油电混合动力系统（精选4篇）
油电混合动力系统 篇1
进入21世纪以来, 世界各国的汽车数量迅速增加, 而石油资源的紧缺和自然环境的破坏使汽车行业走上节能环保道路。面对城市恶劣的交通环境, 研究者设计出了混合动力汽车 (Hybrid Electric Vehicle, HEV) , HEV汽车融合了传统汽车和电动汽车的优点, 通过发动机与电机的耦合, 能满足整车低排放、低油耗和低附加成本等综合要求。但是, 不同模式之间的频繁切换也造成了发动机的频繁启停, 美国韦恩州立大学对一种并联结构的混合动力系统在FUDS驾驶循环下进行的研究表明, 发动机在单个驾驶循环中被启动65次。这在某种程度上表明, 发动机频繁启停是混合动力汽车的一个重要的瞬态工况。而发动机的启动过程虽然很短, 却是发动机燃烧性质最为恶劣的过程。发动机怠速工况近80%的HC和CO排放量都是在启动阶段排出的。此外, 据统计, 在路况繁忙时, 车辆减速、怠速运行的时间约占车辆总运行时间的60%, 其中35%左右的时间处于怠速状态, 发动机长期运行在怠速工况也必将导致油耗和排放增多。
混合动力汽车自动启停START/STOP控制技术能够避免发动机工作在怠速和低效率区, 是混合动力汽车实现节能和清洁的主要途径之一。车辆短暂停车工况时, 停止发动机运转, 从而消除怠速工况下的高油耗和高排放。车辆重新起步时, 通过电机将发动机快速拖动到怠速转速以上, 发动机才开始喷油点火, 从而避免工况加浓过程造成的高油耗和高排放。这种技术能够有效地提高燃油的经济性、改善排放特性。
1 start/stop原理分析
轻型油电混合动力汽车 (LHEV) 的动力结构比混合动力汽车的动力结构更加简单, 自重更轻, 适合长时间行驶, 电动模式在运行工况中所占比重更大。在城市拥挤的交通中, 汽车的频繁停车会因发动机怠速产生较大的燃油消耗, 而轻度混合动力汽车有一个Start/Stop工作模式, 就是说:满足发动机怠速停机条件时, 其会自动停止, 而驾驶者有启动意图时, 发动机又会自动启动驱动车辆行驶, 因而能有效减少因频繁停车带来的燃油消耗, 减少二氧化碳的排放量。据调查, 具有Start/Stop模式的轻度混合动力汽车比传统汽车能耗少12%左右。接下来, 分析Start/Stop原理分析。
Start/Stop结构图
启停系统主要分为三种模式:a.分离式起动机/发动机系统;b.ISG电机;c.SISS智能启停系统。本文中我们主要研究分离式起动机/发动机系统。分离式系统主要由高增强型起动机、增强型电池 (AGM电池) 、可控发电机、集成启动/停止协调程序的发动机E-CU、传感器等组成。
2 启停过程中油耗的计算
对于怠速时汽车的油耗对于各种车型和各种排量的汽车各不相同, 所以我们选取了一些车型对其怠速工况进行了测试, 测试结果如表1。
测试过程:
首先我们需要先开着测试车跑上15-20公里保证车辆进入热车状态, 然后和平时油耗测试一样, 将油加满至油箱口。之后打开空调, 将风量设定为最大风量的三分之一, 开始停车怠速。在计时满一小时之后, 我们重新将油加满得出最终结果。
测试结果:
从数据中我们可以清晰的看出排量越大的车怠速所消耗的油耗越大, 对于以上结果进行取平均值, 得出现有轿车的怠速平均油耗为0.0554L/min。
汽车尾气中主要污染物为CO和HC。设轿车的怠速排放按照国四的排放标准。即CO为0.5%、HC 200PPM:则计算单位时间内CO和HC的排放量:
以上就是单位时间内怠速工况下燃油消耗量和汽车尾气排放量的估算值。
3 启停系统中电机的选择
由于START/STOP功能作用于怠速工况下, 所以根据怠速时间和能量消耗的考虑, 电机的选择对于汽车能否真正正常的实现启停功能是一个重要的考验。正常实现启停功能分为两个方面, 包括怠速停机和自动启动两个方面。而电机作用于自动启动这一过程, 所以要完成自启动过程, 我们要对电机进行选取。
某整车参数如表2。
电机峰值功率PMax由电动汽车的最高车速ua和加速性能决定, 我们为了实现start/stop功能的电机只考虑加速性能的参数, 加速性能的公式如下:
