并联混合动力汽车动力传动系统方案设计与排放特性仿真研究

设计说明

平行混合动力汽车

电力传输系统设计

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**平行混合动力汽车的电力传输系统的设计

概括

随着时代的发展，汽车已经成为家庭的必要性。但是，必须认真对待产生的环境污染和能量压力。近年来，各国已开始关注混合动力汽车的发展，以减轻能源短缺带来的压力。本文与平行混合动力汽车的核心组件相匹配，讨论了平行混合动力汽车的电力传输系统的解决方案设计，选择了美国城市循环条件，并模拟了车辆的发射特性和燃油经济性，以验证解决方案设计的可行性。

文章首先总结了混合动力汽车的开发背景和意义，讨论了国内外混合动力汽车的开发状况以及在我国开发混合动力汽车的必要性，并通过比较几种不同的驾驶模式和结构特征的优势和缺点来选择动力驱动方案。其次，基于原始数据和现有类似模型，电源系统的核心组件是匹配的参数。最后，基于环境中的软件，对所选驱动程序系统进行了模拟和模拟。选择了具有10个周期的美国城市的工作条件，并进行了模拟研究。结果表明，与传统汽车相比，燃料消耗降低了12％，有效地改善了燃油经济性，实现了节能和减少排放的目标，并证明了计划设计的合理性。

关键词：混合动力，传输系统，解决方案设计，燃油经济性，模拟

玛丽，d，。，。，％，阿尔卡，..

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目录

1简介1

1.1混合动车研究的背景和意义1

1.2本项目中国内外研究的现状2

1.3混合动力车的分类3

1.4节能原理和杂交车辆的排放减少6

1.5混合动力汽车的技术功能7

1.6本文的主要研究内容8

2平行混合动力汽车转移盒设计9

2.1扭矩耦合9

2.2牵引耦合类型11

2.3速度耦合类型12

2.4传输方案的选择13

2.5本章的摘要

3平行混合动力汽车的核心组件的参数匹配15

3.1组件组件的参数匹配15

3.1.1发动机参数设计15

3.1.2电动参数设计18

3.1.3电池参数设计21

3.1.4传输系统传输比率参数设计22

3.1.5传输框参数设计24

3.2参数匹配结果评论25

3.3本章的摘要

4平行混合动力汽车模拟27

4.1混合动车模拟软件简介27

4.2仿真过程28

4.3模拟结果30

4.4本章摘要32

5全文摘要和前景33

5.1主要完成工作33

5.2研究前景33

参考35

致谢37

1简介

1.1混合动车研究的背景和意义

汽车的开发经历了很长的过程。它带来了人类科学和技术的梦想，并体现了人类的智慧。从现代产业到发展到目前的水平，汽车行业一直能够保持强大的活力并占据一定的市场份额。这与科学和技术的持续进展以及市场需求的增加密切相关。从初始运输功能到当前的家庭必需品，不断满足人们的使用需求[1]，这使汽车的质量成为了定性的飞跃。汽车的受欢迎程度和技术水平甚至已成为一个国家或地区现代化的象征。但是，汽车为人类带来了便利，还遵循严重的能量和环境问题。 2015年，中国的净石油进口物，包括原油，精制石油，液化石油汽油（LPG）和其他产品，达到3.443亿吨，同比增长7.4％。中国石油消费量（进口依赖）中净石油进口的比例从2014年的62.0％增加到63.5％，这是当时最高的记录[2]。国际能源局发布的报告预测，从现在开始，全球能源需求的平均年增长率将达到约3％，中国将消费全球供应的20％，仅低于美国目前的份额。尽管汽车消耗了大量的能量，但它们也带来了严重的全球环境恶化问题。在全球范围内，全国主要城市面临着不同程度的汽车排放污染。从美国提供的信息可以看出，汽车排气排放造成的污染占城市空气污染的63％，城市交通城市产生的噪声污染占80％[3]。汽车驾驶过程中产生的废气，噪音和灰尘会造成严重的空气污染，并对人类健康造成严重伤害。

