插电式混合动力轿车动力参数匹配.doc

XX大学学士学位论文摘要发展混合动力汽车已经成为国际公认的解决环境污染和能源短缺的有效方法。但是由于混合动力汽车与传统汽车同样以消耗石油资源为主，能源来源单一，不能实现能源利用的多样化。因此，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，PHEV）。Plug-in混合动力汽车技术开发的核心之一就是动力总成的参数匹配。本文依据现有的纯电动轿车资源和Plug-in混合动力轿车的特点，进行了参数匹配。然后依据Plug-in混合动力轿车的参数特点，以仿真软件ADVISOR为平台，把控制策略嵌入到了ADVISOR当中，编制数据输入文件，进行了仿真模拟。通过仿真模拟，分析了Plug-in串联混合动力轿车的动力性和经济性，为整车动力总成参数的确定提供了依据。本文基于混合动力汽车的选型、建模研究与城市循环工况，进行了混合动力总成部件参数的匹配研究。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，接着根据性能指标，确定了发动机、电机、电池等部件参数匹配，同时，根据优化的控制策略，对部件参数进行了优化和确认。最后对整车进行了性能仿真分析。仿真结果表明，所确定的部件参数能够满足设计目标。关键词：插电式；串联混合动力；参数匹配；控制策略；仿真分析ABSTRACTThe development of hybrid vehicles is internationally recognized as the effective way to solve the environmental pollution and energy shortages. However, the hybrid vehicles and conventional vehicles use the same consumption of oil-based. Therefore, the present direction of the development of HEV is available PHEV. One of the core technologies of PHEV is parameters match of the power train. This study use existing resources and PHEVs features to optimize the parameter. Then based on the characteristics of PHEV, embedded the control strategy into ADVISOR, parameters were matched. We analyze the dynamic property and the fuel economy of the PHEV to give basis for the determination of the power train parameters.The parametric design for hybrid electric powertrain component is performed based on powertrain configuration selection and developed driving cycle. The parameters for component such as engine, electric motor, battery and transmission are decided by design analysis and development target. Then, the parameters for components are confirmed and optimized by means of control strategy. At last, the vehicle performance is simulated based on fixed component and control strategy. The results show that the selected component can meet the development target for the project.Keyword: plug-in; series hybrid; parameter optimization; control strategy; simulation目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1Plug-in HEV的研究背景和意义11.2Plug-in HEV的国内外发展现状21.3本文的主要研究内容52 Plug-in混合动力轿车方案的确定82.1插电式混合动力轿车描述82.2Plug-in混合动力轿车方案的确定93 