（动力机械及工程专业论文）混合动力客车动力系统控制技术研究.pdf

摘要 电动汽车以其节能环保的特点在业界迅猛发展，这种车型必将改变现有能 源结构。混合动力电动汽车作为电动汽车的一个分支，在保留传统发动机的基 础上，充分发挥电机的优势，大大改善了车辆燃油经济性和排放性。混合动力 电动汽车具有纯电动汽车所不具有的价格优势和续航优势，因此混合动力系统 的研究任重道远。动力耦合系统是混合动力的关键技术之一，一直以来被研究， 但缺少自动变速器技术基础的国内研究对此少有突破。论文提出的电驱动自动 变速器通过电机和变速器集成技术，利用电机快速精准调速性能有效解决了并 联混合动力系统动力耦合难题。 论文对比不同类型的混合动力系统结构，分析了不同系统在实际运用中的 优势和不足，以国内外不同并联混合动力系统为研究对象，分别讲述了动力系 统的结构形式、布置方式和参数匹配，指出各自系统的优缺点。针对以上并联 混合动力系统在结构和配置上的不足，提出了基于电驱动自动变速器的p l u g _ i n 并联混合动力系统。在明确了电驱动自动变速器e m t 定义的基础上重点分析 了e m t 的结构特点，即从结构上采用发动机、电机和变速器一体化集成没汁。 系统遵循动力总成的理念，把系统按照总成进行集成，减少各部件分散设计所 带来的连接和定位误差，同时将系统的纵向尺寸大幅度减少，解决了并联混合 动力系统不能纵向布置的结构难题。 论文基于e m t 特点，对插电式并联混合动力系统控制策略以及e m t 控制流 程进行了论述。系统根据城市公交循环工况合理设计控制策略，充分利用电机 零速起步和动力过渡的优势，解决了传统车辆在起步时离合器半离合控制以及 换挡过程离合器分丌所造成的动力中断。电机快速精准调速特性改变了传统变 速器依靠同步器被动摩擦同步的理论，提出了电机主动同步的变速器调速同步 理论。 论文按照既定控制策略，根据中国典型城市公交循环工况进行了动力系统 动念参数计算，遵循国家检测标准对电动车辆动力性要求进行了静态参数匹配， 得到系统最佳匹配参数。论文根据混合动力系统特点和匹配结果，进行了e m t 变速器的结构方案设计和系统集成接口设计，完成了动力总成控制系统部件选 型设计、控制器接口定义。 论文按照e m t 系统特点，对比目前测功实验台的优缺点，提出高效、节能、 简单实用的e m t 系统对拖实验台，并完成了相关建设和系统实验，实验数据表 明，电机的快速精准调速功能使得变速器的换挡时间可以缩短到0 4 s ，接近d c t 的换挡时间，该研究成果有助于解决传统a m t 的动力中断时间长的难题。 关键词：电驱动，自动变速，插电，并联混合动力系统，主动同步 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cv e h i c l ei n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e dr e m a r k a b l yd u et ot h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i co fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，w h i c hw o u l dc o n t r i b u t e t ot h en e c e s s i t yo ft h ec u r r e n te n e r g ys t r u c t u r ec h a n g e s b e i n ga so n eo ft h eb r a n c hi n t h ef i e l do ft h ee l e c t r i cv e h i c l e ，t h ea d v a n t a g e so fm o t o rh a v eb e e nd e v e l o p e da n d a p p l i e dt ot h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l es u f f i c i e n t l yb a s e do nt h ep r e s e r v a t i o no ft h e t r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e , w h i c hi m p r o v et h ev e h i c l ef u e le c o n o m ya n d e m i s s i o ns i g n i f i c i a n t l ya sar e s u l t d u et ot h ei r r e p l a c e a b l ea d v a n t a g e so fc o s td e c r e a s ea n d d r i v i n gd i s t a n c e i n c r e a s ec o m p a r e dw i t ht h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，t t h e r ei st h en e c e s s i t yt