（动力机械及工程专业论文）plugin并联式混合动力客车动力总成的设计与研究.pdf

摘要 在国家提倡节能环保 发展新能源汽车的大背景下 以节能和环保为特点 的替代传统汽车的燃料电池电动汽车 纯电动汽车 等新型车辆成为汽车研发 的热点与方向 其中尤其以混合动力汽车的研究和产业化发展速度最快 本文通过介绍和比较几种形式的混合动力汽车 肯定了并联式混合动力汽 车的突出优势 在并联混合动力汽车中 动力耦合方式是其中的难点部分 耦 合方式的选择和控制策略的制定影响整车的动力性和经济性 现有的并联混合 动力汽车有两种耦合方式 一种以日本丰田公司的p m i s 并联混合动力汽车为典 型代表 它采用行星齿轮机构 其主要优点是空间尺寸紧凑 另外一种方式是 将发动机 离合器 电机 动力耦合装置和变速器分开 发动机和电机通过耦 合装置进行力矩合成 其主要缺点是传动机构零件多 传动系布置困难 本文在比较以上两种方式的基础上 设计了一种新的耦合装置 将发动机 和电机通过离合器结合在一起 电机和变速箱做成一体 这样减少了传统并联 耦合方式中电机和变速箱之间的离合器 使其结构更加简化 并且其能够实现 自动换挡 介绍了该装置的换挡原理 通过电机的主动同步来完成传统汽车上通过同 步环所完成的同步过程 离合器控制方法 阐述了在本方案中离合器的使用和 传统汽车中离合器使用的不同点 并通过压力和速度控制两种方式实现发动机 和电机的平稳接合 整个装置主要通过气动方式进行控制 通过实验和实车测 试验证 整个装置具有实用价值 本论文采用插电式并联混合动力方案 这就要求增加纯电动驱动模式下行 驶距离 在本文中提出了一种以转速控制策略为基本规则的控制策略 在低速 状态下主要以纯电动模式进行工作 在汽车的时速达到规定值时 进入发动机 驱动的工作模式 发动机驱动工作模式以发动机稳态特性为基础 在发动机工 作模式下 通过控制电机的工作模式来保证发动机经济性与排放性 合理地对 发动机和电机的输出动力进行实时分配 最后利用a d v i s o r 软件在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对本方案的动力系统进行 动力性能仿真 以来验证所设计的动力系统和控制策略的设计是否正确 并利 用u g 三维绘图软件对此动力耦合系统进行三维建模 并利用a d a m s 对该动 力耦合装置的换挡过程进行仿真 为变速箱进行优化设计提供依据 在a v l 试 验台上对离合器控制装置进行验证 为将来离合器控制装置的设计和优化提供 帮助 关键词 动力耦合装置 自动换挡 控制策略 仿真 l l a b s t r a c t u n d e rt h et e n d e n c yo ft h ee n e r g ys a v i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dn e w e n e r g yv e h i c l e t h ef u e lc e l lv e h i c l e p u r ee l e c t r i cv e h i c l ea n ds oo nb e c o m et h eh o t s p o t e s p e c i a l l yt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l et ob e t h e f a s t e s ta r e a t h et h e s i si n t r o d u c e da n dc o m p a r e ds e v e r a lk i n d so fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s e x t r u d i n gt h ea d v a n t a g eo fp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e i nt h ep a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e p o w e rc o u p l i n gi st h ed i f f i c u l tp o i n t t h ec h o i c eo fc o u p l i n ga n dt h e c o n t r o ls t r a t e g ya f f e c tt h ep o w e ra n de c o n o m y n o wt h e r ea r et w ok i n d so fp o w e r c o u p l i n g s o n ei st h ep r u i so ft o y o t ac o m p a n y w h i c ha d o p t st h ep l a n e t a r yg e a r sa n d w h o s ea d v a n t a g ei si t sc o m p a c ts i z e t h eo t h e ro n ei st h a tp u t st h ee n g i n e t h ec l u t c h t h