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文档简介

武覆理下夫学硬士学穰逾窆 摘要 能源和环境的双重压力使得电动汽车迎来了发展的商潮。在蓄电池及其它能 源装戤尚不能完全取代传统的内燃机时,混合勘力电动汽车( h e v ) 作为一种目前 最佳解决方案,很好静解决了车辆静燃溘经济缓和捧放稳能。然露,蠢翦国内混 合动力还是很没产业化,究其原因有很多,成本高和经济性没有达到预期的效果 是最鬟要魏一点。嚣丰嬲公司提出瀛联式p r u i s 车苇油4 5 ,所以澹联式混合动 力城市客车的研制是很有必要的。 作为混联式混合动力最受关注的是其结构的复杂性,动力部件的耦合,及其 复杂瓣控嗣蒙臻。本文圭瑟提窭了蕊予耩舍交速器式戆混联式懿韵力系统,并在 典型工况下,用m a t l a b s i m u l i n k 下开发的a d v i s o r 仿真软件对混联式混合动力 电动客车的动力系统匹配殿性能仿粪。 本文着重的分析了三辩混合动力的特点,并进行了髋能对鞋:研究;分析了嚣 前混台动力电动汽车技术现状和发展趋势,及影响混合动力产业化的因素。 农绣懿毒鬟方嚣,本文提窭了嚣耪鑫置缕褥,嚣秘爨采霜了意轮式亵翕嚣瓣 动力系统耦合。其中耦合变速器式的混联式混合动力方絮中,耦合变速器的设计 是本文的重点之,包括方案中各动力系统的布置、各泼轮传动比的设计。 森动力系统涎配方蓠,逶遘对黎澄工况静分孝厅,车速、功率需浓、箍矩分雍 规律镣,在a d v i s o r 中对混联式混含动力系统进行匹配、优化:以保证各动力部 磐大部分嚣雩闼运行在最接王终状态下,提裹系绫豹工作效率,以矮霄良努戆缀滂 性能。并对a d v i s o r 进行二次开发和耦合变速器模型的开发。 农控制策略方面,不嗣的控制策略,不同的仿真结果。在充分研究文献已有 静控髑策珞麓基稿上,零文薅宰联贰帮混联式鬻蔫藤控麓策貉进行了分辑,簸蓐 找出最优的控制策略进行仿真。 缀仿真结鬃表明,这种新设计的混联式混会动力电动车的经济性将褥到缀大 的改镲,能够大大地延长石油的使丽年限。阐时本文对予研究和开发混合动力电 动汽率具有一定的应用价值。 关键谲:离舍嚣,藕合交遽器,淫酝式混合动力,建模,仿真 武浸理工大学颈士学键沦文 a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) i sn o wu n d e r g o i n gad e v e l o p m e n ta p e xu n d e rt h ep r e s s u r e o fe n e r g yr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n tp r e s e r v a t i o ni s s u e s b e f o r eb a t t e r ya n do t h e r e n e r g yd e v i c e sc a nn o tt a k ep l a c ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ec o m p l e t e l y , h y b r i d p o w e rs y s t e mb e c o m e s t h eb e s tc h o i c e i tc a ni m p r o v et h ee c o n o m i c sa n de m i s s i o no f v e h i c l e 。t h e r ea r el o t so fr e a s o n st h a th y b r i dp o w e rs y s t e mc a l ln o ti n d u s t r i a l i z ea t p r e s e n t a n dt h em a i nr e a s o ni st h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e nt h eh i g hc o s ta n de c o n o m i c s e n h a n c e d h o w e v e r ,i ti sd e c l a r e dt h ep m i sc a l le n h a n c e4 5p e m e n ti ne c o n o m i c s s oi t i sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r ep a r a l l e ls e r i e sh y u r i de l e c t r i cv e h i c l e i ti sa t t e n t e dt h a tt h es h i n i n gp o i n t so fh e va r ei t sc o m p l e xc o n f i g u r a t i o n 、 p o w e rs y s t e mc o m b i n a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g y t h ep o w e rs y s t e mo fp s h e v b a s e d o nd o u b l ed u t c hh a sb e e nt a l k e aa b o u t 。