混合动力汽车传动方案研究.doc

本科毕业设计（论文）（题目）混合动力汽车传动方案研究 系 别 专业班级 学生姓名 指导教师 提交日期 华 南 理 工 大 学 广 州 汽 车 学 院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 兹发给 车辆工程5班 班学生 黄泽通 毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 混合动力车传动方案研究 2.应完成的项目： （1）了解混合动力汽车研究的目的和意义，简述国内外混合动力汽车的发展状 况。 （2）研究混合动力汽车传动系的实施方案及能量的传输。 （3）并联式混合动力汽车传动系的研究，具体包括：循环工况的研究、发动机 的研究与选取、齿轮箱的研究和电机的选取。 （4）总结及对未来工作的展望。 3.参考资料以及说明： （1）不同混合动力电动轿车方案的比较与分析 （2）电动汽车 （3）双排行星齿轮机构在混合动力汽车上的应用研究 （4）汽车设计课程设计指导书 （5）汽车理论 （6）汽车设计 （7）孔令涛，混合动力汽车传动系统模型化及优化控制研究生论文 4.本毕业设计（论文）任务书于 年 月 日发出，应于 年 月 日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人 审核 年 月 日 指导教师（导师组） 签发 年 月 日毕业设计（论文）评语： 三号宋体毕业设计（论文）总评成绩： 四号宋体 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 四号宋体 年 月 日 摘要内燃机汽车进过120年的发展和壮大，逐步实现机电一体化和全面应用现代高科技，其性能已经达到至高的境界，在安全、环保、节能和廉价等方面取得了重大的进展。但是，内燃机汽车的发展也正面临严峻的挑战。能源的不断枯竭，环境日益恶化，冲击着汽车的使用。因此，研制新的动力系统是汽车行业迫在眉睫需解决的课题。尽管电动汽车是解决这类问题的最好方式，然而由于蓄电池的能量密度低，其发展受到了极大的限制。而燃料电池汽车仍在实验阶段。在这种情况下融合了传统内燃机汽车优良的动力性、续驶里程和纯电动汽车低排放、高效率的混合动力电动汽车(HEV)异军突起，成为当前新型汽车开发的热点。本文论述了混合动力汽车的发展背景、分类、工作原理、能量的传输，以及对其传动方案进行了研究，包括车辆的运行工况、发动机、变速箱和电动机等，并且进行了相应的运算与处理。其中主要进行了变速箱研究，文中进行了几种主流变速箱的研究，通过各方面的比较选出了一种比较适合混合动力汽车用的变速箱。关键词：并联混合动力汽车；串联混合动力汽车；传动系统；AbstractThe internal combustion engine automobile has entered 120 year development and the strength, realizes the integration of machinery and the comprehensive application modern high tech gradually, its performance already achieved to the high boundary, in the security, the environmental protection, the energy conservation and inexpensive and so on aspects has made the significant progress. But, the internal combustion engine automobiles development is also facing the stern challenge. The energy unceasing depletion, the environment worsens day by day, is attacking automobiles use. Therefore, develops the new dynamic system is the topic which the automobile profession