（动力机械及工程专业论文）混合动力重型商用车部件选型及性能仿真.pdf

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 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了谢意。 签名：翔徘 日期：加1 岁；。 学位论文使用授权书 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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。 同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本 学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：1 1 蛰璺三 导师( 签名) ： 摘要 在节能和减排的要求下，新能源汽车的发展成为目前汽车工业的主要任 务。其中的混合动力车具有较好的经济性和排放性，是目前我国新能源产业 化发展的重要方向。混合动力技术中动力总成的部件选型、参数设计以及控 制策略设计的研究对于提高整车动力性能与经济性能，是非常重要的。因此， 十分有必要对其进行深入研究。 本文就混合动力技术在重型商用车上的应用作了深入的研究，主要对混 合动力重型商用车驱动系统的结构布置、驱动系统主要部件选型、参数设计 匹配、仿真建模以及性能仿真等进行了分析和探讨。具体研究内容如下： ( 1 ) 结构方案的确定和控制策略的设计。通过对混合动力车辆不同结 构类型特点的分析比较，综合地考虑了整车的各种动力结构布置方案的优 劣、车辆运行工况的特点、车辆动力性能和经济性能、整车成本以及目前各 主要部件技术条件的成熟度等因素，选定了混合动力车驱动系统布置方案为 单轴并联式；通过对并联式混合动力车辆的运行模式相适应的三种控制策略 研究方法的分析，确定了本文的控制策略为电动力辅助控制策略。 ( 2 ) 主要部件的选型及参数的设计匹配。研究分析了重型商用混合动 力车驱动系统主要部件的工作特性，在分析整车控制策略和车辆运行工况的 基础上，以车辆动力性指标为研究目标，对重型商用混合动力车驱动系统各 部件的参数进行了初步设计匹配；并分析了混合度对混合动力车辆动力性能 及经济性能的影响。 ( 3 ) 仿真模型的建立。以重型商用混合动力车驱动系统的主要部件的 数学模型为基础，利用a d v i s o r 2 0 0 2 仿真软件在m a t l a b s i m u l i n k 的 开发平台上进行二次开发，建立了主要部件和整车的仿真模型。 ( 4 ) 仿真计算结果的分析。以车辆的经济性指标为研究目标，通过 a d v i s o r 2 0 0 2 仿真软件对驱动系统的主要部件的参数设计方案进行优化。 仿真结果表明，与原车相比，本文中所设计开发的重型商用混合动力车更能 满足动力性和经济性的要求；通过对不同混合度的仿真结果对比，得到燃油 经济性最好的混合度的设计方案。 关键词：重型商用车，单轴并联， 性能仿真，混合度 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t s o fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o n r e d u c t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g yv e h i c l eb e c o m e st h em a i nt a s ki n a u t o m o t i v ei n d u s t r y h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e y ) w h i c hh a sab e t t e rf u e l e c o n o m ya n de m i s s i o n ，i st h ei m p o r t a n td i r e c t i o no ft h ec u r r e n td e v e l o p m e n to f c h i n an e we n e r g yi n d u s t r y t h ed e s i g no fp a r a m e t e r sm a t c h i n ga n dc o n t r o l s t r a t e g yf o rp o w e r t r a i ni nh y b r i dt e c h n o l o g yi st h ec o r et e c h n o l o g yo fh e v a n d a l s oa ni m p o r t a n tm e a n so fi m p r o v i n gt h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e 勰w e l l a se c o n o m i