混合動力電動汽車傳動系統(tǒng)匹配與優(yōu)化.doc

摘 要汽車發(fā)展的100年,是人類文明和經(jīng)濟發(fā)展迅猛的100年。如今,全世界汽車的保有量達到了6.7億輛左右,汽車己與人們的日常生活和生產(chǎn)密不可分。然而,如此之多的燃油汽車排放所造成空氣質(zhì)量的日益惡化和石油資源的漸趨匾乏,使開發(fā)低排放、低油耗的新型汽車成為當今汽車工業(yè)界的緊迫任務,電動汽車(Electric Vehjcle簡稱EV)成為人們最主要的選擇之一。使用電動汽車可實現(xiàn)無污染,并可利用煤炭、水利等其他非石油資源,但由于目前的技術和成本的限制,使其很難商品化,在這種條件下,同時具有電動汽車和內(nèi)燃機汽車優(yōu)點的混合動力電動汽車(Hybrid Electric Vehicle簡稱HEV)異軍突起,成為當前解決節(jié)能、環(huán)保等問題最具有現(xiàn)實意義的途徑之一。近年來,雖然許多國家都投入大量資金人力研究電動汽車,但目前為止動力電池和其它一些關鍵性技術還沒有取得有效地突破,動力電池的續(xù)駛里程和充電時間大大制約了電動汽車的發(fā)展和普及。因此,在電池問題解決之前,如何合理地選擇這些部件及有關參數(shù),使匹配達到最優(yōu),在相同蓄電池條件下,更好地滿足動力性要求和最大地增加續(xù)駛里程,一直是研究者們追求的目標,也是本論文研究的主要目的。在本論文中，首先通過對混合動力系統(tǒng)工作原理的分析，選擇了并聯(lián)式結構作為混合動力汽車的驅(qū)動方式。并對所研究的混合動力汽車的總體方案進行了設計，據(jù)此對發(fā)動機、電機、傳動系和電池的參數(shù)進行了匹配，初步確定了各部件的參數(shù)。動力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化是提高混合動力汽車動力性、燃油經(jīng)濟性的關鍵。本文在MATLAB環(huán)境中，基于ADVISOR2002-Auto-Size對并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)進行了參數(shù)優(yōu)化，并與ADVISOR傳統(tǒng)的仿真結果進行了比較，結果表明ADVISOR2002-Auto-Size應用于并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)性能優(yōu)化是合理的，并具有很強的實用性。該方法可以最大限度地模擬實際車輛在各種工況下的運行狀態(tài)及整車的實際工程約束條件,在實驗室條件下,實現(xiàn)并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的性能優(yōu)化。關鍵詞：并聯(lián)式混合動力汽車，參數(shù)匹配，ADVISOR，動力系統(tǒng)優(yōu)化AbstractThe development of automobiles represents for the development of the human civilization and economy for one hundred year. Now automobiles have been closely 1inked with peoples life, and its quantity has been reached about 67 millions. However, so much exhaust induces deterioration of the air quality and the resource of the oil get pinch inereasingly. It is an urgent task to the automobile industry to develop new types of automobile with low exhaust and low oil wear. Naturally, ElectricVehicle(EV) become primary among peoples choice.Recently, although there are lots of countries which have launched into large fund and many talents to study electric vehicle, dynamic battery and certain key techniques have not brought through effectively until now.The range and charging time of battery limited popularization and development of electric vehicle. Therefore how to select these parts and relational Parameters reasonably makes the electric vehicle meet the request of dynamic performance and range which is the goal people studied, then which is the important content of the papers.In the papers, We first work on the principle of hybrid systems analysis, selection applied to urban vehicle parallel hybrid system for the study. And the study of hybrid vehicle design the overall program, according to the engine, motor, drive system and super-capacitor matching parameters, initially set the parameters of each component.Power system parameter optimization is to improve the power of hybrid vehicle,fuel economy the key. This