插电式混合动力电动客车动力系统控制策略设计.docx

毕业论文（设计）论文（设计）题目 插电式混合动力电动客车动力系统控制策略设计学 院专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2015 年 月日 插电式混合动力电动客车动力系统控制策略设计摘要：当今世界，随着经济、科技的高速发展，人们也日益意识到能源的问题。作为世界经济、科学发展的支柱产业之一的汽车业，也面临着新的挑战与机遇。为了减少燃油的消耗并降低有害气体的排放，目前汽车业的发展方向为混合动力汽车与电动汽车。传统混合动力汽车，能减少一定的燃油消耗，但是并不能彻底实现燃油替代。而电动汽车实现了零油耗，零排放，但是续驶里程较短。因此，结合了两者优点，可通过外部电网充电的插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，以下简称P-HEV）成为了研究的热点。本文根据P-HEV技术的研究现状与发展趋势，以满足整车动力性能和提高整车经济性能为目标，设计适合于城市工况的P-HEV客车动力系统，并设计适用于该客车的控制策略。本文首先进行P-HEV客车动力系统关键部件设计，包括发动机、电动机、电池的选型与参数匹配，并在AVL CRUISE软件中构建P-HEV客车的整车模型。通过分析车辆在各个工作模式下的能量流动，针对P-HEV客车的特点，设计基于规则的逻辑门限值的控制策略，在MATLAB/SIMULINK中建立P-HEV客车动力系统控制策略的仿真模型。最后通过CRUISE与MATLAB/SIMULINK的联合仿真，检验控制策略的效果。仿真结果表明，本文设计的P-HEV客车，在满足动力性要求的基础上，能量消耗明显下降，尾气排放明显减少，达到设计目标。关键字：插电式混合动力；动力系统；控制策略；CRUISE仿真；燃油经济性 IAbstractPlug-in hybrid electric bus power train control strategy designAbstract: The world today, with the rapid development of economy and technology, people are increasingly aware of the problems of energy. As the pillar industries of the worlds economic, scientific development, automobile industry is also facing new challenges and opportunities. In order to reduce fuel consumption and reduce harmful exhaust emissions, the direction of development of the automotive industry is hybrid vehicles and electric vehicles.Traditional hybrid vehicles can reduce fuel consumption, but not the full realization of the alternative fuel. Electric vehicles to achieve a zero fuel consumption and zero emissions, but the short for driving range. Combines the advantages of both, the Plug-in Hybrid Electric Vehicle (hereinafter referred to as the P-HEV) which can be charged by an external grid has become a research hot spot.Based ontheresearchstatus and development trendoftheP-HEVtechnology，tomeet the goal of vehicle dynamic performanceandimprovethevehicleof economicperformance, design the P-HEVbuspowersystem which is suitable forurban conditions,and designthe buscontrol strategy.Firstly,design thekey componentsofthe P-HEVbuspowersystem, includingthe selection