混合动力汽车3.doc

混合动力汽车设计 车辆1101 小组成员：陈文 许振华 肖毅 李雄 苏畅一、我国电动汽车标准体系我国电动汽车标准是随着国内电动汽车开发应运而生的。在各有关政府部门支持下，全国汽车标准化技术委员会于1998年新组建了电动车辆标准化分技术委员会（代号SAC/TC114/SC27）。我国电动汽车标准体系包含了纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三个方面的内容，混合动力电动汽车标准就已包含其中。在“九五”期间，共有16项主要针对纯电动汽车的国家标准（其中有2项为国家指导性技术文件）先后制定完成，是我国电动汽车标准的第一批成果。在国外特别是日本、美国混合动力电动汽车开发和应用取得突出进展的情况下，科技部将发展混合动力技术明确为“十五”期间电动汽车研究和产业化的重点。为加快我国混合动力电动汽车产品的开发和生产，缩小与先进国家的技术差距，增强我国汽车工业在新技术领域中的竞争力，混合动力电动汽车标准的前期研究工作自2002年初启动，针对标准制定的重点领域和技术路线在国内相关企业和高等学校、研究机构进行了较为广泛和深入的调研，还进行了国内外标准资料的收集分析等准备工作。在随后两年的研究中，对上述16项标准中的5项进行了修订，又新制定了10项新的国家标准（其中6项是专门适用混合动力电动汽车的标准），提出2项标准的研究报告，电动汽车标准体系进一步充实（具体标准见表1）。表1 我国已经或即将发布的电动汽车标准目录序号标准代号标准名称备注1GB/T 18332.1-2001电动道路车辆用铅酸蓄电池2GB/T 18332.2-2001电动道路车辆用金属氢化物镍蓄电池3GB/Z 18333.1-2001电动道路车辆用锂离子蓄电池4GB/Z 18333.2-2001 电动道路车辆用锌空气蓄电池5GB/T 18384.1-2001电动汽车 安全要求 第1部分：车载储能装置6GB/T 18384.2-2001电动汽车 安全要求 第2部分：功能安全与故障防护7GB/T 18384.3-2001 电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护8GB/T 18385-2001 电动汽车 动力性能 试验方法已修订9GB/T 18386-2001电动汽车 能量消耗率和续驶里程 试验方法已修订10GB/T 18387-2001电动车辆的电磁场辐射强度的限值和测量方法 宽带 9kHz30MHz11GB/T 18388-2001电动汽车 定型试验规程已修订12GB/T 18487.1-2001电动车辆传导充电系统 一般要求13GB/T 18487.2-2001电动车辆传导充电系统 电动车辆与交流/直流电源的连接要求14GB/T 18487.3-2001电动车辆传导充电系统 电动车辆交流/直流充电机（站）15GB/T 18488.1-2001电动汽车用电机及其控制器技术条件已修订16GB/T 18488.2-2001电动汽车用电机及其控制器试验方法已修订17GB/T 19596-2004电动汽车术语新制定18GB/T XXXX-200X电动汽车用仪表新制定19GB/T XXXX-200X电动汽车操纵件、指示器及信号装置的标志新制定20GB/T XXXX-200X电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求新制定21GB/T XXXX-200X混合动力电动汽车安全要求新制定22GB/T XXXX-200X混合动力电动汽车 动力性能试验方法新制定23GB/T XXXX-200X混合动力电动汽车 定型试验规程新制定24GB/T XXXX-200X轻型混合动力电动汽车 能量消耗量试验方法新制定25GB/T XXXX-200X轻型混合动力电动汽车 污染物排放测量方法新制定26GB/T XXXX-200X重型混合动力电动汽车 能量消耗量试验方法新制定27-重型混合动力电动汽车排气污染物测试方法研究报告28-混合动力电动汽车综合性能道路试验规程研究报告1. 混合动力汽车的基本概念及发展现状1.1混合动力汽车的基本概念 混合动力汽车（亦称混合动力汽车，英文为Hybrid Power Automobile）是指车上装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多种分类形式。混合动力车辆的节能、低排放等特点引起了汽车界的极大关注并成为汽车研究与开发的一个重点。1.2混合动力汽车的应用状况当前，全球汽车工业正面临着金融危机和能源环境问题的巨大挑战。发展新能源汽车，实现汽车动力系统的新能源化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成广泛共识。在这种形势下，美国、日本、欧洲等发达国家和地区，不约而同地将新能源为代表的低碳产业作为国家战略选择，都希望通过新能源产业与传统汽车产业的结合，破解汽车工业能源环境制约，培育新型战略性产业，提升产业核心竞争力，发展低碳经济，实现新一轮经济增长。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。混合动力汽车分类及技术特点目前，混合动力汽车分为串联式混合动力汽车、并联式混合动力电动汽车、混联式（串、并联式）混合动力汽车和外接充电式（Plug-In）混合动力汽车四大类。串联式混合动力汽车（SHEV）是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成驱动系统。串联式混合动力汽车用发动机发电机组均衡发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使串联式混合动力汽车的行驶里程得到延长。并联式混合动力电动汽车（PHEV）是由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成，发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成驱动系统。并联式混合动力电动汽车的驱动力组合有发动机轴动力组合式、动力组合器动力组合式和驱动轮动力组合式三种不同的组合模式。混联式混合动力电动汽车（PSHEV）是上述两种混合动力汽车的结构特点组成的，是由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。并联式混合动力电动汽车的驱动力组合有动力组合器动力组合式和驱动轮动力组合式两种组合模式。