Plug-in串联混合动力轿车的参数匹配123.1电机参数的确定123.2发动机和发电机参数的选择153.3电池参数的选择163.4传动系速比确定184 Plug-in串联混合动力轿车的控制策略214.1Plug-in串联混合动力轿车电池组工作模式214.2Plug-in串联混合动力系统的控制策略234.3功率跟随式控制策略的实现264.4Plug_in串联混合动力控制算法295 Plug-in串联混合动力轿车的建模仿真355.1仿真软件ADVISOR简介355.2功率跟随模式控制策略在ADVISOR中的实现375.3整车和部件模型的建立385.4仿真结果416全文总结及研究展望476.1全文总结476.2研究展望48参考文献49致谢51附录一 程序52附录二 中文翻译70第 IV 页XX大学学士学位论文1绪论1.1Plug-in HEV的研究背景和意义20世纪70年代的能源危机和石油短缺使电动汽车的发展获得生机1。20世纪70年代初期，世界上许多国家如美国、英国、法国、德国、意大利和日本都开始发展电动汽车。但是石油价格在20世纪70年代末开始下跌，在电动汽车成为商业化产品发展起来之前，能源危机和石油短缺问题已不再严重。电动汽车由于高昂的价格和较短的续驶里程，使其商业化失去了动力，电动汽车发展缓慢，开始走入低谷。能源和环境是实现可持续发展的必要条件。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，具体途径有三种：研究各种降低百公里油耗的方法、开发各种替代石油的新燃料、开发不用或少用燃油的新型车辆。随着社会的发展进步，传统汽车（主要以汽油和柴油为燃料）保有量逐年增加，使得能源、温室气体、空气质量等三方面主要问题陷入了恶性循环。如今随着动力电池、电机以及电力电子技术的发展，电动汽车具有有效解决上述问题的可能性。但由于传统的电动汽车技术受电池容量的限制，传统的混合动力汽车在降低环境污染方面比不上纯电动汽车，故一种折中的方式便应运而生Plug-in混合动力汽车。Plug-in混合动力汽车可以在纯电动模式下长距离行驶，依据设计的不同可以达到30km-80km，在需要时也可以工作在全混合模式下，这样在城市里上下班可以用纯电动模式驱动，有助于节省燃料，降低排放；在需要长距离行驶的时候又可以以传统的全混合驱动模式驱动，实现了长的续驶里程。因此PHEV可以有效地减少石油能源消耗，并保持较好的动力性。1.2Plug-in HEV的国内外发展现状1.2.1 国外发展现状近年来，美、日、德等汽车工业强国先后发布了关于推动包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业发展的国家计划。美国奥巴马政府实施绿色新政，计划到2015年普及100万辆插电式混合动力电动汽车（PHEV）。日本把发展新能源汽车作为“低碳革命”的核心内容，并计划到2020年普及包括混合动力汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆,为完成这一目标,日本到2020年计划开发出至少38款混合动力车、17款纯电动汽车。德国政府在08年11月提出未来10年普及100万辆插电式混合动力汽车和纯电动汽车，并宣称该计划的实施，标志德国将进入新能源汽车时代。动力电池成为各国政府在电动汽车领域支持的重中之重。美国总统奥巴马09年8月宣布安排24亿美元支持PHEV的研发与产业化，其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化。日本政府提出“谁控制了电池，谁就控制了电动汽车”，并组织实施国家专项计划，在2011年以前将投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究，2010年左右新型锂电池将规模应用于下一代新能源汽车。德国从今年起启动了一项4.2亿欧元的车用锂电池开发计划，几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。国家的大量投入，充分调动了企业的积极性，目前国际主要汽车制造商不断加强与电池企业的合作，以动力电池突破为核心目标的强强联合与产业联盟不断涌现，动力电池技术研发和产业化进程明显加快。各国政府加大了政策支持力度，全力推进包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业化。美国对PHEV实施税收优惠，减税额度在2500美元和15000美元之间，同时美国政府对电动汽车生产予以贷款资助。09年6月23日，福特、日产北美公司和Tesla汽车公司获得80亿美元的贷款，主要用于混合动力和纯电动汽车的生产。日本从09年4月1日起实施新的“绿色税制”，对包括混合动力车、纯电动汽车等低排放且燃油消耗量低的车辆给予税赋优惠，一年的减税规模约为2100亿日元，是现行优惠办法减税额的10倍。