車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文）-SC7130AMT重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計【全套圖紙】 .pdf

畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè) 計 專 業(yè) 車輛工程 班 級 學(xué) 生 指導(dǎo)教師 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 目 錄 摘 要 i abstract ii 第 1 章 緒 論 ii 1.1 研究背景 1 1.2 選題的理論價值和現(xiàn)實意義 2 1.3 本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢 2 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 2 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3 第 2 章 并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)簡介 4 2.1 混合動力傳動系統(tǒng)的概念 4 2.2 并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 6 2.3 混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的元件選型 7 2.3.1 發(fā)動機選型 7 2.3.2 電機選型 7 2.3.3 儲能元件選型 7 2.3.4 變速機構(gòu)選型 7 第 3 章 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 8 3.1 sc7130 主要技術(shù)參數(shù)及動力性要求 . 8 3.2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 9 3.2.1 發(fā)動機參數(shù) 9 3.2.2 傳動系參數(shù) . 10 3.2.3 電機參數(shù) . 12 3.2.4 儲能元件參數(shù) . 13 3.3 整車質(zhì)量組成及機構(gòu)參數(shù)校正 . 15 第 4 章 并聯(lián)混合動力汽車控制策略設(shè)計 . 17 4.1 控制策略概述 . 17 4.2 電池 soc 最大化控制策略 . 17 4.3 模糊邏輯控制策略 . 21 4.3.1 模糊控制特點 . 21 4.4 再生制動時的能量控制策略 . 22 第 5 章 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)建模與仿真 . 23 5.1 混合系統(tǒng)整車仿真模型 . 23 5.2 混合動力系統(tǒng)主要部件建模 . 23 5.2.1 整車行駛動力學(xué)模型 . 23 5.2.2 變速器模型 . 25 5.2.4 電機模型 . 27 5.2.5 電池模型 . 28 5.3 并聯(lián)混合動力汽車仿真 . 28 5.3.1 并聯(lián)混合動力汽車整車仿真模型 . 28 5.3.2 并聯(lián)混合動力汽車仿真分析 . 29 第 6 章 總 結(jié) . 1 致 謝 1 參考文獻 . 1 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） i 摘摘 要要 隨著石油資源的匱乏和大氣環(huán)境的惡化，人們對節(jié)能和環(huán)保的呼聲越來越高。因 此各種各樣的電動汽車應(yīng)運而生。但是由于電池的蓄電能力的限制，使得由蓄電池驅(qū) 動的純電動汽車的實用性受到了很大的約束。而融合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和純電動汽車 優(yōu)點的混合動力電動汽車（hev）成為了緩解能源和環(huán)境危機的途徑，是解決當前節(jié)能 和環(huán)保問題切實可行的過渡方案。 混合動力汽車配備了兩套動力系統(tǒng)，即傳統(tǒng)內(nèi)燃機和電機-蓄電池系統(tǒng)。理論和實 踐證明，設(shè)計合理、控制精確的混合動力汽車可以大幅度提高汽車的燃油經(jīng)濟性和降 低汽車的環(huán)境污染排放物，同時不犧牲汽車的動力性。但是混合動力汽車的結(jié)構(gòu)變的 復(fù)雜了，因此需要一套控制系統(tǒng)。 混合動力系統(tǒng)設(shè)計首先要解決機構(gòu)參數(shù)匹配設(shè)計問題。本文參照現(xiàn)有常規(guī)車型 sc7130 整車參數(shù)及動力性要求，針對一種并聯(lián)混合動力汽車（phv）結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計了 主要機構(gòu)參數(shù)，并考慮了系統(tǒng)質(zhì)量組成后對這些參數(shù)進行了校正設(shè)計。 混合動力系統(tǒng)設(shè)計還有控制策略設(shè)計這一關(guān)鍵問題。設(shè)計的合理與否直接關(guān)系到 能否滿足混合動力汽車的動力性要求以及改善燃油經(jīng)濟性和排放性能的目的。本文介 紹了三種 phv 常用的能量分配控制策略-soc 最大化控制策略、模糊邏輯控制策略和再 生制動控制策略，并對 soc 最大化控制策略進行了主要分析。 本文采用反向式仿真建模方法建立并聯(lián)混合動力系統(tǒng)仿真模型，并在 fpt75 城市 循環(huán)下對已設(shè)計的并聯(lián)混合動力汽車進行仿真計算，得出車輛的百公里油耗、發(fā)動機 工作點等結(jié)果，燃油經(jīng)濟性有明顯的提高，同時說明了本文并聯(lián)混合動力系統(tǒng)設(shè)計的 合理性。