毕业论文- 保时捷 Cayenne的混合动力技术分析

1、毕业设计说明书课题名称： 保时捷 Cayenne的混合动力技术分析 学生姓名 学 号 二级学院(系） 专 业 班 级 指导教师 保时捷Cayenne的混合动力技术分析摘 要本文以保时捷的Cayenne S Hybrid 车型的混合动力技术为研究对象，来深入详细地分析它的内燃机、DME发动机电控系统、DME混合动力技术、动力传输、底盘等重要部件的结构、原理与技术特点。通过全面的剖析该技术，来使所有的用车之人、玩车之人以及汽车有关的技术人员等，领略到保时捷品牌的先进技术，Cayenne车型的优越性能，混合动力技术的时尚魅力。关键词：保时捷；Cayenne；混合动力；技术分析 目录目 录 TOC o

2、 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc317186972 摘 要 PAGEREF _Toc317186972 h I HYPERLINK l _Toc317186973 第1章 绪论 PAGEREF _Toc317186973 h - 2 - HYPERLINK l _Toc317186974 第2章 混合动力系统主要部件简介 PAGEREF _Toc317186974 h - 3 - HYPERLINK l _Toc317186975 2.1 内燃机 PAGEREF _Toc317186975 h - 3 - HYPERLINK l _Toc317186976 2.2 电气辅

3、助系统 PAGEREF _Toc317186976 h - 3 - HYPERLINK l _Toc317186977 2.3 电源电子装置 PAGEREF _Toc317186977 h - 4 - HYPERLINK l _Toc317186978 2.4 混合动力模块 PAGEREF _Toc317186978 h - 6 - HYPERLINK l _Toc317186979 第3章 混合动力驱动类型 PAGEREF _Toc317186979 h - 9 - HYPERLINK l _Toc317186980 3.1 轻度混合动力驱动 PAGEREF _Toc317186980 h

4、- 9 - HYPERLINK l _Toc317186981 3.2 中度混合动力驱动 PAGEREF _Toc317186981 h - 10 - HYPERLINK l _Toc317186982 3.3 重度混合动力驱动 PAGEREF _Toc317186982 h - 10 - HYPERLINK l _Toc317186983 3.3.1 串联混合动力驱动 PAGEREF _Toc317186983 h - 11 - HYPERLINK l _Toc317186984 3.3.2 动力分支混合动力驱动 PAGEREF _Toc317186984 h - 11 - HYPERLIN

5、K l _Toc317186985 3.3.3 并联混合动力驱动 PAGEREF _Toc317186985 h - 12 - HYPERLINK l _Toc317186986 第4章 混合动力的六种驾驶模式 PAGEREF _Toc317186986 h - 13 - HYPERLINK l _Toc317186987 4.1 只通过电力驱动 PAGEREF _Toc317186987 h - 13 - HYPERLINK l _Toc317186988 4.2 超级加速 PAGEREF _Toc317186988 h - 13 - HYPERLINK l _Toc317186989 4.

6、3 带有负荷点转移的内燃机驱动行驶 PAGEREF _Toc317186989 h - 13 - HYPERLINK l _Toc317186990 4.4 滑行 PAGEREF _Toc317186990 h - 14 - HYPERLINK l _Toc317186991 4.5 再生制动（能量回收） PAGEREF _Toc317186991 h - 14 - HYPERLINK l _Toc317186992 4.6 自动起动/停止功能 PAGEREF _Toc317186992 h - 14 - HYPERLINK l _Toc317186993 第5章 “适应混合动力的”驾驶方式

7、PAGEREF _Toc317186993 h - 15 - HYPERLINK l _Toc317186994 第6章 结论 PAGEREF _Toc317186994 h - 16 - HYPERLINK l _Toc317186995 参 考 文 献 PAGEREF _Toc317186995 h - 17 - HYPERLINK l _Toc317186996 致 谢 PAGEREF _Toc317186996 h - 18 -第一章 绪论第1章 绪论当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80%以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40%，在市区还会跌至25%

