（动力机械及工程专业论文）混合动力客车动力系统匹配与控制策略研究.pdf

图书分类号图书分类号_ 密级密级_ udc 注注 1_ 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称）_ 申请学位级别申请学位级别_ 专业名称专业名称_ 论文提交日期论文提交日期_年年_月月_日日 论文答辩日期论文答辩日期_年年_月月_日日 学位授予日期学位授予日期_年年_月月_日日 论文评阅人论文评阅人_ 答辩委员会主席答辩委员会主席_ 2012 年年 6 月月 6 日日 注注 1：注明国际十进分类法：注明国际十进分类法 udc的分类的分类 混合动力客车动力系统匹配与控制策略研究混合动力客车动力系统匹配与控制策略研究 明振海 樊文欣樊文欣 教授教授 工学硕士工学硕士 动力机械及工程动力机械及工程 u469.72 非密 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以学校可以 采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位学校可允许学位 论文被查阅或借阅；论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论学位论 文；文； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后 遵守此规定） 。遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 混合动力客车动力系统匹配与控制策略研究 摘要 随着汽车保有量的剧增，能源危机和环境问题日益严重，发展新能源汽车成为当 前各汽车企业和科研机构的研发热点之一。目前，对于纯电动汽车、普通混合动力汽车 已有了较多的研究，而对于可外接充电式混合动力汽车（plug-in hybrid electric vehicle， phev）的研究还不够深入，该种型式的汽车由于兼具纯电动汽车和普通混合动力汽车 的优点，具有更为突出的节能减排优势。 本文以单轴并联式 phev 为研究对象，开展了如下相关研究工作： 首先，以 xq6103 客车为例，根据动力性、经济性和行驶工况的要求，phev 工 作模式的特点，本文总结了动力系统主要部件的选型与参数匹配方法，包括发动机、电 机、电池组、变速器等部件。 然后， 论文根据 phev 的工作模式和行驶特点提出其控制策略， 在 matlab 中设 计了模糊控制模块，并嵌入到 advisor 2002 软件中，从而完成了对该软件的相应二次 开发，实现了其应用范围上的扩展。 最后，本论文运用经二次开发的 advisor 2002 软件对改装后的 xq6103 客车进 行了仿真，得出了最高车速、最大爬坡度、加速时间、百公里耗油率、电池组 soc、发 动机工作点分布图和效率图、电机工作点分布图和效率图、电池充放电效率图等一系列 性能参数与图表。 各项参数结果基本满足 phev 开发要求，达到了预期目的，表明本文所总结的动 力系统匹配方法和控制策略可行。 关键词：phev，动力系统，参数匹配，模糊控制 中北大学学位论文 study on power-train matching and control strategy of hybrid electric bus abstract with the retain number of automobile dramatic increasing, the energy crisis and environmental problem are getting worse, as a result, the new energy automobile becomes one of the hot spots of the car companies and research institutions. at present, there are a lot of studies on pure electric vehicle and common hybrid electric vehicle, while the studies on plug-in hybrid electric vehicle (phev) are not intensive. because this type of vehicle has the advantages of both pure