（车辆工程专业论文）plugin并联混合动力轿车动力性能仿真及试验结果分析.pdf

摘要 本文以天津清源电动车辆责任有限公司承担的国家8 6 3 项目“哈飞赛豹可外接 充电式( p l u g i n ) 混合动力轿车设计开发刀为依托，开展对开发车型的动力性、燃 油经济性等方面的仿真研究。 本文首先通过对多种新能源汽车优缺点的比较，得出可外接充电式混合动力汽 车不仅能解决传统混合动力汽车仍然消耗大量化石燃料的问题，而且也能解决纯电 动汽车续驶里程短等问题，被认为是向最终的清洁能源汽车过渡的最佳方案。 然后在现有方案的基础上，进一步对动力系统各关键部件进行了选型研究，并 根据8 6 3 的目标要求对主要部件的重要参数进行了精确计算，提出了动力系统整体 匹配方案。接着针对动力系统中各主要部件提出了各自的建模方法，并建立了基于 m a t l a b j s i m u l i n k 的可运行在a d v i s o r 2 0 0 2 仿真平台上的仿真模型。在仿真过程中， 着重解决了发动机、电机、动力电池等特征参数输入和各项仿真设置问题，从而提 高了仿真精度。为了更准确的模拟整车实际运行情况，本文将整车运行工况分为启 动、驱动、加速爬坡、减速制动、纯电动等不同的行驶工况，并在此基础上提出了 完整的整车控制策略。 从样车的仿真结果可以看出，整车的动力性能和燃油经济性等与设计目标基本 符合，发动机、电机工作状态良好，在满足动力性和燃油经济性的基础上，基本能 工作在最佳效率区域。通过样车控制策略，可以实现合理的功率分配和发动机、电 机的起停，制动能量回馈，并能保证s o c 始终维持在最佳区域内。电池容量的选 择能满足续驶里程的要求。 本文的研究工作具有一定的系统性，通过实车试验和仿真结果的对比，证明了 本文的建模仿真方法行之有效，目前所建立的模型已经成为清源电动车辆责任有限 公司的技术储备，做为后续优化设计的有利依据。 关键字：可外接充电，混合动力轿车，建模仿真，高级车辆仿真器，电辅助控制策 略 a b s t r a c t t h i sp a p e rw a sb a s e do nd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fh f j 7 1 6 1p l u g - i nh y b r i d e l e c t r i cp a s s e n g e rc a r , a p r o g r a mo fn a t i o n a l8 6 3w h i c ha s s u m e db yt i a n j i n gq i n g y u a n e l e c t r i cv e h i c l ec o ，l t d ，a n dg a v et h es i m u l a t i o no nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h e d e v e l o p e dv e h i c l e s b yc o m p a r i n gt od i s a d v a n t a g e sa n da d v a n t a g e so nm a n yd i f f e r e n tk i n d so fn e w e n e r g yv e h i c l e sf i r s t l y , i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a tt h i sp l u g - i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l en o t o n l yc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo ft h ee x c e s s i v ef u e lc o n s u m p t i o no ft h et r a d i t i o n a lh y b r i d v e h i c l e ，b u ta l s oc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo ft h es h o r tr a n g eo ft h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e ， a sar e s u l t ，t h i ss c h e m ew a sr e g a r d e da st h eb e s to n ei nt r a n s i t i o nt ot h ef i n a lc l e a n e n e r g yv e h i c l e a n d t h e n ，b yf u r t h e rr e s e a r c h i n go nt h ek e yc o m p o n e n t so ft h ed y n a m i cs y s t e ma n d m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o no fk e yp a r a m e t e r so ni m p o r t a n tc o m p o n e n t sa c c o r d i