（车辆工程专业论文）混合动力轿车用行星齿轮动力分配装置及整车仿真研究.pdf

摘要 摘要 能源问题h 趋紧张，环境问题日趋恶化，导致传统汽车向清洁型发展。混 合动力汽车综合传统内燃机汽车和电动汽车的优点，成为目前业内开发的热点。 混合动力汽车同时具有内燃机驱动和电力驱动系统，在不降低常规汽车性能的 前提下，逐步实现低油耗和低排放的目标。本文从理论上分析差动行星齿轮作 为动力分配装置的一种新型混合动力汽车，并建模仿真分析其结果。本文分析 方法的结构安排对于混合动力汽车先期的开发具有一定的参考意义。 对混合动力汽车动力系统总体方案作出了分析和比较，并且根据实际情况 确定最终方案。对方案中的核心部件差动行星齿轮动力分配装置进行详细 的计算分析，从其二自由度的特性出发，分析三个基本构件之间的不同转速关 系，由此产生的功率和转矩关系，在此基础上定量计算动力部件同行星齿轮系 统中三个构件的六种不同连接关系，确定其作为动力分配装置的最佳型式。还 以结构图的形式给出了行星齿轮可能作为动力传输装置的不同类型。从数学的 角度确定了分析计算行星排特征参数p 的一般方法。确定其作为动力部件传输 效率的经验公式。 根据设计要求和对各个动力部件性能特征的分析，分别对发动机、电动机、 发电机和蓄电池进行了选型，并根据其不同的特性曲线在m a t l a b s i m u l i n k 分别进行建模。基于差动行星齿轮的混合动力汽车具有多种运行模式，分析其 相应的控制策略。在此基础上，通过综合建模对整车进行性能仿真，并对比分 析其动力性、燃油经济性、制动能的回收状况以及对尾气排放作出变通分析。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：混合动力，行星齿轮，动力分配装置，仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t a i rp o l l u t i o na n ds h o r t a g eo fe n e r g yi sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u sf o ra l l h u m a nb e i n g s t h e r e f o r ee n g i n e e r sa r et r y i n gt od e v e l o pn e wa u t o s ，w h i c hc o n s u m e l e s sf u e la n dg i v eo f fl e s se x h a u s t e dg a s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，w h i c hi s n o wh i g h l yd i s c u s s e di nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , c a ni n t e g r a t et h ea d v a n t a g e so ft h e c o n v e n t i o n a lv e h i c l ew i t ha ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ea n de l e c t r i cv e h i c l e w i t h t h ec o o p e r a t i o no fe n g i n ea n dm o t o r g e n e r a t o r , h e vc a nr e d u c et h ea m o u n to ft h e e x h a u s t e dg a sa n dd e p r e s st h ef u e lc o n s u m e i nt h et h e s i sam o d e lo fan e w g e a r s e t b a s e dh e vi s e s t a b l i s h e da n dt h e ns i m u l a t e d t h ew a y , h o wt h en e w g e a r s e t - b a s e dh e v i ss t u d i e di nt h i st h e s i s ，i ss i g n i f i c a n tf o rt h eh e v sd e v e l o p m e n t t oa n a l y z et h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h eh e v s y s t e ma n dt oc o n s t i t u t et h es t r u c t u r e o fo u r p r o j e c t b a s e do nt h e a c t u a l l y a v a i l a b l e c o n d i t i o n ，t h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n