1.2.5 驅動單元性能設計

驅動單元為車輛提供牽引力，通常由內燃機、電機或氫燃料電池中的一種或多種（取決于車輛構型）組成。驅動單元最理想的運行特性是在其全轉速范圍內為恒功率輸出，此時轉矩隨轉速呈雙曲線形，驅動單元在任何車速下都能全功率輸出，因而車輛的動力性是最佳的。以下分析內燃機和電機的實際運行特性。

1.內燃機

內燃機設計性能指標的首要考慮因素是在成本合適的情況下保證滿足使用需求，其次是使用可靠，最后才是主要指標。本節主要論述影響車輛動力性的內燃機特性參數、內燃機模型的構建及提升內燃機性能的先進技術。

（1）類別及性能指征 內燃機通過內部燃燒將燃料的化學能轉化為機械能。汽車用內燃機的分類方式及類別見表1-6。乘用車常用的內燃機為汽油機和柴油機，本書以介紹這兩種內燃機為主。

內燃機的基本原理已有大量的文獻資料及專著進行了闡述，本書主要關注內燃機在汽車上應用時的設計要點，著重于與其性能相關的特性參數。

最大功率、最大轉矩及其對應的內燃機轉速，是內燃機的主要表征參數，它們決定了內燃機的主要性能指標。內燃機特定轉速區間下的轉矩決定了特定區間內的內燃機的性能。上述指標用于確定內燃機的外特性。

1）最大功率轉速n_p。n_p值的選定對于最高車速有很大的影響。增大n_p值是提高內燃機功率和減小質量最為有效的措施。

一般來說，n_p值可根據內燃機的技術水平進行計算：

式中 k——技術水平系數，一般取k=0.5～1.0，對于采用增壓、增壓中冷、諧波進氣等特殊措施的內燃機，可偏于下限取值；

n_pm——內燃機最大功率轉速的最高值，一般柴油機取4410r/min，汽油機取6750r/min。

2）最大轉速n_m。內燃機的最大轉速由內燃機的最高允許轉速決定。內燃機的最大轉速一般可由下式計算：

因為汽車的最高車速相當于內燃機最大功率點的車速時是最大的，所以為了獲得更好的適應性，式（1-31）中的系數偏于上限取值。

3）最大功率P_m。P_m值大，動力性就好，但過大時功率利用率低，燃油經濟性差，且動力傳動系統的質量也將增加。

一般來說，P_m值可根據最高車速的要求進行計算：

式中 F_c——滑行阻力（N），通過滑行試驗測得；

η_a——內燃機外特性縮減系數，一般取0.95；

η_t——傳動系的效率，包含變速器效率（0.94～0.98）、傳動軸效率（0.96～0.98）、驅動橋效率（最大負荷工況下為0.94～0.96）等；

u_max——最高車速（km/h）；

δ——最高車速時的內燃機功率偏移系數，一般取1.03。

4）最大轉矩T_m。最大轉矩決定了汽車的驅動力、加速性能和爬坡性能等動力性參數。最大轉矩越大，汽車動力性越好。但轉矩過大，除轉矩利用率低外，還必然使內燃機和傳動系統的質量增大。合理的最大轉矩值應根據性能要求選定。

下面以最大爬坡度要求來計算需要的最大轉矩：

式中 F_c——滑行阻力（N），通過滑行試驗測得，這里一般考慮車速為0時的滑行阻力；

m——滿載質量（kg）；

i_max——最大爬坡度（%）；

r——輪胎滾動半徑（m）；

i_g——變速器的傳動比，這里一般是一檔傳動比i_g1；

i_c——分動器的傳動比，一般分為高、低檔。

項目定義初期，i_gi₀i_c一般暫未確定，可參考競品車的參數，大致定義一個范圍，項目的i_gi₀i_c定義在17～19的范圍內；r也未確定，一般根據項目輸入的輪胎數據選取經驗值進行計算，某車型選取245/65 R16輪胎，則其r≈0.364m。

5）最大轉矩轉速n_t。最大轉矩轉速與最大功率轉速有密切的關系，過于靠近則內燃機對于負荷變化的適應能力降低，高檔利用率降低，高檔最低穩定車速偏高，變速器的換檔頻次增高。反之，如果過于拉開，則內燃機的平均加速功率下降，動力性變差。

