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1、第 6 页 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）1 绪 论1.1 设计任务及选题背景汽车作为商品在世界各处都有广泛的市场，又因其生产批量大而给企业带来丰厚的利润。汽车品种的多样性可满足各种生产、生活活动的需要，而且有良好的社会效益。汽车工业的发展，带动了许多相关的企业、事业，包括钢铁、石油、橡胶、塑料、机床、道路、汽车销售、售后服务、运输、交通管理、金融业、教育、科研等的发展。汽车也好似衡量人们生活水平的重要标准之一，购买汽车以及因此而形成的日常消费能促进货币回笼。近百年来，汽车工业之所以常胜不衰，主要得益与市场和科学技术的不断进步，使汽车能逐渐完善并满足使用者的需求。现在不仅在生产活动中，在日
2、常生活中人们也离不开汽车。对于经济发达国家，选择汽车工业作为国民经济的支柱产业是完全正确的。然而，汽车推动工业发展以及给人们生活带来便利的同时，也带来了“能源消耗，环境污染”两大问题。目前，世界上46以上的石油被汽车所消耗，已探明的石油资源只够人们充分使用到20402050年，而且城市污染50以上也来源于汽车。为了满足人类的可持续发展的需要，许多国家都开始了新一代汽车的研制。节能、环保、新能源等字眼已经越来越紧密的和汽车联系在一起了，为了解决环境污染和石油资源危机的问题，研制更节能、更环保、使用替代能源的新一代交通工具，成为当今各国汽车工业界的当务之急。 当前普遍使用的燃油发动机汽车存在着多种
3、问题，统计表明在占80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了其动力潜能的40，在市区还会跌至25，更为严重的是污染环境。纯电动汽车或零排放燃料汽车无疑是我们的最终目标，但目前的电池技术较落后，电动汽车暂时还无法取代燃油发动机汽车。在这种情况下，一种两全其美的方案应运而生，即开发所谓的混合动力装置的汽车。这种汽车就是将内燃机与辅助动力单元组合在一辆汽车上，这种混合动力装置发挥了燃油发动机持续工作时间长、动力性好的特点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的优点，二者取长补短，汽车的热效率可以提高10，废气排放可降低302。混合动力汽车针对不同的道路环境实施不同的供能方案，能大大降低排放污染程度。目前最
4、有实用性价值并已有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。汽车行业专家们一致认为，混合动力车将是世界汽车行业今后较长时间内主要发展方向。因此，越是在交通日益拥挤的大城市使用混合动力汽车，就越能够显示出它的节能、环保、适应能力广的优越性3。1.2 混合动力汽车概述1881年就出现了电动汽车，它比内燃机汽车还早一些。但内燃机汽车后来居上，在性能、机动性、车辆的重量等指标远远地超过了电动汽车。电动汽车在20世纪20年代达到了鼎盛时期后就一蹶不振，成为“电瓶车”式的辅助车辆。在20世纪初蒸汽汽车、电动汽车、和内燃机汽车基本是三足鼎立，在汽车保有量中，蒸汽汽车占40，电动汽车38，而内燃机汽车仅占22，美国
5、是最早使用电动汽车作为运输车辆的国家之一，1915年美国电动汽车的产量曾经达到过年产5000辆的最高峰。有很多电动汽车一直到第二次世界大战期间仍在使用。但到20世纪60年代电动汽车的保有量仅占汽车总量的2。随着现代水利发电、核能发电、风力发电和太阳能的利用，为人们提供了巨大的能源。因此，各国和各大汽车公司都重视了电动汽车的研究、开发和试制，从20世纪70年代起，新一代电动汽车脱颖而出，出现了各种各样高性能的电动汽车。混合动力表示有多种动力参与汽车驱动，一般指燃油发动机和电机这两种动力。混合动力电动汽车是电动汽车研制中的后起之秀，却在纯电动汽车之前成功实现了产业化。它综合了传统汽车引擎驱动电机驱
