混合动力电动汽车传动系统匹配优化.docx

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混合动力电动汽车传动系统匹配优化

摘要

汽车发展的100年,是人类文明和经济发展迅猛的100年。

如今,全世界汽车的保有量达到了6.7亿辆左右,汽车己与人们的日常生活和生产密不可分。

然而,如此之多的燃油汽车排放所造成空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匾乏,使开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务,电动汽车（ElectricVehjcle简称EV>成为人们最主要的选择之一。

使用电动汽车可实现无污染,并可利用煤炭、水利等其他非石油资源,但由于目前的技术和成本的限制,使其很难商品化,在这种条件下,同时具有电动汽车和内燃机汽车优点的混合动力电动汽车（HybridElectricVehicle简称HEV>异军突起,成为当前解决节能、环保等问题最具有现实意义的途径之一。

近年来,虽然许多国家都投入大量资金人力研究电动汽车,但目前为止动力电池和其它一些关键性技术还没有取得有效地突破,动力电池的续驶里程和充电时间大大制约了电动汽车的发展和普及。

因此,在电池问题解决之前,如何合理地选择这些部件及有关参数,使匹配达到最优,在相同蓄电池条件下,更好地满足动力性要求和最大地增加续驶里程,一直是研究者们追求的目标,也是本论文研究的主要目的。

在本论文中，首先通过对混合动力系统工作原理的分析，选择了并联式结构作为混合动力汽车的驱动方式。

并对所研究的混合动力汽车的总体方案进行了设计，据此对发动机、电机、传动系和电池的参数进行了匹配，初步确定了各部件的参数。

动力系统的参数优化是提高混合动力汽车动力性、燃油经济性的关键。

本文在MATLAB环境中，基于ADVISOR2002-Auto-Size对并联式混合动力汽车动力系统进行了参数优化，并与ADVISOR传统的仿真结果进行了比较，结果表明ADVISOR2002-Auto-Size应用于并联式混合动力汽车动力系统性能优化是合理的，并具有很强的实用性。

该方法可以最大限度地模拟实际车辆在各种工况下的运行状态及整车的实际工程约束条件,在实验室条件下,实现并联式混合动力汽车动力系统的性能优化。

关键词：

并联式混合动力汽车，参数匹配，ADVISOR，动力系统优化

Abstract

Thedevelopmentofautomobilesrepresentsforthedevelopmentofthehumancivilizationandeconomyforonehundredyear.Nowautomobileshavebeenclosely1inkedwithpeople’slife,anditsquantityhasbeenreachedabout67millions.However,somuchexhaustinducesdeteriorationoftheairqualityandtheresourceoftheoilgetpinchinereasingly.Itisanurgenttasktotheautomobileindustrytodevelopnewtypesofautomobilewithlowexhaustandlowoilwear.Naturally,ElectricVehicle（EV>becomeprimaryamongpeople’schoice.

Recently,althoughtherearelotsofcountrieswhichhavelaunchedintolargefundandmanytalentstostudyelectricvehicle,dynamicbatteryandcertainkeytechniqueshavenotbroughtthrougheffectivelyuntilnow.Therangeandchargingtimeofbatterylimitedpopularizationanddevelopmentofelectricvehicle.ThereforehowtoselectthesepartsandrelationalParametersreasonablymakestheelectricvehiclemeettherequestofdynamicperformanceandrangewhichisthegoalpeoplestudied,thenwhichistheimportantcontentofthepapers.

Inthepapers,Wefirstworkontheprincipleofhybridsystemsanalysis,selectionappliedtourbanvehicleparallelhybridsystemforthestudy.Andthestudyofhybridvehicledesigntheoverallprogram,accordingtotheengine,motor,drivesystemandsuper-capacitormatchingparameters,initiallysettheparametersofeachcomponent.

Powersystemparameteroptimizationistoimprovethepowerofhybridvehicle,fueleconomythekey.ThisarticleintheMATLABenvironment,basedonADVISOR2002-Auto-Sizeparallelhybridvehiclepowertrainparameterswereoptimized,andwiththetraditionaloptimizationADVISORsimulationresultsarecompared,resultsshowedthatADVISOR2002-Auto-Sizeforparallelhybridvehiclepowertrainperformanceoptimizationisreasonable,andhasgoodpracticability.Themethodcansimulatethevehicletomaximizetheoperationalstatusofvariousoperatingconditionsandtheactualvehicleengineeringconstraints,underlaboratoryconditions,toachieveparallelhybridvehiclepowertrainperformanceoptimization.

