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串联式混合动力公交车的总体设计与仿真研究 摘要 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 ，简称h e v ) 是当前解决能源 短缺和环境污染问题切实可行的技术之一。城市公共交通拥挤，客车时走时停， 行车速度慢，污染极其严重。城市客车一般是在固定道路行驶，固定时间运行， 每日运行的总里程大多在1 5 0 k m - 2 0 0 k m 左右。在这种情况下，传统的内燃机汽 车油耗和排放都很差，而混合动力系统正可以发挥其优势。 本文基于某传统燃油公交车进行改装，并结合目前国内外混合动力汽车的 发展概况，针对城市公共交通和城市客车运行的特点，对串联式混合动力公交 车各关键部件进行参数选择匹配并完成总体布置；建立整车行驶动力学、电动 机、车轮、蓄电池以及整车的仿真模型；对串联式混合动力公交车控制策略进 行深入研究；对混合动力公交车的动力性能与经济性进行仿真分析。并在此基 础上，对整车动力性能试验结果与仿真结果进行比较，验证了仿真模型的合理 性以及总体设计的可行性。 关键词：串联式混合动力，公交车，总体设计，控制策略，仿真 s e r i e sh y b r i de l e c t r i cb u sd e s i g na n d s i m u l a t i o nr e s e a r c h 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 ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，o rh e v ) i st h ec u r r e n t s o l v et h ee n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p r o b l e m s o fp r a c t i c a l t e c h n o l o g y u r b a np u b l i ct r a f f i cc o n g e s t i o n ，b u ss t o p s ，w a l k i n g ，s l o wt r a f f i c ， p o l l u t i o ne x t r e m e l ys e r i o u s c i t yb u s e sa r eg e n e r a l l yf i x e dr o a d ，f i x e d t i m e o p e r a t i o n ，t h et o t a ll e n g t ho ft h ed a i l yo p e r a t i o no fm o s to ft h e15 0k m 2 0 0 k m a r o u n d i ns u c hc i r c u m s t a n c e s ，t h et r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e f u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n sa r ep o o r ，a n dh y b r i d s y s t e mi s t op l a yt ot h e i r s t r e n g t h s t h i sa r t i c l ec a r r i e so nt h er e - e q u i p p i n gb a s e do ns o m et r a d i t i o n a lf u e lo i l p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n ，a n du n i f i e st h ep r e s e n td o m e s t i ca n df o r e i g nm i xp o w e r a u t o m o b i l et h ed e v e l o p m e n ts u r v e y , i nv i e wo ft h ec i t ym a s st r a n s i ta n dt h ec i t y p a s s e n g e rt r a i nm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，c a r r i e so nt h ep a r a m e t e rc h o i c et ot h e t a n d e mh y b r i de l e c t r i c t r a n s p o r t a t i o nv a r i o u sk e yc o m p o n e n tt om a t c ha n dt o c o m p l e t et h eg e n e r