（动力机械及工程专业论文）混合动力电动客车的研究.pdf

摘要 2 0 世纪9 0 年代以来，能源和环境对人类生活和社会发展影响越来越大，要 求尽快改善人类生存环境的呼声日益高涨，为此，各种电动汽车脱颖而出，但 由于蓄电池的能量密度与汽油相差极大，远未达到所要求的数值，从而导致每 次充电行驶里程不够，在这种情况下混合动力汽车登上了历史舞台，专家们估 计，短时间内燃料电池技术难有重大突破，电动汽车暂时还无法完全取代燃油 发动机汽车，这种情况下，一种两全其美的方案应运而生，即开发所谓混合动 力装置的汽车，这种汽车就是将发动机和电动机在一辆汽车上做驱动力，这种 混合动力装置既发挥了燃料发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又可以 发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短。 现阶段，随着汽车工业的日益发展，日渐恶劣的环境和地球可开发的石油 的匮乏严重制约汽车工业的发展，为此我们需要的混合动力汽车应具有整车系 统结构的合理优化和最佳的控制策略，这样可以保证其动力驱动各部件运行在 高效区域，另外我们可以通过回收制动能量来降低油耗和改善尾气排放性能。 城市公共客车具有固定道路行驶，固定时间运行，相对稳定的行车特性， 是混合动力系统发挥其优势的最佳平台，甚至可以根据具体情况制定“一线一 车”的整车控制策略，使整车油耗和排放达到最优。种种迹象表明，我国混合 动力汽车实现大批量产业化的突破口在于混合公交客车。 本文对并联混合动力公交车的研究是在典型的城市公交循环下进行的，而 在典型城市公交工况时，公交车的车速较低、怠速时间长、制动频繁、功率需 求波动范围大，在这种工况下，根据现有的传统公交车的基础上提出一种并联式 混合动力动力系统设计方案和整车方案设计，并在此基础上对动力系统各部件 进行动力匹配计算，从而对各部件进行选型，然后对整个动力系统和整车进行 布置，提出一种较好的控制策略并进行整个动力系统的优化仿真和各部件选型。 结合驱动系统动力总成的计算，对传动系的各部件( 离合器、变速器) 进行选 型，还对整车的动力驱动系进行简单的布置，文章的最后，对并联式混合动力 汽车的整车控制策略进行粗略的概括和分析。 关键词：混合动力，控制策略，驱动系统，动力总成 a b s t r a c t s i n c et h e9 0 so ft h e2 0 t hc e n t u r y , e n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n to nh u m a nl i f ea n d t h ei n c r e a s i n gi m p a c to fs o c i a ld e v e l o p m e n t ，a ss o o na sp o s s i b l et oi m p r o v et h e h u m a ne n v i r o n m e n ti sg r o w i n g , f o ra l lk i n d so fe l e c t r i cv e h i c l e ss t a n do u t ，b u tt h e d e n s i t yo fb a t t e r yd i f f e r sf r o mg a s o l i n eg r e a t l ya n df a rf r o mt h er e q u i r e dv a l u e ， r e s u l t i n gi nm i l e a g ep e rc h a r g ei sn o te n o u g h i nt h i sc a s e ，h y b r i dv e h i c l e sm o u n t e d e x p e r t se s t i m a t ei nas h o r th i s t o r i c a ls t a g et h ef u e lc e l lt e c h n o l o g yi su n l i k e l yam a j o r b r e a k t h r o u g h e l e c t r i cc a r sc a l ln o tc o m p l e t e l yr e p l a c et h ef u e le n d n ev e h i c l e s a n da s a t i s f a c t o r yt ob o t l ls i d e sc a m ei n t ob e i n gt h a td e v i c e ss o c a l l e dh y b r i dc 盯h a v eb e e n d e v e l o p e d ，t h i sc a ri st h ee n d n ea n de l e c t r i cm o t o ri nac a rd r i v i n gf o r c et od oi tb o m t y p e so fh y b r i dp o w e rp l a n th a sp l a y e dac o n t i n u o u sl o n gw o r k i n gh o u r s ，f u e le