（光学工程专业论文）混合动力城市客车控制策略与试验研究.pdf

摘要 摘要 节能、环保和安全是当今世界的三大主题。汽车是当今人们的主要交通方式之 一，也是能源消耗大户。在我国，以北京市为例，2 0 0 5 年每年交通运输消耗石油占 总消耗量的4 5 ，产生的排放物占总排放量的7 0 8 0 ，每年交通事故造成的人员伤 亡占各大伤亡的首位。因此，有效地解决汽车燃烧和排放问题，对缓解能源造成的 压力，改善汽车排放对城市和人们生存环境具有重要意义。 如何提高汽车性能来降低能耗和排放是当今汽车技术研究的重要内容。十多年 来，电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等解决上述问题的新的汽车技术成为 人们研究的热点。与当今汽车技术水平相适应，发动机与电机混合驱动的混合动力 汽车技术在改善汽车性能、降低汽车排放等方面效果明显，短期内有望成为低能耗、 低排放汽车的替代技术。 本文针对混合动力城市公交车结构和驾驶循环特点，首先确定了e q 6 11 0 h e v 混合动力城市客车为并联式结构，并对混合动力系统参数进行了匹配，提出了利用 正交试验设计方法，从基本正交优化和综合正交优化两个方面对混合动力系统总成、 结构参数以及控制策略进行全面深入的优化。根据正交试验结果及其方差分析，明 确了混合动力系统各部件参数对整车燃油经济性影响的主次关系，获得了混合动力 系统部件参数与控制策略及其参数的最佳组合。其次，依据理论建模和试验数据建 模相结合的方法，对发动机、电机、动力电池及附件系统等对汽车性能影响大的部 件采取试验建模，对一般部件采取理论建模，建立了以发动机驱动为主、电机驱动 为辅的并联混合动力客车仿真模型，并从循环油耗、发动机瞬态扭矩与瞬态比油耗 等方面进行模型精度校验，仿真与试验结果偏差约3 ，因此，仿真模型精度满足要 求。第三，从使用、驾驶循环等方面详细分析了汽车性能的主要影响因素，提出并 设计了兼顾燃油经济性和排放的扭矩均衡分配控制策略，并通过不同驾驶循环、不 同控制策略的仿真结果与试验结果的对比分析，验证了扭矩均衡控制策略能有效地 节约燃油6 7 。为了进一步提高混合动力汽车的性能，论文深入地探讨了控制策略 的优化问题，提出了效率优先扭矩均衡分配控制策略，并设计了以汽车需求扭矩 和电池s o c 为输入变量的模糊控制程序。仿真结果表明，效率优先扭矩均衡分配控 制策略可使汽车的燃油经济性改善1 1 9 ，并从不同汽车配置、不同驾驶循环等方面 验证了该控制策略的有效性、适应性和强的抗干扰性。最后，论文阐述了混合动力 上海交通大学博士学位论文 汽车多能源控制系统设计与调试过程。利用设计的多能源控制器对e q 6 11 0 h e v 并联 混合动力系统各种工作模式进行了单独调试和联合调试，并通过台架试验和道路试 验进一步验证了混合动力系统具备并联混合动力汽车的所有工作模式，各种模式工 作正常，模式间切换平稳。根据设计的混合动力系统及控制策略，在不开空调的条 件下，武汉实际城市公交驾驶循环油耗试验平均值为3 61 1 0 0 k m ，与传统客车平均油 耗4 2 91 1 0 0 k m 相比，平均节油率达1 9 1 。若采用效率优先扭矩均衡分配控制策略， 在同等条件下混合动力城市客车循环油耗仿真值为3 3 41 1 0 0 k m ，节油率达2 7 3 ， 从而验证了e q 6 11 0 h e v 并联混合动力城市客车系统结构合理、控制策略优良可靠， 达到了预期的设计目标。 关键词：混合动力城市客车、并联混合动力系统、参数匹配、正交试验设计、优化、 建模、仿真、控制策略、控制系统、试验 摘要 o p t i m a l a n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nt oc o n t r o ls t r a t e g yo f h y b r i de l e c t r i cb u s a b s t r a c t e n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds a f e t yr e m a i nt h et h r e es u b j e c t si nt o d a y s w o r l d w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y ，a u t o m o b i l e sa r eb e c o m i n go n eo ft h e m a i nt r a f f i ct o o l sf o rp e o p l e s ，b u tt h e ya l s oc o n s u m eal a r g eo fo i l s f o re x a m p l e ， a u t o m o b i l e sc o n s u m e4 5 o ft h et o t a lo i lc o n s u m p t i o n , a n dp r o d u c e7 0 - 8 0 o ft h et o t a l p o l l u t a n t si nb e i j i n gi n2 0 0 5 s i m i l a r l