electric vehicle and common hybrid electric vehicle, it has more outstanding superiority in energy conservation and exhaust decreasing. for single-axle parallel phev, this paper carries out the following research: firstly, taking the bus xq6103 as an example, the thesis summarizes the type selection and parameters matching method of the main components of power-train including engine, motor, battery, and gearbox, which is based on the requirement of power performance, fuel economy and driving cycle, and the trait of phev s operating mode. in the next part, according to the operating mode and riding characteristics, a fuzzy control module is designed in matlab, and embedded into the software advisor 2002.in this way, the software has been corresponding secondary development, thereby its applied range has been extended. finally, the author uses the developed advisor 2002 to simulate the hot-rod xq6103, and get a series of performance perameters, graphs and tables, such as top speed, maximum gradability, acceleration time, 100 km fuel consumption, soc of the battery, the operating point distribution chart and efficiency chart of the engine, the operating point distribution chart and efficiency chart of the motor, the charging chart and discharging chart of the battery. the test results generally meet the requirements of the design of phev, this achieves the 中北大学学位论文 desired purpose. it shows that the power-train matching method and control strategy are feasible. keywords: phev, power system, the parameter matching, fuzzy controlling 中北大学学位论文 - i - 目录 第一章 绪论 1.1 背景 . 1 1.2 研究的目的和意义 . 2 1.3 国家扶持政策 . 4 1.4 本文研究的主要内容 . 5 第二章 phev 概述 2.1 典型可外接充电式动力系统分析 . 6 2.1.1 串联型 . 6 2.1.2 并联型 . 8 2.1.3 混联型 . 9 2.2 工作模式 . 10 2.3 主要优点 . 12 2.4 关键技术 . 12 第三章 动力系统部件选型和参数匹配 3.1 动力系统部件选型依据 . 14 3.2 示例汽车参数与设计目标 . 15 3.3 动力系统各部件的选型 . 16 3.3.1 发动机 . 16 3.3.2 电机 . 17 3.3.3 储能装置 . 18 3.4 动力系统参数优化匹配方法 . 20 3.5 动力系统参数匹配 . 