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2.1 混合動力太陽能汽車的分類

太陽能混合動力汽車分類方法又很多。根據動力系統的連接方式，目前開發研制的混合動力汽車基本上可分為三類，即串聯式、并聯式和混聯式。由于太陽能最終轉換為電能來使用以下文中太陽混合動力汽車皆以混合動力電動汽車代替。

2.1.1 串聯式混合動力汽車

這種汽車系統更接近于電動汽車，它由燃油發動機、發電機、電池和電動機等動力裝置以串聯方式連接組成（如圖2-1所示）。在這種系統中，一臺小型的燃油發動機直接驅動發電機發電，電能被儲存于蓄電池或傳給電動機以驅動車輪。負荷小時由電池驅動電動機帶動車輪轉動；負荷大時則由發動機帶動發電機發電驅動電動機；車輛制動或減速時，電動機把驅動輪的動能轉化為電能，并通過功率變速器給蓄電池充電。

2.1.2 并聯式混合動力汽車

汽車并聯式HEV動力傳動系的組成，包括發動機、耦合器、變速器、電動機、功率變速器以及蓄電池（如圖2-2）^[3]。這種系統更接近于傳統意義上的燃油汽車，該系統的發動機和電動機是并列連接到驅動橋上的。汽車行駛時，發動機與電動機可以分別獨立或共同向汽車驅動輪提供動力。并聯式混合動力汽車主要由燃油發動機提供動力，動力性較好。其驅動系統控制較復雜，電池總容量僅是串聯式的三分之一，能量傳遞損失小。

2.1.3 混聯式混合動力汽車

典型的混聯式HEV動力傳動系是由電動機、發電機、電動機、離合器以及蓄電池組成，具備了串、并聯結構各自的特點（如圖2-3）^[4]。這種系統包括兩條能量傳遞路線：一是機械能傳遞路線，發動機輸出的機械能可通過機械裝置直接驅動車輪；二是電能傳遞路線，發動機輸出的機械能通過發電機轉化成電能由電動機驅動車輪。同時，電池連接到發電機和電動機之間，可接受充電或提供輔助動力。

在以上三種方式中，各性能指標詳見表2-1：

表2-1

2.2 傳動系統選型和工作形式

并聯式混合動力電動汽車具有兩套相對獨立的動力系統，是傳統發動機動力系統和電動機動力系統的集成，從概念上講，它是電力輔助型的燃油車，目的是為了降低排放和燃油消耗；從尺寸上講，它比串聯式小；從結構上講，它比混聯式汽車簡單；從整車效率、動力性能、續駛里程及價格等方面綜合考慮，它適合于城市運行工況，可以被消費者接受，因此，有望在將來的主流汽車產品中占有大量的份額。所以在吃本說明書中選用并聯式。

 2.3 本文采用的工作模式如下

1.車輛啟動加速時，發動機和電動機同時工作，共同分擔驅動車輛所需的動力，此時內燃機和電動機大約分別承擔總功率的80％和20% ；

2.車輛正常行駛（等速行駛）時，發動機工作于最小油耗狀態，提供最小轉矩和最小功率；電動機也同時工作，車輛行駛所需的主要動力由電動機提供；

3.車輛在市郊行駛時，只有發動機工作，電動機關閉；

4.車輛減速或制動時，電動機工作于發電機模式，通過功率轉化器給蓄電池充電。

3.1 整車參數

本文是以上凱美瑞汽車為原型車，將其驅動系改造為單軸式并聯混合傳動系統。其整車參數如下：

滿載總質量  =2070kg ，空載總質量 =1670kg  ，迎風面積A =2.32m，車輪滾動半徑r =0.345m，最大功率（KW/rpm） 110/6000，，滾動阻力系數f = 0.01

3.2 動力性能指標

選擇混合動力汽車的發動機時，首先要考慮的是滿足汽車技術性能的發動機的額定功率與尺寸問題。

混合動力汽車所用發動機的運行模式與傳統的汽車發動機完全不同，是采用開關模式。具體來講，在并聯式混合動力汽車中，幾乎在全部行程中都要使用發動機，為了優化發動機的工作區域滿足低排放的要求，相比于傳統的汽車發動機來說，此時它需要更加頻繁地開關。另外，對于混合動力汽車來講，由于汽車的可用空間非常有限，所以必須把發動機——電動機組封裝于一個很小的空間內。  

