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混合动力汽车动力系统的仿真与设计

【摘要】本文介绍了混合动力汽车动力系统的基本设计方法，根据设计的性

能要求对动力系统参数进行了设计，用电动汽车仿真软件ADVISOR对整车性能

进行了仿真计算，验证了参数设计的合理性。

【关键词】混合动力汽车;动力系统;仿真;设计

一、前言

新能源汽车的发展是我国汽车行业的战略性发展方向。在新能源汽车中，混

合动力汽车继承了石油燃料高比能量和高比功率的优点，弥补了纯电动汽车续驶

里程短的不足，使其成为当前新能源汽车领域最为切实可行的方案[1]。混合动

力汽车设计的过程中，动力系统的参数设计是其关键部分，本文针对动力系统相

关参数的设计与计算，讨论了混合动力汽车动力系统参数设计的一般思路和方

法。

二、混合动力汽车动力系统参数设计

1.发动机参数设计

发动机是混合动力汽车的主要动力来源，因此，发动机的参数选择是整个动

力系统参数设计的重要部分。对发动机参数的设计主要工作是对发动机功率的选

择。如果发动机功率选择过大，汽车的燃油消耗就会严重，经济性能差;如果发

动机功率选择较小，后备功率就小，动力性能不足。发动机功率的选择是由汽车

在单驱动工况下行驶的最大速度及其爬坡度来决定的，即：

其中，Pemax为发动机最大功率;为传动系效率;为最高车速;m为汽车的总质

量;为滚动阻力系数;为空气密度;CD为空气阻力系数;A为迎风面积。

由于混合动力汽车发动机提供的是汽车正常行驶时的平均功率，因此，发动

机功率的选择主要是根据汽车匀速行驶的工况下功率的值，使发动机工作在经济

性能最好的区域，用下式计算：

其中，Pe为汽车正常行驶时的功率;为汽车的平均行驶速度。

2.电机参数设计

混合动力汽车使用的电机具有这样的特性：电机以小于额定转速工作时，处

于恒定转矩的工作模式，反之，处于恒定功率的工作模式。

电机本身的质量、尺寸、损耗等因素都直接影响着最高转速，对传动系尺寸

的大小也有较大的影响。电机的最高转速与额定转速的比值，称为电机扩大恒功

率区系数β。当电机功率为定值，随β增大，电机转速降低，电机额定转矩增大，

对电机支撑要求就越高，同时，电机会使传动比和齿轮应力增大。低速电机β

小，额定转矩大，电机尺寸和重量也较大，损耗也就增加，同时汽车起步加速和

稳定行驶要求电机具有较大的β值。因此，电机的选择要综合考虑最高转速、传

动系尺寸和齿轮应力等因素。一般情况下选择中高速电机，即最高转速在9000～

15000r/min，β的取值为4～6，电机的额定转速。

电机的功率要能满足汽车在最高车速行驶的需要，设计时要综合考虑发动机

的功率，电机的最大功率至少应等于加速时的最大功率[2]，即：

其中，为电机最大功率;为加速时间;为与电机额定转速相应的车速;为加速后

的车速。

3.电池参数设计

电池参数的设计主要考虑汽车电机的最大功率需求和汽车续驶里程能量的

需求[3]。电池在不同的荷电状态下具有不同的内阻值和峰值功率，在正常工作

过程中峰值放电功率要大于电机的最大功率，此外，电池的总容量也要满足汽车

在连续加速工况下和爬坡时电机做功的需求。

（1）由电机最大功率确定电池数目

其中，为单个电池的最大功率;为电机以最大功率工作时的效率;为电机控制

器的工作效率;N为单个蓄电池组包含的电池数目;E0为单个电池的电动势;Rint

为单个电池的等效内阻。

（2）确定电池组数目

蓄电池总容量应满足汽车续驶里程的要求。电池组数目：

其中，W为汽车行驶1km所消耗的电池能量;L为续驶里程;CT为单个电池

的容量;VT为单个电池的电压。

镍氢电池具有高比能、大功率、耐用、体积小、重量轻和循环寿命长等优点，

使其成为目前电动汽车领域的主流。镍氢电池荷电状态工作区在设计能量管理策

略时应使其始终工作在具有较低的充放电内阻的0.2～0.8之间。

4.主减速器速比和速器最大传动比的设计

主减速器速比的选择既要能满足车辆行驶的最高车速也要能达到蓄电池充

电时对发动机后备功率的要求，即：

其中，为主减速器速比;为轮胎的滚动半径;为发动机的最高转速。

变速器的最大传动比应根据发动机单独驱动时的最大爬坡度来设计，同时，

还要考虑各种阻力的影响。变速器传动比的设计满足下式：

其中，为变速器的最大传动比;为最大爬坡度;为发动机最