oc a r r yt h e h e a v yr e s p o n s i b i l i t yo fh y b r i dp o w e rs y s t e mr e s e a r c hi nl o n gt e r mr u n a l t h o u g ht h e p o w e rc o u p l i n gs y s t e mi st h ek e yt ot h eh y b r i ds y s t e m ，t h e r ei sf e wb r e a k t h r o u g hh a s b e e n a c h i e v e db e c a u s eo ft h ei n s u f f i c l e a tr e s e a r c hf o u n d a t i o no fo ft h ea u t o t r a n s m i s s i o ni nc h i n a t h ee l e c t r i c d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o np r e s e n t e di nt h e t h e s i ss o l v e st h ei n t r a c t a b l ep r o b l e mo fp o w e rc o u p l i n ga p p l i e do nt h ep a r a l l e lh y b “d s y s t e mi nv i r t u eo ft h em o t o r & t r a n s m i s s i o ni n t e g r a t e dt e c h n o l o g ya n dt h er a p i da n d a c c u r a t em o t o rs p e e da d j u s t m e n tc h a r a c t e r i s t i c t t 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 ft h ed i f f e r e n th y b r i ds y s t e mh a v eb e e n d i s c u s s e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t h i nt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e s t h eh y b r i ds y s t e m c o n f i g u r a t i o na n dd i s t r i b u t i o no ft h ed i f f e r e n tc o m p a n i e sh a v eb e e na n a l y z e d t h e p l u g _ i np a r a l l e lh y b r i ds y s t e m ( p h s ) b a s e do ne m th a sb e e np u tf o r w a r dt os o l v e t h ed i s a d v a n t a g eo ft h ep r e v i o u ss y s t e m t h ee m ts t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ch a sb e e n a n a l y z e di ns p e c i a l i t yb a s e do nt h ee x p l i c i td e f i n i t i o no fe m t , w h i c hi st os a yt h a t e m th i g h l yi n t e g r a t e st h ee n g i n e ，m o t o ra n dt h et r a n s m i s s i o nt o g e t h e ra c c o r d i n gt o s y s t e mp o w e ri n t e g r a t i o nd e s i g n t h e o r yt oa v o i dt h ep r o p a g a t i o ne r r o r so ft h e c o n n e c t i o na n dt h ep o s i t i o nt h r o u g ht h ep a r t sd e l e t i o n m e a n w h i l e ，t h el o n g i t u d i n a l d i m e n s i o ni sa l s or e d u c e ds oa st oi n t r o d u c e dt h ep o s s i b i l i t yt ol o c a t et h ep a r a l l e l h y b r i ds y s t e mf o r ea n da f ti ns t r u c t u r e t h ep h