车辆工程毕业设计（论文）-基于ADVISOR混合动力汽车驱动系统的研究【全套设计】 .doc

第 1 章 绪 论 自1886年，德国诞生了世界上第一辆汽车以来，汽车已经极大的改变了人们的生活，成为重要的运输及代步工具。目前，汽车工业已经成为当今世界最大、最重要的工业部门之一。汽车缩短了人们之间的距离，提高了生活质量。但我们在享受汽车文明的同时，也必须面的汽车带来的负面影响：环境污染和过度能源消耗。目前，世界上空气污染最严重的10个城市7个在中国。上个世纪人们关注的是汽车节能、排放和安全技术，而本世纪初，人们已经更多的将目光转向汽车新能源和环保技术。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比重仍很小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重。现行的汽车排放标准的限制水平远低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8倍，而碳氢和氮氧化物更高达l0倍。国际上，涌动的混合动力汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。但混合动力汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展混合动力汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。全套设计，加1538937061.1 混合动力汽车的发展历史当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40，在市区还会跌至25，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。 现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（hybrid-electric vehicle缩写hev）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10以上，废气排放可改善30以上。混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式(shev）和并联式（phev）两种。 串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成shev的动力单元系统。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机-发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。例如福特“新能级2010”shev，其电池采用燃料电池，在城市市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机，电动机通过减速器（变速器）和驱动桥驱动车轮，达到了“零排放”要求。当高速及爬坡时，则由发动机-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。 并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。例如大众汽车公司的高尔夫phev，发动机通过离合器1带动电动发电机，输出扭力再通过另一边离合器2驱动车辆行驶。静止启动时，电池向电动发电机供电，此时电动发电机就是发动机的起动机。发动机启动后，发动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动电动发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，离合器1脱开，离合器2接合，电池作为唯一能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动离合器1闭合，发动机与电动发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。 混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。由于构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。1.2研究的目的和意义 随着传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。由此人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，例如燃料电池汽车（fuel cell vehicle 简称fcv）、纯电动汽车（electric vehicle 简称ev）和混合动力汽车（hybrid electric vehicle 简称hev）。