（光学工程专业论文）混合动力汽车关键部件选型及仿真研究.pdf

research on hybrid electric vehicle key components selection and simulation a dissertation submitted for the degree of master candidate：chen gang supervisor：prof.chen dingyue changanuniversity,xian,china i 摘 要 为了保障社会的可持续发展， 日益严重的环境污染和资源匮乏是当前亟待解决的问 题。新能源汽车不仅能降低能源的消耗，还可以有效地解决空气污染等问题。因此，汽 车产业的发展方向必将是朝着低能耗、低排放甚至是零排放的新能源汽车发展。混合动 力汽车具有纯电动汽车和传统汽车的综合性能， 是实现零污染新能源汽车目标的一个可 行的过渡方案。 本文在综合分析了串联式、并联式和混联式三种混合动力结构的基础上，结合我国 城市道路工况的运行特点， 确定了混合动力城市公交车使用并联式混合动力结构。 首先， 文章通过对几款典型的混合动力车型进行了分析研究， 提出了本文混合动力汽车的设计 目标和基本的控制策略。 其次， 在原传统车型的基础上， 结合混合动力汽车的设计目标， 本文对混合动力汽车的关键部件进行了计算匹配，确定了关键部件的选型设计。然后， 在确定具体总成的参数之后，建立了相应总成的数学仿真模型，通过介绍和分析混合动 力仿真软件 advisor 的仿真原理和使用方法， 在 matlab/simulink 环境中建立了基于 并联式混合动力城市公交汽车各总成的仿真模型， 并通过开发建立了后驱仿真模型及整 车模型。最后，通过对道路循环工况的分析和选择，对原传统客车和所设计的混合动力 汽车在相同工况下进行了仿真分析，通过对比仿真结果证明，本文所设计的混合动力城 市公交车的动力性和经济性指标都达到了设计指标的要求， 并且具有比较满意的整车性 能。 关键词：关键词：混合动力，匹配，混合动力，匹配，advisoradvisor，仿真，仿真 ii abstract in order to guarantee the sustainable development of society, people should urgently solve the problem of increasingly serious environmental pollution and resources shortage. the new energy vehicle not only can reduce the consumption of energy, but also can effectively solve the problem of air pollution. therefore, the automobile industry development will be towards the direction of low energy consumption, low emissions and even zero emission . hybrid electric vehicle with the comprehensive performance of the pure electric vehicle and traditional vehicle is a viable transition plan to realize the zero pollution new energy vehicle target. based on comprehensive analysis of shev, phev and sphev, combination with our country city road condition characteristics, finally determines the hev city bus to use the parallel hybrid structure. firstly, based on the analysis of several typical hybrid models, this article puts forward the hybrid electric vehicle design goals and the basic