sc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ee m tc o n t r o lf l o wh a v eb e e nd i s c u s s e di nt h e t h e s i sa c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h ee m t t h ec o n t r o ls t r a t e g yt h a tm e e t st h ec i t y b u sc y c l eh a sb e e nd e s i g n e dt od e a lw i t ht h ec l u t c ht r a n s i t i o nc o n d i t i o no f t h ev e h i c l e s t a r t i n ga n dt h ep o w e ri n t e r r u p to ft h et r a n s m i s s i o ns h i f t i n gt h r o u g ht h em o t o r a s s i s t a n c e t h ep a s s i v ef r i c t i o ns y n c h r o n i z a t i o no ft h et r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nw i l lb e o v e r t u r n e db yt h em o t o rw i t ht h e r a p i d a c c u r a t e s p e e d - r e g u l a t e ，t h e a c t i v e s p e e d r e g u l a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nt h e o r yh a sb e e ni n t r o d u c e dc o n s e q u e n t l y a c c o r d i n gt ot h eg i v e nc o n t r o ls t r a t e g y , t h es y s t e md y n a m i cp a r a m e t e rh a sb e e n c o m p l e t e do nt h eb a s i so ft h ec h i n ac i t yb u sc y c l e ，a n dt h em a t c h i n gs y s t e ms t a t i c p e r f o r m a n c ea l s oh a sb e e nd e c i d e dt of o l l o wt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ef o rt h ee l e c t r i c v e h i c l er e q u i r e db yt h en a t i o n a ls t a n d a r d t h e r e f o r e ，t h eo p t i m a lm a t c h i n gp a r a m e t e r o ft h es y s t e mi sd e t e r m i n e da tl a s t a c c o r d i n gt ot h eh y b r i dp o w e rs y s t e mc h a r a c t e r a n dt h em a t c h i n gr e s u l t ，t h ew o r ki n c l u d i n gt h ec o n c e p t u a ld e s i g nf o rt h ee m t c o n s t r u c t i o n ，t h es y s t e mi n t e r f a c ed e s i g n ，t h el e c t o t y p ed e s i g n ，t h ei n t e r f a c ed e f i n i t i o n o ft h ev e h i c l ec o n t r o lu n i t t h eh i g hv o l t a g em a n a g e m e n td e s i g na n dt h em o t o r c o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r eo p t i m i z a t i o nh a v e b e e nc o m p l e t e di na l ls u c c e s s f u l l y t h r o u g ht h ee m tc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，a n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s c o n t r a s t sw i t h i