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：并聯(lián)混合動力系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)計，控制策略，建模與仿真 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 ii abstract with the pinch of petroleum resources and deterioration of atmospheric environment,we pay more and more attention to energy sources and environment. therefore kinds of electric vehicles are talent showing themselves. but because the battery capacity constraints, which is driven by a battery electric vehicle of the utility are greatly constrained. the fusion of traditional internal combustion engine vehicles and pure electric vehicles has the advantages of the hybrid electric vehicle ( hev ) become alleviate the sources of energy and environment crisis way, it is to solve current energy conservation and environmental protection practical transition plan. hybrid cars are equipped with two sets of power system, the traditional internal combustion engine and the electric motor and battery system. theory and practice prove, reasonable design, precise control of hybrid electric vehicle can greatly improve fuel economy and reduce the environmental pollution of automobile emissions, while not sacrificing the vehicle power performance. but the mixed power automobile structure became complicated, therefore need a set of control system. hybrid system design must first solve mechanism parameter matching design. in this paper, according to the existing conventional vehicle sc7130 vehicle parameters and power requirements, for a kind of parallel hybrid electric vehicle ( phv ) structure, design of main parameters of the mechanism, and taking the system composition on these parameters were corrected design. hybrid power system design and control strategy design of this key problem. the design is reasonable or not directly relates to whether satisfy hybrid vehicle power requirements and improve fuel economy and emission performance objective. this paper introduces three kinds of commonly used phv energy distribution control strategy of - soc to maximize control strategy, fuzzy logic control strategy and the regenerative braking control strategy, and the soc maximum control strategy for the main analysis. this paper adopts the reverse simulation modeling method to build a parallel hybrid system simulation model, and in the fpt75city bypass to have been designed for parallel hybrid electric vehicle simulation, draw the vehicle fuel consumption of 100 kilometers, the 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） iii engine working point as a result, the fuel economy is improved obviously, and show that the parallel hybrid power system design rationality keywords:parallel hybrid electric drive train;parameters matching design;control strategy;modeling and simulation 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第第 1 章章 緒緒 論論 1.1 研究背景研究背景 在當今社會，汽車已成為人們工作和生活中必不可少的交通工具。汽車工業(yè)水平 如何已是衡量一個國家現(xiàn)代水平的重要參考因素。汽車雖然給國民經(jīng)濟帶來發(fā)展，為 人類生活帶來方便。但也給人類的生存環(huán)境帶來巨大的災(zāi)害。全球 80%的城市噪聲是 由交通車輛造成的 42%的環(huán)境污染是來源于燃油汽車的排放。交通能源短缺與環(huán)境污 染問題是二十一世紀全球面臨的重大挑戰(zhàn)和制約汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的癥結(jié)所在。 據(jù)世界汽車制造商協(xié)會的統(tǒng)計， 世界上各種汽車的保有量超過了 8.5 億輛， 每年新 生產(chǎn)的各種汽車約 6400 萬輛， 按平均每輛車每年消耗 10 到 15 桶石油及石油制品計算， 汽車的石油消耗量每年達到 85 至 127 億桶，約占世界石油產(chǎn)量的一半。