（光学工程专业论文）plugin并联混合动力城市客车电功率比研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以 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他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的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 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。本人授 权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。 同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或 收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：批位 导师( 签名) ：村绷 日期加j f ，7 口 摘要 随着社会经济的发展，汽车的保有量逐年增加，由此所带来的环境污染和石 油资源匮乏已经成为制约汽车工业可持续发展的两大难题。因此，电动汽车被确 立为汽车技术发展的主要方向。而电动汽车主要有纯电动汽车、混合动力电动汽 车以及燃料电池动力汽车。由于蓄电池技术的不成熟和燃料电池技术发展缓慢的 原因，混合动力汽车成为当前新型汽车开发的热点。而插电式混合动力汽车( 即 p l u g i n 髓v ) 更是由于强大的电驱动能力，能够更多的代替发动机驱动汽车， 从而减少了发动机的使用，降低了燃油消耗，成为现在混合动力汽车研究开发的 热点。 另一方面，为了促进新能源汽车的发展，国家对新能源汽车出台了相应的补 贴政策，其补贴车型种类包括：纯电动汽车、插电式混合动力汽车以及1 6 升及 以下节能车型。其中，插电式混合动力汽车每辆最高补贴5 万元。而补贴标准则 是根据动力电池组能量所确定的，按3 0 0 0 元千瓦时给予补贴。而在这个标准下， 。 总功率一样的电动汽车中，电功率比的不同就会带来电池组数目的变化，导致总 功率相同的插电式混合动力汽车得到的补贴不同。 本文通过对扬子江客车制造厂生产的w g 6 1 2 0 n h e 车型的改造开发，结合 a d v i s o r 2 0 0 2 软件建模和仿真，研究电功率比对整车动力性、经济性的影响。 首先，通过对混合动力汽车动力总成部件的优缺点分析，确定了动力总成各个部 件选型。通过对p l u g i n 工作模式的分析和已有控制策略的研究，确定了以电 动机为主的驱动模式，并设计了相应的控制策略。然后，通过a d v i s o r 2 0 0 2 ， 对本文混合动力电动汽车各个总成部件进行了建模，并结合以上设计的控制策 略，建立了整车控制策略模型。通过对中国城市客车典型工况的分析，以及插电 式混合动力汽车开发技术要求，对插电式混合动力客车( p 玎邑b ) 进行了功率需 求分析，确定了以1 8 0 k w 作为整车总功率。在此基础上，确定了满足发动机、 电动机最小功率要求的不同电功率比方案，通过在a d v i s o r 2 0 0 2 软件中的仿 真，对整车动力性和使用成本进行分析。得到结论：在总功率一定的情况下，电 功率比对动力性的影响很小，使用成本随着电功率比的增加而减少。 关键词：插电式混合动力，电功率比，建模仿真 w i t ht h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m y , t h en u m b e ro f a u t o m o b i l ei si n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l ye v e r yy e a r i tl e a d st ot h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m a n de n e r g yc r i s i sg e t t i n gw o 璐c a st h er e s u l t ，e l e c t r i cv e h i c l e st e c h n o l o g yi s c o n f i r m e dt h em a i nd i r e c t i o n b e c a u s eo ft h et e c h n o l o g yo fb a t t e r yi sn o ta b l et o s u p p l ye n o u g he n e r g yt ov e h i c l e ，b e v ( b