（光学工程专业论文）串联与并联式混合动力城市客车的性能对比研究.pdf

武汉理t 人学硕上学位论文 摘要 环境污染与石油资源匮乏已成为制约汽车工业可持续发展的两大难题。合理 的系统结构和优化的控制算法能够使混合动力系统部件在更高效区域运行，加 之制动能量回馈的功能，混合动力汽车不仅能有效降低燃油消耗，而且尾气排 放能得到突破性改善。因此，研究混合动力汽车( h e v , h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ， 将是解决这两大难题的有效途径【lj 。 城市公共客车具有固定道路行驶，固定时间运行，相对稳定的行车特性，是 混合动力系统发挥其优势的最佳平台，甚至可以根据具体情况制定“一线一车” 的整车控制策略，使整车油耗和排放达到最优。研究表吲2 1 ，我国混合动力汽车 实现大批量产业化的突破口在于混合动力电动客车( h y b r i de l e c t r i cb u s ，简称 h e b ) 。 本文在对轻度混合型、功率混合型和能量混合犁混合动力汽车进行综合分 析的基础上，对h e b 的混合度进行分析，对发动机和电池进行功率匹配。在简 要分析h e b 的结构型式和功能模式的同时，针对选用的动力传动系方案，以节 能和环保为主要目标，进行h e b 的参数设定。 同时，对“油一电”混合动力大客车进行了深入研究，分析了串联与并联式 混合动力汽车的结构，并对各自的控制策略进行分析，为后面进行仿真的参数 和整车控制策略提供设计基础。借助美国国家可更新能源实验室开发的汽车仿 真软件a d v i s o r ，建立了串联式混合动力电动客车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cb u s ， 简称s h e b ) 和并联式混合动力电动客车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cb u s ，简称 p h e b ) 动力系统的关键部件模型，调用a d v i s o r 内嵌的部分数据库，导入控 制策略后进行仿真分析。 最后，通过对比分析s h e b 与p h e b 的仿真参数图，对s h e b 和p h e b 的 燃油经济性、整车控制、整车动力性和各主要部件的效率进行比较分析，得出 的具体结论：整个设计、建模和仿真基本达到预期设计目标。 关键词：混合动力客车( h e b ) ，a d v i s o r ，控制策略，电池寿命，混合度，性 能对比，仿真 武汉理t 人学硕十：学位论文 a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dd e f i c i e n c yo fp e t r o l e u mr e s o u r c e sh a v eb e e n t h et w os e r i o u sp r o b l e m sa g a i n s tt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v e i n d u s t r y u s i n gt h er e a s o n a b l es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mo p t i m i z e s w o r ka r e a a n dr e a l i z e st h ef u n c t i o no fr e g e n e r a t i v eb r a k i n g ；h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) c a na c h i e v et h el o wo i lc o n s u m p t i o na n dt h ei m p r o v e de m i s s i o n s oh e v h a s b e e na c c e p t e dw o r l d w i d e l ya so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gm e t h o dt os o l v et h et w o s e r i o u sp r o b l e m s t h ec i t yb u s e sa r ef i x e dt r a v e l i n gl i n e ，r e g ul a rr u n n i n gt i m ea n ds t e a d yd r i v i n g f e a t u r e s ，a n dh y b r i de l e c t r i cc i t yb u s ( h e c b ) c a nu s ei t sa d v a n t a g e s ，w h a t sm o r e ， w ec a ng i v et h ec o n c e p to f o n er o