【《基于比亚迪秦PLUS汽车的增程式混合动力汽车动力系统参数匹配分析》18000字（论文）】

基于比亚迪秦PLUS汽车的增程式混合动力汽车动力系统参数匹配研究摘要受石油资源减少以及环境污染影响，电动汽车成为未来汽车发展方向，但目前的电池技术尚处于发展阶段且纯电动汽车续航里程存在问题，增程式混合动力汽车作为过渡车型之一具有很大研究意义。增程式混合动力汽车是在纯电动汽车动力总成的基础上，配备增程器的混合动力汽车。在电量充实时车辆纯电驱动，电量低时，增程器工作来增加车辆续航里程。本次设计参考车型比亚迪秦PLUS，分析了解DMi系统的构成和原理，在其混联式结构上在发动机和发电机之间加装离合器。高速行驶可发动机直接驱动，提高高速时的整车动力性；中低速时可使用串联驱动或者纯电动；高速、大功率需求时（对应车辆高速加速或高速上坡）可实现发动机、发电机、电动机三者并联驱动；高速、小功率需求时（对应车辆高速减速或高速下坡）可实现发动机单独驱动、发动机单独驱动+电机发电、电动机单独驱动等多种模式驱动；中低速大功率需求时（对应汽车中低速加速或上坡）可实现发电机（转换为电动机）+电动机并联驱动，或发动机—发电机发电，电动机单独驱动等多种模式；中低速小功率需求时：（对应汽车中低速减速、匀速、下坡）电动机单独驱动；高速制动时：可实现双电机制动或单电机制动，根据制动减速度需求而定（此时两个电机都是发电机）；中低速制动时：可使用双电机并联制动，提高电制动力矩，增加制动能量回收力度。本次论文研究内容主要是对动力系统的重要构件：发动机、电机、动力电池组的各参数进行简单计算，对标市场上的现有元件进行选择。之后制定合适的控制策略，对于行驶不同工况来改变工作模式。本文的主要工作是计算发动机，电动机和动力电池，并选择和匹配市场上现有的组件。然后，根据车辆的不同工况，采用能量控制策略来改变匹配的工作模式和能量传递。基于最经济的油耗标准的控制策略可以在不同模式之间切换，该方案是动力系统最合理的参数匹配。结果表明，本次设计可用在混合动力汽车的匹配设计，确保了汽车的动力性和经济性。关键词：增程式,混合动力,参数匹配,NEDC,燃油经济性，整车动力性目录第一章绪论 1§1.1引言 1§1.2增程式混合动力汽车概述 1§1.2.1增程式混合动力汽车的优势 1§1.2.2增程式混合动力汽车与其他类型汽车具有的优势§1.3增程式混合动力汽车的国内外发展概况和趋势 2§1.3.1增程式混合动力汽车的国外发展概况 2§1.3.2增程式混合动力汽车的国内发展概况 2§1.4混合动力轿车的动力参数匹配的研究现状 3§1.5本文研究的主要内容 3第二章增程式混合动力轿车的工作模式 4§2.1纯电动模式 4§2.2混合驱动模式 5§2.3发动机直驱模式 5§2.4制动能量回收模式 6§2.5驻车充电模式 7第三章增程式混合动力传动系统中各部件选型及参数匹配 7§3.1车辆的基本参数及设计指标 8§3.2动力系统布置简图 9§3.3发动机的选型和参数确定 10§3.4主减速比的计算 12§3.5电机的选型匹配 12§3.5.1混合动力汽车驱动电机的类型 12§3.5.2电机功率的确定 14§3.6动力电池组选型及参数确定 15§3.6.1动力电池组的选型 15§3.6.2动力电池充放电特性分析 16§3.6.3电池单体成组参数 17§动力电池组参数确定与核算 18第四章增程式混合动力汽车控制策略 18§4.1控制策略的设计原则 18§§§4.4判定发动机是否直接驱动 21§第五章燃油经济性计算 24§5.1NEDC循环工况分析 24§5.2制动能量回收工况计算 27§5.3NEDC循环工况电池电量计算 28第六章动力性能指标验算 28第七章总结与展望 30§7.1全文总结 30§7.2研究展望 31参考文献 31第一章绪论1.1引言在经历百年的漫长发展之后，汽车成为目前出行最常用的的现代交通工具，给我们的社会生活提供了极大的便捷。伴随我国的飞速发展，作为国内支柱性产业的汽车行业也得到迅速发展。在之前十五年中我国的汽车生产和销售迅速增长，已经蝉联10年第一，我国是主要的汽车制造商和最大的汽车市场。2021年一季度全国新注册登记机动车966万辆，同比增长67.31%，截至2021年3月，全国汽车保有量为2.87亿辆。然而，我国汽车工业的石油消耗量已经到达总消耗量的70%，对国外石油依赖程度达总需的一半以上。除此之外，汽车废气引起的大气污染问题也越发严重。近年来国内，雾霾天气越来越严重，持续天数增加，范围增大，高浓度的PM2.5严重影响了人们的健康。在这样的情势之下，汽车产业持续健康的发展必须解决对石油资源的依赖以及对环境的污染。在2012年的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》报告中，推出了加快培育和研发新能源汽车，用来有效缓解能源短缺和环境污染的压力。纯电动汽车不消耗石油产品，没尾气排放，效率高，是此后汽车的发展方向，但是仍存在电池比能量小，充电时间长和成本高。纯电动汽车的制造成本高，续驰里程短，无法在当下与传统燃油车竞争。燃料电池电动汽车虽然兼备排放低，效率高，续驰里程长等长处，但是其制造的成本更高，燃料能量密度低，运行成本高，同时氢气的制造运输存储，所以目前这种车型很难取代传统汽车。混合动力汽车兼具了电动汽车和燃油汽车的优势，相对于其他两种电动汽车具有续驰里程长，工作模式灵活等优势。因此，发展混合动力汽车成为众多国家的一致意见。