【文章內(nèi)容簡介】 管理系統(tǒng)，其結(jié)果造成兩種動力源只是簡單結(jié)合，缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)。加上國 III標(biāo)準(zhǔn)的出臺，目前可以知道的是 10萬元以內(nèi)的車型里有 11個車型未達(dá)到國 III標(biāo)準(zhǔn)，并且退市車型以 6萬元以下的車型為 主； 10萬元以上車型里共有 5個車型未達(dá)到國 III標(biāo)準(zhǔn)； MPV 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 多功能旅行車、 SUV車型里共有 48個車型未達(dá)到國 III標(biāo)準(zhǔn)，并且退市車型以 10萬元以下的經(jīng)濟(jì)型 SUV為主。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。綜上，生產(chǎn)廠商對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改進(jìn)勢必要增加生產(chǎn)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(jī)的升級不是滿足國 III標(biāo)準(zhǔn)的最終出路。這種情況造成國內(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，對混合動力汽車進(jìn)行系統(tǒng)的研究使其具有良好的動力以及燃油經(jīng)濟(jì)性能已經(jīng)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(jì)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(shí)施新型汽車合作計(jì)劃 (PNGV)，該計(jì)劃制定的混合動力電動汽車開發(fā)的目標(biāo)是： 2022年進(jìn)行試驗(yàn)性推廣， 2022年達(dá)到全面商業(yè)化生產(chǎn)。福特公司開發(fā)的 “ 優(yōu)異 2022” 概念車試驗(yàn)平臺的性能已達(dá)到 PNCV計(jì)劃的部分目標(biāo)：每加侖 汽油行駛 80英里。 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。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(shí)用先進(jìn)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(dá) 90km。德國公司生產(chǎn)的并聯(lián)式混合動力電動車 Duo已小批量生產(chǎn)，因?yàn)榈聡鴮?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力電動汽車身上。德國汽車工業(yè)也已實(shí)施新的排放標(biāo)準(zhǔn)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(shù)成熟、設(shè)備先進(jìn)。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。以柴油車為例，歐洲 4號標(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號標(biāo)準(zhǔn)對此的限制分別為 180毫克和 280毫克。歐洲 6號標(biāo)準(zhǔn)則更進(jìn)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(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號排放標(biāo)準(zhǔn)。所以說，為了達(dá)到新的標(biāo)準(zhǔn)，各大汽車生產(chǎn)商必需對發(fā)動機(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。 綜上所述，從國內(nèi)外的研究情況可以看出新型汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的推出，可以推動汽車產(chǎn)業(yè)的再次升級。當(dāng)前世界汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng) 進(jìn)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(guān)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(lǐng)跑者。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。 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(jì)， 并 制訂系統(tǒng)的控制策略。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(jì)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(jì)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。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(chǎn)密不可分。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)。人們越來越關(guān)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(qū)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(jī)或由原動機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)組，目前所采用的原動機(jī)一般為柴油機(jī)、汽油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。將產(chǎn)生動力的部件與電能儲存元件與不同的方式結(jié)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(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。 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(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(jié)合上述在以下方面有所改進(jìn)： (1) 作為動力裝置的發(fā)動機(jī)尺寸有所減 小。 (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。 (3) 在汽車制動時，控制電機(jī)以發(fā)電機(jī)模式工作進(jìn)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(jī)關(guān)閉，節(jié)省發(fā)動機(jī)怠速油耗；在汽車起動時，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(diǎn)，降低排排放的主要途徑如下。 (1) 純電動模式運(yùn)行 混合動力汽車一般設(shè)計(jì)成具有純電動運(yùn)行模式。這種混合電動車在進(jìn)入車輛和人口密集的城市中心時，可以關(guān)閉其發(fā)動機(jī)以純電動方式工作，達(dá)到零排放，到了郊區(qū)時可重新啟動發(fā)動機(jī)。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。 (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??；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邮堑呐欧拧? 