HD6120混合动力城市客车总体设计.pdf

摘 要 城市客车是市民出行的首选，在各个城市中承担着人口流动的任务，应用广泛，数量众多。同时城市客车的运行工况特殊，城市中信号灯多，站点之间距离短，运行路线固定，城市客车频繁的起步，加速，制动，怠速时间长，平均运行速度低。由于汽车设计时需要满足最高行驶车速和最大爬坡度等动力性要求，需要装备大功率发动机，使得城市客车经常处于功率过剩状态，造成了严重的能源浪费和环境污染。油电混合动力汽车融合了传统燃油汽车和纯电动汽车的优点，具有传统内燃机车动力性好和电动汽车清洁环保的特点，能够有效的降低能源消耗，减少污染排放，具有重要的研究意义。关键词：混合动力；并联；城市客车；人机工程学 ABSTRACT City bus is the first choice of the public,bearing the task of the movement of the population.City bus is widely used and the number is large.The using condition of city bus is special,there are many signal lights,short distance between sites,fixed routes,frequently starting,accelerating,braking,long idle time,low average speed and so on.As the vehicle needs to meet the requirement of the highest speed and maximum climbing degree while designing,usually a high-power engine is equipped,making the city bus in power surplus state,resulting in a serious energy waste and environment pollution.Hybrid electric vehicle combines the traditional fuel vehicles and pure electric vehicles advantages effectively reduce energy consumption and reduce emissions.It is meaningful to study on hybrid vehicles.Key words:Hybrid;Parallel;City Bus;Ergonomic 目 录 摘要 Abstract 第 1章 绪论1 1.1选题的背景和意义1 1.2国内外研究动态2 1.3 研究内容与方法3 第 2章 混合动力城市客车驱动系统选型4 2.1 混合动力客车的分类 4 2.1.1 串联式混合动力城市客车 4 2.1.2 并联式混合动力城市客车 5 2.1.3 混联式混合动力城市客车 6 2.2混合动力城市客车驱动系统的选择7 2.2.1混合动力城市客车动力系统对比7 2.2.2混合动力系统结构选型依据9 2.3本章小结10 第 3章 混合动力城市客车动力系统设计11 3.1动力系统参数计算11 3.1.1驱动电机的选择11 3.1.2动力电池的选择13 3.2发动机的选择15 3.3本章小结16第4 章 混合动力城市客车动力混合器的设计17 4.1动力混合器的作用 17 4.2动力混合器的设计17 4.1.1齿轮几何参数的计算18 4.1.2齿轮的校核20 4.3本章小结21 第 5章 基于人机工程学的驾驶区布置22 5.1人机工程学22 5.2二维人体模板的结构22 5.3人体尺寸23 5.3.1人体主要尺寸23 5.3.2人体水平尺寸23 5.4本章小结25 第 6章 整车经济性计算26 6.1燃油经济性的评价指标26 6.2燃油经济性的计算27 6.3本章小结29 结论30 参考文献 31 致谢33 附录34 1 第 1 章 绪 论 1.1 选题的背景和意义 汽车自诞生以来，其发展速度不断加快，与人们生活的联系越来越紧密。汽车已经不再是一个简单的代步和运输工具，它已成为许多人的生活必需品和文化生活的一部分。汽车的普及程度和技术水平甚至已经成为一个国家或地区现代化程度的标志。随着汽车工业的发展，汽车的产销量和保有量逐年增加，同时也带来了能源消耗、环境污染等许多负面影响。传统汽车对石油资源的需求越来越大，对生态环境的影响也越来越大。