并联型混合动力汽车混合机理及效能分析.docx

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并联型混合动力汽车混合机理及效能分析

摘要

本论文首先提出混合动力汽车节能机理研究的总体思想，根据我国试验路况标准选用的同时，选取一典型电动燃油混合动力样车，根据实车NEDC（NewEuropeanDriveCycle）循环转毂测试试验数据，通过应用ADVISOR软件的建模和仿真分析，单独分析可以达到节能的三个途径：

（1）减小发动机排量、优化内燃机工作区域，从而提高发动机负荷率;

（2）取消怠速以节省燃料的消耗;（3）对制动能量回收.这几种混合手段占混合动力汽车相对于传统的汽车的总节能比重。

分别对各节能途径进行了节能贡献的分析,总结了各城市工况下最大的总节能潜力,探求节能途径。

本文研究成果是混合动力汽车研究的重要理论基础，在一系列试验标准和完善的检测技术及效能分析上，仿真计算在动力系统结构和参数匹配方面,混合动力控制策略研究开发方面都将发挥重要作用.为迎接混合动力汽车时代的到来,将混合动力汽车全面推向市场,具有重要的指导和现实意义。

关键词:

混合动力,效能分析，建模,仿真,节能

Analysisonhybridmechanismandefficiencyofparallelhybridelectricvehicle

Abstract

Firstlythispaperputsforwardthegeneralideaofenergy-savingmechanismresearchofhybridcars,itchoosesatypicalelectricfuelhybridvehicleaccordingtostandardselectionofourtesttrafficatthesametime,andanalyzesseparatelythethreewaysthatcanachieveenergysavingbasedonactualexperimentalNEDC（NewEuropeanDriveCycle）cycledata,throughtheapplicationofADVISORsoftware’smodelingandsimulationanalysis:

（1）Reducingengineemissions,optimizingtheworkareaofinternalcombustionengine,andtherebyenhancingtheengineloadrate.

（2）Cancelingtheidlespeedtoconservefuelconsumption.（3）Recoveringbrakeenergy.Thetotalenergysavingproportionoftheseseveralmixedmethodsinhybridcarscomparedwithtraditionalones.Thispaperanalyzestheenergy-savingcontributionofeachenergy-savingapproachrespectively,summarizesthelargestpotentialoftotalenergysavingondifferenturbanconditions,andexplorestheenergysavingapproaches.

Theresearchachievementofthispaperistheimportanttheoreticalbasisofhybridvehicleresearch.Afteraseriesofteststandardsandperfecttestingtechnologyandperformanceanalysis,thesimulationcalculationwillplayanimportantroleintheaspectofpowersystemstructureandparametersmatching,aswellasintheresearchanddevelopmentaspectofhybridcontrolstrategy.Ithasimportantguidingandrealisticsignificancetofullypushhybridvehiclesintothemarketandtowelcomethearrivaloftheeraofhybridcars.

Keywords:

hybrid,Effectivenessanalysis，modeling,simulation,energy-saving

目录

1.绪论6

1.1并联混合动力汽车机理及效能分析极其研究意义6

1.1.1混合动力汽车机理6

1.1.2并联型混合动力汽车机理及效能分析7

1.1.3并联混合动力汽车效能分析研究意义8

1.2混合动力电动汽车国内外研究概况9

1.3并联混合动力汽车效能分析的研究现状11

1.4混合动力汽车提高燃油经济性的主要节能途径。

12

1.4.1降低发动机排量，提高发动机及其附件的工作效率小12

1.4.2取消发动机怠速13

1.4.3对制动能量回收13

1.5论文主要研究内容13

1.6混合动力汽车仿真技术14

2.基于ADVISOR的并联式混合动力电动汽车建模分析【19】14

2.1发动机建模16

2.2车轮与传动轴模型.18

2.3发动机能量计算模型18

2.4电机模型19

2.5电池模型20

3.仿真结果分析21

3.1取消怠速的效能21

3.2制动能量回收的效能22

3.3内燃机小型化,优化内燃机的工作区域效能分析23

结论23

参考文献24

1.绪论

1.1并联混合动力汽车机理及效能分析极其研究意义

1.1.1混合动力汽车机理

混合动力汽车从能量流动方向可分为串联式、并联式和混联式等三种[1]。

串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。

小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。

当车辆处启动、加速、爬坡工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速和怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。

