混合动力汽车电机的性能要求和试验

混合动力汽车电机的性能要求和试验殷承良浦金欢 (上海交通大学机械工租学院，上海 203 ) 000

摘要：由于泥合动力汽车 (E )机的工况与此电 HY用电动汽车 (Y相比 B )有很大的不同，所以对其性能要求也不一样.比如电机的工况经常处于动态变化中，要求电机动态响应快，电动和发电模式的切换要迅速等等，而对电机的倾定功率要求意义不大.由于尺寸上的限制，所以在设计上要对性能进行取舍.本文在分析H E Y实际行肤工况的基础上，提出了HY E电机的性能妥求，同时提出了测试这些性能指标的相应试脸方法.本丈对于1,机的设 1电： 1 9计和制遗其有一定的指导意义.关位切：视合动力汽车电机性能要求性能试脸

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E eti V hce lcrc ils e

混合动力汽车电机的性能要求和试验

一、前言汽车尾气中的有毒气体和固体污染物以 及大量 C 2 0对环境造成的危害已得到全面的认识和重视，同时，汽车的能源消费占世界能源总消费的近四分之一，随着发展中国家经济水平的提高，汽车的保有量在急剧增加，由此引发的环境与能源问题就显得更为严重。在环境与能源的双重压力下，迫使汽车工业必须提高汽车的嫩油效率、降低排放。内 燃机热效率的开发己接近极限，各种高效节能汽车和替代能源汽车方案中，电动汽车成为了首选。纯电动汽车 (V由 E )于受目前动力电池技术的限制，在单次充电行驶里程

上能成破性未形突进展(前仅 0 2公，难为场接混合力目为1 -0里)很市受。动汽车(E ) 0 0 HV同具动驱和内机动，最优是驶程基上需改现的时有电机动燃驱基大点续里长 本不要变有能源供应墓础设施，其主要缺点是它不是零排放车辆 (E ) Z

V,结构复杂。尽管如此，工程技术界还是取得了共识，认为混合动力汽车不但是零排放车辆的过渡性方案，也是实现超低排放车辆商品化的切实可行的方案。据丰田公司网站公布的数据，目前已 1有 0万辆丰田Pu混合动力汽车行驶于世界各地的公路上。 rs i 20年，科技部将电动汽车确定为“ 01十五”国家 1个重大科技专项之一，20年 1 2 02月，电动汽车重大专项第一批课题正式启动，5个整车课题中混合动力占3个，另有2个混合动力整车培育课题，充分体现了国家对混合动力汽车发展的重视。如前所述， 混合动力汽车一般有两种动力源，典型的配置是一台小排量的内嫩机加动力电池和牵引电机组成混合驱动系统，在结构上，又分为串联、并联和混联等多种形式。汽车行驶中.内嫩机最大可能地运行于高效区，避免怠速运转和频挤起动等零效率高排放工况，以提高燃油效率、减少排放：同时，在汽车制动时，电机用作发电机，将汽车动能转化为电能储存在电池里，由此进一步提高整体的燃油效率，降低排放：另外，加上内燃机的功率配备比较小，混合动力汽车可以在不牺牲动力性能的前提下，降低排放、提高燃油经济性。

混合动力汽车两种动力源中， 一种作为主动力源，一种作为辅助动力源。串联和以串联为主的混联式混合动力汽车，以电机作为主动力源，提供全部或大部分驱动力，而内燃机作为辅助动力源，驭动发电机给电池充电，以延长车辆的续驶里程。并联和测重并联的混联式混合动力汽车，则以内嫌机作为主动力源，提供大部分驱动力，电机作为辅助动力源，在车辆急加速、爬坡时，提供额外的驱动力。为协调和分配两种动力源的功率输出，混合动力汽车必须装备一个电子控制模块，使两种动力装里协调工作。以电 机作为主动力源的混合动力汽车，电机的工况与纯电动汽车差别不大，性能要求也类似。纯电动汽车的研究时间比较长，相关的技术比较成熟，本文不作赘述。电机作为辅助动力源的混合动力汽车，机的工况与纯电电动汽车有较大差别，性能要求上有所不同，本文就此展开分析，着重于混合动力汽车电机性能要求的特殊性，并针对性能要求，提出了相应的试验方法。

二、混合动力汽车电机的性能要求21发动机和电机的特性分析 .