fcv是利用氢、氧在常温下通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。但是fcv目前存在着成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化至少需要十至十五年的时间。ev虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术上并未去得突破性的进展，而且电动汽车依然存在续驶里程短和充电时间长等问题。hev虽然不能实现零排放，但真对以上fcv、ev所存在的问题，hev在目前环境更具有更强大的优势，在世界范围内将成为新型汽车开发的热点。世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此，日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，预测表明到2010年全球混合动力汽车年产可达294万辆。因石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车)，北京申报成功2008年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。1.3国内外发展现状1.3.1国内的研究现状随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，混合动力汽车及电动汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府也已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门开列了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了重大进展。形成了具有完全自主知识产权的动力系统技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系。混合动力汽车的核心是电池（包括电池管理系统）技术。除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。截止到2009年1月31日，在混合动力车辆技术领域，我国知识产权局受理并公开的中国专利申请为1116件。 在1116件专利申请中，发明为782件（授权为107件）、实用新型为334件。掌握了关键零部件核心技术，自主开发出系列化产品，关键零部件产业化全面跟进。在混合动力汽车的核心电池技术研发方面，我国已自主研制出容量为6ah-100ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品，能量密度和功率密度接近国际水平，同时突破了安全技术瓶颈，在世界上首次规模应用于城市公交大客车；自主开发的200kw以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机，电机重量比功率超过1300w/kg，电机系统最高效率达到93；自主开发的燃料电池发动机技术先进，效率超过50%，成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国家之一。与此同时，混合动力汽车关键零部件的产业化全面跟进，生产配套能力显著增强。近来，力神、比亚迪、比克、万向等动力电池企业投入数十亿资金加快产业化建设，上海电驱动、大郡、湘潭电机、南车时代等电机企业加强与上下游企业合作，积极完善产业链建设。在未来2-3年内，预计将形成20亿ah以上的动力电池和全系列驱动电机生产能力，能够满足100万辆混合动力及电动汽车的配套要求。掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车的开发能力。我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%。同时，各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市。虽然电动汽车具有很多优点，但是它不能取代传统的燃气动力模式，而混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，其发展方向是真正零排放、无污染，不消耗燃油的燃料电池车辆。现在混合动力汽车在欧美国家及日本已形成产业化，而国内还处于起步阶段，没有形成产业化。1.3.2国外的研究现状一日本混合动力汽车的发展：在1997年日本就率先进入混合动力汽车商业生产，现在技术已经完全成熟，进入大批量生产，产销量逐年增加，现在混合动力汽车已经开始成为发展的主流。丰田公司的pruis 1997年开始投产，1998年成为世界第一个小规模成批生产的汽油电动混合动力车。