单行星排式插电混合动力汽车的构型分析

【摘要】：行星排式混合动力汽车采用的混合动力系统综合了串联式和并联式混合动力汽车的优点，其独特的构型能够实现发动机转速转矩与车轮之间的完全解耦，从而实现汽车不同行驶工况下发动机的高效率运行，极大地提高了混合动力系统的效率。根据各动力源和输出轴与行星排各部件之间的连接关系不同，行星排式混合动力系统可以实现四种运行模式：输入分配式（Input-split mode）、输出分配式（Output-split mode）、复合分配式（Compound-split mode）和串联模式（Series mode）。根据四种模式的不同组合，行星排式混合动力系统可以分为两大类：单模和双模。其中，输入分配模式可在较大传动比范围内工作，故一般用于单模混合动力系统和双模混合动力系统的低速模式。复合分配模式在较高车速范围内系统效率较高，主要用于双模混合动力系统的高速模式。本文主要对单行星排式混合动力系统的构型特点、构型设计和系统效率进行了较为深入的研究。论文的主要研究内容包括： 1.研究并总结了行星排式混合动力汽车在国内外的发展现状，以及混合动力系统的构型特点：发动机发出的功率经机械路径和电路径传至输出轴，从而实现发动机转速和转矩与车轮之间的完全解耦，因此行星排式混合动力系统中发动机工作点的控制较为灵活。但电路径中能量的二次转化直接影响着混合动力系统的效率，即流经电路径的功率越小混合动力系统的效率越高，当流经电路径的功率为0时，混合动力系统的效率最高，此时所对应的传动比称作机械点（Mechanical Point，MP）。 2.研究了永磁同步电机的弱磁最高转速和电磁转矩的影响因素，以及电机转速过高对电机性能产生的影响和相应的解决方案。 3.双模混合动力系统一般通过两排或三排行星齿轮机构来实现，虽具有较宽的系统高效区间，但其占据空间大、结构复杂、构型筛选困难且参数匹配工作量大。而GMVolt仅通过单排行星齿轮机构即可实现由串联模式和输入分配模式组合而成的双模混合动力系统。为研究GM Volt采用的独特构型，引入Prius Plug-in采用的构型，就电机的转速转矩特性和混合动力系统的电功率特性进行比较分析。 4.基于对永磁同步电机弱磁最高转速和最大转矩的研究，确定行星排式混合动力系统的构型筛选条件。建立单行星排式混合动力系统的通用杆模型，依据构型筛选条件筛选出最优的单行星排式混合动力系统构型，然后分别进行CD模式的设计和CS模式的设计（GM Volt的双模设计和Prius Plug-in第二排的设计）。 5.对行星排式混合动力系统进行动力学分析，分析不同工况、不同运行模式下发动机最优工作点的分布情况。发动机最优工作点的分布决定混合动力系统的效率，因此本文将发动机的耗油量作为混合动力系统效率的评价标准。 【关键词】：混合动力汽车 行星排 永磁同步电机 构型筛选条件 构型分析 构型设计 系统效率
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 行星排式混合动力汽车国内外研究现状11-14
• 1.1.1 国外研究现状11-13
• 1.1.2 国内研究现状13-14
• 1.2 行星排式混合动力系统构型研究14-22
• 1.2.1 行星齿轮机构的分析方法14-16
• 1.2.2 行星排式混合动力系统运行模式16-21
• 1.2.3 行星排式混合动力系统构型分类21-22
• 1.3 本论文研究意义及主要研究内容22-25
• 1.3.1 研究意义22-23
• 1.3.2 主要研究内容23-25
• 第2章 永磁同步电机转速转矩特性的影响因素25-37
• 2.1 永磁同步电机的弱磁控制25-30
• 2.1.1 永磁同步电机的数学模型及运行约束条件26-28
• 2.1.2 弱磁控制及定子电流最优控制28-30
• 2.2 永磁同步电机弱磁最高转速的影响因素30-32
• 2.3 永磁同步电机电磁转矩的影响因素32-33
• 2.4 永磁同步电机转速过高对电机性能产生的影响33-35
• 2.5 本章小结35-37
• 第3章 单行星排式混合动力系统构型分析37-53
• 3.1 GM Volt 双模混合动力系统37-45
• 3.1.1 GM Volt 的构型特点及运行模式37-38
• 3.1.2 各运行模式下的转速转矩关系38-45
• 3.2 Prius Plug-in 单模混合动力系统45-47
• 3.2.1 Prius Plug-in 的构型特点及运行模式45
• 3.2.2 各运行模式下的转速转矩关系45-47
• 3.3 GM Volt 与 Prius Plug-in 的对比分析47-51
• 3.3.1 电机的转速转矩特性47-49
• 3.3.2 电功率特性49-50
• 3.3.3 分析结果50-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第4章 单行星排式混合动力系统构型设计53-73
• 4.1 单行星排式混合动力系统构型筛选53-62
• 4.1.1 单行星排式混合动力系统53-56
• 4.1.2 行星排式混合动力系统构型筛选条件的确定56-57
• 4.1.3 构型筛选57-62
• 4.2 CD 模式的设计62-64
• 4.3 CS 模式的设计64-72
• 4.3.1 GM Volt 双模设计64-65
• 4.3.2 Prius Plug-in 第二排的设计65-72
• 4.4 本章小结72-73
• 第5章 单行星排式混合动力系统效率分析73-91
• 5.1 运行模式及整车参数73-75
• 5.1.1 GM Volt 构型73-74
• 5.1.2 Prius Plug-in 构型74-75
• 5.2 系统效率分析75-90
• 5.2.1 动力学分析76-80
• 5.2.2 GM Volt：Series 模式80-83
• 5.2.3 GM Volt：Output-split 模式83-85
• 5.2.4 Prius Plug-in: Input-split 模式85-90
• 5.3 本章小结90-91
• 第6章 全文总结与展望91-93
• 6.1 全文总结91
• 6.2 展望91-93
• 参考文献93-97
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果97-99
• 致谢99

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