（车辆工程专业论文）基于底盘测功机的重型混合动力汽车能耗排放特性研究.pdf

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，除了文中特另l j ) j n 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，也不包括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。 研究生签名： 主i 酝日期：趁ll ：兰：囟 关于论文使用授权的说明 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， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：蔓盈 导师签名 研究生签名：皇5 盏 导师签名 摘要 随着节能环保压力的日益加大，新能源汽车产业得到了快速发展，尤其是混 合动力技术，正逐渐成为未来几年新能源汽车研发的主流趋势。但是，混合动力 技术在汽车产业中的快速发展，也给现行的检测技术带来巨大的挑战。根据车辆 的结构特点和目前检测技术的使用条件，轻型混合动力车辆可以基本沿用传统的 测试方法，但重型混合动力车辆则不再适用于传统重型车辆的发动机测试方法， 并且具体的重型混合动力车辆性能考核要求也仍然缺乏，因此需要结合国内外相 关的试验方法和总结具体试验中的经验提出一些可行性的方法，重点研究重型混 合动力车辆的性能特点，为将来我国相关法规的制定和完善提供一定的理论和数 据支持。 本课题主要从整车测试的角度出发，以试验测试作为主要研究手段，利用底 盘测功机和能耗排放测试系统对重型混合动力汽车的能耗排放特性进行全面深 入研究：比较分析了试验车辆道路行驶阻力的三种不同获取方法，并通过具体的 底盘测功机试验精确模拟了试验车的道路行驶阻力；根据研究目的制订出具体的 能耗排放试验方案，参照g b t1 9 7 5 4 2 0 0 5 标准程序进行了不同起动状态、不同 载荷条件、不同行驶循环以及不同阻力设定条件下的能耗排放试验，并重点分析 了这些试验因素对于混合动力车辆能耗排放结果的影响关系；分别进行了试验车 辆混合动力模式和常规发动机模式下的能耗排放试验，验证混合动力车辆的节能 减排效果。 试验结果表明：为准确的获取汽车道路行驶阻力，需要尽量利用道路滑行试 验方法测量。利用推荐公式计算的行驶阻力与实际行驶阻力还有一定的差距，这 将直接影响后续底盘测功机试验的精确性：冷态起动条件、载荷增加、对汽车负 荷要求较大的测试循环、底盘测功机阻力设置增大等试验因素都会导致混合动力 车辆的能耗增大，污染物排放增多，这也与常规车辆的相关研究结论是一致的； 试验车辆在混合动力模式下的能耗排放量要明显低于常规发动机模式下的能耗 排放量，并且按照这一水平，混合动力车辆在其生命周期内具有可观的节能环保 效果。 关键词：重型混合动力车辆；底盘测功机；能耗排放；试验方法 a b s 仃a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp r e s s u r eo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g y - s a v i n g ，g r e e nc a rh a s m a i n t a i n e dar a p i dd e v e l o p m e n t , e s p e c i a l l yi nh y b r i dp o w e rt e c h n o l o g y h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s w i l lb e c o m et h el e a d i n ga u t o m o t i v et y p ei nt h en e x tf e wy e a r s h o w e v e r , t h es h a r p l yd e v e l o p m e n t o fh y b r i dp o w e rt e c h n o l o g yb r o u g h tah u g ec h a l l e n g et ot h ec u r r e n td e t e c t i o nr e g u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l e sa n dt h e c u r r e n td e t e c t i o nc o n d i t i o n s ， l i g h t d u t yh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sc a nb a s i c a l