机械毕业设计（论文）-一种混合驱动电动大客车动力系统研究【全套设计】.doc

一种混合驱动电动大客车动力系统研究中文摘要 在全世界都倡导环境保护和节省能源的新环境下，混合动力电动汽车（HEV）成为当前主流清洁能源汽车.世界各大汽车企业都投入大量的资金对混合动力汽车进行研究。我国对混合动力汽车的研究方面还在发展当中，更好的发展混合动力汽车是我国汽车工业发展的重点。本论文针对一款大金龙大巴，型号为XMQ6100B2，将其改造成混合动力电动大客车,以并联混合动力电动大客车为研究对象，进行了混合动力驱动系统配置、混合动力驱动系统部件选型和参数设计、提出了整车控制不同工况的控制方案、HEV主要部件电动机的控制技术的选择及建模仿真。全套设计，加153893706对比了串联式混合动力驱动、并联式混合动力驱动和混联式混合动力驱动汽车各驱动系统的不同特点，选择并联式混合驱动作为本车型的驱动方式；对并联式混合动力汽车发动机、电动机和蓄电池等主要部件进行了使用条件和性能要求分析。初步计算这些主要部件的参数，选择了合适的发动机、电动机和蓄电池并通过编程验算了这些选型的合理性；初步研究了混合动力汽车的传动系统。重点对混合动力汽车的电动机控制部分进行了研究。为了使得混合动力汽车有理想的控制性能，选择电动机的直接转矩控制作为本混合动力汽车电动机的控制策略。分析了直接转矩控制的控制原理，在MATLAB/Simulink中对电动机直接转矩控制系统进行建模和仿真分析，仿真结果证明，直接转矩控制策略是较为理想的，适合于混合动力汽车电动机的控制。关键词：混合动力驱动客车，动力系统研究，电动机控制 THE POWER SYSTEM RESEARCH OF ONE HYBRID ELECTRIC BUSAbstractUnder the new environment that people all over the world promoting environmental protection and energy conservation, hybrid electric vehicle becomes one of the main clean vehicles. The worlds major car companies have invested a large amount of funds to research hybrid vehicles. Chinas hybrid vehicle research is still developing . The development of better hybrid vehicles is the focus of the development of Chinas automobile industry In this paper, I change the bus XMQ6100B2 which is one type of the jinlong bus to a hybrid electric vehicle. I set the parallel hybrid buses as the research object, research the hybrid drive system configuration, select the hybrid electric drive system components and design the paramenters. Put forward different control conditions to control the whole vehicle. The motor is the main component of the HEV, I select the motor control technology ，model and simulate it. Compare the difference among Series Hybrid Electric Vehicle(SHEV)，Parallel Hybrid Electric Vehicle(PHEV) and Split Hybrid Electric Vehicle（SPHEV）, Select Parallel Hybrid drive as the drive model of the vehicle. Analyse he he use of the main conditions and performance of the PHEVs main companents such as the engine, motor and battery. To choose the right engine, electric motors and batteries, preliminary calculate the parameters of these main