【正文】 .................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) .. ............................................................................................................................ 43 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 本課題的研究意義 隨著全球經(jīng)濟(jì)以及汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量也在逐年急劇增加，但汽車數(shù)量的增加卻是城市大氣污染的主要來(lái)源，因此世界各國(guó)紛紛制定一系列十分嚴(yán)格的排放法規(guī)，強(qiáng)制要求生產(chǎn)低油耗小排放的汽車。純電動(dòng)汽車 (Electric Vehicle簡(jiǎn)稱 EV)是一種節(jié)約石油能源、無(wú)污染的理想 “ 零排放 ” 汽車，因?yàn)樗?入了電驅(qū)動(dòng)模式，所以這種汽車加大非石油資源的利用率，無(wú)疑是解決上述問(wèn)題的有效途徑。提取氫的方法非常方便，一是可通過(guò)石油、天然氣、甲醇、甲烷等進(jìn)行；二是可通過(guò)電解水制氫、生物制氫等方法獲取氫氣。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 表 四種車型的比較 類型 燃油消耗 續(xù)駛里程 排放 電池壽命 加油站改造 成本 傳統(tǒng)汽車 100 100 100 100 EV 0 30—50 0 100 300—400 FCV 5 5 HEV 40—60 100 40—60 300—1000 0 130—160 注：表中數(shù)據(jù)表示比例關(guān)系 從表 ， EV和 FCV都具有零排放的優(yōu)點(diǎn)，但是燃料電池的比能以及技術(shù)發(fā)展仍然是制約其市場(chǎng)化的一大瓶頸，所以不能滿足市場(chǎng)要求； HEV的燃油消耗和排放都比傳統(tǒng)汽車低，而且 HEV對(duì)電池的要求不高，并能滿足日益嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前， HEV已經(jīng)是汽車技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的發(fā)展方向。近幾年，隨著混合動(dòng)力汽車 (HEV)技術(shù)發(fā)展，使得混合動(dòng)力汽車有效地 克服了傳統(tǒng)汽車與純電動(dòng)汽車 (EV)的缺點(diǎn)并兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)已成為新型車輛開發(fā)的熱點(diǎn)，并且在降低汽車有害排放和燃油消耗方面的潛力已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在占 80％以上的道路條件下，一輛普通汽車僅利用了動(dòng)力潛能的 40％，在走走停停的繁 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 華市區(qū)甚至還會(huì)降到 25％。比如在歐洲，根據(jù)歐洲議會(huì) 2022年底表決通過(guò)的歐盟委員會(huì)的一項(xiàng)規(guī)定，從 2022年 9月 1日起，歐盟銷售和行駛的民用車輛包括以柴油為燃料的汽車，都要執(zhí)行歐洲 5號(hào)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。從目前的情況看，國(guó)外各大汽車生產(chǎn)廠商可能會(huì)從混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)和控制策略等綜合因素進(jìn)行考慮，從而達(dá)到更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的升級(jí)；國(guó)內(nèi)汽車廠商由于技術(shù)和設(shè)備等原因，最可能會(huì)對(duì)原有車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，已讓整車滿足國(guó) III標(biāo)準(zhǔn)，或者是更新?lián)Q代，推出下一代汽車。我國(guó)自主開發(fā)的 HEV要求節(jié)油率達(dá)到 30％以上，已在幾個(gè)城市投入示范線路。我國(guó)的混合動(dòng)力汽車只是在原油汽車上簡(jiǎn)單地加載發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組，由于缺乏高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)，其結(jié)果造成兩種動(dòng)力源只是簡(jiǎn)單結(jié)合，缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)。這種情況造成國(guó)內(nèi)大部分汽車廠商的尷尬局面，所以研究在 排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行系統(tǒng)的研究使其具有良好的動(dòng)力以及燃油經(jīng)濟(jì)性能已經(jīng)到了迫在眉睫的時(shí)候了。 在 1999年末，本田公司在日本、美國(guó)等國(guó)陸續(xù)開始銷售的小型混合動(dòng)力轎車 Insight就被美國(guó)環(huán)?？偸鹪u(píng)為 2022年美國(guó)十大節(jié)能汽車的第一名，實(shí)現(xiàn)了35km／ L的低油耗和 80g／ km的低 CO2排放量。