n g i n e ， p o w e rg o o da d v a n t a g e ，b u ta l s oc a np l a yan o n p o l l u t i n ge l e c t r i cm o t o r ，l o wn o i s e ， t h eb e n e f i t so ft h et w o ”f o u g h ts i d eb ys i d e ”e a c ho t h e r a tt h i ss t a g e ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , i n c r e a s i n g l yh o s t i l ee n v i r o n m e n ta n dt h ep l a n e tc a nb eas e r i o u ss h o r t a g eo fo i l d e v e l o p m e n tc o n f i n i n ga u t o m o b i l ei n d u s t r y , a n dt h a tw en e e dt h a th y b r i dc a r ss h o u l d h a v ear e a s o n a b l es t r u c t u r ea n do p t i m i z a t i o no fv e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g y , t h i sw i l l e n s u r et h a ta l lp a r t so ft h e i rp o w e r - d r i v e nr u ni nh i g ha r e a s ，w h i l ew ec a l lr e c y c l e b r a k i n ge n e r g yt or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n di m p r o v ee m i s s i o n sp e r f o r m a n c e u r b a nb u s e sh a v ef i x e dr o a d s ，f i x e d - t i m eo p e r a t i o n ，ar e l a t i v e l ys t a b l ed r i v i n g c h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi st h eb e s tp l a t f o r mf o rh y b r i ds y s t e m sa n de v e nu n d e rs p e c i f i c c o n d i t i o n sc a ni n s t i t u t e ”o n el i n eo fac a f ”s t r a t e g y t h ev e h i c l ec o n t r o ls y s t e mo ft h e v e h i c l eo p t i m i z e sf u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s t h e r ea r ei n d i c a t i o n st h a th y b r i d c a r si nc h i n at oa c h i e v eab r e a k t h r o u g hi nt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fh i g h - v o l u m ea r e t h e b u s i nt h i st h e s i s ，p a r a l l e lh y b r i db u sr e s e a r c hi si nat y p i c a lc y c l ef o ru r b a nt r a n s i t ， w h i l ei nt h et y p i c a lc i t yb u sc o n d i t i o n ，t h el o ws p e e d ，b u si d l i n gl o n g e r 、b r a k e f r e q u e n t 、f l u c t u a t i o n si np o w e rd e m a n dr a n g e i nt h i sc o n d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h e e x i s t i n gb u sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lb u si tp r o p o s e dap a r a l l e lh y b r i dp o w e rs y s t e m d e s i g na n dv e h i c l ed e s i g n a n do nt h i sb a s i s ，f o