em o t o r t h ep o w e rc o u p l i n gd e v i c ea n dt h eg e a r b o xa p a r t t h et o r q u ei sc o m b i n e d t o g e t h e rb yt h ee n g i n ea n dm o t o rt h r o u g ht h ep o w e rc o u p l i n gd e v i c e i t sd i s a d v a n t a g e r e s u l t sf r o mt h ec o m p l e xt r a n s m i s s i o np a r t sa n d i t sa r r a n g e m e n t t h et h e s i sd e s i g n san e wc o u p l i n gd e v i c eb a s e do nt h ec o m p a r i s o no ft h et w o s t r u c t u r e sa b o v e w h i c hc o m b i n e st h ee n g i n ea n dm o t o rt h r o u g h t h ec l u t c ha n dm a k e s t h em o t o ra n dg e a r b o xa saw h o l e i nt h i sw a y t h es y s t e mm a k e sas i m p l e rs t r u c t u r e w i t h o u tt h et r a d i t i o n a lc l u t c ha n dc a ns h i f ta u t o m a t i c a l l y t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es h i f t i n gt h e o r yo ft h ed e v i c et h a tu s i n gt h em o t o rt o c o m p l e t et h es y n c h r o n i z a t i o ni n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ls y n c h r o n i z i n gr i n ga n dt h e c o n t r o ls t r a t e g yo ft h ec l u t c h e l a b o r a t et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec l u t c h i nt h i s s v s t e ma n dt h et r a d i t i o n a lo n e st h a ta c h i e v et h eu n i t eo f t h ee n g i n ea n dm o t o rt h r o u g h p r e s s u r ea n ds p e e dc o n t r 0 1 t h ew h o l ed e v i c ei s c o n t r o l l e db yg a sa n di ti st e s t e d t h r o u g he x p e r i m e n ta n do n b o a r dt e s t t h et h e s i sa d o p t st h ep l u g i np a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cp r o j e c tw h i c hm e a n st h a ti t s h o u l di n c r e a s et h ed i s t a n c eu n d e rt h ep u r ee l e c t r i cm o d e t h ea r t i c l ep u t sf o r w a r da c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h es p e e dc o n t r o lt h a t i nt h el o ws p e e dc i r c u m s t a n c e t h e s v s t e mw o r k su n d e rt h ep u r ee l e c t r i cm o d e a n dw h e nt h es p e e dr e a c ht h er e q u i r e d v a l u e t h ee n g i n eb e c o m et h ep o w e rs o u r c ea n dt h ee n g i n ew o r k s b a s e do nt h es t e a d y 1 1 1 c h a r a c t e r i s t i cc u r v e s u n d e rt h i sm o d e