车辆工程毕业设计（论文）-SC7130AMT重度混合动力汽车参数匹配设计【全套图纸】 .pdf

毕业设计（论文） 题 目 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设 计 专 业 车辆工程 班 级 学 生 指导教师 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 目 录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪 论 ii 1.1 研究背景 1 1.2 选题的理论价值和现实意义 2 1.3 本课题在国内外的研究状况及发展趋势 2 1.3.1 国外研究现状 2 1.3.2 国内研究现状 3 第 2 章 并联式混合动力传动系统简介 4 2.1 混合动力传动系统的概念 4 2.2 并联式混合动力传动系统结构 6 2.3 混合动力驱动系统的元件选型 7 2.3.1 发动机选型 7 2.3.2 电机选型 7 2.3.3 储能元件选型 7 2.3.4 变速机构选型 7 第 3 章 并联式混合动力系统参数设计 8 3.1 sc7130 主要技术参数及动力性要求 . 8 3.2 并联式混合动力系统参数设计 9 3.2.1 发动机参数 9 3.2.2 传动系参数 . 10 3.2.3 电机参数 . 12 3.2.4 储能元件参数 . 13 3.3 整车质量组成及机构参数校正 . 15 第 4 章 并联混合动力汽车控制策略设计 . 17 4.1 控制策略概述 . 17 4.2 电池 soc 最大化控制策略 . 17 4.3 模糊逻辑控制策略 . 21 4.3.1 模糊控制特点 . 21 4.4 再生制动时的能量控制策略 . 22 第 5 章 并联混合动力系统建模与仿真 . 23 5.1 混合系统整车仿真模型 . 23 5.2 混合动力系统主要部件建模 . 23 5.2.1 整车行驶动力学模型 . 23 5.2.2 变速器模型 . 25 5.2.4 电机模型 . 27 5.2.5 电池模型 . 28 5.3 并联混合动力汽车仿真 . 28 5.3.1 并联混合动力汽车整车仿真模型 . 28 5.3.2 并联混合动力汽车仿真分析 . 29 第 6 章 总 结 . 1 致 谢 1 参考文献 . 1 车辆工程毕业设计（论文） i 摘摘 要要 随着石油资源的匮乏和大气环境的恶化，人们对节能和环保的呼声越来越高。因 此各种各样的电动汽车应运而生。但是由于电池的蓄电能力的限制，使得由蓄电池驱 动的纯电动汽车的实用性受到了很大的约束。而融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车 优点的混合动力电动汽车（hev）成为了缓解能源和环境危机的途径，是解决当前节能 和环保问题切实可行的过渡方案。 混合动力汽车配备了两套动力系统，即传统内燃机和电机-蓄电池系统。理论和实 践证明，设计合理、控制精确的混合动力汽车可以大幅度提高汽车的燃油经济性和降 低汽车的环境污染排放物，同时不牺牲汽车的动力性。但是混合动力汽车的结构变的 复杂了，因此需要一套控制系统。 混合动力系统设计首先要解决机构参数匹配设计问题。本文参照现有常规车型 sc7130 整车参数及动力性要求，针对一种并联混合动力汽车（phv）结构型式，设计了 主要机构参数，并考虑了系统质量组成后对这些参数进行了校正设计。 混合动力系统设计还有控制策略设计这一关键问题。设计的合理与否直接关系到 能否满足混合动力汽车的动力性要求以及改善燃油经济性和排放性能的目的。本文介 绍了三种 phv 常用的能量分配控制策略-soc 最大化控制策略、模糊逻辑控制策略和再 生制动控制策略，并对 soc 最大化控制策略进行了主要分析。 本文采用反向式仿真建模方法建立并联混合动力系统仿真模型，并在 fpt75 城市 循环下对已设计的并联混合动力汽车进行仿真计算，得出车辆的百公里油耗、发动机 工作点等结果，燃油经济性有明显的提高，同时说明了本文并联混合动力系统设计的 合理性。 关键词关键词：并联混合动力系统，参数设计，控制策略，建模与仿真 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 ii abstract with the pinch of petroleum resources and deterioration of atmospheric environment,we pay more and more attention to energy sources and environment. therefore kinds of electric vehicles are talent showing themselves. but because the battery capacity constraints, which is driven by a battery electric vehicle of the utility are greatly constrained. the fusion of traditional internal combustion engine vehicles and pure electric