（光学工程专业论文）基于advisor的isgmhv动力传动系的匹配优化研究.pdf

powertrain parameters matching and optimization research of isg-mhv a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of mechanical engineering by lin li supervised by prof. ran zhenya major: vehicle engineering college of mechanical engineering chongqing university, chongqing china april, 2011 中文摘要 i 摘 要 随着汽车数量的大规模、快速地增加，能源和环境在人类的生活和社会的发 展中占有越来越重要的地位，能源危机和环境污染问题日益突出，要求尽快改善 人类生存环境的呼声日益高涨。各大汽车生产商纷纷推出各种电动汽车，但是因 为多方面的原因，使得纯电动汽车和燃料电动汽车的发展受限，基于此，一种新 型的、集内燃机汽车和电动汽车优点并存的混合动力电动汽车（hev）获得了发 展，并成为当前新型汽车研究的热点。混合动力电动汽车是一种具有商业前景的 清洁汽车，其能解决能源短缺和环境污染的问题12。 综合考虑我国在汽车技术方面的发展现状、混合动力汽车（hev）技术的发 展趋势和汽车生产成本三方面因素，本文提出了与我国国情相适应的一种混合动 力汽车传动系统的布置方案：起动机/发电机一体化（isg）的轻度混合动力汽车方 案。在确定动力传动系统布置方案的基础上，对 isg 型轻度混合动力汽车的结构 和功能进行了分析，对动力传动系统中的发动机、isg 电机、蓄电池及变速器进行 了选型，并在此基础上制定了 isg-mhv 在各种工况的控制策略，并对汽车在 isg 各种模式下的功率平衡关系进行了分析。在对 isg-mhv 理论分析的基础上，按照 isg-mhv 的设计要求，对 isgmhv 各动力元件的参数进行了匹配。 在详细分析了 advisor 软件的使用方法的基础上，根据 isg 型轻度混合动 力汽车的结构、确定的控制策略和工作模式，建立了 isg 型轻度混合动力汽车的 仿真模型。 利用建立的模型对所改装的车辆在 ece+eudc、 udds、 ftp 和 hwfet 四种工况下的动力性、燃油经济性及排放性等进行了仿真分析，从而证明了对 isg-mhv 传动系统的参数匹配的正确性。最后，基于燃油经济性考虑，优化了传 动系效率、风阻系数 cd、滚动阻力系数 f 和汽车质量 m，为 isg-mhv 后续进 一步优化设计提供了技术参考。 关键词关键词：isg 电机，轻度混合动力汽车（mhv） ，匹配，仿真，优化 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract as automobiles increase rapidly, and source and environment become more and more important, while at the same time, the source scarcity and environment pollution problems are becoming increasingly worse, it is on the agenda to look for a technology improving environment and source scarcity. to solve these problems， electric vehicle (ev) seems to be a good choice, however, because its low battery energy density, its development is currently limited. meanwhile, fuel cell electrical vehicle (fcev) is in a stage of preliminary study. based on this, hybrid electric vehicle (hev) that own the common merits of electric vehicle and conventional vehicle occurs, and becomes a new study hotspot in international automobile field. hybrid electric vehicle(hev) is regarded as one