畢業(yè)論文-混合動力電動汽車設計研究

哈爾濱工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）摘要混合動力汽車采用內燃機和電動機作為動力源，其燃油消耗和排放都比傳統(tǒng)汽車低，并能滿足日益嚴格的汽車尾氣排放標準。從整車效率、動力性能、續(xù)駛里程和城市運行工況等多方面綜合考慮，混聯(lián)式混合動力電動汽車為首選方案?；旌蟿恿ζ噭恿偝蓞?shù)匹配技術是混合動力汽車的核心技術之一，而一個良好的控制策略則是保證低油耗、低排放的關鍵。本文在如下幾方面做了詳細的研究工作：1、詳細地論述混合動力系統(tǒng)的基本結構、工作原理及優(yōu)缺點；對混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)的設計進行分析，并選擇混合動力系統(tǒng)的類型；2、在確定功率需求的基礎上確定混和動力電動汽車動力總成的初步匹配方案，滿足排放標準同時具有較好動力性和燃油經濟性，并初步驗證研究參數(shù)匹配的合理性；3、對混聯(lián)混合動力汽車動力及傳動系統(tǒng)各主要部件的性能進行選擇動力裝置類型和參數(shù)設計；參考混聯(lián)式混合動力汽車典型例子——豐田pruis的驅動系統(tǒng)，針對伊蘭特1.6進行了混合動力系統(tǒng)設計。4、在完成混合動力系統(tǒng)的基礎上，通過對行車工作模式的分析和參考串聯(lián)混合動力系統(tǒng)與并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的控制策略，設計其控制系統(tǒng)；關鍵詞：混合動力；汽車；混聯(lián)；參數(shù)匹配；控制策略

AbstractThehybridelectricvehiclesatisfiedtheincreasinglystrictcriterionofvehicleexhaustemissionwithitsbetterperformanceonhighfueleconomyandlowemissionthantheConventionalVehicle,whichisstronglydependonthecooperationofbustionandelectromotor.Accordingtothecarefficiencypowerperformance,sailmileageandcityroutineetc,parallel-seriesHEVisfinallyadopted.TheHEVparameterdesignisoneofthecoretechnologiesandanicecontrolstrategyisthekeytoguaranteethelowemissionandfuelconsumption.Thisthesisintroducesthedevelopmentsasfollows:1.Discussesindetailthehybridelectricsystemforbasicstructure,anditsadvantagesanddisadvantages;thehybridelectricvehicledesignofthedynamicalsystemforanalysis,andselectthetypeofhybridelectricsystem;2.Indeterminingtheneedtodetermineonthebasisofamixturecontainingelectricvehiclepowertrainofmatch,atthesametimemeettheemissionstandardsfordeterminingglutamateispowerperformanceandfueleconomy,andpreliminaryvalidationofparametersmatchparametersreasonability;3.OnhybridHEVandtransmissionsystemperformanceacrossallthemajorpartsofthechoicespowerunittypeandparameterdesign;refertotheparallelhybridelectricvehicle:atypicalexampleofToyotapruisdrivesystem,carriedoutforelantra1.6hybridelectricsystemdesign;4.Uponcompletionofthehybridsystem,throughtheoperationmodeofanalysis,andreferenceserieshybridsystemandaparallelhybridsystemcontrolstrategy,designitscontrolsystem.KeyWord:hybridcars;PSHEV;parametermatching；controlstrategy目錄摘要.… IAbstract… II第1章緒論 11.1本課題的研究意義 11.2國內外研究現(xiàn)狀 21.2.1我國混合動力電動汽車研究概況 31.2.2國外混合動力電動汽車研究概況 41.3本論文的主要研究內容 5第2章混合電動車的概述 62.1混合動力汽車概念 62.2混合動力系統(tǒng)的節(jié)能潛力 62.3混合動力汽車的排放問題 72.4混合電動車的分類 72.4.1串聯(lián)混合動力系統(tǒng) 82.4.2并聯(lián)混合動力系統(tǒng) 92.4.3混聯(lián)式混合動力汽車(PSHEV) 102.5本章小結 11第3章動力系統(tǒng)總成選型和參數(shù)設計 123.1引言 123.2混聯(lián)式混合動力汽車動力匹配總成選型 123.2.1混合動力電動汽車用發(fā)動機選型 123.2.2混合動力電動汽車用電動機選型 133.2.3混合動力電動汽車用儲能元件選型 173.3并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配與性能指標 183.3.1整車參數(shù)與性能指標 183.3.2發(fā)動機功率設計 193.3.3電機參數(shù)設計計算 193.3.4電池參數(shù)設計計算 213.3.5傳動比的選擇 223.4本章小結 23第4章變速驅動橋結構設計 244.1引言 244.2變速驅動橋的總體布置 244.3傳動裝置各軸的運動和動力參數(shù)的確定 244.4齒輪的結構設計與強度校核 254.5軸的校核 284.6軸承的選擇與校核 294.6.1幾種軸承的特點 294.6.2類型的選擇 294.6.3校核軸承壽命 314.7花鍵的校核 334.8本章小結 34第5章混聯(lián)混合動力汽車控制策略設計 355.1引言 355.2混合動力汽車控制策略概述 355.2.1串聯(lián)式混合動力電動汽車控制方法 365.2.2并聯(lián)式混合動力電動汽車控制方法 375.2.3混聯(lián)式混合動力電動汽車控制方法 385.3混聯(lián)式混合動力電動汽車的工作模式及控制系統(tǒng) 395.4本章小結 40結論 41致謝 42參考文獻.. 43第1章緒論1.1本課題的研究意義隨著全球經濟以及汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量也在逐年急劇增加，但汽車數(shù)量的增加卻是城市大氣污染的主要來源，因此世界各國紛紛制定一系列十分嚴格的排放法規(guī)，強制要求生產低油耗小排放的汽車。