control strategy. secondly, on the base of the original traditional vehicle, combined with the hev design goals, this article accurately calculates and matchs the hev key parts, then identifies the types of these key components. then, in the identification of those assembly parameters, establishes the corresponding math simulation models. based on the analysis of the hev simulation software advisor, this article builds the parallel hev assembly simulation models in the matlab/simulink environment. and through the development of the software, sets up rear-wheel driving simulation model and vehicle model. finally, through the analysis and selection of the road driving cycle, the original tradition vehicle and the design hev are simulated in the same road driving cycle. by comparing the simulation results, the power and economy performances of the hybrid electric city bus have reached the design requirements, and the performance of the hev is satisfied. key words: hybrid，match，advisor，simulation iii 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1 1.1 论文选题背景和意义 . 1 1.2 世界各种节能型汽车的比较与发展状况 . 3 1.2.1 替代能源汽车 . 3 1.2.2 柴油汽车 . 4 1.2.3 纯电动汽车 . 5 1.2.4 混合动力汽车 . 6 1.3 混合动力电动汽车国内外发展状况 . 7 1.3.1 国外发展状况 . 7 1.3.2 国内发展状况 . 10 1.4 本文主要研究内容 . 11 第二章第二章 混合动力汽车控制策略及整车方案总体设计混合动力汽车控制策略及整车方案总体设计 . 1212 2.1 混合动力电动汽车基本结构与能量传输原理 . 12 2.1.1 串联式 hev . 12 2.1.2 并联式 hev . 13 2.1.3 混联式 hev . 15 2.2 混合动力汽车能量传输的控制策略 . 18 2.2.1 串联式 hev 控制策略 . 18 2.2.2 并联式 hev 控制策略 . 18 2.3 几种典型的混合动力电动汽车车型分析 . 19 2.3.1 本田公司混合动力 insight 车型 . 20 2.3.2 丰田公司混合动力 prius 车型 . 21 2.4 hev 整车方案的总体设计 . 21 2.4.1 城市公交行驶特点及典型工况 . 21 2.4.2 整车系统设计要求及目标 . 23 2.4.3 整车系统控制策略 . 24 2.5 本章小结 . 25 第三章第三章 混合动力电动汽车动力总成参数匹配设计混合动力电动汽车动力总成参数匹配设计 . 2626 3.1 混合动力电动汽车动力系统匹配原则 . 26 3.2 混合动力电动汽车发动机功率的选择 . 26 3.3 混合动力电动汽车电动机参数的选择 . 28 3.3.1 电动机额定转速和最高转速的选择 . 29 3.3.2 电动机额定功率和最大功率的选择 . 29 3.4 混合动力电动汽车主减速器和变速器速比的选择 . 30 3.4.1 主减速器传动比 i0的确定 . 30 3.4.2 变速器速比的确定 . 