components. And check the reasonable selection through the programming. Preliminary study the hybrid electric vehicle drive system.Focus on the motor control part of the hybrid vehicles study. In order to make hybrid vehicles has an ideal control performance, chose the direct torque control as the motor control strategy of the hybrid electric vehicle. Analyse the control principle of direct torque control. In MATLAB / Simulink doing modeling and simulation analysis of direct torque control system. The simulation results prove that direct torque control strategy is better for hybrid vehicles in motor control.Key words:Parallel Hybrid electric vehicle, power system research, motor control目录第1章 绪论11.1 引言11.2 混合动力汽车研究现状11.2.1 国外混合动力汽车研究现状11.2.2 国内混合动力汽车研究现状21.3 本课题研究的内容21.4 本课题研究意义3第2章 混合动力客车的分类及动力系统的选型42.1 混合动力客车的分类42.1.1串联式混合动力汽车42.1.2 并联式混合动力客车52.1.3 混联式混合动力客车72.2 本车驱动系统的选择7第3章 混合动力客车动力系统部件选型和参数设计83.1 并联式混合动力系统驱动模式的选择83.2 混合动力客车动力系统的部件选型83.2.1 发动机的形式83.2.2 电动机驱动系统的形式103.2.3 蓄电池的形式113.3 动力系统参数的设计113.3.1 整车参数及动力性指标113.3.2 整车的控制方案123.3.3 发动机功率的计算及选型143.3.4 电动机功率的计算及选型153.3.5 电池参数计算153.3.6 主减速器比的确定163.3.7 变速器比的选择163.3.8 设计方案的总结183.4 整车动力性的初步验算183.4.1 电动机单独驱动模式183.4.2 发动机单独驱动模式183.4.3 电动机和发动机混合驱动模式183.5 混合动力系统设计203.6 传动系统的设计203.7 本章小结21第4章 并联混合动力大客车动力系统主要部件电动机控制技术的研究224.1 引言224.2 软件的介绍224.3 电机的转矩控制方法224.3.1 磁链和转矩的调节244.3.2 磁链和转矩的计算264.3.3 开关表选择274.4 直接转矩控制标准模块参数的设置284.5 控制部分各模块模型的建立304.5.1 电流3/2变换模型的建立304.5.2 电压3/2变换模块模型的建立314.5.3 磁链模型的建立314.5.4 转矩模型的建立314.5.5 转矩的两点式控制模型的建立324.5.6 磁链、转矩调节模型324.5.7 电压开关选择模块334.6 仿真结果分析344.7 本章小结36总 结37参考文献38致 谢40附录 程序4147一种混合驱动电动大客车动力系统研究第1章 绪论1.1 引言 当今社会，节能、环保及安全问题已经是全世界关注的问题。内燃机汽车虽然还是汽车的主流，但因其所需要的石油燃料资源越来越少且造成了污染、噪声等问题，使汽车技术向效率更高、排气更清洁甚至无污染的汽车发展。如气体燃料汽车、清洁代用燃料汽车、电动汽车、氢能汽车、太阳能汽车、混合动力汽车等。但是，由于现阶段作为纯电动汽车和燃料电池汽车的关键部件之一的电池存在能量密度低、寿命较短、价格较高等问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。尽管目前具有世界先进水平的纯电动汽车和燃料电池汽车的性能与内燃机汽车不相上下，但其过高的成本使其难以商品化。而混合动力电动汽车是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的当驱动系联合组成的车辆，融合了内燃机汽车与纯电动汽车的优点，成为世界范围内新型汽车开发的热点。从上世纪90年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力电动汽车，目前均已从实验室开发阶段过渡到商品性试生产阶段，并进一步转向产业化批量生产阶段。 