基于比亞迪秦PLUS汽車的增程式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究摘要受石油資源減少以及環(huán)境污染影響，電動(dòng)汽車成為未來汽車發(fā)展方向，但目前的電池技術(shù)尚處于發(fā)展階段且純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程存在問題，增程式混合動(dòng)力汽車作為過渡車型之一具有很大研究意義。增程式混合動(dòng)力汽車是在純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的基礎(chǔ)上，配備增程器的混合動(dòng)力汽車。在電量充實(shí)時(shí)車輛純電驅(qū)動(dòng)，電量低時(shí)，增程器工作來增加車輛續(xù)航里程。本次設(shè)計(jì)參考車型比亞迪秦PLUS，分析了解DMi系統(tǒng)的構(gòu)成和原理，在其混聯(lián)式結(jié)構(gòu)上在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間加裝離合器。高速行駛可發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，提高高速時(shí)的整車動(dòng)力性；中低速時(shí)可使用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)或者純電動(dòng)；高速、大功率需求時(shí)（對(duì)應(yīng)車輛高速加速或高速上坡）可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)三者并聯(lián)驅(qū)動(dòng)；高速、小功率需求時(shí)（對(duì)應(yīng)車輛高速減速或高速下坡）可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)+電機(jī)發(fā)電、電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)等多種模式驅(qū)動(dòng)；中低速大功率需求時(shí)（對(duì)應(yīng)汽車中低速加速或上坡）可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)（轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)）+電動(dòng)機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，或發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)發(fā)電，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)等多種模式；中低速小功率需求時(shí)：（對(duì)應(yīng)汽車中低速減速、勻速、下坡）電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；高速制動(dòng)時(shí)：可實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)制動(dòng)或單電機(jī)制動(dòng)，根據(jù)制動(dòng)減速度需求而定（此時(shí)兩個(gè)電機(jī)都是發(fā)電機(jī)）；中低速制動(dòng)時(shí)：可使用雙電機(jī)并聯(lián)制動(dòng)，提高電制動(dòng)力矩，增加制動(dòng)能量回收力度。本次論文研究內(nèi)容主要是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的重要構(gòu)件：發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池組的各參數(shù)進(jìn)行簡單計(jì)算，對(duì)標(biāo)市場(chǎng)上的現(xiàn)有元件進(jìn)行選擇。之后制定合適的控制策略，對(duì)于行駛不同工況來改變工作模式。本文的主要工作是計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池，并選擇和匹配市場(chǎng)上現(xiàn)有的組件。然后，根據(jù)車輛的不同工況，采用能量控制策略來改變匹配的工作模式和能量傳遞?；谧罱?jīng)濟(jì)的油耗標(biāo)準(zhǔn)的控制策略可以在不同模式之間切換，該方案是動(dòng)力系統(tǒng)最合理的參數(shù)匹配。結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)可用在混合動(dòng)力汽車的匹配設(shè)計(jì)，確保了汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞：增程式,混合動(dòng)力,參數(shù)匹配,NEDC,燃油經(jīng)濟(jì)性，整車動(dòng)力性目錄第一章緒論 1§1.1引言 1§1.2增程式混合動(dòng)力汽車概述 1§1.2.1增程式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢(shì) 1§1.2.2增程式混合動(dòng)力汽車與其他類型汽車具有的優(yōu)勢(shì)§1.3增程式混合動(dòng)力汽車的國內(nèi)外發(fā)展概況和趨勢(shì) 2§1.3.1增程式混合動(dòng)力汽車的國外發(fā)展概況 2§1.3.2增程式混合動(dòng)力汽車的國內(nèi)發(fā)展概況 2§1.4混合動(dòng)力轎車的動(dòng)力參數(shù)匹配的研究現(xiàn)狀 3§1.5本文研究的主要內(nèi)容 3第二章增程式混合動(dòng)力轎車的工作模式 4§2.1純電動(dòng)模式 4§2.2混合驅(qū)動(dòng)模式 5§2.3發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式 5§2.4制動(dòng)能量回收模式 6§2.5駐車充電模式 7第三章增程式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件選型及參數(shù)匹配 7§3.1車輛的基本參數(shù)及設(shè)計(jì)指標(biāo) 8§3.2動(dòng)力系統(tǒng)布置簡圖 9§3.3發(fā)動(dòng)機(jī)的選型和參數(shù)確定 10§3.4主減速比的計(jì)算 12§3.5電機(jī)的選型匹配 12§3.5.1混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型 12§3.5.2電機(jī)功率的確定 14§3.6動(dòng)力電池組選型及參數(shù)確定 15§3.6.1動(dòng)力電池組的選型 15§3.6.2動(dòng)力電池充放電特性分析 16§3.6.3電池單體成組參數(shù) 17§動(dòng)力電池組參數(shù)確定與核算 18第四章增程式混合動(dòng)力汽車控制策略 18§4.1控制策略的設(shè)計(jì)原則 18§§§4.4判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否直接驅(qū)動(dòng) 21§第五章燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算 24§5.1NEDC循環(huán)工況分析 24§5.2制動(dòng)能量回收工況計(jì)算 27§5.3NEDC循環(huán)工況電池電量計(jì)算 28第六章動(dòng)力性能指標(biāo)驗(yàn)算 28第七章總結(jié)與展望 30§7.1全文總結(jié) 30§7.2研究展望 31參考文獻(xiàn) 31第一章緒論1.1引言在經(jīng)歷百年的漫長發(fā)展之后，汽車成為目前出行最常用的的現(xiàn)代交通工具，給我們的社會(huì)生活提供了極大的便捷。伴隨我國的飛速發(fā)展，作為國內(nèi)支柱性產(chǎn)業(yè)的汽車行業(yè)也得到迅速發(fā)展。在之前十五年中我國的汽車生產(chǎn)和銷售迅速增長，已經(jīng)蟬聯(lián)10年第一，我國是主要的汽車制造商和最大的汽車市場(chǎng)。2021年一季度全國新注冊(cè)登記機(jī)動(dòng)車966萬輛，同比增長67.31%，截至2021年3月，全國汽車保有量為2.87億輛。然而，我國汽車工業(yè)的石油消耗量已經(jīng)到達(dá)總消耗量的70%，對(duì)國外石油依賴程度達(dá)總需的一半以上。除此之外，汽車廢氣引起的大氣污染問題也越發(fā)嚴(yán)重。近年來國內(nèi)，霧霾天氣越來越嚴(yán)重，持續(xù)天數(shù)增加，范圍增大，高濃度的PM2.5嚴(yán)重影響了人們的健康。在這樣的情勢(shì)之下，汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展必須解決對(duì)石油資源的依賴以及對(duì)環(huán)境的污染。在2012年的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》報(bào)告中，推出了加快培育和研發(fā)新能源汽車，用來有效緩解能源短缺和環(huán)境污染的壓力。純電動(dòng)汽車不消耗石油產(chǎn)品，沒尾氣排放，效率高，是此后汽車的發(fā)展方向，但是仍存在電池比能量小，充電時(shí)間長和成本高。純電動(dòng)汽車的制造成本高，續(xù)馳里程短，無法在當(dāng)下與傳統(tǒng)燃油車競(jìng)爭。燃料電池電動(dòng)汽車雖然兼?zhèn)渑欧诺?，效率高，續(xù)馳里程長等長處，但是其制造的成本更高，燃料能量密度低，運(yùn)行成本高，同時(shí)氫氣的制造運(yùn)輸存儲(chǔ)，所以目前這種車型很難取代傳統(tǒng)汽車。