rt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h ep o w e r s y s t e md y n a m i c i td i dt h em a t c h i n gc a l c u l a t i o n ，t h e nt h ev a r i o u sp a r t ss e l e c t i o na n d n t h e nt h ee n t i r ep o w e rs y s t e ma n dv e h i c l ef o rl a y o u t ，m a d eab e t t e rc o n t r o ls t r a t e g y a n dt oo p t i m i z et h ep o w e rs y s t e ms i m u l a t i o na n dt h ep a r t ss e l e c t i o n c o m b i n e dw i t hc o m p u t i n gr e s u l to fp o w e rt r a i nd r i v es y s t e m ，i td i dt h ev a r i o u s c o m p o n e n t so nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m ( c l u t c h ，t r a n s m i s s i o n ) s e l e c t i o na n da l s oo n t h ev e h i c l e sp o w e rd r i v es y s t e mf o ras i m p l el a y o u t f i n a l l y , i tg a v ear o u g h s u m m a r ya n da n a l y s i sf o r t h ep a r a l l e lh y b r i dc a l - v e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g i e s k e y w o r d s ：h y b r i d ，c o n t r o ls t r a t e g y ，d r i v es y s t e m ，p o w e rt r a i n i 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。 签名：年羔鱼术日期：望二 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) 嗽卜千铋：p 厂 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 混合动力的开发背景 在2 0 世纪的最后十几年，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车 联系在一起，研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大 汽车公司的当务之急，纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标， 但目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的发展和应用，专家们估计，短时间内 燃料电池技术难有重大突破，电动汽车暂时还无法完全取代燃油发动机汽车这 种情况下，一种两全其美的方案应运而生，即开发所谓混合动力装置的汽车， 这种汽车就是将发动机和电动机在一辆汽车上做驱动力，这种混合动力装置既 发挥了燃料发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又可以发挥电动机无污 染、低噪声的好处，二者“并肩战斗，取长补趔。 而城市公共客车具有固定道路行驶，固定时间运行，相对稳定的行车特性， 是混合动力系统发挥其优势的最佳平台，甚至可以根据具体情况制定“一线一 车”的整车控制策略，使整车油耗和排放达到最优。种种迹象表明，我国混合 动力汽车实现大批量产业化的突破口在于混合公交客车。 1 2 混合动力公共汽车的优点 1 2 1 减少排放，保护环境 传统公交车的运行工况比较复杂，经常处于起动、加速、减速和怠速工况。 在这些工况下，伴随着严重的废气排放。根据测试分析，接近三分之二的氮氧 化物是在起动时排放的，启动时混合气较浓，这就导致大量的有害微粒的产生， 严重污染大气。通过排放测试，混合动力公共汽车与传统的公共汽车相比单就 氮氧化物的排放可以减少五分之二，有害微粒减少五分之三p 】，这些对城市大气 质量的改善有很大的帮助。并且，混合动力公共汽车在运行中发出的噪声也较 传统公共汽车要低，可以改善噪声污染，大大有利于环境保护。 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 2 燃油经济性提高 传统公共汽车其发动机处于周期性变化的工作状态：当车辆起动时要求比较 大的扭矩，这时发动机处于重负荷状态，且燃油效率不高。当车辆匀速行驶或 发动机空转时，处于低负荷状态，长时间下来，频繁的启停，对发动机的工作 很不利，经常出现燃料不能完全燃烧的情况，生成大量的有害排放物。