【正文】 市場。我國在 “ 八五 ”和 “ 九五 ” 期間都有計劃地開展了電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和整車研制。 但是由于我國混合動力汽車的研究工作起步比較晚，所以和國外的先進技術(shù)水平相比還有很大差距。綜上，生產(chǎn)廠商對發(fā)動機進行改進勢必要增加生產(chǎn)的成本，而廠家會把這些成本加到車價上去，車價的提升必定會帶來價格的提升，所以對發(fā)動機的升級不是滿足國 III標準的最終出路。福特公司開發(fā)的 “ 優(yōu)異 2022” 概念車試驗平臺的性能已達到 PNCV計劃的部分目標：每加侖 汽油行駛 80英里。另外，瑞典沃爾沃公司也開發(fā)出了混合動力電動汽車，時速可達 90km。但是，歐洲 5號排放標準對汽車尾氣排放的限制更加嚴格表現(xiàn)在多方面。例如，目前風(fēng)靡歐洲的 SUV幾乎 100％使用柴油燃料，為加強環(huán)保，歐盟特地限定這一車型將于 2022年提前兩年實行歐洲 6號排放標準。一旦汽車尾氣排放的研究取得突破，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益。然而，眾多的燃油汽車排放所造成 空氣質(zhì)量的日益惡化和石油資源的漸趨匱乏，使開發(fā)低排放，低油耗的新型汽車成為當今汽車工業(yè)界的緊迫任務(wù)。簡而言之，混合動力汽車就是將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機、電力驅(qū)動裝置和儲能裝置 結(jié)合在一起，它們之間的良好匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā)揮內(nèi)燃機汽車和電動汽車的優(yōu)點，避免各自的不足，是當今最具實際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。 (3) 在汽車制動時，控制電機以發(fā)電機模式工作進行回饋制動，將汽車的動能或勢能部分回收。這種混合電動車在進入車輛和人口密集的城市中心時，可以關(guān)閉其發(fā)動機以純電動方式工作，達到零排放，到了郊區(qū)時可重新啟動發(fā)動機。 混合電動車的分類 混合動力系統(tǒng)可以按以下幾個方面分類： 從使用電池 電機與內(nèi)燃機的搭配比例來看，混合動力車輛有微混合、輕混合、全混合、可外接電源充電混合動力四種類型。在車輛加速、爬坡等工況下，電機可向內(nèi)燃機提供輔助的啟動力矩，但不能單獨驅(qū)動車輛行駛。 (4) 可外接電源充電混合動力系統(tǒng) 該系統(tǒng)電機功率比例與純電動情況相同，但內(nèi)燃機的功率比例與全混合系統(tǒng)的基本相同。其結(jié)構(gòu)特點是 圖 串聯(lián)式 HEV 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串聯(lián)式混合動力電動汽車由發(fā)動機、發(fā)電機、電池組、驅(qū)動電機和控制器主要部件組成。 串聯(lián)式混合動力電動汽車的優(yōu)點： (1) 發(fā)動機能夠經(jīng)常保持在穩(wěn)定、高效、低污染的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，使有害排放氣體控制在最低范圍內(nèi)，并可采用燃氣輪機、轉(zhuǎn)子發(fā)動機等其他形式的發(fā)動機； (2) 串聯(lián)式混合動力電動汽車從整體結(jié)構(gòu)上看，只有發(fā)電機－電動機的電力系統(tǒng)，其特點更加趨近于電動汽車。 所以，串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)較適合在大型客車上使用，該布置形式更適合于道路復(fù)雜的城市工況和山區(qū)公路運行。當車輛在較小的路面載荷下工作時，傳統(tǒng)車輛的發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性比較差，而并聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機此時可以被關(guān)閉掉而只用電動機來驅(qū)動汽車，或者增加發(fā)動機的負荷使電動機作為發(fā)電機，給蓄電池充電以備后用（即一邊驅(qū)動汽車，一邊充電）。 