1.2.5 驱动单元性能设计

驱动单元为车辆提供牵引力，通常由内燃机、电机或氢燃料电池中的一种或多种（取决于车辆构型）组成。驱动单元最理想的运行特性是在其全转速范围内为恒功率输出，此时转矩随转速呈双曲线形，驱动单元在任何车速下都能全功率输出，因而车辆的动力性是最佳的。以下分析内燃机和电机的实际运行特性。

1.内燃机

内燃机设计性能指标的首要考虑因素是在成本合适的情况下保证满足使用需求，其次是使用可靠，最后才是主要指标。本节主要论述影响车辆动力性的内燃机特性参数、内燃机模型的构建及提升内燃机性能的先进技术。

（1）类别及性能指征 内燃机通过内部燃烧将燃料的化学能转化为机械能。汽车用内燃机的分类方式及类别见表1-6。乘用车常用的内燃机为汽油机和柴油机，本书以介绍这两种内燃机为主。

内燃机的基本原理已有大量的文献资料及专著进行了阐述，本书主要关注内燃机在汽车上应用时的设计要点，着重于与其性能相关的特性参数。

最大功率、最大转矩及其对应的内燃机转速，是内燃机的主要表征参数，它们决定了内燃机的主要性能指标。内燃机特定转速区间下的转矩决定了特定区间内的内燃机的性能。上述指标用于确定内燃机的外特性。

1）最大功率转速n_p。n_p值的选定对于最高车速有很大的影响。增大n_p值是提高内燃机功率和减小质量最为有效的措施。

一般来说，n_p值可根据内燃机的技术水平进行计算：

式中 k——技术水平系数，一般取k=0.5～1.0，对于采用增压、增压中冷、谐波进气等特殊措施的内燃机，可偏于下限取值；

n_pm——内燃机最大功率转速的最高值，一般柴油机取4410r/min，汽油机取6750r/min。

2）最大转速n_m。内燃机的最大转速由内燃机的最高允许转速决定。内燃机的最大转速一般可由下式计算：

因为汽车的最高车速相当于内燃机最大功率点的车速时是最大的，所以为了获得更好的适应性，式（1-31）中的系数偏于上限取值。

3）最大功率P_m。P_m值大，动力性就好，但过大时功率利用率低，燃油经济性差，且动力传动系统的质量也将增加。

一般来说，P_m值可根据最高车速的要求进行计算：

式中 F_c——滑行阻力（N），通过滑行试验测得；

η_a——内燃机外特性缩减系数，一般取0.95；

η_t——传动系的效率，包含变速器效率（0.94～0.98）、传动轴效率（0.96～0.98）、驱动桥效率（最大负荷工况下为0.94～0.96）等；

u_max——最高车速（km/h）；

δ——最高车速时的内燃机功率偏移系数，一般取1.03。

4）最大转矩T_m。最大转矩决定了汽车的驱动力、加速性能和爬坡性能等动力性参数。最大转矩越大，汽车动力性越好。但转矩过大，除转矩利用率低外，还必然使内燃机和传动系统的质量增大。合理的最大转矩值应根据性能要求选定。

下面以最大爬坡度要求来计算需要的最大转矩：

式中 F_c——滑行阻力（N），通过滑行试验测得，这里一般考虑车速为0时的滑行阻力；

m——满载质量（kg）；

i_max——最大爬坡度（%）；

r——轮胎滚动半径（m）；

i_g——变速器的传动比，这里一般是一档传动比i_g1；

i_c——分动器的传动比，一般分为高、低档。

项目定义初期，i_gi₀i_c一般暂未确定，可参考竞品车的参数，大致定义一个范围，项目的i_gi₀i_c定义在17～19的范围内；r也未确定，一般根据项目输入的轮胎数据选取经验值进行计算，某车型选取245/65 R16轮胎，则其r≈0.364m。

