（模式识别与智能系统专业论文）串联式混合动力电动汽车控制策略及其应用技术研究.pdf

摘要 摘要 能源危机和环境污染是2 1 世纪汽车工业面临的两大挑战，混合动力电动汽 车( h e v ) 有效地结合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优势，成为当前清洁节 能汽车的重要发展方向。本论文以北京工业大学羽毛球运动场馆用清洁节能汽车 研究项目为背景，对串联式混合动力电动汽车( s h e v ) 的控制策略及其应用技 术进行了研究，包括以下四部分内容： 首先从混合比的角度对s h e v 进行了分析研究，在不同混合比下对s h e v 的 百公里油耗、动力性能、蓄电池组工作效率以及行驶性能进行了仿真分析，将 s h e v 混合比划分为3 个区间：综合性能较差的低混合比区，性能较好并且设计 灵活度较大的中混合比区和容易成为电量耗尽型的高混合比区，一般s h e v 产品 均设计在中、高混合比区( 一般高于o 5 ) 以获得较好的综合性能。根据以上分 析结论确定了下文主要研究的两种车型：高混合比的电量耗尽型的辅助混合动力 汽车( a h e v ) 和中、高混合比的电量维持型的串联式混合动力汽车( s h e v ) 。 其次对北京工业大学辅助混合动力i i 型车b j u t - a h e v 的几个重要技术问 题进行了研究，包括：( 1 ) 对动力系统主要部件参数进行了匹配计算，确定了驱 动电机、蓄电池组以及发动机发电机组的功率参数；( 2 ) 在分析b j u t - a h e v 工作模式的基础上选择了串联式的开关式控制策略，并对控制策略进行了仿真实 验：( 3 ) 综合应用测量开路电压和安时积分法来估计水平铅布蓄电池组s o c ， 并实时监测蓄电池组电压和内阻来作为s o c 的约束条件。对b j u t - a h e v 进行 的台架、道路实验结果表明，开发的辅助动力控制系统运行正常，可以有效地补 充蓄电池组电能从而有效地延长车辆的行驶里程。 对北京工业大学串联式混合动力i i i 型车b j u t s h e v 系统参数优化问题进行 了研究，建立了h e v 系统参数优化的非线性数学模型；针对基本遗传算法( s g a ) 收敛效率低的缺陷，提出并开发了一种混合自适应遗传算法( h a g a ) 作为求解 该优化问题的优化算法。运用h a g a 算法对b j u s h e v 的部件功率参数和控制 策略参数进行了优化，获得了较为满意的收敛效果。根据优化结果确定了 b j u f s h e v 发动机发电机组的功率参数。 最后，针对b 砌t s h e v 要求随时可以提供较长纯电动行驶里程的特点，为 北京工业大学工学博士学位论文 将蓄电池组s o c 始终维持在较高水平，设计了一种基于模糊逻辑的控制策略。 该控制策略根据蓄电池组s o c 、s o c 和期望值的偏差以及车辆需求功率和当前 输出功率的偏差实时调整发动机输出功率，以实现将蓄电池组s o c 维持在较高 水平，同时兼顾发动机燃油消耗和排放。对模糊控制策略进行了仿真实验，实验 结果表明，模糊控制策略能较好的实现恒s o c 控制，并且针对不同工况具有较 强的鲁棒性。 本文在以下几方面开展了创新性的工作： ( 1 ) 用混合比分析的方法对s h e v 中蓄电池组和发动机发电机组之间的功 率关系进行了较为系统的研究。根据混合比分析结果将s h e v 混合比划分为3 个区间，并建议s h e v 应设计在中、高混合比区间以获得较好的综合性能。 ( 2 ) 针对h e v 系统参数优化问题，提出并开发了h a g a 算法作为求解该 问题的优化算法。该算法主要在两方面进行了改进：( 1 ) 改进了s g a 的编码方 式和3 个遗传算子；( 2 ) 融合序列二次规划算法( s q p ) 作为一个局部搜索算子。 数值实验结果表明，h a g a 算法既具有较好的全局收敛性能，又具有较快的收 敛速度。对b j u t - s h e v 部件功率参数及控制策略参数优化的结果表明，h a g a 算法对h e v 系统参数优化问题是行之有效的。 ( 3 ) 针对b j u t - s h e v 作为运动场馆用车的特点，设计了一种基于模糊逻辑 的控制策略以实现对功率流的实时分配。仿真结果表明，该模糊逻辑控制策略可 以有效地将蓄电池组s o c 维持在较高水平，同时发动机可以稳定地工作在其高 效率区间中以获得较低的油耗和排放，并且针对不同工况具有鲁棒性。 关键词：混合动力电动汽车；混合比：控制策略：遗传算法；模糊控制 i i a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r et h et w om a j o rc h a l l e n g e sf a c e db y a u t o m o b i l ei n d u s t r yi nt h e213 c e n t u r y e f f e c t i v e l yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so f t r a d i t i o n a li n t e r n a l c o m b u s t i o nv e h i c l ea n de l e c t r i cv e h i c l e ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) h a sb e c o m ea l li m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no fe n e r g y s a v i n g & c l e a n v e h i c l e si nr e c e n ty e a r s b a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c hp r o j e c to f e n e r g y s a