a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e s ) a n df c v ( f u e lc e l l s v e h i c l e s ) a r cd e v e l o p e ds l o w n e s s a n dh e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ) i sc o n f i r m e d t h eh o ts p o to ft h ec a rc o m p a n ya n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n a st h es u p e r i o r i t yo f e c o n o m i z i n gf u e la n dr e d u c i n ge m i s s i o n ，p h e v ( p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ) i so n eo ft h em o s tp o p u l a rv e h i d ei nr e s e a r c hi n s t i t u t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h es t a t ea d o p t sp r e f e r e n t i a lp o l i c i e st o w a r dt h en e we n e r g y v e h i c l e st op r o m o t et h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to ft h en e we n e r g yv e h i c l e si n d u s t r y 1 n h cp o l i c i e sa r cd i r e c t e da tb e v 、p h e va n de n e r g ye c o n o m i c a lv e h i c l e sw h i c h e n g i n ed i s p l a c e m e n ti su n d e r1 6 la n dp h e vc a n b eg i v e n5 0 ，0 0 0r m b a tm o s t t h ea l l o w a n c ew h i c hi s3 , 0 0 0r m b e v e r yk w h s t a n d a r di sd e p e n d e do nt h ee n e r g yo f t h ec e l l so ft h eb a t t e r y w i t ht h i ss t a n d a r d ，t h ea l l o w a n c ew i l lb ed i f f e r e n tb yt h e d i f f e r e n te l e c t r i cp o w e rr a t i oo ft h ep h e v n et h e s i sw h i c hr e s e a r c h e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r i cp o w e rr a t i ow i t h t h ev e h i c l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e sa n df u e le c o n o m yb a s e do nt h ew g 6 1 2 0 n h eb u s a n da d v i s o r 2 0 0 2 f i r s to fa l l ，t h ev a r i e t yo ft h ep h e vp o w e r - t r a i nw a sf i x e db y t h ea n a l y z i n go ft h ev e h i c l e m o t o rw a sd e s i g n e dt ob et h em a j o rp o w e r s o u r c eb yt h e a n a l y z i n go nt h ec o n t r o ls t r a t e g y a n dt h e n , b yu s i n g t h ea d v i s o r 2 0 0 2 ，t h em o d e l 0 ft h ce n g i n e ，m o t o r , b a t t e r i e sa n dt h et