法国对购买低排放汽车的消费者给予最高5000欧元的奖励，对高排放汽车进行最高2600欧元的惩罚。此外，欧盟计划在2009年上半年发放70亿欧元贷款，支持汽车制造商发展新能源汽车；此外，美国新的汽车燃油经济性法规和欧盟新车平均二氧化碳排放法规，对汽车的技术要求大幅提高，如果不发展新能源汽车技术，汽车制造商将很难达到新法规的要求。从1995年起，包括日本丰田与美国三大汽车公司在内的世界各大汽车生产厂商陆续投入混合动力汽车的研究开发。经过多年发展，混合动力汽车在商用化、产业化进程上的发展已经较为迅速。特别是2004 年全球各大汽车制造商继续加大环保车型的开发力度，混合动力车型成为各大公司的战略重点，逐渐突破了小型车的限制越来越多的应用在中大型车上，技术竞争愈演愈烈。2009年世界汽车市场混合动力汽车销量估计已经超过70万辆，据预测，2010 年将达100万辆，2015年将在世界汽车市场占15%，2020年占25%。在日本，1997年，日本丰田推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车，其后又在2001年相继推出了混合动力面包车和皇冠轿车，运用了先进的混合动力系统（THS）电子控制装置与电动四轮驱动及四轮驱动力/制动力综合控制系统，在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面处于世界前沿。以丰田为代表的日本企业，正是在10多年前的精确判断，才最终以混合动力这种过度的新能源技术傲立如今的世界汽车市场。丰田普锐斯轿车2009年的销量达20.89万辆，同比增长达290%，成为包含微型车在内的新车销量排行榜榜首。在美国，美国三大汽车公司通用、福特和戴姆勒-克莱斯勒在2004年就组建了生产混合动力汽车和燃料电池汽车所用电池联合开发公司USABC，投资460万美元开发新一代环保型双动力汽车所需要的高性能锂聚合物电池。2005年9月，通用汽车、戴姆勒克莱斯勒集团与宝马集团签署了关于构建全球合作联盟，以共同开发混合动力推进系统的合作备忘录，共享各自在混合动力推进系统方面领先的技术能力及丰富的科技资源，并把发展“双模”完全混合动力系统作为首要目标。2009年美国混合动力汽车销量达到29.03万辆，占美国汽车市场份额达2.8%,虽然份额还较小，但却从2005年的1.2%开始呈逐年上升之势。预计美美混和动力汽车的销量2013年将达到87.2万辆，市场占有率将达到5%。1.2.2 国内发展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2。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了重大进展。首先，形成了具有完全自主知识产权的动力系统技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系。混合动力汽车的核心是电池（包括电池管理系统）技术。除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。截止到2009年1月31日，在混合动力车辆技术领域，我国知识产权局受理并公开的中国专利申请为1116件。 在1116件专利申请中，发明为782件（授权为107件）、实用新型为334件。其次，掌握了关键零部件核心技术，自主开发出系列化产品，关键零部件产业化全面跟进。在混合动力汽车的核心电池技术研发方面，我国已自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品，能量密度和功率密度接近国际水平，同时突破了安全技术瓶颈，在世界上首次规模应用于城市公交大客车；自主开发的200kW以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机，电机重量比功率超1300w/kg，电机系统最高效率达到93；自主开发的燃料电池发动机技术先进，效率超过50%，成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国家之一。与此同时，混合动力汽车关键零部件的产业化全面跟进，生产配套能力显著增强。近来，力神、比亚迪、比克、万向等动力电池企业投入数十亿资金加快产业化建设，上海电驱动、大郡、湘潭电机、南车时代等电机企业加强与上下游企业合作，积极完善产业链建设。在未来2-3年内，预计将形成20亿Ah以上的动力电池和全系列驱动电机生产能力，能够满足100万辆混合动力及电动汽车的配套要求。再次，掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车的开发能力。我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%。同时，各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市。1.3本文的主要研究内容1.3.1 Plug-in HEV的特点和分类41.