t ，ag e a r s e t b a s e dp o w e r s p l i th y b r i dp o w e rt r a i n ，i sd i s c u s s e di nd e t a i l t h e k i n e m a t i c so ft h ep l a n e t a r yg e a rt r a i n s u p p o r t st w od e g r e e so ff r e e d o m ，s oi t i s p o s s i b l et of r e e l ys e l e c tt w od i f f e r e n ts p e e d sa n dt o r q u e b ya n a l y s i so fs i xd i f f e r e n t c i r c u m s t a n c e s ，i nw h i c ht h eg e a rs e ti sc o n n e c t e dw i t l le n g i n e ，g e n e r a t o ra n dm o t o ri n d i f f e r e n tw a y s ，am o s tp r o m i s i n go n ei sd e t e r m i n e df o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o na n d s i m u l a t i q n t h ek e yp a r a m e t e rt h a ta f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ep l a n e t a r yg e a rt r a i ni si t s c o n v e r s i o nr a t i op i ta l s od e t e r m i n e st h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e r t r a i n t h es i m u l a t i o n i s a c c o m p l i s h e db ym a t l a b s i m u l i n k c o n t r o ls t r a t e ：g i e s f o rd i f f e r e n t r u n m o d e l sa r ed i s c u s s e di n d e t a i li nt h et h e s i s i n t e g r a t i n gt h es h a n g h a it r a f f i c c o n d i t i o n ，t h es i m u l a t i o na n a l y z e sd y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，f u e le c o n o m y ，e m i s s i o n a n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n g i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ，p l a n e t a r yg e a r ，p o w e r - s p l i tt r a i n ， s i m u l a t i o n i i 符号说明 符号说明 本文中的主要符号说明如下，当符号代表其他意义，则在文中予以说明。 迎风面积 m 2 行星轮系中外齿中心轮 行星轮系中内盥中心轮 行星轮系中行星轮 风阻系数 汽车质量转换系数 滚动阻力系数 啮合功率系数 相对构件c 的传动比 汽车质量 行星齿轮系转化机构的传动效率 行星轮系中外齿中心轮转速 行星轮系中内齿中心轮转速 行星轮系中行星轮转速 行星齿轮装置中发动机转速 行星齿轮装置中发电机转速 行星齿轮装置中电动机转速 行星齿轮系中行星架转速 行星齿轮系中外齿圈转速 行星齿轮系中太阳轮转速 行星轮系中转臂转速 构件x 相对b 的转速 行星排特征参数 任一时刻由发动机提供的功率 任一时刻由电动机提供的功率 行星轮系中外齿叶l 心轮瞬时功率 v i 转分钟 转分钟 转分钟 转分钟 转分钟 转分钟 转分钟 转分钟 转分钟 转分钟 转分钟 k w k w k w a 6 c 凸 j ， “ 口 n 儿 胁 皿 皿 m c i 耄 胁 皿 皿。玑 口 白= 尼 只 符号说明 行星轮系中内齿中心轮瞬时功率 行星轮系中转臂瞬时功率 行星齿轮系中行星架半径 行星齿轮系中外齿圈半径 行星齿轮系中太阳轮半径 电池s o c 较高值 电池s o c 较低值 电池s o c 强制充电值 行星齿轮系中行星架转矩 行星齿轮装置中发动机转矩 行星齿轮装置中发电机转矩 行星齿轮装置中电动机转矩 行星齿轮系中外齿圈转矩 行星齿轮系中太阳轮转矩 车速 行星轮系中外齿中心轮转速 行星轮系中内齿中心轮转速 行星轮系中行星轮转速 行星轮系中转臂转速 行星轮系中转臂 行星轮系中外齿中心轮齿数 行星轮系中内齿中心轮齿数 行星轮系中行星轮齿数 v 1 1 个 个 个 h h m e ； h 瓜店瓜 叫叫 b 只 尼 皿 尼 蹴 鼢 躐足、五 嚣五 。 