（动力机械及工程专业论文）并联式混合动力环卫车动力系统设计与仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明甥螋嬲 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 武汉理工大学或其他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。 期：丝! 兰：! ! ：坚 学位论文使用授权书 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，即学校有权保留并向国家有关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。本人授权武汉理工大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学 位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：红鸸谴导师( 签名) ： 日期加m z ，r 墨韶 摘要 根据国家统计局报告显示，2 0 0 3 年以来的7 年间，我国工业增加值以每年 平均1 5 的速度增长，尤其是在2 0 0 7 年左右的时间里，年均增长率达到了1 7 。 汽车工业作为一个支柱产业，为国家的工业发展也做出了不小的贡献。自2 0 0 2 年以后，我国汽车行业开始进入快速发展的道路，特别是私人汽车需求的提升， 成为了推动我国汽车发展的重要力量，使得我国在国际汽车产业中的地位逐渐 上升。 近年来，国际燃油价格不断攀升，全球气候问题日渐严重，各方面的因素 迫使我们寻求一种更加节能环保的驱动方式。因此，电动汽车被越来越多的人 们所熟知，但是，由于电池技术的限制，油电混合动力汽车由于其优异的环保 性以及低油耗率成为了各个汽车企业发展的首选。混合动力环卫车根据其特殊 的功能性，既可以满足驾驶需求，也可以发挥出良好的节能环保优势。所以， 混合动力环卫车在未来的发展前景广阔，研究开发混合动力环卫车也具有深远 的意义。 本论文以国家“8 6 3 计划中基于e m t 的电驱动系统研究与开发课题 为依托，结合与东风特种商用车合作开发的天锦混合动力环卫车展开研究。文 章中分析了国内外混合动力汽车的发展现状，阐述了混合动力环卫车的优势。 介绍了混合动力汽车的工作原理和驱动类型，即分为串联式混合动力、并联式 混合动力、混联式混合动力三种，以及每一种驱动类型的不同布置结构。通过 对三种驱动类型优缺点的比较后，确定使用基于e m t 的并联式混合动力系统为 此次混合动力环卫车设计的驱动类型，根据所选择的驱动类型，并结合原车型 的整车参数和动力性能指标，匹配出合适的发动机、电动机、电池，并设计对 应的传动系统。对整个动力系统设计完成以后，对所设计的基于e m t 的并联式 混合动力环卫车的功能性需求，制定相对的整车控制策略，并应用在自行设计 的实验台架上进行验证动力系统功能性、可靠性的实验。最后通过a d v i s o r 仿真 软件，调入实验台架中所使用的各项参数，对整车的动力性能和经济性进一步 的仿真验证。证实了本论文所设计的基于e m t 的并联式混合动力环卫车可以满 足整车的动力性，提高了经济性，可以通过产业化推动其发展。 关键词：并联式混合动力环卫车，方案设计，参数匹配，实验验证 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n g t oar e p o r tf r o mt h en a t i o n a lb u r e a uo fs t a t i s t i c ss h o w st h a tb e t w e e n 2 0 0 3a n d2 0 1 1 ，c h i n a sa b o v e - s c a l ei n d u s t r i a la d d e dv a l u eo fa v e r a g ea n n u a lg r o w t h r a t eo f1 5 4 ，a v e r a g ea n n u a lg r o w t hr a t eo f1 7 i n2 0 0 3 2 0 0 7 a sap i l l a ri n d u s t r y , t h ea u t oi n d u s t r ya l s om a d eas m a l lc o n t r i b u t i o nt ot h ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n to ft h e c o u n t r y s i n c e2 0 0 2 ，c h i n a sa u t o m o t i v ei n d u s t r yh a sb e g u nt oe n t e rt h er