（车辆工程专业论文）多体系统建模在混合动力汽车燃油经济性分析中的应用.pdf

摘要 摘要 混合动力汽车是近期、中期汽车发展的重点。 本文对并联式混合动力汽车的建模、整车动态仿真作了一定的研究，主要 开展了以下工作： 首先在总结混合动力汽车仿真研究现状的基础上，论述了目前采用质点模 型的混合动力汽车燃油经济性仿真的不足，指出了多体系统动力学在汽车研究 中的优势，提出了利用多体动力学模型进行混合动力汽车燃油经济性仿真的设 想。 随后研究了发动机、电机、电池等混合动力汽车关键部件的工作特性，并 在m a i l a b s i m u l i n k 环境下建立了并联混合动力系统及汽车其它主要部件 的前向仿真模型，构建了整车仿真平台。 然后利用多体系统动力学理论建立了并联混合动力汽车的整车动力学模 型。该模型包括汽车车身，滑块和导向臂三个刚体j 具有车身质心的水平平动、 竖直平动、车身的俯仰转动、滑块的平动和导向臂的转动五个自由度。经过仿 真验证，发现本文建立的多体模型是正确的，它能够反映出汽车在起步、加速、 制动工况下车身姿态的动态变化。与质点模型相比，本文建立的多体模型能更 准确地反映汽车的行驶状态。 随后，基于已经建立的整车模型针对5 种道路循环工况进行仿真，分析了 多体模型与质点模型的燃油经济性差异。指出对于前轮驱动并联混合动力汽车 的燃油经济性仿真，利用质点模型与利用多刚体模型得到的仿真结果差异不大， 都在1 以内。然后又针对特定的道路循环工况进行仿真，分析了多体模型中悬 架刚度，车身转动惯量，轴距，质心高度这四个参数对整车燃油经济性的影响 规律。发现在其他参数不变的情况下，汽车的轴距越大，燃油消耗越低；车身 质心高度越低，燃油消耗越低；车身的转动惯量越小，燃油消耗越低；汽车悬 架的刚度越小，燃油消耗越低。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：多体系统，建模，混合动力汽车，燃油经济性，仿真 摘要 _ 。一_ 一 a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( 脏i st h ed e v e l o p i n gf o c u si nt h es h o r ta n dm e d i u m t e r m t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h es t u d i e so fm o d e lb u i l d i n g a n dv e h i c l ed y n a m i c s i m u l a t i o nf o rt h ep a r a l l e lh e d , t h em a j o rj o b si n v o l v e ： f i r s t l y , b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c h s i t u a t i o no fh e v , t h e d e f e c t i o no ft h ef u e l & o n o m ys i m u l a t i o nf o rt h ep a r t i c l em o d e lh c v i sd i s c u s s e d d e s c r i b i n gt h ea d v a n t a g eo fm u l t ir i g i db o d yd y n a m i ci n t h ev e h i c l es i m u l a t i o n r e s e a r c h ，a l l i d e at ob u i l dam u l t ir i g i db o d ym o d e lo fh e v i nt h ef u e le c o n o m y s i m u l a t i o ni sp u tf o r w a r d s e c o n d l y , t h ew o r k i n gf e a t u r e sk e yc o m p o n e n to fh e v , s u c ha se n g i n e ，m o t o r a n db a t t e r y , a l ea n a l y z e d a n de s t a b l i s h e dt h ef a c i n g - f o r w a r ds i m u l a t i o nm o d e l so f p a r a l l e lh e v t ob u i l dt h ep l a t f o r mf o rv e h i c l es i m u l a t i o n t h i r d l y , m u l t ir i g i db o d ym o d e lo fh e v i sb u i l tb a s e do nt h em u l t ir i g i db o d y t h e o r y t h i sm o d e li sc o m p o s e do ft h r e er i g i db o d