并聯(lián)混合動力電動汽車傳動系統(tǒng)的建模與仿真研究

1、西安理工大學碩士學位論文并聯(lián)混合動力電動汽車傳動系統(tǒng)的建模與仿真研究 姓名:李起忠申請學位級別:碩士專業(yè):機械設計及理論指導教師:劉凱;周春國20070301摘要論文題目:并聯(lián)混合動力電動汽車傳動系統(tǒng)的建模與仿真研究研究生:李起忠 簽名:圣醴 指導教師:劉凱教授 簽名:<型2勃J 周春國副教授 簽名:f墊盔!塾摘 要本文以帕薩特svw7183AGi型轎車為原型車,將其改裝為混合動力電動汽車。本文 做了混合動力電動汽車的傳動系統(tǒng)選型、傳動系統(tǒng)建模與仿真以及系統(tǒng)效率的研究。 混合動力電動汽車的傳動系統(tǒng)結構分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種類型,根據(jù)三種 類型的優(yōu)缺點并結合原型車的參數(shù),選擇并聯(lián)式

2、作為本文所選的驅動結構,根據(jù)原型車的 參數(shù)確定了發(fā)動機和電動機的類型和參數(shù)。根據(jù)傳動系統(tǒng)的選型,建立了傳動系統(tǒng)的數(shù)學模型,其核心是一個行星輪系結構的動 力匹配系統(tǒng),由數(shù)學模型,在SolidWorks里建立了動力匹配系統(tǒng)的三維模型,并模擬了 不同工況下動力匹配系統(tǒng)的運動。本文運用虛擬樣機技術來進行傳動系統(tǒng)的仿真分析,并選用ADAMS軟件作為虛擬 樣機分析軟件。把SolidWorks三維模型導入ADAMS,在汽車加速、穩(wěn)定運行、制動減 速以及FUD72這四種工況下,進行輸入輸出轉速的仿真,并對結果進行了分析解讀。仿 真結果反映了在各工況下兩個動力源的轉速匹配情況。本文分析了并聯(lián)式混合動力電動汽車在

3、不同工況下的縱向動力學方程;研究了混合動 力電動汽車的節(jié)油機理;指出了循環(huán)工況和控制策略可以影響汽車的系統(tǒng)效率:提出了混 合率的概念,混合率代表了電動機輸出功率和發(fā)動機輸出功率的比值,它的變化對系統(tǒng)的 效率有很大的影響,本文推導出了系統(tǒng)效率和混合率及傳動比的關系函數(shù)。關鍵詞:混合動力電動汽車;傳動系統(tǒng):建模;仿真本課題得到了陜函省自然科學研究項目“并聯(lián)式車用混合動力系統(tǒng)的匹配與控制策略研究”基金 的資助,項目編號2003E223。ABSTRACTTitle:RESEARCH ON MODELING AND SIMULATION OF PARALLEL HYBRlD ELECTRIC VEHIC

4、LE TRANSMlSSIoN SYSTEM Major.Mechanical Design and TheoryName:Qizhong LI Supervisor:Prof.Kai LIU Signature:=篷!三% s;gna仙陀:監(jiān)一:幾Ass oc_ate Prof-ChungUO ZHOU Signature:型馬嚴訓 AbstractThe car ofPassat SVW7183AGi is taken as the prototype vehicle.and is trailsforrned to a parallel hybrid electric vehicle(PH

5、EV,in this paper,choice of the car's drivetmin is made,the transmission is modeled and simulated and the research on the system。S emciency is made.Drivetrain ofhybrid dectric vehicle(HEYhave 3basic configurations:series,parallel and parallel Dins series.based on the three kindS characteristic an

6、d the parameter of the prototype car,parallel is chosen as the car's drivetrain configuration,and the engine and eleetric motorStypeand parameter iSgivenbased on the prototype CarS parameter.The mathematie modeI of the transmission system iS established according to the choice ofthe drivetrain,t

7、he essential part is a power split system using planet gears,and based on the mathematic model.the 3D model iS established in SolidWbrks,the rotate under di保jrent working condition is simulated.Using virtual prototyping technology software ADAMS to simulate the transmissionsystem.3D model iS importe

8、d to ADAMS.the simulation and analysis of the 4working conditionsacceleration,cruises,braking&slowdown and FUD72iS made.The sireulation result reflects出e matching condition between engine and electric motor.In this Paler,the longitudinal dynamics ofthe PHEV under difierent working condition is a

9、nalyzed;a study on fuelsaving mechanism for HEV is made;it ooinIS out that cycle working condition and controlling strategy Can affect the system efficiency;the concept of hybrid rate iS proposed.and the relationship between system emciency,hybrid rateand transmission rate is educed.The hybrid rate

10、represent the ratio between electric motor's output power and engineS output power,it has great influence on the s3,stem efficiency.Key word:Hybrid Electric Vehicle;Transmission system; Modeling; SimulationII獨創(chuàng)性聲明秉承祖國優(yōu)良道德傳統(tǒng)和學校的嚴謹學風鄭重申明:本人所呈交的學位論文是我個 人在導師指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知,除特別加以標注和致謝的地 方外,論文中不

11、包含其他人的研究成果。與我一同工作的同志對本文所論述的工作和成 果的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并已致謝。本論文及其相關資料若有不實之處,由本人承擔一切相關責任辦 .論文作者簽名:蒞蘭選 出刁年月嘲學位論文使用授權聲明本人!至墮 在導師的指導下創(chuàng)作完成畢業(yè)論文。本人已通過論文的答辯,并 已經(jīng)在西安理工大學申請博士/碩士學位。本人作為學位論文著作權擁有者,同意授權 西安理工大學擁有學位論文的部分使用權,即:1已獲學位的研究生按學校規(guī)定提交 印刷版和電子版學位論文,學校可以采用影印、縮印或其他復制手段保存研究生上交的 學位論文,可以將學位論文的全部或部分內容編人有關數(shù)據(jù)庫進行檢索;2為教學和