混合動(dòng)力汽車兼具了電動(dòng)汽車和燃油汽車的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于其他兩種電動(dòng)汽車具有續(xù)馳里程長，工作模式靈活等優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)展混合動(dòng)力汽車成為眾多國家的一致意見。增程式混合動(dòng)力汽車具有兩個(gè)動(dòng)力支持，布置構(gòu)造也更加多樣，汽車的行駛模式和控制策略都更加復(fù)雜，但也是如此復(fù)雜的運(yùn)行模式也使得各個(gè)動(dòng)力源之間的能量分流更為靈活。增程式混合動(dòng)力汽車通過配置由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的增程器，使得其充滿電后的行駛里程相較更遠(yuǎn)。如此就既能發(fā)揮純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，也就可以不需不停尋找充電樁補(bǔ)充電量，契合日常生活所需。1.2增程式混合動(dòng)力汽車概述增程式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)等，按照結(jié)構(gòu)來分類，可以說是串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的一種。同時(shí)也是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)展到純電動(dòng)汽車的過渡品[1]。1.2.1增程式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢(shì)(1)它既可以純電運(yùn)行也可以插電式運(yùn)行，轉(zhuǎn)換效率很高，也更加省油。(2)有良好的續(xù)航里程，尤其可以純電動(dòng)行駛和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電行駛，保證車輛能夠行駛的更遠(yuǎn)。(3)純電動(dòng)模式工作，完全由動(dòng)力電池提供動(dòng)力，整個(gè)過程發(fā)動(dòng)機(jī)不參與驅(qū)動(dòng)。汽車多數(shù)情況都純電動(dòng)運(yùn)行，污染和噪聲都相應(yīng)的降低。(4)對(duì)于開車的人來講車輛純電行駛就可以基本滿足平時(shí)城市道路行駛了，白天行駛，晚上回到家充電補(bǔ)充電量完全可以滿足。這樣的方式也可以緩解用電壓力。當(dāng)電池電量低到一定程度，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)給電池充電，之后再有電池和發(fā)動(dòng)機(jī)一起工作提供所需功率。這種方式可以保證電池的壽命。1.2.2增程式混合動(dòng)力汽車與其他車型相比所具有的優(yōu)勢(shì)：(1)和傳統(tǒng)燃油汽車相比，增程式混合動(dòng)力汽車可以在純電模式下跑短距離，即便是長途行駛在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的協(xié)作下油耗也較低。對(duì)于日常工況來說增程式混合動(dòng)力汽車大部分時(shí)間都工作在純電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，所以幾乎接近零排放，且很少噪音。當(dāng)增程器起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)一直在最優(yōu)性能區(qū)間里工作，極大的增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。(2)和目前市面上純電動(dòng)汽車相比，沒有一旦電池沒電，就只能停車充電的顧慮，而且其續(xù)駛里程相較純電動(dòng)汽車更遠(yuǎn)。與此同時(shí)增程式混合動(dòng)力汽車不需要大功率發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，減少了整車質(zhì)量降低了成本。(3)和市面上普通的混合動(dòng)力汽車相比，增程式混合動(dòng)力汽車其動(dòng)力電池組容量配置更大，可以外接電源進(jìn)行充電，以此保證了充實(shí)的純電行駛。1.3增程式混合動(dòng)力汽車的國內(nèi)外發(fā)展概況和趨勢(shì)1.31增程式混合動(dòng)力汽車的國外發(fā)展概況增程式混合動(dòng)力汽車國外發(fā)展概況：由于國外對(duì)混合動(dòng)力汽車研究起步較早，混合動(dòng)力汽車技術(shù)比較先進(jìn)。其中日本韓國主要關(guān)注混動(dòng)車，純電動(dòng)車及燃料電動(dòng)車；歐州美國更關(guān)注在增程式電車和純電車上，現(xiàn)在有些廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)有些混合動(dòng)力車型?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車對(duì)車型方面的研發(fā)進(jìn)度更迅速，較為亮眼的的有美國的通用、日本的豐田以及本田。在2007年的北美車展上雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)Volt概念車首次進(jìn)入視野。Volt擁有獨(dú)樹一幟的Voltec電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)，用220V常用家庭電源上為車型的T形的鋰離子電池充電，有兩種驅(qū)動(dòng)方式：純電池來驅(qū)動(dòng)和增程式電驅(qū)動(dòng)。其純電動(dòng)行駛里程達(dá)到80km，可以實(shí)現(xiàn)平日的需求。而德國的寶馬公司也于2011年9月在法蘭克福國際車展上第一次發(fā)布了寶馬的i3Coupe增程式混合動(dòng)力汽車，裝備了19kW·h的鋰電子電池。奧迪奔馳緊隨其后發(fā)布了奧迪的Ale-tron和奔馳的E-CELLPLUS。自此，研究和開發(fā)增程式電動(dòng)汽車的高潮在各個(gè)國家開啟。除此之外，福特公司的C-MaxEnergia、凱迪拉克的ELR、歐寶的Ampera等也均為美國汽車廠商研制的增程式電動(dòng)的汽車新產(chǎn)品。在通用雪佛蘭Vlot發(fā)布后，增程式電動(dòng)汽車包括專有的增程器也得到了西方眾多國家汽車公司的廣泛關(guān)注。2009年，德國總理準(zhǔn)備投資1.15億歐元，建設(shè)示范性的電動(dòng)汽車運(yùn)行區(qū)域。德國具有實(shí)力的汽車生產(chǎn)商也加緊了電動(dòng)汽車研發(fā)的進(jìn)程。如寶馬的i3Coupe、奔馳的E-CELLPLUS、奧迪的Ale-tron這些增程式概念車等紛紛涌現(xiàn)。英國政府計(jì)劃出資2400萬英鎊用在促進(jìn)低碳汽車發(fā)展的六項(xiàng)創(chuàng)新性項(xiàng)目，研發(fā)熱能利用的新技術(shù)用來增加汽車各種性能。英國已研發(fā)出如路虎Range-e概念車、蓮花的EMAS概念車以及捷豹的C-X75增程式電動(dòng)跑車等多款新型增程式電動(dòng)汽車產(chǎn)品。1.3.2增程式混合動(dòng)力汽車的國內(nèi)發(fā)展概況增程式電動(dòng)汽車源自其本身擁有純電動(dòng)汽車不擁有的優(yōu)勢(shì)，可以處理當(dāng)前純電動(dòng)汽車此刻不能處理的某些困難，所以具有很大市場(chǎng)，然而也存在本身技術(shù)不完善以及燃油消耗和環(huán)境問題等，可以說是兼具機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。國家發(fā)改委發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定》將增程式電動(dòng)汽車規(guī)劃為純電動(dòng)汽車范疇，可以看出針對(duì)此時(shí)我國電動(dòng)汽車的使用背景來說引入增程式電動(dòng)汽車的新理念，將會(huì)讓我國電動(dòng)汽車行業(yè)擁有全新希望以及美麗將來。自從雪佛蘭Vlot的增程式電動(dòng)汽車面世之后，我國的各汽車制造商也紛紛參與到此類項(xiàng)目的產(chǎn)品研發(fā)中，推出其各具代表的車型和有關(guān)的產(chǎn)品。我國國內(nèi)首發(fā)自主ISG中度混合動(dòng)力汽車車型是長安汽車研發(fā)的杰勛，不僅得到專利80多項(xiàng)，同時(shí)建立了一條自己研發(fā)的生產(chǎn)線。此后，長安汽車推出逸動(dòng)插電式混合動(dòng)力汽車，此車型裝備了功率最大為117馬力的1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)和最大功率80KW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該車純電模式下最多可以行駛60km。華晨汽車自己研制發(fā)布了中華H530增程式電驅(qū)動(dòng)汽車以及駿捷FSV插電增程式混合動(dòng)力汽車。長城汽車發(fā)布了增程式四驅(qū)電動(dòng)汽車車型，擴(kuò)寬了增程式電動(dòng)汽車研發(fā)范圍。奇瑞汽車亮相S18D增程式電動(dòng)汽車，此車型以瑞麒X1為參考，車用增程器為轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。比亞迪推出DMi創(chuàng)新性定義了以電為主的混合動(dòng)力技術(shù)，也就是基于大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)和大容量電池功能為中心，發(fā)動(dòng)機(jī)為輔佐的框架，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱效率達(dá)到43％。與此同時(shí)，上汽集團(tuán)，吉利集團(tuán)，北汽集團(tuán)等也紛紛加入研究。