1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化混合动力全地形车少齿差行星齿轮动力耦合系统控制策略研究一、课题研究意义及现状在 21 世纪,节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车,成为各大汽车公司的当务之急。专家们估计,短时间内燃料电池技术难有重大突破,电动汽车暂时还无法完全取代燃油发动机汽车。混合动力汽车是兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构型式,因其具有低油耗、低排放的潜力,动力性接近于传统汽车,而生产成本低于纯电动汽车,最近几年来其研究开发成为世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个研究热点。可以相信,在电动汽车的储能部件电
2、池没有根本性突破以前,使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。混合动力电动汽车与传统的内燃机汽车和电动汽车不同,它与纯电动车相比,既可用常规内燃机作动力,又可结合混合动力。如此一来,不仅比传统燃油汽车节约燃油 3050,而且在同等条件下,比纯电动车节约电能 7090,一次充满油、电后,可使持续行驶里程达到 5001000 公里左右。它的动力一般至少有两种车载能量源,其中一种为具有高功率密度的能量源。利用两种能量源的特性互补,实现整车系统性能的改善和提高。要实现两者之间相互协调工作,这就需要有良好的控制策略。控制策略是混合动力汽车的灵魂,它根据汽车行驶过程中对动力系统的能
3、量要求,动态分配发动机和电动机系统的输出功率。采用不同的控制策略是为了达到最优的设计目标,其主要目标为:最佳的燃油经济性、最低的排放、最低的系统成本和最佳的驱动性能。而就目前而言,在国内,由于混合动力电动汽车的起步较晚,对混合动力控制策略的研究远没有达到成熟的程度,大都处于理论研究阶段,在应用方面也是只是刚刚起步,并未实现产品化和产业化,与国外相比有较大的距离。就对于少齿差行星动力耦合系统,它本身具有结构简单、降速比大、受力情况好等特点。它与蜗轮蜗杆减速传动相比具有体积小、质量轻、传动效率高的优点,与摆线针轮行星减速传动相比又具有制造简单、行星轮轴承受力小、材料费用低等优点,因而在实际工程中值
4、得推广使用,研究少齿差行星动力耦合系统控制策略也就成了当务之急了。二、课题研究的主要内容和预期目标研究的主要内容:了解混合动力全地形车(沙滩车) 设备有关性能和使用环境,调查研究,收集和整理有关设备资料,并进行分析。对现有的混合动力全地形车(沙滩车 )进行分析与少齿差行星齿轮动力耦合系统的研究,并且进行相关技术相互比较。得出现有全地形车的缺陷(废气污染大,效率低) ,通过对混合动力全地形车(沙滩车) 的少齿差行星齿轮动力耦合系统优化设计的研究,分析寻求其结构体积、效率等方面的最优化。在研究的过程中巩固和系统整理自己学习的知识,并在此基础上进行创新研究,初步掌握机械设计的方法,为以后从事设计此类
5、设计方面的工作打下基础。该课题是混合动力全地形车(沙滩车) 的少齿差行星齿轮动力系统控制策略的研究,通过对少齿差行星齿轮动力耦合系统的分析寻求其结构体积、效率等方面的最优化控制策略。在研究的过程中巩固和系统整理自己学习的知识,并在此基础上进行创新研究,初步掌握机械设计和控制策略的方法,为以后从事设计此类设计方面的工作打下基础。预期目标:是能够获得比较理想的少齿差行星齿轮动力耦合系统的数据参数,通过试验,测试数据分析,画出的图纸能对所研究的混合动力全地形车(沙滩车) 的机械机构有所创新,并且提出对该机的机械机构改进方案。同时希望结合老师的指导,学会申请一两项专利,并把专利技术应用于实际生产转化为
