混合动力电动汽车传动系统匹配与优化毕业论文.doc

混合动力电动汽车传动系统匹配与优化毕业论文第一章 绪 论1.1课题的研究背景及意义从汽车发明到现在,不过短短的100年时间,回顾这100年的历史,可以看到汽车扮演了促进经济发展和社会进步的重要媒介,汽车工业己成为世界和各国经济发展的支柱产业。汽车工业的发展涉及许多产业部门的发展,带动了石油化工、钢铁冶金、机械制造、有色金属工业、橡胶工业、纺织工业、电子工业等的发展并促进了城市的市政建设,以及与汽车相关的服务业的发展。汽车是现代文明的重要组成部分,一百年来的科学技术与文化的成果,都融进到汽车技术之中,从而使汽车成为人类智慧的结晶。随着汽车保有量的增加,汽车速度的不断提高,高速公路网络的日益发达,小汽车进入家庭的范围不断拓展,极大的改善了人们的生活,扩大了人们的活动半径,适应了现代化工业的需要,同时,也缓解了由于工业化和城市化带来的弊端。然而,人们在享受汽车文明的同时,也必须面对汽车带来的负面影响:环境污染问题和石油能源危机问题。在本世纪的最后几十年,节能、环保、新能源等字眼越来越紧密的与汽车联系在一起,为解决环境污染问题和石油资源危机问题,研制更节能、更环保、使用替代能源的新一代交通工具,成为当今各国汽车工业界的当务之急。纯电动汽车或零排放燃料汽车无疑是我们的最终目标,但目前的电池技术阻碍了电动汽车的发展和应用,专家们估计短时间内燃料电池技术难有重大突破,电动汽车暂时还无法取代燃油发动机汽车。在这种情况下,一种两全其美的方案应运而生,即开发所谓的混合动力装置的汽车。这种汽车就是将电动能与辅助动力单元(API)组合在一辆汽车上做驱动力,这种混合动力装置发挥了燃料发动机持续工作时间长、动力好的特点,又可以发挥电动机无污染、低噪声的优点,二者“并肩战斗”,取长补短,汽车的热效率可提高10%,废气排放可降低30%。汽车行业的专家们一致认为,混合动力车将是世界汽车行业今后较长时间内主要发展方向。目前,作为曾经推动人类文明向前跃进发展的传统汽车工业正面临着严峻的挑战,摆在世界汽车工亚可持续发展面前有两大难题,即石油资源的日益匾乏和环境污染加重,这两大难题在我国表现得更为突出。传统的汽车消耗的能源几乎完全依赖石油制品,汽车保有量逐年上升使能源问题逐渐成为汽车可持续发展的一个重要因素。随着汽车工业的快速发展,汽车的保有量和年产量迅速增加,1990年全球汽车产量为1000万辆,汽车保有量为6900万辆,到1988年年产量猛增到4800万辆,保有量达到5.3亿辆。这些汽车要消耗数亿吨的石油制品,相当于全球石油产量的一半,特别是随着汽车在诸如亚洲、拉美等一些新兴的汽车市场的普及,将进一步加剧石油的消耗量,但石油作为不可再生的能源,在地球上的蕴藏量是有限的。据有关专家估计,地球上己探明的石油储藏量将在40一50年内消耗殆尽。而对我国形势则更为严峻。根据1995年的统计数字,我国石油资源可开采量仅为3.288*109吨,占世界总储量的3%,仅供我国开采20年左右,目前,我国的汽车保有量为1400多万辆,随着国民经济的飞速发展和人均收入的逐渐提高,汽车保有量将迅速增加。据统计,1990年我国在用汽车汽油消耗量为1962万吨,柴油消耗量489万吨,2000年在用汽车汽油油耗销量为5526万吨,年增长率为20%,柴油消耗量为1705万吨,年增长率为42.7%,估计到2010年,我国的汽车油耗将达8000万吨左右,原油需求达3.6亿吨左右,近一半的原油需要进口。因此,在21世纪,能源问题,特别是具有战略地位的石油资源问题,己经成为世界范围内迫切要求政府和科学工作者认真对待和优先解决的问题。另一方面,汽车对社会环境的污染也相当严重。内燃机汽车排放的废气是一种分散的流动污染源,工矿企业的排放是集中的固定污染源,后者易于控制与治理,前者往往在居民集中区排放污染物。现代城市高层建筑鳞次栉比,使汽车的排放污染物不易扩散,造成局部地区的排放物浓度过高,同时汽车排放物的高度恰好在地面附近,处于人们呼吸的空间区域,因此,它对人体的健康威胁最大。汽车尾气排放的主要污染物主要有:一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物(HC)、二氧化硫(SO2)等气体以及微粒。据估计,大气污染的60%来自于内燃机汽车。在美国排放到大气中的污染物中66%的CO、43%的Nox、37%的铅、31%的碳氢化合物、20%的微粒来在燃油汽车。在英国,交通车辆排放的NOx占50%,CO占80%以上。其他国家内燃机汽车所引起的大气污染同样严重。据北京环保部门测定,市区大气污一染在夏季的67%,冬季的3%由汽车造成。1995年6月在上海外滩,过高的汽车尾气排放污染己导致了光化学烟雾事件,城市居民中患呼吸道疾病的人数逐年上升,交通民警执勤人员的人均寿命降低,交警己成为危险的职业之一。内燃机汽车尾气排放污染己成为危害人类健康的一大公害。为此各国的汽车尾气排放法规制定的日趋严格,我国也规定在2010年实现与国际标准同步。