article in the MATLAB environment, based on ADVISOR2002-Auto-Size parallel hybrid vehicle powertrain parameters were optimized, and with the traditional optimization ADVISOR simulation results are compared, results showed that ADVISOR2002-Auto-Size for parallel hybrid vehicle powertrain performance optimization is reasonable, and has good practicability. The method can simulate the vehicle to maximize the operational status of various operating conditions and the actual vehicle engineering constraints, under laboratory conditions, to achieve parallel hybrid vehicle powertrain performance optimization.KEY WORDS：parallel hybrid electric vehicle,parameter matching, ADVISOR，power system optimization第一章 緒 論51.1課題的研究背景及意義51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀81.2.1國外HEV研究現(xiàn)狀81.2.2國內(nèi)HEV研究現(xiàn)狀91.3 HEV 關鍵技術的研究91.3.1 車身與結構設計91.3.2 發(fā)動機技術概述101.3.3 電機及其控制技術101.3.4 儲能元件101.3.5 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配101.3.6 多能源控制策略101.3.7 HEV 的仿真技術11第二章 混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)方案研究122.1混合動力汽車的驅(qū)動模式122.1.1串聯(lián)式混合動力汽車122.1.2并聯(lián)式混合動力汽車142.1.3混聯(lián)式混合動力汽車162.2動力系統(tǒng)選型182.2.1選型策略182.2.2動力系統(tǒng)選型結果19第三章 并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)初步匹配203.1 混合動力客車基本參數(shù)和性能指標203.11 整車基本參數(shù)203.12技術要求203.2 發(fā)動機單獨驅(qū)動模式下發(fā)動機參數(shù)匹配213.2.1 發(fā)動機最大功率和相應的轉(zhuǎn)速213.2.2 滿足最大爬坡度的功率需求213.2.3 發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩及相應轉(zhuǎn)速223.3 傳動系參數(shù)匹配233.3.1 主減速器速比的確定233.3.2 最小傳動比的確定233.3.3 最大傳動比的確定243.3.4 變速器檔位數(shù)以及各檔傳動比的確定253.4 電機參數(shù)匹配253.5 超級電容的參數(shù)匹配263.5.1 功率的確定263.5.2 容量的確定263.6 本章小結27第四章 并聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng)的仿真分析284.1汽車仿真軟件ADVISOR的介紹284.2汽車參數(shù)的變量定義304.2.1 車輛模塊參數(shù)304.2.2 車輪模塊參數(shù)314.2.3變速器模塊參數(shù)314.2.4 電動機模塊參數(shù)314.2.5 電池模塊參數(shù)314.2.6發(fā)動機模塊參數(shù)324.3 性能仿真324.3.1循環(huán)路況324.3.2仿真內(nèi)容334.3.3仿真結果分析374.4 本章小結38第五章 混合動力汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化395.1參數(shù)優(yōu)化概論395.2 ADVISOR參數(shù)優(yōu)化395.2.1 ADVISOR優(yōu)化方法介紹395.2.2 傳動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化425.2.3 優(yōu)化結果仿真分析435.3本章小結46第七章 全文總結47致 謝48參考文獻49第一章 緒 論1.1課題的研究背景及意義從汽車發(fā)明到現(xiàn)在,不過短短的100年時間,回顧這100年的歷史,可以看到汽車扮演了促進經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的重要媒介,汽車工業(yè)己成為世界和各國經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車工業(yè)的發(fā)展涉及許多產(chǎn)業(yè)部門的發(fā)展,帶動了石油化工、鋼鐵冶金、機械制造、有色金屬工業(yè)、橡膠工業(yè)、紡織工業(yè)、電子工業(yè)等的發(fā)展并促進了城市的市政建設,以及與汽車相關的服務業(yè)的發(fā)展。汽車是現(xiàn)代文明的重要組成部分,一百年來的科學技術與文化的成果,都融進到汽車技術之中,從而使汽車成為人類智慧的結晶。隨著汽車保有量的增加,汽車速度的不斷提高,高速公路網(wǎng)絡的日益發(fā)達,小汽車進入家庭的范圍不斷拓展,極大的改善了人們的生活,擴大了人們的活動半徑,適應了現(xiàn)代化工業(yè)的需要,同時,也緩解了由于工業(yè)化和城市化帶來的弊端。然而,人們在享受汽車文明的同時,也必須面對汽車帶來的負面影響:環(huán)境污染問題和石油能源危機問題。