pruis混合动力电动轿车是单轴驱动混联式混合电动车辆，以行星齿轮作为动力连接装置。发动机通过单向离合器将动力输出到行星架，行星架按固定比例将扭矩分配到行星架，行星架按固定比例将扭矩分配到中心轮连接的发电机，电动机通过齿轮减速机构进行动力输出。发电机采用永磁同步交流电机，可以工作于电动机状态。另外车辆功率分配装置，借助于控制发电机的发电量来调节动力分配比例。ths传动系统起到类似无级变速器的作用。采用电动机助力驱动的运行状态，利用永磁同步电机低速恒转矩的特性。在车辆启动或加速运行时，使得电动机的优异转矩特性发挥得淋漓尽致。本田公司的混合动力汽车采用内燃机带电机助力（ima）系统。由1.0lvetc汽油机、60mm厚的环状dc无刷汝铁硼永磁电机、镍氢电池、动力控制单元集成，装于本田insight两座轿车上，采用手动或自动变速器，每升汽油行驶里程分别为35km或32km。本田insight混合动力汽车采用了转矩复合的方式，其手动变速车创造了3l汽油行驶105km的好成绩，而装备的cvt的车型也创下了3l汽油行驶96km的好成绩。在这种混合动力系统中，以汽油发动机为主要动力，电动机为辅助动力，动力分配比为9:1。根据阿贡国家实验室的试验结果，本田insight的燃油消耗比相当于传统轿车减少55%，co排放量是传统汽油机轿车的020%，hc的排放量是传统汽油机轿车的50%。二美国在混合动力车开发生产中的表现：早在1997年，美国pngv就根据当时的进展情况，筛选出压燃直喷(cidi)发动机，混合动力电驱动系统,燃料电池(含储能电池)和轻质材料4项新技术,组织和号召大家重点突破，混合动力技术是重点之一，鉴于直喷柴油机也是一项重点，为了容易达到pngv80mpg(33.78km/l)的目标，美国三大汽车公司都发展了柴油机电动机混合动力，而且都按计划于1999年制造出柴油机混合动力轿车。如戴-克公司dodge esx3,适度混合动力系统（mild hybrid），福特公司prodigy，低储能需求(lsr)混合电驱动系统，通用汽车公司precept，双轴混合电驱动系统等。虽然三家公司都完成了与政府的合作计划,并获得了pngv的资金补助。但是都没有考虑商业化问题。现在为了实现商业化不得不重新开发市场需要的产品，并安排制造计划，这就比日本公司落后了大约 5年。2000年以来，三大汽车公司总结了低批量生产电动汽车的经验教训，决定实施战略转变，将其混合动力系统装于高耗能和高价格的suv和轻型载货车上。轻型载货车和suv这类汽车在美国销售数量极大，所以改善这些车辆的燃料经济性,将对降低总体燃料消耗和co2的产生更有意义。三欧洲对于混合动力汽车的观点：欧洲的汽车公司认为,虽然汽油机混合动力技术节省汽油，也能降低排放,但相比之下柴油机轿车更好，因为柴油机已经发展成为清洁，平顺，安静的动力。增压器,高压燃料喷射系统已经将柴油机改进得和汽油机一样好,加上清洁低硫的柴油燃料，柴油机轿车已经具有更高的燃料经济性，同时柴油机比汽油电动混合动力更加简单、高效、制造费用较低,也能使制造者获得合理的利润。1.8ltdi柴油机轿车燃油经济性大约是21.1km/l,价格则低于本田的civic。所以欧洲汽车公司的主要精力放在发展现代增压直喷柴油机轿车上。在目前美国市场上销售的混合动力汽车主要有三种:本田公司的insight,丰田公司的prius,以及本田公司的civic。混合动力汽车的缺点是结构复杂，不是零排放汽车，可靠性比纯电动汽车低，从长远来看是一种过渡车型。但其驱动系统同时使用燃油发动机和电动机作为汽车的动力源，可以大幅降低油耗，减少污染物排放，同时具有令人满意的行驶里程。因此，近年内混合动力汽车将具有很好的发展前景。混合动力电动汽车，具备了良好的动力性能，良好的燃油经济性，清洁环保，经济实用，其存在只是为了解决纯电动车和燃料电池存在的技术性问题。混合动力电动汽车充分发挥了发动机和电动机的最大优势，提高了燃料经济性和减少了排放。与相同性能传统型汽车相比，hev在节能和排放上更有优势。与纯电动车相比，其蓄电池容量大大减小，因而其造价成本低于电动汽车。就目前来说，hev的价格比传统汽车高出二成左右，降低成本，是提高hev竞争能力的主要方向。同时也要提高汽车行驶过程中的能量再回收效率。随着各国环境立法的日益严厉，hev性能的日益提高以及其成本的不断降低，hev的市场份额将逐渐增大。总之，hev在相当一段时间内前景广阔，将逐渐成为汽车行业的主导产品。1.4混合动力汽车分类混合动力电动汽车的传动系统同时使用燃油发动机和电动机作为动力源，既能利用发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，由两种或两种以上的储能器、能源或转化器作为驱动能源，其中至少有一种提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。混合动力车辆的驱动系统从能源输入、原动机到机械能的传递，其组成方式多种多样，具体的结构设计也各不相同。