KEYWORDS：

parallelhybridelectricvehicle,parametermatching,ADVISOR，powersystemoptimization

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

从汽车发明到现在,不过短短的100年时间,回顾这100年的历史,可以看到汽车扮演了促进经济发展和社会进步的重要媒介,汽车工业己成为世界和各国经济发展的支柱产业。

汽车工业的发展涉及许多产业部门的发展,带动了石油化工、钢铁冶金、机械制造、有色金属工业、橡胶工业、纺织工业、电子工业等的发展并促进了城市的市政建设,以及与汽车相关的服务业的发展。

汽车是现代文明的重要组成部分,一百年来的科学技术与文化的成果,都融进到汽车技术之中,从而使汽车成为人类智慧的结晶。

随着汽车保有量的增加,汽车速度的不断提高,高速公路网络的日益发达,小汽车进入家庭的范围不断拓展,极大的改善了人们的生活,扩大了人们的活动半径,适应了现代化工业的需要,同时,也缓解了由于工业化和城市化带来的弊端。

然而,人们在享受汽车文明的同时,也必须面对汽车带来的负面影响:

环境污染问题和石油能源危机问题。

在本世纪的最后几十年,节能、环保、新能源等字眼越来越紧密的与汽车联系在一起,为解决环境污染问题和石油资源危机问题,研制更节能、更环保、使用替代能源的新一代交通工具,成为当今各国汽车工业界的当务之急。

纯电动汽车或零排放燃料汽车无疑是我们的最终目标,但目前的电池技术阻碍了电动汽车的发展和应用,专家们估计短时间内燃料电池技术难有重大突破,电动汽车暂时还无法取代燃油发动机汽车。

在这种情况下,一种两全其美的方案应运而生,即开发所谓的混合动力装置的汽车。

这种汽车就是将电动能与辅助动力单元（API>组合在一辆汽车上做驱动力,这种混合动力装置发挥了燃料发动机持续工作时间长、动力好的特点,又可以发挥电动机无污染、低噪声的优点,二者“并肩战斗”,取长补短,汽车的热效率可提高10%,废气排放可降低30%。

汽车行业的专家们一致认为,混合动力车将是世界汽车行业今后较长时间内主要发展方向

。

目前,作为曾经推动人类文明向前跃进发展的传统汽车工业正面临着严峻的挑战,摆在世界汽车工亚可持续发展面前有两大难题,即石油资源的日益匾乏和环境污染加重,这两大难题在我国表现得更为突出。

传统的汽车消耗的能源几乎完全依赖石油制品,汽车保有量逐年上升使能源问题逐渐成为汽车可持续发展的一个重要因素。

随着汽车工业的快速发展,汽车的保有量和年产量迅速增加,1990年全球汽车产量为1000万辆,汽车保有量为6900万辆,到1988年年产量猛增到4800万辆,保有量达到5.3亿辆。

这些汽车要消耗数亿吨的石油制品,相当于全球石油产量的一半,特别是随着汽车在诸如亚洲、拉美等一些新兴的汽车市场的普及,将进一步加剧石油的消耗量,但石油作为不可再生的能源,在地球上的蕴藏量是有限的。

据有关专家估计,地球上己探明的石油储藏量将在40一50年内消耗殆尽。

而对我国形势则更为严峻。

根据1995年的统计数字,我国石油资源可开采量仅为3.288*109吨,占世界总储量的3%,仅供我国开采20年左右,目前,我国的汽车保有量为1400多万辆,随着国民经济的飞速发展和人均收入的逐渐提高,汽车保有量将迅速增加。

据统计,1990年我国在用汽车汽油消耗量为1962万吨,柴油消耗量489万吨,2000年在用汽车汽油油耗销量为5526万吨,年增长率为20%,柴油消耗量为1705万吨,年增长率为42.7%,估计到2018年,我国的汽车油耗将达8000万吨左右

原油需求达3.6亿吨左右,近一半的原油需要进口。

因此,在21世纪,能源问题,特别是具有战略地位的石油资源问题,己经成为世界范围内迫切要求政府和科学工作者认真对待和优先解决的问题。

另一方面,汽车对社会环境的污染也相当严重。

内燃机汽车排放的废气是一种分散的流动污染源,工矿企业的排放是集中的固定污染源,后者易于控制与治理,前者往往在居民集中区排放污染物。

现代城市高层建筑鳞次栉比,使汽车的排放污染物不易扩散,造成局部地区的排放物浓度过高,同时汽车排放物的高度恰好在地面附近,处于人们呼吸的空间区域,因此,它对人体的健康威胁最大。