imminent must solve. The freely electric automobile solves this kind of question best way, however, because accumulator cells energy density is low, its development has received the enormous limit. The fuel cell automobile still in the experiment stage. In this case fused the traditional internal combustion engine automobile fine power, to continue drives the course and the pure electric automobile low emissions, high efficiency mix power electric automobile (HEV) is sudden appearance, becomes the current new automobile development the hot spot. This article elaborated the mix power automobiles development background, classified, the principle of work, the energy transmission, as well as has conducted the research to its transmission plan, including vehicles operating condition, engine, gear box and electric motor and so on, and has carried on the corresponding operation and processing. And has mainly conducted the gear box research, in the article has conducted several kind of mainstream gear boxs research, selected one kind through various aspects comparison quite suitably to mix the gear box which the power automobile used.Keywords：Parallel Hybrid Electric Vehicle；Series Hybrid Electric Vehicle; Transmission SystemII摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1课题研究的目的及意义11.2相关的国内外研究现状分析31.3课题背景及本文的主要研究工作41.4论文主要内容及安排41.5小结4第二章 实现混合动力汽车的传动方案52.1串联式混合动力汽车(SHEV)52.2并联式混合动力汽车（Parallel Hybrid Electric Vehicle）52.3混联式混合动力汽车62.4小结6第三章 混合动力汽车的能量传输73.1串联HEV73.2并联HEV73.3带有行星齿轮组的混联式HEV73.4小结11第四章 并联式混合动力汽车传动系的研究1241传动系循环工况研究1242发动机的研究与选取144.2.1发动机类型的介绍144.2.2发动机的选取154.3齿轮箱的研究184.3.1研究方案184.3.2基于CVT的研究方案分析244.3.3基于CVT的研究方案比较264.4电机的选取2745本章小结29第五章 总结与展望30参考文献32致 谢33第一章 绪论1.1课题研究的目的及意义国际市场上石油价格居高不下，而且石油输出国组织更声称不打算增加石油产量，这无疑增加了汽车的运营成本。再者传统汽车的发动机排量大，而发动机大部分时间(尤其在市区行驶时)是运行在中小负荷的低效率区，这不可避免地导致汽车油耗上升。因此，在能源紧张的今天，开发低油耗、高效率的新型汽车具有非常现实和深远的意义。