混合动力电动汽车动力系统试验方案及试验台架方案设计.pdf
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混合动力电动汽车动力系统试验方案论文题目:
混合动力电动汽车动力系统试验方案及试验台架方案设计及试验台架方案设计作者单位:
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年月日武汉理工大学毕业论文(设计)目录中文摘要和关键词.1英文摘要和关键词.21绪论.31.1混合动力电动汽车开发的背景及意义.31.2混合动力试验台架开发的意义.41.3论文研究的主要内容.42混合动力电动汽车及试验技术.52.1混合动力电动汽车概念.52.2混合动力电动汽车动力系统的结构.52.2.1混合动力电动汽车动力系统的构成.52.2.2串联式混合动力电动汽车.72.2.3并联式混合动力电动汽车.72.2.4混联式混合动力电动汽车.82.3混合动力电动汽车动力系统的能量流分配.82.3.1典型混合动力系统的能量流分配.82.3.2SHEV动力系统的能量流分配.92.3.3PHEV动力系统的能量流分配.102.3.4PSHEV动力系统的能量流分配.112.4混合动力电动汽车台架试验技术.122.4.1动力总成控制技术.132.4.2CAN数据通信技术.152.4.3dSPACE实时仿真技术.152.5小结.153混合动力电动汽车动力系统试验台架设计.163.1测功机的选型分析.163.1.1AMT第二轴输出参数的确定.163.1.2测功机的选型及升速器传动比的确定.193.2联轴器及传动轴的设计.193.2.1联轴器的选择及传动轴的结构.203.2.2传动轴联接盘上尼龙绳的拉力与角度计算.213.2.3传动轴矩形花键联接强度的计算.223.3冷却水供给系统.233.4燃油供给系统.233.5进排气系统.243.5.1进气系统.243.5.2排气系统.243.6供电系统.243.7小结.24结论.24武汉理工大学毕业论文(设计)摘要能源和环保问题将成为本世纪全球最为关注的问题,陆地交通工具是造成这两大问题罪魁祸首,因此急需一种新的车型来取代传统的车型来缓解这些问题,混合动力电动汽车(HEV)被证明是最近一段时间内的最佳选择。
混合动力技术的开发很大程度上依赖于混合动力试验技术,而先进的试验技术又要由完善的试验设备来保证。
因而作为混合动力技术开发的一种必不可少的基础设施,混合动力试验台架的研究与开发是非常必要和重要的。
本文首先分析了混合动力电动汽车动力系统的构成,依此对混合动力电动汽车结构形式进行了分类,并给出了每一类混合动力电动汽车在各种工况下的能量流分配,然后对混合动力台架试验技术做了概括性介绍,最后提出了混合动力电动汽车动力系统试验台架的前期建设方案,完成了测功机的选型分析,联轴器及传动轴的设计,提出了冷却水供给系统,燃油供给系统,进排气系统及供电系统的初步方案。
关键词:
混合动力电动汽车动力系统试验台架1武汉理工大学毕业论文(设计)AbstractTheenergyandenvironmentprotectionproblemwouldbetakenthemostattentioninthiscentury,thelandtransportvehiclescontributethemosttothetwobigproblem,soanewtypeofvehicleisurgentlyrequiredtotaketheplaceofthetraditionalvehicleinoddertodealwiththeproblems,HybridElectricVehicle(HEV)isproventhebestchoiceinthenearfuture.Thedevelopmentofhybridtechnologymostlydependsonthehybridtesttechnology,andadvancedtesttechnologyisensuredbyperfecttestequipments.Soasanecessarybasicequipmentofdevelopmentinghybridtechnology,thestudyanddevelopmentoftestbedisverynecessaryandimportant.ThispaperanalyzedthecomposingoftheHEVpowerunitfirstly,classifiedtheHEVstructuretypebasedonthis,andgavethepowertraindistributingofeachtypeundereveryworkcondition,thenintroducedthehybridbedtesttechnologybriefly,finallyofferedthepowerunittestbedinitialschemeoftheHEV,theanalyzingoftheergometerchoicing,thedesigningofthecouplingandtransmissionshafthasbeenfinished,coolingwatersupplyingsystem,theinitialschemeoffuelsupplyingsystem,intakeandexhaustsystemandelectricitysupplyingsystemhasbeengaven.KeyWords:
HybridElectricVehiclepowerunittestbed2武汉理工大学毕业论文(设计)1绪论1.1混合动力电动汽车开发的背景和意义21世纪环保问题和能源问题将成为全球最为关注的问题,为了解决这些问题,急需一种更节能、更环保的新型汽车,零排放汽车无疑是我们的最终目标。
纯电动汽车被认为是满足零排放要求的最好汽车。
各国政府及各大汽车公司曾在纯电动汽车上投入了大量的人力和财力,取得了一定的成绩,但是在电池技术这一关键技术上仍然难有突破性进展,这导致纯电动汽车量产化过程中的很多问题难以克服,例如:
车身过重,续驶里程短,价格昂贵等。
这些问题使得很多汽车公司暂时减轻了对纯电动汽车的开发力度,并转向了一种“准绿色”产品混合动力电动汽车(HEV)。
目前,世界各大汽车公司的技术路线基本趋于统一:
中近期内,发展超低排放的混合动力电动汽车,远期则发展零排放汽车,例如氢动力燃料电池电动汽车等。
下面简要介绍一下国内外混合动力电动汽车的发展近况:
近几年来,世界各大汽车公司都推出了混合动力电动汽车,有的已经陆续投放市场。
例如日产公司的Tino混合动力轿车,丰田公司的Prius混合动力轿车,本田公司的Insight混合动力轿车,通用公司的PRECEP混合动力轿车,福特公司的Prodigy混合动力轿车,戴姆勒-克莱斯勒公司的道奇ES3混合动力轿车。
其中丰田公司1997年推出的Prius是混合动力电动汽车的最佳代表,在日本1015工况下燃油经济性达到了3.57L/100km,CO、NOX、HC排放水平仅相当于日本现行法规的1/10;CO2排放量相当于传统轿车的1/2。
截至2004年,该车型在全球的销量已经超过22万辆。
本田公司2000年推出的Insight混合动力跑车在装备手动5挡变速器时创造了3L汽油行驶105km的好成绩。
这些车型,都是展示混合动力电动汽车生机的很好的例子。
我国混合动力电动汽车技术与国外的的差距相对较小。
我国在“八五”和“九五”期间都有计划的开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制,在此技术上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。
目前电动汽车已经作为重大专项列入“十五”国家高技术研究发展计划(863计划),混合动力电动汽车是其中的重要构成部分。
2005年10月1日,我国第一批六项混合动力电动汽车国家标准发布,这对国内混合动力电动汽车的发展产生重要的推动作用。
目前,国内已经介入混合动力汽车研究的主要有一汽、上汽、东风、长安、奇瑞、吉利和比亚迪等厂家。
其中一些厂家已经试制了混合动力电动汽车样车并通过验收。
与纯电动汽车相比,混合动力电动汽车具有如下优点:
(1)由于有发动机作为辅助动力,电池的数量和质量可以减少,因此汽车自重可以减小。
(2)汽车的续驶里程和动力性可以达到内燃机水平。
(3)借助发动机的动力可带动空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器,无需消耗电池组有限的电能,从而保证了驾车和乘坐的舒适性。
与内燃机汽车相比,混合动力电动汽车具有如下优点:
(1)可使发动机在最佳的工况区域稳定运行,避免或减少了发动机变工况下的不良运行,使得发动机的排放和油耗大为降低。
(2)在某些对汽车排放严格限制的地区(如商业区、旅游区、居民小区等),混合动力电动汽车可以关闭发动机,由纯电力驱动,实现零排放。
(3)可通过电动机提供动力,因此可以配备功率较小的发动机,并可通过电动机回收减速和制动时的能量,进一步降低了能耗和排放。
综上所述,与传统内燃机汽车和纯电动汽车相比,混合动力电动汽车有许多显著的优点。
它既继承了石油燃料高比能量和高比功率的长处,弥补了纯电动汽车续驶里程短的不3武汉理工大学毕业论文(设计)足,又发扬了纯电动汽车作为“绿色汽车”节能和低排放的优点,显著改善了整车燃油经济性和排放性,达到两种车辆优点的折衷统一。
