中度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)【3張cad圖紙+文檔全套資料】

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Series, in parallel, the mixed up in the structure and drive mode of Mixed power vehicle. And its structural features analysis , in order to study structural characteristics of Mixed power vehicle. This paper to a particular medium hybrid vehicle for model. First of all, the operation mode of medium hybrid vehicle was analyzed. Then the layout of the power train was designed. Based on analyzing the characteristics of CVT and in considering of the performance target of the original vehicle, configuration parameters of the transmission were designed. And do matching design (selection) for the transmission system. Mainly introduces Types and characteristics of the vehicle engine, the slowdown, motor, battery. And according to the advantages and disadvantages of each component and the main performance is calculated for parameters on the components to make a choice. After selection finished, Control methods of each part were determined based on the vehicle control strategy. The vehicle simulation model of mild HEV was developed using Matlab/Simulink The detail of each component model and control idea was described in each simulation model. This simulation model is the base for setting up detail control methods and carrying out simulating analysis of the vehicle. Finally, the moderate hybrid vehicles simulation analysis of vehicle performance, simulation and analysis software, vehicle power, economy and circulatory conditions, and the outcome. Keywords: medium hybrid, ransmission system, Matching design, Simulation 第1章 緒論 1.1 開展中度混合動(dòng)力汽車研究的背景及意義 當(dāng)前普遍使用的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車存在種種弊病,統(tǒng)計(jì)表明在占80%以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了其動(dòng)力潛能的40%，在市區(qū)還會(huì)跌至25%，更嚴(yán)重的是排放廢氣污染環(huán)境。20世紀(jì)90年代以來，隨著全球汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的產(chǎn)量、銷售量和保有量在逐年增加，因此對(duì)石油資源的需求，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也越來越大。世界各國對(duì)改善環(huán)保的呼聲日益高漲，各國制定了一系列十分嚴(yán)格的排放法規(guī)，要求生產(chǎn)廠家設(shè)法減少汽車排放，開發(fā)無污染和超低污染汽車，各種各樣的電動(dòng)汽車也脫穎而出。雖然人們普遍認(rèn)為未來是電動(dòng)汽車的天下，但是目前的技術(shù)問題阻礙了電動(dòng)汽車的應(yīng)用。由于電池的能量密度與汽油相比差上百倍，遠(yuǎn)未達(dá)到人們所要求的數(shù)值。專家估計(jì)在未來一段時(shí)間內(nèi)電動(dòng)汽車還無法取代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車。為此想出了一個(gè)兩全其美的辦法，開發(fā)了一種混合動(dòng)力汽車裝置HEV(Hybrid-electric Vehicle)。所謂混合動(dòng)力裝置就是將電動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力單元組合在一輛汽車上做驅(qū)動(dòng)力，輔助動(dòng)力單元實(shí)際上是一臺(tái)小型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力發(fā)電機(jī)組。這樣既利用了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮電動(dòng)機(jī)無污染、低噪聲的好處。 混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，簡(jiǎn)稱HEV)是指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力來源——熱動(dòng)力源（由傳統(tǒng)的汽油機(jī)或者柴油機(jī)產(chǎn)生）與電動(dòng)力源（電池與電動(dòng)機(jī)）的汽車。通過在混合動(dòng)力汽車上使用電機(jī)，使得動(dòng)力系統(tǒng)可以按照整車的實(shí)際運(yùn)行工況要求靈活調(diào)控，而發(fā)動(dòng)機(jī)保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與排放。 混合動(dòng)力汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）采用復(fù)合動(dòng)力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機(jī)的最大功率，此時(shí)處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機(jī)功率不足時(shí)，由電池來補(bǔ)充；負(fù)荷少時(shí)，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機(jī)可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。 2）因?yàn)橛辛穗姵兀梢允址奖愕鼗厥罩苿?dòng)時(shí)、下坡時(shí)、怠速時(shí)的能量。 3）在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機(jī)，由電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)"零"排放。 4）有了內(nèi)燃機(jī)可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動(dòng)汽車遇到的難題。 電動(dòng)汽車己有三種驅(qū)動(dòng)類型：以高效能蓄電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(EV)、以燃料電池為動(dòng)力源電動(dòng)汽車(FEV)和以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)。電動(dòng)汽車的研究是從單獨(dú)依靠蓄電池供電的純電動(dòng)汽車開始的，純電動(dòng)汽車或零排放新燃料汽車無疑是我們的最終目標(biāo)，但目前純電動(dòng)汽車初始成本高，行駛里程較短。由于高效能蓄電池、燃料電池及其系統(tǒng)的發(fā)展相對(duì)滯后，混合動(dòng)力汽車正是在純電動(dòng)汽車開發(fā)過程中為有利于市場(chǎng)化而產(chǎn)生的一種新的車型。它將現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)與一定容量的儲(chǔ)能器件(主要是高性能電池或超級(jí)電容器)通過先進(jìn)控制系統(tǒng)相組合，可以大幅度降低油耗，減少污染物排放。國內(nèi)外普遍認(rèn)為它是投資少、選擇余地大、易于滿足未來排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能目標(biāo)、市場(chǎng)接受度高的主流清潔車型，從而引起各大汽車公司的關(guān)注，得到商業(yè)市場(chǎng)的響應(yīng)并迅速發(fā)展，這其中以豐田的Prius和本田的Insight為代表。電力輔助型混合動(dòng)力汽車采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。