石油資源的開 采每年達幾十億噸，經(jīng)過長期的現(xiàn)代化大規(guī)模開采，石油資源日漸枯竭，按科學(xué)家預(yù) 測，地球上的石油資源如果按目前的開采水平，僅僅可以維持 60 到 100 年左右。據(jù)海 關(guān)總署統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2008 年我國石油包括原油、成品油、液化石油氣和其他石油產(chǎn) 品，凈出口量達 2.0067 億噸，同比增長 9.5%。而 2007 年，這個數(shù)據(jù)為 1.8328 億噸。 預(yù)計到 2020 年前后我國的石油進口量有可能超過日本，成為亞太地區(qū)第一大石油進口 國。國務(wù)院發(fā)展研究中心預(yù)測，預(yù)計到 2010 年和 2020 年，我國汽車消耗石油為 1.38 億噸和 2.56 億噸，約占全國石油總消耗量的 43%和 67%。因此能源危機是我們必須面 對的重要問題。 同時，汽車尾氣含有大量有害氣體，嚴重危害著全球環(huán)境和人類健康。據(jù)有關(guān)統(tǒng) 計，全世界汽車排放出得二氧化碳為 64 億標準碳噸，由此引起的大氣污染及地球氣候 變暖已對人類的生活環(huán)境產(chǎn)生深刻影響。目前世界上空氣污染最嚴重的十個城市中有 七個在中國。據(jù)國家環(huán)保中心預(yù)測，2010 年汽車尾氣排放量將占控制控制污染源的 64%。 全球能源危機和環(huán)境惡化以及當前的金融危機要求汽車工業(yè)提高汽車的燃油經(jīng)濟 性，減少污染物排放量。傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車技術(shù)已非常成熟，通過技術(shù)更新來提高內(nèi)燃 機汽車的燃油經(jīng)濟性和降低排放已非常困難，因此曾經(jīng)快速發(fā)展的電動汽車（electric vehicle,簡稱 ev）和其他代替能源汽車的研制被提上日程。ev 的能量轉(zhuǎn)換效率高、能 源來源廣、無尾氣排放，是最能滿足要求的汽車，但由于受蓄電池技術(shù)的限制，ev 的 行駛里程只能達到 100- 200 公里，無法與內(nèi)燃機汽車相比，因此 ev 的廣泛應(yīng)用受到限 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 2 制。fcv（fuel cell vehicle 燃料電池汽車）是一種未來汽車，受到相關(guān)技術(shù)發(fā)展的限 制，預(yù)計在未來十年到二十年達不到產(chǎn)業(yè)化的要求。于是，hev 成為一種過渡的方案。 根據(jù)國際機電委員會下屬的電力機動車技術(shù)委員會的建議，hev 的定義：有兩種 或兩種以上的儲能器、能源或轉(zhuǎn)換器作驅(qū)動能源，其中至少有一種能提供電能的車輛。 而一般人們常說的 hev 是指既有內(nèi)燃機又有電動機驅(qū)動的車輛。hev 將發(fā)動機、電 動機、能量儲存裝置- 蓄電池組合在一起，它們之間的良好匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā) 揮內(nèi)燃機汽車和電動汽車的優(yōu)點，避免各自的不足，是當今最具實際開發(fā)意義的低排 放和低油耗汽車。與 ev 相比，hev 的行程可延長 2- 4 倍，并可快速補充燃料。hev 與常規(guī)內(nèi)燃機汽車相比，二氧化碳的排放大約降至后者的 1/2，而一氧化碳、碳氫化合 物和氮氧化合物的排放則大約減少 1/10。 1.2 選題的理論價值和現(xiàn)實意義選題的理論價值和現(xiàn)實意義 混合動力電驅(qū)動系的概念來源于電動汽驅(qū)動系的發(fā)展。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機或柴油機 車輛相比，電動汽車具有零污染、多能源和高效率的優(yōu)點，然而，采用現(xiàn)代技術(shù)的電 動汽車也存在一些缺點：由于車載蓄電池能量儲存不足，其行駛里程有限；因蓄電池 組的重量及其龐大的體積，使其有效載荷和裝載容積受到限制：以及較長的蓄電池組 充電時間。研發(fā)混合動力電動汽車的原始目的在于融合傳統(tǒng)內(nèi)燃機和純電動汽車，建 立發(fā)動機和電機- 蓄電池兩套系統(tǒng)來為車輛提供行駛動力。 混合動力汽車的市場處于剛剛起步階段，但隨著對更高的燃油經(jīng)濟性的需求的增 長，混合動力汽車市場的潛在增長也變得越來越明顯。2005 年美國市場銷售的混合動 力汽車預(yù)計將超過 2004 年的兩倍。據(jù)此推測，美國的混合動力汽車銷售量將從 2004 年的 9 萬輛增長到 2012 年的約 65 萬輛。 1.3 本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀 幾乎在出現(xiàn)汽車的時候就有了混合動力汽車這個概念，只不過當時的目的并不是 降低燃油消耗，只想得到更好的動力性。近十年來才飛速發(fā)展。目前，由于排放法規(guī) 的制約和純電動銷路不好的情況下，汽車公司加大力度生產(chǎn)混合動力汽車。很早的時 候，有許多有遠見的汽車工程師就認為，在未來世界上生產(chǎn)的汽車中至少有將近一半 是混合動力汽車。日本豐田公司已經(jīng)生產(chǎn)混合動力汽車超過百萬輛?；旌蟿恿ζ嚨?車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 研發(fā)不僅是汽車工業(yè)上得一次簡單的技術(shù)革新，而且是一次新的汽車工業(yè)革命。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國雖然有計劃的開展了電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和整車研制，但是還處于探索 階段與國外比還有差距。隨著石油資源的枯竭、環(huán)保意識的提高，混合動力汽車成為 汽車發(fā)展的主流。我國政府已經(jīng)在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃中專門列有電動汽車重大 專項， 總經(jīng)費 8.8 億。 我國的幾大汽車集團近幾年都開展了混合動力汽車的研究開發(fā)工 作。