汽车尾气排放的主要污染物主要有:

一氧化碳（CO>、氮氧化合物（NOx>、碳氢化合物（HC>、二氧化硫（SO2>等气体以及微粒。

据估计,大气污染的60%来自于内燃机汽车。

在美国排放到大气中的污染物中66%的CO、43%的Nox、37%的铅、31%的碳氢化合物、20%的微粒来在燃油汽车。

在英国,交通车辆排放的NOx占50%,CO占80%以上。

其他国家内燃机汽车所引起的大气污染同样严重。

据北京环保部门测定,市区大气污一染在夏季的67%,冬季的3%由汽车造成。

1995年6月在上海外滩,过高的汽车尾气排放污染己导致了光化学烟雾事件,城市居民中患呼吸道疾病的人数逐年上升,交通民警执勤人员的人均寿命降低,交警己成为危险的职业之一

。

内燃机汽车尾气排放污染己成为危害人类健康的一大公害。

为此各国的汽车尾气排放法规制定的日趋严格

我国也规定在2018年实现与国际标准同步。

面对环境污染和石油资源危机问题,全世界各国不得不积极开发和推广电动汽车、代用燃料汽车为主要内容的新型交通工具,即所谓的“绿色汽车”近十年来,美日等汽车发达国家和、跨过公司己在“绿色汽车”领域投入了超过100亿美元的资金,并且以每年不少于10亿美元的力度继续开发。

从美国政府对新一代汽车伙伴计划（PNGV>的建立和执行的情况来看,“绿色汽车”己成为跨国汽车公司和先进工业国家战略发展的重要内容,也对我国汽车产业结构调整提供了有益的借鉴

。

经过对各种新能源、新燃料、新动力的探索,电动汽车成为最主要的选择之一。

电动汽车主要包含纯电动汽车（即EV>、混合动力电动汽车（即HEV>和燃料电池汽车（FuelCellVehiele简称FCV>。

纯电动汽车是当前能满足“零排放”要求的首选方案,电动汽车运行中没有污染,如果发电厂以核能、水利、风能、太阳能或天然气为能源发电,对大气的污染会很小,而远离城市的火力发电厂对人们生存环境的影响也可以控制。

在市区内行驶,电动汽车的能量效率比普通燃油汽车高40%左右

；电动汽车也可以利用用电低谷时的电网富裕电能,这可以平衡电网的负载,提高电网能量的利用率。

除此之外,电动汽车还具有低噪声、低热辐射、易操纵和易维护等优点。

因此,人们对电动汽车寄予了厚望。

然而,由于电动汽车的关键技术一电池技术的制约,电动汽车的性能价格比远远不能达到推广应用的标准。

其主要障碍是:

电池的能量密度极低,因此电池组的质量较大,导致电动汽车一次充电的续驶里程和动力性能无法达到目前内燃机汽车的水平

；此外,电动汽车空调和暖风的使用必须充分考虑其能量消耗对电动汽车续驶里程的影响,乘员的舒适性受到限制。

充电站的投资巨大,电池组价格昂贵,循环寿命有限,频繁更换电池的成本是难以接受的。

这些问题在短期内难以解决,严重的限制了汽车的实用化和商业化,产业化前景并不看好。

燃料电池汽车具有极高的效率,低排放、低噪音的特点,其甲醇燃料具有广泛的来源,并具有可再生的巨大优势,已成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点,被誉为21世纪改变人类生活的十大高科技之首,但产业化道路仍需要较长的时间。

与电动汽车和燃料电池汽车相比,混合动力电动汽车一次性能源仍然是燃油,只是在电动机的辅佐下以更有效的方式将燃油的能量转换为机械能而已,因而具有续驶里程长。

机动性强等传统燃油汽车的特点；在某些对汽车排放严格限制的地区（如环保示范区、旅游区等>可以关闭发动机,采用纯电动方式行驶成为零排放的汽车；故混合电动汽车对电池的依赖程度低,可大幅度降低蓄电池组的体积和重量,串联式混合电动汽车的电池重量仅为电动汽车电池的1/3,并联式还可比串联式再减少重量的1/3；由于混合动力汽车可以不从外部电源充电,因此可以节约大量的充电基础设施投资,所以混合动力汽车的性价比明显优于电动汽车。