ta;汽车加速时间
CD;空气阻力系数
A:汽车迎风面积
η;传动系机械效率
假设ta汽车加速时间为10s, η传动系效率为0.9, 算出Pe=4.2kw。
电机的峰值功率和额定功率的关系为:
λ为电机过载系数为4.5
所以Pmax为18.9kw
所以电机的选取为4.5/18.9kw电机
4 蓄电池的选择
当进行怠速停止时, 所有电力都必须由蓄电池来提供, 包括车载导航, 空调系统, 灯光系统等等。同时在启动过程中电动机所需要的全部电能也由蓄电池全部提供, 所以蓄电池的选取也很关键, 传统的12v的电池只能提供3kw的动力, 而我们选取的电机额定功率大于3kw, 所以在怠速停止状态下采用12v蓄电池系统显然不太实际, 所以我们选取42v的蓄电池系统来保持汽车的正常工作。选取蓄电池参数如表3。
根据这样的参数选取的蓄电池系统就可以完成汽车启停过程中的全部任务, 同时保证了车辆的安全性和快速性。
5 启停技术的油耗经济性
现以具体城市为例:以北京市为例, 截至到2013年12月31号, 北京市汽车的保有量为520万辆, 在标准的城市工况下, 怠速工况占总工况近30%, 假设一辆汽车每天在怠速状态下工作30分钟, 则启停技术则为其节省了1.662L汽油, 以97号汽油为例, 一天可节省约13元, 减少CO排放514.8L, HC排放2.286L, 其达到的经济性和节能性相当客观。然而在本文设计中的电机和蓄电池的花费不过2000元左右, 如果汽车安装了本文中提到的电机和蓄电池半年内即可节约出成本, 同时为节能环保做出贡献。
结束语
在环保和节能的大潮下, 混合动力汽车以其节能和环保特性出现在人们视野中, 开创汽车发展新风象。本文对轻型油电混合动力汽车的启停系统进行了详细描述, 从启停装置的结构和功能说起, 计算出了所需装备的参数和指标, 分析了启停技术的经济性和环保性。随着相关技术的发展, 轻型油电混合动力汽车的动力系统性能将越来越先进, 进而推动汽车行业的发展。
参考文献
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油电混合动力系统 篇2
毕业论文（设计）题目混合动力电动汽车驱动系统的研究与设计
学生姓名车辆工程班级指导教师张 琎
一、毕业论文（设计）的主要内容：
二、毕业论文（设计）的基本要求及应完成的成果：
4、制定尽量完善的研究方案.；
5、完成毕业设计论文（不少于8000字）；
6、完成英文文献翻译（不少于2500字）；
三、毕业论文（设计）的进度安排：
四、毕业论文（设计）应收集的资料及主要参考文献：
2、主要参考文献：
（1）陈清泉，孙逢春等.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社, 2002.（2）段岩波、张武高、黄震.混合动力电动汽车技术分析[J].柴油机，2002，（6）：43-46
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（4）高海鸥，王仲范等.PRIUS混合动力汽车驱动系统键合图建模仿真[J].武汉理工大学学报, 2004, 26(1)：63-65.（5）程伟，徐国卿等.混合动力车用永磁无刷电动机驱动系统[J].微特电机, 2004年9期
油电混合动力系统 篇3
丰田汽车可谓是环保汽车的先行者，十几年来丰田混合动力车，包括旗下的雷克萨斯品牌，共在全球销售了220万台。在全球消费者中建立了良好的客户基础。
混合动力但不牺牲动能
今年广汽丰田在混合动力车方面，又为丰田家族再添新丁。这也是广汽丰田首次生产混合动力车型。凯美瑞是丰田的看家车型，一直受到各界的广泛好评，也曾经是北美年度最佳车型。广汽丰田此次就是将新一代油电混合动力系统，植入了2010款凯美瑞之中使该车型更加耀眼。新一代油电混合动力系统THS-Ⅱ，是在“Hybrid Synergy Drive(混合动力协同驱动)”的理念下开发的，通过一套行星齿轮组将两组电机良好的搭配，既保证了动力的输出又兼顾了优良的环保品质。
