毕业设计（论文）-Plug-in混合动力轿车动力系统参数匹配方法研究.doc

武汉理工大学 毕业设计（论文） plug-inplug-in 混合动力轿车动力系统参数匹配混合动力轿车动力系统参数匹配 方法研究方法研究 学院（系）： 汽车工程学院 专业班级： 热动 0704 班 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书 2、不保密囗 。 （请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 本科生毕业设计本科生毕业设计( (论文论文) )任务书任务书 学生姓名：学生姓名：专业班级：专业班级： 热能与动力工程热能与动力工程 07040704 指导教师：指导教师：工作单位：工作单位： 武汉理工大学武汉理工大学 设计设计( (论文论文) )题目：题目：plug-inplug-in 混合动力轿车动力系统参数匹配方法研究混合动力轿车动力系统参数匹配方法研究 设计（论文）主要内容：设计（论文）主要内容： 通过查阅混合动力电动汽车的相关文献，掌握并联式 plug-in 混合动力电动汽车动 力系统结构形式及性能特点，以及并联式 plug-in 混合动力轿车的动力系统参数匹配方 法和基于规则的能量管理策略，学习动力系统及整车建模方法。按照给定的车型基本参 数和性能指标，对某型并联式 plug-in 混合动力轿车进行动力系统参数匹配，基于 gt- drive 的整车建模和仿真分析，验证所匹配动力参数的合理性。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : 1、独立完成 2 张 0 号图纸工作量，其中手绘图纸量折合不得少于一张 1 号图纸，手绘图 纸不得与机绘图纸重复； 2、完成一到两篇英文文献的翻译，要求内容与选题相关，工作量约 20000 印刷字符，译 成中文不少于 5000 字； 3、在毕业设计过程中，根据进展情况，完成参考文献的查阅与检索，要求 10 篇以上 （其中英文文献不少于 2 篇） ，并分别写出不少于 200 字的摘要； 4、撰写毕业设计说明书，要求不少于 10000 字，并符合“武汉理工大学本科生毕业设计 （论文）撰写规范” ； 必读参考资料：必读参考资料： 电动汽车（第二版） 胡骅 编人民交通出版社 先进电动汽车技术陈全世 编化学工业出版社 电动汽车及其性能优化王贵明机械工业出版社 指导教师签名：指导教师签名： 系主任签名：系主任签名： 院长签名院长签名(章章)_ _ 武汉理工大学武汉理工大学 本科学生毕业设计（论文）开题报告本科学生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 1.1 目的 通过查阅混合动力电动汽车的相关文献，掌握并联式 plug-in 混合动力电动汽车动 力系统结构形式及性能特点，针对典型的并联混合动力电动汽车(phev)，用工程分析与 仿真校验相结合的方法，对其动力系统中发动机功率、电动机参数、传动系速比和电池 参数等主要参数进行匹配，并通过实例加以说明和验证。再通过学习和应用基于 gt- drive 的整车建模和仿真分析，验证所匹配动力参数的合理性。 1.2 意义 随着汽车工业的高速发展，全球汽车保有量不断增加，汽车所带来的环境污染、 能源短缺、资源枯竭等方面的问题越来越突出。为了保护人类的居住环境和保障能源供 给，各国政府不惜投入大量人力、物力寻求解决这些问题的途径。电动汽车具有高效、 节能、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势，因此目前 电动汽车技术的研发已成为各国政府和汽车行业的热点。电动汽车势必成为 21 世纪重 要的绿色交通工具。 其中混合动力电动汽车(hybrid electric vehicle，hev)是在电动汽车发展过程 中出现的一种低油耗、低排放、续驶里程长、价格适中、兼具纯电动汽车和传统燃油汽 车优点的新型汽车。它具有良好的燃油经济性和极低的排放，对传统汽车产业结构不会 造成很大冲击及无需改变现有能源供应基础设施等优点，正日益受到广泛的关注。由于 在技术、经济和环境等方面的综合优势，hev 被认为是目前最切实可行的清洁汽车方案。 未来 10 年，混合动力电动汽车(hev)将会迅速发展，并占有一定的市场规模。但 是混合动力电动汽车由于存在着三大主要问题价格高、效率低、仍然使用较多汽油/ 柴油，因此远景并不乐观。目前 hev 的发展方向是可外接充电式混合动力电动汽车 (plug-in hybrid electric vehicle，phev.)其特点有：具有纯电动汽车的全部优点； 低噪音、零排放及高能量效率；可以大大改善 hev 的有害气体、温室气体的排放，提高 混合动力汽车的燃油经济性和动力性能；具有纯电动行驶较长距离的功能，但需要时仍 然可以以全混合模式工作，其最大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系统相结 合，里程短时采用纯电动模式(例如，在一周工作日内上下班)，里程长时采用以内燃机 为主的混合动力模式(例如，周末长途旅游)；可利用外部公用电网(主要是晚间低谷电 力)对车载动力电池进行均衡充电，可改善电厂发电机组效率、消峰填谷缓解供电压力； 通过纯电动行驶，可大大降低对石油的依赖，缓解石油危机。 鉴于此我们可以得出这样的结论，phev 是一种最有发展前景的混合动力电动汽车 驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车(bev 和 fcev)过渡的最佳方案之一。 