y ，t h ed e a t hr a t eo ft r a f f i ca c c i d e n t ss t i l lk e e p st h e h i g h e s tr e c o r di nr e c e n ty e a r s s o ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ru st or e l e a s et h ee n e r g y p r e s s u r ea n di m p r o v et h ea i rq u a l i t yo fc i t yb yt a k i n g e f f i c i e n tm e a s u r e st or e d u c e e m i s s i o n so fv e h i c l e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h e so nm o d e mv e h i c l et e c h n o l o g i e sf o c u s e so nh o w t oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e sa n dr e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n so fv e h i c l e s i n t h ep a s tt e ny e a r ，s o m en e wt e c h n o l o g i e sh a v eb e c o m et h eh o t s p o tb e c a u s ei tc o m e p o s s i b l et os o l v et h ea b o v ep r o b l e m sf o re 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 ea n df u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l ee t c i nas h o r tr u n ，t h eh y b r i dp r o p u l s i o ns y s t e mm a yb e c o m et h e s u b s t i t u t eo fl o we m i s s i o nv e h i c l e ( l e v ) ，u l t r a - l o we m i s s i o nv e h i c l e ( u l e v ) a n d z e r o e m i s s i o nv e h i c l e ( z e v ) b e c a u s eo fi t sp o t e n t i a l si nr e d u c i n ge m i s s i o n sa n db e t t e r i n g p e r f o r m a n c e so f v e h i c l e t h ep a p e rf i r s t l ye x p a t i a t e so nt h ec o n f i g u r a t i o no fp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cb u sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n td r i v i n gc y c l e s ，a n dc a r r i e so u tp a r a m e t r i cm a t c h i n go fh y b r i d e l e c t r i cb u s i na d d i t i o n , a no r t h o g o n a lt e s tm e t h o do fp a r a m e t e rm a t c h i n gi sp u tf o r w a r d i nt h i sp a p e r ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e lh y b r i dp r o p u l s i o na s s e m b l e s ，p a r a m e t e r s a n dc o n t r o ls t r a t e g i e sa r et h o r o u g h l ya n a l y z e db yb s eo ft h eb a s i co r t h o g o n a lt e s ta n d i i i 上海交通大学博士学位论文 s y n t h e s i so n h o g o n a lt e s t a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t sa n di t sa n a l y s i so fv a r i a n c e ，k e y p a r a m