车辆工程毕业设计57基于ADVISOR混合动力汽车驱动系统的研究论文

第1章绪论
自1886年，德国诞生了世界上第一辆汽车以来，汽车已经极大的改变了人们的生活，成为重要的运输及代步工具。

目前，汽车工业已经成为当今世界最大、最重要的工业部门之一。

汽车缩短了人们之间的距离，提高了生活质量。

但我们在享受汽车文明的同时，也必须面的汽车带来的负面影响：环境污染和过度能源消耗。

目前，世界上空气污染最严重的10个城市7个在中国。

上个世纪人们关注的是汽车节能、排放和安全技术，而本世纪初，人们已经更多的将目光转向汽车新能源和环保技术。

研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。

改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比重仍很小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重。

现行的汽车排放标准的限制水平远低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8倍，而碳氢和氮氧化物更高达l0倍。

国际上，涌动的混合动力汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。

但混合动力汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。

这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展混合动力汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。

1.1混合动力汽车的发展历史
当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是排放废气污染环境。

20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。

虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。

由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。

现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（Hybrid-Electric Vehicle缩写HEV）的汽车。

所谓混合动力装置就是将电动机与辅助
动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。

形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。

这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10％以上，废气排放可改善30％以上。

混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式(SHEV）和并联式（PHEV）两种。

串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。

负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。

当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机-发电机组向电池组充电。

这种串联式电动车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。

例如福特“新能级－2010”SHEV，其电池采用燃料电池，在城市市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机，电动机通过减速器（变速器）和驱动桥驱动车轮，达到了“零排放”要求。

当高速及爬坡时，则由发动机-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。

并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。

电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。

由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。

例如大众汽车公司的高尔夫PHEV，发动机通过离合器1带动电动－发电机，输出扭力再通过另一边离合器2驱动车辆行驶。

静止启动时，电池向电动－发电机供电，此时电动－发电机就是发动机的起动机。

发动机启动后，发动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动电动－发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。

在市区行驶时，发动机关闭，离合器1脱开，离合器2接合，电池作为唯一能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。

当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动离合器1闭合，发动机与电动－发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。

混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。

由于构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。

1.2研究的目的和意义
随着传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。

由此人们越来越
关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，例如燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle简称FCV）、纯电动汽车（Electric Vehicle简称EV）和混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle 简称HEV）。

FCV是利用氢、氧在常温下通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。

但是FCV目前存在着成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化至少需要十至十五年的时间。

EV虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术上并未去得突破性的进展，而且电动汽车依然存在续驶里程短和充电时间长等问题。

HEV虽然不能实现零排放，但真对以上FCV、EV所存在的问题，HEV 在目前环境更具有更强大的优势，在世界范围内将成为新型汽车开发的热点。

世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此，日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，预测表明到2010年全球混合动力汽车年产可达294万辆。

因石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。

我国政府已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车)，北京申报成功2008年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。

在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。

1.3国内外发展现状
1.3.1国内的研究现状
随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，混合动力汽车及电动汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。

我国政府也已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门开列了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。

目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了重大进展。

形
成了具有完全自主知识产权的动力系统技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系。

混合动力汽车的核心是电池（包括电池管理系统）技术。

除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。

从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。

截止到2009年1月31日，在混合动力车辆技术领域，我国知识产权局受理并公开的中国专利申请为1116件。

在1116件专利申请中，发明为782件（授权为107件）、实用新型为334件。

掌握了关键零部件核心技术，自主开发出系列化产品，关键零部件产业化全面跟进。

在混合动力汽车的核心——电池技术研发方面，我国已自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品，能量密度和功率密度接近国际水平，同时突破了安全技术瓶颈，在世界上首次规模应用于城市公交大客车；自主开发的200kw以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机，电机重量比功率超过1300w/kg，电机系统最高效率达到93％；自主开发的燃料电池发动机技术先进，效率超过50%，成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国家之一。

与此同时，混合动力汽车关键零部件的产业化全面跟进，生产配套能力显著增强。

近来，力神、比亚迪、比克、万向等动力电池企业投入数十亿资金加快产业化建设，上海电驱动、大郡、湘潭电机、南车时代等电机企业加强与上下游企业合作，积极完善产业链建设。