a la r r a n g e m e n t ；e s t a b l i s h e st h ee n t i r ev e h i c l et r a v e ld y n a m i c s ， t h ee l e c t r i cm o t o r ，t h ew h e e l ，t h ea c c u m u l a t o rc e l l a sw e l la st h ee n t i r ev e h i c l e s i m u l a t i o nm o d e l ；c o n d u c t st h et h o r o u g hr e s e a r c ht ot h et a n d e mh y b r i de l e c t r i c p u b l i ct r a n s p o r t a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y ；t om i x e st h ep o w e rp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nt h e p o w e rp e r f o r m a n c ea n dt h ee f f i c i e n c yc a r r i e so nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s a n di n t h i sf o u n d a t i o n ，c a r r i e so nt h ec o m p a r i s o nt ot h ee n t i r ev e h i c l ep o w e r p e r f o r m a n c e t e s tr e s u l ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，h a sc o n f i r m e dt h es i m u l a t i o nm o d e lr a t i o n a l i t y a sw e l la st h es y s t e md e s i g nf e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：s e r i e sh y b r i d ，c o n t r o ls t r a t e g y 、d e s i g n ，s i m u l a t i o n 。 插图清单 图1 1 串联式h e v 驱动系统的结构7 图1 2 并联式h e v 驱动系统的结构一7 图1 3 混联式h e v 驱动系统的结构8 图2 1c b db u s 循环电动机功率需求的时间历程1 4 图2 2n e w y o r kb u s 循环电动机需求功率的时间历程1 4 图2 3 电机效率图1 7 图2 4 串联式混合动力公交车总体布置图一1 9 图3 1 串联混合动力结构简图2 1 图3 2 恒温器控制策略发动机的开启和关闭状态一2 2 图3 3 功率跟随式控制策略发动机的开启和关闭状态2 3 图3 4f j 6 8 2 0 s h b 控制策略框图一2 5 图3 5 发动机一发电机组输入输出变量示意图2 6 图3 6 串联混合动力总成控制系统中央处理器算法框图2 7 图3 7 发动机一发电机组输入输出变量示意图一2 9 图3 8 发动机一发电机内部逻辑流程图2 9 图3 9 充电衰竭型控制模式的发动机开关状态示意图3 0 图3 10 充电维持型控制模式的发动机开关状态示意图3 0 图3 1 1 典型功率需求与最佳发动机转速的关系3 1 图3 1 2 确定发动机工作点程序的内部逻辑3 1 图3 13 电机输入输出变量示意图3 3 图3 1 4 电机最大扭矩曲线3 3 图3 15 电机在电动和发电状态下的效率图3 4 图4 1 发动机的控制模块模型3 7 图4 2 发动机输出扭矩和转速计算子模块模型一3 8 图4 3 燃油消耗模型一3 9 图4 4 发动机散热模型3 9 图4 5 发动机模型总成4 0 图4 6 电动机模型4 0 图4 7 铅酸电池等效电路图4 1 图4 8 蓄电池模型4 2 图4 9 车辆模型4 3 图4 1 0 车轮和车桥模型4 4 图4 1 l 总体框图一4 4 图5 1a d v i s o r 2 0 0 2 文件结构图4 5 图5 2 车辆定义界面4 5 图5 3 仿真参数设置界面4 6 图5 4 仿真结果界面4 5 图5 5i m a g e 2 m a p 界面4 9 图5 6 厂家提供的发动机万有特性图一5 0 图5 7 输入模型的万有特性图5 0 图5 8u d d s 循环工况5 1 图5 9c b d l 4 循环工况5 1 图5 1 0n e w y o r kb u s 循环工况5 2 图5 1 1 德国纽伦堡3 6 路公交车循环工况5 2 图5 1 2 加速性能测试设置一5 3 图5 1 3 