一般來說，n_t值可根據動力特性的分配關系進行計算：

式中 λ——分配系數，一般柴油機取2.4（1±10%），汽油機取3.0（1±10%）；

e_t——轉矩因子，e_t=T_m/T_p。

6）內燃機低轉速區間的轉矩。內燃機低轉速區間的轉矩影響汽車的低速爬坡性能，相關的動力性指標為20km/h車速下二檔最大爬坡度。

下面以20km/h車速下二檔最大爬坡度要求來計算需要的轉矩：

式中 T_i20——20km/h車速下二檔時發動機的最大轉矩需求；

F_c——滑行阻力（N），通過滑行試驗測得，這里考慮車速為20km/h時的滑行阻力；

m——滿載質量（kg）；

i₂₀——20km/h車速下二檔最大爬坡度（%），動力性目標；

i_g——變速器的傳動比，這里是二檔傳動比i_g2。

（2）內燃機模型的構建 內燃機的實際工作過程非常復雜，在構建內燃機模型進行動力性、經濟性仿真時需要做一些必要的簡化，僅使用內燃機的基本參數和特性參數來描述內燃機輸入-輸出的靜態機械特征，而不分析內燃機內部燃燒過程和熱動力學特性。

1）內燃機的工作狀態。了解內燃機的工作狀態，才能有針對性地簡化內燃機模型，以必須的特性參數進行性能仿真。內燃機通常有四個工作狀態：起動、怠速、工作、關閉。

內燃機起動狀態下，起動機克服內燃機的阻力，使內燃機達到穩速運行的狀態。內燃機的阻力來源于內燃機轉動慣量、機械附件損耗和閉節氣門轉矩。其中閉節氣門轉矩是由靜摩擦、黏性摩擦、庫侖摩擦和制動壓縮轉矩產生的。內燃機起動狀態的原理圖如圖1-20所示。

當離合器分離時，調節器使內燃機保持在理想的怠速轉速狀態下。一般調節器是PID（比例、積分、微分）控制器，關于PID控制器的原理，有興趣的讀者可以參閱其他相關書籍。內燃機怠速狀態的原理圖如圖1-21所示。

內燃機工作時，離合器接合（或滑摩，此時離合器部分傳遞轉矩），內燃機通過傳動系統為車輛提供牽引力。

內燃機關閉時，產生反向轉矩進行制動。內燃機的反向轉矩由附件轉矩和閉節氣門轉矩組成。

采用AVL Cruise進行車輛動力性仿真分析時，一般要用到以下內燃機基本參數、外特性曲線、萬有特性曲線和倒拖轉矩曲線。

2）基本參數。在AVL Cruise中設置內燃機模型，首先需要輸入一些基本參數。必須的基本參數見表1-7。

3）外特性曲線。內燃機外特性曲線是當內燃機節氣門開度為100%時測得的內燃機輸出功率（轉矩）隨轉速變化的曲線。內燃機的外特性是計算其牽引力的最重要的參數。典型的內燃機外特性曲線如圖1-22所示。

4）萬有特性曲線。以轉速n為橫坐標，以轉矩T_tq或平均有效壓力P_me為縱坐標，畫出等油耗率曲線和等功率曲線，組成內燃機萬有特性曲線。根據需要還可以畫出等過量空氣系數曲線、等進氣管真空度曲線、冒煙極限等。

萬有特性曲線實質上是所有負荷特性和速度特性曲線的合成。它可以表示內燃機在整個工作范圍內主要參數的變化關系，用它可以確定內燃機最經濟的工作區域，當然也可以確定某一污染物排放量的最小值區域等。在內燃機參數匹配過程中，通過參數匹配使這些最佳性能區域落在最常用的工況范圍內，這是內燃機性能匹配的重要原則之一。典型的內燃機萬有特性曲線如圖1-23所示。

從臺架試驗中獲取的萬有特性一般包含了內燃機轉速n、內燃機轉矩T_tq和比油耗BSFC。在AVL Cruise中，用質量流量來替代比油耗BSFC進行油耗計算，其表達式如下