更糟糕的是，汽车排放的尾气中二氧化碳对气候变暖有着很大的影响；汽车尾气中氮氧化合物、一氧化碳、未燃碳氢化合物和颗粒排放物等有害物质，对人类的生态环境都产生了不利的影响。每年全球汽车排放有害气体约 2 亿吨以上，约占大气污染总量的 60，是大气污染的“头号杀手。为此，各国制定了一系列十分严格的排放法规，要求汽车生产厂家设法减少汽车排放，开发无污染和超低污染汽车。面对世界能源匮乏，油价高居不下，环境污染严重的现实，节油环保便成为社会关注的焦点，新能源车的开发和应用也就成了世界范围内的新课题和大趋势。在诸多解决方案中，目前成功实现产业化的只有混合动力汽车。混合动力汽车既具有内燃机动力性好、工作时间长的优点，又有电动机无污染和低噪声的好处，达到了发动机和电动机的最佳匹配。由于混合动力系统本身也具有充电功能，因此不需要建设配套的充电基础设施，对蓄电池的要求，与纯电动汽车相比也大大降低。混合动力汽车在技术、经济和环境等方面具有突出的综合优势。而城市客车，是大部分市民出行的首选交通方式，承担着巨大的人流量，由于城市客车大部分运行在市区内，具有经常起步加速，制动停车，站台之间运行距离短，平均速度低等特殊工况，内燃机大部分时间工作在最佳工作转速范围以外，造成了能源的浪费、环境的污染以及加速了车辆本身的磨损。混合动力系统则可以优化内燃机的工作区间，大大改善上述问题，因此，发展研究混合动力城市客车具有很重大的现实意义。1.2 国内外研究动态 2 融合了纯电动汽车和燃油汽车优点的混合动力汽车，由于较好地满足了汽车低排放、低油耗、高性价比的综合要求，较好地解决了汽车节能与环保问题，因而逐渐成为世界各大汽车生产企业开发的热点，其市场前景也越来越被看好。目前，丰田公司是混合动力汽车领域的佼佼者，1997年12月，日本丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车“普锐斯(PRIUS)”，该轿车于2000年7 月开始出口北美，同年9 月开始出口欧洲。普锐斯在达成高水平的燃油经济性和环保性能的前提下，实现了出色的动力性和舒适性。“PRIUS”的正式量产上市标志以混合动力汽车为代表的新一轮汽车研发竞争的开始。为保持领先地位，丰田公司加大了对混合动力车的投入，2005年，丰田投资1000万美元在美国肯塔基州工厂改造设备和训练员工。2006年，丰田汽车公司在美国市场上推出了4 款从现有车型改造成的混合动力汽车，这些混合动力汽车的外形、操控以及车内的设备和普通车完全一样。丰田的目标是最终将推出旗下几乎所有车型的混合动力版，并在2012年把混合动力汽车的产量提高到100万辆。本田公司推出了“insight”、“CIVIC”等混合动力汽车福特公司紧随其后，推出了“ESCAPE”混合动力汽车，戴克、通用、雪铁龙、日产等公司也纷纷加快了混合动力技术的产业化开发。通用、戴克、宝马三家公司在混合动力技术发展方面结成了技术联盟，携手发展双模混合动力技术，并在2005年的北美车展上引入了一款结合了V8柴油发动机和最新一代混合动力驱动系统的S 级轿车。国内研究混合动力轿车已经有将近10年的历史。目前，除一汽丰田的普锐斯正式量产上市外，国内各汽车制造企业纷纷进入混合动力汽车领域，如一汽研发的红旗HQ3于2006年投产；东风集团的混合动力公交车已于2005年7 月完成最终产品定型样车试验并通过验收；奇瑞集团成立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，将在2006年下半年重点推出第一自主品牌真正意义上的混合动力车，代号为“BSG”的混合动力车；吉利集团旗下的上海华普汽车已与同济大学汽车学院签署合作协议，预计3 年内完成混合动力轿车商业化生产；而广州本田更是紧跟丰田的步伐，预计2006年中下旬推出国产雅阁混合动力车；上汽集团与通用签署协议，将联手开发混合动力轿车和公交客车；长安杰勋混合动力汽车经过六年的艰苦攻关研发成功，目前已进入量产阶段。其整车油耗比传统汽车低20以上，排放限值满足国标准。据长安集团有关负责人介绍，长安杰勋HEV轿车创造了多项中国第一：第一款自主研发量产的混合动力轿车；第一个将中度混合技术方案实现产业化的车型；第一款在整车、动力总成和混合动力系统三个方面全新自主的一体化设计 3 量产车型；国家863计划重大汽车专项中第一款实现量产下线的自主品牌轿车；第一款在整车和系统技术上拥有完整自主知识产权的车型，共拥有各类专利300余项，其中发明专利27项；建成了国内自主研发的第一条用于制造混合动力的生产线等。