例如一汽和二汽 02 年就啟動了混合動力汽車的研究，還和國外汽車公司合作，旨 在學(xué)習(xí)先進技術(shù)，加快我國混合動力技術(shù)的成長；東風(fēng)汽車公司已將擁有自主知識產(chǎn) 權(quán)的東風(fēng)混合動力城市公交和混合動力轎車實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；上汽集團也早已使上汽自主 品牌混合動力轎車等新能源汽車實現(xiàn)規(guī)模批量生產(chǎn)；長安集團的混合動力技術(shù)的研發(fā) 也已通過國家科技部第二階段的認證準備進入量產(chǎn)階段。 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 4 第第 2 章章 并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)簡介并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)簡介 2.1 混合動力傳動系統(tǒng)的概念混合動力傳動系統(tǒng)的概念 本質(zhì)上，任何車輛的動力系都要求：1.產(chǎn)生足夠的動力以滿足車輛性能的需要；2. 配置充分的車載能量以保證車輛行駛給定的路程；3.高效率的顯示；4.少量環(huán)境污染的 排放。一般來說，一輛車可以有多個能量及其能量轉(zhuǎn)換器，例如，汽油或柴油熱機系 統(tǒng)；氫- 燃料電池- 電動機系統(tǒng)；化學(xué)蓄電池- 電動機系統(tǒng)等。配置有兩個或更多個能源 及其能量變換器的車輛被稱作混合動力車，當其攜帶有電氣的動力系即能源及能量變 換器時，進而被稱為混合動力汽車。 混合動力電動汽車的驅(qū)動系通常由不多于兩個的驅(qū)動系組成，多于兩個動力系的 結(jié)構(gòu)將使系統(tǒng)復(fù)雜化。 為回收在傳統(tǒng) ice 車輛中意熱形式消耗的部分制動能量的目的， 通常的混合動力電驅(qū)動系含有一個雙向的能源及能量變換器，而另一類，則不是雙向 的、就是單向的能源及其能量變換器。圖 2- 1 展示了混合動力電驅(qū)動系統(tǒng)的概念，以 及可能的各種動力流的通路。 圖圖 2.1 混合動力系統(tǒng)概念示意圖 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 混合動力系統(tǒng)可通過不同的工作模式來向汽車提供驅(qū)動力。該混合動力系統(tǒng)主要 有以下幾種工作模式： 1.動力系統(tǒng) 1 單獨驅(qū)動 2.動力系統(tǒng) 2 單獨驅(qū)動 3.動力系統(tǒng) 1 和動力系統(tǒng) 2 同時驅(qū)動 4.動力系統(tǒng) 2 回收能量（再生制動） 5.動力系統(tǒng) 2 從動力系統(tǒng)得到能量 6.動力系統(tǒng) 2 從動力系統(tǒng) 1 得到能量同時回收制動能量 7.動力系統(tǒng) 1 單獨驅(qū)動并為動力系統(tǒng) 2 提供能量 8.動力系統(tǒng) 1 為動力系統(tǒng) 2 提供能量，動力系統(tǒng) 2 單獨驅(qū)動 9.動力系統(tǒng) 1 驅(qū)動，動力系統(tǒng) 2 回收能量 在混合動力汽車中，各種電驅(qū)動系的運行模式形成了優(yōu)于單動力系車輛的更多的 靈活性。由特有的結(jié)構(gòu)和控制，采用對每一特定運行工況的專用模式予以實施應(yīng)取決 于許多因素。例如驅(qū)動系的實際結(jié)構(gòu)、動力系的效率特性、負載特性等。 對于車輛的總效率來說，必不可少的前提是任一個動力系都運行于最佳的效率內(nèi)。 內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速一般隨著節(jié)氣門全開，有其最佳經(jīng)濟區(qū)域。遠離該區(qū)間將導(dǎo)致?lián)p失大量 的效率。同時，當與遠離最佳效率運行去的內(nèi)燃機相比時電動機所經(jīng)歷的效率變化不 像內(nèi)燃機那樣的不利。 車輛的頻繁加速、減速、上坡和下坡，其負載功率在實際運行中是隨機變化的。 事實上，負載功率由兩部分組成：一是穩(wěn)定的平均的功率，為恒定值；二是為具有零 平均值得動態(tài)功率。在混合動力汽車中，設(shè)計用內(nèi)燃機、油箱來供給平均功率，用電 動機來供給動態(tài)功率。在整個行駛循環(huán)中，來自于動態(tài)動力系的總能量輸出將為零。 這表示動態(tài)動力系的能源在行駛循環(huán)終結(jié)時，不失去能量的容量，其功能僅作為功率 得調(diào)節(jié)器。 在混合動力汽車中，穩(wěn)定的平均的功率由斯特林發(fā)動機、內(nèi)燃機和燃料電池等提 供。因為動態(tài)功率取自于動態(tài)功率源，故所采用的內(nèi)燃機或燃料電池比單動力系設(shè)計 中的內(nèi)燃機或燃料電池要小得多，所以才能使其穩(wěn)定的運行在最佳效率去，動態(tài)功率 可由配置飛輪組（機械蓄電池組） 、電池組和超級電容器組的電動機提供，或可由它們 組合配置的電動機提供。 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 6 2.2 并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖圖 2.2 并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)示意圖 圖 2.1 所示給出了簡單的混合動力汽車的結(jié)構(gòu)布置型式， 各元件之間用線條連接表 示能量流的路徑和控制路線。圖 2.2 所示的油箱- 內(nèi)燃機和電池- 電機就可以作為主要動 力和輔助動力的例子。內(nèi)燃機也可以由其他的動力源來代替，比如燃料電池。蓄電池 也可由超級電容或飛輪或是復(fù)合電源來替代。 對于并聯(lián)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，發(fā)動機向驅(qū)動輪提供動力的方式和傳統(tǒng) ice 汽車類 似。而電機則通過機械耦合裝置提供輔助動力，如下圖所示。 圖圖 2.3 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2.3 混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的元件選型混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的元件選型 混合動力系統(tǒng)的主要動力元件為：發(fā)動機、電機、儲能元件及傳動機構(gòu)等。