HD6120混合動(dòng)力城市客車總體設(shè)計(jì)[含高清CAD圖紙和說明書]

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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) HD6120混合動(dòng)力城市客車總體設(shè)計(jì)? 系部名稱： 哈工大華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專業(yè)班級： 汽車運(yùn)用工程 0793122班 學(xué)生姓名： 金海誠 指導(dǎo)教師： 李涵武 職 稱： 副教授 哈工大華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 二○一○年十二月 The Graduation Thesis for Bachelor's Degree Design of HD6120 Hybrid City Bus Candidate：Jin Hai Cheng Specialty：Automobile application engineering Class： 0793122 Supervisor：Associate Prof. Li Hanwu Harbin Institute of Technology Applied Technology College Ward 2010-12·HarBin 摘 要 城市客車是市民出行的首選，在各個(gè)城市中承擔(dān)著人口流動(dòng)的任務(wù)，應(yīng)用廣泛，數(shù)量眾多。同時(shí)城市客車的運(yùn)行工況特殊，城市中信號燈多，站點(diǎn)之間距離短，運(yùn)行路線固定，城市客車頻繁的起步，加速，制動(dòng)，怠速時(shí)間長，平均運(yùn)行速度低。由于汽車設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足最高行駛車速和最大爬坡度等動(dòng)力性要求，需要裝備大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，使得城市客車經(jīng)常處于功率過剩狀態(tài)，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。 油電混合動(dòng)力汽車融合了傳統(tǒng)燃油汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力性好和電動(dòng)汽車清潔環(huán)保的特點(diǎn)，能夠有效的降低能源消耗，減少污染排放，具有重要的研究意義。 關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；并聯(lián)；城市客車；人機(jī)工程學(xué) 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 錄 摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract ……………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 緒論…………………………………………………………………………1 1.1選題的背景和意義…………………………………………………………1 1.2國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)………………………………………………………………2 1.3 研究內(nèi)容與方法……………………………………………………………3 第2章 混合動(dòng)力城市客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型…………………………………4 2.1 混合動(dòng)力客車的分類 ………………………………………………………4 2.1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車 …………………………………………4 2.1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車 ………………………………………5 2.1.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車 …………………………………………6 2.2混合動(dòng)力城市客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇…………………………………………7 2.2.1混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)對比……………………………………7 2.2.2混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型依據(jù)…………………………………………9 2.3本章小結(jié)……………………………………………………………………10 第3章 混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………11 3.1動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算…………………………………………………………11 3.1.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇……………………………………………………11 3.1.2動(dòng)力電池的選擇……………………………………………………13 3.2發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇………………………………………………………………15 3.3本章小結(jié)……………………………………………………………………16第4章 混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力混合器的設(shè)計(jì)………………………………17 4.1動(dòng)力混合器的作用 …………………………………………………………17 4.2動(dòng)力混合器的設(shè)計(jì)…………………………………………………………17 4.1.1齒輪幾何參數(shù)的計(jì)算……………………………………………18 4.1.2齒輪的校核……………………………………………………20 4.3本章小結(jié)……………………………………………………………………21 第5章 基于人機(jī)工程學(xué)的駕駛區(qū)布置………………………………………22 5.1人機(jī)工程學(xué)………………………………………………………………22 5.2二維人體模板的結(jié)構(gòu)…………………………………………………22 5.3人體尺寸………………………………………………………………23 5.3.1人體主要尺寸………………………………………………………23 5.3.2人體水平尺寸………………………………………………………23 5.4本章小結(jié)……………………………………………………………………25 第6章 整車經(jīng)濟(jì)性計(jì)算…………………………………………………………26 6.1燃油經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)指標(biāo)……………………………………………………26 6.2燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算…………………………………………………………27 6.3本章小結(jié)……………………………………………………………………29 結(jié)論………………………………………………………………………………30 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………31 致謝……………………………………………………………………………………33 附錄………………………………………………………………………………34 第1章 緒 論 1.1 選題的背景和意義 汽車自誕生以來，其發(fā)展速度不斷加快，與人們生活的聯(lián)系越來越緊密。汽車已經(jīng)不再是一個(gè)簡單的代步和運(yùn)輸工具，它已成為許多人的生活必需品和文化生活的一部分。汽車的普及程度和技術(shù)水平甚至已經(jīng)成為一個(gè)國家或地區(qū)現(xiàn)代化程度的標(biāo)志。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的產(chǎn)銷量和保有量逐年增加，同時(shí)也帶來了能源消耗、環(huán)境污染等許多負(fù)面影響。傳統(tǒng)汽車對石油資源的需求越來越大，對生態(tài)環(huán)境的影響也越來越大。更糟糕的是，汽車排放的尾氣中二氧化碳對氣候變暖有著很大的影響；汽車尾氣中氮氧化合物、一氧化碳、未燃碳?xì)浠衔锖皖w粒排放物等有害物質(zhì)，對人類的生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生了不利的影響。每年全球汽車排放有害氣體約2億噸以上，約占大氣污染總量的60％，是大氣污染的“頭號殺手"。