毕业论文-混合动力电动汽车设计研究.doc

哈尔滨工业大学毕业设计（论文）摘要混合动力汽车采用内燃机和电动机作为动力源，其燃油消耗和排放都比传统汽车低，并能满足日益严格的汽车尾气排放标准。从整车效率、动力性能、续驶里程和城市运行工况等多方面综合考虑，混联式混合动力电动汽车为首选方案。混合动力汽车动力总成参数匹配技术是混合动力汽车的核心技术之一，而一个良好的控制策略则是保证低油耗、低排放的关键。本文在如下几方面做了详细的研究工作：1、详细地论述混合动力系统的基本结构、工作原理及优缺点；对混合动力电动汽车的动力系统的设计进行分析，并选择混合动力系统的类型；2、在确定功率需求的基础上确定混和动力电动汽车动力总成的初步匹配方案，满足排放标准同时具有较好动力性和燃油经济性，并初步验证研究参数匹配的合理性；3、对混联混合动力汽车动力及传动系统各主要部件的性能进行选择动力装置类型和参数设计；参考混联式混合动力汽车典型例子丰田pruis的驱动系统，针对伊兰特1.6进行了混合动力系统设计。4、在完成混合动力系统的基础上，通过对行车工作模式的分析和参考串联混合动力系统与并联混合动力系统的控制策略，设计其控制系统；关键词：混合动力；汽车；混联；参数匹配 ；控制策略AbstractThe hybrid electric vehicle satisfied the increasingly strict criterion of vehicle exhaust emission with its better performance on high fuel economy and low emissionthan the Conventional Vehicle,which is strongly depend on the cooperation of bustion and electromotor.According to the car efficiency power performance,sail mileage and city routine etc,parallel-series HEV is finally adopted.The HEV parameter design is one of the core technologies and a nice control strategy is the key to guarantee the low emission and fuel consumption.This thesis introduces the developments as follows:1.Discusses in detail the hybrid electric system for basic structure,and its advantages and disadvantages; the hybrid electric vehicle design of the dynamical system for analysis, and select the type of hybrid electric system; 2.In determining the need to determine on the basis of a mixture containing electric vehicle powertrain of match, at the same time meet the emission standards for determining glutamateis power performance and fuel economy, and preliminary validation of parameters match parameters reasonability; 3.On hybrid HEV and transmission system performance across all the major parts of the choices power unit type and parameter design; refer to the parallel hybrid electric vehicle: a typical example of Toyota pruis drive system, carried out for elantra 1.6 hybrid