vehicles has the advantages of the hybrid electric vehicle ( hev ) become alleviate the sources of energy and environment crisis way, it is to solve current energy conservation and environmental protection practical transition plan. hybrid cars are equipped with two sets of power system, the traditional internal combustion engine and the electric motor and battery system. theory and practice prove, reasonable design, precise control of hybrid electric vehicle can greatly improve fuel economy and reduce the environmental pollution of automobile emissions, while not sacrificing the vehicle power performance. but the mixed power automobile structure became complicated, therefore need a set of control system. hybrid system design must first solve mechanism parameter matching design. in this paper, according to the existing conventional vehicle sc7130 vehicle parameters and power requirements, for a kind of parallel hybrid electric vehicle ( phv ) structure, design of main parameters of the mechanism, and taking the system composition on these parameters were corrected design. hybrid power system design and control strategy design of this key problem. the design is reasonable or not directly relates to whether satisfy hybrid vehicle power requirements and improve fuel economy and emission performance objective. this paper introduces three kinds of commonly used phv energy distribution control strategy of - soc to maximize control strategy, fuzzy logic control strategy and the regenerative braking control strategy, and the soc maximum control strategy for the main analysis. this paper adopts the reverse simulation modeling method to build a parallel hybrid system simulation model, and in the fpt75city bypass to have been designed for parallel hybrid electric vehicle simulation, draw the vehicle fuel consumption of 100 kilometers, the 车辆工程毕业设计（论文） iii engine working point as a result, the fuel economy is improved obviously, and show that the parallel hybrid power system design rationality keywords:parallel hybrid electric drive train;parameters matching design;control strategy;modeling and simulation 车辆工程毕业设计（论文） 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 研究背景研究背景 在当今社会，汽车已成为人们工作和生活中必不可少的交通工具。汽车工业水平 如何已是衡量一个国家现代水平的重要参考因素。