1.4混合動(dòng)力轎車的動(dòng)力參數(shù)匹配的研究現(xiàn)狀季新杰等推出一種將循環(huán)工況分為穩(wěn)定工況和瞬時(shí)工況的混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)綜合匹配方法。該方法根據(jù)不同的需求功率以及其相應(yīng)的能量分配方法對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配，最后在仿真中證明了其合理性。林歆悠等推出一種以整車性能為適應(yīng)度函數(shù)，以混合度為優(yōu)化變量的參數(shù)匹配方法，綜合考慮部件成本，采用粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化，選取最優(yōu)的混合度，最后在仿真對(duì)比中表明整車性能得到了改善。高愛云等以動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)用功率平衡發(fā)得到的混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)擴(kuò)大取值后用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化，最后利用Cruise進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果動(dòng)力性略有下降但仍滿足要求，經(jīng)濟(jì)性得到明顯改善。Shang-anGao等推出一種考慮目標(biāo)行駛周期的匹配方法，在目標(biāo)周期內(nèi)匹配更高效的動(dòng)力系統(tǒng)，探尋行駛周期的匹配方法，最終在Cruise進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最終改善了整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。XinhuaGao等推出一種對(duì)有離合器的雙電機(jī)端口電機(jī)作為電動(dòng)變速器的混合動(dòng)力汽車，對(duì)特定情形，兼并經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的參數(shù)匹配方法。對(duì)于行駛工況中此離合器的功率轉(zhuǎn)矩需要，匹配其額定轉(zhuǎn)矩和功率，最后由道路性能和駕駛性能對(duì)參數(shù)匹配元件評(píng)估，最終顯示此方案可行。在深入對(duì)動(dòng)力各部件參數(shù)和車輛動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系研究后，鄭維推出一種時(shí)刻性更優(yōu)的動(dòng)力系統(tǒng)匹配方法。此方法先是要達(dá)到車輛動(dòng)力性指標(biāo)，而后根據(jù)目標(biāo)行駛工況盡可能大程度提升車輛的整體性能。對(duì)于雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)，王加雪推出了綜合考慮動(dòng)力源的功率以及效率的匹配方法。此方法在用功率平衡法初步匹配后，在發(fā)動(dòng)機(jī)足夠所需功率下，盡可能讓發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)在低能耗區(qū)間運(yùn)行，而后再參數(shù)匹配。AMozaffari等推出了針對(duì)一種插電式混合動(dòng)力汽車的車輛動(dòng)力系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化的參數(shù)匹配方法。該方法組合優(yōu)化目標(biāo)是燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性，以整車動(dòng)力性為約束，對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)同時(shí)用Pareto的最優(yōu)解算法和非支配排序遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，最后在Autonomine上仿真，其動(dòng)力性達(dá)到后經(jīng)濟(jì)性也有提高。1.5本文研究的主要內(nèi)容本課題是選擇一個(gè)合適的參照車型研究增程式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配并對(duì)其控制策略進(jìn)行分析。滿足整車的動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)為匹配目標(biāo)來制定動(dòng)力部件的參數(shù)匹配方案，對(duì)車輛的動(dòng)力部件進(jìn)行參數(shù)匹配。包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池的參數(shù)匹配。通過一連串的公式計(jì)算得出所選部件的車輛能量消耗，與理想狀態(tài)能量消耗作對(duì)比。應(yīng)用CRUISE軟件根據(jù)車輛構(gòu)型搭建汽車動(dòng)力系統(tǒng)的布置簡圖。以下步驟為本文的研究工作：(1)選取比亞迪秦PLUS混合動(dòng)力汽車車型作為參照，再查找相關(guān)的信息，得出此車的整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性和其他參數(shù)。經(jīng)由分析車輛各個(gè)數(shù)據(jù)以及亞迪秦PLUS的DMi系統(tǒng)，建立此次設(shè)計(jì)的思路。(2）查閱汽車?yán)碚摵推囋O(shè)計(jì)中的相關(guān)公式計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率，經(jīng)濟(jì)功率等，并通過比較選擇市場(chǎng)上的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)。以滿足車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為目的，匹配相關(guān)系數(shù)。根據(jù)不同的實(shí)際工況，制定了相應(yīng)的控制策略。（3）計(jì)算并測(cè)試車輛在NEDC工況下百公里油耗。（4）制動(dòng)能量回收計(jì)算：本文計(jì)算制動(dòng)過程中回收的能量，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的燃油消耗量，以決定能量回收的可能性以及效率。（5）計(jì)算車輛的百公里加速時(shí)間，由此再分析計(jì)算整車動(dòng)力性參數(shù)。（6）總結(jié)本文中對(duì)增程式混合動(dòng)力車型的認(rèn)識(shí)及之后的選型以及各個(gè)參數(shù)計(jì)算過程，指出此次參數(shù)匹配的問題，并推出后續(xù)改進(jìn)建議。第二章增程式混合動(dòng)力汽車的工作模式增程式混合動(dòng)力汽車是在純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種電動(dòng)汽車。為解決純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程過短的問題，增程式混合動(dòng)力汽車增加了增程器普通增程式混合動(dòng)力汽車的問題是：車輛高速跑長途時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能需要經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，然后再由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，造成很大能量損耗。因此，這類車型在高速時(shí)的油耗甚至高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車。本次高速運(yùn)行時(shí)因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換效率低導(dǎo)致的油耗高這一問題。同時(shí)每種工作模式又有不同情況的能量傳遞路線。2.1純電動(dòng)模式當(dāng)動(dòng)力電池內(nèi)存在足夠的電量，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，離合器分離，驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)工作驅(qū)動(dòng)車輛純電動(dòng)汽車，不過動(dòng)力電池不如純電動(dòng)汽車容量大，純電行駛距離沒純電動(dòng)汽車距離遠(yuǎn)。但優(yōu)勢(shì)也很明顯，不過大的動(dòng)力電池組，整車質(zhì)量以及成本也減少，還可以表現(xiàn)為噪音低，油耗低，排放低。圖2-1是純電動(dòng)模式能量傳遞路線圖：2.2混合驅(qū)動(dòng)模式行駛中汽車需要緊急加速或者汽車爬坡時(shí)切換為混合驅(qū)動(dòng)模式，此模式下發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池均運(yùn)行為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供能。在混合驅(qū)動(dòng)模式還分為串聯(lián)混動(dòng)，增程混動(dòng)，單電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，雙電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。