8、，更为严重的是排放废气污染环境。随着世界能源的逐渐减少和环境的不断恶化，如何寻找更加经济、清洁的能源作为发动机燃料便成了各大汽车厂商竞相追逐的技术课题，因此各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非 HYPERLINK /view/4498203.htm t _blank 燃料电池技术有重大突破）。 现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（Hybrid-ElectricVehice

9、l，缩写HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的 HYPERLINK /view/565126.htm t _blank 热效率可提高10%以上，废气排放可改善30%以上。而在混合动力这一领域，保时捷凭借近它丰富的经验和先进的技术，让Cayenne S Hybrid一上市就成为节能环保的首选S

10、UV。因此很有必要对其混合动力系统进行研究。第2章 混合动力系统主要部件简介保时捷Cayenne S Hybrid 车型上的混合动力技术主要靠内燃机、DME发动机电控系统、DME混合动力技术、动力传输、底盘、车身、外部车身装备、内部车身装备、空调、电气设备和电子装备等部件的相互协调工作而实现的。2.1 内燃机对于配备创新的重度并联混合动力驱动装置的新款Cayenne S Hybrid 和中国市场上的Cayenne V6，保时捷首次使用了带有机械增压器的3.0L V6发动机单元。新款3.0L V6机械增压发动机最重要的特性包括： 排量为2,995 cm3 气缸列夹角为90； 铝质气缸盖 湿式油池

11、润滑； 坚固的铝制发动机气缸体 机械增压器； 四气门技术 增压空气冷却； 连续的凸轮轴调节 进气侧的耗油量测量；该发动机是6缸、24气门的汽油发动机，气缸列夹角为90度，每个气缸列具有两个凸轴。3.0L V6发动机包含铝制发动机气缸体、铝质气缸盖以及其他采用先进技术的功能和设备，例如热量管理功能和可控式机油泵。图2-1 保时捷Cayenne S Hybrid发动机缸体结构示意图2.2 电气辅助系统为了在内燃机关闭时协助执行不同车辆功能，已对某些单个部件通电，并添加了一些通电部件： 用于座舱空调的电动高压空调压缩机； 用于助力转向的电液式伺服泵； 用于制动助力的电动辅助真空泵； 用于变速箱油供给

12、的电动辅助机油压力泵； 两个电动辅助水泵（一个用于高温回路，一个用于低温回路）； 用于操纵分离式离合器的电液式芯主轴执行器；其中的动力转向油泵以便在内燃机关闭时确保动力辅助的可靠性。为变速箱供应机油的附加电动机油压力泵可确保足量的机油流向所有移动零件，并确保内燃机关闭时仍然可以换档。通电的泵单元可使制动和动力辅助系统在仅靠电力驱动行驶等情况下正常工作。内燃机关闭时，必须继续冷却混合动力传动系中功率较大的部件，如电机和电源电子装置等。为此使用了两个电动冷却液泵。图2-2 保时捷Cayenne S Hybrid电气辅助系统结构示意图1-高压空调压缩机；2-伺服泵（动力辅助）；3-真空泵（制动助力）

13、；4-芯主轴执行器（分离式离合器）2.3 电源电子装置电源电子装置位于内燃机和轮罩之间的发动机舱左前部的铝制壳体中。该模块重量约为14kg。电源电子装置包含以下各种部件：1）脉冲逆变器(PWR) 288 VDC 288 V AC2）DC/DC 转换器，288 伏 12 伏3）电源电子装置控制单元4）带有用于空调压缩机的保险丝的高压电源分配器5）高压蓄电池脉冲逆变器使用称为降压或升压转换器的电路将直流电流转换成三相交流电流，或者将三相交流电流转换成直流电流。如图2-3所示，这两个转换器结合在一起便称为脉冲逆变器。脉冲逆变器顶部电路（升压转换器）负责正转换，底部电路（降压转换器）进行负转换。微处理

