【正文】 時(shí)的功率要求，即滿足下式： () 式中， η—為傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)相比，永 磁電動(dòng)機(jī)的體積更小，質(zhì)量更輕，更加適合作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 動(dòng)系統(tǒng)的效率特性圖。 缺點(diǎn)：排放較差，噪聲和振動(dòng)大，但采取技術(shù)后，上述缺點(diǎn)可以得到改善 。接下來(lái)，主要根據(jù)第二章所確定的混合 類型，以整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終得到混合動(dòng)力電動(dòng)汽車參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。 因此，并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性都會(huì)有所改善 ,和混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車相比較而言結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格也容易被廣大消費(fèi)者接受，在電池技術(shù)問(wèn)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(dòng)力系統(tǒng)落后。電動(dòng)機(jī)可以用來(lái)平衡發(fā)動(dòng)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(dòng)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(jì)（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(jì)、行駛工況、開車操作細(xì)節(jié)而變化。 (2) 通過(guò)控制能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)盡量靠近或在發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，不足動(dòng)力由電機(jī)補(bǔ)充。也就是說(shuō)， 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(guó) III標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，上述車型將暫時(shí)推出市場(chǎng)，但是其中只有小部分車型會(huì)停產(chǎn)，大部分車型還是會(huì)經(jīng)過(guò)廠家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)后重新回到市場(chǎng)。 另一方面，混合動(dòng)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(duì)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(dòng)力汽車 (Fuel Cell Electric Vehicle，簡(jiǎn)稱 FCEV)，燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過(guò)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(guò)程不涉及燃燒和熱機(jī)做功。從整車效率、動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車為首選方案。 目前，世界各國(guó)都在開發(fā)新型節(jié)能無(wú)污染汽車，包括純電動(dòng)汽車 EV(electric vehicle)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 HEV(hybrid electric vehicle)和燃料電池汽車 FCV(fuel cell vehicle)?；旌蟿?dòng)力汽車采用了發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置耦合在一起來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，使得車輛降低燃料消耗量，同時(shí)通過(guò)整車控制策略控制發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的起停來(lái)取消發(fā)動(dòng)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(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。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。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。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。 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。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。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。 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。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。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(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 。常用安培小時(shí)數(shù) (Ah)表示。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)。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。圖 為電池的內(nèi)阻與 SOC的關(guān)系曲線。 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。因此，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上使用的儲(chǔ)能裝置應(yīng)盡可能滿足如下要求： (1) 可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)接收制動(dòng)功率； (2) 為使儲(chǔ)能裝置不致太龐大和過(guò)重，要求其應(yīng)具有比較高的比功率和比能量； (3) 混合動(dòng)力汽車上的儲(chǔ)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(zhǎng)； (4) 安全可靠，維修方便。目前國(guó)外的一些汽車公司正在對(duì)交流感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)機(jī)更加適合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)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(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是以開關(guān) 模式運(yùn)行，比燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)更加頻繁地開關(guān)。動(dòng)力從發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)并輸出到驅(qū)動(dòng)軸。兩套驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)可以獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)汽車，也可以聯(lián)合驅(qū)動(dòng)汽車，使電動(dòng)汽車變成四輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車。發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)集成組成一個(gè)系統(tǒng)，即輔助動(dòng)力單元，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率超過(guò)汽車 行駛所需要的功率時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的部分電能向電池充電，來(lái)延長(zhǎng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的行駛里程。 (2) 降低發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)排放 混合動(dòng)力車可采用電動(dòng)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(shí)才啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在遠(yuǎn)離排放差的區(qū)域；采用功率小的發(fā)動(dòng)機(jī)意味著混合動(dòng)力車輛比起傳統(tǒng)車輛來(lái)，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??；動(dòng)力電池的功 率緩沖能力可使發(fā)動(dòng)機(jī)縮短冷啟動(dòng)時(shí)間，從而減少整車?yán)鋯?dòng)是的排放。歸納起來(lái)，主要有以下幾方面內(nèi)容： （ 1）詳細(xì)地論述了混合動(dòng)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(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，最終確定混 合動(dòng)力電動(dòng)汽車模型以及工作模式； （ 2）確定出混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的布置方案，并對(duì)該動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能進(jìn)行分析； （ 3）設(shè)計(jì)混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的功率、最高轉(zhuǎn)速、電池的功率及需要的儲(chǔ)存能量、傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式和傳動(dòng)比； （ 4）制定混合動(dòng)力系統(tǒng)能量分配的控制策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，同時(shí)保證電池在一個(gè)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(dòng)力汽車。 我 國(guó) 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車研究概況 我國(guó)是石油資源十分緊缺的國(guó)家，我國(guó)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(guó)。 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(tái)使得現(xiàn)有的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車不能適應(yīng)新形勢(shì)的需要，其中大部分都存在著退市的 危險(xiǎn)，目前我國(guó)大部分汽車廠商對(duì)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(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，很少把發(fā)動(dòng)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(guó)III標(biāo)準(zhǔn)的目的，所以系統(tǒng)的研究新型混合動(dòng)力電動(dòng)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(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。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。 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。 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。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。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。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。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)。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)。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。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。 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 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。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。 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)動(dòng)橋。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。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。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(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)。 缺點(diǎn)：功率密度低以及需要人的散熱裝置。所以，選擇哪