nt h ep r e s e n td y n a m o m e t e r s ，ah i g he f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n g ，s i m p l e a n dp r a c t i c a lt e s tb e n c ht od r a gf o re m th a sb e e np u tf o r w a r di nt h e t h e s i s ，a n dt h e r e l e v a n tc o n s t r u c t i o na n ds y s t e m e x p e r i m e n t a l s oh a v e b e e n c o m p l e t e d t h e e x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a tt h er a p i da c c u r a t es p e e d r e g u l a t ef u n c t i o no ft h em o t o r a l l o w st h et r a n s m i s s i o ns h i f tt i m ec a nb es h o r t e n e dt o0 4 s w h i c hi sq u i t ec l o s et ot h e d c ts h i f tt i m e t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n ti sh e l p f u lt or e d u c et h ep o w e ri n t e r r u p t t i m eo f t h et r a d i t i o n a la m ts h i f t k e y w o r d s ：e l e c t r i c d i r v e ，a u t ot r a n s m i s s i o n ，p l u gi n ，p a r a l l e lh y b r i ds y s t e m ，a c t i v e s y n c h r o n i z a t i o n 武汉理丁大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着社会的发展和科技的进步，社会对石油的需求量越来越大，但石油的 储备有限。2 0 1 0 年，中国汽车的销量为1 8 0 6 万辆，创下了历史新高，拥堵的马 路已经可以证明中国汽车行业的火爆行情。随着汽车走进千家万户，城市的环 境和高昂的油价已经压得老百姓的喘不过气。在这样的背景下，电动汽车走进 了汽车人的视线。近几年来，纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的名 词在汽车人世界罩，可以说是家喻户晓。纯电动汽车由于受到电池技术和价格 的限制，并不能马上推广普及丌来，加之充电设施的普及，是一个漫长的过程。 燃料电池汽车足汽车发展的终极目标，它足通过氢气和氧气的化学反应，产生 电能，再通过电机去驱动车辆，本质上还是纯电动汽车的一种，是最清洁、最 环保的车辆，被人称为“来来的交通工具”，在现阶段，由于技术的限制，氢气 的储备和运输是燃料电池发展的最大障碍之一，加之燃料电池的成本，使整个 车辆的成本过于高昂。由于质子交换膜发展水平的限制，使得燃料电池的功率 密度非常低，在车辆动力性方面有所欠缺n 1 。相比这两种类型的汽车，混合动力 汽车都能较好的弥补它们的缺点和不足。 1 ) 混合动力汽车在电池不能正常持续工作的状态下，依靠发动机提供的 动力，继续行驶，解决了纯电动续航里程短，充电不方便的问题。 2 ) 混合动力汽车由于有发动机的纯在，电池的容量相比同样的纯电动车 辆来说，可以减少许多，不仅减少了整车布置的难度和重量，还大幅度的减少 了车辆的成本。对于一辆能续航2 0 0 k m 的纯电动客车来说，其动力电池组的造 价比一辆传统车还高，因此，减少动力电池组的成本，是让混合动力汽车走进 百姓家庭最重要的方法。 动力耦合装置是混合动力汽车的关键技术之一，也是难点之一。传统的混 合动力客车采用的大多是电机直驱或加一个手动变速箱。采用直驱的方案直接 影响了车辆的动力性和经济性，没有变速箱，电机起步能力弱，加速时间长， 电机和发动机经常工作在不经济区域，不仅耗电也耗油。采用手动变速箱的方 案，对于并联式混合动力系统来说，很难使用化，因为车辆会也两个离合器， 武汉理1 ：大学硕+ 学位论文 不管是对司机还是整车控制器来说，相当繁琐复杂，协调起来有难度，玉柴的 并联式弱混动力系统采用的就是此方案，此套系统在重庆恒通客车厂已装车4 0 余台，操作性一般，驾驶员并不适应。因此本文采用的是电机变速箱集成式方 案，两者的连接不需要离合器，自动变速，简称e m t ( e l e c t r i c d r i v em e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ) ，该套系统结构简单，体积小，重量轻，便于布置。该系统采用的 有源式主动同步技术，变速箱没用同步器，不仅减少了变速箱的成本，还增加 了变速箱的寿命。