【正文】 市場(chǎng)。我國(guó)在 “ 八五 ”和 “ 九五 ” 期間都有計(jì)劃地開展了電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和整車研制。 但是由于我國(guó)混合動(dòng)力汽車的研究工作起步比較晚，所以和國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)水平相比還有很大差距。綜上，生產(chǎn)廠商對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)勢(shì)必要增加生產(chǎn)的成本，而廠家會(huì)把這些成本加到車價(jià)上去，車價(jià)的提升必定會(huì)帶來(lái)價(jià)格的提升，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)不是滿足國(guó) III標(biāo)準(zhǔn)的最終出路。福特公司開發(fā)的 “ 優(yōu)異 2022” 概念車試驗(yàn)平臺(tái)的性能已達(dá)到 PNCV計(jì)劃的部分目標(biāo)：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(dòng)力電動(dòng)汽車，時(shí)速可達(dá) 90km。但是，歐洲 5號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車尾氣排放的限制更加嚴(yán)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(qiáng)環(huán)保，歐盟特地限定這一車型將于 2022年提前兩年實(shí)行歐洲 6號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)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(dāng)今汽車工業(yè)界的緊迫任務(wù)。簡(jiǎn)而言之，混合動(dòng)力汽車就是將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、電力驅(qū)動(dòng)裝置和儲(chǔ)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(jī)汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的不足，是當(dāng)今最具實(shí)際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。 (3) 在汽車制動(dòng)時(shí)，控制電機(jī)以發(fā)電機(jī)模式工作進(jìn)行回饋制動(dòng)，將汽車的動(dòng)能或勢(shì)能部分回收。這種混合電動(dòng)車在進(jìn)入車輛和人口密集的城市中心時(shí)，可以關(guān)閉其發(fā)動(dòng)機(jī)以純電動(dòng)方式工作，達(dá)到零排放，到了郊區(qū)時(shí)可重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。 混合電動(dòng)車的分類 混合動(dòng)力系統(tǒng)可以按以下幾個(gè)方面分類： 從使用電池 電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的搭配比例來(lái)看，混合動(dòng)力車輛有微混合、輕混合、全混合、可外接電源充電混合動(dòng)力四種類型。在車輛加速、爬坡等工況下，電機(jī)可向內(nèi)燃機(jī)提供輔助的啟動(dòng)力矩，但不能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。 (4) 可外接電源充電混合動(dòng)力系統(tǒng) 該系統(tǒng)電機(jī)功率比例與純電動(dòng)情況相同，但內(nèi)燃機(jī)的功率比例與全混合系統(tǒng)的基本相同。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是 圖 串聯(lián)式 HEV 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器主要部件組成。 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)： (1) 發(fā)動(dòng)機(jī)能夠經(jīng)常保持在穩(wěn)定、高效、低污染的運(yùn)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?xì)廨啓C(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)等其他形式的發(fā)動(dòng)機(jī)； (2) 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車從整體結(jié)構(gòu)上看，只有發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)的電力系統(tǒng)，其特點(diǎn)更加趨近于電動(dòng)汽車。 所以，串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(yùn)行。當(dāng)車輛在較小的路面載荷下工作時(shí)，傳統(tǒng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性比較差，而并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)可以被關(guān)閉掉而只用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車，或者增加發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷使電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，給蓄電池充電以備后用（即一邊驅(qū)動(dòng)汽車，一邊充電）。 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車通常有以下四種組合驅(qū)動(dòng)方式： (a) 驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式 驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式（見圖 ）電動(dòng)汽車采用一個(gè)小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，單獨(dú)地驅(qū)動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車（見圖 ， B、 C）的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，并直接（單軸式）或間接（雙軸式）帶動(dòng)電動(dòng) /發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)向蓄電池充電。通常 “ 動(dòng)力組合器 ”就是一個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)，這種裝置可以使發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速可以靈活的分配，但它們組合在特定的 “ 動(dòng)力組合器 ” 中，因?yàn)?