而混合动力电动汽车(hev)的参数选择是一个多变量多目标优化问题，只有在精确、 完整的仿真模型的基础上，经过反复的寻优计算才能达到最佳的效果。此外，hev 的参 数选择与其行驶工况和控制策略紧密相关。在车辆设计初期，有必要从车辆设计要求出 发，通过理论和工程分析，辅以适当精度的仿真校验来匹配动力系统的主要参数(优化 问题初值)，为建立更加精确的仿真模型和进行优化提供基础。 由此可见，本文对 phev 动力系统主要参数匹配与仿真的研究，对于推动和完善混 合动力汽车的研发，解决目前的各种问题具有重大的现实意义。 1.3 国内外研究现状 国内混合动力汽车的研发起始于 20 世纪 70 年代，但由于其技术含量高，结构复 杂以及造价较高，实现困难等原因，直到 20 世纪 90 年代，各国才相继推出混合动力样 车。我国的混合动力轿车起步较晚，直到 2001 年国家“十五”才将混合动力轿车的研 发列入 863 计划电动车重大专项。 国外混合动力汽车的开发已经取得了重大的进展，目前日本在混合动力电动汽车 技术开发方面居于世界领先地位。丰田公司(toyota)开发的 prius、本田公司(honda)开 发的 insight 和 clvle、日产川 tima 都已经实现了产品化生产。另外，美国的通用(gm)、 福特(ford)、荷兰 tno 公司、戴姆勒一克莱斯勒汽车公司(daimlerchrysler)、韩国现 代汽车公司(hyundai)、法国雷诺汽车公司(renaun)等都对混合动力汽车进行了相关的 研究。其中福特 escape 混合动力电动汽车和通用土星 aura 动力系统比较复杂，采用的 是一种双轴复合式混合动力系统，其中前轮由电机驱动，后轮由混合动力驱动。 2、基本内容和技术方案 充电式混合动力电动汽车动力系统参数的选择不仅与整车动力性和经济性要求有关， 而且，还与动力系统构成型式、控制策略和行驶工况等紧密相关。文中以 phev 典型的 并联型转矩合成动力总成为研究对象，提出其参数匹配的原则和实施步骤、方法。首先， 从车辆设计要求出发，通过理论和工程分析确定发动机功率、电机参数、传动系速比和 电池参数等动力系统组成的主要部件，然后，通过一实例对该方法的可行性和有效性进 行分析验证，最后基于 gt-drive 的整车建模和仿真分析，验证所匹配动力参数的合理 性。具体方案如下： 1查阅文献明确参数匹配的条件，包括参数匹配原则、步骤和 phev 动力系统的结构 和控制策略 2具体研究参数匹配的方法，包括电机参数的选择、电池参数的选择、发动机功率的 选择、变速器参数的设计等 phev 动力系统主要参数的计算 3. 计算实例，按照给定的车型基本参数和性能指标，对某型并联式 plug-in 混合动力 轿车进行动力系统参数匹配，得出参数匹配结果。 4. 基于 gt-drive 的整车建模和仿真分析，验证所匹配动力参数的合理性。如不合理， 则反复修改直至合理。 论文提纲： 第 1 章 绪论 1.1 引言 1.2 传统汽车工业面对的挑战及对策 1.3 国内外混合动力汽车的发展概况 1.4 本文主要研究内容 第 2 章 混合动力系统原理和选型分析 2.1 混合动力车概念 2.2 混合动力车分类及各自特点 2.3 混合动力车发展趋势 2.4 典型 plug-in hev 的整车动力系统结构分析 第 3 章 动力系统各部件选型及参数设计 3.1 混合动力轿车整车方案确定 3.2 动力总成主要部件选型及参数设计 3.2.1 整车参数及动力性指标 3.2.2 电机选型及参数设计 3.2.3 发动机选型及参数设计 3.2.4 车用动力电池组选型及参数设计 3.2.5 变速器参数设计 第 4 章 混合动力系统模型的建立 4.1 gt-drive 软件简介 4.2 整车系统模型的建立和参数的设置 4.3 仿真结果 第 5 章 全文总结及展望 5.1 本文所做的工作 5.2 研究展望 参考文献 3、进度安排 13 周分组、确定选题、搜索资料和外文翻译资料、写出文献检索摘要 45 周赴外地实习，搜集资料，提交实习日记、实习报告 67 周整理资料、论文提纲、设计概要、撰写开题报告和外文翻译译文 810 周提交开题报告和外文翻译译文，开始绘图 1113 周撰写论文，绘图 14 周论文、图纸审查和打印 1516 周提出答辩申请，准备答辩；老师审阅图纸（论文）和答辩资格 17 周答辩 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 目录目录 摘要 .1 abstract .2 第 1 章 绪论 3 1.1 研究背景介绍 3 1.1.1 引言 3 1.1.2 传统汽车工业面临的挑战 3 1.1.3 应对挑战的新对策 3 1.2 phev 的国内外研究现状 .4 1.3 本文主要研究内容和技术方案 5 第 2 章 混合动力系统的原理和选型分析 6 2.1 混合动力汽车概念 6 2.2 混合动力汽车的分类及各自的特点 6 2.2.1 从系统能量流和功率流的配置结构关系分类 6 2.2.2 从使用动力电池-电机与内燃机的搭配比例分类 .7 2.3 混合动力电动汽车发展趋势分析 8 2.4 典型 plug-in hev 的整车动力系统结构分析 .8 2.4.1 串联型 plug-in hev 8 2.4.2 并联型 plug in hev 9 2.4.3 混联型 plug-in hev .11 2.5 混合动力系统结构选型依据 .12 2.6 