。 蚍 钆 虬 吼 卫 五 五 z 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 鲁月 馈岬r 、 名矿繇舻 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 一一j 一一一- 一 一一一e t 一一一一 掰7 月 学位敝笆签名夸寻 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 论文的研究背景及意义 1 1 1 论文的研究背景 统计资料表明世界汽车保有量在2 0 0 4 年末接近8 亿辆，并且每年以3 0 0 0 万辆的速度增长。随着发展中国家经济水平的提高，全世界汽车的保有量将急 剧增长。2 0 0 4 年全球汽车产量为6 4 6 2 万辆，中国以5 0 7 万辆名列世界第五位， 其中仅乘用车就达到2 2 3 万量。预计今年将突破6 0 0 万辆超过韩国：排在美国， 日本，德国之后，到2 0 1 0 年中国汽车年产量将达到1 0 0 0 万辆“1 。 汽车数量持续增加，在能源领域和环境问题上继续会产生严重影响。目前 用于汽车的能源消耗占全世界能源总消费的近四分之一。由于石油作为不可再 生性能源，世界石油资源日益匮乏。中国从1 9 9 3 年开始就已经成为石油净进口 国，而且每年原油进口量都呈大幅上升趋势。能源资源是国计民生的基本支撑。 能源安全是国家经济安全的重要方面，直接影响到国家安全、社会稳定以及可 持续发展。 汽车使用对环境产生相当严重的污染。除直接污染源：一氧化碳、碳氢化 合物、氮氧化物和硫化物以外，还有造成温室效应的二氧化碳，占c 0 2 总排放量 的2 0 多。随着汽车保有量的不断增加，大气污染日益严重。为了缓解这个矛 盾，各国政府和机构制定了越来越严格的排放法规。如今年欧盟执行欧排放 标准以及七月份北京率先执行相当于欧i 标准的国3 标准。另外如美国加州等 地区，强制性要求在本地出售的汽车中零排放汽车( z e r oe m i s s i o nv e h i c l e 简称 z e v ) 要占一定的比例。 面对日趋严重的资源短缺和环境恶化问题，寻求社会、经济、政治发展与 资源、环境发展相平衡的相互促进、协调发展的可持续发展模式成为世界性的 主题。政府机构对汽车发展政策性引导法规、消费者对汽车追求乘驾乐趣和舒 适性以及汽车产商考虑到自身发展的利益，世界上多数国家和汽车生产商都在 代用燃料汽车( 包括甲醇、c n g 、l p g 等) 和电动汽车( 包括纯电动汽车、燃料 第1 章引言 电池电动汽车和混合动力汽车) 领域进行大量的研究开发工作，将清洁型交通 工具的开发应用作为可持续发展战略的重要组成部分。 1 1 2 清洁环保型汽车 目前对电动汽车的研究主要集中在“三纵三横”，“三纵”为燃料电池汽 车、混合动力电动汽车、纯电动汽车，“三横”为多能源动力总控制、驱动电 机、动力蓄电池。纯电动汽车和燃料电池汽车由于技术和基础设施的限制，近 期实现商业化生产的可能性不是很大，仅作为汽车交通工具发展的中长期目标； 混合动力电动汽车结合传统汽车和电动汽车的综合优势达到规定技术性能目标 的难度不是很大，是世界各国和各个汽车生产商确定的近期和中期发展目标。 纯电动汽车是满足“零排放”要求的首选方案，然而由于其关键技术 电池和与电池相关的控制技术的制约，电动汽车的性能价格比远远不能达到市 场推广使用的要求，其主要障碍是： 1 ) 目前仍然没有一种能源提供足够高的比能量和比功率，使得纯电动汽车 的性能完全与燃料电池汽车相匹配，导致其一次充电的续驶里程低和动力性能 达不到当前的内燃机汽车水平。 2 ) 相同性能的纯电动汽车是传统汽车造价的2 5 倍。相应充电站等配套设 施投资巨大，占电动汽车成本4 0 的电池组价格昂贵，其频繁使用更换成本难 于被接受。 3 ) 电动汽车相应电器设备的选用必须充分考虑能量消耗对电动汽车续驶里 程的影响，大大制约了汽车的舒适性以及限制了乘驾乐趣。 尽管燃料电池汽车被认为二十一世纪电动汽车发展的最终目标，而且世界 各大汽车生产商以及中国等国家科研机构都已经推出了几代概念性样车，但是 由于目前存在的技术难题，近期难于实现大规模产业化的目标，其主要影响因 素： 1 ) 尚未找到可以替代稀有贵金属铂的催化剂，主要反应介质质子交换膜和 极板的技术还没有达到大批量工业化生产。 2 ) 燃料电池动力管理系统还处在实验室研发阶段，存贮氢装置的安全性尚 不能得到保证。 3 ) 加氢站的建设、氢燃料的制各以及存贮和运输等基础设施投资巨大。 2 第1 章引言 混合动力汽车融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点被公认为最佳的 过渡产品。世界各大汽车厂商的开发热点也从以纯电动汽车为代表的“零排放” 汽车转向以混合动力为代表的超低排放汽车( u l t r a l o we m i s s i o nv e h i c l e 简称 u - l e v ) 。 