机械毕业设计895基于SIMULINK的混合动力客车整车性能仿真的研.doc
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机械毕业设计895基于SIMULINK的混合动力客车整车性能仿真的研,机械毕业设计论文
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毕 业 论 文 论文题目 ：基于 SIMULINK的混合动力客车 整车性能仿真的研究 学 院 ： 专 业 ： 年 级 ： 姓 名 ： 指导教师 ： 职 称 ： nts 摘 要 混合动力汽车以其 良好的燃油经济性和排放性能受到了世界各主要工业国家的高度重视。 我国 在 2004年版的汽车工业政策中也明确指出要重点发展混合动力汽车技术 。 本文在查阅国内外大量资料的基础上，首先提出了目前开发混合动力城市公交客车的重要性，分析了国内外混合动力汽车的发展现状 ，介绍了 混合动力汽车的优势。在此基础上进一步分析了 现阶段 混合动力汽车发展所需解决的 各种 问题 。 其次，介绍了混合动力汽车的工作原理，并 以某串联式混合动力汽车为研究对象， 建立了整车的动力性和经济性模型以及其各个子系统的数学模型。基于上述工作应用 MATLAB/SIMULINK工具箱开发了混合动力汽车的性能仿真软件，仿真分析了已知数据的某混合动力汽车在给定的循环工况下对电机转速和转矩的要求，对电机、蓄电池以及发动机功率的要求。 最后，对比介绍了各种类型的蓄电池，并详尽描述了铅酸电池的工作原理以及建立了铅酸电池充放电 特性的理论模型。另外电动机作为混合动力汽车直接的动力源也单独对其作了仔细介绍。 关键词 ：混合动力汽车，建模， SIMULINK，性能仿真 nts Abstract Abstract Because Hybrid Electric Vehicle has good fuel economic and exhaust, so each main industry country highly pays attention to it. In the Automobile industry policy of 2004 version , Our country have definitely pointed out to develop the technique of Hybrid Electric Vehicle . In this thesis, firstly introducing the importance of development the Hybrid Electric Vehicle on the basis of checking the large quantity of domestic and international data, analyzing the domestic and international present condition of Hybrid Electric Vehicle, introducing the advantage of Hybrid Electric Vehicle. Then further analyzing kinds of problems needed resolving on Hybrid Electric Vehicle at present. Secondly, introducing the work principle of Hybrid Electric Vehicle, then regarding one kind of Hybrid Electric Vehicle as the research object, established the mathematics model of whole car motive and economic and its each statures system. On the basis of above work, application the tool box of MATLAB/ SIMULINK developed the software of automotive function in Hybrid Electric Vehicle. Analyzing on the known circulation condition the claim of Hybrid Electric Vehicle to the speed and power of electrical machine, to the power of the storage battery and the engine. Finally, contrast