e t e r st ot h ef u e le c o n o m ya r ed e t e r m i n e df o rt h eh y b r i dp r o p u l s i o ns y s t e m ，a n da n o p t i m a lp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o ni sa c q u i r e df o r t h eh y b r i da s s e m b l e sa n di t sc o n t r o l s t r a t e g i e s s e c o n d l y ，s y s t e mm o d e l i n gi nt h i sp a p e ru s e sac o m b i n a t i o nm o d e l i n gm e t h o d t h a ti n c l u d e sat h e o r ym o d e l i n gm e t h o da n dat e s tm o d e l i n gm e t h o d t h a ti st os a y ， d i f f e r e n tp a r t sa d o p td i f f e r e n tm o d e l i n gm e t h o d f o rt h ek e yp a r t ss u c ha se n g i n e ，m o t o r , b a t t e r ya n da c c e s s o r i e s ，t e s tm o d e l sa r ea c q u i r e da c c o r d i n gt ot h e i rt e s td a t a f o rt h e g e n e r a lp a r t s ，t h e o r ym o d e l sa r ea d o p t e d s oas i m u l a t i o nm o d e lo fp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c b u si ss e t u pb a s e do nt h ea b o v em o d e l i n gr u l e s t h em o d e l sp r e c i s i o ni sv e r i f i e df r o m t h r e eg u i d e l i n e ss u c ha st h ea v e r a g i n gf u e lc o n s u m p t i o n ，t h et r a n s i e n tt o r q u ea n dt h e t r a n s i e n ts p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o no fe n g i n e ，a n dt h et o l e r a n c eo ft e s tr e s u l ta n d s i m u l a t i o nr e s u l ti sl o w e rt h a n3 ，s ot h em o d e lp r e c i s i o ni sa c c e p t a b l e t h i r d l y ，t h ep a p e r a n a l y z e st h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n go nv e h i c l ep e r f o r m a n c e sf r o mu s e ，d r i v i n gc y c l ee t c i nc o n s i d e r a t i o no ft h el o wf u e lc o n s u m p t i o na r e aa n dt h el o we m i s s i o na r e a , at o r q u e e q u i l i b r i u mc o n t r o ls t r a t e g yi sp u tf o r w a r df o rt h ep a r a l l e lh y b r i dp r o p u l s i o ns y s t e m m e a n w h i l e ，s i m u l a t i o n sa n dt e s t sa r ea l s oc a r r i e do u tu n d e rt h e d i f f e r e n td r i v i n gc y c l e s a n dd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dt o r q u ee q u i l i b r i u mc o n t r o l s t r a t e g yc a nb e t t e r6 7 f o rt h ef u e le c o n o m yo fe q 6 110 h e vb u s i