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2012届车辆工程专业毕业设计（论文） 题 目 中度混合动力电动汽 车动力传动系统匹配设计学 院 专 业 学 生 学 号 指导教师 目 录目 录2摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 开展中度混合动力汽车研究的背景及意义11.2 混合动力汽车的结构和工作原理21.2.1 混合动力汽车的结构21.2.2 混合动力汽车的工作原理31.3 混合动力汽车国内外发展现状41.3.1 中度混合动力汽车国外发展现状41.3.2 混合动力汽车国内发展现状51.3.3 混合动力汽车发展前景71.4 本论文主要研究内容8第2章 中度混合动力汽车动力传动系统匹配设计92.1 混合动力汽车的传动系布置方案分类和选择92.2 中度混合动力汽车整车参数及性能指标确定122.3中度混合动力汽车发动机选型122.3.1发动机形式的选择122.3.2 发动机主要性能指标的选择132.4 传动系传动速比设计142.5 中度混合动力汽车电动机选型152.5.1 混合动力汽车电动机类型的确定162.5.2 启动功率及转矩的确定162.5.3 电机额定功率172.6 中度混合动力汽车电池选型182.6.1 电池组数的确定182.6.2 电池容量的确定192.7 本章小结19第3章 基于ADVISOR的中度混合动力汽车仿真建模213.1 ADVISOR软件介绍213.1.1 ADVISOR简介213.1.2 ADVISOR使用方法223.2 整车建模253.2.1 发动机模块253.2.2 电机模块263.2.3 储能元件电池模块273.2.4自动变速器控制模块283.3 本章小结29第4章 基于ADVISOR的中度混合动力汽车仿真分析304.1 整车参数的输入304.2 循环工况仿真304.2.1 1015循环工况下的动力性经济性仿真304.2.2 ECE-EUDC循环工况下的动力性经济性仿真374.2.3 NEDC循环工况下的动力性经济性仿真434.2.4 UDDS循环工况下的动力性经济性仿真494.3 本章小结54第5章 全文总结55致谢56参考文献57摘 要本文主要介绍了混合动力汽车的概念，和在国内外的发展状况，串联式、并联式、混联式混合动力汽车的结构特点和驱动模式，并对其结构特性进行分析，为了对混合动力汽车结构特性研究分析，本文以某款中度混合动力汽车为模型。首先，分析了中度混合动力汽车主要工作模式，确定了传动系的布局形式。在分析了无级自动变速系统调速特性的基础上，根据原车性能指标确定变速器的结构设计参数。并对传动系统进行匹配设计（选型），主要对原车型的发动机、主减速比、电动机、电池的类型和特点进行介绍，并根据每个部件的优缺点和根据计算得到的主要性能参数对该部件做出选择。选型完成后，还要运用ADVISOR建立整车仿真模型，详细分析了各模块的组成及控制思想，为具体控制策略的制定和仿真分析奠定基础。最后，对中度混合动力汽车进行了整车性能仿真分析，通过软件对整车动力性、经济性和循环工况进行仿真分析，得出结果。关键词：中度混合动力，传动系统，匹配设计，仿真ABSTRACTThis paper mainly introduces the concept of Mixed power vehicle，and its development in the domestic and international . Series, in parallel, the mixed up in the structure and drive mode of Mixed power vehicle. And its structural features analysis , in order to study structural characteristics of Mixed power vehicle. This paper to a particular medium hybrid vehicle for model.First of all, the operation mode of medium hybrid vehicle was analyzed. Then the layout of the power train was designed. Based on analyzing the characteristics of CVT and in considering of the performance target of the original vehicle, configuration parameters of the transmission were designed. And do matching design (selection) for the transmission system. Mainly introduces Types and characteristics of the vehicle engine, the slowdown, motor, battery. And according to the advantages and disadvantages of each component and the main performance is calculated for parameters on the components to make a choice. After selection finished, Control methods of each part were determined based on the vehicle control strategy. The vehicle simulation model of mild HEV was developed using Matlab/Simulink The detail of each component model and control idea was described in each simulation model. This simulation model is the base for setting up detail control methods and carrying out simulating analysis