1.3研究内容与方法 混合动力汽车有两套动力系统，因此具有高度的复杂性，而正是这种复杂性为混合动力系统的设计提供了更大的空间。本论文主要研究内容主要为客观评价混合动力城市客车采用各种驱动型式时的优劣，然后确定动力总成的结构方案，系统研究并联混合动力总成及其应用，比较混合动力客车各种驱动方式，提出并联混合动力驱动方式及对动力系统参数进行设计，完成并联式混合动力系统中电动动力系统的部件选型。设计动力混合装置，以实现不同的驱动模式。4 第 2 章 混合动力城市客车驱动系统选型 2.1 混合动力客车的分类 2.1.1 串联式混合动力城市客车 串联式混合动力系统如图2.l所示，串联式混合动力汽车Series Hybrid Electric Vehicle(SHEV),由发动机、发电机和电动机3 部分组成，它们之间以串联的方式联结，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机，带动车轮，大负荷时通发动机带动发电机，发电机驱动电动机。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速行驶工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是整个动力系统功率储备大，需要功率足够大的电动机。另外，发动机输出的机械能需要转化为电能再转化为机械能，几经转换，效率降低。机械能 电能 图2.1 SHEV结构示意图 SHEV的优点:(1)SHEV只有驱动电机作为驱动系统，其特点更加趋近于EV。从总体结构上看比较简单，易于控制，三大动力总成之闻没有机械联系，在电动汽车上布置起来有较大的自由度，可以独立地布置。(2)此外，SHEV中的发动机一发电机组中的发动机的工作状态可以不受汽车行驶工况的影响，能在稳定、高效、低油耗、低污染的状态下运转，因此SHEV具有更好的排放性能和燃油经济性。(3)在繁华市区行驶时，可以单独以动力电池组为动力源，实现“零排放行蓄电池 控制器 电动机 整流 换流器 发电机 内燃机 驱动桥 车轮 5 驶。当动力电池组电量不足时，可以通过发电机组发出的电能给电池充电，若为可外接充电式(Plug-in)电动汽车，则电池能量不足时，可以通过外接充电的形式补充电能，这样就可以进一步提高燃油经济性。SHEV的缺点:(1)SHEV由于仅依靠驱动电机驱动车辆，驱动电机的功率和扭矩必须能够满足汽车的动力性能，克服汽车在行驶过程中的最大阻力，因此驱动电动机的功率要求较大，外形尺寸较大，质量也较重。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。一般在轿车上很少采用串联式混合动力系统，串联式混合动力系统主要应用于大型客车上。此外驱动电机由于不是经常在满负荷状态下运转，因此效率较低。(2)发电机将机械能量转变为电能、电和放电都有能量损失，能量几经转换，电动机将电能转变为机械能、电池的充发动机输出的能量利用率比较低。2.1.2 并联式混合动力城市客车 并联式混合动力汽车Parallel Hybrid Electric Vehicle(PHEV)可以利用发动机和电机共同驱动车轮，结构比较复杂，如图2.2所示，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统提供扭矩。发动机通过变速箱驱动汽车，电力驱动系统通过蓄电池及电动机经过耦合同时驱动汽车。在PHEV上可以实现发动机驱动模式，驱动电动机驱动模式和发动机-驱动电动机混合驱动模式3 种驱动模式。发动机和发电机各自的功率，可以是PHEV的最大驱动功率的0 5 l 倍，两大动力总成的功率可以叠加，因此可以采用较小功率的发动机和驱动电动机，使整个动力总成的尺寸较小，质量较轻，造价也较低。机械能 电能 图2.2 PHEV的结构示意图 PHEV的优点:(1)PHEV的基本驱动模式是发动机驱动模式，由于发动机的机械能可赢接输出蓄电池 控制器 电动机 驱动桥 车轮 离合器 内燃机 6 到汽车驱动桥，没有机械能一电能一机械能的转换过程，与串联式布置相比，能量综合效率较高。(2)在车辆需要最大输出功率时(即加速或爬坡时)，驱动电机可向汽车提供额外的辅助动力，因此发动机的功率也可以选择得比较小，汽车的燃油经济性也相应地提高。(3)由于驱动电机仅在车辆输出大功率时提供辅助动力，因此驱动电机的尺寸和体积也要小得多。此外，PHEV比SHEV少一个发电机，因此汽车的质量也相对较轻。