在未来2-3年内，预计将形成20亿Ah以上的动力电池和全系列驱动电机生产能力，能够满足100万辆混合动力及电动汽车的配套要求。

掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车的开发能力。

我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%。

同时，各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。

目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市。

虽然电动汽车具有很多优点，但是它不能取代传统的燃气动力模式，而混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，其发展方向是真正零排放、无污染，不消耗燃油的燃料电池车辆。

现在混合动力汽车在欧美国家及日本已形成产业化，而国内还处于起步阶段，没有形成产业化。

1.3.2国外的研究现状
一．日本混合动力汽车的发展：
在1997年日本就率先进入混合动力汽车商业生产，现在技术已经完全成熟，进入
大批量生产，产销量逐年增加，现在混合动力汽车已经开始成为发展的主流。

丰田公司的Pruis 1997年开始投产，1998年成为世界第一个小规模成批生产的汽油电动混合动力车。

Pruis混合动力电动轿车是单轴驱动混联式混合电动车辆，以行星齿轮作为动力连接装置。

发动机通过单向离合器将动力输出到行星架，行星架按固定比例将扭矩分配到行星架，行星架按固定比例将扭矩分配到中心轮连接的发电机，电动机通过齿轮减速机构进行动力输出。

发电机采用永磁同步交流电机，可以工作于电动机状态。

另外车辆功率分配装置，借助于控制发电机的发电量来调节动力分配比例。

THS传动系统起到类似无级变速器的作用。

采用电动机助力驱动的运行状态，利用永磁同步电机低速恒转矩的特性。

在车辆启动或加速运行时，使得电动机的优异转矩特性发挥得淋漓尽致。

本田公司的混合动力汽车采用内燃机带电机助力（IMA）系统。

由1.0LVETC汽油机、60mm厚的环状DC无刷汝铁硼永磁电机、镍氢电池、动力控制单元集成，装于本田Insight两座轿车上，采用手动或自动变速器，每升汽油行驶里程分别为35km 或32km。

本田Insight混合动力汽车采用了转矩复合的方式，其手动变速车创造了3L 汽油行驶105km的好成绩，而装备的CVT的车型也创下了3L汽油行驶96km的好成绩。

在这种混合动力系统中，以汽油发动机为主要动力，电动机为辅助动力，动力分配比为9:1。

根据阿贡国家实验室的试验结果，本田Insight的燃油消耗比相当于传统轿车减少55%，CO排放量是传统汽油机轿车的0—20%，HC的排放量是传统汽油机轿车的50%。

二．美国在混合动力车开发生产中的表现：
早在1997年，美国PNGV就根据当时的进展情况，筛选出压燃直喷(CIDI)发动机，混合动力电驱动系统,燃料电池(含储能电池)和轻质材料4项新技术,组织和号召大家重点突破，混合动力技术是重点之一，鉴于直喷柴油机也是一项重点，为了容易达到PNGV80MPG(33.78Km/L)的目标，美国三大汽车公司都发展了柴油机电动机混合动力，而且都按计划于1999年制造出柴油机混合动力轿车。

如戴-克公司Dodge ESX3,适度混合动力系统（mild hybrid），福特公司Prodigy，低储能需求(LSR)混合电驱动系统，通用汽车公司Precept，双轴混合电驱动系统等。

虽然三家公司都完成了与政府的合作计划,并获得了PNGV的资金补助。

但是都没有考虑商业化问题。

现在为了实现商业化不得不重新开发市场需要的产品，并安排制造计划，这就比日本公司落后了大约5年。

2000年以来，三大汽车公司总结了低批量生产电动汽车的经验教训，决定实施战略转变，将其混合动力系统装于高耗能和高价格的SUV和轻型载货车上。

轻型载货车和SUV这类汽车在美国销售数量极大，所以改善这些车辆的燃料经济性,
将对降低总体燃料消耗和CO2的产生更有意义。

三．欧洲对于混合动力汽车的观点：
欧洲的汽车公司认为,虽然汽油机混合动力技术节省汽油，也能降低排放,但相比之下柴油机轿车更好，因为柴油机已经发展成为清洁，平顺，安静的动力。