但是，盡管目前內燃機電控技術和三元催化等排氣凈化技術廣泛應用，能夠大幅度的降低汽車的排放以及耗油量，可是能源緊張和排放帶來的環(huán)境污染問題還是沒有從根本上得到解決。為此，全球的汽車制造商都尋找新的解決辦法，把主要精力放在研究開發(fā)新型節(jié)能無污染的綠色汽車。目前，世界各國都在開發(fā)新型節(jié)能無污染汽車，包括純電動汽車EV(electricvehicle)、混合動力電動汽車HEV(hybridelectricvehicle)和燃料電池汽車FCV(fuelcellvehicle)。純電動汽車(ElectricVehicle簡稱EV)是一種節(jié)約石油能源、無污染的理想“零排放”汽車，因為它引入了電驅動模式，所以這種汽車加大非石油資源的利用率，無疑是解決上述問題的有效途徑。純電動汽車從上世紀70年代開始發(fā)展，是發(fā)展時間最長的汽車；但是其缺點也非常明顯，由于一次充電后的行駛里程較短，而且充電時間長，能源補充不方便，另外在技術上很難解決廢舊電池的二次污染以及回收的問題和純電動汽車的蓄電池技術還未能獲得關鍵性突破，因此，其商業(yè)化進展和市場推廣緩慢。氫燃料電池動力汽車(FuelCellElectricVehicle，簡稱FCEV)，燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換電能的裝置，其最大特點是反應過程不涉及燃燒和熱機做功。氫燃料電池動力系統(tǒng)不僅高效、低噪音，而且無污染、無二氧化碳排放，是一種新型的環(huán)保動力源，另外，由于氫在地球中的蘊藏十分豐富，氫氣來源極其廣泛，可以說是取之不盡，用之不竭的能源。提取氫的方法非常方便，一是可通過石油、天然氣、甲醇、甲烷等進行；二是可通過電解水制氫、生物制氫等方法獲取氫氣。但是其缺點主要是成本高昂，可靠性和運行壽命較低，以及氫燃料基礎設施缺乏等因素，所以無法在短期內取代傳統(tǒng)動力汽車。在這種情況下，混合動力汽車異軍突起，是目前新型清潔動力汽車中最具有產業(yè)化和市場化前景的車輛。混合動力汽車將兩種或更多能量轉換技術和一種或更多的能量存儲技術集合為一體，使得混合動力汽車能夠明顯減少汽車排放和降低油耗，難能可貴的是可以達到與傳統(tǒng)汽車同樣的行駛里程，另外混合動力汽車燃料補充便利，節(jié)能、環(huán)保也是混合動力汽車的主要特點，表1．1是四種車型的比較。表1.1四種車型的比較類型燃油消耗續(xù)駛里程排放電池壽命加油站改造成本傳統(tǒng)汽車100100100100EV030—500100300—400FCV<5>5HEV40—6010040—60300—10000130—160注：表中數(shù)據(jù)表示比例關系從表1.1可以看出，EV和FCV都具有零排放的優(yōu)點，但是燃料電池的比能以及技術發(fā)展仍然是制約其市場化的一大瓶頸，所以不能滿足市場要求；HEV的燃油消耗和排放都比傳統(tǒng)汽車低，而且HEV對電池的要求不高，并能滿足日益嚴格的汽車尾氣排放標準，當前，HEV已經是汽車技術領域的一個重要的發(fā)展方向。但是，世界范圍內更加嚴格的尾氣排放標準的出臺使得現(xiàn)有的混合動力電動汽車不能適應新形勢的需要，其中大部分都存在著退市的危險，目前我國大部分汽車廠商對這種情況的處理方法基本上都停留在改進現(xiàn)有發(fā)動機的基礎上，很少把發(fā)動機、排氣系統(tǒng)和控制策略等因素進行綜合考慮，已達到符合國III標準的目的，所以系統(tǒng)的研究新型混合動力電動汽車就顯得尤為重要。1.2國內外研究現(xiàn)狀混合動力汽車的研究始于上世界90年代。其中，較早地提出采用大速比變化范圍的混合動力汽車傳動系統(tǒng)設計的研究論文始見于1994年在英國召開的InternationalGearingConference。近幾年，隨著混合動力汽車(HEV)技術發(fā)展，使得混合動力汽車有效地克服了傳統(tǒng)汽車與純電動汽車(EV)的缺點并兼顧了兩者的優(yōu)點，在世界范圍內已成為新型車輛開發(fā)的熱點，并且在降低汽車有害排放和燃油消耗方面的潛力已經得到廣泛認可。自從1973年爆發(fā)了全球性石油危機之后，各國都開始重視節(jié)約能源的重要意義，制定汽車燃油經濟性法規(guī)和加強替代燃料發(fā)動機的研究。其中，混合動力汽車就是最杰出的代表成果之一?；旌蟿恿ζ嚥捎昧税l(fā)動機驅動系統(tǒng)和電機系統(tǒng)通過機械傳動裝置耦合在一起來驅動車輛行駛，使得車輛降低燃料消耗量，同時通過整車控制策略控制發(fā)動機、電池和電機在不同工況條件下，處于不同的工作模式，從而盡可能多的工作在各自的高效率區(qū)域，甚至還可以控制發(fā)動機的起停來取消發(fā)動機怠速運轉，達到明顯節(jié)能的目的。據(jù)統(tǒng)計，在占80％以上的道路條件下，一輛普通汽車僅利用了動力潛能的40％，在走走停停的繁華市區(qū)甚至還會降到25％。而混合動力汽車既可以發(fā)揮內燃機持續(xù)工作時間長，動力性能好的優(yōu)點，又可以發(fā)揮電動機無污染、低噪聲、能夠回收動力的優(yōu)點，取長補短，使汽車的熱效率可提高40％以上，尾氣排放可減少30％以上。另一方面，混合動力汽車在降低汽車有害排放方面的貢獻是顯而易見的，然而隨著人們對環(huán)境保護力度的加大，更嚴格的汽車尾氣排放標準也應運而生。發(fā)達國家混合動力汽車技術比較成熟，同時它們還是加快尾氣排放標準的制定與頒布。比如在歐洲，根據(jù)歐洲議會2006年底表決通過的歐盟委員會的一項規(guī)定，從2009年9月1日起，歐盟銷售和行駛的民用車輛包括以柴油為燃料的汽車，都要執(zhí)行歐洲5號尾氣排放標準。此前出廠的載重、工程和農用柴油車，如在歐盟成員國境內使用，也需加裝特殊的尾氣過濾裝置，以符合歐洲5號排放標準，不過實施日期可延緩一年。此外，從2009至2014年，歐洲汽車尾氣排放控制將逐漸過渡到更加嚴格的歐洲6號標準。我國也在近期出臺國III標準，未達到國III標準的新車均不能在市場上銷售，也就是說有部分車型正面臨著退出汽車市場。從目前的情況看，國外各大汽車生產廠商可能會從混合動力汽車發(fā)動機、排氣系統(tǒng)和控制策略等綜合因素進行考慮，從而達到更加嚴格的排放標準，最終實現(xiàn)汽車產業(yè)的升級；國內汽車廠商由于技術和設備等原因，最可能會對原有車用發(fā)動機進行改造，已讓整車滿足國III標準，或者是更新?lián)Q代，推出下一代汽車。1.2.1我我國是石油資源十分緊缺的國家，我國的石油僅占世界石油資源的2％，從1993年開始就己成為石油進口國。為應對能源緊缺問題問題，實現(xiàn)社會可持續(xù)性發(fā)展，我國政府很早就開始重視清潔高效汽車技術的開發(fā)。我國在“八五”和“九五”期間都有計劃地開展了電動汽車的關鍵技術攻關和整車研制。我國自主開發(fā)的HEV要求節(jié)油率達到30％以上，已在幾個城市投入示范線路。長安汽車(集團)有限責任公司在科技部、重慶市科委、中國兵器裝備集團公司的大力支持下，聯(lián)合重慶大學承擔了ISG(IntegratedStarter／Generator)型混合動力長安轎車整車匹配項目，并己通過國家級驗收。研制的混ISG型混合動力轎車SC7130(羚羊)轎車的平臺上開發(fā)，最高時速可達160Km／h，加速性能與同檔次的傳統(tǒng)汽車相當，續(xù)駛里程大于500Km，最大爬坡度25％，節(jié)油30％。