混合动力型休闲电动汽车设计.docx
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混合动力型休闲电动汽车设计
摘要
混合动力汽车（HybridElectricVehicle,HEV）是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。
因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多种分类形式。
广义上说，混合动力汽车是指拥有至少两种动力源，使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力的车辆。
这两种动力源在汽车不同的行驶状态（如起步、低中速、匀速，加速，高速，减速或者刹车等）下分别工作，或者一起工作，通过这种组合达到最少的燃油消耗和尾气排放，从而实现节能和环保的目的。
但是，在实际生活中，混合动力汽车多半采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车。
使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，因此可以使用传统汽油或者柴油，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。
使用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。
蓄电池使用的有铅酸电池、镍锰氢电池和锂电池，将来应该还能使用氢燃料电池。
关键词：
混合动力，动力源，节能和环保，蓄电池
Abstract
Hybrid-electricvehicles（HEVs）haveemergedasapromisingtechnologythatuseselectricitytodisplacepetroleumconsumptioninthevehiclefleet.However,thereisaverybroadspectrumofHEVdesignswithgreatly-varyingcostsandbenefits.Inparticular,batterycosts,fuelcosts,vehicleperformanceattributesanddrivinghabitsgreatly-influencetherelativevalueofHEVs.Thispaperpresentsacomparisonofthecosts（vehiclepurchasecostsandenergycosts）andbenefits（reducedpetroleumconsumption）ofHEVsrelativetohybrid-electricandconventionalvehicles.AdetailedsimulationmodelisusedtopredictpetroleumreductionsandcostsofHEVdesignscomparedtoabaselinemidsizesedan.Twopowertraintechnologyscenariosareconsideredtoexplorethenear-termandlong-termprospectsofHEVs.Theanalysisfindsthatpetroleumreductionsexceeding45%per-vehiclecanbeachievedbyHEVsequippedwith20mi（32km）ormoreofenergystorage.AsimpleeconomicanalysisisusedtoshowthathighpetroleumpricesandlowbatterycostsareneededtomakeacompellingbusinesscaseforHEVsintheabsenceofotherincentives.However,thelargepetroleumreductionpotentialofHEVsprovidesstrongjustificationforgovernmentalsupporttoacceleratethedeploymentofHEVtechnology.
Keywords:
HEV,powersourse,energyconservation,environmentalprotection,storagebattery
目录
第一章绪论1
1.1新能源电动汽车的研制背景及意义1
1.2电动汽车的发展前景及其优点1
1.3混合动力系统的分类...................................................................................................2
第二章混合动力型休闲电动汽车的结构设计4
2.1HEV简介4
2.2设计方案4
2.2.1设计理念及方向........................................................................................................4
2.2.2产品动力源................................................................................................................4
2.2.3产品基本结构............................................................................................................5
2.3结构说明.......................................................................................................................9