混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 简称h e v ) 是指将内燃机和套挠助动力 单元( a u x i l i a r yp o w e ru n i t 简称a p u ，主要是一定容量的储能器件，如：高性能 电池、超级电容和储能飞轮等) 共同作为动力源的汽车，并通过先进的控制系 统使其两者的优势相结合，从而改善汽车的各项性能。目前其主要型式是内燃 机加蓄电池，不但弥补了电池性能的不足，克服了纯电动汽车一次充电续驶里 程不足的缺陷，同时还可以达到降低内燃机油耗减少排放的目的。在节能、动 力性、环保、成本等方面提供了更为广泛的发展和协调空间，有着广阔的市场 前景，其主要的技术实现： 1 ) 发动机优良配置。低排量带来低排放；尽量保持最佳工况和尽量减少低 速运行，实现安全燃烧和减少排放。 2 ) 城市工况中主要以电动机驱动系统工作，发动机尽量在最佳工况下排放 或者是停止工作达到“零”排放。 3 ) 再生制动能的反馈回收是混合动力的一大特点。 4 ) 能量转换技术使发动机和电动机驱动系统按路况要求分别工作或同时合 力完成车辆行驶要求，大大提高汽车的机动性、加速性和其他综合性能。 混合动力汽车是燃油汽车和纯电动汽车的最佳结合，是综合两种驱动系统、 发挥其最大效能的创新动力系统，其显而易见的综合优势有： 1 ) 发动机主要以中高负荷工作( 经济性和排放较好的区域) ，与原车相比 可降低发动机的排量，油耗可降低2 5 左右。 2 ) 排放也随之降低。据丰田公司的测试数据表明，混合动力汽车与常规汽 油车相比，c 0 2 的排放量可降至后者的5 0 ，c o 、h c 和n 嘎则能达到原车的 1 0 。 3 ) 综合内燃机系统和蓄电池电动机发电机驱动系统的优势，克服了纯 电动汽车在电池能量、密度寿命以及价格等方面的缺陷。 4 ) 混合动力汽车电池既可以通过外部2 2 0 v 交流电充电，亦可以直接通过 发动机充电，增加了选择性，从而降低了制造成本和使用成本。 基于上述特点，混合动力汽车被国内外汽车专家普遍认为是目前最具有开 3 第1 章引言 发和推广前景的交通工具之一。3 。 1 1 3 开展研究混合动力汽车的意义 节能与环保是汽车技术发展的主要方向之一。美国、日本、欧洲各大汽车 公司纷纷开展研制混合动力型汽车。早在1 9 9 3 年美国政府和通用、福特和克莱 斯勒三大汽车公司联合提出的“新一代汽车合作伙伴计划”( t h e p a r t n e r s h i p f o r a n e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s 简称p n g v ) ，旨在开发新一代高效节能的汽车。到目 前，日本在混合动力汽车研制和商业化推广中取得最为成功，著名的p r i u s 早 在1 9 9 7 年就已推出，至今开发的第二代及其改进型在经济性和排放性能方面大 大提高。欧洲在混合动力汽车的开发研制和推广方面作了大量的投入，已有混 合动力大客车在欧洲城市街头运行。欧洲六大汽车公司联合就混合动力汽车技 术、性能等进行了综合评价，认为其技术成果可望使混合动力汽车成本接近于 一辆传统汽车。 与世界先进国家相比，我国由于能源资源、环境问题以及技术障碍发展混 合动力汽车的必要性和紧迫性更加突出。 世界石油资源工业紧张，石油争夺异常激烈，油价经常大幅度波动，已经 影响到社会发展的稳定。我国石油资源并不丰富，石油进口额度逐年提高，、2 0 0 4 年原油进口已经突破1 亿吨大关达1 2 亿吨。预计2 0 1 0 年中国的石油进口将达 到1 8 亿吨，超过总需求规模的5 0 。经济的持续高速发展，汽车正大规模步 入家庭。节省石油消耗，改变能源消费结构，有必要加紧开发提高燃料消耗经 济性的混合动力汽车。 我国车辆排放法规实施较晚，实施程度较低。单台轿车的排污量是日本的5 倍之多，是欧洲的1 5 5 倍，很多城市大气污染程度都大大超过了这些国家。 大气污染很大程度来源于汽车的尾气排放。因此，开发环保型汽车显得尤为重 要。 从汽车产业的发展来看，我国在传统汽车技术上落后于世界发达国家3 0 年， 而在电动汽车技术领域的差距要小的多，我国将电动汽车作为汽车产业结构调 整和跨越式发展的“切入点”。混合动力汽车应该成为我们研究和开发的重点， 并且应依次为契机，努力缩小我国汽车技术与国外先进水平的差距。 4 第1 章引言 1 2 国内外混合动力汽车发展的现状和趋势 1 2 1 世界混合动力汽车的发展 国外对混合动力汽车的开发研究早在二十世纪七十年代就已开始了，最初 的目的是用来克服纯电动汽车的续驶里程限制，但是研发过程经历了一段波折。 作为对石油危机的响应，1 9 7 8 年至1 9 8 4 年期间混合动力汽车技术的研究受到较 多的重视，但是由于电动机、电子控制、计算机应用等技术因素的制约，在此 期间混合动力技术的开发是不成熟的。其后由于石油危机的消除，研究投入的 减少，混合动力汽车的开发受到冷落。直到美国某州要求从1 9 9 8 年开始销售给 该州车辆中至少2 是电动汽车，各汽车生产企业和研究机构才对零排放纯电动 汽车的开发重新燃起兴趣，并带动混合动力汽车的研究和开发。