对于传统的汽车，虽然人们做了大量的工作来改进现有的，例如通过燃烧室形状的设计来改善燃烧过程，减少摩擦等来提高传动效率，低负荷时关闭部分气缸等，但是单纯依靠对目前的发动机的改造，已经不会有很大的进步。另外一个问题是虽然现在的内燃机在满负荷时具有比较高的热效率和比较好的排放指标，但是在低负荷时燃油消耗率仍然比较大，排放也比较差。为了满足加速和爬坡的需要，使车辆具有良好的动力性，目前使用的车用内燃机都具有比较大的后备功率。后备功率大的内燃机在正常运行中更多的时候是处于部分负荷区域，导致了内燃机的实际工作效率远远低于理论上的最大工作效率。因此，单一的发动机改善并不能达到降低燃料消耗的目的。与传统的汽车相比，电动汽车具有清洁、安静、效率高的特点，从70年代开始不少国家对电动汽车进行了研究开发，但由于电动汽车电池技术还没有取得突破性进展，因而电动汽车离市场化的目标仍然有相当长的一段距离。目前电动汽车的主要问题是：(1)由于电池组的能量较小，电动汽车一次充电的续驶里程短；(2)由于电池组的功率较小，使得其重量和体积都大，导致电动汽车的动力性能无法与传统汽车相媲美；(3)电池组充电时间较长使用不方便；(4)电池组价格昂贵；(5)电动汽车只能实现局部范围内的零排放，而在由其它能源转换成电能过程中同样存在对环境污染的问题。另外，对于燃料电池汽车，由于燃料电池技术虽然是发展方向，但目前技术还不成熟，难以大规模应用。与此同时，混合动力汽车就成为一种比较“折中”的方案，成为现阶段比较可行的汽车技术。混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle，简称HEV)指的是具有两种或两种以上可以提供汽车驱动能量的能量存储、吸收或转换装置的汽车，并且其中至少有一种装置可以提供电能。根据这样的定义，汽油机和电池的混合，柴油机和电池的混合，电池和燃料电池的混合，电池和超级电容的混合，电池和飞轮的混合，电池和电池的混合等多种混合方式的汽车都可以被称作混合动力电动汽车。然而，混合动力电动汽车的通用定义方式并没有被人们普遍接受，人们习惯上将内燃机与电机混合的汽车称为混合动力汽车。混合动力汽车可以从根本上解决纯电动汽车动力性能差和续驶里程短的问题。HEV主要具有如下优势：(1)与传统的内燃机汽车相比，混合动力电动汽车具有很大的提高燃油经济性和排放指标的潜力。由于其使用了较小的内燃机，降低了HC和的排放。在HEV上采用高度实时和动态的优化控制策略，优化控制的结果尽量使动力系统各部件工作在最佳状态和最高效率区域，大大限制了内燃机在恶劣工况下的高燃油消耗和大量的尾气排放，提高了HEV的燃油经济性，并使其成为超低排放汽车。排放限制在严格的区域，还可关闭辅助动力，以纯电动方式工作，成为零排放的汽车。(2)由于HEV是通过对现有的动力源的组合来实现节能环保的目的，因此可以很快投入生产。在控制策略的作用下辅助动力可以向储能装置(一般为电池组)提供能量，从而保证HEV无需停车充电，同时驾驶员对电池的维护费用和维护工作量大大降低。目前先进的HEV基本上都能达到这一要求，无需投入大量资金，进行专用充电设施的建设。可利用现有加油站，不需要大量基础设施的投入。(3)由于采用辅助动力驱动，打破了纯电动汽车续驶里程的限制，其长途行驶能力可与传统车辆相媲美。(4)与纯电动汽车相比电池容量大为减少，进而可以降低整车重量，为提高车辆的动力性和机动性能作出贡献。电池组在使用过程中是浅充浅放，所以可以延长电池的使用寿命。(5)借助原动机动力直接带动车内有关附件，减少电能消耗，保证车辆的舒适性。在控制策略的作用下，辅助动力可以向储能装置提供能量，从而保证混合动力汽车无需停车充电，同时使得电池的维护费用和维护工作量大大降低，目前先进的混合动力汽车基本上都能实现这一要求。同时，它的性能提高主要表现在以下几个方面：(1)经济性得到明显改善。主要通过优化发动机的运行范围，采用发动机自动关机系统及制动能量回收系统来实现。(2)排放性能有所提高。主要是因为怠速时关闭了发动机减少甚至消除了发动机在低热效率区工作的机会。(3)加速性能有所提高。主要是通过全力加速时电机的辅助工作来实现的。正因为HEV具有以上优势和较好的性能，促使全球主要国家和公司投入大量科研力量从事HEV的开发。