為此，各國制定了一系列十分嚴(yán)格的排放法規(guī)，要求汽車生產(chǎn)廠家設(shè)法減少汽車排放，開發(fā)無污染和超低污染汽車。面對世界能源匱乏，油價(jià)高居不下，環(huán)境污染嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)，節(jié)油環(huán)保便成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)，新能源車的開發(fā)和應(yīng)用也就成了世界范圍內(nèi)的新課題和大趨勢。 在諸多解決方案中，目前成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的只有混合動(dòng)力汽車?；旌蟿?dòng)力汽車既具有內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性好、工作時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)，又有電動(dòng)機(jī)無污染和低噪聲的好處，達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的最佳匹配。由于混合動(dòng)力系統(tǒng)本身也具有充電功能，因此不需要建設(shè)配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施，對蓄電池的要求，與純電動(dòng)汽車相比也大大降低?；旌蟿?dòng)力汽車在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面具有突出的綜合優(yōu)勢。 而城市客車，是大部分市民出行的首選交通方式，承擔(dān)著巨大的人流量，由于城市客車大部分運(yùn)行在市區(qū)內(nèi)，具有經(jīng)常起步加速，制動(dòng)停車，站臺之間運(yùn)行距離短，平均速度低等特殊工況，內(nèi)燃機(jī)大部分時(shí)間工作在最佳工作轉(zhuǎn)速范圍以外，造成了能源的浪費(fèi)、環(huán)境的污染以及加速了車輛本身的磨損。混合動(dòng)力系統(tǒng)則可以優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的工作區(qū)間，大大改善上述問題，因此，發(fā)展研究混合動(dòng)力城市客車具有很重大的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2 國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 融合了純電動(dòng)汽車和燃油汽車優(yōu)點(diǎn)的混合動(dòng)力汽車，由于較好地滿足了汽車低排放、低油耗、高性價(jià)比的綜合要求，較好地解決了汽車節(jié)能與環(huán)保問題，因而逐漸成為世界各大汽車生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)的熱點(diǎn)，其市場前景也越來越被看好。目前，豐田公司是混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域的佼佼者，1997年12月，日本豐田汽車公司首先在日本市場上推出了世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車“普銳斯(PRIUS)”，該轎車于2000年7月開始出口北美，同年9月開始出口歐洲。普銳斯在達(dá)成高水平的燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了出色的動(dòng)力性和舒適性?！癙RIUS”的正式量產(chǎn)上市標(biāo)志以混合動(dòng)力汽車為代表的新一輪汽車研發(fā)競爭的開始。為保持領(lǐng)先地位，豐田公司加大了對混合動(dòng)力車的投入，2005年，豐田投資1000萬美元在美國肯塔基州工廠改造設(shè)備和訓(xùn)練員工。2006年，豐田汽車公司在美國市場上推出了4款從現(xiàn)有車型改造成的混合動(dòng)力汽車，這些混合動(dòng)力汽車的外形、操控以及車內(nèi)的設(shè)備和普通車完全一樣。豐田的目標(biāo)是最終將推出旗下幾乎所有車型的混合動(dòng)力版，并在2012年把混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)量提高到100萬輛。本田公司推出了“insight”、“CIVIC”等混合動(dòng)力汽車．福特公司緊隨其后，推出了“ESCAPE”混合動(dòng)力汽車，戴克、通用、雪鐵龍、日產(chǎn)等公司也紛紛加快了混合動(dòng)力技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。通用、戴克、寶馬三家公司在混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展方面結(jié)成了技術(shù)聯(lián)盟，攜手發(fā)展雙?；旌蟿?dòng)力技術(shù)，并在2005年的北美車展上引入了一款結(jié)合了V8柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和最新一代混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的S級轎車。 國內(nèi)研究混合動(dòng)力轎車已經(jīng)有將近10年的歷史。目前，除一汽豐田的普銳斯正式量產(chǎn)上市外，國內(nèi)各汽車制造企業(yè)紛紛進(jìn)入混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域，如一汽研發(fā)的紅旗HQ3于2006年投產(chǎn)；東風(fēng)集團(tuán)的混合動(dòng)力公交車已于2005年7月完成最終產(chǎn)品定型樣車試驗(yàn)并通過驗(yàn)收；奇瑞集團(tuán)成立了國家節(jié)能環(huán)保汽車工程技術(shù)研究中心，將在2006年下半年重點(diǎn)推出第一自主品牌真正意義上的混合動(dòng)力車，代號為“BSG”的混合動(dòng)力車；吉利集團(tuán)旗下的上海華普汽車已與同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院簽署合作協(xié)議，預(yù)計(jì)3年內(nèi)完成混合動(dòng)力轎車商業(yè)化生產(chǎn)；而廣州本田更是緊跟豐田的步伐，預(yù)計(jì)2006年中下旬推出國產(chǎn)雅閣混合動(dòng)力車；上汽集團(tuán)與通用簽署協(xié)議，將聯(lián)手開發(fā)混合動(dòng)力轎車和公交客車；長安杰勛混合動(dòng)力汽車經(jīng)過六年的艱苦攻關(guān)研發(fā)成功，目前已進(jìn)入量產(chǎn)階段。其整車油耗比傳統(tǒng)汽車低20％以上，排放限值滿足國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)長安集團(tuán)有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，長安杰勛HEV轎車創(chuàng)造了多項(xiàng)中國第一：第一款自主研發(fā)量產(chǎn)的混合動(dòng)力轎車；第一個(gè)將中度混合技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的車型；第一款在整車、動(dòng)力總成和混合動(dòng)力系統(tǒng)三個(gè)方面全新自主的一體化設(shè)計(jì)量產(chǎn)車型；國家863計(jì)劃重大汽車專項(xiàng)中第一款實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)下線的自主品牌轎車；第一款在整車和系統(tǒng)技術(shù)上擁有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的車型，共擁有各類專利300余項(xiàng)，其中發(fā)明專利27項(xiàng)；建成了國內(nèi)自主研發(fā)的第一條用于制造混合動(dòng)力的生產(chǎn)線等。 1.3研究內(nèi)容與方法 混合動(dòng)力汽車有兩套動(dòng)力系統(tǒng)，因此具有高度的復(fù)雜性，而正是這種復(fù)雜性為混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更大的空間。本論文主要研究內(nèi)容主要為客觀評價(jià)混合動(dòng)力城市客車采用各種驅(qū)動(dòng)型式時(shí)的優(yōu)劣，然后確定動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)方案，系統(tǒng)研究并聯(lián)混合動(dòng)力總成及其應(yīng)用，比較混合動(dòng)力客車各種驅(qū)動(dòng)方式，提出并聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式及對動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的部件選型。