根据驱动系统各部件在汽车上的位置及功能，混合动力汽车可分为以下三种类型：串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车。1.4.1串联式混合动力汽车发动机发电机功率变换器电动机传动变速机构电池道路负载车辆控制器图1.1串联式混合动力汽车示意图串联式混合动力汽车由发动机、发电机、蓄电池和电动机等动力装置以串联连接方式组合而成。如图1.1所示，该系统利用发动机提供电能，牵引电机是唯一的驱动源。图中实线表示功率流的路径，虚线表示控制信号，箭头表示功率流动方向。在后续的公式和图表描述中，t表示扭矩，表示角速度，表示效率；下标cm表示电机，ice表示发动机，w表示车轮，gb表示变速箱。串联式混合动力汽车中的发动机的功能是带动发电机发电，电动机将电能转变为机械能后通过变速机构驱动车轮。发电机同时也能提供部分电能输送到蓄电池，以便必要时由蓄电池为电动机供电。串联式混合动力汽车具有以下特点：1) 控制系统比较简单，特别是发动机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止；2) 发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，有一定节能效果，能减少污染；3) 动力传递过程中，由于存在能量转换中的损失，降低了能量利用率，其综合效率低于燃油汽车；4) 要求每一动力装置的各自功率都等于或接近汽车的最大驱动功率，特别是驱动电动机必须满足汽车行驶的要求。因此整个系统的规模庞大，增加了车辆成本及机构布置难度。1.4.2并联式混合动力汽车并联式混合动力汽车可以利用发动机和电机共同驱动车轮。如图1.2，由于发动机与驱动车轮之间直接相连，所以发动机的运转受到驱动工况的影响。该系统可不需要发电机，因此提高了能量转换效率。发动机动力系统主要用于中、高速的行驶工况；而电动/发电机动力系统用于中、低速的城市路况行驶，在汽车加速和爬坡时配合发动机动力系统驱动车辆，大大提高了汽车的饿加速性能和爬坡性能。发动机车辆控制器功率变换器电池电动机传动变速机构道路负载扭矩耦合装置图1.2 并联式混合动力汽车示意图并联式混合动力汽车具有以下特点：1) 结构简单，特别省去了独立的发电机，两套动力装置可单独或同时驱动，输出总功率可以为两个动力系统的叠加，因而单个动力系统功率可以减少，有利于机构布置；2) 两套动力装置可以直接驱动车轮，因此效率提高，能量损失降低；3) 两套动力装置要根据车辆状态进行切换，动力控制系统及机械切换系统相对复杂；采用电动/发电机可以空载发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程。1.4.3混联式混合动力汽车混联式混合动力汽车综合了串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动/发电机和驱动电机三大动力总成组成，可以根据行驶条件以及串联和并联模式工作。所以，混联系统具有串联系统和并联系统的双重特性，具有以下两种布置形式：1.切换系统发动机车辆控制器功率变换器电池电动机传动变速机构发电机离合器扭矩耦合装置道路负载图1.3混联式混合动力汽车切换系统布置形式采用该布置形式时，利用离合器的断开与结合可使该系统在串联系统和并联系统之间切换，如图1.3，当汽车在城市里行驶时，要求低负载和低排放，可以断开离合器，系统工作在串联模式。而当高速行驶时，有较高的负载要求，串联系统由于发动机的高功率输出而不能有效工作，于是离合器结合，变为并联系统。2.分路系统车辆采用分路系统布置，在任何时候都能作为串联和并联系统同时使用如图1.4，发动机输出的能量经行星轮机构分离后分别流经串联系统（从发动机到发电机）和并联系统（从发动机到驱动轮）。它能通过发电机控制发动机转速，同时通过并联系统保持发动机与驱动轮的机械连接。这种驱动布置形式结构紧凑，具有较高的传动效率。丰田的prius混合电动轿车就是这种驱动形式的成功典范。发动机车辆控制器功率变换器电池电动机传动变速机构行星齿轮组扭矩耦合装置道路负载发电机图1.4 混联式混合动力汽车分路系统布置形式 第2章 混合动力汽车驱动系统混合动力汽车的驱动系统是所有用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称，包括车载能源、原动机和传动系统三个主要部分。在车辆驱动系中，用于能源存储或用于能源存储并进行能源的初始转化以向原动机直接供能的所有部件总称为车载能源，由能源存储系统或能源存储和转化调节系统组成。例如：传统燃油车辆的车载能源为油箱（能源存储系统），直接为原动机（内燃机）供能；燃料电池车辆的车载能源由氢气罐或储氢金属（能源存储系统）以及燃料电池反应堆（能源转化调节系统）两部分组成。原动机是指在车辆驱动系中把其他形式的能量转化为可以直接驱动车轮转动的机械动能的装置，如普通车辆上的内燃机、纯电动车辆上的电动机等。