混联式混合动力电动汽车兼有串联式混合动力汽车和并联式混合动力电动汽车的优点，可以组合成更多种形式的混合驱动的驱动模式。外接充电式混合动力汽车（PHEV）是最新的一代混合动力汽车类型，即在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况，并且加大了动力电池容量，使PHEV采用纯电动工况可行驶一定里程，超过该里程就启动内燃机，采用混合驱动模式。混合动力汽车的特点混合动力汽车具有油、电发动机的互补工作模式，具有省油、节能的优势。同时，混合动力系统在同等条件下相对于汽油车和柴油车来说，汽车尾气排放少，从而减少对空气的污染。因此，混合动力汽车具有环保、污染小的优点。2. 混合动力汽车的工作原理及优点 混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle, 简称HEV) 是指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。2.1混合动力车的工作原理 混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。以串联混合动力电动汽车为例，介绍一下混合动力电动汽车的工作原理。在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作。电池电量低于60时，辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量； 当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同时并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在传统汽车中，当司机踩制动时，这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能大部分回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。当司机想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机并联工作，提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合，混合动力车可以单靠电机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时，可以单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。2.2混合动力汽车的优点.采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。.因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。.在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零排放。有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。.可以利用现有的加油站加油，不必再投资。.可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。混合动力汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高3.混合动力汽车的主要组成及分类3.1混合动力汽车的主要组成混合动力汽车主要由发动机，ISG电机（电动机/发电机），动力电池，控制系统，动力合成装置。 3.2混合动力汽车的分类从能量流到混合动力系统输出轴的流经路线，可将混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式和复合联接式四种。1.串联式(SHEV)驱动系统的典型结构与基本组成部件如下所示，主要由发动机、发电机和电动机组成，原动机一般为高效内燃机。发动机直接驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。电池在发动机输出和电动机需求功率间起到调峰调谷的作用。为了满足汽车在起动、加速时的大功率需求，在串联式结构中还有加超级电容等功率密度较大的蓄能装置，在制动能量回收时也起到快速回收能量的作用。图表 1串联式2.并联式(PHEV)的布置如下所示，其特点是动力系有两种动力源发动机和电动机。当汽车加速、爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动系提供动力；一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。并联式HEV能设置成用发动机在高速公路行驶模式，加速时由电动机提供额外动力。图表 2并联式3.混联式(SPHEV)如下所示，这种布置形式包含了串联式和并联式的特点，即功率流既可以象串联式流动，又可象并联式流动。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。根据助力装置不同，它又可分为发动机为主和电机为主两种。在发动机为主形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源，日产公司(Nissan)Tino属于这种情况。在电机为主形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源，Toyota Prius HEV就属于这种情况。这种结构的优点是控制灵活方便，缺点是结构相对复杂。图表 3混联式4.复合联接式(CHEV)的布置形式的混合动力汽车结构相对复杂，主要出现在双轴驱动的HEV中。在这种联结形式中，HEV前轴和后轴之间没有传动轴连接，它们分别由动力部件驱动，从而实现四轮驱动，如图卜5所示，。它的动力系统由一个完整的前述混合动力系统和独立的轮毂电机组成。根据布置位置不同，复合式分为两种。一种是前轴由混动系统驱动，后轴由电机驱动型，丰田公司的Prius THS-C采用的就是这种形式；另一种是前轴由电机驱动，后轴由混动系统驱动，通用公司的Precept HEV采用这种形式。这种四轮驱动的缺点是结构复杂，成本较高；优点是动力性和越野性能好，尤其在制动时，前后轴电机都可同时作为发电机回收制动能量给蓄电池充电。