21 3.5.1 车辆行驶需求功率及功率谱分析 . 21 3.5.2 发动机功率 . 24 3.5.3 电机参数 . 25 中北大学学位论文 - ii - 3.5.4 电池参数 . 28 3.5.5 传动系速比 . 29 第四章 控制策略研究 4.1 插电式电动汽车控制策略概述 . 31 4.2 混合动力客车模糊控制策略 . 33 4.2.1 模糊控制理论概述 . 34 4.2.2 控制策略的模糊控制目标和结构设计 . 36 4.2.3 隶属函数的定义 . 37 4.2.4 模糊控制规则 . 40 4.2.5 模糊控制策略模块的建立 . 42 第五章 动力系统仿真 5.1 仿真软件 advisor 简介 . 44 5.1.1 advisor 的界面 . 44 5.1.2 advisor 的功能 . 47 5.1.3 advisor 的内部模块 . 47 5.1.4 控制策略模块在 advisor 里的镶嵌 . 48 5.2 设置性能测试 . 49 5.2.1 加速性能测试设置 . 49 5.2.2 爬坡性能测试设置 . 50 5.3 整车性能仿真 . 51 5.3.1 仿真循环工况 . 51 5.3.2 动力性仿真结果 . 52 5.3.3 经济性仿真结果 . 54 5.3.4 仿真结果比较 . 55 总结与展望 参考文献 中北大学学位论文 - iii - 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果 致谢 中北大学学位论文 - 1 - 第一章 绪论 1.1 背景 自 1885 年德国人卡尔奔驰发明汽车以来，汽车变革了人们的生活方式，汽车已成 为人们日常生活中一刻也离不开的代步和运输的工具，它缩短了人与人之间的空间和时 间的距离，大大地加快了我们的生活节奏和城市化的进程。汽车工业已成为当今世界最 大、最重要的工业部门之一，其带动的上游产业有钢铁、有色金属、电力、塑料、皮革、 纺织、化工、电子、电器及机床等，带动的下游产业有筑路、运输、石油、汽车维修和 营销、保险、加油站、停车场等服务行业。汽车的普及应用显著地促进了经济的发展， 也对人类社会的发展起到了巨大的推动作用1。 我国的汽车保有量正处于快速阶段，近年来的增长速度都在 10%以上，2006 年就 已取代日本成为仅次于美国的世界第二大新车消费市场。从公安部交通管理局获悉，截 至今年 6 月底，全国机动车总保有量达 2.17 亿辆，其中，汽车 9846 万辆，摩托车 1.02 亿辆，全国私家车保有量破 7000 万辆。随着我国进入小康社会，在未来相当一段时间 内，我国汽车市场将持续保持世界最快发展的趋势。但是，汽车工业的快速发展使人类 面临着严峻的能源短缺和环境污染等问题2。 传统汽车能量来源石油不可再生，有资料表明，目前已探明的石油储量，如果按现 在的开采速度，大概仅够世界使用 50 年。中国目前已成石油消费绝对水平上的二号大 国，增量水平上的头号大国，2011 年我国石油对外依存度亦超过美国跃居世界第一。我 国的能源问题已经成为国民经济发展和国家安全的战略问题。 汽车给空气、土地资源、水资源、人文环境及人类的健康和生存带来了许多不利影 响。 据国家环保总局统计， 2005 年我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率达到 80%左右。汽车尾气污染物有主要污染物为碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧 化硫、含铅化合物、苯丙芘及固体颗粒物等3。 极力消除或尽量减小汽车所带来的这些负面效应已迫在眉睫，使之真正给人类带来 全面的福祉。因此，节能、环保成为当今汽车发展的主要方向。电动汽车以其在这两方 中北大学学位论文 - 2 - 面的显著作用， 引起了各国政府、 学术界和汽车工业界的高度重视。 从能源的角度来看， 电动汽车将使能源利用多元化和高效化，达到能源可靠、均衡、和无污染利用的目的； 从环保的角度来看，电动汽车是低排放的城市交通工具，即使计入基础发电设备增加的 排放，从总量上看，它也将使空气污染大大减少。 1.2 研究的目的和意义 电动汽车（electric vehicle，ev）是指全部或部分用车载电源为动力，用电动机驱 动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的汽车。它包括纯电动汽车、燃料电池 电动汽车和混合动力电动汽车4。 