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串联式混合动力电动汽车动力系统参数匹配与整车性能仿真 摘要 现在新能源汽车成为汽车行业的主要发展方向，新能源汽车研究方向包括 混合动力汽车( h e v ) 、纯电动汽车( e v ) 和燃料电池汽车( f c v ) 三大块，在这三 大主要发展方向中，混合动力汽车是传统内燃机汽车向纯电动汽车过渡的中间 形式。其主要特点是，混合动力汽车在车辆的尾气排放性和燃油经济性上均优 于传统内燃机汽车，而在动力性能和行驶里程方面又强于电动车，可以说其集 传统车和电动车的优点于一身。最近几年，特别是在欧美发达国家，将混合动 力电动车改装为插电式混合动力电动车成为混合动力电动车发展的主要方向， 通过采用插电式这一技术，使得混合动力车在燃油消耗量和环境保护方面比单 纯的混合动力车又向前迈出了一大步。 本文以国产某微型车为研究对象，全面的分析了该类微型车的使用特点， 并充分考虑到可外接插电的这一因素，为该型车的改装选择合适的混合动力结 构形式；通过对车辆的整体结构的分析和对车辆参数的选取，运用汽车理论的 相关知识对车辆动力系统的总成参数进行计算；根据计算所得到得结果，在仿 真环境下，运用仿真软件a d v i s o r 对车辆的各个动力总成的参数进行仿真实验， 依据仿真所得到的结果进行认真分析研究。最后通过样车在符合国家相关标准 道路上进行整车道路试验，与前面计算所得到的结果进行对比、分析，以此来 验证上面计算结果的合理性。 关键词：串联式混合动力汽车；动力参数匹配；a d v i s o r 仿真；道路试验 p a r a m e t e r s m a t c h i n gf o rs e r i e sh y b r i de l e c t r i c p o w e r - t r a i ns y s t e ma n ds i m u l a t i o nf o rv e h i c l e p e r f o r m a n c e a b s t r a c t n o wn e we n e r g yv e h i c l e sh a v eb e c o m em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fa u t o i n d u s t r y , a n dt h en e we n e r g yv e h i c l er e s e a r c hd i r e c t i o ni n c l u d e dh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e s ( h e v ) ，p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) a n df u e lc e l lc a r s ( f c v ) ，o ft h i st h r e e m a i nd i r e c t i o n ，h y b r i de l e c t r i cc a r si st h et r a n s i t i o n a lf o r mt h a tf r o mt h et r a d i t i o n a l i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n et ot h ep u r ee l e c t r i cc a r s ，i t sm a i nc h a r a c t e r i s t i ci st h a t h y b r i de l e c t r i cc a r sa r eb e t t e rt h a nt 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 e v e h i c l e si nv e h i c l ee m i s s i o na n df u e le c o n o m y , b e s i d e si nd y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dv e h i c l em i l e a g ei sb e t t e rt h a np u r ee l e c t r i cc a r ，s oi tc a nb es a i dt h a ti ti st h e c o l l e c t i o no ft r a d i t i o n a lv e h i c l e sa n dt h ee l e c t r i cc a r i nr e c e n ty e a r s ，e s p e c i a l l