而在我国，基于严峻的能源和环境状况，理应积极探索未来中国汽车工业发展的新思路，实现中国汽车工业跨越式非常规发展，必须以环保、节能及使用替代能源为代表，确保中国汽车工业的可持续发展。国家科技部在“十五”国家863计划中将电动汽车单列为重大专项，明确提出将研究重点放在电动汽车整车配置设计与通用控制平台、电动汽车多能源动力总成、电动汽车新型电机与驱动系统、电动汽车动力电池及其智能管理系统的研制上 。城市公交作为市内交通的重要组成部分，采用混合动力电动车辆等清洁车型很有必要。1.2 混合动力汽车研究现状1.2.1 国外混合动力汽车研究现状 混合动力汽车的研究始于上世界90年代。其中，较早地提出采用大速比变化范围的传动系统设计混合动力汽车的研究论文始见于1994年在英国召开的Intemational Gearing Conference。近几年，随着混合动力汽车(HEV)技术发展，使得混合动力汽车有效地克服了传统汽车与纯电动汽车(Ev)的缺点并兼顾了两者的优点，在世界范围内已成为新型车辆开发的热点，并且在降低汽车有害排放和燃油消耗方面的潜力已经得到广泛认可 。早在1995年，丰田公司成功开发了实用型混合动力轿车普锐斯(PRIUS), 并于1997年开始量产并销售。普锐斯的成功，使人们对混合动力的产业化看到了胜利的曙光，加上高油价以及国家的政策导向，各国的汽车制造企业和相关的研究机构都加大了投入力度，把研究降低排放的技术和开发绿色环保汽车作为自己的立足之本和生存之道。目前，世界上各大汽车公司都看好混合动力汽车，并相继开发出各种混合动力汽车产品，以便在未来的竞争中处于有利的地位。有专家认为，混合动力汽车的研发，已不再是汽车工业的一次简单的技术革新，而是一次新的汽车工业革命。美国的三大汽车公司福特、通用和克莱斯勒对各种驱动单元的技术及其不同的组织方式进行上百种方案的筛选、比较，认为采用混合动力驱动是实现降低油耗的可行性方案。所以，混合动力驱动电动汽车是目前发展前景非常好的行业。1.2.2 国内混合动力汽车研究现状国内是在20世纪80年代后期开始电动汽车研究的。1999年4月6日由科技部、环保总局、国家计委、国家经贸委和国家机械局等十多个部委联合召开“空气净化工程清洁车辆行动”会议，提出通过电动车辆、混合动力车辆技术的攻关和推广应用，从根本上治理机动车辆排放污染，依靠科技进步，建立新型车辆产业。“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技项目，在清华大学的组织下，研制出了16座电动轻型客车，现于清华大学校园内运营。1999年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客车。2001年11月，国际科技部将电动汽车纳入国家“十五”规划，列入“863”的重大专项，明确提出将研究重点放在电动汽车整车配置设计与通用控制平台、电动汽车多能源动力总成、电动汽车新型电机与驱动系统、电动汽车动力电池及其智能管理系统的研制上。2009年1月23日，财政部联合科技部共同发布了节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法。其中最让人瞩目的内容是节油率在40%以上的混合动力汽车，其补助标准为5万元/辆。虽然这在目前还只是在部分地区/城市进行的试点政策，但无疑显示出了国家大力扶持新能源汽车的决心。而且不仅只是“上有政策”，各个汽车厂商也积极的推出混合动力新产品，混合动力车早已不是仅停留在“概念”之中，其已是摆在消费者面前真正的实惠选择。1.3 本课题研究的内容混合动力汽车具有高度的复杂性，正是这种复杂性为混合动力系统提供了更大的设计和研究空间。本课题主要研究内容如下：1 评价混合动力电动汽车各种驱动形式的优劣，然后确定了本车的混合动力驱动形式为并联式混合驱动。分析评价并联式混合动力汽车不同的驱动方案，制定了本车的驱动方案。2 在确定混合驱动方式的情况下，对发动机、电动机和蓄电池等主要部件进行了使用条件和性能要求分析。初步计算这些主要部件的参数，选择了合适的发动机、电动机和蓄电池并通过编程验算了这些选型的合理性；初步研究了混合动力汽车的传动系统，计算选择了主减速比和变速比。以混合动力客车车速为主要考虑因素制定了本车的控制策略，对三种驱动控制策略进行了动力的匹配。分析了不同驱动情况下能量的流程，以更加清晰地表述混合动力汽车的控制策略。3 在整车控制策略中，有三种驱动工况用到了电动机，把电动机的控制作为重点进行分析和研究。为了保证混合动力汽车的良好的性能，电动机选择直接转矩控制方法，并以电动机驱动混合动力汽车起步为研究代表，利用MATLAB/Simulink对其进行建模和仿真分析，验证了电动机直接转矩控制方法驱动混合动力客车的合理性。1.4 本课题研究意义随着世界能源环境恶化的问题的出现，汽车所带来的能源消耗和环境污染等负面影响越来越受到人们的重视。