introduce the storage battery of every type , combining to describe the work principle of the sour battery in lead and establish in details the theories modle of charge and discharge characters of the sour battery in lead .Because the electric motor is the direct motive in Hybrid Electric Vehicle, so carefully introduce it. Key words: Hybrid Electric Vehicle, establish model, SIMULINK, performance simulation,nts中国农业大学学士学位论文 目录 目录 摘要 Abstract 第一章 绪论 1 1.1 前言 1 1.2 开发混合动力城市公交客车的必要性 1 1.3 混合动力汽车的发展现状 3 1.4 混合动力汽车的比较优势 8 1.5 现阶段 混合动力汽车发展所需解决的问题 10 1.6 论文的研究内容及意义 12 1.7 小结 12 第二章 混合动力汽车整车系统的工作原理 13 2.1 前言 13 2.2 混合动力系统的工作原理 13 2.3 混合动力汽车整车系统的结构形式 16 2.4 混合动力汽车动力系统各主要部件形式 18 2.5 小结 19 第三章 串联式混合动力汽车整车数学模型的建立 21 3.1 前言 21 3.2 串联式混合动力汽车整车性能计算模型 21 3.3 发动机和发电机的数学模型 25 3.4 小结 30 第四章 串联式混合动力汽车整车性能仿真模型的建立 31 4.1 前言 31 4.2 串联式混合动力汽车原始数据 31 4.3 整车性能仿真模型建立的方法 32 4.4 仿真单向模型的建立 32 4.5 仿真结果 41 4.6 小结 45 第五章 混合动力汽车中蓄电池的性能及理论模型 46 5.1 前言 46 5.2 混合动力汽车对蓄电池的要求 46 5.3 各种电池的性能和应用情况 46 5.4 铅酸电池的特性和理论模型的建立 50 5.5 小结 54 第六章 混合动力汽车中的电机 驱动系统 55 nts中国农业大学学士学位论文 目录 6.1 前言 55 6.2 电动汽车对电机驱动系统的要求 55 6.3 电动汽车用电机的国内外研究现状和发展趋势 55 6.4 各种电机性能的比较 58 6.5 直流永磁无刷电机的数学模型 59 6.6 小结 62 第七章 总结 63 7.1 结论 63 7.2 存在的问题 63 参考文献 65 致谢 67 nts 1 第一章 绪论 1.1 前言 回顾 20世纪人 类发展的历史，可以看到汽车扮演了促进经济发展和社会进步的重要角色 ，它的出现极大地改变了人们的生活。 如今，全世界汽车的保有量达到了 6 7亿多辆，汽车已与人们的日常生活和生产密不可分。然而， 汽车工业的迅猛发展在给社会带来巨大 财富的同时也随之带来了严重的环境污染和资源的快速消耗。 众多燃油汽车排放所造成 的 空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使 可持续发展和环境保护问题得到了世界的普遍关注，环保和节能成为汽车发展的主要方向。 纯电动汽车、混合动力汽车和燃 料电池汽车是目前环保、节能汽车技术的主要研究方向 1。 纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标，目前世界各国尤其是经济发达国家政府无一例外地斥巨资投入研究试验，其远景十分诱人，被公认为是最具发展潜力的清洁环保车辆，但其最关键的储能系统 蓄电池技术 目前 还未取得重大突破，电池的比能量有限，制约了纯电动汽车的整体性能。电动汽车最大的问题是续驶里程短，只能在小区域范围内运行，且电池的成本也较昂贵。因此，目前长行驶里程的纯电动车给我们一种触手可及却又遥 遥无期的感觉。 而氢燃料电池是一套电化学设备，它将氢 和氧化合，把化学能转化为电能，同时产生水，是一种清洁、可靠的能源。但要使燃料电池技术投入量产，目前仍有许多技术问题需要解决 ， 比如：研究人员还未找到完全可替代稀有贵金属铂的催化剂；质子交换膜和极板技术不成熟；电堆的热管理系统尚处于实验阶段；氢的制备、存储和运输的基础设施投资巨大等。这些问题使氢燃料电池在短期内难以达到规模产业化的目标。 在这种环境下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车 (Hybrid Electric Vehicle， 简称 HEV)异军突起， 成为新型汽车开发的热点。 