of the vehicle. Finally, the moderate hybrid vehicles simulation analysis of vehicle performance, simulation and analysis software, vehicle power, economy and circulatory conditions, and the outcome.Keywords: medium hybrid, ransmission system, Matching design, Simulation 第1章 绪论1.1 开展中度混合动力汽车研究的背景及意义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其动力潜能的40%，在市区还会跌至25%，更严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，随着全球汽车工业的发展，汽车的产量、销售量和保有量在逐年增加，因此对石油资源的需求，对生态环境的影响也越来越大。世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各国制定了一系列十分严格的排放法规，要求生产厂家设法减少汽车排放，开发无污染和超低污染汽车，各种各样的电动汽车也脱颖而出。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。专家估计在未来一段时间内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车。为此想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力汽车装置HEV(Hybrid-electric Vehicle)。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。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。混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，简称HEV)是指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。混合动力汽车具有以下优点：1）采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。2）因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3）在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零排放。4）有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。电动汽车己有三种驱动类型：以高效能蓄电池驱动的电动汽车(EV)、以燃料电池为动力源电动汽车(FEV)和以燃油发动机与电动机混合驱动的混合动力电动汽车(HEV)。电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的，纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标，但目前纯电动汽车初始成本高，行驶里程较短。由于高效能蓄电池、燃料电池及其系统的发展相对滞后，混合动力汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能器件(主要是高性能电池或超级电容器)通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国内外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注，得到商业市场的响应并迅速发展，这其中以丰田的Prius和本田的Insight为代表。电力辅助型混合动力汽车采用并联式结构。电池组容量相对较小(2-6kW/h)，由发动机提供匀速行驶时的平均功率需求，当加速或爬坡需要较大功率时，由电池和电动机组成的电力辅助部分补充输出驱动功率。混合动力汽车动力性能、燃料经济性以及废气排放效果的好坏，在很大程度上取决于车辆驱动系统参数的合理匹配以及车辆行驶过程中对各部件的协调控制。传统燃油汽车的发动机使用情况多数是偏离其最佳工作区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配。因此，通过合理匹配混合动力汽车的驱动系统，制定适合于车辆行驶工况的控制策略，对于提高汽车行驶效率，降低燃油消耗和尾气排放具有较大的潜力，是一个值得研究的课题。对于汽车的动力性能和燃料经济性水平，通常是在进行实车道路试验之后给予最后评价。这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及各总成方案的确定、结构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等具有一定的盲目性，可能遗漏较优的方案，造成浪费。如果在设计阶段，根据有关设计参数和驱动系统控制策略，利用计算机仿真模拟对汽车动力性和燃料经济性进行预测，可以考察驱动系统参数是如何影响汽车动力性和燃油经济性，并对其进行优化设计。此外，按预定的程序模拟各种行驶工况，包括瞬变的非稳定工况，能全面地预测汽车齐多种工况下的动力性能和燃油经济性。1.2 混合动力汽车的结构和工作原理1.2.1 混合动力汽车的结构汽油-电动混合动力车主要包含以下部件：1)汽油机混合动力车上的汽油机与大多数汽车上的汽油机非常类似。不过，混和动力汽车上的发动机体积较小，使用先进技术来减少排放，提高效率。2)油 箱混合动力车上的油箱是汽油机的能量存储设备。汽油的能量密度比电池要高得多。例如，约454公斤的电池所存储的能量只与约4.5升（3公斤）的汽油相当。3)电动机混合动力车上的电动机非常复杂。先进的电子元件使其既能作为电动机，也能作为发电机。例如，如果需要，它可以从电池中吸取能量，加快车速。但如果作为发电机，它又能使车辆减速，将能量返回给电池。4) 发电机发电机类似于电动机，但它仅仅产生电能。它主要用在串联混和动力上。5)电 池混合动力车中的电池是电动机的能量存储设备。