基于cvt的插电式混合动力汽车能量管理策略研究硕士学位论文

基于cvt的插电式混合动力汽车能量管理策略研究硕士学位论文内容摘要：

................................81 附 录 .......................................................................................................................87 A. 作者在攻读学位期间发表的论文或专利目录 ..............................................................87 B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目目录 .................................................................87 重庆大学硕士学位论文 VIII 1 绪 论 1 1 绪 论 选题背景及意义 随着全球能源短缺和环境污染等问题的日益突出，降低人类对石油能源的依赖和减少温室气体排放成为汽车工业发展的首要任务。 而传统的内燃机汽车(Internal bustion engine vehicles ,ICEV)是造成以上问题的重要原因之一。 内燃机汽车不仅大量消耗着石油资源，而且还排放出 HC 、 CO和 NOx等有害物 污染环境。 同时 随着人们生活水平的不断提高，汽车保有量将逐年攀升。 根据德国一家汽车市场调研机构 MARKETING SYSTEMS的预测数据，到 2020年，全球汽车保有量将从 2020年的近。 在此背景下， 节能减排日益受到重视，新能源汽车的开发和应用也就成了世界范围内的新课题和大趋势。 从当前各国发展的新能源汽车来看，一般可以分为三种类型：纯电动汽车（ Electric Vehicle, EV）、混合动力汽车（ Hybrid Electric Vehicle, HEV）、燃料电池电动汽车（ Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV）。 由于动力电池 性能和价格的制约，纯电动汽车的发展一直受限；鉴于燃料电池的寿命短、适应性差等因素直接影响燃料电池汽车的发展 [1]。 混合动力汽车既可以高效的利用石油燃料，又可以降低汽车尾气对空气的污染，一度成为新能源汽车的研发热点。 但是常规的混合动力汽车也存在一些问题，比如价格较高、仍然较多的使用汽油或柴油、纯电动续驶能力较差，因此前景并不太乐观 [2]。 近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生出一种插电式混合动力汽车 （ plugin hybrid electric vehicle, PHEV）。 其 融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点， 可以使用外接电网充电，纯电动行驶里程更长，节油率更高，成为许多国家 在发展 新一代 电动汽车 时的重点关注对象之一 [3,4,5]。 相对于常规的混合动力汽车，插电式混合动力汽车工作模式更加 复杂，对传动系统的结构参数设计、能量管理策略等提出更高的要求。 动力 传动 系统的参数匹配是插电式混合动力汽车设计的一个重要内容， 其 直接影响到插电式混合动力汽车的燃油经济性、动力性、排放等。 在合理设计动力系统参数满足车辆动力性能要求的前提下，如何更好地分配传动系统的能量流，控制车辆的工作模式，以达到更好的整车燃油经济性，是能量管理策略应达到的目标。 为此，国内外做了大量工作，取得了一些进展，但还没有最佳的参数匹配方 法和能量管理策略，因此对插电式混合动力汽车的参数匹配和能量管理策略进一步 的 研究对国家新能源汽车的发展具有重要的意义。 重庆大学硕士学位论文 2 插电式混合动力汽车发展概况 插电式混合动力汽车本身并不是新世纪才有的产物，它的历史可以追溯到一个多世纪之前。 早在 1899年， Lohner Porsche公司生产出了第一款混合动力汽车Mixte Hybrid。 因为那时的混合动力汽车可以使用外接电源充电，也可以说是第一款 “ 插电式 ” 混合动力汽车 [6]。 