基于ADVISOR混合动力汽车驱动系统的研究【毕业论文】【汽车车辆专业】

摘  要

混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle）是传统燃油汽车和纯电动汽车相结合的新车型。具有燃油汽车的动力性能和较低的排放。是当前解决节能、环境保护问题切实可行的过渡性方案。
本文系统地分析了串联式、并联式以及混联式混合动力汽车动力总成构型的优缺点，在介绍了ISG型混合动力汽车结构及主要特点的基础上，首先通过对各总成选型分析，选择了发动机、电机、电池等部件，并根据性能指标，确定了发动机、电机、电池等部件的参数匹配。
基于证明设计方案的可行性，在MATLAB/Simulink环境下，以ADVISOR为仿真平台，依据系统的结构、控制策略，建立了ISG混合动力汽车的整车仿真模型。利用建立的模型，在ADVISOR仿真软件中输入仿真参数，设计仿真性能，汽车动力性、经济性以及一些重要性能曲线的仿真结果。与同样参数设置的传统燃油汽车仿真结果进行比较，油耗和排放都得到了很好的降低。

关键词：混合动力汽车；节能；ISG；驱动系统；仿真

ABSTRACT

Hybrid Electric Vehicle (HEV) combine the advantages of conventional engine-driven and pure Electric Vehicle (EV). This provides satisfied driving performance and lower exhaust emission. Thus, HEV is a feasible solution to solve the energy crisis and environmental pollution problems.
The different types of HEV configurations can be classified into three basic kinds: series, parallel configuration, or a combination of both. This paper analyses the advantages and disadvantages for series, parallel and parallel-series powertrain for Hybrid Electric powertrain structure, and introduces the structure and main characteristics of ISG-type HEV. The parameters for component such as engine, electric motor and battery are decided by design analysis and development target.  
In order to prove the viability of the whole design proposal, under the environment of MATLAB/Simulink, regard as ADVISIR as the simulation platform, Simulation models of ISG-type HEV are constructed based on modification of Advisor’s simulink modules according to the Powertrain Schedule and control strategy. Compared with conventional vehicle of similar dynamic performance. The results of simulation show that it cuts down and fuel consumption.

Keywords: Hybrid Vehicle; Energy Conservation; ISG; Drivetrain; Simulation

第 1 章 绪  论

自1886年，德国诞生了世界上第一辆汽车以来，汽车已经极大的改变了人们的生活，成为重要的运输及代步工具。目前，汽车工业已经成为当今世界最大、最重要的工业部门之一。汽车缩短了人们之间的距离，提高了生活质量。但我们在享受汽车文明的同时，也必须面的汽车带来的负面影响：环境污染和过度能源消耗。目前，世界上空气污染最严重的10个城市7个在中国。上个世纪人们关注的是汽车节能、排放和安全技术，而本世纪初，人们已经更多的将目光转向汽车新能源和环保技术。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。
改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比重仍很小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重。现行的汽车排放标准的限制水平远低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8倍，而碳氢和氮氧化物更高达l0倍。国际上，涌动的混合动力汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。但混合动力汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展混合动力汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。
1.1混合动力汽车的发展历史
当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。    现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（Hybrid-Electric Vehicle缩写HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10％以上，废气排放可改善30％以上。混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式(SHEV）和并联式（PHEV）两种。    串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机-发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。例如福特“新能级－2010”SHEV，其电池采用燃料电池，在城市市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机，电动机通过减速器（变速器）和驱动桥驱动车轮，达到了“零排放”要求。当高速及爬坡时，则由发动机-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。    并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。例如大众汽车公司的高尔夫PHEV，发动机通过离合器1带动电动－发电机，输出扭力再通过另一边离合器2驱动车辆行驶。静止启动时，电池向电动－发电机供电，此时电动－发电机就是发动机的起动机。发动机启动后，发动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动电动－发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，离合器1脱开，离合器2接合，电池作为唯一能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动离合器1闭合，发动机与电动－发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。    混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。由于构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。
1.2研究的目的和意义
    随着传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。由此人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，例如燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle 简称FCV）、纯电动汽车（Electric Vehicle 简称EV）和混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle 简称HEV）。FCV是利用氢、氧在常温下通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。但是FCV目前存在着成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化至少需要十至十五年的时间。EV虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术上并未去得突破性的进展，而且电动汽车依然存在续驶里程短和充电时间长等问题。HEV虽然不能实现零排放，但真对以上FCV、EV所存在的问题，HEV在目前环境更具有更强大的优势，在世界范围内将成为新型汽车开发的热点。
世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此，日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，预测表明到2010年全球混合动力汽车年产可达294万辆。
因石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车)，北京申报成功2008年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。
1.3国内外发展现状
1.3.1国内的研究现状
随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，混合动力汽车及电动汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府也已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门开列了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。
目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得