no r d e rt of u r t h e r i m p r o v et h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e ，t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h eo p t i m i z a t i o no fc o n t r o l s t r a t e g y ， a n dp u tf o r w a r da n e f f i c i e n c y f i s tt o r q u ee q u i l i b r i u m c o n t r o l s t r a t e g y f u r t h e r m o r e ，t h ef u z z yl o g i cc o n t r o lc o n t r o l l e ri sa l s od e s i g n e dw h i c hu s e st h eb a t t e r y s o ca n dt h er e q u i r e dt o r q u eo fv e h i c l e a si n p u tv a r i a b l e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ef u e le c o n o m yc a nb e t t e r11 9 i nc o m p a r i s o n 谢t ht h ep r i m a r yt o r q u ee q u i l i b r i u m c o n t r o ls t r a t e g y i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t i v e n e s s ，a d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s sa r ev e r i f i e d f r o mt h ed i f f e r e n tb u sa n dd i f f e r e n td r i v i n gc y c l e s a tl a s t ，t h ep a p e re x p a t i a t e so nt h e d e b u g g i n gt e s tp r o c e s so ft h em u l t i - e n e r g yc o n t r o ls y s t e m t h es i n g l ed e b u g g i n ga n dt h e u n i o nd e b u g g i n ga r es e p a r a t e l yc a r r i e do u tf o rt h ed i f f e r e n tw o r k i n gm o d e so ft h ep a r a l l e l h y b r i de l e c t r i cb u sb yu s eo ft h em u l t i - e n e r g yc o n t r o l l e r , a n dt h ew o r k i n gm o d e sa r e f u r t h e rv e r i f i e db yt h eb e n c ht e s ta n dt h ef i e l dt e s tf o rt h eh y b r i de l e c t r i cb u s t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f e r e n tw o r k i n gm o d e l sc a nn o r m a l l yo p e r a t ea n ds t a b l ys w i t c h u n d e rt h ec o n d i t i o no fs w i t c h i n gt h ea i r - c o n d i t i o n e r ( a c ) o f f , t h et e s tf u e lc o n s u m p t i o n 摘要 r e a c h e s3 6v lo o k mu n d e rt h ew u h a nc i t yu r b a nd r i v i n gc y c l e i nc o m p a r i s o nw i t ht h ef u e l c o n s u m p t i o n4 2 9v l o o k mo ft h ec o n v e n t i o n a le q 6 1 1 0b u s ，t h ef u e l s a v i n gr a t er e a c h e s 19 1 i fa d o p t i n gt h ee f f i c i e n c y - f i r s tt o r q u ee q u i l i b r i u mc o n t r o ls t r a t e g y ，t h es i m u l a