v i n g & c l e a nv e h i c l eu s e db yt h e b a d m i n t o ng y m n a s i u mi nb e i j i n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , s h e vc o n t r o ls t r a t e g i e sa n di t sa p p l i c a t i o nt e c h n i q u e sa r e s t u d i e di nt h i st h e s i s t h e r ea r ef o u rp a r t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , s h e vh y b r i d i z a t i o ni ss t u d i e d t h ef u e lc o n s u m p t i o np e r 10 0 k i l o m e t e r , d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，b a t t e r yp a c kw o r k i n ge f f i c i e n c ya n dd r i v i n gp e r f o r m a n c eo fa n s h e va r es i m u l a t e da n da n a l y z e du n d e rd i f f e r e n th y b r i d i z a t i o n s t h r e eh y b r i d i z a t i o n i n t e r v a l sa r ed i v i d e df o rt h ev e h i c l e ：l o wh y b r i d i z a t i o ni n t e r v a l i nw h i c ht h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e si sw o r s t ，m e d i u mh y b r i d i z a t i o ni n t e r v a l w i t hb e a e r c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e sa n dd e s i g nf l e x i b i l i t y , h i g hh y b r i d i z a t i o ni n t e r v a l i n w h i c ht h ev e h i c l em a ye a s i l yb e c o m ec h a r g e d e p l e t i o n c o m m o n l ys h e vi sd e s i g n e d i nt h em e d i u m h i g hh y b r i d i z a t i o n si n t e r v a l s ( g r e a t e r t h a n0 5 ) t o g e tg o o d c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e s 。b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t w om a j o rv e h i c l et y p e s s t u d i e di nt h e f o l l o w i n g t h e s i sa r ed e t e r m i n e d ：h i 曲h y b r i d i z a t i o n a n d c h a r g e d e p l e t i o nv e h i c l et y p ew h i c hi sc a l l e dt h ea u x i l i a r yh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( a h e v ) a n dm e d i u m h i g hh y b r i d i z a t i o na n dc h a r g e - s u s t a i n i n gv e h i c l et y p ew h i c h i s c a l l e dt h es e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( s h e v ) 。 s e c o n d l y , s e v e r a li m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rt h ea u x i l i a r yh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( t y p e i iv e h i c l eo fb e i j i n gu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g y , b j u t - a h e v ) a r es t u d i e d ， i n c l u d i n g ：( 1 ) m a i nc o m p o n e n tp a r a m e t e r sa r em a t c h e df o rt h ed r i v es y s t e mo ft h e v e h i c l ea n dp o w e rp a r a m e t e r so ft h ed r i v i n gm o t o r , b a t t e r yp a c ka n de n g i n e g e n e r a t o r s e ta r ed