電池組容量相對(duì)較小(2-6kW/h)，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供勻速行駛時(shí)的平均功率需求，當(dāng)加速或爬坡需要較大功率時(shí)，由電池和電動(dòng)機(jī)組成的電力輔助部分補(bǔ)充輸出驅(qū)動(dòng)功率。混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性能、燃料經(jīng)濟(jì)性以及廢氣排放效果的好壞，在很大程度上取決于車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配以及車輛行駛過程中對(duì)各部件的協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)使用情況多數(shù)是偏離其最佳工作區(qū)域，未能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最佳匹配。因此，通過合理匹配混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，制定適合于車輛行駛工況的控制策略，對(duì)于提高汽車行駛效率，降低燃油消耗和尾氣排放具有較大的潛力，是一個(gè)值得研究的課題。對(duì)于汽車的動(dòng)力性能和燃料經(jīng)濟(jì)性水平，通常是在進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)之后給予最后評(píng)價(jià)。這樣做不但周期長(zhǎng)，成本高，而且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)整車及各總成方案的確定、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、傳動(dòng)系參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配等具有一定的盲目性，可能遺漏較優(yōu)的方案，造成浪費(fèi)。如果在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略，利用計(jì)算機(jī)仿真模擬對(duì)汽車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以考察驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)是如何影響汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，按預(yù)定的程序模擬各種行駛工況，包括瞬變的非穩(wěn)定工況，能全面地預(yù)測(cè)汽車齊多種工況下的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。 1.2 混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)和工作原理 1.2.1 混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu) 汽油-電動(dòng)混合動(dòng)力車主要包含以下部件： 1)汽油機(jī)——混合動(dòng)力車上的汽油機(jī)與大多數(shù)汽車上的汽油機(jī)非常類似。不過，混和動(dòng)力汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)體積較小，使用先進(jìn)技術(shù)來減少排放，提高效率。 2)油 箱——混合動(dòng)力車上的油箱是汽油機(jī)的能量存儲(chǔ)設(shè)備。汽油的能量密度比電池要高得多。例如，約454公斤的電池所存儲(chǔ)的能量只與約4.5升（3公斤）的汽油相當(dāng)。 3)電動(dòng)機(jī)——混合動(dòng)力車上的電動(dòng)機(jī)非常復(fù)雜。先進(jìn)的電子元件使其既能作為電動(dòng)機(jī)，也能作為發(fā)電機(jī)。例如，如果需要，它可以從電池中吸取能量，加快車速。但如果作為發(fā)電機(jī)，它又能使車輛減速，將能量返回給電池。 4) 發(fā)電機(jī)——發(fā)電機(jī)類似于電動(dòng)機(jī)，但它僅僅產(chǎn)生電能。它主要用在串聯(lián)混和動(dòng)力上。 5)電 池——混合動(dòng)力車中的電池是電動(dòng)機(jī)的能量存儲(chǔ)設(shè)備。與油箱中的汽油不同，汽油只能驅(qū)動(dòng)汽油機(jī)，而混和動(dòng)力汽車上的電動(dòng)機(jī)可以將能量輸送到電池，也可以從電池中吸取能量。 6)變速器——混合動(dòng)力車上的變速器的基本功能與傳統(tǒng)汽車上的一樣。一些混和動(dòng)力車(如本田Insight)使用常規(guī)變速器。也有一些混合動(dòng)力車（如豐田普銳斯）使用的變速器則完全不同。 1.2.2 混合動(dòng)力汽車的工作原理 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成。在車輛行駛之初，蓄電池處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動(dòng)力系統(tǒng)不需要工作。電池電量低于60％時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)：當(dāng)車輛能量需求較大時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)與蓄電池組同時(shí)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量；當(dāng)車輛能量需求較小時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。 混合動(dòng)力汽車采用能夠滿足汽車巡航需要的較小發(fā)動(dòng)機(jī)，依靠電動(dòng)機(jī)或其它輔助裝置提供加速與爬坡所需的附加動(dòng)力。其結(jié)果是提高了總體效率，同時(shí)并未犧牲性能?；旌蟿?dòng)力車設(shè)計(jì)成可回收制動(dòng)能量。在傳統(tǒng)汽車中，當(dāng)司機(jī)踩制動(dòng)時(shí)，這種本可用來給汽車加速的能量作為熱量被白白扔掉了。而混合動(dòng)力車卻能大部分回收這些能量，并將其暫時(shí)貯存起來供加速時(shí)再用。當(dāng)司機(jī)想要有最大的加速度時(shí)，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作，提供可與強(qiáng)大的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)钠鸩叫阅堋Ｔ趯?duì)加速性要求不太高的場(chǎng)合，混合動(dòng)力車可以單靠電機(jī)行駛，或者單靠汽油發(fā)動(dòng)機(jī)行駛，或者二者結(jié)合以取得最大的效率。比如在公路上巡航時(shí)使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。而在低速行駛時(shí)，可以單靠電機(jī)拖動(dòng)，不用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)輔助。即使在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)仍可保持操縱功能，提供比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)更大的效率。 1.3 混合動(dòng)力汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 中度混合動(dòng)力汽車國外發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前，全球汽車工業(yè)正面臨著金融危機(jī)和能源環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)。發(fā)展新能源汽車，實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的新能源化，推動(dòng)傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，在國際上已經(jīng)形成廣泛共識(shí)。在這種形勢(shì)下，美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，不約而同地將新能源為代表的低碳產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略選擇，都希望通過新能源產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，破解汽車工業(yè)能源環(huán)境制約，培育新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，提升產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)新一輪經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。在太陽能、電能等替代能源真正進(jìn)入實(shí)用階段之前，混合動(dòng)力汽車因其低油耗、低排放的優(yōu)勢(shì)越來越受到人們的關(guān)注。 近年來，美、日、德等汽車工業(yè)強(qiáng)國先后發(fā)布了關(guān)于推動(dòng)包括混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家計(jì)劃。