串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。

使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。

但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。

并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。

当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。

电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。

由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。

混联式装置包含了串联式和并联式的特点。

动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。

以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。

该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。

1.1.2并联型混合动力汽车机理及效能分析

并联型混合动力汽车就是采用传统的内燃机和电动机组合搭配使用的新的汽车动力源，通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车，达到节省燃料和降低排气污染的目的，结构如图1.1.2-1。

并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。

当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，引擎和电力马达共同驱动车轮，两种驱动力可根据驾驶状况分开使用。

一旦汽车车速达到巡航速度，由于汽车发动机引擎一直在运转不能关闭，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。

而电力马达就只能被用于辅助引擎，其既可以作电动机又可以作发电机使用，以平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作。

并联混合动力汽车的特点是排量小、速度高、排放好。

由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，因此得到比较广泛的应用。

是当前电动汽车中最具有产业化前景的车型。

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。

图1.1.2-1并联混合动力汽车结构图

混合动力汽车的效能是指混合动力汽车在使用过程中，为更大达到节能减排，提高燃油利用率，充分挖掘汽车零排放效能的一种测度。

1.1.3并联混合动力汽车效能分析研究意义

汽车的出现，极大地加速了人类现代工业文明的发展进程，改善了人们的生产和生活方式。

基本上每个国家都把汽车工业看成最为重要的工业部门，它代表一个国家工业发展水平[2]。

汽车给人类带来便利和经济利益的同时，也带来了非常严重的能源危机和环境污染问题。

举例来说被称之为“车轮上的国家”的美国就是全世界第一能源消费大国。

从图1.1.3-1可以看出，自1950年以来，美国的石油消费量一直大于其石油产量，且差距逐渐扩大，70年代的石油危机以后，有短暂的缩小，但以后差距变得越来越大，石油消费量持续上升，而石油产量却逐渐下降[3]。

石油危机进一步引发了战争危机。

美国在面临严重的能源问题的状况下，几次中东战争实质就是为了争夺石油资源。

图1.1.3-1美国石油消费量与产量对比（来源于EIA年度能源评论）

交通能源与环境保护是21世纪全球面临的重大挑战。

石油资源并非用之不竭，作为汽车的主要燃料，它总会有被替代的一天，虽然在寻找新能源的过程中，各大汽车企业曾一度各自为政，致力于不同的方向，但在经历了长期摸索与碰壁之后，目前全球汽车行业在能源革命方面基本上都达成了共识。

混合动力汽车（HEV）是一种结合了传统内燃机汽车优良的动力性和纯电动汽车低排放、高效率的新型汽车。

是现在和不远的将来最具有可行性的低排放、低油耗等特点的新一代清洁汽车。

混合动力汽车是在传统汽车基础上发展起来的技术，旨在提高整车经济性能以达到节能目的。

那么，如何最大限度发挥混合动力作用，使混合动力汽车在为人类普遍使用时在节能效能方面上发挥到极致。

其对于能源危机和环境污染问题具有十分重要的意义。

混合动力汽车在现有技术的基础上达到了提高燃料经济性和减少排放的目的,因而极具发展前景。

从目前的发展来看,汽车的排放法规日趋严格化,同时电子技术的迅猛发展都会进一步促进混合动力汽车的发展。

混合动力汽车充分吸取了电力/热力系统中最大的优势:

在远途时使用热力发动机,在城市和过渡阶段时使用电动机。

如果调配合理的话,电力和热力的配合使用,将很大程度地降低汽车的耗油量和污染物的排放,并同时提高驾驶乐趣,改善驾驶员驾驶心情。

与传统型汽车相比,混合动力汽车HEV可以确保具有同等的性能和优势,而在节能和排放上胜出一筹。

由于在技术、经济和环境等方面的综合优势，HEV被认为是目前最切实可行的清洁汽车方案[4]。

1.2混合动力电动汽车国内外研究概况

1.2.1国外研究状况

混合动力汽节能和环保效果明显，得到快速发展，并在各国优惠政策的鼓励下，逐步进入商业化推广应用阶段。

大型汽车公司纷纷推出具有各自特色的混合动力汽车。

目前已批量销售的混合动力汽车包括丰田公司Prius、Coaster和HV-M4；本田公司Insight、Civic、戴勒姆—克莱斯勒汽车公司的Citadel和ESX3;通用汽车公司的Precept;福特公司的Escape等轿车和OrionBusVI、NovaBus、HIMR客车等。