与油箱中的汽油不同，汽油只能驱动汽油机，而混和动力汽车上的电动机可以将能量输送到电池，也可以从电池中吸取能量。 6)变速器混合动力车上的变速器的基本功能与传统汽车上的一样。一些混和动力车(如本田Insight)使用常规变速器。也有一些混合动力车（如丰田普锐斯）使用的变速器则完全不同。1.2.2 混合动力汽车的工作原理混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作。电池电量低于60时，辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量；当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同时并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在传统汽车中，当司机踩制动时，这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能大部分回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。当司机想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机并联工作，提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合，混合动力车可以单靠电机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时，可以单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。1.3 混合动力汽车国内外发展现状1.3.1 中度混合动力汽车国外发展现状当前，全球汽车工业正面临着金融危机和能源环境问题的巨大挑战。发展新能源汽车，实现汽车动力系统的新能源化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成广泛共识。在这种形势下，美国、日本、欧洲等发达国家和地区，不约而同地将新能源为代表的低碳产业作为国家战略选择，都希望通过新能源产业与传统汽车产业的结合，破解汽车工业能源环境制约，培育新型战略性产业，提升产业核心竞争力，发展低碳经济，实现新一轮经济增长。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。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。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，2015年将在世界汽车市场占15%，2020年占25%。1) 美国混合动力汽车市场发展现状政府的发展规划1973年OPEC组织对西方国家石油禁运给美国政府敲响了警钟。但是直到90年代初电动车的研究在美国才真正开始。1990 年10月布什总统签署清洁空气法严格规定了汽车排放的标准，同月加州政府也有了新的规定，即要求汽车制造商在加州销售的车辆中2%必须是零排放车辆，而当时只有纯电动汽车才可能达到零排放车辆的要求。2002年1月9日，美国能源部宣布成立一个新的汽车研究项目，叫自由车项目，长期目标是实现高效、价廉、无污染，研究先进、高效的燃料电池技术。2009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。2009年8月美国总统奥巴马宣布安排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。2) 日本混合动力汽车市场发展现状政府的发展规划早在1992年，日本政府宣布将允许市场投放20万辆电动车的计划，但是没有实现；2001年7月，日本开展了“低公害车开发普及行动”，将EV/HEV列为重点开发的低公害汽车之列，并制定了专门的政策，以促进EV/HEV的普及应用；2002年2月，日本中央环境审议会大气环境领域的一个专门委员会提出了一份有关尾气排放标准的咨询提案；2009年4月1日实施新的“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26亿美元，是现行优惠办法减税额的10倍。为刺激消费拉动内需，日本2010年推出旧车换购新车及购买环保车补助金政策，及换购环保车减免税政策，混合动力汽车销售旺盛，5月份新车销量中，混合动力汽车共销售21601辆，约占12%，首次超过汽车总销量1成。2009年49月，混合动力汽车销量占汽车销售总量8.9%。其中，丰田Prius共销售11万6298辆，并连续4个月位居新车销售排行榜榜首。日本政府2010年提出“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年已经投入5亿美元用于先进动力电池技术研究。3) 其他国混合动力汽车市场发展现状在欧洲，各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车。最近欧洲六大汽车公司联合就混合动力汽车技术进行了研讨和综合评述，认为其技术成果有望使混合动力汽车的成本接近于传统汽车，使用户买得起，生产厂商也有利可图。专家普遍评价：混合动力汽车是21世纪初汽车产业界的一场革命，只有混合动力汽车才能满足世纪之初对汽车的环保与节能要求。德国政府在2008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。从2010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。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。1.3.2 混合动力汽车国内发展现状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。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，电机重量比功率超过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。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。