r a n s m i s s i o nh a db e e nb u i l t a n dt h ec o n t r o l s t r a t e g yw a sa l s ob u i l ti nt h e a d v i s o r 2 0 0 2 w i t ht h ea n a l y z i n go ft h ep o w e r d e m a n dw h i c hb a s e do nt h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h er o a do fc h i n e s ea n dt h ed e m a n d o fp o w e r , t h ep o w e ro fp h e vw a sf i x e da t1 8 0 k w a f t e rt h a t ，1 6p r o g r a m sw i t h d i f f e r e n te l e c t r i cp o w e rr a t i ow e r ef i x e d b yt h ee m u l a t i o ni nt h ea d v i s o r 2 0 0 2 ，t h e v e h i c l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e sa n dc o s t t o - u s ew c r ca n a l y z e d a tt h ee n do ft h i s , t h e c o n c l u s i o nw a st h a t ：u n d e rt h es a m ep o w e r , t h ev e h i c l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e sw a s i n s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ee l e c t r i cp o w e rr a t i o ，a n dt h ec o s t - t o - u s ew a sr e d u c i n g w h i l et h ee l e c t r i cp o w e rr a t i ow a sg r o w i n g k e yw o r d ：p h e v , t h ee l e c t r i cp o w e rr a t i o ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n h 目录 摘要i a b s t l 蝴j i i 目录i “i i i 第1 章绪论1 1 1 论文研究背景和意义：。l 1 1 1 论文研究背景2 1 1 2 论文研究意义7 1 2 论文主要内容8 第2 章最大电功率比与能量管理模式概述9 2 1 插电式混合动力汽车及最大电功率比定义? 9 2 1 1 插电式混合动力汽车定义9 2 1 2 电功率比定义1 0 2 2p l u g - i n 混合动力汽车能量管理模式概述1 l 2 3 本章小结“1 3 第3 章混合动力汽车动力总成选型及控制策略分析1 4 3 1 混合动力汽车动力总成选型分析1 4 3 1 1 混合动力汽车发动机选型1 4 3 1 2 混合动力汽车储能元件选型1 5 3 1 3 混合动力汽车电动机选型1 8 3 1 4 混合动力汽车变速器选型1 9 3 2p l u g - i n 并联混合动力客车控制策略分析1 9 3 2 1 混合动力汽车控制策略分类1 9 3 2 2 动力系统工作模式分析2 2 3 2 3 并联p h e b 控制策略的确定2 3 3 3 本章小结2 5 第4 章并联p h e b 建模与仿真2 6 4 1 仿真软件a d v i s o r 概述2 6 m 4 2 混合动力系统建模2 6 4 2 1 发动机模型2 6 4 2 2 电机模型2 7 4 2 3 电池模型2 9 4 2 4 变速箱模型3 1 4 2 5 整车控制策略模型3 2 4 2 6 整车模型3 3 4 3 整车仿真运行3 3 4 4 本章小结3 5 第5 章基于电功率比的动力性及使用成本分析3 6 5 1 并联p h e b 驱动总功率需求分析3 7 5 1 1w g f l 2 0 n h a e 简介3 7 5 1 2 汽车驱动行驶的功率需求分析3 8 5 2 基于电功率比的动力性分析4 9 5 2 1 电功率比选取对电机动力性因素影响，7 5 0 5 2 2 联合驱动时电功率比对整车动力性影响5 3 5 3 基于电动率比的使用成本分析5 5 5 3 1 电功率比对燃油经济性的影响5 5 5 3 2 电功率比对整车使用成本影响：5 6 5 4 本章小结5 9 第6 章全文总结与展望6 0 6 1 全文总结：6 0 6 2 研究展望6 0 致谢6 2 参考文献6 3 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景和意义 随着社会经济的不断发展，整个社会对汽车的消费能力在不断提高，汽车工 业得到飞速的发展，其产量、销售量以及保有量逐年提高。