其中纯电动汽车最大弊端是能量不富裕， 续驶里程短， 各种电池普遍都存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点，因 而市场较小；燃料电池电动汽车所用的燃料电池还存在诸多技术难题，而且其使用成本 过于高昂；而混合动力电动汽车拥有燃油和电两套动力系统，解决了纯电动汽车能量不 富裕这一根本问题，其续驶里程和加速（或爬坡）动力性能有了全面的改观。由于目前 各类蓄电池和燃料电池技术有待进一步改进，混合动力电动汽车已成为近期电动汽车的 主流产品。 混合动力汽车（hybrid electric vehicle，hev）拥有两种能量来源，相比纯电动汽 车，其电池的容量大为减小，进而可降低整车质量；而且其长途行驶能力可于传统汽车 相媲美；同时，由于采用高度实时和动态的优化控制策略，能尽量使动力系统各部件工 作在最佳状态和最高效率区域，大大限制了内燃机在恶劣工况下的高燃油消耗和大量的 尾气排放，大大提高了混合动力汽车的燃油经济性；在排放限制严格的地方，还可关闭 发动机，以纯电动模式工作，成为零排放汽车。 混合动力汽车，按其动力系统结构来划分，可分为串联式混合动力汽车，并联式混 合动力汽车和混联式混合动力汽车。其中串联式混合动力汽车更适于市内低速运行的工 况，并联式混合动力汽车最适合于在中、高速工况下（如郊区和高速公路）稳定行驶， 混联式混合动力汽车虽然综合了串联式和并联式在结构形式和控制方式上的优点， 但其 动力系统过于复杂。 传统的混合动力车辆使用发动机和电机提供动力，但是电池（或电容等）只是能量 中北大学学位论文 - 3 - 储存和释放的装置，用来对车辆在不同工况下对发动机输出能量的需求进行平衡，以此 来使发动机工作在最佳工作区，从而达到节省燃油和减少排放的目的。因此，这种类型 车辆仍然是将燃料作为唯一的能量来源，对油品的依赖性还是很大5,6。 phev 是近几年在传统混合动力汽车的基础上派生出来的一种车辆。由于可以使用 电力网（包括家用电源）对动力电池进行充电，因而比传统混合动力汽车更省油，有更 长的纯电动续驶里程，同时也更加环保，而且需要时仍然可以像传统混合动力汽车一样 工作。所以 phev 是一种发展前景最好的混合动力电动汽车驱动模式，是向最终的清洁 能源汽车过渡的最佳方案之一7。 现有大部分的 phev， 充满电后以纯电动模式运行， 可持续行驶 50110km 的路程， 最大时速在 100160km/h。phev 利用公共电网充电，充满需要约 39h；使用快速充 电模式，则充电 1h 后也可行驶 50km 左右。据国外资料统计，法国城镇居民 80%以上 日均驾车里程少于 50km；在美国，汽车驾驶者也有 60%以上日均行驶里程少于 50km， 80%以上日均行驶里程少于 90km。 因此， phev 特别适合于一周有 5 天仅驾车用于上下 班，行驶里程 5090km 之间的工薪族使用。 虽然目前 phev 的研发还没有成熟， 但是它肯定是未来新能源汽车发展的一个最重 要的方向。phev 可以大大地降低汽车油料的消耗，减少有毒气体和温室气体的排放， 提高汽车的燃油经济性，是一种发展前景最好的电动汽车驱动模式，也是向清洁能源汽 车过渡的最佳方案之一。虽然因电机和电池的尺寸、成本、寿命以及充电基础设施等其 他因素而使得 phev 的成本较高，但是随着电机、电池和混合动力控制技术等的发展， phev 必然会越来越普及。 phev 动力系统可采用并联式、串联式或者混联式结构，其结构与常规 hev 基本 类似，但是电池必须具有外接电源插头。本论文预期设计一套并联式 phev 动力系统， 希望将并联式混合动力电动汽车与 phev 的优点结合起来，里程短时采用纯电动模式， 里程长时采用以内燃机为主的并联混合动力模式。这样利用外部公用电网（主要是晚间 低谷电力）对车载动力电池组进行均衡充电，不仅可提高电网的使用效率，还大大降低 了对石油的依赖，整车的排放更加环保8。 中北大学学位论文 - 4 - 1.3 国家扶持政策 我国政府高度关注电动汽车的研发和产业化，我国新能源汽车产业化发展的直接推 动力，就是国家的相关扶持政策。 第一阶段：2001 年，中国启动了“863”计划电动汽车重大专项，确立了“三横三纵” 的研发布局：混合动力、纯电动和燃料电池汽车，称为“三纵”；多能源动力总成控制、 驱动电机、动力蓄电池为“三横”。“十五”期间（2001-2005） ，设立 863 电动汽车重大科 技专项，总共约 24 亿元资金，并确定北京、武汉、天津、株洲、威海、杭州 6 个城市 为电动汽车示范运营城市9。 