主要包括电池的功率等级和电池的能量等级两个方面。对于电量维持型混合动力汽车，在城市循环工况中，电池的能量可以很容易通过再生制动与发电机维持在某一特定范围内，只有极限工况对整车的功率需求和能量需求都最为苛刻，因此在极限工况-全负荷起步加速工况下，应从功率方面和能量方面来确定电池的参数。

①功率方面。在极限工况下，电池应具有足够的功率以满足车辆动力性的要求，即在指定的加速时间t_a内，发动机和电池的功率之和应能够满足车辆极限工况的总功率需求。则电池的功率P_batt为

式中，阻力功率（P_f+P_w+P_j）之和可以通过式（2-18）计算得到；P_e为发动机功率，η_t为发动机功率转化为车轮需求的效率。

②能量方面。在极限工况下，在指定的加速时间内，电池在允许的SOC放电范围内所能提供的能量应满足整个全负荷加速工况对电池能量需求，即

即加速工况中，驱动电机所需求的总能量减去发电机MG1所能提供的电能总量。式中，E_dis-max为电池在允许的SOC范围内所能放出的最大能量；E_b为全负荷加速工况对电池的能量需求，分别表示为式（2-52）和式（2-53），其中SOC_b为全负荷加速工况开始时电池的SOC值；SOC_t为全负荷加速工况结束时的电池SOC值。