毕业设计论文-并联混合动力汽车传动系统方案设计全套图纸Word格式.docx
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混合动力，传动系统，方案设计，燃油经济性，仿真
Theprojectdesignofparallelhybridelectricvehicleresearch
Abstract
Thispaperbackgroundandsignificancetothedevelopmentofhybridcarshascarriedonthesummary,expoundsthesituationofdevelopmentofhybridelectricvehiclesathomeandabroadandourcountrythenecessityofthedevelopmentofhybrid,bycomparingseveraldifferentdrivemodeandstructureoftheadvantagesanddisadvantagesoftheselecteddynamicdrivescheme.Secondlycombiningtherawdataandexistingsimilarmodels,parametersmatchingtothecoreofthepowersystemcomponents.FinallyintheMATLABenvironmentbasedonADVISORsoftware,ontheselecteddrivesystemsimulation.SelectedtenAmericancitycyclecondition,thesimulationstudy,theresultsshowthatthefuelconsumptionwasreducedby12%,comparedtoatraditionalcar,effectivelyimprovethefueleconomytoachievethegoalofenergyconservationandemissionsreduction,provestherationalityofthedesign.
Keywords:
HybridPower,Transmissionsystem,theprojectdesign，FuelEconomy,Simulation
目录
1绪论 1
1.1混合动力汽车研究的背景及意义 1
1.2本课题国内外研究现状 2
1.3混合动力汽车的分类 3
1.4混合动力汽车节能减排原理 6
1.5混合动力汽车的技术特点 7
1.6本论文主要研究内容 8
2并联混合动力电动汽车分动箱设计 9
2.1扭矩耦合式 9
2.2牵引力耦合式 11
2.3转速耦合式 12
2.4传动方案的选定 13
2.5本章小结 14
3并联混合动力汽车核心部件的参数匹配 15
3.1总成部件的参数匹配 15
3.1.1发动机参数设计 15
3.1.2电动机参数设计 18
3.1.3电池参数设计 21
3.1.4传动系统传动比参数设计 22
3.1.5分动箱参数设计 24
3.2参数匹配结果综述 25
3.3本章小结 26
4并联混合动力电动汽车仿真 27
4.1混合动力汽车仿真软件ADVISOR介绍 27
4.2仿真过程 28
4.3仿真结果 30
4.4本章小结 32
5全文总结与展望 33
5.1主要完成工作 33
5.2研究展望 33
参考文献 35
致谢 37
II
1绪论
1.1混合动力汽车研究的背景及意义
汽车的发展经历了一个十分漫长的过程，它承载着人类科技梦想，凝结着人类的智慧。
从近代工业起步到发展到现在的水平，汽车行业始终能够保持强大的活力并占有一定的市场份额，这其中与科学技术的不断进步还有市场需求的提高息息相关，这就使得汽车的质量有了质的飞跃，从最开始的运输功能到现在家居必备，不断满足着人们的使用需求[1]。
汽车的普及程度和技术水平甚至成为一个国家或地区现代化程度的标志，但是，汽车给人类带来便利同时，随之而来的还有严重的能源和环境问题。