t h ep o w e rs y s t e mo fp s h e vi ss i m u l a t e d a n dm a t c h e db a s e do na d v i s o rw h i c hi se m p o l d e r e do nm a t l a b s i m u l i n km o d e l i n g e n v i r o n m e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e eh y b r i dp o w e ra r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d s t a t e - o f a r ta n dd e v e l o p m e n tc u r r e n to fh y b r i dv e h i c l ef o rc h i n aa r ea n a l y s e di 娃t h ef o l l o w i n g a r t i c l e 。t h ei n g r e d i e n t st h a tp r e v e n ti n d u s t r i a l i z a t i o na r ea l s oa n a l y s e d + t h e r ea r et w os c h e m e sa b o u tc o n f i g u r a t i o nw h i c ha l ea l lu s i n gg e a rc l u t c h ,a n d c o u p l i n ge q u i p m e n ti sv e r yi m p o r t a n t ,i n v o l v i n gt h ed i s p o s a lo fp o w e rs y s t e ma n d 仃a n s m i s s i o nm t i o a b o u tm a t c h i n go fp o w e rs y s t e m ,b ys t u d y i n gt h er u l e so fv e h i c l ed r i v i n gc y c l e i n c l u d i n gs p e e d 、d e m a n do fp o w e r 、a n dd e m a n do fe n e r g ye t c m a t c h i n ga n d o p t i m i z a t i o no f p o w e rs y s t e ma r ed o n ei na d v i s o rs o f t w a r es ot h a te v e r yp a r ti sa l l r u n n i n ge f f i c i e n c y a d v i s o ri sr e d e v e l o p e da n dt h em o d e lo fc o u p l i n ge q u i p m e n ti s e m p o l d e r e d a b o u tc o n t r o ls t r a t e g y ,d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g y ;d i f f e r e n tr e s u l to fs i m u l a t i o n 。 c o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y s e db ys t u d yt h o s ea r ed e s c r i b e di ns o m ep a p e r a n das u i t a b l e c o n t r o ls t r a t e g yi sf o u n d t h en o v e ld e s i g n ss h o w si m p r o v i n gt h ee c o n o m i c sc a nb ei m p r o v e dt oag r e a t e x t e n tb yd e v e l o p i n gt h i sk i n do fp s h e v ,a n dc a np r o l o n gt h eu s eo ff u e l m e a w h i l et h i sp a p e r p r o v i d e s c e r t a i n a p p l i c a t i o n a tv a l u eo fh e vd e v e l o p m e n t 。 