一直被称是汽车技术创新先驱者的奔驰也在混合动力新能源上花下大篇幅.2011年5月27日，戴姆勒股份公司董事长兼首席执行官、梅赛德斯-奔驰汽车集团总裁蔡澈（Dieter Zetsche）博士在中国表示，“戴姆勒注意到了比亚迪在电池技术上的独特性，因此我们将和比亚迪共同开创一个新的合资品牌，开发生产新能源车[5].奔驰混合动力（Hybrid）代表车型S400Hybrid去年已经在国内上市（图1.2.1-1），现在偶尔能在街头看见它的身影。

图1.2.1-1奔驰S400Hybird

电动版smartfortwo（图1.2.1-2）配备了一台30kW的电动机，电力由锂离子电池提供，可用家用插座和公共充电站充电，充满电的时间在6-7小时，它的满电续航能力在135公里左右，第一批产品车将在2012年量产，不过只有1000台。

图1.2.1-2电动版smartfortwo

全球混合动力领域的佼佼者丰田汽车公司2009年3月中旬宣布，丰田和雷克萨斯品牌混合动力车2000年来已经在美国市场累计销量突破100万辆。

2009年1月底，丰田混合动力车在全球累计销量已超过170万辆。

美国奥巴马政府实施绿色新政，把电动汽车作为国家战略的重要组成，计划到2015年普及100万辆插电式混合动力电动汽车（PHEV）。

日本把发展电动汽车作为“低碳革命”的核心内容，并计划到2020年普及包括电动汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆,为完成这一目标,日本到2020年计划开发出至少17款纯电动汽车、38款混合动力车。

德国政府在08年11月提出未来10年普及100万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车，并宣称该计划的实施，标志德国将进入电动汽车时代。

1.2.2国内研究状况

国内的混合动力电动汽车研究起步较晚。

我国在2001年将电动汽车确定为“十五”国家12个重大科技专项之一，我国在“863”计划重大专项中共投入20亿元的研发经费，支持混合动力汽车关键技术、平台集成技术以及整车和关键零部件的开发。

国家发展和改革委员会于2007年11月1日颁布实施的《新能源汽车生产准入管理规则》为各种电动汽车的推广应用扫清了政策障碍。

规则根据混合动力汽车特点和技术成熟度，规划了推广应用的范围和条件。

大功率车载镍氢电池系列，有20多年的发展史了。

在国外，已经是成熟的商品化市场。

而在国内，由于汽车工业起步晚，却还是刚刚开始，目前，国内各汽车厂商都加大投入混合动力车研发。

一汽集团除了在年内与丰田合资生产丰田普锐斯外，在2010年4月份上海国际车展上，已经展出其自主研发的红旗混合动力轿车，同时由一汽自主研发，具有世界水平的解放牌混合动力城市客车性能样车也通过了国家“863”电动车重大专项专家组的项目验收。

上海华普汽车与同济大学汽车学院签署合作协议，双方将联合开发混合动力车，3年内完成混合动力轿车商业化生产过程。

2010年7月27日，东风自主研发的混合动力公交车通过验收，成为我国第一代混合动力商品车，其混合动力轿车也已完成样车开发。

同年8月26日，上汽股份与上海交通大学、同济大学共同签署新能源汽车战略合作协议，双方将全力合作，加快替代能源、混合动力、燃料电池车等车型的研发。

同时，上汽与通用合作开发的混合动力车也将于年底投入运行。

长安集团也加快了混合动力汽车的下线进程，研制的具有完全自主知识产权的羚羊混合电动车已产出样车，明年初长安首款混合动力汽车就将上市。

长安还成功开发出了混合动力发动机，并且很快将用在自主品牌的汽车CV9上。

另外，科技部以奇瑞为依托建立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，主要从事混合动力方面的研究，并将于近期对其混合动力车进行验收。