b yc o n t r o l l i n gt h em o t o rp e r f o r m a n c et h e s y s t e mg i v eab a l a n c eo ft h ee c o n o m ya n de m i s s i o na n dd i s t r i b u t et h ep o w e r p r o p o r t i o no fe n g i n ea n dm o t o rl o g i c a l l ya n ds i m u l t a n e o u s l y a tl a s t t h ed e s i g ni ss i m u l a t e di nt h ea d v i s o r t ot e s t i f yt h ev a l i d i t yo ft h e p o w e rs y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g y a n dt h e3 dm o d e lo ft h es y s t e mi sm o d e l e di n u ga n dt h es h i f t i n gp r o c e d u r ei ss i m u l a t e di nt h ea d a m s t op r o v i d ep r o o ft ot h e o p t i m u md e s i g n i ti sa l s ot e s t e do nt h ea v lt e s tb o a r da n dp r o v i d e sa s s i s t a n c ef o r f u r t h e rd e s i g na n do p t i m i z a t i o no fc l u t c h k e yw o r d p o w e rc o u p l i n ge q u i p m e n t a u t o m a t i cs h i f t c o n t r o ls t r a t e g y s i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 关于论文使用授权的说明 同期 举垂绸绷 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权保 留 送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公靠论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵 r 此规定 一噼铷虢埠 1 1 引言 第1 章绪论 近年来 世界范围内空气污染只益严重 汽车所依赖的石油资源也在慢慢萎 缩 在这样的大背景下 研究丌发排放少 油耗低的新型汽车成为世界各国和各 大汽车企业的首要目标 其中 混合动力汽车 h e v h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 和纯电动汽车 e v e l e c t r i c v e h i c l e 成为世界各大汽车产业集团的研究重点 l 2 混合动力汽车 h e v 它融合了传统汽车续驶罩程长能够长距离行驶适合做长 途运输的领域以及纯电动汽车 绿色 节能 的优点 通过优化混合动力汽车控制 系统 可以使发动机和电机工作在最佳经济区 并能在适宜的情况下实现再生制 动能量回收 提高了整车的能量利用率 提高了燃油经济性 同时 大大降低了 排放污染 到了2 l 世纪 世界各大汽车企业加快了混合动力汽车的产品化进程 相继 推出了很多不同形式的混合动力汽车产品 这意味着混合动力汽车市场的在逐渐 成熟 其中最有影响的成果来自r 本的丰田汽车公司和本f f l 汽车公司 在2 0 世 纪9 0 年代木同本的丰田公司在本土第一次推出了p r i u s 混联式的混合动力电动轿 车 本田也随即推出了i n s i g h t 和c i v i c 混合动力电动轿车 3 近年来 随着我国 对环境的关注和作为大国作出的承诺 国家也很重视对混合动力汽车的研发 科 技部更是把其列为国家 十五 8 6 3 计划电动汽车重大专项的主要攻关技术之 一 投入了一大批的科研人员和大笔的研发经费 支持混合动力汽车关键技术 控 制器 控制策略 动力耦合装置等 平台集成技术以及整车和关键零部件的开 发 国家发改委在2 0 0 7 年1 1 月1 日颁布实施的 新能源汽车生产准入管理规则 为各种混合动力汽车和纯电动汽车的推广提供了政策支持 4 规则中根据混合动 力汽车的不同特点和技术成熟度 规划了混合动力汽车的推广应用范围以及条 件 1 2 混合动力汽车发展现状 1 2 1 国外混合动力汽车发展现状 混合动力汽车的优势被越来越多的人认识到 尤其是在降低排放污染和提高 燃油效率等方面的优势 因此它也开始慢慢揭开了面纱 走出了实验室 进入到 人们的视野当中 国内外企业均加强了对混合动力汽车的关注 并且加大对混合 动力车的研发力度 国外很多国家都已经开始了混合动力汽车的试验和示范运 行 其中走在前列的有法国 日本 美国 德国等 开发出了具有商品化水平的 