因而，混合动力汽车是最有希望的高科技汽车，相信在21世纪不远的未来，混合动力汽车将具备可以和现存的汽油车相抗衡的市场规模。开展混合动力汽车的研究具有十分重要而深远的意义。1.2相关的国内外研究现状分析混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能器件(主要是高性能电池或超级电容器)通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注。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。在日本，1995年5月日产公司开发出了可以使续驶里程增加一倍的串联式混合动力型微型轿车。丰田公司的Coaster从1997年8月开始销售，至2001年3月末，约售出40辆。丰田公司的Prius从1997年12月开始在国内销售，至2001年8月末，约售出53，400辆。在2003年纽约国际车展上，日本丰田公司展出了采用第二代丰田混合动力系统(Toyota Hybrid System，THS II)的混合动力轿车Prius2004。在美国，自1990年以来，由于环境问题以及美国加州“零排放车辆法”的推行，各大汽车厂商更加注重对电动汽车的开发。1993年9月，美国能源部和三大汽车公司牵头成立了“新一代汽车伙伴关系(PNGV)”，美国政府通过PNGV与汽车界达成了多种合作研究、开发协议，并协调政府有关部门，国家实验室和三大汽车公司的人力、物力资源，开展高效节能汽车包括HEV的研究。通用汽车公司于2004年在美国部分州区推出了“Silverado”和“GMC Sierra”等简易型混合动力汽车，并将在2006年推出“Satum VUE Green Line”。同时，它还与戴姆勒-克莱斯勒公司合作，计划于2007年研发出双模式完全混合动力技术系统。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，在性价比上能与燃油汽车相抗衡，代表了国际实用先进水平。法国雷诺公司研制的VERT和HYMME两款混合动力汽车己经进行了10000公里的运行试验。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃FL6卡车改装的混合动力电动汽车。德国西门子和博世(Bosch)等著名零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力汽车。在我国，1996年“八五”重点科技攻关项目“电动汽车关键技术研究”在清华大学通过了国家计委、教委、和机械部的验收；“九五”期间，东风汽车公司承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设计”的整车研制工作。在电动汽车关键技术尤其是混合动力电动汽车方面，很多科研单位也进行了诸如混合方式和控制策略研究、参数匹配和性能预测研究等前期工作。“九五”末期我国在电动汽车的电池、电机、电控系统技术领域取得突破。科技部己经将电动汽车产业化列为“十五”国家863重大科技攻关项目，“十五”期间，国家计划投入近10亿元来支持电动汽车的前瞻性研究。根据“十五”国家863计划电动汽车重大专项的目标定位和技术路线，结合我国电动汽车发展现状，我国电动汽车发展应抓住传统汽车向电动汽车过渡的历史机遇，把混合动力电动汽车作为现阶段我国电动汽车发展的重点和方向，率先完成批量生产，实现产业化，取得突破。1.3课题背景及本文的主要研究工作目前混合动力汽车的研究己经列入国家“863计划”重大科技攻关项目，国家投入了大量资金、组织很大的科研力量进行关键技术攻关。同时，传动系统在混合动力汽车整车运行和性能测试中都具有重要的作用，因而对混合动力汽车传动的研究，对于整车能量分配和部件选型都有重要意义。本文的内容是混合动力汽车传动方案的研究，首先要了解混合动力汽车的类型和结构，以及其工作原理。其次是对混合动力汽车的传动系统进行研究，选取最佳的方案，达到节能减排的目的。1.4论文主要内容及安排本论文的主要工作集中在以下几个方面：第一章：阐述了论文的选题意义、国内外研究现状分析及本文的主要研究工作。第二章：实现混合动力汽车的传动方案。第三章：混合动力汽车的能量传输的研究。第三章：对混合动力汽车传动系统各个部分进行研究，如循环工况、发动机、变速器、电动机等。