y - c a rb o d y , s l i d i n gb l o c k a n dg u i d e a ima n dh a sf i v ef r e e d o md e g r e e s ，t h o s ea r et h eh o r i z o n t a lt r a n s l a t i o no f c a rb o d y , t h e v e r t i c a lt r a n s l a t i o no fc a rb o d y , t h ep i t c ho ft h ec a rb o d y , t h eh o r i z o n t a lt r a n s l a t i o no f s l i d i n gb l o c ka n dt h er o t a t i o no fg u i d ea r m t h i sm u l t ir i g i db o d ym o d e l i sv a l i d a t e d t h r o u g hs i m u l a t i o n t h em o d e l c a i ir e f l e c tt h ed y n a m i cp o s i t i o no ft h ec a rb o d yi nt h e c o n d i t i o no fs t a r t i n g ，a c c e l e r a t i n ga n db r a k i n g s ot h em u l t ir i g i db o d ym o d e li sm o r e a c c u r a c yi nd e s c r i b i n g t h ed y n a m i co ft h ev e h i c l ec o m p a r e dw i t ht h ep a r t i c l em o d e l f o u r t h l y , t h ef u e le c o n o m yd i f f e r e n c eo ff i v ed r i v i n gc i r c l e sb e t w e e nt h em u l t i r i g i db o d ya n dp a r t i c l em o d e l i ss i m u l a t e db a s e do nt h ee s t a b l i s h e dh e v m o d e l a n d f o u n dt h a tt h ed i f f e r e n c ei sb e l o w1 f o raf r o n tw h e e ld r i v i n gp a r a l l e lh e v t h e n t h ee f f e c to ft h es u s p e n s i o ns t i f f n e s s ，m o m e n to fi n e r t i ao ft h ec a rb o d y , w h e e l b a s e a n dh e i g h to fm a s sc e n t e ro ft h ev e h i c l et of u e le c o n o m ya r ea n a l y z e di nac e r t a i n d r i v i n gc y c l e i nt h ec o n d i t i o no fs a m ep a r a m e t e r st h ew h e e l b a s ei sl o n g e r , t h ef u e l e c o n o m yi sh i g h e r ；t h el o w e r o ft h eh e i g h to ft h em a s sc e n t e r , t h eh i g h e ro ft h ef u e l i i 摘要 e c o n o m y ；t h es m a l l e ro ft h em o m e n to fi n e r t i ao ft h ec a rb o d y , t h eh i g h e ro ft h ef u e l e c o n o m y ；a n dt h el o w e ro ft h es t i f f n e s so fs u s p e n s i o n ，t h eh i g h e ro ft h ef u e le c o n o m y a tl a s t ，t h ef u t u r es t u d yw o r ko ft h i ss u b j e c ti sb d e f l yd i s c u s s e d k e y w o r d s ：m u l t i r i g i db o d ys y s t e m ，h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，f 1 j 莳e c o n o m y , s i m u l a t i o n i i i 符号说明 符号说明 ( 