但是由于我國混合動力汽車的研究工作起步比較晚，所以和國外的先進技術水平相比還有很大差距。我國的混合動力汽車只是在原油汽車上簡單地加載發(fā)動機和發(fā)電機組，由于缺乏高度自動化的控制系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)，其結果造成兩種動力源只是簡單結合，缺乏統(tǒng)一協(xié)調。加上國III標準的出臺，目前可以知道的是10萬元以內的車型里有11個車型未達到國III標準，并且退市車型以6萬元以下的車型為主；10萬元以上車型里共有5個車型未達到國III標準；MPV多功能旅行車、SUV車型里共有48個車型未達到國III標準，并且退市車型以10萬元以下的經濟型SUV為主。國III標準實施后，上述車型將暫時推出市場，但是其中只有小部分車型會停產，大部分車型還是會經過廠家對發(fā)動機的升級后重新回到市場。綜上，生產廠商對發(fā)動機進行改進勢必要增加生產的成本，而廠家會把這些成本加到車價上去，車價的提升必定會帶來價格的提升，所以對發(fā)動機的升級不是滿足國III標準的最終出路。這種情況造成國內大部分汽車廠商的尷尬局面，所以研究在排放標準的前提下，對混合動力汽車進行系統(tǒng)的研究使其具有良好的動力以及燃油經濟性能已經到了迫在眉睫的時候了。1.2.2上世紀九十年代以來，日本、美國、歐洲各大汽車公司紛紛開始研制混合動力電動汽車。美國政府于1997年與克萊斯勒公司、福特公司和通用汽車公司合作，實施新型汽車合作計劃(PNGV)，該計劃制定的混合動力電動汽車開發(fā)的目標是：2002年進行試驗性推廣，2004年達到全面商業(yè)化生產。福特公司開發(fā)的“優(yōu)異2000”概念車試驗平臺的性能已達到PNCV計劃的部分目標：每加侖汽油行駛80英里。在1999年末，本田公司在日本、美國等國陸續(xù)開始銷售的小型混合動力轎車Insight就被美國環(huán)保總署評為2001年美國十大節(jié)能汽車的第一名，實現(xiàn)了35km／L的低油耗和80g／km的低CO2排放量。第二名是豐田公司的Prius混合動力汽車。歐洲，最具代表的HEV是法國的Berlinge，在性價比上能與一般汽車相抗衡，代表了國際實用先進水平。另外，瑞典沃爾沃公司也開發(fā)出了混合動力電動汽車，時速可達90km。德國公司生產的并聯(lián)式混合動力電動車Duo已小批量生產，因為德國實施了新的汽車排放標準，所以人們把目光更多的寄托在混合動力電動汽車身上。德國汽車工業(yè)也已實施新的排放標準和節(jié)能要求，將不允許百公里的油耗超過5升的轎車上路，這也將促使人們更多地把希望寄托在混合動力電動汽車上。雖然，國外混合動力汽車技術成熟、設備先進。但是，歐洲5號排放標準對汽車尾氣排放的限制更加嚴格表現(xiàn)在多方面。以柴油車為例，歐洲4號標準規(guī)定，柴油小客車的氮氧化物排放量為每公里250毫克以下，載重卡車為390毫克以下，而歐洲5號標準對此的限制分別為180毫克和280毫克。歐洲6號標準則更進一步，規(guī)定柴油小客車氮氧化物的排放量每公里不得超過80毫克，載重卡車不超過125毫克。也就是說，8年之后，歐盟行駛的各類汽車，氮氧化物排放量將比現(xiàn)在減少三分之二以上。例如，目前風靡歐洲的SUV幾乎100％使用柴油燃料，為加強環(huán)保，歐盟特地限定這一車型將于2012年提前兩年實行歐洲6號排放標準。所以說，為了達到新的標準，各大汽車生產商必需對發(fā)動機、排氣系統(tǒng)和控制策略等進行改造，以及對燃料進行深入的環(huán)保研究，最終實現(xiàn)產業(yè)升級。綜上所述，從國內外的研究情況可以看出新型汽車尾氣排放標準的推出，可以推動汽車產業(yè)的再次升級。當前世界汽車產業(yè)已經進入成熟發(fā)展期，隨著世界汽車保有量的越來越大，而減少汽車尾氣排放，不僅關系到氣候變化，同時也是未來汽車企業(yè)增加競爭力的重要手段，誰能占據(jù)主動，誰就可能成為行業(yè)的領跑者。一旦汽車尾氣排放的研究取得突破，必將產生巨大的經濟和環(huán)保效益。1.3本論文的主要研究內容本研究從系統(tǒng)入手，對混合動力系統(tǒng)各部件參數(shù)進行設計，并制訂系統(tǒng)的控制策略。歸納起來，主要有以下幾方面內容：（1）詳細地論述了混合動力系統(tǒng)的基本結構和工作原理，并分析了各自的優(yōu)缺點；對混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)的設計進行了詳細的研究和分析，最終確定混合動力電動汽車模型以及工作模式；（2）確定出混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的布置方案，并對該動力系統(tǒng)的特點及功能進行分析；（3）設計混聯(lián)混合動力系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇發(fā)動機和電機的功率、最高轉速、電池的功率及需要的儲存能量、傳動系統(tǒng)的傳動方式和傳動比；（4）制定混合動力系統(tǒng)能量分配的控制策略，使發(fā)動機工作在經濟區(qū)域，同時保證電池在一個完整的汽車行使循環(huán)工況內保持能量平衡，實現(xiàn)節(jié)能的效果。第2章混合電動車的概述2.1混合動力汽車概念汽車已與人們的日常生活和生產密不可分。然而，眾多的燃油汽車排放所造成空氣質量的日益惡化和石油資源的漸趨匱乏，使開發(fā)低排放，低油耗的新型汽車成為當今汽車工業(yè)界的緊迫任務。人們越來越關注其他燃料的汽車和電動汽車的開發(fā)，電動汽車成為最主要的選擇之一。所謂混合電動汽車，是在一輛汽車上同時配備電力驅動系統(tǒng)和輔助動力單元(APU),其中APU是燃燒某種燃料的原動機或由原動機驅動的發(fā)電機組，目前所采用的原動機一般為柴油機、汽油機或燃氣輪機。將產生動力的部件與電能儲存元件與不同的方式結合起來，可以形成不同類型的混合動力汽車。簡而言之，混合動力汽車就是將傳統(tǒng)的內燃機、電力驅動裝置和儲能裝置結合在一起，它們之間的良好匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā)揮內燃機汽車和電動汽車的優(yōu)點，避免各自的不足，是當今最具實際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。2.2混合動力系統(tǒng)的節(jié)能潛力傳統(tǒng)汽車相比混合動力汽車耗油的原因主要有以下幾種：(1)發(fā)動機燃油消耗率特性和汽車實際行駛工況的需求不匹配；(2)制動能量的消耗（特別是在城市市區(qū)行駛）；(3)帶有液力變矩器的汽車在頻繁起停的時候傳動效率很低。混合動力汽車相比傳統(tǒng)ICE汽車之所以節(jié)油，主要結合上述在以下方面有所改進：(1)作為動力裝置的發(fā)動機尺寸有所減小。(2)通過控制能使發(fā)動機工作點盡量靠近或在發(fā)動機最優(yōu)經濟區(qū)域，提高發(fā)動機工作效率，不足動力由電機補充。(3)在汽車制動時，控制電機以發(fā)電機模式工作進行回饋制動，將汽車的動能或勢能部分回收。(4)在頻繁起停工況下：汽車停車時，若電池荷電狀態(tài)處于合理范圍，將發(fā)動機關閉，節(jié)省發(fā)動機怠速油耗；在汽車起動時，由電機單獨驅動，能避免帶有液力變矩器的汽車在起動時的傳動效率低的問題。