一种微型油电混合动力系统长沙理工大学.docx

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一种微型油电混合动力系统长沙理工大学

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划

项　目　申　报　表

项目名称:

一种微型油电混合动力系统

学校名称

长沙理工大学

学生姓名

学号

专业

性别

入学年份

刘彦辰

201224050408

电气工程

女

2012

吴彦男

201172030226

汽车服务工程

男

2011

毛天麒

201172030230

汽车服务工程

男

2011

指导教师

刘志强

职称

副教授

项目所属

一级学科

470

学生曾经参与科研的情况

刘彦辰：

参加交通部基础应用研究项目“基于能量回收效率与制动安全的纯电动汽车电液复合再生制动机理研究”的工作；

吴彦男：

参加理工大学创新基地项目“多用途轮毂电机型电动车”；第二届湖南省大学生工程训练综合能力竞赛一等奖。

毛天麒：

主持长沙理工大学创新基地项目“多用途轮毂电机型电动车”；第二届湖南省大学生工程训练综合能力竞赛一等奖；

指导教师承担科研课题情况

1.主持1项交通部基础应用研究项目“基于能量回收效率与制动安全的纯电动汽车电液复合再生制动机理研究”，课题编号：

2013319825090，2013年

2.主持1项长沙市培育战略性新兴产业科技支撑资金专项项目“纯电动汽车再生制动测试平台研制”，课题编号：

K1301006-11，2013年

3.主持1项湖南省教育厅重点项目“微型电动汽车电-电混合能量源研究”，课题编号：

10A005，2010年

项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题

项目研究的目的：

开发一种微型油电混合动力系统，其特征在于将发动机、电动机的动力传输路径设置在一条直线上，通过一种特殊的双轴电机进行动力耦合。

开发的装置是一种可应用于微型混合动力汽车的新型驱动系统。

并可推广适用于任何一种由两种能量源原动机混合驱动的装置。

油-电混合或电-电混合动力系统全生命周期的污染和碳排放将大幅减少，为节能减排作贡献。

研究内容：

本系统主要由双离合器模块（离合器1和离合器2）、电动机、离合器3、输入轴1（贯通系统的细长轴）和输入轴2（电机转子轴）组成。

系统的结构及原理简图如图1所示。

图1系统结构及原理简图

因此，研究内容主要有三个：

（1）设计制造永磁直流电机，转子轴为空心轴；

（2）设计制造细长传动轴，把双离合器模块（离合器1和离合器2）、电动机、离合器3连接起来；

（3）性能测试与改进。

性能测试的内容包括：

混合动力系统在五种运行工况下的外特性，效率特性，部分负荷特性等。

也可单独测试电机性能，根据测试结果，在本阶段完成第一轮改进。

解决的主要问题：

在各种不同工况中，发动机和电动机的动力通过本系统的耦合，采用不同的模式协同工作，以适应各种驾驶模式，降低能量消耗和尾气排放。

本系统要解决实现以下五种工作模式，如图1：

a.发动机启停模式

发动机启动/停止模式就是在车辆行驶过程中临时停车（例如等红灯）的时候，自动熄火。

当需要继续前进的时候，通过电动机重启发动机。

启停模式有助于提高燃油经济性，特别适用于城市堵车路况。

其动力传递路径为：

电机-中空轴-离合器

-发动机。

b.纯电动模式

在起步阶段或行驶里程较短时，可采用纯电动模式，电动机单独驱动车辆行驶，实现燃油零消耗和污染物零排放。

其动力传递路径为：

电机-中空轴-离合器

-细长轴-变速器。

c.双动力模式

当驾驶者需要车辆提供很大动力输出时，采用双动力模式，发动机与电动机将会同时工作，最大化车辆动力输出能力。

其动力传递路径两路并联：

一路从电机-中空轴-离合器

-细长轴-变速器；另一路从发动机-离合器

-细长轴-变速器。

d.发动机单独驱动模式

当车辆处于中等负荷行驶时，采用发动机单独驱动模式，可以保证发动机工作在高效率区域，此时发动机的燃油经济性最佳。

其动力传递路径为：

发动机-离合器

-细长轴-变速器。

e.再生制动模式

在汽车在滑行或制动时，车辆处于再生制动模式，电动机转换为发动机，将一部分机械能转化为电能储存到蓄电池中，并加以再利用，从而起到改善汽车能量利用效率，降低尾气排放以及提高车辆续航里程的作用。