实践表明,混合动力汽车可以满足21世纪初减少燃油消耗和降低排放的目标要求。
1.2混合动力试验台架开发的意义对于混合动力汽车研发过程中的关键技术。
参数匹配和控制策略的优化研究一直处于仿真阶段,进一步验证需要一个真实的试验环境。
而混合动力试验台架恰恰提供了一个解决关键技术的开发平台。
主要用来解决下列问题:
(1)混合动力试验台架能够为电机、蓄电池等各零部件总称提供与整车相同的试验调试环境,将总成放到真实的试验环境中进行相关的试验,可以针对HEV的特殊要求进行研制与开发,从而指导各总成的研究方向与重点需要解决的问题。
(2)混合动力试验台架可以对各总称部件进行性能评估。
对需要评估的总成只需要提出试验条件的要求,模块化的试验台可以根据其要求重组提供艘许的试验环境。
(3)通过台架试验可以解决动力集成的关键技术。
如动力切换、换档过程的控制,仿真技术只能提供一个理论上的指导,关键问题的解决需要在试验台架上反复试验调试。
(4)混合动力试验台架可以进行整车控制器的测试。
包括控制策略的调试与优化,控制器硬件对于HEV环境的电磁兼容性等。
(5)混合动力试验台架可以完成整车动力性试验,并且通过工况循环可以完成经济性的测试。
与整车试验相比,台架试验有不受外界自然环境限制的优点。
此外,另一个整车与台架无法比拟的优势是台架可以使各零部件的布置不受整车总体布置的限制。
台架的模块化可以为不同类型的发动机及其控制器、电机及其控制器、蓄电池及其管理模块以及整车控制器提供所需的试验环境。
而且从技术要求的角度考虑搭建混合动力试验台架这一方案是可行的。
目前测功机有足够的控制精度和相应速度来模拟整车运行时的道路阻力变化,此外整车惯量可以通过飞轮来模拟。
并且有足够的数据采集设备采集相关的试验数据掌握数据通讯技术。
混合动力汽车试验台架的研究与开发可以填补我国在HEV试验领域的空白,有利于跃升我国HEV整车和HEV各总成的试验水平,有利于建立一整套统一、规范、科学的HEV试验规程、试验方法和试验标准,有利于建立统一、科学的HEV整车和零部件总成的评价体系。
目前国内混合动力的研究与开发已经有一段时间,但由于资金、技术等原因,多数停留在方针阶段。
国外虽然混合动力汽车的技术比较成熟,但关于混合动力试验台架的技术现有报道。
原因可能技术的保密性,或者相关研究也处于起步阶段。
这对国内混合动力试验台架方案的设计以及技术方案的确定带来一定的困难。
综合以上分析,HEV的研究在我国尚处于起步发展阶段,好的混合动力试验台架系统的建设,不论对HEV的理论研究还是对混合动力技术成果的推广都具有十分重要的现实意义。
1.3论文研究的主要内容由上述分析可知,混合动力试验台架的建设是非常必要的,本文的主要内容是在对HEV动力系统的结构形式和能量流分配分析的基础上,提出HEV动力系统试验台架前期建设的方案,包括供电、供水、燃油供给系统、进排气系统和联接问题等方面。
下面是本课题研究的主要内容:
4武汉理工大学毕业论文(设计)
(1)HEV动力系统的结构形式及能量流分配。
对HEV动力系统构成做出简要介绍,根据动力系统零部件的总类、数量和连接关系可以将其分为串联式、并联式和混联式三种基本结构形式。
对每种结构做了简要介绍,并给出了每种结构的能量流分配。
(2)HEV的台架试验技术。
较详细的介绍了HEV的台架试验技术。
(3)HEV动力系统试验台架的前期建设。
依据通用性原则,完成HEV动力系统试验台架的设计,提出供电、供水、供油、进排气系统和联接等问题的详细解决方法。
2混合动力电动汽车及其试验技术2.1混合动力电动汽车概念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,混合动力电动汽车(HEV)是指由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源,其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。
根据这个通用的定义,混合动力电动汽车有很多种形式,有汽油机和蓄电池混合,柴油机和蓄电池混合,蓄电池和燃料电池混合,蓄电池和超大容量电容器混合,蓄电池和飞轮混合,蓄电池和蓄电池混合等。
但该定义并未被人们所接受,目前,一般把采用燃料电池和蓄电池混合动力的称为燃料电池电动车,把采用蓄电池和电容器混合动力的称为超大容量电容器辅助动力电动车,而混合动力电动汽车专指既有内燃机又有电动机驱动的车辆,现在大部分的HEV是在传统的发动机汽车上增加蓄电池组作为电能存储装置,通过电动机将电能转化为机械能。