增程式混合動(dòng)力汽車的增程混動(dòng)即當(dāng)動(dòng)力電池荷電狀態(tài)SOC低到最小設(shè)置值，車輛的控制策略使發(fā)動(dòng)運(yùn)行，供能給發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)再將能量轉(zhuǎn)化用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，剩余電量將轉(zhuǎn)移到動(dòng)力電池存儲(chǔ)起來。增程式混合動(dòng)力汽車采用恒功率控制策略，功率跟隨策略，自適應(yīng)控制策略，瞬時(shí)優(yōu)化策略等。能量傳遞如圖2-2所示圖2-2混合驅(qū)動(dòng)模式能量傳遞路線圖2.3發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的情況一般是汽車高速巡航或者輕載條件下，直接輸出功率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)不工作。此時(shí)的車輛與一輛傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車沒什么不同。發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器相結(jié)合，機(jī)械能直接作用在車輪上使汽車行駛。此時(shí)，若是汽車還需更大的行駛功率，這時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)也會(huì)開始運(yùn)行，與發(fā)動(dòng)機(jī)一塊供能。以此確保車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式下的能量傳遞路線如圖2-3：圖2-3發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式能量傳遞路線2.4.制動(dòng)能量回收模式增程式混合動(dòng)力汽車的制動(dòng)情況可分為單電機(jī)制動(dòng)，雙電機(jī)制動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)力不足或者電池充滿時(shí)也可增加發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。在減速或制動(dòng)時(shí)制動(dòng)能量回收模式作業(yè)，這時(shí)候電機(jī)反方向工作把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能保存在動(dòng)力電池組。制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量的回收利用，可以有效減少整車的汽油消耗。制動(dòng)能量回收模式的能量傳遞路線圖是圖2-4。圖2-4制動(dòng)能量回收模式能量傳遞路線2.5駐車充電模式此工作模式工作在車輛不用的情況下，用專用的汽車充電器在充電樁或者充電站為車輛的電池組補(bǔ)充電量。這種情況可以為整車保證充足的純電行駛里程，滿足平常的生活需要，在電量維持在一定范圍可以延長電池的使用壽命，同時(shí)也可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間，減少燃油消耗。燃油消耗降低了的同時(shí)尾氣排放也隨之降低，減少了污染還省錢。駐車充電模式能量傳遞路線圖如下2-5圖2-5增程式混合動(dòng)力汽車駐車充電模式能量傳遞圖2-5駐車充電模式能量傳遞路線圖第三章增程式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件選型及參數(shù)匹配本次研究車型的選型主要包含汽車布置方案，動(dòng)力系統(tǒng)元件得選擇以及參數(shù)匹配，這些都影響了整車的架構(gòu)，其中更為詳細(xì)的內(nèi)容包含了發(fā)動(dòng)機(jī)的選型以及其參數(shù)匹配，電機(jī)的選型以及其參數(shù)匹配，動(dòng)力電池的選型以及其參數(shù)匹配，各個(gè)系統(tǒng)構(gòu)件的參數(shù)匹配都要考慮整車性能的均衡。保證整車動(dòng)力性的條件下，使其具有最好的燃油經(jīng)濟(jì)性、提升各能量轉(zhuǎn)換的利用率，同時(shí)保證電池組的使用壽命是本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)。增程式混合動(dòng)力汽車（2)在駕駛過程中，應(yīng)當(dāng)隨時(shí)注意車況。時(shí)刻留意動(dòng)力電池組的剩余電量，確定和保證電池組的SOC值處于最優(yōu)范圍，避免頻繁對(duì)動(dòng)力電池組的過充電和放電，保證其高效充放電以及其使用壽命。（3)增程器開啟之后，要合理控制發(fā)動(dòng)機(jī)的開啟和停止。當(dāng)電池電量被增程器充到一定值之后，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的反復(fù)起動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。3.1車輛的基本參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)本節(jié)增程式混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)基于比亞迪秦PLUS汽車為參考車型，基于設(shè)計(jì)要求，對(duì)比亞迪秦PLUS的動(dòng)力系統(tǒng)重要元件進(jìn)行計(jì)算和參數(shù)匹配并核算是否符合性能要求。下面表3-1是比亞迪秦PLUS混合動(dòng)力汽車相關(guān)基本參數(shù)，表3-2是本次研究的設(shè)計(jì)目標(biāo)。表3-1比亞迪秦PLUS插電混合動(dòng)力汽車基礎(chǔ)參數(shù)整車整備質(zhì)量/kg軸距/mm長×寬×高/mm*mm*mm車輪半徑/m汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)f總質(zhì)量/kg162027184765*1837*14950.3440.0121900空氣阻力系數(shù)Cd迎風(fēng)面積A/㎡機(jī)械傳動(dòng)效率ηt電傳動(dòng)系數(shù)ηm發(fā)動(dòng)機(jī)檔傳動(dòng)比ie電機(jī)檔傳動(dòng)比ir0.952.77.641注：ηm驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)到車輛的效率；ie×i0發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)總傳動(dòng)比；ηt發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)總效率。表3-2本次的設(shè)計(jì)任務(wù)3.2動(dòng)力系統(tǒng)布置簡圖動(dòng)力系統(tǒng)布置簡圖如下：圖3-1混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置簡圖3.3發(fā)動(dòng)機(jī)的選型和參數(shù)確定對(duì)于此文所選擇的增程式混合動(dòng)力車型的工作特點(diǎn)，眼下市面上可供挑選的發(fā)動(dòng)機(jī)的種類有斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，汪格爾轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)等。每一種都有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。就目前來說適合應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)還是技術(shù)成熟，升功率高，應(yīng)用范圍廣的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)所選發(fā)動(dòng)機(jī)功率過大時(shí)，其一直工作在低負(fù)荷功率區(qū)，不僅僅沒發(fā)揮高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，也造成了油耗增高，尾氣污染嚴(yán)重等問題。而若是選取發(fā)動(dòng)機(jī)功率過小，需要緊急加速的時(shí)候動(dòng)力響應(yīng)慢，車輛的動(dòng)力性就會(huì)變差。本文根據(jù)將以發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)以100-120km/h等速行駛時(shí)，計(jì)算阻力功率，根據(jù)阻力功率，將此時(shí)的阻力功率作為發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率點(diǎn)。車輛行駛過程中的阻力有：滾動(dòng)阻力RR,風(fēng)阻WR，坡度阻力GR，加速阻力AR,如圖為車輛行駛阻力圖圖3-2汽車行駛阻力圖汽車行駛的過程就是牽引力TE克服阻力行駛的過程，車輛的縱向運(yùn)動(dòng)可以分為：（1）水平勻速TE=RR+WR，（2）水平加速TE=RR+WR+AR,（3）坡道勻速TE=RR+WR+GR，（4）坡道加速TE=RR+WR+GR+AR.滾動(dòng)阻力計(jì)算公式RR=mg*f*cosα（3-1）f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，一般是根據(jù)路面情況而定：硬質(zhì)混凝土取0.006-0.010，瀝青路取0.010-0.15，土路取0.20-0.025，沙路取0.100-0.300。風(fēng)阻計(jì)算公式WR=CD21.5A?V2一般乘用車風(fēng)阻系數(shù)取CA0坡道阻力GR=mg*sinα（3-3）α為水平面與坡道的角度加速阻力公式：AR=δm*a（3-4）δ表示汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)車輛克服行駛阻力所需要的功率為：p=RR+WR+GR+AR?v3600帶入上式可得p=13600ηt(mgfvcosα+汽車的最大車速Vmax（3-7）式中計(jì)算后可知發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為40.73kw.