按章节顺序排列) 电池的荷电状态 发动机扭矩，n m 燃油消耗量，l 发动机扭矩需求，n m 液力变矩器的输入转速，r a d s 电机扭矩控制指令，n m o 后轮转速，r a d s 电机实际输出扭矩，n m 负载功率需求，k w 电机功率需求，k w 发电机功率，k w 电池的开路电压，v 电池电流，a 电池的电动势，v 电池的内阻，欧姆 电池功率，k w 已使用的电池电量，j 电池的效率 甥 ；一 甜 d一 蹴 z 嘶 一 k l 一 一 一 虬 l e r k 瓯 叩 符号说明 电池组温度，k 电池组因功率损耗而产生的热量， 电池组通过箱体的散热量， 电池组的质量，堙 电池组的比热容，( 姆k ) 4 电池箱内空气温度，k 电池模块的等效热阻，欧姆 电池箱外空气温度，k 电池箱空气流量速度，堙s 空气的热容蹙，j ( 幻k ) 1 空气的导热系数 电池模块的导热系数 电池箱厚度，m 电池模块总的表面积，m 2 车辆行驶速度，m s 前轮轮胎切向力，n 后轮轮胎切向力，n 前轮轮胎垂直力，n 后轮轮胎垂直力，n 轮胎的圆周速度，m s l l r 鲒 瓯 乙 钆 a f 彳 咋 o o 一 吃 符号说明 k ，： k 4 j c s f | f 。 e f l f h t c t r q o u t h t c s p d o u t t t r q e n g 车辆的纵向速度，m s 车辆的横向速度，m s 车轮侧偏角，t a d 车轮角速度，r a d s 车轮对地面作用圆周力，n 地面对车轮产生反作用力，n 车轮半径，m 轮胎纵向刚度 为轮胎横向刚度 车轮的附着率 滑移率 滚动阻力，n 空气阻力，n 坡道阻力，n 加速阻力，n 道路的坡度，口。 来自道路循环行驶工况的期望车速，m s 整车需求扭矩，n m 液力变矩器的输出扭矩，n m 输山转速，r a d s 发动机的扭矩需求，n m i i i 匕 b a q 磊 互 r 符号说明 h t c s p d i n w h e e l s p d l e n g e n a b l e g o n u m b e r 以p n v i 弘 乙 is ，7 9 乙一 f c t r q o p t l o w s o c l o w f c o p t h i t 一 乙一鲫 瓦一啊 液力变矩器的输入转速，t a d s 前轮转速，r a d s 发动机开关信号 档位信号 变速器输出轴转速，r a d s 变速器输入轴转速，r a d s 变速器减速比 变速器输出轴扭矩，n m 变速器输入轴扭矩，n m 变速器中由于摩擦引起的扭矩损失，n m 变速器中由转动惯最引起的扭矩变化量，n m 变速器的转动惯量，k g m 2 变速器的效率 电机晟大输出扭矩，n m 发动机最优输出扭矩下限，n m 电池的s o c 下限 发动机最优输出扭矩上限，n m 发动机的最大输出扭矩，n m 发屯机的输出扭矩，n m 发动机的最优输出扣矩，n r a i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月目 第一章绪论 第一章绪论 1 1混合动力汽车的开发背景及意义 能源与环保是人类发展面临的主要问题，也是世界汽车工业面临的两大核 心问题。 一方面汽车是能源消耗大户，而据原西德地球物理和材料研究所估计，世 界上可利用石油资源到2 0 5 0 年就要枯竭，节节攀升的汽车保有量同益加剧了世 界石油资源短缺的矛盾；另一方面汽车的大量使用加剧了环境污染，城市大气 中c o 的8 2 、n o ，的4 8 、h c 的5 8 和微粒的8 来自汽车尾气【，汽车排放的大 量c o ：加剧了温室效应，汽车带来的环保问题已经引起紧密关注。 为此，各国政府纷纷制定相应的对策，力图开发新一代的清洁能源汽车。 从上世纪9 0 年代开始，全球各大汽车公可首先把目光投放到电动汽车上。目前 对电动汽车的研究主要集中在蓄电池电动汽车( b e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 和混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 三个领域。由于蓄电 池在能量密度、寿命、价格等方面的缺吲2 3 , 4 】，蓄电池电动汽车动力性能和成本 方面竞争力都不是很高，目前只用于一些特定场合。燃料电池汽车由于生产成 本高、价格贵，目前实现商业化和产业化的难度较大。混合动力汽车则融合了 传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，克服了b e v 和f c e v 在开发过程遇到的困 难以及传统汽车经济性和排放性不佳的缺点。以氢为燃料的燃料电池电动汽车 是汽车远期发展的目标。作为向纯电动汽车转型的过渡产品，混合动力汽车是 近期、中期汽车发展的重点。 国外大汽车公司在混合动力汽车研发方面起步早，取得了显著的成果，日 本汽车公司尤其显得突出。上世纪七十年代，受石油危机影响，一些大汽车公 司开始研发电动汽车和混合动力汽车。丰田汽车公司在1 9 7 7 年推出了其第一辆 混合动力原型车t o y o t as p o r t8 0 0 。