美國奧巴馬政府實(shí)施綠色新政，計(jì)劃到2015年普及100萬輛插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）。日本把發(fā)展新能源汽車作為“低碳革命”的核心內(nèi)容，并計(jì)劃到2020年普及包括混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的“下一代汽車”達(dá)到1350萬輛,為完成這一目標(biāo),日本到2020年計(jì)劃開發(fā)出至少38款混合動(dòng)力車、17款純電動(dòng)汽車。德國政府在08年11月提出未來10年普及100萬輛插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車，并宣稱該計(jì)劃的實(shí)施，標(biāo)志德國將進(jìn)入新能源汽車時(shí)代。 從1995年起，包括日本豐田與美國三大汽車公司在內(nèi)的世界各大汽車生產(chǎn)廠商陸續(xù)投入混合動(dòng)力汽車的研究開發(fā)。經(jīng)過多年發(fā)展，混合動(dòng)力汽車在商用化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上的發(fā)展已經(jīng)較為迅速。特別是2004年全球各大汽車制造商繼續(xù)加大環(huán)保車型的開發(fā)力度，混合動(dòng)力車型成為各大公司的戰(zhàn)略重點(diǎn)，逐漸突破了小型車的限制越來越多的應(yīng)用在中大型車上，技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。2009年世界汽車市場(chǎng)混合動(dòng)力汽車銷量估計(jì)已經(jīng)超過70萬輛，據(jù)預(yù)測(cè)，2015年將在世界汽車市場(chǎng)占15%，2020年占25%。 1) 美國混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀 政府的發(fā)展規(guī)劃1973年OPEC組織對(duì)西方國家石油禁運(yùn)給美國政府敲響了警鐘。但是直到90年代初電動(dòng)車的研究在美國才真正開始。1990 年10月布什總統(tǒng)簽署清潔空氣法嚴(yán)格規(guī)定了汽車排放的標(biāo)準(zhǔn)，同月加州政府也有了新的規(guī)定，即要求汽車制造商在加州銷售的車輛中2%必須是零排放車輛，而當(dāng)時(shí)只有純電動(dòng)汽車才可能達(dá)到零排放車輛的要求。2002年1月9日，美國能源部宣布成立一個(gè)新的汽車研究項(xiàng)目，叫自由車項(xiàng)目，長(zhǎng)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、價(jià)廉、無污染，研究先進(jìn)、高效的燃料電池技術(shù)。2009年6月23日，福特、日產(chǎn)北美公司和Tesla汽車公司獲得80億美元的貸款，主要用于混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的生產(chǎn)。2009年8月美國總統(tǒng)奧巴馬宣布安排24億美元支持PHEV的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，其中20億美元用來支持先進(jìn)動(dòng)力電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。 2) 日本混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀 政府的發(fā)展規(guī)劃早在1992年，日本政府宣布將允許市場(chǎng)投放20萬輛電動(dòng)車的計(jì)劃，但是沒有實(shí)現(xiàn)；2001年7月，日本開展了“低公害車開發(fā)普及行動(dòng)”，將EV/HEV列為重點(diǎn)開發(fā)的低公害汽車之列，并制定了專門的政策，以促進(jìn)EV/HEV的普及應(yīng)用；2002年2月，日本中央環(huán)境審議會(huì)大氣環(huán)境領(lǐng)域的一個(gè)專門委員會(huì)提出了一份有關(guān)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的咨詢提案；2009年4月1日實(shí)施新的“綠色稅制”，對(duì)包括混合動(dòng)力車、純電動(dòng)汽車等低排放且燃油消耗量低的車輛給予稅賦優(yōu)惠，一年的減稅規(guī)模約為26億美元，是現(xiàn)行優(yōu)惠辦法減稅額的10倍。為刺激消費(fèi)拉動(dòng)內(nèi)需，日本2010年推出舊車換購新車及購買環(huán)保車補(bǔ)助金政策，及換購環(huán)保車減免稅政策，混合動(dòng)力汽車銷售旺盛，5月份新車銷量中，混合動(dòng)力汽車共銷售21601輛，約占12%，首次超過汽車總銷量1成。2009年4—9月，混合動(dòng)力汽車銷量占汽車銷售總量8.9%。其中，豐田Prius共銷售11萬6298輛，并連續(xù)4個(gè)月位居新車銷售排行榜榜首。日本政府2010年提出“誰控制了電池，誰就控制了電動(dòng)汽車”，并組織實(shí)施國家專項(xiàng)計(jì)劃，在2011年已經(jīng)投入5億美元用于先進(jìn)動(dòng)力電池技術(shù)研究。 3) 其他國混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀 在歐洲，各大汽車廠商爭(zhēng)先恐后的推出了本公司研制的混合動(dòng)力汽車。最近歐洲六大汽車公司聯(lián)合就混合動(dòng)力汽車技術(shù)進(jìn)行了研討和綜合評(píng)述，認(rèn)為其技術(shù)成果有望使混合動(dòng)力汽車的成本接近于傳統(tǒng)汽車，使用戶買得起，生產(chǎn)廠商也有利可圖。專家普遍評(píng)價(jià)：混合動(dòng)力汽車是21世紀(jì)初汽車產(chǎn)業(yè)界的一場(chǎng)革命，只有混合動(dòng)力汽車才能滿足世紀(jì)之初對(duì)汽車的環(huán)保與節(jié)能要求。德國政府在2008年11月提出未來10年普及100萬輛插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車，并宣稱該計(jì)劃的實(shí)施，標(biāo)志德國將進(jìn)入新能源汽車時(shí)代。從2010年起啟動(dòng)了一項(xiàng)4.2億歐元的車用鋰電池開發(fā)計(jì)劃，幾乎所有德國汽車和能源巨頭均攜資加入。國家的大量投入，充分調(diào)動(dòng)了企業(yè)的積極性，目前國際主要汽車制造商不斷加強(qiáng)與電池企業(yè)的合作，以動(dòng)力電池突破為核心目標(biāo)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟不斷涌現(xiàn)，動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程明顯加快。法國對(duì)購買低排放汽車的消費(fèi)者給予最高5000歐元的獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)高排放汽車進(jìn)行最高2600歐元的懲罰。此外，歐盟在2009年上半年發(fā)放70億歐元貸款，支持汽車制造商發(fā)展新能源汽車。 1.3.2 混合動(dòng)力汽車國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，建立了混合動(dòng)力汽車技術(shù)開發(fā)體系混合動(dòng)力汽車的核心是電池（包括電池管理系統(tǒng)）技術(shù)。除此之外，還包括發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、整車控制技術(shù)等，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間動(dòng)力的轉(zhuǎn)換和銜接也是重點(diǎn)。從目前情況來看，我國已經(jīng)建立起了混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)體系，取得了一系列突破性成果，為整車開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。截止到2009年1月31日，在混合動(dòng)力車輛技術(shù)領(lǐng)域，我國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局受理并公開的中國專利申請(qǐng)為1116件。在1116件專利申請(qǐng)中，發(fā)明為782件（授權(quán)為107件）、實(shí)用新型為334件。 掌握了關(guān)鍵零部件核心技術(shù)，自主開發(fā)出系列化產(chǎn)品，關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)化全面跟進(jìn)在混合動(dòng)力汽車的核心―電池技術(shù)研發(fā)方面，我國已自主研制出容量為6Ah-100Ah的鎳氫和鋰離子動(dòng)力電池系列產(chǎn)品，能量密度和功率密度接近國際水平，同時(shí)突破了安全技術(shù)瓶頸，在世界上首次規(guī)模應(yīng)用于城市公交大客車；自主開發(fā)的200kW以下永磁無刷電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，電機(jī)重量比功率超過1300w/kg，電機(jī)系統(tǒng)最高效率達(dá)到93％；自主開發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)，效率超過50%，成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握車用百千瓦級(jí)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)、制造以及測(cè)試技術(shù)的國家之一。