electric system design; 4.Upon completion of the hybrid system, through the operation mode of analysis, and reference series hybrid system and a parallel hybrid system control strategy, design its control system.Key Word: hybrid cars;PSHEV;parameter matching；control strategy - 47-目录摘要.IAbstractII第1章 绪论11.1 本课题的研究意义11.2 国内外研究现状21.2.1 我国混合动力电动汽车研究概况31.2.2 国外混合动力电动汽车研究概况41.3 本论文的主要研究内容5第2章 混合电动车的概述62.1 混合动力汽车概念62.2 混合动力系统的节能潜力62.3 混合动力汽车的排放问题72.4 混合电动车的分类72.4.1 串联混合动力系统82.4.2 并联混合动力系统92.4.3 混联式混合动力汽车(PSHEV)102.5 本章小结11第3章 动力系统总成选型和参数设计123.1 引言123.2 混联式混合动力汽车动力匹配总成选型123.2.1 混合动力电动汽车用发动机选型123.2.2 混合动力电动汽车用电动机选型133.2.3 混合动力电动汽车用储能元件选型173.3 并联式混合动力汽车动力系统的参数匹配与性能指标183.3.1 整车参数与性能指标183.3.2 发动机功率设计193.3.3 电机参数设计计算193.3.4 电池参数设计计算213.3.5 传动比的选择223.4 本章小结23第4章 变速驱动桥结构设计244.1 引言244.2 变速驱动桥的总体布置244.3 传动装置各轴的运动和动力参数的确定244.4 齿轮的结构设计与强度校核254.5 轴的校核284.6 轴承的选择与校核294.6.1 几种轴承的特点294.6.2 类型的选择294.6.3 校核轴承寿命314.7 花键的校核334.8 本章小结34第5章 混联混合动力汽车控制策略设计355.1 引言355.2 混合动力汽车控制策略概述355.2.1 串联式混合动力电动汽车控制方法365.2.2 并联式混合动力电动汽车控制方法375.2.3 混联式混合动力电动汽车控制方法385.3 混联式混合动力电动汽车的工作模式及控制系统395.4 本章小结40结论.41致谢.42参考文献.43第1章 绪论1.1 本课题的研究意义 随着全球经济以及汽车工业的发展，汽车保有量也在逐年急剧增加，但汽车数量的增加却是城市大气污染的主要来源，因此世界各国纷纷制定一系列十分严格的排放法规，强制要求生产低油耗小排放的汽车。但是，尽管目前内燃机电控技术和三元催化等排气净化技术广泛应用，能够大幅度的降低汽车的排放以及耗油量，可是能源紧张和排放带来的环境污染问题还是没有从根本上得到解决。为此，全球的汽车制造商都寻找新的解决办法，把主要精力放在研究开发新型节能无污染的绿色汽车。 目前，世界各国都在开发新型节能无污染汽车，包括纯电动汽车EV(electric vehicle)、混合动力电动汽车HEV(hybrid electric vehicle)和燃料电池汽车FCV(fuel cell vehicle)。纯电动汽车(Electric Vehicle简称EV)是一种节约石油能源、无污染的理想“零排放”汽车，因为它引入了电驱动模式，所以这种汽车加大非石油资源的利用率，无疑是解决上述问题的有效途径。纯电动汽车从上世纪70年代开始发展，是发展时间最长的汽车；但是其缺点也非常明显，由于一次充电后的行驶里程较短，而且充电时间长，能源补充不方便，另外在技术上很难解决废旧电池的二次污染以及回收的问题和纯电动汽车的蓄电池技术还未能获得关键性突破，因此，其商业化进展和市场推广缓慢。 氢燃料电池动力汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，简称FCEV)，燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机做功。氢燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污染、无二氧化碳排放，是一种新型的环保动力源，另外，由于氢在地球中的蕴藏十分丰富，氢气来源极其广泛，可以说是取之不尽，用之不竭的能源。