PHEV的缺点:(1)由于基本驱动模式是发动机驱动，故需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，在总布置上基本与内燃机汽车相同，动力性能接近内燃机汽车，发动机有害气体的排放高于串联式。(2)发动机驱动模式需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动器等传动总成，另外还有驱动电动机、动力电池组，以及动力组合器等装置，因此使动力系统结构复杂，布置和控制也更加困难。(3)发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地受到汽车具体行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作区工作，则控制系统和控制策略较复杂。2.1.3 混联式混合动力城市客车 混联式混合动力汽车Split Hybrid E1ectric Vehicle(PSHEV)是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动/发电机和驱动电动机3 大动力总成组成，如图2.3所示，PSHEV兼有SHEV和PHEV的优点，可以组合成更多种形式的混合驱动模式，能够使发动机，发电机和电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证在更复杂的工况下使系统工作在最佳状态。进而，车辆的整备质量可以降低，而且性能更加完善，经济性更好，在动力性能方面接近和达到内燃机汽车的水平，有害气体的摊放更少，达到“超低污染 的标准要求。因此，混联式混合动力汽车最具影响力。内燃机 电动机 驱动桥 离合器 7 机械能 电能 图2.3 PSHEV的结构示意图 PSHEV的优点:(1)发动机的工作不受汽车行驶状况影响，总是在最高效率状态下工作或自动关闭，使汽车在任何时候都可实现低排放及超低油耗，达到环保和节能效果。(2)车辆的最大输出功率相当于三个动力装置共同组成混合动力驱动汽车时发动机和电动机的最大输出功率之和。因此发动机排量可减少，电动机功率可降低，其体积减少，而且加速性能很好。(3)配有专用电动/发电机发电系统，所以对电池的依赖较少。PSHEV的缺点:系统结构及控制策略过于复杂，控制系统开发难度大，部件性能要求高，设计加工困难，而且成本很高。2.2混合动力城市客车驱动系统的选择 2.2.1混合动力城市客车动力系统对比 混合动力客车的动力系统结构形式复杂多变，如何从各个动力系统结构中选择合适的结构，我们就要对各种形式的混合动力汽车动力总成结构进行对比分析：1 串联式混合动力电动汽车结构最简单，同时控制策略也不复杂，开发难度较小，可开发用于降低城市污染的公交车，并为其他类型的HEV积累开发经验。在串联混合动力的两种常用控制方式中，由于功率跟随式控制策略在动力性和燃油经济性方面有较好的综合性能，所以该控制方式较为常用。采用功率跟随与恒温器综合控制方式引更有利于避免电池大电流放电和发动机的频繁启动，降低油耗提高排放性能。发电机 发电控制器 蓄电池 控制器 车轮 8 2 并联式混合动力电动汽车可以使油耗和排放都得到显著的降低，其控制策略优化后优点更加明显。采用小功率电动机和小容量蓄电池组的并联式混合动力汽车，能够极大地降低混合动力汽车的自重和制造成本，是十分有市场化前景的一种结构型式。特别是这种结构型式与CVT配合，是获得较高的燃油经济性、较低的排放、平稳的驾驶性能的一种比较理想的系统型式。对于这种系统，如何对蓄电池组的SOC进行合理而有效的能量管理是获得整车最佳燃油经济性的关键。电力辅助控制策略是并联式混合动力电动汽车较为普遍采用的一种控制策略。电力辅助控制策略比较简单，易于实现，但控制效果不够精确。目前并联式混合动力车控制策略还不十分成熟。己开发的控制策略各有优点，互补性很强，但都没有达到最优。3 混联式混合动力汽车在理论上易于实现最优的燃油经济性和排放性，但由于结构过于复杂，相对成本高。但为了更好地解决当前大中城市普遍存在的空气污染严重问题，同时作为对低排放、低油耗车辆的探索，必须深化CHEV的开发工作。在混联式混合动力汽车控制策略中，从理论上讲全局最优模式是最佳的。但是建立在固定循环下的全局优化控制策略受驱动循环影响大，实现起来有一定的困难。发动机恒定工作点模式、发动机最优曲线模式这两种控制策略是比较实用的控制方法。与串联式混合动力汽车的动力系统相比，并联式结构相对要复杂一些，自由度也要多一些，控制方式比较复杂，但是在节能方面比较突出，符合目前的技术潮流与日益增长的环保和节能要求。