【文章內容簡介】 0萬元以下的經濟型 SUV為主。國 III標準實施后，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，大部分車型還是會經過廠家對發(fā)動機的升級后重新回到市場。綜上，生產廠商對發(fā)動機進行改進勢必要增加生產的成本，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。這種情況造成國內大部分汽車廠商的尷尬局面，所以研究在排放標準的前提下，對混合動力汽車進行系統(tǒng)的研究使其具有良好的動力以及燃油經濟性能已經到了迫在眉睫的時候了。 國外混合動力電動汽車研究概況 上世紀九十年代以來，日本、美國、歐洲各大汽車公司紛紛開始研制混合 動力電動汽車。美國政府于 1997年與克萊斯勒公司、福特公司和通用汽車公司合作，實施新型汽車合作計劃 (PNGV)，該計劃制定的混合動力電動汽車開發(fā)的目標是： 2021年進行試驗性推廣， 2021年 達到全面商業(yè)化生產。福特公司開發(fā)的 “ 優(yōu)異 2021” 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。 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 2021年美國十大節(jié)能汽車的第一名，實現(xiàn)了35km／ L的低油耗和 80g／ km的低 CO2排放量。第二名是豐田公司的 Prius混合動力汽車。 歐洲，最具代表的 HEV是法國的 Berlinge，在性價比上能與一般汽車相抗衡，代表了國際實用先進水平。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。德國公司生產的并聯(lián)式混合動力電動車 Duo已小批量生產，因為德國實施了新的汽車排放標準，所以人們把目光更多的寄托在混合動力電動汽車身上。德國汽車工業(yè)也已實施新的排放標準和節(jié)能要求，將不允許百公里的油耗超過 5升的轎車上路，這也將促使人們更多地把希望寄托在混合動力電動汽車上。 雖然，國外混合動力汽車技術成熟、設備先進。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。以柴油車為例，歐洲 4號標準規(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號標準對此的限制分別為 180毫克和 280毫克。歐洲 6號標準則更進一步，規(guī)定柴油小客車氮氧化物的排放量每公里不得超過 80毫克，載重卡車不超過 125毫克。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。例如，目前風靡歐洲的 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 2021年提前兩年實行歐洲 6號排放標準。所以說，為了達到新的標準，各大汽車生產商必需對發(fā)動機、排氣系統(tǒng)和控制策略 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 5 等進行改造，以及對燃料進行深入的環(huán)保研究，最終實現(xiàn)產業(yè)升級。 綜上所 述，從國內外的研究情況可以看出新型汽車尾氣排放標準的推出，可以推動汽車產業(yè)的再次升級。當前世界汽車產業(yè)已經進入成熟發(fā)展期，隨著世界汽車保有量的越來越大，而減少汽車尾氣排放，不僅關系到氣候變化，同時也是未來汽車企業(yè)增加競爭力的重要手段，誰能占據(jù)主動，誰就可能成為行業(yè)的領跑者。一旦汽車尾氣排放的研究取得突破，必將產生巨大的經濟和環(huán)保效益。 本論文的主要研究內容 本研究從系統(tǒng)入手，對混合動力系統(tǒng)各部件參數(shù)進行設計， 并 制訂系統(tǒng)的控制策略。歸納起來，主要有以下幾方面內容： （ 1）詳細地論述了混合動力系統(tǒng)的基本 結構和工作原理，并分析了各自的優(yōu)缺點；對混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)的設計進行了詳細的研究和分析，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)的特點及功能進行分析； （ 3）設計混聯(lián)混合動力系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇發(fā)動機和電機的功率、最高轉速、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)動機工作在經濟區(qū)域，同時保證電池在一個完整的汽車行使循環(huán)工況內保持能量平衡，實現(xiàn)節(jié)能的效果。 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 混合電 動車的概述 混合動力汽車概念 汽車已與人們的日常生活和生產密不可分。然而，眾多的燃油汽車排放所造成空氣質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。