该系统的应用前景宽广，不仅能在纯电动和混合动力车辆上 应用，由于可以增加取力器，还可以在某些专用车上得到广泛的应用，如垃圾 压缩车、道路清洁车等。 1 2 国外研究状况 电动车其实早在上个世纪已经发明出来，已经诞生1 0 0 多年，但是由于电 池问题，续航里程太短，被十几年后的内燃机车所替代。最近1 0 年，许多国家 开始大力倡导和发展新能源汽车，为了让新能源汽车更好推广，许多政府都对 新能源汽车的推广制定了政策。 美国的新能源汽车扶持政策主要是由政府制定，美国联邦政府于2 0 0 8 年、 2 0 0 9 年两度颁布对新能源汽车的补贴方案。此外，大部分州政府也有进一步的 惠利措施。如2 0 1 0 年9 月，加州公布了清洁能源及充电站计划。 除美国之外，其他西方发达国家也相继出台了系列新能源汽车扶持政策。 2 0 0 9 年2 月，爱尔兰设定2 0 2 0 年普及1 0 电动汽车目标。2 0 1 0 年3 月英国政 府发布私人购买新能源汽车补贴细则，并且伦敦政府还专门制定了一系列推广 纯电动汽车销售及基础设施建设的政策。例如该市将投资2 0 0 0 万英镑，在全市 建立2 5 力| 个充电桩；并提出不对纯电动汽车征收“拥堵税”。同年4 月，欧盟 诸国对电动汽车的经济施行激励政策一揽子计划；法国确定电动汽车发展“1 4 ” 点计划。2 0 1 1 年5 月1 8 日，德国联邦政府通过了鼓励电动汽车发展的电动汽 车政府方案。方案的主要内容足，通过一系列优惠政策，力争在2 0 2 0 年让在 德国大地上行驶的电动汽车达到1 0 0 万辆心1 。同本在新能源汽车的发展上，可以 说足最成功的。丰田的新能源明星车型“p r i u s ”全球累计销量已有百万台。 2 武汉理【人学硕士学位论文 1 3 国内研究状况 从2 0 0 1 年开始，我国“8 6 3 ”项目共投入2 0 亿元研发经费，形成了以纯电动、 油电混合动力、燃料电池三条技术路线为“三纵”，以动力蓄电池、驱动电机、动 力总成控制系统三种共性技术为“三横”的电动汽车研发格局。共计有2 0 0 多家整 车及零部件企业、高校和科研院所，以及3 0 0 0 多名科技人员直接参加了电动汽 车专项研发。到目前为止，共有1 6 0 多款各类电动汽车进入了我国汽车产品公 告，建成3 0 多个电动汽车国家重点实验室等国家级别的技术创新平台，制定电 动汽车相关标准4 0 多项。 我国发展节能与新能源汽车有较好的基础。首先，我国是仅次于日本、韩 国的全球第三大锂电池生产国，占全球约2 5 的市场份额。”。虽然目前来看，产 品还多用于手机、电动工具、电动自行车等领域，但产业规模庞大、产业链基 础较好、生产工艺共性点多，具备大规模发展汽车用动力电池的条件。另外， 我国也是锂资源储量大国，锂离子动力电池生产已经形成了一个比较完整的产 业链。经过近些年的发展，我国动力电池的主要性能明显进步，初步具备了产 业化的能力n 1 。第二，在车用驱动电机方面，我国电机产业规模位居全球首位， 产品量大、面广。我国又是工业电机的生产大国，在电机生产方面有较强的技 术基础。目前，我国电动汽车整车已经进入规模化应用阶段，包括动力性、经 济性、续驶里程、噪声等指标已经达到国际水平，前期是城市公交，现在乘用 车产品也越来越多，比如比亚迪、郑州只产、奇瑞、长安等都有混合动力性汽 车生产上市嘲。 近几年，我国陆续出台了节能与新能源汽车示范推广以及私人消费补贴的 相关政策，并在不断扩大试点的范围。在政策的支持下，我国新能源汽车消费 市场开始启动，电动汽车基础设施建没也得到了初步发展，部分城市已经形成 了网络雏形。随着2 0 0 9 年“十城千辆”工程的实施，电动汽车能源供给基础设施 的潜在机会开始受到重视，国家电网公司、南方电网公司、普天海油公司等能 源企业，围绕国家新能源汽车发展战略，强势介入充电基础设施建设，各示范 城市和社会各界也积极n 向应。截至2 0 1 0 年年底，已经建设各种类型充电站大约 1 0 0 座，充电桩3 0 0 多个随着全球汽车工业的发展，汽车产量、销售量以及保有 量的逐年增加，全球面临着能源短缺的危机，同时大气污染也是急需得到解决的 问题。这两大问题直接威胁着传统内燃机汽车的可持续发展，在这种情况下， 未来的汽车应当向清洁、环保、油耗低、排放低的方向发展。全球各大著名的 武汉理下大学硕十学位论文 汽车制造厂商都在致力于开发新能源汽车。经过对各种新燃料、新能源和新动 力的探索，出现了纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车1 。 在诸多新能源汽车中，由于电动汽车电池技术还没有取得突破性进展，因 而电动汽车离市场化的目标仍然有相当长的一段距离。目前电动汽车的主要问 题是：( 1 ) 由于电池组的比能量较小，电动汽车一次充电的续驶里程较短盯8 3 ；( 2 ) 由于电池组的功率较小，使得其质量和体积都大，导致电动汽车的动力性能无 法与传统汽车相媲美；( 3 ) 电池组充电时间较长，使用较不方便；( 4 ) 电池组价格 昂贵阳1 。另外，对于燃料电池汽车，燃料电池技术虽然是发展方向，但目前技术 还不成熟，难以大规模应用，加上燃料电池成本比较高昂、并且在其能源转换 成电能过程中同样会污染环境，目前的可靠性比较低且运行寿命不长n 仉1 。