matches the parameteroftheengine, electric motor, battery, andbuildtheP-HEV bus model in software AVLCRUISE.Designrule-basedlogicthresholdcontrol strategythroughtheanalysis ofthe energy flowofvehiclesineachoperating mode, the characteristicsoftheP-HEVbus, establishedin MATLAB / SIMULINKsimulation model oftheP-HEVbuspower systemcontrol strategy.Finally, build aCRUISEand MATLAB/SIMULINKsimulation,inspect and control the effects ofthestrategy.Thesimulation results show thatthis paper, the design of theP-HEVbus, tomeet thepower requirementson the basis ofenergy consumption decreasedemissions significantly reducedto achievethedesign goals.Keyword：Plug-in Hybrid Electric Vehicle; Vehicle Control Strategy; Modeling in CRUISE; Fuel EconomyIII目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1 研究背景和意义11.2 国内外插电式混合动力控制策略的研究状况41.2.1 国内外研究理论41.2.2 国内外研究方法及进展情况51.3 本文研究内容71.4本章小结7第二章 插电式混合动力客车动力系统设计与建模82.1 P-HEV动力系统概述以及国内外P-HEV介绍82.2 P-HEV客车的部件选型112.3 P-HEV客车的参数匹配122.3.1 电机/发电机参数匹配132.3.2 发动机参数匹配152.3.3 电池参数匹配152.3.4 传动系速比参数匹配172.4 P-HEV客车整车模型182.5 P-HEV客车动力系统主要模块182.5.1 发动机模块182.5.2 电动机模块202.5.3 电池模块212.5.4整车模块222.6 本章小结23第三章 P-HEV客车控制策略设计与建模243.1 P-HEV客车动力系统各工作模式下的能量流动243.1.1 P-HEV的工作模式243.1.2 电量消耗模式的能量流动243.1.3 电量保持模式的能量流动253.1.4 再生制动模式的能量流动253.2 P-HEV客车动力总成的控制策略263.2.1 控制策略概述263.2.2 本文采用的控制策略263.3 控制策略模型323.3.1 整体模型323.3.2 发送机起停控制模块323.3.3 负荷计算模块333.3.4 各个工况下的动力输出控制模块333.3.5 制动模块343.4 本章小结34第四章 P-HEV客车整车仿真354.1仿真软件AVL Cruise简介354.2P-HEV客车整车联合仿真设置364.2.1 联合仿真参数设置364.2.2 车辆仿真循环工况的选择384.3 P-HEV客车整车性能仿真与分析394.3.1 基于工况的P-HEV客车整车仿真结果与分析394.3.2 P-HEV客车整车动力性仿真结果与分析454.3.3 P-HEV客车整车经济性与排放性仿真结果与分析454.4本章小结46总 结47参考文献48致 谢50VII第一章 绪 论1.1 研究背景和意义自从第一辆车诞生以来，汽车作为20世纪人类最重要的交通工具，对人类的发展做出了不可磨灭的贡献。汽车工业作为许多国家的支柱产业，在其产生巨大的经济效益与科技贡献的同时，也带来了能源与环境的问题。众所周知，能源和环境是实现可持续发展的必要条件。这两个问题已经被越来越来多的国家所关注与重视。作为全球最重要的能源资源石油资源的日益枯竭，已经对人类敲响了警钟。据保守估计，到2050年，石油资源将在全球范围内耗尽。汽车工业对于石油的依赖程度是巨大的，石油资源的枯竭必将严重阻碍汽车工业的发展。因此，对汽车工业来说，减少和消除对石油的依赖是一项有关全球经济安全和能源安全的紧迫任务，这样做的具体途径有二种:一是提高现有车辆的燃油经济性；二是开发不依赖石油的新能源汽车。另外，随着社会的发展，传统汽车保有量逐年增加，又加速使得能源问题更加突出，它又引起环境、资源问题等，最后这一系列的问题陷入了恶性循环。