虽然内燃机汽车具有动力性强、续驶里程长等优点，但其所造成了噪声和污染以及燃油经济性差等问题。纯电动汽车解决了污染和噪声问题，但电池的性能还不是很理想，使汽车的动力性和续驶里程不能达到内燃机汽车的水平，同时充电、维修等基础设施的建设需要大量的资金。而混合动力电动汽车既能满足排放和燃油经济性的要求，又能兼备纯电动汽车效率高与燃油汽车加油方便、续驶里程长的优点。研究这种汽车，寻求适宜的匹配和控制策略，以使用较低的开发成本、较短的开发周期，使混合动力电动汽车满足整车性能及产品实用性要求，促使我国汽车电控产业的发展，已达到节能、环保、安全的要求。这其中，混合动力客车的研究更是适合我国人口众多、资源短缺的实际情况，混合动力驱动客车的研发直至实用，更将触动我国汽车电控产业的日趋成熟，更节能更环保。这就是研究的目的和意义所在。第2章 混合动力客车的分类及动力系统的选型根据国际电子技术委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)的定义，混合动力电动汽车（HEV）是能够根据特定的运行要求，从两种或两种以上能量源、能量存储器或转化器中获取驱动力的汽车，在运行中至少有一种或者能量存储器或转化器直接驱动汽车，并且至少有一种能量源、能量存储器或转化器能够传递电能。一般混合动力客车的动力系统采用内燃机和电机作为双动力源，所以根据混合动力汽车的定义我们在设计混合动力汽车时可以采用不同的动力系统结构，可以分为串联式混合动力驱动系统、并联式混合动力驱动系统和混联式混合动力驱动系统。2.1 混合动力客车的分类2.1.1串联式混合动力汽车串联式混合动力汽车Series Hybrid Electric vehicle(SHEv)，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2-1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。图中带箭头的线条表示功率流的路径，箭头表示功率流动方向，细虚线表示控制信号。图2-1 串联式混合动力示意图串联式混合动力的特点是：1 控制系统比较简单； 2 发动机总是在最佳效率区驱动发电机，因此燃油效率高，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，其综合效率与传统汽车区别不大; 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，特别是电动机必须满足汽车行驶的需求。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。一般在轿车上很少采用串联式混合动力系统，串联式混合动力系统主要应用于大型客车上。设计串联混合驱动系统应考虑的关键问题是电动机的最大转矩和功率特性，以及发电机的最大功率和可利用的电力范围。2.1.2 并联式混合动力客车并联式混合动力客车Parallel Hybrid Electric vehiele(PHEV)可以利用发动机和电机共同驱动车轮。其动力结构多种多样，如图2-2至图2-5。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，虽然并联式混合动力汽车有不同的结构模型，但都是以发动机为主要驱动模式。因为发动机直接带动并联式混合动力汽车的驱动系统，所以可以采用传动效率高的机械传动系统，没有串联型混合动力汽车在热能一电能一机械能的转换过程中的能量损耗。并联式混合动力汽车直接被发动机驱动，比串联混合动力电动汽车有更高的效率和更好的燃油消耗经济性。但是由于发动机负载的影响，其排放比串联混合动力电动汽车要坏。汽车的尺寸和质量可以通过用小型发动机来降低。并联混合动力电动汽车适合用于高速公路和城市内的公路。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，大大提高了汽车的加速性能和爬坡性能。图2-2 并联式混合动力示意图a并联式混合驱动的特点：1 结构简单，特别是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小，有利于机构布置;2 两套动力装置可直接驱动车轮，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;4 低负荷时电机可以发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程。图2-3 并联式混合动力示意图b图2-4 并联式混合动力示意图c图2-5并联式混合动力示意图d2.1.3 混联式混合动力客车混联式混合动力客车Split Hybrid Electric vehicle(PSHEV)综合了串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成，可以根据行驶条件以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。