2015年，中国包括原油、成品油、液化石油气（LPG）和其他产品在内的石油净进口量高达3.443亿吨，同比增幅为7.4%。
石油净进口量占中国石油消费量的比例（进口依存度）由2014年的62.0%提高到63.5%，成为了当时的最高纪录[2]。
国际能源署发表的报告预测，从目前到2030年，全球能源需求每年的平均增长率将达到3%左右，其中中国将消耗全球供应的20%，仅低于美国目前所占的份额。
汽车在消耗巨量能源的同时也带来了严重的全球环境恶化问题，在世界范围内，全国各大城市都面临不同程度的汽车排放污染。
从美国提供的资料可以看出，汽车尾气排放所造成的污染占城市大气污染量的63%，并且城市交通城市产生的噪声污染占比为80%[3]。
汽车行驶中所产生的废气、噪声以及扬起的尘土，造成了严重的大气污染并且对人体的健康产生了严重的危害。
面对汽车带来的能源和环境问题，节约能源和环境保护也就成为了社会关注的焦点。
能源短缺、环境污染、气候变暖是全球汽车产业所需要面对的艰巨的任务，各国政府及产业界纷纷提出各自的行业产品规划方案，积极应对，以保持其汽车产业的发展活力和竞争力。
新能源汽车越来越受到汽车工业的重视，在21世纪的汽车工业，它已成为发展的热点[4]。
混合动力电动汽车在一定程度上是纯电动汽车和传统汽车合理匹配得到的结合体，它不仅仅保留着传统汽车行驶里程长的优点，还能够大幅降低汽车燃油消耗和尾气排放，一定程度上能够缓解空气污染问题。
因此混合动力汽车被广大车企看好，并且得到了广泛的商业化应用。
混合动力汽车有两个或两个以上的不同类型的驱动源，比如内燃机和电动机，或者内燃机和燃料电池，混合动力电动汽车是传统汽车和纯电动汽车的合理的组合，工作模式有三种，分别是发动机单独驱动，电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动，这样就可以适应不同的行驶工况[5]。
在整车性能方面，电动机和发动机是混合动力电动汽车的核心部件，它们和其他传动部件构成的传动系统直接决定了整车的底盘布置，同时也能影响整车的动力性能和尾气排放。
由于动力部件和传动部件之间的匹配以及布置结构有着很大的不同，所以当进行混合动力电动汽车的开发工作时，要结合底盘布置结构和动力传动系统的特点，根据目标车辆的使用需求以及道路行驶状况，制定最优的传动系统和选择最佳的核心部件的匹配，从而最大化实现整车的动力性能，最低化尾气排放，这样也会为将来的研发积累一定的经验[6]。
在我国，汽车行业起步晚于国外，因此对混合动力电动汽车的研发工作相对落后，对混合动力电动汽车的动力传动系统方案的研究远大多处于理论研究阶段，远未达到投放市场的商用程度，所以，与国外的混动技术相比，我国的技术水平存在的相当的差距。
目前常见的并联混合动力传动系统有转速耦合式、转矩耦合式，变速箱分前置和后置，按照电动机和内燃机的布置，有单轴式和双轴式。
其中在这些传动方案中[7]最常见的是双轴式转速耦合式。
显然，鉴于我国的混动技术，为了促进我国混合动力汽车的产业化的发展和进步，开展混合动力电动汽车动力传动系统方案研究，提高和掌握混合动力汽车关键技术，从而使我国也具有自主研发能力，缩小和国外的差距，具有十分重要的意义[8]。
1.2国内外研究现状
在19世纪初期，英国和法国有人曾经对电动车有过研究，到1881年在法国巴黎街上出现了世界上第一辆电动汽车。
1899年美国生产的电动汽车约占所有生产的车辆总数的63%，在之后的15年，美国电动汽车的最高的年产量已达到了5000辆。
后来一段时间，由于科学技术尤其是蓄电池技术的发展达到了瓶颈，加之全世界范围内大量油田的发现，传统的燃油汽车在商业上取得了绝对的优势。
就目前的电动汽车的技术而言，美国和日本占据主导地位，在欧洲法国英国等国也开展了对电动汽车的研究和开发[4]。
在1997年日本丰田发布了Prius混合动力电动轿车[9]，该车在2006年进入中国市场。
2008年以来，石油价格的持续高涨进一步促进了政府、学校和厂商对混合动力技术的重视。
在过去的几届国际车展中，混合动力汽车已经成为车企和人们关注的焦点，同时，它也展示了汽车公司技术实力[10]。
