混合動力電動汽車驅動系統(tǒng)方案設計參考word

1、混合動力電動汽車驅動系統(tǒng)方案設計摘 要：面對新世紀能源和環(huán)保的巨大壓力，混合動力電動汽車(HEV)成為當前主流清潔能源汽車。混合動力汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能與驅動系統(tǒng)結構設計和參數(shù)的匹配以及車輛在行駛過程中的協(xié)調控制密切相關。文章以某并聯(lián)混合動力電動大客車為研究對象，進行了混合動力驅動系統(tǒng)配置、混合動力驅動系統(tǒng)部件選型和參數(shù)設計、多能源動力總成控制系統(tǒng)及其控制策略方面的研究。關鍵詞：混合動力電動汽車；驅動系統(tǒng)設計；控制策略；Drive System Design for Hybrid Electric VehicleAbstract: Facing the challenges of

2、 oil shortage and air pollution, Hybrid Electric Vehicle(HEV) becomes one of the main clean vehicles. In this dissertation, With a parallel hybrid electric transit bus as the main research subject, the hybrid power drive system(HPDS), the multi-energy power train control system，the power control str

3、ategy modeling are studied and analyzed. Performances of HEV, in terms of driving, fuel consumption, and exhaust emission, strongly depend on the coordination of the drive train and their control strategy.Key words: Hybrid Electric Vehicle; Drive System Design; Controls strategy推薦精選引 言近幾十年來，世界各國汽車工業(yè)

4、都面臨著能源危機與環(huán)境保護兩大挑戰(zhàn)。為此，各國政府紛紛制定相應對策，力圖開發(fā)出新一代清潔節(jié)能型汽車1。以電能作為動力源，無污染、清潔、高效的電動汽車因此逐漸登上歷史舞臺，發(fā)展前景十分誘人。電動汽車(EV)是一種電力驅動的道路交通工具，具有廣泛的內涵，一般包括蓄電池電動汽車或純電動汽車(BEV)、混合動力電動汽車(HEV)和燃料電池電動汽車(FCEV) 2。由于電池技術的瓶頸，純電動和燃料電池電動汽車技術發(fā)展相對緩慢。目前，混合動力電動汽車由于其高的能量效率和低的排放性能向傳統(tǒng)汽車提出了極大挑戰(zhàn)，發(fā)展勢態(tài)迅猛，市場化進程很快。我國“十五”國家高新技術研究發(fā)展計劃(863計劃)將電動汽車以重大專項

5、列入，并且將混合動力電動汽車作為現(xiàn)階段電動汽車發(fā)展的重點和方向3-5。1 混合動力電動汽車的分類和特點1.1 混合動力電動汽車的定義混合動力電動汽車是在純電動汽車開發(fā)過程中為有利于市場化而產生的一種新車型。一般是指采用內燃機和電動機兩種動力，將內燃機與儲能器件通過先進控制系統(tǒng)相結合，提供車輛行駛所需要的動力。通過先進的控制系統(tǒng)使兩種動力裝置有機協(xié)調配合，實現(xiàn)最佳能量分配，達到低能耗、低污染和高度自動化的新型汽車6。混合動力汽車按混合方式不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種；按混合度(電機功率與內燃機功率之比)的不同，又可分為微混合、輕度混合和全混合三種。1.2 混合動力電動汽車的分類1.2.

6、1串聯(lián)式混合動力電動汽車串聯(lián)式混合動力電動汽車由發(fā)動機、發(fā)電機、電池組、驅動電機和控制器等主要部件組成。發(fā)動機僅僅用來發(fā)電，所發(fā)出的電能通過發(fā)電機供給電動機，電動機再將電能轉換為機械能驅動車輛行駛。發(fā)動機和發(fā)電機只是作為車輛的一個輔助動力單元，當發(fā)動機的輸出功率超過汽車行駛所需要的功率時，發(fā)電機將發(fā)出的部分富余電能轉向為電池充電，以提高汽車的續(xù)駛能力。此外，電池也可以單獨作為能量源，將自身的電能提供給電動機來驅動車輛行駛，使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛7。電動機是串聯(lián)式混合動力汽車唯一的驅動模式，發(fā)動機通過發(fā)電機所產生的電能和電池輸出的電能，共同輸出到電動機來驅動汽車行駛。串聯(lián)式HEV驅

