【正文】 律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 中文題目 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)耦合機(jī)理研究 英文題目 A research on the principle of dynamic coupling system in the plugin hybrid electric vehicles 吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）承諾書 本人鄭重承諾：所呈交的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、調(diào)研等工作基礎(chǔ)上取得的成果 。 學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 年 月 日 摘要 插電式混合動(dòng)力汽車作為傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車向純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型的中間產(chǎn)物，它憑借其良好的節(jié)能環(huán)保效果和優(yōu)越的續(xù)駛能力受到人們 的青睞。為了驗(yàn)證此種耦合裝置對(duì)提高整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的效果，進(jìn)行了整車仿真分析。在世界范圍內(nèi)，隨著能源危機(jī)的日益加劇和地球環(huán)境的逐漸惡化，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展遇到了由資 源和環(huán)境帶來(lái)的雙重挑戰(zhàn)。全球機(jī)動(dòng)車的保有量也在逐年增加，在 20xx 年的銷售統(tǒng)計(jì)中，已經(jīng)超過(guò)了十億輛，每年都在以三千萬(wàn)輛的速 度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉將達(dá)到三十五億輛。隨著能源消費(fèi)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，我國(guó)石油的對(duì)外依賴度仍將不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到 20xx 年將達(dá)到百分之六十， 2020年達(dá)到百分之六十五，對(duì)汽車行業(yè)而言，到 2020 年我國(guó)汽車用油缺口預(yù)計(jì)將達(dá)到數(shù)億噸 [1]。目前，汽車尾氣排放已成為影響各城市大氣污染程度的關(guān)鍵因素之一。就目前的技術(shù)條件和制造水平而言，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車存在一些關(guān)鍵技術(shù)上的難題而沒(méi)有得到推廣。插電式混合動(dòng)力汽車（ PHEV）是指具有大容量動(dòng)力電池并且可以利用外界電網(wǎng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)充充電的混合動(dòng)力汽車。 國(guó)外插電式混合動(dòng)力汽車（ PHEV）技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介 美國(guó)政府十分重視插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)，在 20xx 年其能源部就宣布了相關(guān)的插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)的研發(fā)與示范計(jì)劃。 3 圖 美國(guó)插電式混合動(dòng)力汽車 Volt 雪佛蘭 Volt 電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電池之間采用的是串聯(lián)的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力不是直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛前行，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力用來(lái)為動(dòng)力電池發(fā)電，動(dòng)力電池通過(guò)線控傳動(dòng)技術(shù)帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)。 在日本，豐田是最早開(kāi)始研發(fā)混合動(dòng)力汽車（ HEV）的汽車公司。這款車在城市循環(huán)工況下純電動(dòng)行駛里程為 25 km，純電動(dòng)行駛時(shí)最高車速可達(dá) 100 km/h[8]。 20xx 年 12 月，本田推出一款混合動(dòng)力版 Accord，該車配備先進(jìn)的燃料混合系統(tǒng)和可變氣缸管理技術(shù)，使得燃油經(jīng)濟(jì)性得到大幅度的提高 [9]。大眾汽車公司與德國(guó)政府制 4 定了共同開(kāi)發(fā)插電式混合動(dòng)力汽 車的新能源合作計(jì)劃， 20xx 年大眾公司成功研發(fā)出第六代高爾夫插電式概念車?？萍疾吭凇笆濉币?guī)劃期間特別成立了 ―863 電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”。駕駛者通過(guò)簡(jiǎn)單的操作，即可輕松實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種模式之間的自由切換。長(zhǎng)途旅行可以開(kāi)啟混合動(dòng)力模式，也可以采用 的黃金動(dòng)力總成單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，完美體現(xiàn) 了插電式混合動(dòng)力汽車的獨(dú)特優(yōu)勢(shì) [12]。 動(dòng)力總成是混合動(dòng)力汽車最為核心的總成部件，它是汽車上用來(lái)存儲(chǔ)、傳遞和轉(zhuǎn)化能量并且為車輛提供符合驅(qū)動(dòng)要求功率的所有裝置或機(jī)構(gòu)的總稱，具體包括車載能源、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和其他輔助裝置四個(gè)部分。 （ 3） 傳動(dòng)系是用于調(diào)節(jié)和傳遞動(dòng)力裝置輸出的動(dòng)力，使之與汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪處要求的理想動(dòng)力達(dá)到較好的匹配的所有部件的總稱。因此，插電式混合動(dòng)力的動(dòng)力電池組的容量比較大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率比較大，而發(fā)動(dòng)機(jī)的排量相對(duì)于常規(guī)的混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)比較小。