同时，奇瑞正与英国纽卡斯尔大学进行混合动力项目合作。

1.3并联混合动力汽车效能分析的研究现状

国内很少有针对关于混合动力汽车的节能机理研究这一问题进行过深入细致地研究，对混合动力汽车多节能途径进行定量深入考查的相关文献和报道更是少之又少。

合肥工业大学机械与汽车工程学院的李钰，胡先锋以整车燃油经济性的评价为基础,通过分析混合动力汽车动力系统的组成,建立燃油经济性最佳的数学模型.考虑汽车的动力性要求以及动力电池的荷电系数要求,使用复合形优化方法对目标函数进行优化.利用具体车型对优化方法进行验证,使用ADVISOR2002仿真软件对优化前后的汽车性能进行仿真分析.结果表明百公里油耗降低9.02%,经济性得到较大提高,动力性仍然保持设计要求。

国外，对混合动力汽车能量消耗特点及节能机理进行深入研究的也并不多见。

Feng.An等在文献[6]对混合动力汽车燃油消耗的定量研究进行了初步探讨，针对多种结构类型的混合动力汽车建立了仿真模型，并进行了燃油消耗和排放的计算，从中得出了一些有意义的结论——混合动力汽车燃油消耗与整车类型、循环工况、控制策略等密切相关且变化很大；并对几款成熟的混合动力汽车（ToyotaPrius、HondaInsight、FordProdigy、DaimlerChryslerESX3、GMPrecept）进行了燃油经济性和动力性的仿真对比研究，主要考查了传统汽车改善燃油经济性的技术对节能的贡献率，如发动机柴油化、降低空气阻力及滚动阻力等等，而仅把混合动力技术作为整体来进行考查，并没有单独考查消除怠速、再生制动、控制发动机工作区域等混合动力汽车节能途径的节能贡献进行深入细化的研究。

尼尔斯j的斯考滕，Mutasim答萨勒曼和奈姆答Kheir在模糊逻辑控制的混合动力汽车并行中就如何寻找改善燃油经济性，降低排放，在不牺牲车辆安全性，可靠性等性能前提下和其他传统的车辆进行比较，取得了混合动力技术汽车的一个挑战。

1.4混合动力汽车提高燃油经济性的主要节能途径。

1.4.1取消发动机怠速

在城市交通拥堵的情况下，堵车时汽车时常反复停车和启动以及在快速启动和急加速，发动机平均有20%的时间是处在怠速状态的，与汽油发动力相比，电动汽车则具备完全不同的特性，与在低转速下不能充分发挥动力的汽油发动机相比，电动机在加入电能的瞬间，即发挥最大的动力，混合发动机中的大功率电动机能快速启动。

利用电动机这个特性，如果在发动机怠速或车辆减速时关闭发动机可以降低油耗，减少燃料的不完全燃烧及废气的排放.文献[7]中指出发动机处于怠速或减速时将其关闭能降低5%-8%的燃油消耗。

1.4.2对制动能量回收

电动机还具有另一个特性，在电动机的转轴上加力使之旋转的话，电动机就可以作为发电机工作，可以取得电能。

能量再生的思路就是有效利用了这个特性。

传统的制动器是通过在高速行驶的车轮上施加摩擦阻力，使动能转换为热能，减低速度。

搭载混合动力的车，除了传统的制动起外，还通过减速时使电动机作为发动机工作，把动能转换为电能储存在蓄电池中。

利用该再生制动器，可以在利用减速时损失的能量进一步减低汽车能量损耗。

考虑如何从每一滴汽油中汲取最高效的能量。

在混合动力汽车上,有许多能量形式可以作为再生制动的储能装置,例如高速飞轮、超大电容器、弹力装置以及各种热系统等。

当然,传统的摩擦制动还是必要的,这样就需要考虑如何将两套制动装置合理利用、合理控制的问题。

制动时,由电子控制的再生制动系统和摩擦制动系统同时作用,制动性能将明显提高。

1.4.3降低发动机排量，提高发动机及其附件的工作效率,从而提高发动机负荷率;