主要 根據(jù)混合動力汽車工作特性的要求來選擇合適的類型。 2.3.1 發(fā)動機選型發(fā)動機選型 考慮了混合動力汽車工作特性因素并總結(jié)了目前各國在混合動力汽車研究中選用 的發(fā)動機方案，可應(yīng)用于混合動力汽車的發(fā)動機主要有：轉(zhuǎn)子發(fā)動機、燃氣輪機、二 沖程發(fā)動機、斯特靈發(fā)動機以及四沖程汽、柴油機等。就目前混合動力汽車而言，沿 用技術(shù)成熟的先進的四沖程發(fā)動機并做適當?shù)母倪M不失為實際而簡捷的方案。 2.3.2 電機選型電機選型 在混合動力汽車上，電機的選用原則為高性能、低自重、小尺寸、電磁輻射小、 成本低和維護方便?；旌蟿恿ζ囉媒涣麟姍C驅(qū)動系統(tǒng)主要采用異步電機驅(qū)動系統(tǒng)。 例如三相鼠籠異步電機，結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、轉(zhuǎn)速極限極高。 2.3.3 儲能元件選型儲能元件選型 當前在中度及其以上的混合動力汽車中使用較多、技術(shù)較為成熟的是電化學(xué)電池 即蓄電池。鎳氫電池作為電化學(xué)電池，具有很好的耐過充電特性，良好的使用安全性 和充放電效率，更重要的是該電池的反應(yīng)物中無溶解析出物，所以很適用于混合動力 汽車。本論文所采用的電池就是鎳氫電池。 2.3.4 變速機構(gòu)選型變速機構(gòu)選型 本論文采用電控機械式自動變速器（amt）.它是將電子控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的 機械手動變速器中，使其具有自動變速功能的同時，又能充分發(fā)揮齒輪式機械變速器 傳動效率高、易于制動的優(yōu)點。駕駛員通過加速踏板向電控系統(tǒng)表達意圖，電控系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)定的檔位模式對發(fā)動機、變速器和離合器三者實施綜合控制，是汽車具有良好 的行駛性能。 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 8 第第 3 章章 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 本章主要討論并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)機構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，其目的是滿足整車的動力性 能指標要求的前提下，為提高整車的經(jīng)濟性和排放性，確定合適的各總成部件參數(shù)。 設(shè)計發(fā)動機功率及最高轉(zhuǎn)速，電機功率、最高轉(zhuǎn)速及基速比，電池功率及容量， 傳動機構(gòu)檔位數(shù)及速比等參數(shù)，在合適的系統(tǒng)控制策略下，使其在滿足汽車動力性要 求的前提下提高系統(tǒng)整體效率，從而達到節(jié)油和降低排放的目的。 3.1 sc7130 主要技術(shù)參數(shù)及動力性要求主要技術(shù)參數(shù)及動力性要求 在設(shè)計并聯(lián)混合動力系統(tǒng)部件參數(shù)前， 首先通過資料得到 sc7130 轎車的主要技術(shù) 參數(shù)，如表 3.1 所示，這些參數(shù)是下文設(shè)計所必需的。 表表 3.1 sc7130 轎車主要技術(shù)參數(shù) 技術(shù)參數(shù) 數(shù)值 整車 整備質(zhì)量（kg） 86520 滿載質(zhì)量（kg） 1190 車輪半徑（m） 0.265 滾動阻力系數(shù) 0.012 迎風(fēng)面積（） 1.7 空氣阻力系數(shù) 0.38 發(fā)動機 額定功率（kw） 63/6000rpm 最大扭矩（nm） 110/3500-4500rpm 最高轉(zhuǎn)速（rpm） 6300 傳動機構(gòu) 主減速器速比 4.38 變速器速比 i 檔 3.416 ii 檔 1.894 iii 檔 1.280 iv 檔 0.914 v 檔 0.757 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 參考 sc7130 轎車的動力性能，提出本文混合動力汽車的動力性要求如下： （1） 最高車速160/km h； （2） 加速時間 14s （0100/km h）； （3） 最大爬坡度在發(fā)動機單獨驅(qū)動模式下不小于 30%。 3.2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 混合動力系統(tǒng)設(shè)計得重點是確定發(fā)動機和電機的功率大小，以及怎樣通過控制策 略實現(xiàn)汽車在行駛過程中所需功率在這兩者只見那的分配。除此之外，傳動機構(gòu)檔位 數(shù)、速比和電池功率及最大容量等，也是動力系統(tǒng)的重要參數(shù)。 3.2.1 發(fā)動機參數(shù)發(fā)動機參數(shù) 汽車勻速行駛在水平路面上，要求發(fā)動機提供的汽車行駛所要的穩(wěn)定功率，同時 發(fā)動機還要不依靠電池而向汽車提供最夠的行駛功率。發(fā)動機功率就從滿足這兩點要 求去設(shè)計。 (1) 發(fā)動機單獨驅(qū)動下滿足高速公路汽車行駛功率要求： 汽車勻速行駛在水平高速公路上時，需求功率為 2 , 1 ()() 10002 evradf t e v pm gfc a vkwr h =+ (3.1) 其中， , t e h發(fā)動機到車輪的傳動效率，取 0.9； v汽車行駛速度，/m s g 重力加速度， 2 9.80/m s r f 滾動阻力系數(shù) a r 空氣密度， 3 1.202/kg m d c 空氣阻力系數(shù) f a 汽車迎風(fēng)面積， 2 m 帶入整車參數(shù)并計算，得到汽車在水平路面上行駛時，速度達到 160/kw h時所需 功率為 39.43kw，取整，得到發(fā)動機功率為 40kw。 (2) 滿足典型循環(huán)工況下平均行駛功率要求： 在一個循環(huán)工況中，平均行駛功率可由下式計算得到 3 0 11 () 2 t avevradfv dv pm gf vc a vm vdt tdt rd=+ (3.2) 其中汽車的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)h 為一常量，取為 1.01。 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 10 平均行駛功率也隨制動能量回收程度的不同而變化。