爬坡性能设置5 3 插表清单 表2 1 不同功率发动机的整车在典型工况下的燃油消耗1 2 表2 2 汽车在各特征工况下的功率需求1 4 表2 3 电机参数1 5 表2 4 各种车型的电压等级统计结果1 6 表2 5 串联混合动力总成的电池参数1 6 表2 6 速比选择1 7 表3 1 控制变量一2 5 表3 2 不同功率需求下的最高发动机工作转速3 1 表5 1 整车参数4 8 表5 2 混合动力公交车仿真整车主要输入数据一4 9 表5 3 串联式混合动力公交车与传统燃油公交车动力性能对比5 5 表5 4 串联混合动力城市客车燃油经济性与传统客车的对比5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 金旦巴王些太堂 或 其他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谢意。 一虢z 子期：澎年严月蝴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金罡王些太堂可以将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、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 砂平 导师签名：铂、友 签字日期：哪年p 月沈旧 签字日期： k 睥笋月犰日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：拨铝丧令坡芬椴毛呼芦仗缶习 通讯地址2 懒哆：2 路矽 电话：f 弓7 二f 口莎沈彩尹 邮编：乒；。- 口6 致谢 本论文是在尊敬的导师孙骏副教授的悉心指导下完成的。孙老师在我研究 生学习的每一个阶段都给予了关键性的、启发性的和鼓励性的指导，对我严格 要求，不断帮助我进步，帮助我成长，我所取得的每一点成绩都是和导师的辛 勤工作分不开的。孙老师严谨求实的科学态度，渊博的专业知识，忘我的工作 热情以及对工作一丝不苟的态度，使我终身受益。感谢孙老师在我生活方面的 支持和理解。在此，我向导师致以衷心的敬意和深深的谢意。 在硕士研究生学习期间，汽车教研室各位老师不断给予我成长的机会和无 私的关怀。在此向各位老师表示衷心的感谢。 感谢全体3 班同学对我研究工作的帮助、关心和鼓励以及在生活方面的理解和 支持。 感谢家人对我精神上和物质上的支持，感谢我的妻子一直为我默默无私的奉 献。 作者：王平 2 0 0 8 年3 月10 日 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着全球汽车工业的发展，汽车的产量、销售量和保有量在逐年增加，因 此对石油资源的需求，对生态环境的影响也越来越大。但是，作为现行汽车能 源的石油资源的储量却是有限的，为了保证汽车工业能够维持长期稳定发展， 必须寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，因此世界上许多著名的汽车制造厂 商都在大力开发节能汽车【l 】。与此同时，由于汽车排放的二氧化碳对气候暖化 有很大的影响，减少燃油消耗量有助于减少二氧化碳的排放量，利于防止气候 暖化现象；除此之外，由于汽车排放物中还含有氮氧化合物、一氧化碳、未燃 碳氢化合物和颗粒排放物等有害物质，对人类的生态环境产生不利的影响，降 低汽车有害排放物己成为迫在眉睫的问题。为此，各国制定了一系列十分严格 的排放法规，要求汽车生产厂家设法减少汽车排放，开发无污染和超低污染汽 车。由于混合动力汽车具有解决以上两个问题的优势，特别是在环境保护方面 的优势，使得混合动力汽车的开发与研究得到了各个国家、各个汽车制造商的 高度重视。由于混合动力汽车涉及多学科，技术含量较高，设计制造复杂，所 以开发周期长，开发成本高。建立计算机仿真模型，对混合动力汽车的性能进 行仿真分析是解决开发周期和开发成本的有效途径f 2 j 。 纯电动汽车用蓄电池作为动力源驱动，使用中可以实现零排放，虽然人们 也普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车 的应用【3 】。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的 数值，致使目前电动汽车存在的最大缺点是每次充电行驶里程不够长。与纯电 动汽车和传统内燃机汽车相比较而言，以内燃机和电机为动力源的混合动力电 动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 具有高性能、低油耗、低排放和续 驶里程长的特点等方面的综合优势。鉴于此，许多国家和汽车生产厂家将混合 动力系统作为减少燃油消耗和降低排放的首选技术，而且混合动力汽车技术在 许多方面取得了很大进展，国外开发了许多成熟的混合动力汽车车型，并有部 分车型己经进入批量生产以及投放欧美和日本市场。实践表明，混合动力系统 可以满足2 1 世纪初减少燃油消耗和降低排放的目标要求 4 1 。