l yf o l l o wt h ee x i s t i n gt r a d i t i o n a lv e h i c l e st e s t i n g m e t h o d s ，b u tt h eh 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 sa r en ol o n g e rf i tf o rt h et r a d i t i o n a l h e a v y d u t yv e h i c l e st e s t i n gm e t h o d s b e s i d e s ，t h e r ea r en ot h es p e c i f i cp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ti n e m i s s i o nc e r t i f i c a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h er e l a t e dt e s tr e g u l a t i o n sa th o m ea n d a b r o a d ，s o l v et h ep r o b l e mo ft e s t i n ga n dp r i m a r ys t u d yo nt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f h 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 s a b o v ew o r kw i l lp r o v i d et h e o r e t i ca n dd a t as u p p o r tf o rt h e d e v e l o p m e n ta n dr e f i n e m e n to fr e l e v a n tn a t i o n a lr e g u l a t i o n s t h i sp a p e rr e g a r d st e s ta sp r i m a r yr e s e a r c ht e c h n i q u e sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc o m p l e t e v e h i c l e b a s e do nc h a s s i sd y n a m o m e t e ra n dt e s t i n gs y s t e m ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fe n e r g y c o n s u m p t i o na n de m i s s i o no fh 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 ew e r er e s e a r c h e di nd e p t h t h e r u n n i n gr e s i s t a n c eo nt h er o a dg e n e r a t e df r o mt h r e ed i f f e r e n tw a y sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d s p e c i f i cc h a s s i sd y n a m o m e t e r t e s t sw e r ec a r r i e do u tt oa c c u r a t e l ys i m u l a t er o a dr u n n i n gr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho b j e c t ，d e t a i l e dt e s t i n gp r o g r a mw a sw o r k e do u t w i t hr e f e r e n c et og b t19 7 5 4 2 0 0 5s t a n d a r dp r o c e d u r e s ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n st e s ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s w e r ep e r f o r m e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h e s