提取氢的方法非常方便，一是可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行；二是可通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。但是其缺点主要是成本高昂，可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏等因素，所以无法在短期内取代传统动力汽车。在这种情况下，混合动力汽车异军突起，是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车辆。混合动力汽车将两种或更多能量转换技术和一种或更多的能量存储技术集合为一体，使得混合动力汽车能够明显减少汽车排放和降低油耗，难能可贵的是可以达到与传统汽车同样的行驶里程，另外混合动力汽车燃料补充便利，节能、环保也是混合动力汽车的主要特点，表11是四种车型的比较。表1.1 四种车型的比较类型燃油消耗续驶里程排放电池寿命加油站改造成本传统汽车100100100100EV030500100300400FCV5HEV4060100406030010000130160注：表中数据表示比例关系从表1.1可以看出，EV和FCV都具有零排放的优点，但是燃料电池的比能以及技术发展仍然是制约其市场化的一大瓶颈，所以不能满足市场要求；HEV的燃油消耗和排放都比传统汽车低，而且HEV对电池的要求不高，并能满足日益严格的汽车尾气排放标准，当前，HEV已经是汽车技术领域的一个重要的发展方向。但是，世界范围内更加严格的尾气排放标准的出台使得现有的混合动力电动汽车不能适应新形势的需要，其中大部分都存在着退市的危险，目前我国大部分汽车厂商对这种情况的处理方法基本上都停留在改进现有发动机的基础上，很少把发动机、排气系统和控制策略等因素进行综合考虑，已达到符合国III标准的目的，所以系统的研究新型混合动力电动汽车就显得尤为重要。1.2 国内外研究现状混合动力汽车的研究始于上世界90年代。其中，较早地提出采用大速比变化范围的混合动力汽车传动系统设计的研究论文始见于1994年在英国召开的International Gearing Conference。近几年，随着混合动力汽车(HEV)技术发展，使得混合动力汽车有效地克服了传统汽车与纯电动汽车(EV)的缺点并兼顾了两者的优点，在世界范围内已成为新型车辆开发的热点，并且在降低汽车有害排放和燃油消耗方面的潜力已经得到广泛认可。自从1973年爆发了全球性石油危机之后，各国都开始重视节约能源的重要意义，制定汽车燃油经济性法规和加强替代燃料发动机的研究。其中，混合动力汽车就是最杰出的代表成果之一。混合动力汽车采用了发动机驱动系统和电机系统通过机械传动装置耦合在一起来驱动车辆行驶，使得车辆降低燃料消耗量，同时通过整车控制策略控制发动机、电池和电机在不同工况条件下，处于不同的工作模式，从而尽可能多的工作在各自的高效率区域，甚至还可以控制发动机的起停来取消发动机怠速运转，达到明显节能的目的。据统计，在占80以上的道路条件下，一辆普通汽车仅利用了动力潜能的40，在走走停停的繁华市区甚至还会降到25。而混合动力汽车既可以发挥内燃机持续工作时间长，动力性能好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声、能够回收动力的优点，取长补短，使汽车的热效率可提高40以上，尾气排放可减少30以上。另一方面，混合动力汽车在降低汽车有害排放方面的贡献是显而易见的，然而随着人们对环境保护力度的加大，更严格的汽车尾气排放标准也应运而生。发达国家混合动力汽车技术比较成熟，同时它们还是加快尾气排放标准的制定与颁布。比如在欧洲，根据欧洲议会2006年底表决通过的欧盟委员会的一项规定，从2009年9月1日起，欧盟销售和行驶的民用车辆包括以柴油为燃料的汽车，都要执行欧洲5号尾气排放标准。此前出厂的载重、工程和农用柴油车，如在欧盟成员国境内使用，也需加装特殊的尾气过滤装置，以符合欧洲5号排放标准，不过实施日期可延缓一年。此外，从2009至2014年，欧洲汽车尾气排放控制将逐渐过渡到更加严格的欧洲6号标准。我国也在近期出台国III标准，未达到国III标准的新车均不能在市场上销售，也就是说有部分车型正面临着退出汽车市场。