人們越來越關注其他燃料的汽車和電動汽車的開發(fā)，電動汽車成為最主要的選擇之一。 所謂混合電動汽車，是在一輛汽車上同時配備電力驅動系統(tǒng)和輔助動力單元 (APU),其中 APU是燃燒某種燃料的原動機或由原動機驅動的發(fā)電機組，目前所采用的原動機一般為柴油機、汽油機或燃氣輪機。將產生動力的部件與電能儲存元件與不同的方式 結合起來，可以形成不同類型的混合動力汽車。簡而言之，混合動力汽車就是將傳統(tǒng)的內燃機、電力驅動裝置和儲能裝置結合在一起，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。 混合動力系統(tǒng)的節(jié)能潛力 傳統(tǒng)汽車相比混合動力汽車耗油的原因主要有以下幾種： (1) 發(fā)動機燃油消耗率特性和汽車實際行駛工況的需求不匹配； (2) 制動能量的消耗（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候傳動效率很低。 混合動力 汽車相比傳統(tǒng) ICE 汽車之所以節(jié)油，主要結合上述在以下方面有所改進： (1) 作為動力裝置的發(fā)動機尺寸有所減小。 (2) 通過控制能使發(fā)動機工作點盡量靠近或在發(fā)動機最優(yōu)經濟區(qū)域，提高發(fā)動機工作效率，不足動力由電機補充。 (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。 (4) 在頻繁起停工況下：汽車停車時，若電池荷電狀態(tài)處于合理范圍，將發(fā)動機關閉，節(jié)省發(fā)動機怠速油耗；在汽車起動時，由電機單獨驅動，能避免帶有液力變矩器的汽車在起動時的傳動效率低的問題。 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 7 混合動力汽 車的排放問題 在控制排放方面，混合動力車有若干優(yōu)點，降低排排放的主要途徑如下。 (1) 純電動模式運行 混合動力汽車一般設計成具有純電動運行模式。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。這種車輛還可以在晚上或停車時利用電網的電充電，類似與純電動汽車的情況。 (2) 降低發(fā)發(fā)動機排放 混合動力車可采用電動起步，當車速達到預定值或車輛 負荷 達到預定水平時才啟動發(fā)動機，盡量使發(fā)動機工作在遠離排放差的區(qū)域；采用功率小的發(fā)動機 意味著混合動力車輛比起傳統(tǒng)車輛來，在常見負荷下，可在較高的額定功率下工作，效率更高、污染最??；動力電池的功率緩沖能力可使發(fā)動機縮短冷啟動時間，從而減少整車冷啟動是的排放。 混合動力車還可以在停車、滑行、低負荷、制動或蓄電池 SOC 到最大值時關掉發(fā)動機，取消發(fā)動機怠速，而當需要發(fā)動機輸出力矩時重新啟動，這樣可以取消怠速時的排放，降低整車排放污染。 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。 (1) 微混合系統(tǒng) 有時也叫 “ 啟 ?；旌?” ，依靠電池 電機的功率比例很小，車輛的驅動功率主要由內燃機提供。電機僅作為內燃機的啟動機 /發(fā)電機使用，微混合可實現(xiàn)5%~10%的皆有效果。 (2) 輕混合系統(tǒng) 與微混合系統(tǒng)相比，驅動車輛的兩種動力源中依靠電池 電機功率的比例增大，內燃機的功率的比例相對減小。在車輛加速、爬坡等工況下，電機可向內燃機提供輔助的啟動力矩，但不能單獨驅動車輛行駛。一般電機功率不超過發(fā)動機最大功率的 10%，其節(jié)油可達 10%~15%。 (3) 全混合系統(tǒng) 與輕混合系統(tǒng)相比，驅動車輛的 兩種動力源中依靠電池 電機功率的比例更大，內燃機功率的比例更小，電機和內燃機都可以單獨驅動車輛，因此在低速、緩加速行駛、車輛起步行駛和倒車等情況下，車輛可以純電動行駛；急加速時電機和內燃機一起驅動車輛，并有制動能量回收的能力。電機功率為內燃機最 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 8 大功率的 40%左右，其節(jié)油效果達 30%~50%，但實際節(jié)油效果隨車輛結構設計、行駛工況、開車操作細節(jié)而變化。 (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，但內燃機的功率比例與全混合系統(tǒng)的基本相同。 從系統(tǒng)能量流和功率流的配置結構關系看，可分 為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。下面著重介紹這三種形式的混合動力系統(tǒng)。 串聯(lián)混合動力系統(tǒng) 串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的結構見圖 21。其結構特點是 圖 串聯(lián)式 HEV驅動系統(tǒng)結構圖 串聯(lián)式混合動力電動汽車由發(fā)動機、發(fā)電機、電池組、驅動電機和控制器主要部件組成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機所發(fā)出的電能 供給電動機，電動機驅動汽車行駛。