of the most realistic method to save energy and reduce the exhaust emission. with the help of the theoretical analysis, in this thesis we discuss the options of hev powertrain and the parameters of powertrain components. as a result, integrated starter/generator mild hybrid electric vehicle (isg-mhv) is put forward because it is more suitable for a mini car. the control strategies are discussed when the car is drived in idle-stop, cruise, accelerate, and decelerate. next, the related working modes are analysed when the car is drived in idle-stop and so on. furthermore, the related simulink modules are modified by means of advisor in line with the form of powertrain, the related control strategies and the related working modes of the integrated starter/generator mild hybrid electric vehicle (isg-mhv). based on the theoretical analysis, the related components parameters of the powertrain are designed according to the design requirements of isg-mhv. meanwhile, the parameter matching analysis is given. and then, the relative performances when the car is drived in ece+eudc,udds, ftp and hwfet driving cycles are simulated with the aid of advisor software. it proves that isg-mhv has the potential in fuel economy performance. finally, based on fuel economy performance， optimizing cd， f and the mass m, which provides technical reference for isg- mhv further optimized design. keywords: isg, hev, matching, simulation，optimization 重庆大学硕士学位论文 iv 目 录 v 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 混合动力汽车概述混合动力汽车概述 . 1 1.2 开展混合动力汽车研究的背景及必要性开展混合动力汽车研究的背景及必要性 . 1 1.2.1 能源短缺 . 1 1.2.2 环境污染 . 3 1.2.3 气候变暖 . 4 1.2.4 电动汽车和燃料电池汽车的发展受到制约 . 4 1.3 混合动力汽车技术的发展概述混合动力汽车技术的发展概述 . 5 1.3.1 国外的发展概述 . 5 1.3.2 国内的发展概述 . 7 1.3.3 未来汽车的发展趋势 . 8 1.4 本论文的主要研究内容本论文的主要研究内容 . 9 2 混合动力电动汽车方案选择混合动力电动汽车方案选择 . 11 2.1 按布置结构形式分类按布置结构形式分类 . 11 2.1.1 串联式混合动力电动汽车（series hybrid electric vehicles-shev） . 11 2.1.2 并联式混合动力电动汽车（parallel hybrid electric vehicles-phev）. 11 2.1.3 混联式混合动力电动汽车（parallel /series hybrid electric vehicles-pshev） 12 2.1.4 三种结构形式的混合动力电动汽车的比较 . 