混合动力汽车.docx

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1、作业 混合动力汽车的类型特点关键零部件的选型(发动机 电机电池)动力匹配原理及能量掌握策略混合动力汽车类型从能量流到混合动力系统输出轴的流经路线，可将混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式和复合联接式四种。1 .串联式(SHEV)驱动系统的典型结构与基本组成部件如下所示，主要由发动机、发电机和电动机组成，原动机一般为高效内燃机。发动机直接驱动发电机发电，电能通过掌握器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。电池在发动机输出和电动机需求功率间起到调峰调谷的作用。为了满意汽车在起动、加速时的大功率需求，在串联式结构中还有加超级电容等功率密度较大的蓄能装置，在制动能量回收时也起到快速回收能

2、量的作用。9E动力率-1M 回爆功率图表1串联式2 .并联式(PHEV)的布置如下所示，其特点是动力系有两种动力源一一发动机和电动机。当汽车加速、爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动系供应动力;一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。并联式EV能设置成用发动机在高速大路行驶模式，加速时由电动机供应额外动力。图表2并联式3 .混联式(SPHEV)如下所示，这种布置形式包含了串联式和并联式的特点，即功率流既可以象串联式流淌，乂可象并联式流淌。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。依据助力装置不同，它又可分为发动机为主和电机为主两种。在发动机为主形式中，发动机作为主动力源，电机为

3、帮助动力源，日产公司(Nissan)Tino属于这种状况。在电机为主形式中，发动机作为帮助动力源，电机为主动力源，Toyota Prius HEV就属于这种状况。这种结构的优点是掌握敏捷便利，缺点是结构相对简单。驱动功率回皴功率图表3混联式4 .复合联接式（CHEV）的布置形式的混合动力汽车结构相对简单，主要消失在双轴驱动的HEV中。在这种联结形式中，HEV前轴和后轴之间没有传动轴连接，它们分别由动力部件驱动，从而实现四轮驱动，如图卜5所示，。它的动力系统由一个完整的前述混合动力系统和独立的轮毂电机组成。依据布置位置不同，复合式分为两种。一种是前轴由混动系统驱动，后轴由电机驱动型，丰田公司的P

4、riusTHS-C采纳的就是这种形式；另一种是前轴由电机驱动，后轴由混动系统驱动，通用公司的Precept HEV采纳这种形式。这种四轮驱动的缺点是结构简单，成本较高；优点是动力性和越野性能好，尤其在制动时，前后轴电机都可同时作为发电机回收制动能量给蓄电池充电。这种双轴驱动系统的特有的特点是轴平衡力量，在混合驱动端车轮滑动时，该端的电机能作为发电机来汲取发动机过剩的输出功率。驱动功率-H 回债功率图表4复合联结式混合动力汽车特点混合动力汽车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,使得动力系统可以依据整车的实际运

5、行工况要求敏捷调控，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。关键零部件的选型1 .发动机功率匹配EQ61 10HEV并联混合动力系统采纳发动机为主，电机为辅混合驱动方式，发动机在汽车行驶过程中处于常常工作状态。传统汽车以满意汽车动力性要求来选择发动机功率，而汽车正常行驶所需求的功率只占发动机峰值功率的40%左右，低的负荷率导致汽车燃油经济性和排放性能降低。对于混合动力汽车，电机的参加使得发动机功率选择仅以满意汽车平均需求功率即可。为了保证汽车动力性,在良好路面上纯发动机驱动模式仍能满意最高车速要求，良好路面上最高车速行驶时所需的发动机功率为：Pt =(加max + mgi4

6、2 + cdawmax 2L15) /(3600/J式中uiimax为设计的最高车速，km/h； /为传动系效率；g为重力加速度，9. 81m / s2； i为汽车以某一速度行驶应通过的道路坡度。该车设计最高车速为78km h,计算得到的发动机功率为78. 5 k肌 发动机高效、低油耗区域大约位于负荷率8090%之间，因此，发动机实际功率应再增加15 kW；考虑对汽车动力性的要求，增加平安裕度5kW；发动机附件消耗功率约为410 k肌空调功率为1015 kN,综合各种因素，初步选取发动机功率为111. 5 kW,最终选定为额定功率110 k肌 排量为3.9L的康明斯ISBel50四缸柴油共轨发

7、动机，该发动机采纳的电控单元与外界接口友好，排放达到欧III标准，有良好的燃油经济性。2 .电机参数匹配为了满意汽车动力性要求，选择的电机与发动机合胜利率应与原型车发动机相当。匹配内容包括：电机功率和电机基速点选择等。混合动力客车使用在城市公交工况，载荷较大，平均车速较低，频繁起停。综合EQ6110HEV混合动力客车结构和使用特点以及柴油发动机速度相对较低、振动较大的特点，因此选用技术成熟、性能稳定的开关磁阻电机。2 . 1电机功率选择为保证汽车动力性，选择的电机和发动机的合成外特性接近于或高于原型车发动机外特性。混合动力系统应满意以下技术要求：(1)电机单独起车，且起车时间Q S； (2)0

8、50 km/h加速时间35 S； (3)最大爬坡度15%； (4)汽车的驱动扭矩小于良好路面的附着扭矩；(5)常用车速下电机的工作点应处于高效工作区。设原型车匹配发动机扭矩外特性=fifnilc式中itc为发动机到电机的扭矩耦合比；ne为发动机转速。电机功率匕3=蹲(，(4)外), 依据条件，初步计算的电机峰值功率为56kk分别以峰值功率25. 65kW,基速为2000rpm的电机为帮助动力源的混合动力汽车进行动力性模拟计算，结果如图所示，随着电机功率增加，汽车循环百公里油耗随之增加，加速时间却随之减小，汽车动力性增加。依据混合动力客车的技术要求,选取峰值功率为60 kW的电机比较合适，050

