【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ................................81 附 錄 .......................................................................................................................87 A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文或?qū)＠夸? ..............................................................87 B. 作者在攻讀學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目目錄 .................................................................87 重慶大學(xué)碩士學(xué)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(duì)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(wù)。而傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(shí) 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(guó)一家汽車市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) MARKETING SYSTEMS的預(yù)測(cè)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(yīng)用也就成了世界范圍內(nèi)的新課題和大趨勢(shì)。 從當(dāng)前各國(guó)發(fā)展的新能源汽車來看，一般可以分為三種類型：純電動(dòng)汽車（ Electric Vehicle, EV）、混合動(dòng)力汽車（ Hybrid Electric Vehicle, HEV）、燃料電池電動(dòng)汽車（ Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV）。 由于動(dòng)力電池 性能和價(jià)格的制約，純電動(dòng)汽車的發(fā)展一直受限；鑒于燃料電池的壽命短、適應(yīng)性差等因素直接影響燃料電池汽車的發(fā)展 [1]?；旌蟿?dòng)力汽車既可以高效的利用石油燃料，又可以降低汽車尾氣對(duì)空氣的污染，一度成為新能源汽車的研發(fā)熱點(diǎn)。但是常規(guī)的混合動(dòng)力汽車也存在一些問題，比如價(jià)格較高、仍然較多的使用汽油或柴油、純電動(dòng)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(dòng)力汽車的基礎(chǔ)上，又派生出一種插電式混合動(dòng)力汽車 （ plugin hybrid electric vehicle, PHEV） 。其 融合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)， 可以使用外接電網(wǎng)充電，純電動(dòng)行駛里程更長(zhǎng)，節(jié)油率更高，成為許多國(guó)家 在發(fā)展 新一代 電動(dòng)汽車 時(shí)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象之一 [3,4,5]。 相對(duì)于常規(guī)的混合動(dòng)力汽車，插電式混合動(dòng)力汽車工作模式更加 復(fù)雜，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、能量管理策略等提出更高的要求。 動(dòng)力 傳動(dòng) 系統(tǒng)的參數(shù)匹配是插電式混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容， 其 直接影響到插電式混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放等。在合理設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)滿足車輛動(dòng)力性能要求的前提下，如何更好地分配傳動(dòng)系統(tǒng)的能量流，控制車輛的工作模式，以達(dá)到更好的整車燃油經(jīng)濟(jì)性，是能量管理策略應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)。 為此，國(guó)內(nèi)外做了大量工作，取得了一些進(jìn)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(duì)插電式混合動(dòng)力汽車的參數(shù)匹配和能量管理策略進(jìn)一步 的 研究對(duì)國(guó)家新能源汽車的發(fā)展具有重要的意義。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 插電式混合動(dòng)力汽車發(fā)展概況 插電式混合動(dòng)力汽車本身并不是新世紀(jì)才有的產(chǎn)物，它的歷史可以追溯到一個(gè)多世紀(jì)之前。早在 1899年， Lohner Porsche公司生產(chǎn)出了第一款混合動(dòng)力汽車Mixte Hybrid。因?yàn)槟菚r(shí)的混合動(dòng)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(dòng)力汽車 [6]。 直到 1969年六月，號(hào)稱 “ 插電式混合動(dòng)力汽車之父 ” 的美國(guó)加州大學(xué)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(shí)第一次正式提出插電式混合動(dòng)力汽車的概念。 XP883的動(dòng)力源由一個(gè)兩缸的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和一個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)力電池充電。 2020年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)研制出一輛并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車，之后插電式混合動(dòng)力汽車逐漸被人們所認(rèn)識(shí) [7]。 進(jìn)入 21世紀(jì)之后，在能源危機(jī)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(diǎn)是 ，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車是長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，過度期間最理想的選擇就是混合動(dòng)力汽車，而插電式混合動(dòng)力汽車是最佳的解決方案。當(dāng)然插電式混合動(dòng)力汽車的發(fā)展也離不開政府政策的強(qiáng)力支持。 美國(guó)能源部自由車和車輛技術(shù)項(xiàng)目處（ FCVT）于 2020年提出了插電式混合動(dòng)力汽車項(xiàng)目，主要為輕型車開發(fā)插電式混合動(dòng)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(jī)汽車，使插電式混合動(dòng)力汽車投入生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)商品化 [8]。此外，美國(guó)政府宣布施行綠色新政，計(jì)劃到 2020年普及 100萬(wàn)輛插電式混合動(dòng)力汽車。目前為止，以通 用和福特為首的美國(guó)汽車企業(yè)已經(jīng)先后推出多款插電式混合動(dòng)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(fèi)者在購(gòu)買純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車時(shí)的多項(xiàng)稅收，并計(jì)劃到 2020年至少開發(fā) 38款混合動(dòng)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(dòng)力汽車。 德國(guó)政府在 2020年 11月提出，未來 10年普及 100萬(wàn)輛純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車，并從 2020年起投資 。 中國(guó)政府也在大力提倡發(fā)展自主品牌的插電式混合動(dòng)力汽車。 2020年 6月 28日，國(guó)務(wù)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(diǎn)推進(jìn)純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)業(yè)化，到 2020年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力要達(dá)到 220萬(wàn)輛、累計(jì)銷售量超過 500萬(wàn)輛。為更好地推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，國(guó)家還在財(cái)政和稅收等方面給與全面的支持。中共財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展改革委（以下簡(jiǎn)稱四部委）于 2020年 5月 31日聯(lián)合推出的《私人購(gòu)買新能源汽車試點(diǎn)財(cái)政補(bǔ)助資金暫行辦法》，對(duì)滿足要求的插1 緒 論 3 電式混合動(dòng)力乘用車每輛最高補(bǔ)貼 5000元 [10]。