設(shè)計(jì)動(dòng)力混合裝置，以實(shí)現(xiàn)不同的驅(qū)動(dòng)模式。 第2章 混合動(dòng)力城市客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 2.1 混合動(dòng)力客車的分類 2.1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖2.l所示，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車Series Hybrid Electric Vehicle(SHEV),由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)3部分組成，它們之間以串聯(lián)的方式聯(lián)結(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車。小負(fù)荷時(shí)由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)車輪，大負(fù)荷時(shí)通發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速行駛工況，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動(dòng)機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)功率儲備大，需要功率足夠大的電動(dòng)機(jī)。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能需要轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，效率降低。 蓄電池 驅(qū)動(dòng)橋 電動(dòng)機(jī) 控制器 車輪 整流 換流器 機(jī)械能 電能內(nèi)燃機(jī) 發(fā)電機(jī) 圖2.1 SHEV結(jié)構(gòu)示意圖 SHEV的優(yōu)點(diǎn): (1)SHEV只有驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特點(diǎn)更加趨近于EV。從總體結(jié)構(gòu)上看比較簡單，易于控制，三大動(dòng)力總成之聞沒有機(jī)械聯(lián)系，在電動(dòng)汽車上布置起來有較大的自由度，可以獨(dú)立地布置。 (2)此外，SHEV中的發(fā)動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)組中的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)可以不受汽車行駛工況的影響，能在穩(wěn)定、高效、低油耗、低污染的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此SHEV具有更好的排放性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。 (3)在繁華市區(qū)行駛時(shí)，可以單獨(dú)以動(dòng)力電池組為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)“零排放’行駛。當(dāng)動(dòng)力電池組電量不足時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能給電池充電，若為可外接充電式(Plug-in)電動(dòng)汽車，則電池能量不足時(shí)，可以通過外接充電的形式補(bǔ)充電能，這樣就可以進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性。 SHEV的缺點(diǎn): (1)SHEV由于僅依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率和扭矩必須能夠滿足汽車的動(dòng)力性能，克服汽車在行駛過程中的最大阻力，因此驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率要求較大，外形尺寸較大，質(zhì)量也較重。因此整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模龐大，增加了車輛成本及機(jī)構(gòu)布置難度。一般在轎車上很少采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型客車上。此外驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于不是經(jīng)常在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此效率較低。 (2)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋㈦姾头烹姸加心芰繐p失，能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、電池的充發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量利用率比較低。 2.1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車Parallel Hybrid Electric Vehicle(PHEV)可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如圖2.2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車傳動(dòng)系統(tǒng)提供扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)通過變速箱驅(qū)動(dòng)汽車，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過蓄電池及電動(dòng)機(jī)經(jīng)過耦合同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車。在PHEV上可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式， 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)-驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)模式3種驅(qū)動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)各自的功率，可以是PHEV的最大驅(qū)動(dòng)功率的0．5～l倍，兩大動(dòng)力總成的功率可以疊加，因此可以采用較小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使整個(gè)動(dòng)力總成的尺寸較小，質(zhì)量較輕，造價(jià)也較低。 電動(dòng)機(jī) 蓄電池 車輪 驅(qū)動(dòng)橋 控制器 內(nèi)燃機(jī) 離合器 機(jī)械能 電能 圖2.2 PHEV的結(jié)構(gòu)示意圖 PHEV的優(yōu)點(diǎn): (1)PHEV的基本驅(qū)動(dòng)模式是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能可贏接輸出到汽車驅(qū)動(dòng)橋，沒有機(jī)械能一電能一機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程，與串聯(lián)式布置相比，能量綜合效率較高。 (2)在車輛需要最大輸出功率時(shí)(即加速或爬坡時(shí))，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可向汽車提供額外的輔助動(dòng)力，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也可以選擇得比較小，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性也相應(yīng)地提高。 (3)由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)僅在車輛輸出大功率時(shí)提供輔助動(dòng)力，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的尺寸和體積也要小得多。此外，PHEV比SHEV少一個(gè)發(fā)電機(jī)，因此汽車的質(zhì)量也相對較輕。 PHEV的缺點(diǎn): (1)由于基本驅(qū)動(dòng)模式是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，故需要配備與內(nèi)燃機(jī)汽車相同的傳動(dòng)系統(tǒng)，在總布置上基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同，動(dòng)力性能接近內(nèi)燃機(jī)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體的排放高于串聯(lián)式。 (2)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式需要裝置離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)器等傳動(dòng)總成，另外還有驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池組，以及動(dòng)力組合器等裝置，因此使動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置和控制也更加困難。 (3)發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛驅(qū)動(dòng)輪間有直接的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不可避免地受到汽車具體行駛工況的影響，要維持發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作區(qū)工作，則控制系統(tǒng)和控制策略較復(fù)雜。 2.1.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車Split Hybrid E1ectric Vehicle(PSHEV)是綜合SHEV和PHEV結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組成的，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)3大動(dòng)力總成組成，如圖2.3所示，PSHEV兼有SHEV和PHEV的優(yōu)點(diǎn)，可以組合成更多種形式的混合驅(qū)動(dòng)模式，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配，從而在結(jié)構(gòu)上保證在更復(fù)雜的工況下使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。進(jìn)而，車輛的整備質(zhì)量可以降低，而且性能更加完善，經(jīng)濟(jì)性更好，在動(dòng)力性能方面接近和達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平，有害氣體的攤放更少，達(dá)到“超低污染"的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車最具影響力。 驅(qū)動(dòng)橋 電動(dòng)機(jī) 離合器 內(nèi)燃機(jī) 控制器 發(fā)電機(jī) 車輪 蓄電池 發(fā)電控制器 機(jī)械能 電能 圖2.3 PSHEV的結(jié)構(gòu)示意圖 PSHEV的優(yōu)點(diǎn): (1)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不受汽車行駛狀況影響，總是在最高效率狀態(tài)下工作或自動(dòng)關(guān)閉，使汽車在任何時(shí)候都可實(shí)現(xiàn)低排放及超低油耗，達(dá)到環(huán)保和節(jié)能效果。 (2)車輛的最大輸出功率相當(dāng)于三個(gè)動(dòng)力裝置共同組成混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率之和。因此發(fā)動(dòng)機(jī)排量可減少，電動(dòng)機(jī)功率可降低，其體積減少，而且加速性能很好。 (3)配有專用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，所以對電池的依賴較少。 PSHEV的缺點(diǎn): 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略過于復(fù)雜，控制系統(tǒng)開發(fā)難度大，部件性能要求高，設(shè)計(jì)加工困難，而且成本很高。 2.2混合動(dòng)力城市客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 2.2.1混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)對比 混合動(dòng)力客車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多變，如何從各個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中選擇合適的結(jié)構(gòu)，我們就要對各種形式的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析： 1．串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)最簡單，同時(shí)控制策略也不復(fù)雜，開發(fā)難度較小，可開發(fā)用于降低城市污染的公交車，并為其他類型的HEV積累開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。在串聯(lián)混合動(dòng)力的兩種常用控制方式中，由于功率跟隨式控制策略在動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性方面有較好的綜合性能，所以該控制方式較為常用。采用功率跟隨與恒溫器綜合控制方式引更有利于避免電池大電流放電和發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)，降低油耗提高排放性能。 2．并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以使油耗和排放都得到顯著的降低，其控制策略優(yōu)化后優(yōu)點(diǎn)更加明顯。采用小功率電動(dòng)機(jī)和小容量蓄電池組的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，能夠極大地降低混合動(dòng)力汽車的自重和制造成本，是十分有市場化前景的一種結(jié)構(gòu)型式。特別是這種結(jié)構(gòu)型式與CVT配合，是獲得較高的燃油經(jīng)濟(jì)性、較低的排放、平穩(wěn)的駕駛性能的一種比較理想的系統(tǒng)型式。對于這種系統(tǒng)，如何對蓄電池組的SOC進(jìn)行合理而有效的能量管理是獲得整車最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。電力輔助控制策略是并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車較為普遍采用的一種控制策略。電力輔助控制策略比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但控制效果不夠精確。目前并聯(lián)式混合動(dòng)力車控制策略還不十分成熟。己開發(fā)的控制策略各有優(yōu)點(diǎn)，互補(bǔ)性很強(qiáng)，但都沒有達(dá)到最優(yōu)。 3．混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在理論上易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性，但由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，相對成本高。但為了更好地解決當(dāng)前大中城市普遍存在的空氣污染嚴(yán)重問題，同時(shí)作為對低排放、低油耗車輛的探索，必須深化CHEV的開發(fā)工作。在混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略中，從理論上講全局最優(yōu)模式是最佳的。但是建立在固定循環(huán)下的全局優(yōu)化控制策略受驅(qū)動(dòng)循環(huán)影響大，實(shí)現(xiàn)起來有一定的困難。發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線模式這兩種控制策略是比較實(shí)用的控制方法。 與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)相比，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相對要復(fù)雜一些，自由度也要多一些，控制方式比較復(fù)雜，但是在節(jié)能方面比較突出，符合目前的技術(shù)潮流與日益增長的環(huán)保和節(jié)能要求。另外動(dòng)力總成的重量和成本相對較低，雖然開發(fā)成本比較高，但是對于我國的汽車先進(jìn)制造技術(shù)積累與持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。與混聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡單得多，自由度少，因此控制起來相對容易一些。 