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2012屆車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 中度混合動力電動汽
車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計
學(xué) 院
專 業(yè)
學(xué) 生
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
目 錄
目 錄 2
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒論 1
1.1 開展中度混合動力汽車研究的背景及意義 1
1.2 混合動力汽車的結(jié)構(gòu)和工作原理 2
1.2.1 混合動力汽車的結(jié)構(gòu) 2
1.2.2 混合動力汽車的工作原理 3
1.3 混合動力汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3.1 中度混合動力汽車國外發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3.2 混合動力汽車國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.3.3 混合動力汽車發(fā)展前景 7
1.4 本論文主要研究內(nèi)容 8
第2章 中度混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計 9
2.1 混合動力汽車的傳動系布置方案分類和選擇 9
2.2 中度混合動力汽車整車參數(shù)及性能指標(biāo)確定 12
2.3中度混合動力汽車發(fā)動機選型 12
2.3.1發(fā)動機形式的選擇 12
2.3.2 發(fā)動機主要性能指標(biāo)的選擇 13
2.4 傳動系傳動速比設(shè)計 14
2.5 中度混合動力汽車電動機選型 15
2.5.1 混合動力汽車電動機類型的確定 16
2.5.2 啟動功率及轉(zhuǎn)矩的確定 16
2.5.3 電機額定功率 17
2.6 中度混合動力汽車電池選型 18
2.6.1 電池組數(shù)的確定 18
2.6.2 電池容量的確定 19
2.7 本章小結(jié) 19
第3章 基于ADVISOR的中度混合動力汽車仿真建模 21
3.1 ADVISOR軟件介紹 21
3.1.1 ADVISOR簡介 21
3.1.2 ADVISOR使用方法 22
3.2 整車建模 25
3.2.1 發(fā)動機模塊 25
3.2.2 電機模塊 26
3.2.3 儲能元件電池模塊 27
3.2.4自動變速器控制模塊 28
3.3 本章小結(jié) 29
第4章 基于ADVISOR的中度混合動力汽車仿真分析 30
4.1 整車參數(shù)的輸入 30
4.2 循環(huán)工況仿真 30
4.2.1 1015循環(huán)工況下的動力性經(jīng)濟性仿真 30
4.2.2 ECE-EUDC循環(huán)工況下的動力性經(jīng)濟性仿真 37
4.2.3 NEDC循環(huán)工況下的動力性經(jīng)濟性仿真 43
4.2.4 UDDS循環(huán)工況下的動力性經(jīng)濟性仿真 49
4.3 本章小結(jié) 54
第5章 全文總結(jié) 55
致謝 56
參考文獻 57
摘 要
本文主要介紹了混合動力汽車的概念，和在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)特點和驅(qū)動模式，并對其結(jié)構(gòu)特性進行分析，為了對混合動力汽車結(jié)構(gòu)特性研究分析，本文以某款中度混合動力汽車為模型。
首先，分析了中度混合動力汽車主要工作模式，確定了傳動系的布局形式。在分析了無級自動變速系統(tǒng)調(diào)速特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)原車性能指標(biāo)確定變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。并對傳動系統(tǒng)進行匹配設(shè)計（選型），主要對原車型的發(fā)動機、主減速比、電動機、電池的類型和特點進行介紹，并根據(jù)每個部件的優(yōu)缺點和根據(jù)計算得到的主要性能參數(shù)對該部件做出選擇。選型完成后，還要運用ADVISOR建立整車仿真模型，詳細(xì)分析了各模塊的組成及控制思想，為具體控制策略的制定和仿真分析奠定基礎(chǔ)。
最后，對中度混合動力汽車進行了整車性能仿真分析，通過軟件對整車動力性、經(jīng)濟性和循環(huán)工況進行仿真分析，得出結(jié)果。
關(guān)鍵詞：中度混合動力，傳動系統(tǒng)，匹配設(shè)計，仿真
ABSTRACT
This paper mainly introduces the concept of Mixed power vehicle，and it`s development in the domestic and international . Series, in parallel, the mixed up in the structure and drive mode of Mixed power vehicle. And its structural features analysis , in order to study structural characteristics of Mixed power vehicle. This paper to a particular medium hybrid vehicle for model.
First of all, the operation mode of medium hybrid vehicle was analyzed. Then the layout of the power train was designed. Based on analyzing the characteristics of CVT and in considering of the performance target of the original vehicle, configuration parameters of the transmission were designed. And do matching design (selection) for the transmission system. Mainly introduces Types and characteristics of the vehicle engine, the slowdown, motor, battery. And according to the advantages and disadvantages of each component and the main performance is calculated for parameters on the components to make a choice. After selection finished, Control methods of each part were determined based on the vehicle control strategy. The vehicle simulation model of mild HEV was developed using Matlab/Simulink The detail of each component model and control idea was described in each simulation model. This simulation model is the base for setting up detail control methods and carrying out simulating analysis of the vehicle.
Finally, the moderate hybrid vehicles simulation analysis of vehicle performance, simulation and analysis software, vehicle power, economy and circulatory conditions, and the outcome.