n gt ot h e 8 6 3p l a n sr e q u i r e m e n t s ，am a t c h i n gs c h e m eo nt h ed y n a m i cs y s t e mw a s p r o p o s e db a s e d o nt h ec u r r e n te f f o r t s f u r t h e r m o r e ，m e t h o d so fs i m u l a t i o no nt h em a i np a r t so fd y n a m i c s y s t e mw e r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y , a n das i m u l a t i o nm o d e l ，b a s e do nm a t l a b s i m u l i n k , w h i c hc a n r u n o ns i m u l a t i o np l a t f o r mo fa d v i s o r 2 0 0 2w a sm o d e l e d i nt h ep r o c e s so f s i m u l a t i o n ，s o m ep r o b l e m so np a r a m e t e ri n p u to fe n g i n e ，m o t o r , b a t t e r ya n ds o m e s e t t i n g sw e r eg i v e ng r e a ta t t e n t i o nt oa n ds o l v e d ，t h u st h es i m u l a t i o na c c u r a c yw a s i m p r o v e d i no r d e rt os i m u l a t ev e h i c l e sv i r t u a lp e r f o r m a n c e sm o r ea c c u r a t e ，t h e v e h i c l e sw o r k i n gc o n d i t i o nw a sd i v i d e di n t os t a r t , d r i v e ，a c c e l e r a t i o n ，d e c e l e r a t i o na n d b r a k e ，a l le l e c t r i cd r i v ea n ds oo n ，t h e nac o m p l e t ec o n t r o ls t r a t e g yw a sp r o p o s e db a s e d o nt h i sr e g a r d f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，i tc o u l db es e e nt h a tv e h i c l e sd y n a m i c p e r f o r m a n c ea n d f u e le c o n o m yc a nb ec o n f o r m e dt op r e s e to b j e c t i v e ，a n de n g i n ea n dm o t o rw e r ei ng o o d c o n d i t i o n i tc a nb es a i dt h a te n g i n ea n dm o t o rw e r ew o r k i n gi nt h eo p t i m a le f f i c i e n c y z o n ew h e n t h e ym e tt h ed e m a n do fp e r f o r m a n c eo nd y n a m i ca n df u e le c o n o m y t h r o u g h t h ec o n t r o ls t r a t e g y , s o m eg o a l ss u c ha sp r o p e rp o w e rd i s t r i b u t i o n ，s t a r ta n ds t o po f e n g i n ea n dm o t o r , b r a k ee n e r g yf e e d b a c ka n ds oo nc o u l db ef u l l yr e a l i z e da n d ，s o c c o u l db em a i n t a i n e di nt h eo p t i m a lz o n ea l lt h et i m e b e y o n dt h a t ，t h es e l e c t i o no ft h e b a t t e r y sc a p a c i t yc o u l dm e e tt h ed e m a n do fr a n g e t h ew o r ki nt h i sp a p e rw a s s y s t e m a t i c b yc o m p a r i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hr