yi n t h e d e v e l o p e de u r o p e a nc o u n t r i e s ，c h a n g i n gt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e si n t o p l u g - i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei st h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，t h r o u g h u s e d o f p l u g i nt e c h n o l o g y ，t h e f u e l c o n s u m p t i o n a n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o no fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sh a v eb e e nt a k e nab i gs t e p f o r w a r d i nt h i sp a p e r ，ad o m e s t i cm i n i c a ri ss t u d i e d ；ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fs u c hm i n i - c a ri sd o n e ，b e s i d e st a k i n gi n t op l u g i na c c o u n t i n o r d e rt oc h a n g et h i st y p eo fc a ri n t ot h ea p p r o p r i a t em o d i f i c a t i o nh y b r i ds t r u c t u r e f o r ma n ds e l e c tt h ea p p r o p r i a t em o d i f i c a t i o n sf o rt h ec a r s h y b r i ds t r u c t u r e b y a n a l y s i so ft h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h ev e h i c l ea n ds e l e c t i o no fv e h i c l e sp a r a m e t e r s ， u s i n gt h ev e h i c l et h e o r y , t h ep a r a m e t e r so fp o w e r - t r a i ni sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，w eh a v em a d eas i m u l a t i o ne x p e r i m e n tf o r p o w e r t r a i n p a r a m e t e r si nt h ea d v i s o rs i m u l a t i o ns o f t w a r ee n v i r o n m e n t f i n a l l yt h r o u g hak i n d o fr o a dt e s to nt h er o a di nl i n ew i t hn a t i o n a ls t a n d a r d sf o rr o a dd r i v i n gc y c l et e s t c o m p a r e dt h er e s u l t sw i t ht h ep r e v i o u sc a l c u l a t i o n ，i no r d e rt ov e r i f yt h ea b o v e r e s u l t sa r er e a s o n a b l e k e y w o r d s ：s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；d y n a m i cp a r a m e t e r so ft h em a t c h ； a d v i s o rs i m u l a t i o n ；r o a dt e s t 致谢 本项研究及学位论文的写作是在我的导师方锡邦教授和唐永琪老师的亲切 关怀和悉心指导下完成的。非常感恩两位敬爱的老师，在学习和生活上都对我 非常的关照，两位恩师渊博的学术知识，严谨求实的治学态度和工作作风，深 深地感染和激励着我，是我以后工作和学习的榜样。