31 3.5 混合动力电动汽车蓄电池组参数的确定 . 32 3.5.1 蓄电池连续运行额定功率的确定 . 32 3.5.2 蓄电池峰值功率的确定 . 33 iv 3.5.3 蓄电池组容量及蓄电池组数量的确定 . 33 3.6 本章小结 . 33 第四章第四章 混合动力汽车关键部件的建模混合动力汽车关键部件的建模 . 3434 4.1 混合动力仿真软件的研究 . 34 4.1.1 混合动力仿真软件的介绍 . 34 4.1.2 advisor 的组成及工作原理 . 34 4.1.3 advisor 的仿真方法 . 36 4.2 混合动力汽车主要部件的建模 . 38 4.2.1 发动机建模 . 38 4.2.2 电动机建模 . 41 4.2.3 蓄电池建模 . 42 4.2.4 后轮驱动模型的开发 . 44 4.2.5 整车模型 . 47 4.3 本章小结 . 49 第五章第五章 混合动力汽车仿真研究混合动力汽车仿真研究 . 5050 5.1 道路循环工况的分析与选择 . 50 5.2 传统客车循环工况仿真分析 . 52 5.3 混合动力汽车性能仿真及结果分析 . 52 5.4 本章小结 . 56 结结 论论 . 5757 参考文献参考文献 . 5858 攻读学位期间取得的研究成果攻读学位期间取得的研究成果 . 6161 致致 谢谢 . 6262 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 论文选题背景和意义 随着世界经济规模的不断扩大，世界的能源消耗量持续增长。据bp 世界能源统 计 2011 年的发布报告显示，2010 年全球的一次能源消费总量增长了 5.6%，达到了 1973 年以来的最高水平。根据该报告的统计数据，其中 2010 年全球的石油消费量每天 增加了270万桶， 达到了创纪录的每天消耗8740万桶； 全球的天然气消耗量增长了7.4%， 是至 1984 年以来最快的增长；全球的煤炭消费量增长了 7.6%，并且，目前世界的煤炭 消耗量已经占据了世界能源消耗总量的 29.6%，中国在 2010 年煤炭的消耗量增加了 10.1%，大约占了整个全球增幅的 2/3。然而，截止到 2003 年底，世界的煤炭剩余量约 为 9844.5 亿吨，并且世界煤炭的主要分布地区是在欧洲、北美和亚太，三个地区合计占 世界总量的 92%左右。同期，天然气的剩余可采储量约为 175.78 万亿立方米，世界天 然气资源分布最丰富的地区是中东和欧洲，两个地区的分布量占了世界总量的 75.5%左 右，而其他地区的份额仅分别为 5%-7%1。按目前的开采速度，地球煤炭、石油、天然 气的开采时间大概分别还有 200、50、60 年的数量级，到下个世纪石油就抽干了。从上 述数据可知，目前世界能源的状况特点是，能源消耗量巨大且持续增长，能源的可采储 量极为有限，并且能源的分布存在巨大的不均衡性。 持续增长的巨大能源消耗量，势必导致日趋严重的环境污染问题。随着全球煤炭消 耗量的不断增加，空气中二氧化硫的排放总量急剧上升，由二氧化硫排放引起的酸雨范 围也在不断的扩大，这直接导致林木的死亡、土壤和水体的酸化，同时也直接和间接的 引起人体的生命健康，造成人群死亡率增加。近年来，火电厂和工业锅炉的烟尘、粉尘 排放量居高不下，严重危害着大气环境。随着汽车工业的发展，全球的汽车保有量增长 迅速，根据最新的统计数据，目前全球各种在用汽车的总保有量已突破 10 亿辆，2010 年的保有量已达 10.15 亿辆。 庞大的数据显示，汽车的排放污染不容忽视。汽车排放 的氮氧化物、一氧化碳和碳氮化合物排放总量在逐年上升，这些污染物对环境造成了严 重的污染。此外，汽车排放物中的铅也是城市空气中重要的污染物，铅的排放对居住在 城市的居民身体健康造成了严重的威胁。环境污染导致近年来全球气候的极为异常，破 坏了动植物的栖息地，加速了种群的灭绝，严重影响了人类的生命健康。 资源匮乏、环境污染，这是当今世界经济向前发展的绊脚石和拦路虎。因此，汽车 工业的趋势将是向着低油耗、少污染和高安全性的方向发展。针对这一趋势，各国都制 第一章 绪论 2 定了一些相关的十分严格的排放标准，要求汽车生产厂家必须尽量减少汽车排放，研发 低污染甚至无污染汽车。纯电动汽车的动力源是蓄电池，在使用的过程中可以达到零排 放， 但目前纯电动汽车存在很大的技术瓶颈， 最大缺点就是单次充电的行驶里程比较短， 主要是由于电池的能量密度不够高，而且其他技术方面都还没达到实用化的程度23。 