因此，我国也将该 领域的研究列入了“十五 、“国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ”和“科技 奥运、人文奥运和绿色奥运 的重点课题。 1 2 混合动力汽车发展概述 作为一项新的技术，2 0 世纪9 0 年代初以来，混合动力电动汽车的开发得 到了美、日及西欧等许多发达国家的高度重视，并己取得了一些重大的成果和 进展。有些已经进入实际产业化阶段，并制定了相关的产业化计划【5 】。下面具 体介绍一下当前世界各国研制混合动力汽车的技术发展状况。 1 2 1 国外发展情况 ( 1 ) 美国 p n g v ( t h ep a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s “开发新一 代汽车合作计划”) ，是1 9 9 3 年由克林顿政府与美国汽车研究理事会( u s c a r ) 所设立的旨在提高美国汽车工业在国际上的综合竞争力，减少美国对进口国外 石油的依赖程度的一项汽车研究与开发计划。研究的目标是要开发燃料经济性 相当于1 9 9 4 年家庭轿车( 如c o n c o r d t a u r u s 1 u m i n a 等) 的三倍( 长期目标) ，同 时价格相当、燃料效率有革命性的提高，没有环境污染，满足和超过安全和排 放要求的经济可行的汽车。p n g v 计划在2 0 0 0 年生产出概念车( c o n c e p t ) 在2 0 0 4 年生产出原型车( p r o t o t y p e ) 。 参加p n g v 计划的联邦政府成员包括商业部( d o c 作为领导部门) 、国防部 ( d o d ) 、能源部( d o e ) 、内务部( d o i ) 、交通部( d o t ) 、环境保护署( e p a ) 及国家航 空航天管理局( n a s a ) ，还有国家科学基金会( n s f ) 。其他的参与者包括当时的美 国三大家汽车公司( 通用、福特和克莱斯特) ，以及一些工业供应商、大学、商 业研究开发院等。三大汽车公司与商业部组成领导委员会，三大汽车公司与七 个政府部门的代表组成下设的技术委员会，技术委员会有十个技术工作组，分 别负责一个技术子系统。每个技术工作组的成员来自工业界和国家实验室，一 般都是由工业界代表任主席。1 9 9 7 年，研究计划紧缩了起初的一些研究项目， 三大家汽车公司均将柴油与电的混合动力汽车开发作为新的实现p n g v 目标的 车型【6 】。2 0 0 0 年，三大汽车公司都展出了他们采用轻质材料车身的混合动力概 念车，通用汽车公司的p r e c e p t ，福特的p r o d i g y ，戴姆勒克莱斯勒公司的e s x 3 。 它们基本都达到了燃料经济性目标，但没有实现成本目标。实践认为，p n g v 在初期的时间安排和研究内容上存在不足，它是针对一些比较具体的研究与开 发目标( 如燃料经济性) 而制定的一个宏大计划，技术指标的商业化成分太重， 实施过程中导致各方面在技术上均采取了保守手段，三大公司的概念车都不约 而同地采用了比较成熟的柴油与电混合的驱动技术。另外，计划也引起欧洲与 日本等国家的高度关注和效仿。 2 0 0 2 年1 月，美国政府代表在底特律汽车展上宣布了替代p n g v 的新的计 划，重新命名为f r e e d o mc o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ( f r e e d o m c a r ) 该 计划补充和修正了p n g v 计划，定下了四个主要研究与开发目标： 实质性地降低成本并使电驱动系统具有1 5 年的寿命； 与现有燃料车比较，应有两到三倍燃料效率的先进内燃机技术且较低的成 本和排放； 提高电能储存系统的寿命和降低价格； 2 提高材料及制造技术，保证承载能力下使车身结构重量减少5 0 ，并提高 材料再利用率。 该计划的重点是降低各种技术应用成本，开发车型不仅面向原所指的中型 私家轿车，而且要面向所有轿车和轻型卡车，开发时间也向后延伸了10 年。2 0 0 3 年1 月布什总统又发布了一个氢燃料开发计划( p r e s i d e n t sh y d r o g e nf u e l i n i t f a t i v e ) ，增加7 2 亿美元资金，用以资助氢作为运输能源的研究与开发。 新的研究计划补充了f r e e d o m c a r 计划，瞄准了更为长期的目标： 强调氢燃料系统的耐久性、能源效率和使用成本； 强调氢能对汽车工业和对环境( 低排放标准) 的影响； 强调燃料的高效和等同于汽油的价格，以及氢燃料在车上贮存的能量密度 及成本。 构成新的f r e e d o m c a r 计划的战略重点为： 发展可负担得起的氢燃料电池汽车技术及相应的氢基础设施； 继续支持可降低燃油消耗率和减少环境污染技术的开发； 发展可用于多种车辆的燃料电池技术，而不只是限于某一种汽车。 在组织上，f r e e d o m c a r 计划改由美国能源部领导，由汽车制造协会协调， 几大汽车公司、大学及国家实验室参加，与p n g v 计划最大的不同是燃料供应商 参与了f r e e d o m c a r 计划。