其机构很复杂，在这里不做赘述。综合前面叙述和目前混合动力客车的发展情况，混合动力客车动力驱动系统对比分析如表2-1所示。表2-1 串联、并联和混联技术对比指标串联并联混联燃油经济性差好好环保性能好中中动力驱动系统结构简单较复杂复杂自由度少一般多控制方式简单较复杂复杂制造技术容易较难难技术先进性低先进先进成本高较高高2.2 本车驱动系统的选择综合上述串联和并联式混合驱动的特点，我们知道：并联式混合动力电动汽车可以使油耗和排放都得到显著的降低，其控制策略优化后优点更加明显，技术先进。采用小功率电动机和小容量蓄电池组的并联式混合动力汽车，能够极大的降低混合动力汽车的自重和制造成本，是十分有市场化前景的一种结构形式。所以本论文选择并联式混合动力驱动系统。第3章 混合动力客车动力系统部件选型和参数设计 混合动力驱动客车性能的好坏在很大程度上决定于整车动力系统部件的选型和其参数的设计、整车控制策略的制定，各个动力元件动力匹配也是非常重要的，本章将对影响整车性能的地方做介绍。3.1 并联式混合动力系统驱动模式的选择要选择合适的混合动力系统，要遵循多种因素。对于动力系统结构的关键影响因素，首要考虑的因素包括整车布置、制造技术、实用性、成本、再生制动能力和发动机起停功能；次要考虑的因素包括纯电动能力、冷启动能力、安全性（如果电气系统损坏）、是否具备“安全回家”功能、发动机停机时附件安全工作、控制的难易程度、噪声和不拖动发动机情况下的滑行。由图2-2至图2-5，并联混合动力驱动系统的结构各不相同，而且各有特点。所以，就要根据当今实际的情况和本车的特点来选择合适的混合动力系统。从制造技术来说，当今国家的技术完全可以满足四种动力系统结构的制造要求，从这方面来看，四种结构都可以是选择的对象。并联混合动力的驱动系统a结构比较简单，但由于电动机和变速器始终相连，启动时变速器要挂在空档上，有点麻烦。混合动力的驱动系统b的发动机和电动机是始终相连的，所以制动时再生能量回收的比较少，影响了制动回收能量的效果。结构c有两个离合器，增加了整车的布置难度，但性能是最为理想的；结构d无法实现启动和停止功能，只能在纯电动的状态时实现电起机，但这种方式需要大量的电能，所以在起车停止时需要一个单独的电机来实现电起机。综上所述，结构a既可以满足汽车的基本性能和布置，相对又比较容易实现，所以选择结构a。3.2 混合动力客车动力系统的部件选型混合动力汽车的主要动力部件为:发动机、蓄电池、电动机及其控制系统等。本HEV依据样车对工作特性的要求选择混合动力客车的主要动力元件。3.2.1 发动机的形式HEV的发动机要求有一定的驱动功率，能够满足基本的动力性能要求。能够与驱动电机一起提供HEV所需要的最大功率。HEV的发动机功率一般要比同级别的内燃机汽车要小。混合动力系统的发动机追求的是高效率，而不是高功率，便于发动机的最优化调整，保证燃料充分燃烧。发动机的排量相对小一些，有助于降低摩擦损失，而加速时的动力不足可以由电机来弥补。目前，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、斯特林发动机以及四冲程汽油机和柴油机。1 转子式发动机（Rotary Engines）转子式发动机具有尺寸小、重量轻、暖机迅速和扭矩速度曲线平坦等优点，特别适用于混合动力汽车。在混合动力汽车上的使用主要问题是排放，特别是在开关模式中的排放问题。另外其最小燃油消耗率也相对较高，达到300360g/kwh，但是对于一些混合动力汽车设计来讲还是可以满足其性能要求的，比如在XA-100混合动力汽车上就采用了此种发动机。2 燃气轮机（Gas Turbine）由于燃气轮机自身暂态响应时间长而不适用于汽车传动系，但在串联混合动力汽车上，由于发动机仅驱动发电机并可在一个小的速度范围内工作，因此燃气轮机的缺点就不成问题了，而且燃气轮机的采用还会具有一些优点，比如：尺寸小、维护成本低、噪音和振动小、热效率高、可采用多种燃料并且设计简单。另外，燃气轮机是外燃机，其排放具有低水平，而且通过使用后处理器或者采用催化燃烧室还可达到准零排放水平。3 二冲程发动机（Two Stroke Engines）一般认为，具有低燃油消耗率和低排放的二冲程发动机系统相对来讲结构复杂，不过在混合动力汽车上却较容易实现，原因在于混合动力汽车发动机运转于一个相对较狭窄的扭矩速度范围。大多数的水冷二冲程摩托车发动机均可用于串联混合动力汽车，它们并不存在封装问题，但高负荷工况的NOx排放是一个潜在的问题，而且通常所研究的小型摩托车发动机所满足的排放、噪声、冷却及油耗参数与轿车发动机的要求有很大差别，因此要想充分发挥二冲程发动机的潜能还要做大量艰苦的研究工作。4 斯特林发动机（Stirling Engines）斯特林发动机由于具有高的热效率、低排放和低噪音性能使其可用于混合动力汽车。