混合动力汽车设计.docx

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混合动力汽车设计

混合动力汽车设计

设计单位：

学科专业：

设计人员：

指导老师：

2011年3月

混合动力汽车设计

第一章绪论

一、课题研究的背景及意义

世界上第一辆汽车自1886年诞生于德国，汽车工业发展的100年，是人类文明和经济迅猛发展的100年。

如今，全世界汽车保有量达到7亿多辆，汽车已与人们的日常生活和生产的联系日益紧密。

然而，汽车虽然给人类带来了方便，但也给人类带来了巨大的灾害，42％的环境污染是来源于燃油汽车的排放，80％的城市噪声是由交通工具产生的，进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业将会给世界的能源安全和环境保护造成巨大的压力。

众多燃油汽车排放所造成的空气质量的R益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。

随着全球气候逐步恶化、城市大气污染加剧和石油资源过度消耗，环保与节能已经成为世界的焦点，发展节能型、环保型汽车已成为世界汽车工业技术创新的重要方向和汽车产业可持续发展的必然选择，研发和推出一系列有商业应用价值的环保、节能型的电动汽车已经并将在相当长时间内成为世界汽车工业发展的主流和趋势。

如今已有很多替代传统的燃油发动机汽车的方案，如以高效蓄电池驱动的纯电动汽车（EV，E1ectricVehicle）、以燃料电池驱动的电动汽车（FEV，ElectricVehicle）、以燃油发动机和电机驱动的混合动力电动汽车（HEV，HybridElectricVehicle）等。

单靠石油支撑不起我们的汽车化社会，交通源动力系统转型是大趋势。

汽车动力将逐渐从内燃机转型到混合动力，最终将转型到氢能燃料电池动力，但目前最有实用价值并已实现商业化运作模式的只有混合动力电动汽车。

从汽车工业的发展历史来看，电动汽车其实比燃油汽车还要早诞生几年，但受电池和驱动控制技术的局限，其发展却远远落后于燃油汽车。

电动汽车的研究是纯电动汽车开始的，但由于纯电动汽车是单独依靠蓄电池供电的，目前畜电池的能量密度较低，导致电动汽车的续驶里程和动力性能无法达到当前内燃机汽车的水平；此外，电动汽车空调和暖风机的选用必须充分考虑其能量消耗对电动汽车续驶里程的影响，乘员的舒适性受到限制；充电站的建设投资巨大，电池组的价格昂贵，循环寿命有限，频繁更换电池的成本是用户难以接受的。

因此，电动汽车在目前情况下的致命技术弱点使其在短期内还不可能产业化。

燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，其具有能量转化效率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。

但是由于目前氢能的获取和安全性要求较混合动力汽车控制策略研究高以及燃料电池汽车的高成本和连续行驶里程短等关键问题还没有取得重大突破。

因此，目前燃料电池汽车的商业化条件还不成熟。

各大汽车厂商需要付出巨大的努力，应对许多技术上的挑战，才能降低商业成本，尽早实现产业化。

与纯电动汽车和燃油汽车相比，混合动力电动汽车将发动机、电动机、能量储存装置（蓄电池）组合在一起，通过先进高效的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的新型清洁汽车，具有高性能、低能耗和低污染的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势。

科学研究表明，如果混合动力匹配得好，可节省燃料50％，排放下降80％。

此外，由于混合动力电动汽车可以不通过外部电源充电，从而节省了大量的充电基础设施投资。

国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。

二、设计理念

如今世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题：

一是环境污染，二是石油资源匮乏。

而混合动力汽车采用内燃机和电动机作为动力源，已经成为国际公认的解决这两大难题的有效方法。

而混合动力客车又有三种不同形式：

串联式混合动力电动汽车、并联式混合动力电动汽车、混联式混合动力电动汽车。

串联式混合动力电动汽车

　　串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。

发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。

发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。

另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。

并联式混合动力电动汽车

　　并联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电/电动机和蓄电池组等部件组成。

并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机做为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。

混联式混合动力电动汽车

　　混联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、电动机、行星齿轮机构和蓄电池组等部件组成。

丰田Prius所采用的混合驱动方式，它将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。

动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。

此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。

本次我们采用并联方式。

三、市场定位

经调查：

由几款有代表性的在国内销售的混合动力车型我们可以看出，在国内A级家用车领域由于成本的限制导致这些混合动力车型的价格“居高不下”，而其受众人群的购买力有限，因此也不会有较好的市场表现。