式中 q_m——質量流量（kg/h）；

n——內燃機轉速（r/min）；

T_tq——內燃機轉矩（N·m）；

BSFC——有效燃油消耗率，即比油耗（g/kW·h）。

因為在臺架試驗過程中，一般以內燃機轉速1000r/min為起點開始測量萬有特性數據，故而在Cruise中，對于內燃機零轉矩至該轉速的倒拖轉矩峰值區間內，比油耗需要根據該轉速下相鄰轉矩下已有的比油耗值外推相應的值。這種外推值并不準確，為了避免Cruise外推比油耗值，可以手動插值得到0轉矩時的比油耗值，然后使該轉速下0轉矩至倒拖轉矩區間內的比油耗均等于該值，如圖1-24所示，圖中表示不同的發動機轉速（r/min）。

5）倒拖轉矩曲線。當車輛滑行或制動時，內燃機因斷油而處于關閉狀態，此時內燃機產生倒拖轉矩，觸發內燃機制動。典型內燃機的倒拖轉矩曲線如圖1-25所示。

2.電機

電機是一種將電能與機械能相互轉換的電磁裝置。在車輛行駛時，電機可以處理儲能系統所提供的能量并通過傳動系統向輪邊傳遞功率和轉矩；當車輛制動時，還可以將車輪傳遞過來的機械能轉換為電能并存儲到儲能系統中。

當電機將電能轉化為機械能時，稱為電動機；當電機將機械能轉化為電能時，稱為發電機。一般將電機的制動模式稱為再生制動。

（1）類別及基本原理 汽車用電機有圖1-26所示的分類方式，乘用車常用的是籠型異步電機（也被稱為感應電機，IM）和永磁同步電機（PMSM）。本書以介紹永磁同步電機為主。

廣義的電機指的是電機驅動系統，包括了電機和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），并且通過直流-交流（DC-AC）變換器（逆變器）與動力蓄電池相連。

感應電機的控制原理圖如圖1-27所示。因為感應電機需要交流電的輸入，需要通過逆變器將電池輸出的直流電轉換為交流電。一般通過矢量控制技術來控制感應電機的轉矩-轉速關系，總的來說，矢量控制技術利用感應電機的動力學等效電路將定子電流解耦成兩個垂直分量，一個產生磁場，一個產生轉矩，這樣就可以像直流電機控制器一樣獨立控制。感應電機分析中最重要的一個變量為轉差率，是轉差速度與異步速度的比值。

永磁同步電機的控制原理圖如圖1-28所示。永磁同步電機同感應電機一樣，通過逆變器從動力蓄電池獲取能量。在恒轉矩區域，通過位置傳感器和電流傳感器的協助調整電機的電流，從而使電機輸出平滑的轉矩。而在恒功率區域，永磁同步電機工作在弱磁模式，使電機能夠工作在較高的轉速下。

感應電機和永磁同步電機具有表1-8所列的特點。

（2）電機模型的構建 不同種類的電機具有不同的結構和轉矩-轉速特性，但是在進行系統性能仿真時可以認為相同，因為只需要用到電機的外部電學特性和機械特性。

1）電機的工作狀態。電機具有圖1-29所示的四象限工作模式。因此電機控制器的主要任務就是在電機的四種工作模式下調節電機旋轉方向、電機轉速和維持所需的轉矩。

① 正向驅動模式。動力蓄電池給電機供電，電機驅動車輛正向行駛。

② 反向驅動模式。動力蓄電池給電機供電，電機驅動車輛反向行駛。

③ 正向制動再生模式。電機做制動能量回收，為動力蓄電池充電，車輛正向滑行或制動。

④ 反向制動再生模式。電機做制動能量回收，為動力蓄電池充電，車輛反向滑行或制動。

2）基本參數。在AVL Cruise中EM（Electric Machine）需要設定表1-9所列的基本參數。

3）外特性曲線。電機的理想輸出特性曲線如圖1-30所示，某電機實際峰值外特性曲線如圖1-31所示。

4）效率曲線。電機的效率曲線如圖1-32所示。