而如今随着动力电池、电机等汽车电子技术的发展，电动汽车具有了有效解决上述问题的可能性1。20世纪70年代初期，世界上许多国家如美国、日本等都因为能源危机和石油短缺开始发展电动汽车。但由于石油价格的回落，在电动汽车商业化发展起来之前，能源问题已不再严重。其高昂的价格和较短的续驶里程，使其商业化失去了动力。进入20世纪90年代，由于节能和环保的要求，混合动力汽车(HEV)应运而生。其代表就是日本丰田的混合动力轿车Prius、美国克莱斯勒的第二代道奇无畏ESX2型混合动力轿车、日本本田的混合动力轿车Insight。进入21世纪以后，混合动力汽车进入了快速发展时期，世界各大汽车厂商都推出了混合动力汽车的样车。HEV的特点是：由于采用两套动力装置，可以在使用较小排量的发动机，同时在整车控制系统的作用下，发动机和电机都能工作在最佳效率区，能有效降低车辆燃油消耗。例如，以节油率最佳的丰田Prius汽车，在我国实测它与传统内燃机汽车丰田花冠(Corrolla)的油耗在不同工况平均节油率为39.6，平均百公里节油可达3.07L。所以使用电动汽车，可以有效地减少对石油资源的依赖。向蓄电池充电用到的电能可以由水力、太阳能、风能、潮汐等可再生能源转化。此外，夜间向蓄电池充电，能够可以避开用电高峰，这有利于电网的均衡负荷，减少费用。未来10年，混合动力电动汽车将会迅速发展，并占有一定的市场规模。但是HEV仍存在着三大主要问题一一价格高、效率低、仍然使用较多汽油/柴油2。目前HEV的发展方向是可外接充电式混合动力电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，以下简称P-HEV ) 。P-HEV具有较长纯电动行驶距离，而且在需要时仍然可以以全混合模式工作。其最大的特点是，将混合动力和纯电动的驱动系统相结合，可以大大改善车辆的排放性和燃油经济性，提高车辆的的动力性能和续驶里程3。因此P-HEV是一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车过渡的最佳方案4。传统的混合动力汽车已经给美国的能源消耗和能源安全带来了显著的效益。依据EPA(美国环保局)的数据，最高效的混合动力汽车，可以比传统汽车减少40%的燃料消耗。不仅如此，P-HEV还可以利用电能代替一半剩余的燃料消耗，因此，照这样计算，P-HEV可以相比于传统汽车减少至少70%的燃料消耗5。图1-1是关于传统燃料汽车，HEV以及P-HEV的经济性比较，不难看出，P-HEV相对于传统汽车和HEV在经济性上优势。在其续驶里程内，P-HEV可以依靠其电池的电力来行驶，而不必依赖发动机；当行驶里程较长时，P-HEV优先使用电力，当SOC值低于一定程度时，再使用发动机。这样的能量分配使得其经济性，在短途上油耗远远低于传统内燃机汽车与HEV，在长途上比传统的汽车提高了3550%，比普通的HEV提高了1035%。图1-1P-HEV与传统汽车、HEV经济性的比较P-HEV同样可以大大改善传统汽车尾气排放的品质。P-HEV可以通过控制策略的合理安排，调节工作模式，减少发动机工作，提高发动机在高效率、低排放区域工作的机会，从而减少温室气体和其它有毒气体的产生6。我国是能源消费大国，石油地质资源量为765亿吨，但可采资源量仅为212亿吨。另外，从1993年开始，我国成为能源净进口国，每年石油进口量不断增加。到2007年，我国进口原油1.56亿吨，预计我国的石油总需求规模在2010年将达到3.5亿吨，石油进口依存度将达51.4%一52.6%。从国家能源安全和环境保护上看，大力发展P-HEV对我国有着重大的战略意义7。为此，国家出台了一系列的法规政策。例如国家新能源汽车三纵三横发展规划，这是我国近期、中期和远期新能源汽车发展导向性政策，也是我国新能源汽车发展的战略布局，见图1-2。图1-2 电动汽车重大专项提出的“三纵三横”研究开发布局及其组织管理模型在这三纵三横发展规划中，新能源汽车近期发展的主要方向之一就是插电式混合动力客车8。1.P-HEV的特点（1）P-HEV的主要优势P-HEV有纯电动汽车的全部优点。可利用晚间用电低谷时对电池充电，改善电厂的机组效率，节约能源；纯电动工况行驶时为零排放；大大降低对石油燃料的依赖9。（2）P-HEV的工作模式根据车上电池荷电状态SOC的变化特点，可以将P-HEV的工作模式分为电量消耗、电量保持和常规充电模式，其中电量消耗又分为纯电动和混合动力两种子模式，电量保持也分纯电动、混合动力（电机辅助）和发动机驱动并充电三种子模式10。“电量消耗一纯电动”、“电量消耗一混合动力”和“电量保持”模式之间能够根据整车管理策略进行无缝切换，切换的主要判据是整车负荷需求和电池的荷电状态SOC11。2.市场前景插电式混合动力客车是P-HEV的一种。从目前发达国家的应用情况来看，混合动力客车主要用于城市公交12。