车辆工程毕业设计论文-基于advisor混合动力汽车驱动系统的研究(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-基于advisor混合动力汽车驱动系统的研究(编辑修改稿)内容摘要：

式： 发 动 机 传 动 装 置 电 动 机 功 率 转 化 器 电 池 组 发 动 机 传 动 装 置 电 动 机 功 率 转 化 器 电 池 组 发 动 机 传 动 装 置 电 动 机 功 率 转 化 器 电 池 组 17 1) 发动机单独驱动； 2) 电动机单独驱动； 3) 发动机和电动机混合驱动； 4) 减速 /制动时，电池组通过电机工作在发电状态回收部分车辆的动能； 5) 当电池的 SOC 过低时，由发动机带动发电机在发电状态下向电池充电。 ISG 型混合动力汽车主要动力部件选型分析 ISG 系统的主要部件为发动机、 ISG 电机和蓄电池。 下面根据混合动力电动汽车的工作特性要求对这几个器件进行选型分析。 发动机选型 选择发动机时，要考虑的就是满足汽车要求的发动机尺寸与额定功率问题。 在大多数的混合动力汽车设计中，发动机的额定功率将由车辆需 求的平均功率决定，与传统的汽车发动机相比，混合动力汽车用发动机是相对较小的。 同时开发混合动力汽车的目的是解决节能和环保问题，因此必须围绕这些方面选择所需的发动机。 其动力性、经济性和排放是选择发动机的基本内容，图 为混合动力汽车用发动机选择的目标。 图 HEV发动机的选择目标 ISG 系统发动机侧重于选用小型化、低油耗、低排放的发动机，并且控制在最佳范围内稳定运转。 一般从以下几方面考虑： 混 合 动 力 汽 车 用 发 动机 （节 能、环 保） 持 续 运 转 良 好 低 油 耗 低 排 放 低 噪 声 小 型 轻 量 化 高 效 率 高 可 靠 性 低 成 本 18 1) 发动机的动力性 作为 ISG 型混合动力汽车的主要动力源，其 动力性决定了整个汽车的行驶动力性。 由于电力驱动系统在汽车行驶过程中需要提供最大功率时提供了辅助驱动，发动机的功率可以小于同级别的内燃机汽车。 发动机的比质量是指发动机的质量与发动机功率之比 Kg/Kw，车辆比质量的增加表示发动机的动力性能提高。 2) 发动机的经济性 通常用于发动机的比油耗 g/KWh 来表达发动机的燃油经济性，由于 ISG 系统中发动机采用了“开 — 关”控制模式， ISG 快速起动方式和发动机控制在较狭窄的转速范围内平稳地运转等特有的条件下工作，其比油耗将会低于或接近于发动机的最低比油耗。 3) 发动机的环保性 HEV存在和发展的基本条件就是它必须属于“趋低污染”和接近“零污染”车辆，选用的发动机排放应达到或低于我国、欧洲。 美国等国家所规定的排放限值。 表 是欧洲排放法规的限值。 综合所述，考虑 ISG 型混合动力汽车侧重于选用小型化、低油耗、低排放的发动机，并且控制在最佳效率范围内稳定运转。 一般来说四冲程汽油机和柴油机仍然是首选的发动机。 在用于此系统中，往往还要采取以下一些控制方法：①全新的理论、先进的结构，以降低发动机的质量，提高燃烧效率；②减少泵气阻力和各种运动副的摩擦阻力，降低机械摩擦损失；③高效的催化转化，控制 发动机工作在一个较窄的高效区域。 配置“开 — 关”控制系统，避开发动机低效率的运转工况范围。 这些先进技术的使用，在一定程度上提高了发动机的燃油经济性和改善了尾气排放。 表 欧洲排放法规限值（ g/Km） 标准 CO（一氧化碳） HC NOx HC+NOx（碳氢化合物和氮氧化合物） PM（微粒，碳烟） 欧Ⅰ （ ） （ ） 欧Ⅱ 汽油机 柴油机 汽油机 非直喷柴油机 直喷柴油机 非直喷柴油机 直喷柴油机 欧Ⅲ 汽油机 柴油机 汽油机 柴油机 柴油机 柴油机 欧Ⅳ 19 电机选择 驱动电机在混合动力汽车运行中实现整车起步、电动驱动、爬坡和加速过程中的阻力驱动和制动过程中的能量回收，以提高整车动力性和燃油经济性，并降低尾气排放。 混合动力汽车驱动电机的类型和性能对整车性能有直接的影响。 最初混合动力汽车采用控制性能好和成本低的直流电机，它 的优点在于调速较为方便。 