e t e r m i n e d ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed r i v i n gm o d e s ，a no n o f f c o n t r o ls t r a t e g yi sd e t e r m i n e df o rb j u t - a h e v , a n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r em a d e f o rt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s ( 3 ) o p e nc i r c u i tv o l t a g em e a s u r i n gm e t h o da n da m p e r e - h o u r i i i 北京工业大学工学博士学位论文 m e t h o da r eu s e dt o g e t h e rt oe s t i m a t et h es o co ft h eh o r i z o n t a ll e a da c i db a t t e r yp a c k ， a n dt h ev o l t a g ea n di n t e r n a lr e s i s t a n c eo ft h eb a k e r yp a c ka r em o n i t o r e dr e a l - t i m e l ya s t h ec o n s t r a i n t so ft h es o c t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so nt e s tb e n c h e sa n dr o a d sf o r b j u t - a h e vs h o wt h a tt h ed e v e l o p e da u x i l i a r yp o w e rc o n t r o ls y s t e mw o r k sw e l la n d m a y r e a l i z eh i g he f f i c i e n ts u p p l e m e n tt ot h ev e h i c l ee n e r g ys o u r c e ss oa st oe x t e n dt h e d r i v i n gr a n g ee f f e c t i v e l y t h e n s y s t e mp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n o ft h es e r i e s h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ( t y p e i i i v e h i c l eo fb e i ji n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , b j u t - s h e v ) i ss t u d i e d a n o n - l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh e v s y s t e mp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o np r o b l e m i s p r o p o s e d a i m e da tt h ed e f i c i e n c yo ft h el o wc o n v e r g e n c ee f f i c i e n c yo fs i m p l e g e n e t i ca l g o r i t h m ( s g a ) ，ah y b r i da d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ( h a g a ) i sd e v e l o p e d f o rt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e ms t a t e da b o v e c o m p o n e n tp o w e rp a r a m e t e r sa n dc o n t r o l s t r a t e g yp a r a m e t e r so fb j u t - s h e va r eo p t i m i z e du s i n gh a g aa n ds a t i s f a c t o r y c o n v e r g e n c ee f f e c ta r eo b t a i n e d b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，t h ep o w e rv a l u eo f t h ee n g i n e g e n e r a t o rs e ti sd e t e r m i n e d f i n a l l y , af u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g yf o rb j u t - s h e v i sd e s i g n e dt om a i n t a i nt h e s o co ft h eb a t t e r yp a c ka tah i g hl e v e la l lt h et i m e i ti sb e c a u s eb j u t - s h e vs h o u l d h a v et h ea b i l i t yo fp r o v i d i n gar e l a t i v e l yl