f r e e d o m c a r 计划比较集中于风险较高的实用技术研 究，着眼于美国国内可再生能源开发氢燃料电池，提出以不损害用户自由使用 汽车、自由选择汽车的积极性，不增加汽车的使用成本为目的，研究有市场而 没有排放污染的全功能轿车和卡车，同时保证使用安全性、灵活性和用户汽车 选购的自主性。从2 0 0 3 年美国能源部的有关研发资助结果看，原计划内容资助 比例的总体水平还是比较稳定的，但2 0 0 4 年，主要资助就转到了( 增加了3 0 ) 氢燃料、燃料电池及其车辆技术上来。主要研究内容包括电推进系统、车辆系 统、材料技术，氢能源( 不仅限于车用) 的生产、供应和贮存技术等，也含有氢 能源的安全、法规和标准、人员的培训和教育等。 除了美国能源部外，还有一些政府部门也被卷入氢能源及燃料电池的研究 与开发，包括美国国家汽车中心( n a c ) 、坦克车辆研究与开发工程中心( t a r d e c ) 、 国防部、交通部、环保署。例如：运输部通过国家汽车中心，向乔治敦大学 ( g e o r g e t o w nu n i v e r s i t y ) 每年资助5 百万美元用于燃料电池公交车运营示范。 通用汽车公司同时致力于串联式和并联式混合动力汽车的研制。在19 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 i 型4 座混合动力 电动汽车。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 ig 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10 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。1 9 9 8 年1 月，克莱斯勒汽车公司宣布开发 出道奇无畏e s x 2 串联式混合动力电动汽车。 ( 2 ) 欧盟 出于提高欧盟各国的科学技术水平，增强欧盟各国工业的竞争力，充分调 动欧盟各国的科学技术力量，减少各闺科研计划的重复，有效地利用欧盟各国 的人力和物力资源，欧盟制订了一此统一的高新技术研究计划【7 】。目前，与电 动汽车及其能源相关的主要发展计划有两个：由欧盟委员会组织实施的 f p ( f r a m e w o r kp r o g r a m m e 科技匡架计划) 系列计划，以及欧盟燃料电池研究发 展示范( r & d d ) 计划。 f p 系列计划是一个欧盟中长期科技发展计划，它研究国际前沿和预竞争科 技难点，多国参与，涉及多领域，投资大，研究水平高。f p 5 ( 1 9 9 8 2 0 0 2 年， 实际从19 9 9 年初开始执行) 的“能源、环境和可持续发展”子项中，对燃料电 池的各项技术进行了广泛的研究。目前，欧盟f p 6 ( 2 0 0 2 2 0 0 6 年，实际从2 0 0 3 年初开始执行) 总投资是1 7 5 亿欧元，占欧盟各国公共研究预算的6 9 6 。七个优 先主题领域中的第六项为“可持续发展，全球变化和生态系统，预计投资2 1 2 亿欧元，其中，可持续能源系统：清洁能源，节能，发动机替代燃料，燃料电池， 新的能源载体、运输、储存，可再生能源等为8 1 亿欧元；可持续的交通：环境 友好的交通系统和模式，先进的设计和生产技术，安全等为6 1 亿欧元；全球 气候变化和生态系统：温室气体排放的影响和机制，水循环，生物多样性，自然 灾害，土地管理，气候模拟和预测等为7 亿欧元。f p 6 中有6 亿欧元是用于开 展国际优先领域及专项研究。 欧盟燃料电池研究发展示范( r & d d ) 计划( 1 9 9 8 2 0 0 5 年) ：欧盟委员会认为： 燃料电池代表着富有前景的清洁高效的能量转换技术，但仍不能与现有的传统 技术竞争。解决其技术和可靠性问题依需要更多的研发和示范工作，同时还应 把生产成本降低到可接受的程度。在许多应用领域，燃料电池技术还是一个长 期的选择。基于这一技术可实现的能量节约和能量清洁转化，对各行业的长远 影响以及在全球市场范围内提高竞争力的必要性，一个统一的欧盟燃料电池科 研发展示范计划在欧洲的一些城市实施 8 】。该计划将车用燃料电池列为优先发 展目标。欧盟燃料电池巴士示范计划：2 0 0 3 年底有3 0 辆燃料电池大巴在欧洲不 同环境下的八国1 0 个城市开始营运。主要开展两大项目：欧洲清洁城市运输 ( c 1 e a nu r b a nt r a n s p o r tf o re u r o p e 简称c u t e ) 和欧洲生态城市运输系统 ( e c o t o g i c a lc i t yt r a n s p o r ts y s t e m 简称e c t s ) ，其中，仅c u t e 项目欧盟提 供财政资助有1 8 5 0 万欧元。还有欧洲电动汽车城市运输系统( e l c i d i s ) 计划： 此项计划的主要目的是使用电动车辆进行城市运输，从而评估该城市运输系统 的效率和环境影响。