由此所带来的环境问 题和能源危机成为各国汽车产业发展的两大难题。在这种情况下，对替代能源汽 车的开发成为各国各大汽车制造厂开发的重要方面。其中，以电能为替代能源的 电动汽车成为现今开发的主流方向。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车以 及燃料电池汽车。 其中，纯电动汽车和燃料电池汽车属于完全替代石油燃料的车型，无论是在 环境保护方面，还是在节约不可再生能源方面都是理想的替代车型。但是由于动 力电池能量密度偏低，导致无法满足大功率、远距离的行驶需求，且电池组体积 庞大，装车困难。而燃料电池技术的发展缓慢，电池功率低、初始反应温度高和 催化技术欠缺等难题一时难以解决。因此，无论是纯电动汽车还是燃料电池汽车， 距离产业化都还有一段很长的路要走。而混合动力汽车，一方面使发动机工作在 最佳经济区，即提高了燃油利用率，又降低了有害气体的排放；另一方面，利用 替代能源代替部分代替燃油资源，减少了燃油消耗。还可以满足汽车的动力性需 求，使得整车在最高车速、最大爬坡度和加速性能方面和传统汽车相当。因此， 混合动力汽车成为目前电动汽车中最具产业化和市场化前景的车型之一。 插电式混合动力汽车( 简称p 阳) 是混合动力汽车( ) 中的一种，由 于p h e v 可外接电源充电，而不像传统混合动力汽车依靠发动机消耗燃油产生 电能，因此被认为是更加接近于纯电动的混合动力汽车的车型。p h e v 相对于传 统h e v 能够在更多的行驶工况中依靠电机驱动，而减少了发动机的使用。即 p h e v 是以电动机作为主要动力源，而发动机作为辅助动力源，在爬陡坡和急加 速时启动。因此，p h e v 在减少燃油消耗和减少排放方面都要比h e v 出众。而 p h e v 相对于纯电动汽车( e v ) ，由于车载发动机助力作用，一方面在动力性上 有了很大提高，可以和传统汽车相当；另一方面，其续驶里程也可以得到保证。 解决了e v 动力性不足和续驶里程差的问题。 综上所述，p h e v 在功能上具有以下特性l l 叫： ( 1 ) p h e v 有相当的纯电动驱动能力，所使用的蓄电池容量比传统h e v 武汉理工大学硕士学位论文 大； ( 2 ) p h e v 具有多个行驶模式，且遵循电能优先消耗原则； ( 3 ) 由于装有发动机作为辅助动力源，p h e v 续驶里程可以满足长距离行 驶的需求； ( 4 ) p h e v 发动机比传统h e v 发动机要小。 1 1 1 论文研究背景 1 1 1 1 国外发展现状 插电式混合动力汽车作为现今最靠近纯电动汽车的混合动力汽车之一，其研 究开发和产业化都是具有很强的现实意义的。而这些都需要投入大量的资金和设 备。因此，为了更有效的推进插电式混合动力汽车的发展，需要政府的积极引导 作用。一方面，激励企业更多的投入对插电式混合动力汽车的研发工作；另一方 面，提供相应的补贴政策，使消费者更多的选择插电式混合动力汽车。 美国政府为了进一步推广插电式混合动力汽车，提出了一系列的帮扶措施。 在插电式混合动力汽车研究和开发方面，美国政府投入2 5 0 亿美元建立相关基 金，为整车制造厂进行新能源汽车的研发提供低息贷款。在插电式混合动力汽车 市场化推广方面，美国政府投入1 4 0 亿美元用于以下方面：( 1 ) 动力电池、相关 零部件产业的研发和生产；( 2 ) 充电设施基础建设；( 3 ) 政府采购插电式混合动 力汽车；( 4 ) 对购买插电式混合动力汽车的消费者进行补贴。并计划从提出相关 政策之日起，到2 0 1 2 年，政府采购的插电式混合动力汽车或者电动汽车要达到 采购总量的一半。到2 0 1 5 年，插电式混合动力汽车保有量达到1 0 0 万辆。到2 0 2 0 年将燃油经济性提高一倍。 法国政府为了促进纯电动汽车和插电式混合动力汽车的发展，提出了一系列 的相关计划。具体措施如下：( 1 ) 对二氧化碳排放量在每公里6 0 克以下的“超 级环保车”给予每辆5 0 0 0 欧元的高额补贴，以鼓励人们购买清洁能源汽车；( 2 ) 计划以贷款等形式投资1 5 亿欧元大力建设充电站，力争到2 0 1 5 年将充电点增加 到1 0 0 万个，其中9 0 的充电点会设在住宅区和工作区，其他则将安装在道路两 侧和停车场等公共场所( 3 ) 到2 0 2 0 年，所有充电点的充电插头总量将达4 0 0 万个，从而极大方便电动车和可充电混合动力车出行。