珏 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d :d u t c h ,c o u p l i n ge q u i p m e n t ,p s h e v , m o d e l i n g ,s i m u l a t i o n i i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 y8 1 ;0 7 7 8 本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢 的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名:垒苣垄宜i 商期塑墨竺:矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定, 即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅; 学校可以公布论文的全部内容,可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在勰密后应遵守此规定) 醐掣 武汉瑾乏灭学瑗主学证论文 。 麓源危机与环境润题 1 1 。1 能源【l 】 第 章绪论 汽车自1 8 8 6 年1 月2 9 目诞生以来已经有1 0 0 年的历史,其中经历了三次重 大静交摹: 第一次变革是美国福特汽车公司推出了t 型车,发明了汽车装配线,使1 i 界 汽车工北的发展从欧洲转向美国。 第= 次交革蹩敢澜箭辩美莺车黧单一、体辍庞大、油耗高等歙点,开发了多 姿多彩的新车型; 繁三次变革怒目本遵避宠善管瑕髂系,形成精益的生产方式,发疑经济黧汽 车。 自1 9 7 3 年和1 9 7 9 年发生了两次世界石油危机,特别在二十世纪九十年代以 来,全球蛙静石滚莛穗及大气污染壤汽车懿节辘与繇傈臻姥蠢益餐裂重援。中国 已经怒世界上汽车保有量篇三大国家,2 0 0 0 - - 2 0 0 3 年汽车保有最增长率在1 1 一1 6 ,就按照最小量1 0 诗算( 见袭l 1 ) ,到2 0 2 0 年中国汽车保肖量也将越过 1 0 0 0 0 万辆。 表1 - 1 汽车保有量计算 实际保膏羹 舔灏绦有量 年份保有赛增长率年份保有量增长率 ( 7 j - 辘) 舞 ( 万襞) 2 0 ( ) 01 6 0 91 12 0 1 05 0 0 伊一6 0 0 01 2 5 2 11 8 0 21 22 0 1 58 壤睁一8 5 9 2 0 0 22 0 5 31 42 0 2 01 0 0 0 0 _ 一1 5 0 0 09 2 0 0 32 3 8 31 6 而目前作为汽车上主凝的能源石油,供应存在的矛盾日益突出:我国1 9 9 6 每已经娥舞石漉遴瑟鋈,2 0 0 0 年遴翻依存度这戮3 6 。6 强,超过警残线。2 0 0 4 年 石油石油出现4 个突破:消费量3 1 2 亿吨,增长量5 2 0 0 万吨,谶口量1 4 3 亿 吨,其中原油l 。2 ,依存度4 5 7 ,近5 年平均避口年增长2 9 0 0 万吨。国家中长 武汉理工大学硕上学位论文 期科学技术发展规划研究报告( 见表1 - 2 ) ,中国石化集团公司经济技术研究院 及各单位和人士对石油需求的预测: 表卜2 全国石油( 当量) 需要预测 实际数量 预测数量 年份全国增长净进依存度年份 全国 增长 净进净缺依存 消费量r 万 口量( ) 消费量f 万 口量口量 度 量( 亿 t 1f 万 量r 亿t )f 万 ( ) t 、t1nt1 2 0 0 0 2 2 4 1 3 6 65 9 6 93 6 62 0 1 0 4 3 2 0 0 0 1 8 2 55 7 2 0 0 12 2 81 3 9 96 4 4 23 9 32 0 1 55 2 2 0 0 0 1 。93 3 6 3 2 0 0 2 2 4 8 1 9 4 18 0 7 94 8 42 0 2 06 32 2 0 0 2 0 4 36 8 2 0 0 32 6 01 2 2 19 0 0 03 4 6 2 0 0 4 3 1 25 2 0 01 4 3 0 04 5 7 5 年平均 2 0 2 5 美国石油消费7 亿吨,进口4 亿吨,依靠强大的经济政治军事力量获得。 我国要进口3 4 亿吨,是很难的,可能到2 0 1 5 年左右,依靠大量进口几乎是不 可能的。所以说世界面临着真正的石油危机。世界石油可采取的年数已经不长了 ( 见表1 - 3 ) 。 表卜3 世界石油一储量,产量和可采取年数 年份 1 9 9 61 9 9 81 9 9 92 0 0 0 储量( 亿桶) 1 0 1 8 81 0 1 9 51 0 3 3 81 0 4 6 0 产量( 亿桶) 2 3 1 52 3 72 6 22 6 2 可采取年数 4 44 34 14 0 预测单位 o i l g a so i l g a sb pb p i o u t a l j o u r a l 1 1 2 环境问题【2 】 机动车辆运行对环境的影响主要是大气污染和噪声污染。在世界卫生组织确 认的6 类 大气污染物质一氧化碳( c o ) 、铅( p b ) 、二氧化氮( n o 。) 、悬浮颗粒物( p m ) ( 包括尘土、烟灰、烟雾和烟尘) 、二氧化硫( s o 。) 等。机动车辆污染物排放主 要有其中5 项。机动车是城市噪声污染主要来源之一。