传动系是指用于传递和调节原动机输出的机械动能，并输送给车辆驱动车轮，实现车辆正常行驶的所有部件。主要包括离合器、减速/变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴以及驱动轮等。2.1驱动系统总体方案混合动力汽车动力传动系各部件特性、参数及控制策略决定了整车的动力性、燃油经济性、排放特性、制造成本及重量。考虑到充电设备的限制以及蓄电池组容量对车重的影响，电力辅助型混合动力汽车装备小容量的蓄电池组，在行驶时电池荷电状态保持在一定范围内变动，不需从外部电网充电，属于电量维持型混合动力汽车。2.1.1 驱动系统结构及主要部件电力辅助型混合动力汽车驱动系统主要包括发动机、发电机、电池组、电动机、功率变换器、扭矩耦合装置、变速器和离合器等部件。配制发电机与否根据车辆的行驶条件而定，如果汽车长时间行驶在交通拥堵的环境，则车辆有可能长时间处于停止状态，需要配置发电机。反之，当车辆的需求驱动功率较小时，可由电动机工作在发电状态向电池充电，省去发电机，简化驱动系统结构。根据发动机和电机扭矩的耦合方式，电力辅助型混合动力汽车的驱动系统有三种布置形式。图2.1中，扭矩在变速器输入轴处进行耦合，采用这种布置方式能通过变速器同时改善发动机和电机的工作点，电机可以用来在较高的转速下快速起动发动机，但是结构较为复杂，变速器的功率要求较大。发 动 机变 速 器电 池电 动 机油 箱离 合器扭 矩 耦 合 装 置差 速 器图2.1 扭矩在变速器输入轴处耦合的驱动系统结构在图2.2中，电动机和发动机的扭矩在变速器输出轴处耦合，变速器只传递发动机的输出功率，所以变速器额定功率可小于第一种布置形式。上述的两种布置形式中，扭矩耦合装置可以采用齿轮传动或带传动来实现。齿轮传动效率高，结构紧凑，美国wisconsin-madison大学的uw future truck 2000就是采用齿轮传动副耦合发动机和电机的输出扭矩；带传动布置灵活，具有防过载的特点，美国ohio州立大学的future truck 2000、2001和georgia技术学院的future wreck都是带传动装置，在实际中采用较多。发 动 机变 速 器电 池电 动 机油 箱离 合器扭 矩 耦 合 装 置 差 速 器图2.2扭矩在变速器输出轴处耦合的驱动系统结构在图2.3中，驱动系统布置成驱动系联合形式。发动机和电机分别通过各自的传动系驱动车轮。这种结构不需要扭矩耦合装置，但控制复杂，只适合于四轮驱动车辆。考虑到现有的部分发动机和变速器配套设计，在发动机输出轴进行扭矩耦合困难，电力辅助型并联式混合动力汽车驱动系统采用如图2的结构，扭矩通过带传动装置在变速器输出轴处进行扭矩耦合，不配置发电机。扭 矩 耦 合 装 置差 速 器电 池电 动 机变 速 器发动机变速器油箱离合器扭矩耦合装置差速器图2.3扭矩在车轮处耦合的驱动系统结构2.1.2 驱动系统基本控制策略根据设计的驱动系统结构，电力辅助型混合动力汽车一般采用电力辅助式控制策略，即发动机是车辆的主要动力源，电动机作为辅助动力源工作在不同状态。具体描述如下：1) 当车速低于某一设定值时，电动机提供全部驱动扭矩，发动机关闭；2) 如果车辆的需求扭矩大于发动机在当前转速下的最大输出扭矩，则电机提供剩余部分扭矩，满足车辆的动力性能；3) 再生制动时，电机在发电状态，给电池充电贮存能量；4) 在某一速度下，如果发动机单独提供扭矩将工作在低效率区域内，则关闭发动机，由电机提供驱动扭矩；5) 当电池的soc过低时，发动机除了提供扭矩驱动车辆，还提供部分扭矩给电动机，后者工作在发电状态，为电池补充电能；6) 驾驶员可以通过开关选择纯电动模式或纯发动机模式。2.1.3 混合动力汽车的工作模式发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组1. 发 动 机 单 独 驱 动发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组2.电 机 单 独 驱 动发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组3. 发 动 机 和 电 机 混 合 驱 动发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组4. 减 速 /制 动发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组5. 行 驶 时 充 电图2.4 电力辅助型混合动力汽车的工作模式根据行驶路况、电动机和发动机的性能特点以及电池组的soc大小等情况，电力辅助型混合动力汽车可以工作在以下五种模式：1) 发动机单独驱动；2) 电动机单独驱动；3) 发动机和电动机混合驱动；4) 减速/制动时，电池组通过电机工作在发电状态回收部分车辆的动能；5) 当电池的soc过低时，由发动机带动发电机在发电状态下向电池充电。