在對混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，除了對驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制有嚴(yán)格要求，同時(shí)也對速度調(diào)節(jié)控制有嚴(yán)格要求，這種轉(zhuǎn)矩和速度的雙重控制增加了控制器和控制策略的復(fù)雜度，而且混聯(lián)式結(jié)構(gòu)要求更加精密的傳動(dòng)系統(tǒng)，這對制造技術(shù)也提出了比較高的要求。另外并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的成本相對較低，因此通常一般選用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，當(dāng)并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，才選用混聯(lián)式結(jié)構(gòu)。 2.2.2混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型依據(jù) 基于以上對HEV動(dòng)力系統(tǒng)的分析，在動(dòng)力系統(tǒng)選型中著重考慮以下幾個(gè)因素： 1．使用環(huán)境 城市客車運(yùn)行的工況有以下顯著特點(diǎn)：(1)城市客車由于交通擁擠，站距短，因而起步、停車頻繁，大多數(shù)時(shí)間以加速—減速—滑行—怠速等過渡工況工作，且平均加速度小。(2)城市道路有其自身特點(diǎn)隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐步完善，城市道路條件逐步完善，道路質(zhì)量比較好，車輛行駛較平穩(wěn)；由于大城市廣泛采用了立體交通，立交橋路面坡度一般為4%-6%，在沒有公交專線的情況下城市車輛行駛速度較低。 (3)路線固定，往復(fù)運(yùn)行城市公交車不像其他車輛運(yùn)行路線千變?nèi)f化，而是每天都在指定線路運(yùn)行并來回往復(fù)。每條線的車輛都在固定站點(diǎn)?？浚椰F(xiàn)在城市廣泛采用了立體交通，立體橋線路的車輛每天在固定地段爬坡和下坡。運(yùn)行時(shí)間固定。(4)載荷多變且時(shí)間特征明顯隨著城市規(guī)模的逐步擴(kuò)大，城市交通網(wǎng)也日趨復(fù)雜，城市公交線路眾多，每條線路的長度也不相同，每條線路途徑地區(qū)的行駛速度、道路特點(diǎn)、乘客數(shù)量各不一樣，上、下班高峰時(shí)段和中心城區(qū)乘客擁擠，非上、下班高峰期和郊區(qū)乘客相對稀少，車輛負(fù)荷低，造成了能源的極大浪費(fèi)。 2．性能要求 不同類型的HEV之間性能差異十分明顯，在選型時(shí)必須注意由動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)引發(fā)的性能差異。如果對加速性能要求高，就有必要選擇配有峰值功率調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式。如果對經(jīng)濟(jì)性要求苛刻，并聯(lián)式可以成為合適的選擇。 3．技術(shù)條件 所謂技術(shù)條件，除研究開發(fā)的條件和力量外，還包括工業(yè)基礎(chǔ)。強(qiáng)調(diào)工業(yè)基礎(chǔ)是因?yàn)橐恍┏Ｒ姷膭?dòng)力系統(tǒng)部件，我國的產(chǎn)品水平還不能滿足需要或尚無法生產(chǎn)。進(jìn)行時(shí)間的產(chǎn)品開發(fā)總會有一定的進(jìn)度要求，如果技術(shù)條件無法保證，就難以實(shí)現(xiàn)預(yù)定開發(fā)目標(biāo)。開發(fā)性是指動(dòng)力系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善的空間。產(chǎn)品性能是一個(gè)完善的過程，同樣開發(fā)工作也不可能一步到位，也需要進(jìn)行不斷的完善。在具體開發(fā)工作中應(yīng)該由簡單到復(fù)雜、由易到難的思路，先選擇對技術(shù)條件要求較低簡單的結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。 4．成本和使用維護(hù)費(fèi)用 動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對HEV成本影響很大，這是因?yàn)椴煌愋偷膭?dòng)力系統(tǒng)對部件的種類、數(shù)量和性能要求差別很大。而部件的種類、數(shù)量和性能指標(biāo)是影響HEV成本的主要因素。選型時(shí)還應(yīng)考慮使用、維護(hù)費(fèi)用，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，故障率越高，使用和維護(hù)費(fèi)用也越高。 價(jià)格和使用維護(hù)費(fèi)用直接關(guān)系到HEV的產(chǎn)業(yè)化，如果不能產(chǎn)業(yè)化，就不能為進(jìn)一步開發(fā)提供資金，也就難以促進(jìn)技術(shù)水平的提高和服務(wù)性能的改善。事實(shí)上，性能優(yōu)良但價(jià)格過高無法商業(yè)化、甚至被迫放棄HEV開發(fā)的實(shí)例很多，我們不應(yīng)重蹈覆轍。 通過綜合分析混合動(dòng)力客車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，并考慮到目前的技術(shù)能 力與開發(fā)成本，采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是理想的選擇。并聯(lián)方式控制靈活，兼有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)也不像混聯(lián)混合動(dòng)力汽車那樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 蓄電池 電機(jī)控制器 內(nèi)燃機(jī) 離合器 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī) 動(dòng)力混合器 變速器 車輪 車輪 驅(qū)動(dòng)橋 機(jī)械能 電能 圖2.4 本文所選并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖 2.3本章小結(jié) 本章進(jìn)行了對混合動(dòng)力系統(tǒng)串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)方式的介紹，對每種布置方式的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。通過對城市客車的使用工況、環(huán)境以及技術(shù)條件的分析，確定了采用并聯(lián)方式的設(shè)計(jì)路線，并聯(lián)系統(tǒng)控制方式靈活，兼有內(nèi)燃機(jī)車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)。 第3章 混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算 3.1.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 電動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)單元之一，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、功率電子電路及控制部分。混合動(dòng)力汽車對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本要求為： 1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有寬廣的調(diào)速范圍，有著與汽車行駛一致的動(dòng)力特性。簡言之，低轉(zhuǎn)速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)速時(shí)恒功率。最高轉(zhuǎn)速越高，在同樣的額定輸出功率下，轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)機(jī)尺寸、重量越??