据丰田公司介绍,该公司生产的RVA4EV电动汽车售价为495万日元/辆,所装载的镍—金属氢电池总质量达480Kg,而该公司安装镍一金属氢电池的混合动力汽车售价仅为215万日元/辆,其装载的电池总质量仅为80Kg

。

根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议,混合动力电动汽车是指由两种能源或转换器等作驱动能源,其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。

根据这个定两种以上的储能义,混合动力电动汽车有很多种形式,有内燃机和蓄电池混合,蓄电池和燃料电池混合,蓄电池和超大容量电容器混合,蓄电池和飞轮混合等。

为了避免混淆,专家们采用内燃机和蓄电池混合的动力来代表混合动力电动汽车。

近年来,虽然许多国家都投入大量资金人力研究电动汽车,但目前为止动力电池和其它一些关键性技术还没有取得有效地突破,动力电池的续驶里程和充电时间大大制约了电动汽车的发展和普及。

因此,在电池问题解决之前,如何合理地选择这些部件及有关参数,使匹配达到最优,在相同蓄电池条件下,更好地满足动力性要求和最大地增加续驶里程,一直是研究者们追求的目标。

1.2国内外研究现状

混合动力汽车通过内燃机和发动机的有机结合,具备了内燃机汽车加油方便、续驶里程长和纯电动汽车污染少、效率高的特点,成为当今世界汽车界竞相开发的热点。

丰田的prius、本田的Insight、福特的Prodigy、克莱斯勒的ESX3、通用的Preeept、日产的Tino等都是具有代表性的车型,其中prius和Insight已是成熟的产品,并将继续扩大生产规模,其它车型也将在2—3年推向市场。

我国也非常重视混合动力电动汽车的研制与开发,一些单位已进行了一些初步的工作,并取得了一定的成绩,国家科技部已将其作为“十五”863重大专项内容。

1.2.1国外HEV研究现状

第一辆HEV是在20世纪初期由设计者将电动机和汽油发动机组合在一起而制成的

。

从那以后,混合驱动系统经过不断的发展己取得了相当大的进展。

随着科学技术发展,HEV已发展成为汽车电力驱动、化学电源、智能控制、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新技术集成和综合的产物。

在国外,汽车发达国家由于受到石油资源和环境污染的巨大压力,率先对电动汽车进行了研究,目前其混合动力电动汽车已达到了商品化程度。

90年代以来,日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车。

日本丰田汽车公司率先于1997年12月将混合动力型Prius轿车投放本国市场,2000年初又开始投放北美市场,并将月产由1000辆调升到月产2000辆,三年内销售了4.5万辆,产品出现了供不应求局面,初战告捷,不仅震动了全球汽车厂商,而且也大大鼓舞了丰田汽车公司的全体员工,丰田公司计划到2008年时,混合动力汽车达到年产80万辆,据国外专家预测在未来的十年内,可能有40%的汽车均将采用混合动力技术。

除了丰田公司以外,本田公司也已投产Insight混合动力汽车。

在美国环保总署评为2003年美国十大节能汽车中本田公司的Insight混合动力汽车第一名,第二名则为丰田汽车公司的Prius混合动力汽车。

在美国,由政府动员全美所有有关的科研机构（包括军工、航天部门>来进行电动汽车的研究,目标是新的节能车必须保持现有汽车的价格和性能,并且电动汽车包括混合动力电动车的购买者享有政府提供的各项税费减免优惠。

在此情形下,美国能源部与三大汽车公司鉴订了混合动力汽车开发合同（PNGV工程>,其中通用和福特汽车公司各投入1.48亿美元,克来斯勒投入8480万美元,进行为期5年的研制开发工作,三大公司于1998年在北美国际汽车展上分别展出了混合动力汽车样车,迄今己开发出多种形式的混合电动动力汽车,例如克莱斯勒的ESX3、福特的PZOOO、通用的Gent等。

PNGV工程在HEV性能仿真、汽车集成动力模块等技术领域取得了显著成就

。

在欧洲,各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车。

其HEV的突出代表是法国的Berlinge,在性价比上能与一般汽车相抗衡,代表了国际实用先进水平。

法国雷诺公司研制的VERT和HYMNIE两款混合动力汽车已进行了10,000公里的运行实验。

德国西门子和波许（BOSCH>等著名零部件公司也积极参与大汽车公司联手开发混合动力汽车技术。

1.2.2国内HEV研究现状

我国对电动汽车的研究起步并不晚,但在规模上与投入力度上不能与发达国家相提并论。

九十年代中期在有关专家的呼吁下,开始对混合动力电动汽车技术表示出了极大的关注,并积极着手研制开发样车,例如厦门金龙汽车公司与清华大学合作,研制了串联式混合动力中巴。