具有纯电动汽车的全部优点：低噪音、零排放及高能量效率。2.PHEV介于纯电动汽车和常规混合动力电动汽车之间，里程短时采用纯电动模式，里程长时采用以内燃机为主的混合动力模式。3.可利用外部公用电网（主要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行均衡充电，不仅可改善电厂发电机组效率、解决电价问题，而且可大大降低对石油的依赖，从而减少去加油站加油的次数；另外用电比燃油便宜，可以显著减少燃油使用量，降低使用成本。PHEV动力系统主要可分为并联式、串联式和混联式三种结构，其结构主要特点与传统HEV类似，它们各自的优缺点如表1.1所示。但是PHEV用发动机功率比HEV的小，电机和电池功率比HEV的大，电池可通过电力网进行充电。表1.1并联式、串联式和混联式优缺点对比结构模式串联式并联式混联式动力总成发动机、发电机、驱动电机等三大部件总成发动机、电动/发电机两大件总成发动机、电机/发电机、驱动电机等三大部件总成驱动模式电机是唯一的动力来源发动机和电动机都是动力源发动机和电动机都是动力源制动能量回收能够实现其中有个别不能够回收制动能量能够回收制动能量整车总布置三大部件之间没有机械连接，结构布置的自由度大布置受到一定限制。结构更加复杂城市行驶经济性好中好低排放性好中好复杂程度低中高成本低中高串联式的基本特征是电动机单独驱动，电池和发动机发电机组可以单独或者同时给电动机供电，发动机发电机组工作于高效率区域，结构和控制系统相对简单。但由于能量必须经过储存机构，因而影响整车的能量转化效率。并联式的特点是电动机和发动机能够独立或联合驱动车辆，具有再生制动的能力，减少能量转化损失。由于发动机不能经常工作在高效率区域，排放效果没有串联式的好。混联式结构兼顾串联和并联的有点，但是控制系统非常复杂。综合考虑，本文选择串联式进行匹配研究，其中，串联式结构如图1.1所示。图1.1串联式结构1.3.2 本文主要研究内容本文以串联式Plug-in混合动力轿车为研究对象，重点讨论其参数匹配和控制策略问题，主要研究内容为：1、根据行驶工况和设计目标确定动力性能指标；2、初步设计计算：确定发动机、电动机、电池的类型；初定传动比；确定电机、发动机和电池的性能要求及初步计算参数；电机、发动机和电池选型；确定变速器档位数和传动比；3、动力性能校核；（最高车速，爬坡能力，加速能力计算校核及曲线）；4、动力系统匹配优化（建模与仿真）。2 Plug-in混合动力轿车方案的确定本章通过分析国外的比较成熟的混合动力轿车的结构特点，确定论文所要讨论的Plug-in混合动力轿车的结构方案。2.1插电式混合动力轿车描述2.1.1 雪佛兰VOLT表2.1 雪佛兰VOLT详细参数项目雪佛兰VOLT项目雪佛兰VOLT车型类别E-REV电动车型长4404mm纯电动行驶里程40英里宽1798mm最大马力150匹高1430mm最大扭矩370N.M轴距2685mm极速160KM/H轮胎尺寸R17制动系统四轮碟刹额定乘员4位通用发布的雪佛兰Volt混合动力概念车属于插电式混合动力车雪佛兰Volt混合动力车采用一台额定功率为45kW（峰值输出功率为120kW）电动机驱动前轮的驱动方式，配合1.0升排量三缸涡轮增压ECOTEC汽油发动机，以及最大输出功率为53kW的发电机。发动机和发电机安装在车前部的发动机舱中，锂离子充电电池则配备在车辆的中央通道位置。雪佛兰Volt 在110伏电源上充电约六小时即可充满锂电池，而使用220伏电源充电的话，所需的时间更短。使用纯电动模式，Volt可在城市道路上行驶约60公里，且不会消耗一滴燃料和排放一丝废气。这意味着如果消费者的住所到工作地点的往返距离在这个数字以内，且能每晚回家后或白天工作期间进行充电的话，就可以告别加油站。2.1.2凯迪拉克电动车converj表2.2 凯迪拉克电动车converj项目converj项目converj车型增程型电动车长4620mm纯电动行驶里程64公里宽1883mm最大功率120KW高1386mm最大扭矩370N.M轴距2742mm最高车速161KM/H轮胎尺寸专门开发制动系统能量可回收电池类型锂离子电池凯迪拉克电动车converj是通用第二款采用插电式混合动力技术的车型。它与雪佛兰Volt采用相同的插电技术，但是他们之间也存在区别，最主要的是凯迪拉克的插电式混合动力系统采用了额外的电池来驱动输出比Volt更为强劲的电动马达。不同车身形式的Converj将共同组成凯迪拉克的一个全新车系。2.2Plug-in混合动力轿车方案的确定通过对比国内外各成熟车型，参考他们的整车参数，先以雪佛兰Volt的参数为主要依据，选择该车参数如下：表2.3 Plug-in混合动力轿车参数项目PHEV项目PHEV车型类别电动车型长4404mm纯电动行驶里程60公里宽1798mm极速110km/h高1430mm空气阻力系数0.3轴距2685mm迎风面积1.5轮胎尺寸R14制动系统四轮碟刹额定乘员4位本文所要匹配的Plug-in混合动力轿车采用由锂离子动力电池、交流永磁同步电动机、发动机发电机组所组成的串联布置的驱动型式，确定的最终方案如图2.1所示。