混合动力汽车试验台调研报告.doc

调研报告一、研究目的与意义1.1研究的主要内容与意义通过对混合动力汽车技术的学习与研究，设计以教学为目的的汽车混合动力教学模拟实验台，具体内容如下： 研究掌握混合动力汽车的分类、组成结构与工作原理； 以丰田普锐斯油电混合动力汽车为例，分析不同工况下其动力传递方式，并整理结构图； 设计以教学为目的的汽车混合动力教学模拟实验台总体方案； 绘制实验台正面布置图、背面电路图，编写汽车混合动力教学模拟实验台使用说明书； 论文完成后，设计汽车混合动力教学模拟实验台以丰田普锐斯油电混合动力汽车为例，可形象的展示混合动力汽车的特点与基本结构，不同工况下其动力传递方式，便于教学；同时不断积累与总结新能源汽车技术教学实验台的设计经验。 二、混合动力汽车技术简析2.1 混合动力汽车混合动力是指那些采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。目前国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。混合动力汽车的优点是：（1）采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。（2）因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。 （3）在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。（4）有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。（5）可以利用现有的加油站加油，不必再投资。（6）可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。混合动力汽车的缺点是：长距离高速行驶基本不能省油。2.2 混合动力汽车的分类、组成结构与工作原理分析 混合动力汽车( Hybrid Electric Vehicle, HEV)是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆, 车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同, 形成了多种分类形式。混合动力车辆的节能、低排放等特点引起了汽车界的极大关注并成为目前汽车研究与开发的一个重点。图2.2 混联式油-电混合动力汽车动力总成结构图2.3根据动力传递方式的分类混合动力汽车根据动力传递方式的不同可分为串联式、并联式和混联式三种类型。1.串联式混合动力汽车(SHEV)串联式混合动力汽车( Series Hybrid Electric Vehicle, SHEV) 由发动机、发电机和驱动电动机三大动力组成, 发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成SHEV 的驱动系统。实际上SHEV 的发动机- 发电机组只能看作一种电能供应系统, 发动机并不直接参与SHEV 的驱动。发动机的转速被控制在一定的范围内, 不受SHEV 运行工况的影响, 经常可以保持在低能耗、高效率和低污染的状态下运转。SHEV 驱动系统的结构比较简单, 动力电池组、发动机-发电机组和驱动电动机在底盘上的布置有较大的自由度, 控制系统也比较简单。但三大动力总成的体积较大,质量也较重, 还有庞大的动力电池组, 使得在中小型汽车上布置有一定的困难, 一般适合大型客车采用。2.并联式混合动力汽车 (PHEV)并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle, PHEV)由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力组成,发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成PHEV 的驱动系统。PHEV 的动力系统组成可大致分为发动机、驱动系统( 变速器和驱动桥) 和驱动轮等, 电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，其方式有: (1) 在发动机输出轴处进行组合 (2) 在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合 (3) 在驱动轮处进行组合。3.混联式( 串、并联式) 混合动力汽车（PSHEV）混联式混合动力汽车( Split Hybrid Electric Vehicle, PSHEV) 综合了SHEV 和PHEV 的结构特点, 由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力组成。由于电动/发电机必然是装在发动机的输出轴上才能起发动机飞轮和起动机的作用,保持发动机稳定运转并进行发电, 所以电动机的动力要与车辆驱动系统相组合: 在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合和在驱动轮处进行组合方式。（1）动力组合器动力组合式PSHEV（2）驱动轮动力组合式PSHEV三、汽车混合动力教学模拟实验台初步设计 为了结合实验教学，充实实验教学设备，使实验教学与操作训练有机的结合，培养学生的实际动手能力和创造力，而且使学生在教学中更直观、生动的理解混合动力汽车在各种工况下的运作状态，本论文以混联混合动力系统为对象，以丰田普瑞斯混合动力汽车为原型，设计汽车混合动力教学模拟实验台，实验台以油电混合动力系统的结构、工况原理展示为目的。