12、 科研目的,學?？梢詫⒐_的學位論文或解密后的學位論文作為資料在圖書館、資料室 等場所或在校園網(wǎng)上供校內師生閱讀、瀏覽。本人學位論文全部或部分內容的公布(包括刊登授權西安理工大學研究生部辦 理。(保密的學位論文在解密后,適用本授權說明論文作者簽名:莖:!圣盤 論文作者簽名:<二竺!笪 導師簽名D序弓月萬日贛 趔同1緒論1緒論1.1引言隨著世界汽車保有量的增長,內燃機排放出的有害氣體給環(huán)境帶來的危害越來越受到 人類的關注,加之石油資源的緊缺和民眾環(huán)保意識的增強,為此各國相繼制定了一系列十 分嚴格的排放法規(guī),這使得人們不得不積極考慮未來汽車的動力問題。在這種情況下,未 來的汽車應當向清潔、環(huán)

13、保、低油耗低排放的方向發(fā)展,經(jīng)過對各種新燃料、新能源和新 動力的探索,電動汽車是一種很好的選擇。電動汽車包括純電動汽車(Electric Vehicle, 簡稱Ev、混合電動汽車(Hybrid Electric Vehicle,簡稱HEV和燃料電池汽車(Fuel Cell Vehicle,簡稱FCV等形式,它們是理想的零排放或低排放車輛。但純電動汽車在發(fā)展中 受到有限行駛里程的制約,使它們的普及應用較困難。燃料電池汽車具有較高的效率、低 排放、低噪音,其燃料氫氣有廣泛的來源和可再生等重大優(yōu)勢,已成為各大汽車集團新世 紀激烈競爭的焦點,但產(chǎn)業(yè)化仍需要較長的時間?；旌蟿恿﹄妱悠囀切吕霞夹g結合的最

14、 可行產(chǎn)物,它同時具有純電動汽車和傳統(tǒng)內燃機汽車的優(yōu)點,既具有純電動汽車的高效率 和低排放的性能,還具有傳統(tǒng)內燃機汽車的行駛里程長和快速補充燃料的性能。因此混合 動力電動汽車成為當前解決節(jié)能、環(huán)保問題切實可行的有效方案“1。1.2混合動力電動汽車發(fā)展概況國際電子技術委員會(International Electrotechnical Commission,簡稱IEC對 混合動力車輛的定義為:“在特定的工作條件下,可以從兩種或兩種以上的能量存儲器、 能量源或能量轉化器中獲取驅動能量的汽車。其中至少有一種存儲器或轉化器要安裝在汽 車上?；旌蟿恿﹄妱悠囍辽儆幸环N能量存儲器、能量源或能量轉化器可以傳

15、遞電能。串 聯(lián)式混合動力車輛只有一種能量轉化器可以提供驅動力,并聯(lián)式混合動力車輛則不止一種 能量轉化器提供驅動力”?！被旌蟿恿﹄妱悠囀窃诩冸妱悠囬_發(fā)過程中為有利于市場化而產(chǎn)生的一種新的車 型。它將現(xiàn)有內燃機與一定容量的儲能器件(主要是高性能電池或超級電容器通過先進控 制系統(tǒng)相組合,可以大幅度降低油耗,減少污染物排放。國外普遍認為它是投資少、選擇 余地大、易于滿足未來排放標準和節(jié)能目標、市場接受度高的主流清潔車型,從而引起各 大汽車公司的關注。世界第一輛由汽油機和電動機組合的混合動力汽車,于1899年由費迪南一保時捷 (Ferdinand Porsche研制成功。但由于受其他技術(如電動機、

16、電池和控制等發(fā)展 的制約,加上環(huán)境、能源問題未被引起足夠重視等,使混合動力汽車技術在其后的幾十年 里未被重視。直到近十幾年才引起世界各大汽車公司的重視。上世紀90年代以來,日本、西安理工大學碩士學位論文美國和歐洲各大汽車公司紛紛開始研制混合動力汽車“】。日本豐田汽車公司率先于1997年12月將混合動力電動汽車Prius(如圖卜1所示 投放本國市場,2000年初又開始投放北美市場,并將月產(chǎn)由1000輛調升到月產(chǎn)2000輛, 三年內銷售了4.5萬輛,產(chǎn)品出現(xiàn)了供不應求局面。除了豐田公司以外,本田、日產(chǎn)等汽 車公司研制了自己的混合動力汽車,并取得了驕人的成績。本田汽車公司開發(fā)的J-vx混 合動力電動

17、汽車概念車,其動力系統(tǒng)為1升3缸直噴式”Ec發(fā)動機和電動機,還有一組 超級電容以替代通常使用的蓄電池系統(tǒng)。1999年末,本田公司在日本、美國等國陸續(xù)開始銷售小型混合動力轎車Insight。Insight并聯(lián)式電動汽車裝備了本田公司的IMA(Integrated Motor Assist混合動力系統(tǒng)和無級變速器,是一種新式未來型跑車,被美國環(huán)?？偸鹪u為2001年美國十大Fig l-l P等1a囂囂TOYoTA 節(jié)能汽車的第一名,第二名則為豐田汽車公司的Prius混合動力汽車。日前,豐田公司推出了其豪華品牌雷克薩斯的混合動力電動越 野車RX400h。90年代開始,美國加強了政府和企業(yè)之間的技術合作

18、與聯(lián)合,并以混合動力電動汽 車為重點對象,由能源部牽頭,包括運輸部和國防部,斥巨資組織各大汽車公司和有關部 門積極開展混合動力電動汽車的研究工作。1993年9月美國總統(tǒng)克林頓與美國通用、福 特和克萊斯勒三大汽車公司總裁共同提出了美國“新一代汽車合作伙伴計劃” (Partnership for a New Generation of Vehicles,簡稱PNGV計劃,旨在開發(fā)新一代 高效節(jié)能汽車。迄今己開發(fā)出多種形式的混合動力電動汽車,PNGV項目在HEV性能仿真、 汽車集成動力模塊等技術領域取得了顯著成就。戴姆勒克萊斯勒公司和通用汽車公司分別 研制了自己的混合動力汽車品牌:道奇ESX2和Pr