14、器每秒启用晶体管若干次。输出端几乎可产生任何频率或电压水平。如果电机充当发电机，则电路将三相交流电流转换成所需的直流电流，然后此直流电用于给高压蓄电池充电，或者用于向高压空调压缩机供电。图2-3 脉冲逆变器电路结构示意图1-直流连接；2-三相交流电流；3-微处理器控制DC/DC转换 使用变压器可以很容易地改变交流电流的电压水平，而直流电流则使用由线圈、二极管和电容器组成的基本电路进行转换。如图2-4所示为使用降压转换器来降低直流电流的电路图：图2-4 DC/DC转换电路示意图1-输入电压；2-输出电压；3-启用（接地侧）如图2-5所示为使用升压转换器来升高直流电流的电路图（不包含在保时捷混合动

15、力概念中）：图2-5 DC/DC转换电路示意图1-输入电压；2-输出电压；3-启用（接地侧）晶体管（开关）快速不断地打开和关闭电路。这些开关过程的工作循环决定了电压升高或降低的程度。DC/DC转换器和脉冲逆变器是电源电子装置中的两个主要部件。功率晶体管的快速开关会产生热量，必须通过冷却系统散热。有一个独立的低温电路（该电路与3.0L V6 DFI发动机上的空气增压模块内的增压空气冷却系统一起工作）负责冷却功率晶体管。高压蓄电池 每个蓄电池单电池的电压以化学能为基础且不超过2 伏。因此，在所有高压蓄电池中，若干蓄电池单电池串联在一起以获得较高的电压。在Cayenne S Hybrid 的高压蓄电

16、池中，每个模块中的6 个单电池串联连接(7.2 V)。40个这样的模块同样串联连接，产生288 V 的总电压。电压转换 车辆电气系统和电驱动系统上使用的不同电压必须经转换才能执行以下任务： 发电机产生的三相电流通过脉冲逆变器转换成直流电流，用于给高压蓄电池充电，或者用于向高压空调压缩机供电。 高压蓄电池的直流电流转换成较低的直流电流，用于12V车辆电气系统。 高压蓄电池的直流电流转换成三相电流，用于电动动力传动系（倒相器）。 如果使用12伏充电器给高压蓄电池充电，此情况下也必须转换电压。保时捷混合动力概念不含12伏充电器。但提供用于给高压蓄电池充电的外部高压充电器。 图2-6 高压蓄电池图2.

17、4 混合动力模块混合动力模块根据模块化原理集成在内燃机和变速箱之间。包含电机和离合器的完整模块长度仅为147.5mm，重量约为53kg。图2-7 混合动力模块结构组成图1-飞轮；2-主动盘；3-压盘；4-液压连接；5-混合动力模块壳体；6-定子；7-转子；8-绕性板该模块包含一个分离式离合器，该离合器位于连接到内燃机和电机的一端，它可通过挠性板将动力传输到变速箱。带挠性板的电机转子将变速箱端的混合动力模块与8 速自动变速箱上的变矩器相连接。虽然电机上的部件仅可作为完整的单元进行更换，但是分离式离合器、飞轮、主动盘和压盘上的部件却可以单独更换。图2-8 分离式离合器结构示意图1-飞轮；2-主动盘

18、；3-压盘分离式离合器可将动力从内燃机传输到混合动力模块，且使得在混合动力所特有的工作模式之间进行转换时可进行快速、平稳的耦合和退耦。从电机模式转换到内燃机模式的过程中，分离式离合器可在70 ms 左右的时间内以较高的扭矩精度迅速关闭。对于动力在内燃机和传动系之间进行传输的工作模式，分离式离合器在所有这些工作模式中均处于关闭状态。离合器可确保在不影响驾驶舒适性的情况下将内燃机产生的动力迅速传输到电机和变速箱，进而再传输到路面。对分离式离合器有以下要求： 精度较高的发动机扭矩传递 出色的驾驶舒适性 高度的可靠性 保证当离合器打开且车辆在电力驱动下行驶时不会产生阻力矩 较高的强度分离式离合器是一个