但由于斯特林发动机为外燃机，因此具有功率密度低以及需要大的散热装置等缺点，而且斯特林发动机还没有在汽车工业应用的先例。由美国能源部发起的限期发动机研究工作表明：斯特林发动机动态性能差难于与普通车辆传动系相匹配，而对于串联混合动力汽车来说却不成问题，因此此种发动机也可能在混合动力汽车上应用。5 四冲程汽油机和柴油机（Fourstroke Gasoline and Diesel Engines）一般认为四冲程发动机的重量和尺寸要比先前讨论的四种发动机要大，特别是那些涡轮增压柴油机，但近些年来，随着每缸三和四气门技术的发展以及低密度材料的使用，汽油机的比功率有了明显的提高，如不采用传统的较大尺寸的发动机，而是采用两缸或者至多三缸汽油发动机就可以改善混合动力汽车发动机的性能。目前，一台小型的四冲程汽油机与一台特种发动机之间的尺寸与重量方面的差别与过去相比明显地减少了，而且，四冲程发动机的控制方法已经非常成熟了，所以目前大部分的混合动力汽车还是采用了技术成熟的四冲程发动机。综上所述，四冲程发动机是本论文优先要选择的，而这其中的直喷柴油发动机(CIDI)是目前大中型汽车广泛使用的动力装置，技术比较成熟，热效率高，燃油经济性好，有害排放物相对较低。另一方面，由于电子控制技术、废气增压技术、尾气处理技术等在柴油机中的应用，使柴油机的综合性能尤其是排放性能得到明显提高。因此，无论是从混合动力系统自身的特点，还是从车用动力的发展趋势来看，对于近期混合动力汽车而言，沿用技术成熟的先进直喷式增压柴油机是实际可行的方案。3.2.2 电动机驱动系统的形式电动机是混合动力汽车的驱动单元之一。电动机驱动系统包括电动机、功率电子电路及控制部分。混合动力汽车对电机驱动系统的基本要求如下：1 电机驱动系统具有宽广的调速范围，有着与汽车行驶一致的动力特性。简言之，低转速时恒转矩，高转速时恒功率。最高转速越高，在同样的额定输出功率下，转速越高，电动机尺寸、重量越小。2 动态性能好电机驱动系统要能够频繁地起动/停车、加速/减速。3 为了减少汽车的非有效载荷，要求电机驱动系统体积小、重量轻，功率密度大，在短时间内具有较高的过载能力。4 高效率这对于电动汽车意义尤其重大。5 电气系统安全性和控制系统安全性抗振动、耐腐蚀、低噪音;抗干扰，具有较好的电磁兼容性。6 能够四象限运行，实现正反转和再生制动。7 高电压电压越高，电动机尺寸、重量越小，功率转换器成本越低。8 适合批量生产，价格便宜，便于维修。对电机的选用还要考虑其控制系统的特点，对再生制动能量可以回收。对于混合动力电动汽车上所用的电动机主要有三种形式：交流异步电动机、开关磁阻电机、永磁无刷电机。表3-1列出了现在电动汽车所用的几种电机的各种性能的比较表3-1 各种电机性能参数性能电动机效率体积技术性能恒功率工作区寿命初始成本交流感应电动机低大一般中长低永磁无刷直流电动机高小好最窄长高开关磁阻电动机较高较小较好最宽长低在功率电子元件出现之前，电动汽车主要采用的是直流有刷电机，它的优点在于机械特性好，调速方便且性能好。由于直流电机具有成本低、易于平滑调速、控制简单、技术成熟等特点，曾在电动汽车上得到广泛的应用。但由于直流电机有电刷和换向器的限制，转速得不到进一步的提高，因而质量大，体积大，结构复杂，效率低，还要对电刷进行维护。所以它必然会被先进的电机所取代。随着电力电子技术的发展，交流调速的技术也日趋成熟，交流电机驱动系统已成为主流。交流电机驱动系统主用选用三相鼠笼型，结构简单牢固、成本低廉、转速范围广，维护方便。永磁电机驱动系统有永磁无刷直流电动机和永磁同步电机，该电机效率较高、功率因素高、体积小、功率密度大，变频调速是永磁无刷同步电机的基本调速方式。目前最常用的是120度导通型PWM斩波控制和IGBT逆变器。其主要不足是永磁材料昂贵，制造工艺复杂，性能受温度影响较大，大功率输出困难。目前的技术已经克服了其功率输出小的限制，使它开始在混合动力和电动汽车上广泛使用了。混合动力汽车的电机应有较高的转矩，尽可能宽的高效率区和良好的转矩转速特性。在目前所用的电动机驱动系统中，直流电机虽然具有良好的控制特性，但由于其自身固有的缺陷，在电动汽车中用的越来越少。采用鼠笼式感应电动机结构简单，运行可靠，大量应用在电动汽车中。开关磁阻电机结构更为简单，效率、转矩惯量比也较高，但由于力矩波动及噪声过大，在电动汽车上用得还不普遍。永磁无刷电动机系统具有最高的效率、转矩惯量比，在电动汽车中得到了较广泛的应用。 总之，考虑到技术发展、性能要求和成本等因素，本车选择交流电机驱动系统。3.2.3 蓄电池的形式目前混合动力大客车采用较多的是铅酸电池，所以本车也采用铅酸电池。3.3 动力系统参数的设计混合动力汽车动力系统的设计必须满足车辆的动力性的要求，本车的参数设计要根据原车的要求初步确定。3.3.1 整车参数及动力性指标本车是将金龙大巴XMQ6100B2改装成混合动力电动汽车，原车的整车参数如下表3-2。设计要求：其动力性不亚于原车。