在開(kāi)始起步階段，蓄電池提前經(jīng)過(guò)一個(gè)周 期的充電，電量充足，此時(shí)在整車控制器的控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，蓄電池提供汽車行駛的全部動(dòng)力，即為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)汽車需要加速行駛時(shí)，加速功率超過(guò)蓄電池所能提供的最大功率時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)與蓄電池共同提供的能量經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化成定頻定壓的電流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而為驅(qū)動(dòng)輪提供加速轉(zhuǎn)矩，此時(shí)進(jìn)入發(fā)電機(jī)和蓄電池混合驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)汽車完成加速進(jìn)入勻速行駛模式時(shí)，所需的功率減小，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能輸出較高的功率，除滿足車輛行駛外，剩余的電量為蓄電池進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)充充電；如果汽車在減速行駛時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于車輪 轉(zhuǎn)速，電機(jī)被反拖發(fā)電，制動(dòng)能量回饋利用，為蓄電池進(jìn)行充電。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最末端只有一條能量提供路線，如果電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，車輛將不能正常運(yùn)行。在汽車起步加速時(shí)，根據(jù)駕駛員踩下加速踏板的力度，整車控制器 判斷是采用純電動(dòng)模式還是混合驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng) 汽車減速制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，此時(shí)車輪帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電模式為動(dòng)力電池充電。相比于串聯(lián)式 PHEV，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)都可以直接向驅(qū)動(dòng)輪提供轉(zhuǎn)矩，不存在能量的轉(zhuǎn)換，能量損失少；由于不需要附加的發(fā)電機(jī)，而且電動(dòng)機(jī)相比于串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)要小，因此結(jié)構(gòu)緊湊。 圖 混聯(lián)式 PHEV 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 混聯(lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力耦合裝置的驅(qū)動(dòng)模式的控制策略是：在汽車低速小功率行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn) 行耦合輸出動(dòng)力，充分消耗動(dòng)力電池儲(chǔ)存的能量，從而獲得較好的排放性能；當(dāng)汽車高速大功率行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)則采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為車輛提供足夠的功率，獲得較好的動(dòng)力性。 PHEV 的動(dòng)力耦合裝置 動(dòng)力耦合系統(tǒng)的概念 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車一般都有兩個(gè)動(dòng)力源，這兩個(gè)動(dòng)力源發(fā)出的動(dòng)力需要通過(guò)一定的機(jī)械或電氣裝置進(jìn)行整合疊加之后再經(jīng)過(guò)傳動(dòng)裝置輸送給驅(qū)動(dòng)車輪來(lái)供車輛利用。動(dòng)力耦合裝置中最為典型的是豐田 Prius 采用 THS ）（ S ys te m H yb r id T oy ot a 混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用精密的行星齒輪組對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng) 力電池的輸出的功率進(jìn)行重新分配，通過(guò)與太陽(yáng)輪相連的電機(jī)來(lái)不斷調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)。 （ 2）能量反饋功能，在汽車進(jìn)行減速制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該能切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，同時(shí)要保持傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電機(jī)之間的機(jī)械連接，此時(shí)車輪的轉(zhuǎn)速高于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。 動(dòng)力耦合系統(tǒng)的分類 動(dòng)力耦合裝置根據(jù)能量源耦合方式的不同可以分為電電耦合裝置和機(jī)電耦合裝置，一般串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車采用的是電電耦合，并聯(lián)結(jié)構(gòu)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車中，采用的是機(jī)電耦合結(jié)構(gòu)。其中端口 1 只能單向輸入，端口 2 和端口 3 既能輸入又可輸出，但端口 2 和端口 3 不能同時(shí)輸入。 根據(jù)式（ 22）、（ 23）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩 1T 、 2T 之間沒(méi)有固定的數(shù)量關(guān)系，可以分別獨(dú)立控制，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩不受車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩和路面載荷的影響。本田Insight 的集成電機(jī)助力系統(tǒng)（ Integrated Motor AssistIMA）和長(zhǎng)安集團(tuán)的起動(dòng) /發(fā)電一體化電機(jī)（ Integrated Started GeneratorISG）均采用該耦合方式 [17]。 （ a） (b) 圖 轉(zhuǎn)速耦合原理簡(jiǎn)圖 行星齒輪機(jī)構(gòu)通常是由一個(gè)太陽(yáng)輪、一個(gè)結(jié)合齒圈、一個(gè)行星架和若干行星輪組成的輪系結(jié)構(gòu)，其中太陽(yáng)輪、齒圈和行星架可以看做動(dòng)力耦裝置的三個(gè)端口組件，根據(jù)行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合原理，轉(zhuǎn)速耦合裝置的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可表示為： 2231133 ii ??? ?? （ 24） 根據(jù)功率守恒原理，同時(shí)得出它們之間的轉(zhuǎn)矩 關(guān)系如下： 1331221 i Ti TT ?? （ 25） 式中 13i 、 23i 為轉(zhuǎn)速耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是與結(jié)構(gòu)和幾何形狀設(shè)計(jì)相關(guān)的常數(shù)。 12 （ a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 (b)模型簡(jiǎn)圖 圖 豐田 THSⅡ結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖 如圖 為豐田 Prius 的 THS II 系統(tǒng)的功率 耦合裝置簡(jiǎn)圖，即單行星排功率耦合裝置。 