第二阶段： 2006 年 2 月， 国务院发布的 国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006 2020 年） 将“低能耗与新能源汽车”和“氢能及燃料电池技术”分别列入优先主题和前 沿技术。“十一五”期间（2006-2010） ，科技部、工信部等部委确定了节能与新能源汽 车的专题。2006 年，财政部针对实施新消费税政策时明确说明：对混合动力汽车等具 有节能、环保特点的汽车将实行一定的税收优惠。2007 年 6 月公布的中国应对气候变 化国家方案鼓励混合动力汽车、纯电动汽车的生产和消费。2007 年 12 月 18 日，国家 发改委发布了产业结构调整指导目录（2007 年本） 。 第三阶段：借力奥运会的推动，2009 年，被称为新能源汽车的破局之年。2009 年 1 月 14 日，国务院原则上通过了汽车产业振兴规划，首次提出新能源汽车战略，安排 100 亿元支持新能源汽车及关键零部件产业化。2009 年 1 月 23 日，财政部、科技部发出了 关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知 ，确定北京、上海、重庆、长 春、大连、杭州、济南、武汉、深圳、合肥、长沙、昆明、南昌等 13 个城市作为新能 源汽车示范试点城市。同时，财政部、科技部发出了节能与新能源汽车示范推广财政 补助资金管理暂行办法 ，针对公共服务领域购车进行一定的补贴。2009 年 2 月，科技 部、财政部共同启动了“十城千辆”电动汽车示范应用工程和百辆混合动力公交车投放， 决定在三年内，每年发展十个城市，每个城市在公交、出租、公务、市政、邮政等领域 推出 1000 辆新能源汽车开展示范运行。2009 年 3 月 20 日，国务院办公厅出台汽车产 业调整和振兴规划 ，提出实施新能源汽车战略。2009 年 5 月 6 日，国务院决定以贷款 贴息方式，安排 200 亿元资金支持技术改革，包括“发展新能源汽车，支持关键技术开 中北大学学位论文 - 5 - 发，发展填补国内空白的关键总成”。2009 年 7 月 11 日，中国汽车工业协会组织召开上 汽、东风、广汽、北汽、华晨、奇瑞、江淮等行业前十位整车企业一把手会议，讨论新 能源汽车的联合行动，签署了电动汽车发展共同行动纲要 。2009 年 12 月 3 日，全国 汽车标准化技术委员会电动车辆分会在北京召开 2009 年工作会议，对纯电动乘用车 技术条件 、 电动汽车用动力蓄电池规格尺寸等 7 项新能源汽车国家标准和行业标准 进行了审查。2010 年 6 月 1 日，国家出台了关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的 通知 ，提出了 5 个试点城市为上海、长春、深圳、杭州和合肥10。 目前，由工信部牵头的节能与新能源汽车发展规划（2011-2020） 征求意见稿已 经完成，即将公布。而由科技部牵头的电动汽车科技发展“十二五”专项规划已悄然 进入实施阶段。 1.4 本文研究的主要内容 本论文的主要研究内容有： （1）对 phev 动力系统参数匹配方案进行总结，包括发动机、电机、蓄电池、变 速箱等部件进行参数匹配； （2）结合逻辑门限值控制与模糊逻辑控制对所设计动力系统在各工况下的控制策 略进行分析； （3）根据控制策略，设计模糊控制模块； （4）根据上述（1） （2） （3） ，将某款公交客车的动力系统参数进行重新匹配，然 后运用 advisor 2002 软件进行仿真，得到改装后车辆的动力性、燃油经济性数据，以 验证动力系统参数匹配的和控制策略的正确性。 中北大学学位论文 - 6 - 第二章第二章 phev 概述概述 phev 是一种被设计成可以在正常使用情况下从非车载装置中获取能量的混 合动力电动汽车。 当且仅当在生产商提供的使用说明书中或是以其它明确的方式推荐或要求定 期进行车外充电时，混合动力电动汽车才可被认为是“可外接充电”的。仅是用来不 定期地对储能装置进行电量调节而非用作常规的车外能量补充，即使有车外充电 功能，也不可认为是“可外接充电”的车型11。 2.1 典型可外接充电式动力系统分析 phev 的结构特点就是在传统的混合动力车辆上加装或改装可充电的动力电 池，因而不同类型的传统混合动力车辆所具备的特点在相应类型的 phev 上依然 具备，所不同的是 phev 用发动机的功率比传统的要小，电机和电池的功率比传 统的要大，且其电池可通过电网进行充电。