同时，在同一年生产清洁 能源汽车总量达到2 0 0 万辆。( 4 ) 支持雷诺等大型企业建设电池厂和制造电动车。 在具体措施方面，法国政府将对二氧化碳排放量在每公里6 0 克以下的“超 级环保车 给予每辆5 0 0 0 欧元的高额补贴，以鼓励人们购买清洁能源汽车。政 府还计划以贷款等形式投资1 5 亿欧元大力建设充电站，力争到2 0 1 5 年将充电点 2 武汉理工大学硕士学位论文 增加到1 0 0 万个，其中9 0 的充电点会设在住宅区和工作区，其他则将安装在道 路两侧和停车场等公共场所。到2 0 2 0 年，所有充电点的充电插头总量将达4 0 0 万个，从而极大方便电动车和可充电混合动力车出行。此外，法国政府还将拿出 大笔资金，用于支持雷诺等大型企业建设电池厂和制造电动车。 电动汽车和混合动力车既能省油，还可降低污染，被视为未来汽车的发展趋 势。法国总统萨科齐在去年的巴黎国际车展上宣布，法国政府将投入4 亿欧元用 于研发此类清洁能源汽车。 分析人士认为，对于法国各大汽车生产商来说，发展清洁能源汽车是一项长 期战略，越早动手，就能越早占领市场，收获利润。法国政府的一份报告估计， 到2 0 2 5 年，“脱碳汽车 在法国的市场份额将达2 7 ；到2 0 3 0 年，它将为法国 带来1 5 0 亿欧元的经济效益。 在各国政府政策的大力推动下，各大汽车厂商也积极的扩大对插电式混合动 力汽车的研发工作。 福特汽车与p r o g r e s s e n e r g y ( 美国佛罗里达州电力供应商) 在奥兰多市佛罗里 达中央大学太阳能智能电网中心发表了联合声明。福特汽车正扩大其插电式混合 动力汽车研究项目的规模，与此同时，福特汽车的区域公用事业合作伙伴 p r o g o r e s s e n e r g y 进一步将插电式混合动力版福特翼虎的生产纳入其在佛罗里达 州的业务。p r o g r e s s e n e r g y 将在佛罗里达对一辆配备业界首个“车电 智能电网 通讯和控制系统的2 0 1 0 款插电式混合动力版福特翼虎进行路试。这项新技术的 终极目标在于实现汽车与电网的接驳，并帮助车辆操作者决定何时对汽车充电以 及充电时长。此外，该试验还旨在发掘潜力，令用户得以享受到非高峰时间低廉的 收费。阴 美国通用汽车公司计划将雪佛兰沃蓝达( v o n ) 车型的插电式混合动力技术 运用到别克品牌车型上，以扩大该公司的节能环保车型队伍。美国通用汽车公司 正在研发插电式混合动力版的凯迪拉克s r x 交叉车型，混合动力版的凯迪拉克 车型将同样采用雪佛兰沃蓝达电动车的相关技术，这样可以减少车型研发的成 本。嗍 标致雪铁龙投入5 0 0 多名工程师与将近4 亿欧元的巨额资金用于支持多款插 电式混合动力汽车的研发。p s a 希望通过在该领域的持续投入与工作，能够在今 后的几年中推出基于3 0 0 8 的插电式混合动力汽车。除了致力于自主研发之外， 标致雪铁龙还与三菱合作，计划在短期内把i - m i e v 移植到p s a 旗下的某款车型 上并推向欧洲市场。1 9 j 马自达汽车公司表示，该公司将于2 0 1 3 年发布一款混合动力车型，该车将 由丰田汽车公司提供技术支持。如此一来，马自达继日产、丰田和本田之后成为 3 武汉理工大学硕士学位论文 第四家有推出插电式电动车计划的日本车企。与此同时，该公司c e o 山内孝还 对日本媒体表示，马自达计划提高在日本国内的汽车年产能，预计到2 0 1 5 财年 ( 2 0 1 5 年4 月2 0 1 6 年3 月) 年产能将提高到1 0 5 万量。1 1 0 ! 在各大汽车厂商的大力研发投入下，插电式混合动力汽车得到了迅速的发 展。各大公司也相继推出了自己的插电式混合动力汽车。 福特公司以锐界为基础车型，推出了锐界插电式燃料电池混合动力汽车，如 图1 - 1 所示。插电式混合动力锐界的部分技术参数如表1 1 所示。 图1 - 1 福特锐界插电式燃料电池混合动力车 表1 - 1 插电式混合动力锐界部分技术参数 能量源车载氢燃料电池发动机 锂离子蓄电池组 电池组电压 。 3 3 6 v 燃油经济性5 7 4 1 y k m 最高车速1 3 6 8 5 k m h 纯电动模式续驶里程 4 0 2 5 k m 总续驶里程3 6 2 2 5 k m 雪佛兰、b l t 串联插电式混合动力汽车，如图1 2 所示，在2 0 1 0 年该车型开 始批量生产，该车采用1 4 l 小排量高效发动机，可采用汽油或e 8 5 乙醇燃料。 驱动电机功率为7 0 k w ，发电机功率为5 3 k w 。采用超过2 2 0 个锂离子电池单元 组成蓄电池，其能量为1 6 k w h ；v o l t 电动系统可产生1 1 0 k w 功率、3 7 0 n m 输出 扭矩，最高车速1 6 1 k m h ，0 - 9 6 k m h 加速时间为9 秒，纯电动模式下续驶里程 可达6 4 k m 。 