o a do fr a p i d d e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yt h er e q u i r e m e n to fp r i v a t ee a rk e e pu p g r a d i n g , h a sb e c o m e a l li m p o r t a n tf o r c et op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o b i l em a r k e t ，m a k i n g t h ep o s i t i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a la u t o m o t i v ei n d u s t r yo fc h i n ag r a d u a l l yi n c r e a s e d i nr e c e n ty e a r s ，i n t e r n a t i o n a lf u e l p r i c e sk e e pr i s i n g , t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s p r o b l e m o fg l o b a lc l i m a t e ，v a r i o u sf a c t o r sf o r c e du st os e e kam o r ee n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd r i v es t y l e t h e r e f o r e ，t h ee l e c t r i cc a ri sa ni n c r e a s i n g n u m b e ro fp e o p l ek n o w n ，h o w e v e r , b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n so fb a t t e r yt e c h n o l o g y , h y b r i d v e h i c l e sd u et oi t se x c e l l e n te n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n dl o wf u e l c o n s u m p t i o nr a t e ，h a sb e c o m et h ep r e f e r r e dd e v e l o p m e n to f v a r i o u sa u t oc o m p a n i e s a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lf e a t u r e sa n dd r i v i n gd e m a n d ，h y b r i ds a n i t a t i o nt r u c k sp l a ya g o o da te n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e s s o ，h y b r i ds a n i t a t i o nt r u c k si n t h eb r o a dp r o s p e c t sf o rf u t u r ed e v e l o p m e n t ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh y b r i d s a n i t a t i o nt r u c ka l s oh a sf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c e t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l ”8 6 3p r o g r a m ”r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r i cd r i v es y s t e mb a s e do nt h ee m t , r e l yo nc o m b i n i n gs t u d y w i t ht i a n j i nh y b r i ds a n i t a t i o nt r u c k sf r o md o n g f e n gs p e c i a lc o m m e r c i a lv e h i c l e c o ，l t d t h ea r t i c l