第五章：最后对整个工作进行了总结，并提出对未来的工作展望。1.5小结本章阐述了本课题的研究意义、国内外研究现状分析及简单地介绍了混合动力汽车的发展前景，并对本文的主要工作进行了详细的安排，在后续的章节里，将对每一部分进行详细的介绍和研究。第二章 实现混合动力汽车的传动方案目前，混合动力汽车主要分为三类：串联式混合动力汽车：单独通过电动机来驱动机车。而电能可以由电池提供，也可以由发动机驱动发电机来提供。并联式混合动力汽车：两个牵引机同时与驱动轴相连，它们既可各自单独向驱动系统提供动力，又可共同协调一致的提供动力。混联式混合动力汽车：这种结构既包括并联式混合结构中的连杆机构，又包括串联式混合结构中的电气联动机构。另外，还出现了某些新型的混合结构，这些结构并不属于上述三类，通常我们称之为“复杂”混合。2.1串联式混合动力汽车(SHEV)串联型混合动力汽车，由发动机、发电机、电动机、电池组、控制器以及汽车的传动系串联组成。该型式结构中发动机驱动电机发电，为电池充电或驱动电动机，最终通过电动机驱动车辆行驶，结构如图1.1所示。由于发动机与驱动系统之间不存在机械连接，因此可以控制发动机稳定在最佳经济点工作，必要时还可以关闭发动机。发动机处于稳定工况，可不随行驶工况的变化而变化，仅通过电池来满足整车行驶功率的动态变化要求。其优势是： 1-发动机；2-发电机；3-电机控制器；排放低、较小的发动机、可不需要 4-电池；5-电机；6-变速器 传统变速器；其不足是：驱动电机 图2.1串联式混合结构功率大、整车传动效率低、成本高。 2.2并联式混合动力汽车（Parallel Hybrid Electric Vehicle）并联型混合动力汽车(PHEV)，由发动机和电动机以机械动力合成的方式来驱动汽车。主要包括发动机、整车控制器、变速器、电池组、电动机、电机控制器、动力合成装置以及汽车其他传动系统等部件。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用。发动机和电动机可以单独驱动车轮，也可以共同驱动，因此适合复杂的行驶工况。如图2.2所示，采用并联式结构的优点有：1） 发动机通过机械装置直接与驱动轴相联，输出能量的利用率较高。 2） 采用电动机进行辅助驱动时，发动机和电机的功率均可以适当减小。 3） 由于部件的质量、尺寸相对较小，因此适合布置在小型汽车上。 1-发动机；2-电机；3-电机控制器；4） 由于有发电机补充能量，因此 4-电池；5-转矩合成器；6-变速器 比较小的电池容量即可满足使用要求。 图2.2并联式混合结构 2.3混联式混合动力汽车如图2.3所示。它在结构上综合了串联型和并联型混合动力汽车的特点，具有较理想的综合性能，发电机和电动机均可取较小的功率；但系统组成庞大，传动系布置困难，其传动效率虽然高于串联式结构，但仍存在机械功率与电功率之间的反复转换问题， 1-发动机；2-发电机；3-行星齿轮；4-电池；特别是车辆在中高速行驶时，传动效 5-控制器；6-转矩合成器；7-电机；8-变速器率比传统燃油汽车传动系低，而且对 图2.3混联式混合结构能量管理控制策略的设计也提出了更高的要求。2.4小结 本章主要介绍了实现混合动力汽车的传动方案，以及其各自的结构特点，同时简述了各种混合结构的优缺点。在接下来的内容中，将继续对这几种混合动力汽车的传动系进行分析与研究。第三章 混合动力汽车的能量传输由于HEV结构不同，能量传输的工作方式也不同。3.1串联HEV在串联式混合结构中，发动机与电池间是电气连接的，电动机所需的电流等于电池提供的电流加上发动机带动发电机产生的电流。功率之间的平衡是通过功率分配装置实现的，它主要用来决定工作方式以及电池功率及汽车所需功率的比值(u)。正如图3.1中所示。串联HEV基本上有四种工作方式：a在市区行驶时，如果电池完全充满，则选用纯电动(零排放)驱动方式(u=1)。b当电池电量较低时，发动机被起动，并将其设置在最大效率工作点上。发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电(u0)。c当发动机的最大功率低于汽车所需的功率时，电池将提供这部分差额功率(0u1)，然而，这种工作方式在现实生活中很少用到。d在刹车或减速时，电动机起到发电机的作用，使部分动能转化为电能存储到电池里，达到能量回收的目的。