【導(dǎo)讀】改裝中主要對原車型的發(fā)動機進行選型，并增加了電動機，電池組等部件，并對電動機，電池組的性能參數(shù)進行分析。汽車的結(jié)構(gòu)更加清晰直觀，分析更加透徹。最后，通過對混合動力汽車的了解和研。究，本人對混合動力汽車的發(fā)展和前景表達了個人觀點。水平路面上汽車滿載時行駛時各軸的最大負荷計算??????全球能源及環(huán)境問題日益突出：一方面石油資源作為不可再生能源日益緊缺；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油發(fā)動機車輛廢氣排放對空氣造成嚴重污染。為此替代燃油發(fā)動

　　

【正文】 的機械傳動系統(tǒng)，沒有 SHEV 在熱能→電能→機械能的轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗。 PHEV 的發(fā)動機和驅(qū)動電動機兩大動力總成都是驅(qū)動動力裝置，在 PHEV 上可以實現(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動模式，驅(qū)動電動機驅(qū)動模式和發(fā)動機－驅(qū)動電動機混合驅(qū)動模式、制動能量回收模式等 四種驅(qū)動模式。發(fā)動機和發(fā)電機各自的功率，可以是 PHEV 的最大驅(qū)動功率的 ～ 1 倍，兩大動力總成的功率可以疊加，因此可以采用較小功率的發(fā)動機和驅(qū)動電動機，使得整個動力總成的尺寸較小，質(zhì)量較輕，造價也較低，可以應(yīng)用在中小型 PHEV 上。由于是以發(fā)動機驅(qū)動模式為主要驅(qū)動模式，其特點是動力特性更加趨近于內(nèi)燃機汽車。 混聯(lián)混合動力汽車 混聯(lián)式（串、并聯(lián)式）混合動力電動汽車 Split Hybrid Electric Vehicle （ PSHEV） 混聯(lián)式混合動力電動汽車（ PSHEV）是綜合 SHEV 和 PHEV 結(jié)構(gòu)特點組成的PSHEV，由發(fā)動機、電動 /發(fā)電機和驅(qū)動電動機三大動力總成組成。由于電動 /發(fā)電機必然是裝在發(fā)動機的輸出軸上，才能起發(fā)動機飛輪和起動機的作用，也才能保持發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)并進行發(fā)電。因此電動機的動力要與車輛驅(qū)動系統(tǒng)相組合，只有：①在變速器（包括驅(qū)動橋）處進行組合；②在驅(qū)動輪處進行組合。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 圖 圖 混合動力汽車結(jié)構(gòu)特性研究 32 因此， PSHEV 的驅(qū)動力組合有以下不同的組合模式： 1）動力組合器動力組合式 PSHEV 結(jié)構(gòu)模型：動力組合器動力組合式 PSHEV 有發(fā)動機、電動 /發(fā)電機和驅(qū)動電動機三大動力總成，在發(fā)動機的輸出軸上，裝有一個電動 /發(fā)電機，電動 /發(fā)電機一般只用于快速起動發(fā)動機和發(fā)電。發(fā)動機和驅(qū)動電動機的動力在動力組合器上進行組合，然后通過差速器和半軸帶動車輪行駛。由于發(fā)動機和驅(qū)動電動機的動力在動力組合器上進行組合，稱為動力組合器組合式 PSHEV。 驅(qū)動模式： （ 1）以發(fā)動機驅(qū)動為基本驅(qū)動模式，帶動電動 /發(fā)電機，通過動力組合器驅(qū)動車輛行駛。 （ 2）驅(qū)動電機能夠以電動機驅(qū)動模式，通過驅(qū)動動力組合器驅(qū)動車輛行駛。 （ 3） 在加速爬坡時，驅(qū)動電機與發(fā)動機組合成混合驅(qū)動模式，發(fā)動機與驅(qū)動電動機的動力通過動力組合器組合。 豐田 Prius 所采用的混合驅(qū)動方式，它將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機通過一個行星齒輪裝置連接起來。動力從發(fā)動機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，另一部分傳送到電動機并輸出到驅(qū)動軸。此時車輛介于串聯(lián)和并聯(lián)之間，充分利用兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點。 