（机械电子工程专业论文）混合动力仿古车动力传动系匹配及控制策略的研究.pdf

矮士学燕论文 摘要 石油资源短缺翻烯境污染是当今世界豹题大突出问题，为了解决这鼹个问题， 很多函家致力于发展节能环保车辆，混合动力( h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ) 的出现满足 了这要求。混合动力电动汽车( h e v ) 是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场 化而产生的种既能满足排放和燃油经济健要求，又能兼舆纯电渤汽车与燃油汽 车优点的理爨车型，本论文芷是为了解决现有仿吉车的排放和浊耗问题，在不牺 牲原脊动力髋的基础上，以实现延长汽车续驶里稔、提商燃油经济性的设计目标 来进于亍的。 h e v 驱动参数( 发动机功率、电机功率、电滟组功率等) 是否合适，瘴接影响 车辆的动力性、燃浊经济性和排放性能，媳决定蔫设计车辆能否达到节能环保的 要求，其设计计算必须弓f 超足够的重视。 本文主黉介绍丁混合动力电动汽车的分类以及各个类型的驱动条件和使用袋 件，并结合实际情况提出了适合予仿古车的的结构形式和今后开发过程中应注意 的一魑关键闯题。并就该结构形式给出了旗各个部件豹功率参数理论计算法，选 择合遥的部 牛参数，并在_ i 眈基础上介绍了串联式混合动力的各种控觥策略。 凝后，为了完成对控制策略参数的优化，有必要了解一下混合动力汽车仿真 的基本方法辩a d v i s o r 仿真软件的特点和仿真过程。络台仿真软侔，建立合理 的优化匹配求解模型，选择适当的优化算法，编霹优化程序进行控制策略参数计 算。将优仡前后酶缩采进行了对比，通过魄较可戳看出，优住藉能够更好的符合 设计要求，且油耗商所降低。可以用来作为今后仿古车部件选择的基础，具有一 定的实际应用价值。 关键掌：混禽动力；仿吉率；功率参数；优化计算 混台臻蠢费吉率谚力转动系嚣琵及控铡策略豹研究 a b s t r a c t o i l d e f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n tc o n t a m i n a t i o na t e t h ec r u c i a la n dg l o b a l p r o b l e m s ，m a n yc o u n t r i e sa r ed e v e l o p i n ge n e r g y s a v e da n de n v i r o n m e n t p r o t e c t e d v e h i c l e si no r d e rt or e s o l v et h o s et w op r o b l e m s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sn o w b e c o m i n gat r e n dt om e e tt h e s er e q u i r e m e n t si na u t o m o b i l ei n d u s t r y ；h e vi sak i n do f v e h i c l e ，w h i c hi si nf a v o ro ft h em a r k e td e m a n d si nt h ec o u r s eo fe ve x p l o i t a t i o n + h e vn o to n l yc o u l ds a r i s f ye m i s s i o na n df u e l e c o n o m yd e m a n d s ，b u ta l s o c o u l d c o m b i n et h ea d v a n t a g e so fe va n df u e la u t o m o b i l e ，t h i sp a p e rt a k e sb e a t - u pc a ra s r e s e a r c ho b j e c tf o rt h es a k eo ff u e le c o n o m y a tt h es a m et i m e ，k e e pt h ed y n a m i c a l c a p a b i l i t ya n di m p r o v et h ed r i v i n gm i l e s t h ep a r a m e t e r s ( e n g i n ep o w e r 、e l e e t r o m o t o rp o w e ra n db a t t e r yp o w e re t c ) o f p o w e r t r a l ns y s t e mf o rh e vh a v en o t a b l ei n f l u e n c eo nd y n a m i c a lp e r f o r m a n c e 、 e m i s s i o na n df u e le c o n o m yo ft h ev e h i c l e 。