et e s tc o n d i t i o n st ot h ec h a r a c t e r i s t i co fe n e r g y c o n s u m p t i o n a n de m i s s i o n i no r d e rt ov a l i d a t et h ei m p a c to f e n e r g y s a v i n g a n d e m i s s i o n r e d u c i n g , v e h i c l et e s t i n h y b r i dp o w e rm o d ea n dt r a d i t i o n a lp o w e rm o d ew e r e r e s p e c t i v e l yc a r r i e do u t t e s tr e s u l ts h o w e dt h a tm o r ea c c u r a t ev e h i c l er u n n i n gr e s i s t a n c e so nt h er o a dw e r ea c q u i r e d b yt h er o a dc o a s t i n gt e s t r u n n i n gr e s i s t a n c e sg e n e r a t e df r o mc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sa n dr o a dt e s t h a dal a r g e rg a p ，w h i c hw i l le x e r ti n f l u e n c eo nt h ea c c u r a c yo fs u b s e q u e n tc h a s s i sd y n a m o m e t e r t e s t s o m et e s tf a c t o r s ，s u c ha sc o l de n v i r o n m e n t ，i n c r e a s e dl o a d ，t e s tc y c l e ，l a r g e rs e t t i n gr e s i s t a n c e ， w e r el e a dt om o r ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o np o l l u t a n t , w h i c hc o n s i s t sw i t hc o r r e l a t i v e c o n c l u s i o no ft r a d i t i o n a lv e h i c l e t h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o np o l l u t a n to ft e s tv e h i c l ei n h y b r i dp o w e rm o d ew e r eo b v i o u s l yl e s st h a nt h a ti nt h et r a d i t i o n a lm o d e i na c c o r d a n c ew i t ht h e l e v e lo fe n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n , h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sw i l lh a v ea d m i r a b l ee f f e c to f i i e n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o n - r e d u c i n gi ni t sl i f e c y c l e k e yw o r d s ：h e a v y - d u t yh y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ；c h a s s i sd y n a m o m e t e r ；e n e r g y c o n s u m p t i o n ；e m i s s i o n ；t e s tm e t h o d i i i 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 目录i v 第1 章绪论。1 1 1 研究背景一l 1 2研究目的2 1 3 研究内容与技术路线”2 1 3 1 研究内容2 l - 3 2 技术路线一2 第2 章混合动力车辆的发展概况。