汽车虽然给国民经济带来发展，为 人类生活带来方便。但也给人类的生存环境带来巨大的灾害。全球 80%的城市噪声是 由交通车辆造成的 42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放。交通能源短缺与环境污 染问题是二十一世纪全球面临的重大挑战和制约汽车工业可持续发展的症结所在。 据世界汽车制造商协会的统计， 世界上各种汽车的保有量超过了 8.5 亿辆， 每年新 生产的各种汽车约 6400 万辆， 按平均每辆车每年消耗 10 到 15 桶石油及石油制品计算， 汽车的石油消耗量每年达到 85 至 127 亿桶，约占世界石油产量的一半。石油资源的开 采每年达几十亿吨，经过长期的现代化大规模开采，石油资源日渐枯竭，按科学家预 测，地球上的石油资源如果按目前的开采水平，仅仅可以维持 60 到 100 年左右。据海 关总署统计数据显示，2008 年我国石油包括原油、成品油、液化石油气和其他石油产 品，净出口量达 2.0067 亿吨，同比增长 9.5%。而 2007 年，这个数据为 1.8328 亿吨。 预计到 2020 年前后我国的石油进口量有可能超过日本，成为亚太地区第一大石油进口 国。国务院发展研究中心预测，预计到 2010 年和 2020 年，我国汽车消耗石油为 1.38 亿吨和 2.56 亿吨，约占全国石油总消耗量的 43%和 67%。因此能源危机是我们必须面 对的重要问题。 同时，汽车尾气含有大量有害气体，严重危害着全球环境和人类健康。据有关统 计，全世界汽车排放出得二氧化碳为 64 亿标准碳吨，由此引起的大气污染及地球气候 变暖已对人类的生活环境产生深刻影响。目前世界上空气污染最严重的十个城市中有 七个在中国。据国家环保中心预测，2010 年汽车尾气排放量将占控制控制污染源的 64%。 全球能源危机和环境恶化以及当前的金融危机要求汽车工业提高汽车的燃油经济 性，减少污染物排放量。传统内燃机汽车技术已非常成熟，通过技术更新来提高内燃 机汽车的燃油经济性和降低排放已非常困难，因此曾经快速发展的电动汽车（electric vehicle,简称 ev）和其他代替能源汽车的研制被提上日程。ev 的能量转换效率高、能 源来源广、无尾气排放，是最能满足要求的汽车，但由于受蓄电池技术的限制，ev 的 行驶里程只能达到 100- 200 公里，无法与内燃机汽车相比，因此 ev 的广泛应用受到限 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 2 制。fcv（fuel cell vehicle 燃料电池汽车）是一种未来汽车，受到相关技术发展的限 制，预计在未来十年到二十年达不到产业化的要求。于是，hev 成为一种过渡的方案。 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，hev 的定义：有两种 或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。 而一般人们常说的 hev 是指既有内燃机又有电动机驱动的车辆。hev 将发动机、电 动机、能量储存装置- 蓄电池组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发 挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排 放和低油耗汽车。与 ev 相比，hev 的行程可延长 2- 4 倍，并可快速补充燃料。hev 与常规内燃机汽车相比，二氧化碳的排放大约降至后者的 1/2，而一氧化碳、碳氢化合 物和氮氧化合物的排放则大约减少 1/10。 1.2 选题的理论价值和现实意义选题的理论价值和现实意义 混合动力电驱动系的概念来源于电动汽驱动系的发展。与传统的内燃机或柴油机 车辆相比，电动汽车具有零污染、多能源和高效率的优点，然而，采用现代技术的电 动汽车也存在一些缺点：由于车载蓄电池能量储存不足，其行驶里程有限；因蓄电池 组的重量及其庞大的体积，使其有效载荷和装载容积受到限制：以及较长的蓄电池组 充电时间。研发混合动力电动汽车的原始目的在于融合传统内燃机和纯电动汽车，建 立发动机和电机- 蓄电池两套系统来为车辆提供行驶动力。 混合动力汽车的市场处于刚刚起步阶段，但随着对更高的燃油经济性的需求的增 长，混合动力汽车市场的潜在增长也变得越来越明显。2005 年美国市场销售的混合动 力汽车预计将超过 2004 年的两倍。据此推测，美国的混合动力汽车销售量将从 2004 年的 9 万辆增长到 2012 年的约 65 万辆。 1.3 本课题在国内外的研究状况及发展趋势本课题在国内外的研究状况及发展趋势 1.3.1 国外研究现状国外研究现状 几乎在出现汽车的时候就有了混合动力汽车这个概念，只不过当时的目的并不是 降低燃油消耗，只想得到更好的动力性。近十年来才飞速发展。目前，由于排放法规 的制约和纯电动销路不好的情况下，汽车公司加大力度生产混合动力汽车。很早的时 候，有许多有远见的汽车工程师就认为，在未来世界上生产的汽车中至少有将近一半 是混合动力汽车。日本丰田公司已经生产混合动力汽车超过百万辆。混合动力汽车的 车辆工程毕业设计（论文） 3 研发不仅是汽车工业上得一次简单的技术革新，而且是一次新的汽车工业革命。 