cp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt om a k et h o r o u g ha n df u r t h e r r e s e a r c h t h ep a p e rm a k e sad e e pr e s e a r c ho na p p l y i n gh y b r i dt e c h n o l o g yt o h e a v y - d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l e s ，a n dm a i n l ya n a l y z ea n d d i s c u s sh e a v y c o m m e r c i a lh y b r i dp o w e rs y s t e m ，s u c ha si t ss t r u c t u r a la r r a n g e m e n t ，t h em a j o r d r i v e s y s t e mc o m p o n e n t ss e l e c t i o n ，p a r a m e t e rd e s i g nm a t c h i n g ，s i m u l a t i o n m o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n ds oo n t h es p e c i f i cc o n t e n t so f r e s e a r c ha l ea sf o l l o w s ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sf o rh e v , t h ep a p e r c o n s i d e r sm a n yf a c t o r so fh e vc o m p r e h e n s i v e l y , s u c ha sv e h i c l ed y n a m i c s t r u c t u r a la r r a n g e m e n to fv a r i o u sp r o sa n dc o n so ft h ep r o g r a m , o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，v e h i c l ep e r f o r m a n c e ，v e h i c l ec o s t sa n dt h em a t u r i t yo ft h et e c h n i c a l c o n d i t i o n sa n ds oo n t h i ss t u d ys e l e c t s s i n g l e - a x i sp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c v e h i c l ea st h er e s e a r c ho b j e c ta n di d e n t i f i e st h ee l e c t r o m o t o r - a s s i s t e dc o n t r o l s t r a t e g yw h i c ha i m sa ti m p r o v i n gt h e f u e le c o n o m ya st h ec o m p l e t e - v e h i c l e c o n t r o ls t r a t e g y ( 2 ) t h i ss t u d ya n a l y z e st h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h em a i nc o m p o n e n t s i nd r i v i n gs y s t e mf o rt h eh e a v yc o m m e r c i a lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e b a s e do n a n a l y s i so fv e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g ya n dv e h i c l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h i ss t u d y m a t c h e sa n dd e s i g n sp a r a m e t e r so ft h ec o m p o n e n t sf o rd r i v i n gs y s t e mo f h e a v y - d u t yc o m m e r c i a lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，w