混合动力汽车 欧洲各大汽车厂商在混合动力汽车方面的研究情况如表1 1 所示 表1 1 欧洲各大汽车公司混合动力汽车研究情况 公司年份产品 合作情况 奔驰公司1 9 8 2就开始研制各种类型混合动力汽乍 1 9 8 9 最甲 在年就开发出了混合动力轿车a u d i l 0 0 1 9 9 1 推出了第2 代产品 其电机可提供2 8 6 匹马力 奥迪公司 开发了a 4 a v a n t 混合动力汽车 由1 9 l 排量9 0 马力的 1 9 9 7 t d i 柴油机驱动和可提供2 9 匹马力的电机共同驱动前轮 推出了 济科 c h i c o 混合动力电动微型汽车 最高车 德国人众汽车公司 1 9 9 l 速为1 3 1k m h 每卣公里平均能量消耗为1 4l 汽油加上 1 3k w h 的电能 宝马 通用 2 0 0 5 两人汽乍公司开始了联合开发混合动力汽车计划 欧洲各大汽车公司更倾向于将柴油发动机或最新的汽油直喷发动机用作混 合动力汽车动力源 再通过优化混合动力的机械机构和控制策略 以来提高整车 的动力性和经济性 美国的汽车企业早在1 9 8 8 年就丌始了混合动力汽车的技术合作研究与开发 表1 2 为美国在混合动力汽车研究方面的情况介绍 表1 2 美国在混合动力汽车研究方面的情况 公司 科研院所年份产品 合作情况 成立了美国汽乍研究理事会 目标在2 0 0 0 年推出 通用 福特 戴姆勒 1 9 9 2 第一代h e v 原型车 到0 3 年可供市场需求 美政府及三人汽车企业 1 9 9 3 新一代汽车合作伙伴计划 p n g v 2 0 0 0 推出了p r o d i g y 混合动力家庭概念车 2 0 0 l 爱仕 e s c a p e 混合动力s u v 概念车 福特汽车公司 2 0 0 2 福克斯 f o c u s 新一代燃料电池混合动力轿乍 2 0 0 5 e s c a p e 混合动力轿乍 美国总统布什义提出了关于p h e v p l u g i nu y b r i d 美政府 2 0 0 6 e l e c t r i cv e h i c l e 计划 研制出称之为 t r i n i t y 的p l u g i i l 混合动力车 该车由电机和一个可烧汽油与乙醇并添加氢的小 加州大学 2 0 0 7 型内燃机驱动 低速和在4 0 英里范围内行驶时 由电池与电机提供动力 而在公路上或长途旅行 时则由汽油发动机供应附加的动力 2 武汉理l 入学硕士学位论文 日本丰罔汽车公司是一直是走在世界h e v 型汽车研发最前沿的汽车公司 他在世界上第一个推出了名为p r i u s 的混联式混合动力电动汽车 同本的混合动 力汽车的研究情况如表1 3 所介绍 表1 3 日本的混合动力汽车的研究情况 公司 科研院所 年份产品 合作情况 1 9 9 7 p r i u s 就丌始在同本销售 北美 欧洲及世界各地公 2 0 0 0 丌发售p r i u s 推出了e s t i m a 混合动力 丰田 小货车 弱混合动力的争 2 0 0 l 冠豪华小轿车和d y n a 混 合动力轻型货车 2 0 0 9 新一代p r i u s 混合动力车 推出了其独立研制丌发 2 0 0 0 本田 的i n s i g h 推出了d u a l n o t e 运动型概 2 0 0 2 念车 丰田公司的p r i u s 在同本1 啦1 5 工况下燃油经济性指标为3 5 7l 百公里 而 排放污染物包括c o 等的排放量仅相当于日本现行法规规定的1 1 0 本田公司现在主要销售的两个品牌 一个是本田 i n s i g h t 另一个是本f f l c i v i c 本田公司通过研究新型发动机来匹配混合动力汽车 以适应新的要 求 同时研发出了镍氢蓄电池等新型产品来追求动力高效化 通过采用新型的材 料降低了整车的重量 使汽车百公里油耗大大降低 所采用的新型发动机使汽车 尾气排放达到世界最严格要求的标准 4 j 1 2 2 国内混合动力汽车发展现状 国内在2 0 世纪9 0 年代未期开始了混合动力汽车的研发和产业化工作 国内 混合动力汽车的研发集中在第一汽车集团 东风汽车集团 上海汽车 长安汽车 集团和奇瑞汽车等等 表1 4 给出的是国内混合动力整车相关单位 2 1 3 武汉理工人学硕十学何论文 表1 4 国内混合动力汽车发展状况 地点单位 类型 重庆长安混合动力轿车 芜湖奇瑞混合动力轿车 长春一汽集团混合动力轿车混合动力大巴 东风汽车集团混合动力轿车混合动力大巴 武汉 武汉理工大学混合动力大巴 哈尔滨 中强 混合动力大巴 天津清源混合动力中巴混合动力大巴 博大混合动力大巴 北理工混合动力大巴 北京 北京工业大学混合动力大巴 北京交通大学混合动力垃圾清扫 运 车 同济大学 混合动力轿车 上海上汽集团混合动力大巴 比亚迪混合动力轿车 湘潭 湘电混合动力大巴 长沙长丰混合动力越野车 五洲龙混合动力大巴 深圳 明华混合动力中巴 广州华南理工大学混合动力大巴 郑州字通混合动力大巴 合肥安凯混合动力汽车 鞍山混合动力汽车 厦门金龙混合动力大巴 1 3 本课题研究内容 混合动力汽车是集成了汽车 电力拖动和电机控制 车用新能源和新材料等 高新技术 它是一个高新技术的集合体 其中的关键技术包括 蓄电池技术 电 池的使用和电池管理系统等 