传统的汽油发动机在汽缸内部燃烧汽油和空气的混合气体以产生能量，汽油和空气燃烧的结果会产生CO2等气体，并排放出来，燃烧的能量越多，则产生的CO2排气越多，但是并不是单纯增加燃烧的燃料就能可以增大动力。

实际上汽油发动机有其适用的领域和不适用的领域。

汽油发动机在不需要很大的动力维持一定转速持续平稳旋转时会最有效的工作，在高速公路上以平稳的速度行驶一般油耗就比较低就是这个道理，相反，需要加大动力时，则需要更多汽油，CO2的排放也会增加。

在混合动力汽车上,电机能将由发电机或储能装置提供的电能转换为用于驱动车轮的机械能。

与传统汽车不同的是,混合动力汽车在上坡加速时发动机和发电机同时提供转矩，这样混合动力汽车发动机所需提供的转矩就可以减小，可以选用小功率发动机，减小排量。

传统汽车发动机的功率是混合发动机电机功率和发动机功率值和。

此外,电机在低速时可以提供满载转矩，而发动机则必须要等到“暴跳如雷”时才能够输出满载扭矩。

这样就使混合动力汽车具有出色的起步加速性能。

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量工作在高效区.

1.5论文主要研究内容

通过传统型汽车的能量消耗特点分析，可对比研究其并联混合型汽车的能量消耗与节能机理，并对混合动力汽车的三点节能途径分别进行深入定量研究。

本论文对并联型混合动力汽车整车仿真进行系统的研究，同时对发动机、电机台架试验数据以及整车NEDC循环转毂测试试验数据进行分析。

主要是基于ADVISOR开发混合动力轿车整车仿真模型，研究并联式混合动力电动汽车各节能部分节省燃油所占的总节能比例，本论文将减小发动机排量和对发动机优化两部分节油部分放在一起，只计算其节油总和。

1.6混合动力汽车仿真技术

目前,国外用于混合动力汽车的仿真软件很多,如SIMPLEV、HVEC、CSM和HEV等,各大汽车生产厂家也有自己的仿真软件。

在众多的汽车仿真软件中,AD2VISOR是专门为美国能源部（DOE）混合动力电动汽车计划（PNGV）而开发的混合动力汽车仿真软件。

ADVISOR可通过简单的物理模型和经过性能测试的各总成去建立实际的或想象中的汽车,其主要功能在于能够对还未制造的汽车进行性能预测,即能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数,包括加速性和爬坡性能、燃料经济性以及排放性能等。

目前,国内还没有较系统和成熟的混合动力汽车仿真软件,因此,这也是我国汽车工业应该研究的一个方面。

现在汽车电子ECU开发的趋势就是采用硬件在环仿真技术，直接实现由模型生成代码，借助于实时仿真系统实现快速控制原型和硬件在回路仿真。

借助MATLAB/Simulink，不但能够实时仿真系统模型，而且可以借助实时模型进行控制器快速原型开发，降低控制器研发费用和缩短开发周期[8].

2.基于ADVISOR的并联式混合动力电动汽车建模分析[19]

文献[2]中提出汽车整车仿真研究可以采用离线仿真和实时仿真两种方法。

离线仿真的系统模型是在离线仿真平台上运行的，其模型的运行时间与实际的时间并不是一一对应的，而是由系统模型的复杂程度等不同因素决定的。

在系统特性研究和控制算法开发的初期，可以采用离线仿真方法，用来分析动态系统特性以及快速修正控制算法中的错误。

实时仿真是在实时仿真平台上运行的，模型的运行时间与实际的时间一一对应。

在实时仿真平台上对系统模型进行实时仿真的目的主要是在离线仿真的基础上，以实际驾驶员的操作为系统输入，进一步验证控制器模型中的控制算法。

本论文主要是基于ADVISOR进行的，它属于离线仿真。

汽车动力系统的建模仿真流程主要有两类：

一类是面向前端的计算方法，另一类方法是面向后端的仿真，即后向式建模仿真与前向式建模仿真[17]。

后向式