此后随着世界能源供应形势的好转，混合 动力汽车的开发工作一度波澜不兴，到1 9 9 7 年，丰田公司再度连续推出c o a s t e r 混合动力客车和p r i u s 混合动力轿车两辆商品化样车，其中p r i u s 于2 0 0 0 年 开始投放日本本土、北美和欧盟市场。紧随其后的同本本田汽车公司和同产汽 车公司也于1 9 9 9 年分别推出了c i v i c 和t i r o 混合动力轿车，c i v i c 在本世纪 第一章绪论 初进入市场。日本汽车公司以众多的产品遥遥领先，丰田、本田等公司已经决 定在他们下一代主力车型上全方位装备混合动力技术。欧洲、美国公司正在奋 起直追，美国福特公司在推出的翼虎e s c a p e 的基础上，还将推出m a r i n e r 、 f u s i o n 、m i l a n 、m a z d at r i b u t e 四款混合动力系统；通用、戴克、大众、雪铁 龙、雷诺、宝马、日产、现代、三菱等世界各大汽车公司也在同步开展数十款 混合动力汽车的开发，并即将推向市场。 从全球来看，混合动力汽车的发展已经渡过了量产的起步阶段，进入初期 的快速增长阶段，产量逐年快速递增，总销量所占比重也迅速攀升。 在中国，近年来汽车业迅猛发展，导致的能源消耗和环境污染问题十分严 峻。2 0 0 4 年中国汽车产量为5 0 7 万辆，2 0 0 5 年中国汽车产量为5 7 0 万辆，2 0 0 6 年汽车产量7 2 8 万辆，中国汽车工业协会预测：2 0 0 7 年，中国汽车产量将突破 8 0 0 万辆，可能达到8 5 0 万辆。2 0 0 4 年，我国的石油消费量增加到3 1 亿吨， 成为仅次于美国的世界第二大石油消费国，当年进口量为1 2 亿吨。在3 1 亿 吨的总消耗量中，车用燃油达到8 1 2 0 万吨，约占1 4 。可以预见，随着汽车产 业的不断发展，石油消费量将会继续增加，如果不采取有效的措施，我国的能 源安全必将受到更严峻的挑战。环境污染方面，机动车尾气污染对大气污染的 “贡献 分别为：一氧化碳6 0 ，氮氧化合物5 0 ，碳氢化合物3 0 。国家环保 中心预测，到2 0 1 0 年，汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 1 5 , 6 , 7 】。 出于国家可持续发展战略和中国汽车工业发展战略的考虑，中国在“十五 国家8 6 3 计划中设立了“电动汽车重大专项 ，分设混合动力汽车、纯电动汽 车和燃料电池汽车三个主攻方向。在8 6 3 电动汽车重大专项的支持下，我国混 合动力汽车的研究开发取得一定技术突破，但尚未实现产业化。一汽、东风、 长安、奇瑞等汽车集团都已经开发出混合动力汽车样车。国内一些高校，如北 京理工大学、清华大学、上海交通大学、同济大学、华南理工大学等也在进行 混合动力技术的研究工作。 1 2 混合动力汽车的发展历史和现状 1 2 1国外混合动力汽车的发展历史和现状 2 0 世纪7 0 8 0 年代两次世界性石油危机的爆发，使世界各主要工业国家重 2 第一章绪论 新认识了电动汽车发展的战略意义，纷纷投入巨资开展电动汽车的商业开发应 用。自1 9 9 2 年沃尔沃推出了全球首辆混合动力车e c c 以来，各大汽车公司针对 不同市场和需求，纷纷推出了基于自己成熟平台的混合动力汽车。 1 2 1 1 日本 丰田汽车公司是目前走在h e v 最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进 行h e v 研究的汽车公司之一。早在1 9 9 7 年，丰田就在世界上第一个推出了名 为p r i u s 的h e v ，引起全球瞩目。第一代p f i u s 每升汽油的行驶距离达到2 8 k m ， c 0 2 排放量比普通汽车减少、5 0 ，c o 、h c 和n o 。的排放量仅为普通轿车的1 0 。 几年来，丰田公司不断对p f i u s 进行改良，把每升汽油的行驶距离从2 8 k m 提高 到2 9 5 k m 户废气排放量也进一步减少。丰田p r i u s 是全球首部实现量产、也是销 量最大的h e v 。 本田汽车公司独立研制开发的i n s i g h t 混合动力车，已经实现量产。i n s i g h t 采用本田独特的混合动力系统h i s ，将发动机作为主要动力，电机作为辅助动力， 加上车身由质量轻的铝压材和树脂材组合而成，从而实现了世界最低的油耗( 每 升汽油可行驶3 5 k i n ) 、最洁净的排放( 每行驶l k m 仅排放8 0 9 c 0 2 ) 和世界最高 水平的碰撞安全性能，是一种充分考虑到环境和安全并充分体现驾车乐趣的轻 便、实用型油电混合动力汽车。另一款c i v i c 搭载了1 3 l 汽油发动机和一台电 动马达，1 l 汽油可行驶2 9 5 k m 。本田正通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等追 求动力高效化，开发新型轻质铝车身、树脂油箱等谋求车辆轻型化，以使汽车 达到每公升汽油行驶3 5 k m 的世界最高水平，并使尾气排放满足世界最严格的标 准。 其它日本公司也推出了各自的产品。日产公司开发了t i n o 、尼桑舢x 、 a l t r a 等多款混合动力汽车，并计划2 0 0 6 年在美国推出a l t i m a 油电混合动 力汽车。