1.3.2 国内研究现状国内研究现状 我国虽然有计划的开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制，但是还处于探索 阶段与国外比还有差距。随着石油资源的枯竭、环保意识的提高，混合动力汽车成为 汽车发展的主流。我国政府已经在国家高技术研究发展计划中专门列有电动汽车重大 专项， 总经费 8.8 亿。 我国的几大汽车集团近几年都开展了混合动力汽车的研究开发工 作。例如一汽和二汽 02 年就启动了混合动力汽车的研究，还和国外汽车公司合作，旨 在学习先进技术，加快我国混合动力技术的成长；东风汽车公司已将拥有自主知识产 权的东风混合动力城市公交和混合动力轿车实现产业化；上汽集团也早已使上汽自主 品牌混合动力轿车等新能源汽车实现规模批量生产；长安集团的混合动力技术的研发 也已通过国家科技部第二阶段的认证准备进入量产阶段。 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 4 第第 2 章章 并联式混合动力传动系统简介并联式混合动力传动系统简介 2.1 混合动力传动系统的概念混合动力传动系统的概念 本质上，任何车辆的动力系都要求：1.产生足够的动力以满足车辆性能的需要；2. 配置充分的车载能量以保证车辆行驶给定的路程；3.高效率的显示；4.少量环境污染的 排放。一般来说，一辆车可以有多个能量及其能量转换器，例如，汽油或柴油热机系 统；氢- 燃料电池- 电动机系统；化学蓄电池- 电动机系统等。配置有两个或更多个能源 及其能量变换器的车辆被称作混合动力车，当其携带有电气的动力系即能源及能量变 换器时，进而被称为混合动力汽车。 混合动力电动汽车的驱动系通常由不多于两个的驱动系组成，多于两个动力系的 结构将使系统复杂化。 为回收在传统 ice 车辆中意热形式消耗的部分制动能量的目的， 通常的混合动力电驱动系含有一个双向的能源及能量变换器，而另一类，则不是双向 的、就是单向的能源及其能量变换器。图 2- 1 展示了混合动力电驱动系统的概念，以 及可能的各种动力流的通路。 图图 2.1 混合动力系统概念示意图 车辆工程毕业设计（论文） 5 混合动力系统可通过不同的工作模式来向汽车提供驱动力。该混合动力系统主要 有以下几种工作模式： 1.动力系统 1 单独驱动 2.动力系统 2 单独驱动 3.动力系统 1 和动力系统 2 同时驱动 4.动力系统 2 回收能量（再生制动） 5.动力系统 2 从动力系统得到能量 6.动力系统 2 从动力系统 1 得到能量同时回收制动能量 7.动力系统 1 单独驱动并为动力系统 2 提供能量 8.动力系统 1 为动力系统 2 提供能量，动力系统 2 单独驱动 9.动力系统 1 驱动，动力系统 2 回收能量 在混合动力汽车中，各种电驱动系的运行模式形成了优于单动力系车辆的更多的 灵活性。由特有的结构和控制，采用对每一特定运行工况的专用模式予以实施应取决 于许多因素。例如驱动系的实际结构、动力系的效率特性、负载特性等。 对于车辆的总效率来说，必不可少的前提是任一个动力系都运行于最佳的效率内。 内燃机的转速一般随着节气门全开，有其最佳经济区域。远离该区间将导致损失大量 的效率。同时，当与远离最佳效率运行去的内燃机相比时电动机所经历的效率变化不 像内燃机那样的不利。 车辆的频繁加速、减速、上坡和下坡，其负载功率在实际运行中是随机变化的。 事实上，负载功率由两部分组成：一是稳定的平均的功率，为恒定值；二是为具有零 平均值得动态功率。在混合动力汽车中，设计用内燃机、油箱来供给平均功率，用电 动机来供给动态功率。在整个行驶循环中，来自于动态动力系的总能量输出将为零。 这表示动态动力系的能源在行驶循环终结时，不失去能量的容量，其功能仅作为功率 得调节器。 在混合动力汽车中，稳定的平均的功率由斯特林发动机、内燃机和燃料电池等提 供。因为动态功率取自于动态功率源，故所采用的内燃机或燃料电池比单动力系设计 中的内燃机或燃料电池要小得多，所以才能使其稳定的运行在最佳效率去，动态功率 可由配置飞轮组（机械蓄电池组） 、电池组和超级电容器组的电动机提供，或可由它们 组合配置的电动机提供。 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 6 2.2 并联式混合动力传动系统结构并联式混合动力传动系统结构 图图 2.2 并联式混合动力传动系统示意图 图 2.1 所示给出了简单的混合动力汽车的结构布置型式， 各元件之间用线条连接表 示能量流的路径和控制路线。图 2.2 所示的油箱- 内燃机和电池- 电机就可以作为主要动 力和辅助动力的例子。内燃机也可以由其他的动力源来代替，比如燃料电池。蓄电池 也可由超级电容或飞轮或是复合电源来替代。 对于并联混合动力驱动系统，发动机向驱动轮提供动力的方式和传统 ice 汽车类 似。而电机则通过机械耦合装置提供辅助动力，如下图所示。 图图 2.3 并联式混合动力系统的结构型式 车辆工程毕业设计（论文） 7 2.3 混合动力驱动系统的元件选型混合动力驱动系统的元件选型 混合动力系统的主要动力元件为：发动机、电机、储能元件及传动机构等。主要 根据混合动力汽车工作特性的要求来选择合适的类型。 