與此同時(shí)，混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵零部件的產(chǎn)業(yè)化全面跟進(jìn)，生產(chǎn)配套能力顯著增強(qiáng)。近來，力神、比亞迪、比克、萬向等動(dòng)力電池企業(yè)投入數(shù)十億資金加快產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，上海電驅(qū)動(dòng)、大郡、湘潭電機(jī)、南車時(shí)代等電機(jī)企業(yè)加強(qiáng)與上下游企業(yè)合作，積極完善產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。在未來2-3年內(nèi)，預(yù)計(jì)將形成20億Ah以上的動(dòng)力電池和全系列驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)能力，能夠滿足100萬輛混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車的配套要求。 掌握了電動(dòng)汽車整車開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，形成了各類電動(dòng)汽車的開發(fā)能力我國混合動(dòng)力汽車在系統(tǒng)集成、可靠性、節(jié)油性能等方面進(jìn)步顯著，不同技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)節(jié)油10%-40%。同時(shí)，各汽車企業(yè)對(duì)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入顯著增強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快。目前，國內(nèi)汽車企業(yè)已將混合動(dòng)力汽車作為未來主流競(jìng)爭(zhēng)型產(chǎn)品在戰(zhàn)略上高度重視，一汽、東風(fēng)、上汽、長(zhǎng)安、奇瑞、比亞迪等都已投入了大量的人力、物力，混合動(dòng)力車型已完成樣車開發(fā)，并有部分車型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小批量上市。 一汽集團(tuán)從1999年開始進(jìn)行新能源汽車的理論研究和研制工作，并開發(fā)了紅旗混合動(dòng)力轎車性能樣本。“十五”期間，一汽集團(tuán)承擔(dān)了國家“863”計(jì)劃重大專項(xiàng)中“紅旗牌串聯(lián)方式混合動(dòng)力轎車研究開發(fā)”任務(wù)，正式開始了新能源汽車的研發(fā)工作。從2006年開始，一汽在奔騰B70的基礎(chǔ)上，進(jìn)行混合動(dòng)力化的技術(shù)研究，將原來的縱置發(fā)動(dòng)機(jī)總成改成橫置發(fā)動(dòng)機(jī)總成，采用了橫置發(fā)動(dòng)機(jī)及雙電機(jī)混聯(lián)技術(shù)。同時(shí)，一汽還抓緊了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)電一體化變速器、整車控制網(wǎng)絡(luò)、整車控制系統(tǒng)的研發(fā)，目前一汽混合動(dòng)力轎車已經(jīng)取得了42％的節(jié)油效果，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。 上汽集團(tuán)在新能源汽車的研發(fā)上，上汽明確了以混合動(dòng)力為重點(diǎn)，燃料電池為方向，同時(shí)加快替代產(chǎn)品的研發(fā)?；旌蟿?dòng)力汽車、燃料電池汽車、代用燃料汽車成為上汽集團(tuán)新能源戰(zhàn)略的三大重點(diǎn)。2010年上汽榮威750中混混合動(dòng)力轎車將投放市場(chǎng)，在上海世博會(huì)期間上汽將投放150輛混合動(dòng)力汽車在世博越江專線上運(yùn)行。2012年，榮威550插電式強(qiáng)混轎車將上市，目前該車的動(dòng)力系統(tǒng)前期開發(fā)已經(jīng)啟動(dòng)，并且進(jìn)展順利。 東風(fēng)集團(tuán)從“十五”計(jì)劃開始，東風(fēng)公司每年投資上億元研發(fā)電動(dòng)汽車，再加上國家以及省市政府投資，共達(dá)6個(gè)多億，目前東風(fēng)在純電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池等各種電動(dòng)汽車的研發(fā)方面都獨(dú)立掌握了核心技術(shù)，不依賴于任何外力，實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，東風(fēng)汽車公司已完成新車型外觀設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、轎車總成等各方面工作，將在年內(nèi)正式上市混合動(dòng)力轎車。 中國長(zhǎng)安在“十一五”期間，長(zhǎng)安加大了對(duì)清潔能源汽車的投入，開展了多元化能源技術(shù)的探索性研究。通過在節(jié)能環(huán)保車型上不斷推陳出新、引領(lǐng)行業(yè)的技術(shù)升級(jí)，充分利用和調(diào)動(dòng)全球資源，長(zhǎng)安在中度油電混合動(dòng)力汽車、強(qiáng)度油電混合動(dòng)力轎車等技術(shù)領(lǐng)域均有探索。長(zhǎng)安首款混合動(dòng)力轎車長(zhǎng)安杰勛HEV已于2009年6月成功上市；首批20輛長(zhǎng)安志翔混合動(dòng)力出租車今年1月正式在重慶投入投入運(yùn)行。 奇瑞汽車從2003年開始到2008年，奇瑞主要進(jìn)行混合與中度混合動(dòng)力轎車以及節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)的開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；奇瑞已經(jīng)在蕪湖的出租車上進(jìn)行了試用，油耗將降低10%到30%，達(dá)到歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。從2004年開始，奇瑞主要進(jìn)行強(qiáng)混合動(dòng)力轎車的開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。奇瑞混合動(dòng)力轎車油耗目標(biāo)達(dá)到100公里3升，排放達(dá)到歐美法規(guī)。 1.3.3 混合動(dòng)力汽車發(fā)展前景 混合動(dòng)力汽車廢氣排放量低，“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展規(guī)律。符合面對(duì)全球氣候變化，急需世界各國協(xié)同減低或控制二氧化碳排放，“低碳經(jīng)濟(jì)”在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生。所謂“低碳經(jīng)濟(jì)”是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，通過技術(shù)創(chuàng)新，制度創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭，石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)。低碳經(jīng)濟(jì)是以低能耗，低污低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)模式.據(jù)資料染顯示，混合動(dòng)力汽車的混合動(dòng)力裝置發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又可以充分利用電動(dòng)機(jī)無污染，低噪聲的好處，“并肩戰(zhàn)斗”取長(zhǎng)補(bǔ)短，使汽車的熱效率提高10%以上，廢氣排放改善30%以上，大大降低污染，“低碳經(jīng)濟(jì)”符合低污染發(fā)展規(guī)律。 在能源短缺的大環(huán)境下，混合動(dòng)力汽車的發(fā)展符合社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。能源危機(jī)問題已經(jīng)是世界范圍內(nèi)的共性問題。盡管混合動(dòng)力并不是汽車替代能源措施的最終解決方案，但在最終解決方案未定論前，它的出現(xiàn)讓人們?yōu)橹老?，并已確確實(shí)實(shí)在節(jié)能技術(shù)上是現(xiàn)有所作為?；旌蟿?dòng)力技術(shù)的問世，階段解決能源問題的有效措施，符合社會(huì)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。 混合動(dòng)力汽車的市場(chǎng)推廣需要政府的主導(dǎo)。在歐美一些國家以及日本等國，個(gè)人購買節(jié)能環(huán)保型車輛，政府都有一定程度的資金補(bǔ)貼，使得混合動(dòng)力汽車的購車價(jià)與普通的燃油車車價(jià)接近。政策的鼓勵(lì)對(duì)混合動(dòng)力車的市場(chǎng)推進(jìn)有著推波助瀾的作用。