丰田公司的 p r i u s ，本田的i n s i g h t 、c i v i c ，福特的s u v 型e s c a p e 以及通用汽车与戴姆勒克 莱斯勒公司联合开发中的混合动力装置“双模式完全混合动力系统( 2 - m o d e f u l lh y b r i ds y s t e m ) ”等车型逐步向商业化推广。混合动力汽车的发展历史 使其目前在世界范围内还处于市场化初期”1 。由于在研究和市场竞争过程遵循技 术保密原则，目前国内外出版的书籍和发表文献的内容主要集中于对各自开发 的混合动力车辆的性能介绍、计算机建模仿真方法、不同车型性能的比较等方 面，一些涉及到部件选型、控制策略设计方面的文献，内容多集中于概念层面 的研究，很少对参数的选择方法及其对车辆性能影响方面进行研究的内容，当 然在这方面也没有提出系统性的理论。 1 2 2 我国混合动力汽车的发展 我国政府在“九五”期间已将混合动力汽车列为重大科技攻关课题：在“十 五”国家8 6 3 计划中又将其列为电动汽车重大专项，并提出“实现混合动力电 动汽车的批量生产，开发的产品通过国家汽车产品型式认证”的目标。与国外 相比，我们还处在起步阶段，与国际先进水平有较大的差距。混合动力汽车对 能源日趋紧张环境日趋恶化的中国而言是极具重要作用的，在国家发改委出台 节能中长期专项规划后，有关混合动力汽车实现国产的需求就显得更加迫 切。经过近4 年潜心研发，具有国际先进水平的红旗混合动力轿车在中国一汽 5 第l 章引言 诞生。另外，由一汽自主研发，具有世界水平的解放牌混合动力城市客车性能 样车，最近也通过了国家“8 6 3 ”电动车重大专项专家组的项目验收。长安集团 倾力打造的混合动力车c v 9 已经正式在工厂下线。一份由中国汽车技术研究中 心草拟的混合动力车标准方案被送到了国家发改委和科技部。在国家“8 6 3 ” 电动汽车重大专项的支持下，我国正在进行混合动力客车和轿车的技术标准研 究，预计今年年底可以完成。在国内加紧研制混合动力汽车的同时，紧密与国 外合作开发，一汽与丰田汽车联合宣布将在国内推出混合动力车p r i u s 。通用汽 车( 中国) 和上汽集团一起宣布共同打造混合动力汽车客车“3 。 1 。3 本文的主要研究内容和结构安排 本文结合同济大学承担的上海市重点学科建设项目“混合动力轿车核心技 术研究”进行的。本文在分析和比较混合动力汽车总体设计方案的基础上，确 定以行星齿轮为动力分配传输装置的混联式混合动力轿车为主要分析研究对 象，尝试了以计算机仿真方式对混合动力汽车动力系统开发的设计和研究。其 侧重点为通过数学计算确定差动行星齿轮应用于混合动力汽车的接口型式和通 过仿真计算为混合动力汽车的控制策略进行制定、优化和分析。论文的主要思 路和实现方法如下： 1 ) 分析和比较混合动力汽车总体设计方案，并确定混联式混合动力汽车为 研究对象。 2 ) 通过计算确定混合动力汽车中动力传输装置差动行星齿轮的接口型式， 并确定行星排特征参数p 值的范围。 3 ) 以桑塔纳2 0 0 0 为原型车的混合动力汽车动力分配装置核心器件行星齿 轮的设计计算。 4 ) 分析各个动力元件性能要求，并根据设计目标进行合理选型。 5 ) 以m a t l a b s i m u l i n k 为基础，在a d v i s o r 分析软件中建立混合动力汽车 的仿真模型。实现在上海市工况下的仿真运行，并分析其仿真结果。 本文结构安排如下：第一章阐述本课题的选题背景，国内外研究开发现状 及本文的结构安排。第二章从混合动力汽车的类型出发阐述混合动力汽车的总 体方案设计并采用单排行星齿轮作为动力传输装置。第三章详细介绍行星齿轮 的特性内容，在此基础上分析计算行星齿轮基本构件同动力部件的不同对接形 6 第1 章引言 式，并提出确定行星排特征参数的方法和理论分析其传动效率。第四章要求在 主要动力部件选型的基础上对装有行星齿轮传动装置的混合动力轿车进行建模 仿真。第五章对其在上海市道路循环工况下的仿真结果进行性能分析。最后一 章是本文的总结和展望。 7 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 2 1 混合动力汽车的分类 动力总成技术是混合动力电动汽车技术的核心之一。根据电力与内燃机驱 动系统结合形式的不同，混合动力汽车动力系统可以分为串联式、并联式和混 联式三种混合动力系统“。 2 1 1 串联式混合动力系统 由发动机、发电机和驱动电机三大动力总成用“串联”的方式组成的混合动 力系统，如图2 1 。动力最终由驱动电机输出，三大动力总成的功率都等于或者 e 争一一内燃机g 一一发电 5 | l | b - - 一蕾电池m 一一电动站爱电机 图2 1 串联式混合动力系统结构示意图 是接近混合动力汽车的最大驱动功 率。对应于发动机发电机驱 动电动机传动系统的热能电能一 一机械能的能量转换过程中，能量损 失较大，能量转换时总的综合效率要 比内燃机汽车低，因此，必须装置一 个大功率的发动机。此系统导致外轮 廓尺寸较大，质量也较大，在中小型 混合动力汽车上布置有一定的难度。代表车型有沃尔沃的e c c 、福特的新能级 2 0 1 0 和丰田的c o a s t e r 等。