3.2并联HEV在标准并联式混合结构中，发动机与电池之间是机械连接的。最简单的结构就是在其内部有两套动力齿轮系驱动分离的轮轴。一般而言，电能和燃料能量会通过“扭矩耦合器”结合起来驱动汽车。在扭矩耦合器卑的扭矩平衡是通过扭矩分配装置控制的，它决定汽车的工作方式以及电机能量与汽车所需能量的比值u。根据u的值不同，采取的不同的工作方式。在加速阶段，发动机只为耦合器提供总功率的一部分，剩下的功率要由电机来提供(0u1)，实现“功率辅助”的目的。在刹车或减速时，电动机起到发电机的作用，将部分动能转化为电能存储到电池里(u=1)。轻负荷时，发动机也许提供了过多的功率，则多余的功率将通过电动机为电池充电(u0)。另外，纯发动机方式(u=0)与纯电力驱动方式也是存在的。并联HEV各工作方式的能量流动如图3.2所示。3.3带有行星齿轮组的混联式HEV混联式HEV结构既可以进行串联工作方式，又可以进行并联工作方式。然而，由于行星齿轮组的应用，使得能量传输路径上存在一定的限制。当发动机的能量传送到行星拨轮组的同时，总伴随着一些能量传送到发电机。因此，纯发动机工作方式在这种结构里是不存在的。而其他方式，如零排放，能量回收式制动，电池充电以及功率辅助等都是存在的。带有行星齿轮组的混联式HEV具体工作方式的能量流动如图3.3所示。（a）电池驱动，u=1发动机发电机电池控制器电动机变速器车辆(b)发动机给电池充电，u0发动机发电机电池控制器电动机变速器车辆(c)混合驱动，0u1发动机发电机电池控制器电动机变速器车辆（d）制动时回收能量发动机发电机电池控制器电动机变速器车辆图3.1串联式混合结构能量流动方式（a）功率辅助，0u1发动机车辆变速器电动机控制器电池(b)能量回收制动，u1发动机车辆变速器电动机控制器电池(c)电池充电，u0发动机车辆变速器电动机控制器电池(d)零排放，u1发动机车辆变速器电动机控制器电池(e)传统机车，u0发动机车辆变速器电动机控制器电池图3.2并联混合结构能量流动方式（a）发动机单独工作电池控制器电机发动机发电机车辆变速器行星齿轮组（b）零排放电池控制器电机发动机发电机车辆变速器行星齿轮组（c）能量回收电池控制器电机发动机发电机车辆变速器行星齿轮组（d）电池充电电池控制器电机发动机发电机车辆变速器行星齿轮组（e）功率辅助电池控制器电机发动机发电机车辆变速器行星齿轮组图3.3带有行星齿轮组的混联式结构能量流动方式3.4小结 本章主要研究了各种结构混合动力汽车的工作原理和能量的流动方式。在不同的车况下，能量的流动有着很大的区别。了解混合动力汽车的工作原理与能量的流动，是研究传动系统的前提与铺垫。第四章 并联式混合动力汽车传动系的研究混合动力系统功率分配问题十分复杂，主要目的在于按照传动系结构及参数，并结合已知的行驶循环工况，通过对动力源输出功率的合理分配，保证混合动力系统能量损耗最小，即辅助能量源的能量存储最小。若辅助能量存储装置只起到动态功率缓冲作用则其储能值在行驶循环初、末状态时应相等，汽车行驶消耗的能量最终来自燃油，可认为这种车辆不需要由外界进行充电。能量流动最优控制的关键在于瞬时功率如何分配。41传动系循环工况研究循环工况是为了比较不同的汽车在相同的驾驶条件下的耗油量。这些循环过程是在受控的环境(温度、湿度)下，按照严格的程序进行的，通过这些程序可以使汽车达到精确定义好的初始条件，当驾驶员控制汽油和刹车面板的时候，在监视器上显示汽车速度。这样，汽车速度就可以在事先规定的误差范围内按照一定的速度进行行驶。目前，有许多循环工况。在美国，联邦城市循环工况(FUDS)阐述了一个典型的城市循环工况，而联邦公路循环工况(FHDS)反映了城市外的驾驶情况。联邦试验过程(FTP-75)接近一个半的FUDS循环，而且包含一个典型的暖机阶段。它的头一个FUDS是在设备低温的情况下进行的。后半个FUDS循环是发动机停车后十分钟后进行的。在欧洲，城市循环工况ECE由三次启动停车操作方法。而MVEG-95是由1995年机动车专家组提出的，它总共重复了四次ECE工况和一次市区外的EUDC部分。当然，现实的驾驶状态经常是比试验循环工况更复杂。所有的汽车公司都有自己的内部的标准循环过程，这些循环过程能更好的反映现实驾驶情况。