本章小结 .12 第 3 章 动力系统部件选型和参数设计 .13 3.1 参数匹配原则、步骤 .13 3.2 phev 动力系统的结构和控制策略 13 3.3 动力总成主要部件选型及参数设计 .13 3.4 参数匹配的方法 .15 3.4.1 电机的选型及参数的选择 .15 3.4.2 电池的选型及参数选择 .18 3.4.3 发动机功率的选择 .19 3.4.4 变速器参数的设计 .20 3.5 本章小结 .21 第 4 章 混合动力系统模型的建立 .22 4.1 gt-drive 软件简介 22 4.1.1 gt-drive 软件功能与特点 22 4.1.2 gt-drive 的程序结构 23 4.1.3 程序的应用 .24 4.2 整车系统模型的建立和参数的设置 .24 4.2.1 整车模型的建立 24 4.2.2 主要部件参数的设置 24 4.3 仿真结果.31 4.4 本章小结 .31 第 5 章 全文总结及展望 .32 5.1 本文所做的工作 .32 5.2 研究展望 .32 参考文献 33 致 谢 .34 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 摘要摘要 本文首先通过对多种新能源汽车优缺点的比较，得出可外接充电式混合动力汽车不仅 能解决传统混合动力汽车仍然消耗大量化石燃料的问题，而且也能解决纯电动汽车续驶 里程短等问题，被认为是向最终的清洁能源汽车过渡的最佳方案。然后在现有方案的基 础上，进一步对动力系统各关键部件进行了选型研究，并逐一进行了参数匹配方案的研 究和计算，提出了动力系统整体匹配方案。接着针对动力系统中各主要部件提出了各自 的建模方法，并建立了基于 gt 的仿真模型，对所得参数匹配方案进行了仿真，以确定其 准确性。 关键字关键字:可外接充电，混合动力轿车，参数匹配，建模仿真 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 abstract by comparing to disadvantages and advantages on many different kinds of new energy vehicles firstly，it could be concluded that this plug-in hybrid electric vehicle not only could solve the problem of the excessive fuel consumption of the traditional hybrid vehicle, but also could solve the problem of the short range of the pure electric vehicle, as a result, this scheme was regarded as the best one in transition to the final clean energy vehicle and then，by further researching on the key components of the dynamic system and mathematical calculation of key parameters on important components. a matching scheme on the dynamic system was proposed based on the current effortsfurther more，methods of simulation on the main parts of dynamic system were proposed respectively，and a simulation model，based on gt，was modeledsimulation on parameters derived from matching programmer to determine their accuracy. key words: plug-in, hybrid electric vehicle, modeling and simulation 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究背景介绍研究背景介绍 1.1.1 引言引言 改革开放以来，尤其是进入 21 世纪，我国汽车工业出现了“井喷式”发展局面。汽 车产量每年以超过 100 万辆速度增长，汽车进入寻常百姓家庭已经是不争的事实。按照 国家统计局发布的初步统计资料表明，2006 年我国汽车产量已达到 720 多万辆，汽车保 有量达到 3500 多万辆，成为世界第三大汽车制造国和第二大汽车销售国。按照我国的经 济发展速度和国土面积与人口总量预测，到 2030 年，我国的汽车保有量的低限预测(按照 目前世界平均水平估计)，将超过 1 亿辆，中国将真正进入汽车社会。 1.1.2 传统汽车工业面临的挑战传统汽车工业面临的挑战 汽车不仅仅是人类社会不可缺少的交通工具，而且是很多人的生活必需品和文化生 活的一部分。它对人类社会进步产生的巨大推动作用是不可替代的。但汽车的大量生产 和广泛使用也带来了环境、能源和道路安全方面的严峻问题。 (一)能源紧缺 目前，我国已经面临石油资源短缺的局面，石油对外的依存度接近 50%，专家预测， 到 2020 年中国石油需求量将达到 4 亿吨，其中 1/3 来自于汽车，而中国的石油产量只有 1.6 亿吨到 1.7 亿吨左右，届时将有 2.4 亿吨的石油缺口。