插电式混合动力汽车动力系统匹配与控制策略研究

1 绪论

1.1 研究背景与意义

从 1886 年第一辆汽车诞生以来，汽车工业就成为了许多国家的支柱产业。不仅改善了人们的生活水平，而且使得人们的出行变得越来越方便。然而，从 20 世纪末开始，汽车保有量开始了快速的增长。1950 年，全球只有 5000 万辆；到 1995 年，全球已经拥有 6.5 亿辆[1]。进入 21 世纪以来，增长的势头依然不减，截止 2014 年底，全球汽车保有量达 12 亿辆。据国家公布数据，我国截止 2014 年末汽车保有量也已达到 1.5 亿辆。一方面如此多的汽车需要消耗大量的石油资源，预计到 2020 年交通用油将占全球石油总消耗的 62%以上，而石油资源的储存量是有限的，这势必会引发新的能源危机。事实上我国正经受着能源安全带来的巨大压力，我国石油储备和开采量非常有限，主要是依赖进口，而我国又是一个能源消耗大国，根据国际能源机构预测，随着我国汽车保有量的不断增多，到 2030 年，石油消耗量的 80%将依赖进口，这个压力正日益增大[2]。另一方面，燃烧消耗大量的石油能源，传统汽车的发动机将会排放出大量有害污染气体包括 CO、HC、NOX、PM 等，对大气造成污染，严重危及人类健康。面对能源危机与环境污染双重压力，节能减排势在必行，发展新能源汽车已经成为我国汽车工业的战略方向[3]。

1.2 PHEV 发展概况

目前国内外各大汽车厂商均对 PHEV 开展了大量的研究工作，并已经开发出了各自的商品用车。其市场化的前景更值得期待。在 2014 日内瓦国际汽车展上，HEV 和 PHEV一跃成为新能源汽车焦点，愈来愈多的汽车公司，把新能源汽车发展的重点转到 PHEV上。早在 1988 年开始对 HEV 技术展开研究，美国总统布什在 2006 年提出大力发展PHEV，并获得政府支持。2007 年，有加州大学戴维斯分校开发出了能够实现低速和短距离范围内纯电动行驶，高速和长距离时混合模式行驶的 PHEV。目前，，美国汽车生产厂商均有各自开发出的 PHEV。

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2 PHEV 动力系统设计

2.1 动力系统结构分类

PHEV 动力系统主要包括发动机、驱动电机、动力电池、控制模块等。PHEV 动力系统结构分类主要有两种分类方法，一种是根据动力系统部件的连接方式分类，另一种是根据混合度进行分类。本文主要对第一种分类方式分析研究，来确定汽车的动力系统结构形式。串联式 PHEV 动力系统结构主要由发动机、发电机、驱动电机和动力电池组成，如图 2.1 所示。工作过程中，发动机直接驱动驱动发电机发电，发电机产生的电能通过逆变器使驱动电机运转驱动汽车行驶，多余的电能还可对动力电池进行充电，将电能存储起来。动力电池的电能也能单独为驱动电机供电来驱动汽车行驶。当驱动电机需求电能较多时，发动机驱动发电机发电与动力电池一起为驱动电机供电。

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2.2 动力系统关键部件参数匹配与选型

动力系统关键部件的参数匹配首先根据汽车的动力性要求即整车最高车速、整车加速性能、整车爬坡性能确定发动机和驱动电机总功率的范围。然后根据其它要求分别确定发动机和驱动电机的功率范围及转速范围等。如通过整车常用匀速行驶车速来确定发动机功率范围，纯电动行驶车速及发动机转速范围来确定驱动电机功率及转速范围。动力电池的相关参数的确定主要是要与驱动电机匹配约束。另外，在确定 PHEV 动力系统参数时，还要考虑企业的资源；充分考虑驱动电机、动力电池等部件的体积与质量，是否能够实现发动机、驱动电机和动力电池的合理匹配。

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3 PHEV 控制策略研究...............19

3.1 PHEV 控制策略制定原则............... 19

3.2 PHEV 主要工作模式划分...............19

4 PHEV 建模与仿真分析...............29

4.1 Cruise 软件介绍............... 29

4.2 整车模型建立...............30

5 PHEV 动力系统参数优化............... 46

5.1 DOE 试验设计方法...............46

5.2 优化目标...............47

5 PHEV 动力系统参数优化

5.1 DOE 试验设计方法

从上个世纪 20 年代费雪(Ronald Fisher)在农业试验中首次提出 DOE（Design ofExperiment）试验设计的概念，到六西格玛管理在世界范围内的蓬勃发展，DOE 试验设计已经历了 80 多年的发展历程，在学术界和企业界均获得了崇高的声誉。DOE 试验设计是研究正确的设计试验计划和分析试验数据的方法，通过对试验的合理安排，以较小的试验次数、较短的试验周期和较低的试验成本，获得理想的结果得出科学的结论[46]。DOE 试验设计的一般步骤有：（1）确定目标在设计和分析一个试验时，首先需要明确试验目标，这对问题的理解和解决有重大的帮助。同时，还必须定义试验的指标和接受的规格，这样试验才有方向和检验试验成功的度量指标。

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5.2 优化目标

本文传动系的初步设计符合了整车的设计要求，为了使整车具有更加优秀燃油经济性，对传动系速比进行了进一步的优化，寻求更加理想的传动系速比。汽车动力性和燃油经济性在一定条件下是相互矛盾的,现有的汽车传动系参数优化方法还不可能使两者都达到最优[47,48]。设若动力性好，车辆的后备功率要大，发动机负荷率降低，燃油经济性势必变差。解决方案只能是根据具体车型的用途来确定汽车更加强调的是动力性还是经济性。如对于城市公交车、家庭用轿车以提高经济性为首要目标，而对于越野车、赛车、豪华轿车则对动力性要求更高，只能牺牲部分经济性来提高动力性。