i ti sc r u c i a lf o rh e vw h e t h e ro rn o ta l lt h e p a r a m e t e r sa r er e a s o n a b l ei no r d e rt os a t i s f yt h ee n e r g y s a v e da n de n v i r o n m e n t - p r o t e c t e ds t a n d a r d s t h ep a p e rg a v ead e t a i l e d a n a l y s i s a b o u tt h ed i f f e r e n th y b r i dp o w e r t r a i n c o n f i g u r a t i o na n dt y p e so fh e 形s u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r sa n du s i n gs i t e so fa l l d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n ，p u tf o r w a r dt h ec o n f i g u r a t i o na n dk e yt e c h n o l o g i e so fh y b r i d b e a t c a rd u r i n gt h el a t e rd e v e l o p m e n ti na c c o r d a n c ew i t ht h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n s ，a n d f u l f i l l e dt h ea c a d e m i cc a l c u l a t i o n so fd i f f e r e n tp a r tp o w e ra n di n t r o d u c t i o n so fa l l s h e ve o n t r o ls t r a t e g y s f i n a l l y ，i no r d e rt of i n i s ht h ec o n t r o ls t r a t e g yp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no fb e a t u p c a r , i ti sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c et h ee m u l a t i o n a lt h e o r yo fh e va n de m u l a t i o n a l p r o g r e s si na d v i s o r s e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y b r i db e a t * u pc a ri n c o n n e c t i o nw i 饿a d v i s o r ，a n ds e l e c ta p p r o p r i a t ea l g o r i t h m ，a n dw r i t ep r o g r a m st o o p t i m i z ec o n t r o ls t r a t e g yp a r a m e t e r s i nc o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t sn o n o p t i m i z e d ， t h eo p t i m i z e dr e s u l t sa r ef u r t h e rf i tf u rt h ed e s i g nr e q u e s t s ，a n dh a v es o m ep r a c t i c a l v a l u e si ns e l e c t i n gh y b r i dp a r t si nt h ef u t u r e k e yw o r d ：h y b r i de l e c t r i c ；b e a tu pc a r ；p o w e rp a r a m e t e r s ；o p t i m i z e da l g o r i t h m i i i 湖南大学 学位论文原剖性声鼍嚣 本人郑爨声明：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，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要黉献的个 天帮集侮，垮已在文中致臻确方式标饔。本人突全意谖委本声骥麓法律后采 由本人承掇。 作者签名：搬嗣多 日期：如弗年年月彳阿 学位论文版权使用授权书 本学能论文作者完全了解学校有关保留、饿用学位论文的规定，同意学 校保留多# 趣滠家有关部门或枫橡送交论文豹复印件和电子舨，允诲论文被查 阕蠢蓿溪。本人授权灞京大学霹瑷将奉学位论文愆全都或黎努蠹容缡入有关 数据库进行检索，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。 