根据美国e p a l 9 9 4 年公布 的资料,在大气污染中,6 1 3 的c o 来自于汽车,3 1 9 的n o ,来自汽车,2 8 3 的p b 来自于汽车,1 4 的s 0 。来自汽车,0 7 的p m 来自汽车。 在城市环境中,机动车排放的c o 和n 0 x 是城市空气污染的最主要来源,城 市空气污染是环境污染的一个很重要的方面,全球4 7 的人口生活在城市,并且 世界城市化还在以每年2 的速度增加,越发达的地方城市化水平越高,欧洲城 2 式攫理王丈学臻学攮沧支 市化水平达到7 0 ;同时城市建筑物、人口密度大,空气流通差;世界机动车中 螽l 有爨豹绝大多数在簸謦,穗餐车辆豹运行窝捧敖承平极大兹影璃了城市空气覆 量水平。洛杉矾市在1 9 4 3 第一次发生光化学污染事件,此后年复年的于疑、 秋季节不龋发生,在1 9 5 5 年最严重躲事件中,薅造成约4 0 0 名8 5 岁的老人残亡, 成千上万的久褥了红眼、流泪、咳嗽、胸闷和呼吸道疾瘸,甚至远离市区1 0 0 k m 的山上的松树都大面积枯死,附近的农作物和缝济作物也大量减产,仅葡萄就减 产3 0 ,经过专家1 0 余年瓣疆究才躲遂是汽享蓑 窭豹嚣耧n 0 x 经党德学爱疲生 成臭氧等二次污染造成的,1 9 7 0 年东京也发嫩过一次光化学污染潦件,受窖人 数达到6 0 0 0 人。洛杉矶的光化学浮染事件造就了加州空气资源委员会在制定机 动车辆污染秘 # 敞上静权藏遮位,整赛第一部梳动车辆浮染裙稀旅的法规就麓诞 生在那熙,第一个机动车游染物控制装置也是在洛杉矶市使用。同时汽车的排放 法援毽越寒越严攘,觅表1 - 4 欧溯摊骏蠢准。 表1 - 4 欧洲摊放标猴 法规名车型 c oh c n q h c + n 0 ,p m 实施时间 饕( g k m )( g k m )g 艇园( g k i n )( g k i n ) 欧洲i汽油机 2 7 20 9 70 1 4形式认证 号 1 9 9 2 7 1 一致褴认 柴油机 3 1 61 1 3o 1 8 证 1 9 9 2 1 2 3 欧洲i l汽油机 2 2o 5一致健认 号证 1 9 9 。1 1 菲直喷 lo 70 。0 8 柴油机 壹喷l& 奎e 1 柴油机 竣测l 嚣汽溜枫 2 30 。2& 1 5 黟式诀汪 县 2 0 0 d 1 1 柴油机 0 ,5 4o 5o 。5 6 0 0 5一致性认证 2 1 1 ,l 欧洲汽油机 1o 1 o ,0 80 0 2 5形式认证 暑 2 5 。1 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 柴油机 0 50 2 5 o 3 一致性认证 2 0 0 6 1 1 1 2 电能作为新能源的优势 3 】 电能是一种二次能源,是由其他能源转换而束的,目前应用范围最广的是利 用煤作为矿物燃料实现火力发电,煤占全世界矿物燃料储藏量的9 1 ,广泛分布 于世界各地,而石油和天然气只储存在特定的地域,仅占世界矿物燃料储藏量的 4 和5 ,而且火力发电对大气环境造成污染的范围上也相对内燃机汽车要小得 多。同时,获取电能的其他途径也非常的丰富,包括太阳能发电、风力发电、水 力发电、潮汐能发电、火力发电、核能发电等等,电能的获取过程中的环境污染 比较小( 如图3 3 ) ,成本也比较低,是一种取之不尽,用之不竭的“绿色能源”。 而且,电能作为车用能源,在使用过程中能够实现“零排放”,所以将电能作为 汽车动力源,不仅具有经济优势,而且大大减轻了交通运输对于石油的依赖。 1 3 纯电动汽车在城市公交的使用的优缺点 纯电动汽车由于使用了蓄电池作为能量储存装置,在电压一定的条件下能实 现大电流放电,而内燃机是通过燃烧将燃油所蕴含的能量转化为机械能,在能量 转换过程中蓄电池的比功率比燃油大得多,而且纯电动汽车在车辆减速、制动时 能实现制动能量回收,又由于使用电动机能实现无极调速、避免了传统汽车的怠 速工况,能够克服传统内燃机汽车的许多缺点,能实现零排放,噪声低,生产成 本低,成为了未来城市公交车的发展方向之一。但是,纯电动汽车的普及,不仅 对车辆提出了要求,而且对于蓄电池技术和城市电力系统提出了较高的要求。 1 现有的电池无法同时满足动力性、续驶里程和低生产成本的要求 现有蓄电池作为能量源,比能量较低,也就是说,与燃油相同质量的蓄电池, 所提供的能量远远低于燃油,而要满足车辆动力性,达到一定的续驶里程,必须 提供质量、体积均比燃油大得多的电池组进行供电,这就造成了车辆的整备质量 比传统车大,这就需要采取其他措施来补偿因装动力电池组而增加的负载、改变 车辆底盘以加大承载空间和承载结构件的刚度,如采用质量小、强度大的碳纤维 增强树脂和复合材料等制造车身和底盘部分总成,这就增加了车辆的生产成本。 从蓄电池的角度上来看,虽然已开发出比能量高于普通铅酸电池的动力电池,如 镍氢电池、钠硫电池、锂离子电池等,但是这些电池的生产成本远高于铅酸电池。 而这些电池仍然是在电能一化学能一电能的化学反应过程中储存电能和供给电 能,有一些特殊的使用条件和一定的局限性,其中有些高能电池还需要复杂的电 4 式攫理王大学颈士学像论文 池管理系统和温度控制系统,各种电池对充电技术还有刁:间的要求。而且化学电 遣中懿活往耱蒺在使瑶一寇麓疆嚣,鄂会老纯交震戳至宠全丧失充毫窥藏惫功爱 而报废。 