从目前的情况看，国外各大汽车生产厂商可能会从混合动力汽车发动机、排气系统和控制策略等综合因素进行考虑，从而达到更加严格的排放标准，最终实现汽车产业的升级；国内汽车厂商由于技术和设备等原因，最可能会对原有车用发动机进行改造，已让整车满足国III标准，或者是更新换代，推出下一代汽车。1.2.1 我国混合动力电动汽车研究概况我国是石油资源十分紧缺的国家，我国的石油仅占世界石油资源的2，从1993年开始就己成为石油进口国。为应对能源紧缺问题问题，实现社会可持续性发展，我国政府很早就开始重视清洁高效汽车技术的开发。我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制。我国自主开发的HEV要求节油率达到30以上，已在几个城市投入示范线路。长安汽车(集团)有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装备集团公司的大力支持下，联合重庆大学承担了ISG(Integrated StarterGenerator)型混合动力长安轿车整车匹配项目，并己通过国家级验收。研制的混ISG型混合动力轿车SC7130(羚羊)轿车的平台上开发，最高时速可达160Kmh，加速性能与同档次的传统汽车相当，续驶里程大于500Km，最大爬坡度25，节油30。但是由于我国混合动力汽车的研究工作起步比较晚，所以和国外的先进技术水平相比还有很大差距。我国的混合动力汽车只是在原油汽车上简单地加载发动机和发电机组，由于缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统，其结果造成两种动力源只是简单结合，缺乏统一协调。加上国III标准的出台，目前可以知道的是10万元以内的车型里有11个车型未达到国III标准，并且退市车型以6万元以下的车型为主；10万元以上车型里共有5个车型未达到国III标准；MPV多功能旅行车、SUV车型里共有48个车型未达到国III标准，并且退市车型以10万元以下的经济型SUV为主。国III标准实施后，上述车型将暂时推出市场，但是其中只有小部分车型会停产，大部分车型还是会经过厂家对发动机的升级后重新回到市场。综上，生产厂商对发动机进行改进势必要增加生产的成本，而厂家会把这些成本加到车价上去，车价的提升必定会带来价格的提升，所以对发动机的升级不是满足国III标准的最终出路。这种情况造成国内大部分汽车厂商的尴尬局面，所以研究在排放标准的前提下，对混合动力汽车进行系统的研究使其具有良好的动力以及燃油经济性能已经到了迫在眉睫的时候了。1.2.2 国外混合动力电动汽车研究概况上世纪九十年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力电动汽车。美国政府于1997年与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司合作，实施新型汽车合作计划(PNGV)，该计划制定的混合动力电动汽车开发的目标是：2002年进行试验性推广，2004年达到全面商业化生产。福特公司开发的“优异2000”概念车试验平台的性能已达到PNCV计划的部分目标：每加仑汽油行驶80英里。在1999年末，本田公司在日本、美国等国陆续开始销售的小型混合动力轿车Insight就被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第一名，实现了35kmL的低油耗和80gkm的低CO2排放量。第二名是丰田公司的Prius混合动力汽车。欧洲，最具代表的HEV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。另外，瑞典沃尔沃公司也开发出了混合动力电动汽车，时速可达90km。德国公司生产的并联式混合动力电动车Duo已小批量生产，因为德国实施了新的汽车排放标准，所以人们把目光更多的寄托在混合动力电动汽车身上。德国汽车工业也已实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里的油耗超过5升的轿车上路，这也将促使人们更多地把希望寄托在混合动力电动汽车上。 虽然，国外混合动力汽车技术成熟、设备先进。但是，欧洲5号排放标准对汽车尾气排放的限制更加严格表现在多方面。以柴油车为例，欧洲4号标准规定，柴油小客车的氮氧化物排放量为每公里250毫克以下，载重卡车为390毫克以下，而欧洲5号标准对此的限制分别为180毫克和280毫克。欧洲6号标准则更进一步，规定柴油小客车氮氧化物的排放量每公里不得超过80毫克，载重卡车不超过125毫克。