随着电子技术、机械制造技术及自动控制技术的飞速发展，功率电子元件以及变频器的问世，再加上一些新的控制算法的出现，如滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调速技术日趋成熟，交流电机、永磁电机和开关磁阻电机显示出比直流电机更加优越的性能，正在逐步取代直流电动机。 表 为 HEV所采用的电机的主要类型和基本性能的比较。 表 几种电机的基本性能比较 项目 直流电动机 感应电动机 永磁电动机 开关磁阻电动机 功率密度 低 中 高 较高 过载能力（ %） 200 300500 300 300500 峰值效率（ %） 8589 9495 9597 90 负载效率（ %） 功率因素（ %） 8087 9092 8285 9597 9093 7886 6065 恒功率区 1： 5 1： 1： 3 转速范围（ r/min） 可靠性 40006000 一般 1202020200 好 400010000 优良 可以＞ 15000 好 电动机外型尺寸 电动机质量 大 重 中 中 小 轻 小 轻 结构坚固性 差 好 一般 优良 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 蓄电池选型 蓄电池是混合动力汽车中的一个不可缺少的组成部分，混合动力电动汽车需要用蓄电池组作为辅助动力源，一般要用多个单元蓄电池串联达到高电压的要求，在 ISG型混合动力汽车中，蓄电池组要求有以下几个特点： i. 能长时间接受制动功率。 蓄电池向 ISG 系统提供电能以及向动力传动系输出功率，并且接收制动再生能量并将其存储起来，能量回收对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义的。 20 ii. 比较高的比功率和比能量，这样使储能装置不致太庞大和过重。 iii. 为了降低整车价格，成本亦不能太高。 此外，混合动力汽车上的蓄电池需要频繁充放电，因此还要求它具有充放电特性较好、自放电率较低、输出效率较高及使用寿命（及循环充放电的次数）较长等特点。 表 HEV 用蓄电池性能指标 电池种类 电解质 比能量 （ Wh/kg） 能量密度 (Wh/L) 比功率 （ W/kg） 功率密度 （ W/L） 循环寿命 (次 ) USABC 铅酸 酸性 200 3045 65 400 4070 120 100 1200 改进型铅酸 酸性 3050 85 70100 130 600900 镍 镉 镍 氢 钠 硫 碱性 碱性 固态 陶瓷 4055 5085 80120 80110 80220 120160 120150 100600 100250 250300 250800 150310 6001000 6001200 ＞ 1100 钠 氯化锂 锂离子 锂聚合物 固态 陶瓷 固态聚合物 有机溶剂 80100 55150 100120 130150 130300 220 150 190300 300320 260 440 1000 6001200 600 锌 空气 碱性 180200 200250 ＞ 100 铝 空气 碱性 300350 250 100120 ＞ 1000 表 是 HEV用蓄电池性能指标，其中第一项是美国“先进电池联合体”（ United States Advanced Battery Consortium, USABC）提出的蓄电池性能指标。 铅酸电池是汽车储能动力源中最为成熟的一种，它的比能量一般为 3040Wh/Kg，比功率一般为 150200W/Kg，循环使用 500700 次。 它的优点具有可靠性高、原料易得、 价格便宜、比功率也较高等等，基本上可以满足混合动力汽车加速和爬坡要求。 但常规铅酸电池的比能量低，难以快速充电，使用寿命不够长。 另外，过放电和过充电时，铅酸电池的使用寿命将显著缩短深度放电以及环境温度也对电池性能影响很大，限制了它在混合动力汽车上的广泛应用。 现在正在研制中的高性能铅酸电池，性能方面有了很大的提高，成本也有所增加，它在汽车上的应用需要更进一步的试验证明。 