一种高性能SUV并联混合动力总成的设计与开发外文翻译资料

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一种高性能SUV并联混合动力总成的设计与开发

摘要

一种插电式并联混合动力总成已经被运用到一款高性能SUV汽车上，基于福特的U152探测平台，混合动力总成的安装使用能够使一款高效、高性能SUV 7.5秒加速至60英里/小时，双驱动系统发挥了四驱性能进而优化再生制动和电机齿槽损耗最小化。这种系统的设计集中在减少石油的使用，降低温室气体和尾气的排放，另外，这款车被设计成一款部分零排放汽车，允许汽车已纯电动零排放模式行驶50英里。高能量的动力电池包可以通过网络充电以获得更高的效率和降低危害排放气体，或者作为传统的混合动力汽车通过内燃机来保持电量。内燃机（ICE）重要用于提供平均功率和保持荷电状态（SOC），对电网电能的使用的能力能够最廉价的驱动汽车和降低对石油的依赖，来源于大型发电厂的电能能够产生比来自内燃机更大的效率。然而，这种系统也能够通过内燃机使用液体燃料，为了允许一个宽范围的选择（不是要求）使用火花塞。燃油消耗相对于库存汽车减少了超过80%，致使一个大约每加仑29英里的平均城市用量。待售汽车的全面功能还在保持着，包括四轮驱动，牵引和加速能力，还有驾驶舒适性，但没有减小汽车空间和增加重量。分析表明最终的成本低于可比性的竞争者，这篇论文详细的介绍了这个动力总成的设计和使用，对比了相对于库存汽车混合动力汽车的反应。

简介

利福尼亚大学的戴维斯Future Truck团队参加了2004由福特汽车公司和美国能源部赞助发起的Future Truck竞赛。为了回应国际上的担心关于温室气体导致全球变暖的潜在可能性，这次比赛的目的是挑战学生团队设计出一款中型SUV混合动力汽车，来降低当量温室气体指数，标准的尾气排放和燃油消耗。另外，在加利福尼亚低排放汽车第二次修订案前提下，UC Davis集中在取得80%部分零排放汽车的信誉资格。UC Davis团队在2004 Future Truck比赛上与Yosemite，一个2002年设计的福特探测器竞争。图一介绍了该汽车的整体布置，表一列出了该团队设计的目标。

图1. Yosemite 设计布局

表1. Yosemite 设计目标

发展的挑战重点是降低温室气体（CO2, CH4, NOx）的排放，由于电能的低燃油循环排放建议把电能的使用作为主要能源。一个电量消耗控制策略通过从外面充电极大化地利用了电能，这款汽车在延伸利用和拖车牵引状态下会自动切换至电量保持模式，另外为了提高效率，Yosemite也展示了这款汽车最好的加速性能，牵引能力，先进的驱动接口和四轮驱动能力。

设计理念

混合动力总成的配置

三种动力总成结构影响支配着HEV的研究，分别是串联、并联、混联。串联混合动力结构由于没有必要的和低效率的能量转换被淘汰，混联结构现对于串联有低的能量转换损失，但是成本高和机械复杂，因此，在UC Davis HEV 中心的研究者得出结论，并联混合动力结构对于Yosemite的动力总成来说是最好的选择。

在并联混合动力结构中，内燃机和电机共同协力地驱动着汽车，内燃机用来满足稳定道路工况，然而电机用来满足低速度行驶和瞬态工况。因此，相对于常规汽车来说，发动机的大小可以大大地减小，并且不用牺牲性能，这种配置可以使发动机工作在更高的平均热效率和它理想的运行区域，进而提高燃油经济性。

减少内燃机的尺寸必须增加可用的电力。作为补偿，Yosemite使用了一种大容量电池组和一个150kW的电驱动系统。电池组的大小是来源于电力研究院（EPRI）的研究，研究表明54%的美国驾车者每天行驶45英里（72.4km）或更少。在这个范围内实现零尾气排放需要运用插电式、零排放能力，在人口稠密地区改善空气质量。一个全电动，前独立动力总成提供四驱能力和最大限度地提高再生制动效率。这种设计消除了在机械变速器上的能量损失。因此Yosemite可以作为电动汽车（EV），一种传统汽车，或作为两轮或四轮驱动的混合动力汽车。