2.3混合動力汽車的排放問題在控制排放方面，混合動力車有若干優(yōu)點，降低排排放的主要途徑如下。(1)純電動模式運行混合動力汽車一般設計成具有純電動運行模式。這種混合電動車在進入車輛和人口密集的城市中心時，可以關閉其發(fā)動機以純電動方式工作，達到零排放，到了郊區(qū)時可重新啟動發(fā)動機。這種車輛還可以在晚上或停車時利用電網的電充電，類似與純電動汽車的情況。(2)降低發(fā)發(fā)動機排放混合動力車可采用電動起步，當車速達到預定值或車輛負荷達到預定水平時才啟動發(fā)動機，盡量使發(fā)動機工作在遠離排放差的區(qū)域；采用功率小的發(fā)動機意味著混合動力車輛比起傳統(tǒng)車輛來，在常見負荷下，可在較高的額定功率下工作，效率更高、污染最??；動力電池的功率緩沖能力可使發(fā)動機縮短冷啟動時間，從而減少整車冷啟動是的排放?；旌蟿恿囘€可以在停車、滑行、低負荷、制動或蓄電池SOC到最大值時關掉發(fā)動機，取消發(fā)動機怠速，而當需要發(fā)動機輸出力矩時重新啟動，這樣可以取消怠速時的排放，降低整車排放污染。2.4混合電動車的分類混合動力系統(tǒng)可以按以下幾個方面分類：從使用電池-電機與內燃機的搭配比例來看，混合動力車輛有微混合、輕混合、全混合、可外接電源充電混合動力四種類型。(1)微混合系統(tǒng)有時也叫“啟-?；旌稀?，依靠電池-電機的功率比例很小，車輛的驅動功率主要由內燃機提供。電機僅作為內燃機的啟動機/發(fā)電機使用，微混合可實現(xiàn)5%~10%的皆有效果。(2)輕混合系統(tǒng)與微混合系統(tǒng)相比，驅動車輛的兩種動力源中依靠電池-電機功率的比例增大，內燃機的功率的比例相對減小。在車輛加速、爬坡等工況下，電機可向內燃機提供輔助的啟動力矩，但不能單獨驅動車輛行駛。一般電機功率不超過發(fā)動機最大功率的10%，其節(jié)油可達10%~15%。(3)全混合系統(tǒng)與輕混合系統(tǒng)相比，驅動車輛的兩種動力源中依靠電池-電機功率的比例更大，內燃機功率的比例更小，電機和內燃機都可以單獨驅動車輛，因此在低速、緩加速行駛、車輛起步行駛和倒車等情況下，車輛可以純電動行駛；急加速時電機和內燃機一起驅動車輛，并有制動能量回收的能力。電機功率為內燃機最大功率的40%左右，其節(jié)油效果達30%~50%，但實際節(jié)油效果隨車輛結構設計、行駛工況、開車操作細節(jié)而變化。(4)可外接電源充電混合動力系統(tǒng)該系統(tǒng)電機功率比例與純電動情況相同，但內燃機的功率比例與全混合系統(tǒng)的基本相同。從系統(tǒng)能量流和功率流的配置結構關系看，可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。下面著重介紹這三種形式的混合動力系統(tǒng)。2.4.1串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的結構見圖2-1。其結構特點是圖2.1串聯(lián)式HEV驅動系統(tǒng)結構圖串聯(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。串聯(lián)式混合動力電動汽車的優(yōu)點：(1)發(fā)動機能夠經常保持在穩(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；(2)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－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：(1)各部件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；(2)在發(fā)動機－發(fā)電機－電動機驅動系統(tǒng)中的熱能－電能－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)式混合動力驅動系統(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。2.4.2并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)的發(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。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濟性。并聯(lián)式驅動系統(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四種組合驅動方式：(a)驅動力結合式驅動力結合式（見圖2.1A）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。另外一套電動機驅動系統(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。兩套驅動系統(tǒng)可以獨立地驅動汽車，也可以聯(lián)合驅動汽車，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。(b)轉矩結合式(雙軸式和單軸式)轉矩結合式并聯(lián)式混合動力電動汽車（見圖2.1，B、C）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（單軸式）或間接（雙軸式）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。(c)轉速結合式轉速結合式并聯(lián)式混合動力電動汽車（見圖2.1，D）的發(fā)動機通過離合器和一個“動力組合器”來驅動汽車，電動機也是通過“動力組合器”來驅動汽車?？梢岳闷胀▋热紮C汽車的大部分傳動系統(tǒng)的總成，電動機只需通過“動力組合器”與傳動系統(tǒng)連接，結構簡單，改制容易，維修方便。通?！皠恿M合器”就是一個行星齒輪機構，這種裝置可以使發(fā)動機或電動機之間的轉速可以靈活的分配，但它們組合在特定的“動力組合器”中，因為“動力組合器”使它們的轉矩固定在電動汽車行駛時的轉矩上，要用調節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門的開度來與電動機的轉速相互配合，才能獲得最佳傳動效果，從而使得控制裝備變得十分復雜。圖2.1并聯(lián)式混合動力電動汽車的驅動方式并聯(lián)式混合動力電動汽車的優(yōu)點：(1)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；(2)當電動機進行輔助驅動時，發(fā)動機的功率可以適當?shù)臏p??；(3)如果電動機只是作為輔助能量時，功率可以取??；(4)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；(5)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：(1)由于并聯(lián)式混合動力汽車的發(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，因此排放污染較嚴重；(2)發(fā)動機和驅動系統(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。