电机及其控制技术 动力系统的参数匹配技术 电 机和发动机的匹配与耦合方式的选择 整车的控制策略 算法的选择和多能源 管理 整车网络通讯技术 整车电气安全技术等 本文主要研究内容有以下几个方面 4 武汉理i 人学硕 学f 7 论文 1 混合动力汽车的结构类型及耦合装置介绍 主要介绍混合动力汽车的结构类型及各种耦合装置 在此基础上提出本课题 的方案 并对方案进行介绍 2 混合动力汽车动力系统的参数匹配 根据中国典型公交循环 对方案中所设计的发动机 电机 蓄电池以及传动 比进行设计计算 确定该动力系统各部件的选型结果 3 混合动力汽车动力系统建模 在分析混合动力汽车仿真建模方法的基础上 确定该混合动力汽车的后向仿 真建模方法 在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立其动力学模型 传动系模型 发动 机模型 电机模型 蓄电池模型以及整车模型 为控制策略的研究提供仿真平台 4 整车动力系统控制策略及仿真 确定整车的动力系统控制策略 其中包括换挡策略和离合器控制策略两部 分 对控制策略及动力系统的参数匹配进行仿真研究 校验所涉及的控制策略及 所匹配参数的合理性 5 混合动力汽车动力系统的实验研究 在a v l 实验台上进行发动机 电机组成的耦合装置的动力性实验 然后对 混合动力系统进行起动工况 并行驱动工况和发动机驱动发电三种典型工况试 验 最后对整车进行室外 在襄樊市某公交线路上已经开始运行 动力性与经济 性试验 以此来验证混合动力系统参数匹配和控制策略的合理性 本课题研究的意义在于 虽然混合动力汽车在替代当前燃油汽车方面有着很 大的优势 但是混合动力汽车本身很多的关键技术未能得到有效解决 像耦合结 构方案的设计 发动机和电机能量分配控制策略 蓄电池管理技术等方面 本文 提出一种并联方案 通过对这种方案的实验研究 为以后的设计提供思路 1 4 本章小结 本章节从能源和环境两个方面阐述了混合动力汽车研究的重要意义 介绍了 欧美及日本等汽车工业发达国家在混合动力电动汽车技术方面的发展现状和中 国混合动力汽车的发展情况 最后对本论文的研究内容及意义进行了详细的介 绍 5 武汉理j i 人学硕十学f 眵论文 第2 章混合动力汽车及耦合方式分类 2 1 混合动力汽车分类 2 1 1 串联式混合动力汽车 s h e v s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e p 儿o j 串联式混合动力汽车 s h e v 由内燃机 发电机和驱动电机组成 发动机 发电机和驱动电机采用 串联 的方式集合在一起 结构特点是发动机带动发电机 发电 所发出的电能通过分配器分给驱动电机和电池 分配给电机的电能首先通 过电机控制器输送给电动机 再由电机提供转矩给汽车 另外 当不需要发动机 工作或者发动机带动发电机发出的电能不足时 动力电池会同时向电动机提供电 能来满足汽车行驶对功率的需求 其结构图如图2 1 所示 s h e v 的发动机的工作 范围控制在一定区域内 它不受车辆实际运行情况的影响 可以稳定在燃油消耗 率较低 效率较高以及排放状况较好的状态下运转 串联系统结构上的优点是 发动机和电机的安装位置可以按照根据不同的空 间进行不同的布置 而串联结构的不足是 在进行匹配时电机要有足够大功率以来满足汽车在最 大速度下运行和爬坡时所需的转矩 其能量传递的方式决定了其燃油利用率较 低 因为它先通过发动机将燃油的生物能转换成电机发电所需的机械能再将这机 械能转化成电能再通过驱动电机将电能转换成机械能 其中还要包括能量转换和 电池充放电的效率影响 车轮 图2 1 串联混合动力汽车结构图 6 霎 武汉理j 人学硕 十 学位论文 2 1 2 并联式混合动力汽车 p h e v p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e o 儿 j 并联式混合动力汽车 p h e v 由发动机 电动 发电机组成 发动机 电动 发电机或驱动电机采用 并联 的方式组成p h e v 的驱动系统 这罩的并联是指能 量流动不像串联方式那样是单线的能量流动方式 汽车在行驶中所需的驱动力可 以由电动机或发动机单独供给也可以由两者共同驱动 并联混合动力汽车的结构特点是其驱动系统可以单独依靠发动机或电机作 为动力源来驱动汽车行驶 也可以依靠电机和发动机同时输出力矩来满足汽车行 驶所需功率 其结构图如图2 2 所示 与2 1 1 介绍的串联结构相比并联式混合动力汽车的结构更复杂些 但其工作 状态可以实现多重模式 即可实现电机或发动机单独驱动车轮运动 也可以将两 者的力矩通过耦合装置耦合起来通过传动机构共同驱动车轮 所以说并联结构的 有很高的能量利用率和强劲的动力 也能实现较好的燃油经济性 车轮 图2 2 并联混合动力汽车结构图 暑 2 1 3 混联式混合动力汽车f 7 8 混联式混合动力汽车同时具备串联式和并联式两种混合动力系统的能量传 递方式 混联式混合动力汽车的优点是 它可以工作在串联模式下 也可以工作在并 联混合模式下 同时兼顾了串联式和并联式的特点 其结构图如图2 3 所示 混联式的混合动力汽车根据环境的不同可以选择工作在不同模式下 在在城 市工况中低速行驶时 驱动系统主要工作在串联模式下 当汽车进入高速公路工 7 武汉理i 