燃料选择

在运输中的温室气体、排放量和能源的使用（GREET）1.5a版本表明，使用电力作为汽车燃料可显著减少与汽车相关的温室气体的产生。模拟仿真表明生物燃料E85燃料（85%乙醇，15%的汽油在体积上混合）可减少33克/mi温室气体排放相对于新配方汽油（RFG）。因此，电力和E85是Yosemite的主要燃料，Yosemite的灵活燃料的能力也允许使用新配方汽油。

一种插电式并联混合动力的设计能够最大限度地提高能源效率。

允许发动机直接给车轮提供动力减少了通过动力电池的能量循环。一个插电式汽车也有通过有效的电网给动力电池充电的独特优势。

电能在低速驱动模式下被消耗，然而内燃机工作在稳定高速驱动模式下。来自于内燃机高速稳定的动力输出是可取的，然而，瞬态负荷由电力来满足。这种策略降低了发动机低效率的怠速和瞬态运行。

汽车造型

车辆系统模型被用来确定组件的尺寸和评估车辆控制策略的改进措施。Advisor和PSAT V4.1被用来给2004 UC Davis FutureTruck构建模型。顾问来确定近似的动力总成部件尺寸用来满足基本的车辆性能标准。顾问还提供了一个稳定状态驱动、爬坡、拖车牵引以及预期燃料经济所要求的平均功率。

应用在Advisor中的向后建模系统决定了一个驱动循环所需的加速和计算每个瞬间所需的动力扭矩。相抵之下，像PSAT这样的向前建模应用了一个“虚拟驱动器”，它用来对比跟踪速度和实际车速，通过调整的扭矩指令来弥补两者之间的差别。后者的建模方法是一个更实际的汽车性能的模拟仿真。因此，控制策略能够更准确的应用在PSAT上。

PSAT组件模型和控制策略参数被修改可以更好的代表Yosemite部件，一个简单的Simulink S-Function概述了c语言汽车系统控制代码，这使得控制策略可以快速的发展当新的运算法则可以在模拟仿真中容易的测试和不需要修改VSC代码就可以直接转移到汽车上。

动力总成设计

发动机选择

发动机的选择过程主要集中在技术上先进，高效，低排放发动机。压缩点火（CI）发动机在热效率上比火花点火（SI）发动机有优势。然而，最大限度地减少标准污染物授权SI发动机使用。研究人员得出结论修改后的CI发动机可能会满足将来严格的排放法规，一些制造商已经提供了SULEV SI动力模型。

模拟仿真确实了一个可以满足稳定高速公路工况目标的最小功率为90KW的发动机。合适的发动机会基于效率、排放、可用性、技术支持、包装和重量上被检测和确定，一款Saturn 1.9L 双凸轮轴顶置（DOHC）被选择作为该车的内燃机。

发动机管理

常规的发动机控制策略（ECU）被应用在传统的发动机上，这限制了它在混合动力总成上的性能，三分之一的Motec M48 ECU被应用用来改善低水平发动机的控制。Motec ECU 允许发动机在冷启动排放和高负荷快速反应工况下的完全的提高校准，闭环Lambda控制利用了一个博世LSM-11 宽带氧传感器。

发动机冷却系统

发动机冷却系统围绕一个电动水泵（EWP）设计，特别是在高速时降低发动机损失。电动水泵控制器调节泵的转速来控制冷却剂的温度，提供重要的附加功率储备。一个双通铝散热器，大小匹配

发动机，安装在常规位置。一个单一的Spal 530L/s的安装在护罩上的电风扇提供空气流量当车辆速度不高或暖通及空调系统活跃时。

电动机选择

汽车模拟被用来设置电动马达的要求。在效率和包装的基础上，UQM SR218N 75KW被选择为主要的动力总成。双电机传动系统（每一个轴一个）提供四轮驱动能力，且具有改进的牵引力，优化再生制动，在换挡过程中提高驾驶性能。对于前面的动力总成，一个与传动比为7:1减速齿轮直接耦合的电机是需要达到足够的制动力。一个75KW UQM sr218hss 直流无刷永磁电机与斜齿轮减速器耦合到一个驱动桥上，驱动桥提供了一个传动比为7.99:1的减速，满足了所需的参数。此系统提供最大为1917N.m的轮端扭矩，用来加速和再生制动，包含了一套完整的IWErsquo;s，通过利用IWErsquo;s，半轴可以在高速或当动力和制动不被要求是与车轮断开。可选择的从前驱动器断开允许通过减少机械阻力来提高燃油经济性。

