完整版插电式混合动力汽车动力耦合机理研究本科生毕业设计Word格式文档下载.docx

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学士学位论文（设计）作者签名：

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摘要

插电式混合动力汽车作为传统混合动力汽车向纯电动汽车转型的中间产物，它凭借其良好的节能环保效果和优越的续驶能力受到人们的青睐。

动力电池与发动机之间的耦合控制直接关系到整车性能的好坏。

本文把动力耦合装置简化为一个三端口、两自由度的控制模型，通过锁止行星齿轮机构的不同组件来实现发动机和动力电池之间的转速、转矩和功率耦合。

在此基础上，提出了一种由行星齿轮组件和齿轮副组合而成的动力耦合装置，它能够实现不同耦合方式间的自由切换。

为了验证此种耦合装置对提高整车动力性和经济性的效果，进行了整车仿真分析。

首先通过积分变化建立了动力系统的数学模型；

然后在matlab/simulink中搭建了各个子模块的控制模型，采用前向仿真的方式在CRUISE中搭建了整车仿真平台，把控制模型和整车模块进行对接；

最后对在NEDC和FTP75循环工况下得到了整车的动力性和燃料经济性仿真结果。

相比传统的内燃机汽车，此种动力耦合装置的插电式混合动力汽车具有很好的节能效果，其动力性也能很好的满足人们日常使用的需要。

关键词：

插电式；

耦合；

前向仿真；

行星齿轮；

simulink；

CRUISE；

Abstract

MoreandmoreattentionisdrewtothePlug-inhybridelectricvehiclesinpublicbecauseofitsexcellentperformanceinfuel-economicandenvironmentprotection,andlongdrivingrange.Thevehiclesactasintermediateproductsfromconventionalhybridelectricvehiclestopureelectricvehicles.Thecontrolofthedynamicalcouplingbetweentheengineandthebatterymakesabigdifferencetotheperformanceofthevehicles.Inthisthesis,thecouplingequipmentissimplifiedasathree-portsystemwithtwofreedom.Acertaincouplingrelationshipbetweentheengineandmotorbyspeed,torqueandpowerisgotbylockingdifferentpackoftheplanetarygear.Anewcouplingequipmentcombiningagearsetandplanetarygearsetcomesupinthisdissertation.Itcanshiftfreelyamongthedifferenttypesofthecoupling.Itisessentialtoperformthesimulationofthevehicletoverifytheimprovementinfuel-economicanddynamicsofthisdevice.First,aseriesofmathematicalmodelsareestablishedthroughintegraltransformation.Next,thesub-modularsofthecontrolsystemaresetupinthematlab/simulink.Atthesametimeaforward-simulationvehiclemodelisfoundedinthesoftwarenamedCRUISE.Thereforeitistimetomakeaconnectionbetweenthetwomodelsabove.Finally,thesimulationisimplementedduringtheNEDCandFTP75drivingcycletogettheresultoftheeconomicanddynamic.Astheresult,thefuel-economicandpoweroftheplug-inelectricvehiclesmountedthiscouplingdevicecansatisfytheneedsofthepublicasexpected.

Keywords:

Plug-in,coupling,forward-simulation,Planetarygear,simulink,CRUISE

第一章绪论1

第一章绪论

1.1插电式混合动力汽车的研究背景

“能源、环境和安全成为二十一世纪汽车行业发展的三大主题”。

在世界范围内，随着能源危机的日益加剧和地球环境的逐渐恶化，以内燃机为动力的传统汽车工业的可持续发展遇到了由资源和环境带来的双重挑战。

在能源问题中最为突出的是车用能源供应体系对石化燃料的高度依赖。

目前，石油成为全世界依赖度最深的能源，而汽车运行材料几乎全部依赖于石油的炼制品。

国际能源机构对能源消耗分布的的统计结果表明：

全球的交通运输领域在石油的消耗占所有行业石油消耗量的一半以上，并且呈现明显的增加趋势，预计到2020年将占全球石油总消耗的以上。

全球机动车的保有量也在逐年增加，在2012年的销售统计中，已经超过了十亿辆，每年都在以三千万辆的速度增长，预计到本世纪中叶将达到三十五亿辆。

随着全世界汽车保有量的持续高速增长，汽车上日益增多的能源消费与有限的石油资源供应之间的矛盾日趋突出。

中国的石油资源相对比较贫乏，从1993年起中国的石油已经不能满足本国的消费需求，首度成为石油净进口国，此后石油的对外依存度以很快的速度逐年增加。

2009年我国石油对外依存程度已经高达，超过百分之五十的，这意味着中国能源已经从向方向转变，2011年甚至超过了美国，达到56.%。

随着能源消费的持续快速增长，我国石油的对外依赖度仍将不断扩大，预计到2015年将达到百分之六十，2020年达到百分之六十五，对汽车行业而言，到2020年我国汽车用油缺口预计将达到数亿吨[1]。