在本世紀的最后幾十年,節(jié)能、環(huán)保、新能源等字眼越來越緊密的與汽車聯(lián)系在一起,為解決環(huán)境污染問題和石油資源危機問題,研制更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新一代交通工具,成為當今各國汽車工業(yè)界的當務之急。純電動汽車或零排放燃料汽車無疑是我們的最終目標,但目前的電池技術阻礙了電動汽車的發(fā)展和應用,專家們估計短時間內(nèi)燃料電池技術難有重大突破,電動汽車暫時還無法取代燃油發(fā)動機汽車。在這種情況下,一種兩全其美的方案應運而生,即開發(fā)所謂的混合動力裝置的汽車。這種汽車就是將電動能與輔助動力單元(API)組合在一輛汽車上做驅(qū)動力,這種混合動力裝置發(fā)揮了燃料發(fā)動機持續(xù)工作時間長、動力好的特點,又可以發(fā)揮電動機無污染、低噪聲的優(yōu)點,二者“并肩戰(zhàn)斗”,取長補短,汽車的熱效率可提高10%,廢氣排放可降低30%。汽車行業(yè)的專家們一致認為,混合動力車將是世界汽車行業(yè)今后較長時間內(nèi)主要發(fā)展方向。目前,作為曾經(jīng)推動人類文明向前躍進發(fā)展的傳統(tǒng)汽車工業(yè)正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn),擺在世界汽車工亞可持續(xù)發(fā)展面前有兩大難題,即石油資源的日益匾乏和環(huán)境污染加重,這兩大難題在我國表現(xiàn)得更為突出。傳統(tǒng)的汽車消耗的能源幾乎完全依賴石油制品,汽車保有量逐年上升使能源問題逐漸成為汽車可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,汽車的保有量和年產(chǎn)量迅速增加,1990年全球汽車產(chǎn)量為1000萬輛,汽車保有量為6900萬輛,到1988年年產(chǎn)量猛增到4800萬輛,保有量達到5.3億輛。這些汽車要消耗數(shù)億噸的石油制品,相當于全球石油產(chǎn)量的一半,特別是隨著汽車在諸如亞洲、拉美等一些新興的汽車市場的普及,將進一步加劇石油的消耗量,但石油作為不可再生的能源,在地球上的蘊藏量是有限的。據(jù)有關專家估計,地球上己探明的石油儲藏量將在40一50年內(nèi)消耗殆盡。而對我國形勢則更為嚴峻。根據(jù)1995年的統(tǒng)計數(shù)字,我國石油資源可開采量僅為3.288*109噸,占世界總儲量的3%,僅供我國開采20年左右,目前,我國的汽車保有量為1400多萬輛,隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人均收入的逐漸提高,汽車保有量將迅速增加。據(jù)統(tǒng)計,1990年我國在用汽車汽油消耗量為1962萬噸,柴油消耗量489萬噸,2000年在用汽車汽油油耗銷量為5526萬噸,年增長率為20%,柴油消耗量為1705萬噸,年增長率為42.7%,估計到2010年,我國的汽車油耗將達8000萬噸左右,原油需求達3.6億噸左右,近一半的原油需要進口。因此,在21世紀,能源問題,特別是具有戰(zhàn)略地位的石油資源問題,己經(jīng)成為世界范圍內(nèi)迫切要求政府和科學工作者認真對待和優(yōu)先解決的問題。另一方面,汽車對社會環(huán)境的污染也相當嚴重。內(nèi)燃機汽車排放的廢氣是一種分散的流動污染源,工礦企業(yè)的排放是集中的固定污染源,后者易于控制與治理,前者往往在居民集中區(qū)排放污染物?，F(xiàn)代城市高層建筑鱗次櫛比,使汽車的排放污染物不易擴散,造成局部地區(qū)的排放物濃度過高,同時汽車排放物的高度恰好在地面附近,處于人們呼吸的空間區(qū)域,因此,它對人體的健康威脅最大。汽車尾氣排放的主要污染物主要有:一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)、碳氫化合物(HC)、二氧化硫(SO2)等氣體以及微粒。據(jù)估計,大氣污染的60%來自于內(nèi)燃機汽車。在美國排放到大氣中的污染物中66%的CO、43%的Nox、37%的鉛、31%的碳氫化合物、20%的微粒來在燃油汽車。在英國,交通車輛排放的NOx占50%,CO占80%以上。其他國家內(nèi)燃機汽車所引起的大氣污染同樣嚴重。據(jù)北京環(huán)保部門測定,市區(qū)大氣污一染在夏季的67%,冬季的3%由汽車造成。1995年6月在上海外灘,過高的汽車尾氣排放污染己導致了光化學煙霧事件,城市居民中患呼吸道疾病的人數(shù)逐年上升,交通民警執(zhí)勤人員的人均壽命降低,交警己成為危險的職業(yè)之一。內(nèi)燃機汽車尾氣排放污染己成為危害人類健康的一大公害。為此各國的汽車尾氣排放法規(guī)制定的日趨嚴格,我國也規(guī)定在2010年實現(xiàn)與國際標準同步。面對環(huán)境污染和石油資源危機問題,全世界各國不得不積極開發(fā)和推廣電動汽車、代用燃料汽車為主要內(nèi)容的新型交通工具,即所謂的“綠色汽車”近十年來,美日等汽車發(fā)達國家和、跨過公司己在“綠色汽車”領域投入了超過100億美元的資金,并且以每年不少于10億美元的力度繼續(xù)開發(fā)。從美國政府對新一代汽車伙伴計劃(PNGV)的建立和執(zhí)行的情況來看,“綠色汽車”己成為跨國汽車公司和先進工業(yè)國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要內(nèi)容,也對我國汽車產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整提供了有益的借鑒。經(jīng)過對各種新能源、新燃料、新動力的探索,電動汽車成為最主要的選擇之一。電動汽車主要包含純電動汽車(即EV)、混合動力電動汽車(即HEV)和燃料電池汽車(Fuel Cell Vehiele簡稱FCV)。純電動汽車是當前能滿足“零排放”要求的首選方案,電動汽車運行中沒有污染,如果發(fā)電廠以核能、水利、風能、太陽能或天然氣為能源發(fā)電,對大氣的污染會很小,而遠離城市的火力發(fā)電廠對人們生存環(huán)境的影響也可以控制。在市區(qū)內(nèi)行駛,電動汽車的能量效率比普通燃油汽車高40%左右；電動汽車也可以利用用電低谷時的電網(wǎng)富裕電能,這可以平衡電網(wǎng)的負載,提高電網(wǎng)能量的利用率。