Keywords: medium hybrid, ransmission system, Matching design, Simulation
第1章 緒論
1.1 開展中度混合動力汽車研究的背景及意義
當(dāng)前普遍使用的燃油發(fā)動機汽車存在種種弊病,統(tǒng)計表明在占80%以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了其動力潛能的40%，在市區(qū)還會跌至25%，更嚴(yán)重的是排放廢氣污染環(huán)境。20世紀(jì)90年代以來，隨著全球汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的產(chǎn)量、銷售量和保有量在逐年增加，因此對石油資源的需求，對生態(tài)環(huán)境的影響也越來越大。世界各國對改善環(huán)保的呼聲日益高漲，各國制定了一系列十分嚴(yán)格的排放法規(guī)，要求生產(chǎn)廠家設(shè)法減少汽車排放，開發(fā)無污染和超低污染汽車，各種各樣的電動汽車也脫穎而出。雖然人們普遍認(rèn)為未來是電動汽車的天下，但是目前的技術(shù)問題阻礙了電動汽車的應(yīng)用。由于電池的能量密度與汽油相比差上百倍，遠(yuǎn)未達(dá)到人們所要求的數(shù)值。專家估計在未來一段時間內(nèi)電動汽車還無法取代燃油發(fā)動機汽車。為此想出了一個兩全其美的辦法，開發(fā)了一種混合動力汽車裝置HEV(Hybrid-electric Vehicle)。所謂混合動力裝置就是將電動機與輔助動力單元組合在一輛汽車上做驅(qū)動力，輔助動力單元實際上是一臺小型燃料發(fā)動機或動力發(fā)電機組。這樣既利用了發(fā)動機持續(xù)工作時間長，動力性好的優(yōu)點，又可以發(fā)揮電動機無污染、低噪聲的好處。
混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，簡稱HEV)是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源（由傳統(tǒng)的汽油機或者柴油機產(chǎn)生）與電動力源（電池與電動機）的汽車。通過在混合動力汽車上使用電機，使得動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行工況要求靈活調(diào)控，而發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與排放。
混合動力汽車具有以下優(yōu)點：
1）采用復(fù)合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機功率不足時，由電池來補充；負(fù)荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。
2）因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。
3）在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)"零"排放。
4）有了內(nèi)燃機可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。
電動汽車己有三種驅(qū)動類型：以高效能蓄電池驅(qū)動的電動汽車(EV)、以燃料電池為動力源電動汽車(FEV)和以燃油發(fā)動機與電動機混合驅(qū)動的混合動力電動汽車(HEV)。電動汽車的研究是從單獨依靠蓄電池供電的純電動汽車開始的，純電動汽車或零排放新燃料汽車無疑是我們的最終目標(biāo)，但目前純電動汽車初始成本高，行駛里程較短。由于高效能蓄電池、燃料電池及其系統(tǒng)的發(fā)展相對滯后，混合動力汽車正是在純電動汽車開發(fā)過程中為有利于市場化而產(chǎn)生的一種新的車型。它將現(xiàn)有內(nèi)燃機與一定容量的儲能器件(主要是高性能電池或超級電容器)通過先進控制系統(tǒng)相組合，可以大幅度降低油耗，減少污染物排放。國內(nèi)外普遍認(rèn)為它是投資少、選擇余地大、易于滿足未來排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能目標(biāo)、市場接受度高的主流清潔車型，從而引起各大汽車公司的關(guān)注，得到商業(yè)市場的響應(yīng)并迅速發(fā)展，這其中以豐田的Prius和本田的Insight為代表。電力輔助型混合動力汽車采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。電池組容量相對較小(2-6kW/h)，由發(fā)動機提供勻速行駛時的平均功率需求，當(dāng)加速或爬坡需要較大功率時，由電池和電動機組成的電力輔助部分補充輸出驅(qū)動功率?；旌蟿恿ζ噭恿π阅堋⑷剂辖?jīng)濟性以及廢氣排放效果的好壞，在很大程度上取決于車輛驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配以及車輛行駛過程中對各部件的協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機使用情況多數(shù)是偏離其最佳工作區(qū)域，未能實現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)的最佳匹配。因此，通過合理匹配混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，制定適合于車輛行駛工況的控制策略，對于提高汽車行駛效率，降低燃油消耗和尾氣排放具有較大的潛力，是一個值得研究的課題。對于汽車的動力性能和燃料經(jīng)濟性水平，通常是在進行實車道路試驗之后給予最后評價。這樣做不但周期長，成本高，而且在產(chǎn)品設(shè)計階段對整車及各總成方案的確定、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、傳動系參數(shù)與發(fā)動機的匹配等具有一定的盲目性，可能遺漏較優(yōu)的方案，造成浪費。如果在設(shè)計階段，根據(jù)有關(guān)設(shè)計參數(shù)和驅(qū)動系統(tǒng)控制策略，利用計算機仿真模擬對汽車動力性和燃料經(jīng)濟性進行預(yù)測，可以考察驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)是如何影響汽車動力性和燃油經(jīng)濟性，并對其進行優(yōu)化設(shè)計。此外，按預(yù)定的程序模擬各種行駛工況，包括瞬變的非穩(wěn)定工況，能全面地預(yù)測汽車齊多種工況下的動力性能和燃油經(jīng)濟性。
1.2 混合動力汽車的結(jié)構(gòu)和工作原理
1.2.1 混合動力汽車的結(jié)構(gòu)
汽油-電動混合動力車主要包含以下部件：
1)汽油機——混合動力車上的汽油機與大多數(shù)汽車上的汽油機非常類似。不過，混和動力汽車上的發(fā)動機體積較小，使用先進技術(shù)來減少排放，提高效率。
2)油 箱——混合動力車上的油箱是汽油機的能量存儲設(shè)備。汽油的能量密度比電池要高得多。例如，約454公斤的電池所存儲的能量只與約4.5升（3公斤）的汽油相當(dāng)。
3)電動機——混合動力車上的電動機非常復(fù)雜。先進的電子元件使其既能作為電動機，也能作為發(fā)電機。例如，如果需要，它可以從電池中吸取能量，加快車速。但如果作為發(fā)電機，它又能使車輛減速，將能量返回給電池。
4) 發(fā)電機——發(fā)電機類似于電動機，但它僅僅產(chǎn)生電能。它主要用在串聯(lián)混和動力上。