环境污染方面最为突出的影响是由汽车尾气排放而引起的大气污染。

据国家环境部门统计，2010年，我国机动车排放污染物总量高达5.2亿吨，在这当中，汽车排放的污染物总量最多。

随着人民生活条件的改善，道路的服务水平不断提高，随之而来的是汽车总量的迅速增加，汽车尾气排放量将会急剧增多。

目前，汽车尾气排放已成为影响各城市大气污染程度的关键因素之一。

此外，能够造成温室效应的二氧化碳气体排放中，有百分之二十五是来自于汽车尾气，我国的二氧化碳排放量已居全球第二位。

汽车尾气对大气环境造成的污染日益严重，成为大气环境污染中最为棘手和亟待解决的问题之一[2]。

发展和推广使用新能源汽车也是实现我国能源战略安全和保持汽车工业可持续发展的必然趋势。

就目前的技术条件和制造水平而言，纯电动汽车和燃料电池汽车存在一些关键技术上的难题而没有得到推广。

混合动力汽车则具有较好的产业化基础，还能有效的解决传动内燃机带来的能耗和排放问题，因此得到各大汽车厂商的青睐，得到快速的推广和应用。

表1.1详细比较了混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车发展中的优势与不足[4]。

表1.1纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力汽车的特点

近年来插电式混合动力汽车（Plug-inHybridElectricVehicle:

PHEV）是大家研究的一个新方向。

插电式混合动力汽车（PHEV）是指具有大容量动力电池并且可以利用外界电网对动力电池进行补充充电的混合动力汽车。

插电式混合动力车辆可以仅在动力电池驱动时行驶较长的里程，在动力电池能量不足时，发动机开始启动，切换到传统的混合动力模式下工作，因此它可以在很大程度上实现零排放，而且还可以利用外部公用电网设施对车载动力电池组进行充电，减少燃油的消耗，降低车辆使用成本[5]。

PHEV能够很好发挥传统内燃机汽车续驶里程远和电动汽车零排放的优点，集节能环保于一身。

因此国内外各大汽车制造厂商都把插电式混合动力汽车列为自己重点研发的项目，认为其具有很好的应用前景。

1.2国外插电式混合动力汽车（PHEV）技术发展简介

美国政府十分重视插电式混合动力汽车的研发，在2008年其能源部就宣布了相关的插电式混合动力汽车技术的研发与示范计划。

这项计划大约为期三年（2008~2010年），先后投入了3000万美元用以PHEV的研发，而且在不同地区进行了实车道路运行试验，不断提高改进电池性能，已经实现了在纯电动模式下行驶40mile的目标。

最具代表的车型是通用汽车公司在2007年的底特律车展上发布的Volt概念车。

通用汽车公司在2008年9月发布了的雪佛兰4座插电式混合动力汽车Volt的量产车型，在2010年下半年该系列车型在美国底特律的整车工厂生产发售[6]。

图1.1美国插电式混合动力汽车Volt

雪佛兰Volt电动汽车发动机和电池之间采用的是串联的方式，发动机输出的动力不是直接用来驱动车辆前行，发动机发出的动力用来为动力电池发电，动力电池通过线控传动技术带动电机驱动车轮前进。