t i o n f u e lc o n s u m p t i o nc a nr e a c h3 3 4y l o o k ma n dt h ef u e l s a v i n gr a t eg e t st o2 7 3 u n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n s s oc o n c l u s i o n sa r et h a tt h ec o n f i g u r a t i o no fe q 6 11 0 h e vh y b r i d p r o p u l s i o ns y s t e mi sr e a s o n a b l e ，t h et o r q u e b a l a n c i n gc o n t r o ls t r a t e g yi se f f e c t i v ea n dt h e r e s u l t sg e tt ot h ed e s i g no b j e c t s k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cb u s ，p a r a l l e lh y b r i dp r o p u l s i o ns y s t e m ，p a r a m e t e rm a t c h i n g ， o r t h o g o n a lt e s td e s i g n ，o p t i m i z a t i o n , m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g y , c o n t r o ls y s t e m ，t e s t v 符号与含义 符号与含义 含义 空气密度( k g m 2 ) 迎风面积( m 2 ) 空气阻力系数( 一) 车速( m s ) 车速( k m h ) 最高车速( k m h ) 滚动阻力系数( 一) 道路阻力系数( 一) 重力加速度( m s 2 ) 道路坡度( ) 汽车质量( k g ) 旋转质量换算系数( 一) 空气阻力( n ) 滚动阻力( n ) 爬坡阻力( n ) 加速阻力( n ) 汽车驱动力( n ) 汽车驱动扭矩( n m ) 传动系统效率( 一) 变速箱变速比g = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 主减速器传动比( 一) 发动机到电机的扭矩耦合比( 一) 车轮半径( m ) 发动机功率( k w ) 发动机扭矩( n m ) 发动机内摩擦扭矩及附件扭矩( ) i x 号 ， 眦 ， ， 旷 搿p 彳巴 ”厂甲g， 所万e 毋e c c z研乇屯 r 乙 上海交通大学博士学位论文 发动机转速( r p m ) 发动机的比油耗( g k 1 h ) 发动机油门( 控制命令) ( ) ，范围为0 - 1 0 0 加速踏板开度( ) ，范围为0 - 1 0 0 电机油门( 控制命令) ( ) ，范围为0 - 1 0 0 电机功率( k w ) 电机扭矩( n m ) 电机转速( r p m ) 电机控制器母线端子电流( a ) 电池充放电功率( k w ) 电源总线上的电压( v ) 汽车需求驱动力矩( n m ) 汽车最大需求功率( k w ) 附件设备的功率消耗( k w ) 电机及其控制器效率( 一) 电池荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ) ( ) ，范围0 1 0 0 电池组端电压( v ) 电池组静态电压( v ) 电池组端电流( v ) r c 凝聚过压电荷( a s ) ： r c 转移过压电荷( a s ) 电池组的实际电荷( a s ) 通过r c 转换过电压电阻的电流( a ) 发动机的平均有效压力( b a r ) 发动机的冲程数( 一) 发动机的排量( m 1 ) 发动机工作状态标志( 一) 发动机的平均有效压力系数( 取1 ) 发动机的参考平均有效压力( b a r ) 发动机的摩擦及附件的等效平均有效压力( b a r ) 发动机最优工作区域扭矩上限( n m ) 兰已lk艺罢乙见k岛嚣一 符号与含义 z ，d 乙嗍 一雠 瓦 乙砌砒 k 。 l rl 瑚 k l rm 厶，o 丁。 咖一o a z 删 丁 t o u t 发动机最优工作区域扭矩下限( n m ) 电机电动扭矩最大值( n m ) 电机发电扭矩最大值( n m ) 动力耦合后的输出扭矩( ) 汽车的需求力矩( n m ) 机械制动器制动力矩( n a t ) 发动机的负荷率( 一) 发动机负荷下限值( 一) 发动机最佳燃油消耗点功率( k w ) 发动机最佳燃油消耗点转速( r p m ) 发动机运行的最优曲线 电机开始助力控制曲线 电机开始参与发电或纯电动的控制曲线 模糊逻辑控制器按最优曲线输出的发动机扭矩( n m ) 发动机的扭矩控制命令( n m ) 电机的扭矩控制命令( n m ) x i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 墨饧华 1 日期：以年、月7 珀 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 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 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者躲嘶冬 日期：少僻1 月夕阳 指导教师签名：群过文、 日期：如形年1 月矛日 第章绪论 第一章绪论 l1 前言 节能、环保与安全是当今世界的三大主题。