此外 氢燃料基础设施较缺乏，从而无法在短期内替代传统动力。因此混合动力汽车 就成为一种比较“折中”的方案，成为现阶段最实用、最具有前景的清洁车型。 混合动力电动汽车( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 指的是具有两种或能够根据特 定的运行要求，从两种或两种以上能量源、能量存储器或能量转化器中获取驱 动力的汽车，并且在运行的过程中至少有一种能量存储器或转化器直接驱动车 辆，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n2 | 。h e v 是新 老技术相结合的最可行的产物，它同时继承纯电动汽车和传统内燃机车的优点。 由于发展混合动力电动汽车存在着三大主要问题高价格、低效率、汽油或 柴油的使用量仍然较多，从而发展前景并不乐观。 目前，充电式混合动力电动汽车( 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 ) 是混合动力车( h e v ) 的发展方向。p h e v 是指可以使用外部电网( 包括家用电 源插座，例如2 2 0 v 电源) 对动力电池进行充电的混合动力电动汽车n 置1 4 1 。p h e v 能够在纯电动条件下行驶较长距离，但需要时仍然可以以全混合模式工作，其 最大的特点足将混合动力和纯电动两种驱动系统结合起来，使混合动力车辆的 有害气体、温室气体排放和燃油经济性得到大大改善n5 | ，纯电动汽车的动力性 z 月匕l - , 和续驶里程得到提高。 、 4 武汉理一j ：大学硕十学位论文 汽车给予补助。其中，中央财政重点对购置节能与新能源汽车给予补助， 地方财政重点对相关配套设施建设及维护保养给予补助。为加强财政资金管理， 提高资金使用效益，我国还制定了节能与新能源汽车示范推广财政补助资金 管理暂行办法，针对公共服务领域购车进行一定的补贴，但是这一补贴政策并没 有涉及私人购车领域。在财政部补贴标准涉及的十米以上城市客车中，混合动力 汽车按照节油率分为4 个补贴标准，每辆车最高补贴为4 2 万元；每辆纯电动汽车 补贴5 0 万元；每辆燃料电池汽车补贴1 0 0 万元。 1 4 课题的研究内容及研究方法 对混合动力城市客车的发动机、电机、变速器进行匹配，将已有的电驱动 机械式自动变速器应用于该混合动力电动客车，针对城市客车运行工况的特点， 结合自动变速器的特点，设计适合混合动力城市客车的控制策略，并进行台架 试验和道路试验，根据实验结果对控制策略进行优化。 以计算机为辅助工具，对车辆的动力系统进行计算及参数匹配，设计适合城 市客车的混合动力控制策略，结合台架试验开发混合动力城市客车，完成装车 后进行道路试验，在试验的基础上完善控制策略优化整车性能。 武汉理t 大学硕士学何论文 第2 章并联式混合动力系统方案设计 2 1 汽车驱动系统方案对比分析 如图2 1 所示为传统的内燃机汽车驱动系统结构，系统的动力输出由发动机 提供，车辆经济性和动力性是通过变速器改变速比，从而改变发动机工作点来 保证，而离合器起是用来切断发动机的动力输出，以及缓和发动机的冲击。混 合动力系统动力总成主要分为串联式、并联式和混联式三种结构。 发动机 ( i l 变速器叫) 、i i ( 图2 - 1 传统汽车驱动系统结构示意图 图2 - 2 典型串联混合动力系统结构示意图 串联混合动力系统动力总成结构如图2 2 所示。相比图2 1 的结构，该系统 6 r 广心 l j ， 呼 武汉理下大学硕士学位论文 优点如下： ( 1 ) 发动机和发电机组成的辅助电源系统独立于车辆行驶状态而工作，因 此发动机控制模式相对简单，有较好的经济性。此外，可以通过降低发动机排 量，优化配置来提高辅助电源系统的效率n 制。 ( 2 ) 车辆动力源采用纯电驱动方案，电动机较宽的转矩范围和快速响应特 性保证了车辆的动力性。并且系统可以在发动机停机的情况下正常驱动车辆， 实现纯电动运行工况。 串联系统的缺点如下： ( 1 ) 系统结构较为复杂。系统除去传统车辆的发动机和变速器之外，需要 额外增加驱动电机系统、发电机系统和蓄电池。因此，两个电机及其控制系统 使得整个系统成本偏高、布置相对困难。 ( 2 ) 动力系统效率低。串联系统采用发电一电驱动，或者发电一充电一放 电一电驱动的能量流方式，使得能量传递路线长，效率低，这是串联系统最大 的缺点。 蝉 图2 3 典型并联混合动力系统结构示意图 并联式混合动力系统总成结构如图2 3 所示。其优点如下： ( 1 ) 与传统汽车相比，该系统可由电机独立工作起步；从发动机怠速点到 发动机最大转矩点之前的区域，可由发动机和电机共同柬驱动n7 1 ；在发动机最 大转矩区域以及后续工作范围，可由发动机单独驱动或发动机电机共同驱动， 驱动方法取决于驾驶者对车辆加速度的需求。总之，并联系统可以任意支配两 个动力源的工作与否，来满足车辆的动力性需求，这样的控制模式可以充分发 挥电机低速大转矩和快速响应的特点，同时可以适时的避开发动机低效率区间， 两个动力源相互补充，各取所长，从而较大提升整个动力总成的效率8 j 。 ( 2 ) 与串联系统相比，并联系统只需一套电驱动系统，结构简单，成本低。 武汉理丁大学硕十学位论文 图2 - 4 本田i n s i g h t 并联混合动力系统总成结构示意图一 其缺点如下： ( 1 ) 控制复杂。