P-HEV的纯电动模式能行驶五、六十公里甚至更远，一般的市内交通客车每次行驶里程不会超过100km，因此，对于插电式混合动力电动汽车，无论是从节能减排方面考虑，还是从运营成本方面分析，再加上有政府购车补贴优惠，其市场吸引力应该不会小。1.2 国内外插电式混合动力控制策略的研究状况1.2.1 国内外研究理论国内外插入式混合动力汽车对控制策略的研究越来越多，控制方法也不断创新。P-HEV控制策略主要可以归纳为以下几类：基于规则的逻辑门限值控制策略、瞬时优化控制策略、智能型控制策略、全局最优控制策略、自适应控制策略。1）基于规则的逻辑门限值控制策略逻辑门限值控制策略是基于规则的控制策略。其基本思想主要是根据电池SOC状态值和发动机效率Map图，以转速、扭矩、功率等参数为门限，确定动力电池和发电机组之间的能量分配关系。该类型控制策略简单有效，实用性强，开发周期短，同时也是高级控制策略的基础。因而得到广泛应用13。2）瞬时优化控制策略瞬时优化控制策略的控制目标为控制“名义油耗”消耗的最少。所谓“名义油耗”，指的是将电动机的能量消耗转化为等效的油耗，结合发动机万有特性图，得到以发动机与电动机作为整体动力源的万有特性图。该控制策略是优化控制名义油耗的万有特性曲线，从而实现对发动机和电动机的联合控制。另外，该策略还能将排放一同考虑，可采用多目标优化技术，采用一组权值来协调排放和燃油同时优化存在的矛盾14。3）智能型控制策略智能型控制策略主要应用模糊逻辑、神经网络、遗传算法及粒子群优化算法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配，具有较强的鲁棒性。智能控制非常适合用于并联混合动力汽车能量消耗系统的控制15。（1）模糊逻辑控制模糊逻辑控制核心是模糊控制器，由规则库、推理机制、模糊化接口和去模糊化接口组成。模糊逻辑控制是首先将传感器的信号模糊化，然后应用相关规则，对模糊量判断，得出模糊结论，最后将结论去模糊化，转为精确控制量，进而对车辆发出控制命令。模糊控制具有良好的控制品质，应用前景广阔。（2）神经网络控制神经网络控制是一种模仿生物神经网络行为特征，以信息的分布式存储和并行处理为基础的数学算法模型。这种控制方法具有自学习能力，对信息处理的方法与人的大脑处理信息相似，因而自适应能力很强，且有很好的非线性函数逼近能力。（3）遗传算法遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础之上的迭代自适应概率性搜索算法。它能同时搜索空间上的很多点，且能充分搜索，因此能够实现快速全局收敛。只需要评价用的适应函数，而不需要其它形式信息，这些使得遗传算法对问题的适应能力很强。（4）粒子群优化算法粒子群优化算法是一种进化计算技术，源于对鸟群捕食的行为研究。同遗传算法类似，是一种基于叠代的优化工具，但并没有遗传算法中的交叉及变异，而是粒子在解空间内追随最优的粒子进行搜索。其优势之一是采用实数编码，而不需要像遗传算法一样采用二进制编码，且粒子群优化算法中并没有许多需要调节的参数，可进行全局和局部寻优。4）全局最优控制策略16由于瞬时优化控制策略不能保证在整个运行区间最优，因此需要一种保证能在全局范围内最优的控制策略。这种控制策略应用最优化方法和最优化控制理论开发出混合动力驱动力分配控制策略。主要思想是：基于多目标数学规划或者Bellman动态规划理论以及最小值原理的全局最优化理论，建立以整车燃油经济性，或将经济性和排放性加权，作为目标函数，系统状态变量为约束的全局优化数学模型。5）自适应控制策略自适应控制具有一定的适应能力，可以识别外部环境的变化，并根据这些变化，自动校正控制动作，从而达到最理想的控制效果。在混合动力汽车的应用中，动态自适应控制是根据发动机的燃油经济性和排放性要求，通过最优控制理论，构建相应的目标函数，并寻求目标函数最小值，该最小值相对应的燃油经济性和排放性即为理想值。1.2.2 国内外研究方法及进展情况2007年，美国俄亥俄州立大学学者Pierluigi Pisu and Giorgio Rizzoni对并联式HEV的三种不依赖于工况预测的控制策略进行了对比研究，包括基于规则的控制策略、自适应等效油耗最小控制策略和鲁棒控制策略，并与动态规划法得到的最优结果进行比较，仿真结果显示，自适应等效油耗最小控制策略（A-ECMS）的表现最好17。2008年，美国密歇根大学学者Jinming Liu and Huei Peng以丰田PRUIS为对象，建立了THS动力系统的动力模型，提出了随机动态规划法SDP和等效油耗最小控制策略ECMS，并与动态规划法DP得到的最优解进行对比。仿真结果显示，两种方法的燃油经济性都能达到近似最优，相比之下SDP比ECMS的燃油经济性更加好。不足是SDP和ECMS两种方法都比较依赖于工况预测18。