混合動(dòng)力電動(dòng)汽車傳動(dòng)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(jì)發(fā)展迅猛的100年。如今,全世界汽車的保有量達(dá)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(dāng)今汽車工業(yè)界的緊迫任務(wù),電動(dòng)汽車(Electric Vehjcle簡(jiǎn)稱EV)成為人們最主要的選擇之一。使用電動(dòng)汽車可實(shí)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(shù)和成本的限制,使其很難商品化,在這種條件下,同時(shí)具有電動(dòng)汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車優(yōu)點(diǎn)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Hybrid Electric Vehicle簡(jiǎn)稱HEV)異軍突起,成為當(dāng)前解決節(jié)能、環(huán)保等問題最具有現(xiàn)實(shí)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(dòng)汽車,但目前為止動(dòng)力電池和其它一些關(guān)鍵性技術(shù)還沒有取得有效地突破,動(dòng)力電池的續(xù)駛里程和充電時(shí)間大大制約了電動(dòng)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(guān)參數(shù),使匹配達(dá)到最優(yōu),在相同蓄電池條件下,更好地滿足動(dòng)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(biāo),也是本論文研究的主要目的。在本論文中，首先通過對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作原理的分析，選擇了并聯(lián)式結(jié)構(gòu)作為混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)方式。并對(duì)所研究的混合動(dòng)力汽車的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，據(jù)此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、傳動(dòng)系和電池的參數(shù)進(jìn)行了匹配，初步確定了各部件的參數(shù)。動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化是提高混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。本文在MATLAB環(huán)境中，基于ADVISOR2002-Auto-Size對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，并與ADVISOR傳統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明ADVISOR2002-Auto-Size應(yīng)用于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能優(yōu)化是合理的，并具有很強(qiáng)的實(shí)用性。該方法可以最大限度地模擬實(shí)際車輛在各種工況下的運(yùn)行狀態(tài)及整車的實(shí)際工程約束條件,在實(shí)驗(yàn)室條件下,實(shí)現(xiàn)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的性能優(yōu)化。關(guān)鍵詞：并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，參數(shù)匹配，ADVISOR，動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)的研究91.3.1 車身與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)91.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)概述101.3.3 電機(jī)及其控制技術(shù)101.3.4 儲(chǔ)能元件101.3.5 動(dòng)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(shù)11第二章 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案研究122.1混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)模式122.1.1串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車122.1.2并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車142.1.3混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車162.2動(dòng)力系統(tǒng)選型182.2.1選型策略182.2.2動(dòng)力系統(tǒng)選型結(jié)果19第三章 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)初步匹配203.1 混合動(dòng)力客車基本參數(shù)和性能指標(biāo)203.11 整車基本參數(shù)203.12技術(shù)要求203.2 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配213.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和相應(yīng)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(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速223.3 傳動(dòng)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(dòng)比的確定233.3.3 最大傳動(dòng)比的確定243.3.4 變速器檔位數(shù)以及各檔傳動(dòng)比的確定253.4 電機(jī)參數(shù)匹配253.5 超級(jí)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(jié)27第四章 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)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(dòng)機(jī)模塊參數(shù)314.2.5 電池模塊參數(shù)314.2.6發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)果分析374.4 本章小結(jié)38第五章 混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化425.2.3 優(yōu)化結(jié)果仿真分析435.3本章小結(jié)46第七章 全文總結(jié)47致 謝48參考文獻(xiàn)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(shí)間,回顧這100年的歷史,可以看到汽車扮演了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要媒介,汽車工業(yè)己成為世界和各國經(jīng)濟(jì)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(dòng)了石油化工、鋼鐵冶金、機(jī)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(jìn)了城市的市政建設(shè),以及與汽車相關(guān)的服務(wù)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(xué)技術(shù)與文化的成果,都融進(jìn)到汽車技術(shù)之中,從而使汽車成為人類智慧的結(jié)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(luò)的日益發(fā)達(dá),小汽車進(jìn)入家庭的范圍不斷拓展,極大的改善了人們的生活,擴(kuò)大了人們的活動(dòng)半徑,適應(yīng)了現(xiàn)代化工業(yè)的需要,同時(shí),也緩解了由于工業(yè)化和城市化帶來的弊端。