除此之外,電動汽車還具有低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護等優(yōu)點。因此,人們對電動汽車寄予了厚望。然而,由于電動汽車的關鍵技術一電池技術的制約,電動汽車的性能價格比遠遠不能達到推廣應用的標準。其主要障礙是:電池的能量密度極低,因此電池組的質(zhì)量較大,導致電動汽車一次充電的續(xù)駛里程和動力性能無法達到目前內(nèi)燃機汽車的水平；此外,電動汽車空調(diào)和暖風的使用必須充分考慮其能量消耗對電動汽車續(xù)駛里程的影響,乘員的舒適性受到限制;充電站的投資巨大,電池組價格昂貴,循環(huán)壽命有限,頻繁更換電池的成本是難以接受的。這些問題在短期內(nèi)難以解決,嚴重的限制了汽車的實用化和商業(yè)化,產(chǎn)業(yè)化前景并不看好。燃料電池汽車具有極高的效率,低排放、低噪音的特點,其甲醇燃料具有廣泛的來源,并具有可再生的巨大優(yōu)勢,已成為世界各大汽車集團新世紀激烈競爭的焦點,被譽為21世紀改變?nèi)祟惿畹氖蟾呖萍贾?但產(chǎn)業(yè)化道路仍需要較長的時間。與電動汽車和燃料電池汽車相比,混合動力電動汽車一次性能源仍然是燃油,只是在電動機的輔佐下以更有效的方式將燃油的能量轉(zhuǎn)換為機械能而已,因而具有續(xù)駛里程長。機動性強等傳統(tǒng)燃油汽車的特點；在某些對汽車排放嚴格限制的地區(qū)(如環(huán)保示范區(qū)、旅游區(qū)等)可以關閉發(fā)動機,采用純電動方式行駛成為零排放的汽車；故混合電動汽車對電池的依賴程度低,可大幅度降低蓄電池組的體積和重量,串聯(lián)式混合電動汽車的電池重量僅為電動汽車電池的1/3,并聯(lián)式還可比串聯(lián)式再減少重量的1/3；由于混合動力汽車可以不從外部電源充電,因此可以節(jié)約大量的充電基礎設施投資,所以混合動力汽車的性價比明顯優(yōu)于電動汽車。據(jù)豐田公司介紹,該公司生產(chǎn)的RVA4EV電動汽車售價為495萬日元/輛,所裝載的鎳金屬氫電池總質(zhì)量達480Kg,而該公司安裝鎳一金屬氫電池的混合動力汽車售價僅為215萬日元/輛,其裝載的電池總質(zhì)量僅為80Kg。根據(jù)國際機電委員會下屬的電力機動車技術委員會的建議,混合動力電動汽車是指由兩種能源或轉(zhuǎn)換器等作驅(qū)動能源,其中至少有一種能提供電能的車輛稱為混合動力電動汽車。根據(jù)這個定兩種以上的儲能義,混合動力電動汽車有很多種形式,有內(nèi)燃機和蓄電池混合,蓄電池和燃料電池混合,蓄電池和超大容量電容器混合,蓄電池和飛輪混合等。為了避免混淆,專家們采用內(nèi)燃機和蓄電池混合的動力來代表混合動力電動汽車。近年來,雖然許多國家都投入大量資金人力研究電動汽車,但目前為止動力電池和其它一些關鍵性技術還沒有取得有效地突破,動力電池的續(xù)駛里程和充電時間大大制約了電動汽車的發(fā)展和普及。因此,在電池問題解決之前,如何合理地選擇這些部件及有關參數(shù),使匹配達到最優(yōu),在相同蓄電池條件下,更好地滿足動力性要求和最大地增加續(xù)駛里程,一直是研究者們追求的目標。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀混合動力汽車通過內(nèi)燃機和發(fā)動機的有機結合,具備了內(nèi)燃機汽車加油方便、續(xù)駛里程長和純電動汽車污染少、效率高的特點,成為當今世界汽車界競相開發(fā)的熱點。豐田的prius、本田的Insight、福特的Prodigy、克萊斯勒的ESX3、通用的Preeept、日產(chǎn)的Tino等都是具有代表性的車型,其中prius和Insight已是成熟的產(chǎn)品,并將繼續(xù)擴大生產(chǎn)規(guī)模,其它車型也將在23年推向市場。我國也非常重視混合動力電動汽車的研制與開發(fā),一些單位已進行了一些初步的工作,并取得了一定的成績,國家科技部已將其作為“十五” 863重大專項內(nèi)容。1.2.1國外HEV研究現(xiàn)狀第一輛HEV是在20世紀初期由設計者將電動機和汽油發(fā)動機組合在一起而制成的。從那以后,混合驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)過不斷的發(fā)展己取得了相當大的進展。隨著科學技術發(fā)展,HEV已發(fā)展成為汽車電力驅(qū)動、化學電源、智能控制、計算機、新能源、新材料等工程技術中最新技術集成和綜合的產(chǎn)物。在國外,汽車發(fā)達國家由于受到石油資源和環(huán)境污染的巨大壓力,率先對電動汽車進行了研究,目前其混合動力電動汽車已達到了商品化程度。90年代以來,日本、美國、歐洲各大汽車公司紛紛開始研制混合動力型汽車。日本豐田汽車公司率先于1997年12月將混合動力型Prius轎車投放本國市場,2000年初又開始投放北美市場,并將月產(chǎn)由1000輛調(diào)升到月產(chǎn)2000輛,三年內(nèi)銷售了4.5萬輛,產(chǎn)品出現(xiàn)了供不應求局面,初戰(zhàn)告捷,不僅震動了全球汽車廠商,而且也大大鼓舞了豐田汽車公司的全體員工,豐田公司計劃到2008年時,混合動力汽車達到年產(chǎn)80萬輛,據(jù)國外專家預測在未來的十年內(nèi),可能有40%的汽車均將采用混合動力技術。除了豐田公司以外,本田公司也已投產(chǎn)Insight混合動力汽車。在美國環(huán)?？偸鹪u為2003年美國十大節(jié)能汽車中本田公司的Insight混合動力汽車第一名,第二名則為豐田汽車公司的Prius混合動力汽車。在美國,由政府動員全美所有有關的科研機構(包括軍工、航天部門)來進行電動汽車的研究,目標是新的節(jié)能車必須保持現(xiàn)有汽車的價格和性能,并且電動汽車包括混合動力電動車的購買者享有政府提供的各項稅費減免優(yōu)惠。在此情形下,美國能源部與三大汽車公司鑒訂了混合動力汽車開發(fā)合同(PNGV項目),其中通用和福特汽車公司各投入1.48億美元,克來斯勒投入8480萬美元,進行為期5年的研制開發(fā)工作,三大公司于1998年在北美國際汽車展上分別展出了混合動力汽車樣車,迄今己開發(fā)出多種形式的混合電動動力汽車,例如克萊斯勒的ESX3、福特的PZOOO、通用的Gent等。PNGV項目在HEV性能仿真、汽車集成動力模塊等技術領域取得了顯著成就。在歐洲,各大汽車廠商爭先恐后的推出了本公司研制的混合動力汽車。