增程式混合动力汽车具有两个动力支持，布置构造也更加多样，汽车的行驶模式和控制策略都更加复杂，但也是如此复杂的运行模式也使得各个动力源之间的能量分流更为灵活。增程式混合动力汽车通过配置由发动机和发电机构成的增程器，使得其充满电后的行驶里程相较更远。如此就既能发挥纯电动汽车的优势，也就可以不需不停寻找充电桩补充电量，契合日常生活所需。1.2增程式混合动力汽车概述增程式混合动力汽车的动力系统包括驱动系统、电池系统等，按照结构来分类，可以说是串联式混合动力汽车的一种。同时也是传统内燃机汽车发展到纯电动汽车的过渡品[1]。1.2.1增程式混合动力汽车的优势(1)它既可以纯电运行也可以插电式运行，转换效率很高，也更加省油。(2)有良好的续航里程，尤其可以纯电动行驶和发动机发电行驶，保证车辆能够行驶的更远。(3)纯电动模式工作，完全由动力电池提供动力，整个过程发动机不参与驱动。汽车多数情况都纯电动运行，污染和噪声都相应的降低。(4)对于开车的人来讲车辆纯电行驶就可以基本满足平时城市道路行驶了，白天行驶，晚上回到家充电补充电量完全可以满足。这样的方式也可以缓解用电压力。当电池电量低到一定程度，发动机启动给电池充电，之后再有电池和发动机一起工作提供所需功率。这种方式可以保证电池的寿命。1.2.2增程式混合动力汽车与其他车型相比所具有的优势：(1)和传统燃油汽车相比，增程式混合动力汽车可以在纯电模式下跑短距离，即便是长途行驶在发动机和电机的协作下油耗也较低。对于日常工况来说增程式混合动力汽车大部分时间都工作在纯电模式，发动机不工作，所以几乎接近零排放，且很少噪音。当增程器起动时，发动机一直在最优性能区间里工作，极大的增加了发动机的效率。(2)和目前市面上纯电动汽车相比，没有一旦电池没电，就只能停车充电的顾虑，而且其续驶里程相较纯电动汽车更远。与此同时增程式混合动力汽车不需要大功率发动机和电机，减少了整车质量降低了成本。(3)和市面上普通的混合动力汽车相比，增程式混合动力汽车其动力电池组容量配置更大，可以外接电源进行充电，以此保证了充实的纯电行驶。1.3增程式混合动力汽车的国内外发展概况和趋势1.31增程式混合动力汽车的国外发展概况增程式混合动力汽车国外发展概况：由于国外对混合动力汽车研究起步较早，混合动力汽车技术比较先进。其中日本韩国主要关注混动车，纯电动车及燃料电动车；欧州美国更关注在增程式电车和纯电车上，现在有些厂商已经实现了生产有些混合动力车型。混合动力电动汽车对车型方面的研发进度更迅速，较为亮眼的的有美国的通用、日本的丰田以及本田。在2007年的北美车展上雪佛兰沃蓝达Volt概念车首次进入视野。Volt拥有独树一帜的Voltec电力驱动技术，用220V常用家庭电源上为车型的T形的锂离子电池充电，有两种驱动方式：纯电池来驱动和增程式电驱动。其纯电动行驶里程达到80km，可以实现平日的需求。而德国的宝马公司也于2011年9月在法兰克福国际车展上第一次发布了宝马的i3Coupe增程式混合动力汽车，装备了19kW·h的锂电子电池。奥迪奔驰紧随其后发布了奥迪的Ale-tron和奔驰的E-CELLPLUS。自此，研究和开发增程式电动汽车的高潮在各个国家开启。除此之外，福特公司的C-MaxEnergia、凯迪拉克的ELR、欧宝的Ampera等也均为美国汽车厂商研制的增程式电动的汽车新产品。在通用雪佛兰Vlot发布后，增程式电动汽车包括专有的增程器也得到了西方众多国家汽车公司的广泛关注。2009年，德国总理准备投资1.15亿欧元，建设示范性的电动汽车运行区域。德国具有实力的汽车生产商也加紧了电动汽车研发的进程。如宝马的i3Coupe、奔驰的E-CELLPLUS、奥迪的Ale-tron这些增程式概念车等纷纷涌现。英国政府计划出资2400万英镑用在促进低碳汽车发展的六项创新性项目，研发热能利用的新技术用来增加汽车各种性能。英国已研发出如路虎Range-e概念车、莲花的EMAS概念车以及捷豹的C-X75增程式电动跑车等多款新型增程式电动汽车产品。1.3.2增程式混合动力汽车的国内发展概况增程式电动汽车源自其本身拥有纯电动汽车不拥有的优势，可以处理当前纯电动汽车此刻不能处理的某些困难，所以具有很大市场，然而也存在本身技术不完善以及燃油消耗和环境问题等，可以说是兼具机会和挑战。国家发改委发布的《汽车产业投资管理规定》将增程式电动汽车规划为纯电动汽车范畴，可以看出针对此时我国电动汽车的使用背景来说引入增程式电动汽车的新理念，将会让我国电动汽车行业拥有全新希望以及美丽将来。自从雪佛兰Vlot的增程式电动汽车面世之后，我国的各汽车制造商也纷纷参与到此类项目的产品研发中，推出其各具代表的车型和有关的产品。我国国内首发自主ISG中度混合动力汽车车型是长安汽车研发的杰勋，不仅得到专利80多项，同时建立了一条自己研发的生产线。此后，长安汽车推出逸动插电式混合动力汽车，此车型装备了功率最大为117马力的1.0T发动机和最大功率80KW的驱动电机，该车纯电模式下最多可以行驶60km。华晨汽车自己研制发布了中华H530增程式电驱动汽车以及骏捷FSV插电增程式混合动力汽车。长城汽车发布了增程式四驱电动汽车车型，扩宽了增程式电动汽车研发范围。奇瑞汽车亮相S18D增程式电动汽车，此车型以瑞麒X1为参考，车用增程器为转子发动机。比亚迪推出DMi创新性定义了以电为主的混合动力技术，也就是基于大功率电机驱动和大容量电池功能为中心，发动机为辅佐的框架，同时实现热效率达到43％。与此同时，上汽集团，吉利集团，北汽集团等也纷纷加入研究。