2.3.1 发动机选型发动机选型 考虑了混合动力汽车工作特性因素并总结了目前各国在混合动力汽车研究中选用 的发动机方案，可应用于混合动力汽车的发动机主要有：转子发动机、燃气轮机、二 冲程发动机、斯特灵发动机以及四冲程汽、柴油机等。就目前混合动力汽车而言，沿 用技术成熟的先进的四冲程发动机并做适当的改进不失为实际而简捷的方案。 2.3.2 电机选型电机选型 在混合动力汽车上，电机的选用原则为高性能、低自重、小尺寸、电磁辐射小、 成本低和维护方便。混合动力汽车用交流电机驱动系统主要采用异步电机驱动系统。 例如三相鼠笼异步电机，结构简单、坚固耐用、成本低廉、转速极限极高。 2.3.3 储能元件选型储能元件选型 当前在中度及其以上的混合动力汽车中使用较多、技术较为成熟的是电化学电池 即蓄电池。镍氢电池作为电化学电池，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无溶解析出物，所以很适用于混合动力 汽车。本论文所采用的电池就是镍氢电池。 2.3.4 变速机构选型变速机构选型 本论文采用电控机械式自动变速器（amt）.它是将电子控制技术引入传统的 机械手动变速器中，使其具有自动变速功能的同时，又能充分发挥齿轮式机械变速器 传动效率高、易于制动的优点。驾驶员通过加速踏板向电控系统表达意图，电控系统 根据设定的档位模式对发动机、变速器和离合器三者实施综合控制，是汽车具有良好 的行驶性能。 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 8 第第 3 章章 并联式混合动力系统参数设计并联式混合动力系统参数设计 本章主要讨论并联式混合动力系统机构参数的设计，其目的是满足整车的动力性 能指标要求的前提下，为提高整车的经济性和排放性，确定合适的各总成部件参数。 设计发动机功率及最高转速，电机功率、最高转速及基速比，电池功率及容量， 传动机构档位数及速比等参数，在合适的系统控制策略下，使其在满足汽车动力性要 求的前提下提高系统整体效率，从而达到节油和降低排放的目的。 3.1 sc7130 主要技术参数及动力性要求主要技术参数及动力性要求 在设计并联混合动力系统部件参数前， 首先通过资料得到 sc7130 轿车的主要技术 参数，如表 3.1 所示，这些参数是下文设计所必需的。 表表 3.1 sc7130 轿车主要技术参数 技术参数 数值 整车 整备质量（kg） 86520 满载质量（kg） 1190 车轮半径（m） 0.265 滚动阻力系数 0.012 迎风面积（） 1.7 空气阻力系数 0.38 发动机 额定功率（kw） 63/6000rpm 最大扭矩（nm） 110/3500-4500rpm 最高转速（rpm） 6300 传动机构 主减速器速比 4.38 变速器速比 i 档 3.416 ii 档 1.894 iii 档 1.280 iv 档 0.914 v 档 0.757 车辆工程毕业设计（论文） 9 参考 sc7130 轿车的动力性能，提出本文混合动力汽车的动力性要求如下： （1） 最高车速160/km h； （2） 加速时间 14s （0100/km h）； （3） 最大爬坡度在发动机单独驱动模式下不小于 30%。 3.2 并联式混合动力系统参数设计并联式混合动力系统参数设计 混合动力系统设计得重点是确定发动机和电机的功率大小，以及怎样通过控制策 略实现汽车在行驶过程中所需功率在这两者只见那的分配。除此之外，传动机构档位 数、速比和电池功率及最大容量等，也是动力系统的重要参数。 3.2.1 发动机参数发动机参数 汽车匀速行驶在水平路面上，要求发动机提供的汽车行驶所要的稳定功率，同时 发动机还要不依靠电池而向汽车提供最够的行驶功率。发动机功率就从满足这两点要 求去设计。 (1) 发动机单独驱动下满足高速公路汽车行驶功率要求： 汽车匀速行驶在水平高速公路上时，需求功率为 2 , 1 ()() 10002 evradf t e v pm gfc a vkwr h =+ (3.1) 其中， , t e h发动机到车轮的传动效率，取 0.9； v汽车行驶速度，/m s g 重力加速度， 2 9.80/m s r f 滚动阻力系数 a r 空气密度， 3 1.202/kg m d c 空气阻力系数 f a 汽车迎风面积， 2 m 带入整车参数并计算，得到汽车在水平路面上行驶时，速度达到 160/kw h时所需 功率为 39.43kw，取整，得到发动机功率为 40kw。 (2) 满足典型循环工况下平均行驶功率要求： 在一个循环工况中，平均行驶功率可由下式计算得到 3 0 11 () 2 t avevradfv dv pm gf vc a vm vdt tdt rd=+ (3.2) 其中汽车的旋转质量转换系数h 为一常量，取为 1.01。 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 10 平均行驶功率也随制动能量回收程度的不同而变化。主要看制动能量全回收和零 回收就可以。如果是前者，则平均行驶功率就由式子 3.2 计算得到；若是后者，平均行 驶功率就要大点，也可这样计算，小于零的瞬时功率记为零。 在设计发动机功率参数时，必须使发动机最大平均输出功率大于平均行驶功率。 在并联混合动力系统中，发动机与驱动轮之间是机械连接的，发动机的转速也就随着 车速的变化而变化。