另外动力总成的重量和成本相对较低，虽然开发成本比较高，但是对于我国的汽车先进制造技术积累与持续发展有着重要的意义。与混联式结构相比，并联式结构简单得多，自由度少，因此控制起来相对容易一些。在对混联式混合动力电动汽车的动力系统进行控制时，除了对驱动转矩的控制有严格要求，同时也对速度调节控制有严格要求，这种转矩和速度的双重控制增加了控制器和控制策略的复杂度，而且混联式结构要求更加精密的传动系统，这对制造技术也提出了比较高的要求。另外并联式结构的成本相对较低，因此通常一般选用并联式结构，当并联式结构的性能指标不能满足设计要求时，才选用混联式结构。2.2.2混合动力系统结构选型依据 基于以上对HEV动力系统的分析，在动力系统选型中着重考虑以下几个因素：9 1 使用环境 城市客车运行的工况有以下显著特点：(1)城市客车由于交通拥挤，站距短，因而起步、停车频繁，大多数时间以加速减速滑行怠速等过渡工况工作，且平均加速度小。(2)城市道路有其自身特点随着城市基础设施建设的逐步完善，城市道路条件逐步完善，道路质量比较好，车辆行驶较平稳；由于大城市广泛采用了立体交通，立交桥路面坡度一般为4%-6%，在没有公交专线的情况下城市车辆行驶速度较低。(3)路线固定，往复运行城市公交车不像其他车辆运行路线千变万化，而是每天都在指定线路运行并来回往复。每条线的车辆都在固定站点停靠，而且现在城市广泛采用了立体交通，立体桥线路的车辆每天在固定地段爬坡和下坡。运行时间固定。(4)载荷多变且时间特征明显随着城市规模的逐步扩大，城市交通网也日趋复杂，城市公交线路众多，每条线路的长度也不相同，每条线路途径地区的行驶速度、道路特点、乘客数量各不一样，上、下班高峰时段和中心城区乘客拥挤，非上、下班高峰期和郊区乘客相对稀少，车辆负荷低，造成了能源的极大浪费。2 性能要求 不同类型的HEV之间性能差异十分明显，在选型时必须注意由动力系统结构引发的性能差异。如果对加速性能要求高，就有必要选择配有峰值功率调节器的结构型式。如果对经济性要求苛刻，并联式可以成为合适的选择。3 技术条件 所谓技术条件，除研究开发的条件和力量外，还包括工业基础。强调工业基础是因为一些常见的动力系统部件，我国的产品水平还不能满足需要或尚无法生产。进行时间的产品开发总会有一定的进度要求，如果技术条件无法保证，就难以实现预定开发目标。开发性是指动力系统需要进一步完善的空间。产品性能是一个完善的过程，同样开发工作也不可能一步到位，也需要进行不断的完善。在具体开发工作中应该由简单到复杂、由易到难的思路，先选择对技术条件要求较低简单的结构进行开发。4 成本和使用维护费用 动力系统的结构对HEV成本影响很大，这是因为不同类型的动力系统对部件的种类、数量和性能要求差别很大。而部件的种类、数量和性能指标是影响HEV成本的主要因素。选型时还应考虑使用、维护费用，结构越复杂，故障率越高，使用和维护费用也越高。10 价格和使用维护费用直接关系到HEV的产业化，如果不能产业化，就不能为进一步开发提供资金，也就难以促进技术水平的提高和服务性能的改善。事实上，性能优良但价格过高无法商业化、甚至被迫放弃HEV开发的实例很多，我们不应重蹈覆辙。通过综合分析混合动力客车的动力系统结构形式，并考虑到目前的技术能 力与开发成本，采用并联式结构是理想的选择。并联方式控制灵活，兼有传统内燃机车和电动汽车的优点，结构也不像混联混合动力汽车那样结构复杂。机械能 电能 图2.4 本文所选并联结构示意图 2.3本章小结 本章进行了对混合动力系统串联、并联、混联方式的介绍，对每种布置方式的特点进行了分析。通过对城市客车的使用工况、环境以及技术条件的分析，确定了采用并联方式的设计路线，并联系统控制方式灵活，兼有内燃机车和电动汽车的优点。内燃机 离合器 变速器 动力混合器 电动机 电机控制器 蓄电池 电动机 驱动桥 车轮 车轮 11 第 3 章 混合动力城市客车动力系统设计 3.1动力系统参数计算 3.1.1驱动电机的选择 电动机是混合动力汽车的驱动单元之一，电动机驱动系统包括电动机、功率电子电路及控制部分。混合动力汽车对电机驱动系统的基本要求为：1、电机驱动系统具有宽广的调速范围，有着与汽车行驶一致的动力特性。简言之，低转速时恒转矩，高转速时恒功率。最高转速越高，在同样的额定输出功率下，转速越高，电动机尺寸、重量越小；2、动态性能好电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，使HEV具有良好的起动性能和加速性能，以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动所需的功率和转矩。