2.2混合动力电动汽车动力系统的结构2.2.1混合动力电动汽车动力系统的构成混合动力电动汽车(HybridElectricVehicle,简称HEV)的动力系统由蓄电池、电驱动系统、发动机和动力复合装置构成。
蓄电池蓄电池是混合动力系统的储能部件。
HEV电池的容量通常比纯电动汽车的小得多,它存储的能量主要用来平稳发动机变化的功率需求,在加速和爬坡阶段辅助发动机,在减速阶段吸收制动能量,以及为一定数量的零排放操作提供足够的能量。
目前混合动力的蓄电池主要采用的是铅-酸(Lead-acid)蓄电池,镍-镉(Ni-Cd)电池,镍-氢(Ni-MH)电池等。
电驱动系统串联混合动力系统对驱动电机的要求纯电动汽车相似,发电机则要求体积小、高效率、控制性能良好。
并联和混联混合动力系统要求电机能适应频繁的起停和电动/发电状态的切换。
在并联系统“轻度复合”的结构中,电机功率要求较小,可采用与发动机曲轴同轴的结构,进一步减小了电机尺寸和质量。
目前混合动力系统采用的电驱动系统主要是异步电机驱动系统和永磁同步电机驱动系统。
发动机与传统汽车相比,HEV选择发动机时,侧重于选用小型化、低油耗、低排放的发动机,并且控制在最佳效率范围内稳定运转。
可以广泛的采用四冲程内燃机(包括汽油机和柴油机)、二冲程内燃机(包括汽油机和柴油机)、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。
四冲程汽油发动机是当前HEV的主力发动机,在技术上已相当成熟,在节能和环保方面也取得了很大的进展。
转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高,排放比较洁净。
动力复合装置在并联和混联系统中,机械的动力复合装置是耦合发动机和电动机功率的关键部件。
它不5武汉理工大学毕业论文(设计)仅具有很大的机械复杂性,而且直接影响整车的控制策略,因而成为混合动力系统开发的重点和难点。
目前采用的动力复合方式有转矩复合、速度复合和双桥动力复合。
这种形式通过行星机构可以实现多个部件转速的复合,而各个部件的转矩保持一定的比例关系,这种功率复合形式被称为速度复合。
这种行星机构有两个自由度,但通过不同离合器和制动器的作用可以实现单自由度、固定传动比的传动。
蓄电池逆变器发动机发电机电动机车桥及车轮行星齿轮机构图2-1丰田Prius行星齿轮混合动力系统结构简图在此机构中发动机与行星架相联,通过行星齿轮将动力传递给外齿圈和太阳轮,齿圈轴与电动机和传动轴相联,太阳轮轴与发电机相联。
动力分配装置将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上,将另一小部分转矩传给发电机,发电机发出的电能根据指令给电池充电或用于电动机以增加驱动力。
通过对行星机构的变速比和受力分析可以得到(1+)Ne=Ng+NrTe=(1+1/)Tg=(1+)TrNm=Nr(2-1)Tw=Tm+Tr=Tm+Te/(1+)Nw=Nr/K=(1+)Ne-Ng/K式中:
太阳轮齿数与齿圈齿数之比(01)Ne、Ng、Nr、Nm、Nw分别为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转速Te、Tg、Tr、Tm、Tw分别为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转矩K齿圈与驱动轴之间的传动比根据HEV动力系统零部件的总类、数量和连接关系可以将其分为串联式、并联式和混联式三种基本结构形式。
图2-2给出了各种HEV动力系统的功能框图,图中电气连接是双向的,液流连接没有方向,机械连接也是双向的。
从图中可以看出串联式的主要特点是在纯电动模式下,内燃机和发电机一起工作产生所需的电能;并联式的主要特点是内燃机和与变速器相连的电动机都通过各自的驱动轴驱动车轮;混联式就是直接把串联和并联相6武汉理工大学毕业论文(设计)结合。
为了实现混联式混合驾驶模式,内燃机与发电机/电动机之间以及电动机与变速器之间必须进行机械连接,其中机械连接装置可以选择上文所述的行星齿轮机构。
TFEGBPM(a)TFEBPM(b)TFEGBPM(c)图2-2混合动力电动汽车结构形式(a)串联式(b)并联式(c)混联式B:
蓄电池E:
内燃机F:
油箱G:
发电机M:
电动机P:
功率转换器T:
传动装置(包括制动、离合器和齿轮箱)单线:
液流连接双线:
机械连接三线:
电力连接根据动力系统的结构和能量流动方式的不同,HEV可以分为串联式混合动力电动汽车(SeriesHybridElectricVehicle,简称SHEV),并联式混合动力电动汽车(ParallelHybridElectricVehicle,简称PHEV)和混联式混合动力电动汽车(SplitHybridElectricVehicle,简称PSHEV)。