9、km h加速时间仅有35 S,在电池SOC平衡条件下客车的等效循环油耗为42L / 100kmoo o o o o O5 3 1 9 7 54 4 4 3 3 3fo 双足EH1R旨螃2030405060秘助率kWS、叵iMqi* 090555()15l()05 5 4 4 3 370图2-4电机不同功率对汽车性能的影响2.2电机基速点选择当电机功率确定之后，电机基速点的选取对混合动力汽车动力性影响较大。对于峰值功率为60kW的电机，基速点分别选取为1000 rpm 1500 rpm和2000 rpm三点，模拟计算结果如图2. 5所示。M.533,532.531.530,53332313029

10、电速rpm图2-5电机基速点对汽车性能影响在给定条件下，功率相同、基速点不同的电机对汽车燃油经济性影响不大，但对汽车动力性影响明显，基速为1500 rpm左右的电机使汽车获得最佳动力性。综合分析后，选取电机的基速为1500 rpmo3 .动力电池参数匹配混合动力系统的电机担当着调整汽车行驶需求功率的波峰和波谷的作用，而混合动力系统的储能元件一方面起着向电动机供应能量的作用，另一方面起着汲取制动再生能量和发动机多余能量的作用。能量回收制动对提高混合动力汽车的总效率是特别有意义，据文献15副介绍，对于EPA混合燃油循环，能量回收制动可削减车辆驱动能量需求的14%。对于重型载货汽车，在6%坡道、80

11、kh车速下坡需要350kW的纯制动功率。因此，混合动力汽车要求系统的储能装置能较长时间地汲取制动功率（如2 min）,但储能力量的增加必定致使汽车重量的增加，从而带来汽车燃油经济性的下降。为使汽车自重增加不致太多，要求储能装置应具有比较高的比功率和比能量。动力铅酸电池的比能量一般为30-40Wh / kg,比功率一般为150-200W / kg,循环使用寿命一般为500700次。铅酸电池技术进展较为成熟，牢靠性高、原料丰富且价格廉价，但铅酸电池的比能量较低，在过放电和过充电时，其使用寿命将显著缩短，深度放电以及环境温度变化也对电池性能影响较大。铅酸电池今后的进展目标为提高比能量，增大循环使用寿

12、命，进一步降低成本，进展密封免维护电池，目前在纯电动汽车或混合动力汽车上也有应用。锂离子电池能量密度可达到100Wh / kg,功率密度可达到300W / kg,并且循环使用寿命长。但其成本较高，平安性尚需进一步提高。美国、日本都在开发锂合物电池，目前已投入关键性的平安试验考核。银氢电池具有很好的耐过充电特性，良好的使用平安性和充放电效率，以及该电池的反应物中无溶解析出物。这些特性特别适合混合动力汽车。对于轻度混合的混合动力汽车，动力电池的最大使用特点是常处于放电或充电状态，只要合理掌握动力电池SOC工作区间，尽量避开过充或过放以及过大电流的冲击，上述因素对银氢电池的寿命影响不会太大。此外，银

13、氢电池的使用成本也基本合理，所以混合动力系统用动力电池以银氢电池占主体。专家猜测，在将来一段时间内银氢电池是最具竞争力的动力电池之一，国内也在大力开展这方面的讨论工作，并取得了可喜的成果。综上所述，同时借鉴各国在混合动力汽车储能元件的选型方案、现有混合动力汽车上的应用状况以及对各种储能元件的性能分析，银氢电池将作为EQ611OHEV混合动力客车动力电池的近期首选。动力电池在混合动力客车中起峰值功率补偿作用。混合动力汽车上的动力蓄电池有帮助动力和主动力两种工作模式。前者偏重蓄电池的功率特性，后者还要求蓄电池具有肯定的能量特性。本项讨论的并联电助力混合动力系统采纳帮助动力模式。在帮助动力模式下，要

14、求动力蓄电池具有瞬间大电流充放电的力量。虽然充/放电电流很大，但由于持续时间都较短，因此电池的荷电状态波动范围不大。因此，蓄电池的性能应满意两个要求：功率需求和能量需求。(1)功率要求作为帮助动力源，蓄电池最大放电功率必需满意：f7mc式中，P, ma为汽车最大需求功率，kv； Pa”为帮助设施的功率消耗，kw；7/mc为电机及其逆变器效率。蓄电池还必需具备肯定的充电功率，以汲取制动时的回馈能量。考虑到电池的特性和电机的能量回收功率，同时考虑到大电流充放电对电池寿命的影响，电池的充电功率不应大于40k队(2)能量要求帮助动力模式状况下，对蓄电池的能量要求不象功率要求那么严格，一般可以满意需要。

15、依据对所选动力电池的分析，表2.1列出了所选Ni-MH电池的主要参数。表21馍氢电池主要参数rw f | . rw、Y 、,aoe z- oasene s)eccauon o ni-mh naery电池类型银氢电池电压范围/V27(M20容量Ah40SOC允许范围/%25 80比能量whkg70最大放电功率kw60比功率/ W/kg374最大充电功率kW404 .发动机与电机扭矩耦合比匹配EQ61 10HEV混合动力总成发动机与电机非同轴布置，其转矩耦合速比直接影响汽车速度范围，转矩耦合器作用是使发动机和电机输出转矩有效耦合，并且保证发车动力性和经济性。一般状况下，发动机与电机转矩耦合比4由，式中nmi为电机最高转速，rpm；但考虑到发动机的经济转速区应对应于电机的高效转