1.4混合动力轿车的动力参数匹配的研究现状季新杰等推出一种将循环工况分为稳定工况和瞬时工况的混合动力系统参数综合匹配方法。该方法根据不同的需求功率以及其相应的能量分配方法对动力系统进行参数匹配，最后在仿真中证明了其合理性。林歆悠等推出一种以整车性能为适应度函数，以混合度为优化变量的参数匹配方法，综合考虑部件成本，采用粒子群算法进行优化，选取最优的混合度，最后在仿真对比中表明整车性能得到了改善。高爱云等以动力性指标对用功率平衡发得到的混合动力汽车的动力系统参数扩大取值后用正交实验法优化，最后利用Cruise进行仿真验证，结果动力性略有下降但仍满足要求，经济性得到明显改善。Shang-anGao等推出一种考虑目标行驶周期的匹配方法，在目标周期内匹配更高效的动力系统，探寻行驶周期的匹配方法，最终在Cruise进行仿真验证，最终改善了整车经济性和动力性。XinhuaGao等推出一种对有离合器的双电机端口电机作为电动变速器的混合动力汽车，对特定情形，兼并经济性和动力性的参数匹配方法。对于行驶工况中此离合器的功率转矩需要，匹配其额定转矩和功率，最后由道路性能和驾驶性能对参数匹配元件评估，最终显示此方案可行。在深入对动力各部件参数和车辆动力性以及经济性的关系研究后，郑维推出一种时刻性更优的动力系统匹配方法。此方法先是要达到车辆动力性指标，而后根据目标行驶工况尽可能大程度提升车辆的整体性能。对于双电机混合动力系统，王加雪推出了综合考虑动力源的功率以及效率的匹配方法。此方法在用功率平衡法初步匹配后，在发动机足够所需功率下，尽可能让发动机和电动机在低能耗区间运行，而后再参数匹配。AMozaffari等推出了针对一种插电式混合动力汽车的车辆动力系统多目标优化的参数匹配方法。该方法组合优化目标是燃油经济性以及排放性，以整车动力性为约束，对整车动力系统参数同时用Pareto的最优解算法和非支配排序遗传算法进行优化，最后在Autonomine上仿真，其动力性达到后经济性也有提高。1.5本文研究的主要内容本课题是选择一个合适的参照车型研究增程式混合动力汽车的动力系统参数匹配并对其控制策略进行分析。满足整车的动力性能及经济性能指标为匹配目标来制定动力部件的参数匹配方案，对车辆的动力部件进行参数匹配。包括发动机、电机、动力电池的参数匹配。通过一连串的公式计算得出所选部件的车辆能量消耗，与理想状态能量消耗作对比。应用CRUISE软件根据车辆构型搭建汽车动力系统的布置简图。以下步骤为本文的研究工作：(1)选取比亚迪秦PLUS混合动力汽车车型作为参照，再查找相关的信息，得出此车的整车动力性和经济性和其他参数。经由分析车辆各个数据以及亚迪秦PLUS的DMi系统，建立此次设计的思路。(2）查阅汽车理论和汽车设计中的相关公式计算发动机和驱动电机的最大功率，经济功率等，并通过比较选择市场上的发动机和电机。以满足车辆动力性和经济性为目的，匹配相关系数。根据不同的实际工况，制定了相应的控制策略。（3）计算并测试车辆在NEDC工况下百公里油耗。（4）制动能量回收计算：本文计算制动过程中回收的能量，并将其转化为相应的燃油消耗量，以决定能量回收的可能性以及效率。（5）计算车辆的百公里加速时间，由此再分析计算整车动力性参数。（6）总结本文中对增程式混合动力车型的认识及之后的选型以及各个参数计算过程，指出此次参数匹配的问题，并推出后续改进建议。第二章增程式混合动力汽车的工作模式增程式混合动力汽车是在纯电动汽车基础上发展起来的一种电动汽车。为解决纯电动车续航里程过短的问题，增程式混合动力汽车增加了增程器普通增程式混合动力汽车的问题是：车辆高速跑长途时，发动机的机械能需要经电机转换为电能，然后再由电动机转换为机械能，造成很大能量损耗。因此，这类车型在高速时的油耗甚至高于传统内燃机车。本次高速运行时因为能量转换效率低导致的油耗高这一问题。同时每种工作模式又有不同情况的能量传递路线。2.1纯电动模式当动力电池内存在足够的电量，此时发动机不启动，离合器分离，驱动电机单独工作驱动车辆纯电动汽车，不过动力电池不如纯电动汽车容量大，纯电行驶距离没纯电动汽车距离远。但优势也很明显，不过大的动力电池组，整车质量以及成本也减少，还可以表现为噪音低，油耗低，排放低。图2-1是纯电动模式能量传递路线图：2.2混合驱动模式行驶中汽车需要紧急加速或者汽车爬坡时切换为混合驱动模式，此模式下发动机和动力电池均运行为驱动电机供能。在混合驱动模式还分为串联混动，增程混动，单电机并联驱动，双电机并联驱动。增程式混合动力汽车的增程混动即当动力电池荷电状态SOC低到最小设置值，车辆的控制策略使发动运行，供能给发电机，发动机再将能量转化用来驱动电机运行，剩余电量将转移到动力电池存储起来。增程式混合动力汽车采用恒功率控制策略，功率跟随策略，自适应控制策略，瞬时优化策略等。能量传递如图2-2所示图2-2混合驱动模式能量传递路线图2.3发动机直驱模式发动机直接驱动的情况一般是汽车高速巡航或者轻载条件下，直接输出功率。驱动电机不工作。此时的车辆与一辆传统内燃机汽车没什么不同。发动机与离合器相结合，机械能直接作用在车轮上使汽车行驶。此时，若是汽车还需更大的行驶功率，这时驱动电机也会开始运行，与发动机一块供能。以此确保车辆的动力性和燃油经济性。发动机直驱模式下的能量传递路线如图2-3：图2-3发动机直驱模式能量传递路线2.4.制动能量回收模式增程式混合动力汽车的制动情况可分为单电机制动，双电机制动，当制动力不足或者电池充满时也可增加发动机制动。