这种结构形式的特点为： 1 ) 内燃机与驱动桥间没有直接的机械连接，因此车辆行驶速度与内燃机转 速没有直接关系，内燃机的选择范围较大。同时这种柔性连接使整车的结构布 置具有较大的自由度。 2 ) 内燃机工作状态不受汽车行驶工况的影响，可以始终在其最佳的工作区 域内稳定运行，从而具有良好的经济性，排放性能好，污染少。 3 ) 相对其他混合动力系统结构形式，其控制方式比较简单。 8 吨 节圈 虱 一 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 2 1 2 并联式混合动力系统 如图2 2 所示，并联式混合动力系统主要由内燃机和电动机发电机两大动 力总成组成。并联式结构决定了其有三种驱动方式：内燃机单独驱动、电动机 单独驱动和两者的混合驱动。这种结构的混合动力系统有以下的特点： 凛 ： p bl e c - - - - - - 内燃枫室糙：变遭器 b 一。蓄电她艇一电韵德电机 图2 2 并联式混合动力系统结构示意图 1 ) 内燃机与驱动轮间有直接机械连 接，因此内燃机输出能量的利用率相对 较高。当汽车的行驶工况使内燃机在其 最佳工作范围内运行时，其燃油经济性 比串联式高。内燃机的工作状况仍旧受 到行驶工况的影响，排放状况不如串联 好。 2 ) 与串联式相比，并联式可以选择 更小的内燃机和电动机。部件功率需求 的降低，动力总成系统对布置空间的要 求降低，有利于降低成本。 3 ) 如果驱动电机能够四象限运行，一般不再需要专门的发电机。特殊需要 时可以专门配备较小功率的发电机，以空载发电，及时补充蓄电池电能，延长 蓄电池的续驶里程。 4 ) 两套动力装置需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。内燃机与电动机并联驱动还需要动力合成装置，传动机构复杂。 根据内燃机与电动机输出动力合成形式的不同，并联式混合动力系统可以 分为转矩合成型、转速合成型和牵引力合成型三种形式。 转矩合成型中内燃机和电动机发电机的转速相互制约，转矩则进行调节叠 加。当驱动转矩需求发生变化时，通过改变电动机发电机的输出转矩来调节内 燃机功率输出，提高发动机在瞬时工况下的燃油经济性和排放。根据转矩合成 位置的不同，转矩合成型叉可分为单轴转矩合成和双轴转矩合成两种。如图2 3 ， 对单轴式而言，内燃机转速与电动机发电机转速相同；对双轴而言，两者通过 变速器进行转矩叠加，因此两者转速相对于变速器的结构成一定的比例关系。 单轴式转矩合成型实现了把不同内燃机和电动机发电机的输出一体化，结构紧 凑。静止起动时，蓄电池向电机机发电机供电，作为起动电机，充分发挥电动 9 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 机低速大转矩的作用，使发动机迅速起动，弥补发动机起动时加速性能差的缺 陷。但电机和电机控制系统的设计要求较高，成本也高，不便于进行模块化设 计。双轴式转矩合成型把不同动力源输出的转矩进行动力合成，系统元件可选 范围广，开发成本低。但布置空间要求大，整车质量也增加。如大众g o l f 单轴 式、双轴式转矩合成型样车，福特l s r 和本田i n s i g h t 等。 转速合成型是内燃机和电动发动机的输出转矩相互制约，输出转速通过一 差速器( 主要是行星齿轮结构) 进行叠加。可以使内燃机和电机的转速灵活分 配。但在一定的需求转矩下，内燃机对转速的特性和电机对转速的特性有很大 的区别，因此要通过调节内燃机功率调节器来与电机的转速相配合才能获得最 佳的传动效果，控制系统比较复杂。这种形式中电机的低速大转矩的特性发挥 不出来，不利于满足车辆低速行驶的动力性能要求。由于其复杂性，目前对于 这种形式的混合动力系统的研究和开发还比较少。如福特”h 转速合成型混合 动力样车。 柚潞 式扭矩台曦c b ) 单鞲黜矩台戚 ( c ) 槲始饿( d ) 摩g i 力台戚 b 譬电池m 一电动泼电机e ( 卜一内燃枫 图2 3 并联式混合动力系统的几种不同型式 牵引力合成型保留了传统内燃机汽车的全套机械动力系统，在另外的轮轴 上安装了电机驱动系统，一般形成全时四驱系统。两套驱动系统之间没有机械 连接装置，可以完全独立工作。在发动机和电机电动机输出之间自由分配需求 转矩，可以使发动机处于较好的工况点运行，提高燃油经济性和排放性能，驱 动力通过地面合成实现。电机驱动系统常通过减速器、差速器驱动车轮形式， 也可以直接安装轮毂电机。直接通过传统内燃机汽车进行改装，但是两套动力 系统的牵引力分配与控制十分复杂。如同济大学研究开发的登封一号、雷诺的 n e x t 和克莱斯勒的c i t a d e l 。 1 0 曾占鬻 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 2 1 3 混联式混合动力系统 混联式驱动系统综合了串联式和并联式的结构特点，主要由发动机、电动机 发动机和驱动电机三大动力组成，如图2 4 所示。发动机发出的功率一部分通 薯蠛 囱| 惫 e | 3 一一内鲦l 襁薹l 【g _ _ 蟹邃泠配系錾 a 一一发嘞i 每动机孪瓤翻罐 图2 4 混联式混合动力系统的结构 过机械传动传输给驱动桥，另一部分 则驱动发电机发电，电能存贮于蓄电 池或者直接提供给电动机，电动机产 生的驱动力通过动力复合装置传送 给驱动桥。