5)電 池——混合動力車中的電池是電動機的能量存儲設(shè)備。與油箱中的汽油不同，汽油只能驅(qū)動汽油機，而混和動力汽車上的電動機可以將能量輸送到電池，也可以從電池中吸取能量。
6)變速器——混合動力車上的變速器的基本功能與傳統(tǒng)汽車上的一樣。一些混和動力車(如本田Insight)使用常規(guī)變速器。也有一些混合動力車（如豐田普銳斯）使用的變速器則完全不同。
1.2.2 混合動力汽車的工作原理
混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成。在車輛行駛之初，蓄電池處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統(tǒng)不需要工作。電池電量低于60％時，輔助動力系統(tǒng)起動：當(dāng)車輛能量需求較大時，輔助動力系統(tǒng)與蓄電池組同時為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量；當(dāng)車輛能量需求較小時，輔助動力系統(tǒng)為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動機工作在一個相對穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。
混合動力汽車采用能夠滿足汽車巡航需要的較小發(fā)動機，依靠電動機或其它輔助裝置提供加速與爬坡所需的附加動力。其結(jié)果是提高了總體效率，同時并未犧牲性能。混合動力車設(shè)計成可回收制動能量。在傳統(tǒng)汽車中，當(dāng)司機踩制動時，這種本可用來給汽車加速的能量作為熱量被白白扔掉了。而混合動力車卻能大部分回收這些能量，并將其暫時貯存起來供加速時再用。當(dāng)司機想要有最大的加速度時，汽油發(fā)動機和電動機并聯(lián)工作，提供可與強大的汽油發(fā)動機相當(dāng)?shù)钠鸩叫阅?。在對加速性要求不太高的場合，混合動力車可以單靠電機行駛，或者單靠汽油發(fā)動機行駛，或者二者結(jié)合以取得最大的效率。比如在公路上巡航時使用汽油發(fā)動機。而在低速行駛時，可以單靠電機拖動，不用汽油發(fā)動機輔助。即使在發(fā)動機關(guān)閉時電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)仍可保持操縱功能，提供比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)更大的效率。
1.3 混合動力汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.3.1 中度混合動力汽車國外發(fā)展現(xiàn)狀
當(dāng)前，全球汽車工業(yè)正面臨著金融危機和能源環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)。發(fā)展新能源汽車，實現(xiàn)汽車動力系統(tǒng)的新能源化，推動傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，在國際上已經(jīng)形成廣泛共識。在這種形勢下，美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，不約而同地將新能源為代表的低碳產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略選擇，都希望通過新能源產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，破解汽車工業(yè)能源環(huán)境制約，培育新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力，發(fā)展低碳經(jīng)濟，實現(xiàn)新一輪經(jīng)濟增長。在太陽能、電能等替代能源真正進入實用階段之前，混合動力汽車因其低油耗、低排放的優(yōu)勢越來越受到人們的關(guān)注。
近年來，美、日、德等汽車工業(yè)強國先后發(fā)布了關(guān)于推動包括混合動力汽車在內(nèi)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家計劃。美國奧巴馬政府實施綠色新政，計劃到2015年普及100萬輛插電式混合動力電動汽車（PHEV）。日本把發(fā)展新能源汽車作為“低碳革命”的核心內(nèi)容，并計劃到2020年普及包括混合動力汽車在內(nèi)的“下一代汽車”達(dá)到1350萬輛,為完成這一目標(biāo),日本到2020年計劃開發(fā)出至少38款混合動力車、17款純電動汽車。德國政府在08年11月提出未來10年普及100萬輛插電式混合動力汽車和純電動汽車，并宣稱該計劃的實施，標(biāo)志德國將進入新能源汽車時代。
從1995年起，包括日本豐田與美國三大汽車公司在內(nèi)的世界各大汽車生產(chǎn)廠商陸續(xù)投入混合動力汽車的研究開發(fā)。經(jīng)過多年發(fā)展，混合動力汽車在商用化、產(chǎn)業(yè)化進程上的發(fā)展已經(jīng)較為迅速。特別是2004年全球各大汽車制造商繼續(xù)加大環(huán)保車型的開發(fā)力度，混合動力車型成為各大公司的戰(zhàn)略重點，逐漸突破了小型車的限制越來越多的應(yīng)用在中大型車上，技術(shù)競爭愈演愈烈。2009年世界汽車市場混合動力汽車銷量估計已經(jīng)超過70萬輛，據(jù)預(yù)測，2015年將在世界汽車市場占15%，2020年占25%。
1) 美國混合動力汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀
政府的發(fā)展規(guī)劃1973年OPEC組織對西方國家石油禁運給美國政府敲響了警鐘。但是直到90年代初電動車的研究在美國才真正開始。1990 年10月布什總統(tǒng)簽署清潔空氣法嚴(yán)格規(guī)定了汽車排放的標(biāo)準(zhǔn)，同月加州政府也有了新的規(guī)定，即要求汽車制造商在加州銷售的車輛中2%必須是零排放車輛，而當(dāng)時只有純電動汽車才可能達(dá)到零排放車輛的要求。2002年1月9日，美國能源部宣布成立一個新的汽車研究項目，叫自由車項目，長期目標(biāo)是實現(xiàn)高效、價廉、無污染，研究先進、高效的燃料電池技術(shù)。2009年6月23日，福特、日產(chǎn)北美公司和Tesla汽車公司獲得80億美元的貸款，主要用于混合動力和純電動汽車的生產(chǎn)。2009年8月美國總統(tǒng)奧巴馬宣布安排24億美元支持PHEV的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，其中20億美元用來支持先進動力電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
2) 日本混合動力汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀
政府的發(fā)展規(guī)劃早在1992年，日本政府宣布將允許市場投放20萬輛電動車的計劃，但是沒有實現(xiàn)；2001年7月，日本開展了“低公害車開發(fā)普及行動”，將EV/HEV列為重點開發(fā)的低公害汽車之列，并制定了專門的政策，以促進EV/HEV的普及應(yīng)用；2002年2月，日本中央環(huán)境審議會大氣環(huán)境領(lǐng)域的一個專門委員會提出了一份有關(guān)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的咨詢提案；2009年4月1日實施新的“綠色稅制”，對包括混合動力車、純電動汽車等低排放且燃油消耗量低的車輛給予稅賦優(yōu)惠，一年的減稅規(guī)模約為26億美元，是現(xiàn)行優(yōu)惠辦法減稅額的10倍。為刺激消費拉動內(nèi)需，日本2010年推出舊車換購新車及購買環(huán)保車補助金政策，及換購環(huán)保車減免稅政策，混合動力汽車銷售旺盛，5月份新車銷量中，混合動力汽車共銷售21601輛，約占12%，首次超過汽車總銷量1成。2009年4—9月，混合動力汽車銷量占汽車銷售總量8.9%。其中，豐田Prius共銷售11萬6298輛，并連續(xù)4個月位居新車銷售排行榜榜首。日本政府2010年提出“誰控制了電池，誰就控制了電動汽車”，并組織實施國家專項計劃，在2011年已經(jīng)投入5億美元用于先進動力電池技術(shù)研究。