19、ecept。在歐洲,各大汽車廠商紛紛的推出了本公司研制的混合動力汽車。其HEY的突出代表 是法國雷諾汽車公司研制的VERT和HYME,兩款混合動力汽車己進行了10000公里的運行 試驗,代表了國際先進水平。德國的大眾汽車公司和奧迪汽車公司分別生產(chǎn)了基于已有車 型Golf和DUO的混合動力電動汽車。德國西門子和博世(Bosch等著名零部件公司也積極 與大汽車公司聯(lián)手開發(fā)混合動力汽車。在國內,“電動汽車技術研究”是國家科委“八五”科技相關項目。1996年“八五” 重點科技攻關項目“電動汽車關鍵技術研究”在清華大學通過了原國家計委、教委、和原 機械工業(yè)部的驗收,“九五”期間,東風汽車公司承擔并完成了

20、國家重大科技攻關項目“電 動轎車概念車設計”的整車研制工作。在電動汽車關鍵技術尤其是混合動力電動汽車方 面,很多科研單位也進行了諸如混合方式和控制策略研究、參數(shù)匹配和性能預測研究等前 期工作。“九五”末期我國在電動汽車的三大關鍵技術領域(電池、電機、電控系統(tǒng)取得 2l緒論突破?！笆濉逼陂g,科技部指定了國家863計劃電動汽車重大專項,從國家汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展 戰(zhàn)略的高度出發(fā),選擇新一代電動汽車技術為我國電動汽車科技創(chuàng)新的主攻方向,組織企 業(yè)、高等院校和科研機構,以官、產(chǎn)、學、研四位一體的方式,聯(lián)合進行攻關,旨在實現(xiàn) 我國能源安全、改善大氣環(huán)境、提高我國汽車工業(yè)的競爭力?！半妱悠囍卮髮ｍ棥碧岢?了“

21、三橫三縱”的研究開發(fā)布局?！叭龣M”是純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池 汽車;“三縱”是指電池、電動機和控制系統(tǒng)的關鍵零部件技術“1。“十五”期間,國家計劃投入近10億元來支持電動汽車的前瞻性研究。根據(jù)“十五” 國家863計劃電動汽車重大專項的目標定位和技術路線,結合我國電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀,有 關專家認為,我國電動汽車發(fā)展應抓住傳統(tǒng)汽車向電動汽車過渡的歷史機遇,把混合動力 電動汽車作為現(xiàn)階段我國電動汽車發(fā)展的重點和方向,率先完成批量生產(chǎn),實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化, 取得突破。目前,“十五”電動汽車重大專項已經(jīng)開花結 果,已經(jīng)開發(fā)了紅旗牌混合動力轎車(如圖l-2所示、東風牌混合動力轎車、天津清源威姿純電動轎

22、車、解放牌混合動力城市客車、純電動客車、電動汽車底盤技術、混合動力客車用多能源動力總成控制器、電動汽車技術創(chuàng)新體系等產(chǎn)品和技術。1998年,清華大學與廈門金龍公司合作研制了混合動力電動客車。清華大學、北京理工大學、吉林大學、圖l一2紅旗混合動力電動汽車 Fig 12Hongqi HEV重慶大學等單位也從不同角度對并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)進行了分析和研究工作;東風汽車公 司承接“863”混合動力研制項目現(xiàn)已完成,并已經(jīng)推出混合動力電動客車,整車性能良 好。另外,一汽豐田混合動力合作項目也得到了國家相關部門的大力支持,其量產(chǎn)車型 Prius已經(jīng)于2006年下線。 1.3計算機輔助技術在HEV中的應用用于

23、iEV分析、設計和仿真的計算機輔助軟件一般可分為專業(yè)的HEv仿真軟件和通用 的CAD/CAE/VPT/SC軟件。專業(yè)的HEv仿真軟件主要有SIblPLEV、ADVISOR、PSAT等。SIMPLEV是美國能源部愛 達荷國家工程和環(huán)境實驗室(Idaho National Engineering and Environmental Laboratory在DOS環(huán)境下基于OBasic軟件開發(fā)的,它可以對各種車型進行性能仿真, 具有交互式的下拉菜單,可以靈活選擇車型、部件和循環(huán)工況,但難以在SIIPLEV的源代 碼中改變整個汽車的控制方法嘲。美國能源部再生能源實驗室(National Renewabl

24、e EnergyLaboratory開發(fā)的西安理工大學碩士學位論文ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator軟件可構造純電動汽車、混合動力電動汽車和 燃料電池車的動力系統(tǒng),對零部件進行選型和參數(shù)初步優(yōu)化,對不同控制方法的比較計算。 ADVISOR是一個基于反饋式組件建模的仿真系統(tǒng),目前已被美國幾大汽車公司、國家實驗 室和一些教學科研單位使用。為響應美國政府的PNGV計劃,美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory在三大汽車公司的指導和資助下開發(fā)了PSAT(PNGV System Analysis Toolkit軟件。PSAT是電動汽車動

25、力性和經(jīng)濟性分析與仿真的設計平臺,PSAT 仿真軟件采用正向仿真方法,用駕駛員模型來預測模擬油門開度和制動信號,駕駛員控制 信號轉化為轉矩傳遞給傳動系統(tǒng),最終被轉化為汽車的行駛力和車速,以使汽車的行駛循 環(huán)軌跡與要求的循環(huán)工況相吻合01。通用仿真軟件常用到的有:二維/三維CAD軟件,用來進行HEV機械結構的設計;虛 擬樣機軟件,如ADAMS,用來進行HEV各部件或整車的虛擬樣機仿真和優(yōu)化;科學計算軟 件,如marlab/simulink,用來進行控制系統(tǒng)的設計和仿真。1.4本論文的研究意義及主要工作I.4.1課題的研究意義我國面臨的能源和環(huán)境的問題十分嚴峻,國內的石油儲量和開采量相當有限,隨著

26、汽 車保有量的增加,石油需要也越來越多,目前我國石油已不能自給。從1993年我國成為 石油凈進口國以來,我國石油進口量每年以1000萬噸遞增,而且有逐年加大的趨勢,預 計到2010年,中國的石油總需求量將達到3.53.8億噸。這對我國的能源安全帶來了極 大的挑戰(zhàn)。另一方面,汽車保有量的持續(xù)增長對環(huán)境造成了極大的破壞,汽車尾氣中的二 氧化碳、硫化物、氮氧化物、氟氯烴等氣體會導致溫室效應、臭氧層破壞和酸雨等嚴重的 大氣環(huán)境問題。因此,混合動力電動汽車作為汽車從汽油時代到電動時代的過渡產(chǎn)品,對 節(jié)能和環(huán)保有著重要的意義?；旌蟿恿﹄妱悠嚺c傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別就是它有兩個動力源發(fā)動機和電動機, 這一點導