一汽集团从1999年开始进行新能源汽车的理论研究和研制工作，并开发了红旗混合动力轿车性能样本。“十五”期间，一汽集团承担了国家“863”计划重大专项中“红旗牌串联方式混合动力轿车研究开发”任务，正式开始了新能源汽车的研发工作。从2006年开始，一汽在奔腾B70的基础上，进行混合动力化的技术研究，将原来的纵置发动机总成改成横置发动机总成，采用了横置发动机及双电机混联技术。同时，一汽还抓紧了对发动机、机电一体化变速器、整车控制网络、整车控制系统的研发，目前一汽混合动力轿车已经取得了42的节油效果，达到了国际先进水平。上汽集团在新能源汽车的研发上，上汽明确了以混合动力为重点，燃料电池为方向，同时加快替代产品的研发。混合动力汽车、燃料电池汽车、代用燃料汽车成为上汽集团新能源战略的三大重点。2010年上汽荣威750中混混合动力轿车将投放市场，在上海世博会期间上汽将投放150辆混合动力汽车在世博越江专线上运行。2012年，荣威550插电式强混轿车将上市，目前该车的动力系统前期开发已经启动，并且进展顺利。东风集团从“十五”计划开始，东风公司每年投资上亿元研发电动汽车，再加上国家以及省市政府投资，共达6个多亿，目前东风在纯电动、混合动力、燃料电池等各种电动汽车的研发方面都独立掌握了核心技术，不依赖于任何外力，实现自主知识产权。目前，东风汽车公司已完成新车型外观设计、关键零部件的设计生产、轿车总成等各方面工作，将在年内正式上市混合动力轿车。中国长安在“十一五”期间，长安加大了对清洁能源汽车的投入，开展了多元化能源技术的探索性研究。通过在节能环保车型上不断推陈出新、引领行业的技术升级，充分利用和调动全球资源，长安在中度油电混合动力汽车、强度油电混合动力轿车等技术领域均有探索。长安首款混合动力轿车长安杰勋HEV已于2009年6月成功上市；首批20辆长安志翔混合动力出租车今年1月正式在重庆投入投入运行。奇瑞汽车从2003年开始到2008年，奇瑞主要进行混合与中度混合动力轿车以及节能环保系统的开发，并实现产业化；奇瑞已经在芜湖的出租车上进行了试用，油耗将降低10%到30%，达到欧排放标准。从2004年开始，奇瑞主要进行强混合动力轿车的开发，并实现产业化。奇瑞混合动力轿车油耗目标达到100公里3升，排放达到欧美法规。1.3.3 混合动力汽车发展前景混合动力汽车废气排放量低，“低碳经济”的发展规律。符合面对全球气候变化，急需世界各国协同减低或控制二氧化碳排放，“低碳经济”在这种形势下应运而生。所谓“低碳经济”是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新，制度创新，产业转型，新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭，石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳经济是以低能耗，低污低排放为基础的经济模式.据资料染显示，混合动力汽车的混合动力装置发挥发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以充分利用电动机无污染，低噪声的好处，“并肩战斗”取长补短，使汽车的热效率提高10%以上，废气排放改善30%以上，大大降低污染，“低碳经济”符合低污染发展规律。在能源短缺的大环境下，混合动力汽车的发展符合社会发展的趋势。能源危机问题已经是世界范围内的共性问题。尽管混合动力并不是汽车替代能源措施的最终解决方案，但在最终解决方案未定论前，它的出现让人们为之欣喜，并已确确实实在节能技术上是现有所作为。混合动力技术的问世，阶段解决能源问题的有效措施，符合社会节能环保的发展趋势。混合动力汽车的市场推广需要政府的主导。在欧美一些国家以及日本等国，个人购买节能环保型车辆，政府都有一定程度的资金补贴，使得混合动力汽车的购车价与普通的燃油车车价接近。政策的鼓励对混合动力车的市场推进有着推波助澜的作用。在我国，对节能环保车辆也有一定的政策鼓励，如2009年2月7日下发的节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法，在公共服务用乘用车和轻型商用车方面，节油率在40%以上的混合动力汽车，每辆可获5万元补贴。但目前这样的利好政策还没有辐射到个人购车的优惠上。笔者认为，混合动力汽车要有更好的市场前景，政府的主导及相关政策的倾斜尤为重要。1.4 本论文主要研究内容 对于混合动力汽车，世界多个国家都已经做了不少研究，在各项关键技术上都已经研究到一个非常成熟地步，且已经有多个汽车品牌已经将这些技术运用到了部分车型上。本文将参照某款轿车的基本参数进行中度混合动力汽车传动系统的选型、匹配设计、建模及仿真等研究。本文主要研究内容如下：1) 分析中度混合动力电动汽车动力传动系统功能总成，提出动力传动系统总布置设计方案；2) 确定中度混合动力汽车的主要技术参数；3) 根据整车动力性要求，对内燃机、电机、电池及传动系主要性能参数进行匹配设计；4) 运用Matlab/Simulink模块进行建模仿真，分析设计所得数据，从而对所设计中度混合动力汽车的动力性和经济性进行分析。第2章 中度混合动力汽车动力传动系统匹配设计2.1 混合动力汽车的传动系布置方案分类和选择根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：A.是串联式混合动力系统：如图2.1所示，串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。图2.1 串联式B.是并联式混合动力系统：如图2.2所示，并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。图2.2 并联式C.是混联式混合动力系统：如图2.3所示，混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。Prius采用的是混联式联结方式。图2.3 混联式根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：A.是微混合动力系统：代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternator Starter Generator,简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12v和42v。