电机和发动机工作特性不一样，两个动力系统的协调工作 需要在离合器的基础上通过合理的控制方法进行分配。目前较成功的并联方案 有本田i n s i g h t 方案，如图2 4 所示；e a t o n 方案，如图2 5 所示；万向电动方 案，如图2 6 所示；玉柴动力方案，如图2 7 所示。 图2 5e a t o n 并联混合动力总成结构示意图 图2 - 6 万向电动汽车并联混合动力结构示意图 l o 籼j 一 魏 f 帆丌 蝴耕 一 机 一 一 动 一 自习 恸鼾叶孵阡尸巨 武汉理上大学硕士学位论文 图2 - 7 玉柴动力并联混合动力结构示意图 ( 2 ) 布置困难。国内 1 1 5 米以上客车底盘后悬 长度一般不大于3 3 0 0 m m ， 然而后仓门和后桥压包，实 际上可用距离在2 5 0 0 m m 左右，而传动轴长度一般在 3 8 0 m m 以上，3 0 0 m m 是最 短距离。因此不论是后置后 驱的客车还是前置前驱的 乘用车，图2 1 所示的动力 总成结构已经使得传统车 布置相当紧凑。如果动力系 统配置不变，并联系统中的 电机所额外增加的尺寸将 使得图2 所示的布置方案 无法实现。目自 变通的方案 主要有一汽的平行轴方案， 如图2 8 所示，东风电动的 垂直轴方案，如图2 - 9 所示， 但这两种方案都有各自的 科 i 一电机i l 一。1 一- r t r， 醇 嘟 到 图2 8 一汽并联混合动力系统结构示意图 图2 - 9 东风并联混合动力系统结构示意图 局限性。相对较好的解决方案主要是发动机和电机一体化集成设计( 玉柴方案) ， 或者电机和变速器的一体化集成设计( e a t o n 方案) 。虽然万向方案没有采用 9 武汉理工大学硕士学位论文 一体化集成设计方案也解决了动力系统的布置问题，但是去掉了后端的变速器， 动力性受到了比较大的影响。 混联混合动力总成系统结构如图2 1 0 ，2 1 1 所示。图2 1 0 是以丰田普锐斯 为代表的基于行星齿轮结构的的t h s ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ) 。该系统由功率耦 合装置、发电机、电机和减速齿轮组成。发动机的输出功率通过功率耦合装置 来控制，一部分传递给发电机，另一部分传递给驱动轴。在加减速时，功率的 分配需要主动调节发动机、发电机和电动机的转速。目前该系统和车型是应用 最为成功、技术最为成熟的混合动力系统方案。 图2 1 1 是万向电动汽 车公司的混联方案，该车型 作为新能源公交车投放到上 海世博会。发动机和发电机 的连接通过离合器a 来实 现，系统工作时，没有分离 状态；离合器b 的分离和结 合通过混联系统控制策略来 控制。该系统有如下优点： 1 ) 发动机可以实现启停 控制，不仅提高了发动机的 机_ 门叻率输出轴) 图2 - 1 0 丰田p r i u s 并联混合动力系统结构 经济性，而且发动机起动和怠速排放得到较好的改善。 2 ) 车辆通过电机直接起步，相比传统的发动机起步有较好的起步性能。 3 ) 混联模式可以尽量避免串联和并联模式的弊端。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 11 万向电动汽车混联混合动力系统结构示意图 其缺点为： ( 1 ) 系统结构复杂，固定困难，成本高。如图2 11 所示，该系统结构要求 所有的动力总成部件在后桥前字排开，互相连接，该结构总成长度超过了 2 5 m ，使得固定其的支点悬置的选择极其困难。与串联系统的相比，两套电驱 动使得该系统增加了成本n 玑驯。 ( 2 ) 由于混联系统的动力总成轴向尺寸过大，使得其必须去掉变速器。影 响了车辆的动力性，没有变速箱的车辆，对电机的转矩特性提出了更高的要求， 并且起步时的放电电流大，对蓄电池寿命也有一定的影响。 ( 3 ) 控制难度大。该系统有两个离合器，两个电机，加之一个发动机，需 要根据车辆不同的行驶工况和电池电量来随时调整控制策略，使得整车控制策 略过于复杂心卜2 引。 综上所述，车辆的驱动方案的选择，直接影响了车辆的动力性，经济性以 及可靠性。不同的系统总成，控制技术都各有难易点，因此根据不同的系统总 成方案找到更适合城市客车的控制方法是混合动力客车的关键突破点，更是难 点。 武汉理工大学硕+ 学位论文 2 2 基于电驱动自动变速器的混合动力系统结构分析 3 图2 1 2 基于e m t 的p l u gi n 并联式混合动力汽车动力系统的结构示意图 1 发动机2 离合器3 一电机4 一挡和二挡换挡气缸5 三挡和四挡换挡气缸6 法 兰盘7 一输出轴编码器8 一中间轴编码器9 变速箱中间轴1 0 变速箱输入轴。该套 系统既能实现纯电动工况，也能实现混合动力工况。 从图中可以看出，e m t 混合动力系统结构紧凑，轴向尺寸小，适合布置。 各部件及总长度见表2 t e m t 混合动力总成轴向长度。 表2 1 e m t 混合动力总成轴向长度 发动机 9 6 0 m m 电机 5 6 7 m m 变速箱 4 2 0 m m 总长 1 9 4 7 2 3 动力系统参数匹配 混合动力客车的动力总成系统参数的选择设计主要包括：发动机、驱动电 机、自动变速箱以及动力电池组等参数。