6、动的优点，既能充分发挥燃料发动机持续工作时间长、动力性能好，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。并且，混合动力汽车可以在运行过程中维持电量的均衡，不像纯电动汽车要配备专用的充电器等配套设备。混合动力电动汽车，其动力系统包括内燃机和电池组，兼备了内燃机汽车和电动汽车优点,按内燃机与电动机的连接方法可分为并联式、串联式和混联式。它将内燃机、电动机与一定容量的储能器件通过控制系统相结合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓
7、解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。与传统内燃机汽车相比，主要优点是采用了高功率的能量储存装置（飞轮、超级电容器或蓄电池）向汽车提供瞬时能量，可以提高效率、节省能源、降低排放，经济性和排放性明显改善，技术经济可行性较强。较之纯电动汽车，其主要优点：续使里程和动力性可达到内燃机汽车的水平；空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，借助原动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性；而且混合动力汽车技术难度相对较小，成本相对较低。混合动力汽车介于传统汽车和动力汽车、燃料电池汽车之间，是一种承前启后的，在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品4。1.3 混合动力汽车国内外研究发展现状混合
8、动力汽车通过内燃机和发动机的有机结合，具备了内燃机汽车加油方便、续使里程长和纯电动汽车污染少、效率高的特点，成为当今世界汽车界竞相开发的热点。丰田的Prius、本田的Insight、福特的Prodigy、克莱斯勒的ESX3、通用的Precept141、日产的Tino1151等都具有代表性的车型，其中Prius和Insight已是成熟的产品，并将继续扩大生产规模，其它车型也将在23年推向市场5。我国也非常重视混合动力电动汽车的研制和开发，一些单位已进行了一些初步的工作，并取得了一定的成绩，国家科技部已将其做为“十五”863 重大专项内容。1.3.1 国外发展现状从上世纪90年代以来，日本、美国、
9、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车。丰田汽车公司是目前走在HEV最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行HEV研究的汽车公司之一。早在1997年，丰田就在世界上第一个推出名为Prius（普瑞斯，意为“先驱” ）的HEV，引起全球的瞩目。与丰田Corolla大小相仿，采用汽油发动机和电动马达混合装置THS，发动机为新型汽油发动机，电池组为250个串联的镍-氢电池，电池组总质量仅为75。截止到现在，丰田Prius销售量已超过12万辆，成为全球首部产量、也是销量最大的HEV。在1999年东京国际车展上，丰田汽车公司又推出新开发的四轮驱动小型混合动力面包车。该车的油耗约为同等级小型箱式汽车的二
10、分之一，而排放仅为日本现行标准的十二分之一。是继之后的又一力作，这也充分显示了丰田在发展方面的勇气和信心。丰田公司社长澳田宣称，丰田公司所有的各型汽车均将采用混合动力技术，该公司计划到2005年，混合动力汽车达到年产30万辆，丰田的产品专家也宣称混合动力技术并非权宜之计，其技术寿命将与传统内燃机一样长。国外专家认为在未来十年内，可能有的汽车将均采用混合动力技术。美国能源部与三大汽车公司在1993年签订了混合电动汽车开发合同。其中，通用汽车公司投入了1.48亿美元，福特公司投入了1.38亿美元，克莱斯勒公司投入了8480万美元，进行为期五年的研制工作，启动下一代汽车合作伙伴（PNGV）项目，迄今