但是这 些情况在混合动力公共汽车中可以得到明显的改善，发动机可以在恒定的高效 的区域内工作，工作条件相应得到改善，燃烧效率也提高了。 1 2 3 可回收能量 下坡、停驶及制动等工况下可向蓄电池充电，回收能量，提高了经济效益。 1 3 混合动力公共汽车的缺点 结构复杂是混合动力汽车不可回避的一大难题，与传统的公共汽车相比， 其造价要昂贵得多，主要是因为动力驱动系统中多了一套电力驱动系统，而其 中的电池的价格更是昂贵。 1 4 国外发展现状 今后全球混合动力车市场将进一步扩大，预测从2 0 0 8 年到2 0 15 年的年均 增长率( c a g r ) 将达到1 2 。丰田汽车和本田将引领全球混合动力车市场，到 2 0 1 1 年之i ； ，日本的混合动力车产量将以6 6 的速度增加。2 0 1 2 年之前，美国 市场的销量将达到1 0 0 万辆。此外，2 0 1 0 年到2 0 1 5 年的混合动力车用充电电池 市场将以1 0 4 的速度增长，2 0 0 8 年到2 0 1 2 年的零部件市场将以1 7 4 的速度 增长【3 l o 从全球混合动力汽车市场看，美国、欧洲等市场比较成功，这与美国、欧 洲国家对混合动力轿车给予政策优惠有很大关系。例如美国国会曾于2 0 0 5 年通 过法案，允许对购买混合动力车的消费者提供最高3 6 0 0 美元的税收减免。一旦 达标，这一税收优惠将从下一季度开始进行调整。在欧洲，荷兰政府最初减免 关税，并给3 0 0 辆混合动力车的购买者一定的奖励金；奥地利返还2 0 消费税 中的1 5 ；挪威依据重量税的计算标准，因此采取免除电池等额外重量税收的 2 武汉理f 大学硕士学位论文 优惠政策。 1 5 国内发展现状 我国城市公交车保有量为1 5 万辆，其中北京1 8 万辆，上海1 1 万辆，武 汉5 7 0 0 辆。如果将国内1 0 的公交客车改为混合动力客车，国内将有1 5 万辆 年的需求。 2 0 0 8 年1 2 月2 8 日，福田汽车与北京市公交集团签订了8 0 0 辆混合动力城 市客车整车及底盘的采购协议，这是目前为止我国最大的新能源汽车采购订单。 此外，以公司为中心的北京新能源汽车设计制造产业基地正式落户福田汽车昌 平厂区，占地1 0 0 0 亩，总投资5 0 亿元，具有年产各类替代能源和新能源客车 5 0 0 0 辆、高效节能发动机4 0 万台的生产能力，是目前我国规模最大、品种最全 的新能源汽车设计制造基地。该基地拥有与世界同步的三大绿色能源技术 清洁能源、替代能源和新能源技术，已建成混合动力、纯电动、氢燃料和高效 节能发动机四大核心设计制造工程中心。其技术广泛应用于福田生产的大中型 客车、m p v 、中重卡及轻卡等全系列商用车，其中两个系列已经实现商品化。 “汽车能源动力技术的变革是一个比较漫长的过程。由于一系列技术尚待突破， 燃料电池汽车的应用是一个循序渐进的动态过程”。“十一五”木期，以混合动力 和混合燃料为主体的新型能源动力系统车辆将会出现产业高潮。此后，燃料电 池城市客车将进入成熟期，到2 0 1 5 年左右达到规模商业化水平。 按照过渡与转型并行互动发展新能源汽车的基本思路，他们将燃料电池混 合动力城市客车技术与清华在科技部“九五”攻关和“十五”清洁汽车行动计划在 柴油机电控和天然气发动机取得的技术成果进行了系统整合，形成了节能与新 能源汽车平台技术。 随着大批新混合动力车进入发改委的产品公告，中国的新能源汽车已经走 到了产业转型的临界点。 从3 月下旬起，首先有奇瑞a 5 混合动力车和一汽奔腾c a 7 1 3 0 混合动力轿 车获得了准，证。5 月初，国家发改委公布的车辆生产企业及产品( 第1 6 4 批) 2 0 0 8 年第2 9 号公告显示，继一汽丰田、奇瑞之后，又有7 款新能源车获 得了“准生证”，包括一汽集团混合动力轿车、上海通用别克混合动力轿车、上海 大众帕萨特燃料电池轿车、北汽福田燃料电池混合动力城市客车、一汽混合动 力城市客车、重庆长安的混合动力客车和东风汽车混合动力电动城市客车。 武汉理工人学硕士学位论文 1 6 混合动力要解决的问题 1 ) 高性能发动机和控制技术发动机作为混合动力电动车辆上最主要的一种 车载能源与作为普通内燃机车辆的车载能源相比，作用和功能有很大的差别。 而混合动力电动车辆技术，出现了内燃机起动机发电机一体化装置技术，内燃 机发电机综合控制技术以及内燃机稳态工作控制技术、燃油直接喷射压燃式发 动机技术等； 2 ) 动力系统总体设计技术混合动力电动车辆是一种机电综合系统，多种系 统的使用以及它们自身工作特性的差别对动力系统总体设计提出了更高的要 求，选择合理的整车布置方案，实现机电以及电电系统之间良好的配合和匹配 十分关键； 3 ) 高功率电池技术和智能化电池能量管理系统。电池作为混合动力电动车辆 的功率补偿装置，比功率的大小是选择电池的重要指标。另外电池组良好的充 电接受能力对再生制动时的能量回收具有重要意义。高功率镍氢电池、锂离子 电池成为混合动力车辆的主要选择。对电池组实施智能化的管理对提高电池寿 命、为控制系统提供准确的电池组状态很有必要，是决定电池组是否能满足车 辆的功率需求； 4 ) 整车多能源动力总成控制系统。