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某款混合动力汽车关键技术研究 摘要 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 ，简称h e v ) 是采用内燃机与电动 机混合而成的复合多能源作为整车的动力系统的汽车。相对于传统汽车而言，混合动 力电动汽车在保证汽车行驶动力需求的情况下，有效地解决了能源短缺和环境污染问 题，在未来具有着广阔的发展前景。 本文以某款混合动力电动汽车为研究对象，在分析串联式、并联式和混联式三种 混合动力系统优缺点的基础上，选择了i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) 并联式混 合动力系统作为该款混合动力汽车的结构方案，并进行了发动机、电机、动力电池等 关键总成部件的技术参数匹配。 针对所确定的各关键总成部件，对其进行特性研究，在m a t l a b s i m u l i n k 的环境 下，建立整车后向仿真模型。其中包括汽车动力学模型、传动系模型、发动机模型、 电机模型和动力蓄电池模型，为整车控制策略研究提供了必要的仿真平台。 设计了该款混合动力汽车的开关门限值控制策略，建立了控制策略的模型，并利 用整车后向仿真模型对控制策略进行仿真研究，仿真结果表明，该控制策略在满足整 车动力性的基础上，使整车的燃油经济性得到了有效地提高。 构建了混合动力系统的模块式试验台架，在该试验台架上对本课题研究的混合动 力系统进行起动工况、并行驱动工况和发动机驱动发电三种典型工况试验，然后对整 车进行室外的路上动力性与经济性试验。试验结果表明：整车动力性符合设计目标， 整车的经济型具有明显的改善。进一步验证了混合动力系统的参数匹配和控制策略设 计的合理性。 论文最后归纳了本课题研究的主要工作与创新点，并对混合动力汽车进一步的研 究和探讨提出了展望。 关键词：并联式混合动力汽车 参数匹配建模仿真控制策略试验 a s t u d y o nk e y t e c h n o l o g eo f ah y b r i de l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t i 。h ed r i v es y s t e mo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei s c o m p o s i t e do fg a se n g i n ea n d e l e c t r i ce n g i n e c o m p a r e do fp r e v i o u sv e h i c l e ，h y b r i de l e c t r i cv c h i c l e c a nd r i v o d e t h er u np o w e r ，b u ta ls oc a n h e l pr e s o v ee n e r g ys c a r c i t ya n de n v i r o n m e n tp o l lu t i o n s oi th a sab r i g h tf u t u r e t h i sp a p e r s a n a l y s i si sb a s e do na h y b r i de l c t r i cv e h i c l e ib r i n gf o r w a r d i n t e r g r i t y v e h i c l eh y b r i de l e c t i r cd r i v ei s g p a r a l l e lc o n n e c t i o nd i s t r i b u t i o nm e t h o d a n dih a v ed e s i g n e de n g i n e ，e l e c t r i ce n g i n e ，d i r v eb a t t e r i e sa n do t h e rt e c h n 0 1 0 9 v m a t h i n gp a r a m e t e r s 。 