动力传递路径为：

变速器-离合器

-中空轴-电机。

国内外研究现状和发展动态

1.研究现状

发展电动汽车，实现汽车能量源技术的革命性变革，是我国汽车产业升级与跨越的突破口，同时对保障能源安全、实施节能减排具有重要意义。

电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。

电动汽车包括纯电动汽车（EV，ElectricalVehicle）、混合动力电动汽车（HEV，HybridElectricalVehicle）和燃料电池汽车（FCV，FuelCellVehicle）。

近20年来跨国汽车巨头一直以多种不同的技术路线研究开发低能耗汽车和新能源汽车（主要是电动汽车）。

我国在“十五”和“十一五”期间，累计投入近20亿元，组织实施了电动汽车重大专项。

到目前为止，总起来说，国内外油电混合动力汽车取得了相当的发展，而燃料电池汽车和纯电动汽车的发展明显滞后。

究其原因：

油电混合动力电动汽车是将新技术和老技术结合的最可行的产物，吸引了更多的资金支持；它还具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能，更符合人们的消费愿望。

燃料电池汽车技术难度相对更大，成本更高，产业化仍需要较长的时间。

纯电动汽车的缺点是电池深度放电的循环寿命短，充电时间长，比功率低，比能量低，续驶里程短。

目前我们面临的情况是：

石油对外依存度过大，已超过50％，今后较长一段时间内我国汽车保有量仍将以10％的速度增长，石油短缺的局面会日益加剧。

按初步估计，若到2030年我国的电动车占汽车总销量的20％～30％，我国的石油进口可以减少20％。

特大城市汽车尾气排放已经成为氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等污染物的第一大来源。

因此，油-电混合或电-电混合汽车应该成为改变国家能源结构、实现减排目标的更重要战略支撑点。

而且，随着风电、太阳能发电、核电和水电等清洁能源的增加，发电的污染和温室气体排放会大大降低，油-电混合或电-电混合汽车全生命周期的污染和碳排放将随之大幅减少。

综上，本项目拟以一种新型油-电混合动力系统为对象进行研究，并推广到其它型式的混合动力系统，具有十分明显的现实意义。

2、几种油电混合动力系统分析

混合动力系统的结构型式：

目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构型式,根据其驱动系统的配置和组合方式不同可分为3种：

串联式（SeriesHybrid）、并联式（ParallelHybrid）、混联式（Series-parallelHybrid）。

（1）串联混合动力驱动系统

串联式混合动力驱动系统由发动机、电池组、发电机、电动机、控制装置和汽车传动系等组成。

发动机带动发电机发出的电能可直接输送到电动机;也可在当蓄电池的荷电状态降到一定范围时对蓄电池充电。

电动机从发电机或电池组获得能量,从而产生驱动力矩驱动汽车和提供其它设备所需功率。

串联式驱动系统的示意图如图2所示。

串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响,始终在其最佳的工作区稳定运行,并可选用功率较小的发动机,因此可使汽车的油耗和排污降低。

串联式混合动力电动汽车特别适用于在市内低速运行的工况。

在繁华的市区,汽车在起步和低速时还可以关闭原动机,只利用电池进行功率输出,使汽车达到零排放的要求。

但是这种结构的汽车对电池组具有更高的限制,尤其需要大的电池容量。

（2）并联式混合动力驱动系统

并联式混合动力驱动系统主要由发动机、电机—发电机两大动力总成组成,其功率可以互相叠加。

当电动机只是作为辅助驱动系统时,功率可以比较小。

与串联式结构相比,发动机通过机械传动机构直接驱动汽车,其能量的利用率相对较高,这使得并联式燃油经济性比串联式的高。

并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。

由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响,因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大;相比于串联结构式,需要变速装置和动力复合装置,传动机构较为复杂。