现在投入混合动力电动汽茱研制工作的产、学、研单位已不下十余家,但大都规模较小,经费短缺,技术较低,技术方案大多雷同,甚至重复。

2000年以来,在国家科技部部署下,成立了国家863电动汽车重大专项小组,以东风汽车公司,中科院所属的相关科研院所以及清华大学、华中科技大学等高校为主要成员单位对混合动力电动汽车展开了研制,目前已完成阶段性的成果,并有部分样车投入试运行。

力争在近年内完成提高核心竟争能力,建设公共技术平台、推进商品化示范运营等一系列产业化工作。

近些年来国内汽车公司也着手研发HEV。

“十五”电动汽车重大专项己经开花结果,己经开发了红旗牌混合动力轿车FIG1一2Hongqi。

2002年,长安公司着手研发混合动力汽车,经过4年的努力,长安公司己掌握了混合动力汽车的核心技术,建立起了19项企业标准,形成了自己的产品开发流程和工程管理模式,并推出我国首款具有实用价值的混合动力汽车长安CV9。

比亚迪公司也于2007年推出他们的首款混合动力电动汽车F3DM。

这些HEV开发的成功,使我国HEV技术跃上了一个新台阶,标志着我国的HEV技术达到了新的水平。

1.3HEV关键技术的研究

HEV的关键技术包括车身结构设计、发动机的设计、电机及其控制技术、储能元件、动力系统参数匹配、多能源控制策略以及HEV的仿真技术。

只有将这些关键技术合理运用到一起才是HEV能够推广的关键所在。

1.3.1车身与结构设计

HEV车身的设计有两种基本方法，一种是改造现有车辆，二是针对不同技术要求进行专门设计。

根据原有车辆进行改装，就是要在原有燃油汽车的结构基础上，增加一套储能元件-电动机驱动系统。

由于可以采用原有的汽车底盘，对于小批量的生产和实验而言，这种方法确实比较经济实惠，但对于绝大部分改装汽车而言，自重过大、质量分配不均等缺点是其难敌克服的，而且会对汽车的动力性能产生负面影响。

HEV大部分有特定的设计目的，这种特定设计的车型使得HEV与改装车相比有很大的优势，它使得设计者可以灵活地布置和整合各子系统，使之能够高效地运行。

与传统燃油汽车相比，HEV由于有发动机和电机两套驱动系统，所以在结构设计方面相对灵活。

1.3.2发动机技术概述

发动机是HEV的主要动力源，要求其燃油经济性好、排放低。

经过一个多世纪的发展，车用发动机在动力性、经济性以及排放方面有了很大的改进，特别是近年来增压中冷、电控燃油喷射、排气再循环、高压共轨、可变进气涡轮、和催化后处理等技术的研制，使得发动机的性能较之以前有很大提升。

作为一种非常成熟的动力元件，发动机在HEV上的应用难度不大。

1.3.3电机及其控制技术

纯电动车对驱动电机的要求与串联式系统相似，电机要求体积小、效率高、有较好的控制性能。

在并联和混联式结构系统中要求电机能够适应频繁的起停和电动/发电状态的切换。

在并联系统轻度复合的结构中，对电机功率要求不高，可采用与发动机曲轴同轴的布置结构，进一步减小了电机的体积和重量。

1.3.4储能元件

为了提高HEV动力系统的能量利用率和整车的动力性能，在选择合适的辅助动力元件的基础上，还需要装备比能量密度较大、而且能够瞬时提供较大功率的储能元件。

目前应用较多的主要有铅酸电池、镍氢电池、铿离子电池和超级电容等。

现在的超级电容表现出的储能密度为每千克5至6瓦时。

超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的比表面积。

超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。

该距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。

这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。

1.3.5动力系统参数匹配

<1）根据性能指标和整车参数的设计要求，合理运用汽车理论的相关原理、公式计算各动力系统主要部件的参数。

<2）在工况分析的基础上对电动汽车进行设计是一种比较成熟的方法，工况分析的主要工程包括：

典型工况、特殊工况和工况适应性分析。

工况分析的目的是获取车辆能量和动力的需求，根据车辆的能量和动力需求分析可以得出动力系统的系统能量和动力性能的最低需求，并对其各主要部件提出合理的参