i t ht h ev e h i c l ep o w e ri n d e xa s t h ea i m ：a n da n a l y z e dt h ei m p a c to fd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i c p e r f o r m a n c eo nt h em i x i n gd e g r e eo fh y b r i dv e h i c l e s 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h em a i nc o m p o n e n t si nd r i v i n g s y s t e mf o r t h eh e a v yc o m m e r c i a lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，t h i ss t u d yb u i l d s s i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e lo ft h em a i nc o m p o n e n t sa n d c o m p l e t e v e h i c l ea n d d o e st h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nb ys o f t w a r ea d v i s o r 2 0 0 2 ( 4 ) t h e p a p e rc o n d u c t st h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dm a t c h i n go fk e y p a r a m e t e r so ft h ed r i v i n gs y s t e mb ya d v i s o r 2 0 0 2s i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m m e r c i a lh e a v y d u t yh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e w h i c hi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h i ss t u d yb e t t e rm e e t st h er e q u i r e m e m so f p o w e ra n de c o n o m yt h a nt h eo r i g i n a lc a r a tt h es a m et i m e ，t h i sr e s e a r c hv e r i f i e s t h er a t i o n a l i t yo fm o d e l ；t oo b t a i nt h eb e s te c o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i d v e h i c l eh y b r i dd e s i g nd e g r e e k e y w o r d s ：h e a v y c o m m e r c i a lv e h i c l e s ，a x i s p a r a l l e l ，p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n ，m i x i n gd e g r e e 2 摘要i a b s t r a c t 1 第1 章绪论5 1 1 课题研究的背景5 1 2 国内外混合动力商用车的相关研究7 1 2 1 国内混合动力商用车的发展状况7 1 2 2 国外混合动力商用车的发展状况9 1 3 本文研究的主要内容1 3 第2 章混合动力重型商用车的动力系统结构类型和控制策略1 5 2 1 混合动力汽车动力系统的结构类型1 5 2 1 1 混合动力汽车动力系统的结构类型分类1 5 2 1 2 混合动力重型商用车动力系统技术方案的确定1 8 2 2 混合动力重型商用车的控制策略设计1 9 2 3 本章小结2 2 第3 章混合动力重型商用车动力总成的部件选型及参数设计2 3 3 1 混合动力车动力总成主要部件选型2 3 3 1 1 发动机选型2 3 3 1 2 电机选型2 3 3 1 3 电池组的选型2 5 3 1 4 变速器的选型2 6 3 2 混合动力商用车的动力系统参数设计2 7 3 2 1 混合动力商用车的混合度2 7 3 2 3 发动机的参数设计2 9 3 2 4 电机的参数设计31 3 2 5 电池的参数设计3 2 3 2 6 传动系统的设计3 4 3 3 本章小结3 6 第4 章混合动力重型商用车动力系统仿真模型的建立3 7 4 1 仿真软件的选择3 7 4 2 整车模型的建立3 8 4 3 动力驱动系统主要部件模型的建立3 9 4 3 1 发动机模型的建立一3 9 4 3 2 发电机电动机模型。