ea n a l y z e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fh y b r i dv e h i c l e sa th o m e a n d a b r o a do nt h ea d v a n t a g eo ft h eh y b r i ds a n i t a t i o nt r u c k s h y b r i dc 孤w o r k sa n dd r i v e t y p et h a ti sd i v i d e di n t oas e r i e sh y b r i d ，p a r a l l e lh y b r i d ，s e r i e s p a r a l l e lc o m b i n e d h y b r i d ，e a c hd r i v ead i f f e r e n ta r r a n g e m e n to ft h et y p eo fs t r u c t u r e f o l l o w e db ya c o m p a r i s o no ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h r e ed r i v et y p e st od e t e r m i n et h e u s eo ft h ee m t - b a s e dp a r a l l e lh y b r i ds y s t e md e s i g n e df o rt h eh y b r i ds a n i t a t i o nt r u c k d r i v e rt y p e ，d e p e n d i n go nt h et y p eo fd r i v es e l e c t e d ，a n dc o m b i n e dw i t ht h eo r i g i n a l m o d e lo fv e h i c l ep a r a m e t e r sa n dp o w e rp e r f o r m a n c e ，m a t c h i n gt h er i g h te n g i n e ， l i 武汉理工大学硕士学位论文 m o t o r b a t t e r y , a n dd e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e m t ov e r i f yp o w e r s y s t e m sf u n c t i o n a ld e s i g nt h e i ro w ne x p e r i m e n t sb e n c ho nt h ee n t i r ep o w e rs y s t e m d e s i g ni sc o m p l e t e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g no ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sb a s e do n t h ee m t s p a r a l l e lh y b r i ds a n i t a t i o nt n l c k st od e v e l o pt h er e l a t i v ev e h i c l ec o n t r o l s t r a t e g ya n da p p l i c a t i o n ，r e l i a b i l i t ye x p e r i m e n t a l f i n a l l y , b ya d v i s o rs i m u l a t i o n s o f t w a r e ，t r a n s f e r r e dt ot h ep a r a m e t e r su s e di n t h et e s tb e n c h ，t h es i m u l a t i o no f v e h i c l ep o w e rp e r f o r m a n c ea n de c o n o m y c o n f i r m e db yt h i sp a p e rb 嬲e do nt h e t h e e m t s p a r a l l e lh y b r i ds a n i t a t i o nt r u c k st om e e tt h ev e h i c l e sp o w e r , i m p r o v et h e e c o n o m y , c a n b ed r i v e nb