人学硕十学位论文 况或城郊工况中 其可以工作在一个稳定的高速行驶状态下 则以并联工作方式 为主 车轮 发动机 图2 3 混联式混合动力汽车结构图 2 2 动力耦合装置分类 1 o 器 根据多个动力源输出动力耦合方式的不同 可以将混合动力汽车的动力系统 的耦合方式可分成4 类 扭矩耦合式 转速耦合式 牵引力耦合式和混合耦合式 2 2 1 扭矩耦合方式 扭矩耦合方式是在有多个动力源的输出的情况下 通过机械耦合方式将多个 相互独立的动力源的输出扭矩叠加 但是他们的输出转速相互成比例 按照不同的机械机构 扭矩耦合方式又包括了三种不同的方式 即 齿轮耦 合方式 链或带耦合方式 磁场耦合方式 齿轮式耦合方式如图2 4 所示 其力矩和速度关系式如下 五 刁 石 k g 2 1 惕 n l 1 k n 2 2 2 式中 1 1 k 分别为结构的耦合效率和传动比 武汉理1 人学硕十学位论文 输出 i 一 发动机 图2 4 力矩耦合方式示意图 电移1 j 磁场耦合方式如图2 5 所示 它是通过磁场作用力将发动机的力矩和电机 的力矩叠加在一起 其力矩和转速的关系是为 互 石 互 2 3 坞2 心2 啊 磁场耦合方式具有较高的效率 量回收效率等有点 但混合度不高 m 6 车轮 2 4 同时具备了结构紧凑 冲击小 和较高的能 其中电机主要是起辅助驱动的作用 图2 5 磁场耦合方式示意图 9 武汉理l 人学硕十学位论文 链或带耦合方式 输出力矩是经过链或带将多个动力源叠加之后的力矩 其 结构如图2 6 所示 其力矩和转速的关系式同齿轮式耦合方式相同 奇瑞汽车开 发的第一代混合动力汽车就采用了这种耦合方式 电池电池 图2 6 链或带耦合方式示意图 2 2 2 转速耦合方式 转速耦合式是指在多个动力源输出动力在耦合过程中 他们的输出转速相互 独立 输出转矩成比例 通过机械结构的耦合之后的输出转速是两个输入转速的 叠加 惕 p n l q n 2 2 5 式中 p q 是由结构确定的系数 按照机械结构的不同 转速耦合方式包括 行星齿轮式 丰罔公司的p m i s 混合动力汽车是这种结构 和差速器式两种 行星齿轮式转速耦合方式如图2 7 所示 其力矩和转速关系式为 巧 r i k i r o 后 r z k 2 t 2 1 1 k 2 6 学 p n q n z 2 7 其中 k i k 2 为传动比 1 1 l 1 1 2 为内部功率损失折算系数 p l k l 1 k q k k 2 1 k l o 武汉理l 人学硕十学位论文 图2 7 转速耦合方式结构示意图 如上图2 7 所示的行星齿轮式耦合 其结构较为简单 因为它是齿轮传动故 其传动效率高 其混合程度也较高 并且根据不同需要可以实现不同的驱动模式 因为是行星齿轮传动故动力切换过程中冲击较小 整车控制策略及整车控制难度 增大 华沙工业大学和北京理工大学共同丌发的p h e v 驱动系统就属于这种类 型 差速器式耦合方式如图2 8 所示 力矩和转速的关系式为 i t 3 l i n 2 2 2 8 五 2 r l 夏 2 r h t 2 2 9 p q l 2 2 1 0 输出 图2 8 差速器式耦合方式 武汉理i 人学硕十学侮论文 这种耦合方式混合程度较高 但对发动机和电机参数要求严格 湖南大学开 发的一款h e v 就属于这一类型 2 2 3 牵引力耦合方式 牵引力耦合方式是多动力源分别驱动前轮和后轮来共同驱动车辆前进的 例 如 用发动机驱动后轮 用电机牵引汽车的前轮 汽车在行驶过程中所需的驱动 力由前后两个动力源叠加 其结构如图2 9 所示 e e e 2 1 1 由2 9 图可以看出牵引力耦合方式结构简单 可以很容易地实现单 双模式 驱动 前轮 后轮或者两者同时驱动 及制动能量回收等多种驱动方式 但整车 的控制较为复杂 2 2 4 混合耦合方式 图2 9 牵引力耦合方式结构示意图 混合耦合方式是采用了以上介绍的耦合方式中的2 种或者2 种以上的方式 r 本丰f f l 的p r i u s 的结构最具典型性 其结构如图2 1 0 所示 1 2 武汉理f 人学硕士学位论文 图2 1 0p r i u s 结构示意图 混合耦合方式可以很容易实现多种驱动模式驱动及容易实现制动能量回收 其各动力源的功率比较大 混合程度较高 但整车的控制策略及整车控制难度较 大 各种动力耦合方式的比较如表2 1 所示 表2 1 各种混合动力耦合方式比较 混 耦合方式 厶 接合平结构复耦合效控制难能量再 造价 口 顺性 杂程度 率 度生难度 度 l 扭矩 齿轮式 中 差低局低 中 低 磁场式 中 好中两中低中 耦合 链 带式低中低低低 审 低 转速行星齿轮式中中低高中 旨 低同 耦合 差速器式 呙中低高中 古 低同 牵引力祸合同好 审 商i 葡 中中 混合祸合局好同中较高低尚 2 3 所设计的动力系统 通过以上介绍 比较三种方式 串联 并联和混联 混联式混合动力汽车其 结构较为复杂 控制策略和整车控制较难实现 串联式混合动力汽车在经济性方 面没有并联方式高 同时 串联方案对电池的要求较并联方案高 而电池一直是 电动车发展的一个难题 综合以上各方面 本课题中选择并联方案 本论文所设计的并联方案如图2 1 1 所示 武汉理l 人学硕 学位论文 车轮 图2 1 l 本论文所设计的耦合方式结构示意图 如图2 1 1 所示 本方案采用同轴并联的耦合方式 