并联式驱动系统的示意图如图3所示。

（3）混联式混合动力驱动系统

混联式混合动力驱动系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图如图4所示。

其驱动系统是最后发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动汽车,但驱动电动机的发电机串联于发动机。

目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。

发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。

发电机发出的电能输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。

混联式驱动系统的控制策略是:

在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。

混联式HEV充分发挥了串联式和并联式的优点,以达到热效率更高、排气污染最低的效果。

与并联式相比,混联式的动力复合形式更复杂,因此对动力复合装置的要求更高。

（4）三种混合动力系统优缺点比较

形式

优点

缺点

串联式

●发动机大部分时间处于稳定、高效、低污染的状态下运行；

●控制策略较简单。

●效率在三种方式中最低，电池必须要经过电池，再给电动机提供能量；

●驱动电机选择难度大，驱动车辆要功率需求较大的电动机

并联式

●可选择小功率发动机，总体质量和体积小，综合效率高，特别是在中高速运行时；

●可实现多种控制策略，能够适应多种不同工况循环。

●动力系统结构较为复杂，布置和控制也更加困难；

●控制策略相对复杂，发动机和电动机匹配较困难。

混联式

●效率较高。

可使发动机在大部分转速下工作在高效区。

●可实现多种控制策略，能够适应多种不同工况循环。

●动力系统结构最为复杂，总布置困难，成本较高；

●控制策略在三种方式中最复杂。

开发难度最大，要求同时考虑能量平衡动态协调。

本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩

（1）测试性能的实验台架已经设计制造出来；

（2）所需离合器可采购到，对离合器已进行拆解分析；

（3）参加交通部基础应用研究项目“基于能量回收效率与制动安全的纯电动汽车电液复合再生制动机理研究”的工作、参加理工大学创新基地项目“多用途轮毂电机型电动车”；对电动汽车有了解；

（4）参加二届湖南省大学生工程训练综合能力竞赛，对机械加工了解较多。

项目的创新点和特色

（1）本系统可推广适用于多种由两种动力源混合驱动的车型（机构或装置）；

（2）电机采用中空轴特殊结构，系统在同一轴线上实现多种运行模式的同时使控制变得简单。

项目的技术路线及预期成果

（1）技术路线

①做好前期准备工作，完成有关资料的搜集，为每个成员分配任务，购买离合器，并拆解分析；

②完成电动机的设计，包括UG三维实体的建模和AutoCAD二维图纸生成；

③进行电动机的加工制造、细长轴的加工制造、以及各个部件的装配工作。

向老师请教，对电控系统进行设计编程；

④测试与改进。

（2）预期成果

①发表论文一篇；

②设计制作一套该混合动力系统的微型实物（不含发动机、变速器，先用小电机代替发动机）；

年度目标和工作内容（分年度写）

（1）准备阶段（2014.03-2014.06）：

做好前期准备工作，完成有关资料的搜集，为每个成员分配任务。

（2）设计阶段（2014.07-2014.12）：

完成电动机的设计，包括UG三维实体的建模和AutoCAD二维图纸生成。

（3）制造阶段（2015.01-2015.04）：

进行电动机的加工制造、细长轴的加工制造、以及各个部件的装配工作。

并对系统进行测试。

（4）结题阶段（2015.05-2015.06）：

做好后期结题工作，包括申请专利、发表论文和攥写结题报告等工作。

指导教师意见

项目想法新颖，针对节能减排，目标明确，很有意义。

方案合理简单，项目组同学有很好的基础，可以实现。

签字：

刘志强日期：

2014.04.25

注：

本表栏空不够可另附纸张