（动力机械及工程专业论文）充电式混合动力客车动力总成设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目前传统车辆的发展受到能源问题、环境问题以及经济性等问题的严格限 制。随着我国经济建设的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国的汽车保 有量也在不断增加，从而给我国资源、环境带来巨大的压力。作为重要化工原 料石油，有一半以上是作为机动车的燃料，因此开发节能车辆和使用替代 能源是减缓目前能源压力的主要途径。 目前传统车辆在城市中的运行经济性非常差，主要是受到城市地形环境的 影响。然而混合动力系统可以很好地解决上述的各种问题，其相对于传统的内 燃机车辆更适应这种特殊的工况要求。混合动力汽车动力系统中有电动系统参 与工作，从而可以限制发动机的工作区域，以减少油耗和降低排放。在混合动 力汽车结构及参数一定的条件下，通过控制策略实现能量在发动机和电机间的 合理分配，可使发动机工作在低油耗、低排放的区域，从而实现对整车油耗和 排放的控制。 本文以混合动力电动客车s l g 6 1 2 0 c w e 为研究对象，提出一种新的混合动力 设计方案可充电式混合动力( p h e v ) ，并对其动力系统结构、动力系统部件 选型和参数匹配计算、控制策略等方面进行研究。 首先对其动力系统结构进行分析，对比了各种结构形式的优劣，选择了一 种适合于城市工况的驱动方式，并根据城市客车行驶的特点提出一种充电式混 合动力动力总成设计方案；然后对动力总成主要零部件( 发动机、电动机、动 力蓄电池和充电机等) 进行能量流分析、性能分析，提出充电式混合动力客车 动力性能指标，并根据动力性能指标进行系统的部件选型以及参数匹配计算； 接着根据所选动力总成部件，在s l g 6 1 2 0 c w e 底盘上设计并优化动力部件的布置 方案，旨在解决目前低地板客车动力部件布置困难的问题：最后对蓄电池组s o c 估算，并根据蓄电池组s o c 和整车需求功率的变化情况，对可充电式混合动力 汽车控制策略进行了分析和研究，提出适合城市工况的可充电式混合动力客车 控制策略。 关键词：充电式混合动力，动力总成，s o c ，控制策略 武汉理 ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t t h e d e v e l o p m e n to fc o n v e n t i o n a l v e h i c l e sh a v eb e e ns e v e r e l y r e s t r i c t e db yt h ee n e r g y , t h ee n v i r o n m e n ta sw e l la se c o n o m yi s s u e s a st h er a p i d d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n da n dc o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d s ，t h ev e h i c l ep o p u l a t i o no fc h i n ai sa l s oi n c r e a s i n g , w h i c hb r i n g s t r e m e n d o u sp r e s s u r et oo u rr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a sa ni m p o r t a n tc h e m i c a lr a w m a t e d a l p e t r o l e 啪，m o r et h a nh a l fo fi th a sb e e nu s e da st h ev e h i c l e s f u e l ，s o d e v e l o p i n gt h ee n e r g y - s a v i n gv e h i c l e sa n du s i n gt h ea l t e r n a t i v ee n e r g yi st h em a i n w a y t oe a s et h ee n e r g yp r e s s u r ea tt h ep r e s e n tt i m e t h ee c o n o m yo fc o n v e n t i o n a lv e h i c l e sc u r r e n t l yi sv e r yp o o r ，m a i n l yd u et ot h e e n v i r o n m e n t a li m p a c to fu r b a nt e r r a i n h o w e v e r , h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sc a ns o l v e t h ea b o v ep r o b l e m ，a n dt h e ya r em o r ea d a p t e dt ot h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fw