u t eo n eb u s ”，a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a rt r a v e l i n g l i n e t h e n ，w ec a l lg a i nt h el o w e s te m i s s i o no fe x h a u s tg a sa n dt h eb e s tv e h i c l e e f f i c i e n c y a l ls h o w st h a tt h eb a t c hp r o c e s s i n go ft h eh e v l i e si nh e c ba c c o r d i n gt o o u rn a t i o n a lc o n d i t i o n s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em il dh y b r i dv e h i c l e 、p o w e rh y b r i dv e h i c l ea n d e n e r g y h y b r i dv e h i c l e ，h y b r i d i z a t i o nr a t eo fh e b h a db e e na n a l y z e d w h i l eb r i e f l y a n a l y z i n gt h ec o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o no fh e b ，r e g a r d i n ge n e r g y - c o n s e r v a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na st h em a i ng o a l s ，t h es t y l es e l e c t i o n 、p a r a m e t e rd e s i g na n d m a t c h i n ga n a l y s e so f h e b sm a i np a r t sa r ec a r r i e do n t 1 1 i sp a p e rt a k e ss o m er e s e a r c h e so np r o d u c t i v eh e c bb a s e do n “f u e l - e l e c t r i c ” h e v , a n a l y z e st h es t r u c t u r eo fs e r i e sa n dp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，a n dm a k e s c o m p a r e dr e s e a r c ho ne a c hc o n t r o ls t r a t e g y i tp r o v i d e sa l la c a d e m i cb a s i cf o rh e v d e s i g n a u t o m o b i l es i m u l a t i o ns o f t w a r ea d v i s o ri sd e v e l o p e db yu sn a t i o n a l r e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y , b yw h i c hw ee s t a b l i s hm o d e l so fk e yp a r t so fs h e b a n dp h e b ，c a l ls o m eb u i l t - i nd a t ab a n ko fa d v i s o r , w em a k es i m u l a t i o na n a l y s e s a f t e rd e v e l o pt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s f i n a l l y , w ed r a wac o n c l u s i o nt h r o u g hac o m p a r i s o na n da n a l y s e so ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，f u e le c o n o m y , v e h i c l ec o n t r o l i n g ，v e h i c l ep o w e ra n de f f i c i e n c yo f m a i np a r t so fh e v t h ew h o l e d e s i g n ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nh a