其HEV的突出代表是法國的Berlinge,在性價比上能與一般汽車相抗衡,代表了國際實用先進水平。法國雷諾公司研制的VERT和HYMNIE兩款混合動力汽車已進行了10,000公里的運行試驗。德國西門子和波許(BOSCH)等著名零部件公司也積極參與大汽車公司聯(lián)手開發(fā)混合動力汽車技術。1.2.2國內(nèi)HEV研究現(xiàn)狀我國對電動汽車的研究起步并不晚,但在規(guī)模上與投入力度上不能與發(fā)達國家相提并論。九十年代中期在有關專家的呼吁下,開始對混合動力電動汽車技術表示出了極大的關注,并積極著手研制開發(fā)樣車,例如廈門金龍汽車公司與清華大學合作,研制了串聯(lián)式混合動力中巴。現(xiàn)在投入混合動力電動汽茱研制工作的產(chǎn)、學、研單位已不下十余家,但大都規(guī)模較小,經(jīng)費短缺,技術較低,技術方案大多雷同,甚至重復。2000年以來,在國家科技部部署下,成立了國家863電動汽車重大專項小組,以東風汽車公司,中科院所屬的相關科研院所以及清華大學、華中科技大學等高校為主要成員單位對混合動力電動汽車展開了研制,目前已完成階段性的成果,并有部分樣車投入試運行。力爭在近年內(nèi)完成提高核心竟爭能力,建設公共技術平臺、推進商品化示范運營等一系列產(chǎn)業(yè)化工作。近些年來國內(nèi)汽車公司也著手研發(fā)HEV?！笆濉彪妱悠囍卮髮ｍ椉航?jīng)開花結果,己經(jīng)開發(fā)了紅旗牌混合動力轎車FIG1一2Hongqi。2002年,長安公司著手研發(fā)混合動力汽車,經(jīng)過4年的努力,長安公司己掌握了混合動力汽車的核心技術,建立起了19項企業(yè)標準,形成了自己的產(chǎn)品開發(fā)流程和項目管理模式,并推出我國首款具有實用價值的混合動力汽車長安CV9。比亞迪公司也于2007年推出他們的首款混合動力電動汽車F3DM。這些HEV開發(fā)的成功,使我國HEV技術躍上了一個新臺階,標志著我國的HEV技術達到了新的水平。1.3 HEV 關鍵技術的研究HEV的關鍵技術包括車身結構設計、發(fā)動機的設計、電機及其控制技術、儲能元件、動力系統(tǒng)參數(shù)匹配、多能源控制策略以及HEV的仿真技術。只有將這些關鍵技術合理運用到一起才是HEV能夠推廣的關鍵所在。1.3.1 車身與結構設計HEV車身的設計有兩種基本方法，一種是改造現(xiàn)有車輛，二是針對不同技術要求進行專門設計。根據(jù)原有車輛進行改裝，就是要在原有燃油汽車的結構基礎上，增加一套儲能元件-電動機驅(qū)動系統(tǒng)。由于可以采用原有的汽車底盤，對于小批量的生產(chǎn)和試驗而言，這種方法確實比較經(jīng)濟實惠，但對于絕大部分改裝汽車而言，自重過大、質(zhì)量分配不均等缺點是其難敵克服的，而且會對汽車的動力性能產(chǎn)生負面影響。HEV大部分有特定的設計目的，這種特定設計的車型使得HEV與改裝車相比有很大的優(yōu)勢，它使得設計者可以靈活地布置和整合各子系統(tǒng)，使之能夠高效地運行。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，HEV由于有發(fā)動機和電機兩套驅(qū)動系統(tǒng)，所以在結構設計方面相對靈活。1.3.2 發(fā)動機技術概述發(fā)動機是HEV的主要動力源，要求其燃油經(jīng)濟性好、排放低。經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，車用發(fā)動機在動力性、經(jīng)濟性以及排放方面有了很大的改進，特別是近年來增壓中冷、電控燃油噴射、排氣再循環(huán)、高壓共軌、可變進氣渦輪、和催化后處理等技術的研制，使得發(fā)動機的性能較之以前有很大提升。作為一種非常成熟的動力元件，發(fā)動機在HEV上的應用難度不大。1.3.3 電機及其控制技術純電動車對驅(qū)動電機的要求與串聯(lián)式系統(tǒng)相似，電機要求體積小、效率高、有較好的控制性能。在并聯(lián)和混聯(lián)式結構系統(tǒng)中要求電機能夠適應頻繁的起停和電動/發(fā)電狀態(tài)的切換。在并聯(lián)系統(tǒng)輕度復合的結構中，對電機功率要求不高，可采用與發(fā)動機曲軸同軸的布置結構，進一步減小了電機的體積和重量。1.3.4 儲能元件為了提高HEV動力系統(tǒng)的能量利用率和整車的動力性能，在選擇合適的輔助動力元件的基礎上，還需要裝備比能量密度較大、而且能夠瞬時提供較大功率的儲能元件。目前應用較多的主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鏗離子電池和超級電容等?，F(xiàn)在的超級電容表現(xiàn)出的儲能密度為每千克5至6瓦時。超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結夠允許其面積達到2000m2/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的比表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離比傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。1.3.5 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配（1）根據(jù)性能指標和整車參數(shù)的設計要求，合理運用汽車理論的相關原理、公式計算各動力系統(tǒng)主要部件的參數(shù)。（2）在工況分析的基礎上對電動汽車進行設計是一種比較成熟的方法，工況分析的主要項目包括：典型工況、特殊工況和工況適應性分析。工況分析的目的是獲取車輛能量和動力的需求，根據(jù)車輛的能量和動力需求分析可以得出動力系統(tǒng)的系統(tǒng)能量和動力性能的最低需求，并對其各主要部件提出合理的參數(shù)要求，設計出符合使用條件的車輛。（3）常見的是以仿真軟件ADVISOR為平臺，針對混合動力系統(tǒng)的各主要元件，建立相應的模塊，通過仿真確定各動力元件的參數(shù)，并判斷其對整車性能的影響。1.3.6 多能源控制策略HEV與傳統(tǒng)汽車相比最大的改進就是動力源的增加，這就導致了在HEV中能量流動方向的多樣性。多能源控制策略的目標是解決HEV行駛過程中所需的功率和能量何時或用何種方法由車上何種形式的動力源來提供能量的管理策略問題?？