o r k i n g c o n d i t i o n sc o m p a r ew i t ht h ec o n v e n t i o n a li n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e h e v e l e c t r i cs y s t e mm a yl i m i tt h ew o r k i n ga r e ao ft h ee n g i n et or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n a n dr e d u c ee m i s s i o n s u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n so fs t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s ，w ec o u l d d r a f tc e r t a i ns t r a t e g yt oc o n t r o le n e r g yd i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h ee n g i n ea n d m o t o r , w h i c hc o u l dm a k et h ee n g i n ew o r ki nt h er e g i o no fl o wf u e lc o n s u m p t i o na n d l o we m i s s i o n s ，w h i c hc o u l da c h i e v ef u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n ss t a n d a r d i nt h i sp a p e r , h y b r i de l e c t r i cb u ss l g 6 12 0 c w ea sm a i nr e s e a r c hs u b j e c t w e w o r ko u tap r a c t i c a ls c h e m e - - - p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( p h e v ) ，a n dr e s e a r c h i t sc o n f i g u r a t i o n ，c o m p o n e n t sm a t c h i n go fp o w e r t r a i ns y s t e ma n dm a k er e l e v a n t c o n t r o ls t r a t e g y f i r s to fa l l ，w ec o m p a r ew i t ht h ev a r i o u ss t r u c t u r a lf o r m so fp h e va n ds e l e c ta s u i t a b l eo n e a c c o r d i n gt od e s i g nr e q u i r e m e n t s ，w ew o r ko u tap r a c t i c a ls c h e m eo f p h e vp o w e r t r a i ns y s t e m ，a n da n a l y s et h ee n e r g yf l o wa n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e m a i nc o m p o n e n t so ft h ep o w e r t r a i n ( e n g i n e ，m o t o r , p o w e rb a t t e r ya n dc h a r g e r , e t e ) t h e nu s i n gt h es e l e c t e dp o w e r t r a i nc o m p o n e n t s ，w ed e s i g nt h el a y o u tp r o g r a mo nt h e s l g 6l2 0 c w ec h a s s i s w h i c hi no r d e rt or e s o l v ec o m p o n e n t sl a y o u to ft h el o w f l o o r b u sc u r r e n t l y t h e nw em a k er e l e v a n tc o n t r o ls t r a t e g yo fp h e va c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i co ft h eu r b a nd u t yc y c l ea n da n a l y s et h ep h e vc o n t r o ls t r a t e g yw i m b a t t e r i e ss