6、成生产力。最终实现混合动力全地形车(沙滩车)的节能最优化,效率提高,废气尽量减少。三、课题研究的方法及措施一、 了解有关全地形车有关性能要求和使用环境,全地形车作为适合多种路面具有多种用途的特种车辆,标准的术语规定了四轮全地形车是在非高速公路上行驶,具有 4 个低压轮胎、跨坐型座位、依靠方向把控制、只允许 1 人驾驶且不带乘员的摩托车。全地形车分为 4 种类型:1、普通型(G 类):供一般娱乐和日常生活使用;2、运动型(S 类):供有丰富经验的驾驶者竞争竞技和娱乐使用;3、实用型( U 类):供专门工作之用;4 、少儿型(Y 类):供 16 岁以下的少年和儿童使用。二、掌握混合动力耦合系统的控
7、制策略的设计要求:a.优化发动机的工作点:基于最佳燃油经济性、最低排放或者二者选其一,根据发动机的转矩转速特性曲线确定最优工作点;b.优化发动机的工作曲线:如果发动机需要发出不同的功率,相应的最优工作点就构成了发动机的最优工作曲线;C.优化发动机的工作区:在转矩转速特性曲线上,发动机有一个首选的工作区,在此工作区内,燃油效率最高;d.最小的发动机动态波动:应控制发动机的工作转速以避免波动,从而使发动机的动态波动达到最小;e.限制发动机最低转速:当发动机低速运行时,燃油效率很低,因而当发动机转速低于某一下限值时,应关闭发动机;f.减少发动机的开关次数:频繁地开关发动机,引起油耗和排放增加;g.合
8、适的蓄电池荷电状态:蓄电池的容量须保持在适当的水平,以便在车加速时提供足够的功率,在车制动或下坡时能回收能量。若蓄电池的容量过高,应关闭发动机或使之怠速运转;h.安全的蓄电池电压:在放电、发电机充电或制动回收充电时,蓄电池的电压挥发生很大变化,应避免蓄电池电压过低或过高,否则蓄电池会产生永久性破损,因而蓄电池管理很关键;i.分工适当:在驱动循环中,发动机和蓄电池应合理分担车所需功率;三、根据少齿差行星动力耦合系统的基本情况,研究其控制策略以及相应的模式:少齿差行星齿轮传动原理:行星齿轮传动是动轴齿轮传动的种主要方式,其最基本的形式是 2K-H 型,如图 1 中心轮 a、b 和转臂 H。图 1
9、混合动力控制策略:串联式(1 恒温器控制模式,2 发动机跟踪器控制模式)并联式(1 以车速为主要参数的控制模式,2 以功率为主要参数的控制模式,3 以成本 和燃油 济性为目标的控制模式)等,根据要求比较和分析其 SOC 值和燃油比等。综上所述,得出最佳的混合动力全地形车少齿差行星齿轮动力耦合系统控制策略模式设计方案。四、创新地研究出混合动力全地形车少齿差行星齿轮动力耦合系统控制策略,阐述少齿差行星动力耦合系统、ECU 、传感器、执行器(硬件) ;重点创新地研究其控制策略(软件) ,有条件时申请软件著作权。四、课题研究进度计划毕业设计期限:自年 2010 年 9 月 10 至 2010 年 4
10、月 2 日。2010 年 9 月 10 日至 2010 年 11 月 10 日:明确和分析任务,查找相关资料。2010 年 11 月 11 日至 2010 年 11 月 28 日: 写文献综述,外文翻译。2010 年 11 月 28 日至 2010 年 12 月 4 日:完成开题报告,准备开题答辩。2010 年 12 月 5 日至 2011 年 1 月 20 日:完成相关实验数据,掌握少齿差行星动力耦合的结构基础和控制策略。2011 年 1 月 21 日至 2011 年 3 月 20:根据数据完善和改进机械结构,提出符合实际的控制策略。撰写毕业论文。2011 年 3 月 21 日至 2011
11、年 4 月 2 日:撰写毕业论文,完善与修改毕业论文;做好论文答辩的 PPT 资料,准备答辩,并提交所有电子文档材料。五、参考文献1. 王世新;徐勇.混合电动汽车动力系统的研究J.机械研究与应用.2005(12)2. 陈世全. 混合动力电动汽车结构分析J.汽车技术.20013. 孙逢春,何洪文. 混合动力车辆的归类方法研究J . 北京理工大学学报, 2002 , 22 ( 1) : 40244.4. 梅小安,张乃平世界电动汽车技术发展状况及趋势J汽车研究与开发,2004,(2);19-235. 何洪文. 混合动力城市公交车系统设计M . 北京:北京理工大学出版社, 2007 : 1462180
