论文部分内容阅读
摘要：根据串联式混合动力电动客车的结构和原理，并结合整车研制经验，设计某串联式电动微型客车动力传动系。
关键词：电动客车；串联式混合动力汽车；传动系；设计
中图分类号：U271
随着能源与环境的双重危机，具有环保与节能优势的电动汽车正在得到迅速发展，鉴于目前技术现状， 有关汽车行业的专家学者一致认为混合动力汽车将是世界汽车行业今后十多年内的重要发展方向。
串联式混合动力电动汽车（Series Hybrid Electric Vehicles ，SHEV） 融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的技术优点，在目前的技术条件下，能满足使用要求的具有实际开发意义的低排放、低油耗汽车。串联式混合动力是混合动力电动汽车中结构型式最简单的一种。由于串联式混合动力电动汽车动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，这种系统使用一个较小的发动机在效率最高的转速范围内工作，因此，能够最大限度地改善燃油经济性和减少排放，这种结构形式的汽车一般适合于客车类型。
电动汽车动力传动系统结构型式及分析
由于混合动力电动汽车的组成部件、布置方式以及控制策略不同，所以形成了多种多样的结构形式。根据发动机和电动机的功率比的大小，分为里程延长型、双模式型和动力辅助型；根据发动机运行模式的不同，可以分为电动机开/关模式型和发动机连续运行模式型；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单轴型和双轴型；根据部件种类、数量和连接关系可将HEV的动力系统分为三种基本结构类型：串联型、并联型和混联型，其中，动力源输出功率以电力形式进行复合的称之为串联式；以机械方式进行叠加的称之为并联式；两者兼有的称之为混联式。
混合动力传动系统的3种布置方式：
（1）串联式混合动力传动系统
（2）并联式混合动力传动系统
（3）混联式混合动力传动系统
串联式混合动力系统
目前，世界上的汽车大部分都是用内燃机作为动力装置，只有少数采用电动机作为动力装置。混合动力汽车（HEV）是在同一辆汽车上组合使用两种或多种能同时运转的动力装置，车辆的行驶功率需求由单个动力装置单独或共同提供。当前开发的HEV通常采用两种动力装置，一种是传统的可补给燃料的原动机，例如汽油或柴油发动机、燃料电池等；另一种是由电动机、蓄电池或其它能量存储装置（如飞轮电池、超级电容器等）组成的电力驱动系。混合动力汽车采用的传统内燃机可以通过优化设计，提高发动机的有效效率，通过合理匹配保证内燃机长期在高效率工况下稳定工作，借此达到提高燃油经济性和减少废气排放的效果。
在混合动力系统中，为了保证二种动力装置合理、匹配、协调的工作，混合动力系统还有动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等。由此可见，HEV开发的实质是通过部件工况的改善和效率的提高来实现整个系统性能的优化，是基于系统结构概念上的创新。
串联式混合动力系统优点
现有的大多数HEB采用的是串联式混合动力电动系统，其发动机大多数时间工作在燃油经济性和排放性能较好的区域，因此，HEB的效率较传统客车高。如串联式混合动力电动系统可将柴油机的总效率从30%增加至近40%。制动能量回馈是HEB的一项极其重要的提高效率的措施。重型的混合动力电动系统能够回收制动过程中的约40%的动能。在短暂的低速的工况循环中，汽车约有50%的能量消耗于辅助系统及负载的加速中。由于现在的系统最多能够捕获这些能量中的50%，也就是说，汽车的经济性比原来提高了50%，这样便有25%的总能量被回收。虽然HEB的动力系统较普通客车复杂，如串联式混合动力电动系统，从发动机出来的机械能必须先转变为电能，再转变为机械能，也使得能量效率有所降低，但是其总的燃油经济性较传统客车可提高30%以上，在低速频繁停车的工况中，HEB的燃油经济性优势更为明显。
混合動力微型客车动力传动系参数设计
混合动力汽车动力传动系参数包括：发动机功率、电动机功率和转速、电池组容量、变速箱档位和速比以及主减速器速比等， 它们对整车的动力性、燃油经济性和排放特性有显著影响。