v er e a c h e dt h e a n t i c i p a t e dd e s i g no b j e c t k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cb u s ( h e b ) ，a d v i s o rc o n t r o ls t r a t e g y , b a t t e r y sl i f e ， h y b r i d i z a t i o nr a t e ，f u n c t i o nc o n t r a s t ，s i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 研究生签名：二边 关于论文使用授权的说明 日期删，f 甲 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 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：兹缸导师签名： 日期! 吕! ：! 尹 武汉理t 大学硕j ：学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 环境问题：汽车造成的污染f 1 益严重，大气环境污染中有一半以上的污染 直接来源于汽车排放的尾气p 】。以我国为例，2 0 0 0 年一氧化碳排放量达到了 3 0 0 0 万吨，氮氧化物排放量也达到了3 8 0 ) - j - 吨。在北京、上海、广州等大城 市的市区，汽车的尾气排放已成为c o ( 一氧化碳) 、n o 、( 氮氧化物) 、h e ( 碳氧化 合物) 的第一大污染源。据国家环保局分析，2 0 0 5 年我国机动车尾气排放在城市 大气污染中的分担率就达到7 9 1 4 j 。 节能与环保是现代社会的重要任务，设计和生产节能汽车是未来汽车产业 的发展趋势。纯电动汽车从上世纪7 0 年代开始研究，由于受限于电池技术，其 发展不够理想。混合动力电动汽车( h e v ) 将两套系统( 电池电机内燃机) 安装 在一台汽车上，即利用了燃料发动机持续工作时间长、动力性好的特点，又利 用纯电动汽车的无污染、低噪声的优点。与传统汽车相比，可节约燃油3 0 左右， 排放减少3 0 以上。 在我国，大客车是城市空气的重大污染源，混合动力大客车( h e b ) 的研制 与生产具有重要意义。目前，很多人在进行混合动力电动汽车的研究，设计出 多种结构的混合动力电动汽车。h e v 分为串联、并联和混联三种类，对混合动力 大客车来说，目前以串联和并联模式居多。串联式混合动力汽车( s h e v ) 控制 系统的控制理论和结构简单，发动机总是在最佳工况下工作，效率高，排放低： 并联式混合动力汽车( p h e v ) 的两套动力装置，可单独或同时驱动车轮，效率 高，节能优势大。两种结构各具优点，但具体那种模式更优，更节约能源，没 有得到具体的论证，因而对两种模式进行对比研究，得出具体的对比结论将具 有重要意义。 一般来说，串联与并联式混合动力大客车的动力系统和控制模式都不相同， 为了进行比较分析，本文将在同一设计平台、刚一设计基准下，以目前已经成 熟的设计理论为基础，分别优化设计串联混合动力大客车( s h e b ) 和并联式混 合动力大客车( p h e b ) ，建立结构模型，并基于a d v i s o r 对两种型式的混合动力 客车的进行仿真分析对比，得出具体结论。 1 2 串联与并联式混合动力大客车的研究现状及前景分析 1 2 1 国内外混合动力大客车的研究现状 许多研究机构( 包括政府) 都在进行混合动力汽车的研究，发达国家十分 重视对混合动力电动客车( h e b ) 的研究和应用，许多大公司也积极开发各自的混 合动力电动客车。 1 9 8 9 年日野( h i n o ) 公司开发了全球首例串联式柴一电混合驱动系统 h i m r 。目前装备该系统的汽车已超过3 0 0 辆，主要为在大城市行驶的客车和 公交客车。 19 9 7 年，韩国亚洲汽车公司( 州c ) 研发了韩国第一辆并联式柴油电动混 武汉理工人学硕1 二学位论文 合动力城市客车。 2 0 0 3 年，美国俄勒冈州的波特兰市，t r i m e t 公司开始将标准长度的串联式 混合动力客车投入运营。同年，美国西雅图市购买了2 3 5 辆装备有通用的a l l i s o n t r a n s m i s s i o n 开发的e p s y s t e m 并联式混合动力电动客车，并于2 0 0 4 、年6 月9 同 投入运营。 国内对h e b 的研究相对较晚，现在逐渐被重视起来。 2 0 0 3 年东风电动车辆股份有限公司自主研发并联式混合动力城市公交车 ( e q 6 1 1 0 h e v ) 。该车于2 0 0 5 年1 2 月用于新| 丌通的武汉5 9 9 路专线运营，并在 2 0 0 6 年通过国家产品公告，讵式进入汽车市场。 2 0 0 4 年底，由湘潭电机股份有限公司设计，具有完全自主知识产权的 x d 6 1 2 0 并联混合动力电动城市客车投入小批量生产，并于2 0 0 5 年6 月在长沙 进行电动汽车商业化示范运营。 