19、干式离合器，它包含飞轮、主动盘和压盘。飞轮可建立到发动机侧混合动力模块的连接，并通过质量惯性减轻转速波动。此外，离合器中还装有弧形弹簧减震器，该减震器可通过与双质量飞轮类似的方式减轻扭转振动。第二质量由电机上的转子和液力变矩器的泵轮组成。分离式离合器上的压盘附有从液压管路到芯主轴执行器（液压控制单元）的连接。芯主轴执行器以液压方式控制中央释放模块，以打开和关闭分离式离合器。在接合过程中，压盘(4)上的碟形弹簧产生的力会将主动盘(2)推向飞轮(1)，以此使动力得以传输。混合动力模块上70 cm 长的铸铝壳体位于内燃机和自动变速箱之间。将该模块直接连接到电源电子装置的三相电流连接位于壳体上。通过这

20、些288 伏的线路可为电机供电或从电机取电。在平坦路面上单凭电力行驶的时速可达约50 km/h，在E-Power 模式下的时速可达约60 km/h。集成在定子线圈中的温度传感器可对温度进行监控并将测量值通过CAN 总线发送到混合动力管理器。相关的连接位于冷却液连接之间。第二章 设计模板体系第3章 混合动力驱动类型混合动力驱动系统是根据不同功能原理运行的两个不同动力单元的组合。现在，“混合动力技术”这一术语的通用含义是指内燃机和电力驱动的组合。混合动力驱动根据基本设计分为三种不同的类型：轻度混合动力驱动、中度混合动力驱动、重度混合动力驱动。只有重度混合动力才能发挥内燃机和电机相结合的全部优势。保

21、时捷在单轴并联重度混合动力系统中使用的技术是最先进的混合动力驱动技术，目前实现了可达到的最佳性能。3.1 轻度混合动力驱动在此驱动概念中，电动部件（电动起动机/发电机）只用来启用起动/停止功能。在制动过程中，部分动能将转化回电能（能量回收）。但是无法仅靠电力驱动。起动机和12 伏蓄电池的特性经过了调整，以适应频繁的电机起动。图3-1 轻度混合动力驱动能量流动示意图T-燃油箱；V-内燃机；G-变速箱；S-起动机；B-12V蓄电池3.2 中度混合动力驱动在此变型中，电驱动系统可协助内燃机，因此高压蓄电池也称为牵引用蓄电池。但是无法仅靠电力驱动。对于中度混合动力驱动，制动过程中产生的动能中有很大一部

22、分得以回收，并以电能形式存储在高压蓄电池内。高压蓄电池和电气元件是为较高电压而设计的，因此适合于较高的功率级别。除高压蓄电池之外，还可安装12 伏蓄电池和传统起动机。在电机的协助下，驾驶员可从额外的超级加速扭矩中获益。图3-2 中度混合动力驱动能量流动示意图T-燃油箱；V-内燃机；EM-电机；G-变速箱；H-高压蓄电池3.3 重度混合动力驱动在此变型中，功率强大的电机与内燃机相结合。可仅靠电力驱动行驶，而且车辆行驶距离只取决于高压蓄电池（牵引用蓄电池）的大小。需要时，在驾驶员发出扭矩请求后，电机可协助内燃机。低速行驶时，车辆可以单独靠电力行驶。内燃机在不需要时可关闭，混合动力管理系统可决定内燃

23、机何时需要再次打开。将通过能量再生（制动能量回收）对高压蓄电池充电。图3-3 重度混合动力驱动能量流动示意图T-燃油箱；V-内燃机；E-电机；G-变速箱；H-高压蓄电池重度混合动力驱动可分为三类。 串联混合动力驱动 动力分支混合动力驱动 并联混合动力驱动3.3.1 串联混合动力驱动该驱动变型的一种类似形式已在柴油电力机车和轮船的驱动系统中使用多年。内燃机和车轮之间没有连接，因此车辆由电机驱动。内燃机可始终在最佳工作范围内工作，并为发电机产生机械能。供应给电机的功率直接来自发电机，或者来自高压蓄电池。如果高压蓄电池的电量太低，内燃机将起动并通过发电机为高压蓄电池充电。3.3.2 动力分支混合动力