h i 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 雪佛兰v o l t 串联插电式混合动力车 1 2 1 2 国内发展现状 在我国，电动汽车起步较晚，类比与国外的介绍情况，以下将从国家政策、 国内几大整车制造公司的发展计划以及已经在国内研发的插电式混合动力汽车 进行介绍。 1 ) 我国电动汽车补贴政策 在出台的新能源汽车补贴细则中明确指出了我国补贴车型为：纯电动汽车、 插电式混合动力汽车以及1 6 升及以下节能车型。具体补贴标准为根据动力电池 组能量大小确定，按3 0 0 0 千瓦时给予补贴。纯电动汽车每辆最高补贴6 万元； 插电式混合动力汽车每辆最高补贴5 万元；1 6 升及以下节能汽车补贴3 0 0 0 元。 补贴资金拨付给汽车生产企业，按其扣除补贴后的价格将新能源汽车销售给私人 用户或租赁企业。1 1 2 l 现在该政策还处在试点阶段，以上海、长春、深圳、杭州 和合肥5 个城市作为试点城市。将在这些城市重点对充电站等基础设施建设、新 能源汽车购置和使用、电池的报废及回收体系建设给予支持。 与国外政策相比，中国在发展插电式混合动力汽车方面政策倾斜较小。这是 因为现在在中国，插电式汽车产业化环境还不成熟。工信部副部长苗圩表示：中 国近期不适宜推出插电式混合动力汽车【6 j 。主要理由有以下几点： ( 1 ) 蓄电池技术还不够成熟。 蓄电池技术是现今制约电动汽车发展的主要因素之一。要研制出成本低、体 积小、持续能力强且使用寿命长的电池来满足插电式混合动力和纯电动汽车的需 求，还是一个长期的过程。 ( 2 ) 充电站等基础设施建设不完备。 配套设施是插电式混合动力汽车普及的一个基础性问题。目前已经有企业在 提前发展相关的配套设施，但从全国看，配套设施仍然很不健全。比亚迪之所以 在深圳推出电动汽车，一个原因就是深圳建设的首批电动汽车充电站建成并投入 运营。 ( 3 ) 充电插座型号没有统一的标准。 5 武汉理工大学硕士学位论文 没有标准化得充电插座使得在充电站建设中需要建立不同的插座接口，造成 制造成本上升。另一方面，由于到充电站充电汽车的品牌的不确定性，可能导致 某段时间内某种品牌车集聚在一个充电站排长队使用对应的充电插座，而其余的 插座又无法使用的情况。 ( 4 ) 没有完备的售后服务体系。 针对于插电式混合动力汽车，销售后市场几乎是一片空白的情况导致消费者 产生车辆保养不便、维修是否规范、价格是否合理、返修率是否高的担心。 2 ) 企业发展情况 在国家政策的推动以及对未来发展的规划作用下，国内各大汽车制造厂在发 展新能源汽车方面的研发投入也是相当大的。 一汽集团提出1 1 3 l ：面向低碳时代新能源汽车为主攻方向的口号。十一五 期间，一汽集团开发的全混合动力产品解放牌混合动力城市城市客车，比传 统客车节油3 8 ，排放达到欧标准；奔腾混合动力轿车( 如图1 3 所示) 达到 节油4 2 ，排放由于国标准的性能水平。这两款车使一汽集团在混合动力技术 上实现了从弱混合技术到全混合动力技术的迈进。 ，图1 3 奔腾混合动力轿车 上汽集团提出 1 4 1 ：要全面打造自己新能源汽车平台。2 0 1 0 年依托上海世博 会机遇，上汽在新能源汽车研发取得的阶段性进展，包括纯电动、混合动力等多 种方案，包括了轿车、大客车、观光车、出租车等多项服务。世博会总载客量超 过1 2 亿人次，减少二氧化碳排放8 8 5 4 吨，减少有害气体排放2 8 5 亿吨，圆满 完成了世博会的示范运行。按照加快推进混合动力汽车的发展和产业化的目标， 上汽2 0 1 0 年投产荣威e 5 0 中混轿车；计划2 0 1 2 年自主品牌上市，此外燃料电 池汽车领域继续跟踪国际发展动态，集中资源聚焦解决燃料电池系统解决的可能 性、寿命、核心成本问题，积极推广这些技术的进步和示范运营。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 论文研究意义 通过对p l u g i n 混合动力汽车国内外现状分析，可以看到，p l u g - i n 混合 动力汽车在全球范围内成为现在发展替代传统车型的主要车型之一。而相对于国 外的发展情况，发改委副部长苗圩提出我国现在不适合发展p l u g m 混合动力 汽车产业化。其主要原因在国内现在这一部分已经做了分析，蓄电池技术还不够 成熟、充电站等基础设施建设不完备、充电插座型号没有统一的标准、没有完备 的售后服务体系成为制约p l u g i n 混合动力汽车产业化得主要原因。虽然有以 上不利因素，但是研究和开发p l u g i n 型混合动力汽车的步伐不应该停止。针 对以上不利条件，本文认为在现在这个阶段发展p l u g i n 混合动力客车是适合 时宜的。