与传统内燃机汽车和纯电动汽车相比较而言， 以内燃机和电机为动力源的混合动力电动 汽车(简称 hev)具有低油耗、低排放、高性能和行驶里程长等方面的综合优势。鉴于这 些特点，许多国家和汽车生产厂家为了达到减少燃油消耗和降低排放的目标，将混合动 力系统作为首选的攻关技术， 并且目前的混合动力汽车技术在许多方面都已经取得了很 大进展，国外车企也已经开发了许多相对成熟的混合动力汽车车型，并有部分车型已经 进入批量生产以及投放欧美和日本市场4567。 混合动力电动汽车作为传统内燃机汽车和纯电动汽车的过渡产品， 有着比传统燃料 汽车更环保，比纯电动汽车技术更成熟、实用性更强的优点，是当今最具实际开发意义 的低油耗和低排放车，已经成为目前最适合规模化产业化的成熟产品。与传统内燃机汽 车和纯电动汽车相比，混合动力电动汽车具有如下一些优点89： （1）燃油消耗率在城市工况下比传统内燃机汽车降低 30%以上。比如一台 12 米城 市公交大巴平均每天行驶 400km，每天可以节省燃油 20l 左右，每天可以节省燃油费用 150 元，一年下来可以节省燃油费用 3 万元以上。 （2）由于发动机可用来为车载动力进行发电，这样可以减少电池的数量和质量， 故汽车自身重量可以相应减少。电池不易发生过充或者过放，并且可以处于良好的工作 状态，这样电池的使用寿命可以延长，同时也降低了成本。 （3）发动机可以一直处于低油耗、少污染的最佳工况下运行。当负荷比较大时， 可以由蓄电池补充与发动机一起工作；当负荷比较小时，发动机富余的那部分功率可用 来发电给蓄电池进行充电。发动机的持续工作，可以给蓄电池不断充电，因此混合动力 电动汽车打破了纯电动汽车续驶里程的限制， 其续驶里程和动力性可以毫不逊色于传统 的内燃机汽车。 （4）蓄电池不仅能得到发动机富余功率的充电，还可以非常方便地回收汽车在制 动时、下坡时以及怠速时产生的能量。另外，混合动力汽车使用了能量储存器，发动机 可以保持在最佳工况稳定运行，避免或减少了在变工况下发动机的不良运行，这样就大 大降低了发动机的油耗和排放。 （5）在人口密集的居民区、商业区等地，汽车的车速低且加速频繁，可用纯电动 长安大学硕士学位论文 3 方式驱动车辆，关闭发动机，单独由蓄电池来驱动汽车运行，这不仅节约了油耗还实现 了零排放。 （6）电机可辅助提供动力，从而发动机可配备较小的功率，并可将汽车减速和制 动时的能量回收使用，进一步降低了汽车的能量消耗和尾气排放。 （7）蓄电池可以保持在良好的工作状态，不容易发生过充、过放现象，延长了其 使用寿命，也间接的降低了成本。 （8）对于基础设施可以利用现有的加油站等，不需另行投资建设。 基于混合动力电动汽车的这些具有现实意义的优点， 各国针对新能源汽车的政策方 向也倾向于混合动力电动汽车，各大汽车厂商也纷纷推出了混合动力轿车。如上海汽车 推出的荣威 750 混合动力轿车， 丰田 2012 年即将推出雷克萨斯 ct200h， 上海通用凯迪 拉克凯雷德 hybrid 双模油电混合动力 suv 等。虽然混合动力汽车没能实现零排放，但 它有着不逊色于传统汽车的动力性能、优越于传统汽车的燃油经济性能和排放指标，因 此具有极为实际的研究意义，也是缓解日益增长的汽车需求与环境污染、资源匮乏之间 矛盾的理想途径。本文也正是基于此背景下进行的研究。 1.2 世界各种节能型汽车的比较与发展状况 1.2.1 替代能源汽车 由于各国石油的短缺，能源开始出现多元化的趋势。将来的可再生能源的应用会越 来越多，每一种替代能源都有其各自的优缺点，从而替代能源汽车也出现了多元化。以 下列举了几种替代能源汽车。 （1）天然气汽车 天然气汽车它的燃料主要成分是甲烷。天然气汽车作为一种清洁汽车，其具有低排 放、良好的经济效益和环境效益的优点，由于各国对天然气汽车的研究比较早，故其技 术也相对成熟，安全性能也比较可靠。现在已经在世界 40 多个国家和地区广泛应用。 但是，天然气汽车具有这些优点的同时，还有两大致命性的缺点，那就是由于储气量的 有限导致天然气汽车的续驶里程比较短，以及动力性能变差，相对降低 15%的动力。 第一章 绪论 4 图图 1.1 天然气天然气重型卡重型卡车车 （2）氢气汽车 氢气汽车它的燃料主要成分是氢气。 氢气在常温常压下是无色、 无味、 无毒的气体， 而且氢元素是宇宙中最丰富的物质，也是地球上储量最丰富的资源。同样，氢气汽车也 具有天然气汽车的一些优点，但是氢气极易点燃，非常不便于储存，动力性也比较差， 所以很难被广泛的应用。 （3）醇类燃料汽车 醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。醇类燃料作为发动机的燃料，可以和汽油或柴油按 一定比列配制成混合燃料，也可以直接作燃料使用。醇类燃料汽车与汽油或柴油汽车相 比较，它的比功率（kw/kg）和热效率（%）略高，但是耗量（l/kwh）相对大，而且排 放中的甲醛较多。另外，醇具有腐蚀性，在使用过程中会导致燃油系统零部件、油路和 燃油管壁上沉积物剥落，从而使滤清器堵塞，一些黑色金属和有色金属腐蚀。醇的汽化 潜热比汽油高，在一些寒冷季节或地区醇类燃料难以气化，汽车很难起动。 1.2.2 柴油汽车 相对汽油汽车来说，柴油汽车更省油，在这也将其归为节能型汽车。柴油发动机采 用的是压燃式点火，它的压缩比相对汽油发动机要高出 60%-120%，发动机在 3000-3500r/min 的低转速时，其扭矩就达到了峰值，此时动力性比汽油机大的多。通过 大量的实验和长期的数据采集，对某汽车用柴油机和汽油机在相等功率条件下进行比 较，实验表明发动机在低速低负荷时，柴油机的燃料消耗率得到了显著的改善，其数值 在 25%以内10。但是柴油机汽车的发展同样受到石油资源短缺的限制，而且它还存在许 多不足，比如体积大且笨重、引擎噪声和振动大、尾气冒带颗粒物黑烟等。 在能源紧张、油价居高不下的国际大背景下，新型柴油汽车得到了很大发展，可媲 长安大学硕士学位论文 5 美于汽油汽车。目前，德国、法国、日本、意大利、韩国都在积极致力于发展新技术的 柴油发动机，如采用废气涡轮增压、共轨喷射等，克服了尾气黑烟大、噪声大等问题， 而且尾气排放已经达到了欧标准。目前市面上销售的新车中，柴油车已占到了 40%-50%的比例。在我国，目前江铃、jmc 的皮卡和轻卡等车型 90%都是柴油车型。 1.2.3 纯电动汽车 电动汽车作为绿色交通工具，无论是从能源或者环保的角度看，它都将会有一个很 大的发展，将给 21 世纪的人类社会带来巨大的变化。在电动汽车这一全新的研究领域 中，我国一些汽车企业的技术水平在国际上处于领先的，而且技术水平与产业化的差距 相对比较小。因此，国家和企业都出台了一系列的政策大力支持发展新一代电动汽车， 并把实现电动汽车产业化作为促进我国汽车工业实现跨越式发展的战略性举措。 在政策 的支持和技术的双重保障下， 我国的汽车工业很有可能在新一轮的世界汽车工业竞争中 占据制高点，赢得有力的竞争地位，提升我国汽车工业的国际竞争力。 纯电动汽车代表着汽车工业未来的发展方向，世界各国厂家都在对其进行致力研 究。下图是今年我国厂家刚上市的纯电动汽车。尽管目前全球各国都陆续有纯电动汽车 上市，但是如何克服纯电动汽车在驱动系统和电池容量、效率以及与之配套的基础设施 等问题，都是纯电动汽车实现商业化的关键。从技术角度看，目前纯电动汽车存在下列 主要问题11： （1）续驶里程有限。受电池储能能力的制约，目前市场上运营的纯电动汽车的一 次充电续驶里程大多是在 100-240 公里之间，而且要保持这个续驶里程还要在良好的电 池调节系统和适当的行驶速度条件下才能达到。而大多数电动汽车在一般的情况下，其 续驶里程只有 50-80 公里， 只能满足最基本的代步需求。 相对于传统的内燃机汽车来说， 制约纯电动汽车发展的“致命”弱点便是较短的续驶里程。 （2）电池寿命太短。对于纯电动汽车来说，电池问题一直是制约其发展的技术瓶 颈。尽管市面上的电池品种很多，且各有各的优势，但是都普遍存在加速性和动力性能 差、续驶里程比较短，而且寿命短等问题。 （3）价格昂贵。纯电动汽车的使用成本虽然低于传统汽车，但其售价都普遍比同 类型的传统汽车要贵得多，如下图 1.2 是刚上市的比亚迪 e6 纯电动汽车的售价是 36.98 万人民币，比起同类型的传统汽车要贵将近一倍多。这主要是电池的技术太复杂、成本 太高， 另外还有一个原因是纯电动汽车在研制的过程中采用了一系列的新材料、 新技术， 这也导致纯电动汽车的造价居高不下。 第一章 绪论 6 图图 1.2 纯电动汽车纯电动汽车 （4）间接污染严重。虽然纯电动汽车作为纯绿色的交通工具，它本身是零排放零 污染，但其间接污染是不容忽视的。如果对报废纯电动汽车的电池不加以合理处理，会 对环境造成严重污染。再如，纯电动汽车是完全依靠电力行驶的，它所需的电能相当一 部分是来自火力发电，尤其是我国，属于二次能源，煤炭燃料会造成大气的严重污染。 （5）缺乏配套的基础设施。