混合动力车并 不是一种新的车型，它只是同时装有汽油发动机和电动机两套系统。启动、加速和上坡时两套系统同时出力；刹车时能量逆向存入蓄电池；平稳行驶时，由蓄电池驱使电动机单独出力，不再烧油。 这样既利用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，废气排放可降低 30 。 而 且目前 混合动力车有两大优势：一是 混合动力车并非什么远在天边的高科技，又有成熟的商品化车型可借鉴 ； 二是混合动力车特别适合中国大城市交通普遍拥堵，汽车频繁制动的国情，节能治污 的效果可以发挥到极致。 1.2 开发混合动力城市公交客车的必要性 1.2.1 发展城市公交的重要性 城市公交作为市内交通的重要组成部分，是城市形象和文明的象征，始终处于优先发展的战略地位。公共交通在为人们带来便捷、经济、实惠的同时，也为城市减少交通阻塞创造有利的条nts 2 件，它能充分利用有限的道路资源，缓解城市交通拥挤状况。数据显示 2，运送同样数量的乘客，公共交通与小汽车相比，分别节省土地资源 3 4，建筑材料 4 5，投资 5 6，空气污染只是小汽车的 1 10，交通事故率也仅为小汽车的 1 100， 被普遍认为是效率最高的交通方式， “ 公交优先 ” 已成为世界上越来越多大中城市认可和执行的城市交通主要发展原则。 1.2.2 城市公交客车发展面临的问题和挑战 近年来，由于城市化的迅猛发展，城市规模和城市人口急剧膨胀，城市交通路网建设又往 往滞后于机动车的增长速度，再加之旧有的城市交通结构和模式的不合理性，使得世界各国的大中城市都面临着严重的交通拥挤状况。在这种情况下，作为城市交通主力军的公交客车时走时停，行车缓慢，传统的燃油公交客车在这种复杂的城市工况下其固有弊端更为明显，由于发动机始终运行于低效率 高排放的工况下，因而燃油消耗大、排放水平差、黑烟现象严重，对城市环境产生了很大的负面影响。 1.2.3 混合动力电动客车是当前城市公交的首选 随着人们环保意识的不断增强以及城市排放法规的日趋严格，电动汽车代替传统燃油汽车的趋势越来越明显，电动客车无疑将成为未来城市公交的主流车型。目前电动客车有纯电动客车、混合动力电动客车和燃料电池电动客车 3种类型，表 1-1给出了它们各自的主要特征 2： 表 1-1 各种类型电动客车的主要特征 电动车类型 纯电动客车 混合动力电动客车 燃料电池电动客车 驱动系统 电机 电机 ， 发动机 电机 能源系统 蓄电池 超级电容 蓄电池，超级电容 辅助动力单元（ APU） 燃料电池 主要优点 零排放 振动、噪音低 效率高 不依赖石油 排放极低 燃油经济性高 动力性能好 无须外部充电 有害排放物零 无振动，噪音低 能量转换效率很高 不依赖石油 主要问题 续驶里程、承载能力低 电池组重量、体积大 价格高且充电时间长 控制复杂 价格昂贵 技术尚不成熟 需新的燃料供给系统 从表 1-1可以看出混合动力电动客车融合了燃油客车和电动客车的优点，它将电力驱动与辅助动力单元 (AP U)合用在一起协同驱动客车，通过优化多种能源获得高性能价格比。一方面，由于APU的使用，混合动力电动客车所需的电池能量较纯电动客车低，整车重量和成本得以降低，并且获得了与燃油客车不相上下的动力性能和续航里程。另一方面，由于电机的协同驱动和蓄电池(或超级电容 )的能量缓冲调和了复杂行驶工况所带来的负载波动，使得 APU中的原动机得以在较高燃效和较低排放区域工作，显著提高排放水平和燃油经济性 ，制动能量回馈也进一步提高了能量效率，这对于主要在城市工况运行、 负载变化大、加速减速频繁的公交客车而言优势更为突出。nts 3 在生产成本 和维护费用方面，目前一辆混合动力电动客车价格约为普通燃油客车的两倍，但考虑到燃油经济性的成倍提高，从成本和经济之间的平衡来看混合动力电动客车已初具市场竞争力，而且公交客车大规模车队运行的特点也在很大程度上弥补了混合动力电动客车结构复杂、保养维护难度大的缺点。由此可见，尽管目前混合动力电动客车技术仍需进一步完善，但其在城市公共交通的应用前景却十分乐观。 1.3 混合动力汽车的发展现状 1.3.1 国外 HEV的发展现状 1 日本 HEV的发展现状 日本丰田汽车公司 3是世界上最早实现混合动力汽车产业 化的企业，在混合动力汽车的技术研发和规模化生产方面积累了大量经验。 早在 1997年，丰田就在世界上第一个推出了名为 Prius(普瑞斯，意为 “ 先驱 ” )的 HEV，引起全球瞩目。 Prius与丰田 Corolla大小相仿，采用汽油发动机和电动马达混联装置 THS，发动机是 1.5 L新型汽油发动机，电池组为 250个串联的镍一氢电池，电池组总质量仅为 75kg。第一代 Prius每升汽油的行驶距离达到 28 km， CO的 排放量比普通汽车减少50， CO、 HC和 NO的排放量仅为普通轿车的 10。