2.1 混合动力太阳能汽车的分类

太阳能混合动力汽车分类方法又很多。根据动力系统的连接方式，目前开发研制的混合动力汽车基本上可分为三类，即串联式、并联式和混联式。由于太阳能最终转换为电能来使用以下文中太阳混合动力汽车皆以混合动力电动汽车代替。

2.1.1 串联式混合动力汽车

这种汽车系统更接近于电动汽车，它由燃油发动机、发电机、电池和电动机等动力装置以串联方式连接组成（如图2-1所示）。在这种系统中，一台小型的燃油发动机直接驱动发电机发电，电能被储存于蓄电池或传给电动机以驱动车轮。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动；负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机；车辆制动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率变速器给蓄电池充电。

2.1.2 并联式混合动力汽车

汽车并联式HEV动力传动系的组成，包括发动机、耦合器、变速器、电动机、功率变速器以及蓄电池（如图2-2）^[3]。这种系统更接近于传统意义上的燃油汽车，该系统的发动机和电动机是并列连接到驱动桥上的。汽车行驶时，发动机与电动机可以分别独立或共同向汽车驱动轮提供动力。并联式混合动力汽车主要由燃油发动机提供动力，动力性较好。其驱动系统控制较复杂，电池总容量仅是串联式的三分之一，能量传递损失小。

2.1.3 混联式混合动力汽车

典型的混联式HEV动力传动系是由电动机、发电机、电动机、离合器以及蓄电池组成，具备了串、并联结构各自的特点（如图2-3）^[4]。这种系统包括两条能量传递路线：一是机械能传递路线，发动机输出的机械能可通过机械装置直接驱动车轮；二是电能传递路线，发动机输出的机械能通过发电机转化成电能由电动机驱动车轮。同时，电池连接到发电机和电动机之间，可接受充电或提供辅助动力。

在以上三种方式中，各性能指标详见表2-1：

表2-1

2.2 传动系统选型和工作形式

并联式混合动力电动汽车具有两套相对独立的动力系统，是传统发动机动力系统和电动机动力系统的集成，从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗；从尺寸上讲，它比串联式小；从结构上讲，它比混联式汽车简单；从整车效率、动力性能、续驶里程及价格等方面综合考虑，它适合于城市运行工况，可以被消费者接受，因此，有望在将来的主流汽车产品中占有大量的份额。所以在吃本说明书中选用并联式。

 2.3 本文采用的工作模式如下

1.车辆启动加速时，发动机和电动机同时工作，共同分担驱动车辆所需的动力，此时内燃机和电动机大约分别承担总功率的80％和20% ；

2.车辆正常行驶（等速行驶）时，发动机工作于最小油耗状态，提供最小转矩和最小功率；电动机也同时工作，车辆行驶所需的主要动力由电动机提供；

3.车辆在市郊行驶时，只有发动机工作，电动机关闭；

4.车辆减速或制动时，电动机工作于发电机模式，通过功率转化器给蓄电池充电。

3.1 整车参数

本文是以上凯美瑞汽车为原型车，将其驱动系改造为单轴式并联混合传动系统。其整车参数如下：

满载总质量  =2070kg ，空载总质量 =1670kg  ，迎风面积A =2.32m，车轮滚动半径r =0.345m，最大功率（KW/rpm） 110/6000，，滚动阻力系数f = 0.01

3.2 动力性能指标

选择混合动力汽车的发动机时，首先要考虑的是满足汽车技术性能的发动机的额定功率与尺寸问题。

混合动力汽车所用发动机的运行模式与传统的汽车发动机完全不同，是采用开关模式。具体来讲，在并联式混合动力汽车中，几乎在全部行程中都要使用发动机，为了优化发动机的工作区域满足低排放的要求，相比于传统的汽车发动机来说，此时它需要更加频繁地开关。另外，对于混合动力汽车来讲，由于汽车的可用空间非常有限，所以必须把发动机——电动机组封装于一个很小的空间内。  

3.3 发动机的选择

发动机功率的选择对并联混合动力传动系的设计至关重要。目前确定发动机功率的方法有两种：

1)根据汽车平均功率或额定匀速行驶车速来确定；

2)按汽车行驶的最高车速来计算。

由于并联混合动力汽车通常都采用由发动机提供车辆平均行驶功率，由电动机提供峰值功率的控制策略，因此其功率值的选择主要应考虑车辆匀速行驶时的功率需求。根据车型的使用条件，并从最大限度地降低整车成本和重量的原则出发，本设计采用小功率电机、电池组配以中排量发动机的方案，基本的控制策略为：在启动加速和爬陡坡时，采用混合动力驱动；在市郊行驶（含市区中高速行驶）时，采用纯发动机驱动，避免了以纯电动或混合驱动方式高速行驶时电池的快速充放电损失，延长了电池的使用寿命；电动机用于市区低速行驶，并在混合驱动工况（急加速、大爬坡或高速爬坡）时辅助发动机驱动车轮。

   式（3—1）

式中：  —是传动系效率=0.95

        —重力加速度

         —滚动阻力系数取 =0.01

        —空气阻力系数=1

—最高车速， 单位km/h =140km/h

         —汽车总质量， 单位kg =2070kg

        A—汽车正面投影面积，A=BH式中B为前轮距，H为汽车总高，  单位为m

=

=96.4kw   式（3—2）

除了车辆行驶需求的功率外, 发动机单独驱动车辆匀速行驶时还应有一定的为电池充电的功率裕量(10%左右)、1%～2%的爬坡功裕量、附件功率(特别是有空调时)。这些功率之和应该是发动机工作在经济区能输出的功率 最终选定最功率为110kw。

发动机型号2AZ-FE。排气量(ml)2400,最大功率(kW)/转速(r/min)123/6000,怠速(r/min)650,最高转速(r/min)6400,发动机型式直列4缸,最大扭矩(Nm)/转速(r/min)224/4000,气门数16,排放标准欧Ⅲ,配气机构形式VVT双顶置凸轮轴,发动机净质量(kg)160,外形尺寸(长×宽×高)(㎜)560×470×430,发动机缸体材料铝合金,缸径*行程(㎜)88.5×96,升功率(kW/L)52.7,压缩比 9.8,燃料种类无铅汽油93#以上,有效燃油消耗率(g/kW·h)256.52技术等。

3.4 电动机的选择

第一章混合动力汽车所用电动机的选择策略

在确定混合动力汽车所采用的电动机时，首先应采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的现成的电动机。一般情况下，电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力。在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。有足够的动力性能来克服整车的各种阻力，保证其有良好的起动，加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。现在混合动力汽车上，主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电机的转速可以达到1万～1.2万r/min，在高速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。   

考虑到技术发展趋势和性能要求，异步电机传动系统和永磁电机传动系统更具应用潜力，而其它电机比如开关磁阻电机随着技术的不断完善也将具有一定的应用前景。本文选用永磁同步电机。

2.电动机额定功率的选择

通常，适用于电动车辆使用的电动机外特性为：在额定转速 以下，电动机以恒扭矩模式工作，在 以上，以恒功率模式工作。相应参数选择包括：电动机额定功率 、电动机额定转速 、电动机最大转速。

电机额定功率可由汽车以纯电动机方式行驶的最大车速及在低速行驶具有克服较小的道路坡度的能力来确定。为了减少电机尺寸和电池的频繁充放电所引起的损失，该车速不宜设计得过高。

表3-1电动机的参数表