2008年，韩国学者Kukhyun Ahn, Sungtae Cho and Suk Won Cha提出一种多目标优化方法，应用帕累托最优理论，找出最优工作点POP，并代入等效燃油消耗算法EFC，得到多目标能量管理控制策略。仿真结果显示，该方法得到的燃油经济性与动态规划法没有明显区别，而时间可大大缩短。不足是在大负荷状态时燃油消耗较大，原因是转换因子选择不当19。2009年，美国福特汽车公司学者Georgia-Evangelia Katsargyri, Ilya V. Kolmanovsky, John Michelini等提出一种基于路况预测的HEV最优控制方法，以等效油耗最低为原则，最优控制电池SOC值。仿真结果显示，这种方法得到的燃油经济性有显著提高，而且电池SOC值保持情况较好。不足是仍然依赖于工况预测，特别是速度轨迹的给出20。2011年，同济大学汽车学院的张松，东京大学生产技术研究所的吴光强以及上海理工大学机械工程学院的郑松林在开发的P-HEV能量管理策略基础上, 建立整车仿真模型。利用自适应惯性因子对基本粒子群算法进行改进。为克服单一优化算法的固有缺陷, 将改进粒子群算法和遗传算法组成混合优化算法,并将该混合算法应用于P-HEV能量管理策略的多目标优化。优化结果表明, 该算法能有效跳出局部最优, 其寻优能力明显高于基本粒子群算法和遗传算法, 优化后的P-HEV油耗和尾气排放相对于优化前减少30%21。2011年，上海汽车集团股份有限公司技术中心林潇、张君鸿基于对混合动力汽车能量管理策略优化的目的, 建立了丰田Prius的数学模型,采用粒子群优化算法对该包含众多约束条件的非线性优化问题进行了求解，利用PSAT专业软件对比分析了基本型优化控制算法、改进型优化控制算法和规则控制算法等的控制效果及燃油经济性。结果表明, 经过优化后的Plug-in混合动力汽车在不牺牲汽车各项性能的前提下能提高动力系统工作效率22。2011年，Namwook Kim, Sukwon Cha, Huei Peng 等人提出基于庞得李亚金最小值原理PMP算法的等效油耗最小控制策略ECMS，并提出通过拟合有效SOC变化率和有效需求功率得到最佳修正参数。使HEV油耗达到近似最优，并可用于实时控制。不足是依赖于工况预测23。从国内外学者的研究中，我们可以看到上面提到的这几种控制策略各有优劣。而相对于瞬时优化控制策略、智能型控制策略、全局最优控制策略、自适应控制策略这些比较高级的、智能的控制策略，这些控制策略的计算量较大，相对较为复杂，而基于规则的逻辑门限值控制策略虽然较为简单，但是其实用性较强，操作性好，比较适合控制策略的入门，同时它是高级的控制策略的基础，故本文选择基于规则的逻辑门限值控制策略作为研究方向。1.3 本文研究内容本文的研究内容如下1）学习研究P-HEV客车动力系统以及控制策略的相关原理。2）设计完成P-HEV客车动力系统方案，确定动力总成形式，完成电动机、电池组、发动机、发电机等主要部件的选型与参数匹配。3）在AVL Cruise软件中建立P-HEV客车整车仿真模型，对电动机、电池组、发动机、发电机等动力系统主要部件进行建模。4）根据城市公交客车的一般工况，在满足动力性的条件下，基于规则的逻辑门限值控制策略，以提高燃油经济性为主要目标，设计P-HEV客车动力系统控制策略，并在MATLAB /SIMULINK中建立控制策略仿真模型。5）对P-HEV客车整车模型进行AVL Cruise软件与MATLAB /SIMULINK的联合仿真，分析仿真结果，比较优化控制前后经济性与排放性。1.4本章小结本章主要介绍了P-HEV的发展以及其特点与工作模式。随后，介绍了国内外的控制策略的研究情况，选择了基于规则的逻辑门限值控制策略作为本文的研究方向。最后，简要的介绍了本文的主要的研究内容。47第2章 插电式混合动力客车动力系统设计与建模插电式混合动力客车动力系统设计方案主要客车的整车参数，动力性指标，动力系统的类型以及各部件的选型以及参数确定。本章将详细介绍对一种现有的HEV客车进行改装为插电式客车并进行参数匹配的具体过程。2.1 P-HEV动力系统概述以及国内外P-HEV介绍插电式混合动力电动汽车(Plug-in HEV)，简称P-HEV，是一种可外接充电的新型混合动力汽车。其动力系统主要可分为并联式、串联式和混联式三种结构。1）并联式P-HEV并联式P-HEV的发动机和电动机是两个相对独立的系统，即可实现纯电动行驶，又可实现内燃机驱动行驶，在功率需求较大时还可以实现全混合动力行驶，在停车状态下可进行外接充电。其动力系统结构原理图如图2-1所示。动力电池组发动机功率转换器电机变速器减速器离合器耦合器图2-1 并联式P-HEV动力系统简图2）串联式P-HEV动力电池组发电机控制器电动机变速器减速器发动机串联式P-HEV，通常称为增程式电动车，其特点是发动机带动发电机发电，发出的电能通过电动机控制器直接输送给电动机，由电动机驱动汽车行驶。其动力系统结构原理图如图2-2所示。