纯电动汽车的动力来源完全是通过蓄电池的供电，要 想实现纯电动汽车的大众普及，就必须要有完整的与之配套的基础设施，如充电站等。 在少数国家的一些城市已经开始建设了这些基础设施，如美国的加州已经开始普及。但 是，绝大部分国家和地区对这些设施的建设都还没起步，这使得纯电动汽车走向千家万 户还有很长的路要走。 （6）大众的节能意识不强。相对于传统的内燃机汽车，纯电动汽车尽管具有环保 的优点，但多数大众的缺乏节能的意识，加之其动力性能毕竟不如内燃机汽车，这使得 那部分追求驾驶乐趣的人还是对纯电动汽车缺少兴趣。 1.2.4 混合动力汽车 混合动力汽车是指装有两个或两个以上动力源的汽车，车载动力源可以是由蓄电 池、燃料电池、太阳能电池 、内燃机发电机组等组成12。如市面上现有气电混合动力 汽车、油电混合动力汽车等。气电混合动力汽车，是指以天然气作为发动机燃料，与蓄 电池配合共同驱动车辆的新型环保节能汽车。 当前所指的混合动力电动汽车一般是指由 燃料为汽油或柴油的内燃机车发电机，再加上蓄电池所组成的电动汽车。它作为技术水 平相对成熟的一种节能型汽车，是传统内燃机汽车向纯电动汽车发展的过渡产品，有着 长安大学硕士学位论文 7 比传统汽车和纯电动汽车都优越的性能，具有很大的发展空间。到今年底，深圳将投放 1000 辆混合动力公交车，约占公交车总量的 10%。下图 1.3 是目前深圳龙岗公交线路正 在运行的混合动力城市公交汽车。 图图 1.3 五洲龙五洲龙混合动力混合动力城市城市公交车公交车 1.3 混合动力电动汽车国内外发展状况 1.3.1 国外发展状况 （1）日本混合动力电动汽车的发展。 在 1997 年，日本就已经率先进入了混合动力电动汽车的商业生产，现在其技术已 经完全成熟，进入大批量的生产，且产销量在逐年增加，现在日本的混合动力电动汽车 已经成为市场的主流13。丰田公司研发的 pruise 在 1997 年开始批量投产，1998 年便成 为世界上第一个小规模成批生产汽油混合动力汽车的厂商。 根据市场的需求， 2003 年丰 田对 pruise 进行了重新设计和改进，新车型比以前具有更强的动力性能、更好的燃油经 济性和更低的排放。它的加速性能从 0-97km/h 仅 10s，燃油经济性为 20.26km/l，被认 证为超低排放，以及先进技术部分零排放汽车。该车排放的 co2比传统车下降一半， hc、co 和 nox的排放降低了 90%左右，燃料节省近 50%14。本田 insight 是 1999 年上 市的，也是目前销量非常好的混合动力车型。insight 采用综合型马达辅助系统，该车在 美国环保署进行测试得到的油耗结果是，城市、高速公路分别是 40、43 英里每加仑， 油耗比传统车降低了很多。2001 年，本田推出了“civic”混合动力汽车，2005 年经过 改进又推出了新款 “civic” 混合动力汽车。 在德国交通协会 （verkehrsclub deutschlang） 最新公布的 2011-2012 年度环保车型排行榜中，lexus 雷克萨斯油电混合动力车型力压 群雄，成为当今市场上最环保、最具社会可持续的汽车。 第一章 绪论 8 日本的本田、丰田、马自达、三菱等汽车企业都在致力开拓混合动力汽车市场。自 丰田 1997 年第一代 pruise 开始销售以来，已经累计销量突破了 100 万辆。为了促进混 合动力汽车产业的发展，日本经产省下属新能源产业技术综合开发机构（nedo）成立 了“all japan”专门研究机构。该机构在京都大学设立研发基地，7 年内将投资 210 万 亿日元。 计划开发蓄电量为现在 3 倍的车载锂离子电池， 2015 年混合动力汽车成本将降 低到现在的 1/6，2020 年混合动力汽车的一次充电行驶距离增加到现在的 3 倍15。 日本混合动力汽车的迅速发展不仅是靠企业研发技术的突破， 还有一个致使日本混 合动力车型大热的原因， 那就是日本政府对混合动力车型提供非常大的财政补贴和一系 列的优惠。比如，在日本国内，丰田普锐斯（pruise）的售价在 200 万日元-300 万日元 之间（相当于 20-30 万人民币） ，但日本政府给予消费者 20 万日元的补贴（相当于人民 币 2 万元） ，另外日本政府对于小排量和混合动力汽车的使用者还提供停车、交通等一 系列的优惠，这些优惠和政策使日本消费者使用混合动力汽车的成本更低的，这也促使 消费者的购买欲望，极大地促使了混合动力汽车的发展。 （2）美国混合动力汽车的发展。 在 1997 年，美国 pngv 根据当时汽车工业的发展情况，组织和号召国内各大汽车 企业，重点对混合动力技术进行突破。