混合动力电动汽车是一种具有多种车载能 源以及多种动力装置的综合系统，对它们进行综合控制，采用总线技术，实施 网络化管理，对保证车辆正常工作、收集车辆状态信息、实施智能化的故障诊 断很有必要，是近几年来混合动力汽车技术深入发展、系统复杂程序不断加大 和适应系统性能不断完善的要求而提出的新课题。 1 7 研究状况 高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、高效率的功率电子设备和 燃料经济性高、排放低的发动机这些混合动力汽车要进入实用化所需解决的关 键性技术问题，主要包括以下几个方面1 4 】： a ：频繁启停的发动机导致驱动系统和附件( 包括空调和动力转向汽车电器等) 的能量处理变得复杂，这时需要有能量监控系统；现在主要混合动力单元发动机 在将化学能转化为有用功的同时除了要提高转化效率，还应满足严格的排放标 准； 4 武汉理工大学硕七学位论文 b ：在选用电池作为能量储存装置时需要它有较高的比功率，这样才能满足当 汽车在加速和爬坡时发动机功率不够时可以给以功率补给；同时，能量存储装置 应进行热能控制处理，同时较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本； c ：必须减小电力电子器件的尺寸，减轻质量和降低制造成本； d ：相应的混合动力汽车相关标准和法规也是必须的，为混合动力汽车的产业 化奠定基础。 1 7 1 混合动力单元技术 当前，我们所说的混合动力单元研究的其实主要是研究热力发动机和电机， 而在发动机的燃料的使用方面业出现了相当大的变化，以前我们熟悉的发动机 的使用燃料主要是汽油和柴油，现在我们有天然气、液化气和酒精等代用燃料。 我们经常所提的要提高混合动力单元中的发动机的燃料经济性，这就要求混合 动力单元能够快速起动和关闭，还要降低起动时的排放等1 5 】。 众所周知降低排放和提高燃油经济性是混合动力汽车的主要目标，那么如何 做到就是我们要考虑的事情，其中控制混合动力单元的排放将是今后研究的重 点之一，目前对混合动力单元的研究主要集中于以下几个方面： 1 ) 通过观察燃烧过程中燃料与空气的混合过程，观察形成氮氧化合物的机 理，优化燃烧系统； 2 ) 通过研究高效的尾气催化系统来改善尾气处理技术； 1 7 2 能量存储技术 现在混合动力汽车上的能量储存装置般都是蓄电池，尽管超级电容器、超 高速飞轮等新型能量储存装置也在考虑范畴，但是近期最有希望进入实用化的 还是蓄电池。 目前，镍氢电池和锂离子电池都可以，镍氧电池已广泛地应用于电动汽车， 镍氢电池技术的关键术是储存氢的合金应是一种能够经受多次循环与反复使用 的材料，镍氢电池容量大，能够循环使用，f 日是成本高，效率偏低，并且要密 切关注氢的损失。锂离子电池具有高电压、大能量密度。且充电时j 日j 榭对要短。 以目前的发展动态来看，能量储存技术的研究主要集中在几个方面： 1 ) 电池的s o c 的监控和检测，再就是电池内部的连接、以及电池在汽车上 的支撑机构； 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 电池外观的设计和制造技术。要尽量降低制造成本，提高电池的性能和延 长寿命： 3 1 电池的热能处理及剩余电量处理，由于电池的工作温度范围不可能跟汽车 的工作温度范围一样，再就是每个电池单元的工作温度也有可能不一样，那么 要想使电池系统达到统一，平衡各电池单元的工作状态，一个有效的热能控制 系统是必须的，除此之外，电池的剩余电量也会影响混合动力汽车的经济性和 排放性，所以需要相关的控制装置。 1 7 3 汽车集成电子模块 伴随着汽车技术的高速发展，汽车电子技术在汽车发展中起着越来越不可 替代的作用，例如：a b s 、安全气囊系统和e c u 、g p s 等先进控制系统，这种趋 势在混合动力汽车上也将得到更加充分的体现。 混合动力汽车通过整车控制器来分配功率，要适时的控制各相应子系统输 入和输出、适当的功率，混合动力汽车还需要具有高功率密度、低损耗的丌关、 电容和电感来满足汽车高速开关控制的要求，另外还要设有一些分立装置，像 是专用的集成电路、模拟和数字集成电路以及其它功率电子装置，由于其对智 能化的要求比较高导致其控制的复杂性，因此在控制装置要采用高速运行的半 导体芯片，功率密度高，散热性能好。 要想使混合动力汽车进入产业化，汽车集成电力电子模块是关键之一，它 采用现代电子技术的高端集成，它将复杂的电力电子系统集成在一个单一封装 内，从而实现对整车的控制，比如，我们可以用它来控制电机的输入功率和输 出功率、发动机的输出功率以及能量储存系统的开启，还有再生制动能量的回 收与释放，电池的s o c 以控制什么时候该对电池充电以及优化控制发动机的起 动，以减少排放。 在汽车集成电力电子模块设计和制造过程中也出现了很多问题： 1 ) 由于电力电子模块中封装的芯片密度的增加来说，而且工作条件也不好， 散热性较差，因此我们在研究电力电子模块时要考虑散热技术和散热材料，这 对其寿命有很大的影响； 2 ) 我们除了要考虑集成模块封装的散热性能，还要考虑封装体积和质量， 要尽量小，这就需要我们研究采用新型材料和先进工艺制造的电容器，并要对 封装进行改进，可以考虑运用高温焊接技术等； 6 武汉理工人学硕士学位论文 3 ) 降低制造成本，提高系统的可靠性。 1 7 4 电力驱动系统和汽车附件 高效、经济的电力驱动系统和汽车附件是满足混合动力汽车的动力性、经济 性、舒适性、安全性和便利性的必要条件。