因此，并聯(lián)式驅動系統(tǒng)最適合在城市間道路和高速公路上行駛，工況穩(wěn)定，發(fā)動機經濟性和排放性都會有所改善,和混聯(lián)式混合動力電動汽車相比較而言結構簡單，價格也容易被廣大消費者接受，在電池技術問題沒有得到很好的解決的情況下，它將可能被廣泛應用，但當電池技術攻克，其優(yōu)越性較混聯(lián)混合動力系統(tǒng)落后。2.4.3混聯(lián)式驅動系統(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。驅動系統(tǒng)是將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機通過一個行星齒輪裝置連接起來。動力從發(fā)動機輸出到與其相連的行星架，行星架將一部分轉矩傳送到發(fā)電機，另一部分傳送到電動機并輸出到驅動軸。這種機構有兩個自由度，可以自由的控制兩個不同的速度(例如：發(fā)動機的轉速與差速器輸入的轉速)。此時車輛并不是串聯(lián)式或者并聯(lián)式，而是介于串聯(lián)和并聯(lián)之間，充分利用兩種驅動方式的優(yōu)點。但其對控制系統(tǒng)的要求很高。本設計本著節(jié)能環(huán)保的理念選擇混聯(lián)混合動力系統(tǒng)。2.5本章小結本章介紹了混合動力電動汽車不同的分類方法和動力總成結構形式，并重點介紹了串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種混合動力汽車的驅動系統(tǒng)結構和特點，然后詳細分析了各自的優(yōu)缺點，最后通過綜合考慮，本文確定混合動力電動汽車模型采用行星齒輪組混聯(lián)結構，因為它在穩(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，而且具有比較好的燃油經濟性，技術成熟，應用廣泛。具體工作包括：(1)重點介紹串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動力汽車驅動系統(tǒng)結構以及工作原理，并對上述三種混合動力汽車各自的優(yōu)缺點進行詳細分析與說明；(2)因為每種混合動力汽車的驅動系統(tǒng)結構都有各自的特點，而且行駛工況是隨時變化的。所以，選擇哪種驅動結構要和混合動力電動汽車的設計目標以及設計任務進行匹配，判斷汽車的運行狀態(tài)以及行駛工況，再根據(jù)發(fā)動機、電機和蓄電池的特性確定車輛的工作模式，最終合理的選擇本設計方案為混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的動力匹配總成選型和參數(shù)設計提供合理依據(jù)。第3章動力系統(tǒng)總成選型和參數(shù)設計3.1引言本章首先論述了混合動力電動汽車動力總成的選型方案，具體的方案是：發(fā)動機選擇Atkinson(艾金森)循環(huán)的Zetec-四缸汽油發(fā)動機；電動機選擇永磁交流電機；蓄電池元件選擇電化學鎳氫電池；變速器選擇行星齒輪組無級變速器。接下來，主要根據(jù)第二章所確定的混合類型，以整車動力性和燃油經濟性為主要目標進行設計，最終得到混合動力電動汽車參數(shù)設計結果。3.2混聯(lián)式混合動力汽車動力匹配總成選型混合動力電動汽車動力總成選型主要包括以下部分：發(fā)動機、車用電動機、儲能元件以及傳動系等，本節(jié)主要根據(jù)混合動力汽車的工作特性要求對動力元件的選型方案進行分析，最終選取符合整車設計性能的混合動力汽車動力總成元件。3.2.1混合動力電動汽車用發(fā)動機選型在混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機作為能量轉換裝置具有舉足輕重的作用，因此對其格外重視?；旌蟿恿ζ嚢l(fā)動機的選擇必須考慮到發(fā)動機的使用和運行模式。在混合動力汽車中，為了達到某些特定目標(最小排放、最小油耗、最小成本或以上目標的綜合)，必須設計一個合理的控制策略，根據(jù)車輛的行駛工況和動力部件的狀態(tài)，確定動力系統(tǒng)的驅動方式。混合動力的發(fā)動機并不是單獨提供加速或爬坡的峰值功率，而是和電機共同驅動，發(fā)動機額定功率通常由最常用或最經濟車速對應的需求驅動功率確定，因而混合動力汽車的發(fā)動機功率比燃油車小。為了提高燃油經濟性，混合動力汽車發(fā)動機是被設置成在絕大多數(shù)時間在經濟區(qū)域穩(wěn)定的運行，即發(fā)動機可運行在較窄的范圍之內。另外，某些混合動力汽車發(fā)動機是以開關模式運行，比燃油車發(fā)動機更加頻繁地開關。此外，在選用混合動力汽車用發(fā)動機時還要考慮到整車總布置問題，這是因為在混合動力汽車上采用了多種動力部件，而汽車的可用空間又非常有限，所選用的發(fā)動機應有利于動力傳動系的合理布置。另外還要考慮發(fā)動機的噪聲和振動、可靠性、使用壽命、維護成本、運行成本以及安全性能等因素?？紤]到上述因素并總結了目前各國在混合動力汽車研究中所選用的發(fā)動機方案，目前可以應用于混合動力汽車的發(fā)動機主要有：轉子式發(fā)動機、燃氣輪機、斯特林發(fā)動機以及四沖程汽、柴油機等。表3.1列出了四種發(fā)動機的特點以及動力總成方案表3.1四種發(fā)動機特點以及動力總成方案發(fā)動機形式特點應用范圍轉子發(fā)動機優(yōu)點：(1)具有尺寸小、重量輕、暖機迅速和扭矩速度曲線平坦；(2)最小燃油消耗率較高，達到了300～360g／kw.h。缺點：廢氣排放量較高串聯(lián)燃氣輪機優(yōu)點：(1)尺寸小、維護成本低、噪聲和振動小、在低轉速時能產生較大的扭矩，熱效率高，可采用多種燃料并且設計簡單：(2)排放水平低，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。缺點：響應時間較長串聯(lián)斯特林發(fā)動機優(yōu)點：具有高的熱效率、低排放和低噪盧性能。缺點：功率密度低以及需要人的散熱裝置。串聯(lián)四沖程汽油機和柴油優(yōu)點：(1)技術成熟；(2)熱效率較高。缺點：排放較差，噪聲和振動大，但采取技術后，上述缺點可以得到改善。串聯(lián)并聯(lián)對于混聯(lián)混合動力汽車，應用目前技術成熟的先進四沖程發(fā)動機不失為最佳選擇。本文選擇四沖程汽油發(fā)動機為研究對象。當然，為進一步降低油耗和排放，發(fā)動機能夠適應頻繁的開關模式，開發(fā)適合混合動力汽車專用環(huán)保發(fā)動機是未來發(fā)展的趨勢。3.2.2在混合動力汽車應用中，電動機的選用應滿足下列原則：(a)高性能、低重量和小尺寸；(b)在較寬的轉速范圍內有較高的效率；(c)電磁輻射盡量小；(d)成本低。另外，對電動機的選型還應綜合考慮其控制系統(tǒng)的特點，要求能實現(xiàn)雙向控制，對制動再生能量可以回收。同時，混合動力電動汽車對電機性能的基本要求為：(a)高電壓。在允許的范圍內，盡可能采用高電壓，可以減小電機尺寸和導線等設備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本；(b)高轉速。高轉速電機體積較小，質量較輕，有利于降低整車的整備質量；(c)質量輕。