国内新能源汽车产业始于21世纪初。
国内的车企中吉利、比亚迪、奇瑞等汽车公司在各种车展上亮出了自己的实力，展出的产品有自主研发的混合动力汽车和燃料电池汽车[11]。
在传动系统布置机构中的并联混动汽车，这种布置形式它没有独立的发电机，在分动箱耦合装置的作用下，发动机的动力可以直接传送到驱动轮，这种驱动力的传递方式跟传统的汽车非常接近，也有着近似的传动效率，因此这种布置形式得到了广泛的应用[12]。
目前，经过多年的研究和发展，混合动力电动汽车的核心部件（蓄电池、电动机和发电机）的技术越来越成熟，结合我国目前汽车行业的状况，开展混动汽车技术的研发，混动汽车投入商用已经越来越现实[13]。
由于混合动力电动汽车有着不同的驱动模式，所以与传统燃油汽车和纯电动汽车相比，混合动力汽车需要一个控制系统，根据路况和需求来切换不同的驱动模式，因此整车的切换驱动模式的控制系统是混合动力汽车的非常关键的一部分[14]。
由于我国面临的化石能源短缺问题和环境污染问题越来越严峻，因此，非常有必要发展混动汽车，减少化石能源的使用和尾气排放。
由此可以看出，在未来汽车行业的发展方向，混合动力技术是研发的重点，并且混动汽车会在我国得到长远的发展[15]。
1.3混合动力汽车的分类
通常来说，混合动力汽车是由两个或者两个以上的相互独立的驱动系统提供动力的车辆，这种车辆所需要的功率由一个驱动系统或者多个驱动系统共同提供，既可以实现其中一个动力源驱动汽车行驶，也可以共同为汽车提供驱动力。
混合动力电动汽车需要一个蓄电池来存储电能，将电能输送给电动机，进而转化为机械能。
混合动力电动汽车继承了电动汽车的节能减排，绿色出行的优点，同时又结合了传统汽车的动力强的优点，也解决了电动汽车续航里程短的缺点，从而改善了汽车的燃油性能和排放性能，集两种汽车的优点于一身。
不同类型的混合动力汽车的动力传动系统存在一定的差异，根据传动系统的核心部件的布置方式，混合动力汽车可以分为串联式、并联式和混联式，其结构和特点如下：
1.3.1串联式混合动力汽车
串联式动力传动系统的结构示意图如图1.1所示。
串联式混合动力汽车也叫做增程式电动汽车，与纯电动汽车相比，它是通过内燃机做功使发电机发电，结构上包括发动机、发电机和驱动电机三大部件。
发动机的作用只是用于发电，不会直接驱动车辆行驶，电能通过发电机输送到电动机，然后电动机产生电磁力矩，驱动车辆行驶。
当功率溢出时，发电机可以给蓄电池充电，从而延长车辆的行驶里程。
在特定的路况下，车辆可以在纯电动的情况下行驶，此时发动机熄火，车辆对外界零排放。
但是由于这种驱动系统存在能量转换，所以会存在一定量不可避免的能量损失。
另外，由于发动机不会直接驱动汽车行驶，所以可以使发动机处在最优工作区域做功，一定程度上提高了发动机的效率，避免发动机在低效率区间运转。
图1.1串联式驱动系统简图
1.3.2并联式混合动力汽车
并联式动力传动系统结构如图1.2所示，与串联式动力传动系统相比，该传动系统可以较大的提高整车的驱动力，因为它拥有电动机和发动机两个动力源，在特定的情况下，两者可以共同提供驱动力，此外，这种系统上的电动机也可以通过让它反转，实现发电机的功能，给蓄电池充电。
它的驱动模式有三种。
第一，纯电动行驶。
比如在交通拥挤的城市道路，不需要很大的功率，此时发动机熄火，就可以实现零排放行驶，同时也避免了噪声污染。
第二，发动机单独驱动模式。
当蓄电池SOC低于设定值时，就会切断电动机对整车动力的输出，由发动机单独驱动，并且，当其功率溢出时，还可以通过发电机反转，为蓄电池充电，提高了能源的利用率。
第三，两者共同为整车提供动力。
当汽车需要较大的功率时，蓄电池的SOC值在限定范围内，此时，发动机和电动机就可以共同驱动汽车行驶，如果内燃机的功率有溢出，多余的功率可以用来为蓄电池充电。
所以，三种驱动模式中有两个互不干涉独立的驱动系统，也就是传统的内燃机驱动系统和电动机驱动系统。
由于两个动力源的功率可以叠加，所以不需要较大功率的内燃机和电动机，这样以来就能一定程度节约整车造价，也可以降低整车质量。
图1.2并联式驱动系统简图
1.3.3混联式混合动力汽车