11、已开发出多种形式的混合动力电动汽车。福特公司在2000年推出了其开发的Prodigy混合动力及家庭概念车，该车采用福特的P2000LSR混合动力系统，1.2L4缸柴油发动机和镍-氢复合电池，整车质量仅1083，比当前的家用轿车轻约450，百公里耗油仅3.3升。在2002年北美国际车展上，福特又推出Escape混合动力SUV概念车，获得广泛的关注。该车为福特公司准备在2003年上市的混合动力的原型，非常省油，特别适合城市内行驶，加速性能可与装备发动机型爱仕媲美。爱仕HEV在2003年上市时，福特公司也成为第一个宣布混合动力SUV生产计划的汽车厂家。福特公司预计，在未来10年内，HEV将占汽车市场
12、的10%20%。克莱斯勒开发的ESX3、通用的Precept和Gen2等均也接近或达到百公里油耗不超过3升的目标。欧洲各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车。联合对技术进行了研讨和综合评述，认为其技术成果有望使混合动力汽车的成本接近于传统汽车，混合动力汽车将是世纪初汽车产业的一场革命，只有混合动力电动汽车才能满足新世纪初对汽车的环保与节能的要求。1.3.2 国内发展现状我国在“八五”和“九五”期间，都有计划的开展了电动汽车的关键技术的攻关和整车研制，在此基础之上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。在电动汽车的关键技术特别是混合动力电动汽车方面，很多科研单位也进行了诸如混
13、合方式和控制策略的研究、参数匹配和性能预测的研究等前期工作，并积累了一定的技术基础。当前，我国的HEV技术正朝高度集成的方向发展，重点放在高度自动化的控制系统、电池及管理系统和多能源动力总成控制系统等方向赶超国外的先进技术水平。总的来说，我国HEV的研究和开发已经度过了探索时期，其关键技术还有待于进一步改进和创新，成本价格有待于降低，开发平台有待于重新构建。这样，才能满足替代传统燃油轿车、客车的技术和市场的要求。发展HEV生产已是整个汽车产业的一个重要组成部分，HEV正形成自己的实践和理论基础，它集机械、电力、电子、化学、计算机等各学科的最新技术于一体，是车辆电力驱动、智能控制、化学电源、计算
14、机、新能源、新材料等工程技术最新成果的继承产物。开发HEV对科学技术和国民经济发展将起巨大的带动作用，为国家带来巨大的社会和经济效益。而混合动力系统作为最适合城市的用车，其产业化已成为发展的必然趋势。1.4 混合动力汽车原理混合动力电动汽车（Hybrd Electric Vehicle,简称HEV）采用了两种动力装置（内燃机和电动机），通过储能装置（蓄电池等）和控制系统对能量的调节，实现最佳的能量分配，达到整车的低排放、低油耗和高性能。HEV融合了燃油汽车和电动汽车的优点，是最具有市场价值的低排放和低油耗汽车。混合动力电动汽车有两个动力源，当汽车爬坡或加速时，两个动力源联合输出动力，蓄电池输出
15、的电能通过电机进行助力；当汽车在下坡或制动时，发电机发电可以对再生或制动能量进行回收，以电能形式储存在蓄电池中；当汽车较长时间怠速停车时，可以通过控制发动机熄火，实现怠速启停，节省燃油。由于辅助动力的助力作用，在保证汽车相同的动力性能条件下，可以相应减小混合动力汽车发动机的功率及排量需求，减少了汽车燃油消耗；同时通过再生及制动能量的回收，以及避免汽车在油耗较高的怠速工况区运行（怠速启停），进一步减少了汽车燃油消耗；混合动力电动汽车通过控制辅助动力的功率及扭矩输出的大小，可以优化控制发动机的工作点，使整车的废气排放得到显著的改善。因此混合动力电动汽车既具有良好的动力性、经济性。也有较低的废气排放
16、水平7。1.5 混合动力汽车设计目标参照现有的一些混合动力汽车的参数以及目前所能达到的技术水平并尽可能地满足用户的要求，确定本文所设计混合动力汽车的相关参数如下（表1.1）：表1.1 混合动力电动汽车相关参数类型：混合动力电动汽车长宽高(mm)：489517401670轴距(mm)：2850轮距 前/后(mm)：1450/1430整备质量(Kg)：1390承载质量(Kg)：825油箱容积(L)：64发动机形式：四冲程、直列四缸、闭环多点电喷式发动机位置：前置汽缸数：4每缸气门数：16缸径 X 行程(mm/mm)9186排气量(ml)：2237厂方耗油(L/100Km)(90Km/h等速)：5.0电池规格：镍-氢驱动方式(详细描述)：发动机前置后轮驱动驱动