3) 其他國混合動力汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀
在歐洲，各大汽車廠商爭先恐后的推出了本公司研制的混合動力汽車。最近歐洲六大汽車公司聯(lián)合就混合動力汽車技術(shù)進行了研討和綜合評述，認(rèn)為其技術(shù)成果有望使混合動力汽車的成本接近于傳統(tǒng)汽車，使用戶買得起，生產(chǎn)廠商也有利可圖。專家普遍評價：混合動力汽車是21世紀(jì)初汽車產(chǎn)業(yè)界的一場革命，只有混合動力汽車才能滿足世紀(jì)之初對汽車的環(huán)保與節(jié)能要求。德國政府在2008年11月提出未來10年普及100萬輛插電式混合動力汽車和純電動汽車，并宣稱該計劃的實施，標(biāo)志德國將進入新能源汽車時代。從2010年起啟動了一項4.2億歐元的車用鋰電池開發(fā)計劃，幾乎所有德國汽車和能源巨頭均攜資加入。國家的大量投入，充分調(diào)動了企業(yè)的積極性，目前國際主要汽車制造商不斷加強與電池企業(yè)的合作，以動力電池突破為核心目標(biāo)的強強聯(lián)合與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟不斷涌現(xiàn)，動力電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程明顯加快。法國對購買低排放汽車的消費者給予最高5000歐元的獎勵，對高排放汽車進行最高2600歐元的懲罰。此外，歐盟在2009年上半年發(fā)放70億歐元貸款，支持汽車制造商發(fā)展新能源汽車。
1.3.2 混合動力汽車國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，建立了混合動力汽車技術(shù)開發(fā)體系混合動力汽車的核心是電池（包括電池管理系統(tǒng)）技術(shù)。除此之外，還包括發(fā)動機技術(shù)、電機控制技術(shù)、整車控制技術(shù)等，發(fā)動機和電機之間動力的轉(zhuǎn)換和銜接也是重點。從目前情況來看，我國已經(jīng)建立起了混合動力汽車動力系統(tǒng)技術(shù)平臺和產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)體系，取得了一系列突破性成果，為整車開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。截止到2009年1月31日，在混合動力車輛技術(shù)領(lǐng)域，我國知識產(chǎn)權(quán)局受理并公開的中國專利申請為1116件。在1116件專利申請中，發(fā)明為782件（授權(quán)為107件）、實用新型為334件。
掌握了關(guān)鍵零部件核心技術(shù)，自主開發(fā)出系列化產(chǎn)品，關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)化全面跟進在混合動力汽車的核心―電池技術(shù)研發(fā)方面，我國已自主研制出容量為6Ah-100Ah的鎳氫和鋰離子動力電池系列產(chǎn)品，能量密度和功率密度接近國際水平，同時突破了安全技術(shù)瓶頸，在世界上首次規(guī)模應(yīng)用于城市公交大客車；自主開發(fā)的200kW以下永磁無刷電機、交流異步電機和開關(guān)磁阻電機，電機重量比功率超過1300w/kg，電機系統(tǒng)最高效率達(dá)到93％；自主開發(fā)的燃料電池發(fā)動機技術(shù)先進，效率超過50%，成為世界上少數(shù)幾個掌握車用百千瓦級燃料電池發(fā)動機研發(fā)、制造以及測試技術(shù)的國家之一。與此同時，混合動力汽車關(guān)鍵零部件的產(chǎn)業(yè)化全面跟進，生產(chǎn)配套能力顯著增強。近來，力神、比亞迪、比克、萬向等動力電池企業(yè)投入數(shù)十億資金加快產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，上海電驅(qū)動、大郡、湘潭電機、南車時代等電機企業(yè)加強與上下游企業(yè)合作，積極完善產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。在未來2-3年內(nèi)，預(yù)計將形成20億Ah以上的動力電池和全系列驅(qū)動電機生產(chǎn)能力，能夠滿足100萬輛混合動力及電動汽車的配套要求。
掌握了電動汽車整車開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，形成了各類電動汽車的開發(fā)能力我國混合動力汽車在系統(tǒng)集成、可靠性、節(jié)油性能等方面進步顯著，不同技術(shù)方案可實現(xiàn)節(jié)油10%-40%。同時，各汽車企業(yè)對混合動力汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入顯著增強，產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快。目前，國內(nèi)汽車企業(yè)已將混合動力汽車作為未來主流競爭型產(chǎn)品在戰(zhàn)略上高度重視，一汽、東風(fēng)、上汽、長安、奇瑞、比亞迪等都已投入了大量的人力、物力，混合動力車型已完成樣車開發(fā)，并有部分車型已經(jīng)實現(xiàn)小批量上市。
一汽集團從1999年開始進行新能源汽車的理論研究和研制工作，并開發(fā)了紅旗混合動力轎車性能樣本。“十五”期間，一汽集團承擔(dān)了國家“863”計劃重大專項中“紅旗牌串聯(lián)方式混合動力轎車研究開發(fā)”任務(wù)，正式開始了新能源汽車的研發(fā)工作。從2006年開始，一汽在奔騰B70的基礎(chǔ)上，進行混合動力化的技術(shù)研究，將原來的縱置發(fā)動機總成改成橫置發(fā)動機總成，采用了橫置發(fā)動機及雙電機混聯(lián)技術(shù)。同時，一汽還抓緊了對發(fā)動機、機電一體化變速器、整車控制網(wǎng)絡(luò)、整車控制系統(tǒng)的研發(fā)，目前一汽混合動力轎車已經(jīng)取得了42％的節(jié)油效果，達(dá)到了國際先進水平。
上汽集團在新能源汽車的研發(fā)上，上汽明確了以混合動力為重點，燃料電池為方向，同時加快替代產(chǎn)品的研發(fā)?；旌蟿恿ζ嚒⑷剂想姵仄?、代用燃料汽車成為上汽集團新能源戰(zhàn)略的三大重點。2010年上汽榮威750中混混合動力轎車將投放市場，在上海世博會期間上汽將投放150輛混合動力汽車在世博越江專線上運行。2012年，榮威550插電式強混轎車將上市，目前該車的動力系統(tǒng)前期開發(fā)已經(jīng)啟動，并且進展順利。
東風(fēng)集團從“十五”計劃開始，東風(fēng)公司每年投資上億元研發(fā)電動汽車，再加上國家以及省市政府投資，共達(dá)6個多億，目前東風(fēng)在純電動、混合動力、燃料電池等各種電動汽車的研發(fā)方面都獨立掌握了核心技術(shù)，不依賴于任何外力，實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)。目前，東風(fēng)汽車公司已完成新車型外觀設(shè)計、關(guān)鍵零部件的設(shè)計生產(chǎn)、轎車總成等各方面工作，將在年內(nèi)正式上市混合動力轎車。