石油问题已经不仅仅是狭义的 能源问题，而是上升到国家能源安全的高度。 (二)环境及排放 汽车从开发生产到使用，直至最后报废的生命周期中，对环境的破坏是全方位的。 汽车在使用阶段对环境的破坏最为严重，主要包括尾气有害排放物、温室气体、噪声等。 汽车尾气的排放已经成为我国大气污染的重要来源，汽车工业的发展必然受到环境容量 的限制，而二氧化碳排放问题已经成为国际政治问题。 1.1.3 应对挑战的新对策应对挑战的新对策 面临能源枯竭和大气污染的双重威胁，包括美国、日本和欧盟在内的汽车生产大国 都己相继制定出日益严格的燃油消耗和汽车排放法规，传统汽车受发动机本身技术发展 的局限难以满足日益苛刻的法规要求，汽车新技术的发展势在必行。纯电动汽车 (electric vehicle，ev)是一种真正意义上的清洁汽车，但受动力电池技术的制约，纯电动汽车单次 充电的续驶里程还未取得突破性进展，很难为市场所接受，目前纯电动汽车在续驶里程 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 和初始成本方面都不能和传统汽车相抗衡。燃料电池汽车 (fuel cell electric vehicle，fcev)的研究也在持续升温，但目前生产成本过高，技术也不是很成熟，很难 实现产业化。 混合动力电动汽车 (hybrid electric vehicle，hev)是在电动汽车发展过程中出现的一 种低油耗、低排放、续驶里程长、价格适中、兼具纯电动汽车和传统燃油汽车优点的新 型汽车。它具有良好的燃油经济性和极低的排放，对传统汽车产业结构不会造成很大冲 击及无需改变现有能源供应基础设施等优点，正日益受到广泛的关注。由于在技术、经 济和环境等方面的综合优势，hev 被认为是目前最切实可行的清洁汽车方案。 1.2 phev 的国内外研究现状的国内外研究现状 由于环保和能源问题，世界各大汽车企业积极投入到绿色车辆的设计制造中，其中 外接充电式混合动力汽车也是重点发展产品之一。 （1）美国 目前外接充电混合动力汽车以 gm 于 2007 年 11 月洛杉矶车展与 2008 年 1 月底特律 车展推出的 chevy volt 系列概念车款为代表。chevy volt 平均每公升汽油约可行驶约 21 公里。相比 2007 年美国同级车型平均值，每公升汽油可行驶的距离增加 64%。 （依照 cafe 计算的平均值为每公升 12.8 公里） 。该车款约需充电 6-6.5 小时，续航力约 64.4 公 里，该引擎可使用汽油、e85 燃油与生物燃料，预计该款车将于 2010 年量产面市。此外 gm 计划于 2009 年推出 saturn vue green line phev，可在家使用 110v 充电，充电 4-5 小时后，可以纯电力行驶 16 公里。预计该车款将在 20102011 年成为北美地区第一部 phev 的 suv 车。daimlerchrysler 是目前唯一由消费者主导、在现实生活中进行各种不 同 phev 动力系统测试的汽车企业。2007 年 daimlerchrysler 将 20 辆 dodge sprinter 列入 phev 计划，并进行道路测试，现已有四台车进入消费者试驾阶段。部份车辆装上了轻型 锂电池，透过消费者实际驾驶使用，搜集 dodge sprinter 的 phev 车款的时效、性能以及 电池成本等相关信息。2007 年初 ford 推出全球首款采用氢燃料电池的 phev：ford edge hyseries。该概念车可以纯电力行驶 58.25 公里。同时 ford 与南加州爱迪生电力公司 (southern california edison)宣布合作规划外接充电式混合动力车(phev)的商业化道路，降 低与石油相关的排放并提升国家电网的成本效益。 （2）日本 由于成功将 prius、lexus rx400h 与 lexus gs450h 等 hev 车型销售至欧洲市场， toyota 成为欧洲唯一的 hev 汽车制造商。2007 年与法国电力公司(edf, electric de france)缔 约成为技术联盟，共同合作评估与测试欧洲 prius 的 phev 车款市场。edf 计划将在法国 设立 phev 相关配套的基础设施建设，以满足未来成长的 phev 市场需求。nissan 与 nec 签订技术合作契约，共同合作开发 li-ion 电池，该成果预计使用于 nissan 2009 年推 出的 hev 车款。由于较晚进入 phev 研发领域，预计到了 2012 年才会有具体产品推出。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 （3）中国 比亚迪 f3dm低碳版，属于外接充电式混合动力汽车，它搭载的 1.0l 全铝发动机， 配合 75kw 的电机，f3dm 低碳版输出功率达到 125kw，可以媲美 2.4l 自然进气发动机。 通过一块类似全景天窗的太阳能电池板，f3dm 可以将太阳能转换为电能存储在铁电池中， 这也是除了充电站和家用插座充电外，f3dm 低碳版提供的第三种充电方式。通过按键可 以使车辆在纯电动(ev)和混合动力(hev)两种模式之间自由切换。而纯电动模式下， f3dm（低碳版）城市综合工况续航里程达到 60 公里。并且，f3dm 低碳版突破了反复 充电和家用插座充电两大技术瓶颈，在专业充电站 10 分钟可充满 50%，在家用电源上慢 充需 7 小时充满。 