本学饿论文属于 1 、傈密溺，在羔年察密嚣逶髑零授较书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 彳乍者签名： 导灏签名： 銎期：铂蟛年辜胄z 曩 墨襄：多6 年驴月毒匿 硕士学位论文 1 1 仿古车介绍 第1 章绪论 汽车工业至今经过两百多年的发展，形成了今天各种各样的车型，其中有一 些车型以其典雅的造型，高贵的气质，至今还深深地吸引着人们的目光。老爷车 正是其中的一个佼佼者，古朴大方的气质正吸引着越来越多人喜爱，仿古车正是 基于此原因而产生的，这种车所独有的文化内涵和当今所处的时代就要求要用现 代的部件来组装营造出一种属于历史的古朴汽车文化氛围。所以汽车的内外装饰 部件及电器要与整车完全的融合，使古典艺术与现代技术能有机的结合。 本文所研究的s q l 5 0 2 6 系列仿古车( 见图1 2 ) 是根据英国皇室的 r o l l s r o y c e l 9 1 0 年车型( 见图1 1 ) 仿制而成，主要满足都市观光旅游。该车的 特点是采用四f - j 三排座，由于零部件的特殊性，除了底盘和发动机外基本上都是 手工制作，底盘是b q 6 4 7 1 2 型，性能优良，行驶安全可靠( 见图1 3 ) 。发动机采 用丰田技术的j m 4 9 1 q 一一m e 型，具有良好的动力性和经济性。汽车所用零部件 大多是同类产品中的领先者，许多的镀金饰件的利用更显了其豪华本色。 图1 1r o l l s r o y c e l 9 1 0 年车型 图1 2s q l 5 0 2 6 系列仿古车 图1 3s q l 5 0 2 6 系列仿古车底盘 由于该车的特殊性，车身全部采用手工制作。经过精心的设计计算，具有很 高的强度和刚性。敞篷构造便于参观，内部空间大乘坐舒适安全。车身配有冷， 混合动力仿古车动力传动系匹配及控制策略的研究 热风空调，c d 机和音响，在古朴中又凸显现代的豪华。真皮沙发舒适而柔软， 高级的胡桃木仪表板和黑桃木踏板体现出一种自然而柔和的感觉。 由于石油资源的匮乏，大气质量的日益恶化和汽车保有量的快速增加，加上 仿古车由于其特殊的运行环境的要求【1 1 。虽在当初设计时，已经考虑到了未来对 洁净燃料的要求，在发动机上采用了一些新的技术，但随着社会对环保的要求越 来越高以及燃油价格不断走高的趋势，开发出节能环保得仿古车成为当前的迫切 任务。 1 2 混合动力电动汽车的优势 为了推动汽车工业的持续发展，以开发推动电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 和代用燃料为主要内容的“绿色汽车”工程已在全世界范围内展开。近十年来， 美国、日本等汽车发达国家和跨国公司已在“绿色汽车”领域投入了上百亿美元 的资金，并且现在以每年不少于十亿的投入力度继续开发。从美国政府对新一代 汽车伙伴计划( p a r t n e r s h i pf o ran e w g e n e r a t i o no f v e h i c l e ，p n g v ) 的建立和执行情 况来看，“绿色汽车”已成为跨国汽车公司和先进工业国家战略发展的重要内容。 也对我国汽车产业结构的调整起到了有益的借鉴。 纯电动汽车( e v ) 是满足“零排放”的首选方案。纯电动汽车运行中没有排放 污染，如果发电厂以核能、水力、太阳能、风能或天然气为能源发电，对大气污 染会很小，而远离城市的火力发电厂可以控制将燃烧废气排放到高空，减少对人 类生存环境的影响。在市区内行驶，纯电动汽车能量效率比普通的燃油汽车高4 0 左右，纯电动汽车可以利用夜晚用电低谷时电网富裕电能充电，可以平衡电网的 负载，提高电网能量的利用率，除此之外，纯电动汽车还有低噪音、低热辐射、 易操作和易维护等优点【lj 。 然而，由于纯电动汽车的关键技术一一电池技术的制约，电动汽车的性价比 远远不能达到现有内燃机车的标准，其主要障碍是【2 】：电池的能量密度低，因此 电池组的质量较大，导致纯电动汽车的一次性充电行驶里程和动力性无法达到当 前内燃机的水平；此外，纯电动汽车空调和暖风的选用必须充分考虑其能耗对持 续行驶里程的影响；充电站的建设投资巨大，电池组价格昂贵，循环寿命有限， 频繁更换电池的成本也是难以接受的。这些问题在短期内难以解决，严重限制了 纯电动汽车的实用化和商业化。 燃料电池电动汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，f c e v ) 是通过将燃料的化学能 直接转换为电能的来推动汽车的行驶【2 1 。燃料电池与一般的蓄电池的工作原理是 不同的，它只有在工作时有燃料输入，才能产生电能。能够使用多种燃料，既可 以是石油燃料也可以是有机燃料，像氢气( h 2 ) 、甲醇( c h 3 0 h ) 等。能量转换不受 卡诺循环规律的限制，热效率也比较高，可达到3 4 4 0 左右，一般的热力发动 硕士学位论文 机只有1 2 1 5 。燃料电池在运行过程中，不需要复杂的机械传动装置，不需要 润滑剂，没有震动和噪声。 燃料电池本体的质量和体积并不是很大，但是燃料电池需要一整套燃料储存、 转化装置和附属设备才能获得氢气，这些燃料储存、转化和附属的设备质量和体 积远远超过燃料电池本身，给f c e v 的总布置带来了很大的困难。目前氢燃料提 取还没有大规模的生产，储存、运输和使用安全性也还有待研究和提高。 