图2-2串联式P-HEV动力系统简图3）混联式P-HEV混联式P-HEV驱动系统是串联式与并联式的综合，可同时兼顾串联式和并联式的优点，但系统较为复杂。在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主；停车时，可通过车载充电器进行外接充电。其动力系统结构原理图如图2-3所示。动力电池组发电机功率转换器电机耦合器离合器变速器减速器发动机图2-3 混联式P-HEV动力系统简图自上世纪90年代以来，国外一些大学、实验室和工业部门一直在进行P-HEV的研究。其中的杰出代表有University of California Davis(UC Davis)，the Electric Power Research Institute (EPRI), Argonne National Laboratory (ANL) 和 California Cars Initiative (CalCars)等机构。2000年EPRI的 Market Study发起成立了旨在促进P-HEV的商业化的Hybrid Electric Vehicle Alliance(HEVA)组织；2006年，插电式混合动力汽车(P-HEV一一Plug-in Hybrid Electric Vehicle)项目在美国能源部自由车和车辆技术项目处提出，这个项目计划将在2016-2020年实现P-HEV的商品化生产。下表2-1是国外厂家生产的P-HEV车型24。表2-1 国外混合动力汽车车型结构形式发动机电机蓄电池Prius混联式1.5升4缸汽油，57kW/111Nm永磁同步电动机，33kWNiMH201.6V；6.5AhLexus LS600h混联式5.0升V8汽油直喷发动机，290kW/520Nm峰值功率165kWNiMH288VInsight并联式1.0升3缸汽油机；50kW/90Nm永磁同步电机，10kWNiMH144V；6.5AhCivic并联式1.3升汽油机，70kW/123Nm永磁同步电机，15kW/103NmNiMH158VTino混联式1.78升4缸汽油机，74kW/141Nm永磁同步电机驱动和再生制动，17kW；另配一电机用于启动发动机和给电池充电Li-ion345V，3.6AhEscape并联式2.3升4缸汽油机，99kW/175Nm65kW电机用于启动发动机给电池充电和助力；另一28kW电机用于再生制动NiMH336VPercept混联式1.3升3缸汽油机，44kW/170Nm23kW交流感应电机驱动和再生制动；10kW电机启动发动机、充电、再生制动NiMH348VDuoIII并联式1.9升4缸TDI柴油机，66kW永磁同步电机，21.6kW铅酸电池，264V，26.5Ah在美国，受到普遍关注的是通用公司的P-HEV概念车雪佛兰Volt。除Volt以外，其他P-HEV还有通用公司的土星VUE；凯迪拉克公司的插电式Convert；欧宝公司的插电式Ampera；克莱斯勒公司的插电式Town&Country；福特公司的Escape P-HEV等。日本方面有丰田公司生产的轻量插电式混合动力“FFV I/X”、Hi-CT、P-HV，丰田Puris，三菱PX-Miex，铃木雨燕串联P-HEV等。德国各大汽车公司方面有奔驰推出的Blue Zero E-Cell Plus和Vision S500插电式混合动力车，宝马Vision Efficient Dynamics插电式混合动力车等。在我国开发P-HEV的企业不多，主要有上汽提出2012年将生产荣威550（P-HEV款）；长安汽车公司加速推出插电式混合动力车、纯电动车的产业化研发；还有比亚迪的F3DM；奇瑞瑞麒M1等。客车方面，主要是国内的一汽、二汽、北汽、宇通、金龙等一些客车厂家的在P-HEV上的尝试。下表2-2是国内厂家生产的P-HEV的车型25。表2-2 国内主要汽车厂家产品汇总表电动汽车类型产品名称主要研制单位混合动力轿车奔腾B70混合动力轿车一汽集团风神S30混合动力车东风汽车公司奇瑞A5混合动力车奇瑞汽车公司长安杰勋混合动力轿车长安汽车公司比亚迪F3DM混合动力比亚迪汽车公司荣威750混合动力轿车上汽集团和悦混合动力车江淮汽车集团混合动力客车解放牌混合动力客车一汽集团东风混合动力城市客车东风汽车公司长安牌混合动力客车长安汽车公司安凯混合动力客车安凯汽车福田欧V混合动力客车北汽福田宇通牌混合动力客车郑州宇通黄海牌混合动力客车黄海汽车有限责任公司中通牌混合动力客车中通客车少林混合动力客车少林汽车YCK6128HEV混合动力客车中大汽车集团XMQ6120G混合动力公交厦门金龙2.2 P-HEV客车的部件选型本文采用的是在原有车型的基础上，改装HEV得到P-HEV的做法。具体选择的是一汽的CA6120URH1混合动力电动公交客车，见图2-4所示。参考国内外相关数据并结合道路情况，选定P-HEV的动力性指标为：1.