phev 的动力系统分为串联式、并联式 和混联式三种结构。 2.1.1 串联型 （1）串联型 phev 的结构特点 由图 2.1 我们可以看出，发动机带动发电机进行发电，产生的电能通过电机控 制器传递给电机，由电机产生电磁力矩驱动汽车行驶。电池接在控制器上，其功 能类似于发电机和电机之间的“水库”，起平衡功率的作用，即当发电机的发电功率 高于电机的需求功率时（如汽车减速滑行、低速行驶或短暂停车等工况），控制 器控制发电机向电池充电；而当发电机发出的功率小于电机所需的功率时（如汽 车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况），电池则向电机提供额外的能量；在一 定条件下，可关闭发动机只依赖电机提供动力而实现纯电动行驶；当电池组不起 中北大学学位论文 - 7 - 作用或电量不足时，发动机带动发电机所发的电能，满足电机驱动汽车行驶的能 量需求；在短时停车状态下可对电池进行充电。 图 2.1 串联型 phev 系统的结构简图 （2）串联型 phev 的性能特点 发动机功率是根据汽车在某一速度下稳定巡航所需的功率选定的。当汽车运 行工况变化，电机所需的驱动功率与发动机的输出功率不一致时，由控制器控制 发电机向电池充电（吸收发电机富余的电能）或使电池向电机放电（辅助发电机 供电），电池充、放电的电流大小由控制器根据电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 phev 具有如下的性能特点： 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳工作区内稳定运 行，因此，发动机具有良好的经济性和较低的污染物排放； 由于有电池对驱动功率进行“调峰”， 发动机的功率只需满足汽车在某一速度 下稳定行驶所需的功率，因而可适当选择功率较小的发动机； 发动机与驱动桥之间无机械连接，因而对发动机的转速没有要求，发动机 的选择范围较大； 发动机与电动机之间无机械连接，因而整车结构布置的自由度也较大； 发动机的输出机械能需转变为电能再转变为机械能驱动汽车，所以需要选 择功率足够大的发电机和电机； 要较好地平衡发电机的输出功率，又要避免电池出现过充电和过放电的问 题，这就要求电池容量较大； 发电机将机械能转化为电能、电机再将电能转化为机械能会损失能量，电 中北大学学位论文 - 8 - 池的充电和放电也会损失能量，因此，发动机输出能量的利用率不够高。 串联型 phev 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 要表现在汽车低速、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。所以，串联型 phev 在市内低速运行工况 更为适用；在繁华的市区，汽车在起步和低速运行时还可以关闭发动机，而只利 用电池提供行驶需求功率，使汽车达到零排放。 2.1.2 并联型 （1）并联型 phev 的结构特点 并联型 phev 动力系统的结构原理图如图 2.2 所示。 并联型 phev 动力系统和 串联型不同之处在于，并联型保留了发动机及其后续传动的机械连接，而由电池 组电机所提供的动力在原动力系统的某处和主动力耦合，或者发动机和电机输 出的力完全分开来驱动不同的驱动桥，即汽车可由发动机和电动机共同驱动或者 单独驱动。发动机和电机两者是相互独立的，即可实现纯电动模式行驶，又可实 现发动机驱动行驶，在功率需求较大时一起驱动车辆，在停车状态下还可以进行 外接充电。与串联型 phev 动力系统比较起来，并联型 phev 动力系统的布置相 对复杂，实现形式也相对多样。 图 2.2 并联型 phev 系统的结构简图 中北大学学位论文 - 9 - （2）并联型 phev 的性能特点 并联型 phev 的发动机功率也是根据汽车在某一速度下稳定行驶所需功率选 定的，当汽车在低速或是变速工况行驶的时候，需要通过加速踏板和变速器来调 节发动机的输出功率；而当汽车在高速行驶，发动机的输出功率低于汽车行驶所 需功率时，由控制器控制电机来辅助驱动。