本论文的选取是根据唐老 师电动车的项目来选取的，在课题的选择过程中，方老师和唐老师都是反复斟 酌和考量后才确定的，此中包含了两位老师对我的细心指导和不懈支持。尤其 是唐老师和蔼的性格，对学生，对他人的诚恳让我敬佩不已! 在这一年毕业论 文的写作过程中，老师们不仅在学业上给予我以精心指导，同时还在思想、生 活上给我以无微不至的关心，所以在此谨向方老师和唐老师致以诚挚的谢意和 崇高的敬意。 本论文的完成也离不开我们同门师兄弟的帮助，他们在学习上给我以许多 鼓励和帮助，感谢师兄吴哲、李大伟及师姐王方和徐桂勇，胡帅、周炜东他们 给予我热情的帮助，回想这一年来论文写作的点点滴滴，虽有艰辛但也体会到 论文写作完成的成功喜悦感，对于我以后的学习可以说打下了一个非常坚实的 基础。 特别感谢父母和姐姐们在我求学这么多年的生涯中给予我无微不至的关怀 和照顾，一如既往地支持我、鼓励我。做人应当知道感恩，尤其是应该知道要 报父母恩，父母恩情深似海。以后我每走一步都有他们在背后默默地支持我， 我也将在以后的工作和生活中回报我亲爱的父母，回报我敬爱的老师，回报大 众。 插图清单 图1 1 我国汽车保有量预测表1 图l 一2 新一代p r i u s 混合动力车3 图1 3 本田i n s i g h t 混合动力车3 图1 4 土星a u r a 混合动力车4 图1 5 福特c m a x 混合动力车4 图l 一6 宝马新3 混合动力车5 图1 7 奥迪q 5 混合动力车5 图1 8“十五”国家8 6 3 电动车“三纵三横”研发布局6 图1 9 一汽奔腾b 7 0 h e v 7 图1 1 0 江淮和悦h e v 7 图2 一l串联型h e v 结构图l1 图2 2 并联型h e v 结构图1 2 图2 3 混联型h e v 结构图1 4 图2 4p l u g i n 型h e v 结构图1 6 图2 5 插电串联型h e v 电驱动系统1 9 图3 1 混合动力电动车驱动电机类型2 1 图3 2 最高车速功率平衡图2 4 图3 3 不同坡度下的功率平衡图2 5 图3 4 加速时的功率平衡图2 6 图3 6 负载功率结构图3 2 图4 1 整车模型图3 8 图4 2 整车功率流图3 8 图4 3 驱动电机m a p 图3 9 图4 4 驱动电机模型图3 9 图4 5 动力电池模型图一4 1 图4 6 辅助发动机模型图一4 2 图4 7 发电机模型图4 3 图4 8 变速器模型图一4 3 图4 9a d v i s o r 仿真输入界面4 4 图4 1 0 汽车仿真参数输入窗口4 5 图4 1 l 加速性能仿真设置一4 6 图4 1 2 爬坡性能仿真设置r 4 6 图4 1 3 仿真结果界面一4 7 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图4 1 7 图4 18 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图5 1 图5 2 图5 3 不同载荷且不同车速情况下的行驶里程( k m ) 4 8 e c e e u d c 工况电池s o c 图4 9 e c e e u d c 工况电流图一5 0 e c e e u d c 工况驱动电机功率图5 0 u d d s 工况速度图5 0 u d d s 工况电池s o c 图一5 0 u d d s 工况电流图一5 l u d d s 工况驱动电机功率图5l 试验样车电驱动台架5 3 驱动电机控制器5 3 微型增程式试验样车5 4 表1 1 表2 一l 表2 2 表2 3 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表3 8 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表格清单 新能源汽车与传统汽车的对比一8 三种h e v 的特点比较1 5 整车性能参数1 7 混合动力微型车性能开发指标1 8 几款驱动电机的性能和特点2 1 增程式微型电动车设计参数2 6 功率需求计算值2 7 驱动电机性能指标参数2 8 三种蓄电池各自的特点2 9 动力电池参数31 传动系参数3 5 增程式微型混合动力车动力系统参数表3 6 驱动电机模型输入参数4 0 动力电池模型输入参数4 1 变速器模型输入参数4 3 不同载荷不同车速情况下的行驶里程( k m ) 4 8 电池容量不变且速度变化情况下的行驶里程4 9 e c e e u d c 和u d d s 工况4 9 最高车速试验数据表5 5 试验车仿真最高车速和实际最高车速比较一5 5 加速性能试验数据表5 6 试验车仿真加速时间和实际加速时间比较5 6 不同坡道下的装载质量一5 7 不同坡道下的最高车速一5 7 纯电动模式下行驶里程数据表5 7 第一章绪论 1 1引言 自世界上第一辆汽车于1 8 8 6 诞生于德国至今已有百余年的历史。