4 1 第6 章总结与展望5 5 6 1 总结：。5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 致谢6 0 攻读硕士期间发表的论文6 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 汽车作为重要的交通运输工具，在提高我们的生活质量，推动经济发展的同 时，也使我们不得不面对能源日益匮乏、空气污染严重以及气候变化无常等一系 列的问题。汽车工业的稳步发展将面对两大挑战：能源问题和环境问题。面对这 样的挑战，降低二氧化碳的排放量是我们需要解决的主要问题，而解决这个问题 的途径主要有两个：1 ) 提高传统汽车效率，降低能耗；2 ) 坚定的推进汽车动力 系统转型，加快新能源汽车的发展步伐。 自进入2 1 世纪7 0 年代石油危机以后，在交通领域中，发展节能与新能源汽 车已成为各国政府关注的焦点和汽车企业研发的重点。新能源汽车【l 】指以各种新 型的代用燃料为车用燃料而作为动力源( 或使用传统的汽油或柴油作为车用燃 料、而采用新型车载动力装置( 动力电池组或者驱动电动机) ) ，采用新的车辆 控制技术和驱动系统技术，具有新技术、新结构的车辆。 ( 1 ) 我国发展新能源汽车的意义 目前，我国正处于建设“两型社会 和产业结构调整的关键时期，节能减排 已成为本届政府和各行各业工作的重中之重a 首先，发展新能源汽车有利于建设绿色城市。2 0 1 0 年，我国石油对外依存 度已经增至5 5 。分析人士指出，石油对外依存度5 0 是一条警戒线，作为一 个发展中的能源消费大国，在缺乏国际石油定价权的情况下，石油对外依存度过 高显然是不安全的。要想实现中国汽车产业的可持续发展，汽车的电动化是必然 的选择。否则，中国就会被越来越沉重的石油进口包袱压得喘不过气来。所以， 发展新能源汽车有利于节能减排，建设生态环保城市。 其次，发展新能源汽车有利于提高经济效益。以新能源汽车中的纯电动汽车 为例。纯电动汽车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传 动汽车的内燃机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动车的能量转化 效率更高。通过电池的成本核算，在相同油耗下，电动汽车的使用成本是传动汽 车八分之一，而且，电动汽车还可以利用夜间电力低谷时富裕的电力充电，使发 电设备日夜都能使用，大大提高了其经济效益。 再次，发展新能源汽车有利于优化能源消费结构。新能源汽车与传动车辆相 比，可以节省燃油，降低了对传统燃料的依赖，实现了资源的节约和综合利用。 综上所述，新能源汽车提高了经济效益、降低了能耗、降低了污染物的排放 等优点使其成为目前汽车工业发展的主流路线。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 我国发展新能源汽车的政策支持 为了适应目前汽车市场及环境的需求，自2 0 0 9 年我国工信部将发展新能源 汽车提上“十一五”规划的日程以来，在国家政策的有力支持下，国内各大汽车 公司都相继加重了在新能源汽车上的研发投入【2 】。2 0 1 1 年初有消息指出，中国将 放弃汽车产业“十二五 规划制定，取而代之的是工信部牵头、发改委参与的节 能和新能源汽车产业发展规划( 以下简称规划网) 。与此前汽车振兴规划的 短期性不同，规划被提升到国家战略高度，旨在布置汽车产业新局。作为国 家确定的七大战略性新兴产业之一，新能源汽车在未来l o 年计划投资额将达 1 0 0 0 亿元，销量规模锁定世界第一。日前发布的十二五规划纲要对新能源汽车 发展路径已经有明确的描述：“新能源汽车产业重点发展插电式混合动力汽车、 纯电动汽车和燃料电池汽车技术。 规划还首次明确，从2 0 1 l 到2 0 2 0 年的1 0 年间，中央财政将投入1 0 0 0 亿元用于扶持新能源汽车产业。这1 0 0 0 亿元，分为几个部分，为新能源汽车产 业的发展分别成立重点技术支持项目，项目部分包括：有用于创建国家公共研究 平台用于联合开发，重点用于新能源关键技术的研发和产业化( 比如，蓄电池能 量管理技术、整车控制技术、驱动系统控制技术等) 的部分；有专门用于新能源 车辆的推广的部分；有为促进混合动力车辆技术的发展的部分；有专门投资建设 促进新能源汽车发展的城市基础设施( 比如，蓄电池充电站，气体燃料站等) 的 部分；同时还有专门用于支持汽车零部件产业发展的部分。为了实现规划中 提出的目标，国家政府同时也在技术研发、零部件生产、基础配套设施的建设、 税收( 免征或者半减免新能源车辆的的购置税) 及财政补贴等各个环节为新能源 车辆的蓬勃发展提供了相应的细化政策。 按规划设计，列入国家重点支持的高新技术领域的整车企业及关 键零部件企业，将享受国家有关高新技术企业所得税税收优惠政策。规划中 还强制政府采购推动规模化，各级政府及公共机构，实行节能与新能源汽车强制 性采购，逐步扩大采购规模，至2 0 1 5 年新能源汽车采购比例不得低于1 0 ，节 能汽车不得低于5 0 。