13 2.2 按混合程度分类按混合程度分类 . 14 2.2.1 轻度混合型（mild hybrid vehicle-mhv） . 14 2.2.2 功率混合型（power hybrid vehicle -phv） . 15 2.2.3 能量混合型（energy hybrid vehicle -ehv） . 15 2.2.4 三种混合程度的混合动力电动汽车的比较 . 16 2.3 hev 布置方案的选择布置方案的选择 . 16 2.4 本章小结本章小结 . 17 3 isg-mhv 的结构、元件选型、控制策略和工作模式的分析的结构、元件选型、控制策略和工作模式的分析 . 19 3.1 结构及主要功能结构及主要功能 . 19 3.1.1 isg-mhv 的结构 . 19 3.1.2 isg-mhv 的功能 . 19 重庆大学硕士学位论文 vi 3.2 动力元件的选型动力元件的选型 . 20 3.2.1 发动机的选型 . 20 3.2.2 isg 的选型 . 20 3.2.3 储能装置的选型 . 21 3.2.4 变速器的选型. . 22 3.3 主要控制策略和工作模式的分析主要控制策略和工作模式的分析 . 22 3.3.1 控制策略 . 22 3.3.2 工作模式的分析 . 23 3.4 本章小结本章小结 . 24 4 isg-mhv 动力元件参数的匹配动力元件参数的匹配 . 25 4.1 参数匹配的初始数据和要求参数匹配的初始数据和要求 . 25 4.1.1 整车参数 . 25 4.1.2 动力性指标 . 25 4.2 发动机参数的匹配发动机参数的匹配 . 25 4.3 isg 的参数的匹配的参数的匹配 . 29 4.3.1 功率的选择 . 29 4.3.2 额定转速和最高转速的选择 . 29 4.4 蓄电池参数的匹配蓄电池参数的匹配 . 30 4.4.1 蓄电池个数的确定 . 30 4.4.2 蓄电池容量的确定 . 32 4.5 变速器参数的匹配变速器参数的匹配 . 33 4.5.1 主减速器速比的确定 . 33 4.5.2 最大传动比的确定 . 33 4.6 本章小结本章小结 . 34 5 isg-mhv 驱动系统驱动系统 advisor 仿真模型的建立仿真模型的建立 . 35 5.1 仿真软件仿真软件 advisor 简介简介 . 35 5.1.1 advisor 的文件结构 . 35 5.1.2 advisor 的使用方法 . 36 5.2 主要模块的功能及建模方法主要模块的功能及建模方法 . 39 5.2.1 发动机的模型 . 39 5.2.2 isg 的模型 . 40 5.2.3 蓄电池的模型 . 40 5.2.4 变速器的模型 . 41 5.3 基于基于 advisor 的整车模型的整车模型 . 42 目 录 vii 5.4 本章小结本章小结 . 42 6 仿真结果分析与优化研究仿真结果分析与优化研究 . 43 6.1 仿真测试仿真测试 . 43 6.1.1 仿真参数的输入和设置 . 43 6.1.2 测试循环工况选择 . 45 6.1.3 设置性能测试选项 . 45 6.2 各循环工况下的性能仿真各循环工况下的性能仿真 . 46 6.2.1 动力性能仿真 . 46 6.2.2 燃油经济性能及排放性能仿真 . 49 6.2.3 蓄电池组性能仿真 . 53 6.2.4 其它一些性能仿真 . 60 6.3 对部分参数的优化研究对部分参数的优化研究 . 65 6.3.1 传动系效率的优化研究 . 65 6.3.2 风阻系数的优化研究 . 65 6.3.3 滚动阻力系数的优化研究 . 65 6.3.4 车重的优化研究 . 66 6.4 本章小结本章小结 . 66 7 结结 论论 . 67 致致 谢谢 . 69 参考文献参考文献 . 71 附附 录录 . 75 a. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 . 75 b. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目及得奖情况作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目及得奖情况. 75 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪 论 1 1 绪 论 汽车工业作为国民经济的支柱产业之一，已经成为衡量一个国家工业化水平 的重要标志3。 经济发达国家在世界经济中所占的地位与其在世界汽车工业中的排 名顺序基本上是相吻合的。但是，汽车的增长在增加国民产值发展的同时，造成 的能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越 高。