在我國，對(duì)節(jié)能環(huán)保車輛也有一定的政策鼓勵(lì)，如2009年2月7日下發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車示范推廣財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，在公共服務(wù)用乘用車和輕型商用車方面，節(jié)油率在40%以上的混合動(dòng)力汽車，每輛可獲5萬元補(bǔ)貼。但目前這樣的利好政策還沒有輻射到個(gè)人購車的優(yōu)惠上。筆者認(rèn)為，混合動(dòng)力汽車要有更好的市場(chǎng)前景，政府的主導(dǎo)及相關(guān)政策的傾斜尤為重要。 1.4 本論文主要研究?jī)?nèi)容 對(duì)于混合動(dòng)力汽車，世界多個(gè)國家都已經(jīng)做了不少研究，在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上都已經(jīng)研究到一個(gè)非常成熟地步，且已經(jīng)有多個(gè)汽車品牌已經(jīng)將這些技術(shù)運(yùn)用到了部分車型上。本文將參照某款轎車的基本參數(shù)進(jìn)行中度混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的選型、匹配設(shè)計(jì)、建模及仿真等研究。本文主要研究?jī)?nèi)容如下： 1) 分析中度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)功能總成，提出動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總布置設(shè)計(jì)方案； 2) 確定中度混合動(dòng)力汽車的主要技術(shù)參數(shù)； 3) 根據(jù)整車動(dòng)力性要求，對(duì)內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)、電池及傳動(dòng)系主要性能參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)； 4) 運(yùn)用Matlab/Simulink模塊進(jìn)行建模仿真，分析設(shè)計(jì)所得數(shù)據(jù)，從而對(duì)所設(shè)計(jì)中度混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。 第2章 中度混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì) 2.1 混合動(dòng)力汽車的傳動(dòng)系布置方案分類和選擇 根據(jù)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的聯(lián)結(jié)方式，混合動(dòng)力系統(tǒng)主要分為以下三類： A.是串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)： 如圖2.1所示，串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)一般由內(nèi)燃機(jī)直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過控制單元傳到電池，再由電池傳輸給電機(jī)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，最后通過變速機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)汽車。在這種聯(lián)結(jié)方式下，電池就象一個(gè)水庫，只是調(diào)節(jié)的對(duì)象不是水量，而是電能。電池對(duì)在發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量和電動(dòng)機(jī)需要的能量之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證車輛正常工作。這種動(dòng)力系統(tǒng)在城市公交上的應(yīng)用比較多，轎車上很少使用。 圖2.1 串聯(lián)式 B.是并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)： 如圖2.2所示，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)既可以同時(shí)協(xié)調(diào)工作，也可以各自單獨(dú)工作驅(qū)動(dòng)汽車。這種系統(tǒng)適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復(fù)雜的路況。該聯(lián)結(jié)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并聯(lián)式聯(lián)結(jié)方式。 圖2.2 并聯(lián)式 C.是混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)： 如圖2.3所示，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)在于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有一套機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，兩套機(jī)構(gòu)或通過齒輪系，或采用行星輪式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。與并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)可以更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的功率輸出和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。此聯(lián)結(jié)方式系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。Prius采用的是混聯(lián)式聯(lián)結(jié)方式。 圖2.3 混聯(lián)式 根據(jù)在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電機(jī)的輸出功率在整個(gè)系統(tǒng)輸出功率中占的比重，也就是常說的混合度的不同，混合動(dòng)力系統(tǒng)還可以分為以下四類： A.是微混合動(dòng)力系統(tǒng)： 代表的車型是PSA的混合動(dòng)力版C3和豐田的混合動(dòng)力版Vitz。這種混合動(dòng)力系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的啟動(dòng)電機(jī)（一般為12V）上加裝了皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)（也就是常說的Belt-alternator Starter Generator,簡(jiǎn)稱BSG系統(tǒng)）。該電機(jī)為發(fā)電啟動(dòng)(Stop-Start)一體式電動(dòng)機(jī)，用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，從而取消了發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速，降低了油耗和排放。從嚴(yán)格意義上來講，這種微混合動(dòng)力系統(tǒng)的汽車不屬于真正的混合動(dòng)力汽車，因?yàn)樗碾姍C(jī)并沒有為汽車行駛提供持續(xù)的動(dòng)力。在微混合動(dòng)力系統(tǒng)里，電機(jī)的電壓通常有兩種：12v和42v。其中42v主要用于柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)。 B.是輕混合動(dòng)力系統(tǒng)： 代表車型是通用的混合動(dòng)力皮卡車。該混合動(dòng)力系統(tǒng)采用了集成啟動(dòng)電機(jī)（也就是常說的Integrated Starter Generator，簡(jiǎn)稱ISG系統(tǒng)）。與微混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，輕混合動(dòng)力系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)用發(fā)電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，還能夠?qū)崿F(xiàn)：（1）在減速和制動(dòng)工況下，對(duì)部分能量進(jìn)行吸收；（2）在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)等速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量可以在車輪的驅(qū)動(dòng)需求和發(fā)電機(jī)的充電需求之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。輕混合動(dòng)力系統(tǒng)的混合度一般在20％以下。 C.是中混合動(dòng)力系統(tǒng)： 本田旗下混合動(dòng)力的Insight,Accord和Civic都屬于這種系統(tǒng)。該混合動(dòng)力系統(tǒng)同樣采用了ISG系統(tǒng)。與輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)不同，中混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的是高壓電機(jī)。