按照国家新能源汽车发展规划，预计到2 0 2 0 年国内混合 动力车年产量1 2 4 万辆，纯电动车年产量超过4 0 0 万辆。作为十二五”规划的发 展重点，新能源汽车将为多个新兴产业带来广阔的发展前途。按照规划计划： 预计到2 0 2 0 年国家混合动力汽车年产量达到1 2 4 万辆。在上述政府的高度重视 和倡导下，我国新能源汽车的发展呈现美好的前景。 新能源汽车发展至今，根据其能量来源的不同可以划分为很多种类，其中的 混合动力车辆需要配置柴油和天然气发动机，国内的资源就可以充分利用。同时， 6 武汉理工大学硕士学位论文 由于混合动力汽车的适应性强，可以市区用电，郊外用油( 气) 转换，能适应各 种地理环境，不会因特殊配套设施而使车辆运营受阻，具有较好的市场前景。混 合动力汽车的技术路线也相对比较成熟、稳定，实施开发风险较小。重点是底盘 的匹配，发电机电动机和电池组的选择与配置。如果电池组能量相对较大的话， 重型汽车可以采用纯电动汽车和混合动力汽车技术叠加的路线方针，这将更范围 的适应国际市场。 1 2 国内外混合动力商用车的相关研究 从上个世纪7 0 年代开始，国内外就展开了混合汽车的研究。首先推出的混 合动力技术样车主要集中在轿车和客车上【4 】，随着各方面技术的逐渐发展和成 熟，混合动力技术在商用车上的应用也越来越多。国内外有很多商用混合动力车 已经推出样车并实现了产业化。国外的商用车混合动力技术的研究和发展主要集 中在欧美和日本等汽车水平发展比较高的企业。而国内研究混合动力商用车的主 要是国内各大汽车公司和部分学校。 1 2 1 国内混合动力商用车的发展状况 自从上世界9 0 年代开始，我国就将汽车产业的发展重点放在了新能源汽车 上【5 1 。除了在开发燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动和大功率气体发动机等 方面取得了阶段性的成果以外，目前国内各大公司也相继推出了商用混合动力 车。 福田汽车公司从2 0 0 3 年起，先后建成了新能源汽车技术中心、节能减排重 点试验室等专业研发设计中心，并把“新能源的研发与应用 作为企业发展的核 心战略，成立了国内首个新能源汽车基地北京新能源汽车设计制造产业基 地，并于2 0 0 9 年3 月发起成立了中国第一家新能源汽车产业联盟。福田公司新 能源技术的的设计制造中心包括：混合动力技术设计中心、纯电动设计中心、氢 燃料设技中心和高效节能发动机设计制造中心。自福田公司的新能源车载2 0 0 8 年的奥运会上亮相以后，福田新能源的产品普及混合动力客车、纯电动客车、纯 电动环卫车、纯电动出租车等。福田汽车以身作则，应用全新科技，积极研发在 新能源领域低碳、环保的动力产品并应用到整车生产，为中国乃至世界其它国家 和地区带来品质卓越的新能源产品。 截至目前，福田汽车已经形成了涵盖欧v 纯电动客车、欧马可纯电动环卫 车( 见图1 1 ) 、迷迪电动出租车、欧v 混合动力客车在内的国内最齐全的新能 源汽车阵营。其中，欧v 混合动力客车已在广州、北京、台湾得到广泛应用。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 欧马可纯电动环卫车 在2 0 1 1 年，国内各大汽车公司在上海车展上更是相继展出各种混合动力商 用车。4 月1 9 日，中国一汽集团在第1 4 届上海国际车展上展出了1 1 款商用车 和纯电动城市客车、j 6 l 混合动力底盘等新能源商用车及相关技术。同时，在新 能源汽车技术方面，中国一汽坚持“技术上可能、经济上可行、环境上可容的 发展原则，充分发挥央企电动车联盟秘书长单位作用，坚持混合动力和电动汽车 两条腿走路。“十二五 期间，一汽将在新能源汽车产品开发、能力建设、生产 准备等方面投资9 8 亿元，打造乘用车纯电动平台、混合动力平台、插电式混合 动力平台和商用车纯电动平台、混合动力平台等8 个新能源汽车产品平台，共计 开发1 3 款新能源乘用车和3 款新能源商用车，实现新能源汽车的商品化、规模 化发展。为此，中国一汽将新能源汽车商品划分为两个阶段：第一阶段，到“十 二五”中期，结合国家新能源汽车私人购车试点、十城千辆等鼓励政策，加快纯 电动、插电式、深度混合动力技术的用户使用试验，推进商品化进程。建立一汽 新能源汽车技术平台和核心零部件供应商体系，建立关键技术标准体系，掌握关 键总成、部件的制造技术。第二阶段，到“十二五 末期，按照商品化模式，建 立起适应新能源汽车生产、销售及售后服务的运营体系，使新能源汽车在性能价 格上，力争具备与跨国公司同类产品竞争的实力。形成采用纯电动、插电式混合 动力、深度混合动力等技术，覆盖从a 0 0 级到c 级的新能源汽车商品体系。 作为中国最大的中重卡制造商东风商用车公司，则推出七款主力车型：天锦 快速物流运输车、天锦4 x 4 平头全驱油田车、符合欧洲欧v 法规天锦车、匹配 8 武汉理工大学硕士学位论文 d f l 4 s a m t 天龙重型牵引车、天龙6 x 4 大马力牵引车、天龙长头牵引车、大力 神x 36 x 4 重型工程车。