并聯(lián)式混合動力汽車通常有以下四種組合驅(qū)動方式： (a) 驅(qū)動力結(jié)合式 驅(qū)動力結(jié)合式（見圖 ）電動汽車采用一個小功率的發(fā)動機，單獨地驅(qū)動汽車的前輪。 (b) 轉(zhuǎn)矩結(jié)合式 (雙軸式和單軸式 ) 轉(zhuǎn)矩結(jié)合式并聯(lián)式混合動力電動汽車（見圖 ， B、 C）的發(fā)動機通過傳動系統(tǒng)直接驅(qū)動混合動力電動汽車，并直接（單軸式）或間接（雙軸式）帶動電動 /發(fā)電機轉(zhuǎn)動向蓄電池充電。通常 “ 動力組合器 ”就是一個行星齒輪機構(gòu)，這種裝置可以使發(fā)動機或電動機之間的轉(zhuǎn)速可以靈活的分配，但它們組合在特定的 “ 動力組合器 ” 中，因為 “ 動力組合器 ” 使它們的轉(zhuǎn)矩固定在電動汽車行駛時的轉(zhuǎn)矩上，要用調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門的開度來與電動機的轉(zhuǎn)速相互配合，才能獲得最佳傳動效果，從而使得控制裝備變得十分復(fù)雜。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 混聯(lián)式混合動力汽車 (PSHEV) 混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，它 的結(jié)構(gòu)形式和控制方式充分發(fā)揮了兩種驅(qū)動形式各自的優(yōu)點。但是這種布置方式將會比單純的串聯(lián)式或并聯(lián)式增加更多的零部件，導(dǎo)致整車的尺寸增大和復(fù)雜程度增加。此時車輛并不是串聯(lián)式或者并聯(lián)式，而是介于串聯(lián)和并聯(lián)之間，充分利用兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點。具體工作包括： (1) 重點介紹串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及工作原理，并對上述三種混合動力汽車各自的優(yōu)缺點進行詳細分析與說明； (2) 因為每種混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都有各自的特點，而且行駛工況是隨時變化的。 混聯(lián)式混合動力汽車動力匹配總成選型 混合動力電動汽車動力總成選型主要包括以下部分：發(fā)動機、車用電動機、儲能元件以及傳動系等，本節(jié)主要根據(jù)混合動力汽車的工作特性要求對動力元件的選型方案進行分析，最終選取符合整車設(shè)計性能的混合動力汽車動力總成元件?；旌蟿恿Φ陌l(fā)動機并不是單獨提供加速或爬坡的峰值功率，而是和電機共同驅(qū)動，發(fā)動機額定功率通常由最常用或最經(jīng)濟車速對應(yīng)的需求驅(qū)動功率確定，因而混合動力汽車的發(fā)動機功率比燃油車小。另外還要考慮發(fā)動機的噪聲和振動、可靠性、使用壽命、維護成本、運行成本以及安全性能等因素。 缺點：響應(yīng)時間較長 串聯(lián) 斯特林 發(fā)動機 優(yōu)點：具有高的熱效率、低排放和低噪盧性能。 串聯(lián) 并聯(lián) 對于混聯(lián)混合動力汽車，應(yīng)用目前技術(shù)成熟的先進四沖程發(fā)動機不失為最佳選擇。 另外，對電動機的選型還應(yīng)綜合考慮其控制系統(tǒng)的特點，要求能實現(xiàn)雙向控制，對制動再生能量可以回收。電機采用的輕型材料，以降低電機質(zhì)量、各種控制裝置的質(zhì)量等； (d) 電機應(yīng)具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，為車輛提供起動、加速、行駛、減速、制動等所需要的功率和轉(zhuǎn)矩，使混合動力汽車具有良好的起動性能和加速性能； (e) 電機應(yīng)具有高效率、低損耗，并在車輛減速時，要求能實現(xiàn)雙向控制，實現(xiàn)再生制動能量的回收； (f) 裝備高壓保護設(shè)備。