刂撇呗允?HEV 的根基，因為其直接控制著能量在車輛內(nèi)部的流動方式，從而對車輛的動力性、經(jīng)濟性以及排放指標產(chǎn)生影響。1.3.7 HEV 的仿真技術在研究和開發(fā)HEV的部件以及選擇最佳系統(tǒng)構型時，要求設計者能夠盡可能的縮小研究范圍，縮短研發(fā)周期和減少成本的投入，找到技術的關鍵點。在選擇技術方案時，采用計算機對混和動力系統(tǒng)和各部件進行建模和仿真，通過其性能分析進一步對系統(tǒng)進行評估。仿真技術的應用，大大降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，是HEV技術發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。第二章 混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)方案研究混合動力車輛的定義為:“在特定的工作條件下,可以從兩種或兩種以上的能量存儲器、能量源或能量轉(zhuǎn)化器中獲取驅(qū)動能量的汽車。其中至少一種存儲器或轉(zhuǎn)化器要安裝在汽車上。混合動力電動汽車至少有一種能量存儲器、能量源或能量轉(zhuǎn)化器可以傳遞電能?！被旌蟿恿ζ囼?qū)動系統(tǒng)是指汽車上所有的用于存儲、轉(zhuǎn)化和傳遞能量并使汽車獲得運動能力的部件的總稱。主要包括車載能源、原動機和傳動系統(tǒng)三個部分。車載能源是在驅(qū)動系統(tǒng)中用于能源存儲或用于能源存儲并進行能源的初始轉(zhuǎn)化以向原動機直接供能的所有部件的總稱,由能源存儲系統(tǒng)或能源存儲和轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成,例如油箱。原動機是指驅(qū)動系統(tǒng)中用于把其他行駛的能量轉(zhuǎn)化為可以直接驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的機械能的裝置,比如普通車輛上的發(fā)動機,純電動汽車上的電動機等。傳動系統(tǒng)是用于傳遞和調(diào)節(jié)原動機輸出機械能,并輸送給車輛驅(qū)動車輪,實現(xiàn)車輛正常行駛的所有部件的總稱。主要包括離合器、減速/變速器、傳動軸、主減速器、差速器、半軸以及驅(qū)動車輪等。目前混合動力電動汽車根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)配置和組合方式不同,主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。本章接下來將系統(tǒng)介紹三種驅(qū)動形式。2.1混合動力汽車的驅(qū)動模式2.1.1串聯(lián)式混合動力汽車串聯(lián)式(Series Hybrid Electric vehicle,簡稱SHEV):串聯(lián)式混合動力電動汽車由發(fā)動機、發(fā)電機、電池組、驅(qū)動電動機和控制器等主要部件組成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電,發(fā)電機所發(fā)出的電能供給電動機,電動機驅(qū)動汽車行駛。發(fā)動機和發(fā)電機組成一個系統(tǒng),當發(fā)動機發(fā)出的功率超過汽車行駛所需要的功率時,發(fā)電機發(fā)出的部分電能向電池充電,來延長混合動力電動汽車的行駛里程。另外,電池還可以單獨向電動機提供電能來驅(qū)動電動汽車,使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛。在串聯(lián)式混合動力電動汽車上,由發(fā)動機帶動發(fā)電機所產(chǎn)生的電能和電池輸出的電能,共同輸出到電動機來驅(qū)動汽車行駛,電動機的電力驅(qū)動是唯一的驅(qū)動模式。雖然串聯(lián)式混合動力電動汽車各部件的功率較大、體積和質(zhì)量也較大,安裝布置有很大難度,而且由于固定的連接方式,造成能量從熱能到電能再到機械能的轉(zhuǎn)化過程中損失較大。但發(fā)動機本身的燃油經(jīng)濟性高,在電池SOC較高時還可以關閉發(fā)動機,只利用電池進行功率輸出,使發(fā)動機避免了低速運行工況,提高了發(fā)動機的效率。同時,發(fā)動機和車軸之間沒有直接的機械連接,發(fā)動機可以始終工作在期望的工作點上,其本身的燃油經(jīng)濟性高,可以保持在穩(wěn)定、高效和低污染的運行狀態(tài)。串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的結構圖如圖2.1所示。圖2.1串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)結構串聯(lián)式混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的具體工作模式如下:(l)在車輛起步、正常行駛或加速過程中,發(fā)動機通過發(fā)電機單獨(或與電池兩者一起)發(fā)出電能并傳遞給功率轉(zhuǎn)換器,然后驅(qū)動電動機,再通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輪,其具體過程如圖2.2所示。(2)在輕載運行時,發(fā)動機的輸出功率大于驅(qū)動車輪所要求的功率,發(fā)電機產(chǎn)生的多余電能被用來向電池充電,直到電池的容量達到預定的水平,其具體過程如圖2.2所示。(3)在制動或減速的過程中,電動機起發(fā)電機的作用,將車輛的動能轉(zhuǎn)化成電能,并通過功率轉(zhuǎn)換器向電池充電,以實現(xiàn)能量的回收利用,從而節(jié)約能源,其具體過程如圖2.2所示。(4)在車輛停車時,司機可以根據(jù)電池的儲能情況,啟動發(fā)動機通過發(fā)電機和功率轉(zhuǎn)換器給電池充電,以便達到車輛系統(tǒng)要求,供車輛運行時使用,其具體過程如圖2.2所示。圖2.2串聯(lián)式混合動力汽車工作模式2.1.2并聯(lián)式混合動力汽車并聯(lián)式(Parallel Hybrid Electric Vehicle,簡稱PHEV):并聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、電動/發(fā)電機、電池組、電機控制器等部件組成,與串聯(lián)式混合動力電動汽車不同的是,發(fā)動機和電動/發(fā)電機以機械能疊加的方式來驅(qū)動汽車,可以組合成不同的動力學模式。