也就是说，8年之后，欧盟行驶的各类汽车，氮氧化物排放量将比现在减少三分之二以上。例如，目前风靡欧洲的SUV几乎100使用柴油燃料，为加强环保，欧盟特地限定这一车型将于2012年提前两年实行欧洲6号排放标准。所以说，为了达到新的标准，各大汽车生产商必需对发动机、排气系统和控制策略等进行改造，以及对燃料进行深入的环保研究，最终实现产业升级。综上所述，从国内外的研究情况可以看出新型汽车尾气排放标准的推出，可以推动汽车产业的再次升级。当前世界汽车产业已经进入成熟发展期，随着世界汽车保有量的越来越大，而减少汽车尾气排放，不仅关系到气候变化，同时也是未来汽车企业增加竞争力的重要手段，谁能占据主动，谁就可能成为行业的领跑者。一旦汽车尾气排放的研究取得突破，必将产生巨大的经济和环保效益。1.3 本论文的主要研究内容本研究从系统入手，对混合动力系统各部件参数进行设计，并制订系统的控制策略。归纳起来，主要有以下几方面内容：（1）详细地论述了混合动力系统的基本结构和工作原理，并分析了各自的优缺点；对混合动力电动汽车的动力系统的设计进行了详细的研究和分析，最终确定混合动力电动汽车模型以及工作模式；（2）确定出混联式混合动力汽车动力系统的布置方案，并对该动力系统的特点及功能进行分析；（3）设计混联混合动力系统参数，合理选择发动机和电机的功率、最高转速、电池的功率及需要的储存能量、传动系统的传动方式和传动比；（4）制定混合动力系统能量分配的控制策略，使发动机工作在经济区域，同时保证电池在一个完整的汽车行使循环工况内保持能量平衡，实现节能的效果。第2章 混合电动车的概述2.1 混合动力汽车概念汽车已与人们的日常生活和生产密不可分。然而，众多的燃油汽车排放所造成空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使开发低排放，低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，电动汽车成为最主要的选择之一。所谓混合电动汽车，是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(APU),其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机。将产生动力的部件与电能储存元件与不同的方式结合起来，可以形成不同类型的混合动力汽车。简而言之，混合动力汽车就是将传统的内燃机、电力驱动装置和储能装置结合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。2.2 混合动力系统的节能潜力传统汽车相比混合动力汽车耗油的原因主要有以下几种：(1) 发动机燃油消耗率特性和汽车实际行驶工况的需求不匹配；(2) 制动能量的消耗（特别是在城市市区行驶）；(3) 带有液力变矩器的汽车在频繁起停的时候传动效率很低。混合动力汽车相比传统ICE汽车之所以节油，主要结合上述在以下方面有所改进：(1) 作为动力装置的发动机尺寸有所减小。(2) 通过控制能使发动机工作点尽量靠近或在发动机最优经济区域，提高发动机工作效率，不足动力由电机补充。(3) 在汽车制动时，控制电机以发电机模式工作进行回馈制动，将汽车的动能或势能部分回收。(4) 在频繁起停工况下：汽车停车时，若电池荷电状态处于合理范围，将发动机关闭，节省发动机怠速油耗；在汽车起动时，由电机单独驱动，能避免带有液力变矩器的汽车在起动时的传动效率低的问题。2.3 混合动力汽车的排放问题在控制排放方面，混合动力车有若干优点，降低排排放的主要途径如下。(1) 纯电动模式运行 混合动力汽车一般设计成具有纯电动运行模式。这种混合电动车在进入车辆和人口密集的城市中心时，可以关闭其发动机以纯电动方式工作，达到零排放，到了郊区时可重新启动发动机。这种车辆还可以在晚上或停车时利用电网的电充电，类似与纯电动汽车的情况。(2) 降低发发动机排放 混合动力车可采用电动起步，当车速达到预定值或车辆负荷达到预定水平时才启动发动机，尽量使发动机工作在远离排放差的区域；采用功率小的发动机意味着混合动力车辆比起传统车辆来，在常见负荷下，可在较高的额定功率下工作，效率更高、污染最小；动力电池的功率缓冲能力可使发动机缩短冷启动时间，从而减少整车冷启动是的排放。混合动力车还可以在停车、滑行、低负荷、制动或蓄电池SOC到最大值时关掉发动机，取消发动机怠速，而当需要发动机输出力矩时重新启动，这样可以取消怠速时的排放，降低整车排放污染。