还包括完全自主开发的东风l n g 发动机、东风4 h 发动 机和东风a m t 变速箱等核心总成。东风商用车公司立足自身产品的经济性 ( e c o n o m y ) 、生态性( e c o l o g y ) 和卓越性能，推出“e c ol i v e 理念，切实践行低 碳环保、绿色可回收和经济节能，凸显出行业领导品牌的社会责任感和企业价值 观。同时，在产品制造上积极应用混合动力、轻量化、能量回收技术，全方位提 升主力车型的生态性和经济性，提升燃油利用率，降低汽车对生态环境的影响。 这些体现“e c ol i v e 特征的天龙和天锦系列产品，从外观上看没有多大变化， 但都实现了技术升级，在节能、安全、环保，以及专业化水平等方面都具备了与 国际品牌同场竞争的能力。 广汽的h y b r i d 中重度混合动力四驱传祺和轮毂电机纯电传祺概念车将分 别在今年年底和明年下线。传祺h y b r i d 是广汽研究院基于传祺平台，自主创新 研发的国内首辆中重度混合动力四驱轿车。该车在传祺平台的基础上增加 i s g ( i m e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ) 集成一体式启动发电机及永磁同步后驱电机系 统，并采用了锂动力电池系统。经济性好，动力强劲，具有更好的操纵稳定性和 平顺性。该车可以实现发动机工作区优化、快速起停、制动能量回收、纯电动行 驶等功能，并兼具两驱和四驱的模式，综合油耗比传统车型降低2 5 - 3 0 。纯电 传祺同样基于传祺平台研发，采用世界领先水平的新型轮毂电机驱动系统和锂电 动力，每个轮毂电机有8 个子电机和子控制系统，全部集成在轮毂内，重量轻、 扭矩大、结构紧凑，两个轮毂电机的峰值功率为1 6 6 千瓦，峰值扭矩1 6 5 0 牛米。 整车动力强劲，实现零排放，续驶里程长，并保持了传祺宽敞的驾乘空间与行李 箱容积不变。 1 2 2 国外混合动力商用车的发展状况 欧美日等汽车产业发达国家政府和世界上的主要汽车制造公司的关注重点 在于汽车能源多元化和汽车动力电气化，并根据各自本身的条件，选择了不同的 技术路线。美国通用公司全面开展世界上汽车新能源技术发展所遵循的路线有如 下【6 】：( 1 ) 以节能、替代石油为基本出发点的新型和低碳燃料汽车。目前，替代 能源汽车燃料主要有：天然气、液化石油气、醇类燃料等。( 2 ) 以高效、环保为 核心支点的混合动力汽车。( 3 ) 以电能为能量源的汽车，在使用过程中c o ：排放 量为零的纯电动汽车。( 4 ) 以氢气为燃料，排放物只有水，c o ：的排放量为零的 氢燃料电池汽车。 早在1 9 9 4 年，沃尔沃公司就展示了第一款混合动力概念车，称为e c t ( 环保 概念卡车) 。它由燃气涡轮机和电动发动机联合提供动力。现在，v o l v ob 5 l 混 9 武汉理工大学硕士学位论文 合动力双层公共汽车已经在伦敦投入使用，在工作强度不变的情况下，能节省 3 5 的燃料消耗。2 0 0 6 年3 月，沃尔沃集团推出第一款采用混合动力解决方案 的重型卡车示范车。2 0 0 8 年，沃尔沃集团领先于同业展示了用于客车、卡车和 建筑设备的第四代混合动力解决方案，沃尔沃卡车公司展出了首款重型混合动力 垃圾车- 、b l v 0 f eh y b r i d 。该车于当年4 月首次亮相，曾在瑞典经过两家垃 圾收集公司的测试，可节省燃料2 0 并减少二氧化碳排放量。现场工作人员说， 混合动力垃圾车使用电动机驱动时完全没有尾气排放和噪声。这对垃圾车来说很 重要，因为它们通常一大早就在建筑密集的区域工作。今年3 月，沃尔沃集团开 始在欧洲批量销售重型混合动力卡车v o l v of eh y b r i d ( 见图l 一2 ) ，可节省燃油 高达3 0 。 图1 2v o l v of eh y b r i d 的动力结构布置图 在图1 2 中，1 为d 7 柴油机；2 为离合器；3 为i - s a m 电机；4 为变速箱； 5 能量管理系统；6 为电池组；7 为能量转换器( 变频器) 。 国际上近年来在大功率新能源汽车上有很大的进展。戴姆勒公司将混合动力 广泛应用于城市客车、专用汽车和卡车，其整合了欧亚美的技术资源，采用梅赛 德斯柴油机技术和三菱扶桑、福来那的混合动力技术，开发了c a n t e r ( 见图1 - 3 ) 和a t e g o 车，例如采用高空作业车，厢式货车( 总质量2 1 t ) 和包裹配送车等专 用汽车。2 0 0 9 年改进后的新型c i t a r ogh y b r i d 混合动力客车将在2 0 1 0 年开始商 业销售。2 0 0 9 年7 月欧洲第一辆由斯堪尼亚公司开发的乙醇燃料汽车首次上路， 它可以代替汽油和柴油汽车，达到节能和环保的目的。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3 混合动力卡车c a n t e r 2 0 11 年4 月的上海车展上，作为汽车零配件技术领导者，在绿色汽车领域， 德尔福在新能源汽车开发、提高传统汽油、柴油发动机的效能和减排技术、汽车 零配件系统轻量化等领域都走在业界前列。