然而,人們?cè)谙硎芷囄拿鞯耐瑫r(shí),也必須面對(duì)汽車帶來的負(fù)面影響:環(huán)境污染問題和石油能源危機(jī)問題。在本世紀(jì)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(jī)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(dāng)今各國汽車工業(yè)界的當(dāng)務(wù)之急。純電動(dòng)汽車或零排放燃料汽車無疑是我們的最終目標(biāo),但目前的電池技術(shù)阻礙了電動(dòng)汽車的發(fā)展和應(yīng)用,專家們估計(jì)短時(shí)間內(nèi)燃料電池技術(shù)難有重大突破,電動(dòng)汽車暫時(shí)還無法取代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車。在這種情況下,一種兩全其美的方案應(yīng)運(yùn)而生,即開發(fā)所謂的混合動(dòng)力裝置的汽車。這種汽車就是將電動(dòng)能與輔助動(dòng)力單元(API)組合在一輛汽車上做驅(qū)動(dòng)力,這種混合動(dòng)力裝置發(fā)揮了燃料發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)力好的特點(diǎn),又可以發(fā)揮電動(dòng)機(jī)無污染、低噪聲的優(yōu)點(diǎn),二者“并肩戰(zhàn)斗”,取長(zhǎng)補(bǔ)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(rèn)為,混合動(dòng)力車將是世界汽車行業(yè)今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)主要發(fā)展方向。目前,作為曾經(jīng)推動(dòng)人類文明向前躍進(jìn)發(fā)展的傳統(tǒng)汽車工業(yè)正面臨著嚴(yán)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(gè)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(dá)到5.3億輛。這些汽車要消耗數(shù)億噸的石油制品,相當(dāng)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(chǎng)的普及,將進(jìn)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(yùn)藏量是有限的。據(jù)有關(guān)專家估計(jì),地球上己探明的石油儲(chǔ)藏量將在40一50年內(nèi)消耗殆盡。而對(duì)我國形勢(shì)則更為嚴(yán)峻。根據(jù)1995年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字,我國石油資源可開采量?jī)H為3.288*109噸,占世界總儲(chǔ)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(jì)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(jì),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(zhǎng)率為20%,柴油消耗量為1705萬噸,年增長(zhǎng)率為42.7%,估計(jì)到2010年,我國的汽車油耗將達(dá)8000萬噸左右,原油需求達(dá)3.6億噸左右,近一半的原油需要進(jìn)口。因此,在21世紀(jì),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(xué)工作者認(rèn)真對(duì)待和優(yōu)先解決的問題。另一方面,汽車對(duì)社會(huì)環(huán)境的污染也相當(dāng)嚴(yán)重。內(nèi)燃機(jī)汽車排放的廢氣是一種分散的流動(dòng)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。現(xiàn)代城市高層建筑鱗次櫛比,使汽車的排放污染物不易擴(kuò)散,造成局部地區(qū)的排放物濃度過高,同時(shí)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(duì)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?xì)浠衔?HC)、二氧化硫(SO2)等氣體以及微粒。據(jù)估計(jì),大氣污染的60%來自于內(nèi)燃機(jī)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?xì)浠衔铩?0%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(jī)汽車所引起的大氣污染同樣嚴(yán)重。據(jù)北京環(huán)保部門測(cè)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(dǎo)致了光化學(xué)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(xiǎn)的職業(yè)之一。內(nèi)燃機(jī)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(yán)格,我國也規(guī)定在2010年實(shí)現(xiàn)與國際標(biāo)準(zhǔn)同步。面對(duì)環(huán)境污染和石油資源危機(jī)問題,全世界各國不得不積極開發(fā)和推廣電動(dòng)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(dá)國家和、跨過公司己在“綠色汽車”領(lǐng)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(duì)新一代汽車伙伴計(jì)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(jìn)工業(yè)國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要內(nèi)容,也對(duì)我國汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了有益的借鑒。經(jīng)過對(duì)各種新能源、新燃料、新動(dòng)力的探索,電動(dòng)汽車成為最主要的選擇之一。電動(dòng)汽車主要包含純電動(dòng)汽車(即EV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(即HEV)和燃料電池汽車(Fuel Cell Vehiele簡(jiǎn)稱FCV)。純電動(dòng)汽車是當(dāng)前能滿足“零排放”要求的首選方案,電動(dòng)汽車運(yùn)行中沒有污染,如果發(fā)電廠以核能、水利、風(fēng)能、太陽能或天然氣為能源發(fā)電,對(duì)大氣的污染會(huì)很小,而遠(yuǎn)離城市的火力發(fā)電廠對(duì)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(dòng)汽車的能量效率比普通燃油汽車高40%左右；電動(dòng)汽車也可以利用用電低谷時(shí)的電網(wǎng)富裕電能,這可以平衡電網(wǎng)的負(fù)載,提高電網(wǎng)能量的利用率。