面对环境污染和石油资源危机问题,全世界各国不得不积极开发和推广电动汽车、代用燃料汽车为主要内容的新型交通工具,即所谓的“绿色汽车”近十年来,美日等汽车发达国家和、跨过公司己在“绿色汽车”领域投入了超过100亿美元的资金,并且以每年不少于10亿美元的力度继续开发。从美国政府对新一代汽车伙伴计划(PNGV)的建立和执行的情况来看,“绿色汽车”己成为跨国汽车公司和先进工业国家战略发展的重要内容,也对我国汽车产业结构调整提供了有益的借鉴。经过对各种新能源、新燃料、新动力的探索,电动汽车成为最主要的选择之一。电动汽车主要包含纯电动汽车(即EV)、混合动力电动汽车(即HEV)和燃料电池汽车(Fuel Cell Vehiele简称FCV)。纯电动汽车是当前能满足“零排放”要求的首选方案,电动汽车运行中没有污染,如果发电厂以核能、水利、风能、太阳能或天然气为能源发电,对大气的污染会很小,而远离城市的火力发电厂对人们生存环境的影响也可以控制。在市区内行驶,电动汽车的能量效率比普通燃油汽车高40%左右；电动汽车也可以利用用电低谷时的电网富裕电能,这可以平衡电网的负载,提高电网能量的利用率。除此之外,电动汽车还具有低噪声、低热辐射、易操纵和易维护等优点。因此,人们对电动汽车寄予了厚望。然而,由于电动汽车的关键技术一电池技术的制约,电动汽车的性能价格比远远不能达到推广应用的标准。其主要障碍是:电池的能量密度极低,因此电池组的质量较大,导致电动汽车一次充电的续驶里程和动力性能无法达到目前内燃机汽车的水平；此外,电动汽车空调和暖风的使用必须充分考虑其能量消耗对电动汽车续驶里程的影响,乘员的舒适性受到限制;充电站的投资巨大,电池组价格昂贵,循环寿命有限,频繁更换电池的成本是难以接受的。这些问题在短期内难以解决,严重的限制了汽车的实用化和商业化,产业化前景并不看好。燃料电池汽车具有极高的效率,低排放、低噪音的特点,其甲醇燃料具有广泛的来源,并具有可再生的巨大优势,已成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点,被誉为21世纪改变人类生活的十大高科技之首,但产业化道路仍需要较长的时间。与电动汽车和燃料电池汽车相比,混合动力电动汽车一次性能源仍然是燃油,只是在电动机的辅佐下以更有效的方式将燃油的能量转换为机械能而已,因而具有续驶里程长。机动性强等传统燃油汽车的特点；在某些对汽车排放严格限制的地区(如环保示范区、旅游区等)可以关闭发动机,采用纯电动方式行驶成为零排放的汽车；故混合电动汽车对电池的依赖程度低,可大幅度降低蓄电池组的体积和重量,串联式混合电动汽车的电池重量仅为电动汽车电池的1/3,并联式还可比串联式再减少重量的1/3；由于混合动力汽车可以不从外部电源充电,因此可以节约大量的充电基础设施投资,所以混合动力汽车的性价比明显优于电动汽车。据丰田公司介绍,该公司生产的RVA4EV电动汽车售价为495万日元/辆,所装载的镍金属氢电池总质量达480Kg,而该公司安装镍一金属氢电池的混合动力汽车售价仅为215万日元/辆,其装载的电池总质量仅为80Kg。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,混合动力电动汽车是指由两种能源或转换器等作驱动能源,其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。根据这个定两种以上的储能义,混合动力电动汽车有很多种形式,有内燃机和蓄电池混合,蓄电池和燃料电池混合,蓄电池和超大容量电容器混合,蓄电池和飞轮混合等。为了避免混淆,专家们采用内燃机和蓄电池混合的动力来代表混合动力电动汽车。近年来,虽然许多国家都投入大量资金人力研究电动汽车,但目前为止动力电池和其它一些关键性技术还没有取得有效地突破,动力电池的续驶里程和充电时间大大制约了电动汽车的发展和普及。因此,在电池问题解决之前,如何合理地选择这些部件及有关参数,使匹配达到最优,在相同蓄电池条件下,更好地满足动力性要求和最大地增加续驶里程,一直是研究者们追求的目标。1.2国内外研究现状混合动力汽车通过内燃机和发动机的有机结合,具备了内燃机汽车加油方便、续驶里程长和纯电动汽车污染少、效率高的特点,成为当今世界汽车界竞相开发的热点。丰田的prius、本田的Insight、福特的Prodigy、克莱斯勒的ESX3、通用的Preeept、日产的Tino等都是具有代表性的车型,其中prius和Insight已是成熟的产品,并将继续扩大生产规模,其它车型也将在23年推向市场。我国也非常重视混合动力电动汽车的研制与开发,一些单位已进行了一些初步的工作,并取得了一定的成绩,国家科技部已将其作为“十五” 863重大专项内容。1.2.1国外HEV研究现状第一辆HEV是在20世纪初期由设计者将电动机和汽油发动机组合在一起而制成的。从那以后,混合驱动系统经过不断的发展己取得了相当大的进展。随着科学技术发展,HEV已发展成为汽车电力驱动、化学电源、智能控制、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新技术集成和综合的产物。