发动机和发电机组成发电机组，通过功率分配装置将电池组、电动机和发电机组连接起来，由电动机驱动汽车行驶。图2.1 Plug-in混合动力轿车方案总成部件组成以及工作原理10：1. 整车控制器：是整个Plug-in混合动力总成的核心。接收踏板信号和检测信号，通过控制算法确定发动机发电机组和电池系统的工作状态和扭矩输出，并将控制指令输入到电机控制器、电池管理系统、发动机控制单元和发电机控制单元。 2. 发动机及控制单元：包括发动机、控制单元和控制执行器三部分。控制单元接收来自主控制系统的控制指令，向执行器发出控制指令，控制发动机的工作状态（开或关），并按照控制指令调节扭矩输出。 3. 发电机及控制单元：包括发电机、整流器和控制单元。控制单元接收来自主控制系统的控制指令，向发电机发出控制指令，使发电机按照控制指令提供要求的功率。发电机产生的三相交流电通过整流器转换为直流电提供给功率分配装置。 4. 电机及电机控制器：包括电动机、逆变器和电机控制器。电机控制器接收来自整车控制器的控制指令，向逆变器发出控制指令。逆变器负责将电池的直流电转换成频率和电压可调的三相交流电，控制电机的工作状态（电动状态或发电状态）和输出特性，使电机按照控制指令提供要求的扭矩。5. 电池及电池管理系统：包括电池和电池管理系统。电池管理系统接收来自整车控制器的控制指令，控制电池的工作状态（充电状态或放电状态）。电池管理系统负责电池的均衡充电或放电，过充电或过放电保护，采集并运算处理得到电池的电量状态信号，通过控制单元反馈给整车控制器。6. 功率分配装置：是一套功率电子元件，一端通过整流器联接发动机发电机组，一端通过逆变器连接电动机，一端通过电池管理器连接电池。运行过程中通过控制器实现电功率的合成或分解。3 Plug-in串联混合动力轿车的参数匹配Plug-in串联混合动力轿车参数匹配的任务就是确定该车动力总成中各部件的参数，目的是在保证整车动力性的前提下提高整车的经济性和排放性能。 在进行混合动力汽车的动力系统参数匹配时，首先要以运行工况为基础，根据动力性能指标和部件自身的技术发展水平初步确定驱动系统部件性能要求，再根据部件的性能对汽车的动力性能进行校核，从理论上初步评估该方案是否符合设计要求和目标，然后对前面的部件性能进行修正，重复以上过程，直到达到设计目标。参考国内外同类车型，现提出该车的动力性指标如下：（1） 最高车速110 km/h（2） 最大爬坡度：在30 km/h的车速下爬上20的坡（3） 纯电动续驶里程60km。3.1电机参数的确定 电动机是电动汽车行驶的动力源，电动汽车要求驱动电机在低速行驶或爬坡时提供较大转矩，在加速时输出较大功率，同时需要较大的调速范围。电动机的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峰值转速、电动机的额定转矩和最大转矩的选择5。3.1.1电机额定功率及峰值功率的确定电动机的功率直接影响整车的动力性。电动机功率越大，电动汽车的后备功率也越大，加速性和最大爬坡度越好，同时也会增加电动机的体积和质量，正常行驶时电动机不能在高效率区附近工作，降低了车辆的续驶里程。因此，设计时通常依照电动汽车的最高车速（km/h）、初速度末速度加速时间T（秒）和最大爬坡度（%）来确定电动机的功率。首先，根据最高车速（km/h）来确定最大功率： 式（3.1）式中为传动系总效率，为滚动阻力系数，为空气阻力系数，A为迎风面积。其次，根据最大爬坡度确定电机最大功率： 式（3.2）式中最大爬坡角根据上述动力性的指标，动力源总功率P必须满足上述所有的设计要求，即： 式（3.3）将由第二章中确定的整车各个参数带入上述两个功率计算公式可得： =18.24kW =58.35kW综上，根据以上论述和计算可得，电动机的峰值功率=58.35kW电动机的额定功率可由电动机的峰值功率根据以下公式求出： 式（3.4）式中电机峰值功率；电机额定功率；电机过载系数。 电动机过载系数一般取为1.53，由此确定电动机额定功率为=19.4538.9kW3.1.2电机最高转速及额定转速的选择电动机的最高转速对电动机成本、制造工艺和传动系尺寸有很大的影响。最高转速在6000r/min以上的为高速电机，以下为普通电机。9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，一般适用于轿车，故此处选择的电机最高转速应在6000r/min以上。电动机最高转速与额定转速的比值也称为电机扩大恒功率区系数，随值的增大，电动机可在低转速区获得较大的转矩，有利于提高车辆的加速和爬坡性能。但值的过多增加会导致电动机工作电流的增大，增大了逆变器的功率损耗和尺寸。因此值一般取46，计算出电动机额定转速应该在15003500r/min之间选取。