本科畢業設計（論文）題目混合動力傳動系統的設計姓名專業車輛工程學號指導教師二○二二年五月

目錄摘要 第3章并聯式混合動力電動汽車動力參數匹配混合動力汽車的核心部件的匹配對整車性能起著關鍵的作用，降低燃油經濟性、提高動力性能以減少尾氣排放等等。核心部件的參數主要包括發動機功率、電動機功率和蓄電池容量等等。根據整車的性能參數和各項指標，運用汽車理論知識計算相應的部件參數，然后對整車進行工況分析。利用仿真軟件，對選定的工況進行分析，得到理論上的理想工況，對各項參數進行比較，實現最優的匹配設計。3.1總成部件參數匹配結合原始數據，對比2015款捷達轎車的動力性參數，以捷達轎車為參考進行參數的匹配計算，使混合動力汽車滿足以下要求：表3.1混動汽車設計要求設計要求項目限定條件動力性直線行駛最高車速180km/h 百公里的加速時間<15s最大爬坡度30%3.1.1發動機參數設計設計發動機的參數要從三個方面考慮，分別是最高車速、最大爬坡度以及加速時間[19]。（1）發動機滿足并聯混合動力汽車的最高車速的發動機功率，所求的功率表達為：（3.1）其中：發動機的最大功率（kW）；傳動效率，對于采用單級主減速器的4*2汽車取90%；重力加速度，取9.8m/s2；滾動阻力系數，取0.0144；空氣阻力系數，取0.3；汽車迎風面積1.9m2；汽車半載時的質量，1600kg。代入最高車速Vmax=180km/h，求得所需功率Pmax1=61.05kW。(2)發動機滿足并聯混合動力汽車加速時間的發動機功率，汽車在平直的道路上加速起步，有如下計算公式： （3.2）其中：x為擬合系數，取0.5；V為t時刻的車速；Vm為t時刻的瞬時車速；tm為加速時間。在t時刻汽車的加速度為：（3.3）在加速期間，汽車的功率一直在增大，因此在t時刻的發動機功率是最大的。所求功率的表達式如下： （3.4）式中：Pmax2為發動機最大功率kW；傳動效率，對于采用單級主減速器的4*2汽車取90%；-旋轉質量換算系數，1.05；-汽車半載時的質量，1600kg；-重力加速度，取9.8m/s2；-滾動阻力系數，取0.0144；-空氣阻力系數，取0.3；-汽車迎風面積1.9m2；-加速時間12.6s時的速度100km/h。又有：，將t=12.6,x=0.5代入其中得：將以上數據帶入式3.4，可得：72.43kW。(3)發動機滿足并聯混合動力汽車的最大爬坡度的發動機功率，計算公式如下: （3.5）式中：-發動機最大功率；-汽車爬坡時穩定的速度，取為30km/h；-傳動效率，對于采用單級主減速器的4*2汽車取90%；-汽車滿載質量，1850kg；-重力加速度，取9.8m/s2；-滾動阻力系數，取0.0144；-汽車爬坡度，取30%；-空氣阻力系數，取0.3；-汽車迎風面積1.9m2。代入數據可以求得：35.50kW綜上所述，發動機功率應該滿足三種條件，即發動機功率須滿足以下表達式，，所以，72.43kW。另外通常情況下，并聯混合動力電動汽車整車有排氣、冷卻等功率損失，一般消耗的功率為10%~20%左右，因此有如下:，Pmax=79.67~86.92kW。綜上所述，發動機最大功率選擇80kW。發動機的基本參數如下表。最高轉速8000rpm額定功率53kW最大扭矩/轉速135Nm/3800rpm表3.2發動機參數表3.1.2電動機參數設計電動機的主要參數包括電動機的峰值功率、額定功率、最高轉速以及額定轉速。電動機的外特性的特點是在額定轉速以下時，轉矩恒定，在額定轉速以上時，功率恒定。