几年来，丰田公司不断对 Prius进行改 良，把每升汽油的行驶距离从 28 km提高到 29 5 km，废气排放量也进一步减少。截止到 2000年底，丰田 Prius在海内外的销量已超过 5万辆，成为全 球首部实现量产、也是销量最大的 HEV。在 1999年东京国际汽车展上，丰田汽车公司又 推出新开发的 HvM4(4轮驱动混台动力小型面包车 )。该车的油耗为同等级小型厢式汽车的 二分之一 左右 ，而尾气排放仅为日本现行标准的十二分之一左右。 HvM4是继 Prius之后，丰田在 HEV方面的又一力作，也充分显示出丰田在发展 HEV这一新生事物方面的勇气和信心。 2002年 4月，丰田 公司与其旗下的日野汽车公司宣布，他们将合资组建一个轻型混合动力载货汽车制造厂，这种载货汽车将使用类似于 Prius上的动力系统，主要特点是：环保、省油、高效，其低硫柴油机的运行效率是传统柴油机的 1 5倍 。 2002年丰田公司还曾宣布，从 2012年开始，在所有丰田生产的汽车上采用汽油电力发动机（混合动力发动机）。 而 本田 汽车公司独立研制开发 的 Insight混合动力汽车的技术特征基本代表了当今的最高水平 4。 Insight是本田 1999年末在日本、美国、西欧和泰国等陆续开始销售的小型混合动力轿车 本田的 Insight混合动力车，已经实现量产。 Insight采用本田独特的混合动力系统 HIS，将发动机作为主要动力，电机作为辅助动力，加上车身由质量轻的铝压材和树脂材组合而成，从而实现了世界最低的油耗 (每升汽油可行驶 35 km)、最洁净的排放 (每行驶 1 km仅排放 80gC02)和世界最高水平的碰撞安全性能 ，是一种充分考虑到环境和安全并充分体现驾车乐趣的轻便、实用型油电混合动力汽车 。 除此以外 本田 还 推出了 雅阁混合动力车 (Accord-Hybrid)。 雅阁混合动力车配套使用 V型 6缸引擎（采用已在 “ Inspire”“ Elysion” 等车型上配备的可变气缸系统）和 IMA（综合电动机辅助）系统，同时实现了超过配备 240hp/V6引擎的现有雅阁的输出性能以及与配备 4缸引擎的 “ 思域（ Civic） ” 相同的燃效 。 nts 4 图 1-1 本田 Insight 图 1-2 丰田 Echo 图 1-4 本田 Civic 图 1-3 本田 Accord 图 1-5 丰田 Camry 图 1-6 丰田燃料电池混合动力汽车 Fine-N 2 美国 HEV的发展现状 通用汽车公司的串联式混合动力电动汽车的 APU（ 辅助动力单元） 是 40kW、单轴燃气涡轮发动机和高速永磁交流发电机组件，它的总重约 100kg，是至今生产的同类产品中最小、最轻、最省油的，发电机在 100000140000r min范围内运转时平稳、低噪声，在 130km h的行驶状态下可以输送 40kW的电能。该车在关闭 APU的情况下，可以电动方式行驶 65km。而在混合模式中，当电池的 SOC(荷电状态 )下降到 40 以下时， APU自动开启，产生的电能一般恰好够用于驱动电机并使电池的 SOC恢复到 50 。车上携带一个 24L的油箱，供给 APU燃料，在高速路上可以使汽车拥有 560km的续驶里程 3。 通用公司展出的并联式混合动力电动汽车，在标准的混合模式下，汽车主要由高效的柴油机驱动。由发动机驱动的电动发电机发电，可以使电池组的 SOC维持在 80 左右；在零排放模式下，只使用电动机驱动可以行驶约 65km；当汽车 需要加速或爬坡时，安装在前部的电动机驱动前nts 5 轴，柴油机和电动发电机通过自动变速器驱动后轴，从而实现四轮驱动。该并联式混合动力电动汽车其燃油经济性和动力性均超过了传统汽车。 福特汽车公司在 2000 年北美国际车展上推出了其开发的 Prodigy 混台动力家庭概念车，该车采用福特 P2000 LSR 混合动力系统、 1.2L4 缸柴油发动机和镍金属复合电池，整车质量仅 1083 kg，比当前的家用轿车轻约 450 kg， 百公里油耗仅 3.3 L。在 2001 年北美国际车展上，福特又推出爱仕 (Escape)混合动力 SUV 概念车，获得 广泛关注。该车是福特在 2003 年上市的混台动力 SUV 的原型，非常省油，特别适合城市内行驶，加速性能可与装备 V6 发动机型爱仕媲美。爱仕 HEV 在2003 年上市时， 是世界上最省油、最清洁的 SUV。福特公司也成为第一个宣布混合动力 SUV 生产计划的汽车厂家。福特公司预计，未来 10 年内， HEV 将占汽车市场 的 10 20 3。 据有关报道福特 公司承诺 在未来 三年之内推出多达 5 款混合动力汽车 5，除目前热销的世界第一款混合动力 SUV 福特翼虎混合动力车 Escape Hybrid 外，还将另外推出 4 款新型混合动力汽车。 