除此之外,電動(dòng)汽車還具有低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此,人們對(duì)電動(dòng)汽車寄予了厚望。然而,由于電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)一電池技術(shù)的制約,電動(dòng)汽車的性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到推廣應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。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(dǎo)致電動(dòng)汽車一次充電的續(xù)駛里程和動(dòng)力性能無法達(dá)到目前內(nèi)燃機(jī)汽車的水平；此外,電動(dòng)汽車空調(diào)和暖風(fēng)的使用必須充分考慮其能量消耗對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(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(jià)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(yán)重的限制了汽車的實(shí)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(diǎn),其甲醇燃料具有廣泛的來源,并具有可再生的巨大優(yōu)勢(shì),已成為世界各大汽車集團(tuán)新世紀(jì)激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn),被譽(yù)為21世紀(jì)改變?nèi)祟惿畹氖蟾呖萍贾?但產(chǎn)業(yè)化道路仍需要較長(zhǎng)的時(shí)間。與電動(dòng)汽車和燃料電池汽車相比,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車一次性能源仍然是燃油,只是在電動(dòng)機(jī)的輔佐下以更有效的方式將燃油的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而已,因而具有續(xù)駛里程長(zhǎng)。機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等傳統(tǒng)燃油汽車的特點(diǎn)；在某些對(duì)汽車排放嚴(yán)格限制的地區(qū)(如環(huán)保示范區(qū)、旅游區(qū)等)可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),采用純電動(dòng)方式行駛成為零排放的汽車；故混合電動(dòng)汽車對(duì)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(dòng)汽車的電池重量?jī)H為電動(dòng)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(dòng)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(chǔ)設(shè)施投資,所以混合動(dòng)力汽車的性價(jià)比明顯優(yōu)于電動(dòng)汽車。據(jù)豐田公司介紹,該公司生產(chǎn)的RVA4EV電動(dòng)汽車售價(jià)為495萬日元/輛,所裝載的鎳金屬氫電池總質(zhì)量達(dá)480Kg,而該公司安裝鎳一金屬氫電池的混合動(dòng)力汽車售價(jià)僅為215萬日元/輛,其裝載的電池總質(zhì)量?jī)H為80Kg。根據(jù)國際機(jī)電委員會(huì)下屬的電力機(jī)動(dòng)車技術(shù)委員會(huì)的建議,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是指由兩種能源或轉(zhuǎn)換器等作驅(qū)動(dòng)能源,其中至少有一種能提供電能的車輛稱為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。根據(jù)這個(gè)定兩種以上的儲(chǔ)能義,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車有很多種形式,有內(nèi)燃機(jī)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(jī)和蓄電池混合的動(dòng)力來代表混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。近年來,雖然許多國家都投入大量資金人力研究電動(dòng)汽車,但目前為止動(dòng)力電池和其它一些關(guān)鍵性技術(shù)還沒有取得有效地突破,動(dòng)力電池的續(xù)駛里程和充電時(shí)間大大制約了電動(dòng)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(guān)參數(shù),使匹配達(dá)到最優(yōu),在相同蓄電池條件下,更好地滿足動(dòng)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(biāo)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀混合動(dòng)力汽車通過內(nèi)燃機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的有機(jī)結(jié)合,具備了內(nèi)燃機(jī)汽車加油方便、續(xù)駛里程長(zhǎng)和純電動(dòng)汽車污染少、效率高的特點(diǎn),成為當(dāng)今世界汽車界競(jìng)相開發(fā)的熱點(diǎn)。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(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模,其它車型也將在23年推向市場(chǎng)。我國也非常重視混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研制與開發(fā),一些單位已進(jìn)行了一些初步的工作,并取得了一定的成績(jī),國家科技部已將其作為“十五” 863重大專項(xiàng)內(nèi)容。1.2.1國外HEV研究現(xiàn)狀第一輛HEV是在20世紀(jì)初期由設(shè)計(jì)者將電動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)組合在一起而制成的。從那以后,混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過不斷的發(fā)展己取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,HEV已發(fā)展成為汽車電力驅(qū)動(dòng)、化學(xué)電源、智能控制、計(jì)算機(jī)、新能源、新材料等工程技術(shù)中最新技術(shù)集成和綜合的產(chǎn)物。在國外,汽車發(fā)達(dá)國家由于受到石油資源和環(huán)境污染的巨大壓力,率先對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行了研究,目前其混合動(dòng)力電動(dòng)汽車已達(dá)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(dòng)力型汽車。日本豐田汽車公司率先于1997年12月將混合動(dòng)力型Prius轎車投放本國市場(chǎng),2000年初又開始投放北美市場(chǎng),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(yīng)求局面,初戰(zhàn)告捷,不僅震動(dòng)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(jì)劃到2008年時(shí),混合動(dòng)力汽車達(dá)到年產(chǎn)80萬輛,據(jù)國外專家預(yù)測(cè)在未來的十年內(nèi),可能有40%的汽車均將采用混合動(dòng)力技術(shù)。