e a l v e h i c l et e s t ，t h es i m u l a t i o nm e t h o di nt h i sp a p e rw a sp r o v e dt ob ep r a g m a t i ca n df e a s i b l e m o d e l sb u i l tc u r r e n t l yh a v ep r o v i d e dt h en e c e s s a r yr e f e r e n c ef o rt i a n j i n gq i n g y u a n e l e c t r i cv e h i c l ec o ，l t da sw e l la se l o q u e n tb a s i sf o r t h ef u t u r eo p t i m a ld e s i g n k e yw o r d s ：p l u g i n ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，a d v i s o r ， e l e c t r i ca s s i s tc o n t r o ls t r a t e g y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工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。 签名：蕴她日期：型苤：f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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) 签名：猛盈和雌名：乒脚 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 改革开放以来，尤其是进入2 1 世纪，我国汽车工业出现了“井喷式一发展局 面。汽车产量每年以超过1 0 0 万辆速度增长，汽车进入寻常百姓家庭已经是不争的 事实。按照国家统计局发布的初步统计资料表明，2 0 0 6 年我国汽车产量已达到7 2 0 多万辆，汽车保有量达到3 5 0 0 多万辆，成为世界第三大汽车制造国和第二大汽车 销售国。按照我国的经济发展速度和国土面积与人口总量预测，到2 0 3 0 年，我国 的汽车保有量的低限预测( 按照目前世界平均水平估计) ，将超过1 亿辆，中国将 真正进入汽车社会。 r l u 昱 。 至 l g m t j h 瞳h a sh 蛔一h a s k _ _ h a sl 孵 辫i i a s 窘i i a $ 一拈鼍 - 一_ 一 一 广 一面一 t r 。一 刀d 呻刀皓抽 2 1 1 1 1 52 嘲搬52 n 3 图1 - 1 我国汽车保有量预测 1 2 传统汽车工业面临的挑战 汽车不仅仅是人类社会不可缺少的交通工具，而且是很多人的生活必需品和文 化生活的一部分。它对人类社会进步产生的巨大推动作用是不可替代的。但汽车的 大量生产和广泛使用也带来了环境、能源和道路安全方面的严峻问题。 ( 一) 能源紧缺 目前，我国已经面临石油资源短缺的局面，石油对外的依存度接近5 0 ，专家 预测，到2 0 2 0 年中国石油需求量将达到4 亿吨，其中1 3 来自于汽车，而中国的 石油产量只有1 6 亿吨到1 7 亿吨左右，届时将有2 4 亿吨的石油缺口。石油问题 已经不仅仅是狭义的能源问题，而是上升到国家能源安全的高度。 ( 二) 环境及排放 帅 柏 舯 _ 帅 柚 盈 - i - - 武汉理工大学硕士学位论文 汽车从开发生产到使用，直至最后报废的生命周期中，对环境的破坏是全方位 的。汽车在使用阶段对环境的破坏最为严重，主要包括尾气有害排放物、温室气体、 噪声等。汽车尾气的排放已经成为我国大气污染的重要来源，汽车工业的发展必然 受到环境容量的限制，而二氧化碳排放问题已经成为国际政治问题。 1 3 应对挑战的新对策 面临能源枯竭和大气污染的双重威胁，包括美国、日本和欧盟在内的汽车生产 大国都已相继制定出日益严格的燃油消耗和汽车排放法规，传统汽车受发动机本身 技术发展的局限难以满足日益苛刻的法规要求，汽车新技术的发展势在必行。 纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 是一种真正意义上的清洁汽车，但受动力 电池技术的制约，纯电动汽车单次充电的续驶里程还未取得突破性进展，很难为市 场所接受，目前纯电动汽车在续驶里程和初始成本方面都不能和传统汽车相抗衡。 燃料电池汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，f c e v ) 的研究也在持续升温，但目前生 产成本过高，技术也不是很成熟，很难实现产业化。 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 ) 是在电动汽车发展过程中 出现的一种低油耗、低排放、续驶里程长、价格适中、兼具纯电动汽车和传统燃油 汽车优点的新型汽车。它具有良好的燃油经济性和极低的排放，对传统汽车产业结 构不会造成很大冲击及无需改变现有能源供应基础设施等优点，正日益受到广泛的 关注。由于在技术、经济和环境等方面的综合优势，h e v 被认为是目前最切实可 行的清洁汽车方案。 