增压器,高压燃料喷射系统已经将柴油机改进得和汽油机一样好,加上清洁低硫的柴油燃料，柴油机轿车已经具有更高的燃料经济性，同时柴油机比汽油电动混合动力更加简单、高效、制造费用较低,也能使制造者获得合理的利润。

1.8LTDI柴油机轿车燃油经济性大约是21.1Km/L,价格则低于本田的Civic。

所以欧洲汽车公司的主要精力放在发展现代增压直喷柴油机轿车上。

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。

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。

混合动力电动汽车，具备了良好的动力性能，良好的燃油经济性，清洁环保，经济实用，其存在只是为了解决纯电动车和燃料电池存在的技术性问题。

混合动力电动汽车充分发挥了发动机和电动机的最大优势，提高了燃料经济性和减少了排放。

与相同性能传统型汽车相比，HEV在节能和排放上更有优势。

与纯电动车相比，其蓄电池容量大大减小，因而其造价成本低于电动汽车。

就目前来说，HEV 的价格比传统汽车高出二成左右，降低成本，是提高HEV竞争能力的主要方向。

同时也要提高汽车行驶过程中的能量再回收效率。

随着各国环境立法的日益严厉，HEV性能的日益提高以及其成本的不断降低，HEV的市场份额将逐渐增大。

总之，HEV在相当一段时间内前景广阔，将逐渐成为汽车行业的主导产品。

1.4混合动力汽车分类
混合动力电动汽车的传动系统同时使用燃油发动机和电动机作为动力源，既能利用发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。

根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，由两种或两种以上的储能器、能源或转化器作为驱动能源，其中至少有一种提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。

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置及功能，混
合动力汽车可分为以下三种类型：串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车。

1.4.1串联式混合动力汽车
图1.1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1.1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。

图中实线表示功率流的路径，虚线表示控制信号，箭头表示功率流动方向。

在后续的公式和图表描述中，T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的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，特别是发动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要求。

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。

1.4.2并联式混合动力汽车
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1.2，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，因此提高了能量转换效率。

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，大大提高了汽车的饿加速性能和爬坡性能。

图1.2并联式混合动力汽车示意图
并联式混合动力汽车具有以下特点：
1)结构简单，特别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少，有利于机构布置；
2)两套动力装置可以直接驱动车轮，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；
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。

1.4.3混联式混合动力汽车
混联式混合动力汽车综合了串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动/发电机和驱动电机三大动力总成组成，可以根据行驶条件以及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，具有以下两种布置形式：
1.切换系统
图1.3混联式混合动力汽车切换系统布置形式
采用该布置形式时，利用离合器的断开与结合可使该系统在串联系统和并联系统之间切换，如图1.3，当汽车在城市里行驶时，要求低负载和低排放，可以断开离合器，系统工作在串联模式。

而当高速行驶时，有较高的负载要求，串联系统由于发动机的高功率输出而不能有效工作，于是离合器结合，变为并联系统。

2.分路系统
车辆采用分路系统布置，在任何时候都能作为串联和并联系统同时使用如图1.4，发动机输出的能量经行星轮机构分离后分别流经串联系统（从发动机到发电机）和并联系统（从发动机到驱动轮）。

它能通过发电机控制发动机转速，同时通过并联系统保持发动机与驱动轮的机械连接。

这种驱动布置形式结构紧凑，具有较高的传动效率。

丰田的Prius混合电动轿车就是这种驱动形式的成功典范。

图1.4混联式混合动力汽车分路系统布置形式
第2章混合动力汽车驱动系统
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。

2.1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，电力辅助型混合动力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。

2.1.1驱动系统结构及主要部件
电力辅助型混合动力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。

配制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堵的环境，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，电力辅助型混合动力汽车的驱动系统有三种布置形式。

图2.1中，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，但是结构较为复杂，变速器的功率要求较大。