； 2、動(dòng)態(tài)性能好——電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，使HEV具有良好的起動(dòng)性能和加速性能，以獲得所需要的起動(dòng)、加速、行駛、減速、制動(dòng)所需的功率和轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)具有自動(dòng)調(diào)速功能，因此，可以減輕駕駛員的操縱強(qiáng)度，提高家是舒適性，并且能夠達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)汽車加速踏板同樣的控制響應(yīng)； 3、為了減少汽車的非有效載荷，要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積小、重量輕，功率密度大，在短時(shí)間內(nèi)具有較高的過載能力； 4、高效率—這對于電動(dòng)汽車意義尤其重大； 5、電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)安全性——抗振動(dòng)、耐腐蝕、低噪音；抗干擾，具有較好的電磁兼容性；各種動(dòng)力電池組和電動(dòng)機(jī)的工作電壓，可以達(dá)到300V以上，對電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性，都必須符合國家或國際有關(guān)車輛電氣控制的安全性能的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定； 6、能夠四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和再生制動(dòng)，進(jìn)能量回收，再生制動(dòng)回收的能量一般可達(dá)到總能量的10%-15%，這點(diǎn)在內(nèi)燃機(jī)汽車上是不能實(shí)現(xiàn)的； 7、高電壓——在允許的范圍內(nèi)，盡可能采用高電壓，電壓越高，電動(dòng)機(jī)尺寸越小、重量越低，特別是可以降低功率轉(zhuǎn)換器成本； 8、電動(dòng)機(jī)還要求可靠性好、耐溫和耐潮性強(qiáng)，運(yùn)行時(shí)噪音低，能夠在較惡劣環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單，適合大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜，便于維修。 目前所采用的電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。 在功率電子元件出現(xiàn)以前，電動(dòng)汽車中所采用的電動(dòng)機(jī)主要是直流電動(dòng)機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速較為方便，直流電動(dòng)機(jī)的磁場和電樞可以分別控制，因此控制起來比較容易，而且控制性能較好。直流電動(dòng)機(jī)的容量范圍很廣，可以根據(jù)需要的轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速來選用所需要的容量，市場上有各種不同結(jié)構(gòu)的直流電動(dòng)機(jī)以供選用，直流電動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)和控制技術(shù)都比較成熟，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較便宜。上世紀(jì)60—80年代初電動(dòng)汽車大多采用直流串激有刷電機(jī)，80年代直流他激有刷電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。這兩種電機(jī)由于有電刷、換向器等接觸零件的限制，轉(zhuǎn)速不能太高，因而質(zhì)量大，尺寸大，效率較低，還需要對電刷經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和修理。80年代后期和90年代，由于電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，功率電子元件以及變頻器的問世，再加上一些新的控制算法的出現(xiàn)，滑差控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)日趨成熟，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中已成秀主流，交流電機(jī)的效率和功率密度都較直流電機(jī)高，而且交流電機(jī)結(jié)構(gòu)牢固，維護(hù)起來十分方便。 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要選用永磁無刷同步電機(jī)，該電機(jī)沒有激磁銅耗、效率較高(最大效率可達(dá)95％)、功率因高、體積小、功率密度大(可以遠(yuǎn)大于1KW／kg)，變頻調(diào)速是永磁無刷同步電機(jī)的基本調(diào)速方式。目前最常用的是1200導(dǎo)通型PWM斬波控制IGBT逆變器，而且為了更好地改善轉(zhuǎn)矩控制，增加電池調(diào)節(jié)控制減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但其主要不足是永磁材料昂貴，制造工藝復(fù)雜，性能受溫度影響較大(易退磁)，大功率輸出困難。由于其體積小和效率高有十分廣闊的應(yīng)用前景。 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)的定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，只在定子凸極上安裝備相勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子上沒有任何繞組，因此結(jié)構(gòu)十分簡單、成本較低、可靠性高、起動(dòng)性能好、調(diào)速性能好，控制裝置也比較簡單，主要缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲大、必須使用位置檢測器、按照定予的凸極數(shù)來確定逆變器和電機(jī)的引出線等。實(shí)際應(yīng)用較少。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，其開始應(yīng)用在電動(dòng)車上。 綜合考慮在已有車型上布置的難易程度，本文選擇體積小，功率密度大的永磁電動(dòng)機(jī)。 汽車功率平衡方程式如下： （3.1） 從起步到10Km/h，由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，所需時(shí)間5s,計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率 （3.2） 其中，η為總效率，永磁電動(dòng)機(jī)效率95%-97%，取96%，G為整車滿載時(shí)所受重力mg，m為16500kg，g取9.8m/s2，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，良好的瀝青或混凝土路面為0.010-0.018，取0.012,CD空氣阻力系數(shù)，客車0.5-0.8，取0.8，A為迎風(fēng)面積，經(jīng)計(jì)算為7.25m2，δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，查表取1.3，于是 （3.3） =44.6kw 所選電機(jī)為大連恒田電機(jī)有限公司生產(chǎn)的H160-B35型混合動(dòng)力車用永磁電動(dòng)機(jī)。額定功率35Kw，峰值功率70Kw，額定電壓320V。 3.1.2動(dòng)力電池的選擇 電池是混合動(dòng)力汽車一個(gè)十分重要的部分，但是由于在混合動(dòng)力汽車中，電池不再是唯一的能量載體，電池僅在車輛啟動(dòng)、低速運(yùn)行、加速等工況下工作，對能量和容量的要求不像純電動(dòng)汽車那樣苛刻，所以混合動(dòng)力汽車電池的重量和成本都有大幅度下降，選擇范圍也更為廣泛。 混合動(dòng)力汽車上的電池其使用狀況也不同于電動(dòng)汽車，在工作中電池處于非周期性的充放電循環(huán)中，要求電池的充放電速率和效率高，因此，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用電池不僅需要高能量密度(W·h／kg)而且還需要離功率密度(W/ kg)。研究與開發(fā)高性能、低成本、壽命長的電池，仍然是發(fā)展混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵問題之一。目前已研究開發(fā)的電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等幾種。鉛酸電池是較為成熟的電池，它具有可靠性賽、價(jià)格低的特點(diǎn)，新研究開發(fā)的膠體電池、閥控電池等，在比能量、比功率、快速充電性能等方面均比普通鉛酸電池有較大的提高，因此，在各國都有較多的應(yīng)用，但是鉛酸電池因?yàn)檠h(huán)壽命、比功率等因素很難滿足混合動(dòng)力汽車的使用條件，所以近兩年來基本已經(jīng)退出混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用。 1. 鎳-氫(Ni-MH)電池 鎳-氫電池是一種堿性電池，鎳-氫電池的標(biāo)稱電壓為1.2V，比能量可達(dá)到70-80 W·h／kg，有利于延長HEV的行駛里程。比功率可達(dá)到200 W/ kg，是鉛酸電池的2倍，能提高車輛的起動(dòng)性能和加速性能。有高倍率的放電特性，短時(shí)間可以以3C放電，瞬時(shí)脈沖放電率很大。鎳-氫電池的過充電和過放電性能好，能夠帶電充電，并且可以快速充電，在15min內(nèi)可以充60%的容量，一小時(shí)內(nèi)可以完全充滿，應(yīng)急補(bǔ)充充電的時(shí)間短。