欧洲的鹿特丹、斯德哥尔摩、厄尔兰根德、米兰、斯塔万 格以及拉罗谢尔等六个城市共使用6 3 辆纯电动汽车和混合动力汽车进行此项 4 评估工作。e l c i d i s 计划的目的不仅是推动电动汽车在物流领域的应用，而目 要达到通过重组物流体系结构实现减少城市中心交通显的日的。 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己在法国接受了 1 0 0 0 0 k m 的运行试验。并于19 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 。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 m 。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 德国己有几十 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 己小批量生产。 ( 3 ) 日本 在第3 2 届东京汽车展上，日本各大汽车公司共推出6 款混合动力汽车，这 说明日本汽车界将重点从纯电动汽车转向混合动力汽车。1 9 9 5 年5 月日产公司 开发出了可以使续驶里程增加一倍的串联式混合动力型微型轿车。同年9 月日 产公司又开发出使燃料费降低一半，并且可以批量生产的并联方式混合动力型 汽车系统。本田公司开发的i n s ig h t 混合动力汽车于2 0 0 0 年1 0 月上市，是发 动机主动型混合动力系统，由一个三缸发动机( 5 0 k w ，5 7 0 0 r m i n ) 和一个永磁同 步电动机( 1o k w ，3 0 0 0 r m i n ) 共同驱动。i n s ig h t 是燃油效率最高的混合动力汽 车，燃油经济性为2 6 - 3 0 k m l 。值得瞩目的是丰田公司开发的p r i u s 型5 座并 联式混合动力电动汽车。p r i u s 于1 9 9 7 年12 月推向市场，一面市就受到市场 的好评，致使丰田公司不得不改变原有生产计划，将原目标月产1 0 0 0 辆的计划 改为月产2 0 0 0 辆，据估计1 9 9 8 年在日本国内销售达1 2 0 0 0 辆。p r i u s 混合动 力电动汽车在成本方面也取得了令人振奋的进展。p r i u s 混联式混合动力电动 汽车开拓了混合动力电动汽车技术与应用领域的新天地，创造性地首次采用了 两套动力系统混联的方式，采用高度精密的机械装置实现了动力系统的连接和 能源的传递。另外丰田的c o a s t 串联式混合动力电动客车也己进入商业化阶段。 1 2 2 国内研究发展概况 国内从2 0 世纪9 0 年代开始进行电动车研究，研究工作时断时续。1 9 9 2 年 电动车第一次列入国家重大科技攻关项目。国家科委、计委、国防科工委及经 贸委等对电动车及与之配套的关键技术攻关进行了重点资助。19 9 6 年，国家科 委把电动车列入“九五”国家重大产业工程项目。在此期间，清华大学汽车自 主开发研究的电动汽车从1 9 9 9 年4 月已在清华园投入试运行。北京理工大学研 制的电动公交车己在北京示范运行。东风公司与华中科技大学、武汉理工大学 己经成了多辆电动中巴、电动轿车的研制，并组建了电动车公司。北京市电车 公司与美国西屋公司合作研制出了三相交流感应电机驱动的电动大客车 y w 6 1 2 0 d d 。华南理工大学和广东云山汽车厂研制的风冷励磁直流电机驱动的电 动轻型客车e v 6 6 0 0 和e v 6 7 0 0 已在广东汕头南澳岛试验运行。国防科大机电工 程学院研制的电动车车重3 t ，时速为4 0 - 6 0 k m h ，续驶里程为1 5 0 k m 等。特别 值得一提的是，为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入w t o 后我国汽 车工业的竞争力，2 0 0 1 年9 月，科技部在“十五”期间的国家“8 6 3 ”计划 中，特别设立了电动汽车重大专项。专项将从国家汽车产业发展战略的高度出 发，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、 高等院校和科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式，联合进行攻关。计 划在“十五”期间，促进我国符合市场经济发展要求的研发体系、机制和人 才队伍的形成，以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关 键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占新 一代电动汽车制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。 目前我国电动汽车的研制主要分布在轿车和客车领域，而在国外电动汽车 的研制包括了轿车、客车和货车等所有的汽车领域。 