o n gp u r ee l e c t r i cd r i v i n gr a n g e a c c o r d i n g t ot h es o c ，t h ed i s c r e p a n c yb e t w e e ns o ca n di t se x p e c t a t i o nv a l u ea n dt h e d i s c r e p a n c yb e t w e e n t h ep o w e r r e q u i r e da n do u t p u to f t h ev e h i c l ea tt h em o m e n t ，t h e e n g i n eo u t p u tp o w e ri sa d j u s t e ds o 蕊t om a i n t a i nt h es o ca tah i g hl e v e l t h ef u e l c o n s u m p t i o na n de m i s s i o n so ft h ee n g i n ea r ea l s oc o n s i d e r e d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a r ep e r f o r m e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y m a yw e l lr e a l i z ec o n s t a n ts o cc o n t r o la n dh a v en i c er o b u s t n e s sf o ro t h e rd r i v i n g c y c l e s t h ei n n o v a t i v er e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u s i n gt h eh y b r i d i z a t i o na n a l y s i sm e t h o dt om a k eas y s t e m a t i cs t u d yo ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb a t t e r yp a c ka n dt h ee n g i n e g e n e r a t o rs e ti n a ns h e v a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h r e eh y b r i d i z a t i o ni n t e r v a l sa r ed i v i d e df o rt h es h e v a s u g g e s t i o n i s g i v e n t h a t t h es h e vs h o u l db ed e s i g n e di nt h em e d i u m h i g h i v a b s t r a c t ! 一一i 一一i l l 鼍苎! 皇! ! ! ! ! 皇! ! 詈! ! 苎暑鼍皇烹! ! ! ! ! ! 詈寡! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! ! ! 皇皇詈! ! ! ! ! ! ! ! 暑! 曼! 皇! = 詈 h y b r i d i z a t i o ni n t e r v a lt og e tb e r e rc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e s ( 2 ) a i m e da tt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo fh e vs y s t e mp a r a m e t e r s ，ah a g a i s p r o p o s e da n dd e v e l o p e da sk so p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t w om e a s u r e sa r et a k e nf o rt h e a l g o r i t h m f i r s t ，c o d i n gm e t h o da n d3g e n e t i co p e r a t o r so fs g a a r ei m p r o v e d s e c o n d ， s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ( s q p ) i si n t r o d u c e da sal o c a ls e a r c ho p e r a t o r n u m e r i c a le x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a th a g ah a sb o t hg o o dw h o l ec o n v e r g e n c e a b i l i t ya n df a s tc o n v e r g e n c es p e e d o p t i m i z a t i o nr e s u l t so ft h ec o m p o n e n tp o w e r p a r a m e t e r sa n dc o n t r o ls t r a t e g yp a r a m e t e r so fb j u t - s h e vs h o wt h a th a g ai sa l l e f f e c t i v ea l g o r i t h mf o rt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo fh e v s y s t e mp a r a m e t e r s ( 3 ) af u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g ya i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb j u t - s h e v u s i n ga sag y m n a s i u mv e h i c l ei sd e s i g n e dt or e a l i z et h er e a l t i m ep o w e rs p l i t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g yc a l le f f e c t i v e l ym a i n t a i n t h es o ca tah i 曲l e v e l t h ee n g i n em a yr u ni ni t sh i g he f f i c i e n c yr a n g e s t e a d i l yt og e t l o wf u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s a tt h es a m et i m e ，t h ef u z z yl o g i cc o n t r o l s t r a t e g yh a sr o b u s t n e s sf o ro t h e rd r i v i n gc y c l e s ， k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h y b r i d i z a t i o n , c o n t r o ls t r a t e g y , g e n e t i c a l g o r i t h m ，f u z z yl o g i cc o n t r o l v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业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。 关于论文使用授权的说明 刎彦孑 本人完全了解北京工业大学有关保留、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) 日期：砷务c o 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 开展混合动力电动汽车研究的意义 1 1 12 1 世纪汽车工业面临的挑战 自1 8 8 6 年第一辆内燃机汽车诞生，至今已有1 2 0 多年历史。汽车已成为现 代文明不可缺少的重要部分，汽车工业已成为现代经济的支柱产业。美国国家工 程院评出2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就中，第一项是”电气化”，第二项就 是”汽车”。美国麻省理工学院出版过一本名为改变世界的机器( t h em a c h i n et h a t c h a n g et h ew o r l d ) ) ) 的书，很有说服力地论述了汽车的出现对社会经济、科技、 文化的巨大影响。一句话，汽车的出现改变了世界i j j 。然而，随着全球汽车保有 量的急剧提高，传统内燃机汽车所带来的能源和环境污染问题日益严重，能源短 缺和环境污染是2 1 世纪汽车工业面临的两大挑战【2 j 。 1 1 1 1 能源危机 截至2 0 0 7 年1 月份，据国际能源机构( i e a ) 统计表明，世界石油总存储量 为1 3 1 7 4 亿桶，其中中国存储1 6 0 亿桶。石油存储地区分布如图1 - 1 3 1 。 b 雕i o n8 a 并e 姆 图1 1 截至2 0 0 7 年1 月1 日探明的世界石油存储地域分布图 f i g u r e1 - 1w o r l dp r o v e do i lr e s e r v e sb yg e o g r a p h i cr e g i o n 镐o fj a n u a r y1 ，2 0 0 7 目前世界上各种汽车的保有量超过8 5 亿辆，每年新生产的各种汽车约6 4 0 0 辆，预计到2 0 2 0 年全球世界汽车保有量将达到1 2 亿辆，主要增幅来自发展中国 家。按平均每辆汽车年消耗l o 一1 5 桶成品油计算，汽车的石油消耗量每年达 8 5 1 2 7 亿桶，约占世界石油年产量的一半以上。石油的开采每年达到几十亿吨， 经过长时期的现代化大规模开采，石油资源日渐枯竭，按科学家预测，地球上的 北京工业大学工学博士学位论文 石油资源如果按目前的消耗水平，仅仅可以维持6 0 1 0 0 年。2 1 世纪以来，石油 价格的上涨已对世界经济的发展形成了巨大的威胁，人类将面临更加严峻的石油 资源的危机和挑战。 新中国的汽车工业经历了从无到有的发展历程。特别是在最近的十年里，我 国汽车工业处于快速发展的阶段，汽车的产量和保有量大步攀升。1 9 9 4 年的汽 车产量达到了1 3 8 万辆，汽车保有量为1 0 0 0 万辆；2 0 0 2 年中国汽车产量达到了 3 2 5 1 万辆，保有2 0 0 0 万辆，产量位居世界第五位；2 0 0 3 年汽车产量达4 2 0 万 辆：2 0 0 5 年汽车产量达5 7 1 万辆，产量居世界第四位：2 0 0 6 年达到7 2 8 万辆， 产量居世界第三位。据预测，中国在2 0 2 5 年成为世界上汽车产量最大的国家。 目前中国汽车保有量为3 0 0 0 万辆，年耗油约8 0 0 0 万吨，也就是说，目前中国汽 油年产量的8 0 ，柴油年产量的2 0 将被汽车消耗掉。 我国从1 9 9 4 年成为石油进口国，当年进口石油2 0 0 0 万吨左右，2 0 0 0 年我国 进口石油7 0 0 0 万吨，2 0 0 6 年翻了一番，石油进口达到1 4 6 1 8 万吨，预计2 0 2 0 年我国石油进口量有可能超过日本，成为亚太地区第一大石油进口国。