2.4 混合电动车的分类混合动力系统可以按以下几个方面分类：从使用电池-电机与内燃机的搭配比例来看，混合动力车辆有微混合、轻混合、全混合、可外接电源充电混合动力四种类型。(1) 微混合系统有时也叫“启-停混合”，依靠电池-电机的功率比例很小，车辆的驱动功率主要由内燃机提供。电机仅作为内燃机的启动机/发电机使用，微混合可实现5%10%的皆有效果。(2) 轻混合系统与微混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电池-电机功率的比例增大，内燃机的功率的比例相对减小。在车辆加速、爬坡等工况下，电机可向内燃机提供辅助的启动力矩，但不能单独驱动车辆行驶。一般电机功率不超过发动机最大功率的10%，其节油可达10%15%。(3) 全混合系统与轻混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电池-电机功率的比例更大，内燃机功率的比例更小，电机和内燃机都可以单独驱动车辆，因此在低速、缓加速行驶、车辆起步行驶和倒车等情况下，车辆可以纯电动行驶；急加速时电机和内燃机一起驱动车辆，并有制动能量回收的能力。电机功率为内燃机最大功率的40%左右，其节油效果达30%50%，但实际节油效果随车辆结构设计、行驶工况、开车操作细节而变化。(4) 可外接电源充电混合动力系统该系统电机功率比例与纯电动情况相同，但内燃机的功率比例与全混合系统的基本相同。从系统能量流和功率流的配置结构关系看，可分为串联、并联和混联。下面着重介绍这三种形式的混合动力系统。2.4.1 串联混合动力系统串联混合动力系统的结构见图2-1。其结构特点是 图2.1 串联式HEV驱动系统结构图串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机、电池组、驱动电机和控制器主要部件组成。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。发动机和发电机集成组成一个系统，即辅助动力单元，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。串联式混合动力电动汽车的优点：(1) 发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的运转状态，使有害排放气体控制在最低范围内，并可采用燃气轮机、转子发动机等其他形式的发动机；(2) 串联式混合动力电动汽车从整体结构上看，只有发电机电动机的电力系统，其特点更加趋近于电动汽车。几个大部件总成在电动汽车上布置起来，将有较大的自由度。串联式混合动力电动汽车的缺点：(1) 各部件总成各自的功率较大，外形较大，质量也较大，在中小型电动汽车上布置有一定的困难；(2) 在发动机发电机电动机驱动系统中的热能电能机械能的能量转换过程中，能量损失较大。因此发动机输出的能量利用率要比内燃机汽车低。所以，串联式混合动力驱动系统较适合在大型客车上使用，该布置形式更适合于道路复杂的城市工况和山区公路运行。在环保要求高的市区，汽车在起步和低速行驶时，可以关闭发动机进入纯电动状态，使汽车达到零排放的要求。2.4.2 并联混合动力系统并联式混合动力驱动系统的发动机和电动机通过某种变速装置同时与驱动桥直接相连接。电动机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，因为通常发动机工作在满负荷(中等转速)下，燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时，传统车辆的发动机的燃油经济性比较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车，或者增加发动机的负荷使电动机作为发电机，给蓄电池充电以备后用（即一边驱动汽车，一边充电）。由于并联式混合动力电动汽车在稳定的高速行驶下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，所以它在高速公路上行驶具有比较好的燃油经济性。并联式驱动系统有两条能量传输路线，可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车，如果其中的一条驱动线路出了问题，另一个仍然可以驱动汽车。这种设计方式可以使其以纯电动汽车，或低排放汽车的状态运行，但是此时不能提供全部的动力能源。