混联式的结构比较复杂，它结合了串联式和并联式的优点，既可以用串联式的模式驱动车辆行驶，也可以使用并联式的驱动模式。
根据不同的行驶工况，灵活采用合适的驱动方式，这样，就可以提高能源利用效率，降低尾气排放。
动力分配上面，起步或者在交通拥挤的市区，可以仅仅使用蓄电池的能量，在高速或者高功率的匀速行驶时，发动机作为单独的动力源，车辆需要较大的加速度时，就可以改变动力输出方式，叠加发动机和电动机的输出功率。
其结构示意图如图1.3。
图1.3混联式驱动系统简图
所以，相比较而言混联式混合动力传动系统可以适应更多的汽车行驶工况，无论是在城市交通道路或者在高速公路，汽车的燃油经济性和动力性都可以得到保障。
1.3.4不同形式混合动力汽车的特点[4]。
表1.1不同布置形式特点比较
布置形式
并联式
串联式
混联式
整车成本
比较低
低
结构复杂程度
比较复杂
简单
复杂
工作模式
发动机单独驱动，电动机单独驱动，混合动力驱动
电动机单独驱动
发动机单独驱动，电动机单独驱动，发动机电动机混合驱动，电动机-电动机混合驱动
传动效率
比较高
动力传动布置结构
发动机和电动机通过各自的机械传动系统连接到驱动桥，发动机采用传统的机械式连接，布置结构比较复杂
核心动力总成之间无机械式连接，在布置上相对自由，发动机和电动机的尺寸以及质量比较大，常见于大型车辆
核心动力总成的尺寸和质量都比较小，结构紧凑，与传统的汽车的性能最接近，适用于各种类型的车辆
排放性能
控制系统难易程度
较复杂
1.4混合动力汽车节能减排原理
混合动力电动汽车利用内燃机、发电机、电动机、蓄电池之间的良好匹配以及合理的控制系统，可充分发挥传统汽车和纯电动汽车的优点，避免了各自的缺点，对于当今能源短缺和尾气排放引起的大气污染，混动汽车是最具代表性的新能源汽车，也具有很重要的开发意义。
混合动力电动汽车节能减排的主要原因是：
1.优化了发动机的工作区间：
传统的汽车只有内燃机可以输出动力，对于一台确定的发动机，其性能特点是固定的，然而在日常的行驶中，会有不同的路况，这样就会形成了差异较大的发动机功率需求，燃油经济性比较低。
混合动力电动汽车的电动机可以起到辅助作用，配合合理的控制策略，就可以让发动机更多的在最优工作区间提供驱动力，从而提高了燃油经济性。
2.纯电动行驶：
在拥挤的城市道路，传统汽车在走走停停的状态下会增加油耗和尾气排放。
混合动力电动汽车在这种情况下会以电动机作为唯一的动力输出，不但可以实现零排放行驶，而且降低了油耗。
3.合理的动力传动系统匹配：
要想降低混合动力电动汽车的尾气排放和提高燃油经济性，动力传动系统的匹配起着至关重要的作用，它包括合理的选择发动机和电动机的功率，蓄电池的容量，然后选择合理的控制策略，组成最优的混合动力系统。
4.能量回收：
传统汽车能量利用率还有待提高，在制动方面，当汽车刹车制动时，可以让电动机反转从而给蓄电池充电，实现制动能量的回收。
这样，与传统的汽车相比较，在燃油经济性方面就会有一定的提高[16]。
1.5混合动力电动汽车的关键技术
混合动力电动汽车最大的优势在于集中了传统内燃机汽车和纯电动汽车各自的优点，在保证动力性的前提下有着良好的燃油经济性表现。
研发混合动力电动汽车的关键技术包括以下几点。
（1）蓄电池及其管理系统
蓄电池是组成混合动力电动汽车的关键部件之一，其性能参数直接影响电动机的输出功率，从而影响整车的燃油经济性和尾气排放。
为了使混动汽车在加速和爬坡时有较高的峰值功率，这就要求蓄电池不仅要有高的能量密度，还要有高的功率密度。
此外，电池的充电循环次数和工作温度是影响电池寿命的重要因素，所以，通过蓄电池管理系统，对电池的充电循环和工作环境进行实时的监控，准确计算蓄电池剩余电量，对于延长电池寿命而言具有重要的意义。
研发寿命长、低成本和高密度的电池就成了混动汽车发展的关键技术之一。
（2）整车系统优化
混合动力电动汽车的整车系统相对于传统汽车而言比较复杂，涉及多种科学技术，因而整车的性能受更多的技术制约，所以在整车系统优化工作上，必须充分考虑各种因素，进而提高整车性能，降低制造成本。