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 是介于内燃机车和电动汽车 之间的一种车型，集中了两者的优点，既继承了电动车辆节能和低排放的优点， 改善了整车的排放性能和燃油经济性能，又发扬了石油燃料高比能量和比功率的 长处，弥补了电动车辆持续行驶里程短的缺点，是最有市场化和产业化的车型。 与纯电动汽车相比，其使用的一次能源仍然是燃油。与传统汽车相比，整车综合 控制系统将根据车辆的运行工况，控制发动机和电动机都工作在最佳效率区，同 时保证电池中的电能储备始终保持在一定的水平，无需停车充电或频繁的的更换 电池。在h e v 上采用了发动机驱动系统，同时还采用了电动机驱动系统，两者其 同组成混合动力系统来驱动车辆行驶，只是在电动机的辅佐作用下发动机能够以 更有效的方式将燃油的能量转化为机械能而已，因此保证了持续行驶里程长，机 动性强等传统汽车的优点。在某些对汽车排放严格限制的地区( 如环保示范区、旅 游区等) 可以关闭发动机，采用纯电动方式行驶，就成为零排放的纯电动汽车。而 且混合动力电动汽车对电池的依赖程度低，可以大幅降低蓄电池组的体积和重量。 串联式混合动力电池组重量仅仅是纯电动汽车重量的1 3 ，并联式还可比串联式再 减少1 3 。根据国外样车及产品的统计资料，配备整车综合控制系统的混合动力车 辆与同类的内燃机车辆相比，油耗可以降低3 0 4 0 ，尾气排放降低了5 0 6 0 。 此外，由于混合动力汽车可以不从外部电源充电，因此可以大量节省充电基础设 施的投资。所以，从目前来看，混合动力电动汽车的性价比优于纯电动汽车，成 为各国主要的研究和选择对象。 另外，混合动力电动汽车因装有内燃机，可以更方便的解决空调、取暖和除 霜等能耗需求，而这些正是纯电动汽车所面临的难题。值得注意的是，h e v 与纯 电动汽车和传统的内燃机车有良好的兼容性。纯电动汽车和内燃机车的发展和改 进，其成果均可以在h e v 中得以体现。因此，h e v 将会存在一个较长的历史时 期，并且会在2 1 世纪的汽车工业中占有重要的地位【2 。j 。 表1 1 是我们对蓄电池电动汽车、燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车和内 燃机车的比较。 1 3 混合动力仿古车的发展潜力 当前，混合动力技术主要用在民用车上，像轿车和城市巴士等，我们所研究 混合动力仿古车动力传动系匹配及控制策略的研究 的s q l 5 0 2 6 系列仿古车目前主要是用在旅游景点、上海市区及其周边城市之间运 行，运行规律与城市公交相似，行车速度相对比较慢，路线比较固定，且是时走 时停，燃油浪费比较大，污染也比较严重，而这些地方相对而言对环保要求比较 高，同时也要求仿古车具备一定的持续行驶里程。上海市提出自2 0 0 3 年3 月1 日 起所有公交和出租车实施欧洲i i 号尾气排放标准，不符合上述标准的汽车停止办 理车辆注册登记手续。利用混合动力系统改造正可以发挥其优势。 表1 1 纯电动汽车、燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车和内燃机车的比较 项目纯电动汽车燃料电池汽车混合动力汽车内燃机汽车 尾气排放无无少量多 能量来源广较窄 窄 能量转换率高高适中低 高效工况范围宽宽适中 窄 能量回收 有 有有 无 行驶里程短适中较长 长 目前，国内在仿古车方面主要是采用纯电力驱动，但由于受到电池技术的影 响，电动汽车其持续行驶里程和动力性都受到了限制【”，像江苏益高电动车公司 生产的电动仿古车，其基本的参数为采用5 k w 的电动机，电池充放电时间约为8 到1 0 小时，满载持续行驶里程仅为8 0 k m ，最大行驶速度也只有为4 5 k m h 。而我 们所研究的仿古车由于使用条件的不同，对于持续行驶里程和动力性能都提出一 定的要求，采用纯电力驱动很难达到我们的需求。 进行了混合动力改造后的仿古车不但能够采用普通汽车提高效率的所有措 旌，而且我们还可以采用一些新的措施来提高其效率，如：制动能量回馈、电机 单独驱动等【8 】。如采用串联混合动力系统可以将柴油机的总效率从2 0 提高到 4 0 ，重型的混合动力电动系统能够回收制动过程中4 0 的动能。虽然说采用了 混合动力结构后其动力传动系统比原来的复杂，整车重量和体积有所增加，甚至 有可能出现能量的传递效率有所降低，但从总的方面来看，采用了混合动力系统 后其燃油经济性可以提高到3 0 以上，尤其是在中低速行驶时，这种优越性会更 加明显。 混合动力结构噪声低，工作平顺，加速性能好，制动柔顺，大力推广混合动 力汽车，可以宣传环保观念，增强民众环保意识。 1 4 混合动力电动车的发展现状 1 4 1 国外发展状况 汽车尤其是城市客车和轿车的普及严重污染了城市大气，世界各国都在致力 硕士学位论文 手隈鞠汽攀瓣簿蔽，努力发鼹耨鳌汽车。上毽纪9 年筏夔来，莺终疆有豹翔名汽 车公司均投入匿资开始迸行电动汽车和混合动力汽车的研究与开发，很多公司采 用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高 新技术，不少样车的主要动力性指标都达到了燃油汽车水平。 由予欺麝掇构豹大力支持灏混台动力汽车题大静市场潜力，键挝各大汽车公 司臻利凄了囊蠢匏h e v 。