混合动力电动汽车驱动系统的研究与设计论文.docx

混合动力电动汽车驱动系统的研究与设计论文.docx

《混合动力电动汽车驱动系统的研究与设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《混合动力电动汽车驱动系统的研究与设计论文.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

混合动力电动汽车驱动系统的研究与设计论文

湖北文理学院

毕业设计（论文）正文

题目

混合动力电动汽车驱动系统的研究与设计

专业

机械设计与制造及其自动化（汽车方向）

班级

机械与汽车工程学院车辆XXXX班

姓名

XXX

学号

XXXXXXXX

指导教师

职称

张琎助教

2012年5月25日

摘要

混合动力电动汽车（HybridElectricVehicle）是传统燃油汽车和纯电动汽车相结合的新车型，具有燃油汽车的动力性能和较低的排放，是当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。

混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能与驱动系统参数的匹配以及车辆行驶过程中的协调控制密切相关。

本文首先分析了混合动力汽车的驱动系统结构类型和各自的特点，对混合动力电动汽车的组成及其工作模式进行了介绍，并在此基础上提出了一种能综合考虑各部件功率和重量的驱动系统设计方法。

基于此设计方法，考虑混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能，给出了汽车驱动系统的总成参数。

论文最后根据关键零部件的参数，如：

驱动电机的参数、混合动力系统功能需求和定义等，确定驱动控制系统的硬件设计，进而选择确定合理的控制策略。

关键词：

混合动力电动汽车驱动系统硬件设计总成参数控制策略

Abstract

HybridElectricVehicles（HEVs）combinetheadvantagesofconventionalengine—drivenvehiclesandpureElectricVehicles（HEVs）.Thisprovidessatisfieddrivingperformanceandlowerexhaustemission.Thus,HEVisafeasiblesolutiontosolvetheenergycrisisandenvironmentalpollutionproblems.

PerformancesofHEVs,intermsofdriving,fuelconsumption,andexhaustemission,stronglydependonthecoordinationofthedrivetrainandtheircontrolstrategy.Inthispaper,theclassificationandassociatedcharacteristicsofHEVsarefirstlyanalyzedanddiscussed.Andthen,theconfigurationandoperationmodesofHEVsareintroduced.Basedonthemodes,consideringdriving,fuelconsumptionandexhaustemission,wegavetheassemblyparametersofdrivingsystem.Finally,accordingtotheparametersofkeyparts,suchastheparametersofdrivingmotor,andthefunctionalrequirementsanddefinitionsofhybridsystem,wedeterminedthehardwaredesignofdrivingcontrolsystem,andchoseappropriatecontrolstrategy.

Keywords:

hybridelectricvehicle;drivingsystem;hardwaredesign;assemblyparameter;controlstrategy;

第一章绪论

1．1电动汽车的发展历史及其关键技术

1834年，ThomasDavenport制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，只能行驶一小段距离。

19世纪末，许多美国、英国和法国的公司都开始生产电动汽车，在以蒸汽、电和汽油为动力的汽车竞争初期，电动汽车以其在行驶性能、续驶里程和低噪声等方面的优势占据主导地位。

到1912年，美国已有34000辆电动汽车注册。

但是，1911年Kettering发明了汽车发动机，使得燃油汽车相对于电动汽车来说更具有吸引力，从此打破了电动汽车在市场的主导地位，20世纪30年代，电动汽车几乎消失。

20世纪70年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。

当时，世界上许多国家如美国、英国、法国、德国、意大利和日本都开始发展电动汽车。

这一时期的电动汽车以改装车为主，也不乏重新设计底盘和车身的新型电动汽车，这样可降低汽车的空气阻力，方便能量储存系统的布置。

这一阶段电动汽车技术获得复苏，为随后的商业化时代奠定了坚实的基础。

但是石油价格在20世纪70年代末下跌，电动汽车的商业化失去了动力，其发展显著变慢，开始走入低谷。

20世纪90年代，燃油汽车排放所引起的空气污染和温室效应受到重视，电动汽车再次得到发展。

1990年，美国加州大气资源管理局（CARB）颁布了一项法规，规定1998年在加州出售的汽车中2％必须是零排放车辆（ZEV），到2003年零排救车辆应达到10%．受加州法规的影响，美国其它州以及世界上其它国家开始制定相类似的法规。