5）最大转矩转速n_t。最大转矩转速与最大功率转速有密切的关系，过于靠近则内燃机对于负荷变化的适应能力降低，高档利用率降低，高档最低稳定车速偏高，变速器的换档频次增高。反之，如果过于拉开，则内燃机的平均加速功率下降，动力性变差。

一般来说，n_t值可根据动力特性的分配关系进行计算：

式中 λ——分配系数，一般柴油机取2.4（1±10%），汽油机取3.0（1±10%）；

e_t——转矩因子，e_t=T_m/T_p。

6）内燃机低转速区间的转矩。内燃机低转速区间的转矩影响汽车的低速爬坡性能，相关的动力性指标为20km/h车速下二档最大爬坡度。

下面以20km/h车速下二档最大爬坡度要求来计算需要的转矩：

式中 T_i20——20km/h车速下二档时发动机的最大转矩需求；

F_c——滑行阻力（N），通过滑行试验测得，这里考虑车速为20km/h时的滑行阻力；

m——满载质量（kg）；

i₂₀——20km/h车速下二档最大爬坡度（%），动力性目标；

i_g——变速器的传动比，这里是二档传动比i_g2。

（2）内燃机模型的构建 内燃机的实际工作过程非常复杂，在构建内燃机模型进行动力性、经济性仿真时需要做一些必要的简化，仅使用内燃机的基本参数和特性参数来描述内燃机输入-输出的静态机械特征，而不分析内燃机内部燃烧过程和热动力学特性。

1）内燃机的工作状态。了解内燃机的工作状态，才能有针对性地简化内燃机模型，以必须的特性参数进行性能仿真。内燃机通常有四个工作状态：起动、怠速、工作、关闭。

内燃机起动状态下，起动机克服内燃机的阻力，使内燃机达到稳速运行的状态。内燃机的阻力来源于内燃机转动惯量、机械附件损耗和闭节气门转矩。其中闭节气门转矩是由静摩擦、黏性摩擦、库仑摩擦和制动压缩转矩产生的。内燃机起动状态的原理图如图1-20所示。

当离合器分离时，调节器使内燃机保持在理想的怠速转速状态下。一般调节器是PID（比例、积分、微分）控制器，关于PID控制器的原理，有兴趣的读者可以参阅其他相关书籍。内燃机怠速状态的原理图如图1-21所示。

内燃机工作时，离合器接合（或滑摩，此时离合器部分传递转矩），内燃机通过传动系统为车辆提供牵引力。

内燃机关闭时，产生反向转矩进行制动。内燃机的反向转矩由附件转矩和闭节气门转矩组成。

采用AVL Cruise进行车辆动力性仿真分析时，一般要用到以下内燃机基本参数、外特性曲线、万有特性曲线和倒拖转矩曲线。

2）基本参数。在AVL Cruise中设置内燃机模型，首先需要输入一些基本参数。必须的基本参数见表1-7。

3）外特性曲线。内燃机外特性曲线是当内燃机节气门开度为100%时测得的内燃机输出功率（转矩）随转速变化的曲线。内燃机的外特性是计算其牵引力的最重要的参数。典型的内燃机外特性曲线如图1-22所示。

4）万有特性曲线。以转速n为横坐标，以转矩T_tq或平均有效压力P_me为纵坐标，画出等油耗率曲线和等功率曲线，组成内燃机万有特性曲线。根据需要还可以画出等过量空气系数曲线、等进气管真空度曲线、冒烟极限等。

万有特性曲线实质上是所有负荷特性和速度特性曲线的合成。它可以表示内燃机在整个工作范围内主要参数的变化关系，用它可以确定内燃机最经济的工作区域，当然也可以确定某一污染物排放量的最小值区域等。在内燃机参数匹配过程中，通过参数匹配使这些最佳性能区域落在最常用的工况范围内，这是内燃机性能匹配的重要原则之一。典型的内燃机万有特性曲线如图1-23所示。

从台架试验中获取的万有特性一般包含了内燃机转速n、内燃机转矩T_tq和比油耗BSFC。在AVL Cruise中，用质量流量来替代比油耗BSFC进行油耗计算，其表达式如下