参数匹配的的意义在于是根据各部件 的工作特性，在保证车辆动力性的前提下，让各部件尽可能的在经济工作区间 工作，从而提高车辆的经济性，减少排放。评价车辆动力性的主要指标有以下 几点： 1 2 武汉理1 ：大学硕+ 学位论文 ( 1 ) 起步加速性能，车辆由静止加速到额定车速的时间，时间的长短表示 加速性能。 ( 2 ) 车辆以额定车速匀速行驶的能力。对于p l u gi n 并联混合动力汽车来说， 发动机和电机都能单独驱动车辆，使之以额定车速在大于3 的坡道上平稳运行。 ( 3 ) 车辆坡道起步能力和最高车速能力。发动机和电机同时工作时，能使 车辆以最高速平稳运行，且能满足车辆最大坡度的需求。 根据以原则对p l u gi n 并联式混合动力汽车的动力总成系统的参数进行选型 设计。 图2 1 3 混合动力车动力系统结构简图 2 3 1p l u g i n 混合动力车参数的选择 桥 对动力系统的参数进行设计时首先要选取计算所用的一些参数，如表2 2 所 示。表中的滚动阻力系数f 、空气阻力系数c d 、机械效率r l 、旋转质量换算系数 6 ，根据车型选择合适的参数，车辆的计算质量为其整备质量加上最大设计装 载质量的6 5 。 表2 2 设计参数 车辆计算质量m 1 6 0 0 0 k g 滚动阻力系数f 0 0 1 6 5 空气阻力系数c d 0 7 机械效率r l o 8 5 旋转质量换算系数6 1 1 武汉理+ j ：大学硕士学位论文 为了在动力匹配中更合理地选择发动机和电机，要充分考虑车辆的运行工 况，选择在中低速下需要频繁启停的中国典型城市公交循环工况，如图2 1 4 所 示，该工况的部分特性参数列于表2 3 中。 中国典型城市公交循环 7 0 o o 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 o o 委 餐3 0 0 0 2 0 o o 1 0 0 0 o o o l7 61 5 12 2 63 0 l3 7 64 5 l5 2 66 0 16 7 67 5 18 2 69 0 19 7 61 0 5 11 1 2 61 2 0 11 2 7 6 时j h j ( s ) 图2 - 1 4 中国典型城市公交循环工况速度一时问图 表2 3 中国典型城市公交循环工况部分特性 循环总时间 1 3 1 4 s 怠速时间 3 8 l s 最高车速 6 0 k m h 平均车速 1 6 3 k m h 最大加速度 0 9 1 m s 2最大减速度 1 0 4m s 2 平均加速度 0 3m s 2 平均减速度 0 4 3m s 2 循环总路程 5 9 k m 为了更准确地选取各个动力系统的参数，按照公式( 1 ) 计算整个循环工况 下各个不同时刻车辆所需的功率陋4 。 一1 r 3 g 6 f 。u 。a c 7 0 6 a 14 u 。, , 3d 3 6 m 。u 。, , d 饥u ) ( 2 1 ) 式中：车辆所需的功率k w ；珊传动系机械效率；g 车辆总重 力n ；厂滚动阻力系数；, i 。车速k m h ；c 疗空气阻力系数；彳 迎风面积朋2 ；万旋转质量换算系数；m 车辆总质量k g ；_ a 加速 “ 1 4 武汉理丁大学硕十学位论文 度r n s 2 。 由公式( 1 ) ，得到按照中国典型城市公交循环工况行驶的各个时刻车辆需 求的功率如图2 1 5 所示。可以看出车辆需求的最大功率为1 9 0 k w , 而大部分情况 下需求的功率低于1 0 0 k w 。 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 - 二c 、“5 0 0 0 q t , 1 - 0 0 鼻 ：o 0 0 。：每 0 0 0 = 志气i ) ，c 幻 - , - z , 0 0 图2 - 1 5 车辆需求功率一时问图 2 3 2 发动机参数的选择 3 区别于普通混合动力车，充电式混合动力车辆依靠电能行驶的时间比较长， 而依靠发动机工作的时间大大减少。当车辆的蓄电池组的荷电状态s o c 值低于 设定的最低值时，充电式混合动力车需返回充电站充电。 混合动力车辆的发动机功率选择是非常重要的。若选择的发动机功率偏大， 有可能使车辆的经济性和排放性变差；而发动机功率偏小时，留给车辆的后备 功率就小，使之动力性能变差；发动机功率小意味着电机要经常较大功率工作， 这就需要更多的动力电池与之匹配，这不仅增加了整车重量，而且混合动力汽 车在布置空问上已经非常紧凑，额外的电池大大地增加了布置难。因此发动机 的选择要根据车辆的工况，选择合适的大小。 有并联式混合动力汽车的结构可知，车辆在定速巡航( ，) 过程中，发动 机应单独驱动车辆，而且还有一定的后备功率给动力电池组充电曙引，此时发动 武汉理工大学硕士学位论文 机应该工作在其万有特性经济区域内。发动机平路巡航阻力功率只与u 。的关系 2 寺c 黠+ 黑， 2 ， 车辆的巡航功率为p ，附加功率如，l 2 的爬坡功率冗余量p 和1 0 ( 经 验值) 的充电功率冗余量如，即 尸= 只+ 乞+ 只+ ( 2 3 ) 有计算可知，巡航功率p 是一个功率带，因此，选择的发动机的经济区间 应尽量在这个功率带中呦3 。通过比较，该系统选择的发动机功率为118 k w ，稳 定转速区间10 0 0 2 6 0 0 r p m ，最大转矩对应转速区间6 0 0 n r n 13 0 0 16 0 0