德國(guó)公司生產(chǎn)的并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)車 Duo已小批量生產(chǎn)，因?yàn)榈聡?guó)實(shí)施了新的汽車排放標(biāo) 準(zhǔn)，所以人們把目光更多的寄托在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車身上。以柴油車為例，歐洲 4號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，柴油小客車的氮氧化物排放量為每公里 250毫克以下，載重卡車為 390毫克以下，而歐洲 5號(hào)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此的限制分別為 180毫克和 280毫克。所以說(shuō)，為了達(dá)到新的標(biāo)準(zhǔn)，各大汽車生產(chǎn)商必需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)和控制策略 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 等進(jìn)行改造，以及對(duì)燃料進(jìn)行深入的環(huán)保研究，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 本研究從系統(tǒng)入手，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)各部件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 并 制訂系統(tǒng)的控制策略。人們?cè)絹?lái)越關(guān)注其他燃料的汽車和電動(dòng)汽車的開發(fā)，電動(dòng)汽車成為最主要的選擇之一。 混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能潛力 傳統(tǒng)汽車相比混合動(dòng)力汽車耗油的原因主要有以下幾種： (1) 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率特性和汽車實(shí)際行駛工況的需求不匹配； (2) 制動(dòng)能量的消耗（特別是在城市市區(qū)行駛）； (3) 帶有液力變矩器的汽車在頻繁起停的時(shí)候傳動(dòng)效率很低。 (4) 在頻繁起停工況下：汽車停車時(shí)，若電池荷電狀態(tài)處于合理范圍，將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)怠速油耗；在汽車起動(dòng)時(shí)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，能避免帶有液力變矩器的汽車在起動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)效率低的問(wèn)題。這種車輛還可以在晚上或停車時(shí)利用電網(wǎng)的電充電，類似與純電動(dòng)汽車的情況。 (1) 微混合系統(tǒng) 有時(shí)也叫 “ 啟 ?；旌?” ，依靠電池 電機(jī)的功率比例很小，車輛的驅(qū)動(dòng)功率主要由內(nèi) 燃機(jī)提供。一般電機(jī)功率不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的 10%，其節(jié)油可達(dá) 10%~15%。 從系統(tǒng)能量流和功率流的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系看，可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能供給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。幾個(gè)大部件總成在電動(dòng)汽車上布置起來(lái)，將有較大的自由度。在環(huán)保要求高的市區(qū)，汽車在起步和低速行駛時(shí)，可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入純電動(dòng)狀態(tài)，使汽車達(dá)到零排放的要求。由于并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在穩(wěn)定的高速行駛下發(fā)動(dòng)機(jī)具有比較高的效率和相對(duì)較小的質(zhì)量，所以它在高速公路上行駛具 有比較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。另外一套電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)地驅(qū)動(dòng)汽車的后輪，可以在汽車啟動(dòng)、爬坡或加速時(shí)增加混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)力。蓄電池也可以向電動(dòng) /發(fā)電機(jī)提供電能，此時(shí)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)，可以用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)汽車。 圖 并聯(lián)式混合動(dòng) 力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)方式 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)： (1) 發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械裝置直接與驅(qū)動(dòng)軸相聯(lián)，輸出能量的利用率高； (2) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行輔助驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可以適當(dāng)?shù)臏p?。? (3) 如果電動(dòng)機(jī)只是作為輔助能量時(shí)，功率可以取?。? (4) 由于有發(fā)電機(jī)補(bǔ)充能量，因此比較小的電池容量既可滿足使用要求； (5) 各個(gè)部件的質(zhì)量、尺寸相對(duì)較小，因此適合布置在小型汽車上。