式中 q_m——质量流量（kg/h）；

n——内燃机转速（r/min）；

T_tq——内燃机转矩（N·m）；

BSFC——有效燃油消耗率，即比油耗（g/kW·h）。

因为在台架试验过程中，一般以内燃机转速1000r/min为起点开始测量万有特性数据，故而在Cruise中，对于内燃机零转矩至该转速的倒拖转矩峰值区间内，比油耗需要根据该转速下相邻转矩下已有的比油耗值外推相应的值。这种外推值并不准确，为了避免Cruise外推比油耗值，可以手动插值得到0转矩时的比油耗值，然后使该转速下0转矩至倒拖转矩区间内的比油耗均等于该值，如图1-24所示，图中表示不同的发动机转速（r/min）。

5）倒拖转矩曲线。当车辆滑行或制动时，内燃机因断油而处于关闭状态，此时内燃机产生倒拖转矩，触发内燃机制动。典型内燃机的倒拖转矩曲线如图1-25所示。

2.电机

电机是一种将电能与机械能相互转换的电磁装置。在车辆行驶时，电机可以处理储能系统所提供的能量并通过传动系统向轮边传递功率和转矩；当车辆制动时，还可以将车轮传递过来的机械能转换为电能并存储到储能系统中。

当电机将电能转化为机械能时，称为电动机；当电机将机械能转化为电能时，称为发电机。一般将电机的制动模式称为再生制动。

（1）类别及基本原理 汽车用电机有图1-26所示的分类方式，乘用车常用的是笼型异步电机（也被称为感应电机，IM）和永磁同步电机（PMSM）。本书以介绍永磁同步电机为主。

广义的电机指的是电机驱动系统，包括了电机和绝缘栅双极型晶体管（IGBT），并且通过直流-交流（DC-AC）变换器（逆变器）与动力蓄电池相连。

感应电机的控制原理图如图1-27所示。因为感应电机需要交流电的输入，需要通过逆变器将电池输出的直流电转换为交流电。一般通过矢量控制技术来控制感应电机的转矩-转速关系，总的来说，矢量控制技术利用感应电机的动力学等效电路将定子电流解耦成两个垂直分量，一个产生磁场，一个产生转矩，这样就可以像直流电机控制器一样独立控制。感应电机分析中最重要的一个变量为转差率，是转差速度与异步速度的比值。

永磁同步电机的控制原理图如图1-28所示。永磁同步电机同感应电机一样，通过逆变器从动力蓄电池获取能量。在恒转矩区域，通过位置传感器和电流传感器的协助调整电机的电流，从而使电机输出平滑的转矩。而在恒功率区域，永磁同步电机工作在弱磁模式，使电机能够工作在较高的转速下。

感应电机和永磁同步电机具有表1-8所列的特点。

（2）电机模型的构建 不同种类的电机具有不同的结构和转矩-转速特性，但是在进行系统性能仿真时可以认为相同，因为只需要用到电机的外部电学特性和机械特性。

1）电机的工作状态。电机具有图1-29所示的四象限工作模式。因此电机控制器的主要任务就是在电机的四种工作模式下调节电机旋转方向、电机转速和维持所需的转矩。

① 正向驱动模式。动力蓄电池给电机供电，电机驱动车辆正向行驶。

② 反向驱动模式。动力蓄电池给电机供电，电机驱动车辆反向行驶。

③ 正向制动再生模式。电机做制动能量回收，为动力蓄电池充电，车辆正向滑行或制动。

④ 反向制动再生模式。电机做制动能量回收，为动力蓄电池充电，车辆反向滑行或制动。

2）基本参数。在AVL Cruise中EM（Electric Machine）需要设定表1-9所列的基本参数。

3）外特性曲线。电机的理想输出特性曲线如图1-30所示，某电机实际峰值外特性曲线如图1-31所示。

4）效率曲线。电机的效率曲线如图1-32所示。