而更高端的豪华车领域，其本来就是一小部分人群奢侈的交通工具。

   市场上真正缺少的是一款能被社会中坚人群所认可的车型，这部分消费者的用车习惯也主要是为了兼顾公商务用车。

为此，国内市场需要一款偏公商务用途的混合动力车型。

相比之下，B级车的受众用户群体消费能力和社会意识都要比A级车的用户群体更明确。

对于那些有远见的成功人士、以及有社会责任感的人来说，公商务用车使用混合动力车型可以更多地体现个人的环保意识和社会责任感，也有利于商务场合提升个人形象；对于企业用户来说，对于企业的公民形象和社会责任感更是有较大的帮助，这种“广告”效应还是可以想见的。

另外，B级车作为公商务使用，每年行使的里程数也较家用为主的A级车多，因此节油的意义更加深远。

   这样看来B级混合动力车的出现，在环境问题恶化、油价飙升的社会环境中，可以说是大势所趋，随着用车市场的发展，混合动力车型将是那些有远见、有社会责任感的消费者的理想新选择。

   并且，从用车习惯上来说，真正优秀的混合动力车型在起步、加速等动力性能方面，都应该不逊色于普通的汽油版车型，特别对于B级车来说，较大的车重，更加需要良好的动力性能作为用车保障，这点对于新上市的B级混合动力车型提出了较高的要求。

   据了解，国内多家汽车厂商已经开始行动，在今年的北京车展上我们也看到了以君越HYBRID为代表的B级混合动力车型的身影，量产型的B级混合动力车也将在下半年面市。

我们期待优质的混合动力车型给我们一个满意的答卷，也希望在国内的汽车市场上有更多更亲民的混合动力车型供消费者选择。

此次本小组也将设计一款B级混合动力汽车。

第二章参考车型选择

一、关于B级车

如今的汽车市场已经在不同市场定位的B级车接连上市的冲击下，发生了微妙的变化。

一味的顶级配置再不能哗众取宠，以人为本的差异化配置主导了新的消费理念。

汽车文化与人的气质相结合，成为购车的一大助推器，B级车消费市场的风向标指向了人车的和谐交融。

B级车，即中型车，或称作LargeFamilyCar，轴距一般2.6米至2.8米，排量一般在1.8升至2.5升，典型代表为大众PASSATB5，大众MAGOTAN（PassatB6），丰田CAMRY（凯美瑞），本田ACCORD（雅阁），日产TEANA（天籁），MAZDA-6（马六）车型；高端品牌有AUDIA4，BMW3，Mercedes-BenzC等车型,部分车型排量会更高。

另外，桑塔纳和迈腾虽然投产时间相差很久，尺寸和技术的差异也很大，但两者都出自大众B级车平台，所以它们都属于B级车。

这种车型在国内一般可公私两用，部分城市已采用B级车投入出租车运营。

二、车型选择

根据调查，本次我们公司将以奔驰B级车2009款作为参考车型。

这款车是国内能买到的最不像奔驰的奔驰车，虽然没有严肃的公务形象，但充满了家庭的温馨。

不过它的确是不折不扣的奔驰，虽然是厢型车，但却有和S级一样的气质，还有C级的动感。

驾驶起来很舒适。

附：

第三章汽车底盘布置总成

汽车的底盘部分包括

http:

//www.ncar.cc/html/37/n-161537-2.html

1.转向系统：

包括转向管柱总成，动力转向器总成，转向管路总成和转泵。

2.制动系统：

1）普通制动系统：

包括制动踏板，真空助力器带制动总泵总成，X型制动管路，比例阀，前通风盘钳式制动器，后钳式制动或鼓式制动器，拉索式手制动。

2）ABS制动系统：

包括制动踏板，真空助力器带制动总泵总成，ABSECU（电液控制单元），四通道管路，后钳式制动或鼓式制动器，拉索式手制动。

3.传动系统：

包括离合踏板，离合总泵，离合管路，安装在变速器上的离合分泵，离合器及分离叉，差速器、变速器，等速万向节传动轴，换挡手柄，换挡拉线。

4.行走系统：

包括转向节，轮毂轴，轮毂总成，轮胎。

一、转向系统：

   汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构和总称。

转向系统包括转向操控机构、转向器、转向传动部分三部分。

汽车转向系统的功用是保证汽车能按照驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。

按转向能源的不同，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。

转向操纵机构：

方向盘

   由转向盘、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。

转向盘就是我们熟悉的方向盘；转向轴是将方向盘的力矩传给转向器的装置，而转向轴穿过转向柱管，一般的转向主管都装备了能够缓和冲击的吸能装置。

转向器：

   转向器的功能是将转向盘的转动变为齿条轴的直线运动或转向摇臂的摆动，降低运动速度，增大转向力矩并改变转向力矩的传动方向。

转向器输出端的运动形式有两种，一种是线位移（如齿轮齿条式转向器），另一种是角位移（如循环球式、曲柄指销式转向器）。

转向传动机构：

   转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。

   现在的汽车上大部分都应用了动力转向系统，兼用驾驶员体力和外部的动力作为转向能源的转向系统，动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。