美瓣黢瘸逶遘p n g v 与汽车赛这或了多静会终研究、开 发协议。缀过多年的试验与研究，美国的三大汽率公司相继推出了混合动力电动 汽车的概念率或样车，通用汽率公司的p r e c e p t 概念车，福特汽率公司的p r o d i g y 概念车和兜策斯勒汽车公司的d o d g e e x 3 概念牮。1 9 9 1 年大众汽车公司推出了“济 辩”( c h i c o ) 牌混合动力电动徽型车，汽油机和电动机通过两个自动离合器和一 令五毯交遴器寒驱动车辆行驶，最褰车速虿达裂1 3 1 k m h ，0 - 8 0 k m h 夔鸯羹速跨阕 为1 9 s ，在城市行驶平均燃油消耗每1 0 0 k m 力3 2 l 。欧洲的沃尔沃客颦公司在1 9 9 5 年提出了懒界欢迎您的“环保概念车”，为此，淡尔沃设计了第二代汽轮机驱动的 混合动力城市客车，1 9 9 9 年该馨在瑞典的歌德斯馕进行了路试检测，目前在德国已 有几十辆混禽动力大巴在运行。本田汽车公司予1 9 9 9 年和2 0 0 2 牮分别推趣了 錾i n s i g h t 耧c i v i c 秀款潺会魂力汽车，丰困汽睾公落予2 0 0 0 年署戆镳袋p r i u s 混 合动力汽车，最近本母公司又确认其旗下的稚蠲轿车也将应孀电动秘汽油双驱动 技术，该率型将于年底在北荚市场发售。这将悬中型家庭轿车首次使用混合动力 技术。丰田随后也表示，同级别的佳美轿车也将于一年后面世【9 1 4 l 。美国顾客满 意度( c s ) 调焱公司j d p o w e ra n da s s o c i a t e s 日前公布了美国市场对混合动力汽车 震求静颈溅。2 0 0 4 年混合动力枣镤量占赣车枣场熬0 5 2 ( 8 穆车黧、8 8 0 0 0 蘩) ， 2 0 0 5 年增翔溪1 1 9 ( 1 1 静誉熬、2 0 万辆戬上) ，2 0 0 6 年将上癸至1 5 3 ( 1 7 种车 型、2 6 万辆以上) ，2 0 1 1 年之前，1 7 种乘用车及2 1 种轻型皮卡、按计3 8 种混合 动力车型的销量将达到5 3 5 0 0 0 辆，销售份额将占3 。所有的这搬牮型都显示了 良好的环保翔节能性能。 l 。4 。2 国内发装载混 我国目前也非常重视混会动力汽车的研究与开发，国家科技部融将其作为“十 五”8 6 3 重点专项内容。我国材关电动汽车的研发始于上世纪9 0 举代，从1 9 9 6 年开始，广东省科委统一协调缀织研制电动汽- 车，并取得了可喜的j 展。中国远 望( 集豳) 总公司与j 京理工大学、国防科技大学秘浮i 胜利客车厂等单位联合予 1 9 9 6 年3 冀磷裁成珐了5 | 瘩懿y w 6 1 2 0 墼电动大客车。在魏基璐上，我鏊涯合 动力汽车研制也取得一定的避糕，清华大学已经成功的研制了s h e v 6 5 8 0 混合动 力电动汽车。华南理工大学与广东云山汽车厂也合作开发了一种中巴混合动力汽 车。长春一汽在2 0 0 1 年4 月1 9 臼闭幕的第3 属北京国际清洁车展上推出了一款 混合动力轿车一一红旗c a 7 1 8 0 a e ，这是长春第一汽车捌造厂汽研所、美国电动 混合动力仿古车动力传动系匹配及控制策略的研究 车亚洲七公司、汕头电动车国家示范区共同合作的成果。这款混合动力轿车采用 了1 3 k w 的汽油机和1 5 k w 的直流电机共同驱动，最高车速可达到1 3 5 k m h 。清华 大学与沈阳金杯客车制造有限公司在2 0 0 1 年3 月签订了“s y 6 4 8 0 混合动力客车 的研制与开发”合作项目的合同。清华大学通过参加国家“八五”、“九五”电动 汽车的科技攻关课题，在h e v 方面积累了一定的技术基础。深圳明华环保汽车有 限公司于2 0 0 1 年4 月推出了混合动力电动环保汽车m h 6 7 2 0 ，满载时的最高车速 为9 0 k m h ，最大爬坡度为3 3 ，纯电动持续行驶里程为1 0 0 k m ，尾气排放达到了 欧洲标准，噪音也大大低于普通的中巴车。在2 0 0 5 年4 月的上海车展上，长安汽 车重点开发的混合动力车c v 9 也首次亮相，该车采用2 o l 发动机，预计售价 不会超过1 5 万元。由湘潭电机股份公司与中国海军工程大学、金龙客车联合开发 的混合动力客车，动力性能与普通汽车完全一样，最高时速可达9 0 k m h ，已达到 高级客车要求。车辆行驶时，可利用富余功率给电池充电，无需停车充电，也不 必增加充电站；该车每1 0 0 公里油耗仅2 2 4 升，比同等吨位的燃油汽车节油3 0 ， 加满一箱油可行驶6 5 0 k m ；尾气排放达到了欧标准；维修费用仅为燃油车的1 3 。 这些h e v 的开发成功，标志着我国混合动力技术达到了一个新的水平 1 , 1 0 , 15 】。 1 5 课题的背景、意义及研究内容 1 5 1 课题的背景及意义 本课题主要来源于上海海诚科技公司的s q l 5 0 2 6 系列仿古车改造，致力于降 低该车在行驶过程中的排放，提高燃油利用率。同时响应上海市政府提出的满足 2 0 0 7 年特殊奥运会和2 0 1 0 年世界博览会对大气环境质量的要求。开发出节能、环 保且能够适应城市需求的混合动力仿古车。 混合动力仿古车与现仿古车在动力传动系上有所不同，由于增加了一些必要 的部件，传动系统相对复杂一些，而传动系统的结构选型，参数匹配和控制策略 的研究在改造过程当中起到至关重要的作用。