圖 HEV驅(qū)動電機的分類，包括直流電機、永磁無刷電機、感應(yīng)電機、開關(guān)磁阻電機等應(yīng)用較多的幾種電機 圖 HEV驅(qū)動電機的分類 (1) 直流電動機 直流電動機的優(yōu)點是機械特性好，調(diào)速方便而且性能好。由圖知 ，交流電機驅(qū)動系統(tǒng)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都具有較高的效率。但向量控制對電動車驅(qū)動系統(tǒng)來說也存在一定的問題，如在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍內(nèi)，電機的勵磁電流分量保持恒定這會導(dǎo)致電機在輕載時鐵耗增加，使整個驅(qū)動系統(tǒng)的效率下降。但交流異 步電機的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用的難題是其控制系統(tǒng)的控制技術(shù)難度大，導(dǎo)致它的控制軟、硬件成本都比較高、控制器的外形尺寸也比較大，但隨著電力電子技術(shù)、控制理論的發(fā)展以及感應(yīng)電動機變頻調(diào)速技術(shù)日趨成熟，解決該問題將不再困難。但其主要不足是永磁材料昂貴，制造工藝復(fù)雜，性能受溫度影響較大 (易退磁 )，大功率輸出困難。電動汽車用永磁電動機主要有兩大類：電流反饋控制的永磁無刷直流電動機和永磁交流同步電動機。 表 性能 直流電機 永磁電機 異步電機 開關(guān)磁阻電機 最大效率 (%) 85 95～ 97 94～ 95 ≤90 最高轉(zhuǎn)速 (r/min) 4000～ 6000 4000～ 10000 9000～ 15000 15000 電機費用 10 10～ 15 8～ 12 6～ 10 控制器成本 l 2． 5 3． 5 4． 5 堅固性 良 良 優(yōu) 良 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 可靠性 普通 良 優(yōu) 良 注：電機費用和控制成奉的數(shù)值代表的是比例關(guān)系 在此本設(shè)計 中 選擇 異步 電機。 目前有可能應(yīng)用的幾種能量存儲裝置如表 。 并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配與性能指標 整車參數(shù)與性能指標 本文所研究的混合動力汽車選用目前市場上 Pruis轎車作為基礎(chǔ)車型，其 基本參數(shù)如表 。 上式的 V應(yīng)為車輛額定行駛車速，即車輛經(jīng)常行駛時的平均車速 Vavg ，這里的 V不能取設(shè)計目標中的最大值 Vmax。 車輛由起步加速到速度 V的加速時間為： () 對于混合動力電動汽車在 CYC EDDS循環(huán)工況下進行仿真，可以得到電機峰值功率、整車啟動時間和車速關(guān)系的仿真結(jié)果如表 。如果蓄電池其他條件相同，那么電動勢越高的蓄電池，理論上能夠輸出的能量就越大。常用安培小時數(shù) (Ah)表示。T () 上式中， C為蓄電池的容量，單位 Ah； I為恒定電流放電時的電流，單位為 h，T為放電至終止電壓時的時間，單位為 h。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 一般對于并聯(lián)混合動力汽車應(yīng)在長時間的穩(wěn)定運行前后電池的 SOC基本保持不 變，所以︱ SOC︱ 。 (1) 最小傳動比的選擇汽車大多數(shù)時間是以最高檔行駛，即變速器的最小傳動比檔位行駛。近年來為了提高燃油經(jīng)性，出現(xiàn)了減小最小傳動比的趨勢。汽車爬坡時車速低，可忽略空氣阻力，汽車的最大驅(qū)動力應(yīng)為： () 得出， () 上式中的 a為車輛的爬坡度，一般車輛的爬坡度為 30％。