2 蛰及缝电动汽车需要对现有供电设施和彀潮进行大媲模改造 同样由于蓄电池的比能量较低,纯电动汽车的续驶攫程仍远远低于传统汽 车,需要在行驶过程中进行充电,这就需要在城市中建立大量的充电站,这热充 毫菇不仅要提供菠常静5 - 8 小藩正常态电舞,滚必矮掇供获速竞亳,需要挺侯 3 5 k w 甚至更高的功率,相成的额定充电电压和电流分别在4 5 0 v 和2 0 0 a 以上, 短时大电流充电也对电力系统提出了新的要求。 ( 1 ) 谐波冲矗 电动汽车的鬻电池在充电过程中,若输入的充电电滚高度失真,就会产生很 大静 静波电流。翻于不圈静谐波窀漉遴过各交静阻挠辩会产生不霹瓣奄医降,褶 应的电压波形就会失真,从而产生一系列的谐波电压。谐波电流和谐波电压会影 睡测鬃仪表豹强确疫;可熊会破螺供电系统熬大骞量电签器;会使导线过载,发 生过热,零线与火线闻的电压也会受到影响。 ( 2 ) 电流需求冲击 鲞电动汽车蠲菲电舞供电低谷充电时,额井静电流需求不可避免建对瑗存的 供电系统增加负担。用电高峰期的电流需求决定发电厂的供电能力和输电网的容 量宓缀增大,这藏 ;搴要对瑰骞貘电系统送行大蕊模改造,潋满足缝魄动汽车熬充 电要求。 1 。4 混合动力的开发背景 二十世纪六十年代重新兴起的电动汽车技术包括了纯电动车辆技术、混合动 力车辆羧零窝燃料毫遣车赣技拳三穆。湿会动力车赣技术是在楚奄凌车辍积传绞 车辆技术的基础上发展起来的,对纯电动车辆和燃料电池车辆而斋,由于都隧提 供行驶中的零排披,因而熨加适合未来世界愈加严格的环保法规要求,氢能作为 最有希望静未来麓派,燃料电涟车辆似乎遣成为最有希麓豹来来汽车毽由予燃 料电池技术复杂,在其关键技术以及制氢、储飘等技术取得交破之前,但燃料电 遗车辆还骞缀长一段路要走。缝窀动车辆雩# 荛焱麓单豹一秘逛动车辆,由予爨电 池技术的制约,其技术性能特别是续驶里程还遴达不到传统车辆的水平,同时由 于其高昂的电池价格导致窜辆总成本居高不下极大地妨碍了纯电动车辆的商业 接广,混合动力惫动车赣羧零羁磊毫韵技术弥$ 传统驱秘技术懿不怼,兼套瓣耱 车辆技术的长处而较小的依赖于动力电池的饿能和较少受制于现阶段动力电池 s 武汉理王太学矮 = 学镰论文 豹价格,从而有效利用了传统车辆酉十年的发展基础和当今电池、电子及控制技 术懿技术进步,褒现密较焱蕊技术逶应经。 自从2 0 0 1 年起我国科技部开始设立“三纵兰横”电动汽车专项以来,我国 已经按照汽车产鼹开发规露,在电魂汽车关键单元技术、系统集成技术及熬车技 术上取得了重要进展,建立了国家研发技术标准平台、测试检验平台、政策法规 平台以及示范应用平台。到2 0 0 4 年底,已经起草完成整车1 3 项新标准、修订5 矮标臻,麓定6 瑗关键零舔传产鑫潦试巍范。农j 家、天津、上海、大连已分甏 建立趣包括电动汽车动力鬻电池、驱动电机、燃料电池发动机在内的6 个检测基 地和试验平台 农i e 京、武汉、天津、威海等几个城市开展电动汽牟商鼗他试验 示范运营,试验运行电动汽车超过6 0 辆。目前,我国电动汽车研发正值热潮, 已形成2 0 0 多家企业、高校和科研院所,2 0 0 0 多名以中青年技术骨干为主组成 戆稳定磅发获毽,率谤了超过5 2 0 矮强内多 专攀l 。狻冒纛迄凄汽车鹱域兹孩心产 品和新兴产业竞争力已有效提升。 。5 豳内、外混合动力发展状潺 1 5 1 目前国内、外混合动力发展情况【5 】 夜混合动力汽车方面,参与到与混合动力汽车相关的“一纵三横”中的高校、 科研院所和企业已经几十窳。此外,还有很多地方支持或自筹资金进行的混合动 办汽霉颂嚣。憩瓣来看,熬车己经越过二+ 家,螽裹1 - 5 掰示。在熬车窝关键部 件乃至上路示范避行方面都取得了可喜的成果。 表1 - 5国内混合动力熬车相关单位( 爿c 为阑家8 6 3 资助) 宰重庆长安混合动力轿车 芜湖奇瑞混合动力轿车 长春混合动力大巴混合动力 一汽 赣事 书武汉混合动力大巴混合动力 二汽 轿车 武汉理工文 学混合动力大巴 哈尔滨中强混联混合动力大巴 天津混合动力大巴混合动力 渗源 中巴 北京博大混合动力大巴 北京理工大 璧 滠台动力大邑 北京工业大 学 混合动力大巴 蓑浸理王大学颈圭学位论文 北京交通大 混合动力垃圾清扫( 运) 车 堂 同济大 混合动力轿车 上海 学 上汽混合动力大巴 比亚遥混合动力轿车 湘潭 湘电混合动力大巴 长渗 长丰混合动力越鹭车 五州龙 混合动力大巴 深圳 明华混合动力中巴 广嫒华露瑗工太学滢台动力大巴 郑州宇通混合动力大巴 合肥安凯( 与株洲)混合动力大巴 鞍由菜公司湛合动力汽车 金龙 厦门混合动力大巴 。5 2 国外潺合动力发震情孺 当游,混合动力电动汽车的研究与开发己在世界范网内由点向聪地扩展,发 震裙警逐速。发达国家静许多研究戏莱已走爨了实验室,并开始避入市场。 其中以日本为例,日本汽车界也融将电动汽车开发爨点从纯电动汽车转向混 台动力汽莩,其中丰圈公委l 在1 9 9 7 年疆裁出p r i u s ,瑟零围公司磺铡了豹疑度 混合动力轿车i n s i g h t ,于1 9 9 8 年1 2 月推向市场,并获褥了好评;丰团的c o a s t e r 客车、曰野的混念动力客窜和货车也已经进入商业化阶段;克莱斯勒推出l e “道 鸯蠢褥e s x ”游含动力车;日产毽继本融瘫爨静i n s i g h t 滢台动力轿车嚣箍爨 了y i n o 混合动力轿车;日本微车巨头铃木公司也在1 9 9 9 年的东京汽车展上展出 了w a g o n 混合动力车。 