a c c o r d i n gt oa l la s s e m b l i e s p a r a m e t e r si np r e l i m i n a r ys c h e m e ，ie s t a b l i s h e d m a t h e m a t i cm o d e l so fa l la s s e m b l i e sa n di n t e r g r i t y v e h i c l e ，a n d p u t e df o r w a r d e n e r g ya s s i g n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g ya i m e da ta h y b r i de l e c t i r cv e h i c l e sc o n t r 0 1 o b je c t sa n dm a i nt e c h n o l o g yt a r g e t s 1a n a l y s i z e dt h ed r i v es y s t e mp a r a m e t e r su s i n g m a t l a b s i m u l i n ke m l u a t o r a n d t h er e s u l t si n d ic a t e st h a tt h ep o w e ra n de c o n o m i cc h a r a c t e r s a r ea c c o r d a n tt o h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ss t a n d a r d s u po nt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ep l a t f o r m ，it o o kt h ee x p e r i m e n t so fe n g i n e e l e c t r i ce n g i n ea s s e m b i l i e s ，h y b r i de l e c t r i cs y s t e m ，p a r a l l e ld r i v ea n de n g i n ed r i v e ia l s ot o o kt h ee x p e r i m e n t so fv e h i c l eo no u t s i d er o a d ，i n o r d e rt oc h e c kt h e e c o n o m l cc h a r a c t e r i s t i c s t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t e ：t h ev e h i c l e ，d o w e ri s u pt ot h em u s t a r da n dt h ee c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l eh a sb e e ni m d r o v e d m u c nm o r e ，a n da l s o e x p e r i m e n t se v i d e n c e sp r o v e dt h er a t i o n a l i t yo ft h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ec o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o ls v s t e m a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h ec o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c ha n dt h ei n n o v a t i o n p o i n t sa r ep r e s e n t e d ，a n de x p e c t a t i o no nf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti s a l s o p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：p a r a l l e lh y b r i de i e c t r i cv e h i c l e ，p a r a m e t e rm a t c h i n g ，m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g y ，e x p e r i m e n t 插图清单 图卜1 “十一五”电动汽车“三纵三横”的研发布局4 图2 一l 串联式混合动力系统9 图2 2 并联式混合动力系统9 图2 3 混联式混合动力系统10 图2 4 并联i s g 混合动力结构形式1 l 图2 5 混合动力汽车混合度划分。