对于系统中不同能量源，从能量平衡的角度分析，可得到如下关系： 系统满足瞬时功率平衡 （1）主能量源燃料提供的瞬时功率 （2）式中，表示燃料所提供的功率； 表示辅助能量源的功率，可以为正或负；表示驱动轮的输出功率，可以为正或负；表示发动机的工作效率表示辅助能量源的工作效率，具体可分为能量释放和储存不同的情况；表示传动机构的效率， 一般认为是常值。 将上面的关系式离散化，可以得到递推关系式。这里选取很短的时间间隔，在此间隔内设各功率和效率值均可看作恒定。时刻，主能量源燃料的能量值为:（3）时刻，辅助能量源的能量值为 （4）动力系统的总体效率表达式为（5）由上式可见，整个系统的效率与各动力元件的效率均有关，片面追求某一元件效率的提高并不一定带来整体效率的提高，实际控制时要全面考虑；且辅助能量源能量存储的减少有利于系统效率的提高。为此设定以下关系式作为约束条件 （6） （7） （8）式中，为主能量源的功率分配函数；表示回馈制动功率。式(7)和式(8)说明(1)回馈制动发生时，主、辅能量源向外不提供功率；而在非回馈制动情况下，要向外提供；(2)辅助能量源向外输出能量时，主、辅能量源之间无能量的流动；(3)主能量源向辅助能量源提供量时，辅助能量源不得向外提供能量。以上讨论的是并联能量源自然状况下的功率分配问题，当采取一定控制策略时， 就是对功率的分配加以人为干涉，使整个系统的性能指标达到理想的目标。为此，离散状态下式(1)可以改写为:式中，、可称为控制系数，用来对所需功率在两能量源之间进行分配，体现了控制策略对于主、辅功率源功率的调节作用，不同控制策略差别就在于对控制系数的确定。 42发动机的研究与选取4.2.1发动机类型的介绍对于混合动力汽车的发动机而言，首先要满足汽车技术性能的发动机的规定功率与尺寸问题。一般来说，在混合动力汽车中使用较低功率的发动机(相对传统汽车发动机而言)。这是因为此时发动机并不是单独提供汽车加速和爬坡时的峰值功率，在加速和爬坡时电动驱动装置及能量存储单元(电池组、储能飞轮或者超能电容器)与发动机一起驱动汽车行驶。在大多数的混合动力汽车设计中，发动机的额定功率将由最大经济运行速度或者爬坡能力所决定。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、柴油机等。下面对各个发动机进行简单的介绍。(1)转子式发动机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问题和较高的燃油消耗率，但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统，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，但高负荷工况的排放却是一个问题，而且通常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。4.2.2发动机的选取四冲程汽油发动机是当前HEV的主力发动机，四冲程汽油发动机技术上已相当成熟，在节能和环保方面也取得很大的进展。HEV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。在HEV上除采用最新的各种节能和环保措施外，还采取以下一些控制方法：采用全新的理论和全新结构的发动机。由电动/发电机在短暂的时间内，完成发动机的起动-加速，减少发动机在起动时的时间和排放。减少泵气阻力和各种运动副的摩擦阻力等。采用“开-关”的控制方式，完全避开发动机的低效率的运转（例如怠速）工况范围。现代四冲程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，努力地使发动机在节能和环保方面，达到各个国家愈来愈严格的燃油消耗和排放限值标准的要求。因为生产厂家的不同，各个厂家所采用的发动机降低燃油消耗和对有害气体的排放的控制对策及具体措施各有不同的特色，在发动机燃烧室结构、活塞顶结构、气门结构、电控喷射系统、电子控制系统等各有特长。目前，HEV仍然是以选用发动机为主的使用特点，来取得最佳节能效果和“超低污染”的环保效果，当前四冲程汽油发动机节能和环保的技术措施见表3.1。一般来说，只是在小型HEV上才采用四冲程汽油发动机作为动力源。这里，我选用丰田公司THS型动力组合器动力组合式PSHEV的汽油发动机，它有一下特点。