7、動系統(tǒng)的結構如圖1.1所示。推薦精選圖1.1 串聯(lián)式HEV驅動系統(tǒng)的結構1.2.2 并聯(lián)式混合動力電動汽車并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)的結構如圖1.2所示，與串聯(lián)式混合動力汽車不同的是，動力電池組通過電動/發(fā)電機輸出的機械能和發(fā)動機輸出的機械能進行疊加來驅動汽車，可以組合成不同的驅動模式。并聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、動力電池組、電動/發(fā)電機、電機控制器等部件組成，發(fā)動機功率和電動/發(fā)電機功率分別約為電動汽車所需最大驅動功率的50-100(最大)，能量利用率高。圖1.2 并聯(lián)式HEV驅動系統(tǒng)的結構1.2.3 混聯(lián)式混合動力電動汽車混聯(lián)式混合動力汽車也可以稱為串一并聯(lián)混合式混合動力電動汽車，它可

8、以分為單橋驅動混聯(lián)式HEV和雙橋驅動混聯(lián)式HEV兩種8?；炻?lián)式混合動力驅動系統(tǒng)的結構如圖1.3所示，混聯(lián)式驅動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，它的結構形式和控制方式充分發(fā)揮了兩種驅動形式各自的優(yōu)點。混聯(lián)式混合動力電動汽車主要是由發(fā)動機、發(fā)電/電動機、電池組、驅動電機和控制器等部件組成。能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更多的優(yōu)化匹配，在結構上可以保證汽車在復雜工況下工作在最優(yōu)狀態(tài)，因此更容易實現(xiàn)排放和燃油消耗的控制目標。圖1.3 混聯(lián)式HEV驅動系統(tǒng)的結構2 混合動力客車驅動系統(tǒng)關鍵部件選型和參數(shù)設計現(xiàn)根據(jù)課堂教學內容，以及課外收集的相關文獻資料，對一種混合動力電動汽車驅動系統(tǒng)的方案進行設計。

9、此次設計采用方案為并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)。2.1 混合動力客車驅動系統(tǒng)的關鍵部件選型混合動力汽車的關鍵驅動部件為:發(fā)動機、蓄電池、電動機及其控制系統(tǒng)等。本HEV主要動力元件的選型依據(jù)樣車對它們工作特性的要求。2.1.1 發(fā)動機型式HEV的發(fā)動機要求有一定的驅動功率，能夠滿足基本的動力性能要求。能夠與驅動電機一起提供HEV所需要的最大功率。HEV的發(fā)動機功率一般要比同級別的內燃機汽車要小。混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機追求的是高效率，而不是高功率，便于發(fā)動機的最優(yōu)化調整，保證燃料充分燃燒。發(fā)動機的排量相對小一些，有助于降低摩擦損失，而加速時的動力不足可以由電機來彌補。直噴柴油發(fā)動機(CIDI)是目前大中型

10、汽車廣泛使用的動力裝置，技術比較成熟，熱效率高，燃油經(jīng)濟性好，有害排放物相對較低。另一方面，由于電子控制技術、廢氣增壓技術、尾氣處理技術等在柴油機中的應用，使柴油機的綜合性能尤其是排放性能得到明顯提高。因此，無論是從混合動力系統(tǒng)自身的特點，還是從車用動力的發(fā)展趨勢來看，對于近期混合動力汽車而言，沿用技術成熟的先進直噴式增壓柴油機是實際可行的方案。2.1.2 蓄電池型式電池仍然是混合動力汽車一個十分重要的部分，但是由于在混合動力汽車中，電池不再是唯一的能量載體，電池僅在車輛啟動、低速運行、加速等工況下工作，對能量和容量的要求不像純電動汽車那樣苛刻，所以混合動力汽車電池的重量和成本都有大幅度下降，