1 4 国内外混合动力汽车的发展概况 混合动力汽车的研发起始于2 0 世纪7 0 年代，但由于其技术含量高，结构复杂 以及造价较高，实现困难等原因，直到2 0 世纪9 0 年代，各国才相继推出混合动力 样车。我国的混合动力轿车起步较晚，直到2 0 0 1 年国家“十五才将混合动力轿 车的研发列入8 6 3 计划电动车重大专项。 1 4 1 国外混合动力汽车最新发展概况 国外混合动力汽车的开发已经取得了重大的进展，目前日本在混合动力电动汽 车技术开发方面居于世界领先地位。丰田公司( t o y o t a ) 开发的p r i u s 、本田公司 ( h o n d a ) 开发的i n s i g h t 和c i v i c 、日产a l t i m a 都已经实现了产品化生产。具体 车型见图1 2 、图1 3 、图1 4 、图1 5 。 2 武汉理丁1 人学砸_ r = 学位沧文 图1 - 2 丰田p n u s 摧合动力轿车幽1 - 3 术田c i v i c 涟台动力轿车 闭1 4 奉田i n s i g t 混台动力轿车 图1 5 口产a l t i m a 混台动力轿车 p 山s 是世界酋款批量生产的、也是日d f 为止世界上最成熟的混合动力轿车。 p r l u s 的油电混合动力系统是世界尖端技术，创造了汽油发动机与电动机的最佳组 合，令汽车的性能有了划时代的改变，不但达到了远远低于传统汽车的油耗水平， 而且实现了1 廿界商水平的低尾气排放。该车采用了套行星齿轮机构用于变速和能 量分配，发动机是0 fj 设训的a t k i n s o n 循环技动机。r 奉产业省确定r2 0 1 0 年日 本清洁能源汽车的发展日标，其巾混合动力电动汽车竖达到约2 i l 万台。 另外，美国的通用( g m 、福特( f o r d ) 、荷兰t n o 公司、戴姆勒克菜斯勒 汽车公司( d a i m l e r c h r y s l c r ) 、韩国现代汽车公司( h y u n d a i ) 、法蚓雷诺汽车公卅 ( r e n a u l t ) 等都对混合动力汽牟进行丁相关的研究。其中福特e s c a p e 混合动j 电 动汽车佩1 通用土星a u r a 动力系统比较复杂，采用的是种双轴复合式混合动山系 统，其中前轮由电机驱动，后轮山混合动力驱动。具体车型见蚓l j 6 和图l 一7 。 目j 石锅特混合动力e s c a p e s u v鼎1 - 7 通用十旱a u r a 混奇动力轿乍 1 42 国内混合动力汽车最新发展概况 删内是存2 0 世纪8 0 年代后瑚川始电动汽乍研究的。1 9 9 9 匀4 月6f 山科技 部、虾保总局，同家计委、国客经犍委和同象机械局等十多个部委联台召开“守气 j 争化r 清洁辆行动会议，提m 通过电动乍辆、混合动力牟辆技术的攻关和 武汉埋上人学顷十学位论文 推广应j 曰，从根本上治珲机动车辆排放阿染，依靠科技进步，建立新型清洁车辆产 业。0 1 年国家科技部 始设立“二纵二横”电动汽牟专项。在混合动力汽车方面， 参与到与混合动力汽车相关的“一纵= 横”中的高校、科研院所和企业已达儿十家， 其中主要混合动力轿车研发单位清单列于表1 - 1 中。 表1 - 1 国内混台动力轿车警车研发相关单位( 为国家8 6 3 资助 重庆 长安 长安杰勋摧台动力轿车( 图1 8 ) ，芜湖奇瑞 奇瑞a 5 b s g i s g 的混合动力轿车( 图1 9 ) - 长春一汽一汽奔腾b 7 0 t i e v ( 目1 1 0 ) + 武汉 一汽 乐风e q 7 2 1 v jf i e v ( 图1 - 1 1 ) 同济人学 海尚3 5 0 h e v l 海 华普 比迪 比亚迪 t y b t i d s 串联混台动力轿车福幕自： 长沙长#混台动力越野车 在科技部平u 地方政府的配套支持下，一汽、东风、长安和奇瑞等在混合动力汽 车领域都取得了很大进步。在艇车、部件、试验等方面己实现众多技术创新。各车 型均已完成功能样车开发，f r 在着手性能样车开发和产业化准备。 创1 一1 0汽奔猎b 7 0 h e v 圈1 1 1 尔风e q 7 2 0 0 h e v 1 5 本文主要研究内容 本文以清源电动车辆有限责任公卅承担的国家8 6 3 项目“p l u gi n 式哈e 赛豹 ltdt，_j 武汉理工大学硕士学位论文 混合动力轿车开发 为依托，在现有方案的基础上，主要围绕动力系统关键部件选 型及参数匹配、整车控制策略分析、动力系统建模仿真以及实车性能试验结果分析 等方面展开研究，具体研究内容如下： ( 1 ) 整车动力系统部件选型和参数设计。依托天津清源电动车辆有限责任公 司电动汽车动力技术开发平台，针对整车承担单位的整车车型，在充分考虑样车功 能实现的前提下，对构成整车动力系统的发动机、电动机、动力电池、变速箱等主 要部件进行型式分析，并结合目前的研究实际选择合适的部件型式和参数设定； ( 2 ) 从整车所应满足的各种工况要求出发，建立合理的基于整车燃油经济性 和动力性的整车控制策略； ( 3 ) 并联混合动力系统动态建模。在基于m a l l a b s i m u l i n k 的a d v i s o r 2 0 0 2 建模环境中建立动力系统主要部件模型及控制策略模型； ( 4 ) 对整车各种行驶工况进行精确的仿真分析，评价仿真车辆的动力性和燃 油经济性； ( 5 ) 进行实车试验，验证所建动力系统仿真模型的有效性和可信度。