27、致它的傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車的傳動系統(tǒng)有很大的區(qū)別,它的傳動系統(tǒng)必須包括一 個動力匹配系統(tǒng)(Power split system,動力匹配系統(tǒng)的作用是合成兩個動力源提供的 動力,并通過控制系統(tǒng)對兩個動力源的功率進行合理匹配,以達到系統(tǒng)效率最佳和尾氣排 放量最低。傳動系統(tǒng)的選型和設計對HEV的效率和尾氣排放的優(yōu)化有著重要的意義,是目 前HEV研究的熱點領域。1.4。2課題的主要工作4本文以帕薩特SVW7183AGi型小轎車為原型車,將其改裝為混合動力電動汽車,HEVl緒論是傳統(tǒng)的內燃機汽車和電動汽車的結合,其傳動系統(tǒng)中的變速器、離合器、差速器等與傳 統(tǒng)內燃機汽車相同,本文在此不做討論。本文研究的傳動

28、系統(tǒng)主要在于它的動力匹配系統(tǒng)。 論文的內容有以下幾個方面:(I介紹HEV的概念和國內外的發(fā)展概況,指出了HEV的節(jié)能性和環(huán)保性。(2傳動系統(tǒng)的選型HEV的驅動結構分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種類型,根據(jù)三種類型的優(yōu)缺點,選 擇并聯(lián)式作為本文HEV的驅動結構,再根據(jù)原型車的參數(shù)確定了發(fā)動機和電動機的類型和 參數(shù)。(3動力匹配系統(tǒng)的數(shù)學建模和三維建模根據(jù)傳動系統(tǒng)的選型,建立了動力匹配系統(tǒng)的數(shù)學模型,它的核心是一個行星輪系, 由數(shù)學模型,在Solidworks里建立了動力匹配系統(tǒng)的三維模型,為虛擬樣機建模和仿真 打下基礎。(4動力匹配系統(tǒng)的虛擬樣機建模與仿真分析本文選用功能強大的ADAMS軟件作為虛

29、擬樣機分析軟件,把SolidWorks三維模型導 入ADAMS,在不同的工況下,進行輸入、輸出轉速的仿真,并對結果進行了分析解讀。 (5系統(tǒng)效率的研究分析了PHEV在不同工況下的縱向動力學方程,研究了HEY的節(jié)油機理以及影響效率 的因素,提出了混合率的概念,并推導出系統(tǒng)效率和混合率以及傳動比的關系函數(shù)。1.4.3課題的來源本課題的來源:陜西省自然科學研究項目“并聯(lián)式車用混合動力系統(tǒng)的匹配與控制策 略研究”,項目編號:2003E。23。5西安理工大學碩士學位論文2PHEV傳動系統(tǒng)的選型2.1HEV的概念及驅動類型混合動力電動汽車是指車輛傳動系統(tǒng)由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系聯(lián)合組 成的車輛,

30、車輛的行駛功率需求由單個驅動系提供或共同提供?；旌蟿恿﹄妱悠嚨膫鲃酉到y(tǒng)無論是在能源輸入還是在機械能的傳遞和輸出方面都 具有了多種方案,傳動系統(tǒng)的設計有了較多的自由度,因而,具體的傳動系統(tǒng)結構設計方 案也多種多樣,如何對這些結構進行歸類和評價并應用于指導混合動力電動汽車的研制與 開發(fā)是一個重要課題。根據(jù)HEV的發(fā)動機和電動機的不同組合及工作配合,一般將HEV的傳動系統(tǒng)分為 三種基本結構類型【12】:串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。由此得到三種不同類型的HEV:串聯(lián) 式混合動力電動汽車(SeriesHybridElectric VellicIe,簡稱SHEV,并聯(lián)式混合動力電動 汽車(ParallelH

31、ybridElectricVehicle,簡稱PHEV,混聯(lián)式混合動力電動汽車(PSHEV。2.2串聯(lián)式混合動力電動汽車2.2.1傳動系統(tǒng)結構在串聯(lián)式混合動力電動汽車上,由發(fā)動機帶動發(fā)電機所產(chǎn)生的電能和電池輸出的電 能,共同輸出到電動機來驅動汽車行駛,電動機是唯一的驅動模式。串聯(lián)式HEV傳動系統(tǒng) 的結構圖如圖2-1所示“”。串聯(lián)式混合動力電動汽車由發(fā)動機、發(fā)電機、電池組、驅動電機和控制器主要部件組 成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電,發(fā)電機所發(fā)出的電能供給電動機,電動機驅動汽車行駛。發(fā)動6 ¨啊速瞽葭 2.齲自罱板 一機掛連接屯動蓮接 圖2-1串聯(lián)式混合動力電動汽車的結構Fi92-1Powert

32、rain configuration ofSHEV2PHEV驅動系統(tǒng)的選型機和發(fā)電機集成組成一個系統(tǒng),即輔助動力單元,當發(fā)動機發(fā)出的功率超過汽車行駛所需 要的功率時,發(fā)電機發(fā)出的部分電能向電池充電,來延長混合動力電動汽車的行駛里程。 另外電池還可以單獨向電動機提供電能來驅動電動汽車,使混合動力電動汽車在零污染狀 態(tài)下行駛。2.2.2驅動模式如圖2.1所示,電動機通過變速箱與驅動橋相連接,而發(fā)動機與發(fā)電機直接連接產(chǎn)生 電能,來驅動電動機或者給蓄電池充電。汽車行駛時的驅動力由電動機來輸出,它將儲存 在蓄電池中的電能轉化為車輪上的機械能。當蓄電池的荷電狀態(tài)值(State OfCharge,簡 稱SO