2.2 isg型混合动力汽车主要动力部件选型分析isg系统的主要部件为发动机、isg电机和蓄电池。下面根据混合动力电动汽车的工作特性要求对这几个器件进行选型分析。2.2.1发动机选型选择发动机时，要考虑的就是满足汽车要求的发动机尺寸与额定功率问题。在大多数的混合动力汽车设计中，发动机的额定功率将由车辆需求的平均功率决定，与传统的汽车发动机相比，混合动力汽车用发动机是相对较小的。同时开发混合动力汽车的目的是解决节能和环保问题，因此必须围绕这些方面选择所需的发动机。其动力性、经济性和排放是选择发动机的基本内容，图2.5为混合动力汽车用发动机选择的目标。混 合 动 力 汽 车 用 发 动机（节 能、环 保）持 续 运 转 良 好低 油 耗低 排 放低 噪 声小 型 轻 量 化高 效 率高 可 靠 性低 成 本图2.5 hev发动机的选择目标isg系统发动机侧重于选用小型化、低油耗、低排放的发动机，并且控制在最佳范围内稳定运转。一般从以下几方面考虑：1) 发动机的动力性作为isg型混合动力汽车的主要动力源，其动力性决定了整个汽车的行驶动力性。由于电力驱动系统在汽车行驶过程中需要提供最大功率时提供了辅助驱动，发动机的功率可以小于同级别的内燃机汽车。发动机的比质量是指发动机的质量与发动机功率之比kg/kw，车辆比质量的增加表示发动机的动力性能提高。2) 发动机的经济性通常用于发动机的比油耗g/kwh来表达发动机的燃油经济性，由于isg系统中发动机采用了“开关”控制模式，isg快速起动方式和发动机控制在较狭窄的转速范围内平稳地运转等特有的条件下工作，其比油耗将会低于或接近于发动机的最低比油耗。3) 发动机的环保性hev存在和发展的基本条件就是它必须属于“趋低污染”和接近“零污染”车辆，选用的发动机排放应达到或低于我国、欧洲。美国等国家所规定的排放限值。表2.1是欧洲排放法规的限值。综合所述，考虑isg型混合动力汽车侧重于选用小型化、低油耗、低排放的发动机，并且控制在最佳效率范围内稳定运转。一般来说四冲程汽油机和柴油机仍然是首选的发动机。在用于此系统中，往往还要采取以下一些控制方法：全新的理论、先进的结构，以降低发动机的质量，提高燃烧效率；减少泵气阻力和各种运动副的摩擦阻力，降低机械摩擦损失；高效的催化转化，控制发动机工作在一个较窄的高效区域。配置“开关”控制系统，避开发动机低效率的运转工况范围。这些先进技术的使用，在一定程度上提高了发动机的燃油经济性和改善了尾气排放。表2.1 欧洲排放法规限值（g/km）标准co（一氧化碳）hcnoxhc+nox（碳氢化合物和氮氧化合物）pm（微粒，碳烟）欧2.72-0.97（1.36）0.14（0.20）欧汽油机柴油机 -汽油机非直喷柴油机直喷柴油机非直喷柴油机直喷柴油机2.21.0-0.50.70.90.080.10欧汽油机柴油机汽油机柴油机柴油机柴油机2.30.640.20.500.560.05欧1.000.500.100.250.300.0252.2.2电机选择驱动电机在混合动力汽车运行中实现整车起步、电动驱动、爬坡和加速过程中的阻力驱动和制动过程中的能量回收，以提高整车动力性和燃油经济性，并降低尾气排放。混合动力汽车驱动电机的类型和性能对整车性能有直接的影响。最初混合动力汽车采用控制性能好和成本低的直流电机，它的优点在于调速较为方便。随着电子技术、机械制造技术及自动控制技术的飞速发展，功率电子元件以及变频器的问世，再加上一些新的控制算法的出现，如滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调速技术日趋成熟，交流电机、永磁电机和开关磁阻电机显示出比直流电机更加优越的性能，正在逐步取代直流电动机。表2.2为hev所采用的电机的主要类型和基本性能的比较。表2.2 几种电机的基本性能比较项目直流电动机感应电动机永磁电动机开关磁阻电动机功率密度低中高较高过载能力（%）200300-500300300-500峰值效率（%）85-8994-9595-9790负载效率（%）功率因素（%）80-87-90-9282-8595-9790-9378-8660-65恒功率区-1：51：2.251：3转速范围（r/min）可靠性4000-6000一般12000-20000好4000-10000优良可以15000好电动机外型尺寸电动机质量大重中中小轻小轻结构坚固性差好一般优良控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般2.2.3蓄电池选型蓄电池是混合动力汽车中的一个不可缺少的组成部分，混合动力电动汽车需要用蓄电池组作为辅助动力源，一般要用多个单元蓄电池串联达到高电压的要求，在isg型混合动力汽车中，蓄电池组要求有以下几个特点：i. 能长时间接受制动功率。蓄电池向isg系统提供电能以及向动力传动系输出功率，并且接收制动再生能量并将其存储起来，能量回收对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义的。ii. 