当处于混合动力行驶状态时：1）最高车速：90km/h；2）最大爬坡度：大于20%；3）0加速到40km/h所需时间：小于20s。2.当处于纯电动行驶状态时：1）最高车速：85km/h；2）最大爬坡度：大于20%；3）平均车速：40km/h；4）续驶里程：60km；图2-4一汽CA6120URH1混合动力公交客车选定本客车的结构类型为并联双轴式。原有车型的基础上，由计算结果，确定其发动机保持不变，即BF6M1013-22E3发动机。电机/发电机选择永磁同步电机，电池选择里离子充电电池。下面讨论具体的参数匹配。2.3 P-HEV客车的参数匹配客车的整体尺寸以外部参数见下表2-3。表2-2客车样车参数参数数据参数数据整备质量Ma (kg)10755风阻系数Cd0.75满载M (kg)18000滚动阻力系数f0.015长 (mm)11995传动系数0.85宽 (mm)2550轴荷（空）3335/7420高 (mm)3250轴荷（满）6500/11500轴距 (mm)6100前/后悬 (mm)2600/3290迎风面积A (m)8前/后轮距 (mm)2050/18472.3.1 电机/发电机参数匹配电动机参数匹配主要包括电动机的额定功率和峰值功率、电动机的额定转速和最高转速、电动机的额定转矩和最大转矩的选择。1）电机额定功率与峰值功率的估算26-27（1）根据最高车速（80 km/h）来确定最大功率：（2-1）公式中，一一传动系总功率，取0.85；一一车辆满载质量，kg；一一重力加速度，9. 8m/s2；一一滚动阻力系数，0.013 ；一一空气阻力系数；一一迎风面积，m2。（2）根据加速性来确定最大功率:汽车在加速过程中，电机所需要的最大功率为：（2-2）（2-3）公式中，一一汽车旋转质量换算系数，81；一一车轮的转动惯量，kg.mz；一一飞轮的转动惯量，kg.mz；一一车轮滚动半径；变速器速比；主减速器速比。根据加速性能要求是0-40km/h的加速时间不超过20s来计算。（3）根据爬坡性能计算最大功率爬坡性能计算公式为：（2-4）其中。根据性能指标，计算坡度为20%，稳定车速12km/h所需要的功率。通过最高车速，加速性能以及爬坡性能的计算得出：，分别为100.85kw，70.58kw，72.70kw。再考虑到20%的后备功率，所以峰值功率取值为120kw。而额定功率与峰值功率之间的关系有：（2-5）公式中，为电机的过载系数，一般取1.62.0。用1.6带入，得出为75kw。2）电机最高转速及额定转速的选择电动机的最高转速会对电动机成本、制造工艺和传动系的尺寸有很大的影响。转速在6000r/min以上的为高速电机，而以下为普通电机。前者成本高、制造工艺复杂而且对配套使用的轴承、齿轮等有特殊要求，一般适用十电动轿车，很少在混合动力客车上使用。因此本文采用最高转速不大于6000r/min的普通电机28。本文选择的转速范围是0-4000r/min。3）电机的电压选择电机额定电压的选择与混合动力客车动力的电池组电压密切相关。在相同输出功率条件下，电池组电压高则电流小，并且对导线和开关等电器元件要求较低，但与此同时较高的电压需要数量更加多单体电池串联，引起动力性的下降和成本及整车质量的增加并且难于进行布置。电机额定电压一般由电动机的参数决定，并与电动机额定功率成正比，电动机的额定电压越高，则电动机的额定功率越大。考虑上述结果，本文确定电动机的额定电压为525V。从ADVISOR里选择合适的电机类型，然后修改参数得到需要的电机模型。数据参数如下表2-4。表2-4 电机参数类型数值类型数值峰值功率120kw转速范围0-4000r/min额定功率75kw质量145kg峰值扭矩840Nm电压525V额定扭矩325Nm-2.3.2 发动机参数匹配发动机主要是计算其在最高车速，加速工况以及爬坡工况下的功率值。其计算的公式是公式（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）四式。计算时，取为95km/h， 0加速到40km/h为20s内，最大爬坡度i大于20%，爬坡速度为15km/h，计算得出发动机的额定功率为162kw。发动机的具体参数见下表2-5。表2-5 发动机参数型号BF6M1013-22E3发动机型式四冲程、二列六缸、水冷、增压中冷、直接喷射电控柴油后置发动机供应商大柴发动机位置后置发动机马力(Ps)276额定功率(Kw)203额定功率-转速(rpm)2300最大功率(Kw)162最大扭矩(N.m)640最大扭矩-转速(rpm)1700燃料类型柴电混合油箱容积(l)190综合油耗（L/100km）油耗/气耗（标况）33（L/100km）排量（ml）6060排放标准欧III重量 kg6202.3.3 电池参数匹配P-HEV动力电池必须可靠地为电机提供所需功率和能量。