33、C降到一個預定值時,發(fā)動機即開始對蓄電池進行充電。發(fā)動機與傳動系統(tǒng)并沒 有機械地連接在一起,這種方式可以很大程度地減少發(fā)動機所受到的車輛的瞬態(tài)響應。瞬 態(tài)響應的減少可以使發(fā)動機進行最優(yōu)的噴油和點火控制,使其在最佳工況點附近工作。2.2.3優(yōu)缺點串聯(lián)式混合動力電動汽車的優(yōu)點有:發(fā)動機能夠經(jīng)常保持在穩(wěn)定、高效、低污染的運 轉狀態(tài),使有害排放氣體控制在最低范圍內,并可采用燃氣輪機,轉子發(fā)動機等其他形式 的發(fā)動機;串聯(lián)式混合動力電動汽車從整體結構上看,只有發(fā)電機一電動機的電力系統(tǒng), 其特點更加趨近于電動汽車。幾個大部件總成在電動汽車上布置起來,將有較大的自由度。 串聯(lián)式混合動力電動汽車的缺點有:各部件

34、總成各自的功率較大,外形較大,質量也 較大,在中小型電動汽車上布置有一定的困難;在發(fā)動機一發(fā)電機一電動機傳動系統(tǒng)中的 熱能一電能一機械能的能量轉換過程中,能量損失較大。因此發(fā)動機輸出的能量利用率要 比內燃機汽車低。所以,串聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)較適合在大型客車上使用,該布置形式更適合于道路 復雜的城市工況和山區(qū)公路運行。在環(huán)保要求高的市區(qū),汽車在起步和低速行駛時,可以 關閉發(fā)動機進入純電動狀態(tài),使汽車達到零排放的要求。隨著蓄電池技術的發(fā)展,存儲能量性能的不斷提高,串聯(lián)式混合動力電動汽車使用 發(fā)動機的次數(shù)越來越少,最終會向純電動汽車的目標邁進。2.3并聯(lián)式混合動力電動汽車2.3.1傳動系統(tǒng)結構并聯(lián)

35、式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、電動機/發(fā)電機、電池組、電機控制器等部 7西安理工大學碩士學住論文件組成,和串聯(lián)式混合動力電動汽車不同的是,發(fā)動機和電動機/發(fā)電機以機械能疊加的 方式來驅動汽車,可以組合成不同的動力學模式。發(fā)動機功率和電動/發(fā)電機功率約為電 動汽車所需最大驅動功率的50%100%(最大,其能量利用率高。因此,可以采用小功率 的發(fā)動機與電動/發(fā)電機,使得整個動力系統(tǒng)的裝配尺寸、質量都較小,造價也更低,行 程也可以比串聯(lián)式混合動力電動汽車的長些,但布置結構相對復雜,實現(xiàn)形式也多樣化, 其特點更加趨于內燃機汽車。2.3.2驅動模式發(fā)動機和電動機通過某種變速裝置同時與驅動橋直接相連接。

36、電動機可以用來平衡發(fā) 動機所受的載荷,使其能在高效率區(qū)域工作,因為通常發(fā)動機工作在滿負荷(中等轉速 下,燃油經(jīng)濟性最好。當車輛在較小的路面載荷下工作時,傳統(tǒng)車輛的發(fā)動機的燃油經(jīng)濟 性比較差,而并聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機此時可以被關閉掉而只用電動機來驅動汽車, 或者增加發(fā)動機的負荷使電動機作為發(fā)電機,給蓄電池充電以備后用(即一邊驅動汽車, 一邊充電。由于并聯(lián)式混合動力電動汽車在穩(wěn)定的高速行駛下發(fā)動機具有比較高的效率 和相對較小的質量,所以它在高速公路上行駛具有比較好的燃油經(jīng)濟性。并聯(lián)式傳動系統(tǒng)有兩條能量傳輸路線,可以同時使用電動機和發(fā)動機作為動力源來 驅動汽車,如果其中的一條驅動線路出了問題,另

37、一個仍然可以驅動汽車。這種設計方式 可以使其以純電動汽車,或低排放汽車的狀態(tài)運行,但是此時不能提供全部的動力能源。 并聯(lián)式混合動力汽車通常有以下三種組合驅動方式嘲:a.牽引力合成式牽引力合成式PHEV動力傳動系的具體結構如圖2-2所示。圖2-2牽引力合成式PHEV的傳動系統(tǒng)結構Fig 2-2Powertrain configuration oftraction matching PHEV牽引力合成式電動汽車采用一個小功率的發(fā)動機,單獨地驅動汽車的前輪。另外一套 電動機傳動系統(tǒng)單獨地驅動汽車的后輪,可以在汽車啟動、爬坡或加速時增加混合動力汽 車的驅動力。兩套傳動系統(tǒng)可以獨立地驅動汽車,也可以聯(lián)合

38、驅動汽車,使電動汽車變成 四輪驅動的電動汽車。此種混合動力電動汽車具有四輪驅動的特性。82PHEV驅動系統(tǒng)的選型發(fā)動機和電動機之間無任何機械連接,牽引力合成式PHEV動力傳動系通過各自的傳 動軸分別驅動車輛的前輪和后輪。該動力傳動系的一顯著優(yōu)點是:汽車的驅動力由2個驅 動軸承擔,因此作用于每一驅動軸上的驅動力不會超出其輪胎地面附著極限;在標準的混 合模式下,汽車主要由發(fā)動機驅動;在“零排放”模式下只使用電動機驅動;當汽車需要 加速或爬坡,發(fā)動機和電動機同時驅動。該種結構的混合動力汽車的燃料經(jīng)濟性和動力性均超過了傳統(tǒng)汽車。由于電機傳動系 統(tǒng)與發(fā)動機傳動系統(tǒng)分離,結構不緊湊,給動力傳動系統(tǒng)的具體布