并联式混合动力汽车通常有以下四种组合驱动方式：(a) 驱动力结合式驱动力结合式（见图2.1A）电动汽车采用一个小功率的发动机，单独地驱动汽车的前轮。另外一套电动机驱动系统单独地驱动汽车的后轮，可以在汽车启动、爬坡或加速时增加混合动力汽车的驱动力。两套驱动系统可以独立地驱动汽车，也可以联合驱动汽车，使电动汽车变成四轮驱动的电动汽车。此种混合动力电动汽车具有四轮驱动的特性。(b) 转矩结合式(双轴式和单轴式)转矩结合式并联式混合动力电动汽车（见图2.1，B、C）的发动机通过传动系统直接驱动混合动力电动汽车，并直接（单轴式）或间接（双轴式）带动电动/发电机转动向蓄电池充电。蓄电池也可以向电动/发电机提供电能，此时电动/发电机转换成电动机，可以用来启动发动机或驱动汽车。(c) 转速结合式转速结合式并联式混合动力电动汽车（见图2.1，D）的发动机通过离合器和一个“动力组合器”来驱动汽车，电动机也是通过“动力组合器”来驱动汽车。可以利用普通内燃机汽车的大部分传动系统的总成，电动机只需通过“动力组合器”与传动系统连接，结构简单，改制容易，维修方便。通常“动力组合器”就是一个行星齿轮机构，这种装置可以使发动机或电动机之间的转速可以灵活的分配，但它们组合在特定的“动力组合器”中，因为“动力组合器”使它们的转矩固定在电动汽车行驶时的转矩上，要用调节发动机节气门的开度来与电动机的转速相互配合，才能获得最佳传动效果，从而使得控制装备变得十分复杂。图2.1 并联式混合动力电动汽车的驱动方式并联式混合动力电动汽车的优点：(1) 发动机通过机械装置直接与驱动轴相联，输出能量的利用率高；(2) 当电动机进行辅助驱动时，发动机的功率可以适当的减小；(3) 如果电动机只是作为辅助能量时，功率可以取小；(4) 由于有发电机补充能量，因此比较小的电池容量既可满足使用要求；(5) 各个部件的质量、尺寸相对较小，因此适合布置在小型汽车上。并联式混合动力电动汽车的缺点：(1) 由于并联式混合动力汽车的发动机的运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此，在汽车行驶工况变化较多，较复杂时，发动机就会较多的在不良工况下运行，因此排放污染较严重；(2) 发动机和驱动系统的机械连接使得机械装置较为复杂，增加了整车布置的难度。因此，并联式驱动系统最适合在城市间道路和高速公路上行驶，工况稳定，发动机经济性和排放性都会有所改善,和混联式混合动力电动汽车相比较而言结构简单，价格也容易被广大消费者接受，在电池技术问题没有得到很好的解决的情况下，它将可能被广泛应用，但当电池技术攻克，其优越性较混联混合动力系统落后。2.4.3 混联式混合动力汽车(PSHEV)混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，它的结构形式和控制方式充分发挥了两种驱动形式各自的优点。能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。一种可能的设计方式是将串联式和并联式的所有部件用一个离合器连接起来，使车辆在某种情况下以串联式工作，在另一种情况下则以并联式工作。根据不同的驱动条件来选择具有优势的那一种驱动方式。但是这种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，导致整车的尺寸增大和复杂程度增加。驱动系统是将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。这种机构有两个自由度，可以自由的控制两个不同的速度(例如：发动机的转速与差速器输入的转速)。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。但其对控制系统的要求很高。本设计本着节能环保的理念选择混联混合动力系统。2.5 本章小结本章介绍了混合动力电动汽车不同的分类方法和动力总成结构形式，并重点介绍了串联式、并联式和混联式三种混合动力汽车的驱动系统结构和特点，然后详细分析了各自的优缺点，最后通过综合考虑，本文确定混合动力电动汽车模型采用行星齿轮组混联结构，因为它在稳定的高速行驶下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，而且具有比较好的燃油经济性，技术成熟，应用广泛。