在国外,汽车发达国家由于受到石油资源和环境污染的巨大压力,率先对电动汽车进行了研究,目前其混合动力电动汽车已达到了商品化程度。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型汽车。日本丰田汽车公司率先于1997年12月将混合动力型Prius轿车投放本国市场,2000年初又开始投放北美市场,并将月产由1000辆调升到月产2000辆,三年内销售了4.5万辆,产品出现了供不应求局面,初战告捷,不仅震动了全球汽车厂商,而且也大大鼓舞了丰田汽车公司的全体员工,丰田公司计划到2008年时,混合动力汽车达到年产80万辆,据国外专家预测在未来的十年内,可能有40%的汽车均将采用混合动力技术。除了丰田公司以外,本田公司也已投产Insight混合动力汽车。在美国环保总署评为2003年美国十大节能汽车中本田公司的Insight混合动力汽车第一名,第二名则为丰田汽车公司的Prius混合动力汽车。在美国,由政府动员全美所有有关的科研机构(包括军工、航天部门)来进行电动汽车的研究,目标是新的节能车必须保持现有汽车的价格和性能,并且电动汽车包括混合动力电动车的购买者享有政府提供的各项税费减免优惠。在此情形下,美国能源部与三大汽车公司鉴订了混合动力汽车开发合同(PNGV项目),其中通用和福特汽车公司各投入1.48亿美元,克来斯勒投入8480万美元,进行为期5年的研制开发工作,三大公司于1998年在北美国际汽车展上分别展出了混合动力汽车样车,迄今己开发出多种形式的混合电动动力汽车,例如克莱斯勒的ESX3、福特的PZOOO、通用的Gent等。PNGV项目在HEV性能仿真、汽车集成动力模块等技术领域取得了显著成就。在欧洲,各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车。其HEV的突出代表是法国的Berlinge,在性价比上能与一般汽车相抗衡,代表了国际实用先进水平。法国雷诺公司研制的VERT和HYMNIE两款混合动力汽车已进行了10,000公里的运行试验。德国西门子和波许(BOSCH)等著名零部件公司也积极参与大汽车公司联手开发混合动力汽车技术。1.2.2国内HEV研究现状我国对电动汽车的研究起步并不晚,但在规模上与投入力度上不能与发达国家相提并论。九十年代中期在有关专家的呼吁下,开始对混合动力电动汽车技术表示出了极大的关注,并积极着手研制开发样车,例如厦门金龙汽车公司与清华大学合作,研制了串联式混合动力中巴。现在投入混合动力电动汽茱研制工作的产、学、研单位已不下十余家,但大都规模较小,经费短缺,技术较低,技术方案大多雷同,甚至重复。2000年以来,在国家科技部部署下,成立了国家863电动汽车重大专项小组,以东风汽车公司,中科院所属的相关科研院所以及清华大学、华中科技大学等高校为主要成员单位对混合动力电动汽车展开了研制,目前已完成阶段性的成果,并有部分样车投入试运行。力争在近年内完成提高核心竟争能力,建设公共技术平台、推进商品化示范运营等一系列产业化工作。近些年来国内汽车公司也着手研发HEV。“十五”电动汽车重大专项己经开花结果,己经开发了红旗牌混合动力轿车FIG1一2Hongqi。2002年,长安公司着手研发混合动力汽车,经过4年的努力,长安公司己掌握了混合动力汽车的核心技术,建立起了19项企业标准,形成了自己的产品开发流程和项目管理模式,并推出我国首款具有实用价值的混合动力汽车长安CV9。比亚迪公司也于2007年推出他们的首款混合动力电动汽车F3DM。这些HEV开发的成功,使我国HEV技术跃上了一个新台阶,标志着我国的HEV技术达到了新的水平。1.3 HEV 关键技术的研究HEV的关键技术包括车身结构设计、发动机的设计、电机及其控制技术、储能元件、动力系统参数匹配、多能源控制策略以及HEV的仿真技术。只有将这些关键技术合理运用到一起才是HEV能够推广的关键所在。1.3.1 车身与结构设计HEV车身的设计有两种基本方法，一种是改造现有车辆，二是针对不同技术要求进行专门设计。根据原有车辆进行改装，就是要在原有燃油汽车的结构基础上，增加一套储能元件-电动机驱动系统。由于可以采用原有的汽车底盘，对于小批量的生产和试验而言，这种方法确实比较经济实惠，但对于绝大部分改装汽车而言，自重过大、质量分配不均等缺点是其难敌克服的，而且会对汽车的动力性能产生负面影响。HEV大部分有特定的设计目的，这种特定设计的车型使得HEV与改装车相比有很大的优势，它使得设计者可以灵活地布置和整合各子系统，使之能够高效地运行。与传统燃油汽车相比，HEV由于有发动机和电机两套驱动系统，所以在结构设计方面相对灵活。1.3.2 发动机技术概述发动机是HEV的主要动力源，要求其燃油经济性好、排放低。经过一个多世纪的发展，车用发动机在动力性、经济性以及排放方面有了很大的改进，特别是近年来增压中冷、电控燃油喷射、排气再循环、高压共轨、可变进气涡轮、和催化后处理等技术的研制，使得发动机的性能较之以前有很大提升。作为一种非常成熟的动力元件，发动机在HEV上的应用难度不大。