表3-2 原车整车主要参数车外形尺寸轴距（mm）满载总质量（mm）整车整备质量最高车速（km/h）最大爬坡度（%） 长（mm）宽（mm）高（mm）1007024703200500011000785090253.3.2 整车的控制方案 混合动力汽车控制系统的控制方案是根据不同工况来制定的，各种控制工况对应着不同的能量流程。本设计混合动力大客车控制方案如下： 1 汽车启动时由电动机单独工作，发动机关闭。 2 汽车低速时（低于20km/h）时，电动机单独工作。（1）（2）的系统的能量传递路线如图3-1。图3-1 电动机单独工作时能量流程3 汽车车速高于20km/h时，切换为发动机工作，电动机空转或发动机将多余驱动力带动电动机以发电状态工作给蓄电池充电。其中发动机单独工作时的能量流程如图3-2。发动机驱动汽车，电动机作为发电机时能量流程如图3-3。图3-2 发动机单独工作时能量流程图图3-3 发动机驱动，电动机发电时能量流程4 汽车加速或爬坡时发动机和电动机同时工作来驱动汽车。能量流程如图3-4。图3-4 混合驱动能量流程 5 低速制动时，发动机是关闭着的，制动能力能够回收，电动机作为发电机向蓄电池充电。 6 发动机和电动机同时工作时制动，发动机立即关闭，电动机发电，所以制动能量部分转化为热能，部分回馈给电动机。 7 发动机单独工作时制动，发动机立即关闭，电动机空转，制动能量全部转化为热能。 整车控制方案（即整车的控制策略）是很复杂的，要考虑蓄电池的SOC（state of charge）、不同情况下设置的汽车的加速度等，本论文考虑的相对简单，只考虑了汽车速度的因素。当然，这需要深入的在今后的研究中进行深入下去。3.3.3 发动机功率的计算及选型 混合动力公交车在城市运行的速度不是很快，根据动力性需求我们确定的最高车速为V =95km/h。在其经常运行的巡航车速范围内单独由混合动力汽车发动机提供功率。即:Pe = （3-1）式中: Pe一发动机最大输出功率/kW；t一整车动力传动系效率,取0.91；V一最高车速/Km/h，由于要不亚于原车，所以初取95； m一整车质量/Kg，原车为11000，在初步计算混合动力车时取11500；Cd一空气阻力系数，由参考文献P14得，取0.65；f一滚动阻力系数，由参考文献P9得，取0.013；A一迎风面积/m2，由参考文献P14得，取6。现把各参数带入3-1式中，得：Pe = =90.7 kw为了减少全节气门开度加速时对电动机的功率需求和保证汽车在纯发动机驱动工况的动力性能，加上12%的功率裕量，得发动机功率101.6kw，再加上汽车附属设备消耗的功率3kw,发动机功率大约105kw，最终可选择发动机型号为功率为110kw的东风康明斯生产的直列六缸增压中冷柴油机ISBe30，具体技术参数表3-3。表3-3 发动机型号及参数生产厂家型号排量L额定功率kw最大扭矩Nm额定转数rpm最大扭矩转数rpm最高稳定转速最大输出功率点转数rpm康明斯ISBE150 303.911055025001500290026003.3.4 电动机功率的计算及选型由于并联混合动力汽车的电动机只在低速（取低于20km/h）和加速时工作，所以电动机功率的选择需满足汽车的加速要求和最大爬坡度以及纯电动运行的续驶里程等要求。选择交流感应电动机，先估计电机的效率为mc=0.9。纯电动运行时：Pmc= （3-2） =10.5kw以汽车在10km/h速度爬坡25%来计算所需的功率，=arctan(0.25)Pmc=97.6kw 因此驱动电机的功率必须满足Pmc Pmc及Pmc Pmc，所以我们初步选择驱动电机的额定功率为75kw，峰值功率为150kw，型号 Y2-280S-2，如表3-4。表3-4 电动机型号及参数型号功率电压(V)电流(A)转速(rpm)效率(%)功率因数堵转转矩额定转矩堵转电流额定电流最大转矩额定转矩最小转矩额定转矩HPKWY2-280S-210075380133.3295093.80.902.07.52.30.93.3.5 电池参数计算电池参数匹配的一般做法是，首先确定电机的最大工作电流、工作电压范围和电机的最大功率，考虑电压对电池寿命的影响，确定电池的额定电压和电压范围；接着根据纯电动行驶的能量来决定电池的能量，从而计算电池的容量及重量等。研究和工程实际表明，限于绝缘材料以及安全考虑，电动汽车最高电压一般低于350V。由公式3一1可知电池输出电压越高同等功率下，工作电流越小，则电池内阻损耗的能量越少，故综合考虑，我们选定电池的额定电压为300V。由公式下面可以计算出电机驱动系统的最大工作电流。I=P/U=500A （3-3）式中:U一电池的额定电压，300V； P一电机驱动系统的峰值功率，150 kw；I一电机驱动系统的最大工作电流，A。采用的是铅酸电池电压为12V，由25个电池模块串联而成。参数如表3-5。 表3-5 电池参数电池型号电池形式额定电压(V)个数额定容量 (Ah)重量(kg)FM12_200阀控铅酸122520016003.3.6 主减速器比的确定 对于并联式混合动力汽车，原则上应尽量选取较大的主减速器速比。