发动机和电机通过离合 器耦合在一起 电机与变速箱做成一个整体 在一定程度上减少了动力系统传动 装置之l 日j 的机械联接 简化了机构 1 4 武汉理i 人学硕士学位论文 第3 章p l u g i np h e b 动力系统部件选型及参数匹配 3 1 设计要求 本设计根据中国典型公交运行工况的特点作为设计要求 选择一种现有的公 交车作为原型 在这个基础上进行设计计算 其设计目标是发动机尽量工作在最 佳工作区 电机能够实现制动能量f u j 收 并且发动机和电机的效率尽可能处在最 佳状态 可以满足原型车的爬坡和加速等动力性指标 3 2 部件选型 3 2 1 发动机的选型p 1 4 混合动力汽车发动机的选择需要考虑发动机的功率和外形尺寸两个方面的 内容 因为在并联模式下 不管是采用同轴方式 平行轴方式 还是垂直轴方式 都与传统汽车的动力系统布置有很大区别 部件增加相对空间减小 对于并联式混合动力公交车柬讲 在公交车需要大功率的时候如加速和爬坡 的过程中 发动机并不是单独向其提供功率而是和电机一同提供 共同驱动汽车 行驶 所以发动机选择时跟传统车有很大区别 在最大功率上传统汽车考虑更多 的是常用功率区 故混合动力系统发动机追求的是高效率而不是高功率 这就要 求所选用的发动机能保证燃料的充分利用并同时保证便于最优化调整 混合动力 汽车选择发动机时 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 并联式混合动力汽车 其功率的选择主要考虑最大经济运行速度或者最大爬 坡度 几乎在全部行程中都使用到发动机 所以这就要求发动机的经济运行区域 较宽 在并联式混合动力客车中 一般选用电喷汽油机或柴油机作为选择 现在对 两种发动机做一下简单介绍 1 汽油机p 1 现代汽油发动机为了节能和环保 采用了各种各样的机外或机内的控制技 术 像在发动机燃烧室结构 活塞顶结构 气门结构 电控喷射技术 电子控制 系统等方面 燃料方面 提高燃料品质 采用无铅汽油和高辛烷值低硫燃料 提 高机械效率 改进活塞裙结构 降低泵送损失 改进气门和气道 提高润滑油性 能 对发动机结构进行改进 对活塞顶的形状改进 提高燃烧效率 燃料系统中 改进喷嘴结构 改善燃料雾化 采用直喷技术和高精度燃料喷射 对燃料压力 燃油定时等进行控制 在燃烧方面 改进燃烧方法 采用分层燃烧 气门定时控 1 5 武汉理l 人学硕十学位论文 制 实现高膨胀比循环控制 实时转速闭环控制系统或自动停车等 2 柴油机 1 4 近年来开发的多种小型化 低油耗 低排放和高性能的四冲程柴油机发动机 已被各种混合动力汽车所采用 特别是在混合动力大客车上普遍采用 一般所采 用的控制策略为 采用多气门技术 费尔奇涡轮增压技术 增压中冷技术 高压 喷射或超高压喷射 电磁阀定时控制 扩散燃烧和稀薄燃烧等新技术 采用部分 废弃再循环来降低n o 或采用新型n o 催化剂来降低n o 的排放 利用电动 发电机调节功率输出 保持柴油发动机在 定范围稳定地运转 进一步降低燃烧 消耗并减少排气污染等 在混合动力汽车项目方面 采用发动机 开一关 方式控 制 用电动机快速启动发动机 用发电机控制发动机的功率输出和无怠速运转 加入制动能量反馈回收系统 保持发动机在最佳效率转速范围内运转等 经过比较在本论文采用电喷柴油发动机 3 2 2 电机的选型 1 5 l 刀 混合动力汽车另一个重要的动力源是电动机 混合动力汽车对电动机性能的 基本要求 a 尽可能的采用高电压等级 这样可以减小电机的尺寸和导线等的尺寸 同时可以降低逆变器的成本 b 较轻的质量 降低电动机的质量及各种控制器和冷却装置的质量有利于 降低整车的质量 可采用铝合金外壳 c 应具有较大的启动转矩和较广的调速范围 较大的转矩可以使混合动力 汽车有良好的启动性能和加速性能 较广的调速范围可以减轻驾驶员的操纵强 度 提高驾驶的舒适性 并能到达与传统内燃机车一样的加速踏板控制响应 d 可靠高效的制动能量回收能力 电动机应高效率低损耗 在车辆减速制 动的过程中能够做到能量咽收 e 要求电机性能稳定 具有耐温和耐潮性能 能够在较恶劣的环境下长时 间的工作 o对结构而言 要求结构简单 适合大批量生产 便于维修 价格适中 下面表3 1 给出了几种混合动力汽车上用过的电机的基本性能比较 通过比较 本论文选择交流电动机 1 6 武汉理 i 人学硕十学位论文 表3 1 各种电机性能比较 项目直流电动机交流电动机永磁电动机开关磁阻电动机 功率密度低中尚较高 过载能力 2 0 03 0 0 5 0 03 0 03 0 0 5 0 0 峰值效率 8 5 8 99 4 9 59 5 9 79 0 负荷效率 8 0 8 79 0 9 28 5 9 77 8 8 6 功率因数 8 2 8 59 0 9 36 0 6 5 恒功率区1 51 2 2 5 l 3 转速范围 4 0 0 0 6 0 0 012 0 0 0 2 0 0 0 04 0 0 0 10 0 0 0 0 1 5 0 0 0 r m i n 可靠性一般好优良好 结构坚固性差好一般优良 外形尺寸 大中小小 质量重中轻 轻 控制操纵性能好较好较好较好 控制器成本低同 同一般 3 2 3 电池的选型 1 8 1 9 混合动力汽车上的电池实际上处于一种问歇性循环充放电状态 电池一 般不需要深度的放电 但要求电池的充放电速率和效率较高 