其中42v主要用于柴油混合动力系统。B.是轻混合动力系统：代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；（2）在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20以下。C.是中混合动力系统： 本田旗下混合动力的Insight,Accord和Civic都属于这种系统。该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30左右，目前技术已经成熟，应用广泛。D.是完全混合动力系统：丰田的Prius 和未来的Estima属于完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。以上各种不同的混合方式，都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽车厂商在过去的十几年，通过不断的研发投入，试验总结，商业应用，形成了各自的混合动力技术之路，而在市场上的表现也是各具特色。 综上所述，我们已经知道三种结构各自的特点，相对而言并联式混合动力汽车不仅结构简单、成本较低而且系统效率较高，而且知道对于混合程度较高、采用混合动力传动系统的混合动力汽车的性价比较好，本论文将对采用并联式混合动力系统的中度混合动力汽车进行研究。同时同时为了使发动机在最佳效率区和排放区工作，采用了自动无级变速器（CVT）。2.2 中度混合动力汽车整车参数及性能指标确定表2.1 汽车整车参数整备质量（Kg）1440风阻系数CD0.34迎风面积A（m2）2.28主减速比5.2466传动效率T0.9续驶里程（Km）150车轮滚动半径r（m）0.31滚动阻力系数f00.013515档速比2.6932,1.5196,1.0156,0.7373,0.6094动力性指标：（1）最大车速130km/h（纯发动机驱动）；（2）在车速v=90km/h时爬坡度i5%（纯发动机驱动）；（3）原地起步至110km/h的加速时间t28s（混合驱动）；（4）最大爬坡度32%（混合驱动）。2.3中度混合动力汽车发动机选型2.3.1发动机形式的选择当前汽车上使用的发动机仍然是以往复式内燃机为主。它分为汽油机和柴油机两类。与汽油机比较，柴油机具有较好的燃油经济性，使用成本低，在相同的续驶里程内，可以设置容积小些的油箱。柴油机压缩比可以达到1523，而汽油机一般控制在810；柴油机热效率高达38，而汽油机为30；柴油机工作呵靠，寿命长，排污量少。 柴油机的主要缺点是：由于提高了压缩比，要求活塞和缸盖的间隙尽可能小，加工精度比汽油机要求更高；因自燃产生的爆发压力很大，因此要求柴油机各部分的结构强度比汽油柴油机主要用于货车、大型客车上。随着发动机技术的进步，轻型车和轿车用柴油机有日益增多的趋势。根据发动机气缸排列形式不同，发动机有直列、水平对置和V型三种。气缸直列式排列具有结构简单、宽度窄、布置方便等优点。但当发动机缸数多时，长度尺寸过长，在汽车上布置困难，因此直列式适用于6缸以下的发动机。此外，直列式还有高度尺寸大的缺点与直列发动机比较，V型发动机具有长度尺寸短因而曲轴刚度得到提高，高度尺寸小，发动机系列多等优点。其主要缺点是用于平头车时，因发动机宽而布置上较为困难，造价高。水平对置式发动机的主要优点是平衡好，高度低。V型发动机主要用于中、高级和高级轿车以及重型货车上，水平对置式发动机在少量大客车上得到应用。根据发动机冷却方式不同，发动机分为水冷与风冷两种。大部分汽车用水冷发动机，因为它具有冷却均匀可靠、散热良好、噪声小和能解决车内供暖问题，以及加大散热器面积后，能较好适应发动机增压后散热的需要等优点。水冷发动机的主要缺点是冷却系结构复杂；使用与维修不方便；冷却性能受环境温度影响较大，夏季冷却水容易过热，冬季又容易过冷，并且在室外存放，水结冰后能冻坏气缸缸体和散热器。当选用尺寸和质量小的发动机时，不仅有利于汽车小型化、轻量化，同时在保证客厢内部有足够空间的条件下，还能节约燃料。2.3.2 发动机主要性能指标的选择1） 发动机最大功率和相应转速根据所需要的最高车速(km/h)，用下式估算发动机最大功率=59.43kw （2.1）式中，为发动机最大功率(kW)； 为传动系效率，对驱动桥用单级主减速器的42汽车可取为90；为汽车总质量(kg)；为重力加速度(m/s2)；为滚动阻力系数，对轿车0.016510.01(50)，对货车取0.02，矿用自卸车取0.03，用最高车速代入；CD为空气阻力系数，轿车取0.300.35，货车取0.801.00，大客车取0.600.70；为汽车正面投影面积(m2)；为最高车速。参考同级汽车的比功率统计值，然后选定新设计汽车的比功率值，并乘以汽车总放目，也可以求得所需的最大功率值。最大功率转速的范围如下：汽油机的在30007000rmin，因轿车最高值多在4000rmin以上，轻型货车的值在40005000rmin之间，中型货车更低些。柴油机的值在18004000rmin之间，轿车和轻型货车用高速柴油机，取在32004000rmin之间，重型货车用柴油机的值取得低。2） 发动机最大转矩及相应转速用下式计算确定=113.4Nm （2.2）式中，为最大转矩(Nm)；为转矩适应性系数，一般在1.11.3之间选取；为发动机最大功率(kw)；为最大功率转速(rmin)。要求/在1.42.0之间选取。考虑到汽车在混合驱动工况工作时，发动机被控制，在一般情况下按最小油耗特性运行，因而要加上10%的功率裕量，以减少对电动机的功率需求和提高汽车在纯发动机驱动时的动力性能。最后确定的发动机功率为65.3kw。因此，选用JL475Q3型发动机。2.4 传动系传动速比设计主减速器速比的确定：对于装备CVT的并联式混合动力汽车，原则上应尽可能选取较大的主减速器速比。越大，汽车的加速和爬坡能力越强，所需的电机、电池组容量就越小。的大小要满足以下两个限制条件。1）保证发动机按最小燃油消耗特性运行当汽车在纯发动机驱动工况匀速行驶时，的最大值应能保证当CVT速比调到最小值时，发动机在最低限制转速时也能按最小燃油消耗特性工作。由于无论当汽车空载或满载时均要求使发动机按照最小燃油消耗特性来工作，所以汽车阻力功率按空载工况计算。