4 2 1国内外混合动力车辆发展形势4 2 1 1混合动力车辆在国外的发展。4 2 1 2混合动力车辆在我国的发展5 2 2混合动力电动汽车的工作原理、分类及运行模式6 2 2 1 混合动力电动汽车的工作原理6 2 2 2 混合动力电动汽车的分类。7 2 2 3 混合动力电动汽车运行模式。9 2 - 3混合动力车辆常用的测试方法9 2 3 1道路试验1 0 2 3 2底盘测功机测试方法1 0 2 3 3台架试验1 0 2 3 4 整车模拟法l 1 2 4 国内外混合动力车辆的法规及其测试方法12 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 第4 章 4 1 2 4 1 欧洲标准12 2 4 2美国标准1 3 2 4 3日本标准18 2 4 4中国标准2 0 本章小结2 l 底盘测功机的阻力设定2 2 阻力设定的理论分析2 2 3 1 1 道路行驶阻力2 2 3 1 2汽车在测功机上的阻力分析2 4 3 1 3底盘测功机上的阻力设定原理2 5 道路滑行试验2 6 底盘测功机系数的设置3 0 本章小结3 1 混合动力客车能耗排放试验3 2 试验准备3 2 4 1 1试验车辆3 2 4 1 2试验设备3 2 4 2试验过程3 5 i v 4 3 试验结果3 5 4 3 1 行驶循环有效性3 5 4 3 2 数据处理3 6 4 4 本章小结4 0 第5 章 试验因素影响分析4 l 5 1冷热起动状态对试验结果的影响4 l 5 2载荷状态对试验结果的影响4 4 5 3 行驶工况对试验结果的影响4 7 5 4 底盘测功机阻力系数设定对试验结果的影响“5 0 5 5 本章小结5 2 第6 章 混合动力车辆的节能环保效果5 3 第7 章 全文总结与展望5 7 7 1本课题的工作总结5 7 7 2 本课题的展望5 8 参考文献5 9 附录a 攻读学位期间发表的论文及申请的专利6 2 致谢6 3 v 第1 章绪论 1 1研究背景 近年来，随着石油资源紧缺和环境保护的压力日益加大，世界各国政府和研 究机构对新能源汽车的关注程度与日俱增，各项汽车行业相关政策文件中逐渐体 现出关于鼓励新能源汽车发展的内容【l 】，这在客观程度上大大促进了新能源汽车 的发展，也将极大地加快汽车从常规动力逐渐向混合动力、纯电动和燃料电池动 力过渡的进程，形成传统燃油动力车、新能源汽车并存的局面。在新能源汽车中， 燃料电池汽车和纯电动汽车能够较为理想地解决资源替代、尾气污染问题，但受 制于较短的续驶里程、高昂的生产成本和难以克服的电池技术等困难，其商业化、 产业化的发展历程进展缓慢【2 引。混合动力汽车虽没有前两种车型的节能减排效 果明显，但由于其动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活控制多种动力 源，从而确保发动机始终工作在综合性能最佳的区域内，有效地降低了燃油消耗 和尾气排放。从汽车产业发展的当前形势来看，混合动力汽车已经成为了传统车 辆向未来电动车辆过渡的理想车型。 在国外，混合动力车辆技术发展迅速，一批产业化的轻型混合动力车型己投 入市场，并取得了非常好的市场认可度。在重型车领域，多个城市也不断开展了 混合动力车辆的示范运行考核，取得了不错的运营效果和节能减排效益。我国也 大力推进实施了电动汽车重大科技专项，经过将近两个五年计划、2 0 0 多家企业、 高校和科研院所20 0 0 多名科研人员的努力，汽车的混合动力技术取得了长足发 展，尤其是在城市公交等重型车领域已经成功研制出高性能指标的产品样车，进 行了实际应用条件下的示范运行和技术考核，并成功应用于北京奥运会和残奥 会，产生了巨大的经济效益和环保效益，初步证明了混合动力技术在我国使用的 可行性，为我国实现电动汽车产业化奠定了重要基础。然而，混合动力新技术在 重型车领域内的应用，也不可避免的给现行的能耗排放测试技术路线带来了新的 挑战：传统轻型车辆的试验方法及法规可以继续适用于轻型混合动力车辆的试验 认证，而传统重型车辆的发动机测试方法已经不再适用于重型混合动力汽车，电 驱动系统的使用大大优化了重型车实际行驶状况下的发动机工作状态，这与法规 规定的重型车发动机测试工况差异较大并且难以对应。在传统的测试方法中，混 合动力车辆的制动能量回收技术更加难以体现，也凸显出传统重型车能耗排放测 量方法在混合动力车辆上应用的局限性。此外，对于重型混合动力车辆不同测试 工况下的能耗排放情况及其影响因素的研究仍然不足，这些都将导致汽车混合动 力技术缺乏准确的评价方法。针对这一评价体系的需求，国外陆续发布了多项关 于重型混合动力车辆的能耗排放测试法规，我国也于2 0 0 5 年发布了重型混合动 力车辆能量消耗量试验方法，但至今相应的排放试验方法还是仍然缺失，检测评 价体系和检测能力的不足已经严重制约了混合动力车辆的发展和应用进程【4 】。