面对汽车带来的能源和环境问题，节能和环境保护已成为社会关注的重点。能源短缺，环境污染和气候变暖是全球汽车行业需要面临的艰巨任务。政府和行业提出了自己的行业产品计划计划，并积极回应它，以维持其汽车行业的发展活力和竞争力。汽车行业越来越重视新的能源车辆，在21世纪，它已成为发展的热门话题[4]。混合动力汽车在一定程度上是合理的纯电动汽车和传统汽车匹配的结合。他们不仅保留了传统汽车长途里程的优势，而且可以大大减少汽车的燃油消耗和排气排放，并且在一定程度上可以减轻空气污染问题。因此，混合动力汽车受到汽车公司的青睐，并已广泛用于商业用途。混合动力汽车具有两种或多种不同类型的驱动源，例如内燃机和电动机，或内燃机和燃料电池。混合动力汽车是传统汽车和纯电动汽车的合理组合。有三种工作模式，即发动机分别驱动，电动机是分开驱动的，或发动机和电动机是杂交驱动的，以便它们可以适应不同的驾驶条件[5]。在车辆性能方面，电动机和发动机是混合动力汽车的核心组件。由它们和其他变速箱组成的传输系统直接决定了车辆的底盘布局，也可能影响车辆的功率性能和排气排放。由于电力组件和传输组件之间的匹配和布局结构非常不同，在开发混合电动汽车时，我们必须结合底盘布局结构和电力传输系统的特征，并制定最佳的传输系统，并根据目标车辆的开发和最大程度地扩展到 Emiss的动力，以最大程度地扩展到Emiss的动力，并选择最佳的核心组件[6]。在我的国家，汽车行业始于国外，因此混合动力汽车的研发相对落后。关于混合动力汽车电力传输系统解决方案的大多数研究都处于理论研究阶段，远非达到市场的商业水平。因此，与外国混合动力技术相比，我国的技术水平存在很大的差距。当前，常见的平行混合传输系统包括速度耦合类型和扭矩耦合类型。变速箱分为前后类型。根据电动机和内燃机的布置，有单轴和双轴类型。在这些传输溶液中[7]，最常见的是双轴速度耦合类型。显然，鉴于我国的混合动力技术，为了促进我国混合动力汽车工业化的发展和进步，对混合电动汽车的电力传输系统计划进行研究具有重要意义，并改善并掌握了混合动力汽车的关键技术，以便我的国家还具有独立的研究和开发能力，并具有独立的研究和发展能力，并缩小了国外的范围[8]。

1.2国内外研究的现状

在19世纪初期，英国和法国的一些人学习了电动汽车，到1881年，世界上第一辆电动汽车出现在法国巴黎的街道上。 1899年，美国生产的电动汽车约占生产的所有车辆的63％，在接下来的15年中，美国最高的电动汽车生产已达到5,000。后来，由于科学和技术的瓶颈开发，尤其是电池技术，到达了瓶颈，并且发现了世界各地的许多油田，传统的燃料汽车具有绝对的商业优势。至于当前的电动汽车技术，美国和日本在欧洲，法国，英国和其他国家 /地区也进行了电动汽车的研究和开发[4]。 1997年，日本丰田（）于1997年发布了Prius混合动力轿车[9]，该轿车于2006年进入中国市场。自2008年以来，石油价格的持续上涨进一步促进了政府，学校和制造商，以关注混合技术。在过去的几场国际汽车展览会中，混合动力汽车已成为汽车公司和人员的关注焦点，与此同时，它还证明了汽车公司的技术实力[10]。

国内新能源汽车行业始于21世纪初期。在国内汽车公司中，吉利（Geely），比特（Geely），奇瑞（Chery）和其他汽车公司在各种汽车展览会上都表现出了实力，并且展出的产品包括独立开发的混合动力汽车和燃料牢房[11]。在传输系统布局机构中的并行混合动力车中，该布置没有独立的发电机。在传输盒耦合设备的动作下，发动机的功率可以直接传输到驾驶轮。该驱动力的传输方法非常接近传统汽车，并且具有近似的传输效率。因此，这种布置已被广泛使用[12]。目前，经过多年的研发，混合动力汽车的核心组件（电池，电动机和发电机）技术变得越来越成熟。结合我国汽车行业的当前状况，进行了混合型汽车技术的研究和开发，并且在混合动力汽车的商业使用中的投资变得越来越现实[13]。由于与传统的燃油汽车和纯电动汽车相比，混合动力汽车具有不同的驾驶模式，因此混合动力汽车需要控制系统，以根据道路条件和需求切换不同的驾驶模式。因此，切换整个车辆驾驶模式的控制系统是混合动力车的非常关键的部分[14]。随着我的国家面临化石能源短缺和环境污染问题的越来越严重，非常有必要开发混合动力汽车来减少化石能源的使用和排气排放。我们可以看到，在汽车行业的未来发展方向上，混合技术将成为研发的重点，而混合动力汽车将在我国实现长期发展[15]。