1 3 混合动力汽车分类 混合动力电动汽车有不同的结构形式，根据动力传动系的机械连接结构进 行分类，最主要的分类依据是判断内燃机是否与驱动轮由机械连接【9 】，可分为 串联式混合动力电动汽车( s e r i e sh y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ，简称s h e v ) 、并 联混合动力电动汽车( p a r a l l e lh y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e 简称p i t e v ) 和混联式 混合动力电动汽车( s p l i th y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ，简称s p h e v ) 三种。 1 3 1 串联式 串联式h e v 驱动系统的结构如图1 1 所示。s h e v 是由发动机、发电机和驱 动电机三大动力总成组成，发动机一发电机和电机采用“串联”的方式组成s h e v 的驱动系统。其最大特点是主动力源不再与后续的驱动系统( 变速装置、后桥至 后轮) 有直接的机械连接【10 1 ，主动力源的动力通过一台发电机全部转化为电能， 任何情况下汽车行驶所需的动力都由电动机提供。串联式布置结构简单明了， 实际的实现形式大致相同，所不同的只是主动力源和载荷调节装置形式不同。 由于断开了主动力源与后续驱动系统的机械连接，主动力源的工作状态与 整车的速度和加速度之间已无直接的关系，汽车这一特定负载对其动力源在负 荷特性、速度特性和响应特性上的要求得到了回避【l 。首先是热机可以有新的 选择，而不再仅仅是局限于传统的往复活塞式内燃机，目前被列入考虑对象的 就有燃气轮机和斯特林发动机( 热气机) ；其次是热机的工作范围可以自由选定， 而不再需要考虑提供宽广的工作区。 6 1 3 2 并联式 并联式h e v 驱动系统的结构如图1 2 所示。p h e v 是由发动机、电动发电 机或驱动电机两大动力总成组成，发动机、电动发电机或驱动电机采用“并联” 的方式组成p h e v 驱动系统。并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式 驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供 扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电机既可以作电动机 又可以作发电机使用，又称为电动一发电机组。由于没有单独的发电机，发动 机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统， 得到比较广泛的应用。 在并联式布置中，由于主动力源依然保持了和驱动系统的机械连接，因而 主动力源一般依然选用传统的往复活塞式内燃机，整车的动力性能容易得到保 证。保持内燃机和驱动系统的机械连接并不意味着内燃机就失去了工作点优化 的可能，只是在这种布置形式中，对内燃机工作状态的优化相对困难，对能量 管理系统提出了更高的要求 1 2 1 。 _ 图1 1 串联式h e v 驱动系统的结构 傩 齿 轮 传 动 装 置 图1 2 并联式h e v 驱动系统的结构 1 3 3 混联式 串联式和并联式布置在性能上各有优缺点。串联式布置断开了热机和驱动 系统的机械连接，为主动力源的选用提供了广阔的空间，但其能量的转换过于 频繁，必须解决转换过程中的能量损失问题。并联式布置保留了由内燃机直接 驱动的传统驱动系统，整车的动力性能得到了保证，但其对热机工作点的优化 相对困难，燃油经济性和排放性能的提高对能量管理系统提出了更高的要求。 混联式h e v 驱动系统的结构如图1 3 所示。 7 结合串联式和并联式两种布置的优点，克服它们的不足之处，混联式的布 置方案自然产生了。这种比串联式和并联式布置都更为复杂的布置既保留了内 燃机和驱动系统的机械连接，也能提供并联的驱动路线。一般的混联式布置如 图卜3 所示。这是一种集成的混合动力系统，它既有传统的内燃机和其后续的驱 动系统，也有发电机和电动机等能量转换装置，整车的工作模式由一个复杂的 控制策略来控制u 3 。 混联式驱动系统对电池的依赖小，兼具串联式和并联式的优点，从结构上 保证了在不同的工况下使系统工作在最优状态，也更容易实现排放和油耗的控 制目标u 4 。然而，混联式的动力复合形式比并联式更加复杂，对动力复合机械 装置和动力控制系统的要求也更高。 l 窜 烹黧， l 万d 一甲 i 。琶茬酶) i 堡；_ 譬 图1 3 混联式t l e v 驱动系统的结构 究竟选择什么样的结构形式，主要考虑下列主要因素：从整车总布置来看， 串联式电动汽车三大部件间没有机械连接，布置的自由度大，但各总成质量、 尺寸较大，一般适用于大型车上，并联式保持了机械式传动系统，结构复杂， 使布置受到一定的限制。