电动机具有自动调速功能，因此，可以减轻驾驶员的操纵强度，提高家是舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应；3、为了减少汽车的非有效载荷，要求电机驱动系统体积小、重量轻，功率密度大，在短时间内具有较高的过载能力；4、高效率这对于电动汽车意义尤其重大；5、电气系统安全性和控制系统安全性抗振动、耐腐蚀、低噪音；抗干扰，具有较好的电磁兼容性；各种动力电池组和电动机的工作电压，可以达到300V以上，对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家或国际有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定；6、能够四象限运行，实现正反转和再生制动，进能量回收，再生制动回收的能量一般可达到总能量的10%-15%，这点在内燃机汽车上是不能实现的；7、高电压在允许的范围内，尽可能采用高电压，电压越高，电动机尺寸越小、重量越低，特别是可以降低功率转换器成本；8、电动机还要求可靠性好、耐温和耐潮性强，运行时噪音低，能够在较恶劣环境下长期工作，结构简单，适合大批量生产，价格便宜，便于维修。目前所采用的电动机有直流电动机、交流感应式电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机等。在功率电子元件出现以前，电动汽车中所采用的电动机主要是直流电动机，它的优点在于调速较为方便，直流电动机的磁场和电枢可以分别控制，因此控制起 12 来比较容易，而且控制性能较好。直流电动机的容量范围很广，可以根据需要的转矩和最高转速来选用所需要的容量，市场上有各种不同结构的直流电动机以供选用，直流电动机的制造技术和控制技术都比较成熟，驱动系统价格较便宜。上世纪6080年代初电动汽车大多采用直流串激有刷电机，80年代直流他激有刷电机得到广泛应用。这两种电机由于有电刷、换向器等接触零件的限制，转速不能太高，因而质量大，尺寸大，效率较低，还需要对电刷经常进行维护和修理。80年代后期和90年代，由于电力电子技术的飞速进步，功率电子元件以及变频器的问世，再加上一些新的控制算法的出现，滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调速技术日趋成熟，交流电机驱动系统在电动汽车中已成秀主流，交流电机的效率和功率密度都较直流电机高，而且交流电机结构牢固，维护起来十分方便。永磁电机驱动系统主要选用永磁无刷同步电机，该电机没有激磁铜耗、效率较高(最大效率可达95)、功率因高、体积小、功率密度大(可以远大于1KWkg)，变频调速是永磁无刷同步电机的基本调速方式。目前最常用的是1200导通型PWM斩波控制IGBT逆变器，而且为了更好地改善转矩控制，增加电池调节控制减小转矩波动。但其主要不足是永磁材料昂贵，制造工艺复杂，性能受温度影响较大(易退磁)，大功率输出困难。由于其体积小和效率高有十分广阔的应用前景。开关磁阻电机驱动系统中的开关磁阻电机(SRM)的定子和转子均为凸极结构，只在定子凸极上安装备相励磁绕组，转子上没有任何绕组，因此结构十分简单、成本较低、可靠性高、起动性能好、调速性能好，控制装置也比较简单，主要缺点为转矩脉动大、噪声大、必须使用位置检测器、按照定予的凸极数来确定逆变器和电机的引出线等。实际应用较少。伴随着技术的进步，其开始应用在电动车上。综合考虑在已有车型上布置的难易程度，本文选择体积小，功率密度大的永磁电动机。汽车功率平衡方程式如下：dtdumuAuCGiuGfupaDaaea3600761403600360013 （3.1）从起步到10Km/h，由电动机单独驱动，所需时间5s,计算电动机的功率 13 dtdumuAuCGfupaDaea360076140360013 （3.2）其中，为总效率，永磁电动机效率95%-97%，取96%，G 为整车满载时所受重力mg，m 为16500kg，g 取9.8m/s，f 为滚动阻力系数，良好的沥青或混凝土路面为0.010-0.018，取0.012,CD空气阻力系数，客车0.5-0.8，取0.8，A 为迎风面积，经计算为7.25m，为汽车旋转质量换算系数，查表取1.3，于是 56.310360010165003.1761401025.78.0360010012.08.916500%90%9613ep（3.3）=44.6kw 所选电机为大连恒田电机有限公司生产的H160-B35型混合动力车用永磁电动机。额定功率35Kw，峰值功率70Kw，额定电压320V。