1.3 本文主要研究内容和技术方案本文主要研究内容和技术方案 充电式混合动力电动汽车动力系统参数的选择不仅与整车动力性和经济性要求有关， 而且，还与动力系统构成型式、控制策略和行驶工况等紧密相关。文中以 phev 典型的并 联型转矩合成动力总成为研究对象，提出其参数匹配的原则和实施步骤、方法。首先， 从车辆设计要求出发，通过理论和工程分析确定发动机功率、电机参数、传动系速比和 电池参数等动力系统组成的主要部件，然后，通过一实例对该方法的可行性和有效性进 行分析验证，最后基于 gt-drive 的整车建模和仿真分析，验证所匹配动力参数的合理性。 具体方案如下： 1查阅文献明确参数匹配的条件，包括参数匹配原则、步骤和 phev 动力系统的结构 和控制策略 2具体研究参数匹配的方法，包括电机参数的选择、电池参数的选择、发动机功率的 选择、变速器参数的设计等 phev 动力系统主要参数的计算 3. 计算实例，按照给定的车型基本参数和性能指标，对某型并联式 plug-in 混合动力轿 车进行动力系统参数匹配，得出参数匹配结果。 4. 基于 gt-drive 的整车建模和仿真分析，验证所匹配动力参数的合理性。如不合理， 则反复修改直至合理。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 第第 2 章章 混合动力系统的原理和选型分析混合动力系统的原理和选型分析 2.1 混合动力汽车概念混合动力汽车概念 根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议,混合动力汽车 hev(hybrid electric vehicle)的定义为:多于一种能量转换器来提供驱动动力的混合型电动汽车。hev 是传统内燃机车辆与电动车辆产生的混血儿，它继承了电动汽车低排放的优点，又发扬 了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济 性，增加了电动汽车的续驶里程。 2.2 混合动力汽车的分类及各自的特点混合动力汽车的分类及各自的特点 混合动力电动汽车的分类可用拓扑图形的方式来表达，如图 2-1 所示。 图 2-1 混合动力电动汽车的拓扑分类 如果只有内燃机一种动力源，全部由燃油箱给汽车提供能量，就是传统汽车;如果只 有电机一种动力源，同时给汽车提供能量的能量源是动力电池或者氢燃料电池，则分别 为纯电动汽车或纯燃料电池电动汽车。动力电池和氢燃料电池的发展最终导致不同的汽 车技术向纯电动汽车和燃料电池电动汽车发展。 2.2.1 从系统能量流和功率流的配置结构关系分类从系统能量流和功率流的配置结构关系分类 从图 2-1 可知，以纯电动汽车为分界，上部为并联混合系统，下部为串联混合系统。 凡是同时具有两种驱动动力源的车辆，例如车轮同时由内燃机和电机驱动，则为并联混 合动力汽车 phev(parallel hybrid electric vehicle);凡是驱动车辆的动力源只有电机一种， 但给电机供应能量的能量源有两种(如动力电池、辅助动力单元或燃料电池)，则为串联混 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 合动力汽车 shev(series hybrid electric vehicle)。 2.2.2 从使用动力电池从使用动力电池-电机与内燃机的搭配比例分类电机与内燃机的搭配比例分类 混合动力电动汽车可分为四种类型： (1)微混合系统 (micro hybrids)，有时也叫“起一停混合” 该种类型的混合动力电动汽车依靠电池的比例很小，驱动车辆的两种动力源中电机 功率的比例也很小，而内燃机功率的比例很大。代表车型奇瑞 asbsg 微混合动力轿车。 微混合动力汽车的特点有:微混合系统，电机仅作为内燃机的起动机/发电机使用，对它管 理的控制策略是，需要时(如遇到红灯车辆停止)使内燃机熄火，并当车辆再次行驶时，立 即重新起动内燃机；以及制动时发电，实现能量回收。一般来说，当车辆行驶时，仅由 内燃机驱动，电机不提供能使车辆行驶的附加力矩;也有一些结构在车辆加速时，电机辅 助内燃机加速车辆；微混合可实现 5%15%的节油效果。 (2)轻度混合系统 (mild hybrids) 该种类型的混合动力电动汽车相对于微混合系统依靠电池的比例较大，驱动车辆的 两种动力源中电机功率的比例增大，内燃机功率的比例减少。代表车型 honda 的 insight。微混合动力汽车的特点有:.轻度混合系统，电机可给内燃机提供辅助的驱动力矩， 但不能单独驱动车辆，这种系统同样具有能量回收、发动机熄火/重起动等功能，其电机、 电池功率都比微混合大，作用也强，内燃机功率可以小一些;.轻混合电机功率一般不超过 发动机最大功率的 10%；节油可达 2025%。 (3)全混合系统 (full hybrids) 该种类型的混合动力电动汽车依靠电池的比例更大，与轻混合系统相比，驱动车辆 的两种动力源中电机功率的比例也更大，内燃机功率的比例更小。代表车型为 toyota prius。全混合动力汽车的特点有：全混合车辆，电机和内燃机都可以独立或一起驱动车 辆，因此在低速、软加速行驶(如交通堵塞，不断起步停车)、车辆起步加速和倒车等情况 下，车辆可以全电动行驶；硬加速时电机和内燃机一起驱动车辆，也有制动能量回收的 能力；全混合系统内燃机和电机的功率水平不同，典型的情况是电机功率约为内燃机最 大功率的 40%左右；节油达 5056%。 (4)可外接充电混合系统(plug- in hybrids) 该种类型的混合动力电动汽车电机功率比例与纯电动相当，内燃机功率比例与全混 合系统相当，同时电池容量应保证必要的行驶里程。其主要特点有:.具有纯电动汽车的全 部优点：低噪音、零排放及高能量效率；可以大大改善 hev 的有害气体、温室气体的排 放，提高混合动力汽车的燃油经济性和动力性能;具有纯电动行驶较长距离的功能，但需 要时仍然可以以全混合模式工作，其最大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系 统相结合，里程短时采用纯电动模式(例如，在一周工作日内上下班)，里程长时采用以内 燃机为主的混合动力模式(例如，周末长途旅游)；可利用外部公用电网(主要是晚间低谷 电力)对车载动力电池进行均衡充电，可改善电厂发电机组效率、消峰填谷缓解供电压力: 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 通过纯电动行驶，可大大降低对石油的依赖，缓解石油危机。 2.3 混合动力电动汽车发展趋势分析混合动力电动汽车发展趋势分析 未来 10 年，混合动力电动汽车(hev)将会迅速发展，并占有一定的市场规模。但是 混合动力电动汽车由于存在着三大主要问题-价格高、效率低、仍然使用较多汽油/柴油， 因此远景并不乐观。目前 hev 的发展方向是可外接充电式混合动力电动汽车(plug- in hybrid electric vehicle，plug-in hev)。plug-in hev 的诸多特点在 2.2.2 节中做了详细的 论述，鉴于此我们可以得出这样的结论， plug- in hev 是一种最有发展前景的混合动力 电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车(bev 和 fcev)过渡的最佳方案之一。 鉴于 plug-in hev 的诸多优点和发展的可行性，本章将以 plug-in hev 为重点，对其 结构型式及其相应的特点进行具体分析。 2.4 典型典型 plug-in hev 的整车动力系统结构分析的整车动力系统结构分析 plug-in hev 动力系统主要可分为串联式、并联式和混联式三种结构。其结构特点就 是在传统 hev 上改装或加装可充电的动力电池，因此不同类型传统 hev 所具备的特点 在相应类型的 plug-in hev 上依然具备，所不同的是 plug-in hev 用发动机功率比传统 hev 的小，电机和电池功率比传统 hev 的大，电池可通过电网进行充电。 2.4.1 串联型串联型 plug-in hev 2.4.1.1 串联型串联型 plug-in hev 结构特点结构特点 串联型 plug-in hev 系统的结构原理图如图 2-2。 图 2-2 串联型 plug-in hev 动力系统简图 武汉理工大学毕业设计（论文） 9 从图 2-2 中我们可以看出，发动机带动发电机发电，其电能通过电动机控制器直接送 给电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电能实现动力 传递，因此更像是电传动汽车。电池通过控制器串接在发电机和电动机之间，其功能相 当于发电机与电动机之间的“水库” ，起功率平衡作用，即当发电机的发电功率大于电动 机所需的功率时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况)，控制器控制发电机向电 池充电;而当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、 爬坡等工况)，电池则向电动机提供额外的电能;在条件允许的情况下，可通过切断发动机 的动力实现纯电动行驶;当电池组不起作用或不能使用时，发动机可单独驱动发电机发电， 满足电机驱动汽车行驶的电能需求;在停车状态下可对动力电池进行充电。 2.4.1.2 串联型串联型 plug-in hev 性能特点性能特点 发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的。当汽车运行工况 变化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由控制器控制发电机向电池 充电(吸收发电机富裕的电能)或使电池向电动机放电(协助发电机供电)，电池充电和放电 电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和控制 方式，使串联型 plug- in hev 具有如下性能特点：发动机工作状态不受汽车行驶工况的 影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和较低的 排放指标;由于有电池进行驱动功率“调峰” ，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳 定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机；发动机与驱动桥之间无机械连 接，因此，对发动机的转速无任何要求，发动机的选择范围较大，比如，可选用高速燃 气轮机等效率高的原动机；发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较 大;发动机的输出需全部转化为电能再转变为驱动汽车的机械能，所以需要功率足够大的 发电机和电动机；要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电和 过放电，就需要较大的电池容量；将机械能转变为电能、电动机将电能转变为机械能、 电池的充电和放电都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低。 