如今，全 世界汽车保有量达到6 7 亿辆，汽车已与人们的日常生活和工作紧密联系在一 起。然而，伴随着汽车数量的增加，众多内燃机汽车( i c e v ) 排放所造成空气 质量的日益恶化和石油资源的渐趋匾乏，使整个汽车行业面临严峻的考验。随 着人类生存环境的不断恶化，发展绿色能源交通已刻不容缓，2 0 0 8 年绿色奥运 更让人们感受到了清洁的环境多么重要。同时伴随着我国经济的快速发展，对 汽车的需求量越来越大，如图1 1 我国汽车保有量预测图，从图上可以看出预 计到2 0 3 0 年我国总的汽车保有量将达到1 2 亿辆【l 也】。对整个汽车行业来说， 以新能源为特征的低碳发展已箭在弦上。以节省能源、低排放甚至是零排放的 电动汽车被视为解决能源问题的手段，更促进了电动汽车产业的高速发展p j 。 1 j 鼍-眦姊 s _哪l 一 群 s 膏啦描鼍 - _ _ l 一- _ 。_ _ 一 一 ，。二 、 面每镬 一。 。i 一 2 5a 隋2 瞄2 瞄刁喳刁霸啊 图1 1 我国汽车保有量预测表 电动车这种以电能为动力的交通工具凭借其节能、环保的优点成为业界关 注的焦点。国外从2 0 世纪7 0 年代就开始进行混合动力汽车的研究与开发，但 由于混合动力汽车结构复杂，技术含量高，实现较为困难，经过一二十年的发 展，直到9 0 年代，各汽车强国才相继推出混合气动力概念车或样车。在这近 2 0 年的发展中，随着新材料、新工艺、新技术的高速发展，特别是微电子技术 和智能技术的发展，电动车的许多技术难点逐渐得到解决。世界各大汽车制造 商纷纷推出各自的电动汽车产品。由于纯电动车的电池现在还无法满足人们对 行驶里程的渴望，而混合动力汽车在节能环保、技术和成本等方面的优势使之 成为近期内替代传统型汽车的方案之一【4 1 。所以混合动力电动汽车成为内燃机 汽车向纯电动车过渡的桥梁，因此混合动力汽车成为现代汽车业的主要发展方 撕 供 憎 l 一 纂 麓 - r氲墨星一= 向。 1 2国内外新能源汽车发展现状 1 2 1国外新能源汽车发展现状 目前，国外各大汽车公司为了抢占这块新能源汽车这一发展高地，纷纷投 入巨资，开发研制自己的混合动力( h e v ) 汽车，并有小批量混合动力汽车产 品上市。美国的p n g v 、欧洲的“t i l ec a r o ft o m o r r o w ”计划、日本的“a d v a n c e d c l e a ne n e r g yv e h i c l e p r o j e c t ”以及我国“清洁汽车行动”等等，都将h e v 的 研究与开发作为本世纪现阶段汽车业发展的主要内容。 日本在混合动力车研究领域处于世界的前列，众多的混合动力轿车研发项 目几乎完全由日本汽车公司自主进行开发，而且多为单车项目，并直接面向市 场。因此，日本各大汽车公司目前拥有全球几乎全部的混合动力轿车市场份额。 自1 9 9 7 年以来，日本丰田汽车公司推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽 车一丰田普锐斯( t o y o t ap r i u s ) ( 图1 2 所示) ，混合动力汽车的商业化取得了实 质性进展。至2 0 0 4 年底，丰田p r i u s 全球销量已经超过2 0 万辆，成为海内外 首部实现量产，同时销量最大的h e v ，到目前为止丰田普锐斯已经发展到第三 代，相对前两代而言，整车进一步得到优化，油耗进一步降低，如搭载1 8 l 发 动机，百公里油耗为4 7 l 。丰田公司在1 9 9 9 年东京国际汽车展上，又推出新 开发的h v m 4 ( 4 轮驱动混合动力小型面包车) 。在混合动力汽车方面丰田公司 投入巨大的资金用于研发新车型，相继在e s t i m a 、凯美瑞、皇冠、雷克萨斯等 品牌上推出混合动力车，这一系列的发展充分显示出丰田在发展h e v 这一领域 的勇气和信心【5 1 。除丰田公司外，本田和日产也分别成功推出各自的混合动力 轿车本田i n s i g h t ( 图1 3 ) 和日产t i n o 。本田公司开发的i n s i g h t 混合动力电动汽 车投放市场后供不应求。除了i n s i g h t 这一车型外，目前在中国市场上本田还投 入本田思域的混动版，同时还包括飞度混动版以及c r z 三款车型【6 j 。而日产 公司近段时间新推出风雅混合动力汽车，该车型标志着日产在混合动力方面新 的成就。除了以上三家之外，日本其他汽车企业也纷纷计划推出自己的混合动 力车，如富士新开发的混合动力车将归于斯巴鲁品牌下，其使用了一种新型锂 离子电池，这种电池使用专用充电器5 m i n 内就可充电9 0 ，使充电时间大大 缩短，同时电池重量也减小了一半，由于电池中加入了锰，使得电池寿命大为 延长。富士计划于2 0 1 3 年正式推向市场1 7 1 。 