yt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h e i rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：p a r a l l e lh y b r i ds a n i t a t i o nt r u c k s ，p r o g r a md e s i g n ，p a r a m e t e r sm a t c h ， e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 目录 目录i 摘要譬i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究目的及意义1 1 2 国内外混合动力技术的发展1 1 2 1 国外混合动力技术的发展1 1 2 2 国内混合动力技术的发展3 1 3 混合动力环卫车的研究意义4 1 4 本文的主要研究工作5 第2 章混合动力系统环卫车方案设计7 2 1h e v 工作原理和驱动类型- 7 2 2 串联式混合动力系统( s 髓v ) 7 2 2 1 工作方式8 2 2 2 串联式混合动力系统特性8 2 3 并联式混合动力系统( p 瑚w ) 9 2 3 1 工作方式1 0 2 4 混联式混合动力系统( p s h e v ) 1 4 2 4 1 混联式混合动力系统特性1 5 2 5 国内外环卫车发展现状1 6 2 6 混合动力环卫车方案设计。1 7 2 6 1 动力系统选型策略1 7 2 6 2 并联式动力系统结构型式对比与分析1 8 2 6 3 并联式混合动力系统方案对比及分析2 0 2 6 4 基于( e m t ) 的并联式混合动力系统2 2 第3 章基于e m t 的并联式混合动力系统部件选型及参数匹配设计2 3 3 1 整车参数及动力性能指标2 3 3 1 1 整车参数2 3 3 1 2 整车目标性能指标2 5 3 2 发动机匹配。2 5 3 2 1 发动机选型2 5 3 2 2 发动机功率的选择2 6 3 3 驱动电机匹配。2 7 3 3 1 电机选型2 7 3 3 2 电机功率的选择2 8 3 4 动力电池组参数的确定。3 0 3 5 传动系参数设计。3 1 武汉理工大学硕士学位论文 3 6 本章小结。3 2 第4 章并联式混合动力系统总成设计3 3 4 1 整车控制系统各附件分析。3 4 4 2 整车控制器设计。3 8 4 3 高压管理系统设计4 2 第5 章基于e m t 的并联式混合动力控制策略研究4 3 5 1 并联式混合动力系统发动机与驱动电机控制策略分析。4 4 5 2 台架试验验证。4 7 5 2 1e m t 测试系统主要零部件参数分析4 7 5 2 2e m t 系统对拖实验平台建设5 0 5 2 3 基于对拖试验台的e m t 效率分析5 2 5 2 4e m t 换挡实验5 4 5 3 本章小结。5 8 第6 章基于e m t 的并联式混合动力环卫车主要性能仿真与分析5 9 6 1 仿真设置。5 9 6 1 1 循环工况的选择5 9 6 1 2 发动机万有特性图输入6 0 6 1 3 电机效率曲线图输入6 1 6 1 4 性能测试选项设置6 1 6 2 仿真结果分析。6 4 6 2 1 动力性能比较。6 4 6 2 2 燃油经济性能比较6 5 6 3 本章小结6 6 第7 章全文总结与展望。6 7 7 1 全文总结。6 7 7 2 研究展望。6 7 致谢6 9 附蜀之7 0 参考文献：7 1 i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 随着我国经济实力的不断提升，城乡一体化建设步伐的加快，城市人口、 规模、功能都将得到快速的发展，与之对应的市政建设及规模的发展速度也会 随之加快，对市政特种车辆，尤其是环卫车的需求也会日益增长。然而，由于 地理位置、环境因素、道路状况以及经济水平的不同，每个地区对环卫车的要 求也会不同，这就要求环卫车的生产厂家，结合客户所在地的特殊条件，提供 不同的设计解决办法。 由于环卫车特殊的功能性，其主要工作时间段为夜晚或者凌晨，此时的工 作环境较为安静，然而传统的环卫车在驱动附件工作时仍然需要发动机提供动 力，因此会产生相对的噪声。并且，由于环卫车在正常工作状态下，发动机不 会一直处于最佳经济工作区域内，这样会导致尾气排放的加剧。在全球都提倡 节能减排的大环境下，未来的环卫车应该向低油耗、低噪声、低排放方向发展。 混合动力环卫车既可以满足传统环卫车的功能需求，也可以满足低油耗、低噪 声、低排放的标准，在某些特定的工作环境下，还可以实现零油耗、零噪声以 及零排放。 1 2 国内外混合动力技术的发展 混合动力模式( h y b r i dm o d e ) 是指车辆由内燃机( 或其他热机) 或电机等 所有的车载动力系统根据管理逻辑( 整车控制策略) 参与车辆驱动的一种模式【1 1 。 