因 此，非常有必要对重型混合动力车辆的能耗排放特性进行研究，从而为今后制订 重型混合动力汽车能耗排放法规提供相应的科研支持，也能够进步地催动混合 动力技术在汽车产业的快速发展。 1 2 研究目的 本课题主要从整车测试的角度出发，在传统重型车辆检测方法的基础之上， 利用底盘测功机和能耗排放测试系统对重型混合动力汽车的能耗排放特性进行 全面深入研究，为相关研发机构、汽车生产企业的技术改进、产品优化提供科学 的依据和测试技术平台，同时也为此类车辆的相关政策和标准的制订提供一定的 数据支持，积极推动国内电动汽车产业的成果转换和飞速发展。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 为了实现研究目的，本课题的研究内容主要包括： ( 1 ) 利用底盘测功机和相关测试设备进行整车的能耗排放测试，首先要能 够在底盘测功机上精确再现车辆实际道路上的行驶阻力，因此需要重点研究重型 车底盘测功机试验的阻力系数设定。 ( 2 ) 考虑到重型混合动力汽车测试的特殊要求，参照国内外相关标准法规 的试验规程，研究制订出相应的能耗排放试验方案，并按照试验程序进行试验。 ( 3 ) 研究起动状态、试验循环、环境条件和载荷等不同试验因素对重型混 合动力汽车能耗排放结果的影响关系，分析其不同试验因素下的能耗排放特性。 ( 4 ) 通过具体的验证试验对比分析混合动力车辆相对于常规车辆的节能减 排效果。 1 3 2 技术路线 根据上述研究目的和研究内容，本论文的研究技术路线如图1 1 所示。 2 标准法规、测试技 术调研考察 上 标准研究 0 测试技术研究 0 试验程，1 2 r - t 町i t 究制定 l 道路滑行试验 底盘测功机 渭行试验 上上 底盘测功机负荷设定 i 底盘测功机能耗排放测试试验 j 结果分析 图1 1研究技术路线 3 第2 章混合动力车辆的发展概况 2 1国内外混合动力车辆发展形势 从全球范围来看，节能减排的紧迫形势导致了未来车辆能源利用方式的重大 改变，推动着新能源汽车时代的到来。作为一项日益成熟的技术手段，各种混合 动力车型正在不断研发，很多产品也已经服务于市场，混合动力车辆已经进入了 快速市场化阶段【5 】。由于在控制机动车能耗排放方面的一个重要措施就是大力发 展城市公共交通，因此不断成熟的混合动力技术使具有较低能耗排放的公交客车 成为了现实，世界各国都在混合动力公交领域投入大量资金和科研力量，很多示 范运行和考核都已经成功实施，从而进一步推动混合动力在重型车领域的快速发 剧6 1 ，本文就是在混合动力客车的基础之上进行的相关试验验证。 2 1 1 混合动力车辆在国外的发展 日本很早就开始了发展混合动力车辆，并早在1 9 9 7 年就率先进行了混合动 力车辆的商业化生产【丌。在出台严格的汽车环保法案、给予达标车辆优惠政策等 措施的影响下，其混合动力汽车技术得到了长足发展，很多本土汽车企业在混合 动力电动汽车研发生产领域一直处于领先地位，其中丰田和本田是目前国际上仅 有的两个能够批量产销混合动力汽车的制造商。丰田的p r i u s 是全球第一款商业 化生产的混合动力车型，其在全球的累积销量早已突破1 0 0 万辆。本田也先后推 出了i n s i g h t 、雅阁( a c c o r d h y b r i d ) 、思域( c i v i c h y b r i d ) 等混合动力车型，在 北美、日本等主要消费市场均取得了不错的销售业绩。在重型车领域，日野生产 的h i m r 混合动力驱动系统就是专门针对重型车辆量身设计的，至今已有3 0 0 多套系统使用在公交车和货运汽车中j 。 作为传统的汽车强国，美国早在9 0 年代初就开始电动车方面的研究，并在 克林顿政府时期正式推出了新一代汽车伙伴计划。三大汽车公司作为这一计划的 主要研发力量，与美国政府签订了混合动力电动汽车开发合同，投入了大量人力 物力，其中通用汽车公司投入1 4 8 亿美元，福特汽车公司投入1 3 8 亿美元，克 莱斯勒汽车公司投入84 8 0 万美元，进行为期5 年的研制开发工作，并于1 9 9 8 年在北美国际汽车成功展出了样车，但由于没有像日本企业一样预先考虑到产品 商业化的问题，研制的产品并不具有市场认可的价值，最终导致该计划破产1 9 。 2 0 0 0 年以来，三大汽车公司总结了低批量生产电动汽车的经验教训，重新规划 其产品的市场定位，结合美国的实际情况将混合动力系统装入在美国市场上销量 4 极大的货车和s u v 等车型中，从而一举使得其混合动力车辆得到了长足的发展。 在2 0 0 4 年1 2 月1 4 日，通用汽车公司与戴姆勒一克莱斯勒汽车公司联合对外宣 布，双方将会在开发混合动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术的不 断发展。