日前，全球汽车保有量已超过5 亿量， 汽车已成为人们主要交通方式之一，但也给环境和能源带来了极大压力。在我困， 以北京为例2 0 0 5 年汽车燃油消耗占石油总消耗的4 5 左右机动车尾气排放在城市 大气污染中的分担率达蛩j 7 9 ，交通事故死亡率也位居榜首图1 - 1 给出了汽车主要 排放物对城市大气污染贡献的比例【l 圳。报报道，目前世界污染最严重的1 0 个城市有7 个在中国，根据国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放将占大气污染的6 4 口i 。凼 此，能源、环境问题和安全问题已经成为衡量一项科学技术进步的重要指标。传统 汽车的动力系统内燃机是以燃烧的方式产生动力，从燃烧方面来讲，尽管目前高效 汽油机的效率可以达到3 5 ，高教柴油机的效率也可高达4 04 2 ，但仍有太部分能量 以热的形式消耗掉：从使用方面讲，为了获得庭好的动力性和舒适性，汽车实际配 置的动力远高于正常运行的平均需求功率，这样，必须提高发动机的排量来满足汽 车的功率需求，这就造成了多余的能量消耗和浪费，同时还带来了排放的增加。对 汽车来讲，要解决节能和环保问题，必须解决以能源消耗为代价的动力系统总效率 问题，因此。如何提高能源利用效率、减少对环境的污染，已经成为汽车系统设计 与系统控制的首要课题h - g 。 耵 1234 j ：ge $ 悔忙器 ( 秉暖m ) ( 非媛mj 图卜l 汽车排放对城市大气污染的分担率 f i 9 11r a t e s o f e m i s s i o m i n t h e t o t a l u r b a n a m a o s p h e r i e p o l l u t l o l l f o rc a r s 注：北京、上海为2 0 0 5 年数据，伦敦为1 9 9 0 年数据 近十多年来，人们都在积极探索新型节能环保汽车的研究与开发。美国在1 9 9 3 旧幢啊幢幢慢皿一“副l慌幡鹫，铡 上海交通大学博士学位论文 年制订了“p n g v 计划，联合通用( g m ) 、福特( f o r d ) 和克莱斯勒( c h r y s l e r ) 三大汽车公司和一些科研院所，开发低油耗和低排放汽车；2 0 0 2 年美国又推出 “f r e e d o mc a r 计划取代p n g v 计划，致力于开发低排放汽车( l e v ) 、超低排放汽 车( u l e v ) 和零排放汽车( z e v ) 。由此开来，新型节能环保汽车纯电动汽车( e v ) 、 混合动力汽车( h e v ) 。和燃料电池汽车( f c e v ) 成为人们研究的热点。由于电池技术 的限制，纯电动汽车续驶里程只有1 0 0 - 2 0 0 公里左右，在价格和使用性能方面短时间 内都难满足人们的要求。目前，以油电混合驱动技术和燃料电池技术为代表的新型 汽车已成为研究和开发热点，燃料电池电动汽车前景虽好，但还存在技术和成本问 题。而以成熟技术为基础开发的油电混合动力汽车就是通过控制技术使发动机和电 机协同工作，各自工作在最佳效率状态，从而改善纯内燃机驱动的效率低、污染重 等问题。自1 9 9 7 年丰田汽车公司推出首款商品化混合动力轿车以来，到目前为止， 混合动力汽车总量已超过1 0 0 万辆，丰田汽车公司混合动力汽车的2 0 0 6 年生产量已达 n 5 0 万辆以上。目前世界各大汽车汽车公司都拥有自己的混合动力汽车技术和产品， 其中丰田公司( t o y o t a ) 的p r i u s 和本田公司( h o n d a ) 的i n s i g h t 混合动力轿车的成 功，说明这种油电混合系统通过控制技术是改善油耗和排放问题的有效途径。混合 动力汽车最高可节约燃油5 0 ，降低排放7 0 ，在环保和节能方面开创了新途径【l 啦! 1 】。 1 2 混合动力汽车国内外现状 1 2 1 混合动力系统布置形式 混合动力汽车布置形式各种各样，从能量流动方向来分，大致可分为串联式、 并联式、混联式和复合联接式四种。混合动力总成对h e v 而言是相对独立的系统， 它是发动机、动力电机和变速箱的集成，因此，从能量流到混合动力系统输出轴的 流经路线，可将混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式和复合联接式四种【1 2 m 1 。 1 2 1 1 串联式 串联式( s h e v ) 驱动系统的典型结构与基本组成部件如图1 - 2 所示，主要由发动 机、发电机和电动机组成，原动机一般为高效内燃机。发动机直接驱动发电机发电， 电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。