世界各大汽车公司都在进行混合动力汽车的研究，并推出各自混合动力汽 车，有的采用串联式有的采用并联式，还有的将两者结合起来组成混联式。在 混合动力大客车方面，大多为串联式和并联式结构。目前有多种h e b 被设计出 来( 下表卜l 为困外混合动力公交客车车型表) ，但由于技术理论、生产成本及 维修保养技术的限制，无法得到广泛的应用。 是1 1t q 讳澎 i i 曲力盛空召十- 掣袅 监矗 造 1警 披杏 i q - 泉伊点 ( i r a h ) n e wf l y e ro e 4 0 l f产珏9 6 n o v a b u st r a n g t 产品 蹙煳8 8 h f n oh v b r m jc r u a s m g，鼬i t 年n 暇13 5 t o y o t ac o a s t e rh e y，出i i 巾甄 8 0 h t n oh y b r i dr o u t eb u s ，乩i 未 “i e ,8 0 o n o n h e vb u sf 6 品上1 日，硫争凡半娃1 0 0 i s et h u n d e o k t b3 0 h广品_ 砭巾双8 8 i s et h u n d e r v 0 1 tt b4 0 h产品免l qm 酸i2 2 i v e t o 2 m & l 仃o b u sh v b n d产品盎太弼串联6 2 亡6 m & l t r o b u sh b n d产砧nj 、 j6 0 m e c e d e s - b e n ：04 0 5n u hj 、出蘸l q7 5 e id or a d on a t 】o n a i忤：兜i qf “暖e 0 a 7 s 3 0t f 弛l hm 畈 8 8 ( h i 虹l a v 争3 5抒整m小畋 e a ( 越锰) d e n1 3 u d s t e nx 9 7 忤午曲：!i f i 殴8 0 o h 岫u n f i x e dn j f f n e f 4 0 一f o o t l佯t走l 珥书旺 h 1 1 1 0u n h x e dn a m e“| | 朱篮j f8 0 n i 蚴id l e s e l u m f t x e d ( u o , 1 a 4 6 0 lt r l i 本 巾峨7 0 e r e _ d e s - b e n zc 胁1缝 n o v a b u s - u n f i x e dr l a r n e t t 兜f q9 0 o l v m b u s ( d e s = f l n h n e )”璜j 、牵j 垭8 0 “s o nh v b n ds h u 衄eb u s滴1 1赶 q o m4 0 一f o o tr t s蕊小卫f q小娃 v a nh o o la 3 0 b h 滴1 1纯羁埘 f n 暇6 0 a p ss y s t e h y b n dt r a n s i t 鼬s 试验弛 qb o n a s at r a n s i ib u s 试硷 施搠堆联8 5 v o l v ob 0 l试验詹幽 a i ah e vb u s鹿人鞘巾旺 m e c e d e $ 一8 e n zo4 0 5g n o e佬i 埘 n e o p l a nm e t r o l l n er 缝l q 6 0 n e o p | a nn 4 1 2 1d e s缝i q s c a n r ad a b $ e r c e 吣s墙 t p ic o m p o q 恒h v o n db u s 置州 s e a tc k y b u st f l i 斑才8 0 2 武汉理t 大学硕i j 学位论文 1 2 2 混合动力电动大客车的前景分析 我国客车工业自2 0 世纪6 0 年代丌始起步，经历了改装、仿制、技术引进和 中外合资等阶段，发展到今天已颇具规模，分高、中、低档，大、中、轻型， 不仅满足围内用户需求，还丌始打入国际市场。根据历年客车生产企业的牛产、 销售统计数据，2 0 0 7 年我国大型客车生产、销售数量分别为：3 5 8 6 4 辆、3 5 7 3 6 辆。预计2 0 0 7 年以后，我国大型客车的年生产、销售数量都将超过4 万辆，其 中一半以上为城市客车。 随着我国国民经济的稳定增长，客车市场将有更大的发展空间。由于目前 我国大部分城市的公交客车正在大量进入更新报废阶段，随着各地政府部门对 市政设施建设的投资加大，城市公交客车的更新有了资会保证，另外城市公交 的经营出现国有经营、私人经营以及合资公司集团化经营的趋势，将进一步加 大城市客车的需求。 由于环保和能源的压力，混合动力城市客车的研究作为h e v 研究的一个重 要突破口。对于很成熟内燃机客车而言，混合动力客车还是一个很新鲜的事物， 其产业化还面临许多问题，问题的解决将推动混合动力城市客车的产业化。 由于汽车排放法规要求越来越严格，燃油价格的提高，混合动力电动汽车 技术的逐步提高，再加上政府对使用h e b 的公交运营企业提供优惠政策和油品 补贴，混合动力城市客车的产业化将成为必然趋判引。 