電機采用的輕型材料，以降低電機質量、各種控制裝置的質量等；(d)電機應具有較大的起動轉矩和較大范圍的調速性能，為車輛提供起動、加速、行駛、減速、制動等所需要的功率和轉矩，使混合動力汽車具有良好的起動性能和加速性能；(e)電機應具有高效率、低損耗，并在車輛減速時，要求能實現(xiàn)雙向控制，實現(xiàn)再生制動能量的回收；(f)裝備高壓保護設備。電動機上的工作電壓可高達300V以上，對電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的安全性都必須符合國家(或國際)有關車輛電氣控制安全性能的標準和規(guī)定。另外，電機還要求可靠性好、耐溫耐潮性強，電磁輻射盡量小，運行時噪聲低，能夠在較惡劣的環(huán)境下長時期工作，結構簡單，適合大批量生產，使用維修方便，價格便宜等。目前，國內外市場上混合動力汽車常用的電動機類型為HEV通用型電機；該電動機主要有直流電動機和交流電動機，它們有很多種型號、規(guī)格、結構形式和控制方法，在電動汽車上通常采用的電動機有直流電動機、交流三相感應電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機等。圖3.1為HEV驅動電機的分類，包括直流電機、永磁無刷電機、感應電機、開關磁阻電機等應用較多的幾種電機圖3.1HEV驅動電機的分類(1)直流電動機直流電動機的優(yōu)點是機械特性好，調速方便而且性能好。由于直流電機驅動系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調速、控制器簡單、技術成熟等優(yōu)點。在早期開發(fā)的電動汽車上多采用傳統(tǒng)的直流電動機，但在低速低轉矩區(qū)，直流電機驅動系統(tǒng)的效率較低。圖3.2和圖3.3給出了混合動力電動汽車用直流電機驅動系統(tǒng)與交流電機驅動系統(tǒng)的效率特性圖。由圖知，交流電機驅動系統(tǒng)在較寬的轉速范圍內都具有較高的效率。在低速低轉矩區(qū)，直流電機驅動系統(tǒng)的效率僅有60％，而交流電機驅動系統(tǒng)可達66～74％。交流電機在整個低扭矩區(qū)的效率也高于直流電機，這說明交流電機驅動系統(tǒng)非常適合應用與混合動力汽車傳動系。圖3.2交流電機驅動系統(tǒng)效率圖圖3.3直流電機驅動系統(tǒng)效率圖(2)感應電動機交流感應電機驅動系統(tǒng)式90年代發(fā)展起來的，有結構簡單、制造容易、價格低和堅固耐用等特點，較適用于混合動力電動汽車，其控制可采用磁場定向矢量控制和直接轉矩控制。但向量控制對電動車驅動系統(tǒng)來說也存在一定的問題，如在恒轉矩調速范圍內，電機的勵磁電流分量保持恒定這會導致電機在輕載時鐵耗增加，使整個驅動系統(tǒng)的效率下降。為克服這個不足可以通過采用最大效率控制，在向量控制的基礎上，結合最大效率控制，會使感應電動機驅動系統(tǒng)在低速和高速運行都會有較高的效率，相信這種控制方式會使感應電動機在電動車驅動系統(tǒng)中具有強的競爭力的。目前國外的一些汽車公司正在對交流感應電動機的結構和向量控制方法進行研究和改進，使交流三相感應電動機更加適合電動汽車驅動系統(tǒng)的要求。(3)交流異步電機交流異步電機驅動系統(tǒng)主要選用三相鼠籠型異步電動機，該電動機結構簡單、堅固耐用、成本低廉、轉速極限極高，采用矢量控制技術，其動態(tài)性能可與直流電機調速相媲美。但交流異步電機的驅動系統(tǒng)應用的難題是其控制系統(tǒng)的控制技術難度大，導致它的控制軟、硬件成本都比較高、控制器的外形尺寸也比較大，但隨著電力電子技術、控制理論的發(fā)展以及感應電動機變頻調速技術日趨成熟，解決該問題將不再困難。(4)永磁電動機近年來，永磁材料在電機的廣泛應用，采用稀土永磁的電機由于取消了電勵磁，充分利用了徑向空間，使體積大大減小，效率提高，同時在結構方面的改進，提高了可靠性，因此永磁直流電機仍是目前開發(fā)電動汽車和混合動力電動汽車的一個選擇。永磁電機驅動系統(tǒng)主要選用永磁無刷同步電機，該電機沒有激磁銅耗、效率較高(最大效率可達95％)、功率因數(shù)高、體積小、功率密度大(可以遠大于1KW／kg)，變頻調速是永磁無刷同步電機的基本調速方式。目前最常用的是1200導通型PWM斬波控制IGBT逆變器，而且為了更好地改善轉矩控制，增加電池調節(jié)控制減小轉矩波動。但其主要不足是永磁材料昂貴，制造工藝復雜，性能受溫度影響較大(易退磁)，大功率輸出困難。由于其體積小和效率高有十分廣闊的應用前景。根據(jù)永久磁鐵在永磁電動機上的布置，可分為表面永磁性(SPM)和內置永磁性(IPM)等幾種結構形式。與相同功率的其它類型的電動機相比，永磁電動機的體積更小，質量更輕，更加適合作為電動汽車的驅動電動機。電動汽車用永磁電動機主要有兩大類：電流反饋控制的永磁無刷直流電動機和永磁交流同步電動機。(5)開關磁阻電動機開關磁阻電機結構簡單、成本較低、可靠性高、起動性能好、調速性能好，控制裝置也比較簡單；實際應用較少，但隨著技術的進步，其開始應用在電動車上。綜上所述，考慮到技術成熟度以及成本問題，永磁電機是目前混合動力電動汽車應用最廣泛的電動機，所以本課題選擇技術成熟和成本較低的永磁電機作為混合動力電動汽車的關鍵部件。表3．2是幾種電動機性能比較。表3.2幾種電動機性能比較性能直流電機永磁電機異步電機開關磁阻電機最大效率(%)8595～9794～95≤90最高轉速(r/min)4000～60004000～100009000～1500015000電機費用1010～158～126～10控制器成本l2．53．54．5堅固性良良優(yōu)良可靠性普通良優(yōu)良注：電機費用和控制成奉的數(shù)值代表的是比例關系在此本設計中選擇異步電機。3.2.3在混合動力汽車中，儲能元件起著向電動機供能及向動力傳動系輸出峰值功率的作用，其另外一個作用是吸收制動再生能量并將其儲存起來。因此，混合動力電動汽車上使用的儲能裝置應盡可能滿足如下要求：(1)可在長時間內接收制動功率；(2)為使儲能裝置不致太龐大和過重，要求其應具有比較高的比功率和比能量；(3)混合動力汽車上的儲能元件需要頻繁地充放電，因此要求其充放電特性較好、自放電率較低以及輸出效率較高，其使用壽命即循環(huán)充放電的次數(shù)應較長；(4)安全可靠，維修方便。(5)為降低整車的價格，應盡可能降低儲能元件的成本。目前有可能應用的幾種能量存儲裝置如表3.3所示。表3.3混合動力汽車用能量存儲裝置表基本原理減速連接存儲裝置加速連接機械能無級變速CVT飛輪無級變速CVT電能一機械能發(fā)電機電動飛輪電池電動機電能發(fā)電機電化學電池/超級電容電動機液壓能液壓泵儲能器液壓傳動表3.4常用儲能裝置性能比較儲能裝置實現(xiàn)方式優(yōu)勢劣勢適用飛輪物理方法幾乎免維護價格昂貴重型卡車超級電容物理方法承受能力強、壽命優(yōu)越；比功率、循環(huán)效率高比能量較低輕度混合動力車輛電化學電池化學方法可靠性高、技術成熟、原料易得、便宜比能量低壽命較短純電動汽車混合動力汽車燃料電池化學方法能量轉換效率高氫制取困難,成本高純電動汽車由表3.4可知，飛輪電池和超級電容用作混合動力汽車儲能元件仍存在著一些技術難點和缺陷，使得電化學電池成了目前混合動力汽車儲能元件的主流。同時從蓄電池應用的情況可以看出：鉛酸電池仍將在混合動力汽車上得到廣泛應用；鎳氫電池、鋰離子電池、鎳金屬氫化物電池隨著技術的不斷成熟、造價和使用成本的降低而成了中期目標；燃料電池由于具有優(yōu)越的性能但技術開發(fā)難度大、價位高而成了遠期目標。對于本項目將采用技術較成熟的鎳氫電池作為儲能元件。