1 2 1 国外混合动力技术的发展 国外的电动汽车技术已经发展了很长时间，但是由于动力电池的能量密度 偏低、质量重、且价格高等问题，使得电动汽车技术的发展受到了很大的制约， 因此，越来越多的汽车厂商将目光投向了混合动力技术领域。 1 9 9 7 年，日本丰田汽车率先将混合动力技术商品化，在世界上推出了首次 武汉理工大学硕士学位论文 批量生产的p r i u s 混合动力轿车，并投放本土市场，2 0 0 0 年后在北美上市，随后 又推出了第二代和第三代产品( 如图i - i ) ，截止至今，p r i u s 在全球市场的销量 已经突破1 0 0 万台。本田汽车也推出了搭载本田i m a ( i n t e g r a t e dm o t o ra s s i s t ) 系 统的i n s i g h t 混合动力轿车( 如图1 2 ) ，并达到了当时世界油耗最低水平【2 1 。 图i - i 丰田普锐斯 图1 - 2 本田i n s i g h t 1 9 9 3 年，美国的混合动力项目正式启动，由美国能源部( d o e ) 与三大汽车公 司：通用、福特和戴姆勒一克莱斯勒合作，并于当年9 月与克林顿政府共同提 出了美国“p n g v 计划 ( 新一代汽车合作伙伴计划) 【3 j ，旨在开发新一代高效节 能汽车。2 0 0 2 年9 月，美国总统布什制定了f r e e d o mc a r 计划，用于取代p n g v 计划成为新的国家及公司合作的研究发展计划。 欧盟也制定了相对应的f p 4 和f p 5 计划，宝马、大众、雪铁龙、奥迪等公 司都纷纷开发了自己的混合动力汽车，由奥迪公司生产的d u oh e v 已经投入出 租车运营中。博世公司也成立了“b o s c hc o m p e t e n c ec e n t e rf o rh y b r i ds y s t e m s ”， 专门研究混合动力技术。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内混合动力技术的发展 我国科技部从2 0 0 1 年起开始设立“三纵三横 电动汽车专项，已经在电动 汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得了重要进展，建立了国家 研发技术标准平台、测试检验平台、政策法规平台以及示范应用平台。2 0 0 9 年， 国务院五部委联合在北京、杭州、武汉等2 5 座城市开展了“十城千辆 示范工 程，进入这些城市的公共交通、公务用车等领域，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 。另外，由科研院所、汽车企业以及各个 高校组成的“产学研的模式也在快速发展，东风电动车辆有限公司研发的 e q 6 1 1 0 h e v 公交车已经在湖北武汉进入示范运营，并且累计运行1 4 万公里， 载客1 5 万人次。在上海世博会期间，由长安、奇瑞、上汽等汽车公司提供的混 合动力汽车也很好的完成了接待及运营任务。经过近年来的发展，混合动力技 术得到了迅猛的发展，尤其是在主要元器件的生产技术上取得了突破，提高了 整车的燃油经济性能，正在与国际先进水平靠拢州。 财政部和科技部于2 0 0 9 年联合发布了新能源汽车的示范运行补助办法，被 纳入推荐车型目录中的车型将按标准享受财政补贴，具体补贴方式如下表1 - 1 、 表1 2 。 表1 - 1 示范推广十米以上城市公交客车的相关补助标准( 单位：万元辆) 节能与新能源节油率使用铅酸电使用镍氢电池、锂离子电池超级电 汽车类型池的动力系容的动力系统 统最大电功率比最大电功率比 2 0 3 0 5 0 以上 1 0 52 0 混合动力汽车2 0 2 0 72 53 0 3 0 3 0 83 03 6 4 0 4 0 以上3 5 4 2 纯电动汽车 1 0 0 5 0 燃料电池汽车1 0 0 6 0 武汉理工大学硕士学位论文 表1 2 示范推广公共服务用车以及轻型商用车的补助标准( 单位：万元辆) 公共服务用乘用车和 轻型商用车示范推广最大电功率比 补助标准( 单位：万元节油率 辆) 节能与新能源汽车类 型 b s g 车型1 0 2 0 3 0 2 0 3 0 1 0 0 5 o 4 1 0 混合动力汽车1 0 2 83 2 2 0 2 0 3 23 64 2 3 0 3 0 4 24 5 4 0 4 0 以上 5 0 纯电动汽车 1 0 0 6 0 燃料电池汽车 1 0 0 2 5 o 截至目前，工业和信息化部分别公布了两批新能源推广的推荐目录，共涉 及2 4 种车型，“十城千辆”的示范运营城市也已经发展至2 5 座。未来混合动力 汽车的发展，主要还需要依托政府在政策层面的扶持，加快电池核心技术的发 展，提高零部件的可靠性和稳定性，促进混合动力汽车商业化的进程【5 】。 1 3 混合动力环卫车的研究意义 近年来，我国环卫车辆装备技术的发展取得了不错的成绩，产品的类型和 功能已经能够基本满足日常的作业需要。