3.1.3电机额定电压的选择电机额定电压的选择与混合动力轿车动力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，对导线和开关等电器元件要求较低，但较高的电压需要数量较多的单体电池串联，引起成本及整车质量的增加和动力性的下降并且难于布置。电机额定电压一般由所选取的电动机的参数决定，并与电动机额定功率成正比，电动机的额定电压越高电动机的额定功率越大。考虑上述结果确定电动机的额定电压范围为300400V。综合以上计算结果和分析，经过调研市场上常见的电机产品的性能参数，从中选择与本文要求最接近的产品。选取电机具体参数如表3.1：表3.1电机参数表类型交流永磁同步电机额定扭矩70Nm峰值扭矩210Nm最高转速6000rpm额定功率22kW电压等级380V额定转速3000rpm额定电流27A3.2发动机和发电机参数的选择目前汽车上可考虑选用的发动机有四冲程汽油发动机、三冲程汽油发动机、四冲程柴油发动机、转子发动机和燃气轮机发动机等，一般从动力性、经济性和排放这几方面来进行考虑。混合动力汽车的节能和环保效果，主要体现在如何在保证有足够的动力性能的条件下，使电力驱动系统发挥最大效率，因而可以采用既满足动力性能的要求又能够降低燃料消耗和降低排放的小排量的发动机。发动机要求有一定的驱动功率，有足够的动力性能和机动性能，能够满足车辆的基本动力性能要求，并且能够与驱动电动机一起提供车辆所需的最大功率，使混合动力汽车能够达到或接近内燃机汽车的动力性能水平。由于本论文选用的是串联式，发动机主要用来给电机发电用，因此功率不大，所以本文采用奇瑞的汽油发动机。本论文所研究的混合动力汽车采用汽油机。发动机功率的选择对HEV很重要，发动机功率偏大，燃油经济性和排放性就较差；发动机功率偏小，后备功率就小，满足不了车辆的动力性能，这样电机就得提供更多的驱动功率，使得电机和电池组的质量增加，从而加大了车辆的整车成本。由于Plug-in混合动力轿车经常运行在电动工况，发动机经常处于关闭状态。依据设计要求，当发动机开启时，要满足功率要求，考虑到传递效率问题，发动机的额定功率大体应选择在40kW左右，如表3.2所示：表3.2发动机参数表发动机类型SQR3721升功率kw/L54.2缸数3排量0.812L缸径*行程mm72*66.5额定功率kw/r/min44/6000最大扭矩Nm/r/min90/3200发动机质量82kg根据所选的发动机参数，选定发电机的参数如表3.3所示：表3.3发电机参数表类型交流永磁同步发电机额定电压250380V额定转速3600rpm效率92%额定功率23kW重量40kg3.3电池参数的选择混合动力汽车的电能储存装置可分为二次电池、超级电容和飞轮电池三类。二次电池亦称可充电电池6。蓄电池习惯上指铅酸蓄电池，也属于二次电池。现代混合动力汽车上的最常见的二次电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、镍-金属氢化物电池四类。超级电容器又叫电化学电容器，是一种新型的、双电层电容器，与常见的物理电容器不同。其特点是它的电容量大，比物理电容器的极限容量提高34个数量级，达到了1000F/g以上。飞轮电池亦称飞轮储能器、高速或超高速飞轮储能器等，是利用飞轮高速旋转储存和释放电能的一种装置。各种储能装置的性能比较如表3.4所示。15表3.4 几种电能储存装置的比能量和比功率比较电池种类比能量W.h/kg比功率/kg铅酸蓄电池3040300500镍氢电池4050500800锂离子电池60705001500锂聚合物电池506001100飞轮储能器1550300超级电容器284004500锂离子电池具有能量密度高、电压高、无污染、循环寿命长、负载特性好和安全性好的特点，因此在本文中我们选用锂离子电池。电池的参数主要是功率、能量和容量。参数的设计应该遵循以下原则：（1）电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致；（2）充放电功率与发电机组的功率相配合，满足电机的功率要求；（3）所选用电池的能量和容量要满足行驶过程中的消耗。3.3.1电池的电压等级如果电动机的峰值功率比较大，电系统的电压等级越高，对保证电流不超过一定限制是非常有利的。但电压等级也不能超过电系统的最高电压限值。综上，根据发动机和发电机的电压，选定电池组的电压等级为300V。表3.5 各种车型的电压等级统计结果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和纯电动轿车288350V采用串并联结构的混合动力客车和纯电动客车350650V3.3.2电池能量参数电池的能量计算公式为： 式（3.5）式中为电池组的实际能量（kWh）；为电池组的平均工作电压（V）；C为单体电池的容量（Ah）。 电动汽车行驶里程S（km）所需的能量，可以通过下面的计算确定。假定汽车以(km/h)的速度行驶。 式（3.6） 式（3.7）式中为汽车以纯电动驱动所需的功率（kW）；为车辆行驶里程S（km）所需的能量（kWh）。需要使满足： 式（3.8） 由电池容量与电压直接求续驶里程，计算公式如下所示： 式（3.9）式中为电池块的有效放电容量。