日野汽车制造公司也于1 9 9 7 年1 2 月1 8 日开发出了柴油机电动并联式 混合型系统的客车。日本富士重工则将研制微型( 6 6 0 c c ) 混合动力型汽车作为 自己的主攻目标。目前，该公司已经制造出了试验用车体，采用了两种电池： 双层电容器和锰钾离子电池。其特色是依据不同的行驶状态，切换使用这两种 电池：另外，该设计又在车的顶棚装有太阳能吸收板，利用停车时间进行充电。 三菱电机公司也开发出轻型串联式混合动力电动卡车，采用两个ac 感应电机 和18 升的发动机。 3 第一章绪论 1 2 1 2 美国 9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合，并以混合动 力电动汽车为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组织各 大汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。1 9 9 3 年9 月美 国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国 “新一代汽车合作伙伴计划 ( p n g v 计划) ，旨在开发新一代高效节能汽车。混3 合动力电动汽车计划是1 9 9 7 年底美国重新确定的p n g v 计划4 个重点领域之一。 1 9 9 3 年和1 9 9 6 年，美国能源部分别与通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒 汽车公司签定了总额达3 6 1 亿美元的混合动力电动汽车系统开发子合同，并许 下诺言：“至2 0 0 0 年，一定要使混合动力汽车成为美国公路上司空见惯的车辆”。 随着p n g v 计划的实旌，美国三大汽车公司迸行了一系列的整车技术开发和研 】 制工作。 通用汽车公司同时致力于串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力的研 制。在1 9 9 8 年1 月的底特律北美国际汽车展上，通用汽车公司推出了e v l 型4 座混合动力电动汽车。福特汽车公司己开发出福特p 2 0 0 0 型5 座并联式混合动 力电动汽车。此后又推出多款轻型4 轮轿车，公司还计划到2 0 0 7 年至少可以提 供7 款可供选择的混合动力汽车。 福特汽车公司在2 0 0 0 年北美国际车展上推出了其开发的p r o d i g y 混合动力 家庭概念车，该车采用福特p 2 0 0 0 l s r 混合动力系统、1 2 l 4 缸柴油发动机和镍 金属复合电池，整车质量仅1 0 8 3 k g ，比当前的家用轿车轻约4 5 0 k g 。百公里油 耗仅3 3 l 。在2 0 0 1 年北美国际车展上，福特又推出爱仕( e s c a p e ) 混合动力s u v 概念车，获得广泛关注。该车是福特准备在2 0 0 3 年上市的混合动力s u v 的原 型，非常省油，特别适合城市内行驶，加速性能可与装备v 6 发动机型爱仕媲美。 爱仕h e v 在2 0 0 3 年上市时，将是世界上最省油、最清洁的s u v 。福特公司也 成为第一个宣布混合动力s u v 生产计划的汽车厂家。福特公司预计，未来1 0 年内，h e v 将占汽车市场的1 0 2 0 。福特新开发出的“优异2 0 1 0 ”概念车 实验平台的性能已达到了p n g v 计划的部分目标：每加仑汽油行驶8 0 英里。 戴一克公司计划在2 0 0 3 年使h e v 实现商品化。该公司将最新研制的h e v 命名为“道奇杜蓝高”t t r ，它是由在美国销售的大型s u v “道奇杜蓝高” 改造而来的。采用发动机驱动后轮，电动机驱动前轮。其3 8 l 的v 6 发动机能 够获得与5 8 l 的v 8 发动机相同的动力性能，并可节约燃料6 5 ，尾气排放也 4 第一章绪论 大大改善。另外，戴一克公司还以奔驰的a 级车为参照车，试制了混合动力概 念车h y p e r 。该车为柴油发动机加电动机，4 轮驱动。与原车型相比，h y p e r 具有更高的驾驶性能，同时节省了燃料费用。 1 2 1 3欧洲 欧洲也正在积极进行混合动力汽车的开发、研制及推广方面的工作。 标致雪铁龙( p s a ) 集团认为，未来的世界必然是电动汽车的天下，但由今 日的汽车向未来汽车转变的过程中，必须准备多种技术方案，以便在未来的竞 争中处于有利地位。本着这个宗旨，p s a 集团在全电动汽车、混合动力汽车领 域进行着不懈的努力。已有多款全电动汽车和h e v 的商业型号投入市场。2 0 0 0 年日内瓦车展上，雪铁龙公司又推出新型h e v ：x s a r a ( 萨拉) ，表明了他们在 这_ 二领域的世界领先水平。萨拉是一款并联混合动力轿车，以雪铁龙的e s t a t e 加长型轿车为原型，配备一个5 5 k w 的汽油内燃发动机和一个2 5 k w 的电动机。 功率蓄电池额定输出电压为1 6 8 v 。萨拉的燃油消耗量及c 0 2 排放量较普通车降 低3 5 ，一次行程可高达1 0 0 0 k r n 。 