o c ( s t a t eo fc h a r g e ) k e yw o r d s ：p h e v , p o w e r t r a i ns y s t e m ，s o c ，c o n t r o ls t r a t e g y i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 嗍：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：师签名： 口佣沙印参 日期：竺： 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球 气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车 技术发展的主攻方向，而京都议定书签订是大势所趋，更是为节能和减排 给出了法律层面的约束和支持。发展电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳 途径。现代电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车( p e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、 燃料电池电动汽车( f c e v ) 。但是近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生 出一种外接充电式( p l u g i n ) 混合动力汽车，简称p h e v ，也被认可为下一代油电 混合动力车n 1 。从能源和环境出发，世界各国都在努力发展新型汽车，燃料电池 车和纯电动车被认为是交通领域解决能源和环境问题的终极目标，但是由于技 术和成本的限制目前这两种车离产业化还有很长的距离。p h e v 被认为是目前情 况下从传统燃油车到纯电动车和燃料电池车过渡的最优方案之一心儿驯。 p h e v 的显著特点是：里程短时采用纯电动模式；里程长时采用以发动机为 主的混合动力模式，拥有纯电动车的全部优点，与其他清洁汽车相比其基础设 施( 充电系统) 更容易解决，同时又可以利用家庭用电对汽车上的动力电池进 行充电，较少去加油站加油次数，而且电比油便宜，又可以降低使用成本。p h e v 介于纯电动和常规混合动力车之间，因此发动机比常规混合动力车小，电池组 比常规混合动力车大豫钔。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，可以大大改善h e v 的有害气体、温室气体排放和燃油经济性，提高 纯电动汽车的动力性能和续驶里程乜儿钔。 但是p h e v 仍面临着一些技术挑战：电池的性能还不能完全达到p h e v 的要 求，主要瓶颈是价格高，寿命短、充电基础设施还没有完全到位，政府的相关 优惠政策还没有到位，需要各方面共同努力旺郇。 1 2 电动汽车产业发展的配套政策 1 2 1 国外电动汽车产业发展政策 发达国家常用的政策手段主要有3 种类型口。 武汉理t 大学硕士学位论文 经济上扶持：在研发期间，政府给予较高强度资助，支持研究单位和企业， 尽快开发出经济实用型电动汽车。资金上的大力扶持，为发展电动汽车奠定了 良好的经济基础。 政策上优惠：对电动汽车的使用者给予政策上的倾斜，让用户得到使用上 的实惠。政策上的优惠是对发展电动汽车的有力推动，它给生产者和使用者提 供了开发和购买的动力。 法规上强制：一方面，在合适的时间、地点，对燃油汽车的生产、销售、 使用和排放实行限制性法规；另一方面，制定推广应用电动汽车的计划。法规 上的强制，特别是关于严格限制燃油汽车尾气排放的相关法规，是对发展电动 汽车的直接促进。 总体来说，国外对电动汽车产业政策的制定一般根据国情，比较注重从组 织管理、经济激励、市场推广、技术研发等方面的系统配套、协调发展。 表1 - 1 国外主要国家电动汽车发展的优惠政策 国 购车补助税赋优惠奖励措施 家 美政府补贴车价的1 0 ( 不超过4 0 0 0 国美元) ，地方政府( 洛杉矶) 补贴5 0 0 美元 补助购车成本的5 0 ；自动车税、货物政府相关单位 地方政府购置电动小型车，中央税及牌照税约减带头采购电动 补助每辆1 2 3 6 万日元；业者购置民半征收，电动车车辆 日营电动巴士，中央及地方政府各补助购置实行税收优 本1 5 ；对首批生产电动车辆的业者，惠( 取得税) ：普 中央及地方政府各补助售价的1 4 ；通乘用车 电动车与同级别内燃机汽车售( 3 - 6 ) ，私人 价差额的一般，由政府补助购车者；用车( 3 一5 ) ， 混合动力适用纯电动车的补助营 业 用车 奖励。 ( 1 - 3 ) ；燃料 供应站用地的地 价税减半 2 武汉理t 大学硕士学位论文 续表1 - 1 国外主要国家电动汽车发展的优惠政策 政府补贴用户每辆5 0 0 0 法郎，电力对电动车生产厂充电装置安装 公司补贴厂家每辆1 万法郎，用户每 提供一定比例的固定收费2 0 0 个月花6 0 0 法郎可租用电池并加入税赋优惠法郎( 含税) ， 法有关电池服务的网络，中央政府提供电动汽车可在 国每辆5 0 0 法郎的补助经费，供地方政 停车场免费停 府采购电动车泊，在街边停车 不受罚，部分路 段仅限电动车 通行 规划5 年内免除 大部分充电站 德自动车税及重量( 6 8 ) 完全免 国税；企业研制电费，少部分收取 动车可享受5 年充电费或停车 免税费 购车补助3 0 或5 0 担保私人用户购e v 免除车辆税， 瑞车成本的15 ，补贴金不超过计划成e v 增值税为1 0 士 本的2 7 ( i c e v 为2 0 ) 以美国为例，奥巴马政府计划未来十年投入1 5 0 0 亿美元资助新能源研究， 为相关企业提供税收优惠，并创造5 0 0 万个就业机会。