直到 1969年六月，号称 “ 插电式混合动力汽车之父 ” 的美国加州大学戴维斯分校的 Andrew Frank教授，在 Popular Science期刊上描述通用生产的 XP883时第一次正式提出插电式混合动力汽车的概念。 XP883的动力源由一个两缸的汽油发动机和一个直流驱动电机组成，行李箱部分安装六块 12伏的铅酸电池组，可以使用115伏电压的外接电源为动力电池充电。 2020年美国加利福尼亚大学研制出一辆并联插电式混合动力汽车，之后插电式混合动力汽车逐渐被人们所认识 [7]。 进入 21世纪之后，在能源危机和环境污染等问题日益突出的大背景下，世界各大汽车企业都在努力发展自己的新能源汽车产业。 业界普遍的观点是 ，纯电动汽车和燃料电池汽车是长远的战略目标，过度期间最理想的选择就是混合动力汽车，而插电式混合动力汽车是最佳的解决方案。 当然插电式混合动力汽车的发展也离不开政府政策的强力支持。 美国能源部自由车和车辆技术项目处（ FCVT）于 2020年提出了插电式混合动力汽车项目，主要为轻型车开发插电式混合动力汽车部件和系统，并希望于 2020 年至 2020年期间取代 更多的内燃机汽车，使插电式混合动力汽车投入生产并实现商品化 [8]。 此外，美国政府宣布施行绿色新政，计划到 2020年普及 100万辆插电式混合动力汽车。 目前为止，以通 用和福特为首的美国汽车企业已经先后推出多款插电式混合动力汽车上市销售。 日本从 2020年 1月开始施行 “ 绿色税制 ” ，免除消费者在购买纯电动汽车和混合动力汽车时的多项税收，并计划到 2020年至少开发 38款混合动力车型 [9]。 日本丰田、本田、三菱等汽车企业也都在发展自己的插电式混合动力汽车。 德国政府在 2020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，并从 2020年起投资。 中国政府也在大力提倡发展自主品牌的插电式混合动力汽车。 2020年 6月 28日，国务院 颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划（ 2020~2020）》提出：重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车的产业化，到 2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力要达到 220万辆、累计销售量超过 500万辆。 为更好地推进新能源汽车的发展，国家还在财政和税收等方面给与全面的支持。 中共财政部、科技部、工业和信息化部、国家发展改革委（以下简称四部委）于 2020年 5月 31日联合推出的《私人购买新能源汽车试点财政补助资金暂行办法》，对满足要求的插1 绪 论 3 电式混合动力乘用车每辆最高补贴 5000元 [10]。 在国内，一汽、东风 、上汽、长安、奇瑞、吉利、比亚迪等企业都在进行插电式混合动力汽车自主品牌方面的研究，而且比亚迪于 2020年 12月在国际上率先推出其插电式混合动力汽车上市车型F3DMI，并在 2020年 4月的北京国际汽车展览会上推出 F3DMII型秦级插电式混合动力汽车 [11]。 到目前为止已经有多款插电式混合动力汽车上市销售。 下表 2020年 3月插电式混合动力汽车上市车型的相关情况 [12]。 现处于试验阶段的插电式混合动力汽车有福特 Escape PHEV、沃尔沃 V70 PHEV、铃木雨燕 PHEV、奥迪 A1 etron、道奇 Ram 1500 PHEV和大众高尔夫 Variant Twin Drive等。 表 2020 年 3 月前上市的插电式混合动力汽车 Table Plugin hybrid global sales before March 2020 研发单位 车型 纯电动续驶里程 上市时间 销量（辆） 通用 雪弗兰 Volt 56km 2020 年 12 月 71100 欧宝 Ampera 56km 2020 年 2 月 沃克斯豪尔 Ampera 56km 2020 年 5 月 美国菲斯克 Karma 51km 2020 年 11 月 2150 保时捷 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 丰田 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 沃尔沃 V60 50km 2020 年 11 月 9300 比亚迪 F3DM 97km 2020 年 12 月 3295 Qin 70km 2020 年 11 月 2526 插电式混合动力汽车参数匹配研究现状 插电式混合动力汽车动力传动系统关键部件参数匹配不仅与车辆的动力性、经济性要求有关，而且还和动力系统结构形式、能量管理策略、行驶工况等密切相关，需要在对以上因素综合分析的基础上确定具体的参数匹配方案。 