2 图1 2 新一代p r i u s 混合动力1 图i 一3 本田i n s i g h t 混合动力印 在混合动力汽车发展的大潮下，美国汽车公司紧追其步伐，在混合动力汽 车研究上也推出了一系列举措。美国能源部于19 9 3 年与三大汽车公司签订了混 合动力电动汽车开发合同，在此基础上，19 9 7 年已推出三款混合动力概念车：g m p r e c e p t 、f o r dp r o d i g y 、d a i m l e r c h r v s l e rd o d g ee s x 3 。通用汽车公司在l9 9 8 年1 月底的底特律北美国际汽车展上，推出了e v l 型4 座混合动力电动汽车，随后推 出了串联式和双桥并联式的混合动力车p r e c e p t ，在2 0 0 0 年通用公司又推d 第三 代雪佛兰t r i a x ，将它作为一个可以方便改装成纯电动、混合动力或者传统内 燃机轿车的平台。2 0 0 4 年，通用为“雪佛兰s t l v e r a d o ”及“g m c s i e r r a ”型皮 卡车提供了混合动力选择，同一年的12 月14 号，通用公司与戴姆勒一克莱斯勒 汽车公司对外宣布，双方将在混合动力电动汽车技术方面展开合作，共同推进 此项技术的发展。在2 0 0 7 年通用推出动力系统比较复杂的土星a u r a ( 图1 4 ) 混 合动力汽车，随后推出君越混合动力车版本，经过近几年的发展，通用于2 0 11 年8 月2 5 同推出新君越e a s s i s t 混合动力车。在混合动力汽车方面，福特也推出了 一系列混合动力车型，在l9 9 9 年推出了p 2 0 0 0 家用型5 座并联式混合动力汽车， 百公l 鞋油耗仅为3 8 升：在2 0 0 0 年将p f o d i g y 混合动力概念车投放市场，其百公罩 油耗接近3l 。福特汽车公司于2 0 0 3 年底进行了小批量e s c a p e 混合动力型s u v 的 生产，此外，经过近些年的研究发展，福特将于2 0 13 年推出新款紧凑型c m a x ( 图1 5 ) 混合动力车1 6 - 7 1 。 图1 4 寸：星a u r a 混合动力7 图1 5 福特c m a x 混合动力1 随着世界汽车业在混合动力汽车方面的迅速发展，作为世界知名的德国汽 车公司自然不甘落后。作为老牌的德国大众公司推出了第三代a u d id u o 并联式 混合动力电动车，并且实现小批量生产，作为2 0 世纪9 0 年代米最先推 的d u o 混合动力电动汽车，在9 7 年法兰克福第5 7 届困际车展上登台亮相。随着大众d u o 和丰用p r i u s 的出现，将混合动力汽车的研发推向了高潮。此外，德国的萨克 森灵公司于19 9 8 年开发了萨克森灵微型厢式混合动力车，而宝马公司于第二年 ( 19 9 8 年) 开发出了自己的3l8 i s a d 轻型混合动力汽车。此后混合动力汽车一 直是汽车行业的主要发展方向，德国戴姆勒克莱斯勒旗下的奔驰公司在2 0 0 4 的美国底特律国际车展上，向世人展出了将于下一年批量生产的“v i s i o ng r a n d s p o r t st o u r e r ”混合动力汽车的概念乍。除了德国整车车制造厂外，零部件供 应商的b o s c h 等知名的汽车零部件公司也积极参与到混合动力汽车技术的丌 发中，如b o s c h 和大众汽车公司就混合动力汽车将联合进行开发。同时，欧盟 等国政府也通过立法等于段来限制传统汽车的尾，e 排放，其规定将不允许油耗 超过5 升的轿车一t z 路，这将对混合动力汽车的开发起到积极地促进作用。经过这 些年的技术储备和经验积累，德系混合动力车的发展呈现出勃勃，- 机，如宝马 公司除了于2 0 1 1 年推出5 系( f10 ) 、7 系混合动力和x 5 混合动力车型外，还推出 釜马新3 ( 图1 6 ) 系列混合动力车；奥迪在混合动力技术领域的研究也已有二 卜余年的积累，并先后开发了三代“奥迪d u o ”混合动力车型，如今，奥迪q 5 ( 1 7 ) h y b r i dq u a t t r o 全混合动力s u v 成为奥迪首款正式量产的全混合动力车。 图1 6 宝马新3 混合动力车 图i 7 奥迪q 5 混合动力午 于此同时，法国对混合动力汽车的开发也是不遗余力。法国是全球第二的 核电大国，有5 9 台核电机组，总装机容量达到6 3 g w ，核电占全国的比例达到 7 6 18 ，是世界上核电比例最高的国家，电力资源的极大丰富为混合动力汽车 在法国的推j “具有重大的促进作用。所以法国政府鼓励汽车公司开发新一代电 动和混合动力汽车，在政策上予以扶持，同时法国政府、法国电力公司和标致 雪铁龙及雷诺汽车公司三方进行合作，即通过政府电力公司汽车公司合作的 形式对电动汽车和混合动力汽车进行开发和推广，三方共同出资组建了电动汽 车的电池公司和萨夫特( s a f t ) 公司，承担电动汽车用高能电池的开发和研究。 