中國長安在“十一五”期間，長安加大了對清潔能源汽車的投入，開展了多元化能源技術(shù)的探索性研究。通過在節(jié)能環(huán)保車型上不斷推陳出新、引領(lǐng)行業(yè)的技術(shù)升級，充分利用和調(diào)動全球資源，長安在中度油電混合動力汽車、強度油電混合動力轎車等技術(shù)領(lǐng)域均有探索。長安首款混合動力轎車長安杰勛HEV已于2009年6月成功上市；首批20輛長安志翔混合動力出租車今年1月正式在重慶投入投入運行。
奇瑞汽車從2003年開始到2008年，奇瑞主要進行混合與中度混合動力轎車以及節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)的開發(fā)，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；奇瑞已經(jīng)在蕪湖的出租車上進行了試用，油耗將降低10%到30%，達(dá)到歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。從2004年開始，奇瑞主要進行強混合動力轎車的開發(fā)，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。奇瑞混合動力轎車油耗目標(biāo)達(dá)到100公里3升，排放達(dá)到歐美法規(guī)。
1.3.3 混合動力汽車發(fā)展前景
混合動力汽車廢氣排放量低，“低碳經(jīng)濟”的發(fā)展規(guī)律。符合面對全球氣候變化，急需世界各國協(xié)同減低或控制二氧化碳排放，“低碳經(jīng)濟”在這種形勢下應(yīng)運而生。所謂“低碳經(jīng)濟”是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，通過技術(shù)創(chuàng)新，制度創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭，石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達(dá)到經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏的一種經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)。低碳經(jīng)濟是以低能耗，低污低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟模式.據(jù)資料染顯示，混合動力汽車的混合動力裝置發(fā)揮發(fā)動機持續(xù)工作時間長，動力性好的優(yōu)點，又可以充分利用電動機無污染，低噪聲的好處，“并肩戰(zhàn)斗”取長補短，使汽車的熱效率提高10%以上，廢氣排放改善30%以上，大大降低污染，“低碳經(jīng)濟”符合低污染發(fā)展規(guī)律。
在能源短缺的大環(huán)境下，混合動力汽車的發(fā)展符合社會發(fā)展的趨勢。能源危機問題已經(jīng)是世界范圍內(nèi)的共性問題。盡管混合動力并不是汽車替代能源措施的最終解決方案，但在最終解決方案未定論前，它的出現(xiàn)讓人們?yōu)橹老?，并已確確實實在節(jié)能技術(shù)上是現(xiàn)有所作為?；旌蟿恿夹g(shù)的問世，階段解決能源問題的有效措施，符合社會節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢。
混合動力汽車的市場推廣需要政府的主導(dǎo)。在歐美一些國家以及日本等國，個人購買節(jié)能環(huán)保型車輛，政府都有一定程度的資金補貼，使得混合動力汽車的購車價與普通的燃油車車價接近。政策的鼓勵對混合動力車的市場推進有著推波助瀾的作用。在我國，對節(jié)能環(huán)保車輛也有一定的政策鼓勵，如2009年2月7日下發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》，在公共服務(wù)用乘用車和輕型商用車方面，節(jié)油率在40%以上的混合動力汽車，每輛可獲5萬元補貼。但目前這樣的利好政策還沒有輻射到個人購車的優(yōu)惠上。筆者認(rèn)為，混合動力汽車要有更好的市場前景，政府的主導(dǎo)及相關(guān)政策的傾斜尤為重要。
1.4 本論文主要研究內(nèi)容
對于混合動力汽車，世界多個國家都已經(jīng)做了不少研究，在各項關(guān)鍵技術(shù)上都已經(jīng)研究到一個非常成熟地步，且已經(jīng)有多個汽車品牌已經(jīng)將這些技術(shù)運用到了部分車型上。本文將參照某款轎車的基本參數(shù)進行中度混合動力汽車傳動系統(tǒng)的選型、匹配設(shè)計、建模及仿真等研究。本文主要研究內(nèi)容如下：
1) 分析中度混合動力電動汽車動力傳動系統(tǒng)功能總成，提出動力傳動系統(tǒng)總布置設(shè)計方案；
2) 確定中度混合動力汽車的主要技術(shù)參數(shù)；
3) 根據(jù)整車動力性要求，對內(nèi)燃機、電機、電池及傳動系主要性能參數(shù)進行匹配設(shè)計；
4) 運用Matlab/Simulink模塊進行建模仿真，分析設(shè)計所得數(shù)據(jù)，從而對所設(shè)計中度混合動力汽車的動力性和經(jīng)濟性進行分析。
第2章 中度混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計
2.1 混合動力汽車的傳動系布置方案分類和選擇
根據(jù)混合動力驅(qū)動的聯(lián)結(jié)方式，混合動力系統(tǒng)主要分為以下三類：
A.是串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：
如圖2.1所示，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)一般由內(nèi)燃機直接帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過控制單元傳到電池，再由電池傳輸給電機轉(zhuǎn)化為動能，最后通過變速機構(gòu)來驅(qū)動汽車。在這種聯(lián)結(jié)方式下，電池就象一個水庫，只是調(diào)節(jié)的對象不是水量，而是電能。電池對在發(fā)電機產(chǎn)生的能量和電動機需要的能量之間進行調(diào)節(jié)，從而保證車輛正常工作。這種動力系統(tǒng)在城市公交上的應(yīng)用比較多，轎車上很少使用。
圖2.1 串聯(lián)式
B.是并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：
如圖2.2所示，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有兩套驅(qū)動系統(tǒng)：傳統(tǒng)的內(nèi)燃機系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)既可以同時協(xié)調(diào)工作，也可以各自單獨工作驅(qū)動汽車。這種系統(tǒng)適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復(fù)雜的路況。該聯(lián)結(jié)方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并聯(lián)式聯(lián)結(jié)方式。