發(fā)動機和發(fā)電機集成組成一個系統(tǒng)，即輔助動力單元，當發(fā)動機發(fā)出的功率超過汽車行駛所需要的功率時，發(fā)電機發(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。另外電池還可以單獨向電動機提供電能來驅動電動汽車，使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛。 串聯(lián)式混合動力電動汽車的優(yōu)點： (1) 發(fā)動機能夠經常保持在穩(wěn)定、高效、低污染的運轉狀態(tài)，使有害排放氣體控制在最低范圍內，并可采用燃氣輪機、轉子發(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構上看，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。幾個大部件總成在電動汽車上布置起來，將有較大的自由度。 串聯(lián)式混合動力電動汽車的缺點： (1) 各部件總成各自的功率較大，外形較大，質量也較大，在中小型電動汽 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 9 車上布置有一定的困難； (2) 在發(fā)動機－發(fā)電機－電動機驅動系統(tǒng)中的熱能－電能－機械能的能量轉換過程中，能量損失較大。因此發(fā)動機輸出的能量利用率要比內燃機汽車低。 所以，串聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)較適合在大型客車上使用，該布置形式更適合于道路復雜的城市工況和山區(qū)公路運行。在環(huán)保要求高的市區(qū)，汽車在起步和低速行駛時 ，可以關閉發(fā)動機進入純電動狀態(tài)，使汽車達到零排放的要求。 并聯(lián)混合動力系統(tǒng) 并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)的發(fā)動機和電動機通過某種變速裝置同時與驅動橋直接相連接。電動機可以用來平衡發(fā)動機所受的載荷，使其能在高效率區(qū)域工作，因為通常發(fā)動機工作在滿負荷 (中等轉速 )下，燃油經濟性最好。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)動機此時可以被關閉掉而只用電動機來驅動汽車，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（即一邊驅動汽車，一邊充電）。由 于并聯(lián)式混合動力電動汽車在穩(wěn)定的高速行駛下發(fā)動機具有比較高的效率和相對較小的質量，所以它在高速公路上行駛具有比較好的燃油經濟性。 并聯(lián)式驅動系統(tǒng)有兩條能量傳輸路線，可以同時使用電動機和發(fā)動機作為動力源來驅動汽車，如果其中的一條驅動線路出了問題，另一個仍然可以驅動汽車。這種設計方式可以使其以純電動汽車，或低排放汽車的狀態(tài)運行，但是此時不能提供全部的動力能源。 并聯(lián)式混合動力汽車通常有以下四種組合驅動方式： (a) 驅動力結合式 驅動力結合式（見圖 ）電動汽車采用一個小功率的發(fā)動機，單獨地驅動汽車的前輪。 另外一套電動機驅動系統(tǒng)單獨地驅動汽車的后輪，可以在汽車啟動、爬坡或加速時增加混合動力汽車的驅動力。兩套驅動系統(tǒng)可以獨立地驅動汽車，也可以聯(lián)合驅動汽車，使電動汽車變成四輪驅動的電動汽車。此種混合動力電動汽車具有四輪驅動的特性。 (b) 轉矩結合式 (雙軸式和單軸式 ) 轉矩結合式并聯(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)電機轉動向蓄電池充電。蓄電池也可以向電動 /發(fā)電機提供電能，此時電動/發(fā)電機轉換成電動機，可以用來啟動發(fā)動 機或驅動汽車。 (c) 轉速結合式 轉速結合式并聯(lián)式混合動力電動汽車（見圖 ， D）的發(fā)動機通過離合器和一個 “動力組合器 ”來驅動汽車，電動機也是通過 “動力組合器 ”來驅動汽車。 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 10 可以利用普通內燃機汽車的大部分傳動系統(tǒng)的總成，電動機只需通過 “ 動力組合器 ” 與傳動系統(tǒng)連接，結構簡單，改制容易，維修方便。通常 “ 動力組合器 ”就是一個行星齒輪機構，這種裝置可以使發(fā)動機或電動機之間的轉速可以靈活的分配，但它們組合在特定的 “ 動力組合器 ” 中，因為 “ 動力組合器 ” 使它們的轉矩固定在電動汽車行駛時的轉矩上，要用調節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門的開度 來與電動機的轉速相互配合，才能獲得最佳傳動效果，從而使得控制裝備變得十分復雜。 圖 并聯(lián)式混合動力電動汽車的驅動方式 并聯(lián)式混合動力電動汽車的優(yōu)點： (1) 發(fā)動機通過機械裝置直接與驅動軸相聯(lián)，輸出能