【文章內(nèi)容簡介】 ................................81 附 錄 .......................................................................................................................87 A. 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文或?qū)＠夸? ..............................................................87 B. 作者在攻讀學位期間參與的科研項目目錄 .................................................................87 重慶大學碩士學位論文 VIII 1 緒 論 1 1 緒 論 選題背景及意義 隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問題的日益突出，降低人類對石油能源的依賴和減少溫室氣體排放成為汽車工業(yè)發(fā)展的首要任務。而傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車(Internal bustion engine vehicles ,ICEV)是造成以上問題的重要原因之一。內(nèi)燃機汽車不僅大量消耗著石油資源，而且還排放出 HC 、 CO和 NOx等有害物 污染環(huán)境。同時 隨著人們生活水平的不斷提高，汽車保有量將逐年攀升。根據(jù)德國一家汽車市場調(diào)研機構(gòu) MARKETING SYSTEMS的預測數(shù)據(jù)，到 2020年，全球汽車保有量將從 2020年的近 。在此背景下， 節(jié)能減排日益受到重視，新能源汽車的開發(fā)和應用也就成了世界范圍內(nèi)的新課題和大趨勢。 從當前各國發(fā)展的新能源汽車來看，一般可以分為三種類型：純電動汽車（ Electric Vehicle, EV）、混合動力汽車（ Hybrid Electric Vehicle, HEV）、燃料電池電動汽車（ Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV）。 由于動力電池 性能和價格的制約，純電動汽車的發(fā)展一直受限；鑒于燃料電池的壽命短、適應性差等因素直接影響燃料電池汽車的發(fā)展 [1]?；旌蟿恿ζ嚰瓤梢愿咝У睦檬腿剂?，又可以降低汽車尾氣對空氣的污染，一度成為新能源汽車的研發(fā)熱點。但是常規(guī)的混合動力汽車也存在一些問題，比如價格較高、仍然較多的使用汽油或柴油、純電動續(xù)駛能力較差，因此前景并不太樂觀 [2]。近幾年在傳統(tǒng)混合動力汽車的基礎上，又派生出一種插電式混合動力汽車 （ plugin hybrid electric vehicle, PHEV） 。其 融合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和純電動汽車的優(yōu)點， 可以使用外接電網(wǎng)充電，純電動行駛里程更長，節(jié)油率更高，成為許多國家 在發(fā)展 新一代 電動汽車 時的重點關(guān)注對象之一 [3,4,5]。 相對于常規(guī)的混合動力汽車，插電式混合動力汽車工作模式更加 復雜，對傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計、能量管理策略等提出更高的要求。 動力 傳動 系統(tǒng)的參數(shù)匹配是插電式混合動力汽車設計的一個重要內(nèi)容， 其 直接影響到插電式混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性、動力性、排放等。在合理設計動力系統(tǒng)參數(shù)滿足車輛動力性能要求的前提下，如何更好地分配傳動系統(tǒng)的能量流，控制車輛的工作模式，以達到更好的整車燃油經(jīng)濟性，是能量管理策略應達到的目標。 為此，國內(nèi)外做了大量工作，取得了一些進展，但還沒有最佳的參數(shù)匹配方 法和能量管理策略，因此對插電式混合動力汽車的參數(shù)匹配和能量管理策略進一步 的 研究對國家新能源汽車的發(fā)展具有重要的意義。 重慶大學碩士學位論文 2 插電式混合動力汽車發(fā)展概況 插電式混合動力汽車本身并不是新世紀才有的產(chǎn)物，它的歷史可以追溯到一個多世紀之前。早在 1899年， Lohner Porsche公司生產(chǎn)出了第一款混合動力汽車Mixte Hybrid。因為那時的混合動力汽車可以使用外接電源充電，也可以說是第一款 “ 插電式 ” 混合動力汽車 [6]。 直到 1969年六月，號稱 “ 插電式混合動力汽車之父 ” 的美國加州大學戴維斯分校的 Andrew Frank教授，在 Popular Science期刊上描述通用生產(chǎn)的 XP883時第一次正式提出插電式混合動力汽車的概念。 XP883的動力源由一個兩缸的汽油發(fā)動機和一個直流驅(qū)動電機組成，行李箱部分安裝六塊 12伏的鉛酸電池組，可以使用115伏電壓的外接電源為動力電池充電。 