圖2.2 并聯(lián)式
C.是混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：
如圖2.3所示，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特點在于內(nèi)燃機系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)各有一套機械變速機構(gòu)，兩套機構(gòu)或通過齒輪系，或采用行星輪式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，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。Prius采用的是混聯(lián)式聯(lián)結(jié)方式。
圖2.3 混聯(lián)式
根據(jù)在混合動力系統(tǒng)中，電機的輸出功率在整個系統(tǒng)輸出功率中占的比重，也就是常說的混合度的不同，混合動力系統(tǒng)還可以分為以下四類：
A.是微混合動力系統(tǒng)：
代表的車型是PSA的混合動力版C3和豐田的混合動力版Vitz。這種混合動力系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機上的啟動電機（一般為12V）上加裝了皮帶驅(qū)動啟動電機（也就是常說的Belt-alternator Starter Generator,簡稱BSG系統(tǒng)）。該電機為發(fā)電啟動(Stop-Start)一體式電動機，用來控制發(fā)動機的啟動和停止，從而取消了發(fā)動機的怠速，降低了油耗和排放。從嚴(yán)格意義上來講，這種微混合動力系統(tǒng)的汽車不屬于真正的混合動力汽車，因為它的電機并沒有為汽車行駛提供持續(xù)的動力。在微混合動力系統(tǒng)里，電機的電壓通常有兩種：12v和42v。其中42v主要用于柴油混合動力系統(tǒng)。
B.是輕混合動力系統(tǒng)：
代表車型是通用的混合動力皮卡車。該混合動力系統(tǒng)采用了集成啟動電機（也就是常說的Integrated Starter Generator，簡稱ISG系統(tǒng)）。與微混合動力系統(tǒng)相比，輕混合動力系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)用發(fā)電機控制發(fā)動機的啟動和停止，還能夠?qū)崿F(xiàn)：（1）在減速和制動工況下，對部分能量進行吸收；（2）在行駛過程中，發(fā)動機等速運轉(zhuǎn)，發(fā)動機產(chǎn)生的能量可以在車輪的驅(qū)動需求和發(fā)電機的充電需求之間進行調(diào)節(jié)。輕混合動力系統(tǒng)的混合度一般在20％以下。
C.是中混合動力系統(tǒng)：
本田旗下混合動力的Insight,Accord和Civic都屬于這種系統(tǒng)。該混合動力系統(tǒng)同樣采用了ISG系統(tǒng)。與輕度混合動力系統(tǒng)不同，中混合動力系統(tǒng)采用的是高壓電機。另外，中混合動力系統(tǒng)還增加了一個功能：在汽車處于加速或者大負(fù)荷工況時，電動機能夠輔助驅(qū)動車輪，從而補充發(fā)動機本身動力輸出的不足，從而更好的提高整車的性能。這種系統(tǒng)的混合程度較高，可以達(dá)到30％左右，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用廣泛。
D.是完全混合動力系統(tǒng)：
豐田的Prius 和未來的Estima屬于完全混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了272-650v的高壓啟動電機，混合程度更高。與中混合動力系統(tǒng)相比，完全混合動力系統(tǒng)的混合度可以達(dá)到甚至超過50％。技術(shù)的發(fā)展將使得完全混合動力系統(tǒng)逐漸成為混合動力技術(shù)的主要發(fā)展方向。以上各種不同的混合方式，都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽車廠商在過去的十幾年，通過不斷的研發(fā)投入，試驗總結(jié)，商業(yè)應(yīng)用，形成了各自的混合動力技術(shù)之路，而在市場上的表現(xiàn)也是各具特色。
綜上所述，我們已經(jīng)知道三種結(jié)構(gòu)各自的特點，相對而言并聯(lián)式混合動力汽車不僅結(jié)構(gòu)簡單、成本較低而且系統(tǒng)效率較高，而且知道對于混合程度較高、采用混合動力傳動系統(tǒng)的混合動力汽車的性價比較好，本論文將對采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的中度混合動力汽車進行研究。同時同時為了使發(fā)動機在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作，采用了自動無級變速器（CVT）。
2.2 中度混合動力汽車整車參數(shù)及性能指標(biāo)確定
表2.1 汽車整車參數(shù)
整備質(zhì)量（Kg）
1440
風(fēng)阻系數(shù)CD
0.34
迎風(fēng)面積A（m2）
2.28
主減速比
5.2466
傳動效率ηT
0.9
續(xù)駛里程（Km）
≥150
車輪滾動半徑r（m）
0.31
滾動阻力系數(shù)f0
0.0135
1~5檔速比
[2.6932,1.5196,1.0156,0.7373,0.6094]
動力性指標(biāo)：
（1）最大車速≥130km/h（純發(fā)動機驅(qū)動）；
（2）在車速v=90km/h時爬坡度i≥5%（純發(fā)動機驅(qū)動）；
（3）原地起步至110km/h的加速時間t≤28s（混合驅(qū)動）；
（4）最大爬坡度≥32%（混合驅(qū)動）。
2.3中度混合動力汽車發(fā)動機選型
2.3.1發(fā)動機形式的選擇
當(dāng)前汽車上使用的發(fā)動機仍然是以往復(fù)式內(nèi)燃機為主。它分為汽油機和柴油機兩類。與汽油機比較，柴油機具有較好的燃油經(jīng)濟性，使用成本低，在相同的續(xù)駛里程內(nèi)，可以設(shè)置容積小些的油箱。柴油機壓縮比可以達(dá)到15～23，而汽油機一般控制在8～10；柴油機熱效率高達(dá)38％，而汽油機為30％；柴油機工作呵靠，壽命長，排污量少。
柴油機的主要缺點是：由于提高了壓縮比，要求活塞和缸蓋的間隙盡可能小，加工精度比汽油機要求更高；因自燃產(chǎn)生的爆發(fā)壓力很大，因此要求柴油機各部分的結(jié)構(gòu)強度比汽油柴油機主要用于貨車、大型客車上。隨著發(fā)動機技術(shù)的進步，輕型車和轎車用柴油機有日益增多的趨勢。
根據(jù)發(fā)動機氣缸排列形式不同，發(fā)動機有直列、水平對置和V型三種。氣缸直列式排列具有結(jié)構(gòu)簡單、寬度窄、布置方便等優(yōu)點。但當(dāng)發(fā)動機缸數(shù)多時，長度尺寸過長，在汽車上布置困難，因此直列式適用于6缸以下的發(fā)動機。此外，直列式還有高度尺寸大的缺點
與直列發(fā)動機比較，V型發(fā)動機具有長度尺寸短因而曲軸剛度得到提高，高度尺寸小，發(fā)動機系列多等優(yōu)點。其主要缺點是用于平頭車時，因發(fā)動機寬而布置上較為困難，造價高。水平對置式發(fā)動機的主要優(yōu)點是平衡好，高度低。V型發(fā)動機主要用于中、高級和高級轎車以及重型貨車上，水平對置式發(fā)動機在少量大客車上得到應(yīng)用。