串联型 plug- in hev 发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越性主 要表现在低速、加速等运行工况，而在汽车中、高速行驶时，由于其电传动效率低，抵 消了发动机油耗低的优点，因此，串联型 plug-in hev 混合动力电动汽车更适用于在市内 低速运行的工况;在繁华的市区，汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用电池进 行功率输出，使汽车达到零排放的要求。 2.4.2 并联型并联型 plug in hev 2.4.2.1 并联型并联型 plug-in hev 结构特点结构特点 并联型 plug- in hev 动力系统的结构原理图如图 2-3。和串联 plug-in hev 动系统布 置不同的是，并联式布置保留了发动机及其后续传动的机械连接，由电池组一电动机所 武汉理工大学毕业设计（论文） 10 提供的动力在原驱动系统的某一处和主动力汇合，或者发动机和电动机产生的力完全分 开用以驱动不同的驱动桥，即汽车可由发动机和电动机共同驱动或者各自单独驱动。发 动机和电机是两个相互独立的系统，即可实现纯电动行驶，又可实现内燃机驱动行驶， 在功率需求较大时还可以实现全混合动力行驶，在停车状态下可进行外接充电。并联型 plug-in hev 的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。并联型 plug-in hev 动力系统同串联型 plug-in hev 动力系统的布置比较起来，其结构相对复杂， 实现形式也趋多样化。 图 2-3 并联型 plug-in hev 动力系统简图 2.4.2.2 并联型并联型 plug-in hev 性能特点性能特点 并联型 plug- in hev 其发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工况所需功率选 定的，当汽车在低速或变速工况行驶时，需通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率 输出;而在汽车高速行驶，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，由控制器控制电 动机协助驱动。这样的结构形式和控制方式，使并联型 plug- in hev 具有如下性能特点： 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，没有机-电能量转换损失，因此发动机输出 能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范围内运行时，并 联型 plug- in hev 燃油经济性比串联的高； 1) 有电动机进行“调峰”作用时，发动机的功率也可适当减小； 2) 当发动机只是作为辅助驱动系统时，其功率也可以比较小； 3) 如果装备发电机，发电机的功率也可较小； 4) 由于有发电机补充电能，比较小的电池容量即可满足使用要求； 5) 由于并联型 plug-in hev 驱动系统的发动机的运行工况要受汽车行驶工况的影响，因 此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工况下运行，因此， 发动机的排污比串联式的高； 武汉理工大学毕业设计（论文） 11 由于发动机与驱动桥之间直接机械连接，需要通过变速装置来适应汽车运行工况的 变化，此外，发动机与电动机并联驱动，还需要动力祸合装置，因此并联型 plug-in hev 驱动系统其传动机构较为复杂。 并联型 plug-in hev 驱动系统最适合于汽车在中高速稳定行驶的工况。在其它的行 驶工况，由于发动机不在最佳的工况区域内运行，发动机的油耗和排污指标不如串联式 plug-in hev.并联型 ping-in hev 也可实现零排放控制，在繁华的市区低速行驶时，可通 过关闭发动机使汽车以纯电动方式运行。但这样就需要功率足够大的电动机，所需的电 池容量也相应要大. 2.4.3 混联型混联型 plug-in hev 混联型 plug-in hev 驱动系统是串联式与并联式的综合，图 2-4 为一种典型的混联型 plug-in hev 动力系统(hymotion plug-in prius)结构原理图。发动机发出的功率一部分通过 机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制， 输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力耦合装置传送给驱动桥。