電動機滿足并聯混合動力汽車的最高車速的電動機功率，計算公式如下： （3.6）式中：Pmax1為電動機的最大功率（kW）；傳動效率，對于采用單級主減速器的4*2汽車取90%；g重力加速度，取9.8m/s2；fr是滾動阻力系數，取0.0144；CD為空氣阻力系數，取0.3；A為汽車迎風面積1.9m2；ma為汽車半載時的質量，取1600kg；代入最高車速Vmax=180km/h，求得功率Pmax1=61.05kW。（2）電動機滿足并聯混合動力汽車的最大爬坡度的電動機功率，計算公式如下:（3.7）式中：-發動機最大功率；-汽車爬坡時穩定的速度，取為30km/h；-傳動效率，對于采用單級主減速器的4*2汽車取90%；-汽車滿載質量，1850kg；-重力加速度，取9.8m/s2；-滾動阻力系數，取0.0144；-汽車爬坡度，取為30%；-空氣阻力系數，取0.3；-汽車迎風面積1.9m2。將以上數據代入公式可得：35.50kW。從以上分析中，滿足的最大功率為61kW，電機額定功率與峰值功率的關系：，λ為過載系數，λ=1.5，則：P額=41kW。電動機最高轉速的確定。計算公式為：。式中：r：車輪滾動半徑；：變速器傳動比；：主減速器傳動比；：汽車最高車速，取180km/h。以捷達轎車發動機為參考，查閱資料，主減速器傳動比為3.94，選取變速器傳動比為1.3，車輪滾動半徑為300mm，最高車速180km/h，代入可求得電動機最高轉速為8736r/min，由于最大車速對應電動機轉速的95%左右，則選電動機最大轉速為9000r/min。（4）電動機額定轉矩。計算公式如下： （3.8） （3.9）其中：Tn為額定轉矩；nn為額定轉速。代入數據，得出額定轉速6000r/min，額定轉矩86.4N·m，，最大轉矩為130.5N·m。電動機具體數據如下：表3.4電動機參數表3.1.3蓄電池參數設計電池的額定能量可以用下式求得： （3.10） （3.11） （3.12）假設在純電動模式下，平均速度50km/h，行駛120km，所需時間為2.4h，根據式3.11，在設定車速下，所需要的電動機功率為4.3kW，在根據式3.10得出電池額定能量為14.7kWh。由于存在損失，所以，最終確定的電池額定能量為15kWh。式中：W——電池額定總能量，kWh；——以速度v行駛時電機功率，kW；——以速度v行駛距離S的時間，h；——行駛距離，km。電池的額定容量Q滿足以下公式： （3.13）式中：——電池額定容量，Ah；——電池電壓，V，取300V；求得Q=50Ah。則電池的具體參數表如下表3.5電池參數表3.1.4傳動系統傳動比參數設計并聯混合動力汽車動力傳動系統方案設計的傳動比包括主減速器傳動比的確定和變速器檔位的確定。汽車的最大爬坡度決定了其最大傳動比，汽車的最快行駛速度決定了最小傳動比。在汽車正常行駛過程中，要使得發電機工作在最高效的狀態。查閱相關資料，設定主減速器的傳動比為3.941。1.最高檔位的傳動比設計根據汽車理論得： ig= （3.14）式中：Vmax，最高車速km/h；r輪胎半徑取0.3m；nmax發動機最高轉速rpm；i0主減速器比3.941。據以上得知發動機的最高轉速為5700rpm，最高車速為180km/h，因此變速箱高檔傳動比為：0.91。2.一檔檔位傳動比設計據汽車理論得知： (3.15)式中：-變速箱的一檔傳動比；-汽車的重量（13500N）；f-汽車和路面的滾動摩擦系數（0.0144）；-汽車所要達到的最大爬坡度，取0.3%；r-輪胎半徑（0.3m）；-發動機的最大扭矩（160N·m）；-主減速比（3.941）；-從發動機到車輪的傳動效率，取90%。通過3.15計算得知一檔傳動比為3.455。其他檔位傳動比在3.455和0.91之間匹配，這里不詳細計算。綜上，最高檔傳動比為0.91，一檔傳動比為3.455。