第三章理论设计计算11
3.1作品外形尺寸及材料.................................................................................................11
3.2混合动力型电动汽车的驱动力.................................................................................11
3.3混合动力型电动汽车行驶速度计算.........................................................................12
3.4混合动力型电动汽车的最大加速度.........................................................................12
第四章混合动力型休闲电动汽车的工作原理及性能分析14
4.1混合动力型电动汽车的工作原理.............................................................................14
4.2混合动力型电动汽车的技术组成.............................................................................14
第五章结论16
参考文献17
谢辞18
第一章绪论
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车。
所谓混合动力电动汽车，是指同时装备两种动力来源——热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。
通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。
以丰田的混合动力汽车PRIUS为例，该车由燃油发动机和电池两种动力，在汽车启动和低于24公里时速行驶时，燃油发动机并不工作，而是由轿车自带的电池提供动力，只有在汽车行驶速度超过24公里/小时的时候，燃油发动机才开始工作；在汽车突然加速的时候，电池就会帮助燃油发动机一起加速；在汽车高速行驶时，电池会为汽车的空调，音响，前大灯和尾灯等汽车辅助设施提供能量，从而减少燃油发动机的负荷；而在汽车减速和刹车的时候，汽车本身为电池进行充电，实现能量的循环使用，并最大限度地保存和节约能源。
1.1新能源电动汽车的研制背景及意义
近年国际石油、煤炭等不可再生能源价格飞涨，大大增加了以矿物能源为原材料的基础产业以及相关产业的生产成本，许多中小型企业甚至大型企业举步维艰。
为了保护生态环境，降低生产成本，提高生产效率，促进人类可持续发展，社会各行各业正积极寻求可再生的新能源作为生产原料，以达到节能减排，持续发展的目的。
1.2电动汽车的发展前景及其优点
近年来电动汽车行业的诸多技术得到了重要突破且日渐成熟，在新能源电动汽车的各种设计路线中，电动车辆因为环保，低能耗脱颖而出，它是绿色环保、减少空气污染最好的交通产物。
电动汽车产业的发展正是适应了这种趋势，更是促进社会可持续发展的一种重要交通工具。
优点：
（1）采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。
需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。
（2）因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。
（3）在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现"零"排放。
（4）有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。
（5）可以利用现有的加油站加油，不必再投资。
（6）可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。
（7）动力性优于同排量的传统内燃机汽车，尤其是在车辆起步加速时，电动机可以有效地弥补内燃机低转速扭矩力不足的弱点，而且有效的减少了汽车内部的机械的噪音。
1.3混合动力系统的分类
根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：
一是串联式混合动力系统（SeriesHybrid）。
串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。
在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。
电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。
这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。
二是并联式混合动力系统（ParallelHybrid）。
并联式混合动力系统有两套驱动系统：
传统的内燃机系统和电机驱动系统。
两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。
这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。
该联结方式结构简单，成本低。
三是混联式混合动力系统。
混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。
与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。
此联结方式系统复杂，成本高。
根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：