另外，中混合動(dòng)力系統(tǒng)還增加了一個(gè)功能：在汽車處于加速或者大負(fù)荷工況時(shí)，電動(dòng)機(jī)能夠輔助驅(qū)動(dòng)車輪，從而補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)本身動(dòng)力輸出的不足，從而更好的提高整車的性能。這種系統(tǒng)的混合程度較高，可以達(dá)到30％左右，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用廣泛。 D.是完全混合動(dòng)力系統(tǒng)： 豐田的Prius 和未來的Estima屬于完全混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了272-650v的高壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)，混合程度更高。與中混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，完全混合動(dòng)力系統(tǒng)的混合度可以達(dá)到甚至超過50％。技術(shù)的發(fā)展將使得完全混合動(dòng)力系統(tǒng)逐漸成為混合動(dòng)力技術(shù)的主要發(fā)展方向。以上各種不同的混合方式，都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽車廠商在過去的十幾年，通過不斷的研發(fā)投入，試驗(yàn)總結(jié)，商業(yè)應(yīng)用，形成了各自的混合動(dòng)力技術(shù)之路，而在市場(chǎng)上的表現(xiàn)也是各具特色。 綜上所述，我們已經(jīng)知道三種結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)，相對(duì)而言并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低而且系統(tǒng)效率較高，而且知道對(duì)于混合程度較高、采用混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車的性價(jià)比較好，本論文將對(duì)采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的中度混合動(dòng)力汽車進(jìn)行研究。同時(shí)同時(shí)為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作，采用了自動(dòng)無級(jí)變速器（CVT）。 2.2 中度混合動(dòng)力汽車整車參數(shù)及性能指標(biāo)確定 表2.1 汽車整車參數(shù) 整備質(zhì)量（Kg） 1440 風(fēng)阻系數(shù)CD 0.34 迎風(fēng)面積A（m2） 2.28 主減速比 5.2466 傳動(dòng)效率ηT 0.9 續(xù)駛里程（Km） ≥150 車輪滾動(dòng)半徑r（m） 0.31 滾動(dòng)阻力系數(shù)f0 0.0135 1~5檔速比 [2.6932,1.5196,1.0156,0.7373,0.6094] 動(dòng)力性指標(biāo)： （1）最大車速≥130km/h（純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）； （2）在車速v=90km/h時(shí)爬坡度i≥5%（純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）； （3）原地起步至110km/h的加速時(shí)間t≤28s（混合驅(qū)動(dòng)）； （4）最大爬坡度≥32%（混合驅(qū)動(dòng)）。 2.3中度混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)選型 2.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)形式的選擇 當(dāng)前汽車上使用的發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是以往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)為主。它分為汽油機(jī)和柴油機(jī)兩類。與汽油機(jī)比較，柴油機(jī)具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，使用成本低，在相同的續(xù)駛里程內(nèi)，可以設(shè)置容積小些的油箱。柴油機(jī)壓縮比可以達(dá)到15～23，而汽油機(jī)一般控制在8～10；柴油機(jī)熱效率高達(dá)38％，而汽油機(jī)為30％；柴油機(jī)工作呵靠，壽命長(zhǎng)，排污量少。 柴油機(jī)的主要缺點(diǎn)是：由于提高了壓縮比，要求活塞和缸蓋的間隙盡可能小，加工精度比汽油機(jī)要求更高；因自燃產(chǎn)生的爆發(fā)壓力很大，因此要求柴油機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比汽油柴油機(jī)主要用于貨車、大型客車上。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，輕型車和轎車用柴油機(jī)有日益增多的趨勢(shì)。 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排列形式不同，發(fā)動(dòng)機(jī)有直列、水平對(duì)置和V型三種。氣缸直列式排列具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、寬度窄、布置方便等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)多時(shí)，長(zhǎng)度尺寸過長(zhǎng)，在汽車上布置困難，因此直列式適用于6缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，直列式還有高度尺寸大的缺點(diǎn) 與直列發(fā)動(dòng)機(jī)比較，V型發(fā)動(dòng)機(jī)具有長(zhǎng)度尺寸短因而曲軸剛度得到提高，高度尺寸小，發(fā)動(dòng)機(jī)系列多等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是用于平頭車時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)寬而布置上較為困難，造價(jià)高。水平對(duì)置式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是平衡好，高度低。V型發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于中、高級(jí)和高級(jí)轎車以及重型貨車上，水平對(duì)置式發(fā)動(dòng)機(jī)在少量大客車上得到應(yīng)用。 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方式不同，發(fā)動(dòng)機(jī)分為水冷與風(fēng)冷兩種。大部分汽車用水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗哂欣鋮s均勻可靠、散熱良好、噪聲小和能解決車內(nèi)供暖問題，以及加大散熱器面積后，能較好適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后散熱的需要等優(yōu)點(diǎn)。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)是冷卻系結(jié)構(gòu)復(fù)雜；使用與維修不方便；冷卻性能受環(huán)境溫度影響較大，夏季冷卻水容易過熱，冬季又容易過冷，并且在室外存放，水結(jié)冰后能凍壞氣缸缸體和散熱器。 當(dāng)選用尺寸和質(zhì)量小的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，不僅有利于汽車小型化、輕量化，同時(shí)在保證客廂內(nèi)部有足夠空間的條件下，還能節(jié)約燃料。 2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)的選擇 1） 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和相應(yīng)轉(zhuǎn)速 根據(jù)所需要的最高車速(km/h)，用下式估算發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 ==59.43kw （2.1） 式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率(kW)； 為傳動(dòng)系效率，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋用單級(jí)主減速器的4×2汽車可取為90％；為汽車總質(zhì)量(kg)；為重力加速度(m/s2)；為滾動(dòng)阻力系數(shù)，對(duì)轎車＝0.0165×[1＋0.01(—50)]，對(duì)貨車取0.02，礦用自卸車取0.03，用最高車速代入；CD為空氣阻力系數(shù)，轎車取0.30～0.35，貨車取0.80～1.00，大客車取0.60～0.70；為汽車正面投影面積(m2)；為最高車速。 參考同級(jí)汽車的比功率統(tǒng)計(jì)值，然后選定新設(shè)計(jì)汽車的比功率值，并乘以汽車總放目，也可以求得所需的最大功率值。 最大功率轉(zhuǎn)速的范圍如下：汽油機(jī)的在3000～7000r／min，因轎車最高值多在4000r／min以上，輕型貨車的值在4000～5000r／min之間，中型貨車更低些。柴油機(jī)的值在1800～4000r／min之間，轎車和輕型貨車用高速柴油機(jī)，取在3200～4000r／min之間，重型貨車用柴油機(jī)的值取得低。 