3.3并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配與性能指標3.3.1本文所研究的混合動力汽車選用目前市場上Pruis轎車作為基礎車型，其基本參數(shù)如表3.5所示。整車性能開發(fā)指標如表3.6所示。表3.5參考車型整車基本參數(shù)整備質量總質量，Kg1277滿載質量總質量，Kg1652發(fā)動機總排量，L1.53額定功率，KW/r/min58/4200最大扭矩，N.m/r/min102/4200變速器傳動比范圍0.35～1.467主傳動比2.885車輪輪轂15英寸合金輪轂輪胎195/60R15軸距2500mm重心高度60mm風阻系數(shù)0.3迎風面積2.52表3.6混合動力電動汽車整車性能開發(fā)指標動力性最高車速(km／h)160加速性能≤16.5s(0～100km/h)最大爬坡度≥30％經濟性等速行駛油耗(L／100km)≤3.2(90km／h等速油耗)多工況油耗(L／100km)≤4.0綜合油耗，(市區(qū)+市郊工況)排放國Ⅲ標準3.3.2HEV的發(fā)動機要求有一定的驅動功率，有足夠的動力性能和機動性能，能夠滿足HEV的基本動力性能要求，并且能夠與驅動電動機一起提供HEV所需的最大功率，使HEV達到或接近燃油汽車的動力性能水平?；旌蟿恿ζ嚢l(fā)動機最大輸出功率Pmax的取值一般要依據(jù)車輛勻速行駛時的功率要求，即滿足下式：(3.4)式中，η—為傳動效率(km／h)；m—為汽車質量(kg)；g—為重力加速度(m/s2)；f—為滾動阻力系數(shù)；C—為風阻系數(shù)；A—為迎風面積(m)；v—為最高車速(m/s)。上式的V應為車輛額定行駛車速，即車輛經常行駛時的平均車速Vavg，這里的V不能取設計目標中的最大值Vmax。，因為在城市行駛循環(huán)工況中，車輛的速度是達不到它的最大值，另外結合我國車輛和路況的實際情況，在這里確定V的取值要求為：(3.5)另外，發(fā)動機的功率還應滿足式3．6所示：(3.6)本文采用了第二種計算發(fā)動機功率的方法，根據(jù)混合動力電動汽車的開發(fā)指標，該車在發(fā)動機單獨驅動的時候應該滿足70km／h的行駛速度，而且爬坡度應大于10％，經過最后計算發(fā)動機最小功率應為Pmax=30Kw附近(這里還考慮了發(fā)動機需要有10％左右充裕的功率為電池組充電)。3.3.3在低速低負荷時，關閉發(fā)動機，利用電機啟動整車，實現(xiàn)混合動力電動汽車在規(guī)定時間內單獨啟動整車到規(guī)定車速的要求。在水平良好路面上，車輛的行駛加速度為：(3.7)式中：Ft—車輛行駛驅動力(N)；Fw—車輛行駛空氣阻力(N)；Ff—車輛行駛滾動阻力(N)；—轉動質量換算系數(shù)，對混聯(lián)混合動力汽車其計算式為：(3.8)式中：Iw—車輪總轉動慣量；Ig—與發(fā)動機輸出軸相連的所有發(fā)動機轉動部件轉動慣量之和；Im—與電動機輸出軸相連的所有電動機轉動部件轉動慣量之和；im—動力合成裝置速比；ig—變速器速比。車輛由起步加速到速度V的加速時間為：(3.9)對于混合動力電動汽車在CYCEDDS循環(huán)工況下進行仿真，可以得到電機峰值功率、整車啟動時間和車速關系的仿真結果如表3.7所示。表3.7不同功率電機對應的整車啟動時間電機功率車輛參數(shù)33kw49kw58kw啟動時間(s)0～5km／h0～10km／h1.83.03.20～15km／h由表3.7可見，若要求混合動力汽車啟動能力優(yōu)越，則電機的峰值功率應不低于33kw，而選擇49kw和58kw整車的啟動能力接近，所以應該優(yōu)先考慮，本設計是基于全混合動力的模型下進行的，其混合度約為41%，故額定功率為30kw。3.3.4（一）電壓等級蓄電池的電動勢是蓄電池在理論上輸出能量大小的度量之一，數(shù)值上等于熱力學的兩極平衡電極電位之差。電動勢的大小由電池中所進行的電化學反應的性質和反應條件決定，與電池的形狀、尺寸無關。如果蓄電池其他條件相同，那么電動勢越高的蓄電池，理論上能夠輸出的能量就越大。一般動力電池組的電壓變化范圍在其額定電壓的(-35％—+25％)范圍內，因而要求電機逆變器的IGBT承受電壓范圍為(220V～420V)，整個系統(tǒng)的電壓范圍必須一致，保證系統(tǒng)的運行可靠。通過參考同類車型選擇288V。（二）蓄電池實際容量蓄電池的容量是指在一定的放電條件下可以從蓄電池中獲得的電量。常用安培小時數(shù)(Ah)表示。一個蓄電池的容量又有理論容量、實際容量和額定容量之分。實際容量是指在一定的放電條件下蓄電池實際放出的電量，等于放電電流與放電時間的乘積。實際容量的計算方法為：恒定電流放電時：C=I·T(3.10)上式中，C為蓄電池的容量，單位Ah；I為恒定電流放電時的電流，單位為h，T為放電至終止電壓時的時間，單位為h。當放電電流隨時間變化時，這時電池的容量可以表示為：(3.11)上式中，I為放電電流的大小，單位A；t是放電至終止電壓時間，單位h因此，為進一步確定電池的容量參數(shù)，在參考同類車型的情況下選擇電池容量為45Ah。（三）鎳氫電池荷電狀態(tài)(SOC)通常情況下把一定溫度的蓄電池充電到不能再吸收電量時的荷電狀態(tài)(SOC)定義為荷電狀態(tài)SOC=100％，而將蓄電池再不能放出電量時的荷電狀態(tài)定義為荷電狀態(tài)SOC=0％。對于鎳氫蓄電池，SOC可定義為：(3.12)上式中，Cr為某時刻蓄電池的剩余電量，單位為Ah；Cn是蓄電池以某放電電流放電時的初始總能量，單位是Ah。一般對于并聯(lián)混合動力汽車應在長時間的穩(wěn)定運行前后電池的SOC基本保持不變，所以︱SOC︱<0.05。但是，不同廠家的電池其SOC的最佳工作范圍有所不同，一般在0.6≤SOC≤0.8的范圍內，這時電池組內阻最小，效率最高。圖3.4為電池的內阻與SOC的關系曲線。圖3.4電池充放電內阻與SOC關系曲線3.3.5車輛傳動比的選擇包括最小傳動比的選擇、最大傳動比的選擇和傳動系檔數(shù)與各檔傳動比的選擇，傳動比選擇的是否合適對車輛的動力性和經濟性有很大的影響。(1)最小傳動比的選擇汽車大多數(shù)時間是以最高檔行駛，即變速器的最小傳動比檔位行駛。因此，最小傳動比的選定很重要。傳動系的總傳動比是傳動系中個部件傳動比的乘積，即(3.13)上式中，ig為變速器傳動比；io為主減速器傳動比；ic為分動器或副變速器傳動比。主減速比對汽車的動力性及燃油經濟性均有重要影響。近年來為了提高燃油經性，出現(xiàn)了減小最小傳動比的趨勢。但在選擇最小傳動比時，要考慮汽車在最高檔行駛時應有足夠的動力性能，既應有足夠的最高檔動力因素Domax，即一般汽車的io與Domax。一有以下關系：(3.14)另外，一般中、大型客車Domax取0.04～0.06，中級轎車Domax取0.1～0.15。(2)最大傳動比的選擇確定最大傳動比時，要考慮最大驅動力或附著力、最大爬坡度和汽車最低穩(wěn)定車速三個方面。汽車爬坡時車速低，可忽略空氣阻力，汽車的最大驅動力應為：(3.15)得出，(3.16)上式中的a為車輛的爬坡度，一般車輛的爬坡度為30％。接下來，求出I檔的傳動比后，應該按照式3.17驗證車輛的附著條件，具體公式如下：(3.17)上式，為附著力，在這里可以取0.5~0.6。綜上所述，經計算的傳動比分配如表3.8表3.8傳動比分配表傳動傳動比太陽輪與齒圈2.6鏈傳動1中間齒輪傳動1.467主減速器2.8853.4本章小結本章詳細地論述了混合動力汽車的動力總成各部件的選擇方法，以及同一部件不同類型的優(yōu)缺。