为了提高改造效率，加快进度，在 改造初期，从经济角度来考虑，运用计算机完成对整车传动参数匹配的设计，并 提出适合要求的控制策略。 由于处于改造的初期，主要从理论上对该改造项目行了论证，并结合当前一 些混合动力系统的车型，提出自己的改造方案和以后选型所需各个部件功率。为 以后的部件的选型提供一个强有力的参考，将来如果改造成功的话，无论是从经 济性还是实用性角度来说，都会使现有仿古车有一个大的飞跃。 1 5 2 本文的主要研究内容 研究混合动力仿古车的主要关键是要选择好合适的动力系统传动结构，并对 构成整个系统的发动机，发电机，电动机，蓄电池及变速器等部件进行合理的参 硕士学位论文 数匹配。从目前混合动力车在我国的应用情况来看，混合动力仿古车改造的方案 是可行的。本课题的主要研究内容是混合动力仿古车动力传动系的匹配和控制策 略，为以后的部件选型打下基础和提供依据。本论文的具体的工作如下： ( 1 ) 混合动力系统的工作原理和结构的选型分析：主要论述了混合动力汽车传 动系统的结构、节能优势及其制约因素；对其基本的结构形式的选择与整车性能 的关系行进了详细论述，并提出了混合动力仿古车结构的选型方案和混合动力仿 古车开发过程关键技术。 ( 2 ) 混合动力仿古车动力总成和参数设计：对串联式混合动力仿古车的发动 机、发电机、电动机和蓄电池等主要部件进行分析，选择合适的部件形式；根据 整车的性能要求，按照理论计算方法初步确定部件参数，并给出了所选择的各个部 件的试验数据。 ( 3 ) 串联式混合动力仿真系统建模与介绍：主要介绍了串联式混合动力汽车的 建模方法和各总成模型的建立过程，并详细介绍了a d v i s o r 仿真软件以及该仿 真软件的特点和仿真过程。 ( 4 ) 串联式混合动力系统控制策略及其实现：主要介绍了串联式控制策略的分 类与驱动模式及其在a d v i s o r 中的实现方式，并对串联式控制策略的两种控制 方式进行了对比分析。 ( 5 ) 整车性能仿真和控制策略参数优化：主要对所选择的混合动力仿古车部 件参数进行了动力性和经济性匹配计算，并在分析控制策略参数的基础上，建立 合理的优化匹配求解模型，选择适当的优化算法，编写优化程序进行控制策略参 数的优化匹配计算，并对优化前后的结果进行对比。 混合动力仿古车动力传动系匹配及控制策略的研究 第2 章混合动力系统工作原理和结构选型分析 2 1 概述 根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，混合动力电动汽 车( h e v ) 是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种车型，是一种内燃机汽车向电 动汽车“过渡”型车辆，同时，也是一种“独立”型车辆。在h e v 上采用了发动 机驱动系统，同时还采用了电动机驱动系统【12 1 。发动机与电动机共同组成混合动 力系统来驱动车辆行驶，使车辆的燃油消耗量和废气中所排放的有害气体大大降 低。 混合动力电动汽车保持了内燃机和内燃机的电子控制系统，但所采用的发动 机功率一般要比同级别的内燃机汽车小。除了采取各种现代最新技术使发动机处 于高效率状态下运转外，充分发挥电动机低速大转矩的特点，使发动机避开在起 动、加速和爬坡时燃料消耗量增大和废气排放方增多的不利工况。在混合动力系 统中，每个动力装置都尽量发挥自己的优点，同时弥补另一装置的不足。为了保 证两种动力装置合理匹配，协调工作，混合动力系统中还有动力分配装置、发电 机、蓄电池和电流逆变器等。所有这些部件的动力总成也是混合动力电动汽车的 核心技术之一，依据动力总成结构形式的不同，h e v 可以分为串联( s e r i e s h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) ，并联( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 和混联 ( p a r a l l e la n ds e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p s h e v ) 三种类型1 1 7 】。由此可见，h e v 开发的实质是通过合理的匹配部件参数使部件工作工况和效率得以改善和提高来 实现整个系统性能的优化。 2 2 混合动力系统的工作原理 2 2 1 混合动力电动车的能量分配 为了保证汽车的正常行驶，汽车必须在车轮处产生足够的动力，以克服空气 阻力、滚动阻力和爬坡阻力；而且加速时必须克服惯性引起的加速阻力；同时汽 车必须给附件提供动力，例如散热风扇、车灯、动力转向装置和车载空调系统； 最后，汽车必须有足够的后备功率，这样汽车就能够很快的响应并输送足够的动 力供加速使用。 传统的内燃机驱动汽车将燃料的化学能转化为机械能，然后通过动力传动装 置将大部分机械能传给车轮【18 1 。实际上，大部分能量在这些过程中损失掉了。因 硕士学位论文 为热力发动机理论上有效率极限，并且由于部分热量在做功之前就通过气缸壁耗 散掉了，同时部分燃料在高压下不能充分燃烧，致使发动机不可能达到效率极限。 当汽车处于制动或停车时发动机处于怠速工况，为了使发动机不熄火，燃料同样 被消耗掉。