德尔福在混合动力汽车及电动汽车领 域研发的一系列产品及解决方案，包括电子动力系统、电动汽车充电器接口、针 对电动汽车高压环境开发的系列电子电气架构解决方案( 如高压线束、屏蔽式 连接器、混合动力车中央电器盒等) ，以及德尔福业内领先的汽油、柴油发动机 管理解决方案( 如汽油直喷系统、重型柴油共轨系统等) 。新冷媒汽车空调及专 为混合动力汽车及电动汽车开发的汽车空调系统及电池冷却系统等。 在2 0 1 0 年的海世博会期间，通用汽车曾向全世界展示第一代e n v ( 见图 1 4 ) ，双人座e n v 电动联网车的设计初衷是在保持合理价位的前提下，解决未 来城市交通堵塞、停车难以及空气污染的问题。e n v 由锂电池驱动，完全实现 零油耗、零排放。通过整合全球定位系统( g p s ) 、车对车交流技术、无线通信及 远程感应技术，e n v 实现了手动驾驶和自动驾驶的兼容。这些具有前瞻性的技 术加之e n v 小巧的体积让这辆智能车具有更灵活的操控性和更高的安全性，在 有限的空间内尤其能够显现其便利性的优势。 图1 - 4 通用公司的第一代e n v 综上所述，新能源汽车的主要类型见表1 1 。 表1 1 新能源汽车的主要类型及动力川 类别发动机燃料或动力源 主要成分为甲烷的压缩天然 压缩天然气汽车( c n g v ) 气 液化天然气汽车( l n g v ) 主要成分为甲烷的液化天然 气体燃料汽车 气 主要成分为甲烷和丁烷的液 液化石油气汽车( l p g v ) 化石油气 氢气燃料汽车燃料为氢气 甲醇汽车甲醇：源自煤和天然气 含氧燃料汽车乙醇汽车乙醇或乙醇和柴油混合 二甲基乙醚汽车( d m e )来自甲醇的二甲基乙醚 以植物油或以植物油作添加 再生能源汽车生物柴油汽车 剂的柴油 电池电动汽车以循环放电的电池为动力源 电动汽车 以直接转化燃料化学能为电 燃料电动汽车 池电能的装置作为动力源 油电混合汽车在热能和电能之间转化动力 混合动力汽车 气电混合汽车在气体燃料和油类燃料之间 转化动力 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 新能源汽车中的混合动力电动汽车( i - m y , b y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 是内燃机式 车辆和电动车辆的结合体，是一种由传统内燃机式汽车向纯电动汽车“过渡”的 车辆类型。它保留了传统的内燃机驱动系统，同时增加了电动机驱动系统，形成 其特殊的驱动系统，所以混合动力电动汽车综合了内燃机车和电动车的优点【8 】。 无疑，混合动力汽车成为新能源汽车的重要的选择之一【9 j 。和内燃机式汽车与电 动汽车相比，混合动力汽车所具有的优点见表1 2 。 表1 2 混合动力电动汽车所具有的显著优势 3 本文研究的主要内容 本文是以陕西重汽的一款重型商用车为原型，对其动力系统进行重新设计并 改造成重型商用混合动力车。在对混合动力商用汽车的发展及相关技术作了一定 的调查研究的基础上，围绕混合动力重型商用车动力驱动系统的设计匹配与整车 控制策略展开研究。原则是在满足和原型车动力性相当的基础上使燃油经济性最 大化，同时改善排放指标。本文主要进行以下几个方面问题的研究： ( 1 ) 归纳重型商用混合动力汽车现有的动力传动结构方案，并比较各方案 优缺点，在分析影响重型商用混合动力车动力系统结构方案因素的基础上，最终 本文中重型商用混合动力车的驱动系统布置方案。分析比较仿真软件中的各种控 制策略，并确定仿真过程中所选用的整车控制策略。 ( 2 ) 分析重型商用混合动力车的动力系统中发动机、电动机发电机、动力 电池组等关键部件的使用特性，并对其进行选型，同时确定变速器的型式。依据 整车控制策略，在选定车辆运行工况的基础上，以动力性指标为设计目标，运用 汽车理论及汽车设计的相关计算公式对重型商用混合动力车的动力系统各部件 的参数进行初步设计匹配，同时确定传动系统的传动比。 ( 4 ) 根据上述动力系统的主要部件的工作特性，分别在其数学模型的基础 上建立相应的s i m u l i n k 仿真模型，同时利用a d v i s o r 2 0 0 2 中自带的整车和 控制策略的s i m u l i n k 仿真模型对仿真计算所需要的数据进行处理，使得其转 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 化为仿真软件a d v i s o r 2 0 0 2 可以识别的数据类型。 ( 5 ) 以车辆的性能指标( 经济性和动力性) 为设计目标，应用已经建立的 仿真模型，通过仿真的手段，对初步设计匹配的方案进行优化。比较动力系统关 键部件对车辆燃油经济性和动力性的影响程度，优选一组性能最佳的方案，并且 与原车进行比较。