2） 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速 用下式計(jì)算確定 =113.4N·m （2.2） 式中，為最大轉(zhuǎn)矩(N·m)；為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)，一般在1.1～1.3之間選取；為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率(kw)；為最大功率轉(zhuǎn)速(r／min)。 要求/在1.4～2.0之間選取。 考慮到汽車在混合驅(qū)動(dòng)工況工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被控制，在一般情況下按最小油 耗特性運(yùn)行，因而要加上10%的功率裕量，以減少對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率需求和提高汽 車在純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力性能。 最后確定的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為65.3kw。因此，選用JL475Q3型發(fā)動(dòng)機(jī)。 2.4 傳動(dòng)系傳動(dòng)速比設(shè)計(jì) 主減速器速比的確定： 對(duì)于裝備CVT的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，原則上應(yīng)盡可能選取較大的主減速器速比。越大，汽車的加速和爬坡能力越強(qiáng)，所需的電機(jī)、電池組容量就越小。的大小要滿足以下兩個(gè)限制條件。 1）保證發(fā)動(dòng)機(jī)按最小燃油消耗特性運(yùn)行 當(dāng)汽車在純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工況勻速行駛時(shí)，的最大值應(yīng)能保證當(dāng)CVT速比調(diào)到最小值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在最低限制轉(zhuǎn)速時(shí)也能按最小燃油消耗特性工作。由于無論當(dāng)汽車空載或滿載時(shí)均要求使發(fā)動(dòng)機(jī)按照最小燃油消耗特性來工作，所以汽車阻力功率按空載工況計(jì)算。設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1600r/min所對(duì)應(yīng)的功率等于車速為時(shí)的阻力功率，則得到以下不等式： （2.3） 式中：—發(fā)動(dòng)機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，=1600r/min； —CVT最小速比 車速由下式?jīng)Q定： （2.4） 2）為了保證純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工況下的最高車速設(shè)汽車以最大速比原地起步加速，節(jié)氣門全開，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到最大功率時(shí)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)保持在最大功率點(diǎn)工作，并減小CVT速比使車速增加，直至達(dá)到最高車速。的大小應(yīng)能保證當(dāng)CVT速比調(diào)到最大值時(shí)，汽車的計(jì)算車速不低于設(shè)計(jì)所要求的最高車速，即 （2.5） 式中：—發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速 通常，式(2.3)右端的計(jì)算值小于式(2.5)，因此取式(2.3)為等號(hào)時(shí)的計(jì)算值，最后配合程序計(jì)算的主減速器的速比為=2.166。 2.5 中度混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)選型 在HEV上是以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔助動(dòng)力，但又必須對(duì)電池組的質(zhì)量和整車的整備質(zhì)量進(jìn)行限制，以減輕HEV的總質(zhì)量。因此，一般電動(dòng)－發(fā)電機(jī)只是在HEV發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，車輛啟動(dòng)、加速或爬坡時(shí)起作用。電動(dòng)－發(fā)電機(jī)又是發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪，起調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率作用。電動(dòng)－發(fā)電機(jī)還起發(fā)電機(jī)的作用，電動(dòng)－發(fā)電機(jī)又是發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪，起調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率作用。電動(dòng)－發(fā)電機(jī)還起發(fā)電機(jī)的作用，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存到電池組中去。在HEV下坡或制動(dòng)時(shí)，將汽車慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存到電池組中去。因此，HEV有了電動(dòng)機(jī)的輔助作用，就可以使HEV達(dá)到節(jié)能和“超低污染”的要求。電動(dòng)機(jī)的種類很多，用途廣泛，功率的覆蓋面非常大。但HEV所采用的電動(dòng)機(jī)種類少，功率覆蓋面也較小。目前主要采用的交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，不管是電機(jī)本身還是它們的控制裝置，成本都比較高，但隨著電動(dòng)機(jī)的電子計(jì)算機(jī)控制和機(jī)電一體化的加速發(fā)展，很多新技術(shù)正逐步運(yùn)用到混合動(dòng)力汽車(HEV)的電動(dòng)機(jī)上，一旦形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，所用電機(jī)乃至整車的成本都會(huì)得到大大降低。 2.5.1 混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)類型的確定 電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)還可分為永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)可分為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又分為三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)和罩極異步電動(dòng)機(jī)。交流換向器電動(dòng)機(jī)又分為單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)、交直流兩用電動(dòng)機(jī)和推斥電動(dòng)機(jī)。 直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。有刷直流電動(dòng)機(jī)可分為永磁直流電動(dòng)機(jī)和電磁直流電動(dòng)機(jī)。電磁直流電動(dòng)機(jī)又分為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。永磁直流電動(dòng)機(jī)又分為稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)。 綜上所述，考慮環(huán)境條件、運(yùn)行條件、安裝方式、傳動(dòng)方式等因素，最終確定采用永磁同步直流電機(jī)。 2.5.2 啟動(dòng)功率及轉(zhuǎn)矩的確定 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率應(yīng)滿足汽車的最大爬坡度和加速時(shí)間要求?？稍O(shè)汽車在混合驅(qū)動(dòng)工況時(shí)以最大速比原地起步加速或爬坡，油門全開，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)保持在該點(diǎn)工作，此時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為*(為轉(zhuǎn)矩合成器速比)，并控制電機(jī)保持在該轉(zhuǎn)速下工作，同時(shí)減少CVT速比以增大車速。 由于電動(dòng)機(jī)需滿足最大爬坡度的要求： (1) (2.6) (2) (2.7) 式中：—最大驅(qū)動(dòng)力，N —最大爬坡度 —最大驅(qū)動(dòng)力所對(duì)應(yīng)的車速，km/h t—0～的加速時(shí)間 —車速，km/h —旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)公式取=1+0.04+0.04 、、—驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力 由于在確定電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的過程中，擴(kuò)大恒功率系數(shù)K（電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比）對(duì)這兩者有重要的影響，因此，有必要先對(duì)它們之間的關(guān)系作必要的分析。 