分别是 水星 Mariner Hybrid，福特 Fusion Hybrid ， 水星 Milan Hybrid ， 马自达 Mazda Tribute Hybrid。 所有五款汽车产品均为完全混合动力汽车，在诸如市内堵车或因交通信号灯而发生的低速行使和停车情况下，汽油发动机自动停止、汽车在纯电动模式下工作。最终结果是节省大量燃油、提升燃油经济性。 这 五款混合动力汽车 中， 一款目前正在热销，一款将于 今年 年底上市，三款在未来三年内推出 。 福特汽车公司还宣布佛罗里达州将成为于 2006年推出的氢动力内燃机福特 E-450客 车的第一个用户。德州达拉斯 -沃斯堡（ Dallas-Fort Worth）机场正与福特汽车公司讨论明年成批购置 V-10氢动力内燃机客车的计划。这种客车可承载包括司机在内的 12 名乘客和行李，装配 98升的氢气燃料箱，预计可行驶 241公里。 事实上，福特是唯一一家在四种燃料技术方面全情投入的汽车制造商。四种燃料技术分别为汽油 /电力混合车、清洁柴油、氢动力内燃机和燃料电池汽车。 图 1-7 福特翼虎混合动力车 Escape Hybrid 图 1-8 “Mercury Mariner Hybrid” 作为世界上第一个拥有缆车的城市， 今年 2 月 美国旧金山迎来了公共交通史上又一个里程碑式的时刻 10 辆 05 款福特 Escape 混合动力 SUV 出租车正式启用 6。 混合动力 SUV 出租车的启用，是旧金山市实现交通清洁化环保化迈出的重要一步。与美国现行的 Tier I 气体排放标准相比，这次采用的福特 Escape 混和合动力 SUV，将碳氢化合物和氧化氮气体的排放降低了 97。 nts 6 1-9 福特 Escape 混合动 力出租车亮相旧金山街头 图 1-10 雪铁龙萨拉 Xsara 3 德国 HEV的发展现状 3 德国大众 2005 年 4 在 第 21 届国际电池、混合动力及燃料电池车论坛暨展示会进行了正在开发的柴油混合动力车 “Golf TDI Hybrid”的行驶演示。该公司混合动力车的特点是：单马达配套使用发动机，可进行起动及能量回收等所有条件下的行驶 ， 燃效提高效果达到了大约 25%。 具体来说，就是无空转、能量回收及马达行驶各占 5%，发动机采用小型设计占 6%，变速器占 4%。每100km的燃耗按欧洲 NEDC（ New European Driving Cycle）总耗油标准计算，为 3.8L（即 26.3km/L） ，在 2008 年有望 投放市场 。 戴一克公司在 2003 年使 HEV 实现商品化。该公司将最新研制的 HEV 命名为 “ 道奇杜蓝高 ” TTR，它是由在美国销售的大型 SUV“ 道奇杜蓝高 ” 改造而来的。采用发动机驱动后轮，电动机驱动前轮。其 3.8 L的 V6 发动机能够获得与 5.9L 的 V8 发动机相同的动力性能，并可节约燃料 65 ，尾气排放也大大改善。另外，戴一克公司还以奔驰的 A 级车为参照车，试制了混合动力概念车 Hyper。该车为柴油发动 机加电动机， 4 轮驱动。与原车型相比， Hyper 具有更高的驾驶性能，同时节省了燃料费用。 图 1-11 Hyper 概念车 图 1-12 道奇 杜蓝高 ”TTR 4 其它国家 HEV的发展现状 3 标致雪铁龙 (PSA)集团认为，未来的世界必然是电动汽车的天下，但由今日的汽车向未来汽车转变的过程中，必须准备多种技术方案，以便在未来的竞争中处于有利地位。本着这个宗旨，PSA 集团在全电动汽车、混台动力汽车领域进行着不懈的努力。已有多款全电动汽车和 HEV 的nts 7 商业型号 投入市场。 2000 年日内瓦车展上，雪铁龙公司又推出新型 HEV： Xsara(萨拉 )，表明了他们在这一领域的世界领先水平。萨拉是一款并联混合动力轿车，以雪铁龙的 Estate 加长型轿车为原型，配备一个 55 kW 的汽油内燃发动机和一个 25 kW 的电动机。功率蓄电池额定输出电压为 168 V。萨拉的燃油消耗量及 CO 排放量较普通车降低 35，一次行程可高达 1 000 km。 其他几个大汽车公司，如 雷诺、日产等，也都推出了各自的 HEV。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。 1.3.2 国内 HEV 的发 展现状 我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，一些单位的起步研究工作正在展开，国家科技部已将其作为 “ 十五 ” 863 重大专项的内容。我国有关电动汽车的研制开始于上世纪 90年代 3。广东省研究开发电动汽车的院校和企业分布于广州、深圳、珠海、南海、顺德和江门等城市，从 1996 年开始，广东省科委统一协调组织研制电动汽车，并取得了可喜的进展。