3.1.2动力电池的选择 电池是混合动力汽车一个十分重要的部分，但是由于在混合动力汽车中，电池不再是唯一的能量载体，电池仅在车辆启动、低速运行、加速等工况下工作，对能量和容量的要求不像纯电动汽车那样苛刻，所以混合动力汽车电池的重量和成本都有大幅度下降，选择范围也更为广泛。混合动力汽车上的电池其使用状况也不同于电动汽车，在工作中电池处于非周期性的充放电循环中，要求电池的充放电速率和效率高，因此，混合动力电动汽车用电池不仅需要高能量密度(Wh kg)而且还需要离功率密度(W/kg)。研究与开发高性能、低成本、寿命长的电池，仍然是发展混合动力电动汽车的关键问题之一。目前已研究开发的电池有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等几种。铅酸电池是较为成熟的电池，它具有可靠性赛、价格低的特点，新研究开发的胶体电池、阀控电池等，在比能量、比功率、快速充电性能等方面均比普通铅酸电池有较大的提高，因此，在各国都有较多的应用，但是铅酸电池因为循环寿命、比功率等因素很难满足混合动力汽车的使用条件，所以近两年来基本已经退出混合动力汽车的应用。1.镍-氢(Ni-MH)电池 镍-氢电池是一种碱性电池，镍-氢电池的标称电压为1.2V，比能量可达到70-80 W h kg，有利于延长HEV的行驶里程。比功率可达到200 W/kg，是铅酸电池的2倍，能提高车辆的起动性能和加速性能。有高倍率的放电特性，短时间可以以3C 14 放电，瞬时脉冲放电率很大。镍-氢电池的过充电和过放电性能好，能够带电充电，并且可以快速充电，在15min内可以充60%的容量，一小时内可以完全充满，应急补充充电的时间短。在80%的放电深度下，循环寿命可达到1000次以上，是铅酸电池的3 倍。采用全封闭的外壳，可以在真空的环境中正常工作。低温性能较好，能够长时间存放。镍-氢电池中没有Pd和Cd等重金属元素，不会对环境造成污染，镍-氢电池可以随充随放，不会出现镍-膈电池在没有放完电后随即充电而产生的“记忆效应”。HEV动力电池组是经常处于充电、放电状态，而且充电、放电是不规则地进行，这对电池的寿命带来严重的影响，松下电气公司，用模拟HEV行驶工况对镍-氢电池进行仿真试验，证实镍-氢电池的特性几乎不发生变化，镍-氢电池用于HEV是比较合适的。2 锂离子（Li-ion）电池 锂是最轻的金属元素，原子量仅为6.49，比重为0.534g/cm，也是化学性能最活泼的金属元素。锂离子电池显示出很多优点，电压高达3.6-4V，相当于3 个镍-镉电池串连起来的电压。比能量达到100-120 Wh kg，是镍-镉电池的1.5-3倍，比功率高达1500 W/kg，循环寿命可以达到1000次。充放电效率高，功率输出密度大，没有记忆效应，其能量达到铜酸电池的三倍以上，具有安全性、环保性好等优点。锂离子电池主要问题是快速充、放电的性能较差，需要进一步解决对其充放过程的控制和配备专用的充电器。对于大容量锂离子电池组，还需要解决电池组的可靠性和各个单体电池之间一致性。钴系锂离子电池在充电状态时会引起电池爆炸，需要用安全阀以防止电解液受高温气化后产生的压力升高。并装自动温度调控装置，进行过充、放电的保护。锂的制取较困难，管理和使用较复杂，要求有严格的安全措施，需要配备电子保护电路、电池管理系统和热管理系统等，使得其附属装置更加复杂，也增加了电池组的造价，价格高于同等容量的Ni-Cd电池或Ni-MH电池。3 镍-镉（Ni-Cd）电池 镍-镉电池的工作电压较低，单体电池的标称电压为12V。比能量为55 Wh kg，比功率可以超过225 W/kg，循环使用寿命达2000次以上。可以进行快速充电，充电15min可以恢复50%的容量，1h可以恢复100%的容量，但一般情况下完全充电需要6h。放电深度100%，自放电率低于0.5%/天。可以再-40-80的环境温度条 15 件下正常工作。快速充电能力强，18min即可从40%达到80%。镍-镉电池具有记忆效应，镍-镉电池采用的镉（Cd）是一种有害的重金属，在电池报废后必须进行有效的回收，这点在国外已能实现。镍-镉电池的成本约为铅酸电池的4-5倍，初始购置费用较高，但镍-镉电池的比能量和循环使用寿命，都大大的高于铅酸电池，因此，在电动汽车实际使用时，总的费用不会超过铅酸电池的费用。4 超级电容器 电容器是有两个彼此绝缘的平行金属导体的电容板组成，电容器极板上所储积的电量q 与其上的电压成正比。电容器的容量单位为法拉（F），当电容充上1V电压，如果极板上储存1C的电荷量，则该电容的电容量就是1F。