混合動力車還可以在停車、滑行、低負(fù)荷、制動或蓄電池 SOC 到最大值時關(guān)掉發(fā)動機(jī)，取消發(fā)動機(jī)怠速，而當(dāng)需要發(fā)動機(jī)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(jī)與內(nèi)燃機(jī)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(jī)的功率比例很小，車輛的驅(qū)動功率主要由內(nèi) 燃機(jī)提供。電機(jī)僅作為內(nèi)燃機(jī)的啟動機(jī) /發(fā)電機(jī)使用，微混合可實(shí)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(qū)動車輛的兩種動力源中依靠電池 電機(jī)功率的比例增大，內(nèi)燃機(jī)的功率的比例相對減小。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。一般電機(jī)功率不超過發(fā)動機(jī)最大功率的 10%，其節(jié)油可達(dá) 10%~15%。 (3) 全混合系統(tǒng) 與輕混合系統(tǒng)相比，驅(qū)動車輛的兩種動力源中依靠電池 電機(jī)功率的比例更大，內(nèi)燃機(jī)功率的比例更小，電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)都可以單獨(dú)驅(qū)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(jī)和內(nèi)燃機(jī)一起驅(qū)動車輛，并有制動能量回收的能力。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。 (4) 可外接電源充電混合動力系統(tǒng) 該系統(tǒng)電機(jī)功率比例與純電動情況相同，但內(nèi)燃機(jī)的功率比例與全混合系統(tǒng)的基本相同。 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)。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(jié)構(gòu)見圖 21。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是 圖 串聯(lián)式 HEV 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串聯(lián)式混合動力電動汽車由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池組、驅(qū)動電機(jī)和控制器主要部件組成。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。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。另外電池還可以單獨(dú)向電動機(jī)提供電能來驅(qū)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(diǎn)： (1) 發(fā)動機(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)動機(jī)等其他形式的發(fā)動機(jī)； (2) 串聯(lián)式混合動力電動汽車從整體結(jié)構(gòu)上看，只有發(fā)電機(jī)－電動機(jī)的電力系統(tǒng)，其特點(diǎn)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(diǎn)： (1) 各部件總成各自的功率較大，外形較大，質(zhì)量也較大，在中小型電動汽 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 車上布置有一定的困難； (2) 在發(fā)動機(jī)－發(fā)電機(jī)－電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的熱能－電能－機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換過程中，能量損失較大。因此發(fā)動機(jī)輸出的能量利用率要比內(nèi)燃機(jī)汽車低。 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。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(guān)閉發(fā)動機(jī)進(jìn)入純電動狀態(tài)，使汽車達(dá)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(qū)動 系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)通過某種變速裝置同時與驅(qū)動橋直接相連接。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。當(dāng)車輛在較小的路面載荷下工作時，傳統(tǒng)車輛的發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性比較差，而并聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機(jī)此時可以被關(guān)閉掉而只用電動機(jī)來驅(qū)動汽車，或者增加發(fā)動機(jī)的負(fù)荷使電動機(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(jī)具有比較高的效率和相對較小的質(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。 并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)有兩條能量傳輸路線，可以同時使用電動機(jī)和發(fā)動機(jī)作為動力源來驅(qū)動汽車，如果其中的一條驅(qū)動線路出了問題，另一個仍然可以驅(qū)動汽車。這種設(shè)計(jì)方式可以使其以純電動汽車，或低排放汽車的狀態(tài)運(yùn)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(qū)動方式： (a) 驅(qū)動力結(jié)合式 驅(qū)動力結(jié)合式（見圖 ）電動汽車采用一個小功率的發(fā)動機(jī)，單獨(dú)地驅(qū)動汽車的前輪。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。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。此種混合動力電動汽車具有四輪驅(qū)動的特性。 (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)式混合動力電動汽車（見圖 ， B、 C）的發(fā)動機(jī)通過傳動系統(tǒng)直接驅(qū)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(jī)轉(zhuǎn)動向蓄電池充電。蓄電池也可以向電動 /發(fā)電機(jī)提供電能，此時電動/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電動機(jī)，可以用來啟動發(fā)動機(jī)或驅(qū)動汽車。 (c) 轉(zhuǎn)速結(jié)合式 轉(zhuǎn)速結(jié)合式并聯(lián)式混合動力電動汽車（見圖 ， D）的發(fā)動機(jī)通過離合器和 一個 “動力組合器 ”來驅(qū)動汽車，電動機(jī)也是通過 “動力組合器 ”來驅(qū)動汽車。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 可以利用普通內(nèi)燃機(jī)汽車的大部分傳動系統(tǒng)的總成，電動機(jī)只需通過 “ 動力組合器 ” 與傳動系統(tǒng)連接，結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，