从成本造价方面看，s h e v 三大动力总成功率较大，成 本高；p h e v 只有两大动力总成，质量轻，电动发电机有双重功能，可以在普 通内燃机汽车底盘上改造，成本比较低；而混联式结构需要复杂的控制系统， 制造成本比较高。从效率上看，s h e v 效率低，但具有低排放的优点；p h e v 和混 联式结构的传动效率高。因此，串联式结构主要适用于大型客车或货车，而并 联式结构适用于小型轿车，更能适应城市道路和高速公路行驶，混联式结构能 适应各种道路工况，性能更接近于内燃机汽车。 1 4 电动汽车的关键技术 当前，混合动力汽车研发己在世界范围内由点向面地扩散，发展相当迅速。 发达国家的许多研究成果已经走出实验室，并开始进入市场【15 1 。丰田汽车公司 的p r i u s 就是这方面的成功范例。 混合动力汽车相对于电动汽车和代用燃料汽车的优势使其具有良好的商业 前景。在当前电动汽车的成本和电池等技术难以取得重大进展时期，开发混合 动力汽车有利于解决环境、能源等可持续发展战略所要求解决的问题【1 6 | 。 混合动力汽车的进一步发展，实现产业化，需要解决以下一些关键技术： ( 1 ) 电池技术。混合动力汽车电池的使用状况不同于电动汽车，在工作电 池处于非周期的充放电循环中，要求电池的充放电速率和效率都比较高。因此， 混合动力电动汽车用电池不仅需要高能量密度，而且还需要高功率密度。开发 高性能、低成本、寿命长的电池，仍然是混合动力汽车发展需要解决的关键问 题。 ( 2 ) 电池管理系统。混合动力电动汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻 等都要受电池放电深度、充放电电流大小以及具体的汽车行驶工况等诸多因素 的影响。而且，目前国内还局限于电池恒流放电特性或仅考虑了放电过程的变 流放电特性研究，这些对建立一个符合混合动力电动汽车电池实际使用状况的 能量管理模型是远远不够的。研究考虑诸多因素的电池充放电特性，以便建立 一个符合电池实际使用环境的电池能量管理系统，并为载荷均衡控制装置提供 可靠的控制参数，是目前混合动力电动汽车研究开发中必须解决的问题。 ( 3 ) 进一步优化动力总成的控制策略。动力总成的控制策略决定了混合动 力汽车节能和降低排放的效果，进一步优化控制策略，毫无疑问仍是混合动力 汽车研究的核心问题。 ( 4 ) 电机及控制系统。混合动力电动汽车上使用的电动机有直流电机、永 磁无刷电机、感应电机、开关磁阻电机等。研究开发体积小、重量轻、工作可 靠、动态响应好的电机，对混合动力电动汽车进一步提高动力性和经济性极为 重要。 ( 5 ) 需要建立更精确的驱动系统数学模型( 包括静态的和动态的) ，这是参 数匹配和优化控制的基础。 1 5 论文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括以下几方面： ( 1 ) 在分析混合动力汽车的驱动系统布置形式的基础上，对传统燃油型公交 车f j 6 8 2 0 进行改装设计，确定其驱动系统布置形式，并对其进行总体设计。根 据设计要求，对改装的混合动力公交车关键部件进行选择，对动力系统参数进 行设计与匹配。 ( 2 ) 对混合动力公交车的控制策略进行深入研究并针对所设计的串联混合动 力公交车f j 6 8 2 0 s h e v 进行系统分析研究。 ( 3 ) 建立混合动力公交车整车和关键部件的数学模型和计算机仿真模型。 ( 4 ) 应用建立的仿真模型，对混合动力公交车的动力性能与与爬坡性能等进 行仿真研究，并对仿真结果分析。 9 第二章混合动力公交车的参数选择与总体布置 混合动力汽车与燃油汽车的主要区别在于它们的驱动系统不同，混合动力 汽车结构各式各样，尽管大多数的混合动力汽车参数是从发展成熟的燃油汽车 体系中借鉴的，但混合动力汽车的结构和许多性能与技术参数有它本身的特征。 混合动力汽车的组成部分布置位置比普通汽车发动机的布置更灵活、更多样化， 既可组合，也可分开，使整车质量分配合理，结构紧凑，完全突破了普通汽车 发动机位置相对固定的设计方案。 2 1 主要动力总成参数选择 串联式混合动力汽车动力传动系参数包括发动机功率、电动机功率、电池 组容量、变速器档位和速比以及主减速器速比等，它们之间的合理匹配对整车 动力性、燃油经济性以及排放性能都有显著的影响【1 7 】。混合动力城市公交车主 要作短途运行，通常行驶在平坦的路面上，频繁的起步和制动。根据此特点， 确定其动力总成参数的基本原则是其匹配的具体原则如下： ( 1 ) 电动机的参数首先要满足整车动力性指标的要求，特别是要满足加速时 间的要求。 ( 2 ) 发动机一发电机组的参数在满足单独驱动的技术条件要求的前提下，尽 可能选择较小功率的发动机一发电机组，以利于改善整车的燃油经济性。 ( 3 ) 确保在工作过程中，蓄电池的充电、放电电流在电池性能许可范围内。 ( 4 ) 发电机的高效区要处于发动机的经济区。 ( 5 ) 各部件质量总和最小，性能可靠，性价比高 2 1 1混合动力汽车行驶功率平衡 考虑到公交车的实际使用条件，并从最大限度地降低整车成本和重量的原 则出发【1 8 】，首先计算车轮处的功率需求，并假定在平路上加速并达到最大速度， 爬坡时匀速行驶，考虑在无