1.3混合动力汽车的分类

一般而言，混合动力汽车是由两个或多个独立驱动系统提供动力的车辆。这种车辆要求的功率由驱动系统或多个驱动系统提供。它不仅可以通过一个电源驾驶汽车，而且可以共同为汽车提供驱动力。混合动力汽车需要电池来存放电力，将其发送到电动机，然后将其转换为机械能。混合动力汽车继承了电动汽车节能以及减少排放和绿色旅行的优势。同时，他们将传统汽车的优势与强大的功率结合在一起，并解决了电动汽车的缺点，从而提高了汽车的燃油性能和排放性能，并结合了两辆汽车的优势。

不同类型的混合动力汽车的电力传输系统存在某些差异。根据传输系统的核心组件的布置，混合动力汽车可以分为串联，平行和混合动力汽车。它们的结构和特征如下：

1.3.1系列混合动力汽车

串联电动传输系统的结构图如图1.1所示。

串联混合动力汽车也称为扩展电动汽车。与纯电动汽车相比，它们使用内燃机发电。该结构包括三个主要组件：发动机，发电机和驱动电动机。发动机仅用于发电，不会直接驾驶车辆驾驶车辆。电能通过发电机发送到电动机，然后电动机产生电磁扭矩，以驱动车辆驾驶车辆驾驶车辆。当电源溢出时，发电机可以为电池充电，从而延长车辆的里程。在某些道路条件下，车辆可以在纯电气条件下行驶。此时，发动机关闭，车辆从外界发出零排放。但是，由于该驾驶系统的能量转换，将有一定程度的不可避免的能源损失。此外，由于发动机无法直接驾驶汽车，因此可以在最佳工作区域制造发动机，这可以在一定程度上提高发动机的效率，并防止发动机在低效率范围内运行。

图1.1串联驱动系统的简化图

1.3.2平行混合动力汽车

平行功率传输系统的结构如图1.2所示。与系列电动传输系统相比，传输系统可以大大提高整个车辆的驱动力，因为它具有两个电源：电动机和发动机。在特定情况下，两者可以共同提供驱动力。此外，该系统上的电动机还可以逆转以实现发电机的功能并为电池充电。它具有三种驾驶模式。首先，纯电动驾驶。例如，在交通拥堵的城市道路上，不需要大量的电力。目前，发动机关闭，可以实现零排放驾驶，同时避免噪声污染。其次，发动机以单独的模式驱动。当电池SOC低于设定值时，电动机对车辆电源的输出将被切断并仅由发动机驱动。当它的功率溢出时，它也可以通过发电机逆转以给电池充电，从而提高了能量利用率。第三，两者一起为整个车辆提供了动力。当汽车需要大功率时，电池的SOC值在有限的范围内。此时，发动机和电动机可以共同驾驶汽车。如果内燃机的功率溢出，则可以使用多余的功率为电池充电。因此，在三种驱动模式中有两个独立的驱动系统不会彼此干扰，即传统的内燃机驱动系统和电动机驱动系统。由于可以叠加两个电源的功率，因此无需更高的电源内燃机和电动机，这可以在一定程度上节省车辆的建设成本并降低车辆质量。

图1.2并行驱动系统的简单图

1.3.3混合动力汽车

混合类型的结构相对复杂。它结合了系列和并行类型的优势。它可以以串联模式驾驶车辆或使用并行驱动模式。根据不同的驾驶条件，可以灵活地采用适当的驾驶方法，以便可以提高能源利用效率，并可以降低排气排放。就电源分配，启动或在拥挤的城市区域而言，您只能使用电池的能量。高速行驶或以高速行驶时，发动机是单独的电源。当车辆需要大加速度时，可以更改功率输出方法，并可以叠加发动机和电动机的输出功率。结构图如图1.3所示。

图1.3混合驱动系统的简短图

因此，相比之下，混合混合动力传输系统可以适应更多的汽车驾驶条件，并且可以保证无论是在城市交通道上还是在高速公路上，汽车的燃油经济性和功率都可以保证。

1.3.4不同形式的杂种车辆的特征[4]。

表1.1比较不同布局形式的特征

布置类型平行系列混合类型

整个车辆的成本相对较低

结构的复杂性相对复杂且简单

发动机是单独驱动的，电动机是单独驱动的，混合动力电动机是分别驱动的，电动机是分别驱动的，电动机是分别驱动的，发动机是分开驱动的，发动机是驱动的，电动机是混合动力的，电动机是驱动的，驱动了混合动力。