在减速或制动时制动能量回收模式作业，这时候电机反方向工作把机械能转换为电能保存在动力电池组。制动时进行能量的回收利用，可以有效减少整车的汽油消耗。制动能量回收模式的能量传递路线图是图2-4。图2-4制动能量回收模式能量传递路线2.5驻车充电模式此工作模式工作在车辆不用的情况下，用专用的汽车充电器在充电桩或者充电站为车辆的电池组补充电量。这种情况可以为整车保证充足的纯电行驶里程，满足平常的生活需要，在电量维持在一定范围可以延长电池的使用寿命，同时也可以减少发动机的使用时间，减少燃油消耗。燃油消耗降低了的同时尾气排放也随之降低，减少了污染还省钱。驻车充电模式能量传递路线图如下2-5图2-5增程式混合动力汽车驻车充电模式能量传递图2-5驻车充电模式能量传递路线图第三章增程式混合动力传动系统中各部件选型及参数匹配本次研究车型的选型主要包含汽车布置方案，动力系统元件得选择以及参数匹配，这些都影响了整车的架构，其中更为详细的内容包含了发动机的选型以及其参数匹配，电机的选型以及其参数匹配，动力电池的选型以及其参数匹配，各个系统构件的参数匹配都要考虑整车性能的均衡。保证整车动力性的条件下，使其具有最好的燃油经济性、提升各能量转换的利用率，同时保证电池组的使用寿命是本次设计的目标。增程式混合动力汽车（2)在驾驶过程中，应当随时注意车况。时刻留意动力电池组的剩余电量，确定和保证电池组的SOC值处于最优范围，避免频繁对动力电池组的过充电和放电，保证其高效充放电以及其使用寿命。（3)增程器开启之后，要合理控制发动机的开启和停止。当电池电量被增程器充到一定值之后，因为发动机的反复起动，会严重影响发动机的寿命。3.1车辆的基本参数及设计目标本节增程式混合动力汽车的设计基于比亚迪秦PLUS汽车为参考车型，基于设计要求，对比亚迪秦PLUS的动力系统重要元件进行计算和参数匹配并核算是否符合性能要求。下面表3-1是比亚迪秦PLUS混合动力汽车相关基本参数，表3-2是本次研究的设计目标。表3-1比亚迪秦PLUS插电混合动力汽车基础参数整车整备质量/kg轴距/mm长×宽×高/mm*mm*mm车轮半径/m汽车滚动阻力系数f总质量/kg162027184765*1837*14950.3440.0121900空气阻力系数Cd迎风面积A/㎡机械传动效率ηt电传动系数ηm发动机档传动比ie电机档传动比ir0.952.77.641注：ηm驱动电机传动到车辆的效率；ie×i0发动机直驱总传动比；ηt发动机直驱总效率。表3-2本次的设计任务3.2动力系统布置简图动力系统布置简图如下：图3-1混合动力汽车动力系统布置简图3.3发动机的选型和参数确定对于此文所选择的增程式混合动力车型的工作特点，眼下市面上可供挑选的发动机的种类有斯特林发动机，燃气轮机发动机，汪格尔转子发动机，二冲程发动机，四冲程发动机等。每一种都有它独特的优势。就目前来说适合应用在混合动力汽车上的发动机还是技术成熟，升功率高，应用范围广的四冲程发动机。当所选发动机功率过大时，其一直工作在低负荷功率区，不仅仅没发挥高功率发动机的优势，也造成了油耗增高，尾气污染严重等问题。而若是选取发动机功率过小，需要紧急加速的时候动力响应慢，车辆的动力性就会变差。本文根据将以发动机单独驱动时以100-120km/h等速行驶时，计算阻力功率，根据阻力功率，将此时的阻力功率作为发动机的经济功率点。车辆行驶过程中的阻力有：滚动阻力RR,风阻WR，坡度阻力GR，加速阻力AR,如图为车辆行驶阻力图图3-2汽车行驶阻力图汽车行驶的过程就是牵引力TE克服阻力行驶的过程，车辆的纵向运动可以分为：（1）水平匀速TE=RR+WR，（2）水平加速TE=RR+WR+AR,（3）坡道匀速TE=RR+WR+GR，（4）坡道加速TE=RR+WR+GR+AR.滚动阻力计算公式RR=mg*f*cosα（3-1）f为滚动阻力系数，一般是根据路面情况而定：硬质混凝土取0.006-0.010，沥青路取0.010-0.15，土路取0.20-0.025，沙路取0.100-0.300。风阻计算公式WR=CD21.5A∗V2一般乘用车风阻系数取CA0坡道阻力GR=mg*sinα（3-3）α为水平面与坡道的角度加速阻力公式：AR=δm*a（3-4）δ表示汽车旋转质量换算系数车辆克服行驶阻力所需要的功率为：p=RR+WR+GR+AR∗v3600带入上式可得p=13600ηt(mgfvcosα+汽车的最大车速Vmax（3-7）式中计算后可知发动机最大功率为40.73kw.以发动机单独驱动时以100-120km/h等速行驶时，计算阻力功率，根据阻力功率，将此时的阻力功率作为发动机的经济功率点。发动机经济功率区间为：（3-8）式中Pe发动机经济功率（kw）；V1经济车速（km/h），取1经计算可得倒发动机的经济功率为15.46-23.54kw根据计算数值可以分析得知发动机的选型应该接近于目前市场售卖的微型汽车所搭载的发动机。在翻阅资料和经过市场调研之后，最后选取了比亚迪F0汽车上装备的BYD371QA发动机。下表3-4是该发动机的具体参数下图为1.0L发动机的万有特性图：图3-5发动机万有特性曲线图3.4主减速比的计算车辆的动力系统总传动比选择需要计算汽车高速巡航时候，这时候发动机直接输出动力到车轮，发动机工作在经济燃油区间，根据发动机万有特性曲线图可以了解发动机这时候转速为2500rpm,这时候汽车动力系统的总传动比为i=0.377rnv1（3式中v1为发动机直接驱动时的经济车速r为车轮半径，取0.344m。