另一方面，发动机节气门全开的输出功率也随着其转速的变化而 变化。因此，确定发动机的功率来满足一个循环工况下平均行驶功率就不像串联混合 动力系统那样直接。发动机节气门全开的平均输出功率可由下式计算 max 0 1 ( ) t avee pp v dt t - = （3.3） 其中，t 为循环工况的总时间， ( )e p v 为发动机节气门全开下的输出功率。 表 3.3 给出了几种典型循环工况下发动机节气门全开时可能的平均输出功率， 这里 的发动机的最大功率是 40kw，发动机外特性采用 sc7130 轿车用发动机(jl474q1 按一 定比例缩小得到。 与表 3.2 中平均行驶功率作比较， 可知发动机的选择满足这些循环工 况的行驶要求。所以发动机功率设定为满足汽车高速公路等行驶所要求的功率，即 40kw。 表表 3.3 典型循环工况下发动机节气门全开时可能的平均输出功率（单位：kw） ftp75 城市循环工况 6 ftp75 高速公路循环工况 14.6 3.2.2 传动系参数传动系参数 本文设计的并联混合动力系统，发动机和电动机都是通过变速器和主减速器输出， 如图 2.3 所示。 传动系参数主要包括变速器和主减速器速比。最大速比取决于整车的最大爬坡度， 最小速比却决于整车的最高车速。当汽车以最常用的巡航车速行驶时，尽可能使发动 机工作在高效区。 （1）最小传动比的选择 传动系最小传动比，可根据发动机单独驱动时，最高车速的功率平衡点进行选择， 即当发动机工作在最大功率点处时，对应最高车速为 160/km h，此时有如下对应关系 max min,2 1 2 et e vradf ti m gfc a v r h r=+ （3.4） 所以 车辆工程毕业设计（论文） 11 2 min max, (/ 2) vradf et e m gfc a vr i t r h + = （3.5） 代入数据计算得 min 3.6924i=。 （2）最大传动比的选择 最大传动比为变速器的一档速比与主减速比的乘积。该速比主要满足以下两方面 的要求。 （1）满足最大爬坡度的要求。汽车在最大爬坡度工况时车速较低，可忽略空气阻力， 最大传动比应满足 max max, (cossin ) vr et e m g fr i t aa h + （3.6） 式中，a最大爬坡角度，16.7（30%） 。代入数据计算得， max 14.71i。 （2）满足附着条件的要求，即牵引力不应大于附着力 max max, max2 et e t ti ffm g r j h j=? （3.7） 所以应满足 2 max max,et e m gr i t j h （3.8） 式中， maxt f最大牵引力，n; fj 附着力，n; 2 m 驱动桥质量，取 2 0.6 v mm=?,kg； （原车比例系数为 500/（500+365） =0.578） j附着系数，取j=0.7。 代入数据计算得到， max 33i。 由此可知，仅发动机驱动时的最大传动比应该设计在 14.71 和 33 之间，但是实 际上常常是发动机和电机混合驱动，因此最大传动比还要满足混合驱动时的附着条件。 又考虑到在满足汽车动力性要求下尽量减少相邻档之间的比值，故取 max 15.5i=。在设 计好各机构参数后，可对此参数校验。 （3）主减速器速比的选择 主减速器速比的选择首先应满足车辆最高行驶要求，即 0,maxmax 0.377/ e inr v (3.9) sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 12 式中为发动机最高稳定转速 6000（r/min）； 为车轮滚动半径 0.265m，为最 高车速 160km/h。另外，为使发动机在最高车速时仍能发挥最大功率， 的选择还应满 足 0max 0.377/ eq in r v (3.10) 式中为发动机最大功率点对应的转速 5400(r/min)。 因此可得： 0 4.585.19i (3.11) 参考原车型的主减速比，取为 5.0。 （4）变速器档位数及各档传动比的选择 变速器档位数的多少主要从动力性、经济性、操纵性、结构复杂程度及需要进行 选择。档位多，发动机功率利用率高，但是多的话又会使操作机构复杂。 参考 sc7130 轿车主减速器速比，本文设计的主减速器为 5.0。同样，变速器也采 用五档。且各档速比按等比级数分配，结合以上分析，设计各档速比，如表 3.4 所示。 表表 3.4 变速器各档速比 3.1 2.1657 1.513 1.000 0.7385 3.2.3 电机参数电机参数 对于并联混合动力汽车，电机的作用主要是为混合动力系统提供峰值功率。设计 电机功率，主要考虑在几种典型循环工况下的加速性能和汽车行驶的峰值需求功率。 设计电机功率分两步，第一，从给定的混合动力汽车加速性能对电机功率初步估 计，再通过仿真计算对初步估计的电机功率进行调整。 根据加速性能初步估计电机功率： 初步估计的时候，可以假设汽车稳态行驶动力（克服滚动阻力和空气阻力)由发动 机提供，动态动力（克服加速时的惯性阻力）由电机来提供。有了这个假设，电机的 输出扭矩和汽车加速度就有如下的关系 ,m t mt m mv t i dv m rdt h d= （3.12） 其中， m t 电机输出扭矩； 车辆工程毕业设计（论文） 13 m d 电机驱动旋转质量转换系数，取为 1.03； , t m i电机到驱动轮的传动比； , t m h电机到驱动轮的传动效率，取为 0.95； r 车轮滚动半径。 