“ 動(dòng)力組合器 ” 使它們的轉(zhuǎn)矩固定在電動(dòng)汽車行駛時(shí)的轉(zhuǎn)矩上，要用調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門的開度來(lái)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相互配合，才能獲得最佳傳動(dòng)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(jì)（論文） 11 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車 (PSHEV) 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)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(dòng)形式各自的優(yōu)點(diǎn)。但是這種布置方式將會(huì)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(shí)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(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)。具體工作包括： (1) 重點(diǎn)介紹串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及工作原理，并對(duì)上述三種混合動(dòng)力汽車各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析與說(shuō)明； (2) 因?yàn)槊糠N混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)，而且行駛工況是隨時(shí)變化的。 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力匹配總成選型 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力總成選型主要包括以下部分：發(fā)動(dòng)機(jī)、車用電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能元件以及傳動(dòng)系等，本節(jié)主要根據(jù)混合動(dòng)力汽車的工作特性要求對(duì)動(dòng)力元件的選型方案進(jìn)行分析，最終選取符合整車設(shè)計(jì)性能的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成元件。混合動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)并不是單獨(dú)提供加速或爬坡的峰值功率，而是和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率通常由最常用或最經(jīng)濟(jì)車速對(duì)應(yīng)的需求驅(qū)動(dòng)功率確定，因而混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率比燃油車小。另外還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)、可靠性、使用壽命、維護(hù)成本、運(yùn)行成本以及安全性能等因素。 缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng) 串聯(lián) 斯特林 發(fā)動(dòng)機(jī) 優(yōu)點(diǎn)：具有高的熱效率、低排放和低噪盧性能。 串聯(lián) 并聯(lián) 對(duì)于混聯(lián)混合動(dòng)力汽車，應(yīng)用目前技術(shù)成熟的先進(jìn)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)不失為最佳選擇。 另外，對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型還應(yīng)綜合考慮其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，要求能實(shí)現(xiàn)雙向控制，對(duì)制動(dòng)再生能量可以回收。電機(jī)采用的輕型材料，以降低電機(jī)質(zhì)量、各種控制裝置的質(zhì)量等； (d) 電機(jī)應(yīng)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，為車輛提供起動(dòng)、加速、行駛、減速、制動(dòng)等所需要的功率和轉(zhuǎn)矩，使混合動(dòng)力汽車具有良好的起動(dòng)性能和加速性能； (e) 電機(jī)應(yīng)具有高效率、低損耗，并在車輛減速時(shí)，要求能實(shí)現(xiàn)雙向控制，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的回收； (f) 裝備高壓保護(hù)設(shè)備。圖 HEV驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類，包括直流電機(jī)、永磁無(wú)刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等應(yīng)用較多的幾種電機(jī) 圖 HEV驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類 (1) 直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械特性好，調(diào)速方便而且性能好。由圖知 ，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也存在一定的問(wèn)題，如在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍內(nèi)，電機(jī)的勵(lì)磁電流分量保持恒定這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)在輕載時(shí)鐵耗增加，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率下降。但交流異 步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)日趨成熟，解決該問(wèn)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(dòng)汽車用永磁電動(dòng)機(jī)主要有兩大類：電流反饋控制的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁交流同步電動(dòng)機(jī)。 表 性能 直流電機(jī) 永磁電機(jī) 異步電機(jī) 開關(guān)磁阻電機(jī) 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(jī)費(fèi)用 10 10～ 15 8～ 12 6～ 10 控制器成本 l 2． 5 3． 5 4． 