代入数值进行计算后可得到i=2.7,再查阅汽车理论这本书籍，可以得到主减速器传动比i其计算公式为i0=iimin式中imin为从发动机到发电机的减速比取值代入数值之后计算得到主减速器传动比值是2.7。3.5电机的选型匹配电机是混合动力汽车部件的重要部分，电机选取要考虑到车辆的各种工况。下列所述情况就是选取的电机需要满足组的需求：（1）在高速且匀速运行时候可以有稳定的功率输出，在平日用车的时候要保证可以满足一定的爬坡度即为低速大扭矩；（2）功率密度和高转矩密度；（3）短时间过载运行的能力；（4）效率要高，同时在逆变器的电压下可以达到大扭矩；（5）要有够宽泛的调速区间，可以满足3～4倍基速；（6）运行可靠，可以容忍一些错误；（7）成本低。3.5.1混合动力汽车驱动电机的类型目前的市场上在混合动力汽车上应用广泛的电机可以分成下列的几种：1)直流电机2)交流感应电机3)永磁同步电机4)开关磁阻电机以上电机的特点和应用前景如表3-5所示：表3-5混合动力汽车驱动电机对比[11]电动机具有良好的启动性，而且它的转矩的脉动的范围较低，大体可以确保扭矩和功率的有高的效率输出。对于本文所研究的车型来看图3-6为永磁同步电机外特性曲线图。图3-6永磁同步电机外特性曲线图由图可以看出，nb之前电机功率是跟随电机转速的增大而提升的，其中在转速为nb转时电机达到额定功率，nb3.5.2电机功率的确定在选取电机的时候需要顾虑发动机和电机之间的配适问题，如果选取的电机功率偏小，发动机能耗会增加，同时有违其经济性的需求。如果选择的电机功率过高，发动机无法在高功率区间输出，无法适配，只会造成成本上升。由此，选取一个可以和发动机相匹配的电机是可以有效保证整车的动力性和经济性的。关于发电机的额定功率的匹配，由于要求电机的输出功率可以提供整车经济车速时需要的功率，所以可以以发动机的经济功率来作为发电机的额定功率。但是同时考虑到发动机与电机之间有功率损耗，所以取值0.9，Pg=1η式中m——汽车总质量(kg)；f滚动阻力系数；空气阻力系数；A迎风正面面积(m²)；电动机到车轮的机械效率；Vm--车速取120(km/h)代入参数得：Pg=以发动机的经济功率作为发电机的额定功率来选择发电机，再结合市场上在售的发电机，选取比亚迪F3DM车型所搭载的永磁同步电机表3-6为比亚迪F3DM电机的参数。表3—6比亚迪F3DM永磁同步电机参数由于本次设计的增程式混合动力轿车采用两个离合器，两个电机分别可以作为驱动电机和发电机使用，故此次设计采用的驱动电机和发电机采用同一型号的永磁交流电机。所用电机的特性曲线如下图图3—7电机特性曲线图3.6动力电池组选型及参数确定3.6.1动力电池组的选型动力电池也是增程式混合动力车型的重心，其直接影响到整车的动力性能，续驰能力和安全性。给整车提供电能来源的电池组需要满足以下要求：电池的能量密度要高，可以足够确保汽车可以行驶一定远的距离。电池功率密度和能量密度要高，确保整车有足够的后备功率和能量可以再生。安全性要高和使用寿命要长。电池具有的可回收性目前车载电池的类型有铅酸电池，镍氢电池，锂离子电池和燃料电池等。其特性如下表;表3—7车用动力电池性能参数铅酸电池技术成熟且成本低廉，但其比能量低，循环寿命短。燃料电池技术成熟且无污染但成本高，安全性能低。镍氢电池安全性能相较下高，而且比功率大，充放电时电流可以很大，充电所用时间更短，但是这样的大电流也造成了损失的能量更加大。锂电池比能量高，能量密度高，使用寿命长，对于插电混合动力车可以实现快充，非常符合本次设计的要求。3.6.2动力电池充放电特性分析充放电功率，效率跟随电池荷电状态（SOC）改变而改变的特性就是锂离子电池的充放电特性。锂离子动力电池电量剩余多时，最大充电功率/充电效率就小，最大放电功率/放电效率大；电量剩余不多的时候，电池的最大放电功率/放电效率小，但其最大充电功率/充电效率变大。当剩余电量再50%附近的时候，锂离子电池拥有不仅良好的的充放电功率还有效率。锂离子电池的充放电特性图如图3-8，不同放电倍率放电特性如图3-9。图3-8锂离子电池充放电特性曲线图图3-9放电倍率不同下的电池特性动力电池的功率选择标准应该计算纯电动行驶时汽车所需要的动能以及其最大输出功率，保障汽车在纯电动模式下行驶的整车动力性和续驰里程，所以要满足以下条件：Pb_max≥Pm_其中Pb_max为动力电池组的最大输出功率，（Pm_maxηbηm为电机和它控制器Pacc算出来Pb_max本次设计目标规定了汽车以纯电模式的续航行程应超过100km，此时假设汽车在纯电动模式下以每小时60km匀速运行需求的电池能量有（3-13）式中WessSess为续航里程取100Vess为速度取60kmSOC上限取0.9，下限取0.3，所以本次取值0.75Pess根是等速60km/h所需电机功率据上式（3-11）计算可以知道取值为5.64综上计算电池容量Wess=Pb_max=其中，Ub为锂离子电池组正常情况放电的电压；IIb_max=βb其中，βb_max-为电池允许Ic为锂离子动力电池组容量电查阅相关资料得知动力电池电压的等级要和选取的电机的电压匹配，且一般工作情况下电池电压取值在300—400V。为了和电机的相关参数配合在这里选取Ub的值为336Wess=CbU代入数据得动力电池最小容量C=37.3A﹒h.3.6.3电池单体成组参数动力电池组是由电池单体经过并联和串联的形式进行组合后形成的，其动力电池组的串联数量、并联数量以及其电池单体数量由算式(3-17)、(3-18)和(3-19)来确定[16]。