3.1.5分動箱參數設計扭矩耦合式在設計上簡單，在發動機的輸出軸連接離合器，用于中斷動力，電動機的介入通過設定好的指令來控制，這樣就可以分別控制兩個動力源的介入時機，從而實現三種驅動模式。所以，選定扭矩耦合式的耦合裝置。結構簡圖如圖3.1。A代表離合器，B代表發動機，C代表電動機。圖3.1扭矩耦合式分動箱簡圖1.驅動模式分析（1）發動機單獨驅動。離合器結合，電動機驅動系統斷開連接，此時只有發動機輸出動力。（2）電動機單獨驅動。離合器松開，控制系統使得電動機工作從而輸出動力，實現純電動行駛。（3）混合驅動。離合器結合，電動機驅動力介入，實現混動驅動模式。此外，在發動機單獨驅動模式下，當發動機的功率大于整車所需要的功率時，通過齒輪傳動帶動電動機反轉，從而實現為蓄電池充電。2.齒輪傳動比分析首先分析發動機傳動齒輪和和輸出軸齒輪的傳動比。如果沒有電動機，這是一輛傳統的燃油汽車，那么發動機轉速經過變速箱和傳動軸直接到達驅動橋的減速器，也就是在變速箱和減速器之間軸的轉速不變，所以這里設計傳動比為1:1。其次，電動機介入動力的時機是原地靜止起步，爬坡以及加速超車，這些情況下需要較大的扭矩，但是由于電動機最高功率的轉速區間都比較高，所以需要降低電動機的輸出轉速，不妨設定電動機輸出軸齒輪和輸出軸齒輪的齒數比為1:2，這樣就能起到減速增扭的作用。3.軸承的選定分動箱水平放置，用于固定傳動軸的軸承主要承受徑向載荷，查閱機械設計課本，選用深溝球軸承。4.齒輪參數的設計直齒輪相對于斜齒輪制造簡單成本低而且應用廣泛，所以選用直齒輪傳動。查閱機械設計課本，選用齒輪的模數4，發動機輸出軸齒輪和電動機輸出軸齒輪的齒數分別為40和20，輸出軸齒輪的齒數為40，壓力角20°，齒寬30mm。所以兩個大齒輪的中心距為160mm，另一個中心距為120mm。3.2參數匹配結果綜述通過上述對汽車各參數的設計以及匹配，將混合動力汽車的整體參數設計為如下。表3.6混動汽車基本參數表續表3.6混動汽車基本參數表3.3本章小結本章主要對并聯混合動力汽車的主要核心部件進行了參數匹配，結合設計要求中的參數，參考上市的某款車型，利用汽車理論的相關知識，對發動機、電動機、蓄電池和減速器等等參數進行了計算。參數匹配是整車仿真重要的一環，核心部件性能參數匹配是否合理，決定著整車的性能。第四章并聯混和動力電動汽車仿真4.1仿真軟件advisor介紹ADVISOR的全稱為AdvancedVehicleSimulator，意思是高級車輛仿真器。它基于MATLAB和simulink軟件環境，由美國再生能源實驗室開發。此軟件可以對傳統汽車、混合動力汽車以及純電動汽車作出快速的分析，包括燃油經濟性、動力性和尾氣排放等等車輛主要性能指標。另外，該軟件允許對用戶自定義的汽車模型和仿真策略做仿真分析。ADVISOR的基本功能有以下幾點：對車輛總成信息進行匹配，使汽車整體性能得到優化；研究車輛動力傳動系統能量轉化的途徑；對總成參數進行匹配，得到對不同駕駛循環工況進行排放和燃油經濟性的檢測；通過仿真可以對核心部件以及傳動系統進行優化，提高汽車的燃油經濟性和動力性[20]。在ADIRSOR中的主要界面有汽車參數界面和仿真設置界面，分別如圖4.1和4.2所示。以下簡單介紹汽車參數界面。左上角是vehicleinput區域，表示的整車的主要部件的布置，在每個的區域，雙擊都會有響應，然后選擇對應部件的類型，如選擇不同的發動機、電動機等等。界面的左下角部分是曲線圖，將燃料轉換機（發動機，電動機，蓄電池）等部件的性能特點展示在坐標圖上，比如轉矩、轉速、燃油消耗，這樣就可以比較直觀的看出它們的性能特點。右側藍色區域上方，點擊“LoadFile”按鈕，可以選擇不同動力傳動系統類型的汽車，純電動，傳統汽車，混合動力汽車等等，選擇paralleldefaultin，代表并聯混合動力汽車，作為我們的仿真模型。