为了达到 pngv 提出的油耗目标 80mpg （33.78km/l） ， 采用了压燃直喷发动机、 混合动力电驱动系统、 燃料电池 （含储能电池） 和轻质材料 4 项新技术15。美国三大汽车公司在 1999 年都按计划制造出了柴油机混合 动力汽车。如，戴-克公司的 dodge esx3,福特公司的 prodigy 以及通用公司的 precept 等。尽管当时这三大汽车公司都完成了与美国政府的合作计划，但是当时并没有考虑实 现商业化生产，这使得美国的混合动力汽车的发展比日本落后了大约 5 年。 美国政府为了加大新能源汽车的发展，针对混合动力汽车采取了各种激励政策，主 要措施是对购买混合动力汽车的消费者实行税收抵免，而且在使用过程中提供许多便 利。近年来，美国各大汽车制造厂家为了争夺混合动力汽车的市场份额，实施了战略的 转变， 都纷纷推出了混合动力汽车， 如戴-克公司的 powerbox 混合动力 suv、 福特 escape 混合动力 suv 等。据报道，美国加利福利亚州将在明年展开对六辆重型混合动力推土 机进行测试。这个项目由加利福利亚大学河滨分校主办，投资 200 万美元。今年年初， 美国白宫首次公布对中型及重型卡车的节能目标，以及一系列对新能源汽车的政策，这 将极大的促使美国混合动力汽车的发展。图 1.4 是 2005 年-2009 年美国混合动力汽车占 轻型车新车销量的份额，从图中曲线可知，今年来混合动力汽车在美国市场的销售份额 长安大学硕士学位论文 9 在不断增加。 图图 1.4 2005-2009 年美国混合动力汽车占轻型车新车的销售份额年美国混合动力汽车占轻型车新车的销售份额 （3）欧洲混合动力汽车的发展。 法国是一个非常缺少石油的国家，每年法国要从中东和非洲进口大量的石油，但是 法国的电力供应非常充沛，而且多数是核能发电和水力发电。因此，在欧洲国家中，法 国算是最积极研发和推广电动汽车的国家之一。1990 年，法国的标致-雪铁龙汽车公司 研发的 c-25 和 j-5 电动货车投入了生产。1995 年，标致 106 和 saxo 四座电动轿车， 以及雷诺公司的 clio 型轿车研发成功，并投放试验阶段。1997 年，法国的电动汽车产 量达到了 2000 辆左右。法国政府在政策、资金上为汽车企业开发电动车提供支持，也 制定了一系列针对消费者的优惠政策。 法国政府为了鼓励和刺激消费者购买混合动力汽 车，制定了一些优惠措施如企业购买混合动力汽车第一年可以免税，而且汽车厂家每生 产一辆电动汽车政府提供 1 万法郎的补助。 2009 年， 法国政府公布了旨在发展电动车和 可充电混合动力汽车的一揽子计划，其最终目标是在 2020 年前生产 200 万辆清洁能源 汽车。政府计划投资 15 亿欧元大力建设充电站，到 2020 年，所有充电点的充电插头总 量将达 400 万个，从而极大方便了消费者，也将促使法国混合动力汽车的发展迈进一个 新的阶段。 德国是一个环保意识很强的国家，对混合动力汽车的发展也是非常重视，而且是走 在国际的前沿。在 1971 年，德国就成立了城市电动车交通公司（ges） ，用于积极组织 电动汽车的研发。在 1972 年欧宝公司开始研发并制造新型电动汽车。1991 年，德国在 拜尔州投放了 300 辆纯电动汽车进行运营。1992 年，德国政府拨款 2200 万马克，在吕 第一章 绪论 10 根岛建立了欧洲 ev 试验基地。1994 年，德国展示出了各种电动汽车，包括 19 种轿车、 13 种面包车，以及 4 种大客车，而且都进入了实用阶段。2011 年 4 月，混合动力汽车 新途锐在我国上市。混合动力新途锐是大众汽车采用最新混合动力技术的 suv 车型， 车辆动力系统由 3.0l 的 v6tsi 机械增压汽油直喷发动机和电动机组成，当发动机和电 动机共同工作时，新途锐混合动力的总功率输出可达 279 千瓦，最大扭矩为 580 牛米。 车速在 50 公里/小时以下时，将以电机驱动，实现零排放。车辆在制动和减速时，电动 机转换为发电机，能量回收并储存在蓄电池中。车辆制动停止时，发动机自动关闭，再 次踩踏油门，车辆即启动前进。在拥堵的城市路况条件下，该车的节油效果明显，百公 里油耗为 8.2l。 1.3.2 国内发展状况 我国汽车工业的发展比较晚，对于电动汽车是在 20 世纪 80 年代后期才开始涉及。 1999 年 4 月，国家有关部门联合召开了“空气净化工程-清洁车辆行动”会议，会议的 重点提出了加大对电动车辆、混合动力车辆技术的突破和推广。