除了豐田公司以外,本田公司也已投產(chǎn)Insight混合動(dòng)力汽車。在美國環(huán)保總署評(píng)為2003年美國十大節(jié)能汽車中本田公司的Insight混合動(dòng)力汽車第一名,第二名則為豐田汽車公司的Prius混合動(dòng)力汽車。在美國,由政府動(dòng)員全美所有有關(guān)的科研機(jī)構(gòu)(包括軍工、航天部門)來進(jìn)行電動(dòng)汽車的研究,目標(biāo)是新的節(jié)能車必須保持現(xiàn)有汽車的價(jià)格和性能,并且電動(dòng)汽車包括混合動(dòng)力電動(dòng)車的購買者享有政府提供的各項(xiàng)稅費(fèi)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(dòng)力汽車開發(fā)合同(PNGV項(xiàng)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(jìn)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(dòng)力汽車樣車,迄今己開發(fā)出多種形式的混合電動(dòng)動(dòng)力汽車,例如克萊斯勒的ESX3、福特的PZOOO、通用的Gent等。PNGV項(xiàng)目在HEV性能仿真、汽車集成動(dòng)力模塊等技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著成就。在歐洲,各大汽車廠商爭(zhēng)先恐后的推出了本公司研制的混合動(dòng)力汽車。其HEV的突出代表是法國的Berlinge,在性價(jià)比上能與一般汽車相抗衡,代表了國際實(shí)用先進(jìn)水平。法國雷諾公司研制的VERT和HYMNIE兩款混合動(dòng)力汽車已進(jìn)行了10,000公里的運(yùn)行試驗(yàn)。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(dòng)力汽車技術(shù)。1.2.2國內(nèi)HEV研究現(xiàn)狀我國對(duì)電動(dòng)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(dá)國家相提并論。九十年代中期在有關(guān)專家的呼吁下,開始對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)表示出了極大的關(guān)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(xué)合作,研制了串聯(lián)式混合動(dòng)力中巴?，F(xiàn)在投入混合動(dòng)力電動(dòng)汽茱研制工作的產(chǎn)、學(xué)、研單位已不下十余家,但大都規(guī)模較小,經(jīng)費(fèi)短缺,技術(shù)較低,技術(shù)方案大多雷同,甚至重復(fù)。2000年以來,在國家科技部部署下,成立了國家863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)小組,以東風(fēng)汽車公司,中科院所屬的相關(guān)科研院所以及清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校為主要成員單位對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)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(yùn)行。力爭(zhēng)在近年內(nèi)完成提高核心竟?fàn)幠芰?建設(shè)公共技術(shù)平臺(tái)、推進(jìn)商品化示范運(yùn)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?dòng)汽車重大專項(xiàng)己經(jīng)開花結(jié)果,己經(jīng)開發(fā)了紅旗牌混合動(dòng)力轎車FIG1一2Hongqi。2002年,長(zhǎng)安公司著手研發(fā)混合動(dòng)力汽車,經(jīng)過4年的努力,長(zhǎng)安公司己掌握了混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù),建立起了19項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),形成了自己的產(chǎn)品開發(fā)流程和項(xiàng)目管理模式,并推出我國首款具有實(shí)用價(jià)值的混合動(dòng)力汽車長(zhǎng)安CV9。比亞迪公司也于2007年推出他們的首款混合動(dòng)力電動(dòng)汽車F3DM。這些HEV開發(fā)的成功,使我國HEV技術(shù)躍上了一個(gè)新臺(tái)階,標(biāo)志著我國的HEV技術(shù)達(dá)到了新的水平。1.3 HEV 關(guān)鍵技術(shù)的研究HEV的關(guān)鍵技術(shù)包括車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、電機(jī)及其控制技術(shù)、儲(chǔ)能元件、動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配、多能源控制策略以及HEV的仿真技術(shù)。只有將這些關(guān)鍵技術(shù)合理運(yùn)用到一起才是HEV能夠推廣的關(guān)鍵所在。1.3.1 車身與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)HEV車身的設(shè)計(jì)有兩種基本方法，一種是改造現(xiàn)有車輛，二是針對(duì)不同技術(shù)要求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。根據(jù)原有車輛進(jìn)行改裝，就是要在原有燃油汽車的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一套儲(chǔ)能元件-電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于可以采用原有的汽車底盤，對(duì)于小批量的生產(chǎn)和試驗(yàn)而言，這種方法確實(shí)比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但對(duì)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(diǎn)是其難敵克服的，而且會(huì)對(duì)汽車的動(dòng)力性能產(chǎn)生負(fù)面影響。HEV大部分有特定的設(shè)計(jì)目的，這種特定設(shè)計(jì)的車型使得HEV與改裝車相比有很大的優(yōu)勢(shì)，它使得設(shè)計(jì)者可以靈活地布置和整合各子系統(tǒng)，使之能夠高效地運(yùn)行。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，HEV由于有發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面相對(duì)靈活。1.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)概述發(fā)動(dòng)機(jī)是HEV的主要?jiǎng)恿υ?，要求其燃油?jīng)濟(jì)性好、排放低。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，車用發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放方面有了很大的改進(jìn)，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(jìn)氣渦輪、和催化后處理等技術(shù)的研制，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能較之以前有很大提升。作為一種非常成熟的動(dòng)力元件，發(fā)動(dòng)機(jī)在HEV上的應(yīng)用難度不大。