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章混合动力系统的原理和选型分析 2 1 混合动力汽车概念 根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议，混合动力汽车h e v ( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 的定义为：多于一种能量转换器来提供驱动动力的混合型电动汽 车。h e v 是传统内燃机车辆与电动车辆产生的混血儿，它继承了电动汽车低排放 的优点，又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传统内燃机汽 车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程。 2 2 混合动力汽车的分类及各自的特点 混合动力电动汽车的分类可用拓扑图形的方式来表达，如图2 - 1 所示。 薯 i n 图2 - 1 混合动力电动汽车的拓扑分类 如果只有内燃机一种动力源，全部由燃油箱给汽车提供能量，就是传统汽车； 如果只有电机一种动力源，同时给汽车提供能量的能量源是动力电池或者氢燃料电 池，则分别为纯电动汽车或纯燃料电池电动汽车。动力电池和氢燃料电池的发展最 终导致不同的汽车技术向纯电动汽车和燃料电池电动汽车发展。 2 2 1 从系统能量流和功率流的配置结构关系分类 6 武汉理工大学硕士学位论文 从图2 1 可知，以纯电动汽车为分界，上部为并联混合系统，下部为串联混合 系统。凡是同时具有两种驱动动力源的车辆，例如车轮同时由内燃机和电机驱动， 则为并联混合动力汽车p h e v ( p a r a l l e lh y b r i de l e o f i cv e h i c l e ) ：凡是驱动车辆的动 力源只有电机一种，但给电机供应能量的能量源有两种( 如动力电池、辅助动力单 元或燃料电池) ，则为串联混合动力汽车s h e v ( s e r i e sh y b r i de l e o f i cv e h i c l e ) 。 2 2 2 从使用动力电池电机与内燃机的搭配比例分类 混合动力电动汽车可分为四种类型： ( 1 ) 微混合系统( m i c r oh y b r i d s ) ，有时也叫“起停混合一 该种类型的混合动力电动汽车依靠电池的比例很小，驱动车辆的两种动力源中 电机功率的比例也很小，而内燃机功率的比例很大。代表车型奇瑞a 5b s g 微混合 动力轿车，见图1 9 。微混合动力汽车的特点有： 微混合系统，电机仅作为内燃机的起动机发电机使用，对它管理的控制策略是， 需要时( 如遇到红灯车辆停止) 使内燃机熄火，并当车辆再次行驶时，立即重 新起动内燃机；以及制动时发电，实现能量回收。一般来说，当车辆行驶时， 仅由内燃机驱动，电机不提供能使车辆行驶的附加力矩；也有一些结构在车辆 加速时，电机辅助内燃机加速车辆； 微混合可实现5 1 5 的节油效果。 ( 2 ) 轻度混合系统( m i l dh y b f i d s ) 该种类型的混合动力电动汽车相对于微混合系统依靠电池的比例较大，驱动车 辆的两种动力源中电机功率的比例增大，内燃机功率的比例减少。代表车型h o n d a 的i l l s i g l l t ，见图1 4 。微混合动力汽车的特点有： 轻度混合系统，电机可给内燃机提供辅助的驱动力矩，但不能单独驱动车辆， 这种系统同样具有能量回收、发动机熄她重起动等功能，其电机、电池功率都 比微混合大，作用也强，内燃机功率可以小一些； 轻混合电机功率一般不超过发动机最大功率的1 0 ； 节油可达2 0 2 5 。 ( 3 ) 全混合系统( f u l lh y b r i d s ) 该种类型的混合动力电动汽车依靠电池的比例更大，与轻混合系统相比，驱动 车辆的两种动力源中电机功率的比例也更大，内燃机功率的比例更小。代表车型为 t o y o t ap r i u s ，见图1 2 。全混合动力汽车的特点有： _ 全混合车辆，电机和内燃机都可以独立或一起驱动车辆，因此在低速、软加速 行驶( 如交通堵塞，不断起步停车) 、车辆起步加速和倒车等情况下，车辆可 7 武汉理工大学硕士学位论文 以全电动行驶；硬加速时电机和内燃机一起驱动车辆，也有制动能量回收的能 力； 全混合系统内燃机和电机的功率水平不同，典型的情况是电机功率约为内燃机 最大功率的4 0 左右； 节油达5 0 5 6 。 ( 4 ) 可外接充电混合系统( p l u g - i nh y b r i d s ) 该种类型的混合动力电动汽车电机功率比例与纯电动相当，内燃机功率比例与 全混合系统相当，同时电池容量应保证必要的行驶里程。其主要特点有： _ 具有纯电动汽车的全部优点：低噪音、零排放及高能量效率； 一可以大大改善h e v 的有害气体、温室气体的排放，提高混合动力汽车的燃油 经济性和动力性能； _ 具有纯电动行驶较长距离的功能，但需要时仍然可以以全混合模式工作，其最 大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系统相结合，里程短时采用纯电 动模式( 例如，在一周工作日内上下班) ，里程长时采用以内燃机为主的混合 动力模式( 例如，周末长途旅游) ； - 可利用外部公用电网( 主要是晚间低谷电力) 对车载动力电池进行均衡充电， 可改善电厂发电机组效率、消峰填谷缓解供电压力； 通过纯电动行驶，可大大降低对石油的依赖，缓解石油危机。 