在80%的放電深度下，循環(huán)壽命可達(dá)到1000次以上，是鉛酸電池的3倍。采用全封閉的外殼，可以在真空的環(huán)境中正常工作。低溫性能較好，能夠長時(shí)間存放。鎳-氫電池中沒有Pd和Cd等重金屬元素，不會對環(huán)境造成污染，鎳-氫電池可以隨充隨放，不會出現(xiàn)鎳-膈電池在沒有放完電后隨即充電而產(chǎn)生的“記憶效應(yīng)”。 HEV動(dòng)力電池組是經(jīng)常處于充電、放電狀態(tài)，而且充電、放電是不規(guī)則地進(jìn)行，這對電池的壽命帶來嚴(yán)重的影響，松下電氣公司，用模擬HEV行駛工況對鎳-氫電池進(jìn)行仿真試驗(yàn)，證實(shí)鎳-氫電池的特性幾乎不發(fā)生變化，鎳-氫電池用于HEV是比較合適的。 2．鋰離子（Li-ion）電池 鋰是最輕的金屬元素，原子量僅為6.49，比重為0.534g/cm3，也是化學(xué)性能最活潑的金屬元素。鋰離子電池顯示出很多優(yōu)點(diǎn)，電壓高達(dá)3.6-4V，相當(dāng)于3個(gè)鎳-鎘電池串連起來的電壓。比能量達(dá)到100-120 W·h／kg，是鎳-鎘電池的1.5-3倍，比功率高達(dá)1500 W/ kg，循環(huán)壽命可以達(dá)到1000次。充放電效率高，功率輸出密度大，沒有記憶效應(yīng)，其能量達(dá)到銅酸電池的三倍以上，具有安全性、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)。 鋰離子電池主要問題是快速充、放電的性能較差，需要進(jìn)一步解決對其充放過程的控制和配備專用的充電器。對于大容量鋰離子電池組，還需要解決電池組的可靠性和各個(gè)單體電池之間一致性。鈷系鋰離子電池在充電狀態(tài)時(shí)會引起電池爆炸，需要用安全閥以防止電解液受高溫氣化后產(chǎn)生的壓力升高。并裝自動(dòng)溫度調(diào)控裝置，進(jìn)行過充、放電的保護(hù)。 鋰的制取較困難，管理和使用較復(fù)雜，要求有嚴(yán)格的安全措施，需要配備電子保護(hù)電路、電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等，使得其附屬裝置更加復(fù)雜，也增加了電池組的造價(jià)，價(jià)格高于同等容量的Ni-Cd電池或Ni-MH電池。 3．鎳-鎘（Ni-Cd）電池 鎳-鎘電池的工作電壓較低，單體電池的標(biāo)稱電壓為12V。比能量為55 W·h／kg，比功率可以超過225 W/ kg，循環(huán)使用壽命達(dá)2000次以上?？梢赃M(jìn)行快速充電，充電15min可以恢復(fù)50%的容量，1h可以恢復(fù)100%的容量，但一般情況下完全充電需要6h。放電深度100%，自放電率低于0.5%/天?？梢栽?40℃-80℃的環(huán)境溫度條件下正常工作?？焖俪潆娔芰?qiáng)，18min即可從40%達(dá)到80%。 鎳-鎘電池具有記憶效應(yīng)，鎳-鎘電池采用的鎘（Cd）是一種有害的重金屬，在電池報(bào)廢后必須進(jìn)行有效的回收，這點(diǎn)在國外已能實(shí)現(xiàn)。鎳-鎘電池的成本約為鉛酸電池的4-5倍，初始購置費(fèi)用較高，但鎳-鎘電池的比能量和循環(huán)使用壽命，都大大的高于鉛酸電池，因此，在電動(dòng)汽車實(shí)際使用時(shí)，總的費(fèi)用不會超過鉛酸電池的費(fèi)用。 4．超級電容器 電容器是有兩個(gè)彼此絕緣的平行金屬導(dǎo)體的電容板組成，電容器極板上所儲積的電量q與其上的電壓成正比。電容器的容量單位為法拉（F），當(dāng)電容充上1V電壓，如果極板上儲存1C的電荷量，則該電容的電容量就是1F。 超級電容器具有高的能量密度和極好的充電和放電能力。超級電容器的一對集電極上裝有固體活性材料，在兩個(gè)電極之間裝有電解液和絕緣層。電荷演集電極和電解液成對排列，形成一個(gè)雙層電容器，擴(kuò)大了電容器的容量。 電容器的電容量從1F到幾千F，工作電壓由即使V到幾百V，放電電流可高達(dá)幾千A，能量密度比傳統(tǒng)的電容高近百倍，瞬時(shí)放電功率比鉛酸蓄電池高幾十倍，充放電次數(shù)可達(dá)數(shù)十萬次。但對超級電容器放電的控制，還需要進(jìn)一步解決智能化控制技術(shù)。 根據(jù)城市客車的頻繁起步加速，經(jīng)常制動(dòng)等運(yùn)行工況、環(huán)境，選擇充放電性能優(yōu)良的鎳-氫電池作為動(dòng)力電池。東風(fēng)牌EQ6122HEV混合動(dòng)力城市客車采用額定功率為40Kw的永磁電動(dòng)機(jī)，電池采用40A·h的鎳-氫電池，以此為參照，選擇松下公司生產(chǎn)的鎳-氫動(dòng)力電池，單體電壓12V，容量40A·h，質(zhì)量6.5kg，30組串聯(lián)，總電壓360V。 3.2發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇 1．國家863計(jì)劃多混合動(dòng)力客車最高時(shí)速的設(shè)計(jì)要求為80Km/h，根據(jù)最高車速計(jì)算功率需求： （3.4） （3.5） 2．國家863計(jì)劃多混合動(dòng)力客車的最大爬坡度設(shè)計(jì)要求為25°，根據(jù)最大爬坡度計(jì)算功率需求： （3.6） （3.7） 由于電動(dòng)機(jī)可以提供35kw的額定功率，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)需提供的最大功率為176-35=141kw。據(jù)此選擇道依茨一汽（大連）柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)的CA6DE2-20發(fā)動(dòng)機(jī)。型式為立式、直列六缸、水冷、四沖程，廢氣渦輪增壓，空-空中冷，該發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為147kw/2000rpm,最大轉(zhuǎn)矩720N·m/1400rmp。 3.3本章小結(jié) 本章的內(nèi)容是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，首先確定了原型車的基本參數(shù)，通過對比分析選定了永磁電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，鎳-氫電池作為動(dòng)力蓄電池，并通過計(jì)算以及參考確定了相應(yīng)的參數(shù)，電動(dòng)機(jī)額定功率35Kw，動(dòng)力電池360V，40A·h，確定了整車的動(dòng)力性參數(shù)。 第4章 混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力混合器的設(shè)計(jì) 4.1動(dòng)力混合器的作用 動(dòng)力混合器的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力和電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力進(jìn)行混合，在各種不同驅(qū)動(dòng)模式下進(jìn)行切換。動(dòng)力混合器是實(shí)現(xiàn)對HEV控制的機(jī)械基礎(chǔ)，根據(jù)使用情況，動(dòng)力混合器應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)以下動(dòng)力傳輸路線： 1、怠速的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作； 2、客車起步時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)客車行駛，達(dá)到10Km/h； 3、當(dāng)客車速度達(dá)到10Km/h時(shí)，動(dòng)力混合器切換動(dòng)力傳遞路線，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛； 4、制動(dòng)的時(shí)候，動(dòng)力由車輪出發(fā)，逆向傳遞回電動(dòng)機(jī)，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收； 5、當(dāng)客車爬坡處于大負(fù)荷工況下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力在動(dòng)力混合器中混合，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。 