法国雷诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力电动汽车已在法国接 受了1 0 0 0 0 k m 的运行试验。并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车，取名为 n e x t ，样车已经向公众展出。这种电动汽油两用车前部装有一台汽油发动机； 两台7 k w 电动机装在两个后轮上。当时速在4 0 k m 以下时，由电动机驱动；达 到4 0 k m 以上时由汽油发动机驱动，同时可为电瓶充电，最大时速达1 4 2 k m ；若 再加速，此时电瓶会提供辅助动力，最高时速可达1 6 9 k i n 。瑞典沃尔沃公司也 开发出基于沃尔沃f l 6 卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达9 0 k m 。德 国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产的并 联式混合动力电动车d u o 已小批量生产，现在德国己开始出租，预计4 年内租 出5 0 0 辆。最近，德国汽车工业准备实_ 旌新的排放标准和节能要求，将不允许 百公里油耗超过5 升的轿车上路，这也促使人们更多地把希望寄托在混合动力 汽车上。 1 2 2国内混合动力汽车的发展历史和现状 我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，国家科技部已经将 其作为“十五”8 6 3 重大专项的内容，相关企业如一汽、东风、上汽、奇瑞、长 5 第一章绪论 安等纷纷宣布进入混合动力汽车领域，并推出多款车型，很多高校和科研机构 也相继展开合作，开展混合动力技术的研究。 2 0 0 6 年年底，科技部公布了“十一五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “节能与新能源汽车 项目课题及承担单位评审结果，其中清华大学、北京理 工大学、一汽集团、东风、上汽、奇瑞、北汽福田等单位共有1 3 9 个项目课题 入选，这表明，国家进一步明确“十一五 期间新能源汽车技术的重点发展方 向，新能源汽车技术发展已经成为迫在眉睫的问题。 2 0 0 6 年第九届北京车展期间，我国汽车企业共展示了9 款自主品牌混合动 力车型，吉利、奇瑞、华普、上汽都展示自己的混合动力汽车，其中有4 款混 合动力汽车已经确定将在国内市场投产1 8 j 8 。 一汽从1 9 9 9 年开始着手混合动力技术的研究。在2 0 0 1 年4 月1 9 日闭幕的 第3 届北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿车一红旗c a 7 1 8 0 a e ，这是一汽 汽车研究所、美国电动车( 亚洲) 公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共 同合作的成果。2 0 0 2 年在科技部的支持下，启动了混合动力城市客车研究开发 项目。历经三年多刻苦攻关，自主完成了功能样车，性能样车和产品样车三轮 开发，经国家“8 6 3 ”专家组等权威部门各种工况测定，各项性能指标均达到设计 目标，技术指标处国内领先、国际先进的水平。该项目不仅在整车集成技术、 整车控制技术、机械式自动变速箱( a m t ) 、电机和电池关键部件以及整车试验 能力方面取得了重大突破，获得了国家1 0 余项专利。同时，混合动力技术的发 展将对相关产业的技术进步和产品结构调整起到带动作用。 东风汽车公司早在“八五”、“九五”期间，就展开了电动汽车的研发，立 足于开发拥有自主知识产权和自主品牌的清洁能源汽车，相继开发出中国第_ 台拥有自主知识产权燃料电池电动客车，研制出中国第一台纯电动轿车概念车、 纯电动客车、纯电动富康轿车和混合动力公交车等车型。其中，混合动力城市 公交车和混合动力轿车项目，被列为国家“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项。2 0 0 6 年初，国家发改委批准东风混合动力公交车( e q 6 1 1 0 h e v ) 上市。这是中国首次 发布混合动力汽车生产企业及产品公告，标志着东风混合动力公交车具备国家 产品生产销售资格p j 。 上汽集团股份公司在“十五 期间已经通过“校企合作在新能源汽车的 研发领域取得一定成果，成功试制了二甲醚城市客车、混合动力城市客车、“超 越三号”燃料电池、m p v 等概念样车，实现了桑塔纳3 0 0 0 型l p g 单双燃料轿 6 第一章绪论 车、申沃c n g 城市客车、桑塔纳c n g 两用燃料轿车等车型批量投放市场，为 “十一五加快研发和应用新能源汽车奠定了重要基础。在“十一五期间， 新能源汽车项目将全面纳入上汽股份的自主品牌开发计划，上汽股份的新能源 汽车产业化分阶段目标是：在2 0 0 8 年奥运会前，小批量投产自主品牌混合动力 轿车，并同步推进合资品牌的混合动力轿车以及公交客车的小批量生产；在2 0 1 0 年世博会前，规模投产混合动力轿车、客车，同时实现燃料电池轿车小批量示 范运行。