电池的功率必须能够覆盖电机所需有的峰值功率，另外，电池必须具有满足一定的行驶里程以及瞬时大电流需求足够的能量和容量。1）电压等级各种车型的电池的电压等级各不相同，主要的电压等级类型见表2-6。表2-6 各种车型的电压等级统计表车型电压等级传统轿车电启动系统12V传统轿车ISG系统36V采用ISG结构的混合动力轿车144V采用串并联结构的混合动力轿车以及纯电动轿车288-350V采用串并联结构的混合动力客车以及纯电动客车350-650V由此，初选本文的选择的电池电压为500V左右。2）电池容量P-HEV的续驶里程取决于电池容量。若携带的能量过少，则在纯电动行驶工况下，其续驶里程较短，不能满足人们出行的要求，同时也体现不出P-HEV节能的优势。若携带的能量过多，虽然续驶里程变长，但这需要大容量的电池，这势必将增加电池的体积与质量，进一步加大了整车的质量，从而导致P-HEV的成本增加。所以，电池需要选择合理的续驶里程从而确定其电池大小。根据美国私人交通调查报告(NPTS)，普通家庭口常行驶里程在60miles内的累计概率是60%，因此60miles的纯电动续驶里程将满足大部分家庭的正常使用29。再根据性能设计要求，本文选择续驶里程为60km。另外，还要考虑到电池的放电程度。对于P-HEV的电池，在SOC低于某一较低值后，继续放电，则会出现深度放电现象，这会影响电池的性能与寿命。所以，电池的使用限额是30%-100%（100%是完成电网充电）。电池的额定能量由下式得到：（2-6）（2-7）（2-8）公式中，电池额定能量；电机的等效匀速行驶的功率；等效匀速行驶的续驶里程，60km；电机总效率，0.81。计算得到电池的额定能量为 93.83kWh。电池的额定容量（Ah）根据下式得到：（2-9）电池电压，取525V。得到是178.72Ah，取整为180Ah。具体参数见下表2-7。表2-7 电池参数电池类型锂离子电池电池电压525V电池容量180Ah电池能量93.83kWh根据已知数据选择电池类型，选择为180Ah A型锂离子电池，在电压140V，电流分别为18A，54A，180A时的放电特性见下图2-5。图2-5180Ah A型锂离子电池的放电特性。2.3.4 传动系速比参数匹配系统的传动系速比需要考虑发动机与电机两者的工作转速范围，由表2-4，表2-5可以得出，发动机主要工作的转速范围是800-3000r/min，而电机的工作转速是0-4000r/min。考虑到，发动机的最大转矩转速是1700r/min，电机的最大转矩转速是500-1250r/min。为了使发动机跟电机工作在较优的区域，将最大的转速定为3000r/min。根据汽车理论的公式，（2-10）公式中得出，=4.63。再根据（2-11）得（2-12）得出，=3.41，根据汽车理论，选择四档变速器，其中一档、二档、三档以及四档的速比分别是3.41，2.13，1.42，1。2.4 P-HEV客车整车模型在Cruise中建立新的工程模块new_Project，其下建立ver 0001表示第1个模型。如下图2-6。它包括以下模块：车辆模块，发动机模块，电机模块，电池模块，3个单级齿轮变速器模块，离合器模块，变速器模块，差速器模块，4个制动器模块，6个车轮模块，驾驶室模块，显示器模块，ASC控制器模块，MATLAB /API模块模。将各个模块如下图连接。然后连接数据总线，使得模块间能够互相传递数据，并使整个模型能够与MATLAB/SIMULINK连接进行联合仿真。见图2-6。图2-6 Cruise整车模型2.5 P-HEV客车动力系统主要模块用ADVISOR软件建立整车的模型，修改相关参数，使得该整车模型，作为所需的数据参考模型。整车模型中，分别建立整车，发动机，电机，电池等主要模块。2.5.1 发动机模块本例的发动机数据参考ADVISOR中建立的P-HEB整车模型的发动机数据和Cruise中卡车模型的发动机数据。参数的设置见表2-9。表2-9 发动机设计的参数Engine Type发动机类型Diesel 柴油机Charger增压Tc With intercooler 增压中冷Numberof Cylinders气缸数6Number of Strokes冲程数4idle Speed怠速转速680 rpmMaximum Speed最高转速3000 rpmInertia Moment转动惯量1.8 kg*m2Response Time响应时间0.1 sFuel Type燃料类型柴油Heating Value热值44000 kJ/kgFuel Density燃料密度0.76 kg/l下图2-7是发动机的转矩特性。图2-7 发动机的转矩特性2.5.2 电动机模块本例的电动机数据参考ADVISOR中建立的P-HEB整车模型的电动机数据和Cruise中卡车模型的电动机数据。参数的设置见表2-10。表2-10 电动机设计的参数Type of Machine电机类型PSM永磁同步电