目前混合动力技术在美国公交领域的推广力度最大，在美国能源部、交 通运输部和各大汽车企业的联合推动下，开展了多项旨在验证混合动力客车应用 可行性的研究项目，已有超过2 0 0 0 多辆混合动力公交车辆在纽约、旧金山、华 盛顿、休斯顿等城市进行了示范运营，并取得了不错的节能减排效果。 欧洲国家对于混合动力汽车的研发几乎与美国处于同一时期，9 0 年代开始 一些欧洲城市便开始了混合动力客车的示范运行，但与美国、日本倡导的以电能 和汽油机为主的混合动力技术路线有所不同，欧洲国家更加倾向于柴油机和电能 的混合技术研究，这主要是因为欧洲法规比较重视汽车尾气中二氧化碳以及其它 碳氢化合物的排放量，柴油机在这方面比汽油机具有更大的优势，而美国和日本 的法规更加看重汽车的颗粒物排放，这也正是柴油机排放的软肋，因此柴油机技 术在美日的排放认证体系中通常处于不利形势，难以在美日市场上有所发展。目 前，欧盟的车用能源发展战略主要体现在：根据市场需求继续坚定不移地执行柴 油化战略，进一步加强柴油混合动力技术的研究，以期获得更为理想的节能减排 效果；同时积极推进车用能源的多元化，重视发展天然气、氢能源和生物燃料等 新能源。2 0 0 7 年1 月，欧洲宣布了“新欧洲能源政策”，目标是到2 0 2 0 年将欧盟 2 7 国的温室效应气体排放量削减到至少低于1 9 9 0 年的2 0 。欧盟对于温室气体 排放的高度重视，再加上各项政府计划( 如清洁能源伙伴计划、h y f l e e tc u t e 计划等) 和经济激励政策的大力实施，必将成为欧盟先进汽车技术发展的主要动 力，不断推动着混合动力车辆在欧洲市场的快速发展。 2 1 2 混合动力车辆在我国的发展 我国汽车产业曾大力提倡发展电动车辆，但随着美日等主要汽车强国宣布放 弃电动车的研发而使我国的电动车辆陷入研发困境。新世纪，根据我国汽车发展 的实际情况，技术发展路线出现了重大变化，短期目标是大力发展油电混合动力 技术，大幅度降低汽车的油耗排放，长远目标是积极研发资源丰富且无污染的氢 动力燃料电池汽车，取代传统车辆成为汽车发展的主流。鉴于混合动力技术的日 益成熟，以及该技术特别适合于交通拥堵导致的车辆频繁制动情况，混合动力车 辆的商业化已经成为我国汽车产业的当务之急i l 州。自2 0 0 1 年起，国家科技部开 始设立“三纵三横 电动汽车专题项目，按照汽车产品的市场开发规律，在系统 集成技术及整车技术上取得了重大进展，建立了国家政策法规平台、测试检验平 台、研发技术标准平台以及示范运行平台。 目前，国内混合动力车辆市场上主要还是日本丰田汽车公司的普锐斯( p r i u s ) 5 车型，国产奇瑞a 5b s g 、比亚迪的f 3 d m 双模电动车和上海通用君越混合动力车 等混合动力车型也能够少量的投入生产。尽管混合动力车型在国内的产销量都还 很有限，但较大规模并且有资金支持的示范运行项目已在很多城市或地区开展。 在奥运会期间，我国自主研发的混合动力轿车( 如长安的杰勋、一汽的奔腾、奇 瑞的a 5 等) 和混合动力客车都成功地参与了奥运节能新能源车队的示范运行， 向国内外展示了良好的产品技术性能。2 0 0 8 年4 月，中国汽车技术研究中心承 担了北京市混合动力公交车示范运行项目，从车辆动力性、运行可靠性、技术适 用性、燃油经济性和排放性能等多方面成功地完成了串联、并联、混联多种技术 类型的混合动力车辆性能考核。随着“节能与新能源汽车示范推广试点工作”的 推进，以及国家对节能新能源公共服务车辆补贴措施的实施，国内一大批相关生 产厂家，如一汽、东风、长安、奇瑞、上汽、比亚迪、厦门金旅、北汽福田等， 都加快了其混合动力车型的上市进程，少数企业的混合动力汽车已经通过了国家 型式核准。可以预见的是，混合动力汽车在我国将会被越来越多的应用，逐渐成 为新能源汽车的主力军。 2 2混合动力电动汽车的工作原理、分类及运行模式 2 2 1 混合动力电动汽车的工作原理 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，简称h e v ) 是指在一辆汽车 上同时装备电动力源( 电池、超级电容或机电飞轮，电动机) 和热动力源( 主要 为传统的汽油机或柴油机) 的汽车。它能够使整个动力系统按照整车的实际运行 工况要求灵活调控能量分配，确保发动机工作在综合性能最佳的区域内，充分发 挥了发动机和电机的各自优点，从而有效地降低了汽车的油耗与排放【l 。 基于实际路况的控制策略，混合动力车辆将汽车的电机与发动机配合运行， 并在车辆起动、怠速运行或者轻载行驶时可以关掉发动机，由电机单独驱动，起 到较好的节能减排效果。在车辆正常行驶时则由发动机单独驱动。当汽车有更大 的动力需求，如车辆加速和爬坡时，电机和发动机需共同工作来满足行驶要求。 同时在车辆处于减速状态时，制动能量回收系统( r e g e n e r a t i v eb r a k es y s t e m ，简 称r b s ) 会根据减速强度自动调整电动机以发电机模式工作，将制动能量以电 能形式储存，从而实现了制动能源的回收再利用。