随着社会的不断发展，人们对生活环 境的要求在不断提高，尤其是经过了北京奥运会以及上海世博会之后，对环卫 车辆的技术发展提出了更高水平的要求。未来环卫车辆将逐渐向节能化、系统 4 武汉理工大学硕士学位论文 化、人性化、智能化方向发展，由简单的作业功能特征转向作业、机动、信息 监管为一体的多样化功能特征方向发展，使国内环卫车水平满足社会发展的需 要。 在“十一五 期间，我国环保投资计划达到了1 4 0 0 0 亿元，其中环保机械 占据了主要的份额，环保机械未来的市场前景非常广阔，预计我国环保产业在 未来2 0 年内年复合增长率将达到1 5 2 0 。 表1 32 0 1 0 2 0 1 5 年中国环卫车辆产量及增长率预测 5 0 0 0 0 4 5 0 0 0 4 0 0 0 0 3 5 0 0 0 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 l o o 1 0 0 0 陌i 两闻 o = 蒜箩l 由于传统环卫车的特殊工作模式，发动机长时间处于低速运转，使得燃油 消耗率较高以及排放污染较为严重。随着环卫车需求的不断增长，如仍然保持 传统环卫车的运行状况，必将会加重环境的污染。为了即能够满足社会对环卫 车的需求量，又保证达到国家的节能减排目标，混合动力环卫车的研发成为了 必然。混合动力环卫车可以在车辆低速运行肘，停止发动机的工作，使用低噪、 零排放的电机驱动车辆；在车辆高速行驶或者制动过程中，又可以将多余的能 量转化为电能储存在动力电池当中。 在国家大力发展新能源产业的前提下，混合动力环卫车的发展即将进入“快 车道 ，在产业化进程的不断推进中，市场的前景也是广阔的。因此，开展混合 动力环卫车的研究具有着深远的影响。 1 4 本文的主要研究工作 目前我国正在大力发展社会主义新农村建设，为了维护城镇、农村的环境， 环卫车是不可或缺的一个工具。混合动力环卫车既具有传统环卫车的动力性能 5 溉溅雠雠瓣嘣溅镰隅瓣 4 3 2 l l 2 3 4 5 武汉理工大学硕士学位论文 和功能性，也具有节能环保的优势，市场的前景不容小视。 动力系统是整车的一个“心脏”，它对混合动力汽车整车的行驶和动力性能 都具有重要的作用，因此，方案的合理设计，各个参数的正确计算匹配，对整 个混合动力系统都有个重要的意义。 本文的主要研究工作是并联式混合动力环卫车的动力系统设计及研究。首 先，根据路况、地域环境、节油率、可靠性等，对所设计的混合动力环卫车进 行动力系统方案的选择，然后对电机、发动机、电池等主要零部件进行系统的 计算选型，再对所设计的动力系统进行台架实验和仿真分析，与传统的环卫车 比较其动力性、油耗等参数，最终确定混合动力环卫车的产业化的可行性。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力系统环卫车方案设计 2 1h e v 工作原理和驱动类型 混合动力系统由发动机、电机、动力电池、电机控制器、整车控制器、电 池管理系统等主要零部件组成。在车辆低速行驶时，由电机驱动车辆，解决了 发动机低速运转油耗较高的问题；在车辆中速行驶时，发动机与电机协同工作， 并且在制动时，通过电机控制器回馈的电流对动力电池进行充电；在车辆高速 行驶时，发动机单独驱动，还可以通过整车控制将多余的能量对动力电池充电。 这样既可以使的发动机大部分时间处于最佳经济工作区域内，减少燃油的消耗， 也可以通过能量平衡维持动力电池的平稳放电，保护动力电池的寿命。相比较 纯电动系统由于电池容量影响续驶里程的问题，混合动力系统可以拥有更长的 行驶里程。 混合动力系统可以根据结构的不回可以分为串联式混合动力系统、并联式 混合动力系统和混联式混合动力系统，也可以根据混合度的不同分为微混动力 系统、轻混动力系统、全混动力系统和插电式混合动力系统。本论文主要对结 构不同的混合动力系统做出比较和选择。 2 2 串联式混合动力系统( s h e v ) s 唧动力系统由两种驱动来源组成，一种来源于传统的发动机与发电机的 结合，另一个能量源是动力电池组，还有一个动力源是驱动电机。驱动电机的 电力来源可以由发动机的运行带动发电机发电提供电能，也可以直接由动力电 池输出电能提供。在串联式混合动力系统中，发动机不直接参与车辆的驱动， 只是在需要带动发电机发电时，让发动机处于一个高效经济区域内工作。驱动 电机带动整车行驶，当发电机组产生的功率无法满足正常行驶的功率需求时， 动力电池组提供不足的功率；反之，当驱动电机所需的功率小于发电机组提供 的功率时，多余的功率将转换为电能对动力电池充电。在发电机组不工作的时 候，动力电池组还可以单独为驱动电机提供电能。串联混合动力系统的功率流 如下图2 1 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 工作方式 图2 - 1 串联式混合动力系统功率流 发动机与发电机机械连接，通过发动机带动发电机产生电能来驱动电动机 或给动力电池组充电，驱动电机与变速器机械连接，再与驱动桥相连接，汽车 行驶时的驱动力由驱动电机来输出。