1.3.3 电机及其控制技术纯电动车对驱动电机的要求与串联式系统相似，电机要求体积小、效率高、有较好的控制性能。在并联和混联式结构系统中要求电机能够适应频繁的起停和电动/发电状态的切换。在并联系统轻度复合的结构中，对电机功率要求不高，可采用与发动机曲轴同轴的布置结构，进一步减小了电机的体积和重量。1.3.4 储能元件为了提高HEV动力系统的能量利用率和整车的动力性能，在选择合适的辅助动力元件的基础上，还需要装备比能量密度较大、而且能够瞬时提供较大功率的储能元件。目前应用较多的主要有铅酸电池、镍氢电池、铿离子电池和超级电容等。现在的超级电容表现出的储能密度为每千克5至6瓦时。超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的比表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。1.3.5 动力系统参数匹配（1）根据性能指标和整车参数的设计要求，合理运用汽车理论的相关原理、公式计算各动力系统主要部件的参数。（2）在工况分析的基础上对电动汽车进行设计是一种比较成熟的方法，工况分析的主要项目包括：典型工况、特殊工况和工况适应性分析。工况分析的目的是获取车辆能量和动力的需求，根据车辆的能量和动力需求分析可以得出动力系统的系统能量和动力性能的最低需求，并对其各主要部件提出合理的参数要求，设计出符合使用条件的车辆。（3）常见的是以仿真软件ADVISOR为平台，针对混合动力系统的各主要元件，建立相应的模块，通过仿真确定各动力元件的参数，并判断其对整车性能的影响。1.3.6 多能源控制策略HEV与传统汽车相比最大的改进就是动力源的增加，这就导致了在HEV中能量流动方向的多样性。多能源控制策略的目标是解决HEV行驶过程中所需的功率和能量何时或用何种方法由车上何种形式的动力源来提供能量的管理策略问题。控制策略是 HEV 的根基，因为其直接控制着能量在车辆内部的流动方式，从而对车辆的动力性、经济性以及排放指标产生影响。1.3.7 HEV 的仿真技术在研究和开发HEV的部件以及选择最佳系统构型时，要求设计者能够尽可能的缩小研究范围，缩短研发周期和减少成本的投入，找到技术的关键点。在选择技术方案时，采用计算机对混和动力系统和各部件进行建模和仿真，通过其性能分析进一步对系统进行评估。仿真技术的应用，大大降低了产品的研发成本，缩短了研发周期，是HEV技术发展的一个重要环节。第二章 混合动力汽车驱动系统方案研究混合动力车辆的定义为:“在特定的工作条件下,可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。其中至少一种存储器或转化器要安装在汽车上。混合动力电动汽车至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。”混合动力汽车驱动系统是指汽车上所有的用于存储、转化和传递能量并使汽车获得运动能力的部件的总称。主要包括车载能源、原动机和传动系统三个部分。车载能源是在驱动系统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的总称,由能源存储系统或能源存储和转化调节系统组成,例如油箱。原动机是指驱动系统中用于把其他行驶的能量转化为可以直接驱动车轮转动的机械能的装置,比如普通车辆上的发动机,纯电动汽车上的电动机等。传动系统是用于传递和调节原动机输出机械能,并输送给车辆驱动车轮,实现车辆正常行驶的所有部件的总称。主要包括离合器、减速/变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴以及驱动车轮等。目前混合动力电动汽车根据驱动系统配置和组合方式不同,主要分为串联式、并联式和混联式。本章接下来将系统介绍三种驱动形式。2.1混合动力汽车的驱动模式2.1.1串联式混合动力汽车串联式(Series Hybrid Electric vehicle,简称SHEV):串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机、电池组、驱动电动机和控制器等主要部件组成。发动机仅仅用于发电,发电机所发出的电能供给电动机,电动机驱动汽车行驶。发动机和发电机组成一个系统,当发动机发出的功率超过汽车行驶所需要的功率时,发电机发出的部分电能向电池充电,来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外,电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车,使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。在串联式混合动力电动汽车上,由发动机带动发电机所产生的电能和电池输出的电能,共同输出到电动机来驱动汽车行驶,电动机的电力驱动是唯一的驱动模式。虽然串联式混合动力电动汽车各部件的功率较大、体积和质量也较大,安装布置有很大难度,而且由于固定的连接方式,造成能量从热能到电能再到机械能的转化过程中损失较大。