法国能源部、标致汽车公司合作于19 9 5 年开发了标致一10 6 和s a x o 型4 座两款电 动汽车，同时利用现有的雪铁龙公司的a x 型和雷诺公司的c l i o _ 型轿午作为平台 将其改装成电动车，在19 9 7 q - 实现了法国电动车产量达n 2 0 0 0 辆的目标。法国 总理让皮艾尔对混合动力汽车和电动汽车的发展极为推崇，其表示：“希望到 2 0 1o 年的时候，法国能够将成为无污染交通工具领域的世界级领导人，即在混 合动力和电动汽车研发中达到世界先进水平。”这对法国混合动力汽车和电动汽 车起到极大地推动，同时也确定了法国在无污染交通工具领域称雄的时间表。 法国汽车制造商标致雪铁龙和雷诺公司将根据自己实际情况，来相继进行电动 汽车和混合动力汽车的研究和开发【7 。引。 1 2 2国内新能源汽车发展现状 在混合动力汽车研究方面我国的起步较晚。随着这一研究领域的快速发展， 也为了维护我国的能源安全及改善大气环境，提高我国汽车工业的整体实力， 我国在“八五”和“九五”期间相继提出电动汽车研究的关键技术及整车开发 目标，并在此基础上在混合动力汽车研究方面进行若干技术领域开发。针对我 国汽车工业整体的现状以及社会需求，2 0 0 1 年科技部制定了一系列举措来大力 发展新一代汽车，为实现电动汽车的产业化及抢占电动汽车研究的制高点具有 重大的意义，也是为实现我国汽车产业跨越性发展打下了坚实的基础，为了支 持我国电动汽车产业，科技部相继投资8 8 亿元设立了我国有史以来在汽车研 究领域最大的汽车科技专项一“十五”8 6 3 电动汽车重大专项，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。“十五”国家8 6 3 计划电动 汽车重大专项明确提出“三纵三横”的研发布局，如图1 8 所示o 】 各类整车产品 圜( 燃 挂合凑办汽车y摊耄动汽车 动力系统技术平台k 动力系统技未乎 燃料电池发动机，动力瞽电涎、趋级电容一 动电机、 电桃传动系总成、 发动橇 掰材料、新器锌、共性技术、基础设旗相关技术 l 检摊试验技术标攮敢蕞法娥示蓬运营产潼融资知识产辍技术信息 l 图1 8“十五”国家8 6 3 电动车“三纵三横”研发布局 通过前期打下的坚实基础，国家在“十一五 和“十二五”时期就电动 汽车的发展推出了重大举措，这将对我国电动汽车的发展具有重大的促进作用。 经过两个五年计划的科技攻关以及奥运会、世博会、“十城千辆”等示范工程的 实施，我国电动汽车从无到有，在关键零部件、整车集成技术以及技术标准、 测试技术、示范运行等方面都取得重大进展，初步建立了电动汽车技术体系， 到目前为止已有专利申请3 0 0 0 余项，制定和颁布了电动汽车国家和行业标准 6 圆圆盛 5 6 项，相继建成3 0 多个新能源汽车技术创新平台。伴随着电动汽车领域国际 化大变革、大发展，未来的五年将是电动汽车研发与产业化的战略机遇期。在 “f 一二五”期自j ，国家科技计划将加大力度，持续支持电动汽车科技创新，把 科技创新引领与战略性新兴产业培育相结合，并将组织实旌一系列电动汽车科 技发展专项规划。 经过过去的两个五年的发展，在国家和地方政府的双重支持下，一大批汽 车企业都推出了自己的电动汽车发展重大拿项，并相继建立自己的电动汽车研 发中心，如一汽( 图1 9 ) 、二汽、奇瑞、江淮( 图1 10 ) 和比亚迪等汽车企业 在混合动力汽车方面取得了非常大的进步，每个企业几乎都已经推出自己开发 的混合动力汽车，f 在为完善汽车性能和规模化生产做准备。 图1 9 一汽奔腾b 7 0 h e v 图1 1 0 江淮和悦h e v 经多年探索实践，国际汽车产业界在电动汽车产业化方面达成了战略共识： 在技术发展路线上，从2 0 10 开始对电动车的发展划分了三个发展阶段，前期 ( 2 0 10 2 0 15 ) ，在对传统内燃机汽车进行技术改进和升级的同时，推进车辆的 小型化，来降低车辆的尾气排放。并且为了满足更为严格的节能减排法规规定 的目标要求，尽快推进混合动力技术的应用，并大力发展小型纯电动和插电式 混合动力汽车；中期( 2 0 15 - 2 0 2 0 ) ，在混合动力技术得到广泛应用的基础上， 使汽车动力系统电气化程度进一步提高，并且加大小型纯电动和插电式混合动 7 力汽车的推广力度；后期( 2 0 2 0 年之后) ，突破现有纯电动汽车动力电池的容 量不足的限制，使纯电驱动技术逐步占据主导地位，并大力发展纯电动汽车和 燃料电池汽车，实现车辆尾气排放的大幅度降低。在车型开发应用方面，将充 分考虑到纯电动、混合动力和燃料电池这三种类型的电动汽车技术各自具有的 优势及特点，来开发出最优的适用车型。对于车辆应用方面，如短途出行需求， 那么就可以采用小型纯电动汽车；对长途出行需求来说，那么就可以采用混合 动力汽车、插电式混合动力汽车或者燃料电池汽车。