參考蒲斌[14]論文,電機(jī)啟動(dòng)功率、擴(kuò)大恒功率系數(shù)K和汽車從起步加速到v=110km/h所需的加速時(shí)間t三者之間的關(guān)系。當(dāng)K一定時(shí)，加速時(shí)間隨電機(jī)啟動(dòng)功率的增大而降低；當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)功率一定時(shí)，加速時(shí)間隨K值的增大而降低；當(dāng)加速時(shí)間要求一定時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)功率隨K值的增大而降低。當(dāng)K增大時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力和電機(jī)扭矩也隨之增大。 本設(shè)計(jì)采用的為較大功率電機(jī)，選取較大的K值有利于提高電機(jī)的功率，因此，應(yīng)選取較大的K值。但是隨著K的增大，電機(jī)啟動(dòng)扭矩也隨之增大，雖然這有利于汽車的原地起步加速和爬坡，但對(duì)電機(jī)的支撐要求也提高，高轉(zhuǎn)矩也需要較大的電機(jī)電流和電子設(shè)備，增大了功率變換器硅鋼片的尺寸和損耗，也增大了驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)部件的應(yīng)力，所以K也不宜過大。 考慮到汽車的動(dòng)力性能要求（原地起步至110km/h的加速時(shí)間t≤28s、最大爬坡度≥32%（混合驅(qū)動(dòng)）），以及CVT的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，初選K=7，電機(jī)啟動(dòng)功率=17kW。 研究分析表明，當(dāng)電機(jī)功率一定時(shí)，隨著電機(jī)最高轉(zhuǎn)速增加，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減少，但當(dāng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速超過16000r/min后，轉(zhuǎn)矩降低幅度變?。ㄓ绕涫钱?dāng)K較小時(shí)）。此外，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速過高，導(dǎo)致電機(jī)制造成本增加，并使轉(zhuǎn)矩合成器的尺寸增大，因此，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不宜過高。一般可選取=9000～13000r/min。本設(shè)計(jì)選取電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為=10000r/min。 2.5.3 電機(jī)額定功率 電機(jī)額定功率可由汽車以純電動(dòng)機(jī)方式行駛的最大車速及在低速行駛具有克服較小的道路坡度的能力來確定。為了減少電機(jī)尺寸和電池的頻繁充放電所引起的損失，該車速不宜設(shè)計(jì)得過高。取下面公式中較大者。 = (2.8) = (2.9) 經(jīng)計(jì)算，公式(2.9)得到的結(jié)果較大，最后確定電機(jī)額定功率=25kw。 2.6 中度混合動(dòng)力汽車電池選型 由于鎳氫電池具有比能量高、可高倍率充放電、使用安全、無污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)以及無記憶效應(yīng)、可免維護(hù)等特點(diǎn)，被稱為綠色電池。鎳氫電池的比功率在現(xiàn)有電池中最高，能夠滿足混合動(dòng)力汽車的加速性能和最高車速要求。根據(jù)有關(guān)資料可知：從總體性價(jià)比上，鎳氫電池被證明是最適合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力蓄電池。所以，本文選用鎳氫電池為中度混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力蓄電池。 2.6.1 電池組數(shù)的確定 為了獲得較高的效率，電池SOC（State of Charge 電池的荷電狀態(tài)值）范圍一般在內(nèi)阻值較小的范圍內(nèi)選取。SOC在0.3～0.8比較合適，在此范圍內(nèi)單組電池額定電壓的平均值為7.677V，內(nèi)阻的平均值為0.0278。 鎳氫電池的電壓特性可表示為： (2.10) 式中，Eb—電池電動(dòng)勢(shì)； Ub—電池工作電壓； Rb—電池等效內(nèi)阻； Ib—電池工作電流。 通常，Eb、Rb均是電池工作電流Ib和電池荷電狀態(tài)值SOC的函數(shù)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算和便于分析，把它們當(dāng)作常數(shù)，則鎳氫電池放電功率Pb為： (2.11) 則電池的最大輸出功率Pbmax為： (2.12) 電池組數(shù)n應(yīng)滿足電機(jī)額定功率的要求，即： (2.13) 求得，取電池組數(shù)。 2.6.2 電池容量的確定 混合動(dòng)力汽車對(duì)電池總能量直接決定了純電動(dòng)下的續(xù)駛里程。按照中度混合動(dòng)力汽車的工作模式分析，電機(jī)只在汽車低速爬行時(shí)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，設(shè)計(jì)汽車能在電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)行駛4km（以10km?h-1的速度），則電池總能量Cb應(yīng)滿足： (2.14) 式中，S——行駛里程； ——電池放電效率； SOCh——設(shè)定的電池最高電池荷電狀態(tài)； SOCl——設(shè)定的電池最低荷電狀態(tài)。 求得電池總能量。則取電池總能量Cb值為0.5 kWh。 則單組電池的容量Q為： (2.15) 求得單組電池的容量Q=6.5Ah。 2.7 本章小結(jié) 1）介紹了混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系的幾種布置方案，并分析了幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際的情況選擇了并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)作為研究對(duì)象。 2）介紹了多種形式的發(fā)動(dòng)機(jī)以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后根據(jù)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性等性能和發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)主要性能指標(biāo)選擇了發(fā)動(dòng)機(jī)。 3）根據(jù)已知條件對(duì)傳動(dòng)系主減速比進(jìn)行計(jì)算，并最終確定。 4）對(duì)混合動(dòng)力汽車電機(jī)進(jìn)行介紹，并根據(jù)各個(gè)類型電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及運(yùn)行環(huán)境等因素確定采用永磁同步直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象。并根據(jù)計(jì)算最終確定了電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速等主要性能指標(biāo)。 5）對(duì)混合動(dòng)力汽車的電池進(jìn)行了選型，并確定了電池所需組數(shù)和電池容量。 6）表2.2為本章最終確定主要部件及汽車各項(xiàng)目的參數(shù)。 表2.2 汽車整車及主要部件參數(shù) 主要部件 項(xiàng)目 參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī) 型號(hào)，排量/ml JL475Q3，1.6L 標(biāo)定功率/kw/rpm 75/6000 最大轉(zhuǎn)矩/Nm/rpm 132/3500 電機(jī) 名稱 永磁同步直流電機(jī) 額定功率/kw 25 額定轉(zhuǎn)速/rpm 2000 電池 名稱 鎳氫電池 標(biāo)準(zhǔn)電壓/V 368.5 單個(gè)電池額定容量/Ah 6.5 變速器 名稱 自動(dòng)無級(jí)變速器 傳動(dòng)比范圍 0.498～2.502 汽車主要參數(shù) 汽車整備質(zhì)量m0/kg 1440 汽車滿載質(zhì)量ma/kg 1965 空氣阻力系數(shù)CD 0.34 迎風(fēng)面積A/m2 2.28 滾動(dòng)阻力系數(shù)f 0.0135 主減速比i0 2.166 車輪半徑r/m 0.31 第3章 基于ADVISOR的中度混合動(dòng)力汽車仿真建模 3.1 ADVISOR軟件介紹 3.1.1 ADVISOR簡(jiǎn)介 ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator,高級(jí)車輛仿真器)是由美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL(National Renewable Energy Laboratory)在MATLAB和SIMULIN