能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配，從而在結(jié)構(gòu)上保證了在更復(fù)雜的工況下使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，因此更容易實(shí)現(xiàn)排放和燃油消耗的控制目標(biāo)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng) 機(jī)通過(guò)一個(gè)行星齒輪裝置連接起來(lái)。但其對(duì)控制系統(tǒng)的要求很高。所以，選擇哪種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)要和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 的設(shè)計(jì)目 標(biāo)以及設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行匹配，判斷汽車的運(yùn)行狀態(tài)以及行駛工況，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和蓄電池的特性確定車輛的工作模式，最終 合理的 選擇 本 設(shè)計(jì)方案為混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力匹配總成選型和參數(shù)設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)選型 在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置具有舉足輕重的作用，因此對(duì)其格外重視。為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是被設(shè)置成在絕大多數(shù)時(shí)間在經(jīng)濟(jì)區(qū)域穩(wěn)定的運(yùn)行，即發(fā)動(dòng)機(jī)可運(yùn)行在較窄的范圍之內(nèi)?？紤]到上述因素并總結(jié)了目前各國(guó)在混合動(dòng)力汽車研究中所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)方案，目 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 前可以應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)主要有：轉(zhuǎn)子式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)以及四沖程汽、柴油機(jī)等。 缺點(diǎn)：功率密度低以及需要人的散熱裝置。本文選擇四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象。同時(shí)，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)性能的基本 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 要求為： (a) 高電壓。電動(dòng)機(jī)上的工作電壓可高達(dá) 300V以上，對(duì)電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的安全性都必須符合國(guó)家 (或國(guó)際 )有關(guān)車輛電氣控制安全性能的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。由于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調(diào)速、控制器簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。在低速低轉(zhuǎn)矩區(qū)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率僅有 60％，而交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可達(dá) 66～ 74％。為克 服這個(gè)不足可以通過(guò)采用最大效率控制，在向量控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合最大效率控制，會(huì)使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在低速和高速運(yùn)行都會(huì)有較高的效率，相信這種控制方式會(huì)使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中具有強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力的。 (4) 永磁電動(dòng)機(jī) 近年來(lái)，永磁材料在電機(jī)的廣泛應(yīng)用，采用稀土永磁的電機(jī)由于取消了電勵(lì)磁，充分利用了徑向空間，使體積大大減小，效率提高，同時(shí)在結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，提高了可靠性，因此永磁直流電機(jī)仍是目前開發(fā)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的一個(gè)選擇。由于其體積小和效率高有十分廣闊的應(yīng)用前景。 (5) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、可靠性高、起動(dòng)性能好、調(diào)速性能好，控制裝置也比較簡(jiǎn)單；實(shí)際應(yīng)用較少，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，其開始應(yīng)用在電動(dòng)車上。 