12 图2 6t j 3 7 6 q e 发动机万有特性曲线14 图2 7l o k w 永磁同步电机效率图1 4 图3 1 前向仿真流程图18 图3 2 后向仿真流程图18 图3 3 某款混合动力汽车动力系统示意图19 图3 4 车辆整车受力图2 0 图3 5 车辆动力学模型2 1 图3 6 变速器换挡规律曲线2 2 图3 7 变速器换挡规律模型2 3 图3 8 一档升二档换档规律模型2 3 图3 9 变速器档位逻辑控制模型2 4 图3 10 传动系模型。2 5 图3 11 发动机模型2 7 图3 一1 2 电机模型2 8 图3 1 3 电池电气部分简图2 9 图3 1 4 电池充放电时开环电压曲线3 0 图3 一l5 电池内阻曲线3 0 图3 16 电池充放电效率3 0 图3 17 电池模型31 图4 1 控制策略的设计循环过程3 3 图4 2 发动机驱动并发电能量流向3 4 图4 3 发动机单独驱动能量流向3 4 图4 4 发动机电机并行驱动能量流向。3 4 图4 5 能量回馈工况能量流向3 4 图4 6 发动机经济工作区3 5 图4 7 基本规则型控制策略主程序流程3 6 图4 8 逻辑门限值控制策略模型3 7 图4 9 混合动力汽车整车仿真模型一3 8 3 图4 1 0u d d s 工况示意图。3 9 图4 - 11 需求转矩3 9 图4 - 1 2 发动机转矩4 0 图4 - 1 3 电机转矩4 0 图4 - 1 4 动力系统转速4 0 图4 1 5 传动比4 0 图4 1 6 需求车速和实际车速4 1 图4 1 7 电池s o c 曲线4 1 图4 1 8 发动机工作点4 1 图4 1 9 油耗曲线4 1 图5 - 1 混合动力系统测试平台的组成5 0 图5 - 2 混合动力汽车试验台架5 0 图5 3 台架信号采集系统5 1 图5 - 4 控制系统结构51 图5 - 5 试验台架冷却系统5 2 图5 6t e s ts t a r s 典型显示界面5 2 图5 7 道路加载软件r l s 界面5 3 图5 8 起动工况发动机转速i 5 3 图5 - 9 起动工况电机转矩5 3 图5 1 0 起动工况蓄电池放电电流5 4 图5 - 1 1 起动工况蓄电池电压5 4 图5 1 2 起动工况蓄电池s o c 状态5 4 图5 1 3 并行驱动工况车速图。5 5 图5 - 1 4 并行驱动工况合成输出转矩5 5 图5 1 5 并行驱动工况i s g 电机转矩5 5 图5 1 6 并行驱动工况蓄电池s o c 状态5 5 图5 一1 7 驱动发电工况车速图5 6 图5 一1 8 驱动发电工况i s g 电机转矩图5 6 图5 1 9 驱动发电工况的合成输出转矩5 6 图5 2 0 驱动发电t 况s o c 变化图5 6 图5 2 1 原地加速之速度变化曲线5 8 图5 2 2 原地加速之距离变化曲线5 8 4 表格清单 表1 - 1 中国电动汽车项目研究成果现状5 表2 - 1 某款混合动力汽车的状态参数1 l 表2 - 2 某款混合动力汽车动力性能设计目标1 1 表2 - 3 动力系统功率计算结果1 3 表2 - 4 发动机技术参数。1 3 表2 - 51 0 足w 永磁同步电机参数1 4 表2 - 6 各种车型的蓄电池电压等级统计结果1 5 表2 7 动力电池技术参数1 6 表2 8 传动系速比参数表1 7 表4 - 1 动力总成工作模式3 3 表4 - 2 道路循环参数及模拟的混合动力汽车数据3 9 表4 - 3 燃油经济性对比4 2 表5 - 1 最高车速试验结果5 7 表5 - 2 加速性能试验结果。5 8 表5 - 3 某款混合动力汽车经济性试验5 9 表5 - 4 配置相当的某传统燃油汽车经济性试验5 9 表5 5 整车动力性试验结果与设计要求的比较5 9 表5 - 6 整车经济性试验结果与设计要求的比较5 9 5 独创性声明 本人声明所提交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作以及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方，论文中不包含其他人己 经发表的研究成果，也不包含为获得金壁王些塞堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所作的任何贡献均已经在文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位做储躲德砖签字吼冲多月了日 学位论文版权使用说明书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：庐一年，v j 毛笔。