虽然加州大气资源管理局的目标没有实现，并根据实际情况做了调整，但加州法规的颁布促进了电动汽车的发展。

在世界范围内，尤其在美国、日本和欧洲，许多汽车制造商、科研院所和大学不断研究电动汽车新技术，推动电动汽车技术向前发展，并开始将电动汽车商业化。

通用、日产、福特、戴姆勒一奔驰、丰田、本田等国际知名汽车制造商先后推出了他们的电动汽车样车，其中丰田公司生产的Prius混合动力汽车还取得了不错的销售业绩。

电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等。

尽管电源技术至关重要，是制约电动汽车发展最主要的技术障碍，但车身设计、电力驱动、能量管理和系统的优化也同样重要．事实上，将这些领域技术上的整合才是电动汽车技术成功的关键。

现代电动汽车工程的主要问题是要将汽车工程、电气、电子工程以及化学工程领域中最新的技术发展结合到电动汽车的设计中来，找到适合于电动汽车的独特的设计方法和制造技术，实现电动汽车能量的最优化利用。

1．2研究的目的和意义

电动汽车己有三种驱动类型：

以高效能蓄电池驱动的电动汽车（EV）、以燃科电池为动力源的电动汽车（FEV）和以燃油发动机与电动机混合驱动的混合动力电动汽车（HEY）。

电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的，纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标，但目前纯电动汽车初始成本高，行驶里程较短。

由于高效能蓄电池、燃料电泡及其系统韵发展相对滞后，影响了纯电动汽车的商业化进程；而燃油发动机和电动机混合驱动的混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。

它将现有内燃机与一定容量的储能器件（主要是高性能电池或超级电容器）通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗．减少污染物排放。

国内外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注，得到商业市场的响应并迅速发展，这其中以丰田的Prius和本田的Insight为代表。

1．3国内外发展现状与趋势

国内外普遍认为混合动力电动汽车结合了燃油汽车和纯电动汽车的优点，设计灵活，易于满足未来排放标准和节能目标。

因此，日本、美国、欧洲各大汽车公司和相关的研究机构都开展了有关混合动力汽车的研究。

混合动力汽车技术在汽车工业发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。

在目前美国市场上销售的混合动力汽车主要有三种：

本田公司的Insight，丰田公司的Prius，以及本田公司的Civic。

三种车型的技术参数见表1-1。

表1-1在美销售混合动力汽车技术参数

本田Insight

丰田Prius

本田Civic

燃油经济性（英里／加仑）

（城市循环／道路循环）

57／56

52／45

46／51

油箱容积（加仑）

10.6

11.8

13.2

O—60英里／小时的加速性能（秒）

12.0

12.69

10.9

风阻系数

0.25

0.29

0.34

整备质量（磅）

1964

2765

2732

载客量

2

5

5

长度（英寸）

155.1

169.6

174.8

宽度（英寸）

66.67

66.7

77.5

货箱容积（立方英尺）

16.3

11.8

10.1

价格（美元）

21280

20450

19550

日本丰田汽车公司是目前走在最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行混合动力汽车研究的汽车公司之一。

丰田公司1997年12月宣布将混合动力电动轿车Prius投入小批量商业化生产。

该车采用汽油发动机和电动机混合驱动，发动机是新型汽油发动机，电池组为250个串联的镍—氢电池。

其百公里油耗为3．4L，比原汽油车减少了一半，CO2排量也相应减少了一半，CO、HC、NOx仅为现行法规允许值的10％。

目前，Prius在海内外的销量己超过数万辆，成为全球首部实现量产、也是销量最大的混合动力汽车。

本田汽车公司独立研制开发的Insight混合动力汽车，也已经实现了最产。

Insight采用本田独特的混合动力系统，将发动机作为主要动力，电机作为辅助动力，加上车身由质量轻的铝压材和树脂材组合而成，具有到目前为至世界最低的油耗（每升汽油可行驶35km）和最洁净的排放（每行驶1km仅排放80gCO2）。

2002年4月本田公司又在美国市场上投放了Civic混合动力汽车。

由于“新一代汽车伙伴合作”（ThePartnershipforaNewGenerationofVehicles，PNGV）计划的推动，美国三大汽车公司福特、通用和克莱斯勒对各种驱动单元技术及其不同的组织方式进行上百种方案的筛选、比较，认为采用混合动力驱动是实现中级轿车百公3L油耗的可行方案，因此混合动力汽车受到更大的关注。

福特汽车公司在2000年北美国际车展上推出了其开发的Prodigy混合动力家庭概念车，该车采用I．2L四缸柴油发动机和镍金属复合电池，整车质量仅1083kg，百公里油耗仅3.3L。