此外,在欧,美国家也在积极熄推进混合劝力的发媵步伐( 觅装卜6 ) ,其 中,美圊能源部和美国的三大汽车公司合作,砸在推行项庞大的p n g v 计划 混会动努汽车诗麓,致瘵与三大汽车公霹分爨熊谤漫合凌力汽车瑟获舍露,黉在 低污染的条件下制造出每西公里油耗不超过3 升的汽车,经过三年论证的结槊表 明采用混合动力技术是切文可行的。 袋卜6 鏊岁 电懿汽车程关瀣辩 类裂国家厂商开发年代罄本车型 纯大发 1 9 9 4 h i j e t 微型嚣瓴车 电丰圈1 9 9 5 r a y - 4 五座轿车 动 日本 本田1 9 9 5 p l u s 四座轿车 汽 日产 1 9 9 8 a 1 t r a 四座轿车 7 武援理一火学磋圭学僚论文 盔 1 9 9 5 e v 一1 两座轿车 通用 1 9 9 7 s i 0 疫卡 美交 福特 1 9 9 7 r a n g e r 两座酸卡 克莱斯勒 1 9 9 7 e p i c 小面包车 标致一雪铁 1 9 9 5 p 1 0 6 ,s a x o 枣轿车_ 饔皮卡 法国龙 雷诺 1 9 9 5 c l i o 两座轿车 1 9 9 7 p r i u s 混联式混合动力轿车 丰丽 2 0 0 1 e s t i m a 滚台动力蕊包车 2 0 0 1 c r o w n 轿车 混合 日本 2 0 0 2 2 5 座串联式中巴c o a s t e r 动力1 9 9 9 i n s i g h t 并联式混会动力赣车 电动 本圈 2 0 0 2 c i v i c 混合动力轿车 汽车 通用 1 9 9 8 p r e c e p t 概念车 1 9 9 8 p o d i g y 穰念牵 美国福特 2 0 0 3 e s c a p e 混合动力8 u v 克莱斯勒 1 9 9 8 d o d g ee s x 3 概念车 加拿 1 9 9 3 p e f f f c 大客车,p h a s e lb u s 大 巴拉德 ( b a l l a r d 9 3 k w ) p e m f c 客军,p r e c e p t ( b a l l a r d 1 9 9 9 2 0 5 k 碍) 透掰2 0 0 0p e l l f cs u v ,g r e e nc a r ( 饼1 0 0 k w ) 福特 1 9 9 9 p e m f c 客车,p 2 0 0 0 ( b a l l a r d ) 燃料 美嚣 1 9 9 9 p e m f cs u v ,j e e pc o m m a n d e r 电濑( b a l l a r d ) 汽率 克莱斯勒 2 0 0 0 p e m f cs u v ,j e e pc o m m a n d e r 2 ( b a l l a r d ) p e m f cv a n 。n e c a r i ( 晒一lo o ) 德国奔驰 j 9 9 4 ( b a l l a r d ) 丰田1 9 9 6p e m f cs u v ( r a v 4 l v ) ( 2 0 k w ) 嚣本本爨1 9 9 9 p e 醚f c 客车,f c x - v l ( b a l l a r d 6 0 k w ) 日产 2 0 0 0 p e m f cs u v ,x t e r r a - f c v ( b a l l a r d ) ,。6 影响混会动力电动车产业化的因素【6 】 完善的零部件配套体系和较高的性能价格比是实现混合动力电动车产业化 帮保谨豢场占存攀敦关键瓣素。尧秘么强兹只兹鑫本汽车企业实褒了涅台动力电 动车的产业化,最重要的原因是其关键零部件程其他地酝还不足以满足车辆的使 用要求。 6 , 毫视 电机主要寄两种类型,即交流感戍电机和永磁直流电机。交流电机与煮滚电 式汉理王走学壤圭学缱论文 机相比,结构比较简单,价格较低,适合于开发功率较小成本较低的混合动力系统 魄蠡采掰蓬蚤辊发电程一体懿怠遮怒箨或者哭是在车辅起多对强供弦力瓣系 统。但出于永磁齑流无刷电机具有效率高、结构紧凑、质量轻的特点,仍然被广 泛采用。开关磁隧电极的效率和可靠性都要优于永磁喜滚无刷电机。p r i u s 采用 的是永磁交流同步电机,而i n s i g h t 辩c i v i c 采用的是永磁直流无利电机。车厢 电机必须具有比功率大、效率高的特点。如果电机的安装位置在飞轮与离合器之 藏,盛绥经电辊尽哥蕤薄,戳尽量壤奎凌力系绞鹣长度。溺拜雩毫援懿耱率霉求每车 辆大小、e v 模式、发动机排量减小穰度有关。 1 。6 2 挠量存健装置熊量 存储装置的容量必须满足车辆加速和制动能量回收的需求。电池是目前主要 毅采用静毙量存德装置,此夕 超级电容也有被采用。 1 铅酸电池;铅酸电池的优点是成本较低,但是同时它的功率密度较低,寿命 也较短,这就意味着必须采用体积较大的电池组,这样增加了整举质量,降低了 车辆後能,霹辩窀洼还要送行嚣籁瞧静更换,疆蘧只憩邋雳予熊爨需求较,j 、懿 场合。 2 。镶氢电漶;镰氢电波跑锯酸奄漶具有更大戆功率、燹毫的功零密度窝受长 的寿命,其功率输出基本不受荷电状淼的影响,但是镍氢电池的成本较高,工作温 度较低浠要进行较好的冷却。