2 3 混合动力电动汽车发展趋势分析 未来1 0 年，混合动力电动汽车( h e v ) 将会迅速发展，并占有一定的市场规 模。但是混合动力电动汽车由于存在着三大主要问题价格高、效率低、仍然使用 较多汽油柴油，因此远景并不乐观。目前h e v 的发展方向是可外接充电式混合动 力电动汽车( p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p l u g i nh e v ) 。p l u g i nh e v 的诸多特 点在2 2 2 节中做了详细的论述，鉴于此我们可以得出这样的结论，p l u g i nh e v 是 一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车 ( b e v 和f c e v ) 过渡的最佳方案之一。 鉴于p l u g i nh e v 的诸多优点和发展的可行性，本章将以p l u g i nh e v 为重点， 对其结构型式及其相应的特点进行具体分析。 2 4 典型p l u g i nh e v 的整车动力系统结构分析 p l u g i nh e v 动力系统主要可分为串联式、并联式和混联式三种结构。其结构 8 武汉理工大学硕十学位论文 特点就是在传统h e v 上改装或加装可充电的动力电池，因此不同类型传统h e v 所 具备的特点在相应类型的p l u g i nh e v 上依然具备，所不同的是p l u g i nh e v 用发 动机功率比传统h e v 的小，电机和电池功率比传统h e v 的大，电池可通过电网进 行充电。 2 4 1 串联型p l u g i nh e v 2 4 1 1 串联型p l u g - i nh e v 结构特点 串联型p l u g i nh e v 系统的结构原理图如图2 - 2 。 图2 - 2 串联型p l u g i nh e v 动力系统简图 从图2 2 中我们可以看出，发动机带动发电机发电，其电能通过电动机控制器 直接输送给电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过 电能实现动力传递，因此更像是电传动汽车。电池通过控制器串接在发电机和电动 机之间，其功能相当于发电机与电动机之间的“水库，起功率平衡作用，即当发 电机的发电功率大于电动机所需的功率时( 如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车 等工况) ，控制器控制发电机向电池充电；而当发电机发出的功率低于电动机所需 的功率时( 如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况) ，电池则向电动机提供额 外的电能；在条件允许的情况下，可通过切断发动机的动力实现纯电动行驶；当电 池组不起作用或不能使用时，发动机可单独驱动发电机发电，满足电机驱动汽车行 驶的电能需求；在停车状态下可对动力电池进行充电。 2 4 1 2 串联型p l u g i nh e v 性能特点 发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的。当汽车运行 9 武汉理工大学硕十学位论文 工况变化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由控制器控制发电 机向电池充电( 吸收发电机富裕的电能) 或使电池向电动机放电( 协助发电机供电) ， 电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这 样的结构形式和控制方式，使串联型p l u g - i nh e v 具有如下性能特点： - 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运 行，因此，发动机具有良好的经济性和较低的排放指标； 由于有电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下 稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机； _ 发动机与驱动桥之间无机械连接，因此，对发动机的转速无任何要求，发动机 的选择范围较大，比如，可选用高速燃气轮机等效率高的原动机； 发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大： _ 发动机的输出需全部转化为电能再转变为驱动汽车的机械能，所以需要功率足 够大的发电机和电动机； 一要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电和过放电， 就需要较大的电池容量； 发电机将机械能转变为电能、电动机将电能转变为机械能、电池的充电和放电 都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低。 串联型p l u g - i nh e v 发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越 性主要表现在低速、加速等运行工况，而在汽车中、高速行驶时，由于其电传动效 率低，抵消了发动机油耗低的优点，因此，串联型p l u g i nh e v 混合动力电动汽车 更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 发动机，只利用电池进行功率输出，使汽车达到零排放的要求。 