11、選擇范圍也更為廣泛。由于鉛酸電池可初步滿足并聯(lián)式混合動力客車的要求，并且從成本和布置方面考慮，鉛酸電池也還被目前混合動力大客車較多采用推薦精選9。2.1.3 電動機驅動系統(tǒng)型式電動機是混合動力汽車的驅動單元之一，電動機驅動系統(tǒng)包括電動機、功率電子電路及控制部分?；旌蟿恿ζ噷﹄姍C驅動系統(tǒng)的基本要求為:1.電機驅動系統(tǒng)具有寬廣的調速范圍，有著與汽車行駛一致的動力特性。簡言之，低轉速時恒轉矩，高轉速時恒功率。最高轉速越高，在同樣的額定輸出功率下，轉速越高，電動機尺寸、重量越小。2.動態(tài)性能好電機驅動系統(tǒng)要能夠頻繁地起動/停車、加速/減速。3.為了減少汽車的非有效載荷，要求電機驅動系統(tǒng)體積小、重量輕

12、，功率密度大，在短時間內具有較高的過載能力。4.高效率這對于電動汽車意義尤其重大。5.電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)安全性抗振動、耐腐蝕、低噪音;抗干擾，具有較好的電磁兼容性。6.能夠四象限運行，實現(xiàn)正反轉和再生制動。7.高電壓電壓越高，電動機尺寸、重量越小，功率轉換器成本越低。8.適合批量生產，價格便宜，便于維修。對電機的選用還要考慮其控制系統(tǒng)的特點，要求能實現(xiàn)雙向控制，對再生制動能量可以回收。目前混合動力車上可采用的電機一般為三種型式:交流異步電機、開關磁阻電機、永磁無刷電機10 11?？紤]到技術發(fā)展趨勢和性能要求，交流電機驅動系統(tǒng)成了混合動力汽車的主要選擇。2.1.4 關鍵部件選型結果在并聯(lián)式

13、混合動力大客車上，發(fā)動機應選擇比基礎車功率小一點的直噴式增壓柴油機;基于成本、可行性，以及并聯(lián)式混合動力客車對電池的要求，蓄電池應取性價比高的免維護鉛酸蓄電池;電動機及其控制系統(tǒng)選擇交流感應電動機和其相應的控制器。2.2 混合動力客車驅動系統(tǒng)部件參數(shù)設計混合動力汽車動力傳動系的設計也應滿足車輛的動力性能要求。動力系統(tǒng)部件的參數(shù)可以根據(jù)動力系統(tǒng)的控制策略、決定載荷的整車參數(shù)(如整車整備質量、空氣阻力系數(shù)、滾動阻力系數(shù)等)和車輛的性能要求等來初步確定12。2.2.1 整車參數(shù)及動力性指標混合動力樣車是以某系列傳統(tǒng)公交車作為基礎車設計的，其整車參數(shù)如表2-1所示：表2-1整車參數(shù)按照設計的目標，并聯(lián)

14、式混合動力大客車動力性計算指標如下：(1)最大車速80km/h(2)最大爬坡度為25(3)0-50km/h的加速時間t26s(4)蓄電池單獨供電，放電深度80，平均速度50km/h時的續(xù)駛里程S40km。2.2.2 發(fā)動機功率的計算混合動力公交車在城市運行的速度不是很快，根據(jù)動力性需求我們確定的最高車速為=85km/h。在其經(jīng)常運行的巡航車速范圍內單獨由混合動力汽車發(fā)動機提供功率?；旌蟿恿ζ嚨陌l(fā)動機應能單獨驅動汽車平時行駛要求的功率，并留有一定的富余功率給電池充電。即： （2-1）式中：Pemax 發(fā)動機最大輸出功率/kW整車動力傳動系效率V最高車速/Km/hm整車質量KgCd空氣阻力系數(shù)f