主要看制動能量全回收和零 回收就可以。如果是前者，則平均行駛功率就由式子 3.2 計算得到；若是后者，平均行 駛功率就要大點，也可這樣計算，小于零的瞬時功率記為零。 在設(shè)計發(fā)動機功率參數(shù)時，必須使發(fā)動機最大平均輸出功率大于平均行駛功率。 在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機與驅(qū)動輪之間是機械連接的，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速也就隨著 車速的變化而變化。另一方面，發(fā)動機節(jié)氣門全開的輸出功率也隨著其轉(zhuǎn)速的變化而 變化。因此，確定發(fā)動機的功率來滿足一個循環(huán)工況下平均行駛功率就不像串聯(lián)混合 動力系統(tǒng)那樣直接。發(fā)動機節(jié)氣門全開的平均輸出功率可由下式計算 max 0 1 ( ) t avee pp v dt t - = （3.3） 其中，t 為循環(huán)工況的總時間， ( )e p v 為發(fā)動機節(jié)氣門全開下的輸出功率。 表 3.3 給出了幾種典型循環(huán)工況下發(fā)動機節(jié)氣門全開時可能的平均輸出功率， 這里 的發(fā)動機的最大功率是 40kw，發(fā)動機外特性采用 sc7130 轎車用發(fā)動機(jl474q1 按一 定比例縮小得到。 與表 3.2 中平均行駛功率作比較， 可知發(fā)動機的選擇滿足這些循環(huán)工 況的行駛要求。所以發(fā)動機功率設(shè)定為滿足汽車高速公路等行駛所要求的功率，即 40kw。 表表 3.3 典型循環(huán)工況下發(fā)動機節(jié)氣門全開時可能的平均輸出功率（單位：kw） ftp75 城市循環(huán)工況 6 ftp75 高速公路循環(huán)工況 14.6 3.2.2 傳動系參數(shù)傳動系參數(shù) 本文設(shè)計的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)，發(fā)動機和電動機都是通過變速器和主減速器輸出， 如圖 2.3 所示。 傳動系參數(shù)主要包括變速器和主減速器速比。最大速比取決于整車的最大爬坡度， 最小速比卻決于整車的最高車速。當汽車以最常用的巡航車速行駛時，盡可能使發(fā)動 機工作在高效區(qū)。 （1）最小傳動比的選擇 傳動系最小傳動比，可根據(jù)發(fā)動機單獨驅(qū)動時，最高車速的功率平衡點進行選擇， 即當發(fā)動機工作在最大功率點處時，對應(yīng)最高車速為 160/km h，此時有如下對應(yīng)關(guān)系 max min,2 1 2 et e vradf ti m gfc a v r h r=+ （3.4） 所以 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 2 min max, (/ 2) vradf et e m gfc a vr i t r h + = （3.5） 代入數(shù)據(jù)計算得 min 3.6924i=。 （2）最大傳動比的選擇 最大傳動比為變速器的一檔速比與主減速比的乘積。該速比主要滿足以下兩方面 的要求。 （1）滿足最大爬坡度的要求。汽車在最大爬坡度工況時車速較低，可忽略空氣阻力， 最大傳動比應(yīng)滿足 max max, (cossin ) vr et e m g fr i t aa h + （3.6） 式中，a最大爬坡角度，16.7（30%） 。代入數(shù)據(jù)計算得， max 14.71i。 （2）滿足附著條件的要求，即牽引力不應(yīng)大于附著力 max max, max2 et e t ti ffm g r j h j=? （3.7） 所以應(yīng)滿足 2 max max,et e m gr i t j h （3.8） 式中， maxt f最大牽引力，n; fj 附著力，n; 2 m 驅(qū)動橋質(zhì)量，取 2 0.6 v mm=?,kg； （原車比例系數(shù)為 500/（500+365） =0.578） j附著系數(shù)，取j=0.7。 代入數(shù)據(jù)計算得到， max 33i。 由此可知，僅發(fā)動機驅(qū)動時的最大傳動比應(yīng)該設(shè)計在 14.71 和 33 之間，但是實 際上常常是發(fā)動機和電機混合驅(qū)動，因此最大傳動比還要滿足混合驅(qū)動時的附著條件。 又考慮到在滿足汽車動力性要求下盡量減少相鄰檔之間的比值，故取 max 15.5i=。在設(shè) 計好各機構(gòu)參數(shù)后，可對此參數(shù)校驗。 （3）主減速器速比的選擇 主減速器速比的選擇首先應(yīng)滿足車輛最高行駛要求，即 0,maxmax 0.377/ e inr v (3.9) sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 12 式中為發(fā)動機最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 6000（r/min）； 為車輪滾動半徑 0.265m，為最 高車速 160km/h。另外，為使發(fā)動機在最高車速時仍能發(fā)揮最大功率， 的選擇還應(yīng)滿 足 0max 0.377/ eq in r v (3.10) 式中為發(fā)動機最大功率點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速 5400(r/min)。 因此可得： 0 4.585.19i (3.11) 參考原車型的主減速比，取為 5.0。 （4）變速器檔位數(shù)及各檔傳動比的選擇 變速器檔位數(shù)的多少主要從動力性、經(jīng)濟性、操縱性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及需要進行 選擇。檔位多，發(fā)動機功率利用率高，但是多的話又會使操作機構(gòu)復(fù)雜。 參考 sc7130 轎車主減速器速比，本文設(shè)計的主減速器為 5.0。同樣，變速器也采 用五檔。且各檔速比按等比級數(shù)分配，結(jié)合以上分析，設(shè)計各檔速比，如表 3.4 所示。 表表 3.4 變速器各檔速比 3.1 2.1657 1.513 1.000 0.7385 3.2.3 電機參數(shù)電機參數(shù) 對于并聯(lián)混合動力汽車，電機的作用主要是為混合動力系統(tǒng)提供峰值功率。設(shè)計 電機功率，主要考慮在幾種典型循環(huán)工況下的加速性能和汽車行駛的峰值需求功率。 