20中国电动汽车的研究与开发 02

前面已提到， 混合动力汽车嫩油效率高的其中一个原因是装备较小的发动机，并让发动机在高负荷

、高效率下运转。从发动机的等效率曲线图 ( - )图1 )可以看出，发动机在 a接近满负荷和中高转速范围内，效率相对较高，在低负荷区效率明显下降。而电机则在整个负荷区效率都比较高 ( 1 ),因此，可以将发动机在高效率区工作时输出的功率存图 -) b储起来，用于在低载行驶时向电机提供电力驱动车辆。发动机的 燃油效率和排放除了跟发动机负荷有关外，还与温度有关。是一个在F P图2 T

排放测试工况下的H C排放例子，从上到下依次为随时间变化的车速曲线、发动机气缸温度曲线、发动机 H C排放、催化剂效率和车辆尾气 H C排放曲线。可以看到，随着发动机温度的提高， C的产生量明显减少，同时，由 H于温度的上升，催化剂效率提高，尾气中的H C进一步减少。从图中还能发现，排放集中于发动机刚起动的短时间 ( 0S约50左右)。所以，为了降低排放，应避免发动机的频萦关闭起动。在拥挤的城市道路上，汽车频萦制动、起步和低速行驶时，可由电机驱动。根据以 上分析，在发动机等效率曲线图上分成3个区，如图1 ) -所示，①为低速区， a 0为低负荷区，。为发动机高效区，通过多能源动力总成控制系统，控制发动机在高效区

工而低和负区电提驱力.提燃经性降排作，在速低荷由机供动，高油济、低放。以n发机特抽率蛛 )助外性勺曲

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圈 1发动机与电机的性能对比

图 2 FP排放侧试工况和 H I C排放

22电 .机的工况与性能共求由于要在有限的空间里容纳发动机、电机、电机控制器以 及电池和电池管理系统，与纯电动汽车相比，混合动力汽车电机 (电池)的尺寸限制甚为严格。好在电机的连续工作

混合动力汽车电机的性能要求和试脸

时间较短，且工作时间的大部分是在低负荷小功率下工作，大功率工作 (急加速、制动发电)的持续时间非常短，一般只有几秒到十几秒，这对尺寸上的限制作了部分弥补，降低了电机的设计难度。另一个不利的因素是工作环境比较恶劣，于发动机运转时发出的热，由使电机的工作环境温度比较高，电机的抗热性必须要好。电 机作为

辅助动力源时，典型的工况是： U低速大扭矩运转， 这种工况出现在汽车起步过程，一般持续时间较短，只有几秒，最多不超过十几秒，当 车速达到某一最小限值，比 1-1 mh如 0 5/时， k控制系统将动力源切换为发动机，由 发动机驱动： i低速小扭矩运转， i )这种工况常见于拥挤的城市道路，此时电机的输出功率比较小。讯)高速小扭矩运转，当 汽车超车加速时，电机提供辅助动力，与发动机一起驭动，此时电机以最大功率工作，持续时间也不长； i v )瞬间大功率发电，汽车制动时，电机用作发电机，对电池充电，由于安全限制，制动时间不可能长， 要求电机提供尽可能多的制动力矩，回收汽车动能、 v小功率发电，汽车溜长坡和电 S (较低时发动机的一部分功率输出提供给电 )池 O:机，电 对电机用作发电机，池充电.可见， 在汽车行驶中，电机的运行时间只占小部分，在这小部分的时间里，电机也只作小功率运转，以峰值功率工作的持续时间只有几到十几秒。因此，除耐热性外，对电机的性能要求还应包括： a转速范围要宽， )应与发动机的转速范围相一致 (视具体连接而定): b低速时需要输出大扭矩， )恒扭矩区比较短； c要有瞬时物出大功率的能力： ) d在较大的转速和负荷范围内效率要高， )因为电机的效率直接与整车的燃油经济性和排放相关。