主减速器速比越大，汽车的加速和爬坡能力越强。其大小主要根据汽车的动力性和燃料经济性的要求选定。主减速器的传动比一般为3.5一6.7。但过大将使从动齿轮的尺寸增加，减小了离地间隙，降低了汽车的通过性。在选择主减速比时，还要考虑车辆最高车速的要求，同时要注意发动机和电动机在低速时要有一定的剩余功率用于加速和爬坡。 i。的选择首先应满足车辆的最高行驶车速要求即：i=5.3342 （3-4）式中：n驱动发动机的最高稳定转速/r/minr一轮胎滚动半径/m，r=（8.25+20/2）25.40.001=0.4635m另外为使驱动电机在车辆最高车速时仍能输出最大功率，i的选择还应满足i=4.7823 （3-5）式中：n驱动发动机最大输出功率点对应的电机转速。主减速比介于两者之间，结合原基础车型，我们仍用原车的主减速比4.875.3.3.7 变速器比的选择 高速档变速器比的初步选择主要考虑发动机的工作区间是否穿过发动机工作的经济区域，城市公交工况车速一般都不高，除了经常运行在车速O一20km/h之间(此时为纯电动)，发动机工作时对应的车速经常在35一40km/h之间，由公式V=得知，对应的发动机转速在1008-1140r/min，根据发动机万有特性图（图3-5）可知，转速工作在发动机燃油经济性不差的工作区域。图3-5 ISBE150 30 发动机万有特性曲线在发动机最高转速2900r/min下，车辆对应的最高车速为：V=101.7274km/h故此发动机满足要求。 由于本车设计要求在低于20km/h低速状态下只有电动机单独提供动力，即在低速爬坡工况下只由电动机单独提供转矩，低速档变速器数比的初步选择主要考虑到汽车在纯电机工作下电机低速能够达到爬坡所需要的最低转矩并且要有一定的转矩富余用于爬坡加速。由公式 =Gf+Gi （3-6）i=2.15 原车型为六档变速器，且所以可以采用原车型变速箱各档传动比。i=6.540，符合上式要求。而且，对于客车来说，档位数多一点可以使汽车有较好的动力性和燃油经济性。3.3.8 设计方案的总结综合以上分析，对本设计混合动力大客车设计方案总结如表3-6。表 3-6 整车的部件选项结果发动机电动机蓄电池主减速比变速器变速器速比ISBe150-30Y2-280S-2阀控铅酸4.875手动变速6.540-3.780-2.170-1.440-1-6.530其中，主减速器和变速器是使用原车原有的。3.4 整车动力性的初步验算由上文提到的控制策略我们知道，在客车驱动过程中，有三种驱动形式：电动机单独驱动，发动机单独驱动，电动机和发动机混合驱动。 三种驱动模式有着不同的驱动转矩，这三种驱动转矩由不同的动力源提供。3.4.1 电动机单独驱动模式 T=T （3-7）式3-7中，T代表混合动力客车所需要的转矩，T代表电动机所提供的转矩，混合动力客车启动时是纯电动机启动，也满足式3-7.3.4.2 发动机单独驱动模式 T=T （3-8）式3-8中，T代表混合动力客车所需要的转矩，T代表发动机所提供的转矩。3.4.3 电动机和发动机混合驱动模式 T=T+ T （3-9）此种工况所需驱动转矩由电动机和发动机共同提供，两动力源提供的动力随着不同的工况有着不同的合成比例。当混合动力电动驱动客车在平路上以某一车速匀速行驶时，电动机提供30%的动力，发动机输出其提供全部动力，此时T=T+ 0.3*TM （3-10）式中，TM为电动机的最大转矩。当混合动力电动客车在平路上加速或或者是以一定的车速爬坡时，电动机就要提供50%的动力以供需要，此时T=T+ 0.5*TM （3-11） 根据以上各驱动模式下转矩的不同提供形式，编程求其最大车速、最大爬坡度等来初步验算所选电动机和发动机是否满足整车的动力性要求。通过用MATLAB软件对其编程，能够得出在这种混合情况下客车所能达到的最高车速和最大坡度，如图3-6和图3-7所示。图3-6 汽车驱动力与行驶阻力平衡图图3-7 汽车爬坡度图由图3-6可知，这种驱动情况下，混合动力汽车最高车速可达到99km/h，图3-7可以得到混合动力汽车的最大爬坡度约为27%。基本满足原金龙客车对车速和爬坡度的要求，由对汽车动力性主要参数的计算可以看出，3.4对混合动力电动客车的各动力源电动机和发动机的选择和匹配是可以满足要求的。3.5 混合动力系统设计混合动力汽车的动力系统是整车性能实现的重要部分，根据前面章节对混合动力系统方案的分析和选择，我们知道，混合动力系统最主要的部件是内燃机和电动机以及蓄电池及其它们的控制系统，本设计没有选择另外的发电机，而是根据不同的工况，将电动机作为发电机和电动机使用，这样既满足了整车的性能要求，同时简化了对整车的布置设计。混合动力系统包括一个整车控制组，通过整车控制组对汽车的各个系统进行控制，每一个部件还有自己相应的控制系统。其中混合动力系统的大体布置如图3-8所示。 图3-8 混合动力系统布置示意图混合动力系统是根