1.3.3 電機(jī)及其控制技術(shù)純電動(dòng)車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求與串聯(lián)式系統(tǒng)相似，電機(jī)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)中要求電機(jī)能夠適應(yīng)頻繁的起停和電動(dòng)/發(fā)電狀態(tài)的切換。在并聯(lián)系統(tǒng)輕度復(fù)合的結(jié)構(gòu)中，對(duì)電機(jī)功率要求不高，可采用與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸同軸的布置結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小了電機(jī)的體積和重量。1.3.4 儲(chǔ)能元件為了提高HEV動(dòng)力系統(tǒng)的能量利用率和整車的動(dòng)力性能，在選擇合適的輔助動(dòng)力元件的基礎(chǔ)上，還需要裝備比能量密度較大、而且能夠瞬時(shí)提供較大功率的儲(chǔ)能元件。目前應(yīng)用較多的主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鏗離子電池和超級(jí)電容等?，F(xiàn)在的超級(jí)電容表現(xiàn)出的儲(chǔ)能密度為每千克5至6瓦時(shí)。超級(jí)電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的比表面積。超級(jí)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(shí)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(jí)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(jí)”所在。1.3.5 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配（1）根據(jù)性能指標(biāo)和整車參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，合理運(yùn)用汽車?yán)碚摰南嚓P(guān)原理、公式計(jì)算各動(dòng)力系統(tǒng)主要部件的參數(shù)。（2）在工況分析的基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)是一種比較成熟的方法，工況分析的主要項(xiàng)目包括：典型工況、特殊工況和工況適應(yīng)性分析。工況分析的目的是獲取車輛能量和動(dòng)力的需求，根據(jù)車輛的能量和動(dòng)力需求分析可以得出動(dòng)力系統(tǒng)的系統(tǒng)能量和動(dòng)力性能的最低需求，并對(duì)其各主要部件提出合理的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)出符合使用條件的車輛。（3）常見的是以仿真軟件ADVISOR為平臺(tái)，針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的各主要元件，建立相應(yīng)的模塊，通過仿真確定各動(dòng)力元件的參數(shù)，并判斷其對(duì)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(jìn)就是動(dòng)力源的增加，這就導(dǎo)致了在HEV中能量流動(dòng)方向的多樣性。多能源控制策略的目標(biāo)是解決HEV行駛過程中所需的功率和能量何時(shí)或用何種方法由車上何種形式的動(dòng)力源來提供能量的管理策略問題?？刂撇呗允?HEV 的根基，因?yàn)槠渲苯涌刂浦芰吭谲囕v內(nèi)部的流動(dòng)方式，從而對(duì)車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放指標(biāo)產(chǎn)生影響。1.3.7 HEV 的仿真技術(shù)在研究和開發(fā)HEV的部件以及選擇最佳系統(tǒng)構(gòu)型時(shí)，要求設(shè)計(jì)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(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。在選擇技術(shù)方案時(shí)，采用計(jì)算機(jī)對(duì)混和動(dòng)力系統(tǒng)和各部件進(jìn)行建模和仿真，通過其性能分析進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。仿真技術(shù)的應(yīng)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(shù)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。第二章 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案研究混合動(dòng)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(chǔ)器、能量源或能量轉(zhuǎn)化器中獲取驅(qū)動(dòng)能量的汽車。其中至少一種存儲(chǔ)器或轉(zhuǎn)化器要安裝在汽車上?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車至少有一種能量存儲(chǔ)器、能量源或能量轉(zhuǎn)化器可以傳遞電能。”混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指汽車上所有的用于存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化和傳遞能量并使汽車獲得運(yùn)動(dòng)能力的部件的總稱。主要包括車載能源、原動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)部分。車載能源是在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中用于能源存儲(chǔ)或用于能源存儲(chǔ)并進(jìn)行能源的初始轉(zhuǎn)化以向原動(dòng)機(jī)直接供能的所有部件的總稱,由能源存儲(chǔ)系統(tǒng)或能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成,例如油箱。原動(dòng)機(jī)是指驅(qū)動(dòng)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(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能的裝置,比如普通車輛上的發(fā)動(dòng)機(jī),純電動(dòng)汽車上的電動(dòng)機(jī)等。傳動(dòng)系統(tǒng)是用于傳遞和調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械能,并輸送給車輛驅(qū)動(dòng)車輪,實(shí)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(dòng)軸、主減速器、差速器、半軸以及驅(qū)動(dòng)車輪等。目前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車根據(jù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)形式。2.1混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)模式2.1.1串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車串聯(lián)式(Series Hybrid Electric vehicle,簡(jiǎn)稱SHEV):串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池組、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和控制器等主要部件組成。