电池不可能完全100%放出其额定容量，比如从放电初始时SOC为90%放电到SOC为20%，那么该系数即为70%，即可放出其最大容量的70%。 利用上述公式和所匹配的电压、电池容量的关系，以及选定的参数，其中取80km/h，经计算电池组的电压若为300V，电池组的容量为37Ah，考虑到行驶过程中，其他电动附件对能量的消耗，选取电池组的电压300V，电池组的容量40Ah。依据上述情况，现选定比亚迪R1224A-C磷酸铁锂电池，具体参数如下：表3.6 Plug-in串联混合动力轿车的电池参数电池型号R1224A-C标称电压12V标称容量24Ah最大持续放电电流40A尺寸（L*W*H）mm168*85*134.5最大瞬间放电电流60A60s能量转换率95%电芯型号FP1880100-2重量(kg)2.9循环次数2000比功率600Wh/kg放电深度0.90.2 由于单体电池的电压和容量如上表所示，为满足电压要求，则应选取电池块数n=300/12+1=26块，电池连接方式为混联。3.4传动系速比确定 汽车采用的是可变速比的变速箱，传动系的传动比的确定必须遵守下述原则：（1）必须保证预期的车速；（2）必须保证汽车的最大爬坡度；（3）当汽车以巡航车速行驶时，尽可能地使电动机工作于高效率区。为减轻整车质量，简化传动系，选取两挡变速箱。传动系传动比的具体选定步骤如下：(1)根据汽车理论的知识：3 式（3.10）式中汽车速度，单位km/hr车轮半径，单位m；n电动机转速，单位rpm主减速器传动比；变速箱传动比。通过计算可得，欲要保证汽车的最高车速达到指定要求，则必须使的值大于6.03，初步选择主减速器的传动比为4.5；则最高档的传动比必须，初步选定最高档的传动比为1.33。(2)保证汽车能够爬上最大坡度 式（3.11）式中变速箱的一档传动比；G汽车重量，单位为N；f汽车和路面的滚动摩擦系数，此处取值为0.015；汽车所要达到的最大爬坡度；r轮胎半径，单位为m，此处取0.293m；电动机的最大扭矩，单位为Nm主减速器变速比；从电动机到车轮的传动效率经计算2.16，为保证该混合动力轿车能够满足给定的坡道能力，选取一档传动比为2.18。该轿车经常行驶于市区内，最常用的车速为30km/h50km/h，应该保证以此速度行驶时电动机工作于高效率区。由于电动机在接近中低转速时效率比较高。变速箱工作于二档时，应该尽量使该车在常用的30km/h50km/h的车速下行驶，电动机工作于高效区。当1.33时，汽车以30km/h50km/h的速度行驶时，电动机的转速范围为1625rpm2700rpm，在这个范围工作时电动机效率是比较高的。由于汽车档数的多少还影响着档与档之间的传动比，比值过大会造成换挡困难，一般认为不宜大于1.71.8，而此处两挡之比为1.64，符合设计的要求，则此处的传动系的参数如表3.7所示。表3.7 Plug-in串联混合动力轿车变速器和主减速器参数主减速器减速比4.5变速箱的一档传动比2.18变速箱的二档传动比1.334 Plug-in串联混合动力轿车的控制策略混合动力汽车开发与传统汽车开发的最大不同，是动力总成控制系统的开发，这也是混合动力汽车开发的核心内容和技术难点。混合动力控制系统应该在满足整车动力性指标的前提下，通过对各总成的协调控制实现提高燃油经济性和降低排放的目标。控制系统的开发包括硬件部分和软件部分，其中，最关键的技术是控制算法的编制，也就是控制策略的问题。本章对最适合于Plug-in串联混合动力轿车的控制策略进行深入分析，这是控制系统开发的基础。4.1Plug-in串联混合动力轿车电池组工作模式由于PHEV可通过外部电网充电，比普通HEV有较长的纯电动行驶里程，但需要时仍然可以像普通HEV一样工作。其电池组工作模式主要包括电量消耗模式和电量保持模式，如图4.1所示。图4.1电池组工作模式根据车上电池荷电状态SOC的变化特点，可以将PHEV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。“电量消耗纯电动”、“电量消耗混合动力”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功率需求和电池的荷电状态SOC11。4.1.1电量消耗模式在电池组充满电(SOC=90%)后，车辆可以以纯电动或从电池组消耗能量的模式行驶，此时电池组的SOC可能有些波动，但其平均水平不断减少，即电量在不断消耗，直至达到某一规定的值为止，称此过程为电量消耗模式。根据发动机是否参与工作，电量消耗模式又可分为纯电动模式和混合模式。l)在“电量消耗纯电动”子模式中，发动机关闭，电池是唯一的能量源，电池的SOC降低，实现零排放，车辆一般只能达到部分动力性指标，适合起动、低速和低负荷使用。2)在“电量消耗混合动力”子模式中，发动机和蓄电池同时工作，电池提供整车功率需求的主要部分，电池的SOC也在降低，发动机只是用来补充电池输出功率不足的部分，直至电池的SOC达到最小允许值。