福特公司预计，未来10年内，混合动力汽车将占汽车市场的10％一20％。

美国克菜斯勒汽车公司1998年2月在底特律展出了第二代道奇无畏ESX2型混合动力电动轿车，该车装用1500cc排量的直喷柴油机，装备铅酸电池，配有单独的发电机，采用交流感应电机驱动，百公里油耗降至3．4L。

2000年日内瓦车展上，雪铁龙公司推出并联式混合动力轿车Xsara，表明了他们在这一领域的世界领先水平。

Xsara配备一个55kW的汽油内燃发动机和一个25kW的电动机，功率蓄电池额定输出电压为168V。

Xsara的燃油消耗量及排放量较普通车降低35％，一次行程可高达1000km。

其他几个大汽车公司，如通用、雷诺、日产等，也都推出了各自的混合动力汽车。

国内是在20世纪80年代后期开始电动汽车研究的。

1999年4月6日由科技部、环保总局、国家计委、国家经贸委和国家机械局等十多个都委联合召开“空气净化工程一清洁车辆行动”会议，提出通过电动车辆、混合动力车辆技术的攻关和推广应用，从根本上治理机动车辆排放污染，依靠科技进步。

建立新型清洁车辆产业。

“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技项目，在清华大学的组织下，研制出了16座电动轻型客车，现于清华大学校园内运营。

2001年11月，国家科技部将电动汽车纳入国家“十五”规划，列入“863”的重大专项。

该专项分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三大类整车项目及电机、电池、多能源管理系统及其它辅助系统的开发研究。

一汽集团在2001年北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿车—红旗CA7180AE，最高车速可达135km／h，参加该项目研究的有一汽汽车研究所、美国电动车（亚洲）公司、汕头国家电动汽车试验示范区。

深圳明华环保汽车有限公司也于2001年4月推出了并联式混合动力汽车MH6720，该车装备87kW发动机，异步交流电机平均功率为36kW，满载最高车速135km／h。

长丰汽车有限公司改装的CFA6470—HEV混合动力汽车采用现有CFA6470车的底盘，原有的四缸发动机和变速箱不变，加装一个电动机驱动系统，取消分动箱，由发动机驱动后轮，电机通过减速箱和传动轴独立驱动前桥。

此外，湖北东风电动汽车开发公司也开展了电动汽车和混合动力汽车的研究。

混合动力汽车的缺点是结构复杂，不是零排放汽车，可靠性比纯电动汽车低，从长远来看是一种过渡车型。

但其驱动系统同时使用燃油发动机和电动机作为汽车的动力源，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放，同时具有令人满意的行驶里程。

因此，近年内混合动力汽车将具有很好的发展前景。

第二章混合动力电动汽车的结构

混合动力车辆的驱动系统从能源输入、原动机到机械能的传递，其组成方式多种多样，具体的结构设计也各不相同。

根据驱动系统各部件在汽车上的位簧及功能，混合动力汽车可分为以下三种类型：

串联式混合动力电动汽车（SHEV）、并联式混合动力电动汽车（PHEV）和混联式混合动力电动汽车（PSHVE）。

2．1串联式混合动力电动汽车

图2-1串联式混合动力汽车示意图

串联式混合动力汽车由发动机、发电机、蓄电池和电动机等动力装置以串联连接方式组合而成。

如图2-1所示，该系统利用发动机提供电能，牵引电机是唯一的驱动源。

图中带箭头的实线表示功率流的路径，细实线表示控制信号，箭头表示功率流动方向。

在后续的公式和图表描述中，Τ表示扭矩，ω表示角速度，η表示效率；下标cm表示电机，ice表示发动机，w表示车轮，gb表示变速箱。

串联式混合动力汽车中发动机的功能是带动发电机发电，电动机将电能转变为机械能后通过变速机构驱动车轮。

发电机同时也能提供部分电能输送到蓄电池，以便必要时由蓄电池为电动机供电。

串联式混合动力汽车具有以下特点：

（1）控制系统比较简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止；

（2）发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，有一定节能效果，能减少污染；

（3）动力传递过程中，由于存在能量转换中的损失，降低了能量利用率，其综合效率低于燃油汽车；

（4）要求每一动力装置的各自功率都等于或接近汽车的最大驱动功率，特别是驱动电动机必须满足汽车行驶的需求。

因此整个系统的规模庞大，增加了车辆成本及机构布置难度。

2．2并联式混合动力电动汽车

图2-2并联式混合动力汽车示意图

并联式混合动力汽车可以利用发动机和电机共同驱动车轮。

如图3，由于发动机与驱动车轮之间直接相连，所以发动机的运转受到驱动工况的影响。

该系统可不需要发电机，因此提高了能量转化效率。

发动机动力系统主要用于中、高速的行驶工况；而电动／发电机动力系统用于中、低速的城市路况行驶，在汽车加速和爬坡时配合发动机动力系统驱动车辆，大大提高了汽车的加速性能和爬坡性能。