39、置帶來困難。b.扭矩合成式扭矩合成式動力傳動系統(tǒng)的動力合成裝置為扭矩合成裝置。扭矩合成式并聯(lián)式混合動 力電動汽車的發(fā)動機通過傳動系統(tǒng)直接驅動混合動力電動汽車,并直接或間接帶動電動/發(fā)電機轉動向蓄電池充電。蓄電池也可以向電動/發(fā)電機提供電能,此時電動/發(fā)電機轉換 成電動機,可以用來啟動發(fā)動機或驅動汽車。由于兩動力總成通過扭矩合成裝置(嚙合齒輪傳動、鏈傳動、傳動帶及無級變速傳動 等直接驅動車輛,它們的輸出特性總和能滿足車輛的牽引需求,否則,應在傳動系中適 當?shù)奈恢貌贾米兯傧洹Ａ硗?由于所采用的扭矩合成裝置結構以及傳動軸數(shù)目的不同,扭 矩合成式PHEV動力傳動系又具有以下幾種典型的結構型式。(1單軸

40、扭矩合成式PHEV動力傳動系單軸扭矩合成式PHEV動力傳動系是指發(fā)動機和電動機同軸聯(lián)接和布置,根據(jù)電動機 在變速箱的前與后可分為前置式(電機在變速箱前單軸并聯(lián)結構和后置式(電機在變速 箱后單軸并聯(lián)結構,后置式(電機在變速箱后單軸并聯(lián)結構如圖23所示。單軸并聯(lián) 結構形式的特點是有利于電動機和變速箱結構的一體化模塊設計,便于批量生產(chǎn)中的模塊 化供貨和整車裝配。單軸并聯(lián)結構的合成方式為扭矩合成。這種結構(發(fā)動機和電動機的 輸出軸采用了同一根傳動軸將導致發(fā)動機和電動機兩者每時每刻的轉速值均為同一值, 限制了電動機的工作區(qū)域,造成兩者特性的不匹配,為改善這種關系,需要布置一多速變 速箱,這又會導致控制系

41、統(tǒng)較為復雜。圖2-3單軸扭矩合成式PHEV傳動系統(tǒng)結構Fig 2-3Powertrain configuration ofsingle sha矗traction matching PHEV(2雙軸扭矩合成式PHEV動力傳動系9西安理工大學碩士學位論文依據(jù)動力合成裝置在變速箱的前后具體位置不同,雙軸扭矩合成式PHEV動力傳動系 具有2種布置方案,分別如圖24、圖25所示。圖2-4雙軸扭矩合成式PHEV傳動系統(tǒng)結構(1Fig 2-4Powertrain configuration ofdouble shafts traction matching PHEV(1圖2-5雙軸扭矩合成式PHEV傳動系統(tǒng)

42、結構(2Fig 2-5Powertrain configuration ofdouble shafts traction matching PHEV(2在圖24中,變速箱布置于動力元件和扭矩合成裝置之間,變速箱的具體選擇可以是 多速、單一速比或無級變速(CVT傳動,在圖2-5中,變速箱布置于扭矩合成裝置與主 減速器之間,變速箱的設置同等比例地提高了內燃機和電動機的輸出扭矩,改善了汽車的 動力性能,使系統(tǒng)采用小型內燃機和電動機成為可能。在此結構中,發(fā)動機、電動機和變速器輸入軸之間的轉速成一定的比例關系,隨著路 況和車速的變化,這些轉速會隨著變化。輸出轉矩的變化,可以通過其轉矩關系,在發(fā)動 機轉矩

43、保持恒定的條件下,通過調節(jié)電動機的轉矩而獲得。c.轉速合成式轉速合成式PHEV動力傳動系統(tǒng)的動力合成裝置為轉速合成裝置,常用的轉速合成器 有行星輪系和電動轉速計,采用行星齒輪傳動的PHEV動力傳動系結構如圖2-6所示。102PHEV驅動系統(tǒng)的選型圖2-6采用行星輪系傳動的PHEV傳動系統(tǒng)結構Fig 2-6Powertrain configuration ofPHEV with planet gear此結構有兩套機械變速器,發(fā)動機和電動機各自與一套變速器相聯(lián),通過齒輪進行復 合。在此種結構中,可以通過變速機構調節(jié)發(fā)動機、電動機之問的轉速關系,使發(fā)動機的 工況調節(jié)變得更靈活。此種結構目前是最有生命

44、力的結構之一,主要采用行星差動輪系的 結構。該行星輪系動力復合機構可以實現(xiàn)多個部件轉速的復合,即各個部件間的轉矩保持一 定的比例關系。這種功率復合形式被稱為速度復合。行星輪系機構有2個自由度,通過不 同離合器和制動器的作用,可以實現(xiàn)單自由度、固定傳動比的傳動。系統(tǒng)有3個輸入/輸 出構件,分別是太陽輪、齒圈和行星架,3個構件中的兩個與發(fā)動機和電動機輸出軸的任 意結合都可以達到動力匹配的作用。這種結構可以通過調節(jié)發(fā)電機(電動機工作在電動機模式轉速使發(fā)動機轉速產(chǎn)生變 化,此外,發(fā)動機的轉矩與作用在齒圈上的轉矩是成一定比例的,傳到驅動軸上的轉矩是 從齒圈上得到的轉矩和電動機發(fā)出的轉矩的和,兩個動力總成

45、之間的轉速分配較為靈活, 可以有非常靈活的控制策略,可實現(xiàn)對混合動力能量流的最優(yōu)控制。由于動力總成的輸出 扭矩存在著一定的比例關系,要求發(fā)動機的工作特性調節(jié)必須與電動機的輸出特性相配 合。2.3.3優(yōu)缺點并聯(lián)式混合動力電動汽車的主要優(yōu)點有:發(fā)動機通過機械裝置直接與驅動軸相聯(lián),輸 出能量的利用率高;由于有發(fā)電機補充能量,因此比較小的電池容量既可滿足使用要求; 各個部件的質量、尺寸相對較小,因此適合布置在小型汽車上。并聯(lián)式混合動力電動汽車的缺點有;由于并聯(lián)式混合動力電動汽車的發(fā)動機的運行工 況要受汽車行駛工況的影響,因此,在汽車行駛工況變化較多,較復雜時,發(fā)動機就會較 多的在不良工況下運行,因此排