所以，亟待需要研究节能、低碳环保的汽车，电动汽车作为一种节能，无污 染的理想零排放汽车，理所当然地受到了广泛的关注与重视，并在今后汽车工业 的发展中占有越来越重要的地位。 1.1 混合动力汽车概述 根据国际电子技术委员会，对混合动力汽车定义如下：在特定的工作条件下， 可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽 车，其中至少一种存储器或转化器要安装在汽车上。通过装备电机，使得整车可 以按照不同的运行工况要求灵活地进行调控动力源，最终能够使得发动机能在综 合性能最佳的区域范围工作，从而改善汽车的燃油经济性和排放性能4。总之， hev 兼有电动汽车低排放和传统燃料比功率和比能量高。 1.2 开展混合动力汽车研究的背景及必要性 能源紧张、环境恶化、气候变暖是全球汽车产业面对的共同形势，为了保持 汽车工业的可持续发展，并提高未来的国际竞争力，各国政府以及产业界都纷纷 提出了各自的发展战略，并积极应对。混合动力汽车（hev）已成为 21 世纪汽车 工业发展的热点，后经济危机时代节能减排，发展低碳经济、坚持可持续发展的 人类共同需求5。 1.2.1 能源短缺 世界能源主要包括石油、天然气、煤炭和核能等。根据预测所知，目前全球 已探明石油储量是 12000.7 亿桶， 可供开采 40.6 年； 已探明的天然气储量是 179.83 万亿立方米，可供开采 65.1 年。截至 2006 年底全球已探明的可开采煤炭储量是 9090.64 亿吨，可供开采 155 年。我国是一个能源短缺的国家，但是却是一个能源 消耗大国。 目前世界汽车保有量约为 8 亿辆，据预计，到 2030 年全球的汽车保有量将达 到 20 亿辆，其中，主要增量来自于发展中国家。图 1.1 所示为世界汽车保有量增 长的预测6。 重庆大学硕士学位论文 2 图 1.1 世界汽车保有量增长的预测 fig 1.1 the forecasts for growth of world vehicles possession 石油在交通领域的消费呈逐年增长趋势。根据国际能源机构（international energy agency -iea）的统计数据可知，预计到 2020 年，交通用油消费将占全球石 油总消耗量的 62%。同时，根据美国能源部预测，2050 年全球的石油需求与供给 的供需缺口量将达到 2000 年世界石油总产量的两倍。 中国的石油消费量仅次于美国，居世界第二位。根据国际能源机构的预测可 知，伴随越来越多中国消费者购买汽车，截至 2030 年，中国的石油消耗量中 80% 将需要依赖进口。 中国汽车保有量增加很快，截至 2008 年，全国汽车保有量是 6467 万辆，相 对于 2007 年，增加了 770 万辆，增长比率为 13.52%。仅次于美国，中国成为了世 界第二大新车的销售市场。预计到 2015 年底，全国汽车保有量将会达到 1 亿辆。 表 1.1 为 2005-2008 年全国汽车保有量及增长率。 表 1.1 2005-2008 年全国汽车保有量及增长率 table 1.1 the possession and growth of national vehicles 年份 2005 2006 2007 2008 保有量/万辆 4327 4985 5698 6467 增长率/(%) 15.2 14.3 13.5 汽车消费的快速增长加剧了能源消耗。中国机动车燃油的消耗量占全国总油 耗的 1/3,从而使得中国石油对外依存度不断攀升，据相关资料统计，2000 年是 33.8%，2006 年是 46%，到 2020 年，预计机动车燃油的消耗量将占到当年石油总 1 绪 论 3 消耗的 59%,汽车将会成为石油消耗增长的主要因素。据统计，到 2020 年中国石油 消耗的 76%要依赖进口，而汽车的石油消耗将占国内石油总需求的 57%。表 1.2 为我国 2005-2007 年汽油和柴油的消耗情况。从表中可知，全国汽油的消耗主要是 汽车消耗，占 87%左右，而汽车柴油的消耗约占 38%。 表 1.2 汽车占全国汽油和柴油消耗的比例 table 1.2 the ratio of gasoline and diesel consumed in vehicles 年份 汽油 柴油 汽 油 消 耗 量/万吨 汽 车 消 耗 量/万吨 汽 车 消 耗 比例/（%） 柴 油 消 耗 量/万吨 汽 车 消 耗 量/万吨 汽 车 消 耗 比例/（%） 2005 4816 4193 86.7 10967 3971 36.2 2006 5209 4547 87 11600 4469 38.5 2007 5606 4894 87 12422 5050 40.7 从我国单车耗油量来看，我国平均单车所耗油的实际值约为 2.5t,比美国高 10%-25%，比日本高一倍以上。 