但发动机本身的燃油经济性高,在电池SOC较高时还可以关闭发动机,只利用电池进行功率输出,使发动机避免了低速运行工况,提高了发动机的效率。同时,发动机和车轴之间没有直接的机械连接,发动机可以始终工作在期望的工作点上,其本身的燃油经济性高,可以保持在稳定、高效和低污染的运行状态。串联式驱动系统的结构图如图2.1所示。图2.1串联式驱动系统结构串联式混合动力汽车驱动系统的具体工作模式如下:(l)在车辆起步、正常行驶或加速过程中,发动机通过发电机单独(或与电池两者一起)发出电能并传递给功率转换器,然后驱动电动机,再通过传动系统驱动车轮,其具体过程如图2.2所示。(2)在轻载运行时,发动机的输出功率大于驱动车轮所要求的功率,发电机产生的多余电能被用来向电池充电,直到电池的容量达到预定的水平,其具体过程如图2.2所示。(3)在制动或减速的过程中,电动机起发电机的作用,将车辆的动能转化成电能,并通过功率转换器向电池充电,以实现能量的回收利用,从而节约能源,其具体过程如图2.2所示。(4)在车辆停车时,司机可以根据电池的储能情况,启动发动机通过发电机和功率转换器给电池充电,以便达到车辆系统要求,供车辆运行时使用,其具体过程如图2.2所示。图2.2串联式混合动力汽车工作模式2.1.2并联式混合动力汽车并联式(Parallel Hybrid Electric Vehicle,简称PHEV):并联式混合动力电动汽车主要由发动机、电动/发电机、电池组、电机控制器等部件组成,与串联式混合动力电动汽车不同的是,发动机和电动/发电机以机械能叠加的方式来驱动汽车,可以组合成不同的动力学模式。发动机功率和电动/发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的50%100%(最大),其能量利用率高。并联式混合动力驱动系统结构中,发动机和电动机通过某种动力祸合装置同时与驱动桥直接相连接,从而使其有发动机驱动和电力驱动两套驱动系统,两者既可以单独驱动车辆,也可以共同驱动车辆。因为发动机和驱动车轮之间直接相连,发动机既可以通过传动机构驱动车轮,又可以带动电动/发电机发电,给电池组充电,但发动机的运转受到驱动工况的影响较大。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用,被称为电动/发电机组,它可以用来平衡发动机所受的载荷,使其能在高效率区域工作。电动/发电机驱动主要用于中、低速的城市路况行驶,在加速和爬坡时配合发动机共同驱动车辆,大大提高了汽车的加速性能和爬坡性能。并联式驱动系统的结构如图2.3所示。图2.3并联式驱动系统结构并联式混合动力汽车驱动系统的具体工作模式:(1)在车辆起步过程中,发动机和电动机两者可以单独工作,也可以同时工作驱动汽车运行；在节气门全开的加速行驶过程中,发动机驱动和电力驱动两套驱动系统共同驱动车辆,其具体过程如图2.4所示。(2)在车辆正常行驶过程中,根据车辆系统的需要,可仅仅由发动机提供必需的功率以驱动车辆运行,而电动/发电机系统保持脱离工作的状态,以达到节省能源的目的,其具体过程如图2.4所示。(3)在车辆减速/制动过程中,电动/发电机系统起到发电机的作用,并通过功率转换器向电池组充电,以实现能量的回收利用,从而节约能源,降低了成本,其具体过程如图2.4所示。(4)在车辆轻载运行过程中,发动机的输出功率大于驱动车轮所要求的功率,发动机一方面驱动车辆正常行驶,另一方面向电动/发电机组提供一部分功率,通过功率转换器向电池组充电,直到电池的容量达到预定的水平；同时,若有必要在车辆停止运行时,发动机也可以运转向电池组充电,完成储电准备。其具体过程如图2.4所示。图2.4并联式混合动力汽车工作模2.1.3混联式混合动力汽车混联式(Series Parallel Hybrid Electric Vehicle简称:SPHEV):混联式混合动力汽车动力系统,在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比,它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比,它增加了电能的传输路线。因此,它具有更多的工作模式。混联式混合动力汽车的驱动系统综合了串联式和并联式两种驱动系统的优点,具有最佳的综合性能。其最大特点是在汽车起步和低速行驶时,发动机可以完全关闭,仅仅依靠电动机驱动,并且在汽车停止时,电动机和发动机同时停止工作,以尽量减少能量的损耗。为了实现混联式的混合驾驶模式,发动机与发电机/电动机之间及电动机与变速器之间必须进行机械连接,目前,行星齿轮是该机械连接最好的装置之一。其中,太阳轮与发电机相连,齿圈与传动装置相连,行星架与发动机相连。动力从发动机输出到与其相连的行星架,行星架将一部分动力传给太阳轮经发电机转化为电能,另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。