所以对于汽车产业来说， 电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车将是未来汽车的主要发展方 向。 1 3 研究目的和意义 现在全人类正面临着日益严峻的能源危机与地球环境容量的制约。对汽车 行业来说，电动汽车、混合动力汽车的出现体现出了环保与节能的需要。目前 全世界汽车的保有量越来越大，现在估计已达到7 亿多辆，并且每年还在以几 千万辆的速度增长着。全球汽车保有量的不断攀升和汽车尾气的排放已经成为 威胁人类生存的一个严峻问题，石油资源终有一天会耗尽，而人类文明却不会 因此停止，所以新能源汽车的开发成为了当今汽车发展的主流。随着社会化大 发展，科学技术日新月异，为了保护环境，降低车辆尾气排放，现代汽车广泛 采用了电控燃油喷射、废气再循环等一系列新技术，这些新技术的应用使得汽 车的油耗和尾气排放大为降低，但还是未从根本上解决问题。所以纯电动汽车 和燃料电池电动汽车的巨大优势，使得各国汽车行业都致力于他们的研究和开 发，以求掌握未来汽车工业的主动权。相对传统汽车而言，新能源汽车在降低 排放方面具有其无可比拟优势如表1 1 所示【l 。 表l l 新能源汽车与传统汽车的对比 目前电动汽车领域的研究方向主要是纯电动、混合动力和燃料电池这三个 方向。可以看出，无污染的纯电动汽车将是汽车发展的最终目标。但目前来说， 电池容量的不足和短寿命是电动汽车的软肋，如果不能彻底的解决这一问题， 那么纯电动汽车将不可能广泛的应用到人们的实际生活中。所以相比较而言， 8 就目前而言混合动力汽车的研发则更具有现实意义。在排放方面，混合动力汽 车虽不如纯电动汽车，但可以像传统汽车一样满足人们对汽车的需求。 从混合动力汽车动力系统的结构形式来说，有串联、并联、混联三种形式。 不同形式的混合动力驱动系统在结构和性能上各有优缺点，如并联式混合动力 汽车更适合于路况简单的城市间公路及高速行驶的车辆：而混联式结构由于其 动力和控制系统过于复杂，在研究、开发和应用中都受到很大的限制。本文中 研究的车辆整个动力系统采用的是串联结构形式，这主要是根据车辆的结构和 改装的目标来定的，就串联结构形式来说，其系统结构、控制策略简单，易于 实现。对本文研究的车辆来说，其动力系统增加的辅助发动机取消了其与车辆 传动系统的机械耦合，主要作用是提供辅助能量，而车辆的主要动力来源是车 载动力电池，动力电池组主要通过充电机与生活电网相连接来补充能量，此外 车辆动力电池还可以接受辅助发动机带动发电机产生的电能，在短途行驶中不 会出现这种情况，主要是在行驶较长一段路程后，电池电量不足以提供车辆行 驶的情况下才会启动带动发电机运行，为电池充电。相比目前混合动力汽车的 各种结构形式，本文认为此种混合动力的结构形式能最大限度的满足环保的要 求，并且是从混合动力汽车到纯电动汽车过渡期间中的一种较好的过度形式。 1 4 本课题主要研究内容 本文针对该车型的使用环境及其自身的特点，结合该车型的各项参数，综 合考虑原车型的性能指标以及国家对混合动力汽车的要求，以各种典型城市工 况为目标，通过对车辆在城市道路中的各种运行工况进行详细的分析，然后综 合考虑各种因素来确定动力系统参数；然后，以a d v i s o r 仿真软件为基础，在 仿真环境下建立电动机、发动机、电池组等各部件的仿真模型，在仿真软件中 对整车性能进行仿真。最后，对改装后的增程式电动汽车进行整车道路试验， 来检验微型车的动力性和纯电动模式下的行驶里程，进一步来验证前面参数匹 配和软件仿真的合理性和科学性。 拟解决的问题： 汽车动力系统的匹配以及控制策略的选择是否能满足微型车动力性与燃 油经济性的预定目标，且是否能满足该车在城市道路中几种工况下的性能指标； 动力系统各总成部件参数匹配和道路试验的整车性能指标。 9 第二章微型混合动力汽车方案研究 串联式混合动力汽车结构作为几种混合动力汽车结构中最为简单的一种， 其控制难度相对较小，可靠性较高，成本最低【1 1 1 。尤其对企业来说，在自身技 术条件不成熟的情况下，可以很好的控制研究费用的支出，能以最小的投入获 得晟大回报，所以串联式混合动力结构形式是目前混合动力汽车前期开发过程 中值得优先考虑的一种类型。 混合动力电动汽车性能的好坏不仅取决于传动系参数的选择与匹配、控制 策略的制定以及各总成部件的优化，而且还取决于整车动力传动系的布置方案 1 1 2 - 1 6 1 。由于混合动力汽车在传动系统结构上的差异，提供了多种工作模式，本 章主要深入研究整车的布置方案，其中动力系统的设计包括系统结构、各部件 特性和相互间的参数匹配，下面就各种典型混合动力汽车的动力系统结构和特 点作较为深入的对比和总结。 2 1传统混合动力汽车的分类和特点 混合动力汽车的驱动结构从能源输入、动力机构产生机械能的传递，其组 成方式多样，具体的结构设计也不尽相同。按照2 0 0 8 年刚颁布的混合动力电 动汽车类型和定义征求意见稿有多种分类：( 1 ) 根据动力传递布置；( 2 ) h e v 的用途；( 3 ) 混合度的大小以及是否依赖电网充电等【6 1 。