根據(jù)發(fā)動機冷卻方式不同，發(fā)動機分為水冷與風(fēng)冷兩種。大部分汽車用水冷發(fā)動機，因為它具有冷卻均勻可靠、散熱良好、噪聲小和能解決車內(nèi)供暖問題，以及加大散熱器面積后，能較好適應(yīng)發(fā)動機增壓后散熱的需要等優(yōu)點。水冷發(fā)動機的主要缺點是冷卻系結(jié)構(gòu)復(fù)雜；使用與維修不方便；冷卻性能受環(huán)境溫度影響較大，夏季冷卻水容易過熱，冬季又容易過冷，并且在室外存放，水結(jié)冰后能凍壞氣缸缸體和散熱器。
當(dāng)選用尺寸和質(zhì)量小的發(fā)動機時，不僅有利于汽車小型化、輕量化，同時在保證客廂內(nèi)部有足夠空間的條件下，還能節(jié)約燃料。
2.3.2 發(fā)動機主要性能指標(biāo)的選擇
1） 發(fā)動機最大功率和相應(yīng)轉(zhuǎn)速
根據(jù)所需要的最高車速(km/h)，用下式估算發(fā)動機最大功率
==59.43kw （2.1）
式中，為發(fā)動機最大功率(kW)； 為傳動系效率，對驅(qū)動橋用單級主減速器的4×2汽車可取為90％；為汽車總質(zhì)量(kg)；為重力加速度(m/s2)；為滾動阻力系數(shù)，對轎車＝0.0165×[1＋0.01(—50)]，對貨車取0.02，礦用自卸車取0.03，用最高車速代入；CD為空氣阻力系數(shù)，轎車取0.30～0.35，貨車取0.80～1.00，大客車取0.60～0.70；為汽車正面投影面積(m2)；為最高車速。
參考同級汽車的比功率統(tǒng)計值，然后選定新設(shè)計汽車的比功率值，并乘以汽車總放目，也可以求得所需的最大功率值。
最大功率轉(zhuǎn)速的范圍如下：汽油機的在3000～7000r／min，因轎車最高值多在4000r／min以上，輕型貨車的值在4000～5000r／min之間，中型貨車更低些。柴油機的值在1800～4000r／min之間，轎車和輕型貨車用高速柴油機，取在3200～4000r／min之間，重型貨車用柴油機的值取得低。
2） 發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速
用下式計算確定
=113.4N·m （2.2）
式中，為最大轉(zhuǎn)矩(N·m)；為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)，一般在1.1～1.3之間選??；為發(fā)動機最大功率(kw)；為最大功率轉(zhuǎn)速(r／min)。
要求/在1.4～2.0之間選取。
考慮到汽車在混合驅(qū)動工況工作時，發(fā)動機被控制，在一般情況下按最小油
耗特性運行，因而要加上10%的功率裕量，以減少對電動機的功率需求和提高汽
車在純發(fā)動機驅(qū)動時的動力性能。
最后確定的發(fā)動機功率為65.3kw。因此，選用JL475Q3型發(fā)動機。
2.4 傳動系傳動速比設(shè)計
主減速器速比的確定：
對于裝備CVT的并聯(lián)式混合動力汽車，原則上應(yīng)盡可能選取較大的主減速器速比。越大，汽車的加速和爬坡能力越強，所需的電機、電池組容量就越小。的大小要滿足以下兩個限制條件。
1）保證發(fā)動機按最小燃油消耗特性運行
當(dāng)汽車在純發(fā)動機驅(qū)動工況勻速行駛時，的最大值應(yīng)能保證當(dāng)CVT速比調(diào)到最小值時，發(fā)動機在最低限制轉(zhuǎn)速時也能按最小燃油消耗特性工作。由于無論當(dāng)汽車空載或滿載時均要求使發(fā)動機按照最小燃油消耗特性來工作，所以汽車阻力功率按空載工況計算。設(shè)發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=1600r/min所對應(yīng)的功率等于車速為時的阻力功率，則得到以下不等式：
（2.3）
式中：—發(fā)動機最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，=1600r/min；
—CVT最小速比
車速由下式?jīng)Q定：
（2.4）
2）為了保證純發(fā)動機驅(qū)動工況下的最高車速設(shè)汽車以最大速比原地起步加速，節(jié)氣門全開，當(dāng)發(fā)動機運行到最大功率時，控制發(fā)動機保持在最大功率點工作，并減小CVT速比使車速增加，直至達(dá)到最高車速。的大小應(yīng)能保證當(dāng)CVT速比調(diào)到最大值時，汽車的計算車速不低于設(shè)計所要求的最高車速，即
（2.5）
式中：—發(fā)動機最大功率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速
通常，式(2.3)右端的計算值小于式(2.5)，因此取式(2.3)為等號時的計算值，最后配合程序計算的主減速器的速比為=2.166。
2.5 中度混合動力汽車電動機選型
在HEV上是以電動機驅(qū)動作為發(fā)動機驅(qū)動的輔助動力，但又必須對電池組的質(zhì)量和整車的整備質(zhì)量進行限制，以減輕HEV的總質(zhì)量。因此，一般電動－發(fā)電機只是在HEV發(fā)動機啟動，車輛啟動、加速或爬坡時起作用。電動－發(fā)電機又是發(fā)動機的飛輪，起調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出功率作用。電動－發(fā)電機還起發(fā)電機的作用，電動－發(fā)電機又是發(fā)動機的飛輪，起調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出功率作用。電動－發(fā)電機還起發(fā)電機的作用，將發(fā)動機的動能轉(zhuǎn)換為電能，儲存到電池組中去。在HEV下坡或制動時，將汽車慣性動能轉(zhuǎn)換為電能，儲存到電池組中去。因此，HEV有了電動機的輔助作用，就可以使HEV達(dá)到節(jié)能和“超低污染”的要求。電動機的種類很多，用途廣泛，功率的覆蓋面非常大。但HEV所采用的電動機種類少，功率覆蓋面也較小。目前主要采用的交流電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機，不管是電機本身還是它們的控制裝置，成本都比較高，但隨著電動機的電子計算機控制和機電一體化的加速發(fā)展，很多新技術(shù)正逐步運用到混合動力汽車(HEV)的電動機上，一旦形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，所用電機乃至整車的成本都會得到大大降低。
2.5.1 混合動力汽車電動機類型的確定
電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動機和同步電動機。同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同電動機。異步電動機可分為感應(yīng)電動機和交流換向器電動機。感應(yīng)電動機又分為三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。
直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁直流電動機又分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復(fù)勵直流電動機。永磁直流電動機又分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。
綜上所述，考慮環(huán)境條件、運行條件、安裝方式、傳動方式等因素，最終確定采用永磁同步直流電機。
2.5.2 啟動功率及轉(zhuǎn)矩的確定