12、.6. 王冬,田光宇,陈全世. 混合动力电动汽车动力系统选型策略分析J . 汽车工业研究,2001 (2) .7. 钱立军;赵韩等. 混合动力汽车传动系结构分析J.合肥工业大学学报.20038. Prius product information 2000.PR-E-00UJ03,TOYOTA.July 2000. 9. 黄贤广,林 逸,何洪文,等. 混合动力汽车机电动力耦合系统现状及发展趋势J . 上海汽车,2006 (7) .10. 马友良. 混合动力电动汽车的发展J.工业技术.200311. 何 彬. 串联式混合动力辅助动力单元动态控制研究J . 汽车工程, 2006 , 28 (1)
13、: 12 - 16.12. 张博彦. 辅助混合动力电动汽车的技术研究() 辅助动力控制系统J . 北京工业大学学报, 2006 , (6) : 547 - 551.13. 许家群. 混合动力城市客车辅助功率单元技术研究J . 车用发动机, 2005 , (12) : 14 - 17.14. 陈全世, 孙逢春. 混合动力车辆基础M . 北京: 北京理工大学出版社, 2001.15. E. Nordlund and C. Sadarangani, “The four quadrant energy transducer,” in Conf. Rec. 37th IAS Annu. Meet., v
14、ol.1, 2002, pp.390-391.16. S. L. Han, “The Basic Research of Switched Reluctance Double-Rotor Motor Applied to transmission System,” A Dissertation forthe Degree of ME of Harbin Institute of Technology, July, 2007.毕业论文文献综述电气工程及自动化混合动力耦合系统研究综述摘要:社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力电动车辆的发展。在混合动力电动汽车( HEV) 开发过程中 ,动力传
15、动系统处于重要地位。文中对 HEV 动力系统开发的难点动力耦合方式进行了分析和比较,研究和总结了各种动力耦合方式的耦合规律和优缺点,指出了 HEV 传动系统研究的方向和趋势。 关键词:混合动力(HEV) ;动力耦合;耦合方式。 引言混合动力电动汽车(HEV)将内燃机、电动机与一定容量的蓄电池通过控制系统相组合1-2,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,可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。HEV 与传统汽车及EV 的最
16、大差别是其动力系统,不同HEV 之间的最大差别是动力耦合方式与结构。HEV 动力系统开发的核心和实质是如何将不同动力源的输出动力进行合理、高效的合成与分解,从而提高汽车的燃油经济性。HEV 的动力耦合方式决定动力系统的结构,也决定零部件的数量、种类及系统的控制策略;不同的动力耦合结构导致HEV 的适用条件和使用要求各不相同,开发难度也相差很大。可以说,动力耦合形式与结构决定HEV 动力系统研究开发的难度和方向,关系到产品开发的进度和水平,是HEV 开发中关键的一步。因此,对HEV 的动力耦合方式进行研究、分析和分类具有十分重要的意义。1 HEV 动力耦合方式的分类与分析HEV 的动力系统分类方