目前,世界很多汽车公司都在试图生产混联式混合动力汽车。现在将丰田混联式混合动力汽车Prius的驱动系统结构表示如图2.5所示。图2.5丰田混联式驱动系统结构混联式虽然集中了串联式和并联式的众多优点,但该系统结构复杂,布置方式将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件,组成结构大,布置相当困难。这种模式的系统结构有待进一步优化、控制策略有待进一步发展。混联式混合动力汽车驱动系统的具体工作模式:(l)在车辆起步/轻载运行时,发动机关闭,蓄电池单独工作提供车辆行驶所需的动力,其具体过程如图2.6所示。(2)在节气门全开车辆加速行驶时,发动机、蓄电池和发电机同时工作,共同分担车辆行驶所需的动力,其具体过程如图2.6所示。(3)在车辆正常行驶时,蓄电池关闭,发动机工作,提供车辆所需动力,其具体过程如图2.6所示。(4)在车辆制动或减速行驶时,电动机工作于发电机模式,通过功率转换器给蓄电池组充电,以实现能量的回收利用,从而节约能源,降低了使用成本。其具体过程如图2.6所示。(5)在车辆行驶时,根据车辆系统的需要,如果蓄电池需要充电,发动机一部分动力用于驱动车辆,另一部分动力由发电机经功率转换器给蓄电池充电,直到电池的容量达到预定的水平,其具体过程如图2.6所示。(6)在车辆停止时,司机可以根据电池的储能情况,启动发动机通过发电机和功率转换器给电池充电,以便达到车辆系统要求,供车辆运行时使用,其具体过程如图2.6所示。图2.6混联式混合动力汽车工作模式2.2动力系统选型2.2.1选型策略基于上述对不同动力系统特点的分析,在选型策略基于上述对不同动力系统特点的分析,在动力系统选型中动力系统选型中应着重考虑以下的几个因素:(1)使用条件:HEV的动力系统一般基于特定的工况设计,这是因为多数动力系统对工况比较敏感,工况不同性能差异很大,只有在特定的工况下才能充分发挥低油耗、低排放的特点。(2)性能要求:不同类型的HEV之间差异十分明显,在选型时必须对动力系统结构引发的性能差异给与充分的关注。如果对经济性要求苛刻,就必须选择配有峰值功率调节器的结构型式,串联式则难以成为合适的选择。(3)技术条件:所谓技术条件,除研究开发的条件和力量外,还包括工业基础。强调工业基础是因为对一些常见的动力系统的部件,我国产品的水平还不能满足适用的总体要求或尚无法生产。进行实际的产品开发总会有一定的进度要求,如果技术条件无法保一证,就难于实现开发目标。(4)开放性:开放性是指动力系统需要进一步的完善空间产品性能续需要有一个逐渐完善的过程,同样开发工作也不可能一步到位,也需要不断进行完善。在具体开发工作中应遵循从简单到复杂、从易到难得思路,先选择对技术条件要求较低、相对简单的结构进行开发。(5)成本使用和维护费用:动力系统的结构对HEV的成本影响很大,这是因为不同动力系统对部件的种类、数量和性能要求差别很大。而部件的种类、数量和性能指标是影响HEV的主要因素。选型时还应考虑使用、维护费用,结构越复杂,故障率越高,使用和维护费用也越高。价格及使用维护费用直接关系道HEV的产业化,如果不能产业化,就不能为进一步开发提供必要的资金,也就难以促进技术水平的提高和改善。事实上,性能优良但因价格过高而无法商业化、甚至被迫放弃的HEV开发实例并不鲜见,我们不应重蹈覆辙。因此HEV的选型策略可以概括为:综合协调系统性能先进性、技术复杂性和成本和维护费用之间的关系,根据车辆的使用条件和自己的技术条件,选择既能够满足一定的性能先进性,又不超出目前技术条件,并且价格和维护费用能为市场所接受的动力系统结构类型。2.2.2动力系统选型结果基于上述对混合动力系统的分析,和我国HEV目前发展的现状,建议加强对并联式HEV的开发与研究。并联式混合动力车除了具有较好的综合性能外,还避开了类似于丰田Prius方案的复杂的动力分配器的设计与控制问题,而把重点放在我国己有的发动机设计与控制技术、电机及其控制技术、蓄电池及其能量管理技术、变速器控制技术、ABS技术的集成与提高上面,可以比较快的推出具有竞争力的车型。第三章 并联式混合动力汽车动力系统参数初步匹配PHEV动力系统主要部件参数有发动机功率、电机功率、镍氢电池容量和传动系参数，合理匹配以上参数关系到整车动力性、经济性以及排放性能。具体匹配原则如下：(1)发动机的参数选择要保证其能够单独驱动汽车，并能够使汽车正常运行。(2)电机的参数选择要满足汽车加速或爬坡时的动力要求；电机的高效区要处于发动机的经济区。(3)在汽车正常运行的前提下，镍氢电池充、放电电流不能超过其允许范围。(4)整车各部件质量总和最小化；性能提升；性价比最大化。3.1 混合动力客车基本参数和性能指标3.11 整车基本参数表3-1 PHEV的整车基本参数序号项 目参数和指标1整车整备质量（kg）19352最大总质量（kg）24903前轮距（mm）15624长宽高（mm）4576185016815轴距(mm)27076车辆迎风面积（m2）2.07滚动阻力系数0.0158风阻系数0.419最小离地间隙(mm)17510接近角（）14.411离去角（）16.2512质量分布（%,前/后）58/423.12技术要求(1)城市工况UDDS下能够实现纯电动工作模式，并且纯电动续驶里程不少于32km 。