设发动机转速n=1600r/min所对应的功率等于车速为时的阻力功率，则得到以下不等式： （2.3）式中：发动机最低稳定转速，=1600r/min；CVT最小速比车速由下式决定： （2.4）2）为了保证纯发动机驱动工况下的最高车速设汽车以最大速比原地起步加速，节气门全开，当发动机运行到最大功率时，控制发动机保持在最大功率点工作，并减小CVT速比使车速增加，直至达到最高车速。的大小应能保证当CVT速比调到最大值时，汽车的计算车速不低于设计所要求的最高车速，即 （2.5）式中：发动机最大功率所对应的转速通常，式(2.3)右端的计算值小于式(2.5)，因此取式(2.3)为等号时的计算值，最后配合程序计算的主减速器的速比为=2.166。2.5 中度混合动力汽车电动机选型在HEV上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻HEV的总质量。因此，一般电动发电机只是在HEV发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。电动发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。电动发电机还起发电机的作用，电动发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。电动发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。在HEV下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。因此，HEV有了电动机的辅助作用，就可以使HEV达到节能和“超低污染”的要求。电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。但HEV所采用的电动机种类少，功率覆盖面也较小。目前主要采用的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机，不管是电机本身还是它们的控制装置，成本都比较高，但随着电动机的电子计算机控制和机电一体化的加速发展，很多新技术正逐步运用到混合动力汽车(HEV)的电动机上，一旦形成大规模批量生产，所用电机乃至整车的成本都会得到大大降低。2.5.1 混合动力汽车电动机类型的确定电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 综上所述，考虑环境条件、运行条件、安装方式、传动方式等因素，最终确定采用永磁同步直流电机。2.5.2 启动功率及转矩的确定电动机启动功率应满足汽车的最大爬坡度和加速时间要求。可设汽车在混合驱动工况时以最大速比原地起步加速或爬坡，油门全开，当发动机转速达到最高功率对应的转速时，控制发动机保持在该点工作，此时，电机转速为*(为转矩合成器速比)，并控制电机保持在该转速下工作，同时减少CVT速比以增大车速。由于电动机需满足最大爬坡度的要求：(1) (2.6)(2) (2.7)式中：最大驱动力，N最大爬坡度最大驱动力所对应的车速，km/ht0的加速时间车速，km/h旋转质量换算系数，按经验公式取=1+0.04+0.04 、驱动力、滚动阻力和空气阻力由于在确定电动机启动功率及启动转矩的过程中，扩大恒功率系数K（电动机最高转速与额定转速之比）对这两者有重要的影响，因此，有必要先对它们之间的关系作必要的分析。参考蒲斌14论文,电机启动功率、扩大恒功率系数K和汽车从起步加速到v=110km/h所需的加速时间t三者之间的关系。当K一定时，加速时间随电机启动功率的增大而降低；当电机启动功率一定时，加速时间随K值的增大而降低；当加速时间要求一定时，电机启动功率随K值的增大而降低。当K增大时，电机驱动力和电机扭矩也随之增大。本设计采用的为较大功率电机，选取较大的K值有利于提高电机的功率，因此，应选取较大的K值。但是随着K的增大，电机启动扭矩也随之增大，虽然这有利于汽车的原地起步加速和爬坡，但对电机的支撑要求也提高，高转矩也需要较大的电机电流和电子设备，增大了功率变换器硅钢片的尺寸和损耗，也增大了驱动轴转矩和传动部件的应力，所以K也不宜过大。考虑到汽车的动力性能要求（原地起步至110km/h的加速时间t28s、最大爬坡度32%（混合驱动），以及CVT的转矩传递能力，初选K=7，电机启动功率=17kW。研究分析表明，当电机功率一定时，随着电机最高转速增加，电机启动转矩减少，但当电机最高转速超过16000r/min后，转矩降低幅度变小（尤其是当K较小时）。此外，电机最高转速过高，导致电机制造成本增加，并使转矩合成器的尺寸增大，因此，电机最高转速不宜过高。一般可选取=900013000r/min。本设计选取电机的最高转速为=10000r/min。2.5.3 电机额定功率电机额定功率可由汽车以纯电动机方式行驶的最大车速及在低速行驶具有克服较小的道路坡度的能力来确定。为了减少电机尺寸和电池的频繁充放电所引起的损失，该车速不宜设计得过高。取下面公式中较大者。= (2.8)= (2.9) 经计算，公式(2.9)得到的结果较大，最后确定电机额定功率=25kw。2.6 中度混合动力汽车电池选型由于镍氢电池具有比能量高、可高倍率充放电、使用安全、无污染、循环寿命长以及无记忆效应、可免维护等特点，被称为绿色电池。镍氢电池的比功率在现有电池中最高，能够满足混合动力汽车的加速性能和最高车速要求。根据有关资料可知：从总体性价比上，镍氢电池被证明是最适合混合动力电动汽车的动力蓄电池。所以，本文选用镍氢电池为中度混合动力汽车的动力蓄电池。2.6.1 电池组数的确定为了获得较高的效率，电池SOC（State of Charge 电池的荷电状态值）范围一般在内阻值较小的范围内选取。SOC在0.30.8比较合适，在此范围内单组电池额定电压的平均值为7.677V，内阻的平均值为0.0278。镍氢电池的电压特性可表示为： (2.10)式中，Eb电池电动势；Ub电池工作电压；Rb电池等效内阻；Ib电池工作电流。通常，Eb、Rb均是电池工作电流Ib和电池荷电状态值SOC的函数，为了简化计算和便于分析，把它们当作常数，则镍氢电池放电功率Pb为： (2.11)则电池的最大输出功率Pbmax为： (2.12)电池组数n应满足电机额定功率的要求，即： (2.13)求得，取电池组数。2.6.2 电池容量的确定混合动力汽车对电池总能量直接决定了纯电动下的续驶里程。