以發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)以100-120km/h等速行駛時(shí)，計(jì)算阻力功率，根據(jù)阻力功率，將此時(shí)的阻力功率作為發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)功率區(qū)間為：（3-8）式中Pe發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)功率（kw）；V1經(jīng)濟(jì)車速（km/h），取1經(jīng)計(jì)算可得倒發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率為15.46-23.54kw根據(jù)計(jì)算數(shù)值可以分析得知發(fā)動(dòng)機(jī)的選型應(yīng)該接近于目前市場(chǎng)售賣的微型汽車所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)。在翻閱資料和經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研之后，最后選取了比亞迪F0汽車上裝備的BYD371QA發(fā)動(dòng)機(jī)。下表3-4是該發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)下圖為1.0L發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性圖：圖3-5發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線圖3.4主減速比的計(jì)算車輛的動(dòng)力系統(tǒng)總傳動(dòng)比選擇需要計(jì)算汽車高速巡航時(shí)候，這時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)直接輸出動(dòng)力到車輪，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)燃油區(qū)間，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線圖可以了解發(fā)動(dòng)機(jī)這時(shí)候轉(zhuǎn)速為2500rpm,這時(shí)候汽車動(dòng)力系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為i=0.377rnv1（3式中v1為發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)車速r為車輪半徑，取0.344m。代入數(shù)值進(jìn)行計(jì)算后可得到i=2.7,再查閱汽車?yán)碚撨@本書籍，可以得到主減速器傳動(dòng)比i其計(jì)算公式為i0=iimin式中imin為從發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)的減速比取值代入數(shù)值之后計(jì)算得到主減速器傳動(dòng)比值是2.7。3.5電機(jī)的選型匹配電機(jī)是混合動(dòng)力汽車部件的重要部分，電機(jī)選取要考慮到車輛的各種工況。下列所述情況就是選取的電機(jī)需要滿足組的需求：（1）在高速且勻速運(yùn)行時(shí)候可以有穩(wěn)定的功率輸出，在平日用車的時(shí)候要保證可以滿足一定的爬坡度即為低速大扭矩；（2）功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度；（3）短時(shí)間過載運(yùn)行的能力；（4）效率要高，同時(shí)在逆變器的電壓下可以達(dá)到大扭矩；（5）要有夠?qū)挿旱恼{(diào)速區(qū)間，可以滿足3～4倍基速；（6）運(yùn)行可靠，可以容忍一些錯(cuò)誤；（7）成本低。3.5.1混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型目前的市場(chǎng)上在混合動(dòng)力汽車上應(yīng)用廣泛的電機(jī)可以分成下列的幾種：1)直流電機(jī)2)交流感應(yīng)電機(jī)3)永磁同步電機(jī)4)開關(guān)磁阻電機(jī)以上電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景如表3-5所示：表3-5混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)比[11]電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性，而且它的轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)的范圍較低，大體可以確保扭矩和功率的有高的效率輸出。對(duì)于本文所研究的車型來看圖3-6為永磁同步電機(jī)外特性曲線圖。圖3-6永磁同步電機(jī)外特性曲線圖由圖可以看出，nb之前電機(jī)功率是跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而提升的，其中在轉(zhuǎn)速為nb轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)達(dá)到額定功率，nb3.5.2電機(jī)功率的確定在選取電機(jī)的時(shí)候需要顧慮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的配適問題，如果選取的電機(jī)功率偏小，發(fā)動(dòng)機(jī)能耗會(huì)增加，同時(shí)有違其經(jīng)濟(jì)性的需求。如果選擇的電機(jī)功率過高，發(fā)動(dòng)機(jī)無法在高功率區(qū)間輸出，無法適配，只會(huì)造成成本上升。由此，選取一個(gè)可以和發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的電機(jī)是可以有效保證整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的。關(guān)于發(fā)電機(jī)的額定功率的匹配，由于要求電機(jī)的輸出功率可以提供整車經(jīng)濟(jì)車速時(shí)需要的功率，所以可以以發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率來作為發(fā)電機(jī)的額定功率。但是同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間有功率損耗，所以取值0.9，Pg=1η式中m——汽車總質(zhì)量(kg)；f滾動(dòng)阻力系數(shù)；空氣阻力系數(shù)；A迎風(fēng)正面面積(m2)；電動(dòng)機(jī)到車輪的機(jī)械效率；Vm--車速取120(km/h)代入?yún)?shù)得：Pg=以發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)功率作為發(fā)電機(jī)的額定功率來選擇發(fā)電機(jī)，再結(jié)合市場(chǎng)上在售的發(fā)電機(jī)，選取比亞迪F3DM車型所搭載的永磁同步電機(jī)表3-6為比亞迪F3DM電機(jī)的參數(shù)。表3—6比亞迪F3DM永磁同步電機(jī)參數(shù)由于本次設(shè)計(jì)的增程式混合動(dòng)力轎車采用兩個(gè)離合器，兩個(gè)電機(jī)分別可以作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)使用，故此次設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)采用同一型號(hào)的永磁交流電機(jī)。所用電機(jī)的特性曲線如下圖圖3—7電機(jī)特性曲線圖3.6動(dòng)力電池組選型及參數(shù)確定3.6.1動(dòng)力電池組的選型動(dòng)力電池也是增程式混合動(dòng)力車型的重心，其直接影響到整車的動(dòng)力性能，續(xù)馳能力和安全性。給整車提供電能來源的電池組需要滿足以下要求：電池的能量密度要高，可以足夠確保汽車可以行駛一定遠(yuǎn)的距離。電池功率密度和能量密度要高，確保整車有足夠的后備功率和能量可以再生。安全性要高和使用壽命要長。電池具有的可回收性目前車載電池的類型有鉛酸電池，鎳氫電池，鋰離子電池和燃料電池等。其特性如下表;表3—7車用動(dòng)力電池性能參數(shù)鉛酸電池技術(shù)成熟且成本低廉，但其比能量低，循環(huán)壽命短。燃料電池技術(shù)成熟且無污染但成本高，安全性能低。鎳氫電池安全性能相較下高，而且比功率大，充放電時(shí)電流可以很大，充電所用時(shí)間更短，但是這樣的大電流也造成了損失的能量更加大。鋰電池比能量高，能量密度高，使用壽命長，對(duì)于插電混合動(dòng)力車可以實(shí)現(xiàn)快充，非常符合本次設(shè)計(jì)的要求。3.6.2動(dòng)力電池充放電特性分析充放電功率，效率跟隨電池荷電狀態(tài)（SOC）改變而改變的特性就是鋰離子電池的充放電特性。鋰離子動(dòng)力電池電量剩余多時(shí)，最大充電功率/充電效率就小，最大放電功率/放電效率大；電量剩余不多的時(shí)候，電池的最大放電功率/放電效率小，但其最大充電功率/充電效率變大。當(dāng)剩余電量再50%附近的時(shí)候，鋰離子電池?fù)碛胁粌H良好的的充放電功率還有效率。鋰離子電池的充放電特性圖如圖3-8，不同放電倍率放電特性如圖3-9。