变速器选择

由于高的效率，紧凑性、质量轻，手动变速器优于自动变速器而被选择，Asvisor Simulations表明一个有低的一级齿轮、宽的齿轮组、4.1:1的分动器的五档手动变速器能够满足所有的驱动条件。

New Venturersquo;s 3550五档手动变速器有4.1:1的最终驱动能够满足汽车选择标准，它的扭矩能力能够适合Yosemite的主要动力总成负荷，3550变速器利用了一个顶装的的换挡装置，没有一个集成的离合器外壳，所有前进挡中同步器的存在，在一档二挡齿轮处的特殊的双锥同步器使得换挡更容易和顺利，表2给出了每个齿轮的传动比。

表2. 齿轮传动比和最终传动比

动力总成的实施

有限的底部空间、增加的组件体积（电池外壳，电动驱动系统，高电压组件）限制了包装。全底盘，车身，动力总成，附属的CAD／CAE固体模型辅助包装和允许有效的安装设计，规定冷却线路，重量分布，维修入口。

后轮动力总成

后轮由1.9L 双凸轮轴顶置的Saturn 发动机和一个75KW 的UQM SR218H 无刷永磁电机驱动，如图2所示。后轮总的输出为167KW在6000转/分钟时，一档2500转/分钟时输出最大的扭矩为6669N.m。

图2. 主传动系统图

Engine Clutch:发动机离合器；

Motor Housing电机外壳；

Electric Motor：电动机；

Transmission Clutch Assembly：变速器离合器总成。

电动机和离合器外壳实在峰值扭矩载荷作用下，以作用力和瞬态分析为基础设计的。一个结构外壳需要分离UQM电动机和内燃机的反作用力矩，因此电动机缺少一个结构外壳。外壳融合电动机和发动机的输出，给变速器提供一个接口，金属板被制造用来使内燃机、电动机和变速器适应不同的组件螺栓模式，电动机输出动力给变速器的轴用淬火钢4130来制造。

空间的限制决定了后轮动力总成被安装在汽车上应该尽可能高，为了满足这一要求，变速器外壳被设计的尽可能小，变速器通道被修改，一个Tilton 14厘米双板离合器由于外壳空间的限制被选择，这使得后轮动力总成足够适应前轴电力驱动系统。

发动机改装

一些重要的发动机改造被执行，由于法定及常规布置方向的轻微变化，冷却机口被移到了气缸顶部，这要求对发动机机体的冷却口外壳进行修改。随后及时的修改被要求适应新的冷却口。另外，一个所需的磁性凸轮轴传感器被安装为了Potec ECU 的运行，为了减小机体的质量，外部无关的设备安装位置像动力转向器和AC可以移除。

排放系统

常规铸铁排气歧管被一个定制的钢集管所代替。2.72千克的集管包含了长度相等的岐管和紧密耦合的催化剂（CCC）。轻量化设计降低了集管的热容量。陶瓷涂层被应用于歧管，用来增加废气速度和提高热量的滞留。这些属性降低了催化剂的起燃时间和冷启动排放。

发动机控制硬件

Motec ECU应用了内燃机的喷射和点火系统，常规喷射系统被设计工作在传统的汽车上，在瞬态运行工况和启动时喷射系统加浓空气/燃料混合物以提高功率。这些加浓措施被Motec标准化常量所取代，另外，冷启动排放也被消除了，一些调整被用来校准Motec系统为了最佳的排放。

车辆控制策略

车辆控制策略使用了内燃机和电机系统，在每个运行模式下提高汽车的最佳性能和效率。性能标准包括提高燃料经济性，减少排放，部件寿命最大化，良好的驾驶性能和透明的动力运行。四种

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