【正文】 時的功率要求，即滿足下式： () 式中， η—為傳動效率 (km／ h)； m—為汽車質(zhì)量 (kg)； g—為重力加速度 (m/s 2)； f—為滾動阻力系數(shù)； C—為風(fēng)阻系數(shù)； A—為迎風(fēng)面積 (m)； v—為最高車速 (m/s)。與相同功率的其它類型的電動機(jī)相比，永 磁電動機(jī)的體積更小，質(zhì)量更輕，更加適合作為電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)。 圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 動系統(tǒng)的效率特性圖。 缺點(diǎn)：排放較差，噪聲和振動大，但采取技術(shù)后，上述缺點(diǎn)可以得到改善 。接下來，主要根據(jù)第二章所確定的混合 類型，以整車動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，最終得到混合動力電動汽車參數(shù)設(shè)計結(jié)果。 因此，并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)最適合在城市間道路和高速公路上行駛，工況穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性都會有所改善 ,和混聯(lián)式混合動力電動汽車相比較而言結(jié)構(gòu)簡單，價格也容易被廣大消費(fèi)者接受，在電池技術(shù)問題沒有得到很好的解決的情況下，它將可能被廣泛應(yīng)用，但當(dāng)電池技術(shù)攻克，其優(yōu)越性較混聯(lián)混合動力系統(tǒng)落后。電動機(jī)可以用來平衡發(fā)動機(jī)所受的載荷，使其能在高效率區(qū)域工作，因?yàn)橥ǔ０l(fā)動機(jī)工作在滿負(fù)荷 (中等轉(zhuǎn)速 )下，燃油經(jīng)濟(jì)性最好。電機(jī)功率為內(nèi)燃機(jī)最 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 大功率的 40%左右，其節(jié)油效果達(dá) 30%~50%，但實(shí)際節(jié)油效果隨車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計、行駛工況、開車操作細(xì)節(jié)而變化。 (2) 通過控制能使發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)盡量靠近或在發(fā)動機(jī)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，提高發(fā)動機(jī)工作效率，不足動力由電機(jī)補(bǔ)充。也就是說， 8年之后，歐盟行駛的各類汽車，氮氧化物排放量將比現(xiàn)在減少三分之二以上。國 III標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，上述車型將暫時推出市場，但是其中只有小部分車型會停產(chǎn)，大部分車型還是會經(jīng)過廠家對發(fā)動機(jī)的升級后重新回到市場。 另一方面，混合動力汽車在降低汽車有害排放方面的貢獻(xiàn)是顯而易見的，然而隨著人們對環(huán)境保護(hù)力度的加大，更嚴(yán) 格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)運(yùn)而生。 氫燃料電池動力汽車 (Fuel Cell Electric Vehicle，簡稱 FCEV)，燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換電能的 裝置，其最大特點(diǎn)是反應(yīng)過程不涉及燃燒和熱機(jī)做功。從整車效率、動力性能、續(xù)駛里程和城市運(yùn)行工況等多方面綜合考慮，混聯(lián)式混合動力電動汽車為首選方案。 目前，世界各國都在開發(fā)新型節(jié)能無污染汽車，包括純電動汽車 EV(electric vehicle)、混合動力電動汽車 HEV(hybrid electric vehicle)和燃料電池汽車 FCV(fuel cell vehicle)?；旌蟿恿ζ嚥捎昧税l(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)通過機(jī)械傳動裝置耦合在一起來驅(qū)動車輛行駛，使得車輛降低燃料消耗量，同時通過整車控制策略控制發(fā)動機(jī)、電池和電機(jī)在不同工況條件下，處于不同的工作模 式，從而盡可能多的工作在各自的高效率區(qū)域，甚至還可以控制發(fā)動機(jī)的起停來取消發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到明顯節(jié)能的目的。 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(jìn)技術(shù)水平相比還有很大差距。但是，歐洲 5號排放標(biāo)準(zhǔn)對汽車尾氣排放的限制更加嚴(yán)格表現(xiàn)在多方面。簡而言之，混合動力汽車就是將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、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(jī)汽車和電動汽車的優(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。在車輛加速、爬坡等工況下，電機(jī)可向內(nèi)燃機(jī)提供輔助的啟動力矩，但不能單獨(dú)驅(qū)動車輛行駛。 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(yùn)行。通常 “ 動力組合器 ”就是一個行星齒輪機(jī)構(gòu)，這種裝置可以使發(fā)動機(jī)或電動機(jī)之間的轉(zhuǎn)速可以靈活的分配，但它們組合在特定的 “ 動力組合器 ” 中，因?yàn)?“ 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(jī)節(jié)氣門的開度來與電動機(jī)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。