国务院发 展中心预测，预计到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，我国汽车消耗石油为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，约占全国石油总消耗量的4 3 和6 7 i 训。i e a 预测，到2 0 3 0 年，中国原 油进口将增长3 倍，对外依存度达到8 0 。因此能源危机是我们必须面对的重要 问题。 1 1 1 2 环境污染 内燃机汽车同时严重危害着自然环境。有关资料显示，城市大气中c o 的 8 2 ，n o x 的4 8 ，h c 的5 8 和微粒的8 均来自汽车的排放。我国许多城市 的生态环境受到汽车排放污染的严重威胁，目前世界上2 0 个污染最严重的城市 1 6 个在中国。据北京环保部门的测定：市区大气污染在夏季的6 7 和冬季的3 0 是由汽车造成的。据国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染 源的6 4 j 。 汽车噪声同样危害着人们的生存环境。在大城市中，汽车所产生的噪声几乎 是2 4 小时不停息，给城市人们的生活、休息和睡眠带来极大影响。 人类生存空间的恶化促使世界各国制定和执行越来越严格的汽车排放法规。 1 9 9 7 年1 2 月，全球气候变化条约国第三次缔约国会议( c o p 3 ) 在日本京都召 开，会议通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定 书。该书规定，到2 0 1 0 年所有发达国家c 0 2 等6 种温室气体的排放量，要比 1 9 9 0 年减少5 2 。具体说，各发达国家从2 0 0 8 年到2 0 1 2 年必须完成的消减目 标如表1 1 1 6 1 。 第1 章绪论 表1 - 1 世界主要国家需要降低的排放量 t a b l e1 1e m i s s i o n sn e e dt or e d u c ei nt h em a i nc o u n t r i e sa n da r e a so f t h ew o r l d 欧盟 美国日本加拿大东欧 8 7 6 6 5 8 我国汽车工业制定的汽车尾气排放目标如表1 - 2 6 1 。 表l - 2 美国、欧洲及中国对汽车尾气排放的限制法规与标准 t a b l e1 - 2v e h i c l ee m i s s i o n sr e g u l a t i o n sa n ds t a n d a r d s m a d eb yu s a 。e u r o p ea n dc h i n a 实施年代1 9 9 21 9 9 41 9 9 62 0 0 02 0 0 22 0 0 52 0 0 82 0 1 0 美国联 1 9 9 0u se p a 法规1 9 9 4 u s2 0 0 4u s 邦法规 e p a 法规e p a 法规 欧洲标准 欧i 欧i i 欧i欧欧v 中国 g b l 4 7 6 1 相当于相当于相当于欧i与国际 ( 1 7 ) 9 3欧i欧i i 同步 为解决能源危机和环境污染两大挑战，开发新一代的清洁节能汽车成为必然 趋势。 1 1 2 混合动力电动汽车的节能和环保优势 传统内燃机汽车技术已经非常成熟，通过技术更新来提高内燃机汽车的燃油 经济性和降低排放变得非常困难，在这种情况下，电动汽车凭借其在节能环保方 面的优势而迅速成为各国开发新一代清洁节能汽车的主流。电动汽车使用的能源 是可以用于发电的一切能源，如图1 2 ，因此使用电动汽车可以摆脱汽车对石油 资源的依赖。 圆圆 圈 囤 一臣囹 圈囤 图1 - 2 电动汽车能源的多样化 f i g u r e1 - 2d i v e r s i f i c a t i o no ft h ep o w e rs o u r c ef o re l e c t r i cv e h i c l e 电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。电动汽车 一般可以分为3 类：纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) ，燃料电池汽车( f u e lc e l l 北京工业大学工学博士学位论文 e l e c t r i c v e h i c l e ，f c e v ) 和混合动力电动汽车( h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ，h e v ) 。 e v 采用蓄电池组作为动力供应装置，能量转换效率高，无尾气排放，是最能满 足需要的汽车，但由于受蓄电池技术的限制，e v 的续驶里程较短，目前只能达 到1 0 0 - 2 0 0 公里，无法与传统内燃机汽车相比。f c e v 受到相关技术发展的限制， 达不到产业化的要求。在这种情况下，h e v 成为一种具有产业化前景的方案。 纯电动汽车e v 具有以下的缺点【7 】 ( 1 ) 低的电池能量密度。汽油的能量密度是1 2 0 0 0 w h k g ，而目前的铅酸电池 的能量密度不足4 0w h k g 。近年来其他类型的电池，如：镍氢电池，锂 离子电池等的开发虽然有进展，但他们不同程度的在价格、性能、工艺 等方面欠成熟，近期无法大批进入市场。 ( 2 ) 过重的电池组。虽然在车身设计方面采取了减轻整车质量的技术，但是 电池组过重的自身质量会使一部电动汽车的总质量较同样大小的内燃机 汽车高出2 0 - - 3 0 。 ( 3 ) 有限的续驶里程与汽车的动力性能。电池的能量密度低，电池组的质量 过大，因此，即使电动汽车动力系统的效率很高，其续驶里程和动力性 能也无法达到当前燃油汽车的水平。 ( 4 ) 电池组昂贵的价格和有限的寿命。一部载容量2 0 人的轻型电动客车电池 组的价格高达2 万元人民币，而在内燃机中油箱的成本不过几百元。