通过这一套先进的驱动系统，混合动力凯美瑞可以使发动机和电动机同时工作，保证了车辆的强劲动力，使其综合功率可高达140kW。这种高功率输出完全可以与一台中级性能车媲美，强大的动力输出使得混合动力凯美瑞的0～100km／h加速性达到了9.5秒，这一项指标也不会输给同级别的任何一款燃油汽车。
节能才是硬道理
因为采用了油电混合动力协同驱动的方式，这款凯美瑞的油耗也是相当得低。THS-Ⅱ系统可以通过行星齿轮，将发电机与电动机和燃油发动机良好而精确地加以配合。在启动和低负荷低速行驶时，凯美瑞可以完全使用电能驱动，而在正常行驶时，使用B挡的时候发动机和电动机同时工作驱动车辆，在减速和制动时发电机会将惯性产生的动能收集起来储存在蓄电池中以便使用。这种驱动行驶可以使能源得到充分的利用，从而达到节能的效果。
经过广汽丰田测试90km／h等效油耗是5.4L／100km，而城市综合油耗仅为6.0L／100km。在珠海的这次试车过程中，广汽丰田还安排了一场节油赛，本人的成绩是2.7L／100km，屈居第二名。当然是比赛大家肯定是想尽办法省油，所以成绩仅供参考，但是，还是可以说明一些问题的。
静音环保不能少
由于在很多情况下，混合动力凯美瑞使用电能驱动，所以在车内外几乎听不到任何的发动机噪声。完全像是开着一辆电瓶车在行驶，充分满足了追求高档车感受人群的要求。同时因为燃油系统使用率大大降低，也使其废气排放大大降低，二氧化碳排放量比2.4L的凯美瑞降低了40％以上，而其他的废气排放也降低了75％以上，这进一步说明了丰田环保先行的理念。
在车内空间上，混合动力车型仍旧延续了凯美瑞的中高档车的空间感与舒适性，所有高端配置一应俱全，后排空间没有因为混合动力的原因而丧失丝毫。但是，由于蓄电池组的原因，后背箱的空间略显局促，但也不会影响正常出行。试想在全社会倡导节能减排的今天，还有什么能比节省能源更值得我们珍惜呢。
我的观点
李元：
丰田汽车，是将混合动力概念转变成量产车的先驱。此次在中国将混合动力运用到凯美瑞之上，是对中级车的全新改进，让我们对前景拭目以待吧。
刘越：
中庸即是王道，凯美瑞就是凭借着这点赢得了广大消费者的青睐。混合动力的注入，无疑是让成熟的车型锦上添花。但中国的消费者是否对此买单，目前还是个未知数。
最运动的地方
双动力同时输出时可以达到140kW，具备运动车的动力
最不运动的地方
电动模式完全与运动无关
最适合改装的地方
我想买这款车的人目的绝对不是为了改装
中央显示屏上的能量转换示意图
1转速表与燃油版完全不同
2中控台与普通版并无区别
油电混合动力系统 篇4
汽油内燃机与电动机混合驱动的汽车,即油电复合汽车作为汽柴油车向电动车转化的过渡产品,在接下来的一段时间内会在市场上占领很大的份额,并且向多元化发展。行星耦合式功率分流无级传动系统是指利用行星机构将发动机所传递出的功率分流为机械和电气两条路径进行传递,并最终汇流驱动汽车的变速装置。该系统综合了无级变速和电动化这两大技术,能实现电子无级变速的功能,因此也有学者[1]将其称为e-CVT结构或EVT结构[2]。功率分流式混合动力系统实现了发动机和负载的解耦,既保证发动机工作在效率较高的区域,又充分利用机械功率流传递效率、可靠性高的优点,可大幅提高车辆的燃油经济性和动力性能[3]。目前较成功的混合动力汽车包括日本丰田公司的“Prius”[4]和美国通用公司的产品“Allison”[5]等,它们的变速箱均采用了基于行星耦合装置的功率分流式混合动力系统。
针对混合动力车辆传动系统的方案设计与输入输出特性分析,国内外学者开展了广泛的研究。文献[1]综述了现有混合动力车辆技术,分析了不同类型传动结构的特点及电机工作特性;文献[6,7]对两自由度行星传动系统进行了运动学及动力学分析;文献[8,9]基于以Prius为代表的输入分流式系统,对系统的工作原理进行了介绍,并对动力系进行了分析设计;文献[10-11]分别对输入式和复合式功率分流混合动力系统进行了参数化研究;文献[12-13]对混合动力车辆的控制方法进行了研究,对车辆行驶中变速箱不同工作模式间的切换控制进行了优化;文献[14]提出了一种方法对双模混合动力系统的构型进行分析。但综上所述,目前关于功率分流式混合动力传动系统的研究多局限于输入分流式或复合分流式等单一模式,对于集成了这两种模式的双模混合动力传动系统中的行星齿轮机构的设计研究还尚少,尤其在进行构型设计时很少考虑其结构可行性。因此,有必要通过分析和参数化设计确定一种结构可行的较优方案,并对设计结果进行检验评估。