南鸟 月7 日 i 导师签名：1 犰南力 签字蹴1 年月7 日 致谢 本论文是在导师张炳力副教授的精心指导下顺利完成的，在此谨向张老师致以最衷 心的感谢和最真挚的敬意! 自2 0 0 6 年9 月入学以来，张老师无论在学业还是在生活上都 给了我悉心的指导和关怀。为我创造了良好的科研条件和学习环境，让我能够很快地进 入到硕士生的科研生活。正是这几年的硕士生活拓展了我的知识面，提升了我的理论水 平，同时锻炼了我的科研实践能力，我所取得的每一点进步都浸注了张老师的心血和汗 水。张老师治学严谨、诲人不倦、平易近人的作风，宽广的知识面、活跃开阔的思维， 对问题敏锐的洞察力，对学科前沿的把握，对汽车产业高瞻远瞩的认识以及忘我的敬业 精神每时每刻都激励着学生不断地开拓和进取。同时，张老师积极负责、身先士卒的工 作态度和作风使我受益匪浅、终生难忘。 衷心感谢张冰站、张平平、徐德胜等研究生在学习上对我无私的热情指导与帮 助。 衷心感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学、朋友们。 感谢家人对我精神上和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 作者：徐小东 2 0 0 9 年4 月 1 1 课题研究的背景与意义 第一章绪论 汽车自诞生1 0 0 多年来，其发展速度不断加快，与人们生活的联系也越来越紧密。 汽车已经不再是一个简单的代步和运输工具，它已经成为许多人的生活必需品和文化 生活的一部分。汽车的普及程度和技术水准甚至已经成为一个国家或地区现代化程度 的标志。随着全球汽车工业的发展，汽车的产销量和保有量逐年增加，同时也带来 了能源消耗、环境污染等许多负面影响。传统汽车对石油资源的需求，对生态环境的 影响也越来越大。更严重的是，汽车排放尾气中的二氧化碳对气候变暖有着很大的影 响；汽车排放物中的氮氧化合物、一氧化碳、碳氢化合物和颗粒排放物等有害物质， 对人类的生态环境都将产生不利的影响。每年汽车排放的有害气体约有2 亿吨以上， 约占大气污染总量的6 0 ，汽车已经是世界公认的大气污染的“头号杀手”。为此，各 国制定了一系列十分严格的排放法规，要求汽车生产厂家设法减少汽车排放，开发无 污染和超低污染的汽车。 面对世界能源匮乏，油价高居不下，环境污染日趋严重的现实，节油环保型汽车 便成为社会关注的焦点，新能源汽车的开发和应用也就成了世界范围内的新课题和大 趋势。 在诸多新能源解决方案中，混合动力汽车是目前成功实现产业化的有效途径之一 怕。混合动力汽车既具有内燃机动力性好、工作时间长的优点，又具有纯电动车低尾 气污染和低噪声的好处，达到了发动机和电动机的最佳匹配。由于混合动力系统本身 具有充电功能，因此不需要建设配套的充电基础设施，另外混合动力汽车上蓄电池的 要求，与纯电动汽车相比也大大降低。因此混合动力汽车在技术、经济和环境等方面 都具有很好的综合优势。 早在1 9 9 5 年，丰田公司就成功地开发了实用型混合动力轿车普锐斯”。，并于1 9 9 7 年就开始了规模生产并销售。普锐斯的成功，使人们对混合动力汽车的产业化看到了 胜利的曙光，加上高油价以及国家政策上的导向，各国的汽车制造企业和相关研究机 构都加大了投入力度，把研究降低排放技术和开发绿色环保汽车作为自己的立足之本 和生存之道。目前，世界上各大汽车公司都看好混合动力汽车，并相继开发各种混合 动力汽车产品，以便在未来的竞争中处于有利地位。专家认为，混合动力汽车的研发， 已不再是汽车工业的一次简单的技术革新，而是一次全新的汽车工业革命。 国外电动汽车的研究开发已有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发展是最 近十余年时间，而混合动力汽车的研究开发也就近十年的时间。我国的传统汽车工业 还落后于当代世界先进水平。同时我国的石油资源比较匮乏，从1 9 9 3 年开始，我国 已经从石油出口国转变为石油进口国。并且对石油进口的依赖性越来越强，每年都从 中东地区等地区进口大量石油。据海关总署数据显示，2 0 0 6 年我国进口石油1 7 亿吨， 2 0 0 7 年，石油进口量达到1 8 4 亿吨，2 0 0 8 年进口石油量已突破2 亿吨。能源形势日 趋严峻。在目前状况下，发展我国的汽车工业，应当顺应当今科技发展的趋势，着眼 于能源与环保两大主题，把握时机，加大混合动力汽车的研究与开发，这是实现我国 汽车工业跨越式发展的战略性选择。因此，充分利用现有条件，整合研究、设计、制 造力量，解决混合动力汽车的各种关键技术，具有重要意义。 1 2 混合动力汽车的国内外发展概况 世界各发达国家政府及各大汽车公司都非常重视混合动力汽车的研究与开发，欧 美及日本的各大汽车公司早在2 0 世纪8 0 年代就纷纷投入力量进行混合动力汽车的研 发。