圖3-8鋰離子電池充放電特性曲線圖圖3-9放電倍率不同下的電池特性動(dòng)力電池的功率選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該計(jì)算純電動(dòng)行駛時(shí)汽車所需要的動(dòng)能以及其最大輸出功率，保障汽車在純電動(dòng)模式下行駛的整車動(dòng)力性和續(xù)馳里程，所以要滿足以下條件：Pb_max≥Pm_其中Pb_max為動(dòng)力電池組的最大輸出功率，（Pm_maxηbηm為電機(jī)和它控制器Pacc算出來Pb_max本次設(shè)計(jì)目標(biāo)規(guī)定了汽車以純電模式的續(xù)航行程應(yīng)超過100km，此時(shí)假設(shè)汽車在純電動(dòng)模式下以每小時(shí)60km勻速運(yùn)行需求的電池能量有（3-13）式中WessSess為續(xù)航里程取100Vess為速度取60kmSOC上限取0.9，下限取0.3，所以本次取值0.75Pess根是等速60km/h所需電機(jī)功率據(jù)上式（3-11）計(jì)算可以知道取值為5.64綜上計(jì)算電池容量Wess=Pb_max=其中，Ub為鋰離子電池組正常情況放電的電壓；IIb_max=βb其中，βb_max-為電池允許Ic為鋰離子動(dòng)力電池組容量電查閱相關(guān)資料得知?jiǎng)恿﹄姵仉妷旱牡燃?jí)要和選取的電機(jī)的電壓匹配，且一般工作情況下電池電壓取值在300—400V。為了和電機(jī)的相關(guān)參數(shù)配合在這里選取Ub的值為336Wess=CbU代入數(shù)據(jù)得動(dòng)力電池最小容量C=37.3A﹒h.3.6.3電池單體成組參數(shù)動(dòng)力電池組是由電池單體經(jīng)過并聯(lián)和串聯(lián)的形式進(jìn)行組合后形成的，其動(dòng)力電池組的串聯(lián)數(shù)量、并聯(lián)數(shù)量以及其電池單體數(shù)量由算式(3-17)、(3-18)和(3-19)來確定[16]。（3-17）其中，Nb_series（3-18）其中，Nb_parallel（3-19）其中，Nb綜上所屬，經(jīng)過以上的公式計(jì)算，本次車用電池組各個(gè)數(shù)據(jù)如下表3-8。表3-8動(dòng)力電池組基本參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)類型磷酸鐵鋰電池電池組總電壓/v336電池組總?cè)萘?Ah40單體數(shù)目210單體電壓/v3.2單體容量/Ah20組成方式2并聯(lián)105串聯(lián)最大允許放電倍率53.6.4動(dòng)力電池組參數(shù)確定與核算緊接著應(yīng)該要核算在如下行駛情況下所選用的電池組是否可以滿足純電行駛100km的距離。計(jì)算方式是把20-120km/h這個(gè)范圍劃分成11個(gè)不同的速度且勻速區(qū)間，再利用由下列所示的公式來檢驗(yàn)計(jì)算：S1=vt1（t1為電池的續(xù)航時(shí)間，t1可由下式計(jì)算t1=Wess其中Pa表示電機(jī)功率Pa=magf3600v+經(jīng)過上述公式的計(jì)算得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)表示為以下表格3-9。表3-9電池容量核算表v/(km/h)Pat1S1201.14810.88850217.77301.8506.75623202.68402.7054.62107184.84503.7643.32093166.05605.0782.46159147.70706.6991.86590130.61808.6771.44059115.259011.0641.12979101.6810013.9110.8985689.8611017.2680.7238879.5312021.1860.5900170.80第四章增程式混合動(dòng)力汽車控制策略本次設(shè)計(jì)的插電式混合動(dòng)力汽車所涉及的工作模式其中控制切換的策略，是基于邏輯門限值的控制策略。4.1控制策略的設(shè)計(jì)原則在保障了整車動(dòng)力性的前提下，以車輛燃油經(jīng)濟(jì)性為主要設(shè)計(jì)目的的增程式混合動(dòng)力汽車的控制策略時(shí)應(yīng)該遵守如下所示原則[16]：電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)先原則插電式混合動(dòng)力汽車與非插電式混合動(dòng)力汽車的能量來源不同，在提供同等驅(qū)動(dòng)力的情況下，電的成本比燃油成本低，且電機(jī)的功率高于發(fā)動(dòng)機(jī)。因此制定增程式混合動(dòng)力車的控制策略要多多利用電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，盡量多的以電驅(qū)動(dòng)車輛行駛。動(dòng)力電池能量耗盡原則設(shè)計(jì)的增程式混合動(dòng)力汽車搭載了大容量的鋰離子電池，可以實(shí)現(xiàn)足夠長的純電行駛，且可以充電補(bǔ)給，由此，設(shè)定的控制策略在電池SOC不減少到最低設(shè)定值時(shí)盡量消耗電池電量。當(dāng)電池SOC降低于最低下限時(shí)，為了保護(hù)電池應(yīng)當(dāng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間給電池充電。最大制動(dòng)能量回饋原則增程式混合動(dòng)力車裝備的電機(jī)既能作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)又可以作為發(fā)電機(jī)，因此在車輛制動(dòng)和減速的時(shí)候，先是要求電機(jī)發(fā)電存儲(chǔ)到電池中，當(dāng)電池SOC被充到上限值或者僅靠電機(jī)來制動(dòng)力矩仍不夠時(shí)，再開啟機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)。4.2增程式混合動(dòng)力汽車的工作模式純電動(dòng)模式低載荷狀態(tài)，車輛需要的轉(zhuǎn)矩低于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)高效區(qū)間的最小扭矩。電池soc達(dá)預(yù)設(shè)最小值，該換成行車充電模式。發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式中等負(fù)荷狀態(tài)，需要的扭矩在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩范圍內(nèi)；若此時(shí)電池soc最小小于需求轉(zhuǎn)為混合驅(qū)動(dòng)模式。混合驅(qū)動(dòng)模式高速大負(fù)荷，需要扭矩高于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩處工作，由電機(jī)來彌補(bǔ)不夠的扭矩。如果需要的扭矩處在發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)高效區(qū)間與發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩中間，并且電池電量充實(shí)。行車充電模式中低負(fù)荷，需要的轉(zhuǎn)矩小于并靠近在最經(jīng)濟(jì)區(qū)間；電池電量不滿，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)區(qū)域，多于能量給電池組充電。需求扭矩在發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)效率曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩之間，電池電量不足，則給電池行車充電再生制動(dòng)模式車輛在減速或者制動(dòng)時(shí)刻，且電池電量不滿，利用電機(jī)工作進(jìn)行能量回收。停車充電模式車輛停止運(yùn)行，不需要提供動(dòng)力，連接充電裝置，進(jìn)行外網(wǎng)充電補(bǔ)充。表4-1工作模式圖4.3本文的控制策略本文的控制策略有以下幾點(diǎn)：1.依據(jù)需要的功率和此刻行車速度決定需要的扭矩。2.依據(jù)此刻行車速度和需要的轉(zhuǎn)矩確定此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與否。由此刻行駛速度判定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖，判定此刻發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及輸出扭矩在不在經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)間。如果均剛好符合都在經(jīng)濟(jì)區(qū)間，就決定發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源直接按此時(shí)的情況工作；如果此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在經(jīng)濟(jì)區(qū)間但轉(zhuǎn)矩不在，這時(shí)求出需要的扭矩與此刻經(jīng)濟(jì)扭矩的差值，如果得數(shù)是正數(shù)，就讓電動(dòng)機(jī)工作補(bǔ)上這個(gè)差距，如果這時(shí)電池組電量過低，提供不了需求額，就決定發(fā)動(dòng)機(jī)不直驅(qū)；如果得數(shù)為負(fù)數(shù)，就讓發(fā)電機(jī)把這個(gè)差距值消耗掉，但如果此刻電池組電量充足，決定發(fā)動(dòng)機(jī)不直驅(qū)。若果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩均不位于經(jīng)濟(jì)區(qū)間，決定發(fā)動(dòng)機(jī)不直驅(qū)。3.發(fā)動(dòng)機(jī)不直驅(qū)前提下，依據(jù)此時(shí)的行車速度和需要的扭矩，決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩。依據(jù)行車所需的扭矩、電池組soc，判定是單個(gè)電機(jī)工作還是兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作。如果電池soc在預(yù)設(shè)工作區(qū)間，則發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，僅靠電池驅(qū)動(dòng)；如果電池soc不足，判定發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，為電池供電。這時(shí)候：發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)區(qū)間的功率小于需要的，這時(shí)真實(shí)工作點(diǎn)就可能會(huì)偏離經(jīng)濟(jì)區(qū)間為了達(dá)到車輛的的行駛需求。如果需要的功率達(dá)不到發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)間的功率，這時(shí)其將工作在最低的經(jīng)濟(jì)區(qū)線上，多余的動(dòng)能給電池補(bǔ)充電量。如果功率需要?jiǎng)偤脻M足在發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)期間之內(nèi)，則發(fā)動(dòng)機(jī)就在其工作點(diǎn)工作。4.需要減速或者制動(dòng)的時(shí)候：如果電池組剩余電量沒有到最大設(shè)定，這時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)工作，為電池組補(bǔ)充電量。要依據(jù)所需制動(dòng)力的大小，判定是單個(gè)電機(jī)工作還是兩個(gè)電機(jī)工作，或者是機(jī)械制動(dòng)器也開始工作，。如果電池組剩余電量到最大設(shè)定，這時(shí)發(fā)動(dòng)工作來輔佐制動(dòng)，依據(jù)需要的制動(dòng)力矩多少來判定機(jī)械制動(dòng)器提供多少扭矩。由下圖4-1BYD371QA發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線圖，就能看出這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的最低比油耗是215g/kwh，在最低比油耗的前后，可以建立發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)燃油消耗區(qū)。圖4-1發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線圖比對(duì)圖上標(biāo)注的區(qū)域，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)間在轉(zhuǎn)速為1200-2500rpm，功率為15-25kw,轉(zhuǎn)矩為55-65Nm。表示為在滿足三者都在這一區(qū)域就是發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)位置。圖4-2電機(jī)效率曲線圖由圖可以知道電機(jī)效率在轉(zhuǎn)速3000r/min-6000r/min，功率22KW-25KW，轉(zhuǎn)矩100Nm-400Nm區(qū)間效率最大為0.91。4.4判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否直接驅(qū)動(dòng)由于實(shí)際駕駛時(shí)路況復(fù)雜，把車速0-150km/h分成十六個(gè)勻速車況，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛阻力功率和需要的功率發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛阻力功率：（4—1）發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)需求功率：（4-2）發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)時(shí)傳動(dòng)比是固定的，那么他的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是一定的?？梢杂?jì)算直驅(qū)時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，公式如下：（4-3）（4-4）公式中，Ttq-為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)直驅(qū)的轉(zhuǎn)矩（N.m）；ua是車速(km/h)；n為不同車速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min）。車速V（km/h）行駛阻力功率（kw）發(fā)動(dòng)機(jī)功率（kw）轉(zhuǎn)矩(Nm)轉(zhuǎn)速（r/min）00000100.5480.60920.946208.192201.1481.27621.940416.3839301.8502.05623.570624.5759402.7053.00625.848832.7679503.7644.18228.7741040.96605.0785.64232.3491249.152706.6997.44336.5791457.344808.6779.64141.4571665.5369011.06412.29346.9881873.72810013.91115.45753.1512081.92011017.26819.18760.0022290.11212021.18623.54067.4812498.30413025.71828.57675.6152706.49614030.91334.34884.3972914.68815036.82340.91493.8403122.8816043.45047.373103.7973331.071表4-1車速-功率-轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速表由上表可知當(dāng)車速在100-120km/h，此時(shí)功率，車速以及轉(zhuǎn)矩都在發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)間內(nèi)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接離合器驅(qū)動(dòng)車輛。車速在0-50km/h，此時(shí)功率，車速以及轉(zhuǎn)矩不在發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，所以應(yīng)該由電池供能，單個(gè)或者兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。車速在60-90km/h時(shí)，車速在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍但轉(zhuǎn)矩小于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)矩最小值，在此速度區(qū)間需求大功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，或者發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，電能直接供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，若是有額外多出的電量則輸送到動(dòng)力電池，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)均控制其處于經(jīng)濟(jì)功率下限處。當(dāng)車速在130-160km時(shí)，此時(shí)功率，車速以及轉(zhuǎn)矩都大于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)間，在高速小功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)加電機(jī)發(fā)電或者電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；高速大功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)均控制其在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)矩上限。此區(qū)間劃分均是在動(dòng)力電池電量充實(shí)情況下劃分的，一般電量保持在30%以上。如果出現(xiàn)電量不足的情況，那么在車速0-100km/h發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)都保持運(yùn)行狀態(tài)，直到電池SOC達(dá)到一定界限。在電量不足時(shí)，在后續(xù)速度區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)一直保持直驅(qū)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不參與輔助驅(qū)動(dòng)。4.5油耗計(jì)算依據(jù)比油耗數(shù)值來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)情況下的汽油消耗，公式如下國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用汽油發(fā)電機(jī)每發(fā)一度的電消耗270g的汽油。計(jì)算發(fā)電1kw需要消耗汽油0.27kg，在用重量除以0.722的密度，可以得到數(shù)據(jù)大約為0.374L?？