这种双轴驱动系统的特有的特点是轴平衡能 图表 4复合联结式 4.对红旗HQ3混合电动轿车的设计4.1红旗HQ3与EQ7200HEV,奇瑞牌BSG,奇瑞牌LSG,长安牌MPV的比较4.1.1 汽车尺寸，质量，性能的比较项 目单位红旗HQ3EQ7200HEV奇瑞牌BSG凯美瑞混合动力车荣威750混合动力数据平均尺 寸长宽高mm489018411422470316951408432116821424441017501640458117421473轴距mm26872620246827102621轮距前后mm147614831465145514261419150014871466/1461质 量整备质量kg1516140015301482满载质量kg184117901815性 能最高车速kmh160160180180160165最大爬坡度252535403535续驶里程km500500500500燃油消耗量L100km6.5降低206.34.959.89排放欧欧欧欧欧4.1.2 汽车发动机，转向系，ISG的比较项 目单位红旗HQ3EQ7200HEV奇瑞牌BSG凯美瑞混合动力车荣威750混合动力平均值发动机型式L4 16阀DOHC VVTL4L4 16阀DOHC VVTL4 16阀DOHC VVTJL475Q3缸径行程mm75.58275.582排量L1.4681.5971.29751.591.488最大功率kWrmin65/500087/600065/600072/600072/5750最大转矩N.mrmin122.5/4000147/4300118/3800137/30004000131.12/转动系离合器型式自动磨片弹簧膜片弹簧混合系型式ATM并列式电耦合BSGISG并列轻度混合变速器型式4挡5挡5挡手动5档ISG型式永磁同步永磁同步爪极电机永磁同步永磁无刷系统电压V28812144144174 额定功率kWrmin8/254080001.510/1500109.5/最大功率kWrmin13/2900315/120015最大转矩N.mrmin45/0290030140最高转速rmin18001000控制器IGBT4.1.3 汽车驱动电动机，蓄电池的比较项目单位红旗HQ3EQ7200HEV奇瑞牌BSG凯美瑞混合动力车荣威750混合动力驱动电动机型式永磁同步永磁无刷系统电压V288288额定功率kWrmin20/300550020/3005500最大功率kWrmin30/191030/1910最大转矩N.mrmin150/01910150/0控制器IGBT蓄电池型式镍氢电池锂离子电池铅酸电池镍氢电池额定电压V28812144电池容量Ah6.5758 5.混合动力汽车的方案设计1.提出设计目标2.制定设计原则3.确定电动车的主要参数（尺寸、质量、性能）4.初选主要总成 一、设计目标：1. 能适应新时代要求的普及型混合电动汽车；2. 满足不同层次用户需求的多样化车型，提高市场竞争力；3. 具有良好的动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性以及其他综合性能。 二、设计原则：1.进一步缩短蓄电池充电时间； 提高电动车的动力性，提升最高车速；进一步提高续驶里程；驾驶室外形及内饰造型应具有现代感，充分体现以人为本的造型风格，达到国内外先进水平。 三、混合电动汽车的主要参数 变速器电子控制无极变速器整备质量kg1250承载质量kg1525最小转弯半径m5.1燃油消耗率100kmL5.5主要尺寸及乘员数外形尺寸，长宽高mm4445 1725 1490轴距mm2700轮距mm前轴1505后轴1480内部尺寸，长宽高mm1890 1440 1225最低离地间隙mm145乘坐人数人5发动机种类水冷直列4缸横置DOHC最高功率kwrmin575000最大转矩Nmrmin1154200使用燃料无铅标准燃料总排量L1.496缸径冲程mm7584.7压缩比13燃料供给装置电子控制燃油喷射装置电动机种类永磁无刷直流电机最高功率kwrmin5012001540最大转矩Nmrmin40001200动力电池类型镍氢电池个数28连接方式直列容量Ah6.56、初选总成（一）电动机的选择我们初步选定永磁无刷直流电机作为驱动电机。无刷直流电机优点是： 电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。 速度范围宽，电机可以在低中高大速度范围内运行，而有刷电机由于受机械换向的影响，电机只能在中低速下运行。 电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的。 过载能力强，这种电机比Y系列电动机可提高过载能力2倍以上，满足车辆的突起堵转需要。 电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。 电机无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。 电机控制系统比异步电机简单。缺点是电机本身比交流电机复杂，控制器比有刷直流电机复杂。永磁无刷直流电机的技术数据：参数型号 电源 电压 V 额定 电压 V 额定 功率 kW 额定 转速 rpm 额定 效率 % 最大 功率 kW 最高 电压V最高 转速 rpm 最大 转矩 N.m 工作制 min 外形尺寸直径*长度 mm*mm 重量 Kg ZYCD-31441202.52500924144300025S1165*265253842.52500924S1200*220271202.5300092S1165*26027ZYCD-6 1201005.53300 9291204000 45S2-60190*270 31ZYCD-10 1209610160092151202000150S2-40219*415752882161030009315280400080S1216*34055ZYCD-1512010015300092361203600120S2-60245*45484ZYCD-2028821618.5300092322804000150S1245*4708514412020300092351443600S1294*50012040020200093S1294*504123800204000 93S1294*504 125ZYCD-30 24018030300094502404000250S1294*504123288210303000 94502804000S1294*517125ZYCD-452882104030009360288400030