本文对功率分流式双模混合动力系统的构型设计进行了深入的研究,进行了基于杠杆法的构型设计及其扩展演化,并进行了两种结构方案的参数化设计;然后创造性地提出以全速比范围电功率特征值作为优化目标以确定第三排行星传动机构特征参数的方法,并用此方法对提出的两种方案进行了优选。
1、行星耦合式功率分流系统
1.1功率分流系统的构型分析
1.1.1杠杆法
前文中已提到,功率分流系统中用到的行星轮系有两个自由度,这使得如果直接在原有模型上进行转速转矩分析时会有较大困难。为此,H.L.Benrord和M.B.Leising在文献[15]中提出了用杠杆模拟行星轮系的分析方法。杠杆模拟法是将轮系中的各构件的角速度模拟为一特定杠杆上不同点对应的速度,将轮系中各构件受到的扭矩模拟为杠杆上对应点受到的力[16]。
1.1.2机械点
功率分流式混合动力系统中发动机输出的功率经行星耦合机构后分流为机械功率和电功率两条路径进行传递,在此过程中实现电子无级变速功能以及将发动机工作点维持在最优工作曲线附近。当系统不需要外部提供电能即电池功率为零时,会存在某一传动比值处发动机功率全部以机械功率进行传递,即系统中无电功率的传输,此时,两电机功率均为零。反应到动力系统构型上,某一电机的转速为零,另一电机的转矩为零。这个特定的传动比值被称为机械点。输入分流模式中由于电机2与输出相连,正常工作时转速不能为零,而输出分流模式中由于电机1与发动机相连,转速不能为零,故这两种模式均只有一个机械点;复合分流模式由于采用双行星排,系统具有两个机械点。
1.1.3复合分流模式的杠杆模型
复合分流式结构中的双行星排共有四个相互独立的接点,将其体现在杠杆模型中即为四节点杆模型,发动机、电机1、电机2和输出端与四节点连接组成不同的构型,如图1(1)所示。在利用四节点模型对结构中各构件中的转速进行分析时,可根据节点处连线的长度及位置关系来判断该点的转速大小及方向,如图1(2)所示。当系统工作在两机械点时,其各构件转速如图1(3)(4)所示。从图中可看出,在机械点1,电机1转速为零,发动机与输出转速方向相反;在机械点2,电机2转速为零,发动机与输出转速方向相同。车辆实际工作过程中,要求在正向行进时,发动机始终与输出转向相同,故该结构不合理。
对四节点杆模型分析可得知,若要系统具有两个机械点,且在两机械点处发动机转速及输出转速均为正值,发动机和输出端必须连接在相邻两节点。基于此原则,共可确定出如图2中的三种合理的构型。
复合分流式系统的结构有上百种可能性,对图2中三种模型就行分析,可以发现只有图2(3)中所示的结构的两个机械点分布在γ=1两侧。本文在进行设计时考虑的系统全速比范围内的效率最优,因此选择第三种四节点杆模型进行拆分。在进行不同构型拆分时,方法基本一致,每个四节点杆模型可分解成四种三节点杆模型,将其进行两两组合即可得到不同的结构。考虑到实际连接结构的复杂程度及工艺性,将其拆分组合成如图3所示的两种结构进行接下来的参数化研究。
1.2双模混合动力系统
行星耦合功率分流式混合动力系统的传动比在机械点附近效率较高,在偏离机械点时效率会下降较快。复合分流式系统具有两个机械点,在进行系统效率优化时,机械点的取值就显得尤为重要。若两点相离很近,则在两机械点外系统效率很低;若两机械点相聚较远,则在两机械点间系统效率会达到一个相对较低的值。汽车变速箱的常用传动比都在0.6~2.2或更大范围内,这就使得很多时候具有两机械点的复合分流系统不能最大程度上满足系统综合效率最低的要求,双模混合动力系统就是在这种情况下被提出的。功率分流式双模混合动力系统由两个或三个行星排组合,通过离合器的不同组合来实现输入分流式和复合分流式的切换。若想系统具有三个机械点,在更宽的速比范围内具有较高效率,需采用三个行星排的结构,如图4所示。当系统工作在输入分流模式时,第一离合器断开,第二离合器结合;当系统工作在复合分流模式时,第一离合器结合,第二离合器断开。