大力发展清洁能源，减 少对中东和委内瑞拉石油的依赖。到2 0 1 5 年前，投入使用1 0 0 万辆美国本土生 产的充电式混合动力汽车；到2 0 1 2 年，保证美国人所用电能的1 0 来自于可再 生能源。实施“总量控制和碳排放交易 计划，到2 0 5 0 年，将温室气体排放在 1 9 9 0 年水平的基础上降低8 0 。 1 2 2 国内电动汽车产业发展政策 在2 0 0 8 年北京奥运会上，国内一汽、东风、上海大众、长安、奇瑞、中通、 北汽福田和京华客车等企业自主研发的节能与新能源汽车，囊括了纯电动客车、 混合动力轿车、燃料电池客车和纯电动场地车等，以“零故障 “零排放 示 范运营，成就了奥运史上种类最多、技术最先进、规模最大的绿色环保服务车 队。为进一步推动新能源汽车的产业化进程，解决高科技产品市场推广初期规 武汉理下大学硕士学位论文 模和成本之间的矛盾，在更大范围推广应用新能源汽车，科技部和财政部共同 启动了“十城千辆”电动汽车示范应用工程。决定在3 年内，每年发展1 0 个城 市，每个城市在公交、出租、公务、市政、邮政等领域推出1 0 0 0 辆新能源汽车 开展示范运行，力争使全国新能源汽车的运营规模到2 0 1 2 年占到汽车市场份额 的1 0 。武汉作为全国范围内首批开展试点的城市，首批投放了1 0 0 辆混合动力 公交车，每辆成本达8 0 万元，比目前普通公交车成本高约3 5 万元。而科技部 和财政部推出的实施节能与新能源汽车扶持和激励政策，将补贴每辆车高出部 分2 0 万- 2 6 万元，余下由地方政府补贴。在此期间，国家将投入数百亿元，向 新能源汽车的推广使用给予税收及财政补贴，以引导我国汽车消费理念、消费 结构、产品结构的调整。 目前财政部、科技部联合出台的节能与新能源汽车示范推广财政补助资 金管理暂行办法进一步确认了补贴标准和补贴范围。财政支持的节能与新能 源汽车主要指混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。补助标准主要依据 节能与新能源汽车和同类传统汽车的基础差价，并适当考虑规模效应、技术进 步等因素确定。 具体来看，乘用车和轻型商用车中，混合动力汽车按照节油率分为五档补 贴标准，最高每辆车补贴5 万元；纯电动汽车每辆可补贴6 万元；燃料电池汽 车每辆补贴2 5 万元。十米以上城市公交客车另有标准，其中混合动力汽车分为 使用铅酸电池和使用镍氢电池、锂离子电池两类，最高补贴额分别为8 万元辆 和4 2 万元辆；纯电动汽车补贴标准为5 0 万元辆；燃料电池汽车的补贴标准 为6 0 万元辆。具体补贴标准如下表： 表1 - 2 十米以上城市公交客车示范推广补助标准( 单位：万元辆) 使用铅酸电池 使用镍氢电池、锂离子电池超 节能与新能源 节油率 的混合动力系 级电容器的混合动力系统 汽车类型 最大电功率比最大电功率比 ，u 5 0 以上 2 0 5 0 混合动力汽车 10 - 2 0 52 0 2 0 - 3 0 7 2 53 0 3 0 4 0 83 03 6 4 0 以上3 54 2 纯电动汽车 1 0 0 5 0 燃料电池汽车 1 0 0 6 0 注： 最大电功率比5 0 以上混合动力汽车补助标准均含p l u g i n 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 9 年3 月2 0 日，汽车产业调整和振兴规划细则正式出台。按照规划 细则，通过改造现有生产能力，形成5 0 万辆纯电动、充电式混合动力和普通型 混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量的5 左右。同 时，推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车和关键零部件产业化，并提出了具 体的要求，例如要求企业应该掌握新能源汽车的专用发动机和动力模块的优化 设计技术、规模生产工艺和成本控制技术，并且建立动力模块生产体系，形成 1 0 亿安时( a h ) 车用高性能电池的生产能力。 同时，启动国家节能和新能源汽车示范工程，由中央财政安排资金给予补 贴，支持大中城市示范推广混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等节能 和新能源汽车。县级以上城市人民政府要制订规划，优先在城市公交、出租、 公务、环卫、邮政、机场等领域推广使用新能源汽车；建立电动汽车快速充电 网络，加快停车场等公共场所公用充电设施建设。 1 3 充电式混合动力电动汽车发展的核心技术 随着能源危机和环境污染的巨大压力以及各国政府对电动汽车产业配套政 策的实施，进行混合动力电动客车的设计与研究势在必行，然而进行混合动力 电动客车动力系统的设计与研究，首先要分析混合动力电动汽车发展的核心技 术。