根据助力能源形式的不同可以分为液压助力、气压助力和电动机助力三种类型。

其中液压助力转向系统应用较为普遍，本车车选用液压助力动力转向系统。

转向系图

二、制动系统

   汽车上用以使外界在汽车某些部分施加一定的力，从而进行一定程度制动的一系列专门装置统称为制动系统。

其作用是：

使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车；使已停止的汽车在各种道路条件下（包括在坡道上）稳定驻车；使下坡行驶的汽车速度保持稳定。

制动系统可分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系统及辅助制动系统等。

上述各制动系统中，行车制动系统和驻车制动系统是每一辆汽车都必须具备的。

（1）制动操纵机构

   产生制动动作、控制制动效果并将制动能量传输到制动器的各个部件，以及制动轮缸和制动管路。

（2）制动器

   可以产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力（制动力）的部件。

汽车上常用的制动器都是利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩，称为摩擦制动器。

它有鼓式制动器和盘式制动器两种结构型式。

盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，被称为制动盘。

盘式制动器实图（靠两个摩擦片产生摩擦）

    制动盘有着多种结构型式，大体上可分为两类。

一类是工作面积不大的摩擦块与其金属背板组成的制动块，每个制动器中有2～4个。

这些制动块及其促动装置都装在横跨制动盘两侧的夹钳形支架中，总称为制动钳。

这种由制动盘和制动钳组成的制动器称为钳盘式制动器。

另一类固定元件的金属背板和摩擦片也呈圆盘形，制动盘的全部工作面可同时与摩擦片接触，这种制动器称为全盘式制动器。

鼓式制动类似于自行车的刹车

   鼓式制动器的旋转元件是制动鼓，固定元件是制动蹄，制动时制动蹄在促动装置作用下向外旋转，外表面的摩擦片压靠到制动鼓的内圆柱面上，对鼓产生制动摩擦力矩。

鼓式制动的受力图

   盘式刹车与鼓式刹车各有利弊。

由于盘式刹车具有重量轻、制动力强、散热性好、稳定性高，与电子设备的兼容性更佳等特点，因此大量的应用在当今的轿车上，但是相对与鼓式刹车，盘式刹车的相对成本较高，鼓式刹车的制造成本较低，绝对制动力较高，因此也一直应用在一些低端的小型车后轮上。

三、传动系统：

   传动系统可将发动机发出的动力传递到驱动车轮，共承担了减速增距、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能。

与发动机配合工作，保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。

传动系统的主要部件为离合器、变速箱、万向传动装置以及驱动桥。

离合器：

   离合器的主要作用为：

（1）平顺接合动力，保证汽车平稳起步。

（2）临时切断动力，保证换档时工作平顺。

（3）防止传动系统过载。

常见的离合器有摩擦离合器、液力耦合器、电磁离合器。

我们最为常见的离合器种类就是摩擦离合器。

变速器：

手动变速箱（左）和自动变速箱

变速器大体可以有三种作用：

（1）根据不同行驶条件对牵引力的需要改变传动比，使发动机尽量工作在有利的工况下，满足行驶速度要求。

（2）实现倒车行驶，用来满足汽车倒退行驶的需要。

（3）中断动力传递，在发动机起动、怠速运转、汽车换挡或需要停车时，中断向驱动轮的动力传递。

变速器也有三种常见形式：

手动变速器、自动变速器、半自动变速器。

本车选用选用手动变速器

万向传动装置：

   为了实现一些轴线相交或相对位置经常变化的转轴之间的动力传递，例如在变速器与驱动桥之间、变速器与分动器之间、分动器与驱动桥之间以及驱动桥与驱动轮之间，必须采用万向传动装置。

万向传动装置一般由万向节和传动轴组成，有时还要有中间支承。

驱动桥：

   驱动桥其主要功用是将万向传动装置传来的发动机动力经过主减速器的减速增距，改变转矩的传递方向，通过差速器使内饰车轮以不同转速转动，还有就是通过桥壳和车轮实现车身的承载。

