并联式混合动力汽车动力参数设计及性能仿真课程设计

1、专业课程设计（论文）并联联混合动力汽车动力部件参数设计及性能仿真题 目并联混合动力汽车动力部件参数设计及性能仿真机械与汽车服务工程学院汽车服务工程专业08汽服2ZW王南学 号08323218指导教师张兰春2012年 2月摘要并联式混合动力汽车动力系统参数(发动机功率、电动机功率、扭矩及传动 系速比等)对车辆的动力性、燃油经济性和排放性能均有显著影响，其动力系统参 数之间是否协调匹配将直接决定混合动力汽车能否达到节能和环保的要求。所以在 研制混合动力汽车的过程中，混合动力车的动力传动系统匹配设计的研究在车型开 发和仿真分析中都有着举足轻重的作用。本文首先选择一种现有成熟的常规车型，。使用先进的汽

2、车整车模拟分析软 件MATLAB对其进行模拟分析，得出其动力性及燃油经济性。然后将此车型改装设 计成为并联混合动力汽车(PHEV)，在满足原有车型动力性的要求下，以混合动力汽 车燃油经济性为设计目标，对动力系统进行参数匹配设计，再MATLAB/ADVISOR为平 台，对其模拟分析，最终实现一个理想的燃油经济性。关键词：并联混合动力汽车；发动机；电机；电池；匹配；仿真目录：摘要刖言 TOC o 1-5 h z 第一章 混合动力汽车理论基础51.1混合动力汽车的概述51.1.1混合动力汽车的定义51.1.2混合动力汽车的优点51.1.3混合动力汽车的缺点61.2发展混合动力汽车的必要性71.3混合

3、动力系统71.3. 1混合动力的概念71.3.2串联式81.3.3并联式81.3.4混联式9第二章并联式混合动力汽车总成参数设计与匹配102.1原车型各参数动力性要求及性能仿真10PHEV布置方案和能量管理策略112.3动力元件的选择及参数匹配原则11第三章主要性能匹配结果仿真分析133.1电动汽车仿真软件ADVISOR13ADVISOR的系统结构与工作原理14ADVISOR软件的功能 143.4匹配结果仿真分析15总结 16参考文献 17刖言环保与能源问题是世界工业面对的两大难题，也对汽车工业可持续发展战略提 出了严峻的挑战。因此，混合动力电动汽车也就应运而生了。混合动力电动汽车 (HEV

4、,Hybrid Electric Vehicle)是指根据一定的控制策略匹配，使用内燃动力和 电力进行驱动，从而既能保持电动汽车超低排放的优点，又能发挥传统内燃机汽车高 比能量的长处，因此在电池技术瓶颈未被突破的情况下，它成为了 21世纪初世界各 国汽车界的重要研究课题。混合动力汽车动力总成各部件特性、参数匹配及控制策略决定了整车的动力 性、燃油经济性、排放特性、制造成本及重量。混合动力汽车动力传动系主要有并 联式、串联式和混联式3种典型结构。本文主要针对图1所示的并联式混合动力 汽车动力总成进行参数选择和仿真验证。图1并联式混合动力汽车动力总成结构简图混合动力汽车是传统内燃机车辆与电动车辆产

5、生的混血儿，它继承了电动汽 车排放低的优点，又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传统 内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程，在由内燃机汽车向 电动汽车的转变过程中扮演着承上启下的角色。1.1混合动力汽车的概述1.1.1混合动力汽车的定义混合动力汽车是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道 路交通、安全法规的汽车，车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、 内燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池 的汽车。其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。1.1.2混合动力汽车的优点混合动力汽车的优点是：1、采

6、用混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。5、可以利用现有的加油 站加油，不必再投资。6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放， 延长其使用寿命，降低成本。混合动力汽车有三

7、种基本的工作方式，即串联式、并 联式和串并联（或称混联）式。1.1.3混合动力汽车的缺点混合动力技术的先进性和实现的现实性，节能、环保效果明显，采用混合动 力汽车是现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的方案。但是，由于混合动力汽 车是在牺牲了部分环保利益的基础上，可以满足目前人们对汽车环保的基本要求， 在结构上两套系统电池/电机和内燃机同时安装于本来只装一套系统的汽车上，不 仅加大了汽车本身的重量，也提高了对整体工艺及控制等方面的要求。除了和纯电 动汽车（BEV）一样受目前蓄电池技术的限制之外，混合动力的能量来源仍然是石 油，这决定了混合动力不是电动汽车发展的最终形式。但是，目前日本的几大公司