清华大学研制了电动中型客车；中国远望 (集团 )总公司与北京理工大学、国防科技大学和河北胜利客车厂等单位联合，于 1996 年 3 月研制成功了 51 座 YW6120 型电动大 客车。在此基础上，我国混合动力汽车的研制也有了一定的进展。 一汽在 2001年 4月 19日闭幕的第 3届北京国际清洁车展上推出一款混台动力轿车 红旗CA7180AE，这是一汽汽研所、美国电动车 (亚洲 )公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作的成果。这款串联式的混合动力轿车属中高档，发动机为 13 kW汽油机，电机为直流 15 kW，144 v(105 Ah)铅酸电池， 4 x2前驱动形式，最高车速可达 135 km h。 清华大学与沈阳金杯客车制造有限公司在 2001年 3月签订了 “ SY6480混合动力客车的 研制与开发 ” 合作项目的合同。这一项目前期投资 200万元， 在两年内完成。清华大学通过参加国家 “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 电动汽车的科技攻关课题，在 HEV方面积累了一定的技术基础。 深圳明华环保汽车有限公司 (中外台资科技企业，成立于 1995年 )于 2001年 4月推出了他们的作品 混合电动环保汽车 MH6720，引起社会各界关注。该车采用的是并联式混合动力系统，发动机为 87 kW。 电池为 312 V，充电次数大于 500次，异步交流电机平均功率为 36 kW，满载最高车速 90 km h，最大爬坡度 33 ，续驶 里 程长可达 1 080 km，纯电机驱动时为 100 km，百公里 等速油耗 7.69 L，乘客数 21， 噪声指标也大大低于国产普通中巴车。 清华大学与厦门金龙联合汽车公司合作研制串联式混合动力客车， 标志着我国混合动力电动汽车研究进入了实质性阶段 7。 东风汽车公司承接 “ 863” 混合动力汽车研制项目现已完成，并已经 推出混合动力客车样车。 nts 8 图 1-13 红旗 CA7180AE 图 1-14 混合动力客车 图 1-15 通用和上汽将联合生产的混合动力 客车 图 1-16“凤凰”：中国第一辆混合动力燃料电池车 1.4 混合动力汽车的比较优势 混合动力汽车是集多种高新技术于一体的系统设计思想的产物，它与燃油汽车、纯电动汽车及一些采用代用燃料的汽车相比，有以下优势 8： 1） 节能性的优势 纯电动车的优点是零排放，缺点是一次充电行程短，因此只适用于城市中心及周边的短途运输 。 加上充电站等配套基础设施投入大，有一定的建设周期， 目前而言，纯电动车很难得到推广 。 采用各种代用燃料，如液化气、天然气、醇类等，虽可不同程度减少污染，但通过内燃机及各种传动装 置，效率仍然很低。液化气、天然气汽车的输出功率就明显低于燃油汽车。如果把常规燃油车与混合动力汽车的油耗进行比较 (见图 1-17)，其结果明显可见，同一类发动机、同一类型汽车，混合动力汽车可节省油 50 左右。 图 1-17 两种车每升汽油的行驶里程 nts 9 2） 环保性的优势 不同种类汽车的 CO2排放如图 1-18所示，从排放的情况说明，排放最低的是燃料电池汽车和电动汽车，其次混合动力汽车，其排放量约为普通燃油汽车的 50 。 电动汽车虽然在使用过程中没有排放气体污染环境，但是如果依靠火力发电、核能发 电获得电能时，煤的燃烧、核原料的废旧处理，都不同程度有损于环境； 同时报废电池的废液、废金属及化学物质对环境的污染也是严重的。 图 1-18 各动力源的 CO2排放量 (在 10.15工况下 ) 3） 经济性的优势 生产成本分析 据资料介绍，混合动力汽车的生产成本略高于燃油汽车的生产成本，而比纯电动车要低。如日本丰田公司的 RAV4一 HEV电动汽车目前售价为 495万日元，而混合动力汽车 Prius售价为 215万日元。 我国是发展中国家，人均消费水平很低，仅从用户的购买力角度出发，电动汽车昂贵 的价格就难以为用户所接受。再考虑到 电动汽车尚存在的一次充电续驶里程短、机动性差、使用不方便等缺点。 混合动力汽车兼顾了成本和性能两方面的要求，市场潜力大，可以很快形成经济规模，进一步降低成本。 在纯电动车未成主流之前，可起到过渡性发展的作用，是目前最有市场前景的新型汽车。 使用成本分析 混合动力汽车的设计思想是根据车辆形势工况的变化， 采用不同的驱动模式，使发动机和电动机都工作在效率最高的区域， 从而实现整个系统的最高效率。燃油汽车的效率平均为 12 左右；混合动力汽车通过两种动力的组合，可使系统的平均效率保 持在 30 的较高水平上，燃油效率达到现有燃油车的 2倍以上。与纯电动车 相比，混合动力汽车大大减少了 电池用量，降低了用于更换电池的成本。 