电池在发 动机输出和电动机需求功率间起到调峰调谷的作用。为了满足汽车在起动、加速时 的大功率需求，在串联式结构中还有加超级电容等功率密度较大的蓄能装置，在制 动能量回收时也起到快速回收能量的作用。 第一章绪论 图卜2 串联式混合动力系统 f i g 1 2s e r i e sh y b r i dp r o p u l s i o ns y s t e m 串联式结构的特点适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可以使 原动机在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速 的目的，从而使复杂工况下系统的性能有所提高。根据电池的s o c 状态合理关闭发 动机，利用纯e v 工况，使发动机避免了怠速和低速运行工况，从而提高了发动机的 效率，减少了有害物排放。但是串联式结构的燃油经济性还有待提高。这是因为虽 然发动机的工况得到改善，但是发动机的输出功通过发电机、电池、控制器和电动 机，在电能与机械能的转化过程中有效率损失，所以尽管整个驱动系统排放较低， 但没有有效地提高效率，很难实现明显降低油耗目标。这种系统主要用于城市大客 车，在轿车中很少见，丰田c o a s t e r 就属于这种形式。 1 2 1 2 并联式 并联式( p h e v ) 的布置如图卜3 所示，其特点是动力系有两种动力源发动 机和电动机。当汽车加速、爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动系提供动力； 一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。并联式h e v 能设 置成用发动机在高速公路行驶模式，加速时由电动机提供额外动力。这种结构形式 的混合动力汽车较多，如本田i n s i g h t 就属于这种结构。 图卜3 并联式混合动力系统 f i g 1 3p a r a l l e lh y b r i dp o w e rt r a i ns y s t e m 上海交通大学博十学位论文 1 2 1 3 混联式 混联式( s p h e v ) 如图卜4 所示，这种布置形式包含了串联式和并联式的特点， 即功率流既可以象串联式流动，又可象并联式流动。它的动力系统包括发动机、发 电机和电动机。根据助力装置不同，它又可分为发动机为主和电机为主两种。在发 动机为主形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源，日产公司( n i s s a n ) t i n o 属于这种情况。在电机为主形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源， t o y o t ap r i u sh e v 就属于这种情况。这种结构的优点是控制灵活方便，缺点是结构 相对复杂。 驱动功率一 回馈功率 图1 - 4 混联式混合动力系统 f i g 1 4s e r i e sa n dp a r a l l e lh y b r i dp r o p u l s i o ns y s t e m 1 2 1 4 复合联接式 复合联接式( c h e v ) 的布置形式的混合动力汽车结构相对复杂，主要出现在双 轴驱动的h e v 中。在这种联结形式中，h e v 前轴和后轴之间没有传动轴连接，它们分 别由动力部件驱动，从而实现四轮驱动，如图卜5 所示，。它的动力系统由一个完 整的前述混合动力系统和独立的轮毂电机组成。根据布置位置不同，复合式分为两 种。一种是前轴由混动系统驱动，后轴由电机驱动型，丰田公司的p r i u st h s - c 采 用的就是这种形式；另一种是前轴由电机驱动，后轴由混动系统驱动，通用公司的 p r e c e p th e v 采用这种形式。这种四轮驱动的缺点是结构复杂，成本较高；优点是 动力性和越野性能好，尤其在制动时，前后轴电机都可同时作为发电机回收制动能 量给蓄电池充电。这种双轴驱动系统的特有的特点是轴平衡能力，在混合驱动端车 轮滑动时，该端的电机能作为发电机来吸收发动机过剩的输出功率。 第一章绪论 驱动功率_ 一回壤功率 图1 - 5 复合式混合动力系统 f i g 1 5c o m p l e xh y b r i dp r o p u l s i o ns y s t e m 1 2 2 国内外技术现状 1 2 2 1 国外技术研究动态 日本和美国等发达国家高度重视混合动力汽车的开发，并在技术上取得了一些 重大成果和进展。在日本，除丰田公司外，本田和日产也分别成功推出各自的混合 动力轿车本田i n s i g h t 和日产t i n o 。继i n s i g h t 之后，2 0 0 3 年本田公司又推出了c i v i c 混合动力轿车。在2 0 0 3 年纽约国际车展上，丰田公司展出了采用第二代丰田混合动 力系统( t h si i ) 的混合动力轿车p r i u s ，t h si i 采用了5 0 0 v 的高压动力电，驱动电机 的最大功率可达5 0k w 。此外，丰田公司的混合动力产品还包括采用弱混合并联系 统t h s m 的皇冠混合动力轿车，采用强混合四轮驱动复合式系统t h s c 的e s t i m a 商用m p v 。 