2 4 2 并联型p l u g - i nh e v 2 4 2 1 并联型p l u g i nh e v 结构特点 并联型p l u g - i nh e v 动力系统的结构原理图如图2 3 。和串联p l u g i nh e v 动力 系统布置不同的是，并联式布置保留了发动机及其后续传动的机械连接，由电池组 电动机所提供的动力在原驱动系统的某一处和主动力汇合，或者发动机和电动机 产生的力完全分开用以驱动不同的驱动桥，即汽车可由发动机和电动机共同驱动或 者各自单独驱动。发动机和电机是两个相互独立的系统，即可实现纯电动行驶，又 可实现内燃机驱动行驶，在功率需求较大时还可以实现全混合动力行驶，在停车状 态下可进行外接充电。并联型p l u g - i nh e v 的结构形式更像是附加了一个电动机驱 动系统的普通内燃机汽车。并联型p l u g i nh e v 动力系统同串联型p l u g i nh e v 动 1 0 武汉理1 人学硕+ 学位论文 力系统的布置比较起来，其结构相对复杂，实现形式也趋多样化。 车艳 k h 器 图2 - 3 井联型p l u g i nh e v 动力系统简到 2 422 并联型p l u g i nh e v 性能特点 并联型p l u g i nh e v 其发动机功率也是| 三i 汽车某一速度下稳定行驶工况所需功 率选定的，汽车在低速或变速下况行驶时，需通过加速踏扳和变速器柬调节发动 机的功率输出；而在汽车高速行驶，发动机的输! f j 功率低于汽车行驶所需功率时， 由控制器控制电动机协助驰动。这样的结构形式和控制方式，使并联型p l u g i n h e v 具有如下性能特点： _发动机通过机械传动机构直接驰动汽车，没有机- 电能量转换损失，因此发动机 输出能量的利用率相对较高，汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范围 内运行时，并联型p l u g i nh e v 燃汕经济性比串联的高； _ 有电动机进行“调峰”作用时发动机的功率也可适当减小； _当发动机只是作为辅助驱动系统时，其功率也可以比较小： 如果装备发电机，发电机的功率也可较小； 由于有发电机补充电能，比较小的电池容量即可满足使用要求： 由于并联型p l u g - i nh e v 驰动系统的发动机的运行工况要受汽车行驶工况的影 响因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工 况下运行，因此，发动机的排污比串联式的高； 由于发动机与驱动桥之自j 直接机械洼接，需要通过变速装簧柬适应汽车运行工 况的变化，此外，发动机与电动机并联驱动，还需要动力耦含装置，因此并联 型p l u g - i n h e v 驱动系统j t 传动机构较为复杂。 并联型p l u g i nh e v 驰动系统最适合j 一汽车水中高速稳定行驶的r 批。在孵芑 的行驶l 况，h i 于发动机不舟最他的r 况区域内运行，发动机的油耗和排污指标小 武汉理i 学坝t 学位论文 如串联式p l u g i nh e v 。并联型p l u g - i nh e v 也可实现零排放控制，在繁华的市区 低速行驶时，可通过关闭发动机使汽车以纯电动方式运行。但这样就需要功率足够 大的l 乜动机，所需的电池弈量也相应要大。 2 43 混联型p l u g i nh e v 混联型p l u g i nh e v 驱动系统是串联式与并联式的综合，图2 4 为一种典型的 混联型p l u g - i nh e v 动力系统( h y m o l i o np l u g - i np r i u s ) 结构原理图。发动机发出 的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发 出的电能由控制器控制，输送给屯动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力耦 合装霄传送给驱动桥。混联型p l u g - i nh e v 驱动系统的控制策略是：在汽车低速行 驶时，驰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 为丰；当停车时，通过车载充电器对其进行外接充电。 混联型p l u g - i nh e v 驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联 式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更好的优化匹配，从而在结 构上保证了在复杂工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控 制目标。 车轮 。 器 幽2 4 丰田p r i u s 税联式混合动力系统简创 与并联型p l u g i nh e v 相比，混联型p l u g - i nh e v 的动力复合形式更复杂，因 此对动力耦合装置的要求更高，目前的混联型p l u g - i n h e v 结构一般以行星齿轮作 为动力耦合装置的基本构架。