發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅用于發(fā)電,發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能供給電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成一個(gè)系統(tǒng),當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率超過汽車行駛所需要的功率時(shí),發(fā)電機(jī)發(fā)出的部分電能向電池充電,來延長(zhǎng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的行駛里程。另外,電池還可以單獨(dú)向電動(dòng)機(jī)提供電能來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車,使混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在零污染狀態(tài)下行駛。在串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上,由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能和電池輸出的電能,共同輸出到電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)汽車行駛,電動(dòng)機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)是唯一的驅(qū)動(dòng)模式。雖然串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)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(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程中損失較大。但發(fā)動(dòng)機(jī)本身的燃油經(jīng)濟(jì)性高,在電池SOC較高時(shí)還可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),只利用電池進(jìn)行功率輸出,使發(fā)動(dòng)機(jī)避免了低速運(yùn)行工況,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)和車軸之間沒有直接的機(jī)械連接,發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終工作在期望的工作點(diǎn)上,其本身的燃油經(jīng)濟(jì)性高,可以保持在穩(wěn)定、高效和低污染的運(yùn)行狀態(tài)。串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)單獨(dú)(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(dòng)電動(dòng)機(jī),再通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪,其具體過程如圖2.2所示。(2)在輕載運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率大于驅(qū)動(dòng)車輪所要求的功率,發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的多余電能被用來向電池充電,直到電池的容量達(dá)到預(yù)定的水平,其具體過程如圖2.2所示。(3)在制動(dòng)或減速的過程中,電動(dòng)機(jī)起發(fā)電機(jī)的作用,將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能,并通過功率轉(zhuǎn)換器向電池充電,以實(shí)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(shí),司機(jī)可以根據(jù)電池的儲(chǔ)能情況,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器給電池充電,以便達(dá)到車輛系統(tǒng)要求,供車輛運(yùn)行時(shí)使用,其具體過程如圖2.2所示。圖2.2串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車工作模式2.1.2并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車并聯(lián)式(Parallel Hybrid Electric Vehicle,簡(jiǎn)稱PHEV):并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電池組、電機(jī)控制器等部件組成,與串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車不同的是,發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)以機(jī)械能疊加的方式來驅(qū)動(dòng)汽車,可以組合成不同的動(dòng)力學(xué)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)功率和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)功率約為電動(dòng)汽車所需最大驅(qū)動(dòng)功率的50%100%(最大),其能量利用率高。并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過某種動(dòng)力禍合裝置同時(shí)與驅(qū)動(dòng)橋直接相連接,從而使其有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),兩者既可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛,也可以共同驅(qū)動(dòng)車輛。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車輪之間直接相連,發(fā)動(dòng)機(jī)既可以通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輪,又可以帶動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)發(fā)電,給電池組充電,但發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)受到驅(qū)動(dòng)工況的影響較大。電動(dòng)機(jī)既可以作電動(dòng)機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用,被稱為電動(dòng)/發(fā)電機(jī)組,它可以用來平衡發(fā)動(dòng)機(jī)所受的載荷,使其能在高效率區(qū)域工作。電動(dòng)/發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要用于中、低速的城市路況行駛,在加速和爬坡時(shí)配合發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。