镍氢电池适合于大功率的场合。p r i u s 、i n s i g h t 窝c i v i c 帮采震该类鍪蕊彀洼,毽逶瑗在氇爻蠢弱本p a n a s o n i c e v e n e r g y 公嚣l 其 备生产车用产镍飙电池的能力。 3 壤离予电濑:键离子邀池毙镲氯电浊具蠢更高豹功率、能爨密度,以及更 菇的低温特性,德楚其寿命、成本和耐久性是其商品化的主要障碍。混合动力车 用电池不仅需要商能量密度,也需要商功率密度,还要具荫体积小、踅量轻、效率 寒、裁零低、寿余离等特杰,霞兹惫溅成为了嚣耱裁缝瀑合动力毫麓车产盈铯靛 最关键因素之一。 6 。3 甥率元俅 混合动力系统比传统率辆的动力总成复杂许多,由于牟辆内部骚进行复杂的 裁量管理积势调,澍子控铡系统也提瘩了更裹豹要求,蛰寨藏凭、醚楚涅等。攘痘 地,电子元件的丰才料、制造工艺以及撼个控制系统的设计等都必须有相应的掇简。 混合动力电动车的关键零部件技术,尤其是电池,是阻碍其进入产业化阶段的关 捷霞素。勇岁 ,混合囊力汽车迸a 产l 佬还受爨诲多菲按术嚣素的镶约。善先楚 其成本过高。以p r i u s 为例,其在美圈市场的售价接近于1 7 万元人民币,高出同 9 武汉理工人学硕士学位论文 等性能传统轿车约4 0 左右。但是混合动力对于不同的细分市场其前景并不完全 相同,在高档车领域,采用混合动力不会使成本有明显增加,而对于出租车,其节 油效果完全可以在较短的时间内抵消成本的增加:其次是政府的相关政策。美国 政府除了对相关的研发进行投资外还出台了相应的税收减免政策( 高达2 0 0 0 美 元) ,鼓励混合动力汽车的产销售价甚至超过了p r i u s 在美国的市场售价,随着 p r i u s 在长春的合资生产,势必给中国的汽车工业带来又一次的冲击。 1 7 混合动力电动汽车技术现状和发展趋势 纵观国内外混合动力电动汽车技术的发展现状,主要特点如下: 1 目前,大部分混合动力电动汽车( 尤其是轿车项目) 样车开发和试制已 经结束,其实产业化面临的重大障碍仍然是成本太高。因此,尽可能地 采用成熟技术,降低整车的成本,成为混合动力电动汽车技术发展的一 大趋势。 2 由于混合动力电动汽车技术自身具有的特点,混合动力电动汽车专用零 部件的开发和批量生产也将成为混合动力电动汽车技术发展的另一大趋 势; 研究开发应用于混合动力电动汽车的先进技术,如整车控制技术,轻质量、 车身技术、柴油机电控技术、电机驱动系统及电池系统是各国家汽车生产商全力 解决的重要课题。 1 8 课题研究内容及意义 目前国内、外研究混合动力的有很多家,其中研究混合动力城市客车的也为 数不少,但是大多采用的是串联式的或并联式的,在技术上相对来说还是比较成 熟的,但是经济性能还是没有到达所期望的,这样使得开发成本和实际效果有一 定的差距,要想解决这个问题,就要研制出技术成熟且更加节能的混联式的混合 动力城市客车。本课题也是应某公交公司所需要的混联式混合动力城市客车的要 求下,所做的先期整车动力系统方案。本文的内容包括: ( 1 ) 三种混合动力电动汽车的特性比较;分析了目前混合动力城市客车产业 化的形式; ( 2 ) 论证了齿轮式离合器车用方案的可行性; ( 3 ) 耦合变速器的主要参数( 各传动比) 设计; ( 4 ) 混联式混合城市客车的动力系统的结构布置方案的设计;并研究了两种 方案的工作模式和特点; 1 0 武汉理工大学暖士学链论文 ( 5 ) 分析了典型工况的特点,包括整车驹功率、扭矩的需求等; ( 6 ) 对混联式动力系统进行匹配,并在a d v i s o t 中进行优化; ( 7 ) 对a d v i s o r 软件进行二次开发,并在熬车参数不变的情况下,通过对三 释( 传统,串联式,混联式) 车型在典型工况下送行仿真; 零文在理论上有所剑灏,对今螽这释漉会溺力毫动窖车豹磺炎开发有狠大兹 指导意义,对混合动力车辆的产业化有一定的推动作用。 i 1 武汉理工大学矮士学篷埝文 第2 章三种混合动力驱动方式的比较及混合动力相 关法规 2 。 混合动力电动汽车提高燃油经济性分析 混念动力电动汽车之所以节能,很大程度与它的控制策略,动力系统的匹配, 裁工况的特点有缀大的关系,所疆说不同驱动方式燃漓经济往是不闲的,僵总体 来说,混合动力电幼汽车之所以节能鼹以下原因: l 。浆裁发动掇怠速;公交车豹发韵攫平均约骞2 0 懿慰阕处于怠逸竣态,囊 发动机处于怠速或车辆减速时将其关闭能降低大约5 8 的燃油消耗。与传统 的起动呶机相比,混合动力汽车采用的大功率电动机能快遮起动发动机,同时计 算瓤技术釉攥滂囔瓣技术懿发展基经蠢效遮辫决了发凌辍瓣茯速起动闻蓬。3 5 k w 的电机在o 5 s 之内就可以把发动机拖动到正常怠速转速之上,这时发动机才 开始工佟,裁降低了油耗,减少了燃料的不完全燃烧及由此弓| 起的h c 撼敷。 2 。制动能量回收;传统车辆在减速或者翩韵时,大部分的车辆动能都班南动 蹄片的摩擦、发动机的机械摩擦和泵气损失等各种形式消耗掉了。混合动力汽车 采霜电瓤良霞浚霉赣蕤黎分动爱。裁韵魏量霾段鹣多乡与宅瓠载凌率窝蘧我装 置的容爨有关。l o 2 0 k w 的电机足以回收大部分可回收的车辆动能。制动能髓 回收的比例必须与车辆摩擦铡动时消糕的能量一致,否则驾驶员进行制动时,车 速会下降太浃或者发生点头。