驱动桥由主减速器、差速器、半轴、万向节、驱动桥壳（或变速器壳体）和驱动车轮等零部件组成。

四、行驶系统：

包括转向节，轮毂轴，轮毂总成，轮胎。

1）转向节采用球墨铸铁铸造，强度更好，加工精度易保证。

2）轮毂轴花键由专用拉刀成型，保证其尺寸精度。

轴承由日

本光洋公司提供的轿车专用轴承。

3）包括压力铸造的铝车轮和冲压成型焊接的钢车轮两种。

4）轮胎由著名的MICHELIN公司提供，规格为19565R15和

20555R16两种。

行驶系统由车架、车桥、车轮和悬挂系统构成，行驶系统的功用是：

（1）接受传动系的动力，通过驱动轮与路面的作用产生牵引力，使汽车正常行驶。

（2）承受汽车的总重量和地面的反力。

（3）缓和不平路面对车身造成的冲击，衰减汽车行驶中的振动，保持行驶的平顺性。

（4）与转向系配合，保证汽车操纵稳定性。

车架：

   车架是汽车上各部件的安装基础。

如发动机、变速器、车身或驾驶室通过弹性支承安装于车架上；前、后桥通过悬架连接在汽车车架上；而转向器则直接安装在车架上，通常车架由纵梁和横梁组成。

按照结构型式主要可分为边梁式车架和中梁式车架以及综合式车架三种。

   大多数轿车和部分大型客车取消了车架，而以车身兼代车架的作用，即将所有部件固定在车身上，所有的力也由车身来承受，这种车身称为承载式车身。

车桥：

   通过悬挂与车架连接，支承着汽车大部份重量，并将车轮的牵引力或制动力，以及侧向力经悬架传给车架。

为了便于与不同悬架相配合，汽车的车桥分为整体式和断开式两种。

按使用功能划分，车桥又可分为转向桥、转向驱动桥、驱动桥和支持桥。

车轮与轮胎：

我们把车轮与轮胎放于行驶系，说明它对汽车行驶性能有很重要的作用。

它们的功用主要是：

支承汽车车体重量，缓和由于路角不平引起的冲击力，接受和传递制动力和驱动力，轮胎具有抵抗侧滑的能力，轮胎具有自动回下正的能力，使汽车正常转向，保持汽车直线驶。

悬架

   汽车悬架是汽车中弹性的连接车架与车轴的装置。

它一般由弹性元件、导向机构、减震器等部件构成，主要任务是缓和由不平路面传给车架的冲击，以提高乘车的舒适性，保证货物完好和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所造成的力矩作用到车架（或车身）上，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。

一般来说，汽车悬架系统分为非独立悬架和独立悬架两种。

随着人们对轿车乘坐舒适性及操纵安全性的要求愈来愈高，非独立悬架系统已逐渐被淘汰。

下面是本车选用的前后悬架

麦弗逊式独立悬架

五、底盘布置图

说明：

我们采用前置前驱，车头部分将放置发动机和电动机，发动机和电动机将由耦合器连接，可以使电动机发动机单独工作也可以同时工作。

蓄电池将放在车尾其余布置与原车型一样。

第四章系统工作原理及控制策略

一、几种常见的控制策略

1.基线控制策略；

基线控制策略是一种固定的门限值控制方法，即根据不同工况来决定发动机和电机的运行状态，并将发动机和电动机的运行参数控制在有限区域内，以实现不同电机的运行状态，并将发动机和电动机的运行参数控制在有限区域内，以实现不同的控制目标。

在基线控制中，电机在以下几种情况下工作：

当汽车速度小于设定车速时，发动机关闭，电动机提供全部的驱动力矩；在发动机工作区，如果汽车需求的驱动力矩大于发动机所能提供的最大驱动力矩，此时，电动机驱动力矩不足部分来满足汽车动力性要求；汽车制动时，发电机回收制动能量并为电池组充电；在给定发动机转速时，如果发动机工作在低效区，关闭发动机，由电动机提供汽车所需的驱动力矩；当电池SOC地狱下限值时，发动机将提供额外扭矩来驱动发动机电池组充电，以维持电池组需要的SOC状态