混联式混合动力系统也可 以分为转矩合成型、转速合成型和牵 引力合成型三种形式。一般采用具有 两自由度的行星齿轮机构作为动力 分配装置，将内燃机的输出能量进入 串联路径( 内燃机发电机电 动机驱动桥) 和并联路径( 内燃机驱动桥) 。与串联式和并联式混合动 力系统相比较，混联式混合动力系统的综合优势决定了其最具有降低车辆油耗 和排放性能的潜力。如丰田的转矩合成混联式混合动力汽车p r i u s 、福特在m o n d o 原型车上开发的转速合成混合动力样车及丰田的e f o u r 牵引力合成混合动力 汽车。其主要特点为：。 1 ) 车辆最大功率相当于发动机加上电动机的输出功率之和，可以降低发动 机的排量和电动机的功率，降低成本和动力系统体积。 2 ) 发动机的工作不受汽车行驶工况的影响，总可以处在高效率状态下运行 或者自动关闭，实现环保和节能。另外配有专用电动机发动机发电系统，对电 池的依赖较少。 3 ) 为了保证各个动力系统协调工作，对控制器的要求增加，中央控制器和 动力分配器机械传动系统均很复杂。 2 1 4 各种类型混合动力汽车能量转化 图2 5 表示了，不同类型的混合动力汽车的机械能和电能转化的比例。从 图中明显的得到以下结论：串联型基本上把发动机产生的机械能全部转化为电 能加以利用，其转化程度可达1 0 0 ；并联型由于发动机产生的部分机械能直接 1 1 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 图2 5 混合动力的不同类型 参与驱动汽车，其转化程度低于串联型；最 少的是n 讧a i s g 型的轻度混合型。混联型 中，电动机起起动发动机的作用，并兼有串 联和并联型的运行模式，其发动机直接用于 驱动汽车的能量占多数，例如p r i u s 中占 7 2 ，故其转化程度介于并联型和1 m a i s g 。 其中把i m a i s g 单独列为一个类型，因为它 在结构上，属于串联型式，在能量转化方面， 其比例远远小于串联型。而且作为发动机的 辅助机构的起动机发电机电动机一体化 技术，是制造成本最低，最容易实现批量化 产生的轻度混合动力汽车。 简单叙述i m a i s g ( i n t e g r a t e dm o t o ra s s i t i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ) 。在 这种系统中，电动机取代原有的飞轮，直接与发动机曲轴相连，通过i m a i s g 实现汽车的自动起停、功率补偿和制动能的回收。由于发动机具备怠速停功能， 有利于改善城市大气环境质量和减低汽车燃油消耗。其基本的控制策略为：在 一般情况下，汽车由i m a i s g 电动机起动，当电动机转速到达设定值时，发动 机启动，电动机关闭，汽车由发动机单独驱动；当汽车节气门全开加速时，则 由发动机和电动机联合驱动；当汽车匀速行驶时，如果电池组电量低于下限时， 发动机的一部分功率通过i m 刖i s g 向电池组充电；当汽车减速制动或下坡缓行 时，i m a i s g 充当发电机向电池组充电。 2 2 本课题混合动力轿车设计要求 本文的课题来源为上海市教委的资助项目“混合动力轿车核心技术研究”， 结合项目的要求，本文将上海大众汽车有限公司生产的桑塔纳2 0 0 0 型轿车作为 混合动力汽车的开发平台“3 ( 原车主要的一些性能参数如表2 1 所示) ，要求改 造后的混合动力车型能基本保持原有的动力性能和排放性能，燃油经济性则有 所提高，具体要求为： 1 ) 最高车速达到1 6 0 k m h ，0 l o o k m h 加速时间小于1 3 5 s ，并保证各种车 速下的加速性能基本保持不变； 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 2 ) 燃油经济性提高2 0 3 0 ； 3 ) 尽可能地保持原有的车辆结构和零部件，以利于对在用车进行改造和车 辆的维修； 4 ) 作为对行驶方式的一种补充，本文课题组对车辆纯电动时的续驶里程提 出了要求。 表2 1 桑塔纳2 0 0 0 型轿车( 型号s v w 7 1 8 2 c f i ) 的主要配置参数 内燃机型号水冷直列四缸电喷式汽油机 排量 1 7 8 1l 内 缸径行程8 1 0 1 8 0 4 m 燃 额定功率7 4 k w 5 2 0 0 r p m 机 额定扭矩1 5 5 n m 3 8 0 0 r p m 经济比油耗2 8 5 9 k w h 怠速转速8 0 0 r p m 5 0 r p m 型式五档全同步手动变速器 变 档位数5 个前进档和1 个倒档 速 主传动比 i o = 4 1 1 1 器 速 前进档速比1 1 _ 3 4 5 5 ，1 2 = 1 9 4 4 ，1 3 = i 2 8 6 ，1 4 = o 9 6 9 ，15 = 0 8 0 0 比 倒档 i r = 3 1 6 7 车辆整各满载质量 11 4 0 k g 1 5 6 0 k g 迎风面积( m 2 ) 1 9 6 风阻系数 