設(shè)計電機功率分兩步，第一，從給定的混合動力汽車加速性能對電機功率初步估 計，再通過仿真計算對初步估計的電機功率進行調(diào)整。 根據(jù)加速性能初步估計電機功率： 初步估計的時候，可以假設(shè)汽車穩(wěn)態(tài)行駛動力（克服滾動阻力和空氣阻力)由發(fā)動 機提供，動態(tài)動力（克服加速時的慣性阻力）由電機來提供。有了這個假設(shè)，電機的 輸出扭矩和汽車加速度就有如下的關(guān)系 ,m t mt m mv t i dv m rdt h d= （3.12） 其中， m t 電機輸出扭矩； 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 m d 電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，取為 1.03； , t m i電機到驅(qū)動輪的傳動比； , t m h電機到驅(qū)動輪的傳動效率，取為 0.95； r 車輪滾動半徑。 利用某電機輸出特性，加上給定的從初速 0 到末速度為 f v （100km/h）的加速時間 a t （14s） ，可由式 3.13 得到電機功率如式 3.14。 0 / bf b vv vmvm a v mbm mm tdvdv pvpv dd =+ 蝌 (3.13) 22 , () 2 mv mfb t m a m pvv t d h =+ (3.14) 式中， b v 為電機額定轉(zhuǎn)速下的車速。上式表明，若加速性能確定，那么電機額定 轉(zhuǎn)速下的車速越小，電機的功率等級也越小。它很確切的表明，若電機 x取小，即 b v 較 高，那么減小 b v 就可以很大的減小對電機功率等級的要求。但是， x取得較大時，效 果就又不明顯了。 本文選擇電機5x =，則根據(jù)式 3.13 計算得到初步估計得電機功率22.13 m pkw= 。 (2) 通過計算調(diào)整上步的功率： 上步設(shè)計得電機功率有點偏大，汽車加速的時候，發(fā)動機還有一部分轉(zhuǎn)化為后備 功率，并且還要分擔一點加速功率，汽車加速時發(fā)動機的平均后備功率為 , 1 () a i t e aer t ai ppp dt tt =- - (3.15) 式中， e p 發(fā)動機功率，單位: kw； r p 阻力功率，單位: kw； a t 加速時間，單位: s； i t 發(fā)動機驅(qū)動開始時刻，單位: s。 將初步估計得電機功率減掉剛算的后備功率得 17.95kw，取整為 18kw，即為設(shè) 計得電機功率值。 3.2.4 儲能元件參數(shù)儲能元件參數(shù) 儲能元件參數(shù)主要包括電池功率和容量兩方面： (1) 功率選擇 功率設(shè)計只要滿足電機的輸入功率要求即可，即 m s m p p h (3.16) sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 14 其中， m p 為電機最大功率， m h 為電機效率。 本文選擇某交流電機，其最大功率為 18kw，最大效率為 0.9，平均效率為 0.8，經(jīng) 計算儲能元件功率設(shè)計為 23kw。 (2) 容量選擇 在汽車加速階段，儲能元件和發(fā)動機輸出得能量由下式計算 0 a t m s m p edt h = (3.17) 和 0 a t emge epdt= (3.18) 其中， s e 表示儲能元件輸出的能量， eng e表示發(fā)動機輸出得能量， m p 表示電機輸 出得功率， e p 表示發(fā)動機輸出功率。圖 3.1 表示該混合動力汽車在加速階段計算得到 的隨車速變化的儲能元件和發(fā)動機輸出能量。在汽車末速度為 120/km h時，儲能元件 輸出能量大約為 0.2kwh。 圖圖 3.1 加速期間儲能元件和發(fā)動機的輸出能量曲線 儲能元件的能量變化可由下式得到 0 () a t cscsd eppdt=- (3.19) 其中， sc p 為儲能元件充電功率， sd p 表示儲能元件放電功率。它們可以在確定了控 制策略后通過混合動力系統(tǒng)的仿真計算得到。 儲能元件的能量最大變化量比全油門加速工況低，所以儲能元件的容量由全油門 加速工況下的電能消耗來決定。但是儲能元件的能量并不是全部被利用。若用電池， 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 則電池 soc 過低就會限制它的功率輸出，若用超級電容，過低的 soc 又會使其端電 壓降低，也不好。若用飛輪電池，過低的 soc 相當于過低的飛輪轉(zhuǎn)速，也影響性能。 所以，儲能元件的能量只有部分能用到，它可以用 soc 的百分數(shù)來表示。儲能元件的 容量由下式得到 d cs tb e e socsoc = - (3.20) 其中， d e 表示儲能元件放電量， t soc 和 b soc 分別為儲能元件 soc 上限和下限， 0.2 d ekwh= ，若最多只能用元件中的 40%的能量，則儲能元件的最小容量為 0.5kwh。 3.3 整車質(zhì)量組成及機構(gòu)參數(shù)校正整車質(zhì)量組成及機構(gòu)參數(shù)校正 整車的質(zhì)量由下式計算得到 vbchdrt mmmmm=+ （3.21） 其中， v m 汽車總質(zhì)量，kg b m 車身相關(guān)部分質(zhì)量，kg ch m地盤非傳動系部分質(zhì)量，kg dr m混合動力系統(tǒng)部分質(zhì)量，kg l m 汽車載重質(zhì)量，kg 對于并聯(lián)式混合動力汽車，其車身相關(guān)部分質(zhì)量和底盤非傳動系部分質(zhì)量與傳統(tǒng) 的 ice 汽車相差不大，在計算時可近似認為是一定值 fir m，有 firbch mmm=+ （3.22） 混合動力系統(tǒng)的質(zhì)量則由發(fā)動機、電機及控制器、電池組和傳動機構(gòu)等各部件質(zhì) 量組成。每個部件具有一定得效率和一定得比功率（w/kg） ，通過它們就可以估算出上 述部件的功率需求對應(yīng)的質(zhì)量。