在混合動力電動汽車動力總成元件確定后，確定了混聯(lián)式混合動力電動汽車總成的構型方案。最后，以整車尾氣排放、動力性和燃油經濟性為主要目標進行設計，得到混合動力電動汽車動力總成各部件參數(shù)設計結果，為混合動力電動汽車系統(tǒng)的結構設計與模擬仿真提供可靠依據(jù)。第4章變速驅動橋結構設計4.1引言本章主要進行了混合動力電動汽車動力總成的機構，將電機、電機/發(fā)動機、變速器、主減速器、差速器融為一體，設計成變速驅動橋。具體的方案是：變速驅動橋的總體布置；傳動裝置各軸的運動和動力參數(shù)的確定；齒輪的結構設計與強度校核；軸的結構設計與強度校核；軸承的選擇與強度校核。4.2變速驅動橋的總體布置變速驅動橋的總體設計要求結構緊湊，工作可靠，布置簡單，維修方便的原則進行設計。具體布置如圖4.1發(fā)動機發(fā)動機主電機行星齒輪組電機/發(fā)電機鏈輪從動軸中間軸半軸圖4.1總體布置圖4.3傳動裝置各軸的運動和動力參數(shù)的確定經以上選型確定動力裝置的參數(shù)如表4.1表4.1動力裝置的參數(shù)表動力裝置最大功率kw額定功率kw額定轉速rpm最高轉速rpm最大扭矩n.m發(fā)動機574340006000102主電機583012006000305電機/發(fā)電機231080001200057各軸的轉速齒圈軸N齒圈=Nm1=5989rpm鏈輪軸N鏈輪=5989/1=5989rpm中間軸N中間=5989/1.467=4082rpm主減半軸N半軸=4082/2.885=1415rpm各軸輸入功率齒圈軸P齒圈=98Kw鏈輪軸P鏈輪=98×0.96=94.08Kw中間軸P中間=94.08×0.96=90.31Kw主減半軸P半軸=90.31×0.96=86.7Kw各軸的輸入扭矩齒圈軸T齒圈=9550×P/N=9550×98÷5989=156Nm鏈輪軸T鏈輪=156×0.96×1=150Nm中間軸T中間=150×0.96×1.46=211Nm主減半軸T半軸=211×0.96×2.885=584Nm將上述計算結果匯總于表4.2表4.2動力參數(shù)匯總表軸名功率P/kw轉矩T/N.m轉速n/rpm傳動比效率齒圈軸98156598910.96鏈輪軸94.081.559890.961.467中間軸90.312.1140820.962.885主減半軸86.75.8414150.964.4齒輪的結構設計與強度校核選取鏈輪主動齒輪進行計算：初步計算傳動主要尺寸（4.1）式中參數(shù)(a)T—小齒輪傳遞的轉矩，T=150000Nmm(b)K—載荷系數(shù)1.2(c)—齒寬系數(shù)0.5(d)—彈性系數(shù)(e)U—傳動比1.34(f)—節(jié)點區(qū)域系數(shù)2.46(g)—重合度系數(shù)0.745初選30，44取=441.6631.014＞1(h)——螺旋角系數(shù)0.92(i)——許用接觸應力由算的由機械設計查得壽命系數(shù)=2.5=2.35安全系數(shù)1.25壽命系數(shù)360Mpa360Mpa許用應力=288Mpa=288Mpa初算小齒輪1的分度圓直徑d1，將所得的數(shù)據(jù)帶入式（4.1）得=93.175mm（4.2）修正小齒輪直95mm式中載荷系數(shù)1.3k==1.827確定模數(shù)2.78取標準模數(shù)=3計算中心距a113.5mm圓整為115mm則螺旋角=15分度圓直徑93.175mm136.66mm齒寬46.5mm50mm校核齒根彎曲疲勞強度（4.3）式中個參數(shù)(1)K、T、值同前；(2)齒寬b==47；(3)齒形系數(shù)和應力修正系數(shù)。當量齒數(shù)3247由機械設計查得2.52.351.621.68查得重合度系數(shù)0.72查得螺旋角系數(shù)0.92許用彎曲應力可由式算得由機械設計查得壽命系數(shù)1.0安全系數(shù)1.25壽命系數(shù)288Mpa288Mpa許用應力=360Mpa=360Mpa將所得的數(shù)據(jù)帶入式（4.3）得==118.3Mpa/Mpa=x=136Mpa滿足齒根彎曲疲勞強度。同理可得各齒輪的參數(shù)如表4.3表4.3變速驅動橋各齒輪參數(shù)表齒輪名模數(shù)分度圓中心距太陽輪3600齒圈3156鏈輪主動輪3106205鏈輪從動輪3106中間軸主動輪393115中間軸從動輪3137主減主動輪390305主減從動輪32604.5軸的校核（1）輸入軸端最小直徑的計算輸入軸的材料采用合金鋼應進行正火處理由表機械設計10.4查得鏈輪軸的結構設計4.6軸承的選擇與校核4.6.1（一）、圓錐滾子軸承：可以同時承受徑向載荷及單向的軸向載荷（30000型以徑向為主，30000B型以軸向載荷為主）。內外圈可以分離，安裝時可以調整軸承的游隙。一般成對使用，對稱安裝。（二）、深溝球軸承：主要承受徑向載荷，也同時承受少量雙向軸向載荷。在高速時，可以用來承受純軸向載荷。工作中允許內外圈軸線偏斜量。摩擦阻力小，極限轉速高，結構簡單，價格便宜，應用最廣泛。但承受沖擊載荷能力較差，適用于高速場合。（三）、角接觸球軸承：可以同時承受徑向載荷及單向的軸向載荷，公稱接觸角α有15°、25°、40°三種，α越大，軸向承載能力也越大。由于一個軸承只能承受單向的軸向力，因而，一般成對使用，對稱安裝。適用于轉速較高，同時承受徑向和軸向載荷場合。（四）、滾針軸承徑向尺寸緊湊切承載能力很大，價格低廉。但不能承受軸向載荷，摩擦系數(shù)較大，不允許有偏斜。常用于徑向尺寸受限制而徑向載荷又較大的裝置中。4.6.2選用軸承選擇時，首先是軸承的類型，我國常用的標準軸承共分九種類型，下面是正確選擇軸承類型時應考慮的幾大因數(shù)：（一）軸承的載荷軸承所受載荷的大小，方向和性質是選擇軸承的主要依據(jù)。根據(jù)載荷的大小選擇軸承類型時，由于滾子軸承中主要元件是線接觸，適宜用于承受較大的載荷，承載后的變形也較小。而球軸承中主要為點接觸，適宜用于承受較輕的或中等的載荷。故在載荷較小時，應優(yōu)先選用球軸承。根據(jù)載荷的方向選擇軸承類型時，對于純軸向載荷，一般選用推力滾子軸承。對于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承。在軸承在承受徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，可選用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，當軸向載荷較大時，可選用接觸角較大角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起的結構，分別承擔徑向載荷和軸向載荷。（二）軸承的轉速在一般轉速下，轉速的高低對類型的選擇不發(fā)生什么影響，只有在轉速較高時，才會有比較顯著的影響。從工作轉速對軸承的要求看，可以確定以下幾點：(1)球軸承與滾子軸承比較，有較高的極限轉速，故在高速時應優(yōu)先選用球軸承。(2)在內徑相同的條件下，外徑越小，則滾動體就越輕小，運轉時滾動體在外圈滾道上的離心慣性力也就越小，因而也就更加適合于在更高的轉速下工作，故在高速時，宜選用超輕、特輕及輕系列的軸承。重及特重系列的軸承，只用于低速重載的場合。如用一個輕系列軸承而承載能力達不到要求時，可考慮采用寬系列的軸承，或者把兩個輕系列的軸承并裝在一起使用。(3)保持架的材料與結構對軸承的轉速影響極大。實體保持架比沖壓保持架允許更高一些的轉速。(4)推力軸承的極限轉速均很低。當工作轉速高時，若軸向載荷不十分大時，可以采用角接