2020年美國加利福尼亞大學研制出一輛并聯(lián)插電式混合動力汽車，之后插電式混合動力汽車逐漸被人們所認識 [7]。 進入 21世紀之后，在能源危機和環(huán)境污染等問題日益突出的大背景下，世界各大汽車企業(yè)都在努力發(fā)展自己的新能源汽車產(chǎn)業(yè)。業(yè)界普遍的觀點是 ，純電動汽車和燃料電池汽車是長遠的戰(zhàn)略目標，過度期間最理想的選擇就是混合動力汽車，而插電式混合動力汽車是最佳的解決方案。當然插電式混合動力汽車的發(fā)展也離不開政府政策的強力支持。 美國能源部自由車和車輛技術(shù)項目處（ FCVT）于 2020年提出了插電式混合動力汽車項目，主要為輕型車開發(fā)插電式混合動力汽車部件和系統(tǒng)，并希望于 2020 年至 2020年期間取代 更多的內(nèi)燃機汽車，使插電式混合動力汽車投入生產(chǎn)并實現(xiàn)商品化 [8]。此外，美國政府宣布施行綠色新政，計劃到 2020年普及 100萬輛插電式混合動力汽車。目前為止，以通 用和福特為首的美國汽車企業(yè)已經(jīng)先后推出多款插電式混合動力汽車上市銷售。 日本從 2020年 1月開始施行 “ 綠色稅制 ” ，免除消費者在購買純電動汽車和混合動力汽車時的多項稅收，并計劃到 2020年至少開發(fā) 38款混合動力車型 [9]。日本豐田、本田、三菱等汽車企業(yè)也都在發(fā)展自己的插電式混合動力汽車。 德國政府在 2020年 11月提出，未來 10年普及 100萬輛純電動汽車和插電式混合動力汽車，并從 2020年起投資 。 中國政府也在大力提倡發(fā)展自主品牌的插電式混合動力汽車。 2020年 6月 28日，國務院 頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（ 2020~2020）》提出：重點推進純電動汽車和插電式混合動力汽車的產(chǎn)業(yè)化，到 2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力要達到 220萬輛、累計銷售量超過 500萬輛。為更好地推進新能源汽車的發(fā)展，國家還在財政和稅收等方面給與全面的支持。中共財政部、科技部、工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委（以下簡稱四部委）于 2020年 5月 31日聯(lián)合推出的《私人購買新能源汽車試點財政補助資金暫行辦法》，對滿足要求的插1 緒 論 3 電式混合動力乘用車每輛最高補貼 5000元 [10]。在國內(nèi)，一汽、東風 、上汽、長安、奇瑞、吉利、比亞迪等企業(yè)都在進行插電式混合動力汽車自主品牌方面的研究，而且比亞迪于 2020年 12月在國際上率先推出其插電式混合動力汽車上市車型F3DMI，并在 2020年 4月的北京國際汽車展覽會上推出 F3DMII型秦級插電式混合動力汽車 [11]。 到目前為止已經(jīng)有多款插電式混合動力汽車上市銷售。下表 2020年 3月插電式混合動力汽車上市車型的相關(guān)情況 [12]。現(xiàn)處于試驗階段的插電式混合動力汽車有福特 Escape PHEV、沃爾沃 V70 PHEV、鈴木雨燕 PHEV、奧迪 A1 etron、道奇 Ram 1500 PHEV和大眾高爾夫 Variant Twin Drive等。 表 2020 年 3 月前上市的插電式混合動力汽車 Table Plugin hybrid global sales before March 2020 研發(fā)單位 車型 純電動續(xù)駛里程 上市時間 銷量（輛） 通用 雪弗蘭 Volt 56km 2020 年 12 月 71100 歐寶 Ampera 56km 2020 年 2 月 沃克斯豪爾 Ampera 56km 2020 年 5 月 美國菲斯克 Karma 51km 2020 年 11 月 2150 保時捷 Panamera S EHybrid 32km 2020 年 11 月 629 福特 CMax Energi 34km 2020 年 10 月 11360 Fusion Energi 34km 2020 年 2 月 8416 豐田 Prius PHEV 18km 2020 年 1 月 52020 三菱 Outlander PHEV 60km 2020 年 1 月 23500 本田 Accord 21km 2020 年 1 月 595 沃爾沃 V60 50km 2020 年 11 月 9300 比亞迪 F3DM 97km 2020 年 12 月 3295 Qin 70km 2020 年 11 月 2526 插電式混合動力汽車參數(shù)匹配研究現(xiàn)狀 插電式混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)匹配不僅與車輛的動力性、經(jīng)濟性要求有關(guān)，而且還和動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、能量管理策略、行駛工況等密切相關(guān)，需要在對以上因素綜合分析的基礎上確定具體的參數(shù)匹配方案。 現(xiàn)階段插電式 混合動力汽車的常用動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種，能量管理策略也有基于規(guī)則的控制策略 和基于 優(yōu)化算法 的 控制策略 兩大類，其不同結(jié)構(gòu)形式、不同控制策略對應的參數(shù)匹配方法也差異很大。