图3为 rs丰田Pu混合动力 i轿车主电扭矩外机的特性曲 1电线[,机类型为永磁交流同 1步电机，新款电机的最大愉出扭矩琳速范围为：30 m0 40 m 5N/ 0r,最大输出功率/ - p转速范围： 3W 1 0 60 m 3k/ 4-50i .这种性能就非常适合混合动力汽车。 0 p

图3丰田Pis ru棍合动力轿车新旧软牵引电机的外特性

三、混合动力汽车电机的性能试脸除常规的测试外，对电机的性能测试至少还要包括：

20 02中国电动汽车的研究与开发

a从低速大扭矩到高速小扭矩的外特性试验 )常规的电力测功机上可以进行电 机的扭矩外特性试验。 b脉冲功率试验，测试电机在短时间 (如2s )比 0)内的峰值功率瞬时的大功率电动运转，对于 H V的动力性能至关重要，而瞬时大功率发电运转， E是有效回

收制动能量、提高 H V燃油经济性的关链之一。脉冲功率试脸需要专门的 E试验设备.

C动态行驶工况效率试验 )目 前国内外尚无针对混合动力汽车用电机的行驶工况试验曲线，一种可行的做法是从H V的标准行驶工况中分离出电 E机的工况曲线，图4 C 1工况曲为E E 5线和分离出的电机工况曲线。根据工况曲线，单独对电机进行试验，侧t记录电机的输入电功率和输出机械功率 (作为电动机工作)以及输入机械功率和输出电功率 (作为发电机工作),计算出电机在整个循环工况的平均工作效率。电动功率和发电功率的计算公式如下：

电动功率：1 7发电功率 式中门一 U一

二二一

n- T

x

95 U .5" 195 U .5" 1x

10 0%10 0%

二一二

n- T

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效率 (%)电压 ( V)电流 ( A)电机转速 (印m)电机转矩 ( m) N

时间( ) .

图4 E5 E 1工况和分离出的电机工况曲线 C16 7,

混合动力汽车电机的性能要求和试验

这种做法的弊端是电机工况曲线不具有代表性，因为从整车行驶循环曲线中分离出电机工况曲线很大程度上由整车的控制策略决定，所以较好的做法是根据 R V E的实际行驶工况，象整车的典型行驶循环一样制定单独的电机典型试验工况曲线，这方面还有待进一步研究。

四、结论 H V电 E机的性能要求不同于 E机， E机的转速范围要求宽，低转速区要求 V电 H V电有大扭矩输出，平常工作功率较小，但短时间要求以较高峰值功率工作。对电机的性能试验要求包括低速大扭矩到高速小扭矩的外特性试验、脉冲功率试脸和动态行驶工况效率试验。

本文所提的性能试验方法只是一个思路和原则，具体试验方案还应根据实际情况， 全面考虑各种因素，规定一般试验条件，才能制定实际可行的试验方法。

参考文献 [ K Si oK K b, auY t Dvl m noE ciM ts t T Y T 1 . g, uoTKt, a, e p et l t o rf h O O A] h n . . s Ha e o f r e c o o e r

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作者简介殷承良：男，16年生， 00年获得吉林工业大学 ( 95 20现吉林大学)工学博士学位： 00 20年开始在上海交通大学机械工程学院从事博士后研究工作， 主要研究方向是汽车操纵租定性和电子控制。19年以 90来，在国内外发表学术论文 1余篇。 0浦金欢：男，1 3年生，1 5 19 9 7 9 . 8年分别获西安交通大学工学学士、工学硕士学位， 9 9 20年起在上海交大攻读博士学位， 00研究兴趣包括汽车电子控制、嵌入式系统应用

和工业自 -ara@j.un动化。 t ip h s e . Enl ja dc t u