電動機啟動功率應(yīng)滿足汽車的最大爬坡度和加速時間要求?？稍O(shè)汽車在混合驅(qū)動工況時以最大速比原地起步加速或爬坡，油門全開，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最高功率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，控制發(fā)動機保持在該點工作，此時，電機轉(zhuǎn)速為*(為轉(zhuǎn)矩合成器速比)，并控制電機保持在該轉(zhuǎn)速下工作，同時減少CVT速比以增大車速。
由于電動機需滿足最大爬坡度的要求：
(1) (2.6)
(2) (2.7)
式中：—最大驅(qū)動力，N
—最大爬坡度
—最大驅(qū)動力所對應(yīng)的車速，km/h
t—0～的加速時間
—車速，km/h
—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，按經(jīng)驗公式取=1+0.04+0.04
、、—驅(qū)動力、滾動阻力和空氣阻力
由于在確定電動機啟動功率及啟動轉(zhuǎn)矩的過程中，擴大恒功率系數(shù)K（電動機最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比）對這兩者有重要的影響，因此，有必要先對它們之間的關(guān)系作必要的分析。
參考蒲斌[14]論文,電機啟動功率、擴大恒功率系數(shù)K和汽車從起步加速到v=110km/h所需的加速時間t三者之間的關(guān)系。當(dāng)K一定時，加速時間隨電機啟動功率的增大而降低；當(dāng)電機啟動功率一定時，加速時間隨K值的增大而降低；當(dāng)加速時間要求一定時，電機啟動功率隨K值的增大而降低。當(dāng)K增大時，電機驅(qū)動力和電機扭矩也隨之增大。
本設(shè)計采用的為較大功率電機，選取較大的K值有利于提高電機的功率，因此，應(yīng)選取較大的K值。但是隨著K的增大，電機啟動扭矩也隨之增大，雖然這有利于汽車的原地起步加速和爬坡，但對電機的支撐要求也提高，高轉(zhuǎn)矩也需要較大的電機電流和電子設(shè)備，增大了功率變換器硅鋼片的尺寸和損耗，也增大了驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩和傳動部件的應(yīng)力，所以K也不宜過大。
考慮到汽車的動力性能要求（原地起步至110km/h的加速時間t≤28s、最大爬坡度≥32%（混合驅(qū)動）），以及CVT的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，初選K=7，電機啟動功率=17kW。
研究分析表明，當(dāng)電機功率一定時，隨著電機最高轉(zhuǎn)速增加，電機啟動轉(zhuǎn)矩減少，但當(dāng)電機最高轉(zhuǎn)速超過16000r/min后，轉(zhuǎn)矩降低幅度變小（尤其是當(dāng)K較小時）。此外，電機最高轉(zhuǎn)速過高，導(dǎo)致電機制造成本增加，并使轉(zhuǎn)矩合成器的尺寸增大，因此，電機最高轉(zhuǎn)速不宜過高。一般可選取=9000～13000r/min。本設(shè)計選取電機的最高轉(zhuǎn)速為=10000r/min。
2.5.3 電機額定功率
電機額定功率可由汽車以純電動機方式行駛的最大車速及在低速行駛具有克服較小的道路坡度的能力來確定。為了減少電機尺寸和電池的頻繁充放電所引起的損失，該車速不宜設(shè)計得過高。取下面公式中較大者。
= (2.8)
= (2.9)
經(jīng)計算，公式(2.9)得到的結(jié)果較大，最后確定電機額定功率=25kw。
2.6 中度混合動力汽車電池選型
由于鎳氫電池具有比能量高、可高倍率充放電、使用安全、無污染、循環(huán)壽命長以及無記憶效應(yīng)、可免維護等特點，被稱為綠色電池。鎳氫電池的比功率在現(xiàn)有電池中最高，能夠滿足混合動力汽車的加速性能和最高車速要求。根據(jù)有關(guān)資料可知：從總體性價比上，鎳氫電池被證明是最適合混合動力電動汽車的動力蓄電池。所以，本文選用鎳氫電池為中度混合動力汽車的動力蓄電池。
2.6.1 電池組數(shù)的確定
為了獲得較高的效率，電池SOC（State of Charge 電池的荷電狀態(tài)值）范圍一般在內(nèi)阻值較小的范圍內(nèi)選取。SOC在0.3～0.8比較合適，在此范圍內(nèi)單組電池額定電壓的平均值為7.677V，內(nèi)阻的平均值為0.0278。
鎳氫電池的電壓特性可表示為：
(2.10)
式中，Eb—電池電動勢；
Ub—電池工作電壓；
Rb—電池等效內(nèi)阻；
Ib—電池工作電流。
通常，Eb、Rb均是電池工作電流Ib和電池荷電狀態(tài)值SOC的函數(shù)，為了簡化計算和便于分析，把它們當(dāng)作常數(shù)，則鎳氫電池放電功率Pb為：
(2.11)
則電池的最大輸出功率Pbmax為：
(2.12)
電池組數(shù)n應(yīng)滿足電機額定功率的要求，即：
(2.13)
求得，取電池組數(shù)。
2.6.2 電池容量的確定
混合動力汽車對電池總能量直接決定了純電動下的續(xù)駛里程。按照中度混合動力汽車的工作模式分析，電機只在汽車低速爬行時單獨驅(qū)動汽車行駛，設(shè)計汽車能在電機單獨驅(qū)動時行駛4km（以10km?h-1的速度），則電池總能量Cb應(yīng)滿足：
(2.14)
式中，S——行駛里程；
——電池放電效率；
SOCh——設(shè)定的電池最高電池荷電狀態(tài)；
SOCl——設(shè)定的電池最低荷電狀態(tài)。
求得電池總能量。則取電池總能量Cb值為0.5 kWh。
則單組電池的容量Q為：
(2.15)
求得單組電池的容量Q=6.5Ah。
2.7 本章小結(jié)
1）介紹了混合動力汽車傳動系的幾種布置方案，并分析了幾種方案的優(yōu)缺點，并根據(jù)實際的情況選擇了并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)作為研究對象。
2）介紹了多種形式的發(fā)動機以及各自的優(yōu)缺點，然后根據(jù)動力性、燃油經(jīng)濟性等性能和發(fā)動機各項主要性能指標(biāo)選擇了發(fā)動機。
3）根據(jù)已知條件對傳動系主減速比進行計算，并最終確定。
4）對混合動力汽車電機進行介紹，并根據(jù)各個類型電動機的優(yōu)缺點及運行環(huán)境等因素確定采用永磁同步直流電動機作為研究對象。并根據(jù)計算最終確定了電機的額定功率和額定轉(zhuǎn)速等主要性能指標(biāo)。
5）對混合動力汽車的電池進行了選型，并確定了電池所需組數(shù)和電池容量。
6）表2.2為本章最終確定主要部件及汽車各項目的參數(shù)。
表2.2 汽車整車及主要部件參數(shù)
主要部件
項目
參數(shù)
發(fā)動機
型號，排量/ml
JL475Q3，1.6L
標(biāo)定功率/kw/rpm
75/6000
最大轉(zhuǎn)矩/Nm/rpm
132/3500
電機
名稱
永磁同步直流電機
額定功率/kw
25
額定轉(zhuǎn)速/rpm
2000
電池
名稱
鎳氫電池
標(biāo)準(zhǔn)電壓/V
368.5
單個電池額定容量/Ah
6.5
變速器
名稱
自動無級變速器
傳動比范圍
0.498～2.502
汽車主要參數(shù)
汽車整備質(zhì)量m0/kg
1440
汽車滿載質(zhì)量ma/kg
1965
空氣阻力系數(shù)CD
0.34
迎風(fēng)面積A/m2
2.28
滾動阻力系數(shù)f
0.0135
主減速比i0
2.166
車輪半徑r/m
0.31
第3章 基于ADVISOR的中度混合動力汽車仿真建模
3.1 ADVISOR軟件介紹
3.1.1 ADVISOR簡介
ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator,高級車輛仿真器)是由美國可再生能源實驗室NREL(National Renewable Energy Laboratory)在MATLAB和SIMUL