利用某电机输出特性，加上给定的从初速 0 到末速度为 f v （100km/h）的加速时间 a t （14s） ，可由式 3.13 得到电机功率如式 3.14。 0 / bf b vv vmvm a v mbm mm tdvdv pvpv dd =+ 蝌 (3.13) 22 , () 2 mv mfb t m a m pvv t d h =+ (3.14) 式中， b v 为电机额定转速下的车速。上式表明，若加速性能确定，那么电机额定 转速下的车速越小，电机的功率等级也越小。它很确切的表明，若电机 x取小，即 b v 较 高，那么减小 b v 就可以很大的减小对电机功率等级的要求。但是， x取得较大时，效 果就又不明显了。 本文选择电机5x =，则根据式 3.13 计算得到初步估计得电机功率22.13 m pkw= 。 (2) 通过计算调整上步的功率： 上步设计得电机功率有点偏大，汽车加速的时候，发动机还有一部分转化为后备 功率，并且还要分担一点加速功率，汽车加速时发动机的平均后备功率为 , 1 () a i t e aer t ai ppp dt tt =- - (3.15) 式中， e p 发动机功率，单位: kw； r p 阻力功率，单位: kw； a t 加速时间，单位: s； i t 发动机驱动开始时刻，单位: s。 将初步估计得电机功率减掉刚算的后备功率得 17.95kw，取整为 18kw，即为设 计得电机功率值。 3.2.4 储能元件参数储能元件参数 储能元件参数主要包括电池功率和容量两方面： (1) 功率选择 功率设计只要满足电机的输入功率要求即可，即 m s m p p h (3.16) sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 14 其中， m p 为电机最大功率， m h 为电机效率。 本文选择某交流电机，其最大功率为 18kw，最大效率为 0.9，平均效率为 0.8，经 计算储能元件功率设计为 23kw。 (2) 容量选择 在汽车加速阶段，储能元件和发动机输出得能量由下式计算 0 a t m s m p edt h = (3.17) 和 0 a t emge epdt= (3.18) 其中， s e 表示储能元件输出的能量， eng e表示发动机输出得能量， m p 表示电机输 出得功率， e p 表示发动机输出功率。图 3.1 表示该混合动力汽车在加速阶段计算得到 的随车速变化的储能元件和发动机输出能量。在汽车末速度为 120/km h时，储能元件 输出能量大约为 0.2kwh。 图图 3.1 加速期间储能元件和发动机的输出能量曲线 储能元件的能量变化可由下式得到 0 () a t cscsd eppdt=- (3.19) 其中， sc p 为储能元件充电功率， sd p 表示储能元件放电功率。它们可以在确定了控 制策略后通过混合动力系统的仿真计算得到。 储能元件的能量最大变化量比全油门加速工况低，所以储能元件的容量由全油门 加速工况下的电能消耗来决定。但是储能元件的能量并不是全部被利用。若用电池， 车辆工程毕业设计（论文） 15 则电池 soc 过低就会限制它的功率输出，若用超级电容，过低的 soc 又会使其端电 压降低，也不好。若用飞轮电池，过低的 soc 相当于过低的飞轮转速，也影响性能。 所以，储能元件的能量只有部分能用到，它可以用 soc 的百分数来表示。储能元件的 容量由下式得到 d cs tb e e socsoc = - (3.20) 其中， d e 表示储能元件放电量， t soc 和 b soc 分别为储能元件 soc 上限和下限， 0.2 d ekwh= ，若最多只能用元件中的 40%的能量，则储能元件的最小容量为 0.5kwh。 3.3 整车质量组成及机构参数校正整车质量组成及机构参数校正 整车的质量由下式计算得到 vbchdrt mmmmm=+ （3.21） 其中， v m 汽车总质量，kg b m 车身相关部分质量，kg ch m地盘非传动系部分质量，kg dr m混合动力系统部分质量，kg l m 汽车载重质量，kg 对于并联式混合动力汽车，其车身相关部分质量和底盘非传动系部分质量与传统 的 ice 汽车相差不大，在计算时可近似认为是一定值 fir m，有 firbch mmm=+ （3.22） 混合动力系统的质量则由发动机、电机及控制器、电池组和传动机构等各部件质 量组成。每个部件具有一定得效率和一定得比功率（w/kg） ，通过它们就可以估算出上 述部件的功率需求对应的质量。