15、滾動阻力系數(shù)A一迎風面積/m2把表中的參數(shù)代入式中得：而在高速工況下整車基本上由發(fā)動機單獨驅動，考慮空調開時的負載功率，所以發(fā)動機功率初步選擇為110kw東風康明斯生產的直列六缸增壓中冷柴油機，具體參數(shù)如表2-2:推薦精選表2-2 ISBe150-30柴油機技術參數(shù)2.2.3 電動機功率的計算由于并聯(lián)式混合動力汽車的電動機只在低速(低于20km/h)和加速時工作，所以電機功率的選擇須滿足汽車的加速要求和最大爬坡度以及純電動運行的續(xù)駛里程等3項要求。根據(jù)所選電機為高效率的交流異步電機先估計電機的效率為0.9。 （2-2）以汽車在10km/h速度爬坡25來計算所需的功率： （2-3）因此驅動電機的

16、功率必須滿足PmcPmc1及PmcPmc2，所以我們初步選擇驅動電機的額定功率為66kW，峰值功率150kW。表2-3 驅動電機技術參數(shù)2.2.4 電池參數(shù)計算電池參數(shù)匹配的一般做法是，首先確定電機的最大工作電流、工作電壓范圍和電機的最大功率，考慮電壓對電池壽命的影響，確定電池的額定電壓和電壓范圍；接著根據(jù)純電動行駛的能量要求來決定電池的能量，從而計算電池的容量及重量等。研究和工程實際表明，限于絕緣材料以及安全考慮，電動汽車最高電壓一般低于350V。由公式2-4可知電池輸出電壓越高同等功率下，工作電流越小，則電池內阻損耗的能量越少，故綜合考慮，我們選定電池的額定電壓為300V。由公式2-4可以

17、計算出電機驅動系統(tǒng)的最大工作電流。 (2-4)式中：U0_bat-電池的額定電壓，300VPm_max-電機驅動系統(tǒng)的峰值功率，150kWIm_max-電機驅動系統(tǒng)的最大工作電流，A采用的是鉛酸電池電壓為12V，由25個電池模塊串聯(lián)而成。根據(jù)上文確定的車輛性能指標，在平均車速為50km/h時純電動行駛達到的續(xù)駛里程40km。 (2-5) (2-6)考慮電池設定的放電深度為80。故蓄電池組的標稱總能量應選為E/80=28/80=31.5kWh。由電池的容量=能量/電壓，所以電池的容量=31500/300=105Ah綜合考慮為確保整車足夠的續(xù)駛里程以及實際情況中所應付的其它阻力以及驅動附屬設備，電

18、池型號等方面的因素，最終確定電池的容量為200Ah，具體參數(shù)見表2-4。表2-4 蓄電池組參數(shù)2.2.5 主減速器比的確定對于并聯(lián)式混合動力汽車，原則上應盡量選取較大的主減速器速比。主減速器速比越大，汽車的加速和爬坡能力越強。其大小主要根據(jù)汽車的動力性和燃料經(jīng)濟性的要求選定。主減速器的傳動比一般為3.5-6.7。但過大將使從動齒輪的尺寸增加，減小了離地間隙，降低了汽車的通過性。在選擇主減速比時，還要考慮車輛最高車速的要求，同時要注意發(fā)動機和電動機在低速時要有一定的剩余功率用于加速和爬坡。i0的選擇首先應滿足車輛的最高行駛車速要求即：推薦精選 (2-7)式中：nemax驅動發(fā)動機的最高穩(wěn)定轉速/

19、r/minrr輪胎滾動半徑/m另外為使驅動電機在車輛最高車速時仍能輸出最大功率i0的選擇還應滿足： (2-8)式中：nep驅動發(fā)動機最大輸出功率點對應的電機轉速。主減速比介于兩者之間，結合原基礎車型的主減速比，我們取為6.5。2.2.6 變速器比的選擇高速檔變速器比的初步選擇主要考慮發(fā)動機的工作區(qū)間是否穿過發(fā)動機工作的經(jīng)濟區(qū)域，城市公交工況車速一般都不高，除了經(jīng)常運行在車速0-20km/h之間(此時為純電動)，發(fā)動機工作時對應的車速經(jīng)常在35-40km/h之間，由公式得知 (2-9)對應的發(fā)動機轉速在l160-1330r/min，根據(jù)發(fā)動機萬有特性圖可知，轉速工作在發(fā)動機燃油經(jīng)濟性比較好的工作