比较高的比功率和比能量，这样使储能装置不致太庞大和过重。iii. 为了降低整车价格，成本亦不能太高。此外，混合动力汽车上的蓄电池需要频繁充放电，因此还要求它具有充放电特性较好、自放电率较低、输出效率较高及使用寿命（及循环充放电的次数）较长等特点。表 2.3 hev用蓄电池性能指标电池种类电解质比能量（wh/kg）能量密度(wh/l)比功率（w/kg）功率密度（w/l）循环寿命(次)usabc铅酸酸性20030-456540040-701201001200改进型铅酸酸性30-508570-100130600-900镍-镉镍-氢钠-硫碱性碱性固态-陶瓷40-5550-8580-12080-11080-220120-160120-150100-600100-250250-300250-800150-310600-1000600-12001100钠-氯化锂锂离子锂聚合物固态-陶瓷固态聚合物有机溶剂80-10055-150100-120130-150130-300220150190-300300-320260-4401000600-1200600锌-空气碱性180-200-200-250-100铝-空气碱性300-350250100-120-1000表2.3是hev用蓄电池性能指标，其中第一项是美国“先进电池联合体”（united states advanced battery consortium, usabc）提出的蓄电池性能指标。铅酸电池是汽车储能动力源中最为成熟的一种，它的比能量一般为30-40wh/kg，比功率一般为150-200w/kg，循环使用500-700次。它的优点具有可靠性高、原料易得、价格便宜、比功率也较高等等，基本上可以满足混合动力汽车加速和爬坡要求。但常规铅酸电池的比能量低，难以快速充电，使用寿命不够长。另外，过放电和过充电时，铅酸电池的使用寿命将显著缩短深度放电以及环境温度也对电池性能影响很大，限制了它在混合动力汽车上的广泛应用。现在正在研制中的高性能铅酸电池，性能方面有了很大的提高，成本也有所增加，它在汽车上的应用需要更进一步的试验证明。镍氢电池是一种碱性电池，它的正极为镍氧化物，负极为氢载体合金存储的氢，比能量可达70-80wh/kg,比功率可达200w/kg以上，并且具有很好的耐过充电特性，良好的使用安全性和充放电效率，更重要的是该电池的反应物中吴溶解析出物。混合动力汽车电池的最大特点为完全充电和非完全放电，电池经常处于放电和充电状态，经常有能量消耗和补充。这些都会对电池寿命造成一定的影响。但实验表明，上述因素对镍氢电池的寿命影响并不大，这也说明混合动力汽车采用镍氢电池是非常合适的，随着电池的技术的发展，镍氢电池的成本也越来越低，使镍氢电池的广泛使用成为可能，通用汽车公司已把它作为今后几年优先考虑的动力电池。锂离子电池能量密度可达100wh/kg，功率密度可达到300w/kg，并且循环使用寿命长，它是美国usabc（1991年美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司，电力研究所与美国能源部组建的电动汽车先进电池联合体）远期目标和电动汽车最终成功的希望。在日本三菱汽车公司的自发电电力轿车型spacs wagonh 和卡车型canter上已得到了应用。美国usabc计划在从2000年到2010年研制出比能量200wh/kg，比功率400w/kg的锂离子电池。但它存在着致命的弱点成本太高，限制了它的应用。钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车电池。它具有相当高的比能量、其质量比能量是常用的铅酸电池的23倍。美国福特汽车公司的mnivan电动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已被美国先进电池联合体（usmabc）列为中期发展的电动汽车蓄电池。德国abb公司生产的b240k型钠硫蓄电池，其质量为17.5kg，比能量达109wh/kg。循环使用寿命1200次。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。从综合成本和性能的考虑，本系统采用镍氢（ni-mh）电池，可以满足系统的基本要求，并且不会对周围环境造成污染，容易维护，能够长时间存放。更重要的是镍氢电池的过充电和过放电性能好，能够带电充电、快速充电，非常适合phev蓄电池组的不规则充、放电变化。2.3混合动力汽车各驱动类型的比较将传统的发动机和电动机进行混合，可以得到多种多样不同组合形式的混合动力汽车，它们都有各自的优缺点和试用范围，表2.4对不同型式的混合动力汽车在燃油经济性、尾气排放和控制难以程度等方面作了比较。表2.5对不同型式的混合动力汽车在驱动模式、传动效率、整车布置、适用条件和开发成本等方面进行了比较。