4） 可操作性的优势 近期目标 在中国，要研究开发混合动力汽车是很容易操作实施的，并且可分段进行。用普通电池的混合动力汽车，我们必须与国外同期起步，在燃油汽车与电动汽车的基础上进行混合，不必追求尽nts 10 善尽美，在目前的基础条件 下 选用较好的铅酸电池和直流同步电机，带电喷的节油发动机，有机地组合，设计一套优秀的电脑控制系统研制出样车并完善后产业化。 中期目标 在日新月异的高科技推动下，镍氢电池、锂离子电池或其他优质电池的质量提 高和价格降低后， 能为混合动力汽车所接受时，混合动力汽车将使用这类电池 。 同样新的科学技术可以推动常规发动机的节能、环保功能。 到时也可采用新的发动机和不断更新的元器件，达到更为环保和节能效果。 远期目标 当燃料电池的研制与开发成功，并且价格适合产业化时，用这种电池的混合动力汽车是最为优越的，国外经验已证明，研制燃料电池电动汽车采用混合动 力系统是 最佳方案。 1.5 现阶段 混合动力汽车发展所需解决的问题 9 1.5.1 电池 混合动力汽车上的电池其使用状况不同于电动汽车，在工作中电池处于非周期性的充放电循环中，要求电池的充放电速率和效率高，因此，混合动力电动汽车用电池不仅需要高能量密度 (Wh kg)而且还需要高功率密度 (W kg)。研究与开发高性能、低成本、寿命长的电池，仍然是发展混合动力电动汽车的关键问题之一。目前已研究开发的电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、钠 -硫电池、锂离子电池等十几种。 铅酸电池是较为成熟的电池，在各国都有较多的应用，也是我国目前开发混合动力电动汽车的首选电池。铅酸电池目前需要解决的问题是进 一步提高其比能量和比功率、电池的均匀性等。但铅酸电池性能提高的潜力有限，因此，最终将被其它电池取代。 氢电池相比铅酸电池有比能量和比功率高 (是普通铅酸电池的 2 倍 )、循环寿命长 、 无污染等优点，因此倍受各国关注。镍氢电池目前需解决的问题是进一步降低价格，在国内则需研制开发能适用于混合动力车用的大型镍氢电池。 镍氢电池是在 20世纪 90年代发展起来的一种新型绿色电池 。电动车用 NiMH电池主要在美国及日本进行开发，其中松下电池公司开发的 HHR650D型电池就用在丰田公司 EVPrius混合动力源电动汽车上。 但目前的 情况是，镍氢电池的成本仍然较高，推广有一定难度。 目前，锂离子电池能达到的指标为：比能量超过 100Wh kg， 比功率大于 200W kg，循环寿命为 1200 次 (100 的放电深度 )。作为动力电池由于充放电过程的控制问题还有待解决，其 价格又高 。 因此，目前尚不能在混合动力 电动汽车上推广使用，但锂离子电池是未来最有希望的动力电池 ， 我们应予以足够的重视。 1.5.2 电池管理系统 nts 11 混合动力电 动汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻等都要受电池放电深度、充放电电流的大小及具体的汽车行驶工况等诸多因素的影响，而 目前国内还局限于电池恒流放电特性或仅考虑了放电过程的变流放电特性研究，这些对建立一个符合混合动力电动汽车电池实际使用状况的能量管理模型是远远不够的。研究考虑诸多影响因素的电池充放电动态特性，以便建立一个符合电池实际使用环境的电池能量管理系统，并为载荷均衡控制装置提供可靠的控制参数，是目前混合动力电动汽车研究开发中必须解决的问题。 1.5.3 电机及控制系统 混合动力电动汽车上使用的电动机有直流电机、永磁无刷电机、感应电机、开关磁阻电机等。研究开发体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机，对混合 动力电动汽车进一步提高动力性和经济性极为重要。目前国内外比较重视永磁无刷电机和开关磁阻电机及其控制系统的研究与开发工作，相信不久会出现能满足混合动力电动汽车最佳匹配要求的电动机系统。 1.5.4 辅助动力单元 (APU) 根据混合动力电动汽车发动机的实际工作状况 对 辅助动力单元 APU（ 辅助动力单元） 进行优化设计。比如，串联混合方式的发动机，其冷却系统、润 滑系统等的优化设计就必须考虑其长期稳定在满负荷工况下工作的特点 ， 可以采用柴油机、汽油机以外的性能优良的动力装置 。 比如，串联式的动力传递因无直接机械传动， 可选用燃油经济性好、体积小、重量轻、排气噪声小的高速燃气轮机。 1.5.5 载荷均衡装置 当确定了混合动力电动汽车的动力性指标后，电动机、 APU 及电池参数的最佳匹配就是要达到这样的目标：原动机始终在最佳的工作范围内 (排污和油耗最低 )，并尽可能充分利用 APU 的能量 (最大限度地发挥电动机的做功，电池保持在最高充放电效率状态 )，最大限度地吸收制动能量，尽量减少电池的能量消耗。