查閱大重慶大學碩士學位論文 4 量相關(guān)插電式混合動力汽車參數(shù)匹配的文獻資料基礎上 [13~30]，總結(jié)其動力傳動系統(tǒng) 關(guān)鍵部件 的參數(shù) 匹配方法大致可以分為以下三類： 理論計算法 車輛參數(shù)匹配理論計算法是根據(jù)車輛行駛動力學理論方程，以滿足車輛動力性要求為原則，對動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件參數(shù)進行匹配。這種方法簡單易行，在傳統(tǒng)車輛的參數(shù)匹配中使用最為廣泛。但其只 考慮了一些特定的工況點，在對插電式混合動力汽車的多個動力源進行功率匹配時，難免造成部件功率分配不合理，從而影響整車效率。 Chen lv、 Junzhi Zhang[23]使用理論計算法對串聯(lián)插電式混合動力汽車關(guān)鍵部件參數(shù)進行匹配研究。驅(qū)動電機的最大功率根據(jù)加速性要求進行計算；由最高車速計算發(fā)動機的峰值功率；根據(jù)驅(qū)動電機和發(fā)動機功率計算動力電池功率；由純電動續(xù)駛里程計算動力電池容量；根據(jù)最高車速和最大爬坡度計算動力傳動系統(tǒng)傳動比。 武小蘭、王軍平 [14]等以典型的并聯(lián)插電式混合動力汽車為研究對象，提出了針對其 動力傳動系統(tǒng)的發(fā)動機功率、電機參數(shù)、傳動系速比和電池參數(shù)的理論計算匹配原則。并采用 ADVISOR 軟件對整車性能進行仿真，驗證其方法的可行性和有效性。 劉雪梅、黃偉 [16]等針對一種新型的混聯(lián)插電式混合動力汽車的動力傳動系統(tǒng)進行分析研究，綜合車輛動力性評價指標和經(jīng)濟性評價指標為目標，使用理論計算法與工程分析相結(jié)合，對發(fā)動機、 ISG 電機、后驅(qū)動電機、主減速器和動力電池進行選型和參數(shù)匹配，并利用 MATLAB/Simulink 和 ADVISOR 軟件對整車性能進行仿真驗證。 循環(huán)工況綜合分析法 循環(huán)工況綜合分析法是在運 用車輛動力學原理對循環(huán)工況下車輛需求功率進行分析的基礎上，對動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件參數(shù)進行匹配研究。這種方法以實際循環(huán)工況分析為基礎，方法操作簡單，容易實現(xiàn)，還可以有效克服傳統(tǒng)理論計算 中 點功率匹配帶來的部件匹配功率過大，避免造成資源浪費。 、 等 [22]使用基于循環(huán)工況功率分析的方法對 CVT 式并聯(lián)插電式混合動力公交車的關(guān)鍵部件參數(shù)進行匹配研究。柴油機的功率以高速路循環(huán)工況COMMUTE60、 COMMUTE、 COMMUTE50、 HWFET、 WVUINTER 的平均功率需求為基準確定；以城市 循環(huán)工況的平均需求功率以及車輛加速時的功率需求為參考確定驅(qū)動電機的功率。 吳曉剛、盧光蘭 [28]針對插電式串聯(lián)混合動力汽車，提出一種基于道路循環(huán)工況和整車功率分析的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配方法。通過整車功率需求確定牽引電1 緒 論 5 機功率；通過車輛的加速和爬坡度計算，獲得牽引電機的最大扭矩和變速器速比；由純電動續(xù)駛里程計算動力電池的容量參數(shù)；根據(jù)道路循環(huán)工況，確定 APU（ auxiliary power unit）的平均功率，通過建立發(fā)動機高效區(qū)、發(fā)電機高效區(qū)和電池電壓的參數(shù)關(guān)系，對 APU 進行參數(shù)匹配。 優(yōu)化匹配設計法 插電 式混合動力汽車的優(yōu)化匹配方法是以整車設計要求為約束條件，在建立仿真分析模型的基礎上，然后對不同的參數(shù)匹配方案進行仿真分析，根據(jù)設定的優(yōu)化目標來選擇最優(yōu)的匹配結(jié)果。這種方法較為復雜，工作量大，需要的仿真優(yōu)化計算時間較長，不利于在短時間內(nèi)快速確定參數(shù)。 舒紅、彭大等 [27]為提高插電式混合動力汽車的經(jīng)濟性，以變速器傳動比、主減速器傳動比、混合度和整車控制策略參數(shù)作為正交設計因素，運用正交試驗設計方法，以車輛行駛工況油耗最小為目標，最終確定車輛動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件參數(shù)和控制策略參數(shù)的最佳匹配方案。 張博、李君等 [20]應用 PSAT 前向仿真軟件，建立雙離合器式并聯(lián)型插電式混合動力汽車的仿真模型，在確定插電式混合動力汽車整車性能約束條件的基礎上，建立以動力總成設計參數(shù)為自變量的成本函數(shù)，利用開發(fā)的優(yōu)化設計程序，對插電式混合動力汽車動力總成進行優(yōu)化，得出能夠滿足車輛性能約束條件又使成本函數(shù)值最小的動力總成匹配方案。 插電式混合動力汽車能量管理策略研究現(xiàn)狀 對于插電式混合動力汽車而言，其包含兩個或兩個以上的能量源，是一個集