(2)0100km/h加速时间少于11.2s 。(3)车速在100km/h的最大爬坡度大于7.0% 。(4)最高车速大于160km/h 。(5)高速工况油耗小于8.8L/100km ,城市工况油耗小于11.3L/100km 。3.2 发动机单独驱动模式下发动机参数匹配本车要求在没有电机辅助驱动下仍然能够正常运行，则发动机参数匹配与传动汽车匹配一样，具体匹配过程如下：3.2.1 发动机最大功率和相应的转速 根据所设计汽车应达到的最高车速（km/h），用下式估算发动机最大功率： (3-1)式中：为发动机的最大输出功率,KW；为整车总重量，kg；为重力加速度，N/kg；为滚动阻力系数；为空气阻力系数；A为迎风面积，；为整车传动系效率；为车辆的最高车速，km/h 。取车速 =160km/h ，并把整车的参数代入式(3-1)中得：= = 66.35 KW由式（3-1）和表3-1可以计算得到满足最高车速要求下发动机功率为66.35KW 。因为此车是混合动力轿车，而且使用的是汽油发动机，所以根据参考资料可选择=5750r/min 。又因为本车没有给定具体最高车速，所以用满足在车速=100km/h最大爬坡度要求的功率来修正由式（3-1）所得发动机最大功率。3.2.2 满足最大爬坡度的功率需求汽车的最大爬坡度是指在汽车满载车况下，在良好路面上匀速行驶所能爬上的最大坡度。这种情况下，整车动力系统除克服滚动阻力和空气阻力外的其他驱动力全部用来克服坡度阻力，此时其加速阻力可忽略不计。因此，当汽车总动力满足最大爬坡度要求时，其输出功率为： (3-2)取=100km/h，并把整车的参数代入式（3-2）中得： = 75 KW 经修正的75KW3.2.3 发动机最大转矩及相应转速一般使用下公式来计算： (3-3)式中：发动机最大转矩，Nm ； 为转矩适应性系数（1.11.3）； 为最大功率转速，r/min 。 取 =1.2，=2100r/min ，计算得： Nm 要求与之间有一定差值，如果它们很接近，将导致直接档的最低稳定车速偏高，使汽车通过十字路口时换挡次数增多。因此，要求/在1.42.0之间选取。根据此关系可得=28754107r/min 之间。参考相似车型及根据经验可暂定此车所需要功率为75kW，再考虑到发动机还要有10%的裕量功率，以及车载电器（空调，娱乐设施等）对发动机有10KW的需求，可得此车发动机需求功率为100KW。参考市场上现有型号发动机最后可选择功率为102的奇瑞SQR48F汽油发动机。其技术参数详见表3-2。表3-2 发动机参数型 号奇瑞SQR48F排 量1.971L标定功率102KW(5750r/min)最大扭矩182 Nm(43004500r/min)3.3 传动系参数匹配传动系参数主要是指变速器和主减速器速比。整车的最大爬坡度决定了最大速比，而整车的最高车速则制约了最小速比。当汽车以常用的车速匀速行驶时，尽可能保证发动机处于高效状态。3.3.1 主减速器速比的确定的选择首先应满足车辆最高行驶速度要求，即： (3-4)式中：为发动机最高稳定转速，r/min ； 为车轮滚动半径，m 。取=5750r/min , =0.3322m , =160km/h ,经计算得： 为了保证车子在最高车速时，发动机仍能发挥出最大功率，的选择还应满足： (3-5)其中，=4850r/min，经计算得： 根据以上所得范围及参考其他车辆选择：主减速比为：= 4.2183.3.2 最小传动比的确定最小传动比可以依据发动机单独驱动车辆时，最高车速的功率平衡点来进行计算，即当最高车速达到100km/h时，此时发动机工作在最大功率点。 (3-6)所以， (3-7)根据表3-1以及其他已知数据可求得：3.3.3 最大传动比的确定 最大传动比是变速器的头档速比与主减速比的乘积。该速比要满足以下两方面的要求。（1）满足最大爬坡度的要求：汽车想要达到最大爬坡度时，车速必然较低，此时可忽略空气阻力，最大传动比应满足： (3-8) 所以， (3-9)由技术要求可知，=100km/h , ,代入已知参数可得： = 6（2）满足附着条件的要求，即牵引力要小于附着力: (3-10)式中：为前驱动桥质量，kg； 为附着系数。所以， (3-11)其中，=249058%=1444.2kg,=0.7,代入已知参数可得：由计算结果可知，当发动机单独驱动时最大传动比应该处于672.8之间，但是实际运行中的是发动机和电动机共同驱动的，所以最大传动比要满足发动机、电动机混合驱动时的附着条件。综合上述，=13.72。3.3.4 变速器档位数以及各档传动比的确定变速器档位的多少主要从整车动力性能、燃油经济性、操控稳定性和结构复杂程度等方面进行考虑。档位数越多会使发动机更长时间工作在高功率区内，提高了发动机的功率利用率。这样既增加了车辆的动力性，也加大了发动机工作在低油耗区的可能性，提高了燃油经济性。