按照中度混合动力汽车的工作模式分析，电机只在汽车低速爬行时单独驱动汽车行驶，设计汽车能在电机单独驱动时行驶4km（以10kmh-1的速度），则电池总能量Cb应满足： (2.14)式中，S行驶里程；电池放电效率；SOCh设定的电池最高电池荷电状态；SOCl设定的电池最低荷电状态。求得电池总能量。则取电池总能量Cb值为0.5 kWh。则单组电池的容量Q为： (2.15)求得单组电池的容量Q=6.5Ah。2.7 本章小结1）介绍了混合动力汽车传动系的几种布置方案，并分析了几种方案的优缺点，并根据实际的情况选择了并联式混合动力系统作为研究对象。2）介绍了多种形式的发动机以及各自的优缺点，然后根据动力性、燃油经济性等性能和发动机各项主要性能指标选择了发动机。3）根据已知条件对传动系主减速比进行计算，并最终确定。4）对混合动力汽车电机进行介绍，并根据各个类型电动机的优缺点及运行环境等因素确定采用永磁同步直流电动机作为研究对象。并根据计算最终确定了电机的额定功率和额定转速等主要性能指标。5）对混合动力汽车的电池进行了选型，并确定了电池所需组数和电池容量。6）表2.2为本章最终确定主要部件及汽车各项目的参数。表2.2 汽车整车及主要部件参数主要部件项目参数发动机型号，排量/mlJL475Q3，1.6L标定功率/kw/rpm75/6000最大转矩/Nm/rpm132/3500电机名称永磁同步直流电机额定功率/kw25额定转速/rpm2000电池名称镍氢电池标准电压/V368.5单个电池额定容量/Ah6.5变速器名称自动无级变速器传动比范围0.4982.502汽车主要参数汽车整备质量m0/kg1440汽车满载质量ma/kg1965空气阻力系数CD0.34迎风面积A/m22.28滚动阻力系数f0.0135主减速比i02.166车轮半径r/m0.31第3章 基于ADVISOR的中度混合动力汽车仿真建模3.1 ADVISOR软件介绍3.1.1 ADVISOR简介 ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator,高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验室NREL(National Renewable Energy Laboratory)在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件。该软件从1994年11月份开始开发和使用,最初是用来帮助美国能源部DOE(Department of Energy)开发某混合动力汽车的动力系统,随后功能逐渐扩展,目前最新的正式版本ADVISOR2002可以对传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的各种性能作快速分析,是世界上能在网站上免费下载和用户数量最多的汽车仿真软件。由于该软件通过大量的实践被证实具有较好的实用性,现在世界上许多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽车仿真方面的研究。 ADVISOR可以用来仿真汽车的动力性和经济性，而动力性包括：加速性、最高车速和爬坡性能，经济性能主要指它的标准工况的燃油经济性。该软件适用于：传统汽车、纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。使用的车型为前轮驱动型。ADVISOR不仅仅是用来仿真这些性能结果，其实它提供一个仿真平台，为整车和部件参数设计和研究提供便捷的方法。如：可以用来对设计参数的优化匹配，这些设计参数包括整车或者部件参数，如整车质量、滚动阻力系数、变速器速比等。对于混合动力汽车，其中的控制策略影响和制约着整车的性能，可以用它来研究和考察控制策略参数的匹配。对于传统汽车，其中的变速器换挡规律影响经济性和动力性，也可以用ADVISOR来考察自动变速器的换挡规律研究设计。3.1.2 ADVISOR使用方法图3.1 MATLAB打开界面由于我们将要做的仿真是基于MATLAB软件的，所以首先需要进入MATLAB，在MATLAB中将ADVISOR打开。如图3.1然后我们可以看到如3.2的界面，选择语言，点击START。图3.2 ADVISOR打开界面图3.3 参数输入界面便可进入图3.3所示界面，可以输入汽车的各种参数以对汽车进行定义。界面左侧为汽车相关图像信息，右侧为相关操作区域，图像信息的显示随着用户操作的不同会有相应变化。图中界面左上方为汽车的结构示意图，标识了汽车的整个动力传动系统结构和能量的传递方向，单击图中的每个汽车部件都会弹出一个对话框,通过它可以读取已经存储的部件数据，也可查看或编辑相应的文件；左下方为发动机或传动系统的某个总成的性能曲线，可以根据自己的需要通过下拉菜单选择要显示的其中一种曲线,图中所示即为发动机在不同转速和转矩下消耗的能量曲线。最后，用户可以将定义好的汽车文件进行保存，以便以后仿真时可直接调用。然后得到图3.4所示画面，通过这个界面可以选择试验方案和设定仿真初始条件。界面右侧上方可以设置仿真条件,如道路循环、时间阶跃、循环次数、初始条件等,道路坡度、是否交互仿真以及是否进行加速度测试和爬坡能力测试为可选项,用户可以根据需要进行选择;右侧下方可以对最多3个部件参数进行灵敏度分析,有助于研究这些参数对汽车性能的影响,为汽车的设计提供参考。界面左侧为道路循环相关信息,左侧上方为所选道路循化的轨迹曲线。图3.4 仿真条件设定最后便可以得到如图3.5所示的仿真结果。图3.5 仿真结果3.2 整车建模在中度混合动力汽车动力传动系统各部件确定下来以后，如何制定和设计控制策略是实现中度混合动力汽车低油耗低排放的关键所在。在满足汽车的动力性和其它基本技术性能要求的前提下，针对各部件的特性和汽车的运行工况，按照工作模式要求控制能量在发动机、电机之间的合理而有效分配，使整车系统效率达到最高，获得优良的燃油经济性和平稳的驾驶性能，实现低排放目标。应用ADVISOR建立整车仿真模型，以验证所制定的控制策略，进行性能仿真。由于混合动力汽车是由发动机、电机、电池等系统组成的复杂体系，精确建模较为复杂。为达到模拟整车动力性和燃油经济性的目的又能方便建模，采用理论建模与数值建模相结合的方法，即整车动力传动系统采用理论建模。图3.6整车模型3.2.1 发动机模块1）模块功能：模拟发动机驱动或反拖制动功能，根据工况输出发动机各工况下的输出转矩，控制发动机点火状态，发出允许起步离合器结合命令。2）输入参数：发动机转速、节气门开度、起步类型、发动机开关信号和发动机供油信号等。