具体工作包括：(1) 重点介绍串联式、并联式和混联式混合动力汽车驱动系统结构以及工作原理，并对上述三种混合动力汽车各自的优缺点进行详细分析与说明；(2) 因为每种混合动力汽车的驱动系统结构都有各自的特点，而且行驶工况是随时变化的。所以，选择哪种驱动结构要和混合动力电动汽车的设计目标以及设计任务进行匹配，判断汽车的运行状态以及行驶工况，再根据发动机、电机和蓄电池的特性确定车辆的工作模式，最终合理的选择本设计方案为混联式混合动力系统的动力匹配总成选型和参数设计提供合理依据。第3章 动力系统总成选型和参数设计3.1 引言本章首先论述了混合动力电动汽车动力总成的选型方案，具体的方案是：发动机选择Atkinson(艾金森)循环的Zetec-四缸汽油发动机；电动机选择永磁交流电机；蓄电池元件选择电化学镍氢电池；变速器选择行星齿轮组无级变速器。接下来，主要根据第二章所确定的混合类型，以整车动力性和燃油经济性为主要目标进行设计，最终得到混合动力电动汽车参数设计结果。3.2 混联式混合动力汽车动力匹配总成选型混合动力电动汽车动力总成选型主要包括以下部分：发动机、车用电动机、储能元件以及传动系等，本节主要根据混合动力汽车的工作特性要求对动力元件的选型方案进行分析，最终选取符合整车设计性能的混合动力汽车动力总成元件。3.2.1 混合动力电动汽车用发动机选型在混合动力系统中，发动机作为能量转换装置具有举足轻重的作用，因此对其格外重视。混合动力汽车发动机的选择必须考虑到发动机的使用和运行模式。在混合动力汽车中，为了达到某些特定目标(最小排放、最小油耗、最小成本或以上目标的综合)，必须设计一个合理的控制策略，根据车辆的行驶工况和动力部件的状态，确定动力系统的驱动方式。混合动力的发动机并不是单独提供加速或爬坡的峰值功率，而是和电机共同驱动，发动机额定功率通常由最常用或最经济车速对应的需求驱动功率确定，因而混合动力汽车的发动机功率比燃油车小。为了提高燃油经济性，混合动力汽车发动机是被设置成在绝大多数时间在经济区域稳定的运行，即发动机可运行在较窄的范围之内。另外，某些混合动力汽车发动机是以开关模式运行，比燃油车发动机更加频繁地开关。此外，在选用混合动力汽车用发动机时还要考虑到整车总布置问题，这是因为在混合动力汽车上采用了多种动力部件，而汽车的可用空间又非常有限，所选用的发动机应有利于动力传动系的合理布置。另外还要考虑发动机的噪声和振动、可靠性、使用寿命、维护成本、运行成本以及安全性能等因素。考虑到上述因素并总结了目前各国在混合动力汽车研究中所选用的发动机方案，目前可以应用于混合动力汽车的发动机主要有：转子式发动机、燃气轮机、斯特林发动机以及四冲程汽、柴油机等。表3.1列出了四种发动机的特点以及动力总成方案表3.1四种发动机特点以及动力总成方案发动机形式特点应用范围转子发 动机优点：(1)具有尺寸小、重量轻、暖机迅速和扭矩速度曲线平坦； (2)最小燃油消耗率较高，达到了300360gkw.h。缺点：废气排放量较高串联燃气轮机优点：(1)尺寸小、维护成本低、噪声和振动小、在低转速时能产生较大的扭矩，热效率高，可采用多种燃料并且设计简单：(2)排放水平低，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。缺点：响应时间较长串联斯特林发动机优点：具有高的热效率、低排放和低噪卢性能。缺点：功率密度低以及需要人的散热装置。串联四冲程汽油机和柴油优点：(1)技术成熟；(2)热效率较高。缺点：排放较差，噪声和振动大，但采取技术后，上述缺点可以得到改善。串联 并联对于混联混合动力汽车，应用目前技术成熟的先进四冲程发动机不失为最佳选择。本文选择四冲程汽油发动机为研究对象。当然，为进一步降低油耗和排放，发动机能够适应频繁的开关模式，开发适合混合动力汽车专用环保发动机是未来发展的趋势。3.2.2 混合动力电动汽车用电动机选型在混合动力汽车应用中，电动机的选用应满足下列原则：(a) 高性能、低重量和小尺寸；(b) 在较宽的转速范围内有较高的效率；(c) 电磁辐射尽量小；(d) 成本低。另外，对电动机的选型还应综合考虑其控制系统的特点，要求能实现双向控制，对制动再生能量可以回收。同时，混合动力电动汽车对电机性能的基本要求为：(a) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电机尺寸和导线等设备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本；(b) 高转速。高转速电机体积较小，质量较轻，有利于降低整车的整备质量；(c) 质量轻。电