46、放污染較嚴重;發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的機械連接使得機械裝 置較為復雜,增加了整車布置的難度。西安理工大學碩士學位論文2.4混聯(lián)式混合動力電動汽車混聯(lián)式傳動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合,它的結構形式和控制方式充分發(fā)揮了兩種 驅動形式各自的優(yōu)點。能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更多的優(yōu)化匹配,從而 在結構上保證了在更復雜的工況下使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài),因此更容易實現(xiàn)排放和燃油消 耗的控制目標。一種可能的設計方式是將串聯(lián)式和并聯(lián)式的所有部件用一個離合器連接起來,使車輛 在某種情況下以串聯(lián)式工作,在另一種情況下則以并聯(lián)式工作。根據(jù)不同的驅動條件來選 擇具有優(yōu)勢的那一種驅動方式。但是這種布置方式將會比單純的

47、串聯(lián)式或并聯(lián)式增加更多 的零部件,導致整車的尺寸增大和復雜程度增加。這種結構類型目前應用最成功的是豐田 公司Prius的傳動系統(tǒng)。圖27豐田Pdus的傳動系統(tǒng)結構F培2-7Powertrain configuration ofToyota Prius圖27所示為豐田Prius的傳動系統(tǒng)結構“”,豐田Prius是一種扭矩合成式的混聯(lián)式 HEV,同時結合了行星輪系機構,兩個動力源的扭矩在齒輪l、,、,處合成,行星輪 系結起能量回收的作用。圖27中的發(fā)動機曲軸通過一個單向離合器與行星齒輪架相連。 當發(fā)動機正向轉動時,單向離合器自由轉動,對發(fā)動機的轉矩沒有影響;當發(fā)電機轉矩試 圖使發(fā)動機反轉時,單向離

48、合器鎖住發(fā)動機,確保發(fā)動機不會反轉。發(fā)電機與行星齒輪組 中的太陽輪相連,在發(fā)電機上增加一個制動器,必要時可以抱死發(fā)電機來提高系統(tǒng)的效率。 圖中的行星齒輪裝置相當于一個無級變速器,通過控制發(fā)電機的轉速,可以調節(jié)發(fā)動機轉 速,實現(xiàn)最佳的燃油效率。另外需要特別指出的是:電動機和發(fā)電機都可以工作在發(fā)電狀 態(tài)或者驅動狀態(tài)下。它們的名字只是為了區(qū)分這兩個部件而已。事實證明,這種結構的傳 動系統(tǒng)工作穩(wěn)定,性能出色,但結構復雜,不宜于制造和維修。2PHEV驅動系統(tǒng)的選型2.5傳動系統(tǒng)選型和工作模式并聯(lián)式混合動力電動汽車具有兩套相對獨立的動力系統(tǒng),是傳統(tǒng)發(fā)動機動力系統(tǒng)和電 動機動力系統(tǒng)的集成,從概念上講,它是電

49、力輔助型的燃油車,目的是為了降低排放和燃 油消耗;從尺寸上講,它比串聯(lián)式小;從結構上講,它比混聯(lián)式汽車簡單;從整車效率、 動力性能、續(xù)駛里程及價格等方面綜合考慮,它適合于城市運行工況,可以被消費者接受, 因此,有望在將來的主流汽車產(chǎn)品中占有大量的份額?；谏鲜龈鞣N動力傳動系結構的分析,本文采用轉速合成式PHEV動力傳動系統(tǒng)。主 要考慮因素如下:此種動力傳動系的結構較為簡單,通過對轉速合成裝置機械傳動比的合 理選取以及變速箱的合理布置就可獲得內燃機和動力電機工作特性的較好匹配;采用此種 形式的動力傳動系統(tǒng),動力元件均可選用現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品,無需經(jīng)過專門的技術開發(fā)和全 新產(chǎn)品研制,從而極大地減少了研

50、發(fā)投入、縮短研發(fā)周期以及降低研發(fā)風險。通過對PHEV工作情況的分析,本文采用的工作模式如下:(1車輛啟動加速時,發(fā)動機和電動機同時工作,共同分擔驅動車輛所需的動力, 此時內燃機和電動機大約分別承擔總功率的80%和20%;(2車輛正常行駛(等速行駛時,發(fā)動機工作于最小油耗狀態(tài),提供最小轉矩和 最小功率;電動機也同時工作,車輛行駛所需的主要動力由電動機提供;(3車輛在市郊行駛時,只有發(fā)動機工作,電動機關閉;(4車輛減速或制動時,電動機工作于發(fā)電機模式,通過功率轉化器給蓄電池充電。 2.6整車參數(shù)及動力性能指標2.6.1整車參數(shù)本文是以上海帕薩特SVW7183AGi型汽車為原型車,將其驅動系改造為雙

51、軸式并聯(lián)混 合傳動系統(tǒng)。其整車參數(shù)如下“。:滿載總質量腳=1775kg,空載總質量mo=1400kg,空氣阻力系數(shù)C0=0.28,迎風面積 A=2.6m2,車輪滾動半徑R=O.32m,變速器最高檔傳動比j。,=o.899,滾動阻力半徑系 數(shù)f=o.01;動力匹配系統(tǒng)行星輪系傳動比f。=3.15。西安理工大學碩士學位論文2.6.2動力性能指標按照汽車制造商的要求,混合動力電動車輛應該達到下列性能目標“”:(1最大持續(xù)速度(純發(fā)動機驅動130km/h;(2在車速v=90km/h時爬坡度(爬坡度是指汽車在良好道路上以最低行駛車速上 坡行駛的最大坡度(純發(fā)動機驅動5%:(3最大持續(xù)爬坡度(混合驅動25

52、%:(4加速度:0到lOOkm/h>15s;80至U 120km/h<20s。2.7原動機的選擇2.7.1發(fā)動機的選擇a.發(fā)動機選型選擇混合動力汽車的發(fā)動機時,首先要考慮的是滿足汽車技術性能的發(fā)動機的額定功 率與尺寸問題。一般來說,在混合動力汽車中使用較低功率的發(fā)動機(相對傳統(tǒng)汽車發(fā)動 機而言。這是因為此時發(fā)動機并不是單獨提供汽車加速和爬坡時的峰值功率,在加速和 爬坡時電動驅動裝置及能量存儲單元(電池組、儲能飛輪或者超能電容器與發(fā)動機一起 驅動汽車行駛。在大多數(shù)的混合動力汽車設計中,發(fā)動機的額定功率將由最大經(jīng)濟運行速 度或者爬坡能力所決定。混合動力汽車所用發(fā)動機的運行模式與傳統(tǒng)的汽