高传输效率相对较低

发动机布局结构发动机和电动机通过其各自的机械传输系统连接到驱动轴。发动机采用传统的机械连接。布局结构相对复杂。核心动力总成之间没有机械连接。布局相对免费。发动机和电动机的尺寸和质量相对较大。通常发现，大型车辆的核心动力总成相对较小，结构紧凑。它最接近传统汽车的性能。它适用于各种类型的车辆。

低排放性能

控制系统的难度相对复杂且简单

1.4节能原理和混合动力汽车的排放原则

混合动力汽车可以通过使用内燃机，发电机，电动机和电池之间的良好匹配以及合理的控制系统来充分利用传统汽车和纯电动汽车的优势，并避免其各自的缺点。对于当今的能源短缺和排气排放，混合动力汽车是最具代表性的新能量车辆，并且具有重要的发展意义。节能和减少混合动力汽车的排放的主要原因是：

1。优化了发动机的工作范围：传统汽车只有可以输出功率的内燃机。对于某个引擎，其性能特征是固定的。但是，在日常驾驶中，将有不同的道路状况，这将形成不同的发动机电力需求和燃油经济性相对较低的。混合动力汽车的电动机可以发挥辅助作用。有了合理的控制策略，发动机可以在最佳工作范围内提供更多的驱动力，从而改善燃油经济性。

2。纯电动驾驶：在拥挤的城市道路上，传统汽车将在停止和步行时增加燃油消耗和排气排放。在这种情况下，混合动力汽车将使用电动机作为唯一的功率输出，这不仅可以实现零排放驾驶，还可以减少燃油消耗。

3。合理的电力传输系统匹配：为了减少混合动力汽车的排气排放并改善燃油经济性，电力传输系统的匹配起着至关重要的作用。它包括合理选择发动机和电动机的功率，电池的容量，然后选择合理的控制策略来形成最佳混合系统。

4.能源回收：传统汽车的能源利用率仍需要提高。就制动而言，当汽车制动时，电动机可以颠倒以充电电池并恢复制动能量。通过这种方式，与传统汽车相比，燃油经济性将有所改善[16]。

1.5混合动力汽车的关键技术

混合动力汽车的最大优势是，它们集中了传统内燃机汽车和纯电动汽车的各自优势，并且在确保电力的同时具有良好的燃油经济性能。开发混合动力汽车的关键技术包括以下几点。

（1）电池及其管理系统

电池是组成混合动力汽车的关键组件之一。其性能参数直接影响电动机的输出功率，从而影响整个车辆的燃油经济性和排气排放。为了使混合动力汽车在加速和爬山时具有更高的峰值功率，这要求电池不仅必须具有高能量密度，而且还必须具有高功率密度。此外，电池的充电周期和工作温度的数量是影响电池寿命的重要因素。因此，通过电池管理系统，对电池的充电周期和工作环境进行实时监控，并准确计算剩余的电池电量对于延长电池寿命具有重要意义。长寿命，低成本和高密度的长时间研发电池已成为混合动力汽车开发的关键技术之一。

（2）车辆系统优化

与传统汽车相比，混合动力汽车的车辆系统相对复杂，涉及各种科学和技术。因此，车辆的性能受到更多技术限制。因此，在优化车辆系统时，必须完全考虑各种因素，以提高车辆的性能并降低制造成本。由于当前的技术限制，很难同时优化混合动力汽车的功率，燃油经济性和制造成本。因此，在优化系统时，可以选择其中一个作为确定系统组成和密钥组件参数的主要优化目标。在优化方法方面，首先将软件用于模拟，然后与实验结合。模拟软件主要用于使用此软件模拟系统，然后进行实验以验证和比较仿真结果[17]。

（3）高级车辆控制技术在混合动力汽车中的应用

随着混合动力汽车的研究加深，车身稳定控制系统和驱动器控制系统如何占据更重要的研究位置。传统的汽车和现代纯电动汽车是合理匹配的，将来混合动力汽车将更加舒适和节能。

1.6本文的主要研究内容

该项目结合了有关混合动力汽车的国内外研究，并客观地分析了混合动力车的平行传输的各种工作模式，并执行了并行混合动力汽车的电力传输系统方案的设计，确定了并行布局方案的原理，以及对并行结构和软件设计原理的工作原则的研究。将汽车作为研究模型，是为平行解决方案而设计的，在平行结构中解释每个组件的参数，选择适当的控制策略，并将其与仿真软件结合使用，以完成并行混合车辆的核心组件的参数匹配。对匹配的结果进行了分析，并证实了匹配的混合动力汽车可以在确保电力的同时显着改善燃油经济性。