己开发出了多种类型的概念车，有的已经开始量产并销售，下面具体介绍一下当 前世界各国研制混合动力汽车的技术发展状况4 。10 i 。 1 2 1 国外研究概况 ( 1 ) 美国 早在1 9 8 8 年，美国的汽车业开始在非竞争基础下，进行混合动力汽车的技术合 作研究与开发。1 9 9 2 年，美国三大汽车公司通用、福特和戴姆勒克莱斯勒联手成立了 美国汽车研究理事会( u n i t e ds t a t e sc o u n c i lf o ra u t o m o b i l er e s e a r c h ，u s c a r ) ， 在汽车技术的研究与开发上结成战略联盟，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 。 此项目的总体目标是研究开发出具有单一汽油车两倍的燃油经济性、同时拥有与单一 汽油车相当的动力性、安全性和成本的混合动力汽车。1 9 9 3 年9 月，美国总统克林顿 与美国三大汽车总裁在华盛顿宣布：美国政府将与三大汽车公司合作进行一项推动美 国汽车技术革命的合作计划，即新一代汽车合作伙伴计划( t h ep a r t n e r s h i pf o ra n e w g e n e r a t i o no fv e h i c l e s ，p n g v ) 。p n g v 计划成立的目的在于加强美国联邦政府关于 发展汽车环保能源开发，以减少汽车有害气体的排放，降低废料和废物，改善生活环 境质量、并且提高汽车燃料效率，以减少石油进口，降低外贸赤字。除此之外，提高 车辆技术领导地位，改善汽车工业竞争能力亦是其主要目的之一。 目前p n g v 计划的执行情况是，1 9 9 7 年，p n g v 计划完成了新一代汽车的技术选择， 经过充分酝酿，认真筛选，现在确定了轻质材料、混合动力、高性能引擎和燃料电池 为p n g v 的技术主要方向。而且，在美国的4 7 个州的2 1 个联邦实验室，5 l 所大学中， 共有1 2 0 0 多个p n g v 的研究项目正在进行中，p n g v 计划已经使美国形成了一个全国的 汽车技术创新的国家行动。目前已推出克莱斯勒公司的e s x 3 、福特公司的p r o d i g y 等具有代表性的混合动力汽车产品。 ( 2 ) 欧洲 欧洲很早就介入了混合动力汽车的研究，奔驰公司自从1 9 8 2 年就开始研制各种 类型混合动力汽车。奥迪公司最早在1 9 8 9 年就开发了混合动力轿车a u d i1 0 0 ，其电机 可提供1 2 6 匹马力，2 年后其又开发出了第2 代产品，电动机可提供2 8 6 匹马力。 2 1 9 9 7 年，奥迪开发了a 4a v a n t 混合动力汽车，由1 9 l 排量9 0 马力的t d i 柴油机驱 动，电动机可产生2 9 匹马力，共同驱动前轮。欧洲汽车制造厂商不但自己开发，还 实现强强联合，在2 0 0 5 年8 月，宝马公司就加入了戴克与通用公司联合开发的混合 动力汽车计划，3 家联合了他们的技术优势以加快混合动力汽车的开发。决心用最先 进的汽油直喷发动机打造混合动力汽车。 欧洲混合动力汽车与日美模式不同，日本最常见的是在小排量发动机上匹配电子 马达系统，在北美的混合动力s u v ( s p o r t su t i l i t yv e h i c l e ，运动型多功能车) 上 见到的动力源也同样是带可变进气的常规发动机，而欧洲在动力源上则倾向于使用柴 油发动机或直接采用最新的汽油直喷发动机，再配上混合动力系统，使整个系统的动 力性与经济性都得到明显改善。 ( 3 ) 日本 日本汽车保有量占全球第二位，由于人口密集，国土狭小，石油1 0 0 依赖进口。 因此，日本对电动汽车、混合动力汽车的研发十分重视。早在1 9 9 2 年，日本政府就 宣布将允许投放市场2 0 万辆电动车的计划，但是没有实现；2 0 0 1 年7 月，日本开展 了“低公害车开发普及行动”，将电动汽车与混合动力汽车列为重点开发的低公害汽 车之列，并制定了专门的政策，以促进电动汽车、混合动力汽车的普及应用；2 0 0 2 年提出从2 0 0 5 年开始大幅度限制尾气排放，制定了新长期排放限制的标准，准 备用于2 0 0 5 年以后销售新车的一项排放法规；2 0 0 2 年2 月2 6 日，日本中央环境审议 会大气环境领域的一个专门委员会提出了一份将要纳入这项法规的尾气排放标准的 咨询提案。这项提案的内容包括将颗粒状物质( p m ) 含量比现行标准的要求最大削减 8 5 ，将氮氧化物( n o x ) 削减5 0 等一些内容，该法规的实施将进一步推动电动汽车、 混合动力汽车的发展。按照目前的发展速度，预计在2 0 1 0 年将达到2 1 0 万辆。 