这样的结构形式和控制方式，使得并 联型 phev 具有如下性能特点： 发动机通过机械传动机构驱动汽车，没有机电能量转换的损失，所以发 动机输出能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使发动机在其最佳工作区内 运行时，并联型 phev 的燃油经济性比串联的高； 因为有电动机进行“调峰”作用，可适当选定较小的发动机，发电机的功率也 可较小，这样电池的容量亦可较小；当发动机只是作为辅助动力系统时，其功率 也可以比较小； 由于并联型 phev 的行驶工况影响发动机的运行工况，因此在汽车行驶工 况变化较多、较大时，发动机就会经常性地在其不良工况下运行，因此，发动机 的油耗和排污比串联式的高； 发动机与驱动桥之间由机械连接，所以需要通过变速装置来适应汽车行驶 工况的变化，此外，发动机与电动机并联混合驱动，还需要有动力耦合装置，因 而并联型 phev 动力系统较为复杂。 并联型 phev 比较适合于在中、高速下稳定行驶的工况。在其它的行驶工况， 由于发动机不一定运行在最佳的工作区域内，发动机的油耗和排污不如串联式 phev。并联型 phev 也可实现零排放行驶，在繁华的市区，可通过关闭发动机使 汽车以纯电动模式行驶，不过这样就要求电动机的功率足够大，所需的电池容量 也相应较大。 2.1.3 混联型 混联型 phev 动力系统是串联型与并联型的综合， 图 2.3 为一种典型的混联型 phev 动力系统（hymotion plug-in prius）的结构原理图。发动机的输出功率通过 中北大学学位论文 - 10 - 功率分配机构一部分分配给驱动桥，另一部分则用来带动发电机发电，而发电机 发出的电能由控制器控制，输送给电机或电池，电机产生的驱动力矩通过动力耦 合装置传送给驱动桥。混联型 phev 动力系统的工作模式是：当汽车在低速行驶 时，动力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 为主；当停车时，通过车载充电器对其进行外接充电。 图 2.3 丰田 prius 混联式混合动力系统简图 混联型 phev 动力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、电机等部件进行更好的优化匹配，从而保证了在 复杂行驶工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现降低排放和油耗的控制 目标。 与并联型 phev 相比，混联型 phev 的动力复合形式更为复杂，因此对动力 耦合装置的要求也更高。目前的混联型 phev 一般以行星齿轮作为动力耦合装置 的基本构架。图 2.3 为丰田公司 prius 车的动力系统结构示意图，它的动力系统被 公认为目前最成功的结构之一12。 2.2 工作模式 phev 从充满电开始行驶， 以电能为行驶动力源， 电池 soc （state of charge， soc） 不断减少，当 soc 低于某一阈值时（行驶距离 akm） ，向混合动力行驶模式切换，变为 和传统的混合动力汽车一样，以石油燃料为主行驶，soc 基本恒定，如图 2.4 所示。称 中北大学学位论文 - 11 - soc 减少的行驶模式为电量消耗模式，称 soc 基本恒定的行驶模式为电量保持模式。 行驶距离 akm 为分界，从电量消耗模式向电量保持模式后控制策略变化很大。 图 2.4 phev 的工作模式和控制策略 （1）电量消耗模式 电池组电量较为充裕时（例如 soc=100%） ，车辆可以以纯电动模式行驶，此时电 池组的 soc 可能有些波动，但其总体水平不断变少，即电量在不断消耗，直至消耗到 一定程度达到某一规定的值。称为电量消耗模式（charge depleting，cd） 。 （2）电量保持模式 在电池组的能量达到某一规定的值时（例如 soc=30%） ，为了保证车辆性能和电池 组的使用寿命，车辆进入电量保持模式行驶。电量保持模式的工作特点是：工作方式与 传统的混合动力汽车工作特点类似；电池组 soc 可以有波动，但总体水平变化不大。 这种模式称为电量保持模式（charge sustaining，cs） 。 phev 的电池组工作模式如图 2.5 所示，在 cd 模式时，车辆以纯电动或消耗电池 组能量的模式行驶，此时电池组的荷电状态可能有些波动，但其总体水平不断降低，直 到达到某一规定值。在电池组的能量消耗到一定程度时，为了保证车辆性能和电池组的 安全，车辆进入混合动力模式运行，发动机和电机发电机共同提供驱动力，电池组 soc 可以有波动，但其平均值保持在某一水平上，即切换到 cs 模式13。 中北大学学位论文 - 12 - 图 2.5 phev 的电池组工作模式 2.3 主要优点 （1）具有纯电动汽车的全部优点，噪音低，能降低温室气体和各种有毒气体 的排放，降低对石化燃料的依赖，减少石油进口，所以减少了对环境的危害，并 增加了国家的能源安全。 （2）由于国家己经存在公用电网等基础设施，可利用晚间低谷电对电池进行 充电，改善公共电网使用效率，节省能源。 （3）具有接受外部公用电网对车载电池组充电的能力，可以在家里就对电池 组充电，这样就减少了去加油站加油的次数。用 phev 的纯电动行驶模式上下班， 可大大地降低车辆的使用成本 11。 2.4 关键技术 phev 的关键技术主要有三个方面：整车动力系统匹配与控制策略研究、动力电池 设计与开发、电机设计与开发、充电基础设施建设等： （1）整车动力系统匹配与控制策略研究 在传统的混合动力汽车系统技术的基础上，phev 的动力系统的研发技术主要包括 动力系统参数匹配和整车控制策略两个方面，这都有待进行进一步研究。 中北大学学位论文 - 13 - 为了保证车辆在纯电动模式下行驶的动力性能和足够的纯电动行驶里程，需要高功 率的电机和大容量的电池组；为了保证车辆在混合动力模式下行驶的动力性能，需要大 功率的电池组，而发动机的功率可适当小一些。 从整车控制角度来说，何时进入混合动力模式，低 soc 下如何保护电池，如何实 现全局经济性最优？所以控制策略的研究要以提高整车的工作效率和经济性能、电池组 的效率和寿命为目的。 （2）phev 对动力电池组及其管理系统的要求 目前整车开发最主要的制约因素是动力电池的性能和寿命。 性能：首先要保证 phev 满足要求的动力性能指标和纯电动行驶里程，但又不使 车辆总质量增加太多，因此其动力电池必须具有足够大的能量密度和功率密度。 寿命：phev 要经常性地采用纯电动模式运行，与传统的混合动力汽车不同，动 力电池需要在低 soc 时仍能进行大电流放电（有大功率输出） ，高 soc 时仍然能进行 大功率充电（有高的输入功率） ，以回收制动能量，但这会严重影响电池寿命。电池要 能在 soc 从 100%30%深放电工作时，仍保证有很长的循环使用寿命。 动力电池的安全性必须要好，成本也要尽量低。 安全性要好，在短路、过充、过放、高温、碰撞、着火等条件下必须确保使用的 安全性。 （3）phev 对电机的要求 为满足在纯电动模式下启动及纯电动行驶里程、加速和高速行驶的要求，phev 的 电机需要具备更大输出功率，而且需要注意电机功率和能量效率之间的关系。 （4）phev 对充电基础设施的要求 与其他清洁能源汽车相比其充电设施较容易解决，但是需要各级政府和电力部门的 大力支持。根据美国联邦政府能源部（doe）的研究报告，美国的电网晚上低谷电可以 满足 1.48 亿辆 phev 的充电需要，占美国现有 2.2 亿辆车的 67%。 中国电网的低谷电利用情况， 各个不同供电区域能支持多少辆 phev 充电等问题尚 需进一步研究。目前大多数中国城市居民的居住小区都没有独立的车库，需进一步研究 如何解决充电的方案；但是，中国各机关单位的公务车、公交车、特种车都有专用的停 车地点或停车库，可以安装充电设备 14,15。 中北大学学位论文 - 14 - 第三章第三章 动力系统部件选型和参数动力系统部件选型和参数匹配匹配 phev 动力系统参数的匹配不但与整车动力性和经济性要求有关，还与动力系统构 成型式、参数匹配、控制策略和行驶工况等紧密相关。文中以单轴并联式 phev 为研究 对象，提出其参数匹配的原则和实施步骤、方法。首先从车辆设计要求出发，通过理论 和工程分析确定发动机功率、电机参数、传动系速比和电池参数等动力系统组成的主要 部件，然后通过一实例对该方法的可行性和有效性进行分析验证。 3.1 动力系统部件选型依据 在进行动力系统选型时，应着重考虑以下几个因素： （1）使用工况 phev的动力系统设计应基于特定工况来进行， 这是由于动力系统对工况比较敏感， 车辆在不同工况下行驶，性能差异很大，只有在特定的工况下其低油耗、低排放的优点 才能得到充分地发挥。 （2）性能要求 不同类型的 phev，其性能差别十分明显，在选型时必须要考虑到动力系统结构型 式引发的性能差异。比如，如果对经济性能要求比较高，则选择并联式更为合适。 （3）技术条件 技术条件除包括研究开发的条件和能力外，还包括工业基础。强调工业基础是因为 对于一些动力系统部件，我国的产品设计和制造水平还不能满足需要。在进行新产品研 发时必定会有一定的进度要求，如果无法保证技术条件，就难以在规定时间内实现预定 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。产品性能是一个不断完善的过程，所 以开发工作也不可能一步到位，也需要不断地进