在車輛高速運(yùn)行時(shí)，為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速始終工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，此時(shí)齒圈與電動(dòng)機(jī) MG2 脫離嚙合，直接與驅(qū)動(dòng)橋相連，發(fā)電機(jī) 1MG 工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，1MG 和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成單行星排的轉(zhuǎn)速耦合裝置，通過(guò)不斷調(diào)節(jié) 1MG 的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)而平衡車輛運(yùn)行中載荷的波動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域 [1719]。當(dāng)固定不同的部件時(shí)，行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性如下表所示： 表 行星齒輪各部件轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性 鎖定部件 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 太陽(yáng)輪 212123 1 Ti iT ??? 112123 i1 i ?? ?? 齒圈 1123 1 TiT ）（ ??? 1123 i1 1 ?? ?? 行星架 2121 1TiT? 2121 i ?? ? 本 章小結(jié) 在采用轉(zhuǎn)矩耦合裝置的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，可以調(diào)節(jié)控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，但發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有固定的線性關(guān)系，不可以單獨(dú)控制。還可以通過(guò)連續(xù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)車速的無(wú)極變化，因此采用轉(zhuǎn)速耦合裝置的混合動(dòng)力汽車不需要安裝無(wú)級(jí)變速器就可以實(shí)現(xiàn)整車的無(wú)級(jí)變速。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的耦合系統(tǒng)相比，功率耦合系統(tǒng)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)的標(biāo)定和整車性能的提高方面都更具優(yōu)越性。為探究混合動(dòng)力汽車的 動(dòng)力耦合方式及其工作方式具有很好的研究?jī)r(jià)值。 在車輛高速運(yùn)行時(shí)，為了使發(fā)動(dòng)極轉(zhuǎn)速始終工作在最低燃油消耗區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間采用轉(zhuǎn)速耦合方式，此時(shí)離合器 2C 斷開(kāi)，中斷了從電動(dòng)機(jī)到齒輪Z2 的動(dòng)力傳遞，離合器 1C 和 3C 結(jié)合，制動(dòng)器 B1 和 B2 斷開(kāi)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)齒輪 Z3 和 Z4 傳到齒圈，電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)離合器 3C 傳到太陽(yáng)輪，驅(qū)動(dòng)車輪與行星架相連，此時(shí)構(gòu)成了行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合結(jié)構(gòu)，車輛運(yùn)行速度是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線性代數(shù)和。 為了方便比較，需要把對(duì)時(shí)間積分的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗計(jì)算轉(zhuǎn)化為對(duì)距離積分的，把式（ 33）帶入（ 32）即有： dsubPss aee?? 01000Q （ 34） 。電機(jī)的工作區(qū)域分為兩個(gè)部分，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域和恒功率區(qū)域，在轉(zhuǎn)速比較低時(shí)如圖所示，電機(jī)的輸出的轉(zhuǎn)矩保持定值，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定的范圍時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩逐漸降低，此時(shí)電機(jī)的輸出功率保持不變，隨轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸下降。 動(dòng)力電池的能量密度是動(dòng)力電池輸出的能量與所占體積的比值，即單位體積的電池能夠提供的能量。電路圖如 所示。 同理轉(zhuǎn)換到對(duì)距離的積分， soc 表達(dá)式為 mas00 u I ( s ) O CS O C Ｑ?? ? (39) 汽車行駛動(dòng)力學(xué)模型 在對(duì)汽車進(jìn)行使用性能分析時(shí)離不開(kāi)對(duì)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模，建模過(guò)程中最關(guān)心的是車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和動(dòng)力系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 空氣阻力 wF 用以下公式計(jì)算： 2adw uACF ??? （ 312） 車質(zhì)量和路面坡度：爬坡阻力主要取決于汽 ?sinmgFi ? （ 313） 20 的質(zhì)量和加速度： 決于整車動(dòng)時(shí)的慣性力，主要取駛時(shí)克服其質(zhì)量加速運(yùn)加速阻力是汽車加速行 dtdumFj ?? （ 313） 轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的積分，則有： dsdumuF aj ?? ? (314) 22202 111 riiImr Im tgfw ?? ??? ? (315) 式中： dtdu 為汽車加速度，單位 sm/ ； 為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量wI ； 為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；fI 其中 ? 車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。 插電式混合動(dòng)力車輛 控制策略概述 隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)插電式混合動(dòng)力車輛研究的日益加深，對(duì)其控制策略的研究也逐漸深入，目前比較常用的控制方法主要分為以下幾種：模糊邏輯控制策略、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略、基于規(guī)則 的邏輯門限值控制策略、自適應(yīng)控制策略。模糊控制策略具有很好的魯棒性，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性好，具有很好的應(yīng)用前景，但就目前的研究水平而言，對(duì)于如何確定合理隸屬度函數(shù)、建立科學(xué)的模糊規(guī)則尚有待完善，由于控制規(guī)律對(duì)于多變系統(tǒng)不能自動(dòng)調(diào)整，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差。 （