以 现有的电池循环使用寿命计算，电动汽车行驶4 万公里后就需要更换电 池，这个运行成本是难于接受的。 ( 5 ) 汽车附件的使用受到限制。由于电动汽车所携带的电能有限，所以在车 上对电能的使用必须注意节省，车内空调和暖风的选用必须充分考虑其 对汽车续驶里程的影响。除此之外，动力转向、真空助力器、主动悬架 以及其他一些车载电器的使用也受到限制。因而电动汽车上乘员的舒适 性受到影响。 较之e v ，h e v 具有如下优点【8 】： ( 1 ) 由于有原动机作为辅助动力，电池的数量和质量减小，因此汽车自身重 量可以减小。 ( 2 ) 汽车的续驶里程和动力性能可达到内燃机汽车水平。 ( 3 ) 借助原动力的动力，可带动空调、真空助力、助力转向及其它辅助电器， 无需消耗电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。 ( 4 ) 技术相对成熟，可以实现产业化。 f c e v 虽然前景被看好，但也存在着氢能获取不易、续驶里程短、价格高、 基础设施建设庞大以及安全性差等诸多缺点，短期内不能产业化。 相对于传统内燃机汽车和e v ，h e v 具有许多显著特点，有效地结合了二者 第1 章绪论 的优势，淡化了两者的缺点。成为一种理想的环保汽车过渡产品。h e v 具有如 下特点： ( 1 ) h e v 具有节能优势。h e v 可以控制其发动机、蓄电池组和电机在不同工 况下尽可能工作在其最优效率区，同时，可以控制发动机的开关，取消 发动机怠速运转，并可以回收制动能量，将机械能转化为电能存储，因此 具有明显节能优势。h e v 比传统内燃机汽车节约燃油3 0 5 0 ，在同 等条件下，比e v 节约电能7 0 - 0 0 。 ( 2 ) h e v 具有很好的排放性能。h e v 具有多种工作工况，在排放限制较严格 的地区可采用纯电动工作方式，实现零排放运行。h e v 由于具有两套( 以 上) 的能源系统，因此其原动机功率一般较小，并且可以取消怠速工况， 有效的降低了排放水平。 ( 3 ) h e v 具有很好的续驶里程和动力性能。可利用现有设施，h e v 的续驶里 程和动力性能可达到传统内燃机汽车水平，一次充满油、电后可使续驶 里程提高到5 0 0 10 0 0 公里左右。 ( 4 ) 驾驶人员的操作与传统车无太大差异。 表1 3 是e v 、f c e v 、h e v 和传统内燃机汽车相关性能的比较【9 】，可见，目 前阶段开发混合动力电动汽车是缓解环境和能源危机的较好选择。 表1 3 不同能源汽车的比较 t a b l e1 3c o m p a r i s o na m o n gv e h i c l ew i t hd i f f e r e n te n e r g ys o u r c e s 项目内燃机汽车 e vf c e vh e v 尾气排放 1 0 0oo4 0 6 0 燃油消耗 1 0 0 oo4 0 - 6 0 行驶里程 1 0 03 0 5 03 0 一5 01 0 0 成本 1 0 03 0 0 - 4 0 0 1 0 0 01 3 0 1 6 0 能量来源种类少多较少多 能量转换率 低 高高较高 高效工况区范围 窟 窟 宽较宽 再生制动无有有有 产业化前景已经实现暂时不能实现暂时不能实现可以实现 北京工业大学工学博士学位论文 1 2 国内外混合动力电动汽车发展概况 1 2 1国外开发动态及典型产品介绍 进入2 0 世纪9 0 年代以来，美国、日本以及欧洲的许多汽车生产商相继开始 生产电动汽车或者涉及电动汽车领域。美国的通用、福特、克莱斯勒、美国电动 汽车公司等在电动汽车的发展中起着很重要的作用。在日本，几乎所有的汽车生 产商，如丰田、尼桑、本田、马自达、大发、三菱、铃木、五十铃汽车公司都制 定了自己的商业化电动汽车计划。欧洲的许多国家，尤其是法国、德国、意大利 和英国都制定了进入电动汽车市场的发展计划。 从1 9 9 5 年开始，世界各国纷纷将对电动汽车的研究进行了重新定位，由原 来的纯电动汽车转移为混合动力电动汽车。2 0 0 0 年在美国举行的北美国际汽车 展示会上，国际各大汽车生产厂商一共展示了2 3 款混合动力电动汽车。其中1 3 款是发动机和电动机混合动力汽车，另外十款是燃料电池和电动机混合动力汽 车。 美国：美国的h e v 项目于1 9 9 3 年正式启动。此项目为美国能源部( d o e ) 与美国三大汽车公司：通用、福特和戴姆勒一克莱斯勒的合作计划，为期5 年， 研究费用分摊。三大公司的目标是：1 9 9 8 年生产出切实可行的h e v 推进系统， 2 0 0 0 年推出第一代h e v 原型车，2 0 0 3 年推出可供市场需求的h e v 。1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美 国”新一代汽车合作伙伴计划”( 称为p n g v 计划) ，旨在开发新一代高效节能汽 车【1 0 l 。2 0 0 2 年9 月，布什政府制定了f r e e d o m c 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。f r e e d o m c a r 计划集中于f c e v 的研 究，不同于p n g v 计划的重点还有柴油混合动力汽车，不仅面向中型家用轿车， 而且面向所有轿车和轻型卡车。随着p n g v 和f r e e d o m c a r 计划的实施，三大 汽车纷纷推出了各自的原型车或概念车，并重点投入开发商品化的h e v 。 通用汽车公司非常重视h e v 的开发，已经研制了3 种类型的混合动力系统， 可应用于从轻型到重型的各种车型。为重型车辆开发的e ps y s t e m 混合动力系统， 已经在混合动力客车上得到应用并批量生产。强混合并联混合动力系统p t h ， 用于g m cs i e e r r a ，于2 0 0 4 年上市。戴姆勒一克莱斯勒也推出了具有自己专利技 术的混合动力系统，命名为t t r ( t h r o u g h t h e r o a d ) 。值得一提的是，美国最新 研制的超级军车s m a r t t r