适合高速时使用，尤其是要求全面达到动力性指标时采用。4.1.2电量保持模式在电池组的能量消耗到一定程度(例如SOC=50%)时，为了保证车辆性能和电池组的安全性，车辆进入电量保持模式。在电量保持模式中，车辆工作方式与传统的混合动力模式类似，控制策略也与传统混合动力类似，发动机和电池同时工作，电池组SOC可以有波动，但其平均值保持在某一水平上。发动机提供整车功率需求的主要部分，蓄电池只是用来补充发动机输出功率不足的部分或者储存发动机输出功率多余的部分。根据电池组是否参与工作，电量保持模式又可分为纯发动机模式、混合模式和驱动且充电模式。1)“电量保持纯发动机”驱动模式，发动机是唯一的能量源，发动机始终保持在一定经济区范围内工作，车辆一般只能达到部分动力性指标，适合负荷稳定或者符合需求不是很高的情况下使用。当车辆匀速行驶或者只要求部分动力性指标时，采用此种模式的控制策略。2)“电量保持混合动力”驱动模式，发动机和蓄电池同时工作，发动机提供整车功率需求的主要部分，发动机始终保持在一定经济区范围内工作，电池的SOC也在降低，电池只是用来补充电池输出功率不足的部分，直至电池的SOC达到最小允许值。适合高速时使用，尤其是要求全面达到动力性指标时采用。3)“电量保持驱动且充电”工作模式，发动机单独驱动，发动机提供整车功率需求全部，发动机始终保持在一定经济区范围内工作，电池的SOC也在上升，电池只是用来储存电池输出功率多余的部分，直至电池的SOC达到最大允许值。适合功率需求小、SOC较低时使用。4.1.3常规夜间充电模式车辆在停运之前可以将蓄电池内的电能用尽，晚间就可利用外部公用电网(主要是晚间低谷电力)对车载动力电池进行均衡充电，不仅可改善电厂发电机组效率、解决电价问题，而且可大大降低对石油的依赖，从而减少去加油站加油的次数;另外用电比燃油便宜，可以显著减少燃油使用量，降低使用成本。4.2Plug-in串联混合动力系统的控制策略串联混合动力汽车的控制策略目的是为了控制电机，发动机和发电机之间的功率分配，使汽车不仅能够满足路面的功率要求，而且能够使各动力源之间进行很好的匹配，达到各功率源之间的合理分配。11首先介绍发动机-发电机组，电池和驱动电机三者动力源之间的功率定义：发动机-发电机组输出功率，它只能单方向向下传递给驱动系统动力链； ：电机的输入/输出功率，它是双向的，即可以向后传递，表示驱动功率，符号设定为正。也可以向前传递,表示再生制动情况下驱动电机当作发电机使用时输出的功率，向电池进行充电，符号设定为负。：电池的充放电功率。它也是双向的，当向功率总线放电，然后再与发电机组发出的功率组合在一起对驱动电机进行放电时，符号设定为正。而当它充电时，符号设定为负。 由以上定义，很明显具有以下的等式成立：=+ 式（4.1）的大小由路面需要的功率决定，在设定的工况下，它是确定的。现在就剩下两个变量和，它们之间的分配是串联混合动力控制系统控制策略要研究的主要内容。由于PHEV既可以像纯电动汽车那样行驶，又可以像普通HEV一样工作，于是可以根据PHEV的工作模式来制定其控制策略。“电量消耗纯电动”、“电量消耗混合动力”和“电量保持”工作模式之间能够根据整车管理策略进行无缝切换，切换的主要依据是整车需求功率P和电池的SOC值。4.2.1“电量消耗纯电动”模式控制策略由于PHEV可通过外部电网充电，配置蓄电池的功率和能量都比普通HEV要大，因此比普通HEV有较长的纯电动行驶里程，所以我们可以优先考虑利用蓄电池单独驱动车辆行驶。12因为蓄电池最优充放电效率出现在其荷电容量SOC为0.8左右，所以在蓄电池充满电时，PHEV将优先选择EV驱动模式。除了SOC，借助GPS和线路MAP图，后续车辆功率需求也应该进行考虑。假设车辆运行前蓄电池的电量都是充满的。当整车需求功率P小于时，PHEV将选择EV驱动模式，优先消耗蓄电池的电量。当整车需求功率P大于时，PHEV将选择“电量消耗混合动力”驱动模式。4.2.2“电量消耗混合动力”模式控制策略在蓄电池充满电时，PHEV将优先选择EV驱动模式，但是如果此时车辆需求较大，蓄电池功率不能满足时，依然需要APU开启以满足车辆需求功率。发动机和蓄电池同时工作，蓄电池以放电为主，提供整车功率需求的主要部分，发动机则工作在低速经济区，以补充电池输出功率不足的部分，直至蓄电池的SOC达到最小设定值。此时车辆的工作模式就可以过渡到“电量保持”工作模式，以保证车辆工作模式的连续性。当整车需求功率P大于时，发动机虽然开启，但主要以蓄电池的功率为主，蓄电池SOC不断减少。当蓄电池SOC减少到时，车辆的工作模式就可以过渡到“电量保持”工作模式。4.2.3“电量保持”模式控制策略目前按和之间分配的控制策略来分，可分为两种控制策略模式：功率跟随式（Power follower）和开关式（thermostat）。在上面所述的两种控制模式中，功率跟随模式的基本思想为7：当电池电量状态SOC在电池充电量的高低状态设定值之间时，发动机应在某一设定的范围内输出功率，输出功率不仅要满足车辆驱动要求，还要为电池组充电，该功率称为均