目前，混合动力电动汽车发展需解决几个关键技术m n 引： 1 ) 辅助动力单元( a u x i l i a r yp o w e ru n i t ) 的优化设计匹配及动态模型的 建立； 2 ) 整车控制策略研究和能量管理系统开发； 3 ) 适用于混合动力汽车的高性能、低成本、长寿命电池开发和研制和建立 符合电池实际使用环境的电能量管理系统和电池模型； 4 ) 体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机以及其控制系统； 5 ) 结构紧凑、高效率的动力耦合装置。 然而，p h e v 的关键技术包括整车动力系统匹配与控制策略研究、动力电池 开发、电机设计开发、充电基础设施建设乜6 1 ： 1 ) 整车动力系统匹配与控制策略研究 在混合动力系统技术的基础上，p h e v 的整车开发技术主要包括动力系统参 数匹配和整车控制策略两个部分，系统匹配和控制算法都需要进一步深入研究。 为保证纯电动功能下的动力性能和足够的行驶里程，需要大功率电机和高 武汉理1 ：大学硕十学位论文 能量电池；为保证混合模式下的车辆动力性能，需要大功率电池，而发动机的 功率可适当减小。 从整车控制角度来说，需要解决下述问题：低s o c 下如何保护电池，何时 进入混合模式，如何实现全局燃料经济性最优? 所以控制策略的研究要以提高 整车的工作效率、电池的效率和寿命为前提。 2 ) p h e v 对动力电池的要求 目前整车开发最主要的制约因素是动力电池的性能和寿命。 性能：首先要保证p h e v 有必要的动力性能指标和纯电动行驶里程，但又 不增加太多的车辆重量，因此p h e v 用动力电池必须具有足够高的能量密度和功 率密度m 。 寿命：p h e v 经常要采用纯电动模式运行，与h e v 不同，动力电池需要在 低s o c 时有大功率输出( 大电流放电) ；高s o c 时仍然有高的输入功率，以回收 制动能量，这会严重影响电池寿命。电池要能在s o c 从1 0 0 到2 0 深放电工作 时，仍保证有很长的循环寿命。 动力电池的安全性要好，成本要低。 3 ) p h e v 对电机的要求 为满足在纯电动模式下启动及纯电动里程、加速和高速行驶的要求，p h e v 需要更大输出功率的电机，但需要注意电机功率和能量效率之间的关系。 4 ) p h e v 对充电基础设施的要求 与其他清洁汽车相比其基础设施更容易解决，但是需要各级政府和电力部 门的大力支持。根据美国联邦政府能源部( d o e ) 的研究报告，美国的电网晚上 低谷电可以满足1 4 8 亿辆p h e v 的充电需要，占美国现有车辆2 2 亿辆车的6 7 ， 但从供电方来看，要保证在晚上最佳充电时间充电，需要有电网与车辆之间的 通讯连接，以便控制充电时间和分配必须的功率，另外还需补充专用的计费电 表叫叫。 中国电网的低谷电利用情况，各个不同供电区域能支持多少辆p h e v 充电等 问题尚需进一步研究。目前大多数中国城市居民都居住在没有独立汽车库的小 区里，需进一步研究如何解决充电的方案；但是，中国各机关单位的公务车、 公交车、特种车都有专用的停车地点或停车库，可以安装充电设备。 1 4 课题研究的目标及内容 目前国内、外研究可充电式混合动力电动汽车的公司有很多家，其中研究 武汉理下大学硕十学位论文 混合动力电动客车的大多采用的是串联式的或并联式的。在技术上，由于p h e v 是在h e v 的基础上发展起来，而h e v 技术经过多年的研发，相对来说还是比较 成熟的，所以p h e v 技术也有一定的基础。本课题是基于我校与河南少林汽车有 限公司共同开发混合动力城市客车样车项目，所做出的可充电式混合动力汽车 动力总成设计与研究。本文的内容包括： 1 ) 混合动力电动汽车动力性能计算。 2 ) 发动机、发电机、电动机以及变速器的选型匹配。 3 ) 动力总成设计及其在客车上的布置方案。 4 ) 根据城市公交车工况提出适合混合动力客车的控制策略。 5 ) 控制策略的实现方法和具体过程。 6 ) 应用仿真软件对控制策略进行仿真优化。 本设计针对公交客车的特点提出一种充电式串联混合动力汽车动力总成设 计方案，并在此基础上对动力总成各部件进行匹配选择，然后设计一种合理的 总体布置方案，最后提出实用于本方案的控制策略以及其实现的方法和过程。 武汉理r 丁大学硕士学位论文 第2 章充电式混合动力客车驱动系统的选型 2 1 充电式混合动力客车( p h e v ) 的定义和优势 根据国际电子技术委员会( i n t e r n a t i o n a le 1 e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，i e c ) 的定义，混合动力电动汽车( h e v ) 是能够根据特定的运行要求， 从两种或两种以上能量源、能量存储器或转化器中获取驱动力的汽车，在运行 中至少有一种或者能量存储器或转化器直接驱动汽车，并且至少有一种能量源、 能量存储器或转化器能够传递电能n 到。那么什么是充电式混合动力汽车呢? 充电式混合动力汽车的英文全称为：p l u g - i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ， 缩写为：p h e v 。