從而綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機與電動機之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式動力系統(tǒng)可以更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的功率輸出和電機的運轉(zhuǎn)。此聯(lián)結(jié)方式系統(tǒng)復(fù)雜 ，成本高。 2）驅(qū)動輪動力組合式 PSHEV 結(jié)構(gòu)模型：驅(qū)動輪動力組合式 PSHEV 有發(fā)動機、電動 /發(fā)電機和驅(qū)動電動機三大動力總成，在發(fā)動機的輸出軸上，裝有一個電動 /發(fā)電機，電動 /發(fā)電機一般只用于快速起動發(fā)動機和發(fā)電。由于在發(fā)動機與驅(qū)動電動機混合驅(qū)動時，發(fā)動機和驅(qū)動電動機的動力（牽引力）在驅(qū)動輪上組合，因此稱為驅(qū)動輪動力組合式 PSHEV。 驅(qū)動模式： 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 （ 1）以發(fā)動機驅(qū)動為基本驅(qū)動模式，帶動電動 /發(fā)電機，并獨立驅(qū)動后輪（前輪）。 （ 2）驅(qū)動電機為輔助驅(qū)動模式，能獨立驅(qū)動前輪（后輪）。 （ 3）在混合驅(qū)動模式 時發(fā)動機與驅(qū)動電動機共同組成 4輪驅(qū)動模式，驅(qū)動 PHEV的前驅(qū)動輪和后驅(qū)動輪。 PSHEV 兼有 SHEV 和 PHEV 的優(yōu)點，可以組合成更多種形式的混合驅(qū)動的驅(qū)動模式，性能更加完善，經(jīng)濟。 傳動系統(tǒng)選型和工作形式 并聯(lián)式混合動力電動汽車具有兩套相對獨立的動力系統(tǒng)，是傳統(tǒng)發(fā)動機動力系統(tǒng)和電動機動力系統(tǒng)的集成，從概念上講，它是電力輔助型的燃油車，目的是為了降低排放和燃油消耗；從尺寸上講，它比串聯(lián)式??；從結(jié)構(gòu)上講，它比混聯(lián)式汽車簡單；從整車效率、動力性能、續(xù)駛里程及價格等方面綜合考慮，它適合于城市運行工況，可以被消費者接受，因此，有望在將來的主流汽車產(chǎn)品中占有大量的份額。 基于上述各種動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，本文采用轉(zhuǎn)速合成式 PHEV 動力傳動系統(tǒng)。主要考慮因素如下：此種動力傳動系的結(jié)構(gòu)較為簡單，通過對轉(zhuǎn)速合成裝置機械傳動 比的合理選取以及變速箱的合理布置就可獲得內(nèi)燃機和動力電機工作特性的較好匹配；采用此種形式的動力傳動系統(tǒng)，動力元件均可選用現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品，無需經(jīng)過專門的技術(shù)開發(fā)和全新產(chǎn)品研制，從而極大地減少了研發(fā)投入、縮短研發(fā)周期以及降低研發(fā)風險。通過對 PHEV 工作情況的分析， 本文采用的工作模式如下： ，發(fā)動機和電動機同時工作，共同分擔驅(qū)動車輛所需的動力，此時內(nèi)燃機和電動機大約分別承擔總功率的 80％和 20% ； （等速行駛）時，發(fā)動機工作于最小油耗狀態(tài)，提供最小轉(zhuǎn)矩和最小功率；電動機也同時工作，車輛行駛所需的主要動力由電動機提供； ，只有發(fā)動機工作，電動機關(guān)閉； ，電動機工作于發(fā)電機模式，通過功率轉(zhuǎn)化器給蓄電池充電。 混合動力汽車結(jié)構(gòu)特性研究 34 3 整車參數(shù)及動力裝置的選型 整車參數(shù) 本文是以上 凱美瑞 汽車為原型車，將其驅(qū)動系改造為 單軸 式并聯(lián)混合傳動系統(tǒng)。其整車參數(shù)如下： 滿載總質(zhì)量 =2070kg ，空載總質(zhì)量 =1670kg ，迎風面積 A =，車輪滾動半徑 r =， 最大功率（ KW/rpm） 110/6000， ，滾動阻力系數(shù) f = 動力性能指標 選擇混合動力汽車的發(fā)動機時，首先要考慮的是滿足汽車技術(shù)性能的發(fā)動機的額定功率與尺寸問題。