使用多档变速器允许发动机运行在一个相当窄的范围内，同时与车速 相匹配，这样增加了发动机在万有特性图中高效率运行的时间，但是以变速器自 身能量损失为代价。 混合动力系统有两个动力源，因此传动结构的布置形式各种各样，对能量效 率做一个准确的评估是混合动力结构设计遇到的很重要的问题，混合动力电动车 ( h e v ) 在工作过程当中，经常发生两个或多个能量源的能量叠加，然而混合动力 驱动系统也可以分解为单个能量源工作工况，如纯电动或纯内燃机工作工况。为 了更好的解释混合动力汽车传动系统能量分配，图2 1 给出了混合动力系统功率流 向示意图。 主能 驱动轮阻 能量源输出功率 再生制动功率 图2 1 混合动力系统功军流向示意图 从图2 1 可以看出，混合动力系统有一个主动力源和辅助能量源，主动力源不 但要给车辆行驶提供能量，而且还要向辅助能量源提供能量。同时，辅助能量源 也可以用来直接驱动车辆的行驶。在刹车制动时，整个传动系统还可以吸收制动 能量回馈给辅助能量源【l9 1 。在整个系统中，不同部件的能量传递相互之间都存在 损失，但从总体来看，可以在很大程度上提高汽车的燃油利用率和排放性能，如 果结构选择合理还可以降低能量传递的损失。 2 2 2 混合动力系统的节能原理和制约因素 开发混合动力系统的主要目的是为了满足环保和节能要求。根据整个能量的 利用效率，混合动力相对于传统的燃油汽车而言，能量可以通过以下几个方面节 省下来【1 8 】： ( 1 ) 再生制动能量的回收。混合动力系统在车辆制动时，电动机以发电机模式 工作，将制动能量转化为电能存储到蓄电池中，这样就可以回收部分在传统机械 传动过程中以热量散发掉的能量。 9 混合动力仿古车动力传动系匹配及控制策略的研究 ( 2 ) 车载动力单元( o n b o a r dp o w e ru n i t ，o b p u ) 运行效率更高，可以实现电起 动和消除怠速( 或显著减少) 。混合动力系统通过使用能量存储装置可以吸收o b p u 部分富余功率，也可以直接输出功率来增加驱动功率，从而避免了发动机工作在 低效工作区所导致的能量损失。停车时，控制系统可以使发动机关闭，只用能量 存储装置来提供辅助动力( 用来给车内加热或制冷，动力转向等) ，也可使发动机 在高于怠速的功率范围内运行，用富余的能量给蓄电池充电。当控制系统在停车 时关闭发动机，则混合动力系统可以将电动机作为起动电机使用，从而可以利用 驱动电机低转速和高转矩的性能实现发动机的快速起动。 ( 3 ) 车载动力单元( o b p u ) 体积小，质量轻。由于能量存储装置承担了部分负 载，在一些情况下，o b p u 可以只根据最大持续功率需求来确定其功率的大小， 而不需要考虑加速和爬坡时大功率的需求。因此，混合动力汽车o b p u 的发动机 的额定功率比传统的发动机功率要稍微低一些，这也就意味着发动机一直处于高 效率的范围内运行。同时，发动机的重量减轻也稍微有利于提高燃油经济性。 尽管混合动力汽车有很大的节能潜力，但制约其发挥节能优势的因素依然很 多，主要概括如下： ( 1 ) 整车重量有所增加。尽管混合动力车辆的发动机较同性能传统汽车上的发 动机功率小，质量轻；但是由于蓄电池、电动机和发电机等其他部件重量的增加， 使得整车重量可能比原来的传统汽车的要重一些，当然这还取决于存储能量装置 的选择和车辆性能的要求等。 ( 2 ) 电路损耗。尽管单独的电力传动部件往往在单向流中是高效的，然而在混 合动力中，由于部件繁多，从蓄电池发出的电能要经过控制器，逆变器等电子控 制装置，才能将电能传送到电动机上来驱动车辆的行驶，在整个电能的传送和转 化过程中，存在着各种各样的电能损耗( 导线损耗、能量转换损耗等) 。 2 3 混合动力系统的结构形式分析 2 3 1 串联式混合动力电动汽车 按照辅助动力源( 发动机，发电机组) 功率大小的不刚2 0 1 ，串联式混合动力电动 汽车( s h e v ) 主要有两种典型类型： ( 1 ) 电力主动型s h e v ( 电量消耗型s h e v ) ：发动机功率占整个系统功率的百 分比比较小，不足以维持电池组的荷电状态，因此属于电量消耗型s h e v ，汽车 行驶后的电池组的荷电状态低于初始值，结果仍需要外界的能量源给电池组充电。 ( 2 ) 发动机主动型s h e v ( 电量维持型s h e v ) ：发动机功率占整个系统功率的 百分比比较大，电池组仅提供车辆行驶时的峰值功率，结果在汽车行驶前后，电 池组荷电状态基本维持不变，相应的的车载电池组容量可以选择小一些。 在串联式混合动力驱动系统中，发动机以准稳态模式工作( 发动机在一定扭 硕士学位论文 矩、转速释凌率静王终蠢运露) ，维莱使得发动穰熬效率褥滚挺蹇。实际上，发动 机很难在圃定点工作，只能工作于一个狭窄的区域，该工作区域昀选择要以燃油 消耗最低，排放最低和噪声最低为主要的目标。淌前以通用汽车公司研制和开发 的s e r i e s s h e v 和丰田汽车公闭的c o a s t e r 为典烈代表。串联式混合幼力常用的结 构形式翔黧2 。2 辑示1 2 “。 | 篓塑塑| 苎皇墨h_ l上 匝亘匦丑匹酬) 丫 一糕2 2 睾裴式涅会动宠疆精结捣 串联式结梅形式的能量传递方藏有以下几条路线： 电池组一电动机一驱动轮； 发动机一发电机一电动机一驱动轮； 发动机一发电机一嘏泡组； 驱动孝鑫一窀交凝一魄涎组； 上述的能爨流动路线实际上反映了事联式混会动力汽车酶备耱工作模式。