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(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析與說明； (2) 因?yàn)槊糠N混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)，而且行駛工況是隨時變化的。 缺點(diǎn)：響應(yīng)時間較長 串聯(lián) 斯特林 發(fā)動機(jī) 優(yōu)點(diǎn)：具有高的熱效率、低排放和低噪盧性能。圖 HEV驅(qū)動電機(jī)的分類，包括直流電機(jī)、永磁無刷電機(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)動電機(jī)的分類 (1) 直流電動機(jī) 直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械特性好，調(diào)速方便而且性能好。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。 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(biāo) 整車參數(shù)與性能指標(biāo) 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 。常用安培小時數(shù) (Ah)表示。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。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(yùn)動和動力參數(shù)的確定；齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度校核；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度校核；軸承的選擇與強(qiáng)度校核。圖 為電池的內(nèi)阻與 SOC的關(guān)系曲線。 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。因此，混合動力電動汽車上使用的儲能裝置應(yīng)盡可能滿足如下要求： (1) 可在長時間內(nèi)接收制動功率； (2) 為使儲能裝置不致太龐大和過重，要求其應(yīng)具有比較高的比功率和比能量； (3) 混合動力汽車上的儲能元件需要頻繁地充放電，因此要求其充放電特性較好、自放電率較低以及輸出效率較高，其使用壽命即循環(huán)充放電的次數(shù)應(yīng)較長； (4) 安全可靠，維修方便。目前國外的一些汽車公司正在對交流感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和向量控制方法進(jìn)行研究和改進(jìn)，使交流三相感應(yīng)電動機(jī)更加適合電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的要求。在允許的范圍內(nèi)，盡可能采用高電壓，可以減小電機(jī)尺寸和導(dǎo)線等設(shè)備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本； (b) 高轉(zhuǎn)速。另外，某些混合動力汽車發(fā)動機(jī)是以開關(guān) 模式運(yùn)行，比燃油車發(fā)動機(jī)更加頻繁地開關(guān)。動力從發(fā)動機(jī)輸出到與其相連的行星架，行星架將一部分轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機(jī)，另一部分傳送到電動機(jī)并輸出到驅(qū)動軸。兩套驅(qū)動 系統(tǒng)可以獨(dú)立地驅(qū)動汽車，也可以聯(lián)合驅(qū)動汽車，使電動汽車變成四輪驅(qū)動的電動汽車。發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)集成組成一個系統(tǒng)，即輔助動力單元，當(dāng)發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率超過汽車 行駛所需要的功率時，發(fā)電機(jī)發(fā)出的部分電能向電池充電，來延長混合動力電動汽車的行駛里程。 (2) 降低發(fā)發(fā)動機(jī)排放 混合動力車可采用電動起步，當(dāng)車速達(dá)到預(yù)定值或車輛 負(fù)荷 達(dá)到預(yù)定水平時才啟動發(fā)動機(jī)，盡量使發(fā)動機(jī)工作在遠(yuǎn)離排放差的區(qū)域；采用功率小的發(fā)動機(jī)意味著混合動力車輛比起傳統(tǒng)車輛來，在常見負(fù)荷下，可在較高的額定功率下工作，效率更高、污染最小；動力電池的功 率緩沖能力可使發(fā)動機(jī)縮短冷啟動時間，從而減少整車?yán)鋯邮堑呐欧?。歸納起來，主要有以下幾方面內(nèi)容： （ 1）詳細(xì)地論述了混合動力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)；對混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，最終確定混 合動力電動汽車模型以及工作模式； （ 2）確定出混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的布置方案，并對該動力系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能進(jìn)行分析； （ 3）設(shè)計混聯(lián)混合動力系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇發(fā)動機(jī)和電機(jī)的功率、最高轉(zhuǎn)速、電池的功率及需要的儲存能量、傳動系統(tǒng)的傳動方式和傳動比； （ 4）制定混合動力系統(tǒng)能量分配的控制策略，使發(fā)動機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，同時保證電池在一個完整的汽車行使循環(huán)工況內(nèi)保持能量平衡，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。第二名是豐田公司的 Prius混合動力汽車。 我 國 混合動力電動汽車研究概況 我國是石油資源十分緊缺的國家，我國的石油僅占世界石油資源的 2％，從1993年開始就己成 為石油進(jìn)口國。 