图2 - 4 为丰阳公司p r i u s 车的驱动系统结构示意图 它的驱动系统被公认为目自口最成功的结构之一。 2 5 混合动力系统结构选型依据 基于以上埘p l u g - i nh e v 动力系统的分析，仵4 i j j 系统选型叶】若重考虑以下几 武汉理工大学硕士学位论文 个因素： ( 1 ) 使用环境 p l u g i nh e v 的动力系统一般基于特定工况进行设计，这是因为多数动力系统 对工况比较敏感，不同工况性能差别很大，只有在特定的工况下才能充分发挥低油 耗、低排放的优点。 ( 2 ) 性能要求 不同类型的p l u g i nh e v 之间性能差异十分明显，在选型时必须注意由动力系 统结构引发的性能差异。如果对加速性能要求高，就有必要选择配有峰值功率调节 器的结构型式。如果对经济性要求苛刻，并联式可以成为合适的选择。 ( 3 ) 技术条件 所谓技术条件，除研究开发的条件和力量外，还包括工业基础。强调工业基础 是因为一些常见的动力系统部件，我国的产品水平还不能满足需要或尚无法生产。 进行新产品开发总会有一定的进度要求，如果技术条件无法保证，就难以实现预定 开发目标。 ( 4 ) 开发性 开发性是指动力系统需要进一步完善的空间。产品性能是一个完善的过程，同 样开发工作也不可能一步到位，也需要进行不断的完善。在具体开发工作中应该遵 循由简单到复杂、由易到难的思路，先选择对技术条件要求较低的结构进行开发。 ( 5 ) 成本和使用维护费用 动力系统的结构对p l u g - i nh e v 成本影响很大，这是因为不同类型的动力系统 对部件的种类、数量和性能要求差别很大。而部件的种类、数量和性能指标是影响 p l u g - i nh e v 成本的主要因素。选型时还应考虑使用、维护费用，结构越复杂，故 障率越高，使用和维护费用也越高。 价格和使用维护费用直接关系到p l u g - i nh e v 的产业化，如果不能产业化，就 不能为进一步开发提供资金，也就难以促进技术水平的提高和服务性能的改善。事 实上，性能优良但价格过高无法商业化，甚至被迫放弃p l u g - i nh e v 开发的实例很 多，我们不应重蹈覆辙。 2 6 本章小结 本章主要研究论述了混合动力电动汽车的概念、分类和不同类型的主要特点。 结合现有的技术条件和各种类型的不同特点，归纳总结出：p l u g - i nh e v 是一种最 有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车( b e v 和 f c e v ) 过渡的最佳方案之一。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章动力系统部件选型和参数设计 3 1 混合动力轿车整车方案确定 项目组所开发的混合动力轿车为可外接充电式混合动力轿车，相比非外接充电 型式的混合动力汽车，可外接充电式混合动力汽车在动力总成选型上的特点是，电 机功率较大，动力电池从单一功率型变化到比功率和比能量指标兼顾，由于具有纯 电动行驶模式，需要有发动机和电机的分离或者复合机构。另外，因为可以外接充 电，所以车上应配备车载充电机装置。 该混合动力汽车既有发动机，又有电动机，而且整车的行驶工况的多样性也使 得动力总成的工作状态具有多样性，例如纯电动、启动发动机、电动机助力、高速 巡航等多种工况。为了让电动机和发动机都工作在高效区且能适应整车的功率需 求，就需要使用动力分配机构来调整发动机和电动机的工作状态和输出功率，以满 足混合动力汽车动力性、燃油经济性及良好的排放性。 为了实现纯电动工况，就需要把发动机和电动机能适时的脱开，但又保留手动 变速箱，所以采用双离合器方案。其整车技术方案示意图如图3 - 1 所示。 车轮 、 图3 - 1 混合动力轿车整车技术方案示意图 3 2 超越离合器( 单向离合器) 动力分配机构 1 4 器 武议理1 人中顿f 学协论立 3 2i 超越离合器工作原理 p 向离台器的【作嫌删ir d 传统摩擦 ，离含器“本质的【i 别。r 恤m 离器 可以钉散的减少接合带米的冲击，蜓适 d 合动力f 乜动汽： 外，楔块式巾向 离含嚣的接触点曲率半径人，楔块多承拽能力强，结构紧凑，外形尺寸小，自镄 一锥，制造容易，凶此经过前划方案论“，找们选扦楔块_ 1 ：超越离器( 单向离台 嚣) 动j j 分配机构。 外环电动机 嘲3 - 2 楔块a 单向离合器鲋一构拉【作昧理简吲 刚3 2 所目i 是楔块文竹向离台器的楔块尺寸特征，a b c 。l f 芷i i lf 楔块的 这种特殊尺寸，使褂当外爿呻j 内环都逆时针旋转时，如粜外环转述人j ：内环转述， 离含器分离，外环转速等r 内环转述时，离台器接台。发动机和内环丰u 连，i 乜动机 辑外环斗1 j 连旋转疗向为逆时针存纯屯动横式f ，内环拔础机转速为零，外环 i u 动机逆l 时针旋转驱动车辆 r 驶，返时离台器地j 分高( 超越) 状态。滩合驱动 模式r 二者以m 样的转速逆i l 川蛙转，此时离台器处j ：拔( 侦l i ) 状忐。总成 结构及尘物如 钭3 - 3 。 h3 - 3 超越离音器功力钎毗机构纠怕昧删段崔物l q ：母 奢 q _ u 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 超越离合器在所有工况下的作用状态 ( 1 ) 纯电动模式 在这种模式下，发动机不工作，单向离合器处于超越工况