5 堅(jiān)固性 良 良 優(yōu) 良 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 可靠性 普通 良 優(yōu) 良 注：電機(jī)費(fèi)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(jì) 中 選擇 異步 電機(jī)。 目前有可能應(yīng)用的幾種能量存儲(chǔ)裝置如表 。 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配與性能指標(biāo) 整車參數(shù)與性能指標(biāo) 本文所研究的混合動(dòng)力汽車選用目前市場(chǎng)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(shí)的平均車速 Vavg ，這里的 V不能取設(shè)計(jì)目標(biāo)中的最大值 Vmax。 車輛由起步加速到速度 V的加速時(shí)間為： () 對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在 CYC EDDS循環(huán)工況下進(jìn)行仿真，可以得到電機(jī)峰值功率、整車啟動(dòng)時(shí)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(dòng)勢(shì)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(shí)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(shí)的電流，單位為 h，T為放電至終止電壓時(shí)的時(shí)間，單位為 h。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 一般對(duì)于并聯(lián)混合動(dòng)力汽車應(yīng)在長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行前后電池的 SOC基本保持不 變，所以︱ SOC︱ 。 (1) 最小傳動(dòng)比的選擇汽車大多數(shù)時(shí)間是以最高檔行駛，即變速器的最小傳動(dòng)比檔位行駛。近年來(lái)為了提高燃油經(jīng)性，出現(xiàn)了減小最小傳動(dòng)比的趨勢(shì)。汽車爬坡時(shí)車速低，可忽略空氣阻力，汽車的最大驅(qū)動(dòng)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(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到混合動(dòng)力電 動(dòng)汽車動(dòng)力總成各部件參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)裝置各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的確定 經(jīng)以上選型確定動(dòng)力裝置的參數(shù)如表 表 動(dòng)力裝置的參數(shù)表 動(dòng)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(dòng)機(jī) 57 43 4000 6000 102 主電機(jī) 58 30 1200 6000 305 發(fā)動(dòng)機(jī) 主電機(jī) 行星齒輪組 電機(jī) /發(fā)電機(jī) 鏈輪從動(dòng)軸 中間軸 半軸 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 電機(jī) /發(fā)電機(jī) 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(dòng)橋的總體布置；傳動(dòng)裝置各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的確定；齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核；軸承的選擇與強(qiáng)度校核。 綜上所述，經(jīng)計(jì)算的傳動(dòng)比分配如表 表 傳動(dòng)比分配表 傳動(dòng) 傳動(dòng)比 太陽(yáng)輪與齒圈 鏈傳動(dòng) 1 中間齒輪傳動(dòng) 主減速器 本章小結(jié) 本章詳細(xì)地論述了混合動(dòng)力汽車的動(dòng)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(jí)轎車 Domax取 ～ 。傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比是傳動(dòng)系中個(gè)部件傳動(dòng)比的乘積，即 () 上式中， ig為變速器傳動(dòng)比； io為主減速器傳動(dòng)比； ic為分動(dòng)器或副變速器傳動(dòng)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(shí)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(shí) 的荷電狀態(tài)定義為荷電狀態(tài) SOC=0％。 實(shí)際容量是指在一定的放電條件下蓄電池實(shí)際放出的電量，等于放電電流與放電時(shí)間的乘積。 通過(guò)參考同類車型選擇 288V。 電池參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 （一 ） 電壓等級(jí) 蓄電池的電動(dòng)勢(shì)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(jì)（論文） 20 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 在低速低負(fù)荷時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，利用電機(jī)啟動(dòng)整車，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在規(guī)定時(shí)間內(nèi)單獨(dú)啟動(dòng)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(dòng)機(jī) 總排量， L 額定功率， KW/r/min 58/4200 最大扭矩， 變速器 傳動(dòng)比范圍 ～ 主傳動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)（論文） 19 排放 國(guó) Ⅲ 標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)動(dòng)機(jī)功率設(shè)計(jì) HEV的發(fā)動(dòng)機(jī)要求有一定的驅(qū)動(dòng)功率，有足夠的動(dòng)力性能和機(jī)動(dòng)性能，能夠滿足 HEV的基本動(dòng)力性能要求，并且能夠與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一起提供 HEV所需的最大功率，使 HEV達(dá)到或接近燃油汽車的動(dòng)力性能水平。同時(shí)從蓄電池應(yīng)用的情況可以看出：鉛酸電池仍將在混合動(dòng)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(jià)和使用成本的降低而成了中 期目標(biāo)