原因有以下几点： ( 1 ) 城市公交汽车运行线路固定 固定的运行线路使得城市公交汽车的行驶里程相对固定，而p l u g i n 型混 合动力汽车可以更加有效的针对行驶里程数对电驱动系统进行选配，使得整车携 带的蓄电池能量能够满足里程数的设计要求，并且可以针对城市公交提出更加合 理的控制策略。 ( 2 ) 对充电站等基础设施要求不高 p l u g i n 混合动力汽车还不能大量进入私家车的行列，一个重要原因就是现 在国内充电站方面的基础设施建设还不完备。相对于国外来说，国内需要建立大 量的充电站。因为在已经推广p l u g i n 混合动力的国家，相当一部分人居住环 境好，有自己的车库，可以方便的为蓄电池充电。而在国内，需要更多的公共充 电站的建设，以满足产业化得要求。 而公交系统，作为公共服务单位，每天运行完毕，公交车回到公交停车场。 因此，充电设备只用在公交停车场建设就可以了，其数量上的要求大量减少。具 有很强的可行性。 ( 3 ) 更完备的日常维护 从技术层面分析，电池技术还有待进一步发展，蓄电池的寿命问题有待改善； 从维护层面分析，对蓄电池有专业的日常维护可以提高蓄电池的使用寿命。而公 交系统的集中性，可以培训专业的蓄电池维护人员，对日常蓄电池充放电、电池 清洗等进行维护。提高蓄电池的使用寿命。 ( 4 ) 政府政策的针对性增强 政府作为对新能源汽车的发展的大力推导者，针对于p l u g - 玳混合动力私 家车的政策已经出台。而公交车，作为公共服务事业的一部分，车型相对固定、 行驶里程相对稳定的特点可以使政府提出更有针对性的政策，推进p l u g i n 混 7 武汉理工大学硕士学位论文 合动力汽车的研发、示范运营等活动。为未来p l u g 一玳混合动力汽车的产业化 提供珍贵、实际的参考资料。 基于以上四点，在现阶段发展p l u g i n 混合动力客车是十分必要的。而本 课题所研究的p l u g i n 并联混合动力城市客车电功率比的选择问题，是 p l u g i n 中动力总成选型的重要问题，它与整车燃油经济性、整车成本紧密相 关，因此本文对电功率比与整车动力性、经济性之间的关系的研究对p l u g - i n 混合动力客车的发展是很有意义的。 1 2 论文主要内容 通过上述分析可以看出，p l u g i n 混合动力城市客车作为混合动力汽车中更 加突出实用电能代替燃油的一种，具有很强的现实意义。一方面，可以为电池的 发展提供现实的实用平台，积累相关的技术参数，为车用电池的进一步发展提供 平台：另一方面，可以为政府制定相关的政策措施起到实践作用。 本文的主要内容如下： ； ( 1 ) 首先对插电式混合动力汽车、电功率比进行定义。并通过对参考文献 的学习研究，对p l u g 矾混合动力汽车能量管理模式进行了概述。为控制策略 的设计提供了相关的依据。 ( 2 ) 通过对混合动力汽车的特点分析，和各个部件特点，对总成部件进行 了选型分析。通过对p l u g i n 并联混合动力客车工作模式和混合动力汽车控制 原理的分析，设计了本车的控制策略。 ( 3 ) 通过对a d v i s o r 软件中原有模型的学习和实践，改变模型中原有参 数，完成了发动机、电机、电池、变速箱等模型。结合第二章设计的控制策略， 完成了控制模型，并生成整车模型。 ( 4 ) 通过对p l u g i n 并联混合动力汽车动力性需求分析，按电机每增加 l k w 功率，有1 个配比电功率比的方式，得出了1 6 种不同电功率比的发动机、 电动机匹配方案，通过a d v i s o r 模型仿真，得到不同方案的油耗、车速等相关 数据。通过仿真数据对整车动力性和使用成本进行评价，并对电功率比与动力性、 经济性关系作出总结。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章最大电功率比与能量管理模式概述 2 1 插电式混合动力汽车及最大电功率比定义 2 1 1 插电式混合动力汽车定义 由于在国内插电式混合动力汽车的发展还属于研发探索阶段，对插电式混合 动力汽车的定义也说法不一。 在客车领域，中通客车首席技术专家王钦普对插电式混合动力汽车定义论述 如下：插电式混合动力汽车就是车载电池可以用插头充电，至少有两个动力供给 系统的汽车。他主要抓住了插电式混合动力汽车的外部特征：电池可外充电，且 有两个动力供给系统。黄海客车技术负责人刘风君认为：插电式混合动力客车是 在电池串联的基础上，加大电池的能量密度和储存容量，并外接电源。他是从电 池这个能量源的角度定义插电式混合动力汽车的。虽然在定义上有所不同，但是 两人都将电池的容量问题和电池的控制问题作为了插电式混合动力汽车的最大 难题之一。 本文结合参考文献f 1 】，对插电式混合动力汽车定义如下：插电式混合动力 汽车是一种可外接充电电源的混合动力汽车，其对动力电池组能量和纯电动模式 续驶里程较传统混合动力汽车有更高的要求。 