但是由于档位的增加会使变速器结构变得复杂，特别是操纵机构会很复杂。所以在选择变速器档位数时应综合考虑这两方面的因素。根据表3-1参数，本文设计变速器档位数为5档，且各档比以等比级数分配。因为应用等比级数分配传动比的变速器在换挡过程中，发动机总是在同一个转速范围内工作，因此驾驶起来就方便多了。其次按等比级数分配传动比的的变速器在换挡过程中可以充分利用发动机提供的功率，提高汽车的动力性。根据以上分析，设计各速比如下表：表3-3 挡位数及其传动比一挡二挡三挡四挡五挡倒挡3.242.091.481.161.002.783.4 电机参数匹配由前面可求得此车的发动机需求功率为102KW。并选择了功率为102KW的奇瑞SQR48F发动机。根据奇瑞SQR48F外特性图我们分析可得如下结果：(1)发动机在27603910r/min的范围内油耗比较低，在3220r/min时达到最低油耗；(2)在此转速范围内发动机功率在6394KW内变化。在3220r/min时发动机功率为=75KW,完全能满足此车正常行驶功率需求；(3)在上述转速范围内，发动机的扭矩基本不变，而且输出最大扭矩；(4)在上述范围内发动机的和值都处于相对较低的范围，有利于发动工作性能和寿命。通过上面分析可得：如果发动机在任何工况下都能在上述转速范围内工作，则发动机经济性很好，且动力性也很好。基于上述分析则初步可以确定电动机的功率=102-75=27KW。3.5 超级电容的参数匹配超级电容容量的选择并非容量越大性能就越好，超级电容的容量越大，其储能能力自然就越强，汽车持续爬坡和加速能力也就越强。但如果超级电容容量越大，重量也就会随之变大，会影响到汽车的动力性能，所以，确定超级电容的容量要注意权衡以上一些因素，做到同时兼顾汽车的动力性要求，又要满足其提供电功率的需要。超级电容的参数主要包括两个方面：功率和容量。功率通过电动机的参数可以计算出。容量一般根据设计要求以及在特定循环工况下计算得出。本文匹配根据电动机的主要功能城市工况UDDS下能够实现纯电动工作模式，并且纯电动行驶里程不少于32km来进行计算。3.5.1 功率的确定超级电容的功率设计相对简单而直接，主要满足电机的输入功率需求，即 (3-12)式中：；为超级电容功率，KW； 为电动机额定功率，KW； 为电动机效率。取=27KW，=0.9，代入式3-12得： 3.5.2 容量的确定假设在城市工况UDDS下纯电动行驶时，电机一直以功率=2.2KW运转，则有如下计算公式： (3-13) (3-14)式中：E为电容容量，KWh； T为行驶时间，h； S为纯电动最大行驶里程，km； 为UDDS下平均车速，km/h。由式3-13和3-14可求得： (3-15)取=20km/h，代入数据得： 3.6 本章小结本章确定了并联式混合动力传动系中各个部件的参数匹配原则和计算方法，并结合混合动力汽车整车参数和性能指标，进行了动力力参数匹配和计算。第四章 并联式混合动力汽车传动系统的仿真分析4.1汽车仿真软件ADVISOR的介绍如今汽车设计技术的最大特点是计算机模拟在汽车设计中的大量应用，它不仅缩短了新车型的研发周期，还可以验证、评价新颖设计方法的合理性、有效性，如应用于HEV技术开发方面的仿真软件有：美国国家再生能源实验室开发的高级汽车仿真器ADVISOR、Argonne国家实验室开发的MARVEL和DURHAM大学开发的JANUS等。其中，ADVISOR是目前使用者数量最多的HEV仿真软件，它是基于Matlab/Simnulink平台所开发出来的混合仿真软件，主要可分为前向仿真与后向仿真方法。ADVISOR通过设计者所建立的物理模型，结合各种行驶工况和经过测试的各总成来建立的实际的或研发的HEV模型。仿真软件ADVISOR具有以下一些特点:(1)估算所设计混合动力汽车在各种循环工况下的的燃油消耗以及排放；(2)对传统汽车、混合动力汽车和纯电动汽车的能量利用与损失进行评估；(3)判断混合动力汽车控制策略是否可以控制参数优化匹配；(4)建立以燃油经济性或动力性最大化为优化目标的汽车参数，如速比。另外，ADVISOR 软件界面介绍，界面主要分为三大部分：(1)整车参数设定界面：该界面如图4-1主要用于整车所有参数的设定，包括整车、发动机、三元催化剂、电动机、变速箱、扭矩合成器、车轮和附件等车辆系统。这些参数的设定是通过MATLAB的M文件来实现，所有数据都是通过产品的出厂标定得到的。软件主要是基于MATLAB语言的GUI(Graphical User Interface)编程实现，零部件的数据M文件，通过MATLAB中脚本文件的调用，使各个主程序的调用运行。图4-1 整车参数设定界面(2)仿真工况参数设定界面：该界面如图4-2主要用于行驶工况的设定、标准测试工况、SOC的校正算法以及控制变量的优化，循环工况行驶的次数等与工况相关的设定。用户应定义仿真项目：1）仿真工况：提供道路循环、多重循环和测试过程三种仿真工况来仿真车辆的性能；2）加速度性能仿真：该功能可以仿真以三组从初速度加速到末速度所需要的最短时间、某一时间段内车辆行驶的最大距离、行驶某一段距离所需要的最短时间、最大加