（3-17）其中，Nb_series（3-18）其中，Nb_parallel（3-19）其中，Nb综上所属，经过以上的公式计算，本次车用电池组各个数据如下表3-8。表3-8动力电池组基本参数表项目参数项目参数类型磷酸铁锂电池电池组总电压/v336电池组总容量/Ah40单体数目210单体电压/v3.2单体容量/Ah20组成方式2并联105串联最大允许放电倍率53.6.4动力电池组参数确定与核算紧接着应该要核算在如下行驶情况下所选用的电池组是否可以满足纯电行驶100km的距离。计算方式是把20-120km/h这个范围划分成11个不同的速度且匀速区间，再利用由下列所示的公式来检验计算：S1=vt1（t1为电池的续航时间，t1可由下式计算t1=Wess其中Pa表示电机功率Pa=magf3600v+经过上述公式的计算得到的各项数据表示为以下表格3-9。表3-9电池容量核算表v/(km/h)Pat1S1201.14810.88850217.77301.8506.75623202.68402.7054.62107184.84503.7643.32093166.05605.0782.46159147.70706.6991.86590130.61808.6771.44059115.259011.0641.12979101.6810013.9110.8985689.8611017.2680.7238879.5312021.1860.5900170.80第四章增程式混合动力汽车控制策略本次设计的插电式混合动力汽车所涉及的工作模式其中控制切换的策略，是基于逻辑门限值的控制策略。4.1控制策略的设计原则在保障了整车动力性的前提下，以车辆燃油经济性为主要设计目的的增程式混合动力汽车的控制策略时应该遵守如下所示原则[16]：电机驱动优先原则插电式混合动力汽车与非插电式混合动力汽车的能量来源不同，在提供同等驱动力的情况下，电的成本比燃油成本低，且电机的功率高于发动机。因此制定增程式混合动力车的控制策略要多多利用电机的优势，尽量多的以电驱动车辆行驶。动力电池能量耗尽原则设计的增程式混合动力汽车搭载了大容量的锂离子电池，可以实现足够长的纯电行驶，且可以充电补给，由此，设定的控制策略在电池SOC不减少到最低设定值时尽量消耗电池电量。当电池SOC降低于最低下限时，为了保护电池应当根据发动机工作区间给电池充电。最大制动能量回馈原则增程式混合动力车装备的电机既能作为驱动电机又可以作为发电机，因此在车辆制动和减速的时候，先是要求电机发电存储到电池中，当电池SOC被充到上限值或者仅靠电机来制动力矩仍不够时，再开启机械制动器制动。4.2增程式混合动力汽车的工作模式纯电动模式低载荷状态，车辆需要的转矩低于发动机经济高效区间的最小扭矩。电池soc达预设最小值，该换成行车充电模式。发动机直驱模式中等负荷状态，需要的扭矩在发动机和发动机最大扭矩范围内；若此时电池soc最小小于需求转为混合驱动模式。混合驱动模式高速大负荷，需要扭矩高于发动机最大扭矩；发动机在最大扭矩处工作，由电机来弥补不够的扭矩。如果需要的扭矩处在发动机经济高效区间与发动机最大扭矩中间，并且电池电量充实。行车充电模式中低负荷，需要的转矩小于并靠近在最经济区间；电池电量不满，发动机运行在最优区域，多于能量给电池组充电。需求扭矩在发动机最优效率曲线与发动机最大转矩之间，电池电量不足，则给电池行车充电再生制动模式车辆在减速或者制动时刻，且电池电量不满，利用电机工作进行能量回收。停车充电模式车辆停止运行，不需要提供动力，连接充电装置，进行外网充电补充。表4-1工作模式图4.3本文的控制策略本文的控制策略有以下几点：1.依据需要的功率和此刻行车速度决定需要的扭矩。2.依据此刻行车速度和需要的转矩确定此时发动机直接驱动与否。由此刻行驶速度判定发动机输出扭矩，根据发动机万有特性图，判定此刻发动机转速以及输出扭矩在不在经济区区间。如果均刚好符合都在经济区间，就决定发动机直接驱动，动力源直接按此时的情况工作；如果此时发动机的转速在经济区间但转矩不在，这时求出需要的扭矩与此刻经济扭矩的差值，如果得数是正数，就让电动机工作补上这个差距，如果这时电池组电量过低，提供不了需求额，就决定发动机不直驱；如果得数为负数，就让发电机把这个差距值消耗掉，但如果此刻电池组电量充足，决定发动机不直驱。若果发动机转速和扭矩均不位于经济区间，决定发动机不直驱。3.发动机不直驱前提下，依据此时的行车速度和需要的扭矩，决定电机的转速以及转矩。依据行车所需的扭矩、电池组soc，判定是单个电机工作还是两个电机同时工作。如果电池soc在预设工作区间，则发动机不工作，仅靠电池驱动；如果电池soc不足，判定发动机开始工作，为电池供电。这时候：发动机在经济区间的功率小于需要的，这时真实工作点就可能会偏离经济区间为了达到车辆的的行驶需求。如果需要的功率达不到发动机经济区间的功率，这时其将工作在最低的经济区线上，多余的动能给电池补充电量。如果功率需要刚好满足在发动机的经济期间之内，则发动机就在其工作点工作。4.需要减速或者制动的时候：如果电池组剩余电量没有到最大设定，这时候发动机不工作，发电机启动工作，为电池组补充电量。要依据所需制动力的大小，判定是单个电机工作还是两个电机工作，或者是机械制动器也开始工作，。如果电池组剩余电量到最大设定，这时发动工作来辅佐制动，依据需要的制动力矩多少来判定机械制动器提供多少扭矩。由下图4-1BYD371QA发动机的万有特性曲线图，就能看出这个发动机的最低比油耗是215g/kwh，在最低比油耗的前后，可以建立发动机的经济燃油消耗区。