圖2.3并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體工作模式:(1)在車輛起步過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩者可以單獨(dú)工作,也可以同時(shí)工作驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行；在節(jié)氣門全開的加速行駛過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)提供必需的功率以驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行,而電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)保持脫離工作的狀態(tài),以達(dá)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(dòng)過程中,電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)起到發(fā)電機(jī)的作用,并通過功率轉(zhuǎn)換器向電池組充電,以實(shí)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(yùn)行過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率大于驅(qū)動(dòng)車輪所要求的功率,發(fā)動(dòng)機(jī)一方面驅(qū)動(dòng)車輛正常行駛,另一方面向電動(dòng)/發(fā)電機(jī)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(dá)到預(yù)定的水平；同時(shí),若有必要在車輛停止運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)也可以運(yùn)轉(zhuǎn)向電池組充電,完成儲(chǔ)電準(zhǔn)備。其具體過程如圖2.4所示。圖2.4并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車工作模2.1.3混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車混聯(lián)式(Series Parallel Hybrid Electric Vehicle簡(jiǎn)稱:SPHEV):混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng),在結(jié)構(gòu)上綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。與串聯(lián)式相比,它增加了機(jī)械動(dòng)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(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),具有最佳的綜合性能。其最大特點(diǎn)是在汽車起步和低速行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)可以完全關(guān)閉,僅僅依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),并且在汽車停止時(shí),電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)停止工作,以盡量減少能量的損耗。為了實(shí)現(xiàn)混聯(lián)式的混合駕駛模式,發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)之間及電動(dòng)機(jī)與變速器之間必須進(jìn)行機(jī)械連接,目前,行星齒輪是該機(jī)械連接最好的裝置之一。其中,太陽輪與發(fā)電機(jī)相連,齒圈與傳動(dòng)裝置相連,行星架與發(fā)動(dòng)機(jī)相連。動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出到與其相連的行星架,行星架將一部分動(dòng)力傳給太陽輪經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,另一部分傳送到電動(dòng)機(jī)并輸出到驅(qū)動(dòng)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(dòng)力汽車?，F(xiàn)在將豐田混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車Prius的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表示如圖2.5所示。圖2.5豐田混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)混聯(lián)式雖然集中了串聯(lián)式和并聯(lián)式的眾多優(yōu)點(diǎn),但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,布置方式將會(huì)比單純的串聯(lián)式或并聯(lián)式增加更多的零部件,組成結(jié)構(gòu)大,布置相當(dāng)困難。這種模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化、控制策略有待進(jìn)一步發(fā)展。混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體工作模式:(l)在車輛起步/輕載運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉,蓄電池單獨(dú)工作提供車輛行駛所需的動(dòng)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(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池和發(fā)電機(jī)同時(shí)工作,共同分擔(dān)車輛行駛所需的動(dòng)力,其具體過程如圖2.6所示。(3)在車輛正常行駛時(shí),蓄電池關(guān)閉,發(fā)動(dòng)機(jī)工作,提供車輛所需動(dòng)力,其具體過程如圖2.6所示。(4)在車輛制動(dòng)或減速行駛時(shí),電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電機(jī)模式,通過功率轉(zhuǎn)換器給蓄電池組充電,以實(shí)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(shí),根據(jù)車輛系統(tǒng)的需要,如果蓄電池需要充電,發(fā)動(dòng)機(jī)一部分動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)車輛,另一部分動(dòng)力由發(fā)電機(jī)經(jīng)功率轉(zhuǎn)換器給蓄電池充電,直到電池的容量達(dá)到預(yù)定的水平,其具體過程如圖2.6所示。(6)在車輛停止時(shí),司機(jī)可以根據(jù)電池的儲(chǔ)能情況,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器給電池充電,以便達(dá)到車輛系統(tǒng)要求,供車輛運(yùn)行時(shí)使用,其具體過程如圖2.6所示。圖2.6混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車工作模式2.2動(dòng)力系統(tǒng)選型2.2.1選型策略基于上述對(duì)不同動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)的分析,在選型策略基于上述對(duì)不同動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)的分析,在動(dòng)力系統(tǒng)選型中動(dòng)力系統(tǒng)選型中應(yīng)著重考慮以下的幾個(gè)因素:(1)使用條件:HEV的動(dòng)力系統(tǒng)一般基于特定的工況設(shè)計(jì),這是因?yàn)槎鄶?shù)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)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(diǎn)。(2)性能要求:不同類型的HEV之間差異十分明顯,在選型時(shí)必須對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)引發(fā)的性能差異給與充分的關(guān)注。