并联式混合动力汽车具有以下特点：

（1）结构简单，特别是省去了独立的发电机，两套动力装置可单独或同时驱动，输出总功率可以为两个动力系统的叠加，因而单个动力系统功率可以减小，有利于机构布置；

（2）两套动力装置可直接驱动车轮，因此效率提高，能量损失降低；

（3）两套动力装置要根据车辆状态进行切换，动力控制系统及机械切换系统相对复杂：

（4）采用电动／发电机可以空载发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程。

在并联式混合动力车辆驱动系中，联接部件用于完成传动系组成部件间的联合。

根据具体的联接部件位置，并联混合动力车辆具有单轴联合式、双轴联合式和单个驱动系联合式三种基本的布置方案。

单轴联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在原动机输出轴处实现的，齿轮箱的输入轴为单轴，发动机的输出轴通过离合器后与电动机的转子轴直接相连；双轴联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在齿轮箱中实现的，齿轮箱（减速／变速器）具有两个或多个输入轴，仅有一个输出轴；单个驱动系联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在车辆驱动轮处通过路面实现的，它具有两套或多套独立的驱动系。

单个驱动系联合式驱动系在充分利用车辆的地面附着力方面具有优势，通过合理地控制，可大大改

善车辆的驱动性能，但系统组成比较庞大，控制复杂。

2．3混联式混合动力电动汽车

混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动／发电机和驱动电动机三大动力总成组成，可以根据行驶条件以串联和并联模式工作，所以，混联系统具有串联系统和并联系统的双重特性，具有两种布置形式：

切换系统和分路系统。

尽管如此，但其结构复杂、成本高，目前应用并不广泛，随着控制技术和制造技术的发展，可能以后的HEV更倾向于此结构。

综合分析以上各个结构的优缺点，本次设计采用并联式结构。

第三章混合动力电动汽车驱动系统结构分析

混合动力汽车的驱动系统是所有用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称，包括车载能源、原动机和传动系统三个主要部分。

在车辆驱动系中，用于能源存储或用于能源存储并进行能源的初始转化以向原动机直接供能的所有部件总称为车载能源，由能源存储系统或能源存储和转化调节系统组成。

例如：

传统燃油车辆的车载能源为油箱（能源存储系统），直接为原动机（内燃机）供能：

燃料电池车辆的车载能源由氢气罐或储氢金属（能源存储系统）以及燃料电池反应堆（能源转化调节系统）两部分组成。

原动机是指在车辆驱动系中把其他形式的能量转化为可以直接驱动车轮转动的机械动能的装置，如普通车辆上的内燃机、纯电动车辆上的电动机等。

传动系是指用于传递和调节原动机输出的机械动能，并输送给车辆驱动车轮，实现车辆正常行驶的所有部件。

主要包括离合器、减速／变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴以及驱动轮等。

3.1驱动系统总体方案

混合动力汽车动力传动系各部件特性、参数匹配及控制策略决定了整车的动力性、燃油经济性、排放特性、制造成本及重量。

考虑到充电设备的限制以及蓄电池组容量对车重的影响，混合动力电动汽车装备小容量的蓄电池组，在行驶时电池荷电状态保持在一定范围内变动，不需从外部电网充电，属于电量维持型混合动力汽车。

3.1.1驱动系统结构及主要部件

混合动力电动汽车驱动系统主要包括发动机、发电机、电池组、电动机、功率变换器、扭矩耦合装置、变速器和离合器等部件。

配置发电机与否根据车辆的行驶条件而定，如果汽车长时间行驶在交通拥挤的环境，则车辆有可能长时间处于停止状态，需要配置发电机。

反之，当车辆的需求驱动功率较小时，可由电动机工作在发电状态向电池充电，省去发电机。

简化驱动系统结构。

根据发动机和电机扭矩的耦合方式，混合动力电动汽车的驱动系统有三种布置形式：

第一种布置形式，如图3-1，扭矩在变速器输入轴处进行耦合，采用这种布置方式能通过变速器同时改善发动机和电机的工作点，电机可以用来在较高的转速下快速起动发动机，但是结构上较为复杂，变速器的功率要求较大。