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用儲(chǔ)能元件選 型 在混合動(dòng)力汽車中，儲(chǔ)能元件起著向電動(dòng)機(jī)供能及向動(dòng)力傳動(dòng)系輸出峰值功率的作用，其另外一個(gè)作用是吸收制動(dòng)再生能量并將其儲(chǔ)存起來(lái)。 表 基本原理 減速連接 存儲(chǔ)裝置 加速連接 機(jī)械能 無(wú)級(jí)變速 CVT 飛輪 無(wú)級(jí)變速 CVT 電能一機(jī)械能 發(fā)電機(jī) 電動(dòng)飛輪電池 電動(dòng)機(jī) 電能 發(fā)電機(jī) 電化學(xué)電池 /超級(jí)電容 電動(dòng)機(jī) 液壓能 液壓泵 儲(chǔ)能器 液壓傳動(dòng) 表 儲(chǔ)能裝置 實(shí)現(xiàn)方式 優(yōu)勢(shì) 劣勢(shì) 適用 飛輪 物理方法 幾乎免維護(hù) 價(jià)格昂貴 重型卡車 超級(jí)電容 物理方法 承受能力強(qiáng)、壽命優(yōu)越；比功率、循環(huán)效率高 比 能量較低 輕度混合動(dòng)力車輛 電化學(xué)電池 化學(xué)方法 可靠性高、技術(shù)成熟、 原料易得、便宜 比能量低 壽命較短 純電動(dòng)汽車混合動(dòng)力汽車 燃料電池 化學(xué)方法 能量轉(zhuǎn)換效率高 氫制取困難 ,成本高 純電動(dòng)汽車 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 由表 ，飛輪電池和超級(jí)電容用作混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能元件仍存在著一些技術(shù)難點(diǎn)和缺陷，使得電化學(xué)電池成了目前混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能元件的主流。整車性能開發(fā)指標(biāo)如表 。因?yàn)樵诔鞘行旭傃h(huán)工況中，車輛的速度是達(dá) 不到它的最大值，另外結(jié)合我國(guó)車輛和路況的實(shí)際情況，在這里確定 V的取值要求為： () 另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率還應(yīng)滿足式 3． 6所示： () 本文采用了第二種計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法，根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的開發(fā)指標(biāo)，該車在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候應(yīng)該滿足 70km／ h的行駛速度，而且爬坡度應(yīng)大于 10％，經(jīng)過(guò)最后計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)最 小 功率應(yīng)為 Pmax=30Kw附近 (這里還考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)需要有 10％左右 充裕 的功率為電池組充電 )。 表 電機(jī)功率 車輛參數(shù) 33kw 49kw 58kw 啟動(dòng)時(shí)間 (s) 0～ 5km／ h 0～ 10km／ h 0～ 15km／ h 由表 ，若要求混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)能力優(yōu)越，則電機(jī)的峰值功率應(yīng)不低于 33kw，而選擇 49kw和 58kw整車的啟動(dòng)能力接近， 所以應(yīng)該優(yōu)先考慮， 本設(shè) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 計(jì)是基于全混合動(dòng)力的模型下進(jìn)行的，其混合度約為 41%，故 額定 功率為 30kw。 一般動(dòng)力電池組的電壓變化范圍在其額定電壓的 (35％ —+25％ )范圍內(nèi)，因而要求電機(jī)逆變器的 IGBT承受電壓范圍為 (220V～ 420V)，整個(gè)系統(tǒng)的電壓范圍必須一致，保證系統(tǒng)的運(yùn)行可靠。一個(gè)蓄電池的容量又有理論容量、實(shí)際容量和額定容量之分。 當(dāng)放電電流隨時(shí)間變化時(shí)，這時(shí)電池的容量可以表示為： () 上式中， I為放電電流的大小，單位 A； t是放電至終止電壓時(shí)間，單位 h 因此，為進(jìn)一步確定電池的容量參數(shù)，在 參考同類車型的情況下選擇電池容量為 45Ah。但是，不同廠家的電池其 SOC的最佳工作范圍有所不同，一般在 ≤SOC≤，這時(shí)電池組內(nèi)阻最小，效率最高。因此，最小傳動(dòng)比的選定很重要。但在選擇最小傳動(dòng)比時(shí)，要考慮汽車在最高檔行駛時(shí)應(yīng)有足夠的動(dòng)力性能，既應(yīng)有足夠的最高檔動(dòng)力因素 Domax，即一般汽車的 io與 Domax。 接下來(lái)，求出 I檔的傳動(dòng)比后，應(yīng)該按照式 ，具體公式如下： () 上式， 為附著力， 在這里可以取 ~。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 第 4 章 變速驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引言 本章主要進(jìn)行了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的機(jī)構(gòu)，將電機(jī)、電機(jī) /發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器、差速器融為一體，設(shè)計(jì)成變速驅(qū)