梢缘玫浇Y(jié)論車輛以純電行駛的情況下，每使用1kw電，就可以換算為消耗汽油0.374L。在勻速情況下，有發(fā)動(dòng)機(jī)參加工作的情況，真實(shí)消耗的燃油量經(jīng)計(jì)算得到下表4-2。車速/(km/h)發(fā)動(dòng)機(jī)功率/(kw)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗/(L/100km)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率(kw)驅(qū)動(dòng)電機(jī)油耗/(L/100km)混合油耗/(L/100km)10015.4574.809004.80911019.1875.427005.42712023.5406.103006.10313023.5406.1035.0361.8837.98614023.5406.10310.8084.04210.14515023.5406.10317.3746.49812.60116023.5406.10323.8338.91315.016表4-2發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)消耗的燃油量等計(jì)算出控制策略下，等速行駛時(shí)，各個(gè)車速相對(duì)應(yīng)的電機(jī)油耗，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗以及混合油耗值。車速/(km/h)電機(jī)油耗/(L/100km)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗/(L/100km)混合油耗/(L/100km)控制策略0000100.22800.228電機(jī)工作200.47700.477電機(jī)工作300.76900.769電機(jī)工作401.12401.124電機(jī)工作501.56401.564電機(jī)工作602.11002.110電機(jī)工作702.78402.784電機(jī)工作803.60603.606電機(jī)工作904.59804.598電機(jī)工作10004.8094.809發(fā)動(dòng)機(jī)工作11005.4275.427發(fā)動(dòng)機(jī)工作12006.1036.103發(fā)動(dòng)機(jī)工作1301.8836.1037.986發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)均工作1404.0426.10310.145發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)均工作1506.4986.10312.601發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)均工作1608.9136.10315.016發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)均工作表4-3實(shí)際油耗以及控制策略表第五章燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算5.1NEDC循環(huán)工況分析循環(huán)工況是制定了車速與時(shí)間的行駛規(guī)范，介于各個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)不一，試驗(yàn)工況也不盡相同，目前來講對(duì)于輕型車的油耗實(shí)驗(yàn)主要工況有：歐盟的NEDC工況，美國的FTP75工況和日本的JC08工況。NEDC是由EDC發(fā)展來的，目前歐洲，澳大利亞和我們國家等都在使用。NEDC循環(huán)工況包括市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)以及市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)。一個(gè)完整的循環(huán)1180s，其中市區(qū)780s，車速最大50km/h，平均速度19km/h，郊區(qū)400s，時(shí)速最高120km，平均時(shí)速62.6km，在整個(gè)工況最大的加速度是1.04ms2，最大的減速度是1.39mNEDC工況如圖5-1所示：圖（5-1）NEDC工況運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)對(duì)于混合動(dòng)力車型來說NEDC工況下基本可以認(rèn)為是等加速，等速，等減速，等速行駛就按上一章所提公式計(jì)算出需求功率，而等加速所需功率要包括克服行駛阻力和加速阻力，等減速時(shí)克服的加速阻力和行駛阻力回收。車輛加速過程所需功率：（5-1）δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，取1.1，taη為傳動(dòng)效率，Uf載結(jié)合所設(shè)計(jì)的控制策略利用如上一章的公式具體計(jì)算燃油消耗量。計(jì)算每個(gè)轉(zhuǎn)折的行駛情況下的時(shí)間，速度，加速度、油耗。具體結(jié)果如下表5-1所示表5-1NEDC市區(qū)循環(huán)工況各參數(shù)計(jì)算時(shí)間/s速度km/h加速度m/s2路程km油耗L11000040-151.0420.008120.00032281500.035790.000725515-00002100.8330.010420.00043650-1500.008330.0001672150.9440.026550.001616515-3200.211540.00804224320001132-00.8330.010360.00043621000.008330.00020550-150.6170.064570.00501221500.017840.000652915-350.5210.094470.00940123500.145650.008685835-5000.145360.0057441250-0.8330.01047-0.00067850-35-0.8080.04889-0.003531535-0.5210.09448-0.004011035-0-0.9720.04868-0.0048570000總計(jì)/1950.989850.02838NEDC工況市郊循環(huán)各個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如下表5-2所示：表5-2NEDC工況市郊循環(huán)各參數(shù)時(shí)間/s速度km/h加速度m/s2路程km油耗L20000050-150.8330.0104210.00046221500.0089650.000186915-350.6170.0632540.00454223500.0189660.000582835-000.0276510.0012862500.4270.2115340.019211350-7000.9723680.056234507000.9578640.047862870-500.4270.2168440.017012695000.9723560.060221350-700.2380.826720.098677507000.8462410.0721043570-1000.2780.6126410.0722213010000.3364150.01956320100-120-0.6940.456285-0.0179610120-1.0420.143641-0.012316120-80-1.3890.0686415-0.00632880-50-0.6940.15641-0.00531050-0-0.5210.087561-0.00098200000總計(jì)/4006.9947790.427301由NEDC循環(huán)工況總的油耗來計(jì)算百公里燃油消耗量，公式（5—2）如下Q總=（Q1×4+Q2)×1004×X1+XQ總為汽車車百公里油耗量（L/100km）；市區(qū)循環(huán)油耗市郊循環(huán)油耗X1市區(qū)循環(huán)里程X2市郊循環(huán)里程計(jì)算結(jié)果QS總1=4.937（L/100km），接近設(shè)計(jì)要求QS總≤5.0（L/100km）。5.2制動(dòng)能量回收工況計(jì)算當(dāng)車輛處在減速或者制動(dòng)情況之時(shí)，電機(jī)等同于發(fā)電機(jī)，將制動(dòng)再生的能量進(jìn)行回收，存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中。利用制動(dòng)能量回收，不僅僅彌補(bǔ)傳統(tǒng)車制動(dòng)方面的不足，同時(shí)在汽車制動(dòng)或減速時(shí)再生能量回收利用。制動(dòng)能量的回收的效率主要在與真實(shí)的行駛情況，各個(gè)傳動(dòng)部件的效率還有電池組的充電和放電效率。一些研究表示，制動(dòng)時(shí)可以回收的能量只是占整個(gè)電池組電量的14%~32%。再參考同類混合動(dòng)力車型的制動(dòng)能量回收效率情況后，本次設(shè)計(jì)設(shè)定制動(dòng)能量回收效率為25%。公式如下：（5-3）在NEDC循環(huán)工況中減速或制動(dòng)產(chǎn)生的能量和換算的燃油如表5-3表5-3制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)換的節(jié)油量初速度km/h末速度km/h時(shí)間s加速度m/s2平均功率kw油耗L1505-8.43-3.72302-0.00059732011-0.795-7.68614-0.00300650358-0.521-11.6885-0.00312535010-0.963-10.2851-0.0036543508-.0551-5.25672-0.00126570508-0.705-22.5371-0.0061561208016-0.684-30.5329-0.01594680508-1.039-39.3107-0..0458150010-1.376-21.6619-0.007341制動(dòng)回收能量也應(yīng)該考慮到節(jié)省燃油