受到目前的技术制约，很难做到对混动汽车的动力性、燃油经济性和制造成本同时做到最优，因此，在系统优化时，可以选择其中一项作为主要的优化目标，进而确定系统的组成和关键部件的参数。
在优化方法方面，首先使用软件仿真，然后再结合实验，仿真软件主要是ADVISOR，利用此软件可以实现对系统的仿真，然后进行试验对仿真结果进行验证和对比[17]。
（3）先进车辆控制技术在混动汽车上的应用
随着混合动力电动汽车研究的深入，传动汽车的车身稳定控制系统和驱动控制系统等如何与混合动力电动汽车的能量管理系统相结合，将会占据更重要的研究地位。
传统汽车和现代纯电动汽车合理的匹配，混动汽车在未来会更加舒适和节能。
1.6本论文的主要研究内容
本课题结合国内外对混合动力汽车的研究，客观上分析混合动力汽车并联传动各种工作模式的特点，开展了对并联混合动力汽车动力传动系统方案的设计，确定并联式布置方案原则，以及针对并联式结构的工作原理和软件设计原理的相关问题的研究。
以某轿车为研究模型，对其进行并联方案的设计，阐述并联结构中各总成原件参数，选取合适的控制策略，并结合仿真软件进行仿真，完成并联混合动力汽车核心部件的参数匹配。
对匹配的结果进行分析，并验证经匹配后的混合动力汽车在保证动力性的前提下，可以明显的提高燃油经济性。
2并联混合动力电动汽车分动箱设计
要使发动机和电动机的驱动力输送到驱动轴，需要一套驱动力耦合装置，也就是分动箱。
并联混合动力电动汽车的驱动结构装置可分为三类，扭矩耦合式、转速耦合式和牵引力耦合式。
以下各种驱动装置的特点。
2.1扭矩耦合式
扭矩耦合式装置原理如图2.1。
图2.1扭矩耦合装置原理图
Vout=Vin1/i1+Vin2/i2，
Tout=i1·
Tin1+i2·
Tin2（2.1）
其中：
T、V为扭矩和速率；
in、out为输入和输出；
i1i2为装置中输入1和输入2的传动比。
从原理图可以看出，发动机和电动机的驱动力经过扭矩耦合装置进行耦合，然后将耦合后的驱动力输送到驱动轴。
根据驱动轴的数目的不同，又分为单轴式和双轴式扭矩耦合传动。
2.1.1单轴式扭矩耦合传动
这种动力耦合传动的特点是电动机的转子和发动机的输出端通过离合器相连接，从而实现电动机扭矩和发动机扭矩的耦合，然后经过动力传动机构进行驱动力输出，结构原理图如图2.2。
图2.2单轴式扭矩耦合动力传动结构示意图
结构之间的关系满足下式，
Ts=（K·
Te+Tm）·
Nm=Ne=Ns·
K（2.2）
Te、Tm、Ts分别为发动机、电动机和传动机构输出扭矩；
Ne、Nm、Ns分别为发动机、电动机和传动机构的转速；
、K为传动效率和传动比。
此结构中，发动机、电动机和传动机构的转速成一定的比例，路况和车速的改变会影响着他们的关系。
2.1.2双轴式扭矩耦合传动
与单轴式相比较，双轴式扭矩耦合装置，发动机和电动机可以通过独立的传动机构，将驱动力传送到耦合装置进行驱动力耦合。
结构简图如图2.3。
图2.3双轴式扭矩耦合动力传动结构示意图
2.2牵引力耦合式
这种动力传动有一个明显的特点，就是发动机和电动机的驱动力通过各自的传动轴分别输送到车辆的前轮和后轮，发动机和电动机二者没有机械连接。
在混合动力输出的情况下，发动机作为主要的动力源，纯电动模式下，可以实现车辆的零排放行驶。
采用这种耦合装置的混动汽车与传统汽车相比，燃油经济性和动力性都有比较大的提高，但是这布置结构也有很明显的缺点，两套驱动系统分离，所以导致整车结构不紧凑，给动力传动的布置带来了困难。
所以，这种动力传动在混合动力电动汽车上很少应用。
结构简图如图2.4。
图2.4牵引力耦合动力传动结构示意图
2.3转速耦合式
工作原理如图2.5。
图2.5转速耦合装置原理图
Vout=Vin1/i1+Vin2/i2，
Tin2（2.3）
其中，T、V为扭矩和速率；
i1、i2为装置中输入1和输入2的传动比。
这种传动机构拥有两套独立的机械变速器，发动机和电动机分别和各自的变速机构相连接，然后跟行星齿轮进行耦合。
发动机经变速器、离合器和传动装置与太阳轮相连，驱动力经行星轮传递到驱动桥
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