一般來說，在混合動力汽車中使用較低功率的發(fā)動機（相對傳統(tǒng)汽車發(fā)動機而言）。這是因為此時發(fā)動機并不是單獨提供汽車加速和爬坡時的峰值功率，在加速和爬坡時電動驅(qū)動裝置及能量存儲單元（電池組、儲能飛輪或者超能電容器）與發(fā)動機一起驅(qū)動汽車行駛。在大多數(shù)的混合動力汽車設(shè)計中，發(fā)動機的額定功 率將由最大經(jīng)濟運行速度或者爬坡能力所決定。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 混合動力汽車所用發(fā)動機的運行模式與傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機完全不同，是采用開關(guān)模式。具體來講，在并聯(lián)式混合動力汽車中，幾乎在全部行程中都要使用發(fā)動機，為了優(yōu)化發(fā)動機的工作區(qū)域滿足低排放的要求，相比于傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機來說，此時它需要更加頻繁地開關(guān)。另外，對于混合動力汽車來講，由于汽車的可用空間非常有限，所以必須把發(fā)動機 —— 電動機組封裝于一個很小的空間內(nèi)。 考慮到上述因素并總結(jié)了目前各國在混合動力汽車研究中選用的發(fā)動機方案，可應(yīng)用于混合動力汽車的發(fā)動機主要有：燃氣輪機、二沖程發(fā)動機、斯特林發(fā)動機、四沖程汽、柴油機以及轉(zhuǎn)子發(fā)動機等。 1)二沖程發(fā)動機（ Two Stroke Engines ) 一般認為，具有低燃油消耗率和低排放的二沖程發(fā)動機系統(tǒng)相對來講結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不過在混合動力汽車上卻較容易實現(xiàn)，原因在于混合動力汽車發(fā)動機運轉(zhuǎn)于一個相對較狹窄的扭矩 速度范圍。大多數(shù)的水冷二沖程摩托車發(fā)動機均可用于串聯(lián)混合動力汽車，它們并不存在封裝問題，但高負荷工況的氮氧 化物排放是一個潛在的問題，而且通常所研究的小型摩托車發(fā)動機所滿足的排放、噪聲、冷卻及油耗參數(shù)與轎車發(fā)動機的要求有很大差別，因此要想充分發(fā)揮二沖程發(fā)動機的潛能還要做大量艱苦的研究工作。 2)斯特林發(fā)動機（ Stirling EngineS ) 斯特林發(fā)動機由于具有高的熱效率、低排放和低噪音性能使其可用于混合動力汽車。但由于斯特林發(fā)動機為外燃機，因此具有功率密度低以及需要大的散熱裝置等缺點，而且斯特林發(fā)動機還沒有在汽車工業(yè)應(yīng)用的先例。由美國能源部發(fā)起的限期發(fā)動機研究工作表明：斯特林發(fā)動機動態(tài)性能差難于與普通車輛 傳動系相匹配，而對于串聯(lián)混合動力汽車來說卻不成問題，因此此種發(fā)動機也可能在混合動力汽車上應(yīng)用。 3)四沖程汽油機和柴油機（ Four —— stroke Gasoline and Diesel Engine ) 一般認為四沖程發(fā)動機的重量和尺寸要比先前討論的四種發(fā)動機要大，特別是那些渦輪增壓柴油機，但近些年來，隨著每缸三和四氣門技術(shù)的發(fā)展以及低密度材混合動力汽車結(jié)構(gòu)特性研究 36 料的使用，汽油機的比功率有了明顯的提高，如不采用傳統(tǒng)的較大尺寸的發(fā)動機，而是采用兩缸或者至多三缸汽油發(fā)動機就可以改善混合動力汽車發(fā)動機的性能。目前，一臺小型的四沖程汽油機與一臺特種發(fā)動機之間的尺寸與重量方面的差別與過去相比明顯地減少了，而且，四沖程發(fā)動機的控制方法已經(jīng)非常成熟了，所以目前大部分的混合動力汽車還是采用了技術(shù)成熟的四沖程發(fā)動機。 4)轉(zhuǎn)子式發(fā)動機（ Rotary Engine) 轉(zhuǎn)子式發(fā)動機具有尺寸小、重量輕、暖機迅速和扭矩速度曲線平坦等優(yōu)點，特別適用于混合動力汽車。在混合動力汽車上的使用主要問 題是排放，特別是在開關(guān)模式中的排放問題。另外其最小燃油消耗率也相對較高，達到 300 3609kw/h ，但是對于一些混合動力汽車設(shè)計來講還是可以滿足其性能要求的，比如在 XA — 100 混合動力汽車上就采用了此種發(fā)動機。 