20、區(qū)域。同時在發(fā)動機最高轉速2900r/min下，車輛對應的最高車速也達到87km/h，故此發(fā)動機滿足設計要求。由于本車設計要求在低于20km/h低速狀態(tài)下只有電動機單獨提供動力，即在低速爬坡工況下只由電動機單獨提供轉矩，低速檔變速器數(shù)比的初步選擇主要考慮到汽車在純電機工作下電機低速能夠達到爬坡所需要的最低轉矩并且要有一定的轉矩富余用于爬坡加速。有公式： （2-10）得低速爬坡所需最小傳動比： （2-11）式中：i0-主減速比G-整車重力f-滾動阻力系數(shù)i-坡度Ttq-電機最大轉矩-傳動系統(tǒng)機械效率由于考慮到還需要留出一定的爬坡富余轉矩故ig應大于以上計算值，綜合考慮變速器檔位之間傳動比比值不宜

21、大于1.7-1.8，也不宜過小，最后選定最大傳動比為2.89，在2.2.3節(jié)中所選電機基速為900轉/分，低速恒轉矩1600NM，由公式2-9可得V=25km/h，而電機的工作區(qū)間大部分在20km/h以內，故所選擇的電機也能滿足整車動力性的需求。表2-5 部件選型結果3 混合動力客車驅動系統(tǒng)的結構及工作原理綜合考慮，選擇結構如圖3-1所示的并聯(lián)式結構，其特點是驅動電動機通過離合器與發(fā)動機同軸安裝，再通過主減速器和變速箱驅動后橋13。圖3-1混合動力客車單軸并聯(lián)結構圖該系統(tǒng)的工作原理為在車速低于20km/h(包括倒車)時離合器分離，僅由電動機經(jīng)過傳動軸驅動后橋行駛。發(fā)動機則帶動空氣壓縮機、動力轉

22、向油泵及空調壓縮機等：在車速超過20km/h勻速行駛時，離合器結合，發(fā)動機經(jīng)過離合器、電動機、主減速器、變速箱和傳動軸驅動后橋前進(此時電動機的轉子僅作為傳動軸的一部分)：在車速超過20 km/h并加速行駛時，除了發(fā)動機經(jīng)過離合器、電動機、主減速器、變速箱和傳動軸驅動后橋前進外，電動機也驅動后橋前進，此時為兩套驅動系統(tǒng)共同驅動：減速或制動時，電機再生制動回收能量。推薦精選4 混合動力客車驅動系統(tǒng)的控制策略控制策略的制定是混合動力電動汽車開發(fā)的關鍵技術之一，因為其直接影響著能量在車輛內部的流動及整車的性能14。針對具體結構，如何根據(jù)車輛運行工況確定發(fā)動機和電動機動力分配，保持發(fā)動機工作在高效低排

23、放工作區(qū)，延長電池使用壽命對于混合動力電動汽車驅動控制系統(tǒng)來說至關重要。因此，必須對混合動力電動汽車進行結構與控制策略分析，只有選擇正確合理的控制策略，才能達到混合動力電動汽車節(jié)能和環(huán)保要求。不同的混合動力汽車需要不同的控制策略來調節(jié)和控制功率從不同部件流進和流出，從而實現(xiàn)不同的控制目標。一般說來，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15。在設計混合動力汽車控制策略時，應該著重考慮以下一些問題：(1)優(yōu)化發(fā)動機的工作點?；谧罴讶加徒?jīng)濟性、最低排放或者二者相結合，根據(jù)發(fā)動機的轉矩轉速特性曲線確定最優(yōu)工作點。(2)限制發(fā)動機的最低