3）输出参数：发动机输出转矩、发动机目标转速、实际节气门开度、低SOC充电功率、起步离合器结合信号和怠速起停完成信号等。发动机模型为基于台架试验数据的数值模型，其控制模块如图3.7所示。发动机输出转矩控制流程如下：首先判断发动机是否工作在低SOC充电工况，若是，则进行节气门修正，输出实际节气门开度。根据节气门开度和发动机转速查发动机特性曲线的二维表得到发动机转矩。若节气门开度很小(小于1)，查表值与实际值相差较大，需进行输出转矩修正。判断发动机供油状态，若发动机未供油但在运行中，说明发动机允许在反拖状态，则根据转速查表得到发动机的反拖阻力矩。进行发动机点火状态判断，若发动机未点火而转速大于零，说明发动机运行在起动阶段，则查表输出发动机起动阻力矩。根据控制的目标需求可以选择发动机的目标工作线，即通过控制变速器速比实现发动机工作在最佳经济线、最佳动力线或者其他优化线上。通过查表得到发动机的目标转速，输出给变速器控制模块。图3.7 发动机模型3.2.2 电机模块1）模块功能：模拟电机驱动和发电功能，根据工况输出电机的驱动转矩或制动转矩，给出驱动工况的目标转速或制动工况的目标转速，提出驱动工况的电流需求，计算再生制动的充电电流。2）输入参数：电机转速、电机开关信号、等效节气门开度、再生制动功率、起步状态和起步模式等。3）输出参数：电机驱动转矩、电机制动转矩、电机效率、驱动工况的目标转速、制动工况的目标转速、电池充放电电流等。电机模型是关于转速和转矩的二维效率数值模型，其控制模块如图3.8所示。电机输出转矩控制流程如下：首先判断电机的工作模式和开关信号，若为驱动工况则按照等效节气门开度求得电机需求驱动功率，若为再生制动或低SOC充电工况则由发电功率模块求得电机发电的需求功率。将功率需求信号传输给电机输出功率模块，综合考虑起步工况（怠速起停起步或爬行起步）的功率需求输出实际电机功率Pm，再通过电机转矩控制得到电机的输出转矩。图3.8 电机模型3.2.3 储能元件电池模块1）模块功能：模拟电池储能功能，实时输出电池SOC值。2）输入参数：电池需求充放电电流和电池当前SOC值。3）输出参数：电池实际充放电电流和电池剩余SOC值。电池模块如图3.9所示。为简化模型，只考虑到电池充放电效率随电池SOC值和充放电电流的变化，没有考虑其随电池温度的变化。其控制流程为：根据由电机模块输出的电池需求充放电电流信号和电池当前SOC值，查表得到电池充放电效率，进而得到电池实际充放电电流，通过积分得到电池累计充放电电量和电池剩余能量，与电池总能量比较得到电池剩余SOC值。图3.9 储能元件电池模块3.2.4自动变速器控制模块1）模块功能：实现无级自动变速器功能，根据工况要求和工作模式确定变速器速比，使电机和发动机运行在目标工作线上，通过控制变速器内各离合器实现汽车平稳起步和回流式无级自动变速器各工况模式的转换。2）输入参数：驱动系统合成输出转矩、发动机实际转速、电机实际转速、发动机目标转速、电机目标转速、发动机开关信号、发动机点火状态、各离合器初始状态、等效节气门开度和起步油门开度等。3）输出参数：变速器速比、变速器速比变化率、各离合器状态、变速器输出转矩和起步阶段发动机电机转速等。变速器速比控制模块如图3.10所示。速比变化率大小以发动机或电机的实际转速与目标转速的差值为输入变量进行模糊控制，加上一个自调整模块和一个强制调速模块，对速比变化率进行积分得到正常情况下的变速器速比。图3.10 自动变速器控制模块3.3 本章小结 1) 对基于Matlab仿真建模的软件ADVISOR进行简单介绍，并对ADVISOR使用方法进行简要讲解。2) 根据各个动力传动系统部件的数学模型和控制策略，运用ADVISOR对发动机、电动机、电池建立仿真模型。第4章 基于ADVISOR的中度混合动力汽车仿真分析4.1 整车参数的输入在确定并验证了起步工况、驱动工况及工况模式转换的控制策略和控制方法的基础上，通过整车性能仿真得到动力性和经济性的具体数值，以便可以定量的分析超轻度混合动力汽车在动力性和燃油经济性方面的性能优劣，同时使整车控制策略的正确性得以验证。首先需要在仿真参数输入界面中输入整车的某些参数，如图4.1所示。图4.1 整车参数输入界面4.2 循环工况仿真4.2.1 1015循环工况下的动力性经济性仿真以下是运用ADVISOR在1015循环工况进行仿真的结果图：图4.2 1015循环工况下的仿真结果以下是发动机、电动机等在1015工况下的特性曲线图：图4.3 能量消耗组成图图4.4 发动机特性曲线图图4.5 燃料效率图图4.6 电机效率图图4.7 电机效率等高线及优化工作图图4.8 电池的充电效率图4.9 电池的放电效率图4.10 期望车速与实际车速的差值表实验结果如下表：表4.1 1015循环工况动力性能仿真结果动力性能0-40km加速时间40-60km加速时间0-100km加速时间最大加速度最大速度88.5km/h的最大爬坡度4s2.5s12.7s3.4m/s2162.2km/h13.7%表4.2 1015循环工况经济性能仿真结果经济性能百公里油耗测试距离8.9L4.2km4.2.2 ECE-EUDC循环工况下的动力性经济性仿真以下是运用ADVISOR在ECE-EUDC循环工况进行仿真的结果图：图4.11 ECE-EUDC循环工况下的仿真结果以下是发动机、电动机等在ECE-EUDC工况下的特性曲线图：图4.12 能量消耗组成图图4.13 发动机特性曲线图图4.14 燃料效率图图4.15 电机效率图图4.16 电机效率等高线及优化工作图图4.17 电池的充电效率图4.18 电池的放电效率图4.19 期望车速与实际车速的差值表实验结果如下表：表4.3 ECE-EUDC循环工况动力性能仿真结果动力性能0-40km加速时间40-60km加速时间0-100km加速时间最大加速度最大速度88.5km/h的最大爬坡度4s2.5s12.7s3.4m/s2162.2km/h13.7%表4.4 ECE-EUDC循环工况经济性能仿真结果经济性能百公里油耗测试距离7L10.9km4.2.3 NEDC循环工况下的动力性经济性仿真图4.20 循环工况下的仿真结果以下是发动机、电动机等在NEDC工况下的特性曲线图：图4.21 能量消耗组成图图4.22 发动机特性曲线图图4.23 燃料效率图图4.24 电机效率图图4.25 电机效率等高线及优化工作图图4.26 电池的充电效率图4.27
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