0 3 6 7 滚阻系数 6 0 0 0 1 38 0 0 0 1 3 91 0 0 0 0 1 4 8 1 2 0 0 0 1 5 5 1 4 0 0 0 2 11 6 0 0 0 2 5 ( 车速系数) 燃料箱容积 6 0 l 厅车制动前盘后鼓 1 9 5 6 0 r 1 48 5 h 无内胎子午线轮胎 车轮轮胎规格 ( 车轮半径为0 2 9 5 m ) 1 3 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 根据上海市车辆运行条件试验研究结果，上海市市民最常见的出行里程为6 公里，因此我们对车辆动力系统的设计又提出了这样的要求：按低速市区行驶 循环行驶时，车辆应能够纯电动行驶6 公里以上，且动力性能应能基本满足行 驶循环曲线要求。 2 3 混合动力系统选型策略分析 混合动力系统中的动力元件主要有发动机、电动机、发电机和蓄电池。发 动机和电动机功率可以直接叠加合成驱动力。发电机转换能量，蓄电池存储和 提供电能。混合动力系统中电动机可以四相限运行，即可以以发电机形式工作， 因此部件选型主要是指内燃机、电动机、发电机和蓄电池的选择，下文所述为 采用的一些基本方法。 2 3 1 内燃机和电动机功率需求确定的策略 混联式混合动力系统基本的控制策略是用内燃机提供车辆稳速行驶( 在车 辆行驶过程中很少出现真正意义上的稳速行驶，本文所言的稳速都是指车速变 化较小的一种行驶状态) 的功率。1 ，用电动机提供加、减速时额外需要的功率。 从车辆行驶的功率平衡方程，式( 2 1 ) 考虑。 尸：三f 蹩：丝+ 塑! ! ：生+ 鱼：生：杰+ ! ：竺：丝s 生)( 2 1 ) r r 3 6 0 0 3 6 0 07 6 1 4 03 6 0 0d t 。 大部分行驶循环测试工况曲线中不考虑坡度阻力，忽略上式中的第二项。 因此行驶过程中内燃机和电动机应各自提供的功率只、另应分别如式( 2 2 ) 和 式( 2 3 ) 所示。对于内燃机和电动机额定功率的确定要求不小于其对应的理论 最小值。可以看到，内燃机功率主要与行驶循环中的最高车速有关，电动机额 定功率则主要与车速与加速度乘积的最大值有关。 只：土( 塑：丝+ 刍二墨：乌( 2 2 ) 1 坼3 6 0 0 7 6 1 4 0 只；土t ! ：竺迅* 生：! ：竺s 。+ 塑( 2 3 ) o r 3 6 0 0d t 1 0 0 0 4 珊d t 1 4 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 理论计算内燃机的最大功率置对应于其在最高转速时候输出的功率，考 虑到一方面内燃机的最大功率( 即标定功率) 点的转速通常低于其最高转速， 另一方面最高转速附近通常不属于内燃机的燃油经济性和排放性能较好的区 域。此外，还需考虑车辆在一定坡度上行驶工作，因此根据运行条件实际选择 的内燃机的标定功率) 置一。 选用电动机的额定功率p m ，要根据电动机的性能特点来定，一 般电动机的峰值功率为额定功率的2 - 3 倍，因此： 11 = ( 二三) 4 昂。 j 二 参考有关资料“1 ，由于某些原因，根据行驶循环或车辆运行条件调查结 果按上述方法计算得到的内燃机和电动机功率会偏小，此时应根据最高车 速、加速时间和最大爬坡度要求进行修正。 2 3 2 发电机功率需求确定的策略 行星齿轮动力传输装置的核一i i , 作用是对发动机动力进行合理的分配，即部 分动力直接用于车辆的驱动，其余通过发电机转化为电能存储于蓄电池中。 r * 互一i + 瓦 n 。+ p 4 ；( 1 + p ) + 以 只= 9 5 4 9 + i + n g ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式( 2 4 ) 说明在动力传输装置中可用发动机动力的分配，无为发动机当前 工作点产生的转矩，乃和乃分别为分配给发电机和驱动轮的转矩。通过行星齿 轮三个基本构件的一般转速关系式，式( 2 5 ) 和功率与转矩转速的关系，式 ( 2 6 ) ，就可以确定发电机的功率。发电机在性能上相似于电动机。这里不再 赘述。 2 3 3 蓄电池容量和功率需求确定策略 蓄电池的最大功率p k 应该同时能够满足电动机最大功率输出和发电机最 大输入的要求，即 1 5 第2 章混合动力汽车的总体方案设计 抛吲去，去 q 7 当然发电机的功率还受到充电电流的影响。具体公式表达如式( 2 8 ) 所示。 严一。5 名吼8 - - k 屯一一( 2 8 ) i e 一，= 最一。；一l 。z l 。一 上两式中f k 、町。分别为电动机的输出功率和效率，b 、, t g 分别为发电机 的输出功率和效率，露w 为蓄电池的放电效率。刁6 c 为蓄电池充电效率，。壤一为 蓄电池最大充电功率，k 分别为蓄电池的充电工作电流。 蓄电池的容量则要根据车辆运行条件和使用的混合动力系统控制策略来确 定。如果对纯电动行驶没有特殊要求，则要求在有利于提高工作效率和寿命的 蓄电池荷电状态s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 区间内的电量能够满足行驶循环或车辆 运行条件下的电能需求。一定工作过