但是，世界范圍內(nèi)更加嚴(yán)格的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺使得現(xiàn)有的混合動力電動汽車不能適應(yīng)新形勢的需要，其中大部分都存在著退市的 危險，目前我國大部分汽車廠商對這種情況的處理方法基本上都停留在改進(jìn)現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，很少把發(fā)動機(jī)、排氣系統(tǒng)和控制策略等因素進(jìn)行綜合考慮，已達(dá)到符合國III標(biāo)準(zhǔn)的目的，所以系統(tǒng)的研究新型混合動力電動汽車就顯得尤為重要。 refer to the parallel hybrid electric vehicle: a typical example of Toyota pruis drive system, carried out for elantra hybrid electric system design。 hybrid HEV and transmission system performance across all the major parts of the choices power unit type and parameter design。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（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化的一大瓶頸，所以不能滿足市場要求； HEV的燃油消耗和排放都比傳統(tǒng)汽車低，而且 HEV對電池的要求不高，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)域的一個重要的發(fā)展方向。從目前的情況看，國外各大汽車生產(chǎn)廠商可能會從混合動力汽車發(fā)動機(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；國內(nèi)汽車廠商由于技術(shù)和設(shè)備等原因，最可能會對原有車用發(fā)動機(jī)進(jìn)行改造，已讓整車滿足國 III標(biāo)準(zhǔn)，或者是更新?lián)Q代，推出下一代汽車。 在 1999年末，本田公司在日本、美國等國陸續(xù)開始銷售的小型混合動力轎車 Insight就被美國環(huán)?？偸鹪u為 2022年美國十大節(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。 本論文的主要研究內(nèi)容 本研究從系統(tǒng)入手，對混合動力系統(tǒng)各部件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計， 并 制訂系統(tǒng)的控制策略。這種車輛還可以在晚上或停車時利用電網(wǎng)的電充電，類似與純電動汽車的情況。發(fā)動機(jī)僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能供給電動機(jī)，電動機(jī)驅(qū)動汽車行駛。另外一套電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)單獨(dú)地驅(qū)動汽車的后輪，可以在汽車啟動、爬坡或加速時增加混合動力汽車的驅(qū)動力。驅(qū)動系統(tǒng)是將發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動 機(jī)通過一個行星齒輪裝置連接起來。為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，混合動力汽車發(fā)動機(jī)是被設(shè)置成在絕大多數(shù)時間在經(jīng)濟(jì)區(qū)域穩(wěn)定的運(yùn)行，即發(fā)動機(jī)可運(yùn)行在較窄的范圍之內(nèi)。同時，混合動力電動汽車對電機(jī)性能的基本 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 要求為： (a) 高電壓。為克 服這個不足可以通過采用最大效率控制，在向量控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合最大效率控制，會使感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在低速和高速運(yùn)行都會有較高的效率，相信這種控制方式會使感應(yīng)電動機(jī)在電動車驅(qū)動系統(tǒng)中具有強(qiáng)的競爭力的。 混合動力電動汽車用儲能元件選 型 在混合動力汽車中，儲能元件起著向電動機(jī)供能及向動力傳動系輸出峰值功率的作用，其另外一個作用是吸收制動再生能量并將其儲存起來。 表 電機(jī)功率 車輛參數(shù) 33kw 49kw 58kw 啟動時間 (s) 0～ 5km／ h 0～ 10km／ h 0～ 15km／ h 由表 ，若要求混合動力汽車啟動能力優(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（論文） 21 計是基于全混合動力的模型下進(jìn)行的，其混合度約為 41%，故 額定 功率為 30kw。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≤，這時電池組內(nèi)阻最小，效率最高。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 第 4 章 變速驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)設(shè)計 引言 本章主要進(jìn)行了混合動力電動汽車動力總成的機(jī)構(gòu)，將電機(jī)、電機(jī) /發(fā)動機(jī)、變速器、主減速器、差速器融為一體，設(shè)計成變速驅(qū)動橋。但在選擇最小傳動比時，要考慮汽車在最高檔行駛時應(yīng)有足夠的動力性能，既應(yīng)有足夠的最高檔動力因素 Domax，即一般汽車的 io與 Domax。一個蓄電池的容量又有理論容量、實(shí)際容量和額定容量之分。整車性能開發(fā)指標(biāo)如表 。由于其體積小和效率高有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調(diào)速、控制器簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：功率密度低以及需要人的散熱裝置。所以，選擇哪