当 汽车起动礅轻载时，为了避开发动机的低效工作隧，此时由电池缀供电，能量流 如所示；幽汽车处于正常行驶过程时，此时发幼机工作于高效率隧域，而且它 提供的能擞掰以满足汽车行驶的需要，能量流动如示：当汽车加速或爬坡时， 发凌瓤豹最大功率不是苏瀵廷汽车戆嚣求，刘鼗嚣雩毫涟缀会提供鼹爨嚣瞧篷功率， 能量流动赣线如示；当汽攀行驶过程当孛，激池组的预先状态低予设定懿下 限值，发动机的最大功率超过汽车行驶的功率需求，则需要发动机在提供汽车行 驶所需功率的同时给电池组充电直到电池组的荷电状态达到预先设定的上限值， 能量流动路线翔示；当汽率减速，制动时，电动机以发电机模式工作，用于回 l | 芟霉生巷l 动戆塞，能量流动路线麴示。 2 - 3 2 并联式混合动力毫动汽车 并联式混合动力电动汽率( p h e v ) 的发动机和电动机是以能鬣疆加的方式驱 动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以独立地向汽车传动系提供扭矩，在 不嚣的路瑟上溉可戳共同驱动又可以单独驱动。摄电动机又可以佟发电机使用， 霞瑟称爻奄溺发毫稼维。鑫予没骞单独夔发毫辍，发动税霹渡塞按逶遗传凄租稳 驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。并联 式混合动力电动汽车其发动机的功率使汽车以菜一速度下稳定行驶时所需功率选 定的，当汽牮在低速或变速工况行驶时，须通道加速踏板和变速器来调节发动机 豹功率输出；嚣在汽车高速行敷时，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率， 混合动力仿古车动力传动系匹目b 及控制策略的研究 这时由控制器控制电动机协助驱动 2 2 1 。并联式混合动力系统有以下三种结构形式。 ( 1 ) 发动机轴动力组合式并联混合动力电动汽车 发动机轴动力组合式p h e v 只有发动机和电动发电机两大动力设备。该结构 的特点是发动机和电动发电机的动力在发动机输出轴上进行组合，然后通过离合 器、变速器、驱动桥和半轴组成的驱动系统带动汽车的行驶；电动发电机的功率 小，发电量小，质量轻属于“低动力”型的动力装置：动力电池组的容量小，以 致动力电池组的质量、体积等都大大降低，整车的整各质量也随之将低。该结构 以本田汽车公司的“远见”( i n s i g h t ) p h e v 为典型代表。其结构如图2 3 示。 图2 3 发动机轴动力组合式并联混合动力驱动结构 ( 2 ) 动力组合器动力组合式并联混合动力电动汽车 动力组合器动力组合式p h e v 只有发动机和电动发电机两大动力设备。该结 构的特点是发动机通过离合器、变速器，在经过动力组合器与电动机相连来驱动 汽车行驶，更趋近于内燃机汽车；驱动电动机通过专门的减速齿轮组，再经过动 力组合器驱动车辆行驶，要求驱动电动机能独立的驱动车辆，因此驱动电动机的 功率与发动机接近；动力电池组的容量要比发动机轴组合式p h e v 的动力电池组 大些，质量也更重一些。该结构以福特汽车公司开发的p t h ( p a r a l l e lt r a n s f e r h y b r i d ) 动力组合器动力组合式p h e v 为典型代表。其结构如图2 4 。 一 广一广一t 厂、 i 发动机h 传动系卜_ 广f) 一一f 丫 眄涵_ 卜叫面丽卜寸i 而h 图2 4 动力组合器动力组合式并联混合动力驱动结构 ( 3 ) 驱动轮动力组合式并联混合动力电动汽车 驱动轮动力组合式p h e v 有发动机和驱动电动机两大动力设备，发动机动力 和驱动电动机又各有本身的驱动系统，各带一组驱动轮。该结构的特点是发动机 是主要的动力源通过离合器、变速器、差速器等驱动车辆的后轮( 或前轮) 行驶。 驱动电动机是辅助动力系统，其功率与发动机的接近，也通过专门的减速器驱动 车辆的前轮( 或后轮) 行驶，与普通电动汽车相似。电池组比发动机轴动力组合式 硕士学位论文 p h e v 豹麓秀电涟缝丈一些，壤爨邈更重一些。该缝稳主要滋交蘩簸赣汽车公司 的c i t a d e l 牌p h e v 为典型代液。其结构如图2 5 。 驱动轮动力组合式并联混合动力电动汽车是最简单的一种并联试混合电动汽 车，应用比较广泛，我们以此来说明并联式混合动力系统的能量流渤路线： 图2 5 驱动转动力组合式并联溅啬动力驱动结构 电池组一电动机一黢速器一驱动耱； 发动爨一交速器一麓遮器一驱动输； 驱动轮一差速器一嗽动发电机一漱漶维； 当汽率起动、轻载行驶时，为了避开发动机的低效工作区，就荧闭发动机， 车辆由电池缀通过电动机单独驱动，能量流动路线如；当汽车正常行驶时，发 动机工作就w 以满足需要，熊擐流动路线如；幽汽车加速或爬坡行驶时，需要 发囊援襄瞧动壤协司王终，憝繁流动跨线为；当汽车藏逮嗣动瓣，奄动辊疆 发电视模式工作，回收车辆褥缴制动髓量，给彀漉组充电，能量流瀚路线为 ； 当车载电池组的荷电状态s o c 低于设定值时，采用外界电源给电池组补充能量。 2 3 3 混联式混合动力电动汽车 混联式混合动力电动汽车( p s h e v ) 包括了串联式帮并联式混合动力系统瓣优 点，主要蠢笈淤穰、毫魏，发毫稳、帮驱囊亳凌狐三大动力设蔷。霹戳设诗为摹辘 驱动，也可以为双轴驱动。程双轴驱动中，车辆前轮与后轮分别与独立的系统相 连，省去了涟接前后车轮的传幼