在混合动力汽车上， 发动机功率Pe和电动机功率Pm之间存在图1所示关系。图中： ① 助力型（ Power - assisted） HEV 的发动机功率取值较大， 用于承担车辆行驶的大部分驱动功率， 而由电池组-电机系统作为辅助动力源来提供车辆行驶峰值功率（即加速功率和爬坡功率） ， 经过适当的设计可实现车辆的续行里程不受电池组容量限制； ②双模式型（Dual mode） HEV 和续行里程延伸型（ Range extended） HEV在性能上更趋近于电动车辆， 虽然发动机功率取值较小， 但为保证车辆的动力性能， 电池组-电动机功率取值偏大，由于铅酸电池的比功率和比能量较低， 相应地就会引起整车质量的增加和整车传动系布置困难， 结果续行里程就或多或少地受到一定的限制。通常， 混合动力汽车都要求保持与普通汽车相近的动力性能， 并且续行里程不受电池组容量限制。采用混合动力传动系的VEH_SUBURBAN_RWD型客车的车辆重为2 179kg ， 由于可采用小型发动机和少档位的变速箱， 有利于降低整车质量， 但它又附加了电动机及控制器、电池组和扭矩合成装置， 结果引起整车重量的增加， 所以客车总质量为3004kg 。设计的混合动力VEH_SUBURBAN_RWD 客车动力传动系参数如表1 所示：
结论
串联式混合电动客车是一种介于纯电动客车和燃料电池客车之间的具有超低排放能力的过渡型“绿色”环保车辆，本文对串联式混合动力农用微型电动客车动力传动系进行了设计；提出了混合动力电动客车动力传动系的参数；分析了混合动力客车动力性和燃油经济性。以VEH_SUBURBAN_RWD客车作为实例， 对电动客车进行了混合动力设计并进行了性能评估， 并根据不同的道路工况，改善车辆的动力性和经济性。 模拟计算结果表明串联式混合动力VEH_SUBURBAN_RWD型电动客车动力性能良好， 而平均百公里油耗低，污染小，适合用于我国农村道路工况。本文重点借助于Advisor2002 进行传动系性能评估，为串联混合动力电动客车动力传动系设计以及改善我国农村客运状况提供了参考依据。但由于不同的循环工况对燃油经济性影响很大，因此急需建立适合我国农村客运的循环工况。
关键词：电动客车；串联式混合动力汽车；传动系；设计
中图分类号：U271
随着能源与环境的双重危机，具有环保与节能优势的电动汽车正在得到迅速发展，鉴于目前技术现状， 有关汽车行业的专家学者一致认为混合动力汽车将是世界汽车行业今后十多年内的重要发展方向。
串联式混合动力电动汽车（Series Hybrid Electric Vehicles ，SHEV） 融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的技术优点，在目前的技术条件下，能满足使用要求的具有实际开发意义的低排放、低油耗汽车。串联式混合动力是混合动力电动汽车中结构型式最简单的一种。由于串联式混合动力电动汽车动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，这种系统使用一个较小的发动机在效率最高的转速范围内工作，因此，能够最大限度地改善燃油经济性和减少排放，这种结构形式的汽车一般适合于客车类型。
电动汽车动力传动系统结构型式及分析
由于混合动力电动汽车的组成部件、布置方式以及控制策略不同，所以形成了多种多样的结构形式。根据发动机和电动机的功率比的大小，分为里程延长型、双模式型和动力辅助型；根据发动机运行模式的不同，可以分为电动机开/关模式型和发动机连续运行模式型；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单轴型和双轴型；根据部件种类、数量和连接关系可将HEV的动力系统分为三种基本结构类型：串联型、并联型和混联型，其中，动力源输出功率以电力形式进行复合的称之为串联式；以机械方式进行叠加的称之为并联式；两者兼有的称之为混联式。
混合动力传动系统的3种布置方式：
（1）串联式混合动力传动系统
（2）并联式混合动力传动系统
（3）混联式混合动力传动系统
串联式混合动力系统