插电式混合动力汽车与传统混合动力汽车最大的区别就是可以通过外界对 混合动力汽车的蓄电池充电，以此代替发动机为蓄电池充电的过程。从而能够更 多的以电能代替石油能量。插电式混合动力汽车蓄电池充电所需电能除了可以从 电网获得，还可以是由太阳能、风能等其他形式的再生能源所产生的。另一方面， 为了能够更多的使用可再生替代能源( 电能) ，通常插电式混合动力汽车会选择 一台功率大的电动机，使更多的行车工况是以电动机驱动，将电动机作为主要动 力源，发动机只用起到助力作用。这样一来，一方面减少了燃油的消耗，另一方 面也减少了有害气体的排放。但是，在选择大功率电机时就要有大容量的电池与 之相匹配。因此，插电式混合动力电动汽车对蓄电池性能要求较高，这也是制约 插电式混合动力汽车发展的关键原因之一。 现在普遍认为纯电动汽车和燃料电池汽车将会是未来汽车的主要型式，但是 一方面蓄电池容量较小，纯电动汽车的续驶里程受到限制，另一方面燃料电池技 术进展缓慢。因此，现在最适合发展的就是混合动力汽车。从某个角度讲，混合 动力汽车是走向纯电动车的过渡阶段。而在这个过渡阶段中，插电式混合动力汽 9 武汉理工大学硕士学位论文 车和增程式纯电动汽车又是目前最接近纯电动汽车的两种汽车。虽然这两种汽车 都需要外部充电、都需要电池和发动机共同工作，插电式混合动力和增程式纯电 动汽车在技术原理上有共同之处，但是两者也有明显的区别。增程式电动车采用 以电为动力的驱动形式，增加小型发动机组队电池持续供电，填平了电池放电的 低谷，不会造成电池的过放和快放。而插电式混合动力汽车是先以电池为动力， 使车辆运行一定里程，当电池s o c 达到某个特定值时( 科技部要求s o c 4 0 ) ， 整车进入混合动力状态。 2 1 2 电功率比定义 本文中电功率比的定义来至于2 0 0 9 年发布的 5 0 0 0 由表3 - 3 可以看出，能量密度性能方面，镍氢与锂离子电池相当，而铅酸蓄 电池只有前两者得一半；功率密度想能方面，锂离子电池远比其余两种电池性能 要好；循环次数方面，锂离子电池的性能也是最突出的。下面分别就三种电池特 性分别进行论述。 ( 1 ) 铅酸蓄电池 为了达到高比能量和高比功率的目标，铅酸蓄电池也发展出密封电池、流水 式电池、管状电池和胶体蓄电池。正如美国p h e v 监管局w i l d 网站所述，铅酸 蓄电池使车体增加3 0 0 1 b 乃至更多的重量，而每次充电只能实现1 0 m i l e 的行驶里 程。因为这类电池深度循环寿命短，从而只能保证一到两年的驾驶时间，这导致 运行成本较高。铅酸蓄电池在寒冷的天气运行不佳。 ( 2 ) 镍氢蓄电池 该电池对环境无害，有较高的比能量和比功率。美国先进电池联盟对该电池 性能给予很大的希望，投入了大量资金 ( 3 ) 锂离子电池 该电池已是美国市场上最流行的长续驶里程电池。其技术的进步使其成为解 决当前以及未来电池问题的一种很好途径。在放电过程中，锂离子从电池负极移 动至! f 正极，而在充电过程中，锂离子由正极移动到负极。其重量轻、能量衰减慢， 并且不存在记忆问题。 3 1 2 4 燃料电池 燃料电池( f u e lc e n ) 是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电 能的发电装置。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它可以 避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。 现在主要使用的燃料电池种类有质子交换膜容纳量电池( p e m f c ) 、熔融碳 酸盐燃料电池( m c f c 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 。世界各国的研发领域 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 都将燃料电池作为理想的燃油替代能源。但是在燃料电池的性能技术方面存在的 问题和使用成本相对过高等还需进一步的改善。 综合考虑以上诸多因素，并结合p l u g i n 混合动力汽车对动力储能原件的 需求高比能量，长使用寿命，体积小的特点。本文选用锂离子电池作为动力 储能原件。 3 1 3 混合动力汽车电动机选型 p l u g i n 混合动力汽车的电动机的运行工况比传统混合动力汽车的多。在整 车技术要求上，要求电动机能够以纯电动模式在某一车速下驱动整车，因此，对 电动机的要求更高。其基本原则有：( 1 ) 高性能、低重量和小尺寸；( 2 ) 在较宽 的转速范围内有较高的效率；( 3 ) 电磁辐射尽量小；( 4 ) 低成本；( 5 ) 对制动能 力可以回收。目前，在混合动力汽车上用的最多的是直流电机和交流电机两种。 直流电机是将直流电能转换成机械能( 直流电动