当s o c ( 即动力电池组的荷电状态值) 降 到某一范围时，发电机开始依靠发动机带动其发电，补充动力电池组的电能。 在车辆进行制动时，驱动电机可以将制动回馈的能量通过电机控制器转换后对 动力电池组充电。 2 2 2 串联式混合动力系统特性【6 1 7 】 串联式混合动力系统优点： ( 1 ) 发动机没有直接与传动系统连接在一起，使得发动机可以经常在其高 武汉理工大学硕士学位论文 效经济区域内工作，降低其污染，发动机的选型范围也可以更加广泛。 ( 2 ) 由于发动机只与发电机机械连接，与驱动电机间属于电气连接，方便 动力系统在整车的布置。 ( 3 ) 相比纯电动汽车，串联式混合动力汽车在当动力电池组电量较低时， 可以通过发动机带动发电机给动力电池组发电，延长整车的续驶里程。 ( 4 ) 串联式混合动力汽车主要由动力电池组提供电能，可以保证长时间范 围“零排放、零污染 行驶。在较为拥堵的路况下，避免了传统汽车怠速尾气 排放严重的问题。 串联式混合动力系统缺点： s i g ( 1 ) 由于串联式混合动力系统零部件较多，提高了整个动力系统的质量和 大小，在较小的汽车上难以布置。 ( 2 ) 要实现车辆长期处于纯电动状态下，需要增加动力电池组的容量，间 接也增加了整车的质量。 ( 3 ) 串联式混合动力系统的发动机一发电机一电动机的机械能一电能一机械能 的转换过程中，会由于转换效率的问题，导致能量的流失。 综合上述特性可知，串联式混合动力系统比较适合装载在大中型客车或者 卡车上面，对于布置空间较小的轿车，则需要其他结构型式的混合动力系统与 之匹配。 2 3 并联式混合动力系统( p h e v ) 与串联式混合动力系统类似，发动机、驱动电机、动力电池等组成了并联 式混合动力系统，但结构布置上面与串联式混合动力系统差异较大。并联式混 合动力系统有发动机和驱动电机两个驱动源，两者可以单独工作，也可以共同 工作，发动机与驱动电机通过动力耦合装置相连接【1 0 1 1 1 1 1 2 1 。并联式混合动力系 统的功率流如下图2 2 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 工作方式 图2 2 并联式混合动力系统功率流 发动机和驱动电机通过动力耦合的方式与传动系统连接，当车辆在较小路 面载荷下行驶时，发动机的燃油经济性较低，因此可关掉发动机，单独使用驱 动电机驱动车辆行驶，或者增加发动机的负荷，使得发动机产生的功率一部分 用于驱动车辆，另外一部分用来给动力电池组充电。当车辆恒定以高速行驶时， 通过驱动电机平衡载荷，使发动机在高效率转速范围内工作，所以并联式混合 动力系统在高速公路上具有良好的燃油经济性。 由于并联式混合动力系统具有两种驱动源，因此，当其中一种驱动源出现 故障的时候，可以由另一种驱动源单独工作来驱动车辆。本节重点介绍并联式 混合动力系统通常的以下两种动力合成方式【1 3 】 ( 1 ) 扭矩合成式动力传动系统 扭矩合成装置包括：链传动、带传动、啮合齿轮传动。并联式混合动力系 统中的发动机可以单独驱动车辆，也可以根据控制策略的要求，在动力电池组 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 电量较低的情况下，带动驱动电机发电，给动力电池组充电。动力电池组也可 以输出电能，使驱动电机驱动车辆行驶或者充当发动机的起动机带动发动机启 动。 通过扭矩合成后的动力系统所提供的动力相加需要能够驱动车辆的正常行 驶，为了达到整车正常行驶的驱动条件，为整车的动力系统匹配一套合适的变 速箱也是很有必要的。 扭矩合成式动力传动系统可以被分为以下两种类型，分别通过合成机构的 结构组成和传动轴的个数来区分： 1 、单轴式的动力合成机构 单轴式的动力合成机构只有一根传动轴传递整车构驱动力，将发动机与驱 动电机结合在一起，根据变速箱在动力系统中不同的布置，单轴式扭矩合成动 力传动系统又分为前置式单轴扭矩合成动力传动系统和后置式单轴扭矩合成动 力传动系统。如下图2 - 3 及图2 4 所示。 图2 - 3 后置式 图2 4 前置式 武汉理工大学硕士学位论文 单轴扭矩合成动力传动系统中的驱动电机与变速箱同轴联接，使得变速箱 和驱动电机的集成度更高，集成装配生产使得产品的生产效率也提高了。单轴 扭矩合成动力传动系统也存在一些弊端，比如当变速箱前置时，驱动电机与发 动机由同轴联接，使得发动机与驱动电机的转速需要保持一致，这样限制了驱 动电机的工作范围。当变速箱后置时，介于发动机与驱动电机之间，可以解决 两端转速一致的问题，但是会使得整车的动力性无法与变速箱前置式相比较。 2 、双轴式的动力合成机构 双轴式扭矩合成动力传动系统中的发动机和驱动电机分别置于两根轴上， 通过扭矩合成装置联接至传动系统中，其中，根据变速箱在扭矩合成装置前后 布置的不同，双轴式扭矩合成动力传动系统也可以分为两种结构，如下图2 5 所示。 