4.2動(dòng)力混合器的設(shè)計(jì) 內(nèi)燃機(jī) 2 B A 4 3 1 電動(dòng)機(jī) 傳動(dòng)軸 圖4.1 動(dòng)力混合器示意圖 1、車輛怠速運(yùn)行時(shí)，同步器A向左移動(dòng)，內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，為動(dòng)力電池充電； 2、車輛起步時(shí)，同步器A向右移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)與輸出軸連接，輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛行駛； 3、當(dāng)車輛行駛速度達(dá)到10Km/h時(shí)，同步器A復(fù)位，同步器B向左移動(dòng)，內(nèi)燃機(jī)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛行駛； 4、當(dāng)車輛大負(fù)荷行駛時(shí)，同步器A向右移動(dòng)，同步器B向左移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)共同輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)； 5、車輛制動(dòng)時(shí)，同步器A向右移動(dòng)，動(dòng)力由車輪逆向傳遞，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。 4.2.1 齒輪幾何參數(shù)的計(jì)算 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為720N·m，所選電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為210 N·m，Temax =930 N·m 動(dòng)力混合器設(shè)計(jì)參數(shù) A= （4.1） =9.5~11=176.96~204.90mm 取A=180mm 式中，A為中心距（mm）；為中心距系數(shù)，=9.5~11； 為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（）；為變速器一擋傳動(dòng)比；為變速器傳動(dòng)效率0.96。 齒輪壓力角為 =20 螺旋角=23°法向模數(shù) =4 =2A/=82.8 取整，齒輪1和2齒數(shù)和為83 修正中心距A=/2=180.336mm 中心距A取180mm 精確計(jì)算螺旋角 β= （4.2） 分度圓壓力角 （4.3） 端面齒合角 （4.4） 分配齒數(shù)，齒輪1的齒數(shù)為28，齒輪2的齒數(shù)為55，當(dāng)量齒數(shù)比為2.04 分度圓直徑 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》得： 變位系數(shù)和為0.4，小齒輪0.35，大齒輪0.05 齒頂高 =3.8mm （4.5） =2.6mm （4.6） 齒根高 =3.6mm （4.7） =5.2mm （4.8） 齒全高 +=7.4mm （4.9） +=7.8mm （4.10） 齒頂圓直徑 =129.05 mm （4.11） =243.76mm （4.12） 齒根圓直徑 =114.25mm （4.13） =228.05mm （4.14） 表4.1 主動(dòng)錐齒輪幾何尺寸 名稱 代號 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果 分錐角 43.88° 分度圓直徑 100mm 錐距 72.14mm 齒頂高 4mm 齒根高 4.8mm 齒頂圓直徑 105.77mm 齒根圓直徑 93.08mm 齒頂角 3.17° 齒根角 3.8° 根錐角 40.08° 頂錐角 47.05° 齒寬 20mm 表4.2 從動(dòng)錐齒輪幾何尺寸 名稱 代號 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果 分錐角 46.12° 分度圓直徑 104mm 錐距 72.14mm 齒頂高 4mm 齒根高 4.8mm 齒頂圓直徑 109.55mm 齒根圓直徑 97.35mm 齒頂角 3.17° 齒根角 3.8° 根錐角 42.32° 頂錐角 49.29° 齒寬 20mm 4.2.2齒輪的校核 =28，=55，=0.165，=0.162，=428.4N.m，=210N.m，=22.75=4 8.5 1.50 2 主動(dòng)齒輪 = （ 4.15） =37.36MPa<180～350MPa 從動(dòng)齒輪 = （4.16） =39.52MPa<180～350MPa 許用接觸應(yīng)力的計(jì)算 （4.17） 式中，為輪齒的接觸應(yīng)力（MPa）；F為齒面上的法向力（N），；為圓周力（N），；為計(jì)算載荷（N·mm）；d為節(jié)圓直徑；α為節(jié)點(diǎn)處壓力角（°），β為齒輪螺旋角（°）；E為齒輪材料的彈性模量（MPa）；b為齒輪接觸的實(shí)際寬度（mm）；，；、為主、從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑（mm）。 主動(dòng)齒輪 （4.18） =359.16MPa <950～1000MPa 從動(dòng)齒輪 （4.19） =366.1MPa <950～1000MPa 4.3本章小結(jié) 本章是混合動(dòng)力車輛的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)——?jiǎng)恿旌掀鞯脑O(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)一個(gè)類似于中間軸式變速器的動(dòng)力混合器，通過兩對常嚙合齒輪和兩個(gè)同步器，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力傳遞路線的靈活切換，為進(jìn)一步的控制提供了機(jī)械基礎(chǔ)。 第5章 基于人機(jī)工程學(xué)的駕駛區(qū)布置 5.1人機(jī)工程學(xué) 人機(jī)工程學(xué)是從20世紀(jì)50年代開始迅速發(fā)展起來的一門新興的邊緣學(xué)科，其基礎(chǔ)理論涉及到許多學(xué)科。除了有關(guān)的技術(shù)工程學(xué)科，還與人體解剖學(xué)、人體測量學(xué)、勞動(dòng)衛(wèi)生學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、安全工程學(xué)等有著密切關(guān)系。人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用范圍十分廣泛，從日常用品到工程建筑，從大型機(jī)械到高技術(shù)產(chǎn)品，從家庭活動(dòng)到工業(yè)系統(tǒng)，各個(gè)方面都在運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的原理和方法，解決人、機(jī)、環(huán)境之間的相互關(guān)系和系統(tǒng)的優(yōu)化問題。 在車輛人機(jī)工程學(xué)中，駕駛員-車輛-環(huán)境是主要的研究對象，其中駕駛員是核心。隨著機(jī)動(dòng)車用途的日益擴(kuò)大、形態(tài)的日益多樣化、功率和速度的不斷增、自動(dòng)化的程度不斷提高、行駛道路和交通環(huán)境條件的日益復(fù)雜，駕駛工作變得越來越繁重，因而對改善駕駛員勞動(dòng)條件的要求越來越迫切。 5.2二維人體模板的結(jié)構(gòu) 圖5.1 二維人體模板側(cè)視圖 基準(zhǔn)線——人體各部分肢體上標(biāo)出的基準(zhǔn)線是用來調(diào)節(jié)的，這些角度可以從人體模板相應(yīng)的部位所設(shè)置的刻度盤上讀取。頭部標(biāo)出的標(biāo)準(zhǔn)眼軸線表示正常的視線，相當(dāng)于自眼耳平面成15°角向下傾斜的方向，鞋上標(biāo)出的基準(zhǔn)線表示人的腳底。 關(guān)節(jié)——人體模板可以在側(cè)視圖上演示關(guān)節(jié)的多種功能，但不能顯示側(cè)向外展和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 活動(dòng)范圍——模板上帶有刻度的人體關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)范圍，使之功能技術(shù)測量系統(tǒng)的關(guān)節(jié)。圖5.1 二維人體模板側(cè)視圖角度，包括健康人在韌帶和肌肉不超過負(fù)荷的情況下所能達(dá)到的位置，不考慮那些雖然可能，但對勞動(dòng)姿勢來說超出了生理舒適界限的活動(dòng)。 正視圖和俯視圖關(guān)節(jié)角度的調(diào)節(jié)范圍參照GB/T14779-93《坐姿人體模板功能設(shè)計(jì)要求》。 5.3人體尺寸 5.3.1人體主要尺寸 人體主要尺寸包括身高、體重、上臂長、前臂長、大腿長、小腿長等六項(xiàng)。表5.1列出我國男性成年人的主要尺寸。 表5.1 人體主要尺寸 百分位數(shù) 項(xiàng)目 1 5 10 50 90 95 99 身高/mm 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1814 體重/kg 44 48 50 59 71 75 83 上臂長/ mm 279 289 294 313 333 338 349 前臂長/ mm 206 216 220 237 253 258 268 大腿長/ mm 413 428 436 465 496 505 523 小腿長/ mm 324 338 344 369 396 403 419 5.3.2人體水平尺寸 人體水平尺寸包括胸寬、胸厚、肩寬、最大肩寬、臀寬、坐姿臀寬、坐姿兩肘肩寬、胸圍