日本的丰田是全世界第一台正式批量生产的混合动力汽车的制造者，自从1 9 9 7 年开始，p r i u s 就开始在日本销售，2 0 0 0 年起便在北美、欧洲及世界各地公开发售。 到了2 0 0 1 年，丰田又在日本推出了e s t i m a 混合动力小货车、使用弱混合动力的皇冠 豪华小轿车和d y n a 混合动力轻型货车。在2 0 0 9 年1 月1 2 日底特律举行的北美国际 汽车展上，丰田公司又推出了新一代p r i u s 混合动力车，该款新车搭载锂电池，其节 油性能再次得到提升，每百公里耗油5 5 4 升。公司计划在2 0 1 2 年底前向北美市场正 式投放该新一代混合动力汽车。普锐斯凭借其出色的燃油经济性优势，其销售量一路 扩大，丰田混合动力汽车的累计销售从2 0 0 5 年1 1 月份的5 0 万台到2 0 0 7 年5 月份的 1 0 0 万台，仅用了不到2 年的时间，到2 0 0 8 年，普锐斯在日本国内的销量排行榜上已 跃升至第五名位置。截止到2 0 0 9 年1 月，丰田混合动力汽车在全球累计销售量已超 过了1 7 0 万辆。 目前本田公司主要销售的两个品牌，一个是本田“i n s i g h t ”，另一个是本田 “c i v i c 。本田还在混合动力车的开发上，通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等新 型产品，以追求动力高效化；通过开发新型轻质铝车身、树脂油箱等谋求车辆的轻型 化，使汽车每公升汽油的行驶里程大幅上升，并且使汽车尾气排放达到世界最严格要 求的标准。 1 2 2 国内研究概况 ( 1 ) 国内混合动力电动汽车状况 面对新世纪能源和环保的巨大压和混合动力电动汽车( h e v ) 成为当前主流清洁能 源汽车的新形势。我国政府非常重视混合动力电动汽车的研究和开发，国家科技部在 “十五”国家8 6 3 计划中将电动汽车单列为重大专项，明确提出将研究重点放在电动 汽车整车配置设计与通用控制平台、电动汽车多能源动力总成、电动汽车新型电机与 驱动系统、电动汽车动力电池及其智能管理系统的研制上。 国家“十一五”8 6 3 计划节能与新能源汽车重大项目于2 0 0 6 年底正式开始实施。 其中提出建立了以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车动力系统技术平台为 “三纵”；以燃料电池和动力蓄电池技术，电驱动系统技术以及共性基础技术为“三 横”的电动汽车“三纵三横”的研发布局u “，如图卜1 所示。 图1 - 1 “十一五”电动汽车“三纵三横”的研发布局 我国在节能与新能源汽车领域方面的技术与国外先进水平的差距应该说还有一 定的距离。目前，经过“十五”期间的努力，国内研究开发已取得了重要的进展和突 4 b 露 圈圈匿 破，这期间由科技部牵头组织实施了国家电动汽车重大科技产业工程项目，现已完成 了各项预定目标。该项目取得的标志性成果主要有： 混合动力轿车：上海通用的君越混合动力轿车、比亚迪f 3 d m 双模电动轿车、奇 瑞混合动力轿车、东风汽车公司的e q 7 2 0 0 h e v 、一汽集团的红旗混合动力轿车、长安 汽车i s g 型混合动力轿车，完成了混合动力电动轿车样车的研制和开发，其性能指针 全面达到了预期目标，整车技术在国内处于领先水平。 混合动力客车：东风汽车公司e 0 6 1 1 0 h e v 混合动力客车、一汽c a 6 1 1 3 $ h 8 和 c a 6 1 1 0 s h 8 混合动力客车、安凯与合肥工业大学共同开发的h f f 6 1 1 0 g z - 3 混合动力客 车及深圳五洲龙等厂家的样车，均通过了国家性能检测、上了国家公告。( 详见表1 - 1 ) 。 表1 - 1 中国电动汽车项目研究成果现状 电动汽车类型产品名称主要研制单位 纯电动汽车 夏利纯电动轿车天津一汽 神龙富康轿车东风汽车公司 u 2 0 0 1 电动轿车香港大学 爱迪生e v l 0 0 型轿车爱迪生汽车技术研究所 纯电动豪华旅游客车北京理工人学 纯电动低地板公交车北京理工大学 混合动力汽车 比亚迪f 3 d m 双模电动轿车比亚迪汽车公司 君越混合动力轿车 上海通用汽车公司 s g m 7 2 4 0 混合动力轿车上海通用汽车公司 红旗牌混合动力轿车长春一汽 e q 7 2 0 0 h e v 东风汽车公司 荣威7 5 0 混合动力轿车上汽集团 奇瑞i s g b s g 混合动力轿车安徽奇瑞汽车公司 杰勋油电混合动力轿车长安汽车公司 c v l l 混合动力m p v长安集团 爱迪生混合动力轿车爱迪生汽车技术研究所 e q 6 11 0 h e v 公交车 东风汽车公司 一汽c a 6 1 0 0 s h 8 混合动力客车 长春一汽 燃料电池汽车 大众帕萨特燃料电池车上海人众汽车公司 春晖三号燃料电池轿车同济大学汽车学院 超越三号燃料电池轿车同济大学、上汽集团 燃料电池城市客车清华大学 ( 2 ) 中国发展混合动力汽车技术的条件 目前，在中国发展混合动力汽车的各方面条件已基本成熟： 石油产品作为不可再生的能源已日趋紧张，混合动力车变得更为现实与迫切。 