發(fā)動機功率和電動/發(fā)電機功率約為電動汽車所需最大驅(qū)動功率的50%100%(最大),其能量利用率高。并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)結構中,發(fā)動機和電動機通過某種動力禍合裝置同時與驅(qū)動橋直接相連接,從而使其有發(fā)動機驅(qū)動和電力驅(qū)動兩套驅(qū)動系統(tǒng),兩者既可以單獨驅(qū)動車輛,也可以共同驅(qū)動車輛。因為發(fā)動機和驅(qū)動車輪之間直接相連,發(fā)動機既可以通過傳動機構驅(qū)動車輪,又可以帶動電動/發(fā)電機發(fā)電,給電池組充電,但發(fā)動機的運轉(zhuǎn)受到驅(qū)動工況的影響較大。電動機既可以作電動機又可以作發(fā)電機使用,被稱為電動/發(fā)電機組,它可以用來平衡發(fā)動機所受的載荷,使其能在高效率區(qū)域工作。電動/發(fā)電機驅(qū)動主要用于中、低速的城市路況行駛,在加速和爬坡時配合發(fā)動機共同驅(qū)動車輛,大大提高了汽車的加速性能和爬坡性能。并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的結構如圖2.3所示。圖2.3并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)結構并聯(lián)式混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的具體工作模式:(1)在車輛起步過程中,發(fā)動機和電動機兩者可以單獨工作,也可以同時工作驅(qū)動汽車運行；在節(jié)氣門全開的加速行駛過程中,發(fā)動機驅(qū)動和電力驅(qū)動兩套驅(qū)動系統(tǒng)共同驅(qū)動車輛,其具體過程如圖2.4所示。(2)在車輛正常行駛過程中,根據(jù)車輛系統(tǒng)的需要,可僅僅由發(fā)動機提供必需的功率以驅(qū)動車輛運行,而電動/發(fā)電機系統(tǒng)保持脫離工作的狀態(tài),以達到節(jié)省能源的目的,其具體過程如圖2.4所示。(3)在車輛減速/制動過程中,電動/發(fā)電機系統(tǒng)起到發(fā)電機的作用,并通過功率轉(zhuǎn)換器向電池組充電,以實現(xiàn)能量的回收利用,從而節(jié)約能源,降低了成本,其具體過程如圖2.4所示。(4)在車輛輕載運行過程中,發(fā)動機的輸出功率大于驅(qū)動車輪所要求的功率,發(fā)動機一方面驅(qū)動車輛正常行駛,另一方面向電動/發(fā)電機組提供一部分功率,通過功率轉(zhuǎn)換器向電池組充電,直到電池的容量達到預定的水平；同時,若有必要在車輛停止運行時,發(fā)動機也可以運轉(zhuǎn)向電池組充電,完成儲電準備。其具體過程如圖2.4所示。圖2.4并聯(lián)式混合動力汽車工作模2.1.3混聯(lián)式混合動力汽車混聯(lián)式(Series Parallel Hybrid Electric Vehicle簡稱:SPHEV):混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng),在結構上綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點。與串聯(lián)式相比,它增加了機械動力的傳遞路線；與并聯(lián)式相比,它增加了電能的傳輸路線。因此,它具有更多的工作模式?；炻?lián)式混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點,具有最佳的綜合性能。其最大特點是在汽車起步和低速行駛時,發(fā)動機可以完全關閉,僅僅依靠電動機驅(qū)動,并且在汽車停止時,電動機和發(fā)動機同時停止工作,以盡量減少能量的損耗。為了實現(xiàn)混聯(lián)式的混合駕駛模式,發(fā)動機與發(fā)電機/電動機之間及電動機與變速器之間必須進行機械連接,目前,行星齒輪是該機械連接最好的裝置之一。其中,太陽輪與發(fā)電機相連,齒圈與傳動裝置相連,行星架與發(fā)動機相連。動力從發(fā)動機輸出到與其相連的行星架,行星架將一部分動力傳給太陽輪經(jīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能,另一部分傳送到電動機并輸出到驅(qū)動軸。目前,世界很多汽車公司都在試圖生產(chǎn)混聯(lián)式混合動力汽車?，F(xiàn)在將豐田混聯(lián)式混合動力汽車Prius的驅(qū)動系統(tǒng)結構表示如圖2.5所示。圖2.5豐田混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)結構混聯(lián)式雖然集中了串聯(lián)式和并聯(lián)式的眾多優(yōu)點,但該系統(tǒng)結構復雜,布置方式將會比單純的串聯(lián)式或并聯(lián)式增加更多的零部件,組成結構大,布置相當困難。這種模式的系統(tǒng)結構有待進一步優(yōu)化、控制策略有待進一步發(fā)展?；炻?lián)式混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的具體工作模式:(l)在車輛起步/輕載運行時,發(fā)動機關閉,蓄電池單獨工作提供車輛行駛所需的動力,其具體過程如圖2.6所示。(2)在節(jié)氣門全開車輛加速行駛時,發(fā)動機、蓄電池和發(fā)電機同時工作,共同分擔車輛行駛所需的動力,其具體過程如圖2.6所示。(3)在車輛正常行駛時,蓄電池關閉,發(fā)動機工作,提供車輛所需動力,其具體過程如圖2.6所示。(4)在車輛制動或減速行駛時,電動機工作于發(fā)電機模式,通過功率轉(zhuǎn)換器給蓄電池組充電,以實現(xiàn)能量的回收利用,從而節(jié)約能源,降低了使用成本。其具體過程如圖2.6所示。(5)在車輛行駛時,根據(jù)車輛系統(tǒng)的需要,如果蓄電池需要充電,發(fā)動機一部分動力用于驅(qū)動車輛,另一部分動力由發(fā)電機經(jīng)功率轉(zhuǎn)換器給蓄電池充電,直到電池的容量達到預定的水平,其具體過程如圖2.6所示。