根据相关资料，须同时满足下列条件方可认定为是充电式 ( p l u g - i n 型) 混合动力电动汽车n 3 儿1 4 】： 1 ) 装备有可以在正常使用情况下从非车载装置中获取能量的装置 ， 仅当制造厂在其提供的使用说明书中或者以其它明确的方式推荐或要求定 期进行车外充电时，混合动力电动汽车方可认为是“可外接充电 的。仅用来 不定期的储能装置电量调节而非用作常规的车外能量补充，即使有车外充电能 力，也不认为是“可外接充电”的车型。 2 ) 续驶里程 公共服务用乘用车和轻型商用车的纯电动模式续驶里程不低于5 0 k m 。十米 以上城市公交客车的纯电动模式续驶里程不低于3 0 k m 。 3 ) 最大电功率比达5 0 以上混合动力汽车 并联混合动力车辆 混合动力汽车的最大电功率比计算公式如下：r = k p ( k r + r ) 式中：r ：最大电功率比，p 曩：电动机额定功率，p e ：发动机额定功率 其中对k 值规定如下：i s g 轿车为1 5 ；其他型式混合动力轿车为2 o ；混 合动力客车为1 7 ；对于双电机混联混合动力，以主电机额定功率计算。 串联混合动力车辆 混合动力汽车的最大电功率比统一计为1 0 0 。 与e v 相比，p h e v 增加了内燃机；与h e v 相比，p h e v 可以外接电网充电；在 相同车型条件下，p h e v 的电池比h e v 的电池功率大，内燃机功率比h e v 的小。 总之，p h e v 在设计目标上是要综合e v 与h e v 的优点。这种混合动力汽车单独 依靠电池能行驶较长的距离，但仍然可以像普通的混合动力汽车一样工作。p h e v 武汉理t 大学硕士学位论文 的主要优点如下2 m 1 呦： ( 1 ) 具有e v 的全部优点，减少温室气体和各种有害排放物，降低对石化 燃料的依赖，减少石油进口，增加国家能源安全。 ( 2 ) 由于国家已经存在公用电网等基础设施，可利用晚间低谷电对电池充 电，改善电厂发电机组效率，节省能源。 ( 3 ) 具有接受外部公用电网对车载电池组充电的能力，可以在家里就对电 池组充电，减少去加油站加油次数。用p h e v 的全电动模式上下班，可大大降低 车辆使用成本。 2 2 充电式混合动力客车( p h e v ) 动力系统结构分析 p h e v 的主要结构特点与传统h e v 类似，主要是比传统的h e v 多了一个充电 装置，因此其动力系统主要可分为串联式、并联式和混联式三种结构。 2 2 1 串联式结构分析 一电能流一机械能沉 图2 1p l u g - i n 串联式混合动力系统结构 p l u g i n 串联式混合动力系统结构见图2 1 。其结构特点是发动机驱动发电 机发电，发出的电能通过电机控制器输送到电池或电动机，由电动机产生电磁 力矩驱动汽车行驶。在发动机与传动系之间通过电动机实现动力传递，蓄电池 是发电机与电动机之间的储能装置，其功能是起到功率平衡的作用，即当发电 机发出的功率大于电动机需求功率时( 如低速、滑行、怠速工况) ，发电机向电 池充电；当发电机发出的功率小于电动机需求功率时( 如辆处启动、加速、爬 坡工况) ，蓄电池就向电动机提供额外的电能，以补充发电机功率的不足，满足 9 囤 一 武汉理：j ：人学硕十学位论文 车辆峰值功率的需求。 串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在 最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目 的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少 了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。 2 2 2 并联式结构分析 p l u g - i n 并联式混合动力系统结构见图2 2 。其结构特点是并联式装置的发动 机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向 汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽 车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速 达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又 可以作发电机使用，又称为电动一发电机组。由于没有单独的发电机，发动机 可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械 效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。由于并联式混合动力电动 汽车在稳定的高速下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，所以它在高 速公路上行驶具有较好的燃油经济性。 电源装置 一电能流一机械能流 图2 2p l u g - i n 并联式混合动力系统结构 2 2 3 混联式结构分析 p l u g i n 混联式混合动力系统结构见图2 3 。其结构特点是混联式装置包含了 串联式和并联式的特点。发动机发出的功率一部分通过功率分流装置，经机械 l o 武汉理t 大学硕十学位论文 耦合系统至驱动桥，另外一部分则驱动发电机发电，发出的电能输送给电动机 或者储存到蓄电池中，电动机的力矩同样也可以通过机械耦合系统传递给驱动 桥。