通用公司也非常重视混合动力技术的开发，已经研制出能装备于从轻型到重型 各种车型的三种类型的混合动力系统。为重型车辆开发的e ps y s t e m 混合动力系统， 已经应用在混合动力客车上并于2 0 0 3 年批量生产。强混合并联混合动力系统p t h 用于g m cs i e r r a 皮卡，并于2 0 0 4 年上市。带传动发电起动机( b a s ) 型弱混合动力系 统，将用于s a m mv u e ，计划于2 0 0 6 年批量投产。2 0 0 3 年底福特汽车公司进行小 批量生产e s c a p e 混合动力型s u v ，此外，福特还宣布全新的2 0 0 6 福特f u t u r a 中型 汽车将是公司下一款混合动力汽车。 在重型车的混合动力技术开发方面，国外主要集中在混合动力客车的开发。目 前国外较有代表性的混合动力城市客车车型如表1 1 所示【1 4 1 6 】。 上海交通大学博士学位论文 表1 - 1 国外混合动力城市客车的代表车型 车型 d e 4 0 l fo r i o nv i ih i n o 整车制造商 n e w f i v e r d a i m l e r c h r y s l e r 日野 混合动力系统制造商、通用汽车b a es y s t e m s 日野 混合动力系统a l l i s o nes y s t e m t m h y b r i dd r i v e t m h i m r 结构类型并联并联串联 整备质量( k g )1 3 ，9 7 01 4 ，4 4 0 1 0 5 4 0 总长( m ) 1 11 21 2 试运营城市西雅图纽约 发动机类型康明斯i s l 柴油机康明斯i s b 柴油机柴油机 排量( 升) 95 93 8 额定功率( k w r p m ) 2 1 0 2 1 0 01 3 8 2 5 0 0 最大转矩f n m r p m ) 1 2 5 0 11 0 0 1 6 0 07 0 0 1 2 0 0 1 7 0 0 驱动电机交流感应电机交流感应电机 连续峰值功率( k w ) 1 7 71 8 7 2 3 9 发电机功率( k w ) 永磁1 1 9无 动力电池容量( a h ) 铅酸5 6镍氢9 5 额定电压( v ) 5 2 0 7 0 02 5 2 1 2 2 2 国内技术研究现状 我国混合动力汽车的研究起步较晚。九十年代中期，汽车企业及有关专家开始 对混合动力汽车技术表示出极大关注，并着手研制开发样车，但大部分规模较小、 经费短缺、技术水平较低。1 9 9 9 年以后，一汽集团和东风集团开始预研混合动力汽 车。2 0 0 1 年，国务院科教领导小组将电动汽车确定为“十五 国家1 2 个重大科技专 项之一。2 0 0 2 年1 月，电动汽车重大专项三纵三横第一批项目正式启动，其中三纵 共有5 个整车课题，分别为东风电动车辆股份有限公司( 武汉) 的混合动力轿车和混合 动力客车、一汽集团的混合动力客车、上海的燃料电池轿车以及北京的燃料电池客 车。随后又增加了奇瑞汽车公司的纯电动轿车和北京汽车股份有限公司的纯电动客 车。此外，两个整车培育项目分别是奇瑞汽车和重庆长安的弱混合i s g 型混合动力 轿车。作为第一批5 个整车项目之一的“e q 6 11 0 h e v 混合动力公交车开发，由东 第一章绪论 风电动车辆股份有限公司、东风汽车工程研究院、华中科技大学和湖北汽车工业学 院等单位共同承担完成。该项目以市场为导向，在“十五”期间研究开发e q 6 1 1 0 h e v 混合动力客车产品，通过产品型式认证，实现产业化，形成我国自主知识产权的批 量化混合动力公交车产品【l 卜1 9 】。 “e q 6 11 0 h e v 混合动力公交车开发课题于2 0 0 3 年1 2 月在武汉通过验收，专 家组对该项目取得的成绩给予了充分肯定和高度评价，综合评分排名第一。 e q 6 11 0 h e v 混合动力公交车已完成样车开发并小批量生产，并于2 0 0 3 年1 1 月开始 在武汉示范运营区试运营，2 0 0 5 年1 2 月1 2 辆混合动力公交车在武汉正式交付运营。 与传统的燃油客车比较，整车动力性能相当，尾气排放满足最新颁布的国家3 号 标准，燃油经济性平均提高约2 0 ，同月，该项目通过国家科技部专家组的结题验 收。表1 2 列出了目前开展混合动力客车研发的国内主要厂家及车型。 表1 2 目前国内主要混合动力客车研发厂家及车型 厂家 车型混合型式 e q 6 11 0 h e v 混合动力城市客车并联轻混 东风电动车辆股份有限公司 e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车并联强混 混联 一汽集团 c a 6 11 0 h e v 混合动力城市客车并联 上海申沃客车有限公司 s w b 6 11 0 h e v 混合动力城市客车 厦门金龙旅行车有限公司x m l 6 11 2 p h e v 混合动力城市客车 北汽福田汽车股份有限公司 b j 6 11 3 c 7 m 4 d 混合动力城市客车 玉柴集团玉柴城市客车型混合动力并联 ( i s g 型混合动力) 天津清源电动车辆有限公司混合动力城市客车串联全混 春兰集