17、式多种多样,通常按照其驱动系统布置结构,可将其分为串联、并联、混联和电动轮四种典型结构,不同结构实施不同控制策略。控制策略的制定是混合动力电动汽车发的关键,因为其直接影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能。如今,控制策略研究作为电动汽车的关键技术之一,得到了国内外汽车科技工作者的普遍重视 3-6;而基于任务的现代分类方法,则把HEV 动力系统分为轻度混合型(MHV) 7 、功率混合型( PHV) 和能量混合型( EHV) 3 类。或按照耦合位置和耦合部件的不同,将耦合系统分为变速箱耦合、传动系耦合、行星机构耦合等多种类型 8。动力耦合主要是针对并联或混联式混合动力车的动力系统。本文根据多个动力
18、源输出动力耦合方式的不同,将HEV 动力系统分为扭矩耦合式、转速耦合式、牵引力耦合式和混合耦合式4 类 9-10。1. 1 扭矩耦合式扭矩耦合式动力系统是指 2 个(多个) 动力源的输出动力在耦合过程中, 两动力源的输出扭矩相互独立,而输出转速必须互成比例,最终的合成扭矩是两动力源输出扭矩的耦合叠加, 而合成转速则不是两动力源输出转速的叠加,合成扭矩 )( T213k2) 在中负荷运转区域,气门重叠角增大,提高内部的废气再循环率,可以控制 NOx 的产生和减少 HC 的含量。而且,气门重叠角的增大会使进气管的负压降低,减少动力损失。3) 在高负荷低速运转区域,使进气门提前关闭(提前角) ,提高
19、充气效率,得到最大的气门重叠角(最大提前角)式中:、k 分别为耦合效率和从动力源 2 到动力源 1 的传动比。依据机械结构的不同,扭矩耦合方式又可分为齿轮耦合、磁场耦合、链或带耦合 3 种。1. 1. 1 齿轮耦合式这种动力耦合方式通过啮合齿轮(组) 将多个输入动力合成在一起而输出。深圳明华环保汽车有限公司开发的一款复合电动环保汽车动力转换器就属于此类型。图 1 齿轮耦合式这种耦合方式结构简单,可以实现单输入、双输入等多种驱动方式,耦合效率较高,控制相对简单;但由于齿轮是刚性啮合的,在动力切换、耦合过程中易产生冲击。1. 1. 2 磁场耦合式这种耦合方式是将电机的转子与发动机输出轴做成一体,通
20、过磁场作用力将电机输出动力与发动机输出动力耦合在一起。图 2 磁场耦合式这种耦合方式耦合效率高,结构紧凑,耦合冲击小,能量回馈方便、效率高;但混合度(电机功率与发动机功率之比) 低,电机一般只能起辅助驱动的作用。由于电机转子具有一定的惯性,所以多用于轻度混合的电动车上。1. 1. 3 链或带耦合式这种耦合方式通过链条或皮带将两动力源输出动力进行合成。图中为带耦合式传动结构。为满足电机大功率的需求,在原来 12 V 的基础上串联 36V 电池。图 3 链或带耦合式链或带耦合结构简单,冲击小,但是耦合效率低。动力学和运动学规律与齿轮耦合式一致。1. 2 转速耦合式转速耦合式动力系统是指 2 个(多
21、个) 动力源的输出动力在耦合过程中,两动力源的输出转速相互独立,而输出扭矩必须互成比例,最终的合成转速是两动力源输出转速的耦合叠加,合成扭矩则不是两动力源输出扭矩的叠加, , p、q 由耦合器的结构n213p确定。依据驱动结构的不同,转速耦合方式又可分为行星齿轮式和差速器式 2 种。1. 2. 1 行星齿轮式这是一种普遍采用的动力耦合形式,通常发动机输出轴与太阳轮连接,电机与齿圈连接,行星架作为输出端。图 4 行星齿轮式 行星齿轮式耦合的结构简单,传动效率高(约 98 %) ,混合程度高,并且还可实现多形式驱动,动力切换过程中冲击较小,但整车驱动控制难度增大。少齿差行星齿轮耦合也是行星齿轮耦合的一种,它具备了行星齿轮的特点传动率高、结构简单。1. 2. 2 差速器式差速器实际上是行星齿轮系 k = 1 时的一种特殊情况。对一般差速器,将动力分解,对此逆用即可实现动力的耦合。图 5 差速式差速器耦合方式与行星齿轮耦合方式基本类似,只是二者对发动机和电机的动力性能要求不同,从而导致 HEV 动力混合程度高低不同。差速器式 HEV 要求发动机和电机动力参数相当,动力混合程度比较高。