图3-1扭矩在变速器输入轴处耦合的驱动系统结构

第二种布置形式，如在图3-2，电动机和发动机的扭矩在变速器输出轴处耦合，变速器只传递发动机的输出功率，所以变速器额定功率可小于第一种布置形式。

上述的两种布置形式中，扭矩耦合装置可以采用齿轮传动或带传动来实现。

齿轮传动效率高，结构紧凑，美国Wisconsin—Madison大学的UWFutureTruck2000就是采用齿轮传动副耦台发动机和电机的输出扭矩；带传动布置灵活，具有防过载的特点，美国Ohio州立大学的FutureTruck2000、2001和Geofgia技术学院的FurureWreck都是带传动装置，在实际中采用较多。

图3-2扭矩在变速器输出轴处耦合的驱动系统结构

图3-3扭矩在车轮处耦合的驱动系统结构

第三种布置形式，如图3-3，发动机和电机分别通过各自的传动系驱动车轮。

这种结构不需要扭矩耦合装置，但是控制复杂，只适合于四轮驱动车辆。

考虑到现有的部分发动机和变速器配套设计，在发动机输出轴进行扭矩耦合困难，并联式混合动力电动汽车驱动系统采用第二种布置形式，扭矩通过带传动装置在变速器输出轴处进行扭矩耦合，不配置发电机。

3．2车辆行驶时需求的驱动功率

3.2.1加速行驶时需求功率计算

车辆在水平路面加速行驶时所需的功率按下式计算：

（3-1）

式中：

Mv一汽车质量（kg）

V一车速（m／s）

ρa—空气密度（kg／m3）

A—迎风面积（m2）

δ一质量当量系数，此处取δ=1

Cd—风阻系数

Cr—滚动阻力系数

汽车在tm时间内从静止状态全力加速至车速v。

，其车速随时间的变化近似为以下关系：

（3-2）

从图3-4可以看出，汽车在tm时刻附近的加速度近似相等，故可认为在tm的前一时刻的加速需求功率为最大。

图3-4车辆起步加速时速度随时间的变化情况

假定汽车加速行驶过程中，在tm—0.1到tm这段时间的加速度一致，采用向后差分可求得在tm-1时刻的加速度，此时所需的最大加速功率可按下式计算：

（3-3）

为便于以后的计算，将此方程简写为：

Pa_max=aMv+b（3-4）

其中：

3.2.2匀速爬坡时需求功率计算

车辆匀速爬坡时所需的功率为：

（3-5）

式中θ表示斜坡倾角。

同理，将其简写为：

（3-6）

其中：

通过上述的分析可知，车辆所需的加速功率和爬坡功率都是由两部分组成：

一部分与车量的质量线性相关；另一部分是与质量无关的常量，用以克服空气阻力。

一般情况下车辆要求的爬坡度不是很大，所以加速时所需的功率比爬坡时要大。

通过引入功率计算系数a、b、c、d，可以在下文计算各驱动系统部件的功率时计入自身重量的影响。

3.3整车质量的组成

在设计计算时，将整车的质量看成是由四个部分组成：

驱动系统底盘非传动系部分、车身相关部分和载重。

（3-7）

式中：

Mv—汽车整车质量（kg）

Mb—车身相关部分质量（kg）

Mch—底盘非传动系部分的质量（kg）

Mdr—驱动系统质量（kg）

Ml—载重质量（kg）

对于电力辅助型并联式混合动力汽车，其车身相关部分和底盘非传动系部分的质量与传统的燃油汽车相差不大，在计算时可近似认为是一定值Mfix。

（3-8）

在此，驱动系统的质量为发动机、电池组、电动机及控制器和变速器各部件质量之和。

每个部件具有一定的效率和一定的比功率（W／kg），通过他们可以计算出它们的功率需求与质量。

整个驱动系统的质量可描述为：

（3-9）

式中：

Mice—发动机质量（kg）

Mbat—电池组质量（kg）

Mmot—电动机质量（kg）

Mtra—变速机构质量（kg）

假定驱动系统四种部件的比功率分别为舅Sice，Sbat，Smot和Stra，功率需求分别为Pice，Pbat，Pmot和Ptra，则各个部分的质量可描述为：

（3-10）

（3-11）

（3-12）

（3-13）

3.4驱动系统各部件所需最大功率的计