3.1汽车混合动力教学模拟实验台总体方案设计 本实验台以丰田普锐斯混合动力汽车为原型，油电混合动力系统为混联动力系统的结构型式。实验台设计以混合动力系统的结构、工况原理直观模拟展示，来配合教学。 汽车混合动力教学模拟实验台总体设计方案如下：为直观模拟展示以丰田普锐斯为原型的油电混合动力系统结构、工况原理，论文设计的模拟实验台以面板图形、开关按钮和灯光闪烁的方式构成。汽车混合动力教学模拟实验台3.2汽车混合动力教学模拟实验台结构 丰田普锐斯的动力系统混联式动力系统，混联式混合动力驱动系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图如图3.2所示。其驱动系统是最后发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动汽车,但驱动电动机的发电机串联于发动机。混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。混联式HEV充分发挥了串联式和并联式的优点,以达到热效率更高、排气污染最低的效果。发动机电动机发电机电池组机械连接电气连接图3.2混联驱动方式 如图3.3，丰田普锐斯的是由蓄电池、动力控制单元、电动机/ 发电机、发动机、驱动电动机、动力分割系统等组成，为了给学生展示出混合动力汽车的结构，故实验台面板上要有画出混合动力汽车每一部分的组成图形。 图3.3丰田普锐斯结构示意图3.3汽车混合动力教学模拟实验台工况设计按 设计中结合丰田普锐斯混合动力汽车的实际运行状态，设计7种工况和驱动模式：(1)启动、(2)低速行驶、(3)正常行速、(4)高速行驶、（5）加速或爬坡、(6)减速行驶、(7)停驶。下面就介绍在七种工况下,电动机可与发动机的协同工作；在七种工况下,能量的流向与消耗原理演示教学。1.启动工况 如图3.4当汽车启动时，TOYOTA油电混合动力系统仅使用由HV蓄电池提供能量的电动机的动力启动，这时发动机并不运转。 图3.4 启动工况2.低速行驶工况如图3.5对于发动机而言，在低速的效率并不理想，而另一面，电动机在低速性能优越。因此，在用低速行驶时，油电混合动力系统使用HV蓄电池的电力，驱动电动机行驶。图3.5低速行驶工况3.正常行速工况如图3.6，因为普锐斯油电混合动力系统在高速运转时是采用发动机来驱动，而发动机有时会产生多余的能量。这时多余的能量由发电机转换成电力，用于储存在HV蓄电池中。图3.6正常行速工况4.高速行驶工况如图3.7，正常行驶时普锐斯油电混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效功率的速度带驱动。由发动机产生的动力直接驱动车轮，依照驾驶状况部分动力被分配给发电机。由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电动机这一双重传动系统，发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。图3.7 高速行驶工况5.加速或爬坡工况如图3.8，在需要强劲加速力时，HV蓄电池也提供电力，来加大电动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使用，普锐斯油电混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。 图3.8加速或爬坡工况6.减速行驶工况如图3.9，在踩制动器和松油门时，TOYOTA油电混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转，将其作为发电机使用。减速时通常作为摩擦热散失掉的能量，在此被转换成电能，回收到HV蓄电池中进行再利用。 图3.9减速行驶工况7.停驶工况如图3.10，在停车时，发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量。图3.10停驶工况3.4实验台正面布置设计如图3.11，实验台正面布置混合动力系统的硬件由以下几部分构成：混联式系统、发动机、电机MG1、电机MG2、动力分离,电流转换器、车轮、LED灯;按下实验台上各个的按钮，通过LED灯的闪烁可演示七种工况:(1)启动、(2)低速驾驶、(3)正常时速、(4)高速驾驶、(5)加速或爬坡、（6）减速驾驶、(7)停驶;在七种工况下,电动机可与发动机的协同工作；在七种工况下,能显示能量的流向与消耗。图中的发光二极管闪烁时说明该条线路上有能量传递，需重点说明的是图中7的绿色发光二极管闪烁时说明电池组供电电动机，使之工作带动发动机，则能量的流向为81765；若红色发光二极管闪烁时说明发电机工作为蓄电池充电，则能量的流向是56718。具体的操作方法如下：打开点火开关，按下启动按钮时，动力电池组向电动机供电，电动机带动发动机启动，所以具体的动力传递路线为81765。按下低速按钮时，发动机关闭，电池组向驱动电动机供电，具体的动力传递路线为81234。按下正常按钮，发动机驱动车辆，车辆行驶时，发动机有富余的动力时带动电动/发电机发电，然后向电池组充电。具体的动力传递路线：534和56718。按下高速行驶按钮时，发动机和驱动电动机混合驱动模式，发动机加速运转，一部分动力用于驱动车辆，另一部分动力