超级电容器具有高的能量密度和极好的充电和放电能力。超级电容器的一对集电极上装有固体活性材料，在两个电极之间装有电解液和绝缘层。电荷演集电极和电解液成对排列，形成一个双层电容器，扩大了电容器的容量。电容器的电容量从1F到几千F，工作电压由即使V 到几百V，放电电流可高达几千A，能量密度比传统的电容高近百倍，瞬时放电功率比铅酸蓄电池高几十倍，充放电次数可达数十万次。但对超级电容器放电的控制，还需要进一步解决智能化控制技术。根据城市客车的频繁起步加速，经常制动等运行工况、环境，选择充放电性能优良的镍-氢电池作为动力电池。东风牌EQ6122HEV混合动力城市客车采用额定功率为40Kw的永磁电动机，电池采用40Ah 的镍-氢电池，以此为参照，选择松下公司生产的镍-氢动力电池，单体电压12V，容量40Ah，质量6.5kg，30组串联，总电压360V。3.2发动机的选择 1 国家863计划多混合动力客车最高时速的设计要求为80Km/h，根据最高车速计算功率需求：76140360013aAuCGfupDae （3.4）kwpe25.91761408025.78.0360080012.08.916500%9013 （3.5）2 国家863计划多混合动力客车的最大爬坡度设计要求为25，根据最大爬坡度 16 计算功率需求：761403600)25cos25(sin13aAuCufGpDae （3.6）kwpe176761401025.78.036001025cos012.025sin8.916500%9013）（3.7）由于电动机可以提供35kw的额定功率，所以，发动机需提供的最大功率为176-35=141kw。据此选择道依茨一汽（大连）柴油机有限公司生产的CA6DE2-20发动机。型式为立式、直列六缸、水冷、四冲程，废气涡轮增压，空-空中冷，该发动机最大功率为147kw/2000rpm,最大转矩720Nm/1400rmp。3.3本章小结 本章的内容是设计中的关键环节，首先确定了原型车的基本参数，通过对比分析选定了永磁电动机作为驱动电机，镍-氢电池作为动力蓄电池，并通过计算以及参考确定了相应的参数，电动机额定功率35Kw，动力电池360V，40Ah，确定了整车的动力性参数。17 第 4 章 混合动力城市客车动力混合器的设计 4.1动力混合器的作用 动力混合器的作用是将发动机输出的动力和电动机输出的动力进行混合，在各种不同驱动模式下进行切换。动力混合器是实现对 HEV控制的机械基础，根据使用情况，动力混合器应当实现以下动力传输路线：1、怠速的时候，发动机输出动力驱动电动机，此时电动机作为发电机工作；2、客车起步时，电动机输出动力，驱动客车行驶，达到 10Km/h；3、当客车速度达到 10Km/h时，动力混合器切换动力传递路线，发动机驱动整车行驶；4、制动的时候，动力由车轮出发，逆向传递回电动机，此时，电动机作为发电机工作，实现制动能量回收；5、当客车爬坡处于大负荷工况下时，发动机和电动机输出的驱动力在动力混合器中混合，实现混合动力驱动。4.2动力混合器的设计 图 4.1 动力混合器示意图 1、车辆怠速运行时，同步器 A 向左移动，内燃机带动电动机运行，此时电动机作内燃机 2 B A 4 3 1 电动机 传动轴 18 为发电机运行，为动力电池充电；2、车辆起步时，同步器 A 向右移动，电动机与输出轴连接，输出动力驱动车辆行驶；3、当车辆行驶速度达到 10Km/h时，同步器 A复位，同步器 B向左移动，内燃机输出动力驱动车辆行驶；4、当车辆大负荷行驶时，同步器 A 向右移动，同步器 B 向左移动，电动机与内燃机共同输出动力，驱动车辆行驶，实现混合动力驱动；5、车辆制动时，同步器 A 向右移动，动力由车轮逆向传递，带动电动机运行，实现制动能量的回收。4.2.1 齿轮几何参数的计算 发动机最大转矩为 720Nm，所选电动机最大转矩为 210 N m，Temax=930 N m 动力混合器设计参数 A=31maxgeAiTK （4.1）=9.511396.0239.7930=176.96204.90mm 取 A=180mm 式中，A 为中心距（mm）；AK为中心距系数，AK=9.511；maxeT为发动机最大转矩（mN）；1i为变速器一挡传动比；g为变速器传动效率 0.96。齿轮压力角为=20 螺旋角=23法向模数nm=4 hz=2Acos/nm=82.8 取整，齿轮 1 和 2 齿数和为 83 修正中心距 A=hznm/2cos=180.336mm 中心距 A 取 180mm 精确计算螺旋角 =75.222arccosAmznh （4.2）分度圆压力角 54.2