工作中，实现电动机、 APU 和电池之间状态的协调控制就是载荷均衡控制装置的任务。一个智能化的，能根据汽车的行驶状况，原动机的运行情况 ，电池的充放电状态等进行实时分析和控制的载荷均衡控制系统，对混合动力电动汽车的成功起到了关键的作用。因此，研究电动机、 APU 和电池的动态特性，建立符合混合动力电动汽车的实际使用状况的动态模型，是混合动力电动汽车研究与开发中必须做好的一项重要工作。 1.6 论文的研究内容及意义 目前，研发具有节能和环保功能的汽车产品是世界各国汽车工业发展的重点，各种电动汽车，混合动力汽车和新型燃料汽车的发展成为了汽车工业中的一个热点。 2004 年版的汽车工业产业nts 12 政策中也明确指出要重点发展混合动力汽车技术。 本论文 主要是对混合动力汽车的动力性和经济性进行研究，并采用 MATLAB 的 SIMULINK工具箱开发混合动力汽车性能仿真 软件。通过本课题的研究 巩固所掌握的汽车理论和汽车构造知识，掌握 MATLAB/SIMULINK 工具箱的应用方法，提高综合运用所学专业知识的能力。 具体的任务如下： 1、 查阅资料，掌握目前混合动力汽车国内外的研究现状以及混合动力汽车的技术发展情况。 2、 初步掌握纯电动客车的总体设计方法。 3、 掌握 MATLAB/SIMULINK 工具箱的应用方法，并用其开发混合动力汽车性能仿真软件 。 1.7 小结 本章在广泛收集国内外各种资料的基础上， 首先提出了目前开发混合动力城市公交客车的重要性， 然后介绍 了目前国内外混合动力汽车的研究现状，混合动力汽车与 燃料电池汽车和纯电动汽车相比混合动力汽车的优势， 在此基础上进一步分析了 现阶段 混合动力汽车发展所需解决的 各种 问题 。 本章还介绍了本论文的研究内容及意义。 nts中国农业大学学士学位论文 第二章 串联式混合动力汽车整车系统的工作原理 13 第二 章 混合动力汽车整车系统的工作原理 2.1 引言 目前，世界上的汽车大部分都是用内燃机作为动力装置，只有少数采用电动机作为动力装置 。混合动力汽车 （ HEV） 是在同一辆汽车上组合使用两种或多种能同时运转 的动力装置，车辆的行驶功率需求由单个动力装置单独或共同提供。当前开发的 HEV通常采用两种动力装置 10，一种是传 统的可补给燃料的原动机，例如汽油或柴油发动机、燃料电池 ；另一种是由电动机、蓄电池或其它能量存储装置 (如飞轮电池、超级电容器等 )组成的电力驱动系。混合动力汽车采用的传统内燃机可以通过优化设计，提高发动机的有效效率，通过合理匹配保证内燃机长期在高效率工况下稳定工作，借此达到提高燃油经济性和减少废气排放的效果。 在混合动力系统中，每个动力 装置都尽量发挥各自的优点，同时弥补另一动力装置的不足。为了保证两 种动力装置合理、匹配、协调的工作，混合动力系统还有动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等。由此可见， HEV开发的实质是通过部件工况的改善和效率的提高来实现整个系统性能的优化，是基于系统结构概念上的创新，所以 HEV被认为是体现系统最优化思想的杰作。 2.2 混合动力系统 的 工作原理 2.2. 1 传统燃油汽车的能量分配 11 为了弄清楚混合动力汽车到底是如何节能的，首先有必要回顾一下传统燃油汽车是如何利用能量的 。 为了保持运动状态，汽车必须在车轮处产生足够的动力，以克服空气阻力，滚动阻力和爬坡阻 力。而且，加速时汽车必须克服惯性引起的加速阻力。另外，汽车必须给附件提供动力，例如散 热 风扇，车灯，动力转向装置和车载空调系统。最后， 汽车必须有足够的后备功率，这样当驾驶 员 踩下加速踏板时，汽车就能很快响应并能输送足够的动力供加速使用。 传统的发动机驱动的汽车使用发动机将燃料的化学能量转化机械能，然后通过动力传动系直接将大部分机械能传给车轮。实际上， 大部分能量都在这一过程中损失了。例如， 在发动机内部运动的部件 -尤其是活塞，曲轴和配气机构 -都有摩擦损失 ； 由于新鲜空气必须从空气滤清器、进气管、进气门泵入且 废 气从排气系统泵出，这就导致了大量的空气和流体阻力损失 (“ 泵气损失” )； 最重要的是，由 于 点燃式发动机是根据节气门的开度来产生输出功率的，这就产生了额外的空气阻力损失，即使是在低负荷时这种损失也是非常大的。之所以燃烧所产生的热量大部分没有用来做有用功而是被浪费掉了，是因为热力发动机理论上有效率极限，并且由于部分热量在做功之前就通过气缸壁耗散掉了，同时部分燃料在高压下不能充分燃烧，致使发动机不可能达到效率极限。 当发动机处于负载荷 (制动期间 )， 或在汽车滑行或停车时的发动机处于怠速时，为使发动机nts中国
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