目前，世界上的汽车大部分都是用内燃机作为动力装置，只有少数采用电动机作为动力装置。混合动力汽车（HEV）是在同一辆汽车上组合使用两种或多种能同时运转的动力装置，车辆的行驶功率需求由单个动力装置单独或共同提供。当前开发的HEV通常采用两种动力装置，一种是传统的可补给燃料的原动机，例如汽油或柴油发动机、燃料电池等；另一种是由电动机、蓄电池或其它能量存储装置（如飞轮电池、超级电容器等）组成的电力驱动系。混合动力汽车采用的传统内燃机可以通过优化设计，提高发动机的有效效率，通过合理匹配保证内燃机长期在高效率工况下稳定工作，借此达到提高燃油经济性和减少废气排放的效果。
在混合动力系统中，为了保证二种动力装置合理、匹配、协调的工作，混合动力系统还有动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等。由此可见，HEV开发的实质是通过部件工况的改善和效率的提高来实现整个系统性能的优化，是基于系统结构概念上的创新。
串联式混合动力系统优点
现有的大多数HEB采用的是串联式混合动力电动系统，其发动机大多数时间工作在燃油经济性和排放性能较好的区域，因此，HEB的效率较传统客车高。如串联式混合动力电动系统可将柴油机的总效率从30%增加至近40%。制动能量回馈是HEB的一项极其重要的提高效率的措施。重型的混合动力电动系统能够回收制动过程中的约40%的动能。在短暂的低速的工况循环中，汽车约有50%的能量消耗于辅助系统及负载的加速中。由于现在的系统最多能够捕获这些能量中的50%，也就是说，汽车的经济性比原来提高了50%，这样便有25%的总能量被回收。虽然HEB的动力系统较普通客车复杂，如串联式混合动力电动系统，从发动机出来的机械能必须先转变为电能，再转变为机械能，也使得能量效率有所降低，但是其总的燃油经济性较传统客车可提高30%以上，在低速频繁停车的工况中，HEB的燃油经济性优势更为明显。
混合動力微型客车动力传动系参数设计
混合动力汽车动力传动系参数包括：发动机功率、电动机功率和转速、电池组容量、变速箱档位和速比以及主减速器速比等， 它们对整车的动力性、燃油经济性和排放特性有显著影响。
在混合动力汽车上， 发动机功率Pe和电动机功率Pm之间存在图1所示关系。图中： ① 助力型（ Power - assisted） HEV 的发动机功率取值较大， 用于承担车辆行驶的大部分驱动功率， 而由电池组-电机系统作为辅助动力源来提供车辆行驶峰值功率（即加速功率和爬坡功率） ， 经过适当的设计可实现车辆的续行里程不受电池组容量限制； ②双模式型（Dual mode） HEV 和续行里程延伸型（ Range extended） HEV在性能上更趋近于电动车辆， 虽然发动机功率取值较小， 但为保证车辆的动力性能， 电池组-电动机功率取值偏大，由于铅酸电池的比功率和比能量较低， 相应地就会引起整车质量的增加和整车传动系布置困难， 结果续行里程就或多或少地受到一定的限制。通常， 混合动力汽车都要求保持与普通汽车相近的动力性能， 并且续行里程不受电池组容量限制。采用混合动力传动系的VEH_SUBURBAN_RWD型客车的车辆重为2 179kg ， 由于可采用小型发动机和少档位的变速箱， 有利于降低整车质量， 但它又附加了电动机及控制器、电池组和扭矩合成装置， 结果引起整车重量的增加， 所以客车总质量为3004kg 。设计的混合动力VEH_SUBURBAN_RWD 客车动力传动系参数如表1 所示：
结论
串联式混合电动客车是一种介于纯电动客车和燃料电池客车之间的具有超低排放能力的过渡型“绿色”环保车辆，本文对串联式混合动力农用微型电动客车动力传动系进行了设计；提出了混合动力电动客车动力传动系的参数；分析了混合动力客车动力性和燃油经济性。以VEH_SUBURBAN_RWD客车作为实例， 对电动客车进行了混合动力设计并进行了性能评估， 并根据不同的道路工况，改善车辆的动力性和经济性。 模拟计算结果表明串联式混合动力VEH_SUBURBAN_RWD型电动客车动力性能良好， 而平均百公里油耗低，污染小，适合用于我国农村道路工况。本文重点借助于Advisor2002 进行传动系性能评估，为串联混合动力电动客车动力传动系设计以及改善我国农村客运状况提供了参考依据。但由于不同的循环工况对燃油经济性影响很大，因此急需建立适合我国农村客运的循环工况。