图1基线控制策略

如图1所示，发动机转速和扭矩呗限定到油耗和排放都较低的区域内，如图1（b）所示，当SOC

2.例举两种车型的控制策略：

A．本田Insight控制策略

它实际也是一种发动机加薄型电机同轴布置并联结构的电助力式控制策略，不同点是在助力区发动机按线性规律进行功率分配，如图2所示。

电机依据以下原助力：

（1）当汽车加速时，根据扭矩和加速率，电机辅助内燃机产生10nm扭矩；

（2）当再生制动时（即踩下制动踏板时），电机用作发电机产生一个负的扭矩施加给传动系；

（3）不当低速时，一般车速低于10km/h，汽车主要依赖于机械制动器；

（4）本田Insight利用关闭发动机策略提高汽车的燃油经济性和排放性能。

图2本田Insight混合动力轿车控制策略

B.丰田prius采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙的将减速器`,发动机和电动机等动力部件耦合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功能，形成一个集成化混合动力总成系统控制电机，发动机，发电机和车轮之间的功率流动，控制比较复杂。

其基本思路是在给定车速下，有驾驶循环或驾驶员输入决定期望的输出命令：

（1）决定发动机期望的工作点；

（2）决定发电机的速度（该速度有发动机扭矩决定）使发动机工作在期望的工作点；

（3）决定电机扭矩（或再生功率）来给车轮提供必要功率（或从车轮获得制动能量）；

（4）当发动机功率不足时，电池提供额外功率，为使启动发动机功率不足时，电池提供额外功率，为使启动时排放降到最低，发动机温度应保持在正常工作温度附近

3模糊控制策略

模糊控制是一种基于知识库的智能控制方式，模糊控制研究主要集中在控制发动机的工作点，目标是让发动机工作在低油耗区或峰值效率区，但其精度较低。

可利用最低燃油消耗率或最高系统效率两种策略实现控制目标，这种策略的优点是发动机经常运行在经济耗油区或最高效率区，使混合动力系统总的燃油消耗较低或效率最高。

该策略主要内容是：

（1）在发动机油耗或效率map中找到不同转速下的最低油耗点或高效工作点；

（2）通过模糊控制逻辑合理分配发动机和电机效率，让发动机工作点跟随最低油耗或最高效率点/曲线运动；

（3）提供足够的扭矩（或动力）满足道路负荷要求；

（4）维持电池的SOC值在一定范围内；

（5）提供足够的，可接受的续驶里程。

4实时最优控制策略

实时最优控制是一种理想的控制方法，它是根据发动机的经济性和排放运行特点，利用最有控制原理。

折中考虑燃油经济性和各排放物的特点，建立相应的目标函数，并使目标函数值最小来实现燃油消耗和各排放物都较少的目标。

实时适应控制应考虑以下几个方面

（1）整车性能优化应考虑发动机,电机和蓄电池组的瞬时效率;

（2）汽车实时最优控制应结合实际运行状态，如发动机等关键总成温度及制动的能量回收；

（3）用户可自定义的燃油经济性和排放目标；

（4）任一给定速度下发动机的工作点，由实时适应控制器根据控制目标寻求发动机与电机的最佳能量组合来决定发动机的最优工作点。

根据对并联混合动力汽车动力性,经济行和排放性能的折中，建立实时最优控制策略的目标函数式1--1，并最小化目标函数。

式中wi（i=1，2，3，4，5，6）为权重系数。

实时适应控制可以实现混合动力系统的最优控制，但优化过程复杂，计算量大，这对实时性要求较高份额汽车控制系统是不利的。

二、总结：

从以上几种控制策略的优点和应用情况可以看出，并联电助力式控制策略简单，控制精度相对较低，但在实时性好，适合于工程实时控制情况；模糊控制大量工作前期离线完成，根据汽车工况实时推理过程相对简单，计算量也不大，实时性和精确均可兼顾。

最优控制虽是理想的控制方法，但实时性差，在实际控制中无法使用。

从成功实际案例看，采用基线控制和模糊控制相结合控制措施是一种比较好的方法，即融合两种控制策略的优点，取长补短，最终达到一个最佳的控制效果：

前面说到模糊控制是一种基于知识库的智能控制方式，模糊控制研究主要集中在控制发动机的工作点，让发动机工作在低油耗区或峰值效率区，利用最低燃油消耗率或最高系统效率两种策略实现控制目标，使发动机经常运行在经济耗油区或最高效率区，使混合动力系统总的燃油消耗较低或效率最高，结合基线控制策略的门限值控制方法，根据不同工况来决定发动机和电机的运行状态，并将发动机和电动机的运行参数控制在有限区域内，以实现不同电机的运行状态，并将发动机和电动机的运行参数控制在有限区域内，以实现不同的控制目标。

该策略主要内容是：

当汽车速度小于设定车速时，发动机关闭，电动