“drivertrainconflg”代表驅動鏈結構，選擇parallel，代表驅動模式為并聯混合。再往下是整車部件的選型和參數設置。依次選擇汽油機，蓄電池，電動機，后面可以改變它們的參數，功率，質量等等。依據前文的匹配結果，選擇最大功率為65kW的汽油發動機，最大功率為61kW的電動機，蓄電池為鎳氫電池。點擊continue按鈕，進入仿真界面。524.2仿真過程整車的仿真主要是針對汽車的加速性能、爬坡性能、尾氣排放以及燃油消耗量。輸入各個核心部件的參數，然后對比仿真結果，驗證參數的匹配是否合理。4.2.1整車參數設置在上圖4-1所示汽車參數輸入界面中，選擇PARALLEL_defaults_in，即動力源為并聯模式，然后選擇parallel作為動力傳動系統并聯結構。然后根據前面得出的參數，f-c選擇發動機最大功率為65kW，motor電動機最大功率為61kW，設置好整車參數后可以得到相應的發動機和電動機的效率圖。發動機效率圖橫軸代表曲軸轉速，縱軸代表扭矩。從圖中可以看出，高效率的轉速點在3200rpm附近。圖4.3發動機效率圖圖4.4電動機效率圖4.2.2循環工況設置以美國的城市循環工況CYC_UDDS（行駛工況圖如圖4.5所示）為例進行分析，點擊ofcycle，設置循環次數為10次，然后設定電池初始SOC值為0.7，得到如下的循環工況圖。圖4.5循環工況圖4.2.3加速度和坡度設置點擊acceloptions進行加速度參數設置，點擊gradeoptions進行坡度參數設置。選擇0～60km/h、60～100km/h加速所用時間、最高加速度、最高車速為輸出結果，同時設定爬坡速度30km/h，坡度為30%。設置界面如下圖。圖4.6加速度參數設置圖4.7坡度參數設置4.3仿真結果在設置好相應的參數后，點擊RUN，進行仿真，得到如下界面。圖4.8仿真結果(1)整車燃油消耗結果輸出界面通過仿真可得整車燃油消耗結果如圖4.9所示，結果顯示的是整個仿真循環內的車輛總的燃油消耗、等效的汽油消耗量與整個循環行駛里程，仿真結果滿足要求。圖4.9整車燃油消耗圖(2)加速與爬坡試驗結果輸出界面加速與爬坡試驗結果如圖4.11所示，并聯混合動力汽車的百公里加速時間為13.9s,允許的最大爬坡度為30%，滿足動力設計要求。圖4.10加速與爬坡試驗結果（3）電池工作狀態從圖4.8仿真結果曲線圖可以看出，電池組的工作狀態會受到不同的SOC初始值的影響。為了減少下滑至穩定狀態所需要的時間同時觀察電池組的充電工作情況，將SOC初始值設置為0.7，汽車行駛一段時間后SOC會下滑至0.64左右，然后維持在一個穩定的值。從圖中可以看出，在循環的初始階段，此時汽車處于加速狀態并以較高的車速行駛，因此對功率的需求比較大的，電池放電通過電動機將電能轉化為機械能，電池負荷狀態會下降，到行駛后半程時，汽車開始制動減速并且SOC到達下限值，這時通過減速制動回收的能量可以給蓄電池充電，使得電池的SOC值維持在0.62~0.64，比較穩定，可見變化不大對電池有利，符合理想的電池工作特性，有利于延長電池使用壽命。(4)整車尾氣排放結果輸出界面整車排放性能如圖4.12所示，對比當前汽車行業的排放標準，可知整車的排放性顯著降低，滿足了節能減排要求。圖4.11整車排放性能圖4.4本章小結 本章首先對仿真軟件ADVISOR進行簡要介紹，設置相應的參數，然后基于美國城市工況對整車進行仿真，得到并聯混合動力電動汽車的百公里燃油消耗為6.6L，與傳統的1.4L排量汽車相比，油耗降低12%，節油效果顯著，同時動力性指標和尾氣排放指標達到要求，符合設計的最初要求。