通常，我们都采用第一 种分类方式进行分类然后加以分析，传统的混合动力汽车根据动力传递布置即 根据车辆驱动机构布置的不同主要分为三大类：串联型、并联型和混联型1 1 7 - i 引。 下面分别对这三种结构各自的特点做一些简单介绍。 2 1 1 串联型( s h e v l 串联型混合动力电动汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) 的主要特 征是发动机、驱动电机、电池组及其传动系统在结构形式上成直线排列形式， 如图2 1 所示，即s h e v 驱动系统的三大动力总成：发动机、发电机和驱动电动 机是以串联的形式组成，相对于传统汽车而言，串联增程式混合动力汽车的最 大区别就是辅助发动机不直接参与s h e v 的驱动，它与发电机组构成辅助动力 单元( a p u ) ，只作电能的供应。当车辆动力电池电量不足的情况下，辅助发动 机可以在稳定工况区域运行，辅助发动机的机械能通过发电机转化为电能，产 生的的电能一分为二，一部分部分给动力电池充电，另一部分则给驱动电机带 动车辆行驶。动力电池是该类型车的主要动力源，多数情况下车辆的能量来源 是由它来提供的，所以说辅助发动机在大多数情况下是不工作的，只有当电池 的剩余电量超过规定的下限值时，发动机得到控制系统发出的控制信号才开始 工作为蓄电池和驱动电机提供电能。因此和传统燃油车比较，它的发动机只是 提供电能的辅助型装置，其主要目的是主要是为了增加行驶里程，故又称为增 1 0 程式混合动力汽车13 1 。 串联型的结构示意图： ( a ) 图2 1串联型h e v 结构图 图2 1 中辅助发动机或蓄电池双向对驱动电动机供电，驱动电动机既可从动 力电池获得电能，也可以由发电机直接提供，正如前面所述，动力电池是主要 的动力来源，所以就有两种结构类型，( a ) 图中辅助动力单元( a p u ) 产生的电能 只是用来给蓄电池充电，而不能直接提供电能给驱动电机。动力单元提供的电 能必须经过电池的充电一放电过程，在这一过程中就损失了部分能量，降低了 能量的使用效率；( b ) 图中辅助动力单元( a p u ) 提供的电能有两个流向，除了给 蓄电池充电之外，另外就是流向驱动电机用以驱动车轮。通过对这两种结构形 式进行对比，可以看出第二种方案更适合实际情况，即后者的结构功能更加合 理，能量的利用率更高。故目前车辆大都采用后者这种串联结构形式。 串联型结构特点 1 9 - 2 0 】 优点：( 1 ) 本文中发动机与驱动轮没有机械上的连接，而仅作为发电机发 电的辅助动力源，发动机可以设置在最佳工况下工作，并且始终稳定运行，从 而提高了发动机效率，大大地降低了油耗，所以相对传统混合动力汽车而言其 燃油经济性和排放性能更好。 ( 2 ) 辅助动力单元( a p u ) 和动力电池组之间是电气连接( 软连接) ，所以 在整车上的布置非常方便，拥有较大的自由度，也可以进行独立地布置。 ( 3 ) 在车辆大部分运行状况下能够取得与纯电动汽车一样的效果，即可实 现零排放。如城市短途道路行驶时，可以用电池单独进行驱动，此时发动机不 工作。 ( 4 ) 由于串联型这种结构比较简单，所以跟其他结构形式的混合动力汽车 相比，在系统控制上也是最简单的，发电机的工作与否主要根据动力电池的剩 余电量( s o c ) 和车辆的运行工况来决定。 缺点：( 1 ) 驱动电机和动力电池的质量较大，为了满足汽车行驶的各项性 能指标，那么驱动电机的功率必须能够克服汽车行驶过程中的各种阻力功率之 和，驱动电机的功率需求较大，注定了所配备的动力电池的组数也必须很多。 ( 2 ) 在日常生活中，汽车行驶的路径是比较固定的，大多是上班的代步工 芋 具，经过的路况也是比较好的，那么在这种情况下，驱动电机大部分处于中低 负荷的情况下，能量的利用率比较低。另外，发动机产生的机械能通过发电机 转化成电能，此过程中必然会损失掉部分能量，造成能量损失。 2 1 2 并联型( p h e v ) 并联型混合动力电动汽车( p 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 ，p h e v ) 的主要特 征是发动机和电动机是相互独立的，即在结构上成并列形式。在驱动模式上有 三种：l 、发动机单独驱动；2 、电动机单独驱动；3 、发动机和电动机联合驱动， 在实际操作过程中各自的离合器控制着驱动模式间的转换。当车辆在低功率状 态下运行时，可以关闭发动机，利用电动机进行驱动：这一点与前面所述的串 联型结构形式一样；但在中高速平稳运行时，可以关闭电动机，只利用发动机 进行驱动，此时发动机运行在高效区，其动力性、经济性都非常好，此外其富 余的功率还可以通过动力复合装置和发电机转换为电能，对动力电池进行充电： 在高速运行或加速时，可以利用动力复合装置对发动机和电动机的输出