8、的混合动力汽车的热销说明，混合动力汽车是传 统汽车时代向氢燃料电池汽车时代的过渡车型技术，虽然不是长远之计，但据估 计，仍有50年以上的较长市场周期。可以充分利用现有内燃汽车生产能力，推动 传统汽车工业的改造发展。总之，混合动力汽车介于传统汽车和纯电动汽车、燃料电池汽车之间，是一 种承前启后的，在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品。混合动力驱动汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系 统，结构复杂，价格较高。现代汽车伙伴合作计划推动美国三大汽车公司对各种单 元技术及其不同组织进行成百种方案的筛选、比较，认为采用混合动力是实现中级 轿车百公里3升油耗的可行方案因此而受到更大的关注

9、。经过多年研究，混合动力 电动汽车已开发出一些成功的例子。日本丰田汽车公司在1997年12月宣布将混合 动力电动轿车Prius投入小批量商业化生产，该车自重1515kg，装用顶置凸轮轴 四缸，1500cc排量汽油机，最大功率42.6kW/4600r/min，带永磁无刷发电机，驱 动电机亦为永磁无刷的额定功率30kW，采用氢镍电池，实现串并联控制方式，百 公里油耗为3.4L，比原汽油车减少了一半，CO2排量也相应减少了一半，C O、 HC、NOX仅为现行法规允许值的10%，售价每辆216万日元（约15000美元）。美国克莱斯勒汽车公司1998年2月在底特律展出第二代道奇无畏ESX2型混合动 力电

10、动轿车，该车装用1500cc排量直喷柴油机带发电机，采用铅酸电池，交流感 应电机驱动，铝车架，复合材料车身，自重1022kg，百公里油耗降至3.4L。2000 年通用，福特，戴姆勒克莱斯勒已开发出100公里油耗已达到3升汽油或接近3 升汽车的样车，只是价格仍较贵。1.2发展混合动力汽车的必要性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

11、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-ElectricVehicel，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

12、动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取 长补短。这样使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的形式主要分为串联式(SHEV)和并联式 (PHEV)两种。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。由于其构 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。1.3混合动力系统1.3. 1混合动力的概念HEV (Hybrid-ElectricVehicel)一混合动力装置。混合动力就是指汽车使用 汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动停止时，只靠发电机带动， 不达到一定速度，发动机就不工作，因

13、此，便能使发动机一直保持在最佳工况状 态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需燃油即可。混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整 车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向 发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力总成 以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。1.3.2串联式串联式动力：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， 它们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过 控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时

14、由电池驱 动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启 动、加速、爬坡工况况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当 电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时 则由发动机-发电机组向电池组充电例如福特“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。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最 佳工况点附近稳定运转，

15、通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使 发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排 放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。1.3.3并联式并联式动力：并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，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。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构 提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机 既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动一发电机组。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，这种装置

16、更接近传统的汽车驱动系 统，机械效率损耗与普通汽车差不多，因此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带动电动一发电机，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，电池向电动一发电机供电，此时电动一发 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一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，电池做为唯一能源向电 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，发动机与电动一发电机系统组成复合驱动形

17、式，以最大功率驱 动车辆。1.3.4混联式混联式动力：混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动 机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。 以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的 形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺 点是结构比较复杂。丰田的Prius属于以电机为主的形式。第二章并联式混合动力汽车总成参数设计与匹配并联式混合动力汽车动力系统参数（发动机功率、电动机功率、扭矩及传动 系速比等）对车辆的动力性、燃油经济性和排放性能均有显著影响，其动力系统参 数之间是否协调匹配将直接决定

18、混合动力汽车能否达到节能和环保的要求。所以在 研制混合动力汽车的过程中，混合动力车的动力传动系统匹配设计的研究在车型开 发和仿真分析中都有着举足轻重的作用。2.1原车型各参数动力性要求及性能仿真本文所选的某常规车型的各参数及动力性要求见表1。选用ECE-R15城市循 环工况，对其进行性能仿真，得到相应的动力性、经济性和排放性结果(表2)。表1常规车型各参数及动力性要求整备质量(kg)总质量(kg)迎风面积(m2)风阻系数滚动半径(m)5929842.00.3350.312发动机功率(kw)主减速器速 比变速器IV档速比最高车速(km/h)最大爬坡度415.03.75、2.73、1.97、1.4