但是，电力驱动系统在传统汽车中 没有相应件，所以需另外重新开发设计和开发，并且还要考虑到系统的综合性 能成本和维修性能。 1 ) 电机 在混合动力汽车上，电机的作用是将由发电机或储能装置提供的电能转换 为用于驱动车轮的机械能，在传统汽车中，发动机则必须要等到“暴跳如雷 时才能够输出满载扭矩，而电机在低速时可以提供满载转矩，这样就使混合动 力汽车具有良好的起步加速性能，此外，良好的可控性和容错能力，以及低噪 声、高效率，同时具有对电压波动不敏感等性能等对混合动力汽车的电机来说 是必须的。 用于混合动力汽车的电机类型有交流感应电机，永磁电机和开关磁阻电机， 使用最广泛是交流感应电机，我们在研究适于混合动力汽车的电机时除了要求 其具有高效率和高功率密度，同时还要研究电机的控制方法和冷却系统。 2 ) 再生制动 再生制动是混合动力汽车节能的一种很好的方式，当混合动力汽车制动时， 电机变成了发电机，利用汽车自身动能来产生电能，并且把电能储在蓄电池中 以备后用，再生制动的储能装置可以很多种在混合动力汽车中，除了要合理利 用传统的摩擦制动，还要考虑如何将摩擦制动与再生制动结合起来。 3 1 汽车附件 汽车附件主要是针对汽车的舒适性来考虑的，但是在考虑舒适性的同时必 然会消耗能量，像汽车空调之类的，其消耗的能甓很大，如果不减少这此负载， 会降低燃料经济性，所以在调解燃油经济性和舒适性之间的矛盾至关重要。 传统汽车上的各个附件系统都是以发动机为核心设计的，它不适用于混合 动力汽车的驱动系统，例如，传统汽车的附件( 如空调，动力转向等) 由发动机驱 动，但由于混合动力汽车的发动机并不一直工作，这就需要我们在设计和生产 的时候要有独立提供动力的附件，再者，由于混合动力汽车发动机频繁地启停， 使其对驱动系统和附件的电能处理变得相对复杂些，要求其有完善的监控系统， 7 武汉理工大学硕士学位论文 主要考虑如下几点： ( 1 ) 建立乘客舒适性模型，能够方便驱动和辅助系统的设计； ( 2 ) 研究新型车身蒙皮和风挡玻璃材料，更好地利用太阳能，从而降低空 调系统的能量消耗； ( 3 ) 设计新颖的汽车制热、制冷控制策略，能够既改善舒适性又提高燃料 经济性； ( 4 ) 开发新型独立式汽车空调，以提高效率，减小体积并实现智能化控制。 1 8 课题研究内容 在现有的传统公交车的基础上提出一种并联式混合动力动力系统设计方案 和整车方案设计，并在此基础上对动力系统各部件进行动力匹配计算，从而对 各部件进行选型，然后对整个动力系统和整车进行布置，提出一种较好的控制 策略并进行整个动力系统的优化仿真和各部件选型。本课题研究内容如下： 1 ) l l 较混合动力各种驱动方式，提出以并联混合动力驱动方式作为本课题 的研究对象。 2 ) 混合动力电动汽车动力系统方案设计。 3 ) 发动机、发电机、电动机的动力匹配计算。 4 ) 混合动力的总成的选型和参数的确定。 5 ) 整车布置和各部件选型。 6 ) 并联混合动力汽车控制策略研究。 武汉理下大学硕士学位论文 第2 章混合动力客车驱动方式的分类以及工作原理 2 1 混合动力汽车概述 混合动力汽车一般有两种能量作为车辆牵引力来源：以内燃机作为主要动 力源，电机( 包括蓄电池) 作为辅助动力源。不仅拥有电动汽车的绿色环保功能和 节能功能：还很好的结合了传统汽车内燃机的高比能量和高比功率；弥补了电动 车辆续驶里程短的不足和改善传统汽车的油耗高和污染环境，让两种车辆优点 的折衷统一。整车控制系统将根据车辆的运行工况，让发动机在最优工作区域 运转和让电机在最佳效率区工作，并且随时监控电车的荷电状态以保证电池中 的电能储备始终保持一定水平，无须中途停车充电或频繁更换电池。当然这些 都必须在有优良的能量管理系统的f j 提下才能实现。 2 2 混合动力汽车的定义 国际电工委员会电动汽车技术委员会对混合动力汽车的定义为：多于一种能 量转换器来提供驱动动力的混合型电动汽车。另外也可对混合动力汽车做以下 如下定义，指在同一辆汽车中同时采用了电动机和发动机多个动力部件作为其 动力装置，利用先进的控制系统把多动力装置配合到一起，实现最佳能量分配， 以实现低能油耗、低污染和高度自动化的新型汽车为最终目标【6 1 。 2 3 混合动力汽车的分类 根据目前驱动系统的配置和不同组合方式，混合动力汽车可简单分为串联 式、并联式和混联式3 种构型，现分别介绍各自的结构和形式【6 1 。 2 3 1 串联式混合动力汽车 串联式混合动力汽车的结构形式是相对比较简单的一种驱动方式，它的形式 与纯电动汽车比较类似，它主要是把发动机、发电机、蓄电池、电动机和控制 9 武汉理工大学硕士学位论文 器、功率转换器等部件以串联方式连接组成。其中发动机是用来驱动发电机发 电并通过功率转化装置给电池充电，他不参与直接驱动，电力驱动是唯一的驱 动模式。与纯电动汽车相同的是电动机直接与驱动桥相连接，而发动机与发电 机直接连接产生电能，来驱动电动机或者给蓄电池充电。如果发动机发出的功 率超过车辆行驶所需要的功率时，多余出来的电能向电池充电，来延长混合动 力电动汽车的行驶里程。而发动机什么时候用来充电且充放电的电流大小都有 整车控制起来控制。 串联式混合动力电动汽车主要性能特蒯刀： ( 1 ) 发动机在高校工作区域内工作。发动机没有与驱动桥直接机械想连，发动 机的可供选择的转速范围较大，保证了混合动力电动汽车发动机能够经常保持 在稳定、高效、低污染的运转状态，控制在有害排放气体最低范围。 ( 2 ) 整车系统能量损耗较大。由于串联式混合动力电动汽车的中间能量转换环 节比较多，导致能量流失较多。当发电机将机械能量转变为电能、电动机将电 能转变为机械能、电池的充放电这些过程都有能量损失，最终，发动机输出的 能量利用率比较低。 ( 3 ) 相对简单灵活的布置。单从总体结构上看，其结构方面更加趋近于纯电动 汽车，整车的结构布置自由度较大。 ( 4 ) 耗费成本较高。对于混合动力汽车，由于需要大功率电机，这就需要电 池的容量也要相对增加，所需要的电池数量增加，导致重量和成本增高。 在低速和加速工况时，串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区 域内稳定运行，因此，在道路复杂的城市工况和山区公路运行对于串联式混合 动力驱动系统而言较适合。在高环保市区，在起步和低速行驶时，发动机处于 不工作状态，处于纯电动状态，这时汽车达到零排放的要求。 结构简图如下： 图2 1 串联式驱动系统简图 l o 甲 篡i | 武汉理j l 大学硕七学位论文 如下图2 - 2 t l o 】描述的四种工作模式是串联式混合动力电动汽车的功率流控 制。不管车辆是在启动加速行驶或正常行驶或爬坡时，发动机都是通过发电机 发电并和蓄电池一起通过功率转换器输出电能，来驱动电机，再通过机械传动 装置驱动车轮；当车辆轻载时发动机发出的功率超过车辆所需的功率，多余的 能量通过发电机给蓄电池冲电直到s o c 达到预定的限值，这时的能量流动方向 是从发动机到电池和电机；车辆制动或减速时，这是制动能回收，通过电机反 转把驱动轮的动能转化为电能，并由功率转换器给蓄电池充电；车辆停车时， 发动机也可以工作通过发电机和功率转换器给蓄电池充电。 ( a ) 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 串联式混合动力汽车的工作模式 ( a ) 启动正常行驶力口速；( b ) 轻载；( c ) 减速制动；( d ) 蓄电池模式 b 蓄电池；e 内燃机；g 一发电机：m 电动机；p 功率转换器； 卜传动装置( 包括制动器离合器和齿轮箱) 机械连接= 二电力连接 2 3 2 并联式混合动力汽车 并联式混合动力电动汽车的驱动系统比较接近传统意义上的内燃机汽车， 就像是在传统的内燃机汽车上附加一个个电动机驱动系统。他在结构和布置上 比串联要复杂些，实现形式也趋多样化：当汽车运行工况所需的功率超过了发动 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 机的功率时，电动机从电池取得电能产生电磁力矩，并给驱动桥提供额外的驱 动功率：当发动机的功率超过了汽车运行工况所需的功率时，控制器可控制发动 机驱动发电机并向电池充电，使电池的s o c 恢复到设定的值，以保证混合驱动 方式下的续驶里程f 铂。 结构图如下： 母一母 图2 - 3 并联式驱动系统简图 机械联接 电气连接 并联式混合动力电动汽车的发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工 况所需的功率选定的，至于发动机的功率输出是通过加速踏板和变速器的档位 以满足汽车在低速或者变速工况行驶时车辆所需的功率，当汽车高速行驶或爬 坡和加速时如果车辆所需的功率超过发动机所提供的功率的话，我们可以通过 整车控制器控制电动机协助驱动。这样的能量流动方式，使得并联式混合动力 电动汽车具有如下特点： ( 1 ) 由于发动机保持了与机械驱动系统的机械连接，与串联驱动系统相比， 并联驱动系统的发动机可以通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率 也要高一些，这决定了并联式的燃油经济性一般比串联的要高； ( 2 发动机与驱动桥问有直接的机械连接，所以汽车的行驶工况对发动机的运 行工况影响比较大，当汽车行驶工况变化频繁时，发动机就有可能在不良工况 下运行，这时发动机的污染排放情况比串联式的高： ( 3 ) 在并联驱动系统里电动机还可以作为作为发电机使用，系统的动力总成仅 有发动机和电动机，可以大大减小整车质量和整车成本。当然在这里电动机有 “调峰作用，可以适当的减少发动机的功率和电池的容量； ( 4 ) 控制比较复杂，由于车辆的行驶工况对驱动部件的影响较大，需要通过变 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 速装置来适应汽车行驶工况的变化，这就导致动力复合装置和控制策略变得复 杂。 并联式驱动系统适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况，所以并联式驱动系 统比较适合在城市间道路和高速公路上行驶，工况稳定，这样的话发动机经济 性和排放性都会有所改善。并联式混合动力电动汽车也有纯电动行驶工况，有 两种方式可以实现，关闭发动机或离合器分离。 图2 - 4 t 1 0 1 给出并联式混合动力电动汽车的四种能量流动方式。车辆启动或 节气门全开加速时，这是需要发动机和电动机同时工作，共同来分担驱动车辆 所需的动力；车辆j 下常行驶时，这时关闭电动机，仅由发动机工作提供车辆所 需的动力；车辆制动或减速行驶时，这时发动机停止工作，此时电机以发电机 模式工作，通过功率转换器给蓄电池充电。