24、驱动除内燃机之外，动力分支混合动力驱动还具有发电机和电机。它们都位于前桥上。车辆通过行星变速箱（或者同时通过车辆变速箱上的电机）由内燃机驱动。可以选择串联或并联工作模式，具体取决于是否启用了行星变速箱。与并联混合动力系统不同，两种驱动类型的单个功率来源无法加起来一起应用于车轮。为使车辆能够行驶，内燃机所提供的部分功率将始终由发电机转化为电能，然后通过电机释放到车轮。最大驱动功率是内燃机和蓄电池功率之和。3.3.3 并联混合动力驱动保时捷Cayenne S Hybrid 采用了单轴并联混合动力驱动概念。混合动力模块位于内燃机和传动系之间的单轴上，长度只有约15cm。该混合动力模块中包含一个分离式

25、离合器，这样混合动力管理系统便可中断内燃机和电机之间的动力传输。图3-4保时捷单轴并联混合动力驱动系统结构分布图1-内燃机；2-混合动力模块（带分离式离合器）；3-变速箱；4-电源电子装置第4章 混合动力的六种驾驶模式保时捷并联混合动力驱动概念允许总共六种不同的混合动力特有驾驶模式，Bosch MED发动机控制模块中集成的混合动力管理器将根据相关驾驶情况选择这些驾驶模式：1）只通过电力驱动2）超级加速3）带有负荷点转移的内燃机驱动行驶4) 滑行（无动力滑行的时速可达156 km/h）5）再生制动（能量回收）6）自动起动/停止功能这些模式仅在配备并联重度混合动力系统的车辆上可用，它们对提高燃油经

26、济性起着决定性的作用。4.1 只通过电力驱动分离式离合器打开，内燃机关闭。电机是驱动车辆的唯一动力。4.2 超级加速离式离合器关闭，内燃机和电机（作为驱动机）一起驱动车辆。在此模式下内燃机和电机的扭矩和功率相结合，各提供其最大功率，从而累加达到一个较高的总值输出。4.3 带有负荷点转移的内燃机驱动行驶 选择1：分离式离合器关闭，内燃机给蓄电池充电并驱动车辆（负荷点升高）。 选择2：分离式离合器关闭，内燃机在电机的协助下驱动车辆（负荷点降低）。混合动力管理器可以负荷点增加或减少的形式执行负荷点转移。对于负荷点增加，内燃机提供的扭矩大于驾驶员设定点扭矩，由此车辆的电机会通过由内燃机为高压蓄电池充电

27、对该差值进行补偿。对于负荷点减少，内燃机提供的扭矩低于驾驶员设定点扭矩，此时车辆的电机会通过发动机对该差值进行补偿，这会导致高压蓄电池放电。4.4 滑行分离式离合器打开，内燃机关闭。电机几乎在完全无摩擦的条件下运行。车辆在没有很大制动扭矩的情况下自行滚动。即使在车速较低时，驾驶员松开油门踏板后也可进行滑行。此时，分离式离合器会分离，内燃机会自动关闭，以防止产生通常在超速阶段出现的发动机制动扭矩。内燃机或电机的动力传动系在滑行过程中不受支持。在此情况下，只有空气阻力和滚动阻力可以对车辆进行制动。在滑行阶段，电机上的转子会在驱动轴上转动并使用察觉不到的制动扭矩产生电能，以对车辆电气系统和所有连接的用电设备供电。4.5 再生制动（能量回收）电机产生电流（作为发电机），该电流用来给高压蓄电池充电并用于车辆电气系统的运行。一旦驾驶员主动降低车速，滚动或下坡道驾驶，混合动力管理器便会将内燃机与传动系的其余部分分离，然后将内燃机关闭。然后电机会用作发电机，并首先为高压蓄电池充电。液压制动系统将从规定的踏板行程处启用。4.6 自动起动/停止功能混合动力管理系统独自负责起动和停止内燃