混合动力汽车 对电池组的要求如下 a 较高的比能量 电池的存储能力要能够满足所设计的行驶里程要求 一 般来说 电池连续2 h 的放电率的比能量至少不低于4 4 w h k g b 连续放电率高 自放电率低 要求电池组能够适应快速放电的要求 同 事能够长时间的存放 c 安全可靠 要求电池组干燥 整洁 电解质不会渗漏腐蚀接线柱和外壳 不会引起自燃 在发生碰撞事故时 不会对乘员造成伤害 d 充电能力强 可实现快速充电 对于混合动力汽车和纯电动汽车来讲 充电能力和充电时问是影响整车性能和竞争力的重要因素 e 寿命长 免维护 成本低 电池的使用寿命和成本是现在影响纯电动汽 车和混合动力汽车发展的一个重要方面 降低电池的成本对混合动力汽 车和纯电动汽车而言具有重要意义 目前在电动汽车中使用的动力电池有以下几类 铅酸电池 锂离子电池 镍 1 7 武汉理l 人学硕十学位论文 氢电池 超级电容等 1 铅酸电池 1 8 从1 8 5 4 年铅酸电池诞生以来 它的使用历史已经超过1 0 0 年 它是目前最 为成熟的汽车用蓄电池 在目前的电动 混合动力汽车中应用最广泛 铅酸电池在二次电池中起着不可替代的作用 因为其原材料来源非常丰富 并且制造过程简单 价格较其他电池低廉 比功率也能基本上满足电动 混合动 力汽车的要求 在阀控电池的出现之后 它又焕发出了新的生机 但它有三大缺 点 一是比能量低 一次充电后汽车的续驶罩程较短 另一个是铅酸电池的充电 速度慢 且其使用寿命不长 第三 废电池酸液中含有大量的铅 随意排放会造 成严重污染 2 镍氢电池 镍氢电池至今已经有近l o 年的使用历史 由于其较高的比能量 成熟的技 术和低廉的价格 使其在电动 混合动力汽车中的应用拥有重要地位 丰f 只汽车 公司的p r i u s 和本f f l 汽车公司的i n s i g h t 使用的都是镍氢电池 镍氢电池主要优点 一是据有较高的能量密度和功率密度 二是循坏使用寿 命长 三是能够满足快速充电和深度放电的要求 主要缺点是成本高 有 记忆 效应 自放电损耗大 对环境温度敏感 电池组热管理要求高 导致体积大 质量重 在汽车上安装困难 3 锂电池1 1 9 锂电池是新近发展起来的一种新型能源 其主要优点是 体积小 比能量和 比功率高 安全系数高 环保无污染等 由于其较高的比能量和高电压 可以减 少电池组合体的数量 从而降低了因单体电池间因为出现压差而造成的电池故障 的概率 使电池组的寿命延长 锂离子电池是所有可充电电池中综合性能最优的一种电池 与其他电池相 比 锂离子电池在容量 功率方面均具有较大的优势 锂离子电池的主要缺点是 它不能进行快充放电 在过充 放电状态f 可能 会发生火灾或爆炸 且其价格较其他电池较高 表3 2 为为儿种电池的比较 武汉理 f 人学硕 学位论文 表3 2 各种电池的比较 l i bp l bc d n im h n i 电池类型 e ve ve vh e ve vh e v s t m 5 型号s t 6 0 0g m o l 1 3 h e v 6 0 1 0 0 m r 电压v42 o 3 261 21 3 213 2 容量q 6 0 c 511 9l0 0 5 6 8 56 0 质量k g 1 2 52 l2 2 比能量 1 1 5 c 52 0 55 53 57 06 8 w h k g 比功率3 4 0 1 2 2 5 0 0 2 0 0 4 2 0 1 0 0 8 0 6 0 0 w k g 8 0 d o d 3 0 s8 0 d o d s o cd o d 比能量 2 7 0 c 53 3 3 1 7 01 6 0 w h 1 比功率8 0 0 6 0 01 4 0 0 w 1 8 0 d o d 30 s 9 0 0 6 0 0 2 0 0 02 0 0 0 0 循环寿命 7 0 d o d8 0 d o d8 0 d o dh e v 根据上述比较 本论文选择锂电池 3 3 参数设计 本轮文以襄樊宇清动力的并联混合动力客车作为设计原型 整车参数如表 3 3 所示 3 3 1 动力性指标 按照设计目标 单轴并联式混合动力客车的动力性不能低于原车动力性指 标 同时 它还要有一段的纯电动续驶罩程 因此确定动力性计算指标如下 最大车速k 9 0 k m h 最大爬坡度为2 0 0 一4 0 k m h 的加速时间t 2 0 s 1 9 武汉理l 人学硕十学位论文 表3 3 整车技术参数 参数名称 整备质量 k g 1 0 0 0 0 重量 满载总质量 k g 1 5 5 7 5 寸尺轴距 m m 9 5 0 0 最大爬坡度2 0 混合模式最高车速 8 0 k r n h 动力性要求o 4 0 k m h 加速时问 2 0 t s 迎风面积a m 2 8 4 风阻系数c d 0 7 车轮滚动半径r m 0 4 9 3 滚动阻力系数f ro 0 1 6 5 传动系效率 0 8 5 3 3 2 参数匹配的原则和步骤 并联混合动力客车参数匹配的原则是在保证车辆动力性要求的情况下 以燃 油经济性为主要目标进行设计 暂时不考虑排放 参数匹配的基本步骤剧2 0 通过计算首先确定最大功率然后选择结合工况的功率需求情况来选择发动机 包 括发动机的最大功率和高效率工作范围 然后根掘选择的发动机来选择电动机功 率 转矩及转速范围 根据工况特点来判断发动机的工作范围来确定传