帛4 韵髓纛嚆收一般在车速为1 6 k m h 戳下对不起作 用,因为低速时的制动能量回收也易造成车辆点头。 3 黪低发动撬媾量;车辆学驶霹莠不总是嚣烫发魂褪挺樊峰篷功搴。在渥会 动力系统中,电动机能为发渤机提供劝率辅助,使在降低发动机的排嶷时而不影 响车辆的动力性。在给定的负荷下,排量小的发动机摩擦损失、热损失和泵气损 失都魄鞍小。 4 掇商发动机效率;发动机在低负荷时效率很低,采用混合动力系统可以使 发动机尽璧工馋在糍效区,主溪原因楚:电祝憩在低速和低受荧时提供璎力,馒发 动机在停车、怠速褥工作效率较低的情况下关闭,减少油耗朔降低排放( 基本零排 放) ;车辆在高速行驶时,由于电机的高转矩特性使发动机磁转速较低、效率较蹴 瓣爨熊缭持是够懿秘速度,秀税蘩力氇霹减少发凌掇耱瓣淼工况:惫爨蠢变速器 的优化甄配使发动机可以运行于高效的工况区域:电机的助力便于在进行发动机 设计时采用一些革獗技术。 5 稳离发动税附件的工作效率;在混合动力系统中提商发动机附件的效率墩 可以提高车辆的燃油经济性,例如空调压缩机、动力转向裂和水泵。目前,大部分 1 2 武汉理工人学硕上学位论文 的发动机附件都是通过皮带、齿轮、链条等与发动机机械连接,靠发动机直接驱 动,效率很低,采用电机驱动这些附件时可以使其相对于发动机独立地工作。同时 传统车辆的电器附件最高电压只有1 4 v ,电路系统的损耗较大,导线的成本也较高 而混合动力系统采用高压电,减少了能量损失。 2 2 三种驱动方式的混合动力系统的比较 2 2 1 串联式混合动力动力系统【1 3 】 串联式混合动力电动汽车s h e v ( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ,由发 动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成。其工作方式是指发动机输出的机 械能首先通过发电机转化为电能,转化后的电能一部分经由电动机和传动装置驱 动车轮,如有多余的电能给蓄电池充电,实际上s h e v 的发动机一发电机组只能 看作一种电能供应系统,发动机并不直接参与s h e v 的驱动。其工作模式见图2 1 所示 e n g i n e 发动机g e n e r t o r 发电机m o t o r 电动机b a t t e r y 蓄电池 i n v e r t e r 功率转换器r e d u c t i o n g e a r 减速齿轮d r i v ew h e e t s 驱动轮 2 1 串联式混合动力系统工作模式 由于结构的原因,所以串联式混合动力电动汽车的特点: 1 由于发动机和电动机之间没有直接的机械连接,使整车布置的自由度较 大,同时也使发动机的工作状态不受汽车行驶工况的影响,发动机能保持在稳定、 高效、低污染的运行状态,汽车具有良好的经济性和低的排放指标。 2 在串联混合动力汽车上,由于发动机带动发电机所产生的电能和电池输出 的电能共同驱动电动机来驱动汽车行驶,电力驱动是其唯一的驱动模式,因而控 制技术较为简单。 3 驱动模式决定了发动机、发电机和电动机的功率应接近或等于汽车所需要 的最大驱动功率,故三大动力总成的功率较大,外形和质量都较大,整车价格高, 电池数最较多。所以串联布置在中、小汽车上不易实现。 武汉理工大学颤士学经论文 4 在发动机一发电机一电动机系统中的热能一电能一机械能的能量转换 中,畿簧损失较大,因藏,发动瓿竣爱蕊襞爨秘露率魄凌燃粳汽车经。 5 串联式鼹适合于路况复杂的城市内公路行驶的车辆。在环保要求高的市 区,汽车在起步承j 低速行驶时也可关闭发动机进入电动状态,使汽车达到零排放 的要求。 2 。2 2 并联式混合动力动力系统 并联式混合动力电动汽车p h e v ( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ,它 采用发韵机和电动樵嚣套独立的驱动系统驱动车麓。发动枫以常觌模式 菲线穗。一觳浚,充龟龟滚雀充毫过撵中隧嚣鬻残指数麓律下降,不可 能用恒流或恒压获得。 f 3 ) 离散j 黢。即使是弼一类型、槌阅容量的电池,| 9 鑫着各自傻髑时放电的历 史状态不同,产麓不均匀住,充电亳滚也有很大的不同。 村专家研究表明,对于电池来说,电池组的工作温度一定的条件下,一定的 毫涟缀缝量状态灌嚣内( 逶鬻搔s 篷分于0 。l e 。9 嚣) ,动力电波缝魏蠹疆变豫 很小,动力电池组能量状态主要体现在动力电池组的端电压。 按照上丽的理论,鬻电池高压对混合动力的性能商所提高,同时第一澎中 也分轿了镍氢亳沲静优越住髓,露a d v i s o r 审也有这种电涟虢参数,所蔽模仿 p r u i s 车型选择了镍氢电池5 0 a h 、4 0 节额定电压4 9 3 v 。同时发现在仿真的过程 该毫溅缝对经济蠖戆毒新改善。当然,也可以选择裂型謦、节数、额定电压鳓邀 池来仿真也有一个很好的缩栗。 3 。5 。4 耦合变速器 对于混合动力车辆来说,变速器不仅起到变速作用,同时还起到动力耦合作 溺。嚣蕊在混会凌力电动汽摹土嚣采矮熬变速嚣主要有褥星邃轮,a m t 及d c r ; 除了丰田p r i u s 车上的行

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