混联式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， 能使发动机、发电机、电动机等部件进行更优化的匹配，在结构上保证了在更 复杂的工况下使系统工作在最优状态。更容易实现排放和油耗的控制目标。 电源装置 o 一电能流 机械能流 图2 - 3p l u g - i n 混联式混合动力系统结构 2 3 充电式混合动力客车( p h e v ) 驱动系统的对比及定型 由于本课题是基于我校与河南少林汽车有限公司共同开发混合动力城市客 车样车项目，所做出的可充电式混合动力汽车动力总成设计与研究，开发的样 车主要是在城市公交工况下行驶，所以驱动系统的结构主要是满足城市公交工 况下行驶的要求，下面将对照三种驱动系统的结构特点作出比较，选出一种最 适合城市公交工况的驱动系统。 2 3 1 城市公交客车行使特点 目前传统车辆在城市中的运行经济性非常差，主要是受到城市地形环境的 影响。城市车辆的运行特点是：( 1 ) 由于城区公交车停靠的站点多，站与站之 间的距离不长，城区交通拥挤，车辆行驶平均时速不高，一般为2 0 k m h 左右， 车辆发动机大部分时间工作在非经济区；( 2 ) 交通叉口红灯较多，所以车辆起 步、加速、制动、减速、停车十分频繁，车速变化大，匀速行驶时间短；( 3 ) 根 据行驶速度、道路特点、乘客数量各不一样，高峰时段和中心城区乘客拥挤， 在非高峰期和边远城区部分站点乘客稀少，所以车辆需求功率波动范围较大， 武汉理工人学硕士学位论文 且大部分时间工作在发动机低负荷区m 6 7 1 。 中国典型城市公交循环运行工况( 见图2 - 4 ) 的分析，由工况分析可以得到车 辆的动力需求，由车辆的动力需求可以得出整车对各总成系统的的最低要求， 并可以确定动力系统的一些动态特性。 中国典型城市公交循环数据 f = 蘧厨 击1 0 02 0 0 3 0 0 4 0 0鲫o7 0 08 0 09 0 01 0 0 0o o1 2 0 01 3 0 0 l o l 一 时间t 图2 - 4 中国典型城市公交循环运行工况 该循环共用时1 3 0 4 秒，行驶里程5 8 3 千米，平均时速为1 6 1 0 k m h 。最高 车速达6 0 k m h ，而平均车速仅为1 6 1 0 k m h ，间接反映出了城市公交车在运行 过程中车速变化大的特点。在1 3 0 4 秒的循环中，各工况所占比例如下：怠速时 间占2 8 4 5 ，加速占3 7 4 2 ，减速占2 6 4 6 ，匀速占7 6 7 。可见匀速过程是 非常少的，汽车大部分时间工作在加减速的变工况之下。最大加速度1 2 5 m s 2 ， 平均加速度0 3 1m s 2 ，最大减速度一2 4 7m s 2 ，平均减速度一o 4 3m s 2 。 2 3 2 充电式混合动力客车( p h e v ) 驱动系统的对比 混合动力客车的驱动系统结构形式大体可以分为上面三种，如何从各个动 力系统结构中选择最合适的结构，我们就要对各种形式的混合动力汽车动力总 成结构进行对比分析。 1 ) 串联式 发动机与驱动系统没有机械连接，其工作状态不受车辆行驶工况的影响，始 终能够保持在稳定、高效、低污染的工作范围运行，因此发动机具有良好的经 济性和低排放性能。 发动机与电动机之间没有机械连接，整车结构布置自由度大，各种驱动系统 元件可以放在底盘上最适合的位置，比如现在公交车都是使用低地板结构，可 1 2 = e 孢 矗； 2_占释 武汉理下大学硕士学何论文 以将电动机驱动系统布置在底盘的后悬部分，将发动机一发电机组装在车尾或者 其他部位，从而降低地板高度。 由于电机的功率大，制动能量回收的潜力大，提高了能量效率。 2 ) 并联式 并联驱动系统的发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，没有机械能一电能 转换损失，其能量的利用率相对较高，这使得并联式的燃油经济性一般比串联 的要高；同时，发动机与驱动系统之间的机械连接，使得发动机的运行工况要 受到汽车行驶工况的影响，当汽车行驶工况复杂时，发动机可能较多地在不良 工况下运行。因此，并联驱动的排放比串联驱动的要差。 发动机与电动机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加起来满 足汽车行驶时的功率要求。因而，系统可采用小功率的发动机与电动机，使得 整车动力总成尺寸小，质量也较轻。但发动机和机械驱动系统的机械连接使得 机械装置较复杂，增加了整车稚置的难度。 该布置形式适于路况简单的城市间公路及高速公路行驶的车辆。当汽车进 入市区行驶时，关闭发动机，进入电动状态；当汽车在市郊公路行驶时，关闭 电动机，由发动机直接驱动。 3 ) 混联式 混联式综合了串联和并联式两者的特点，提供了根据不同工况下让油、电 两种( 或多种) 能源分别按串联、并联或串并联结合三种混合模式工作，以及按 “零排放 纯电动、发动机驱动两种单一模式工作的多种可能性。对电池的依 赖小，能量传递效率高，发动机和电动机均可较小。动力系统可根据不同工况 选用不同的动力驱动方式，充分利用了两套动力装置的优点。但是控制系统及 机械结构较为复杂，技术难度较大，增加了开发及生产成本。且这种布置方式 将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件，导致整车的尺寸增大和复杂 程度增加。 