最后，以整車尾氣排放、動力性和燃油經(jīng)濟性為主要目標進行設(shè)計，得到混合動力電 動汽車動力總成各部件參數(shù)設(shè)計結(jié)果，為混合動力電動汽車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與模擬仿真提供可靠依據(jù)。具體布置如圖 圖 總體布置圖 傳動裝置各軸的運動和動力參數(shù)的確定 經(jīng)以上選型確定動力裝置的參數(shù)如表 表 動力裝置的參數(shù)表 動力裝置 最大功率kw 額定功率kw 額定轉(zhuǎn)速rpm 最高轉(zhuǎn)速rpm 最大扭矩 發(fā)動機 57 43 4000 6000 102 主電機 58 30 1200 6000 305 發(fā)動機 主電機 行星齒輪組 電機 /發(fā)電機 鏈輪從動軸 中間軸 半軸 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 電機 /發(fā)電機 23 10 8000 12022 57 1． 各軸的轉(zhuǎn)速 齒圈軸 。具體的方案是：變速驅(qū)動橋的總體布置；傳動裝置各軸的運動和動力參數(shù)的確定；齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核；軸承的選擇與強度校核。 綜上所述，經(jīng)計算的傳動比分配如表 表 傳動比分配表 傳動 傳動比 太陽輪與齒圈 鏈傳動 1 中間齒輪傳動 主減速器 本章小結(jié) 本章詳細地論述了混合動力汽車的動力總成各部件的選擇方法，以及同一部件不同類型的優(yōu)缺。一有以下關(guān)系： () 另外，一般中、大型客車 Domax取 ～ ，中級轎車 Domax取 ～ 。傳動系的總傳動比是傳動系中個部件傳動比的乘積，即 () 上式中， ig為變速器傳動比； io為主減速器傳動比； ic為分動器或副變速器傳動比。圖 為電池的內(nèi)阻與 SOC的關(guān)系曲線。 （三）鎳氫電池荷電狀態(tài) (SOC) 通常情況下把一定溫度的蓄電池充電到不能再吸收電量時的荷電狀態(tài)(SOC)定義為荷電狀態(tài) SOC=100％，而將蓄電池再不能放出電量時 的荷電狀態(tài)定義為荷電狀態(tài) SOC=0％。 實際容量是指在一定的放電條件下蓄電池實際放出的電量，等于放電電流與放電時間的乘積。 通過參考同類車型選擇 288V。 電池參數(shù)設(shè)計計算 （一 ） 電壓等級 蓄電池的電動勢是蓄電池在理論上輸出能量大小的度量 之一，數(shù)值上等于熱力學(xué)的兩極平衡電極電位之差。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 電機參數(shù)設(shè)計計算 在低速低負荷時，關(guān)閉發(fā)動機，利用電機啟動整車，實現(xiàn)混合動力電動汽車在規(guī)定時間內(nèi)單獨啟動整車到規(guī)定車速的要求。 表 整備質(zhì)量 總質(zhì)量， Kg 1277 滿載質(zhì)量 總質(zhì)量， Kg 1652 發(fā)動機 總排量， L 額定功率， KW/r/min 58/4200 最大扭矩， 變速器 傳動比范圍 ～ 主傳動比 車輪 輪轂 15英寸合金輪轂 輪胎 195/60R15 軸距 2500mm 重心高度 60mm 風(fēng)阻系數(shù) 迎風(fēng)面積 表 動力性 最高車速 (km／ h) 160 加速性能 ≤(0～ 100km/h) 最大爬坡度 ≥30％ 經(jīng)濟性 等速行駛油耗 (L／ 100km) ≤(90 km／ h等速油耗 ) 多工況油耗 (L／ 100km) ≤， (市區(qū) +市郊工況 ) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 排放 國 Ⅲ 標準 發(fā)動機功率設(shè)計 HEV的發(fā)動機要求有一定的驅(qū)動功率，有足夠的動力性能和機動性能，能夠滿足 HEV的基本動力性能要求，并且能夠與驅(qū)動電動機一起提供 HEV所需的最大功率，使 HEV達到或接近燃油汽車的動力性能水平。同時從蓄電池應(yīng)用的情況可以看出：鉛酸電池仍將在混合動力汽車上得到廣泛應(yīng)用；鎳氫電池、鋰離子電池、鎳金屬氫化物電池隨著技術(shù)的不斷成熟、造價和使用成本的降低而成了中 期目標