2001 年 11 月，国家科 技部将电动汽车纳入国家“十五”规划，列入“863”计划的重大专项。2011 年刚公布 的国家“十二五”规划中就明确包括 “十二五”汽车产业发展规划 ，规划中主要针对 电动汽车和混合动力汽车等新能源汽车制定了详细的发展规划， 这表明国家政府对混合 动力汽车的发展是一贯的支持和鼓励。2012 年 4 月 18 日，由国务院总理温家宝主持的 常务会议通过了节能与新能源汽车产业发展规划（20122020 年） ，该规划的重点是 大力发展纯电动汽车和混合动力汽车，到 2020 年底节能汽车产量要超过 500 万辆。 目前我国各大汽车厂商都在进行混合动力电动汽车的研发， 而且在市面上也能随时 见到我国自主研发的混合动力汽车，说明我国混合动力汽车已经进入了实用阶段，下表 1.1 是我国现在已经投产的混合动力汽车。 东风集团在 2005 年 7 月完成了混合动力公交 车验收，并开始投产；一汽研发的红旗 hq3 在 2006 已经投产；奇瑞集团成立了国家节 能环保汽车工程技术研究中心，并且在 2006 年成功地推出了真正意义上的自主品牌混 合动力汽车；长安集团的混合动力长安 cv9 已经下线；吉利集团与同济大学汽车学院 签署了合作协议，计划共同实现混合动力轿车的商业化生产；深圳五洲龙汽车已经在深 圳市龙岗区开通了中国投放车辆最多、规模最大的混合动力示范运营线路；还有一些未 列出的客车企业、重型汽车企业等也都相继开发出了混合动力汽车。 长安大学硕士学位论文 11 表表 1.1 国内自主品牌混合动力车型国内自主品牌混合动力车型 汽车类型 汽车厂家 代表车型 轿车 一汽 红旗 hq3，奔腾 b50、b70 上汽集团 荣威 750 东风汽车 风神 s30 bsg 奇瑞汽车 奇瑞 a5 bsg 比亚迪 比亚迪 f3dm 长安汽车 长安志翔 海马 海马 3 吉利 gpes-ec7、ec8 江淮汽车 概念车愿景 长城汽车 腾翼 v80 客车 深圳五洲龙 fdg6111hevg 宇通客车 zk6118hgz 1.4 本文主要研究内容 本文是以某传统汽车为原型， 在此基础上通过系统结构参数的合理选择和动力传动 系的计算匹配，然后使用电动汽车仿真软件进行整车性能的仿真分析，通过仿真数据再 对设计进行优化。主要的研究工作如下： （1）首先通过大量的资料和数据分析了当前社会环境污染、资源匮乏的严重性， 论述了发展节能型特别是混合动力汽车的必要性和紧迫性。 （2）在了解国内外混合动力汽车发展状况的前提下，分析了几种典型的混合动力 车型，研究了其结构原理，从而提出了本文所研究的混合动力汽车的整车设计方案。 （3）依据整车性能的设计指标，经过理论的计算，对整车关键部件的参数进行了 选择和合理的匹配，提出了一套比较有效的混合动力系统参数初步匹配的方法。 （4）在整车动力总成参数匹配完成之后，进行了混合动力汽车主要部件的建模， 以及对电动汽车仿真软件 advisor 进行了研究与分析， 针对所建立的模型进行了仿真分 析，并且对该车型传统客车进行了仿真，结合该传统客车与混合动力汽车的仿真结果进 行了对比分析。 第二章 混合动力汽车控制策略及整车方案整体设计 12 第二章 混合动力汽车控制策略及整车方案总体设计 2.1 混合动力电动汽车基本结构与能量传输原理 混合动力电动汽车有各种不同的结构形式， 根据混合动力总成的动力传输路线可分 为三类，即串联式（series hybrid electric vehicle，简称 shev） 、并联式（parallel hybrid electric vehicle,简称 phev）和混联式（split hybrid electric vehicle，简称 sphev） ，将 其分为这三类结构形式的最主要依据是判断内燃机是否与驱动轮由机械连接161718。 分析研究混合动力汽车的工作原理以及其能量的传输方式， 是研究和设计混合动力 汽车方案的前提与铺垫。混合动力汽车的结构有串联、并联和混联三种形式，由于 hev 结构的不同，能量传输的工作方式也不同19。 2.1.1 串联式 hev 串联式混合动力系统是由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，这三部 分动力总成是以串联的方式组成动力单元系统， 即发动机、 发电机和电动机采用 “串联” 的方式。 发动机在工作过程中驱动发电机进行发电， 控制器将电能输送给电池或电动机，