此外，当电力装置需要充电并 且发动机处于低负荷工作时，发动机就会相应的提高负荷，一边驱动车辆前进一 边带动电机发电为电力装置充电，对于具有可外接充电功能的电力装置则可以直 接从电网获取电能。因此，混合动力电动汽车的原理就是利用高效的可再充式能 量存储系统( r e c h a r g e a b l ee n e r g ys t o r a g es y s t e m ，简称r e s s ) 和电驱动系统， 协助传统的发动机动力系统为车辆提供所需的驱动力。依靠电驱动系统高效、快 6 速和灵活的工作特点，以及稳定可靠的能量管理策略和控制器，在分担汽车动力 需求的过程中实现对发动机工作状态的优化，在减小发动机功率需求的同时提高 运行效率，降低能耗排放量，最终达到汽车节能减排的目的【1 2 】。 2 2 2 混合动力电动汽车的分类 ( 1 ) 根据驱动系统的布置形式不同进行分类 从混合动力车辆的动力系统布置形式来讲，可以分为串联式h e v 、并联式 h e v 和混联式h e v 。串联式h e v 的发动机不直接驱动车辆的传动系，而仅仅 是驱动发电机发电，产生的电能供给电动机，由电动机提供动力满足汽车行驶要 求。多余的电能储存在蓄电池( 或超级电容) 中，蓄电池实际上起着平衡电动机 和发动机输出功率的作用；并联式h e v 的发动机和电驱动系统之间是并行驱动 传动系的，发动机和电机之间是机械耦合关系，可以单独驱动车辆，也可以共同 为车辆提供驱动力。当电动机只是作为辅助驱动系统时，其输出功率可以较小， 主要由发动机提供需求功率。相对于串联式结构，并联式结构通过机械传动机构 直接驱动车辆，其能量的利用率更高；混联式h e v 动力系统的工作模式较为复 杂，综合了串联式h e v 和并联式h e v 的结构特点：发动机既可以与电机一起 直接驱动车辆，同时也可以驱动发电机为r e s s 系统充电而间接地提供车辆所需 的动力，这种结构能根据汽车行驶功率的需求较好地实现汽车的功率要求，也使 得发动机总是工作在最高效率状态下，有效地降低能耗排放，达到较好的环保和 节能效果 1 3 - 1 5 j 。图2 1 2 3 是三种布置形式的结构示意图。 一电气连接 图2 - 1串联式h e v 结构示意图 7 二：竺薹薹 弓一电气连接 图2 2 并联式h e v 结构示意图 机械连接 ( 蒂l 【i 池1 、_ 一电气连接 图2 - 3 混联式h e v 结构示意图 ( 2 ) 根据充电模式的不同进行分类 根据是否依赖电网充电又可将混合动力车辆分为不可外接充电式( n o t o f f - v e h i c l ec h a r g i n g ，简称n o v c ) h e v 和可外接充电式( o f f - v e h i c l ec h a r g i n g ， 简称o v c ) h e v ，很多资料也称为电量维持型( c h a r g e rs u s t a i n a b l e ，简称c s ) 和电量耗尽型( c h a r g ed e p l e t e d ，简称c d ) 【1 6 j 。不可外接充电式h e v 的r e s s 存储系统不能从外界获取电能，只能在车辆运行过程中由发动机或制动过程中的 能量回收系统来给r e s s 系统充电，因此这类车辆能量管理策略的目标一般是使 r e s s 系统的电量维持在一定范围内。可外接充电式h e v 目前也常被称为插电 式( p l u g i n ) h e v ，这类车的动力蓄电池可以连接到车外电网进行充电，因此在 车辆运行过程中能量控制策略通常的目标是将发动机使用最小化、电能量消耗最 大化，使汽车基本处于纯电动或电量消耗状态，从而达到最大程度减少燃油消耗 和污染排放的目的。目前p l u g i n 式h e v 已成为混合动力电动汽车领域内的一个 重要发展方向1 1 7 j 。 ( 3 ) 根据动力分配比例不同进行分类 按照车辆电动力和传统动力的分配比例不同，混合动力电动汽车又可以分为 8 轻度混合式( m i l dh y b r i d ) 、中度混合式( m e d i u mh y b r i d ) 和全混合式( f u l l h y b r i d ) 1 8 - 1 9 】。轻度混合式h e v 是在传统车辆的发动机上装配协助发动机自动 起停的起动电机，大大减少了车辆的起动工况和怠速工况，并且具备一定的制动 能量回收能力，但该电机不能在车辆的行驶过程中提供持续的驱动助力。中度混 合式h e v 的电驱动系统能够为车辆提供较多的驱动助力，但也是同样不能单独 的驱动车辆，只能与发动机协同驱动。全混合式h e v 的电机系统具有较强的驱 动能力，可以独立为车辆提供需求的驱动力，非常适用于排放限制严格的城市， 但该系统也对电动力系统提出更高的技术要求【2 0 。 ( 4 ) 根据r e s s 系统的形式不同进行分类 混合动力电动汽车与常规汽车相比，主要的区别在于其增加了一套车载动力 源，即可再充式能量存储系统( r e s s ) ，它可以单独或者联合发动机共同驱动 车辆行驶。目前该系统主要分为蓄电池、超级电容、飞轮电池三种类型，因此根 据所采用r e s s 形式的不同，相应的h e v 也可以分为蓄电池h e v 、超级电容 h e v 和飞轮电池h e v 三种类型。 2 2 3 混合动力电动汽车运行模式 大多数混合动力电动汽车因为动力系统的特殊性常常具有多种车辆运行模 式，以便于用户能够根据实际行驶的路况进行选择，特别是全混合式h e v 具备 的运行模式最为丰富，通常包括： 常规车辆运行模式( c v m o d e 卜只由发动机提供车辆动力； 纯电动车辆运行模式( e v m o d e 卜只由蓄电池或电容等提供车辆动力； 混合动力车辆运行模式( h e v m o d e 卜发动机和电池共同提供车辆动力。 其中混合动力车辆运行模式又可分为电量维持型模式( 电池s o c 随着车辆 运行维持在某一范围内) 和电量消耗型模式( 电池s o c 随着车辆运行呈连续下降 的趋势) 。当混合动力汽车在多种驱动模式之间进行切换时，由于电机和发动机 的响应特性不同，将导致驱动模式切换前后的传递转矩产生很大波动，从而使动 力传递不平稳影响整车的性能。因此，对于制定能耗排放试验方法的标准而言， h e v 的工作模式切换是一个需要重点考虑的因素。例如，如果车辆工作在常规 车辆运行模式下，则其工作状态与传统汽车无异，这意味着虽然是h e v 车辆， 但用户有可能选择车辆工作在这种能耗排放指标较高的模式下，因此对于混合动 力车辆不仅要研究混合动力模式下的能耗排放，也需要研究在这一运行模式的工 作特性。 2 - 3混合动力车辆常用的测试方法 虽然混合动力车辆与常规车辆在车辆结构、控制策略等方面有所不同，但目 9 前对其进行评价的测试方法基本沿用传统车辆的测试方法，只是在试验程序和设 备上需要满足自己的独特要求。目前对混合动力车辆评价的方法主要包括道路试 验、底盘测功机试验、台架试验和整车模拟试验等。 2 3 1 道路试验 道路试验是目前较为普遍的试验方法。它是从整车的角度出发，在专用的试 验场地上按规定的试验程序进行实车测试，根据最终的道路试验结果评价混合动 力汽车性能的优劣。道路测试方法比较简单、直观，通过试验结果可以很快的评 价整车性能的优劣，为车辆性能的参数标定、控制策略优化以及样车研发等提供 了真实可靠的依据，但由于对试验场地的要求较高和受外界干扰因素的影响较 大，道路测试方法的重复性和可控性较差。 2 3 2 底盘测功机测试方法 底盘测功机试验是室内测试中比较普遍的试验方法。它也是从整车的角度出 发，通过阻力设定精确模拟车辆在实际道路上的行驶阻力，从而在测功机上再现 车辆的道路行驶阻力，这也是底盘测功机试验的关键，将直接影响着车辆的动力 性、能耗排放等性能的研究【2 卜2 2 1 。在此基础之上，参照相关的试验程序进行车辆 性能的评价测试，图2 - 4 所示是汽车的底盘测功机试验。相比与道路测试方法， 底盘测功机试验能够精确控制试验室内的环境条件、行驶条件等可变因素，试验 结果能够达到满意的致性和重复性，但由于试验设备较为昂贵，这对处于研发 阶段的企业来说压力较大，生产成本较高。 图2 - 4 底盘测功机试验不恿图 2 3 3 台架试验 台架试验是把混合动力车辆的关键部件如发动机、蓄电池、变速器、电动机 发电机等按照预定的布置方案安装在动力总成台架上，并利用c a n 总线将台架 控制系统与各总成部件的e c u 、整车的多能源控制器连接起来。在试验中实时 控制混合动力总成的各项参数，使用相关的测试设备完成动力性等整车性能的试 1 0 验【矧，图2 5 是并联式动力总成台架能耗排放试验示意图。台架试验的显著优点 是动力总成部件的布置方案不再受整车总布置的限制，其模块化设计可以大大提 高试验效率，减少了开发成本的同时还缩短了车辆的研发周期。 图2 - 5 并联式混合动力总成台架试验结构示意图 2 3 4 整车模拟法 整车模拟法是在台架测试系统基础之上新发展的一种测试方法。该方法利用 硬件在环仿真( h a r d w a r ei nl o o p ，简称h i l ) 技术把整车的车速时间循环转化 为发动机的转速扭矩循环，并建立电动机发电机、发动机等关键部件的数字信 号处理( d s p ) 模型【2 4 l 。建立的d s p 模型根据控制系统的控制信号可以模拟出 试验需要的的运行模式，利用转换的测试循环在台架上进行发动机试验，从而测 得汽车各种性能的试验结果。整车模拟法是台架试验的延伸，解决了整车测试工 况与发动机测试工况脱离的实际问题，能够达到满意的测试要求，但由于缺乏各 总成部件的标准模型，其通用性较差，如图2 - 6 为整车模拟的示意图。 主要参数： 发动机扭矩 汽车质量 一瞒量 变速器效率 - 转动比 r e s s ( 开路