1 3 串联与并联式混合动力大客车的技术参数和设计基准 本文所研究的h e b ，将选用目前客车市场上运营的1l 米城市公交客车作为 基础，其基本参数如表卜2 所示。整车性能开发指标如表1 - 3 所示。 表1 - 2 整车基本参数表 参量参数值 长( m m ) 1 1 0 0 0 宽( m m ) 2 4 9 0 高( m m ) 3 2 6 0 前悬( m m )2 3 5 0 尺寸参数 后悬( f i l m ) 3 0 5 0 轴距( i l l l i q ) 5 6 0 0 前轮距( m m ) 2 0 2 0 后轮距( i l l m )1 8 6 0 最小离地问隙( m ) o 2 l 最小转弯半径( m ) 1 l 接近角离去角( 。) 9 0 8 0 轴数 2 轮胎数 6 轮胎规格 1 0 0 0 r 2 0 底蒲犁号 e q 6 1 1 0 k r f 武汉理工人学硕i j 学位论文 钢板弹簧片数( 前后) 4 5 迎风由i 积 6 5 空气阻力系数 o 6 5 滚动阻力系数 0 0 12 主减速比 6 3 整备质量( k g ) 1 1 0 0 0 k g 总质量( k g ) 1 5 5 0 0 k g 燃料种类 柴油 额定载客( 含驾驶员) ( 人) 6 9 表1 - 3 混合动力客车整车性能开发指标 参量 参数值 最高车速度 8 0 k m h 0 6 0 k m h 加速时间 t 3 0 s 最大爬坡能力 2 5 4 坡度上持续爬坡速度 4 0 k m h 燃油经济性 油耗3 0 l 1 0 0 k m 以下 排放依据标准 g b 3 8 4 7 2 0 0 5 ，g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 续驶里程 5 0 0 k m 一档 7 0 3 四档 1 5 0 六档手动变速箱二档 4 0 9五档 1 0 速比三档 2 4 5 六档 0 8 1 倒档 6 4 8 1 4h e y 的动力传动系统设计，控制策略和仿真分析 1 4 1 混合动力电动大客车的动力和传动系统参数 1 ) 电机参数：电动汽车的驱动电机通常要求在低速或爬坡时提供大转矩， 高速行使时输出大功率，并且变速范围要大。需要确定的特性参数主要有3 个， 即额定功率p e 、过载功率p p c a k 和最大转矩t m a x 。 2 ) 发动机型号发电机：根据整车参数、性能要求及控制策略选择合适的 发动机和发电机。 3 ) 传动比：合理设计电动汽车的主减速比i o 和变速器传动比i g 。 4 ) 动力源参数：为了保证混合动力电动大客车具有良好的动力性和续驶里 程，需要动力源有高的比功率和比能量，然而目前的的电池技术很难满足要求， 因此必须对动力源的参数进行合理优化，达到最佳匹配。在设计的过程中，应 主要考查下面三个方面：汽车的续驶里程和加速时间，电池、发电机、整 车参数，三者间的正确匹配，再生制动。 4 武汉理t 大学硕l j 学位论文 1 4 2 混合动力电动大客车的控制策略 串联型混合动力汽车有两种基本的控制模式：恒温器控制模式和发动机跟 踪器控制模式。 并联式混合动力汽车的控制较复杂，通常需要进行优化。一般的控制方法 是依据电池的s o c 、驾驶员的加速踏板位置、车速和需求功率等，按照一定的规 则调整发动机和电动机的输出转矩( 或功率) ，以满足驱动力矩的要求，具体控制 方法有： 以车速为主要参数的控制策略 以功率为主要参数的控制策略 采用优化技术的控制策略 以成本和燃油经济性为目标的控制策略 1 4 3a d v i s o r 仿真技术 a d v i s o r 是美国国家可更新能源实验室1 9 9 8 年推出的汽车模拟软件。 它是在m a t l a b s i m u l i n k 环境下集成的、由一系列模型、数据文件和脚本文 件构成的软件包。a d v i s o r 充分利用s i m u l i n k 建模的灵活性和m a t l a b 强 大的分析功能，可用于快速预测分析传统汽车、纯电动汽车以及混合动力汽车 的动力性能、燃油经济性能及排放性能。a d v i s o r 具有的功能如下： 1 ) 估算汽车在特定工况下的燃油经济性： 2 ) 考查汽车( 包括传统汽车、混合动力汽车和电动汽车) 驱动链之间如何 工作； 3 ) 比较汽车在各种循环工况下的燃油消耗与排放； 4 ) 评价混合动力汽车控制逻辑，可以进行控制参数优化匹配； 5 ) 以燃油经济性或最大动力性为优化目标来设计汽车。 通过a d v i s o r 仿真时，把汽车速度作为输入条件，然后确定达到该输入 车速下的传动系的转矩、转速和功率，此过程的信息流是先后经轮胎、后桥、 传动轴、齿轮箱流至整个传动系，这是一反向过程，因此a d v i s o r 也被称为 反向汽车模拟软件。 a d v i s o r 中大部分部件模型是以设计经验和部件的测试数据为基础设定 的，另外，a d v i s o r 中部件的模型是准静态的，即建模时使用的是稳态的试 验数据，在考虑瞬态效应的基础上对上述数据进行一些校正。 1 5 本课题研究的主要内容