上海大众将为2 0 0 8 年北京奥运会生产5 0 0 辆混合动力轿车，用于奥运 会的各项主题活动，并预计在2 0 1 0 年上海世博会前实现规模投产。 奇瑞早在0 3 年就已经试制成功第一款在风云s q r 4 8 0 发动机基础上改进的 混合动力车，且通过了国家8 6 3 计划组的审查。目前，奇瑞公司正与英国纽卡 斯尔大学所进行的项目也正是混合动力的项目，所以在未来很短的几年之内， 这些项目将有一定的进展。 长安集团混合动力计划源于2 0 0 2 年，当年长安组织人员进入了混合动力技 术的研究领域，这一研究也进入了国家8 6 3 科研计划。 比亚迪公司研制的h y b r i d s 串联混合动力轿车长3 5 0 米宽1 4 5 米高1 4 8 米，轴距2 3 米，是一种可以乘坐四人的微型轿车。它的城市道路百公里油耗仅 4 升，0 1 0 0 公里d , 时加速时间1 3 秒，最高时速1 3 0 公里，废气排放大部分指 标巳超过欧i i i 标准。 同济大学、上海交通大学和其他一些科研机构也对混合动力汽车技术做了 很多研究，并取得了不少成果。同济大学在0 4 年上海国际工业博览会上推出了 其自主研发的改装型混合动力轿车“登峰一号”。在0 5 年的上海国际工业博览 会又推出了和上海华普汽车有限公司合作开发的“登程一号”混合动力汽车。 1 3 混合动力汽车系统的技术简介 国际电工委员会( i e c ) 定义混合驱动车辆( h y b r i dv e h i c l e ) 如下：“一种驱 动能量在特定的操作任务下可以从两种或更多种类型的能量储存器、能源、或 转化器得到的车辆，至少一个储存器或转化器必须随车携带( o nb o a r d ) 。混合 驱动电动车辆( h e v ) 是一种混合车辆，它至少有一个能量储存器、能源、转 化器可以提供电能。串联混合驱动是一种混合驱动电动车辆( h e v ) ，它只有一 个能量转化器可以提供驱动功率。并联混合驱动是另一种混合驱动电动车辆 7 第一章绪论 ( h e v ) ，它有多于一个的能量转化器可以提供驱动功率【1 0 1 。按此定义混合动 力汽车可以有“油一电”混合、“电一电混合等多种形式，现在被广泛接受的 概念是采用发动机和电机驱动，以燃油和电池作为能量源的汽车，即“油一电” 混合动力汽车。 1 3 1混合动力汽车的工作原理和分类 混合动力汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化和降低油耗、减 少污染而研制的一种多动力源协调驱动的向零排放过渡的车型，它将现有内燃 机、传动系统与一定容量的储能器件、牵引电机等装置通过先进控制系统相结 合，由发动机和电动机两套动力系统分别充当主动力源和辅助动力源，两套系统 根据行驶工况在一定控制逻辑下同时或单独运行。依据两套动力系统结合形式 的不同大致可以分为串联式混合动力汽车( s h e v ) 、并联式混合动力汽车( p h e v ) 、 混联式混合动力汽车( p s h e v ) 和复合式混合动力汽车【1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 四种结构。 驱动娩 电能- 图1 2 串联结构 主硅速幕 图1 1 并联结构 1 3 1 1 串联式混合动力汽车 串联式布置结构比较简单( 图1 2 ) ，发动机被控制在最佳工况点附近工作， 驱动发电机，运行在较稳定的工况下带动发电机发电，发电机发出的电能供给 电动机驱动汽车行驶，当发电机发出的功率不能满足汽车行驶的功率需求时( 如 起步、加速、高速、爬坡等) ，电池组向电动机提供额外的电能，当发电机发出 的功率超过功率需求时( 如低速、滑行、停车等) ，发电机向电池组充电，以加 8 第一章绪论 大混合动力电动汽车的续驶里程，电池还可以单独向电动机提供电能来驱动汽 车实现“零污染 状态的行驶。s h e v 的内燃机和驱动桥之间没有直接的机械连 接，发动机的选择范围大，且始终在最佳工作区域内稳定运行，具有良好的经 济性能和排放性能，同时这种柔性连接使整车布置具有较大的自由度，电动机 直接从发电机或蓄电池获得电能且可随负荷变化调整输出扭矩和转速，控制方 式也比并联式和混联式h e v 简单，但其发电机和电动机功率以及屯池容量较大， 因而尺寸和质量较大，需要较大的布置空间，丽能量转递至少要经过两次转换 ( 机械能一电能一机械能) ，效率相对较低。 1 3 1 2 并联式混台动力汽车 并联式布置结构( 图1 1 ) 保留了发动机和后续驱动系统的机械连接，有两 路动力驱动系统。l 路为机械驱动，发动机的动力通过离合器的耦合传递至变 速装置和驱动轮，另一路为电动驱动，能量经由电池组、电动机、传动轴传递 ( 或通过轮毂电机直接传递) 。两套动力系统可单独或同时使用，其动力合成方 式有三种( 图1 3 ) ：扭矩合成型( 包括单轴式和双轴式两种结构) 、转速合成型 和牵引力合成型。在一般路面上行驶时，发动机作为动力驱动汽车，通过控制 发动机转速来调节发动机功率：当汽车加速、爬坡或高速行驶时，发动机的功 率不能满足汽车行驶所需动力，控制器就会控制电动机辅助驱动。p h e v 的内燃 机与驱动轮间采用机械连接，能量利用率相对较高，可选用较小的内燃机和电 动机，还可用四象限工作电机替代发电机，空间前i 置比较容易，但控制系统比 串联式复杂，排放状况不如串联式好，且必须装配自动变速装置和动力合成装 置，传动机构比较复杂。 