第5章全文總結5.1主要完成工作(1)本論文圍繞并聯混合動力汽車動力傳動系統方案設計，從混合動力汽車的發展史出發，介紹國內外混動汽車研究現狀，給出混合動力電動汽車的概念，即由兩種或者兩種以上的能源轉換裝置。能量存儲器作為汽車的驅動源，且其中至少有一種能提供電能的車輛，然后介紹了混動汽車的分類，有串聯式、并聯式和混聯式三種，以及節能減排原理和技術特點。(2)由于并聯混動汽車有兩個獨立的驅動源，所以需要一個機械耦合裝置將兩者的驅動力進行匯合，也叫分動箱。常見的有扭矩耦合式、轉速耦合式以及牽引力耦合式，文中簡要介紹了它們各自的特點，當今應用最廣泛的是轉速耦合式，這種方案成熟，可以實現對扭矩的分配。所以本文最終選定的是雙軸式并聯混動布置形式，使用轉速耦合式行星齒輪傳動機構的分動箱對驅動力進行耦合。(3)混動汽車各個總成之間的合理匹配決定著整車的性能，文中對設計的傳動系統方案的混動汽車整車參數進行了匹配，主要的總成部件有發動機、電動機、電池和傳動系的傳動比。通過計算得出的數據，為接下來的仿真做基礎。(4)介紹了本文所選用的汽車仿真軟件ADVISOR2004的工作原理及工作流程，然后基于ADVISOR2004重點構建了并聯混合動力汽車的動力系統模型，同時對建立的模型仿真，得出汽車在某特定工況下的運行狀況，包括燃油性、爬坡性、加速性能等，驗證了設計方案的可行性。5.2研究展望本文只對并聯混合動力汽車動力傳動系統作一些簡單的探討和研究，得到了基本的設計方案，但是由于本人水平有限及客觀條件的限制，還存在很多不足之處，很多的理論問題和技術難題有待進一步的研究，所以對于以后的工作提出如下建議：（1）本文僅僅對傳動系統做了簡單的介紹和設計，很多細節問題都未涉及和探討研究，所以，在實際運用的過程中，會存在較多的問題，為了建立整車試驗品，還需要建立更加準確的仿真模型。（2）影響汽車燃油消耗及動力性的因素有很多，控制系統參數也涉及很多個，這里僅僅對汽車的主要部件進行分析，在實際中還需要考慮其他部件對整車的影響。（3）由于條件限制，本文只是對所涉及的控制策略進行了簡單的介紹，沒有進行準確的仿真模擬，所以，實驗結果僅供參考。文中存在的不足和缺點請提出批評。參考文獻HusainI.純電動及混合動力汽車設計基礎[M].北京:機械工業出版社，2013.3:45-58.徐磊.基于遺傳算法的多目標優化問題的研究與應用[D].湖南:中南大學,2007:5-10.PiccoloA,IppolitoL,ZoGaldiV,eta1.Optimisationofenergyflowmanagementinhybridelectricvehiclesviageneticalgorithms[C].in:InternationalConferenceonAdvancedIntelligentMechatronics,2001.Proceedings.IEEE,2001:434-439.劉恒碩.混合動力汽車傳動系多目標優化及控制策略設計[D].重慶:重慶交通大學,2017:10-36.彭大.插電式并聯混合動力汽車動力傳動系統與控制參數匹配優化[D].重慶:重慶大學,2011:12-30.宣亮.插電式混合動力汽車動力系統參數匹配優化與性能仿真[D].安徽:合肥工業大學,2014:15-30.宮喚春,宋志遠.混合動力汽車傳動系統參數匹配設計[J].汽車工程師,2019(10):27-30.楊東徽.基于遺傳算法的混合動力汽車多目標優化及控制策略研究[D].重慶:重慶交通大學,2017:12-26.SureshN,ShankarS,ManoharN.OptimumDesignofEngineandBodyMountsatTotalSystemLevelUsingUnconstrainedMinimization[C].in:Internation