24、轉速。當發(fā)動機低速運行時，燃油效率很低，因而當發(fā)動機轉速低于某一值時，應切斷發(fā)動機的工作(關閉發(fā)動機或將離合器分離)。(3)合適的蓄電池荷電狀態(tài)。蓄電池的SOC值必須保持在適當?shù)乃缴?，以便在汽車加速時能提供足夠的功率，在汽車制動和下坡時能提供回收能量。(4)安全的蓄電池電壓。在放電、發(fā)電機充電或再生制動時，蓄電池的電壓會發(fā)生很大變化，應避免蓄電池電壓過低或過高。否則，蓄電池會產生永久性損壞。(5)分工適當。在驅動循環(huán)中，發(fā)動機和蓄電池應合理分擔汽車所需功率。(6)工況選擇。在某些城市或地區(qū)混合動力汽車應以純電動的模式工作，這種轉變可以通過手動或自動來控制。目前應用于并聯(lián)混合動力汽車的控制策略

25、主要包括電力輔助控制策略、建立在固定循環(huán)工況上的全局優(yōu)化控制策略、綜合管理控制策略以及自適應控制策略等。在該并聯(lián)式混合動力客車驅動系統(tǒng)中。發(fā)動機和電機分別作為車輛高速和低速行駛時的主要動力源。需要對發(fā)動機和電機進行協(xié)同優(yōu)化控制，整車基本控制策略如下16 17：(1)當車速低于某一設定值，電池SOC值大于最小值時，電機提供全部驅動轉矩，發(fā)動機關閉。(2)當發(fā)動機在給定的轉速下提供所需的轉矩，但工作在低效率區(qū)域時，若此時蓄電池允許充電(SOC值小于0.8)，電機作為負載工作在發(fā)電狀態(tài)，增加發(fā)動機的需求轉矩。從而提高發(fā)動機的效率。(3)當電池SOC值過低時，發(fā)動機除了提供驅動汽車所需功率外，還提供部

26、分功率給電機，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，為電池補充電能。(4)當汽車處于加速工況時，發(fā)動機和電機同時工作，電機對發(fā)動機助力。(5)當汽車減速或者制動時，電機工作在發(fā)電狀態(tài)給電池充電，回收制動能量。5 混合動力客車驅動系統(tǒng)的優(yōu)缺點該并聯(lián)式混合動力電動客車的優(yōu)點18：(1)具有發(fā)動機和驅動電機兩個動力源，每個動力源的功率設計為車輛驅動功率的50-100即可，因此質量和體積都要小很多，適合布置在小型汽車上。(2)該并聯(lián)式混合動力電動客車的基本模式是發(fā)動機驅動模式，沒有機械能-電能-機械能的轉換過程，總的綜合能量轉換效率要比串聯(lián)式汽車高。當車輛需要最大輸出功率時，驅動電動機可以向汽車提供額外的輔助動力，因此

27、發(fā)動機功率可以選擇得較小，使汽車的燃油經(jīng)濟性提高。該并聯(lián)式混合動力電動客車的缺點：(1)由于基本驅動模式是發(fā)動機驅動，故需要配備與內燃機汽車相同的傳動系統(tǒng)，在總布置上基本與內燃機汽車相同，動力性能接近內燃機汽車，發(fā)動機有害氣體的排放高于串聯(lián)式汽車。(2)發(fā)動機驅動模式需要裝離合器、變速器、傳動軸和驅動器等傳動總成，另外還有驅動電機、動力電池組，以及動力組合器等裝置，因此使動力系統(tǒng)結構復雜，布置和控制也更加困難。并聯(lián)式驅動系統(tǒng)最適合在城市間道路和高速公路上行駛，行駛工況穩(wěn)定，發(fā)動機經(jīng)濟性和排放性都會得到極大的改善。6 結束語(1)分析了混合動力汽車的驅動系統(tǒng)結構類型和各自的特點。推薦精選(2)根據(jù)混合動力汽車設計的基本原則，完成了整車動力源(發(fā)動機、電機和電池)主要參數(shù)以及傳動系統(tǒng)速比的設計。(3)提出了基于該混合動力電動客車的整車基本控制策略。(4)簡要分析了該串聯(lián)式混合動力電動客車驅動系統(tǒng)的優(yōu)缺點。參考文獻：1 段巖波，張武高，黃震.混合動力電動汽車技術分析J，柴油機Diesel Engine，2002,(6):4346.2 陳清泉，孫立清.電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢C陳清泉院士論文選集：機械工業(yè)出版社，2005.3 阿布里提阿布都拉，清水健一