5)燃氣輪機（ Gas Turbine ) 由于燃氣輪機自身暫態(tài)響應(yīng)時間長而不適用于汽車傳動系統(tǒng)，但在串聯(lián)混合動力汽車上，由于發(fā)動機僅驅(qū)動發(fā)電機并可在一個小的速度范圍內(nèi)工作，因此燃氣輪機的缺點就不成問題了，而且燃氣輪機的采用還會具有一些優(yōu)點，比如：尺寸小、維護成本低、噪音和振動小、熱效率高 、可采用多種燃料并且設(shè)計簡單。另外，燃氣輪機是外燃機，其排放具有低水平，而且通過使用后處理器或者采用催化燃燒室還可達到準零排放水平。綜上所述，以封裝為著眼點，在混合動力汽車的發(fā)動機選型中，特種發(fā)動機是最具有吸引力的發(fā)動機類型，但特種發(fā)動機的排放控制技術(shù)沒有四沖程汽油機成熟，而且，二沖程發(fā)動機與燃氣輪機還存在油耗問題，另外，所有的發(fā)動機都存在著可靠性問題以及開關(guān)模式下的壽命問題。總之，就目前技術(shù)現(xiàn)狀而言，對于特種發(fā)動機都還有大量的研究改進工作要做，這將是一個長期而艱辛的歷程。因而對于近期混合動力汽車而言，沿用 技術(shù)成熟的先進的四沖程發(fā)動機并作適當?shù)母倪M不失為實際而簡捷的方案。本文選用四沖程汽油發(fā)動機。 發(fā)動機的選擇 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 發(fā)動機功率的選擇對并聯(lián)混合動力傳動系的設(shè)計至關(guān)重要。發(fā)動機功率偏大，車輛燃油經(jīng)濟性和排放性能就差；發(fā)動機功率偏小，后備功率就小，電動機只有提供更多的驅(qū)動功率，才能滿足一定的車輛行駛性能要求，這勢必引起電動機和電池組容量取值的增大和車輛成本的增加。另外，電池組數(shù)目增多，在車輛上布置困難，車重增加，僅依靠發(fā)動機的富余功率難以維持電池組的額定電量，限制了車輛的續(xù)駛里程。 目前確定發(fā)動機功率的 方法有兩種： 1)根據(jù)汽車平均功率或額定勻速行駛車速來確定； 2)按汽車行駛的最高車速來計算。 由于并聯(lián)混合動力汽車通常都采用由發(fā)動機提供車輛平均行駛功率，由電動機提供峰值功率的控制策略，因此其功率值的選擇主要應(yīng)考慮車輛勻速行駛時的功率需求。根據(jù)原型車的使用條件，并從最大限度地降低整車成本和重量的原則出發(fā)，本設(shè)計采用小功率電機、電池組配以中排量發(fā)動機的方案，基本的控制策略為：在啟動加速和爬陡坡時，采用混合動力驅(qū)動；在市郊行駛（含市區(qū)中高速行駛）時，采用純發(fā)動機驅(qū)動，避免了以純電動或混合驅(qū)動方式高速行駛時電池 的快速充放電損失，延長了電池的使用壽命；電動機用于市區(qū)低速行駛，并在混合驅(qū)動工況（急加速、大爬坡或高速爬坡）時輔助發(fā)動機驅(qū)動車輪。 3m a x m a x1 ()3 6 0 0 7 6 1 4 0ar DeTm g f CAP v v??? 式（ 3— 1） 式中： T? — 是傳動系效率 = g — 重力加速度 rf — 滾動阻力系數(shù)取 = DC — 空氣阻力系數(shù) =1 maxv — 最高車速， 單位 km/h =140km/h am — 汽車總質(zhì)量， 單位 kg =2070kg 混合動力汽車結(jié)構(gòu)特性研究 38 A— 汽車正面投影面積， A=BH 式中 B為 前輪距 ， H為汽車總高， 單位為 m 3m a x m a x1 ()3 6 0 0 7 6 1 4 0ar DeTm g f CAP v v???= 31 2 0 7 0 9 . 8 0 . 0 1 1 4 0 1 1 5 7 5 1 4 7 4 1400 . 9 5 3 6 0 0 7 6 1 4 0? ? ? ? ?????????= 除了車輛行駛需求的功率外 , 發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛勻速行駛時還應(yīng)有一定的為電池充電的功率裕量 (10%左右 )、 1%～ 2%的爬坡功裕量、附件功率 (特別是有空調(diào)時 )。這些功率之和應(yīng)該是發(fā)動機工作在經(jīng)濟區(qū)能輸出的功率 最終選定最大功率為 110kw。 圖 2AZFE發(fā)動機 發(fā)動機型號 2AZFE 排氣量 (ml)2400,最大功率 (kW)/轉(zhuǎn)速 (r/min)123/6000,怠速 (r/mi