纯电动行驶里程约为64km。

16.5kw的锂离子动力电池组箱体采用T型结构，长1.7米，布置于车体中部和后排座椅下。

除Volt以外，美国开发的插电式混合动力汽车代表车型如下[7]：

①通用汽车公司的GreenLine整车使用锂离子电池作为电池组，其在纯电动状态下续驶里程大约15mile（约24km）；

②通用汽车公司的SaturnConcept，在电动汽车平台开发，采用“E-Flex”串联方式，纯电动续驶里程达34mile（约54km）；

③福特汽车公司的Escape混合动力SUV，采用功率为10kw的锂电池组，纯电动续驶里程达30mile（约48km）。

在日本，丰田是最早开始研发混合动力汽车（HEV）的汽车公司。

丰田公司的Prius是全球销量最高的混合动力汽车，该公司在Prius车型的基础上，开发了插电式混合动力汽车。

2009年，丰田公司推出了第三代Prius插电式混合动力车型。

第三代Prius插电式混合动力，整车搭载了高性能的锂离子动力电池，额定电压为345V，电池容量达到，可以通过普通的居民用电为其进行补充充电。

这款车在城市循环工况下纯电动行驶里程为25km，纯电动行驶时最高车速可达100km/h[8]。

本田公司也是日本研发量产销售混合动力汽车最早的汽车制造商之一。

本田公司开发的Insight混合动力汽车燃油效率很高，燃油经济性可达。

接着本田公司在2002年推出了思域混合动力车CivicHybrid，该车型具有很好的动力性和燃料经济性。

2004年12月，本田推出一款混合动力版Accord，该车配备先进的燃料混合系统和可变气缸管理技术，使得燃油经济性得到大幅度的提高[9]。

欧洲各大汽车公司也十分重视插电式混合动力汽车的研发。

法国雷诺汽车公司研制的和两款插电式混合动力汽车已在法国进行了一万公里的道路运行试验。

瑞典的沃尔沃汽车公司开发了一款插电式混合动力卡车，该车型是基于沃尔沃改装而成的，最高车速达。

大众汽车公司与德国政府制定了共同开发插电式混合动力汽车的新能源合作计划，2011年大众公司成功研发出第六代高尔夫插电式概念车。

奔驰汽车公司在2009年法兰克福车展上推出了插电式混合动力，该车纯电动行驶里程可达。

宝马汽车公司也推出了插电式涡轮增压柴油混合动力概念车—宝马VisionEfficientDynamics[10]。

1.3国内PHEV技术发展概况

中国政府很早就认识到新能源汽车对国民经济和节能环保的巨大促进作用，1992年，国家科工委第一次把电动汽车列入国家重大攻关项目，1996年把电动汽车列入国家“九五”重大产业研发项目。

科技部在“十五”规划期间特别成立了“863电动汽车重大专项”。

作为纯电动汽车的前期产品，插电式混合动力汽车在中国的研发处于刚刚起步阶段，各大整车厂家都在积极进行技术探索和产品引进。

在中国的汽车制造商中，比亚迪在汽车电池的研发和技术创新方面一直走在前列，在这次产业技术浪潮中走在了前列，成为国内插电式混合动力电动汽车的领军人物[11]。

在开始阶段，比亚迪在2008年推出了一款TX2双模电动车，这款汽车具有纯电动和混合动力两种模式，可以通过家庭电网进行补充充电来在纯电动模式下运行，也可以通过在加油站补充加油提高它的续航能力。

驾驶者通过简单的操作，即可轻松实现纯电动和混合动力两种模式之间的自由切换。

此外，比亚迪还推出了双模电动车，该车使用比亚迪自主研发的铁电池，这种电池的原材料广泛、无污染、可回收，其耐热性、抗压性都已达到国家要求的使用标准，而且电池循环充电能力非常好，在2000次充放电之后电池容量还能保持以上，在实际使用过程中可达到4000次左右。

2012年比亚迪推出了全新的插电式混合动力汽车秦，该车混合动力模式下零到百公里加速时间仅为5.9秒，运行最高车速可达，节油效果显著，百公里油耗在3L以内。

在纯电动模式下，秦能够达到将近50公里的行驶里程，能够满足人们在市内日常出行的需要。

长途旅行可以开启混合动力模式，也可以采用1.5TID的黄金动力总成单独驱动，完美体现了插电式混合动力汽车的独特优势[12]。

第二章混合动力汽车的分类和动力耦合原理

2.1混合动力汽车的概念和动力总成

国际电气工程协会对的定义为：

以两种或两种以上储能机构或者能量转换装置作为动力源，至少有一种动力源通过电能进行驱动行驶的车辆[13]。

在这个比较宽泛的定义中，凡是具有多个动力来源，且能够采用电能驱动的车辆都可以称作混合动力车辆，因此可以把混合动力汽车分为油电混合、气电混合、电电混合等多种不同的混合行式。

本文采用已被广泛接受的传统HEV概念：

是指以混合作为能源组合方式，整车采用发动机和电机进行驱动的汽车。

动力总成是混合动力汽车最为核心的总成部件，它是汽车上用来存储、传递和转化能量并且为车辆提供符合驱动要求功率的所有装置或机构的总称，具体包括车载能源、动力装置、传动机构和其他辅助装置四个部分。