在國(guó)內(nèi)，一汽、東風(fēng) 、上汽、長(zhǎng)安、奇瑞、吉利、比亞迪等企業(yè)都在進(jìn)行插電式混合動(dòng)力汽車自主品牌方面的研究，而且比亞迪于 2020年 12月在國(guó)際上率先推出其插電式混合動(dòng)力汽車上市車型F3DMI，并在 2020年 4月的北京國(guó)際汽車展覽會(huì)上推出 F3DMII型秦級(jí)插電式混合動(dòng)力汽車 [11]。 到目前為止已經(jīng)有多款插電式混合動(dòng)力汽車上市銷售。下表 2020年 3月插電式混合動(dòng)力汽車上市車型的相關(guān)情況 [12]?，F(xiàn)處于試驗(yàn)階段的插電式混合動(dòng)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(dòng)力汽車 Table Plugin hybrid global sales before March 2020 研發(fā)單位 車型 純電動(dòng)續(xù)駛里程 上市時(shí)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(guó)菲斯克 Karma 51km 2020 年 11 月 2150 保時(shí)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(dòng)力汽車參數(shù)匹配研究現(xiàn)狀 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)匹配不僅與車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性要求有關(guān)，而且還和動(dòng)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(duì)以上因素綜合分析的基礎(chǔ)上確定具體的參數(shù)匹配方案。 現(xiàn)階段插電式 混合動(dòng)力汽車的常用動(dòng)力傳動(dòng)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(duì)應(yīng)的參數(shù)匹配方法也差異很大。查閱大重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 量相關(guān)插電式混合動(dòng)力汽車參數(shù)匹配的文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上 [13~30]，總結(jié)其動(dòng)力傳動(dòng)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(jì)算法 車輛參數(shù)匹配理論計(jì)算法是根據(jù)車輛行駛動(dòng)力學(xué)理論方程，以滿足車輛動(dòng)力性要求為原則，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行匹配。這種方法簡(jiǎn)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(diǎn)，在對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車的多個(gè)動(dòng)力源進(jìn)行功率匹配時(shí)，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(jì)算法對(duì)串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行匹配研究。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率根據(jù)加速性要求進(jìn)行計(jì)算；由最高車速計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率；根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率計(jì)算動(dòng)力電池功率；由純電動(dòng)續(xù)駛里程計(jì)算動(dòng)力電池容量；根據(jù)最高車速和最大爬坡度計(jì)算動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比。 武小蘭、王軍平 [14]等以典型的并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，提出了針對(duì)其 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)系速比和電池參數(shù)的理論計(jì)算匹配原則。并采用 ADVISOR 軟件對(duì)整車性能進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其方法的可行性和有效性。 劉雪梅、黃偉 [16]等針對(duì)一種新型的混聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，綜合車輛動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)，使用理論計(jì)算法與工程分析相結(jié)合，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、 ISG 電機(jī)、后驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主減速器和動(dòng)力電池進(jìn)行選型和參數(shù)匹配，并利用 MATLAB/Simulink 和 ADVISOR 軟件對(duì)整車性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 循環(huán)工況綜合分析法 循環(huán)工況綜合分析法是在運(yùn) 用車輛動(dòng)力學(xué)原理對(duì)循環(huán)工況下車輛需求功率進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行匹配研究。這種方法以實(shí)際循環(huán)工況分析為基礎(chǔ)，方法操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，還可以有效克服傳統(tǒng)理論計(jì)算 中 點(diǎn)功率匹配帶來的部件匹配功率過大，避免造成資源浪費(fèi)。 、 等 [22]使用基于循環(huán)工況功率分析的方法對(duì) CVT 式并聯(lián)插電式混合動(dòng)力公交車的關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行匹配研究。柴油機(jī)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(zhǔn)確定；以城市 循環(huán)工況的平均需求功率以及車輛加速時(shí)的功率需求為參考確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。 吳曉剛、盧光蘭 [28]針對(duì)插電式串聯(lián)混合動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)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(jī)功率；通過車輛的加速和爬坡度計(jì)算，獲得牽引電機(jī)的最大扭矩和變速器速比；由純電動(dòng)續(xù)駛里程計(jì)算動(dòng)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(dòng)機(jī)高效區(qū)、發(fā)電機(jī)高效區(qū)和電池電壓的參數(shù)關(guān)系，對(duì) APU 進(jìn)行參數(shù)匹配。 優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)法 插電 式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)化匹配方法是以整車設(shè)計(jì)要求為約束條件，在建立仿真分析模型的基礎(chǔ)上，然后對(duì)不同的參數(shù)匹配方案進(jìn)行仿真分析，根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)來選擇最優(yōu)的匹配結(jié)果。這種方法較為復(fù)雜，工作量大，需要的仿真優(yōu)化計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，不利于在短時(shí)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(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性，以變速器傳動(dòng)比、主減速器傳動(dòng)比、混合度和整車控制策略參數(shù)作為正交設(shè)計(jì)因素，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以車輛行駛工況油耗最小為目標(biāo)，最終確定車輛動(dòng)力傳動(dòng)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(yīng)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(dòng)力汽車的仿真模型，在確定插電式混合動(dòng)力汽車整車性能約束條件的基礎(chǔ)上，建立以動(dòng)力總成設(shè)計(jì)參數(shù)為自變量的成本函數(shù)，利用開發(fā)的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成進(jìn)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(dòng)力總成匹配方案。 插電式混合動(dòng)力汽車能量管理策略研究現(xiàn)狀 對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車而言，其包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的能量源，是一個(gè)集