一是微混合动力系统。
这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternatorStarterGenerator,简称BSG系统）。
该电机为发电启动（Stop-Start）一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。
从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。
在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：
12v和24v。
其中24v主要用于柴油混合动力系统。
二是轻混合动力系统。
代表车型是通用的混合动力皮卡车。
该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的IntegratedStarterGenerator，简称ISG系统）。
与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：
（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；
（2）在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。
轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。
三是中混合动力系统。
该混合动力系统同样采用了ISG系统。
与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。
另外，中混合动力系统还增加了一个功能：
在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。
这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右，技术已经成熟，应用广泛。
四是完全混合动力系统。
该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。
与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。
技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。
第二章混合动力型休闲电动汽车的结构设计
2.1HEV简介
HEV（Hybrid-ElectricVehicle）—混合动力装置。
混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动停止时，只靠发动机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。
混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。
经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。
2.2设计方案
2.2.1设计理念及方向
本车设计理念：
①节能环保：
本车采用内燃机车发电机与蓄电池相结合的动力系统，具有低能耗、低污染、小排量的特点，以达到节能环保的目的；②安全舒适：
本车从防雾、防雨、防滑、防爆胎、防刹车抱死、防疲劳驾驶、防酒驾、防前撞、防后撞、防侧撞等方面进行考虑设计，具有安全舒适的特点；③经济实用：
因本车采用混合动力系统，耗能较少，基本实现零排放，电机使用寿命长，所以对消费者来说，显得极其经济实用。
设计方向：
采用仿F1车型，结合混合动力装置，研制一款安全舒适的新型休闲用电动汽车。
2.2.2产品动力源
混合动力型休闲电动汽车，顾名思义，其动力源采用混合动力系统，包括内燃机车发电机和蓄电池。
内燃机车发电机采用ZQDR-410型直流牵引电动机；蓄电池采用由6个铅蓄电池串联成12V的电池组。
2.2.3产品基本结构
图1车体结构图
1动力装置2车架3悬挂系统4车轮5转向装置6底盘
（1）车架
本车主要采用铝合金车架，将铝合金条梁焊接、铆接或贴合在一起，并且在车头以及车尾安装副车架，具有良好的撞击保护能力。
主要分为：
车身、底盘和悬挂系统三部分。
①底盘
底盘设计成前后独立的两部分来支撑车体，可以使车辆在行驶过程中产生的震动不影响到电机的稳定工作并支承、安装汽车电动机、电源等其他各个部件、总成，并接收发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。
②车身
本电动汽车车身（图2）采用单箱结构，设计为仿F1赛车车型。
主要结构包括：
车身壳体车窗、车前钣制件、车身内外装饰件、车身附件和座椅等。
本车采用承载式车身，没有刚性车架，只是加强了车头、侧围、车尾、底板等部位，车身和底架共同组成了车身本体的刚性空间结构。
车身具有较大的抗弯曲和抗扭转的刚度，质量小，高度低，汽车质心低，装配简单，高速行驶稳定性较好。
6
5
4
3
2
1
图2车身
1车头2车挡风玻璃3座椅4车尾5底板6通风口
③悬挂系统
悬挂系统采用横臂式独立悬挂（图3）主要由支点摇臂式悬架推杆、摇臂、扭力杆、减震器和碳纤维制成的叉形臂组成，具有F1赛车特有悬挂系统的优点，采用弹簧形变后所产生的弹性来起到减震作用。
悬挂系统的主要作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。
图3横臂式独立悬挂
1减震器2上控制臂3后副车架4前下控制管
5横向稳定杆6纵臂7后下控制管
（2）转向装置
本车采用机械转向系统（图4），由转向操纵机构、转向器和转向传动机构构成。
9
图5转向装置
1转向减震器2机械转向器3转向横拉杆4转向节臂
5转向节6转向轮7安全转向轴8转向盘9转向操作机构
①转向操作机构