（1）采用高膨胀比的Atkinson循环传统的四冲程汽油发动机具有完全相同的压缩行程和膨胀行程，所以它的压缩比和膨胀比基本相同，如果希望增加膨胀比，也就需要增加压缩比，而增加压缩比会导致汽油产生爆燃，因此，发动机的压缩比限制了发动机的膨胀比的增长。如果采用增加膨胀比的方式就可以提高四冲程汽油发动机的功率和降低排放污染。采用具有高膨胀比循环，在高效率、高膨胀比饿循环中，将进气门开启的时间延长到压缩行程开始之后，使气缸中一部分混合气在活塞开始上升时被压回进气管中去，也就是延迟了实际压缩行程开始的时间，其结果是在没有提高实际的压缩比的情况下，却提高了膨胀比，提高了发动机饿能量转换效率，这就使得燃油消耗率达到3.6L/100km的高水平。（2）采用先进的控制技术发动机采用了由中央控制器按“开-关”的控制模式进行控制，在汽车停车和低速行驶时，发动机能够自动关闭，当汽车车速超过一档速度时，发动机能够自动起动在THS的控制系统的控制下，预先设置发动机最佳工作运转范围，发动机只能时在这个运转范围内工作，它的效率比传统的效率高80%。其燃料消耗率约为28km/L，与同样排量为1.5L带自动变速器的“花冠”排内燃机汽车的燃油消耗率14km/L相比，几乎提高了一倍。的排放两为传统轿车的一半，而、和的排放量仅为传统轿车的1/10，达到“超低污染”的排放要求。（3）采用先进的发动机结构这种高效率、高膨胀比的Atkinson循环发动机，采用倾斜式挤气型燃烧室，进一步提高了这种发动机的热效率。还采用了可变正时系统，根据发动机工况的变化，可以自动调节气门的开闭时间，使得进气们的开启时间与发动机运行工况相协调，以保持发动机在不同的工况下运转时，总是处于高效率状态。另外，发动机的节气门的开度也可以调节，能够减少发动机在部分负荷时进气管中的真空度，降低泵气的能量损失，提高了发动机的经济性。发动机采用铝合金制造的缸体，在结构上作了进一步的改进，使得发动机的尺寸和质量都比传统的发动机有所减小和减轻。（4）降低发动机转速，减轻质量、减小体积、降低摩擦损耗控制发动机的转速基本保持在4000r/min左右的转速下稳定地运转。发动机转速没有像普通轿车发动机那样高。由于工作转速低，发动机的曲轴直径可以做得比较小，活塞的往复次数减少，活塞的运动速度降低。活塞的弹性张力减小，气门开闭次数减少，气门弹簧的负荷等都相应的降低，这些改变都能有效地降低运动副之间的摩擦损耗，同时可以减小零部件的摩擦损失和延长各种零件的寿命。另外发动机各个部分所受到的作用力相应地小一些，强度也可以相应地降低一些。连杆、曲轴等零部件的尺寸可以做得更小一些。在发动机上采用铝合金汽缸体，结构紧凑的气体管道和采用各种轻量化的结构件等技术措施，减轻了该发动机的总质量和减小了发动机的外形尺寸，进一步提高了发动机的燃油经济性。（5）发动机的热力学计算发动机的热力学效率主要取决于发动机的转速和扭矩，而它们的幅值取决于具体的发动机(大小，几何结构)。由于这个原因，我们对发动机变量进行规范化，这样，发动机的大小只是作为优化过程的一个参数。发动机工作在稳定状态时，用两个规范化变量描述工作点。这两个变量是平均活塞速度和平均有效压力。 式中，是发动机转速，是发动机扭矩，是发动机排量，S是冲程。参数N取决于发动机类型：四冲程发动机N=4，二冲程发动机N=2。对于固定的平均有效压力和平均活塞速度，方程描述了发动机产生的机械功与发动机的汽缸数量z和汽缸内径B之间的关系。这样，一旦发动机的期望额定功率选定，用上式就能估算出所需发动机的大小。4.3齿轮箱的研究传统车用变速器以金属带式无级变速器（CVT）、电控机械自动/手动变速器（AMT/MT）、双离合器自动变速器（DCT）和液力机械自动变速器（AT）为主。本节采用行星齿轮机构与这四种主流变速器相结合的设计思路，力求在满足3.3.1所提及各种工作模式的前提下，简化结构设计，最大限度地降低控制元件的数量和控制难度。下面分别介绍本节在将行星齿轮机构与四种主流变速器相结合的基础上而形成的多个动力传动系统方案和相应的特点及具有的工作模式。 4.3.1研究方案 （1）基于AMT/MT的研究方案 手动变速器（MT）由于传动效率高、制造成本低、技术成熟，仍然是目前国内市场的主流。而受变速器自动化趋势的影响，国内近年来在手动变速器基础上进行的电控机械自动变速器（AMT）的研究十分热门，如 AMT 起步控制研究、换档控制策略研究等等。 因此在传统AMT/MT的基础上开发混合动力传动系统有较大的可行性。 (a)AMT/MT 研究方案