基于COMSOL的混合动力汽车动力耦合机构瞬态温度场研究

摘要

面对全球石油资源日渐枯竭、环境污染日趋严重以及国家法规对汽车排放要求越来越高的现状，人类必须寻找一条既环保、节能，又能继续享受汽车所带来的生活便利与社会快速发展等好处的道路。由此加速了混合动力汽车和纯电动汽车的发展。然而由于在纯电动汽车和燃料电池汽车关键技术未取得突破性进展情况下，使得混合动力汽车成为当今汽车工业发展的主要方向。
　　动力耦合机构是混合动力汽车传动系统的核心部分，它将发动机和电机的动力进行耦合，实现混合动力汽车所需的多种工作模式，如纯电动驱动、发动机单独驱动、混合驱动、轻载充电和再生制动等，其性能对整车动力性、燃油经济性及排放性有直接影响，是混合动力汽车成功开发的关键。
　　目前，国内外对混合动力汽车动力耦合机构的研究主要集中在动力耦合机构结构设计、模式切换控制等方面，而对动力耦合机构整体温度场分布研究较少。动力耦合机构在工作过程中产生热量，造成温度升高，温度过高会导致离合器和电机工作失效和损害，从而影响动力耦合机构的工作性能以及整车性能。因此，对动力耦合机构温度分布进行研究具有重要意义。
　　本文以重度混合动力汽车动力耦合机构为研究对象，根据混合动力汽车不同工作模式，对动力耦合机构温度场进行了建模与仿真分析，得到了温度场分布规律；并对风冷ISG(Integrated Starter and Generator)电机温度场进行仿真分析与试验验证。具体研究体现在以下几个方面：
　　（1）介绍了混合动力汽车及动力耦合机构在混合动力汽车中的功能作用和分类，分析了动力耦合机构在国内外的研究现状，介绍了国内外对动力耦合机构温度场的研究现状。
　　（2）分析了动力耦合机构在车辆纯电动驱动、发动机单独驱动、混合驱动等不同工作模式下的工作状态及热源情况。由于混合动力汽车工作模式众多，本文只选取了纯电动驱动、发动机单独驱动以及电机启动发动机这3种典型工作模式下动力耦合机构发热情况，并对此3种情况下动力耦合机构温度场进行了仿真计算分析。
　　（3）结合动力耦合机构实际结构，建立了基于PROE的动力耦合机构三维模型，运用传热学理论计算了动力耦合机构热源、对流换热系数、热流密度等相关热力学参数，建立了COMSOL环境下的动力耦合机构温度场仿真计算模型，进行仿真计算，得出了动力耦合机构温度场分布。在纯电动驱动工作模式和不同冷却液流量下，对动力耦合机构温度场进行了仿真计算，分析了冷却液流量对温度场的影响。
　　（4）以动力耦合机构中风冷ISG电机为研究对象，对其在混合动力汽车纯电动工作模式下额定工作状态和峰值工作状态时的温度场进行了研究，并进行ISG电机温度试验，验证了ISG电机模型和仿真计算方法的正确性。

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目录

1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 混合动力汽车概述

1.3 混合动力汽车动力耦合机构温度场的研究

1.4 本文研究的主要内容

2 动力耦合机构热场分析

2.1 传热学理论基础

2.2 不同工作模式下动力耦合机构热源分析

2.3 COMSOL Multiphysics多物理耦合软件介绍

2.4 本章小结

3 动力耦合机构建模及参数计算

3.1 动力耦合机构三维模型的建立

3.2 ISG电机边界条件计算

3.3离合器边界条件计算

3.4 COMSOL仿真计算步骤及设置

3.5 本章小结

4 动力耦合机构温度场仿真结果与分析

4.1 电机单独驱动工作模式

4.2 发动机单独驱动工作模式

4.3 电机启动发动机工作模式

4.4 不同冷却液流量下温度分布

4.5 本章小结

5 基于COMSOL的风冷ISG电机温度场分析与试验验证

5.1 风冷ISG电机三维模型的建立

5.2 风冷ISG电机边界条件计算

5.3 仿真结果分析

5.4 风冷ISG电机温度实验验证

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 继续研究方向

致谢

参考文献

附录