图2 5 双轴式扭矩合成动力传动系统结构图 上图( 2 ) 中的结构布置相比图( 1 ) 中简单，可以有效的增大力矩输出总 和，同时使得整车的动力性能提高，此结构方式中的发动机和驱动电机在选型 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 中可以选用相对较小功率的。按照变速箱中的速比变化，发动机和驱动电机转 速与变速箱输出轴的转速成比例变化，当路面载荷发生变化时，驱动电机可以 调整输出力矩值，使得发动机的输出力矩可以恒定在一个高效区域内。 ( 2 ) 牵引力合成式动力传动系统 牵引力合成式动力传动系统中的发动机和驱动电机分别布置在整车的前轮 和后轮上，两者之间无机械联接，可以使用单独工作、共同工作两种驱动模式。 在起步、爬坡和加速路况下行驶时，驱动电机可以提高输出力矩，改善整车动 力性能，使得整车具有四轮驱动车辆的特性。结构图如下图2 - 6 所示。 图2 - 6 牵引力合成式动力传动系统 牵引力合成式动力传动系统在正常行驶状态下由发动机输出动力，在起步、 爬坡和加速时，驱动电机与发动机共同输出动力，平衡发动机韵力矩输出，使 发动机保持在一个恒定的高效区域内工作。相比其他动力合成形式，牵引力合 成式动力传动系统既可以提供四轮驱动的性能效果，又由于减少了发动机与驱 动电机的机械联接，减小了机械效率的损失。 牵引力合成式动力传动系统的经济性和动力性能相比传统汽车来看，有很 大的优势。但由于两种驱动源分别布置在前轮和后轮，使得整车布置较为复杂。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 并联式混合动力系统特性 并联式混合动力系统优点【1 4 】： ( 1 ) 区别于串联式混合动力系统，并联式混合动力系统中发动机与传动系 统之间直接机械联接，由机械能直接转换为动能驱动车辆，从而减少了由机械 能一电能一机械能之间的能量损失。在能量利用效率方面优于串联式混合动力系 统。 ( 2 ) 从动力总成的构造来看，所需要的零部件相比串联式混合动力系统要 少，使之整个动力总成更小、总质量更轻。 ( 3 ) 在并联式混合动力系统中，发动机作为主要的驱动源，驱动电机作为 辅助的驱动源，根据整车控制策略中能量的合理分配利用，可以在选型的过程 中相对的选择小功率的发动机和驱动电机，在动力电池组的选型上，也可以选 择较少的电池节数，减轻整车的质量。 并联式混合动力系统缺点： ( 1 ) 在复杂的行驶工况下，不能使发动机一直处于最佳经济区域内工作， 相比较串联式混合动力系统来说，燃油经济性会稍差。 ( 2 ) 并联式混合动力系统中由于需要控制两种驱动源同时驱动，还需要控 制离合器、变速器执行机构等。在整车控制策略、控制逻辑等方面难度较大， 串联式混合动力系统在整车控制方面就容易的多。 2 4 混联式混合动力系统( p s h e v ) p s h e v 动力系统结构示意图如下图2 7 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 混联式混合动力系统结构示意图 如上图所示，串联式混合动力系统与并联式混合动力系统的特点都体现在 了混联式混合动力系统的结构当中。在车辆行驶过程中，发动机带动发电机发 电，给动力电池组或者驱动电机提供电能，类似串联式混合动力系统：发动机 也能够成为驱动源，与驱动电机一起为车辆提供动力，类似并联式混合动力系 统。根据动力电池组的剩余电量以及整车的行驶状态，合理韵分配发动机输出 的能量供给发电机发电和为车辆行驶提供动力，发电机的产生的电能也会根据 动力电池组的剩余电量判断，将电能提供给驱动电机驱动车辆行驶或者为动力 电池组补充电能。 2 4 1 混联式混合动力系统特性 混联式混合动力系统优点： ( 1 ) 混联式混合动力系统综合了串联式混合动力系统和并联式混合动力系 统的优点，使得整车的燃油经济性能有了明显的提升，在不需要外接充电的情 况下，续驶里程更长，是目前最为理想的混合动力系统方案。 ( 2 ) 在发动机驱动车辆行驶时，不需要经过机械能一电能一机械能的转换， 减少的能量的损失。在车辆起步时，还可以单独使用驱动电机驱动车辆，实现 “零排放 行驶。 ( 3 ) 在整车需要大功率输出的时候，为了使得发动机恒定输出力矩，可以 提高驱动电机的输出力矩，提高整车的燃油经济性。因此，在混联式混合动力 系统中，可以选择较小功率的发动机。 混联式混合动力系统缺点： 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 混联式混合动力系统配置的两种驱动源所采用的动力装置较多，动力 系统结构较为复杂，布置在整车上也更加困难。 ( 2 ) 混联式混合动力系统要实现最高经济性能和“低排放 目标，需要有 一套完整严密的控制策略，由于需要控制的附件较多，所以控制难度较大，整 车的制造成本也很高。 2 5 国内外环卫