镍氢电池是一种碱性电池，它的正极 为镍氧化物，负极为氢载体合金存储的氢，比能量可达 7080Wh/Kg,比功率可达 200W/kg 以上，并且具有很 好的耐过充电特性，良好的使用安全性和充放电效率，更重要的是该电池的反应物中吴溶解析出物。 混合动力汽车电池的最大特点为完全充电和非完全放电，电池经常处于放电和充电状态，经常有能量消耗和补充。 这些都会对电池寿命造成一定的影响。 但实验表明，上述因素对镍氢电池的寿命影响并不大，这也说明混合动力汽车采用镍氢电池是非常合适的，随着电池的技术的发展，镍氢电池的成本也越来越低，使镍氢电池的广泛使用成为可 21 能，通用汽车公司已把它作为今后几年优先考虑的动力电池。 锂离子电池能量密度可达 100Wh/Kg，功率密度可达到 300W/Kg，并且循环使用寿命长，它是美国 USABC（ 1991 年美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司，电力研究所与美国能源部组建的电动汽车先进电池联合体）远期目标和电动汽车最终成功的希望。 在日本三菱汽车公司的自发电电力轿车型 Spacs Wagonh 和卡车型 Canter 上已得到了应用。 美国 USABC 计划在从 2020 年到 2020 年研制出比能量 200Wh/Kg，比功率 400W/Kg 的锂离子电池。 但它存在着致命的弱点 — 成本太高，限制了它的应用。 钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车电池。 它具有相当高的比能量、其质量比能量是 常用的铅酸电池的 2—3 倍。 美国福特汽车公司的 Mnivan 电动汽车就是使用钠硫蓄电池的。 它已被美国先进电池联合体（ USMABC） 列为中期发展的电动汽车蓄电池。 德国 ABB 公司生产的 B240K 型钠硫蓄电池，其质量为 ，比能量达109Wh/Kg。 循环使用寿命 1200 次。 钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。 从综合成本和性能的考虑，本系统采用镍氢（ NiMH）电池，可以满足系统的基本要求，并且不会对周围环境造成污染，容易维护，能够长时间存放。 更重要的是镍氢电池 的过充电和过放电性能好，能够带电充电、快速充电，非常适合 PHEV蓄电池组的不规则充、放电变化。 混合动力汽车 各驱动类型的比较 将传统的发动机和电动机进行混合，可以得到多种多样不同组合形式的混合动力汽车，它们都有各自的优缺点和试用范围，表 对不同型式的混合动力汽车在燃油经济性、尾气排放和控制难以程度等方面作了比较。 表 对不同型式的混合动力汽车在驱动模式、传动效率、整车布置、适用条件和开发成本等方面进行了比较。 表 混合动力汽车类型的比较 串联式 并联式 混联式 公路行驶燃油经济性 较优 优 优 城市行驶燃油经济性 优 较优 优 无路行驶燃油经济性 较优 优 优 低排放性能 优 较优 较优 成本 低 较低 较低 复杂程度 简单 较复杂 复杂 控制难易程度 简单 较复杂 复杂 22 表 不同型式混合动力汽车特点 结构模式 串联式 并联式 混联式 动力总成 发动机、发电机、驱动电机 发动机、电动 /发电机 发动机、电动 /发动机、驱动电动机 驱动模式 电动机驱动模式 发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机 发电机混合驱动模式 具有并联的三种驱动模式外加电动机 电动机混合驱动模 式 传动效率 能量转换效率较低 传动效率较高 传动效率较高 制动能量回收 能够回收制动能量 能够回收制动能量 能够回收制动能量 整车总布置 三大动力总成之间没有机械式连接装置，结构布置自由度较大，但三大动力总成的质量、尺寸都较大，一般用在大型车上 发动机驱动系统保持机械式传动系统，发动机与电动机两大动力总成之间被不同的机械装置连接，结构复杂，布置受到一定的限制 三大动力总成之间采用机械装置连接，三大动力总成的质量、尺寸都较小。 能够在小型车辆上布置，但结构更加紧凑。