表2.4 混合动力汽车类型的比较串联式并联式混联式公路行驶燃油经济性较优优优城市行驶燃油经济性优较优优无路行驶燃油经济性较优优优低排放性能优较优较优成本低较低较低复杂程度简单较复杂复杂控制难易程度简单较复杂复杂表2.5 不同型式混合动力汽车特点结构模式串联式并联式混联式动力总成发动机、发电机、驱动电机发动机、电动/发电机发动机、电动/发动机、驱动电动机驱动模式电动机驱动模式发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-发电机混合驱动模式具有并联的三种驱动模式外加电动机-电动机混合驱动模式传动效率能量转换效率较低传动效率较高传动效率较高制动能量回收能够回收制动能量能够回收制动能量能够回收制动能量整车总布置三大动力总成之间没有机械式连接装置，结构布置自由度较大，但三大动力总成的质量、尺寸都较大，一般用在大型车上发动机驱动系统保持机械式传动系统，发动机与电动机两大动力总成之间被不同的机械装置连接，结构复杂，布置受到一定的限制三大动力总成之间采用机械装置连接，三大动力总成的质量、尺寸都较小。能够在小型车辆上布置，但结构更加紧凑适用条件适用于大型客货车，适应在路况较复杂的城市道路和普通公路上行驶，更加接近电动汽车性能适用于中小型汽车，适应在城市道路和高速公路上行驶，接近普通的内燃机汽车性能适用于各种类型的汽车，适应在各种道路上行驶，更加接近普通的内燃机汽车的性能2.4 混合动力汽车布置形式的确定综合以上分析可以知道，串联和并联方案各有利弊。在决定混合动力汽车选用串联还是并联驱动方式时，必须充分结合混合动力汽车的运行工况的特点和需要达到的侧重目标降低排放还是提高燃油经济性。重点从以下几个方面考虑：1. 并联驱动的燃油经济性比串联好。目前情况下，开发混合动力汽车的直接目的是提高汽车的燃油经济性。所以，根据资料显示，欧美前一阶段所生产和研制的混合动力汽车多采用并联布置方案。2. 并联驱动方案有多种驱动模式，如发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-发电机混合驱动模式，多种的控制模式利于混合动力汽车适应多种路况，提高汽车的燃油经济性。3. 并联方案与串联方案相比较的劣势之一，是结构稍显复杂，制造成本稍高。4. 各自的技术特点决定了串联式混合动力汽车特别适合于在市内低速运行、频繁的加速、减速、停车的复杂工况；而并联混合动力汽车更适于路况简单的城市间公路及高速行驶的车辆。综上所述，本文讨论的混合动力汽车将采用镍氢电池、honda永磁电机、汽油发动机所组成的并联布置驱动型式。2.5本章小结本章介绍了电力辅助型混合动力汽车驱动系统的组成和三种基本结构形式。给出了isg型轻度混合动力汽车动力传动系统的布置方案，描述了它的工作原理，介绍了isg系统器件的选型分析，并为下面的建模仿真提供了基础。第3章 仿真软件advisor介绍及混合动力汽车驱动系统参数选择3.1 混合动力汽车仿真软件advisoradvisor是由美国国家再生能源实验室在1994年11月为配合pngv项目而开发的基于matlab/simulink平台上运行的混合动力汽车仿真软件。经过大量的实验验证，于1998年1月正式命名为advisor向外界发布。本文的仿真分析，以advisor为基本平台，下面简单介绍advisor的相关情况。3.1.1 advisor界面介绍 汽车参数输入界面运行advisor进入的第一个用户界面如图3.1。图中的第一部分中，可以通过m文件的形式指定汽车的类型(如传统汽车、串联型式或并联型式等)，指定汽车的各部件，包括车身、发动机、电池、电动机、后桥、变速箱等参数。图中第二部分是advisor的功能按钮，可以选择继续仿真、推出advisor或者查看其帮助文件。在图中的第三部分中，可以直接对各部件的参数直接进行修改，而不必进入部件总成的m文件。在图中的第四部分中，可以查看到用于仿真的simulink模型。如果有必要，可以通过其内部模块对此模型进行修改。在图中的第五部分，可以利用图表和曲线的形式，查看已经定义完的汽车各总成(发动机、电池等)的特性图，如发动机效率图，最大扭矩图等等。图中的第六部分是定义汽车的结构简图。在此图中点击部件图标，用户可以选择不同的部件类型。仿真设置界面在汽车参数输入界面中点击“continue，将进入仿真设置界面，如图3.2。在此界面中，可以选择汽车仿真的工况循环和需要测试的动力性等指标。具体如下：在图中的第一部分中，可以选择汽车仿真所要运行的工况，循环次数以及soc校正方式等。在图中的第三部分中可以对仿真过程中某些参数的变化进行跟踪。此部分可以选择需要跟踪的参数。图中的第四部分是功能按钮，包括运行仿真、对当前设置进行保存、帮助、后退等。图3.1 advisor的汽车参数输入界面第五部分的上半部分是所选定的工况循环的车速时间曲线，下半部分的直方图和数据显示选定循环的统计参数，如最高车速、最大加速、循环里程、平均车速、平均加速度和平均减速度等等。仿真结果界面在仿真设置界面点击“run”运行仿真，将出现仿真结果界面，如图3.3。在图中第一部分，可以通过下拉菜单选择部件及参数，则第七部分的