53、車發(fā)動機完全不同,是采用開關模 式。具體來講,在并聯(lián)式混合動力汽車中,幾乎在全部行程中都要使用發(fā)動機,為了優(yōu)化 發(fā)動機的工作區(qū)域滿足低排放的要求,相比于傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機來說,此時它需要更加頻 繁地開關。另外,對于混合動力汽車來講,由于汽車的可用空間非常有限,所以必須把發(fā) 動機一電動機組封裝于一個很小的空間內?？紤]到上述因素并總結了目前各國在混合動力汽車研究中選用的發(fā)動機方案,可應用 于混合動力汽車的發(fā)動機主要有:燃氣輪機、二沖程發(fā)動機、斯特林發(fā)動機、四沖程汽、 柴油機以及轉子發(fā)動機等“。(1二沖程發(fā)動機(Two Stroke Engines一般認為,具有低燃油消耗率和低排放的二沖程發(fā)動機系統(tǒng)相

54、對來講結構復雜,不過 在混合動力汽車上卻較容易實現(xiàn),原因在于混合動力汽車發(fā)動機運轉于一個相對較狹窄的 扭矩速度范圍。大多數(shù)的水冷二沖程摩托車發(fā)動機均可用于串聯(lián)混合動力汽車,它們并 不存在封裝問題,但高負荷工況的氮氧化物排放是一個潛在的問題,而且通常所研究的小 型摩托車發(fā)動機所滿足的排放、噪聲、冷卻及油耗參數(shù)與轎車發(fā)動機的要求有很大差別, 因此要想充分發(fā)揮二沖程發(fā)動機的潛能還要做大量艱苦的研究工作。142PHEV驅動系統(tǒng)的選型(2斯特林發(fā)動機(Stirling Engines斯特林發(fā)動機由于具有高的熱效率、低排放和低噪音性能使其可用于混合動力汽車。 但由于斯特林發(fā)動機為外燃機,因此具有功率密度低

55、以及需要大的散熱裝置等缺點,而且 斯特林發(fā)動機還沒有在汽車工業(yè)應用的先例。由美國能源部發(fā)起的限期發(fā)動機研究工作表 明:斯特林發(fā)動機動態(tài)性能差難于與普通車輛傳動系相匹配,而對于串聯(lián)混合動力汽車來 說卻不成問題,因此此種發(fā)動機也可能在混合動力汽車上應用。(3四沖程汽油機和柴油機(Fourstroke Gasoline and Diesel Engines一般認為四沖程發(fā)動機的重量和尺寸要比先前討論的四種發(fā)動機要大,特別是那些渦 輪增壓柴油機,但近些年來,隨著每缸三和四氣門技術的發(fā)展以及低密度材料的使用,汽 油機的比功率有了明顯的提高,如不采用傳統(tǒng)的較大尺寸的發(fā)動機,而是采用兩缸或者至 多三缸汽油發(fā)

56、動機就可以改善混合動力汽車發(fā)動機的性能。目前,一臺小型的四沖程汽油 機與一臺特種發(fā)動機之間的尺寸與重量方面的差別與過去相比明顯地減少了,而且,四沖 程發(fā)動機的控制方法已經(jīng)非常成熟了,所以目前大部分的混合動力汽車還是采用了技術成 熟的四沖程發(fā)動機。(4轉子式發(fā)動機(Rotary Engines轉子式發(fā)動機具有尺寸小、重量輕、暖機迅速和扭矩速度曲線平坦等優(yōu)點,特別適用 于混合動力汽車。在混合動力汽車上的使用主要問題是排放,特別是在開關模式中的排放 問題。另外其最小燃油消耗率也相對較高,達到3003609/kwh,但是對于一些混合動力 汽車設計來講還是可以滿足其性能要求的,比如在XA-100混合動力

57、汽車上就采用了此種 發(fā)動機。(5燃氣輪機(Gas Turbine由于燃氣輪機自身暫態(tài)響應時間長而不適用于汽車傳動系統(tǒng),但在串聯(lián)混合動力汽車 上,由于發(fā)動機僅驅動發(fā)電機并可在一個小的速度范圍內工作,因此燃氣輪機的缺點就不 成問題了,而且燃氣輪機的采用還會具有一些優(yōu)點,比如:尺寸小、維護成本低、噪音和 振動小、熱效率高、可采用多種燃料并且設計簡單。另外,燃氣輪機是外燃機,其排放具 有低水平,而且通過使用后處理器或者采用催化燃燒室還可達到準零排放水平。綜上所述,以封裝為著眼點,在混合動力汽車的發(fā)動機選型中,特種發(fā)動機是最具有 吸引力的發(fā)動機類型,但特種發(fā)動機的排放控制技術沒有四沖程汽油機成熟,而且,

58、二沖 程發(fā)動機與燃氣輪機還存在油耗問題,另外,所有的發(fā)動機都存在著可靠性問題以及開關 模式下的壽命問題。總之,就目前技術現(xiàn)狀而言,對于特種發(fā)動機都還有大量的研究改進 工作要做,這將是一個長期而艱辛的歷程。因而對于近期混合動力汽車而言,沿用技術成 熟的先進的四沖程發(fā)動機并作適當?shù)母倪M不失為實際而簡捷的方案。本文選用四沖程汽油發(fā)動機。b.發(fā)動機功率的選擇發(fā)動機功率的選擇對并聯(lián)混合動力傳動系的設計至關重要。發(fā)動機功率偏大,車輛燃 15西安理工大學碩士學位論文油經(jīng)濟性和排放性能就差;發(fā)動機功率偏小,后備功率就小,電動機只有提供更多的驅動 功率,才能滿足一定的車輛行駛性能要求,這勢必引起電動機和電池組容量取值的增大和 車輛成本的增加。另外,電池組數(shù)目增多,在車輛上布置困難,車重增加,僅依靠發(fā)動機 的富余功率難以維持電池組的額定電量,限制了車輛的續(xù)駛里程。目前確定發(fā)動機功率的方法有兩種:(1根據(jù)汽車平均功率或額定勻速行駛車速來確