（1）车载能源一般是指汽车上用于存储其他形式的能量或把其他形式的能量进行初始转化进而向动力装置提供最初机械能的部件或者总成。

例如，传统内燃机汽车的车载载能源为油箱，燃料电池电动汽车的车载能源由氢气罐或储氢金属和燃料电池堆两部分组成。

（2）动力装置是用于把其他形式的能量转化为车辆行驶所需机械能的装置，并直接作为传动系的输入，如传统汽车的内燃机，电动汽车的电机。

（3）传动系是用于调节和传递动力装置输出的动力，使之与汽车行驶时驱动轮处要求的理想动力达到较好的匹配的所有部件的总称。

传动系与动力装置配合工作，保证汽车能够行驶在不同的工况条件下，同时能够满足车辆动力性的要求，得到尽可能低的燃料经济性。

（4）辅助装置是指在汽车传动系中，用于从动力装置中获取动力，区别于直接驱动车辆，主要用于维持汽车良好的调控特性、舒适性等所有部件的总称。

插电式混合动力汽车本身就是一种混合动力汽车，主要区别在于它的车载动力电池组能够利用电网进行补充充电，纯电动续驶里程比较长，在动力电池电量不足时，仍可以工作在混合动力模式。

因此，插电式混合动力的动力电池组的容量比较大，驱动电机的功率比较大，而发动机的排量相对于常规的混合动力汽车来说比较小。

一般情况下，在动力电池组经过电网完成充电后，汽车在行驶时首先在纯电动模式下工作，直至动力电池组电量达到所规定的极限时，发动机开始运行，整车自动切换到传统的混合动力驱动模式，而此时动力电池组保持在一个较低电量的状态，直至经过下一次电网充电。

插电式混合动力汽车按照动力传动的路线以及发动机和车载电源之间能量耦合的方式不同可以分为串联式、并联式和混联式，下文具体介绍几种形式的插电式混合动力汽车的工作原理和特点。

2.2串联结构的插电式混合动力汽车

串联插电式混合动力汽车的动力总成由发动机、电动机、发电机、蓄电池、逆变器组成，如图2.1。

在开始起步阶段，蓄电池提前经过一个周期的充电，电量充足，此时在整车控制器的控制下，发动机不工作，蓄电池提供汽车行驶的全部动力，即为纯电动驱动模式；

当汽车需要加速行驶时，加速功率超过蓄电池所能提供的最大功率时，此时发动机开始驱动发电机工作，发电机与蓄电池共同提供的能量经过逆变器转化成定频定压的电流驱动电动机旋转，进而为驱动轮提供加速转矩，此时进入发电机和蓄电池混合驱动模式；

当汽车完成加速进入匀速行驶模式时，所需的功率减小，发动机仍能输出较高的功率，除满足车辆行驶外，剩余的电量为蓄电池进行强制补充充电；

如果汽车在减速行驶时，此时电动机转速低于车轮转速，电机被反拖发电，制动能量回馈利用，为蓄电池进行充电。

图2.1串联式PHEV的结构简图

由此可以看出发动机不直接驱动车轮，而是用来带动发电机运转产生电能，和蓄电池一起来带动电动机运转或对蓄电池进行补充充电，车辆的直接驱动机构是电动机，能够很好地匹配驱动系统。

在发动机与驱动系之间布置了起缓冲作用的电动机，取消了二者的机械装置连接，这样可以在很大程度上减少路面上的瞬态载荷对发动机工作性能的影响，从而使发动机能够优化自身的燃油喷射和点火正时控制，使其工作在十分理想的工况点附近，获得较好的动力性和燃料经济性，经常保持在高效、稳定、低污染的运转状态。

在串联式混合动力汽车的结构中需要将发动机、发电机、电动机以及蓄电池等几大部件总成装配在车身底盘上，虽然它们之间大都是采用电气连接，在布置时可以不考虑彼此间位置的影响，但各个子部件的额定功率相对较大，使得整体的外形尺寸和整车质量也随之增大，所需的布置空间就比较大，因此，在中小型汽车上布置存在一定困难。