目前，本田i n s i g h t 混合动力电动汽 车采用的就是类似的功率流控制方式。 ( a ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( c ) 图2 4 并联式混合动力汽车的工作模式 ( a ) 启动力口速；c o ) j e 常行驶；( c ) 减速制动； ( d ) 行驶中给蓄电池充电 b 蓄电池；e 内燃机；g 一发电机；m 电动机：p 功率转换器； 卜传动装置( 包括制动器离合器和齿轮箱) 机械连接二二电力连接 武汉理丁人学硕士学位论文 2 3 3 混联式混合动力汽车 日一 一机城联接 - 一一一电气敢接 图2 - 5 混联式驱动系统简图 混联式驱动系统的结构形式和控制方式结合了串并联的特点。它把混合动力 的优化思想发挥的最全面，它对发动机、发电机、电动机、三大动力部件进行 更多的优化匹配，以保证复杂工况下系统工作的最优化。在汽车低速工况行驶 时，驱动系统主要以串联方式工作为主：当汽车高速稳定工况行驶时，则以并联 工作方式为主。能更好的把燃油经济性和排放性结合最好1 9 1 。 发动机发出的功率主要用作两部分，一部分直接输送给驱动桥，另一部分则 驱动发电机发电。通过功率转换装置把发电机发的电输送给电动机或者电池。 整车控制器根据油门踏板的丌度，负责发动机用于发电和驱动的比例分配，电 池管理系统负责监控蓄电池电流，当蓄电池电量下降，由发电机发电为蓄电池 充电。它的结构形式和控制方式，使得其具有如下性能特点： ( 1 ) 性能较佳。适合多种复杂工况，燃油经济性和排放性能都不错，可以自 身充电，续驶里程高。 ( 2 ) 成本高，控制系统技术含量高，控制元器件价格高，整车价格高。 ( 3 ) 系统结构复杂，由于发动机和发电机、电动机以机械方式连接，机械装 置比较复杂，整车布置困难，这给制造带来考验。 混联式动力系统兼有串联式和并联式动力系统的特点，它的能量流动方式 有很多种。基主要可以分为两大类，一种是发动机主动型，另一种是电力主动 型。图2 6 【lo 】给出了发动机主动型混联式的六种工作模式。车辆启动时，发动机 关闭，车辆行驶所需的能量由电池提供；节气门全开车辆加速行驶时，发动机 1 6 武汉理j 1 ：大学硕士学位论文 和电动机同时工作，共同分担车辆行驶所需的动力：车辆正常行驶时，电动机 关闭，车辆所需能量由发动机提供；车辆制动或减速行驶时，电动机工作主要 是用来发电，通过功率转换器给蓄电池充电；车辆行驶给蓄电池充电时，发动 机的输出功率主要用作两部分，一是用于驱动车辆，再就是由发电机经功率转 换器给蓄电池充电；当停车时，发动机也可以通过发电机给蓄电池充电。 ( a ) ( c ) 1 7 武汉理1 j 大学硕士学位论文 ( e ) 图2 - 6 发动机主动混联混合动力汽车的工作模式 ( a ) 启动；( b ) 加速；( c ) 正常行驶； ( d ) 减速制动；( e ) 行驶中给蓄电池充电；( f ) 蓄电池充电 武汉理工大学硕士学位论文 b 蓄电池；e 内燃机；g 一发电机；m 电动机；p _ 一功率转换器； 卜传动装置( 包括制动器离合器和齿轮箱) 机械连接二二电力连接 图2 7 【1 0 】显示了电力主动型混联式的六种工作模式 ( a ) 1 9 武汉理工大学硕十学位论文 武汉理工人学硕士学位论文 ( f ) 图2 7 电力主动型混联混合动力汽车的工作模式 ( a ) 启动轻载；( b ) 加速；( c ) 正常行驶；( d ) 减速制动； ( e ) 行驶中给蓄电池充电；( f ) 蓄电池充电 b 蓄电池；e 内燃机；g 一发电机；m 电动机；p 功率转换器； 卜传动装置( 包括制动器离合器和齿轮箱) 机械连接电力连接 综上所述，混联式驱动系统能适应复杂多变的工况，不管是城市间道路还 是高速公路，而且排放性也可以保证。它既适用于中大型车辆，也适用于小型 车辆，但是町能成本较高。 2 4 三种混合动力的比较 2 4 1 三种混合动力驱动系统的分析比较 不同的混合动力驱动系统都有各自的优缺点，我们要做的就是选择合适的动 力系统结构，我们先对三种动力驱动系统进行对比分析，各驱动系统的特点及 比较如下表2 1 表2 1 串联，并联和混联技术对比 串联并联混联 燃油经济性差好 好 环保性能好中中 动力驱动系统机构简单较复杂复杂 自由度少一般多 控制力式简单较复杂 复杂 制造技术容易较难 难 技术先进性低先进先进 成本局较高 古 同 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 、 不同驱动形式的混合动力各自有自己的特点，下面介绍三种比较的结果【l u ： ( 1 ) 串联式发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的工作范围。但各动 力部件的功率要求大，并且对电池要求很高，容量大，增加了电池和汽车的制 造成本及重量。电机是唯一的动力源，能量利用率低。同时其结构简单些，控 制策略也不是很复杂，所以比较适合大型公交车上。 ( 2 ) 并联式动力总成由发动机和电机两部分组成，发动机通过机械装置直接 与驱动轴相联，输出能量的利用率相对较高，它可以将油耗和排放降低到相对 比较低，如果再将控制策略优化后其优点更加明显。由于并联动力总成采用小 功率电动机和小容量蓄电池组，它能够把混合动力汽车的自身重量和制造成本 降到最低，是十分有市场化前景的一种结构