扭矩合成型中内燃机和电动发电机的转速相互制约，扭矩则进行叠加。对 单轴式而言，内燃机转速与电动发电机转速相同，对双轴式而言，两者通过变 速器进行扭矩叠加，因而两者转速相应于变速器的结构成一定的比例关系。在 转速限制的范围内，内燃机和电动发电机输出的扭矩可以进行自由地调节，因 此当驱动扭矩需求发生突然变化时候，可以通过迅速改变电动发电机的输出扭 矩来使内燃机功率调节器( 汽油机为节气门，柴油机为油门拉杆) 以缓慢的速 度变化，从而减少瞬态变化时内燃机油耗和排放的恶化。单轴式扭矩合成实现 了把不同内燃机和电动发电机的输出一体化，结构紧凑，提高了系统的综合效 率，但其需要的扁平电机的一些元件以及电机的控制系统等要经过特殊设计， 9 第一章绪论 成本较高，也不便于进行模块化设计。双轴式扭矩合成型则把不同原动机的输 出进行动力合成，因此系统元件可选用已有的现成产品，系统的开发成本较低， 但相对单轴式而言要求布置空间较大，动力系统质量也较大。目前，国内外开 发并联式混合动力汽车的重点集中于这两种扭矩合成型结构。 o ( a ) 双轴式扭矩台成( b ) 单轴式扭矩合成( c ) 转速合成 b 一蓄电池m 一电动废电机 e c 广一内燃机 图1 3 并联式混合动力系统的几种型式 转速合成型中则是内燃机和电动发电机的输出扭矩相互制约，输出转速通 过差速器进行叠加。这种型式的特点是内燃机的转速和电动机的转速可以灵活 分配，可以利用传统内燃机汽车的变速器、差速器等大部分传动系总成，结构 简单，维修方便。但在车辆驱动扭矩要求确定时，由于内燃机的扭矩一转速特 性与电动机的扭矩一转速特性有很大的区别，因此要通过调节内燃机功率调节 器来与电动机的转速相互配合才能获得最佳的传动效果，控制比较复杂。而且 由于其控制特点，在驱动功率发生突变时，不可能通过减缓内燃机功率调节器 的变化速度来改善瞬时油耗和排放性能。此外，在这种型式中电动机在低速、 大扭矩的特性不能充分发挥出来，不利于满足车辆低速行驶时动力性要求。鉴 于其控制的复杂性，目前对这种型式的混合动力系统的研究和开发还比较少。 牵引力合成型保留了传统内燃机汽车的全套机械传动系统，在另外的轮轴 上安装了电力驱动系统，两套驱动系统之间没有机械连接装置，可以完全独立 地工作，在进行混合驱动时，驱动力通过地面进行合成。电力驱动系统可以采 用驱动电机通过减速器、差速器驱动车轮的型式，也可以采用直接安装轮毂电 机的型式。这种型式的最大特点是适合于对普通内燃机汽车进行改装，但是两 套动力系统间的牵引力匹配与控制十分复杂。目自i 对牵引力合成型并联混合动 1 0 第一章绪论 力汽车的开发研究主要集中于电动机加减速器、差速器驱动的型式，对直接使 用轮彀电机的型式的开发和研究很少。 1 3 1 3 混联式混合动力汽车 p s h e v 综合了串联式和并联式结构的特点，主要由发动机、发电机和驱动电 机三大动力总成组成( 图1 s ) ，通过离合器的配合使用，可以以串联式、并联 式或串并联混合方式工作，能最大限度地降低车辆油耗和排放。p s h e v 可能具有 动力切换( 切换串联驱动模式和并联驱动模式) 或动力分配( 将发动机能量分 配进入串联路径和并联路径) 两种系统。目前成功车型一般采用行星齿轮机构 ( 图l _ 4 ) 作为动力分配器将内燃机的输出能量分配进入串联路径( 内燃机一发 电机) 和并联路径( 内燃机一驱动桥) ，通过串联路径控制发电机转速从而实现 对内燃机的最优控制，并可以产生类似无级变速器的功能。与s h e v 、p h e v 相比， b 日 自# 机p o 一m 目配系 = 要器。! 鉴器 圈l _ 5 混联结构 p s h e v 控制系统更复杂，是整车丌发的技术关键。 13 1 4 复合式混合动力汽车 复合式结构一般用于职轴独立驱动系统( 四轮驱动) ，相当于一套完整的串 连系统加上一套完整的并联系统，这种结构的工作模式更为多样化，它可以有 三个动力装置( 一台发动机和两台主电机) 一起驱动的工作模式。当然这种结 构也最为复杂，成本最高，控制系统最复杂。 131 5 按照混合度对混合动力汽车分类 除了按照动力系统的结合形式进行分类外，按照“混合度”分类也被广泛 采用1 1 “。混合度在概念至今没有统一的定义使用较多的定义是驱动电机功率 和发动机功率的比值。根据混合度分类，混合动力汽车可以有弱混合和强混合 可一 一 时 第一章绪论 两种形式，弱混合汽车具有怠速停机、电机助力和再生制动功能，强混合汽车 在此基础上还具有纯电动行驶功能。通常混合度越高，燃油经济性和排放提高 就越多。弱混合方式驱动电机功率占车辆驱动总功率的比例较小，且使用的蓄电 池容量通常比较小，典型的弱混合有i s g 技术，即i n t e g r a t e ds t a r t o r = g e n e r a t o r 技术，其提高燃油经济性的主要方法有：s t o p s t a r t 技术，即使驻车时发动机 停机以节省由驻车时发动机怠速产生的油耗；通过发电机调节发动机负荷，提 高发动机的效率；制动能回收。由于功率较小，这种方式中的驱动电机只在车 辆起步时协助发动机工作，在其他运行工况中驱动电机无分担驱动功率需求的 作用。强混合相对弱混合而言，