图4-1发动机万有特性曲线图比对图上标注的区域，可以得到发动机的经济油耗区间在转速为1200-2500rpm，功率为15-25kw,转矩为55-65Nm。表示为在满足三者都在这一区域就是发动机的经济位置。图4-2电机效率曲线图由图可以知道电机效率在转速3000r/min-6000r/min，功率22KW-25KW，转矩100Nm-400Nm区间效率最大为0.91。4.4判定发动机是否直接驱动由于实际驾驶时路况复杂，把车速0-150km/h分成十六个匀速车况，计算发动机驱动行驶阻力功率和需要的功率发动机驱动行驶阻力功率：（4—1）发动机直驱需求功率：（4-2）发动机直驱时传动比是固定的，那么他的转矩和转速都是一定的。可以计算直驱时所需要的转矩和转速，公式如下：（4-3）（4-4）公式中，Ttq-为发动机动机直驱的转矩（N.m）；ua是车速(km/h)；n为不同车速对应的转速（r/min）。车速V（km/h）行驶阻力功率（kw）发动机功率（kw）转矩(Nm)转速（r/min）00000100.5480.60920.946208.192201.1481.27621.940416.3839301.8502.05623.570624.5759402.7053.00625.848832.7679503.7644.18228.7741040.96605.0785.64232.3491249.152706.6997.44336.5791457.344808.6779.64141.4571665.5369011.06412.29346.9881873.72810013.91115.45753.1512081.92011017.26819.18760.0022290.11212021.18623.54067.4812498.30413025.71828.57675.6152706.49614030.91334.34884.3972914.68815036.82340.91493.8403122.8816043.45047.373103.7973331.071表4-1车速-功率-转矩-转速表由上表可知当车速在100-120km/h，此时功率，车速以及转矩都在发动机经济区间内，此时驱动电机不工作，发动机直接连接离合器驱动车辆。车速在0-50km/h，此时功率，车速以及转矩不在发动机经济区域，所以应该由电池供能，单个或者两个电机串联驱动。车速在60-90km/h时，车速在经济转速范围但转矩小于经济转矩最小值，在此速度区间需求大功率时，发动机和电动机并联驱动，或者发动机带动发电机工作，电能直接供应驱动电机，若是有额外多出的电量则输送到动力电池，此时的发动机均控制其处于经济功率下限处。当车速在130-160km时，此时功率，车速以及转矩都大于发动机经济区间，在高速小功率时，发动机单独驱动加电机发电或者电机单独驱动；高速大功率时，发动机，发电机和电动机并联驱动。发动机启动时均控制其在经济转矩上限。此区间划分均是在动力电池电量充实情况下划分的，一般电量保持在30%以上。如果出现电量不足的情况，那么在车速0-100km/h发动机和发电机都保持运行状态，直到电池SOC达到一定界限。在电量不足时，在后续速度区间发动机一直保持直驱，驱动电机不参与辅助驱动。4.5油耗计算依据比油耗数值来计算发动机直驱情况下的汽油消耗，公式如下国家标准规定了使用汽油发电机每发一度的电消耗270g的汽油。计算发电1kw需要消耗汽油0.27kg，在用重量除以0.722的密度，可以得到数据大约为0.374L。可以得到结论车辆以纯电行驶的情况下，每使用1kw电，就可以换算为消耗汽油0.374L。在匀速情况下，有发动机参加工作的情况，真实消耗的燃油量经计算得到下表4-2。车速/(km/h)发动机功率/(kw)发动机油耗/(L/100km)驱动电机功率(kw)驱动电机油耗/(L/100km)混合油耗/(L/100km)10015.4574.809004.80911019.1875.427005.42712023.5406.103006.10313023.5406.1035.0361.8837.98614023.5406.10310.8084.04210.14515023.5406.10317.3746.49812.60116023.5406.10323.8338.91315.016表4-2发动机参与驱动消耗的燃油量等计算出控制策略下，等速行驶时，各个车速相对应的电机油耗，发动机油耗以及混合油耗值。车速/(km/h)电机油耗/(L/100km)发动机油耗/(L/100km)混合油耗/(L/100km)控制策略0000100.22800.228电机工作200.47700.477电机工作300.76900.769电机工作401.12401.124电机工作501.56401.564电机工作602.11002.110电机工作702.78402.784电机工作803.60603.606电机工作904.59804.598电机工作10004.8094.809发动机工作11005.4275.427发动机工作12006.1036.103发动机工作1301.8836.1037.986发动机，电机均工作1404.0426.10310.145发动机，电机均工作1506.4986.10312.601发动机，电机均工作1608.9136.10315.016发动机，电机均工作表4-3实际油耗以及控制策略表第五章燃油经济性计算5.1NEDC循环工况分析循环工况是制定了车速与时间的行驶规范，介于各个国家标准不一，试验工况也不尽相同，目前来讲对于轻型车的油耗实验主要工况有：欧盟的NEDC工况，美国的FTP75工况和日本的JC08工况。