3.3 發動機的選擇

發動機功率的選擇對并聯混合動力傳動系的設計至關重要。目前確定發動機功率的方法有兩種：

1)根據汽車平均功率或額定勻速行駛車速來確定；

2)按汽車行駛的最高車速來計算。

由于并聯混合動力汽車通常都采用由發動機提供車輛平均行駛功率，由電動機提供峰值功率的控制策略，因此其功率值的選擇主要應考慮車輛勻速行駛時的功率需求。根據車型的使用條件，并從最大限度地降低整車成本和重量的原則出發，本設計采用小功率電機、電池組配以中排量發動機的方案，基本的控制策略為：在啟動加速和爬陡坡時，采用混合動力驅動；在市郊行駛（含市區中高速行駛）時，采用純發動機驅動，避免了以純電動或混合驅動方式高速行駛時電池的快速充放電損失，延長了電池的使用壽命；電動機用于市區低速行駛，并在混合驅動工況（急加速、大爬坡或高速爬坡）時輔助發動機驅動車輪。

   式（3—1）

式中：  —是傳動系效率=0.95

        —重力加速度

         —滾動阻力系數取 =0.01

        —空氣阻力系數=1

—最高車速， 單位km/h =140km/h

         —汽車總質量， 單位kg =2070kg

        A—汽車正面投影面積，A=BH式中B為前輪距，H為汽車總高，  單位為m

=

=96.4kw   式（3—2）

除了車輛行駛需求的功率外, 發動機單獨驅動車輛勻速行駛時還應有一定的為電池充電的功率裕量(10%左右)、1%～2%的爬坡功裕量、附件功率(特別是有空調時)。這些功率之和應該是發動機工作在經濟區能輸出的功率 最終選定最功率為110kw。

發動機型號2AZ-FE。排氣量(ml)2400,最大功率(kW)/轉速(r/min)123/6000,怠速(r/min)650,最高轉速(r/min)6400,發動機型式直列4缸,最大扭矩(Nm)/轉速(r/min)224/4000,氣門數16,排放標準歐Ⅲ,配氣機構形式VVT雙頂置凸輪軸,發動機凈質量(kg)160,外形尺寸(長×寬×高)(㎜)560×470×430,發動機缸體材料鋁合金,缸徑*行程(㎜)88.5×96,升功率(kW/L)52.7,壓縮比 9.8,燃料種類無鉛汽油93#以上,有效燃油消耗率(g/kW·h)256.52技術等。

3.4 電動機的選擇

第一章混合動力汽車所用電動機的選擇策略

在確定混合動力汽車所采用的電動機時，首先應采用技術成熟，性能可靠，控制方便和價格便宜的現成的電動機。一般情況下，電動機性能必須充分滿足單獨用電力驅動模式行駛工況時的要求。電動機在低速時應具有大的轉矩和超載能力。在高速運轉時，應具有大的功率和有較寬闊的恒功率范圍。有足夠的動力性能來克服整車的各種阻力，保證其有良好的起動，加速性能和行駛速度及實現制動時的能量回收。現在混合動力汽車上，主要采用能夠實現變頻、調速的高轉速電動機，高速電機的轉速可以達到1萬～1.2萬r/min，在高速運轉時，有更大的功率和有較寬闊的恒功率范圍，體積較小和質量較小，但要求裝置高精度的高速軸襯，需要用高品質的材質來制作，并要保證高效率的冷卻。   

考慮到技術發展趨勢和性能要求，異步電機傳動系統和永磁電機傳動系統更具應用潛力，而其它電機比如開關磁阻電機隨著技術的不斷完善也將具有一定的應用前景。本文選用永磁同步電機。

2.電動機額定功率的選擇

通常，適用于電動車輛使用的電動機外特性為：在額定轉速 以下，電動機以恒扭矩模式工作，在 以上，以恒功率模式工作。相應參數選擇包括：電動機額定功率 、電動機額定轉速 、電動機最大轉速。

電機額定功率可由汽車以純電動機方式行駛的最大車速及在低速行駛具有克服較小的道路坡度的能力來確定。為了減少電機尺寸和電池的頻繁充放電所引起的損失，該車速不宜設計得過高。

表3-1電動機的參數表