如果對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求苛刻,就必須選擇配有峰值功率調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式,串聯(lián)式則難以成為合適的選擇。(3)技術(shù)條件:所謂技術(shù)條件,除研究開發(fā)的條件和力量外,還包括工業(yè)基礎(chǔ)。強(qiáng)調(diào)工業(yè)基礎(chǔ)是因?yàn)閷?duì)一些常見的動(dòng)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(jìn)行實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)總會(huì)有一定的進(jìn)度要求,如果技術(shù)條件無法保一證,就難于實(shí)現(xiàn)開發(fā)目標(biāo)。(4)開放性:開放性是指動(dòng)力系統(tǒng)需要進(jìn)一步的完善空間產(chǎn)品性能續(xù)需要有一個(gè)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(jìn)行完善。在具體開發(fā)工作中應(yīng)遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從易到難得思路,先選擇對(duì)技術(shù)條件要求較低、相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。(5)成本使用和維護(hù)費(fèi)用:動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)HEV的成本影響很大,這是因?yàn)椴煌瑒?dòng)力系統(tǒng)對(duì)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(biāo)是影響HEV的主要因素。選型時(shí)還應(yīng)考慮使用、維護(hù)費(fèi)用,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,故障率越高,使用和維護(hù)費(fèi)用也越高。價(jià)格及使用維護(hù)費(fèi)用直接關(guān)系道HEV的產(chǎn)業(yè)化,如果不能產(chǎn)業(yè)化,就不能為進(jìn)一步開發(fā)提供必要的資金,也就難以促進(jìn)技術(shù)水平的提高和改善。事實(shí)上,性能優(yōu)良但因價(jià)格過高而無法商業(yè)化、甚至被迫放棄的HEV開發(fā)實(shí)例并不鮮見,我們不應(yīng)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(jìn)性、技術(shù)復(fù)雜性和成本和維護(hù)費(fèi)用之間的關(guān)系,根據(jù)車輛的使用條件和自己的技術(shù)條件,選擇既能夠滿足一定的性能先進(jìn)性,又不超出目前技術(shù)條件,并且價(jià)格和維護(hù)費(fèi)用能為市場(chǎng)所接受的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型。2.2.2動(dòng)力系統(tǒng)選型結(jié)果基于上述對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的分析,和我國HEV目前發(fā)展的現(xiàn)狀,建議加強(qiáng)對(duì)并聯(lián)式HEV的開發(fā)與研究。并聯(lián)式混合動(dòng)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(fù)雜的動(dòng)力分配器的設(shè)計(jì)與控制問題,而把重點(diǎn)放在我國己有的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)、電機(jī)及其控制技術(shù)、蓄電池及其能量管理技術(shù)、變速器控制技術(shù)、ABS技術(shù)的集成與提高上面,可以比較快的推出具有競(jìng)爭(zhēng)力的車型。第三章 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)初步匹配PHEV動(dòng)力系統(tǒng)主要部件參數(shù)有發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電機(jī)功率、鎳氫電池容量和傳動(dòng)系參數(shù)，合理匹配以上參數(shù)關(guān)系到整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能。具體匹配原則如下：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇要保證其能夠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車，并能夠使汽車正常運(yùn)行。(2)電機(jī)的參數(shù)選擇要滿足汽車加速或爬坡時(shí)的動(dòng)力要求；電機(jī)的高效區(qū)要處于發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)。(3)在汽車正常運(yùn)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(jià)比最大化。3.1 混合動(dòng)力客車基本參數(shù)和性能指標(biāo)3.11 整車基本參數(shù)表3-1 PHEV的整車基本參數(shù)序號(hào)項(xiàng) 目參數(shù)和指標(biāo)1整車整備質(zhì)量（kg）19352最大總質(zhì)量（kg）24903前輪距（mm）15624長(zhǎng)寬高（mm）4576185016815軸距(mm)27076車輛迎風(fēng)面積（m2）2.07滾動(dòng)阻力系數(shù)0.0158風(fēng)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(shù)要求(1)城市工況UDDS下能夠?qū)崿F(xiàn)純電動(dòng)工作模式，并且純電動(dòng)續(xù)駛里程不少于32km 。(2)0100km/h加速時(shí)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(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配本車要求在沒有電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)下仍然能夠正常運(yùn)行，則發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配與傳動(dòng)汽車匹配一樣，具體匹配過程如下：3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速 根據(jù)所設(shè)計(jì)汽車應(yīng)達(dá)到的最高車速（km/h），用下式估算發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率： (3-1)式中：為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)阻力系數(shù)；為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，；為整車傳動(dòng)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(jì)算得到滿足最高車速要求下發(fā)動(dòng)機(jī)功率為66.35KW 。因?yàn)榇塑囀腔旌蟿?dòng)力轎車，而且使用的是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，所以根據(jù)參考資料可選擇=5750r/min 。又因?yàn)楸拒嚊]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-