表2 - 1 对各种驱动形式的混合动力汽车整车布置、适用条件和开发成本方 面进行比较口引。 武汉理：r 大学硕士学位论文 表2 1 各种驱动形式的混合动力汽车的对比 结构模式串联式并联式混联式 发动机、发电机、发动机、电动机发动机、电动机发 动力总成部件驱动电机等三大发电机两大部件 电机、驱动电机等三 部件大部件 发动机 发动机功率较大发动机功率较小发动机功率较小 功率 发动机 发动机发动机工作稳发动机工况变化发动机排放介于串 排放定、排气较好大、排气较差联与并联之间 电动机是唯一的发动机、电动机发动机、电动机都是 驱动模式 驱动动力都是驱动动力驱动动力 传动系传动效率 能量转换效率较发动机传动系统 发动机传动系统的 统 低 的传动效率较高传动效率较高 制动能量 能够实现制动能按结构不同，其 能够实现制动能量 量回收且潜力较中有个别不能够回收 回收 大回收制动能量 三大部件总成之发动机驱动系统三大动力之间采用 间没有机械连接保持机械式传动 机械式连接装置，三 装置，结构布置 系统，发动机与大动力总成的质量、 的自由度大，但电动机两大动力尺寸都较小，能够在 整车总布置各总成的质量、总成之间被不同小型车辆上布置，但 尺寸都较大，小 的机械装置连接结构更加复杂，要求 型车上不好布起来，结构复杂，布置更加紧凑 置，一般在大型使布置受到一定 车上采用限制 适用于大型客车适用于小型汽 适用于各种类型的 或货车更加适应车，更加适应在汽车，适应在各种道 适用条件在路况较复杂的城市道路和高速路上行驶，性能更加 城市道路和普通 公路上行驶接近普通的内燃机 公路上行驶汽车 三大动力总成的 只有两大动力总虽然有三大动力总 功率较大，质量成，功率均较小，成，但三大动力总成 较大，因此，制质量较轻，电动 的功率较小，质量较 造成本较高发电机具有双重轻，需要采用复杂的 成本造价 功能，还可利用控制系统，制造成本 普通内燃机汽车较高 底盘改造，制造 成本较低 结合上述三种形式的混合动力驱动系统，其中串联式驱动系统最符合城市 1 4 武汉理下大学硕士学位论文 公交客车行使工况特点，也是最符合充电式混合动力汽车驱动系统的配置要求。 2 4 本章小结 本章主要是为本文设计的充电式串联混合动力城市客车的驱动系统选择合 适的方案，主要内容包括： 1 ) 对充电式混合动力车进行了定义并简单介绍了充电式混合动力电动汽车 ( p h e 的优势。 2 ) 对p h e v 的动力驱动系统进行了全面介绍，即根据驱动系统进行分类， 把充电式混合动力电动汽车分为：串联式、并联式和混联式，对其各自驱动系 统的结构形式、动力系统各组成元件和性能特点进行了详细介绍，并对他们进 行了比较分析。 3 ) 根据城市客车运行工况的特点，对三种驱动结构优缺点进行了分析比较， 得出结论：并联混合动力汽车更适合于路况简单的城市间公路及高速行驶的车 辆；串联式混合动力汽车特别适合于在市内低速运行、频繁的加速、减速、停 车的复杂工况；混联式结构具有二者的优点，但由于系统过于复杂，部件性能 要求高，在研究、开发中和应用中都受到很大的限制。因此确定本课题的驱动 结构为充电式串联混合动力结构。 武汉理丁大学硕十学位论文 第3 章充电式混合动力客车动力系统设计 3 1 充电式混合动力客车动力系统能量流分析 动力系统能量流是指电动汽车在行驶的过程中不同的工况时动力系统各部 件( 发动机、发电机、电动机、蓄电池、传动装置等) 之间能量传递的大小以 及效率。混合动力汽车的能量消耗是通过对各动力总成的功率进行积分计算得 到的，因此，能量消耗计算是以研究其功率流为基础的。传统客车与充电式混 合动力客车的能量消耗分析都是建立在传动系之间功率流的基础上的，因此为 了研究充电式混合动力客车的工作情况，必须对动力总成的能量流动进行分析。 串联式混合动力电动汽车最大优点是各动力部件基本上都能工作在其高效 区，对别是发动机的工作范围比较稳定，这对于发动机的经济性和排放行非常 有利；缺点是能量转化过程多，能量转化损失大n 引。其能量流模型如图3 - 1 所 不： 取t j 1 l 吼v “锭 燃油发动机发电机 r 1 1 ( 1 ) 驱 机 动 n3 ( t )械 1 1 4 ( f ) nm 北涉“州、 电 传 卜 动 动司 机 机 构 n 2 ( t ) 2 ( 0 r 2 ( 1 j l - 一 电源 动力电池组nf t 卜 制动能量 口 图3 - 1 充电式串联混合动力客车能量流关系图 卜每小时耗油量( k g h ) ；qe - 发动机的效率：r l ，一发电机的效率；x - 一功率分配比； n 。一蓄电池的输出功率；n z - 蓄电池的放电效率：n 2 - 蓄电池的充电效率； 1 1 广驱动电机的效率；t l 广机械传动装置的效率；n ：一车辆输出功率 3 2 充电式混合动力客车动力系统部件选型 研究充电式混合动力客车动力系统的关键是选择合适的动力系统结构型 式，并对构成整个系统的发动机、电动机、发电机、蓄电池、传动比及其控制 1 6 武汉理丁人学硕+ 学位论文 系统等进行合理的参数选择和匹配，使其在满足整车的动力性能指标的前提下， 提高整车的燃油经济性和降低排放。为了充分发挥p h e v 的优势，本章主要是对 充电式串联混合动力城市客车动力传动系参数的选型和合理匹配进行研究。 充电式串联混合动力客车动力传动系参数包括发动机功率、电动机功率、 电池组容量、变速器档位和速比以及主减速器速比等，它们之