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力重型商用车的动力系统结构类型和 控制策略 2 1 混合动力汽车动力系统的结构类型 2 1 1 混合动力汽车动力系统的结构类型分类 混合动力车动力系统结构根据其不同的布置形式可以分为：串联式( s e r i e s ) 、 并联式( p a r a l l e l ) 、混联式( s e r i e s p a r a l l e l ) 等几种【1 0 a i a 2 1 ( 1 ) 串联混合动力汽车驱动系统 串联混合动力汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i c ，s h e ) 是由内燃机、发电机、驱 动电动机三大部件组成车辆的动力总成，且这三大部件以串联的形式组成车辆的 驱动系统，其传动系统的结构布置如图2 1 ( 图中实线代表机械连接，虚线代表 电力连接) 图2 1 串联式h e v 传动系统的结构图 从上图中的布置可以看出，发动机直接和发电机连接，而和驱动电机直接没 有连接。所以，串联式的动力源只有驱动电机，而发动机在其中的作用是向发电 机输送电能，以补充驱动电机驱动力的不足，所以发动机基本工作在高效率区和 低排放区。在车辆行驶过程中，根据驱动电动机提供给汽车行驶的功率来进行电 机和动力电池之间的能量转换，驱动电机提供的能量有富余时，其能量流向动力 电池，；当车辆处于制动状态时，制动能量被用于动力电池组的充电。 串联式的不足主要有：由于其能量源为驱动电动机和动力电池组，因此要 求较大功率的驱动电机和较大容量的动力电池组，同时要求发动机的参数也较 大，这样的话，其能量源和动力源的部件质量都相对比较大，很难布置，但较适 ， 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 合用于大客车。在热能、电能和机械能的转换过程中，能量损失较大，在动力 电池组的充放电过程中也存在能量损耗，能量转换总的综合效率低。发动机、 驱动电机和动力电池之间的动力匹配要求较严格。 ( 2 ) 并联混合动力汽车驱动系统 并联混合动力汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c ，p h e ) 的动力系统包括发动机、 电动机、动力电池组以及电机控制器等。它区别于串联式的一个主要特点是，发 动机和电动机是以机械能叠加的方式来驱动汽车，可以组合成不同的动力模式。 发动机功率和电动机功率分别约为电动汽车所需最大驱动功率的5 0 1 0 0 ( 最 大) ，其能量利用率高。 并联式由于具有两套相对独立的驱动系统：发动机驱动系统和电动机驱动系 统。因此，当车辆低速小功率运行时，只需要驱动电动机来驱动车辆行驶，发动 机此时可以关闭；当车辆中高速运行时，只需要发动机来驱动车辆行驶，此时， 当发动机能量有富余时，还可以为电池和驱动电动机充电；当车辆高速或者加速 运行时，需要发动机和驱动电机共同充当动力源驱动车辆行驶。 并联式的主要不足：与串联式相比，其排放的有害气体较多；与传统车 辆相比，其增加了驱动电机和动力电池组等，增加了布置和控制的难度。 混合动力汽车按传动系统联合方式的不同，可分为单轴结构与双轴结构。单 轴结构根据离合器位置的不同，如图2 2 所示；双轴结构如图2 3 所示( 图中实 线代表机械连接，虚线代表电力连接) 。 图2 2 单轴并联式布置结构 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 双轴并联式布置结构 ( 3 ) 混联式混合动力汽车驱动系统 混联混合动力汽车( p a r a l l e l - s e r i e sh y b r i de l e c t r i c ，p s h e ) 综合了s h e 和 p h e 的结构特点，既可以实现车载能源环节的联合，也可以实现传动系环节的 联合。其动力传动系结构见图2 4 ( 图中实线代表机械连接，虚线代表电力连接) 。 图2 4 混联式布置结构 p s h e 又称为串并联式混合动力，即它既可以在p h e 的模式下工作，也可以 在s h e 的模式下工作。如图2 - 4 中所示，当车辆工作在p h e 模式( 一般该模式 用于车辆高速行驶) 时，发动机提供的功率，一部分以机械能行驶输出用于驱动 车辆，另一部分转化为电能( 给动力电池组充电或者传给电动机) ；当车辆工作 在s h e 模式( 一般该模式用于车辆低速速行驶) 时，发动机输出的功率通过电 动机驱动车辆。 而混联式车辆的缺点：布置中需要两套动力系统，其中的发动机驱动系统 需要配置传动系统的很多零件；动力系统比较复杂，整车布置也相对比较困难， 需要增加进行功率分配的控制装置，提高了技术难点。 下面将串联式、并联式、混联式3 种混合动力模式的基本特点列表介绍( 见 表2 1 ) ： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 串联式、并联式、混联式混合动力系统的基本特性n 订 2 1 2 混合动力重型商用车动力系统技术方案的确定 通过上述对重型商用混合动力车的驱动系统布置的经济性、动力性、排放性、 技术成熟度和整车成本等因素的考量，本文中最后选择单轴并联式作为改造后的 混合动力商用车的驱动系统的动力结构。从图2 5 布置方案中我们可以看出，在 传动系统中，只有一根动力输出轴，用于输出发动机和电动机的机械叠加转矩， 这样的结构特