19、1、1N130N30%表2常规车型性能仿真结果原车型最大爬坡度(%)最高车速(km/h)百公里油耗(L/100km)空载(整备质量+75kg)9.7155.85.90满载9.1155.86.12本文主要以燃油经济性为设计目标，所以排放性结果在这里并未给出。这些 仿真结果在这里只起个参照物的作用，本次课题的目的是设计并优化并联混合动力 汽车传动系统各参数，得到的PHEV仿真结果与这里的结果进行对比，判断设计的 参数是否合理匹配。2.2 PHEV布置方案和能量管理策略混合动力汽车不同于纯电动汽车，它要求电池电量在循环工况的始末能够实现 基本平衡,而不需要外界对其进行能量补充，电动机的作用主要是协调

20、发动机不合理 的工况而使发动机尽量工作在最佳经济区域+从而降低发动机燃油消耗率和减少排 放。在车辆制动时，电动机转换为发电机回收制动能量给电池充电。混合动力汽车有串联、并联和混联3种布置方式，本文采用发动机轴组合式 并联混合动力汽车的布置方案。本文所采用的能量管理策略与Honda Insight混合动力汽车类似。在车辆起 动或节气门全开加速时，发动机和电动机同时工作，共同分担驱动车辆所需的动 力；车辆正常行驶时，电动机关闭，仅由发动机工作提供车辆行驶所需动力，若车 辆轻载，发动机发出的功率可以一部分通过电动机转化为电能给蓄电池充电；车辆 制动或减速行驶时，电动机工作于发电机模式，通过功率转换器

21、给蓄电池充电。2.3动力元件的选择及参数匹配原则各参数匹配的基本步骤是：1）发动机功率；2）电机各参数（包括电动机额 定功率Pmr、额定转速Nmr、最高转速Nmmax）； 3）电池参数选择（功率及容 量）；4）传动系的传动比。2.3.1 发动机功率的选择原则选择发动机的功率是很关键的一个环节。如果发动机功率选择过大，车辆燃 油经济性和排放性能就得不到改善；发动机功率偏小，后备功率就会小，又不能满 足车辆动力性要求。在设计常规汽车时，通常从保证汽车预期的最高车速来初步选 择发动机的功率。由于本文并联混合动力汽车采用由发动机提供车辆平均行驶功率，由电动机 提供峰值功率的控制策略，因此其功率值的选择

22、主要应考虑车辆匀速行驶时的功率 需求，确保在巡航车速uc下，发动机能工作在最佳经济区。除了车辆行驶需求的 功率外，发动机单独驱动车辆匀速行驶时还应有一定的为电池充电的功率裕量（10 %左右）、1%2%的爬坡功率裕量及附件功率（特别是有空调时），这些功率之 和应该是发动机工作在经济区能输出的功率。2.3.2电机参数的选择原则1）电机额定功率Pmr的选择电机额定功率Pmr要综合已定的发动机功率来考虑，主要以满足混合动力汽 车混合最高车速的要求来确定，即发动机最大功率Pemax x与电动机最大功率 Pmmax x之和至少等于混合最高车速时汽车所需功率Pumax。2）电机额定转速Nmr和最高转速Nma

23、mx的确定电动机的最高转速和本身的尺寸、质量及内在损耗等都有直接的关系，对传 动系尺寸也有很大的影响。低速电动机扩大恒功率区系数B较小，额定转矩高， 转子电流大，电动机尺寸和质量较大，内在损耗也较大。高速电动机有着与之相反 的优点，但和低速电动机相比，大B值电动机会增大传动系的传动比，也会使驱 动轴扭矩和齿轮应力增大。但大B值是车辆起步加速和稳定运行所必需的。所以 在选择电动机时必须协调考虑电机最高转速、齿轮应力和传动系尺寸。目前，一般 选用中高速电动机（最高转速在600015000r/min），扩大恒功率系数B 一般在 46。2.3.3 电池参数的确定原则电池是用来向电动机提供电力功率的，所

24、以它必须满足电动机工作的要求。电池在不同的荷电状态（SOC）下对应不同的内阻和峰值功率，在SOCX作区内峰 值放电功率必须大于电动机的最大功率。另外，电池总电量也要满足汽车连续加速 和爬坡时电动机做功的需求，即电池在SOCX作区内所能提供的电量必须大于电动 机持续做的总功。镍一氢（Ni-MH）电池具有很高的充放电循环寿命和充放电效率 等优点，故能迎合混合动力汽车经常性充放电的要求。镍一氢电池SOCX作区在 O.20.8之间具有较低的充放电内阻，所以在设计能量管理策略时应使其始终工 作在该区间。2.3.4传动系参数的选择原则1）主减速器速比的选择本文PHEV的变速器仍然选用5档手动变速器，V档为