汽车更为严格的排放法规出台，如北京2 0 0 5 年就开始实行欧洲i i i 。 养路费等并入油价，节油和排放将备受重视。 混合动力车己写入我国的汽车工业产业政策。 电池技术目前己取得了一定得突破。 国际上混合动力汽车产业化技术相对成熟，并有规模销售，可以借鉴。 家庭轿车的保有量在大幅增加，呈现同趋普及的局面，开发研制混合动力轿车 具有更大意义和未来广阔的前景。 国务院于0 9 年2 月1 4 会议通过大力推进汽车振兴规划，今后3 年中央安排1 0 0 亿元专项资金，重点支持企业技术创新、技术改造和新能源汽车及零部件发展。 大力实施新能源汽车战略。推动电动汽车及其关键零部件产业化。支持节能和 新能源汽车在大中城市示范推广，形成新的竞争优势。 1 3 本课题研究主要内容与来源 1 3 1 本课题研究的主要内容 混合动力汽车是集汽车、电力拖动、自动控制、新能源及新材料等高新技术于一 体的高新集成产物。研制与开发混合动力汽车的关键技术主要有：动力蓄电池技术、 电动机及其控制技术、控制策略和算法的多能源管理技术、网络通讯技术、整车电气 安全技术技术、混合动力系统的参数匹配技术以及整车标定、优化和试验技术等“。 本文主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 混合动力汽车动力传动系统的结构分析与选型 根据设计目标的需求分析，客观评价混合动力轿车通常采用的各种驱动型式的优 劣，确定动力系统总成的结构方案。 ( 2 ) 混合动力汽车的参数匹配 根据汽车设计理论知识以及某款混合动力汽车的设计需求，对其搭载的发动机、 电机、蓄电池以及传动比进行计算，确定该车混合动力系统的技术参数匹配。 ( 3 ) 混合动力汽车与建模 在分析混合动力汽车仿真建模方法的基础上，确定某款混合动力汽车的后向仿真 建模方法。在m a t l a b s i m u l i n k 中建立其动力学模型、传动系模型、发动机模型、电 机模型、蓄电池模型、控制策略模型以及整车模型，为控制策略的研究提供仿真平台。 ( 4 ) 混合动力汽车的控制策略研究与仿真 阐述了目前并联式混合动力汽车控制策略的类型与特点，确定了某款混合动力汽 车所采用的开关门限值控制策略，制定其相应的控制算法并建立控制策略模型。再对 其控制策略及动力系统的参数匹配进行仿真研究，校验其控制策略设计以及参数匹配 的合理性。 6 ( 5 ) 混合动力汽车的试验研究 以某款混合动力汽车为研究对象，对其混合动办系统试验台架进行构建，确定混 合动力系统台架的软硬件实现，然后对混合动力系统进行起动工况、并行驱动工况和 发动机驱动发电三种典型工况试验，最后对整车进行室外动力性与经济性试验。以此 来验证混合动力系统参数匹配和控制策略的合理性。 1 3 2 课题来源 课题来源于2 0 0 6 年国家“8 6 3 ”节能与新能源重大专项“某款混合动力电动汽 车整车开发”建设项目。 1 4 本章小结 本章节从能源与环保两个角度阐述了混合动力电动汽车课题项目研究的历史背 景与重要意义，研究了欧美及日本等汽车工业发达国家关于混合动力电动汽车技术目 前的发展现状。论述了当前我们国内混合动力电动汽车“三纵三横”的战略性研发布 局、技术成果现状以及中国发展混合动力电动汽车的技术条件。最后总结了混合动力 电动汽车研究的关键技术、本课题项目的来源和主要研究内容。 7 2 1 概述 第二章混合动力汽车结构选型与参数匹配 本章从系统的结构进行全面分析，充分考虑车辆的整体要求，确定动力系统的结 构方案。通过混合度分析和理论计算匹配动力系统的主要参数。 混合动力汽车的动力系统参数有动力参数与电参数两个方面，具体包括发动机功 率、电机功率、电池组容量、传动比等。它们之间的合理匹配对整车的动力性、燃油 经济性和排放性都有着显著的影响。 本章主要以某款混合动力轿车为研究对象，着重解决的问题是： ( 1 ) 某款混合动力轿车动力系统的结构选型； ( 2 ) 该款混合动力系统主要部件参数的确定。 2 2 混合动力汽车动力系统的结构特点 混合动力汽车的结构形式主要体现在驱动方面的差异，其驱动系统一般由电动机 与内燃机共同构成，汽车在行驶过程中可以根据不同的路况科学选择不同的驱动方 式，既保证动力的输出需求，又保证具有显著的节能降排效果。其结构形式主要有串 联、并联和混联三种1 引。 2 2 1 串联式结构 如图2 - 1 所示，该结构是将内燃机和电动机串联起来，同时也将蓄电池和电动机 串联起来。