混联型 plug-in hev 驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作; 当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主;当停车时，通过车载充电器对其进行外 接充电混联型 plug-in hev 驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的 优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更好的优化匹配，从而在结构上保证 了在复杂工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标 图 2-4 丰田 prius 混联式混合动力系统简图 与并联型 plug-in hev 相比，混联型 plug-in hev 的动力复合形式更复杂，因此对动力藕 合装置的要求更高。目前的混联型 plug-in hev 结构一般以行星齿轮作为动力耦合装置的 武汉理工大学毕业设计（论文） 12 基本构架。图 2-4 为丰田公司 prius 车的驱动系统结构示意图，它的驱动系统被公认为目 前最成功的结构之一。 2.5 混合动力系统结构选型依据混合动力系统结构选型依据 基于以上对 plug-in hev 动力系统的分析，在动力系统选型中着重考虑以下几个因素: (1)使用环境 plug-in hev 的动力系统一般基于特定工况进行设计，这是因为多数动力系统对工况 比较敏感，不同工况性能差别很大，只有在特定的工况下才能充分发挥低油耗、低排放 的优点。 (2)性能要求 不同类型的 plug-in hev 之间性能差异十分明显，在选型时必须注意由动力系统结构 引发的性能差异。如果对加速性能要求高，就有必要选择配有峰值功率调节器的结构型 式。如果对经济性要求苛刻，并联式可以成为合适的选择。 (3)技术条件 所谓技术条件，除研究开发的条件和力量外，还包括工业基础。强调工业基础是因 为一些常见的动力系统部件，我国的产品水平还不能满足需要或尚无法生产。进行新产 品开发总会有一定的进度要求，如果技术条件无法保证，就难以实现预定开发目标。 (4)开发性 开发性是指动力系统需要进一步完善的空间。产品性能是一个完善的过程，同样开 发工作也不可能一步到位，也需要进行不断的完善。在具体开发工作中应该遵循由简单 到复杂、由易到难的思路，先选择对技术条件要求较低的结构进行开发。 (5)成本和使用维护费用 动力系统的结构对 plug-in hev 成本影响很大，这是因为不同类型的动力系统对部件 的种类、数量和性能要求差别很大。而部件的种类、数量和性能指标是影响 plug-in hev 成本的主要因素。选型时还应考虑使用、维护费用，结构越复杂，故障率越高，使用和 维护费用也越高。 价格和使用维护费用直接关系到 plug-in hev 的产业化，如果不能产业化，就不能为 进一步开发提供资金，也就难以促进技术水平的提高和服务性能的改善。事实上，性能 优良但价格过高无法商业化，甚至被迫放弃 plug-in hev 开发的实例很多，我们不应重蹈 覆辙。 2.6 本章小结本章小结 本章主要研究论述了混合动力电动汽车的概念、分类和不同类型的主要特点。结合 现有的技术条件和各种类型的不同特点，归纳总结出:plug-in hev 是一种最有发展前景的 混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车(bev 和 fcev)过渡的最佳方案 武汉理工大学毕业设计（论文） 13 之一。 武汉理工大学毕业设计（论文） 14 第第 3 章章 动力系统部件选型和参数设计动力系统部件选型和参数设计 3.1 参数匹配原则、步骤参数匹配原则、步骤 phev 参数匹配的原则是针对给定的车型、目标工况和基本控制策略，在保证车辆纯 电动行驶里程(aer)和整车动力性要求的前提下，以经济性为主要目标进行设计。phev 参数匹配的基本步骤是：电机功率及转矩转速范围-电池功率-发动机功率-电池容量。 图 3-1 “高混合率”phev 结构 3.2 phev 动力系统的结构和控制策略动力系统的结构和控制策略 phev 动力传动系主要有并联式和串联式两种典型结构。本文中主要针对并联型的 phev 结构进行讨论。 phev 有电量耗尽型、电量维持型、纯电动和纯发动机模式等能量管理模式，文中主 要采用混合控制策略，该控制策略由电量耗尽型和电量维持型两种模式构成 (1) 电量耗尽型(cd) 电能作为主要能量源，发动机输出转矩使车辆在电能耗尽之前能行驶尽可能长的路 程，发动机的开关由诸如电池荷电状态(soc)、电机功率限制和车速等决定，电池 soc 在整个操作过程中逐渐减少。 (2) 电量维持型(cs) 这一模式与普通的 hev 控制策略类似，发动机和电机协同工作，电池 soc 可以波 动，但其波动范围仅限于一个很小的操作带。在电池 soc 值高于其最小门槛值时采用电 量耗尽型工作模式，当电池 soc 达到最小门槛值时采用电量维持型工作模式。 3.3 动力总成主要部件选型及参数设计动力总成主要部件选型及参数设计 对动力总成各主要部件进行参数选择，以使整车在兼顾动力性和经济性的情况下， 武汉理工大学毕业设计（论文） 15 达到预期的指标。动力系统部件的参数可以根据动力系统的控制策略、决定载荷的整车 参数(如整车整备质量、空气阻力系数、滚动阻力系数等)和车辆的性能要求等来初步确定。 目前的 hev 研究，通常是从某一种成熟的常规车型出发，对其动力系统进行改造和 重新设计。参数匹配的初始条件包括了从原车型和设计目标获得的车辆和行驶参数，尤 其是预先估计的整车质量。本文实例使用的车辆和行驶参数如下： (1)整车参数 整备质量 1630kg(估计) 总质量 m l766kg(136kg 负载) 迎风面积 a 2.17 风阻系数 0.3 d c 轮胎滚动半径 0.32m r r 滚动阻力系