25、直接档，所以主减速器 速比就为车辆传动系统最小传动比。PHEV的最小传动比应从满足车辆最高车速的 要求选择。首先应满足最高车速要求，另外，发动机在最高车速时还应能发挥其最 大功率。2）变速器各档传动比的确定变速器的最大速比主要是根据发动机单独驱动时的最大爬坡度，同时考虑车 轮附着极限来选择。即发动机的最大驱动力应大于或等于车辆上坡时的车轮滚动阻 力和坡度阻力。虽然对比原车型增加了电池组和电动机，但发动机相比原车型有所 减小，所以这里假设mHEV=m。第三章主要性能匹配结果仿真分析针对本文对动力总成元件参数的选择和匹配结果要通过仿真分析进行验证， 本文的仿真分析是以ADVISOR软件作为平台，针

26、对研究对象，独立编制了各种输入软件模型，完成软件的输入联接。因此本章首先对该软件的结构特点、输入和输出 参数和各种模块做简要介绍，然后对仿真结果进行分析。3. 1电动汽车仿真软件ADVISORADVISOR（Advanced Veh / cle ShamtdatOR，高级车辆仿真器）是由美国可再生 能源实验室（Nafionad Renewable Energy Laboratory）在 Mallab 和 Sirndhak 软件 环境下开发的仿真软件。ADVISOR是一种基于Maflab / Shmflhak环境的后向式仿 真软件，可以通过修改参数对不同整车车型进行仿真与性能分析。该软件从199

27、4 年开始使用，本文使用的版本是ADVISOR2002,它的软件源代码完全开放（提供开 放的.m和.mdl文件），用户以利用其内部提供的通用子模块组装成所需的汽车模 块进行仿真，从而开发出符合设计要求的混合动力汽车模型。3. 2ADVISOR的系统结构与工作原理ADVISOR系统分为输入脚本、输出脚本、仿真模型和控制脚本四个部分。输 入脚本用于定义MATLABI作空间的变量和调用其它的脚本，它包括车辆定义文件和 部件数据文件两部分，车辆定义文件用于定义电动汽车的类型和动力系统的结构， 部件数据文件用于定义电动汽车的部件参数。输出脚本的作用是对仿真结果进行后 处理，它包括绘图程序和查错程序两部分

28、。绘图程序用于绘制仿真特性图，查错程 序用于检查仿真结果的合法性。仿真模型包括了用于仿真计算的各种方程式，它是 Shndhak格式的md3文件。控制脚本用于控制仿真程序的运行，它包括GUI界面 供用户选择不同的仿真模型。ADVISOR的仿真过程为，首先控制输入脚本输入第一时间步的道路循环的请 求行驶轨迹（包括汽车行驶速度、道路坡度和汽车动态质量），根据车辆定义文件和 部件数据文件的数据，运用仿真模型计算出汽车在第一时间步的实际速度和耗油率 等结果，然后再进行在第二时间步的仿真计算，如此反复，直到完成整个道路循环 的仿真。最后由输出脚本给出仿真图形和报表。ADVISOR的仿真数据流程图如图1所示

29、。图3.1ADVISOR的仿真数据流程3 ADVISOR软件的功能ADVISOR可通过简单的物理模型和经过性能预测的各动力总成去建立实际的 或正在开发中的汽车。其主要功能在于能够对还未制造的汽车进行性能预测，即能 够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数，包括加速性和爬坡性能，燃油经济性以 及排放性能等。从上面对界面的简单介绍也可以看出其主要功能，总结一下主要包 括一下几点：根据工况循环模拟整车的经济性指标和排放指标。根据要求模拟整车的加速性能、最高车速和最大爬坡度等动力性指标。根据工况循环模拟各部件的输入输出扭矩(功率)和转速的时间历程。(4 )输入不同的总成参数和控制参数，得到不同的动力性和经

30、济性指标仿真结果，研究比较各种参数对循环油耗和动力性指标的影响。3. 4匹配结果仿真分析从表3可以看出，通过ADVISOR仿真分析，改装后的PHEV虽然动力性稍有降 低，但还是满足提出的动力性要求，这说明动力系统各参数匹配对动力性而言比较恰当。对于燃油经济性，如表3所示，汽车空载、半载和满载的仿真结果均有所改善。表3 PHEV性能仿真结果PHEV最大爬坡度（%）最高车速（km/h）百公里油耗（L/100km）节油率（%）空载（整备质量+75kg）6.8191.44.9516.16满载5.9191.45.1915.14总结混合动力汽车对比常规车型的优势在于发动机能更多的工作在经济区域以及 能对制动能量回收，因而比常规车型更省油。本文既对一常规车型作了动力性和经 济性能仿真分析，又对在这一车型基础上改装而成的并联混合动力汽车进行传动参 数设计和仿真，结果验