2平行混合动力汽车的转移盒设计

要将发动机和电动机的驱动力传输到驱动轴，需要一组驱动力耦合设备，即传输盒。平行混合动力汽车的驾驶结构设备可以分为三类：扭矩耦合，速度耦合和牵引耦合。各种驱动设备的以下功能。

2.1扭矩耦合类型

扭矩耦合器件的原理如图2.1所示。

图2.1扭矩耦合设备的示意图

vout = vin1/i1 + vin2/i2，

Tout = I1·Tin1+I2·Tin2（2.1）

其中：T和V是扭矩和速度；

进出是输入和输出；

I1 I2是设备中输入1和输入2的传输率。

从示意图可以看出，发动机和电动机的驱动力通过扭矩耦合设备耦合，然后将耦合的驱动力传递到驱动轴上。根据驱动轴的数量，将其分为单轴和双轴扭矩耦合变速器。

2.1.1单轴扭矩耦合变速器

该功率耦合变速箱的特征是，电动机的转子和发动机的输出端通过离合器连接，从而实现了电动机扭矩和发动机扭矩的耦合，然后通过电力传输机制输出驱动力。结构示意图如图2.2所示。

图2.2单轴扭矩耦合功率传输结构的示意图

结构之间的关系满足以下公式，

TS =（K·TE+TM）·

nm = ne = ns·k（2.2）

其中：TE，TM和TS分别是发动机，电动机和传输机构的输出扭矩；

NE比亚迪混合动力，NM和NS分别是发动机，电动机和传输机构的旋转速度；

，K是传输效率和传输比。

在这种结构中，发动机，电动机和传输机制的旋转速度有一定比例，道路条件和车辆速度的变化将影响其关系。

2.1.2双轴扭矩耦合变速器

与单轴类型（双轴扭矩耦合设备）相比，发动机和电动机可以将驱动力传输到耦合装置，以通过独立的传输机构进行驱动力耦合。结构图如图2.3所示。

图2.3双轴扭矩耦合功率传输结构的示意图

2.2牵引耦合类型

这种电力传输具有明显的功能，即发动机的驱动力和电动机通过各自的变速箱运输到车辆的前轮和后轮，并且发动机和电动机之间没有机械连接。在混合动力输出的情况下，发动机是主要电源，并且在纯电动模式下，可以实现车辆的零排放驾驶。与传统汽车相比，使用这种耦合设备的混合动力汽车在燃油经济性和功率方面具有更大的改善，但是这种布局结构也有明显的缺点。两个驱动系统分开，这导致车辆不紧凑的结构，这给电力传输的布局带来了困难。因此，这种电力传输很少用于混合动力汽车。结构图如图2.4所示。

图2.4牵引耦合功率传输结构的示意图

2.3速度耦合类型

工作原理如图2.5所示。

图2.5速度耦合设备的示意图

vout = vin1/i1+vin2/i2，

Tout = I1·Tin1+I2·Tin2（2.3）

其中，T和V是扭矩和速度。

进出是输入和输出；

I1和I2是设备中输入1和输入2的传输率。

该传输机制具有两组独立的机械传输集，发动机和电动机分别连接到它们各自的传输机制，然后耦合到行星齿轮。发动机通过变速箱，离合器和变速箱连接到太阳齿轮，并通过行星轮将驱动力传输到驱动轴。电动机连接到行星载体，并且电动配电设备将发动机的驱动力分配到驱动轴和电动机。在设定控制系统的前提下，电动机可根据道路条件和电源要求为驾驶轮提供驱动力或为电池充电。典型的结构图如图2.6所示。

图2.6简化的速度耦合电力传输机制

在稳定操作过程中，太阳齿轮，行星载体和环齿轮之间的关系是：

nj =·ns +·nr

tj = －（1+ig）·ts = －·tr，ig =（2.4）

其中，新泽西州，NS和NR分别是行星载体比亚迪混合动力，太阳齿轮和行星轮的旋转速度；

TJ，TS和TR是行星载体，太阳齿轮和行星轮的扭矩，分别是N·M；

IG是环齿轮和太阳齿轮的传输比，ZR和ZS是环齿轮和太阳齿轮的齿数。

通过控制储物柜1和储物柜2，可以实现汽车在不同工作模式下的操作。

（1）混合动力输出：打开锁1和锁2，太阳齿轮和行星轮的自由状态，发动机和电动机都可以执行动力输出。目前，nj =·ns +·nr，