NEDC是由EDC发展来的，目前欧洲，澳大利亚和我们国家等都在使用。NEDC循环工况包括市郊运转循环以及市区运转循环。一个完整的循环1180s，其中市区780s，车速最大50km/h，平均速度19km/h，郊区400s，时速最高120km，平均时速62.6km，在整个工况最大的加速度是1.04ms2，最大的减速度是1.39mNEDC工况如图5-1所示：图（5-1）NEDC工况运转循环对于混合动力车型来说NEDC工况下基本可以认为是等加速，等速，等减速，等速行驶就按上一章所提公式计算出需求功率，而等加速所需功率要包括克服行驶阻力和加速阻力，等减速时克服的加速阻力和行驶阻力回收。车辆加速过程所需功率：（5-1）δ为车辆旋转质量系数，取1.1，taη为传动效率，Uf载结合所设计的控制策略利用如上一章的公式具体计算燃油消耗量。计算每个转折的行驶情况下的时间，速度，加速度、油耗。具体结果如下表5-1所示表5-1NEDC市区循环工况各参数计算时间/s速度km/h加速度m/s2路程km油耗L11000040-151.0420.008120.00032281500.035790.000725515-00002100.8330.010420.00043650-1500.008330.0001672150.9440.026550.001616515-3200.211540.00804224320001132-00.8330.010360.00043621000.008330.00020550-150.6170.064570.00501221500.017840.000652915-350.5210.094470.00940123500.145650.008685835-5000.145360.0057441250-0.8330.01047-0.00067850-35-0.8080.04889-0.003531535-0.5210.09448-0.004011035-0-0.9720.04868-0.0048570000总计/1950.989850.02838NEDC工况市郊循环各个参数的计算结果如下表5-2所示：表5-2NEDC工况市郊循环各参数时间/s速度km/h加速度m/s2路程km油耗L20000050-150.8330.0104210.00046221500.0089650.000186915-350.6170.0632540.00454223500.0189660.000582835-000.0276510.0012862500.4270.2115340.019211350-7000.9723680.056234507000.9578640.047862870-500.4270.2168440.017012695000.9723560.060221350-700.2380.826720.098677507000.8462410.0721043570-1000.2780.6126410.0722213010000.3364150.01956320100-120-0.6940.456285-0.0179610120-1.0420.143641-0.012316120-80-1.3890.0686415-0.00632880-50-0.6940.15641-0.00531050-0-0.5210.087561-0.00098200000总计/4006.9947790.427301由NEDC循环工况总的油耗来计算百公里燃油消耗量，公式（5—2）如下Q总=（Q1×4+Q2)×1004×X1+XQ总为汽车车百公里油耗量（L/100km）；市区循环油耗市郊循环油耗X1市区循环里程X2市郊循环里程计算结果QS总1=4.937（L/100km），接近设计要求QS总≤5.0（L/100km）。5.2制动能量回收工况计算当车辆处在减速或者制动情况之时，电机等同于发电机，将制动再生的能量进行回收，存储在动力电池中。利用制动能量回收，不仅仅弥补传统车制动方面的不足，同时在汽车制动或减速时再生能量回收利用。制动能量的回收的效率主要在与真实的行驶情况，各个传动部件的效率还有电池组的充电和放电效率。一些研究表示，制动时可以回收的能量只是占整个电池组电量的14%~32%。再参考同类混合动力车型的制动能量回收效率情况后，本次设计设定制动能量回收效率为25%。公式如下：（5-3）在NEDC循环工况中减速或制动产生的能量和换算的燃油如表5-3表5-3制动能量回收转换的节油量初速度km/h末速度km/h时间s加速度m/s2平均功率kw油耗L1505-8.43-3.72302-0.00059732011-0.795-7.68614-0.00300650358-0.521-11.6885-0.00312535010-0.963-10.2851-0.0036543508-.0551-5.25672-0.00126570508-0.705-22.5371-0.0061561208016-0.684-30.5329-0.01594680508-1.039-39.3107-0..0458150010-1.376-21.6619-0.007341制动回收能量也应该考虑到节省燃油