整个混合动力系统质量可描述为 dricemotbattra mmmmm=+ （3.23） 其中， ice m发动机质量，kg mot m电机及控制器质量，kg bat m电池组质量，kg tra m传动机构质量，kg 假定发动机、电机及控制器、电池组和传动机构的比功率分别为 ice s、 mot s、 bat s、 tra s，它们的功率需求分别为 ice p 、 mot p、 bat p 、 tra p ，于是可得 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 16 / iceiceice mps= （3.24） / motmotmot mps= （3.25） / batbatbat mps= （3.26） / tratratra mps= （3.27） 本文混合动力汽车传动机构即变速器和主减速器与 sc7130 轿车没有大的变化， 所以可认为它们质量也相同，于是两车型只有三者不一样，这三者质量为 /40/0.31129() iceiceice mpskg=? （3.28） /44/0.8254() motmotmot mpskg=? （3.29） /55/0.3183() batbatbat mpskg=? （3.30） 其中 ice s、 mot s和 bat s查表确定为 0.31、0.82 和 0.3（/kw kg ） 而原车型发动机质量为 201kg 。所以设计后的质量相当于增加了（129+54+183） -201=165kg ，即 hev 整车质量为 1190+165=1355kg 。 有了新的质量参数后，于是得到下表 表表 3.5 混合动力系统机构参数 发动机 功率（kw） 41 最高转速（rpm） 6300 传动机构 主减速器速比 5 变速器速比 i 档 3.3 ii 档 2.2697 iii 档 1.5611 iv 档 1.0737 v 档 0.7385 电机 功率（kw） 18 最高转速（rpm） 10000 基速比 5 电池 功率（kw） 23 能量（kwh） 0.6 车辆工程毕业设计（论文） 17 第第 4 章章 并联混合动力汽车控制策略设计并联混合动力汽车控制策略设计 并联混合动力系统机构参数设计好之后，下一步就是制定合适的控制策略，以此 来调节发动机和电机两套动力系统的工作情况，使得汽车具有高效率，以达到节油和 降低排放的目的。 内燃机工作在中低负荷区域效率较高，且工作区域对油耗影响明显。而电机的工 作区域对效率影响不大。所以混合动力的控制思想就是：使发动机工作在其特性图上 的高效率区域，不足动力由电机来补充，或是多余动率驱动电机为电池充电。 4.1 控制策略概述控制策略概述 混合动力汽车控制策略的控制目标主要有三个： （1）最佳燃油经济性； （2）最低 的排放； （3）最低的系统成本。 所以在设计控制策略时，要考虑一下几个问题： （1）发动机的工作点是否在最优区。由发动机的转矩- 转速特性曲线来确定。 （2）发动机避免最低转速。因为发动机运行速度小时，燃油消耗会很大。 （3）蓄电池荷电状态要处在合适的区域。因为过低，就不能给汽车提供合适的功 率。 （4）分工适当。发动机和蓄电池应合理分担汽车所需的功率。 由于逻辑门限值控制方法相对简单，易于实现，所以国外成型的混合动力样车和 产品车大多采用这种控制方法。按照此策略设计后可以满足汽车的动力性要求、实现 汽车整体的高效率、保证电池 soc 维持在一个合理的水平而不需要外界为其充电、回 收制动能量。模糊逻辑控制方法不需要系统的数学模型，它完全基于人已有的知识和 经验进行控制，具有独特的优势。而再生制动策略主要是考虑将汽车的动能和势能转 化为电能储存在储能元件中，然后对其再利用的技术手段。 4.2 电池电池 soc 最大化控制策略最大化控制策略 电池 soc 最大化控制策略是一种逻辑门限控制的电力辅助策略。它将控制电机使 其在汽车行驶工程中，随工况需求变化配合发动机工作。而发动机则尽可能工作在最 佳经济区域，若电池 soc 值没到达最大，发动机的剩余功率全用来给电池充电。 sc7130amt 重度混合动力汽车参数匹配设计 18 在该策略下，并联混合动力系统主要有发动机单独驱动、电机单独驱动、混合驱 动、再生制动、发动机为电池充电等几种工作模式。如下图 4.1 给出了混合驱动、发动 机单独驱动和电机单独驱动以及电机再生制动模式下的最大功率曲线。用 a、b、c、 d 四点来分别表示四个不同工况对功率得不同需求。 图图 4.1 同功率需求点的工作模式 其中 l p 为驱动或制动功率， e p 为发动机功率， m p 为电动机驱动功率， mb p 为再生 制动功率， mf p 为机械制动功率， mc p 为电池充电功率 上述工作模式分别描述如下： （1）电机单独驱动：车速还未达到指定速度 eb v 低于这个速度，发动机不能稳定 的工作，所以发动机关闭或是怠速运行，电机单独驱动。发动机功率、电机功率和电 池放电功率分别为 0 e p = （4.1） , l m t m p p h = （4.2） m pps d m p p h - = （4.3） 其中， e p 为发动机输出功率， l p 为汽车行驶需求功率， , t m h为电机到驱动轮的传 动效率， m p 为电机输出功率， pps d p - 为电池放电功率， m h 为电机效率。 （2）发动机-电机混合驱动：图 4.1 所示 a 点的行驶需求功率大于发动机能提供 的功率，发动机和电机同时工作驱动车辆行驶，即发动机-电机混合驱动。此时，控制 车辆工程毕业设计（论文） 19 节气门开度使发动机工作在最佳经济区域，输出功率为 e p ，剩余功率由电机来补充， 电机功率和电池放电功率分别为 , , let e m t m pp p h h - = （4.4） m pps d m p p h - = （4.5） 其中， , t e h为发动机到驱动轮的传动效率。 （3）