转向操纵机构由方向盘、安全转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。
②转向器
本车采用循环球式转向器，有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。
③转向传动机构
当转向轮独立悬挂时，每个转向轮都需要相对于车架作独立运动，因而转向桥必须是断开式的。
与此相应，转向传动机构中的转向梯形也是断开式的。
（3）动力装置
动力系统将电动机产生的动力，经过一系列的动力传递，最后传到车轮。
能量传递顺序主要为：
曲轴→飞轮→离合器→变速器→万向节→传动轴→万向节→差速器→速器→车轮。
主要结构是传动系统和制动系统。
①传动系统
本款电动汽车采用电动机后置与后轮驱动的驱动形式。
运用机械式传动系，结构简单，工作可靠，其基本组成情况和工作原理：
电动机→传动轴→主减速器→差速器→半轴→后面的驱动轮。
图6传动系统
1差速器2减速器3电动机
②制动系统
本车的制动系统采用四轮碟刹，采用的固定卡钳式点盘形刹车器，由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳等。
制动盘用合金钢制造并成对布置在车轮上，令其可随车轮转动，并且制动轴不受径向力和弯矩。
（5）电气设备
电气设备由电源和用电设备两大部分组成。
①电源
混合动力型电动汽车的主要能源装置为蓄电池。
蓄电池采用由6个铅蓄电池串联成12V的电池组，铅酸蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。
它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。
②用电设备
用电设备分别为：
照明系统、信号系统和仪表系统。
照明系统由车内外的照明灯及控制电路构成；信号系统分为灯光和音响两类；仪表系统有水温表，电压变，车速里程表，电流表，电动机运转表。
2.3结构说明
加速踏板、制动踏板、转向盘是本款车的三大操纵机构。
（1）加速踏板
操纵加速踏板时，将右脚直踏在踏板上，脚跟靠在驾驶室地板上作为支点，以踝关节伸屈动作踏下获松抬加速板。
踏下加速板后电动机转速提高；松抬时电动机转速降低。
（2）制动踏板
操纵制动踏板时，两手应平握转向盘，先放松加速踏板，然后用右脚掌踏在制动踏板上，以膝关节和躁关节的伸展动作踩下或放松制动踏板。
（3）转向盘
驾驶员两手应分别位于转向盘轮缘左、右两侧，拇指向上自然伸直，并靠住转向盘轮缘，四指由外向里握住转向盘轮缘。
共有三种操作方法分别是：
猛打急回法，转缓弯法的操作方法和急转弯的操作方法。
（4）其他辅助部件
该车的主要辅助部件包括座椅和照明灯。
①座椅
1.座椅滑动：
如果要滑动座椅，向前或者向后移动并保持座椅外侧的滑动举升开关，在目标位置释放此开关。
2.座椅倾斜：
通过按下倾斜开关的前端或者后端，改变座椅靠背的角度。
在目标位置释放倾斜开关。
3.高度调整：
前侧高度调整如果要调整座椅底部前侧的高度，抬起或者压下座椅左侧的滑动举升开关的前端。
4.头部靠枕：
升高头部靠枕，将其向上推至目标位置。
降低头部靠枕，按下止动装置的脱扣，然后向下推动头部靠枕。
②灯光
本车灯光的操作一般是通过灯光操作杆来调节的。
1.开关：
在控制杆上，有两个转动开关，靠外侧的是灯光开启开关，有三个档，分别为关、小灯（示宽灯）、大灯（远、近光灯）；内侧的转动开关可控制前后雾灯的开启和关闭。
2.转向：
三个档位，左-关-右，以方向盘为表盘，顺时针方推控制杆，为开启左转向灯，转向结束后可随方向盘回位，也可手动拔回，逆时针拔动，为开启右转向灯。
3.远近光切换：
两个档位，通常放在近光位置，以方向盘为参照，打开大灯开关后，向下推动，为开启远光灯，此时，开启远光，仪表盘上蓝色灯图标常亮。
向上提动，开启近光，仪表盘上，蓝色图标灭，在近光位置，向上提动，为会车提醒灯（远光灯亮）起到提醒作用。
手松开后，自动回到近光位置，（若灯光开关未开启，灯光关闭）。
第三章理论设计计算
3.1作品外形尺寸及材料
（1）考虑到混合动力型电动汽车的安全稳固性，主体支撑结构使用铝合金圆管。
通过调查研究我们决定采用以下两种管材作为主体支架：
合金钢，碳素钢。
（2）根据驾驶者需求及市场现有产品规格将本车尺寸规格定为：
车长340cm，车宽160cm，车高120cm，离地距离为15cm。
（3）汽车座椅的设计：
座椅高度为600mm，宽度为480mm，靠椅角度为80~170度。
座椅靠背的造型和曲线应与人体放松状态下的背部曲线和臀部曲线相吻合，使大部分人处于舒适状态。
（4）汽车方向盘：
考虑到驾驶室的空间有限，所以采用S号方向盘，直径为35.5cm，宽15cm。
3.2混合动力型电动汽车的驱动力
图7汽车驱动力
汽车发动机产生的转矩，经传动系传至车轮上，此时作用于驱动轮上的转矩
产生一对面的周围力
，地面对驱动轮的发作用力
既是电动汽车的驱动力。
电动汽车的驱动力计算使用公式：
式中
——驱动力矩；
——发动机转矩；
——变速器传动比；
——主减速器传动比；
——传动系的机械效率。
由公式得：
电动汽车的驱动力为5352N/m。
3.3混合动力型电动汽车行驶速度计算
混合动力型电动汽车正常行驶时速度为8~12km/h。
本产品电源功率P=150kw，电机正常负载转速为7560转/分，车轮胎直径530mm，齿轮变速箱的减速比例为30：
1。
（7560转/分）/30=2520转/分
（2520转/分）/60=42转/秒
（42转/秒）*0.53m=23m/s=80km/h
正常状态下双能源汽车速度可达到56m/s，实现完美运转。
3.4混合动力型电动汽车的最大加速度
电动汽车的最大加速度为最大扭力减去阻力的差，除以电动汽车的重量。
而空气阻力是汽车行驶时所遇到最大的也是最重要的外力，风阻系数的大小取决于汽车的外形，是衡量一辆汽车受空气阻力影响大小的一个标准。
风阻系数越小，说明它受空气阻力影响越小，反之亦然
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