1.2.2 环境污染 燃油汽车在行驶中会产生大量的有害气体，既污染环境，又大大影响人类的 健康。燃油汽车排放的污染物主要有以下几种7。 碳氢化合物（hc） 。hc 含有苯、甲苯以及二甲苯等多种有害的物质，其中 苯的危害性最大，可导致人体血癌。 氮氧化合物（nox） 。nox 是一种强烈的腐蚀物质，对人体的呼吸器官有强 烈的刺激作用，根据官方报道，如果大气中 nox 体积分数达到 17ppm 时，10min 内，人呼吸就会很困难。当燃油汽车以加速工况行驶，各种有害气体排放量会剧 增，其中以 nox 排放量为最大。 一氧化碳（co） 。一氧化碳（co）是一种无色、无味的有毒气体，它能够 通过呼吸道进入人体，并与血液中的血红蛋白相结合，从而削弱血液的输氧功能， 造成人体内部缺氧，轻则头晕、头痛、四肢无力，重则中毒身亡。 二氧化硫（so2） 。二氧化硫（so2）是一种气体，无色、无味，会损害人的 肝、肾和心脏，对人的眼、鼻、喉以及呼吸道都有强烈的刺激性，会加重人的呼 吸系统和心血管疾病，严重时甚至会导致死亡。当二氧化硫在空中停留时，会与 粉尘、雨、雪等物质结合而形成酸雨，其危害性比 so2增加 10 倍以上，随雨水降 落地面会摧毁农作物、森林和草地，会腐蚀建筑物。 为了减少汽车对环境的排放污染，各国纷纷出台了日趋严格的排放法规。欧 洲制订了欧和欧标准，旨在限制汽车污染物的排放。根据欧标准，柴油汽 车的氮氧化物排放量不应超过 180mg/100km.。与欧标准相比，于 2014 年 9 月将 要实施的欧标准更加严格。欧盟官员称，相对于欧标准，欧标准对于人体 重庆大学硕士学位论文 4 健康的受益度将增加 60%90%。 于 2008 年在国内北京率先对新车实行“国四”排放 标准，2010 年国内新车销售已全面实施该标准。 1.2.3 气候变暖 能源的过度消耗带来温室气体问题，其中二氧化碳是最重要的温室气体，是造 成全球气候变暖的主要原因。中国的二氧化碳排放量仅次于美国，列居世界第二 位。根据 iea 估计数据表明，到 2020 年，汽车二氧化碳总排放量达到 60 亿吨， 汽车对地球气候变暖造成了巨大的影响。 为了降低二氧化碳的排放，减少汽车对全球气候变暖的影响，汽车应尽可能采 用节能小排量发动机，并最大限度地提高能源的利用率。如果中国采用一系列先 进技术，在新能源汽车方面取得突破，截至到 2030 年，中国汽车二氧化碳的排放 总量有希望降低 45的可能。 为了能源安全和保护生态环境的需要，电动汽车无疑成为未来汽车发展的方 向。根据国际能源署开展的预测，到 2012 年纯电动车、混合动力汽车的保有量将 达 2000 万辆，世界电动汽车业将进入快速发展阶段。 1.2.4 电动汽车和燃料电池汽车的发展受到制约 面对日益严重的能源枯竭和环境污染问题，寻求经济发展与资源、环境发展 相平衡的可持续发展模式成为世界性主题。世界上多数汽车生产商都在电动汽车 和代用燃料汽车领域进行大量的研究工作，将清洁汽车的开发研究作为可持续发 展战略的重要组成部分。 纯电动汽车满足对环境“零排放”的要求， 但是由于其关键技术高性能的电池 以及相关的电池控制技术的制约，与传统内燃机汽车相比，电动汽车的性价比还 远远不足8，其主要发展瓶颈如下: 由于蓄电池组的比能量较小，使得电动汽车一次充电的续驶里程达不到当 前的内燃机汽车水平； 由于蓄电池组的比功率较小，使得其体积和重量都较大，导致电动汽车的 动力性能无法与传统内燃机汽车相媲美； 蓄电池组充电时间较长，造成使用不方便； 蓄电池组价格昂贵，且相应充电站等配套设施投资巨大。 燃料电池技术可以说是世界上最先进的一种技术，它是一种将氢和氧的化学 能通过电极反应直接转换成电能，可以达到零污染排放，但是由于使其反应的催 化剂价格高、质子交换膜和极板的技术尚未达到大批量工业化生产的规模、相关 的电池动力管理系统不完善、加氢站的建设、涉及氢燃料的制备、存贮和运输等 基础设施耗资巨大等原因，短期内难于实现产业化的目标9。 混合动力汽车集燃油汽车和纯电动汽车的优点为一体，综合应用两种驱动系 1 绪 论 5 统，并发挥各自的最大效能，其明显的综合优势如下10 11： 发动机主要在中高负荷区(发动机的经济性能和排放性能较好的区域) 工 作，与传统发动机相比，既可降低其排量，又可降低其油耗； 排放性能有很好的改善。根据日本丰田公司的测试数据显示，与传统汽车 相比，混合动力汽车的 hc、co 和 nox 的排放量能降低到原车的 10%左右，co2 可降至传统汽车的 50%； 其集内燃机系统和蓄电池电动机/发电机驱动系统的两大优势为一体，克 服了纯电动汽车在比能量、比功率、重量等因素的制约； 其电池既可以通过外部交流电源充电，又可以由发动机通过发电机直接充 电，增加了选择性，从而降低了制