由于驱动系统最末端只有一条能量提供路线，如果电力驱动系统出现故障，车辆将不能正常运行。

同时在

驱动系统中能量传递链较长，在的相互转换过程中，能量损失比较大。

源于发动机的能量经两次转换过程才传递驱动轮，能量的综合利用效率相对于传统内燃机汽车的一次转化较低，因此串联结构的PHEV适合在城市大型客车上使用。

2.3并联结构的插电式混合动力汽车

并联式PHEV的系统结构如图2.2所示，汽车行驶的动力由发动机、蓄电池-电动机单独或者通过机电耦合装置联合提供。

在汽车起步加速时，根据驾驶员踩下加速踏板的力度，整车控制器判断是采用纯电动模式还是混合驱动模式。

汽车缓慢加速时，若发动机启动，则动力仅靠发动机提供；

如果所需加速功率较小，则采用纯电动驱动。

当车辆在低速巡航行驶时，由于整车所需功率较小，为了避免发动机工作在低负荷低效率区域，采用纯电动模式；

当车辆行驶速度很高时，驱动功率满足发动机高效工作区要求，发动机开始工作，整车进入混合动力驱动模式，在这个阶段通过增加蓄电池-电动机输出的功率来满足汽车急加速重载荷的工作条件。

当汽车高速巡航时，此时发动机工作在其运转经济区域，为了提高整车的能量利用效率，仅有发动机提供所需的驱动力。

当汽车减速制动时，发动机停止工作，此时车轮带动电机进入再生发电模式为动力电池充电。

图2.2并联式PHEV的结构简图

由于并联式PHEV主要由发动机、蓄电池-电动机两大总成组成，两大动力总成可以进行功率叠加，当发动机与电动机的功率比较低时仍能满足要求，因此可以大大缩减动力系统装配所需的空间，降低了的整备质量，使整车生产成本大幅降低。

并联式PHEV的发动机和电动机可以通过机械联轴器与驱动桥直接相联接，在发动机和驱动桥的联轴器间有电磁离合器可以控制发动机的输出动力，能量利用效率较高。

传统内燃机汽车在低速行驶时，发动机负荷较低，后备功率没有得到充分利用，燃油经济性较差，而并联式PHEV此时可以只用电动机来驱动车辆，或者使发动机保持比较合理的负荷状态，后备功率用来驱动电动机进入发电模式，给动力电池补充充电。

相比于串联式PHEV，并联式混合动力汽车的发动机和电动机都可以直接向驱动轮提供转矩，不存在能量的转换，能量损失少；

由于不需要附加的发电机，而且电动机相比于串联式驱动系统中的电动机要小，因此结构紧凑。

2.4混联结构的插电式混合动力汽车

混联结构的混合动力系统同时具备了并联式动力系统的机电耦合以及串联式混合动力的电电耦合的特点。

混联结构的动力装置同时集成了并联结构与串联结构的功能，其结构如图2.3所示。

当蓄电池具有较高的电量且满足整车行驶所需求的功率时，为了避免发动机工作在低负荷和燃油消耗低效率区域，混联混合动力系统以纯电动工作模式工作，关闭车辆的发动机，动力电池给电动机提供驱动转矩，带动车轮前行；

当车辆需求功率增加或者蓄电池能量偏低时，发动机起动工作，若发动机输出功率满足汽车行驶所需功率且蓄电池不需要充电时，此时仅有发动机驱动车辆，此时发动机输出的功率分为两部分，一部分通过行星齿轮直接输出给驱动轮，另一部分经过行星齿轮、发电机、逆变器和电动机后供驱动轮使用；

当汽车需要更大的功率时，整车工作在混合动力模式，此时发动机和蓄电池同时供能；

若蓄电池能量不足或者发动机提供的能量富裕时，实施发动机向蓄电池强制充电工作模式，发动机输出的动力分为三部分，一部分通过行星齿轮机构直接输送给驱动车轮，一部分经过发电机、逆变器和电动机转化后平衡车辆负载，一部分经过发电机、逆变器转化之后为蓄电池充电。

图2.3混联式PHEV的结构简图

混联结构的动力耦合装置的驱动模式的控制策略是：

在汽车低速小功率行驶时，动力系统采用串联结构进行耦合输出动力，充分消耗动力电池储存的能量，从而获得较好的排放性能；

当汽车高速大功率行驶时，动力系统则采用并联结构进行驱动，为车辆提供足够的功率，获得较好的动力性。

混联式混合动力结构采用行星齿轮机构作为动力分配装置，这种机构有两个自由度，可以自由的控制两个动力源，车辆并不是单纯的串联结构或并联结构，而是两种驱动形式并存。

混联式插电混合动力汽车集中了串联结构和并联结构混合动力车辆的优点，更好地实现了在不同的行驶条件下的发动机、电动机、发电机和动力电池组之间转矩、转速和功率的合理分配，充分发挥了插电式混合动力车辆低油耗、低排放的特点。

但是混联式PHEV的动力系统在控制器的设计和动力之间的耦合转换变得更为复杂，同时对动力耦合装置的可靠性要求比较高