(6)在車輛停止時,司機可以根據(jù)電池的儲能情況,啟動發(fā)動機通過發(fā)電機和功率轉(zhuǎn)換器給電池充電,以便達到車輛系統(tǒng)要求,供車輛運行時使用,其具體過程如圖2.6所示。圖2.6混聯(lián)式混合動力汽車工作模式2.2動力系統(tǒng)選型2.2.1選型策略基于上述對不同動力系統(tǒng)特點的分析,在選型策略基于上述對不同動力系統(tǒng)特點的分析,在動力系統(tǒng)選型中動力系統(tǒng)選型中應著重考慮以下的幾個因素:(1)使用條件:HEV的動力系統(tǒng)一般基于特定的工況設計,這是因為多數(shù)動力系統(tǒng)對工況比較敏感,工況不同性能差異很大,只有在特定的工況下才能充分發(fā)揮低油耗、低排放的特點。(2)性能要求:不同類型的HEV之間差異十分明顯,在選型時必須對動力系統(tǒng)結構引發(fā)的性能差異給與充分的關注。如果對經(jīng)濟性要求苛刻,就必須選擇配有峰值功率調(diào)節(jié)器的結構型式,串聯(lián)式則難以成為合適的選擇。(3)技術條件:所謂技術條件,除研究開發(fā)的條件和力量外,還包括工業(yè)基礎。強調(diào)工業(yè)基礎是因為對一些常見的動力系統(tǒng)的部件,我國產(chǎn)品的水平還不能滿足適用的總體要求或尚無法生產(chǎn)。進行實際的產(chǎn)品開發(fā)總會有一定的進度要求,如果技術條件無法保一證,就難于實現(xiàn)開發(fā)目標。(4)開放性:開放性是指動力系統(tǒng)需要進一步的完善空間產(chǎn)品性能續(xù)需要有一個逐漸完善的過程,同樣開發(fā)工作也不可能一步到位,也需要不斷進行完善。在具體開發(fā)工作中應遵循從簡單到復雜、從易到難得思路,先選擇對技術條件要求較低、相對簡單的結構進行開發(fā)。(5)成本使用和維護費用:動力系統(tǒng)的結構對HEV的成本影響很大,這是因為不同動力系統(tǒng)對部件的種類、數(shù)量和性能要求差別很大。而部件的種類、數(shù)量和性能指標是影響HEV的主要因素。選型時還應考慮使用、維護費用,結構越復雜,故障率越高,使用和維護費用也越高。價格及使用維護費用直接關系道HEV的產(chǎn)業(yè)化,如果不能產(chǎn)業(yè)化,就不能為進一步開發(fā)提供必要的資金,也就難以促進技術水平的提高和改善。事實上,性能優(yōu)良但因價格過高而無法商業(yè)化、甚至被迫放棄的HEV開發(fā)實例并不鮮見,我們不應重蹈覆轍。因此HEV的選型策略可以概括為:綜合協(xié)調(diào)系統(tǒng)性能先進性、技術復雜性和成本和維護費用之間的關系,根據(jù)車輛的使用條件和自己的技術條件,選擇既能夠滿足一定的性能先進性,又不超出目前技術條件,并且價格和維護費用能為市場所接受的動力系統(tǒng)結構類型。2.2.2動力系統(tǒng)選型結果基于上述對混合動力系統(tǒng)的分析,和我國HEV目前發(fā)展的現(xiàn)狀,建議加強對并聯(lián)式HEV的開發(fā)與研究。并聯(lián)式混合動力車除了具有較好的綜合性能外,還避開了類似于豐田Prius方案的復雜的動力分配器的設計與控制問題,而把重點放在我國己有的發(fā)動機設計與控制技術、電機及其控制技術、蓄電池及其能量管理技術、變速器控制技術、ABS技術的集成與提高上面,可以比較快的推出具有競爭力的車型。第三章 并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)初步匹配PHEV動力系統(tǒng)主要部件參數(shù)有發(fā)動機功率、電機功率、鎳氫電池容量和傳動系參數(shù)，合理匹配以上參數(shù)關系到整車動力性、經(jīng)濟性以及排放性能。具體匹配原則如下：(1)發(fā)動機的參數(shù)選擇要保證其能夠單獨驅(qū)動汽車，并能夠使汽車正常運行。(2)電機的參數(shù)選擇要滿足汽車加速或爬坡時的動力要求；電機的高效區(qū)要處于發(fā)動機的經(jīng)濟區(qū)。(3)在汽車正常運行的前提下，鎳氫電池充、放電電流不能超過其允許范圍。(4)整車各部件質(zhì)量總和最小化；性能提升；性價比最大化。3.1 混合動力客車基本參數(shù)和性能指標3.11 整車基本參數(shù)表3-1 PHEV的整車基本參數(shù)序號項 目參數(shù)和指標1整車整備質(zhì)量（kg）19352最大總質(zhì)量（kg）24903前輪距（mm）15624長寬高（mm）4576185016815軸距(mm)27076車輛迎風面積（m2）2.07滾動阻力系數(shù)0.0158風阻系數(shù)0.419最小離地間隙(mm)17510接近角（）14.411離去角（）16.2512質(zhì)量分布（%,前/后）58/423.12技術要求(1)城市工況UDDS下能夠?qū)崿F(xiàn)純電動工作模式，并且純電動續(xù)駛里程不少于32km 。(2)0100km/h加速時間少于11.2s 。(3)車速在100km/h的最大爬坡度大于7.0% 。(4)最高車速大于160km/h 。(5)高速工況油耗小于8.8L/100km ,城市工況油耗小于11.3L/100km 。3.2 發(fā)動機單獨驅(qū)動模式下發(fā)動機參數(shù)匹配本車要求在沒有電機輔助驅(qū)動下仍然能夠正常運行，則發(fā)動機參數(shù)匹配與傳動汽車匹配一樣，具體匹配過程如下：3.2.1 發(fā)動機最大功率和相應的轉(zhuǎn)速 根據(jù)所設計汽車應達到的最高車速（km/h），用下式估算發(fā)動機最大功率： (3-1)式中：為發(fā)動機的最大輸出功率,KW；為整車總重量，kg；為重力加速度，N/kg；為滾動阻力系數(shù)；為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積，；為整車傳動系效率；為車輛的最高車速，km/h 。取車速 =160km/h ，并把整車的參數(shù)代入式(3-1)中得：= = 66.35 KW由式（3-1）和表3-1可以計算得到滿足最高車速要求下發(fā)動機功率為66.35KW 。因為此車是混合動力轎車，而且使用的是汽油發(fā)動機，所以根據(jù)參考資料可選擇=5750r/min 。又因為本車沒有給定具體最高車速，所以用滿足在車速=100km/h最大爬坡度要求的功率來修正由式（3-