这样，电动机的驱动可以由电池完成，也可以是由内燃机完成，但不管由 什么完成，电动机都是驱动汽车行驶的最终部件。 串联式结构可以使发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区稳定 运行，并可选用功率较小的发动机，因此，可使汽车的油耗和排污降低。串联式混合 动力电动汽车特别适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区，汽车在起步和低速 时还可以关闭原动机，只利用电池进行功率输出，使汽车达到零排放的要求。串联式 结构的不足是：需要功率足够大的发电机和电动机；发动机的输出需全部转化为电能 再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池充放电的效率较低，使得燃油能 量的利用率比较低“。 2 2 2 并联式结构 图2 - 1 串联式混合动力系统 如图2 - 2 所示，该结构是将内燃机和电动机并联起来，这种系统可以提供多种驱 动模式：电动机单独驱动、内燃机单独驱动、内燃机单独驱动并发电、内燃机电动机 同时驱动以及制动能量回馈等。并联式驱动系统中，电动机的驱动起辅助作用，而内 燃机的驱动则起主要作用。与串联式结构相比，这种系统的传动机构虽然复杂些。但 是其工作模式多样、灵活，且内燃机通过机械传动机构可以直接驱动汽车，所以，并 联式结构的能量利用率高，动力强劲，且燃油经济性好u 。 车亡 k 一，* 图2 - 2 并联式混合动力系统 2 2 3 混联式结构 如图2 - 3 所示，该结构是串联与并联的综合。发动机发出的功率既通过机械传动 9 输送给驱动桥，也驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机 产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。 混联式混合动力汽车在低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速 稳定行驶时，则以并联工作方式为主。 混联式驱动系统的主要缺点是结构复杂，成本高u 。 车蛇 纛磊嘲j 薹参 图2 - 3 混联式混合动力系统 2 3 某款混合动力系统的结构选型 主醺速嚣 由上述分析与比较得知，混联式混合动力汽车结构复杂，成本较高，因此本次项 目不作考虑。串联方案和并联方案各有利弊，在决定混合动力轿车选用串联还是并联 驱动时，必须充分结合混合动力汽车的运行工况和所要侧重达到的目标，着重从以下 几个方面考虑： ( 1 ) 串联方案只有电动机直接驱动车轮这一驱动形式，而并联式方案可以实现内 燃机单独驱动、内燃机单独驱动并发电、内燃机电动机同时驱动以及制动能量回馈等 多种工作模式，这种并联式驱动方案灵活、机动，非常适合轿车的发展需求。 ( 2 ) 并联式驱动的燃油经济性比串联式好。目前，中国发展混合动力轿车的最主 要目的是为了改善逐渐普及的轿车的燃油经济性。在国际上，欧美以及日本所生产的 混合动力轿车的产品、样车和演示车也多采用并联布置。 ( 3 ) 相对于并联方案而言，串联方案中的电池、电机、发动机、发电机的功率一 般都比较大，从而使整车重量和成本上升幅度较大，这种趋势不利于轿车特别是私家 车的发展要求。 ( 4 ) 串联方案特点决定了其对电池组的依赖性更强，而电池技术一直是困扰电动 汽车发展的一个难题，因此选用并联式方案更佳。 本课题所研究的某款混合动力轿车拟采用并联式结构，由于该开发车型为弱混合 动力汽车，电机功率较小，不能单独驱动整车，所以选择并联式i s g 结构形式的布局 1 0 方案。如图2 4 所示： 离 速器 一 图2 4 并联i s g 混合动力结构形式 在该混合动力系统中，盘式电机的转子直接与发动机的曲轴输出端连接，定子固 定在发动机外壳上，发动机和电机的转速相同。电机输出端与离合器连接，离合器输 出端与变速器连接，变速器输出端与主减速器连接，主减速器通过半轴把动力传到车 轮上。其中，盘式电机可作为电动机或发电机用，用作发电机时，向电池充电，用作 电动机时，由电池提供电能。 2 4 混合动力汽车的状态参数与设计目标 整车状态参数与设计目标即是指设计的前提与已知值，一般指原车型和修改的一 些参数。这里包括车辆的整车质量、迎风面积、风阻系数、车轮滚动半径、滚阻系数、 最高车速、最大爬坡度、百公里加速时间等参数。本项目所研究的混合动力汽车的初 始条件见表2 1 ，其动力性能设计目标见表2 2 所示。 表2 - 1 某款混合动力汽车的状态参数 空载满载迎风 风阻 滚动滚阻传动旋转质量 质量质量面积系数半径系数效率换算系数 ( m 0 k g )( m o k g ) ( a m 2 )( c d )( r r m )( 仔)( t i t ) ( 6 ) 1 3 8 11