2.2.2串联式混合动力电动汽车(SHEV)SHEV是HEV中最简单的一种,发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能,转化后的电能一部分用来给蓄电池充电,另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。
和燃油车比较,它是一种发动机辅助型的电动机,主要是为了增加车辆的续驶里程。
由于在发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器,因而它有一定的灵活性。
尽管其传动结构简单,但它需要三个驱动装置:
发动机、发电机和电动机。
如果SHEV设计时考虑爬长坡,为了提供最大功率三个驱动装置的尺寸就会较大,如果用作短途运行如当通勤车用或只用于购物,相应的内燃机-发电机装置应采用低功率的。
2.2.3并联式混合动力电动汽车(PHEV)与SHEV不同的是,PHEV采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。
发动机和发电机通常通过不同的离合器来驱动车轮,可以采用发动机单独驱动,电力单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式驱动。
从概念上讲,它是电力辅助性的燃油车,目的是为了降低排放和燃油消耗。
当发动机提供的功率大于驱动HEV所需的功率或者再生制动时,电动机工作在发电机状态,将多余的能量充入电池。
与SHEV相比,它只需要两个驱动装置:
发动机和电动机,而且,在蓄电池放完电之前,如果得到相同的性能,PHEV比SHEV的发动机和电动机的体积要小。
即使在长途行驶时,发动机的功率可以达到最大7武汉理工大学毕业论文(设计)而电动机的功率只需发出一半即可。
2.2.4混联式混合动力电动汽车(PSHEV)PSHEV在结构上综合了串联式和并联式的特点,与串联式相比,它增加了机械动力的传递路线,与并联式相比,它增加了电能的传输路线。
尽管PSHEV同时具有SHEV和PHEV的优点,但其结构复杂,成本高,不过,随着控制技术和制造技术的发展,一些现代HEV更倾向于选择这种结构。
2.3混合动力电动汽车动力系统的能量流分配2.3.1典型混合动力系统的能量流分配HEV的能量流分配可以通过混合动力系统在一个简单、短途的起动/停止循环试验中的表现来解释。
图2-2展示了一种典型的轻型汽车在这一行程中速度和功率随时间的理论曲线。
考虑到乘客的舒适性,汽车被设计为恒加速度和减速度。
图2-2(a)显示了速度随时间的变化,图2-2(b)显示了相应的功率需求。
0时间功率速度加速巡航减速时间停止峰功率(使用电池存储的能量提供的后备功率)最大持续功率制动过程消耗的功率0(a)(b)图2-2一种轻型汽车在起动/停止循环试验中的理论曲线(a)理论速度曲线(b)相应的理论功率需求从功率曲线可以看出大功率只用于整个里程的一小部分。
在HEV中,主电动机的功率应该至少满足巡航,如图中虚线所示。
图2-3展示了一种典型混合动力系统在各工况下能量流分配情况。
加速阶段图2-3(a)简要的阐明了一种HEV在加速阶段的表现。
由于在HEV中,较小型的发动机所取代了传统的大马力的发动机,因此会产生更恒定的功率输出和更高的极限功率输出百分比的,这就极大的提高了效率。
因为点燃式发动机的部分负荷效率是相当低的。
在加速过程中所需的额外功率由蓄电池供给。
巡航阶段在巡航阶段,发动机的功率余量可以用来为蓄电池充电,如图2-3(b)所示。
减速阶段8武汉理工大学毕业论文(设计)从图2-2可以看出,在减速阶段的功率需求是负数。
这是因为能量必须通过制动系统来消耗掉。
在HEV中,这些能量不会被制动系统以热能的形式耗散,而是电池蓄吸收并再投入循环,因此减少了燃料消耗。
在混合动力系统中,车轮机械式的联接到一台发电机上,这台发电机产生电流为蓄电池充电,与此同时也为车轮加载了一个制动矩。
这一阶段如图2-3(c)所示。
发动机蓄电池发动机蓄电池发动机蓄电池(a)(b)(c)图2-3:
一种典型混合动力系统在各工况下能量流分配示意图(a)加速阶段(b)巡航阶段(c)制动阶段由上面的描述可知,在不同的工作模式下,HEV动力系统总体的能量流向是不同的,同时每一工作模式下也存在不同的能量分支,形成一系列能量流,下面给出三种混合动力系统的能量流的分配。
2.3.2SHEV动力系统的能量流分配SHEV的能量流分配可以用如下四种工作模式来描述,如图2-4所示。
车辆启动、正常行驶或加速行使时,发动机通过发电
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