2、系统的参数化设计及效率优化
2.1复合分流系统的参数化计算
在对复合分流式混合动力系统进行参数化设计的过程中,需要考虑到车辆对变速箱的输出特性要求以及系统中各动力原件的固有特性限制。系统中发动机被控制在其最优工作曲线附近,因此主要需考虑的是两个电机的输出特性是否能满足系统要求,下面对电机的转速转矩进行分析。
构型A的分析模型如图5所示,对其利用杠杆法分析,并对其杆长度进行参数化假设,得到其四节点转速转矩的关系表达式:
首先可求出构型A的两机械点的表达式:
根据上式求得x,y取值范围,并在范围内选择其设计值,此处我们选择x=0.25,y=2.25。则,γ1=8/9,γ2=4/3。
对构型B的杠杆模型进行转速转矩分析,如图6所示:可得到下式:
同样,我们可求出构型B的两机械点表达式:γ1=(x+y)/y,γ2=1/(1+x),再根据两电机的转速转矩约束求其x,y的取值范围:
在此范围内我们选择x=1/3,y=2/3这一组合值,可求得两机械点取值,则,γ1=1.5,γ2=0.75。并在接下来对设计结果进行检验。
2.2混合动力系统的效率分析
从功率分流式混合动力系统的定义中我们可以看出,在系统内有机械能和电能两种能量传递途径。在上文的分析中我们没有考虑电功率在机械能-电能-机械能间转化时的效率问题,其实无论是MG1还是MG2在发电模式还是电动模式工作时都存在能量损失。因此,我们在要求系统完成发动机工作在最优工作曲线以及实现电子变速功能的同时,希望系统的能量损失最小,即希望电功率在总传递功率中所占的比例最小。此处,我们引入电功率比例这一值作为评价指标,定义:
下面我们分别对构型A和构型B的电功率比例值进行分析。
联立(2)(6)两式,可得构型A的电功率比例表达式:
联立(4)(6)两式,可得构型B的电功率比例表达式:
作出图像对两构型的电功率比例值进行比较,如图7所示。
从图中可以看出,在两机械点之间,构型B的电功率比例值较小,但在两机械点之外,该比例值急剧上升。为了更加直观的对两构型的效率进行比较,引入电功率特征值Sβ,并定义:
其中a,b为需考察的传动比范围的上下限。本文在设计时选择的原型车变速箱常用传动比范围为0.6~2.2,此处考虑的是双模混合动力的复合分流部分,主要覆盖了传动比范围内较小的两个机械点,故选择γ=0.6和γ=1.7作为电功率特征值计算时的上下限,经过计算:
因此,从全速比范围内系统效率较优的角度考虑,选择构型B作为本文所设计的双模混合动力系统的复合分流部分。
2.3第三排行星轮的设计
本文设计的是输入分流和复合分流组合的双模式混合动力系统,输入分流适宜工作在低速大传动比的场合。此节的任务主要是确定合理的第三排行星结构特征参数,使得混合动力系统的三个机械点分布合理,系统整体效率最优化,并确定系统在两模式间的切换点。构型B的双模式工作分析结构如图8所示。
列出输入分流模式下系统的转速转矩关系式:
输入分流模式时,只有电机MG1转速可为0,据此可求出机械点3,当ω1=0时,代入上式:
联立,可解得:
联立(4)(8)(9)(11),可求得双模混合动力系统在全速比范围内的电功率比例值函数,将x=1/3,y=2/3代入,作出函数图像如图9所示。
在对第三排行星结构进行参数化设计时,同样引入电功率特征值Sβ,确定变速箱的常用传动比区间0.6和2.2。求出特征值Sβ关于参数z的表达式,并作出其函数图像,如图10所示。
通过计算可得出,使电功率特征值Sβ取得最小值的z=0.5182,即第三排行星结构的特征参数k=(1+x)/z=2.6时,系统整体效率最优。
3、结论
本文设计了一种基于行星耦合装置的混联式混合动力系统,具有输入分流和复合分流两种工作模式。车辆运行时该系统可根据车速及扭矩需求进行模式切换,保证在全速比范围内混合动力系统都具有很高的效率。在进行系统的参数化设计时,采用电功率特征值作为系统效率的评价指标,并定义电功率特征值为电功率比例值在全速比范围内的积分,具体体现为:
(1)进行前两组行星排参数设计时,对提出的两种构型在复合分流模式下的电功率特征值进行比较,以确定较优结构方案;