整個混合動力系統(tǒng)質(zhì)量可描述為 dricemotbattra mmmmm=+ （3.23） 其中， ice m發(fā)動機質(zhì)量，kg mot m電機及控制器質(zhì)量，kg bat m電池組質(zhì)量，kg tra m傳動機構(gòu)質(zhì)量，kg 假定發(fā)動機、電機及控制器、電池組和傳動機構(gòu)的比功率分別為 ice s、 mot s、 bat s、 tra s，它們的功率需求分別為 ice p 、 mot p、 bat p 、 tra p ，于是可得 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 16 / iceiceice mps= （3.24） / motmotmot mps= （3.25） / batbatbat mps= （3.26） / tratratra mps= （3.27） 本文混合動力汽車傳動機構(gòu)即變速器和主減速器與 sc7130 轎車沒有大的變化， 所以可認為它們質(zhì)量也相同，于是兩車型只有三者不一樣，這三者質(zhì)量為 /40/0.31129() iceiceice mpskg=? （3.28） /44/0.8254() motmotmot mpskg=? （3.29） /55/0.3183() batbatbat mpskg=? （3.30） 其中 ice s、 mot s和 bat s查表確定為 0.31、0.82 和 0.3（/kw kg ） 而原車型發(fā)動機質(zhì)量為 201kg 。所以設(shè)計后的質(zhì)量相當于增加了（129+54+183） -201=165kg ，即 hev 整車質(zhì)量為 1190+165=1355kg 。 有了新的質(zhì)量參數(shù)后，于是得到下表 表表 3.5 混合動力系統(tǒng)機構(gòu)參數(shù) 發(fā)動機 功率（kw） 41 最高轉(zhuǎn)速（rpm） 6300 傳動機構(gòu) 主減速器速比 5 變速器速比 i 檔 3.3 ii 檔 2.2697 iii 檔 1.5611 iv 檔 1.0737 v 檔 0.7385 電機 功率（kw） 18 最高轉(zhuǎn)速（rpm） 10000 基速比 5 電池 功率（kw） 23 能量（kwh） 0.6 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 第第 4 章章 并聯(lián)混合動力汽車控制策略設(shè)計并聯(lián)混合動力汽車控制策略設(shè)計 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)機構(gòu)參數(shù)設(shè)計好之后，下一步就是制定合適的控制策略，以此 來調(diào)節(jié)發(fā)動機和電機兩套動力系統(tǒng)的工作情況，使得汽車具有高效率，以達到節(jié)油和 降低排放的目的。 內(nèi)燃機工作在中低負荷區(qū)域效率較高，且工作區(qū)域?qū)τ秃挠绊懨黠@。而電機的工 作區(qū)域?qū)π视绊懖淮?。所以混合動力的控制思想就是：使發(fā)動機工作在其特性圖上 的高效率區(qū)域，不足動力由電機來補充，或是多余動率驅(qū)動電機為電池充電。 4.1 控制策略概述控制策略概述 混合動力汽車控制策略的控制目標主要有三個： （1）最佳燃油經(jīng)濟性； （2）最低 的排放； （3）最低的系統(tǒng)成本。 所以在設(shè)計控制策略時，要考慮一下幾個問題： （1）發(fā)動機的工作點是否在最優(yōu)區(qū)。由發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速特性曲線來確定。 （2）發(fā)動機避免最低轉(zhuǎn)速。因為發(fā)動機運行速度小時，燃油消耗會很大。 （3）蓄電池荷電狀態(tài)要處在合適的區(qū)域。因為過低，就不能給汽車提供合適的功 率。 （4）分工適當。發(fā)動機和蓄電池應(yīng)合理分擔汽車所需的功率。 由于邏輯門限值控制方法相對簡單，易于實現(xiàn)，所以國外成型的混合動力樣車和 產(chǎn)品車大多采用這種控制方法。按照此策略設(shè)計后可以滿足汽車的動力性要求、實現(xiàn) 汽車整體的高效率、保證電池 soc 維持在一個合理的水平而不需要外界為其充電、回 收制動能量。模糊邏輯控制方法不需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它完全基于人已有的知識和 經(jīng)驗進行控制，具有獨特的優(yōu)勢。而再生制動策略主要是考慮將汽車的動能和勢能轉(zhuǎn) 化為電能儲存在儲能元件中，然后對其再利用的技術(shù)手段。 4.2 電池電池 soc 最大化控制策略最大化控制策略 電池 soc 最大化控制策略是一種邏輯門限控制的電力輔助策略。它將控制電機使 其在汽車行駛工程中，隨工況需求變化配合發(fā)動機工作。而發(fā)動機則盡可能工作在最 佳經(jīng)濟區(qū)域，若電池 soc 值沒到達最大，發(fā)動機的剩余功率全用來給電池充電。 sc7130amt 重度混合動力汽車參數(shù)匹配設(shè)計 18 在該策略下，并聯(lián)混合動力系統(tǒng)主要有發(fā)動機單獨驅(qū)動、電機單獨驅(qū)動、混合驅(qū) 動、再生制動、發(fā)動機為電池充電等幾種工作模式。如下圖 4.1 給出了混合驅(qū)動、發(fā)動 機單獨驅(qū)動和電機單獨驅(qū)動以及電機再生制動模式下的最大功率曲線。用 a、b、c、 d 四點來分別表示四個不同工況對功率得不同需求。 圖圖 4.1 同功率需求點的工作模式 其中 l p 為驅(qū)動或制動功率， e p 為發(fā)動機功率， m p 為電動機驅(qū)動功率， mb p 為再生 制動功率， mf p 為機械制動功率， mc p 為電池充電功率 上述工作模式分別描述如下： （1）電機單獨驅(qū)動：車速還未達到指定速度 eb v 低于這個速度，發(fā)動機不能穩(wěn)定 的工作，所以發(fā)動機關(guān)閉或是怠速運行，電機單獨驅(qū)動。發(fā)動機功率、電機功率和電 池放電功率分別為 0 e p = （4.1） , l m t m p p h = （4.2） m pps d m p p h - = （4.3） 其中， e p 為發(fā)動機輸出功率， l p 為汽車行駛需求功率， , t m h為電機到驅(qū)動輪的傳 動效率， m p 為電機輸出功率， pps d p - 為電池放電功率， m h 為電機效率。 （2）發(fā)動機-電機混合驅(qū)動：圖 4.1 所示 a 點的行駛需求功率大于發(fā)動機能提供 的功率，發(fā)動機和電機同時工作驅(qū)動車輛行駛，即發(fā)動機-電機混合驅(qū)動。此時，控制 車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 節(jié)氣門開度使發(fā)動機工作在最佳經(jīng)濟區(qū)域，輸出功率為 e p ，剩余功率由電機來補充， 電機功率和電池放電功率分別為 , , let e m t m pp p h h - = （4.4） m pps d m p p h - = （4.5） 其中， , t e h為發(fā)動機到驅(qū)動輪的傳動效率。 （3）