现阶段插电式 混合动力汽车的常用动力传动系统结构有串联式、并联式和混联式三种，能量管理策略也有基于规则的控制策略 和基于 优化算法 的 控制策略 两大类，其不同结构形式、不同控制策略对应的参数匹配方法也差异很大。 查阅大重庆大学硕士学位论文 4 量相关插电式混合动力汽车参数匹配的文献资料基础上 [13~30]，总结其动力传动系统 关键部件 的参数 匹配方法大致可以分为以下三类： 理论计算法 车辆参数匹配理论计算法是根据车辆行驶动力学理论方程，以满足车辆动力性要求为原则，对动力传动系统的关键部件参数进行匹配。 这种方法简单易行，在传统车辆的参数匹配中使用最为广泛。 但其只 考虑了一些特定的工况点，在对插电式混合动力汽车的多个动力源进行功率匹配时，难免造成部件功率分配不合理，从而影响整车效率。 Chen lv、 Junzhi Zhang[23]使用理论计算法对串联插电式混合动力汽车关键部件参数进行匹配研究。 驱动电机的最大功率根据加速性要求进行计算；由最高车速计算发动机的峰值功率；根据驱动电机和发动机功率计算动力电池功率；由纯电动续驶里程计算动力电池容量；根据最高车速和最大爬坡度计算动力传动系统传动比。 武小兰、王军平 [14]等以典型的并联插电式混合动力汽车为研究对象，提出了针对其 动力传动系统的发动机功率、电机参数、传动系速比和电池参数的理论计算匹配原则。 并采用 ADVISOR 软件对整车性能进行仿真，验证其方法的可行性和有效性。 刘雪梅、黄伟 [16]等针对一种新型的混联插电式混合动力汽车的动力传动系统进行分析研究，综合车辆动力性评价指标和经济性评价指标为目标，使用理论计算法与工程分析相结合，对发动机、 ISG 电机、后驱动电机、主减速器和动力电池进行选型和参数匹配，并利用 MATLAB/Simulink 和 ADVISOR 软件对整车性能进行仿真验证。 循环工况综合分析法 循环工况综合分析法是在运 用车辆动力学原理对循环工况下车辆需求功率进行分析的基础上，对动力传动系统的关键部件参数进行匹配研究。 这种方法以实际循环工况分析为基础，方法操作简单，容易实现，还可以有效克服传统理论计算 中 点功率匹配带来的部件匹配功率过大，避免造成资源浪费。 、 等 [22]使用基于循环工况功率分析的方法对 CVT 式并联插电式混合动力公交车的关键部件参数进行匹配研究。 柴油机的功率以高速路循环工况COMMUTE60、 COMMUTE、 COMMUTE50、 HWFET、 WVUINTER 的平均功率需求为基准确定；以城市 循环工况的平均需求功率以及车辆加速时的功率需求为参考确定驱动电机的功率。 吴晓刚、卢光兰 [28]针对插电式串联混合动力汽车，提出一种基于道路循环工况和整车功率分析的动力传动系统参数匹配方法。 通过整车功率需求确定牵引电1 绪 论 5 机功率；通过车辆的加速和爬坡度计算，获得牵引电机的最大扭矩和变速器速比；由纯电动续驶里程计算动力电池的容量参数；根据道路循环工况，确定 APU（ auxiliary power unit）的平均功率，通过建立发动机高效区、发电机高效区和电池电压的参数关系，对 APU 进行参数匹配。 优化匹配设计法 插电 式混合动力汽车的优化匹配方法是以整车设计要求为约束条件，在建立仿真分析模型的基础上，然后对不同的参数匹配方案进行仿真分析，根据设定的优化目标来选择最优的匹配结果。 这种方法较为复杂，工作量大，需要的仿真优化计算时间较长，不利于在短时间内快速确定参数。 舒红、彭大等 [27]为提高插电式混合动力汽车的经济性，以变速器传动比、主减速器传动比、混合度和整车控制策略参数作为正交设计因素，运用正交试验设计方法，以车辆行驶工况油耗最小为目标，最终确定车辆动力传动系统的关键部件参数和控制策略参数的最佳匹配方案。 张博、李君等 [20]应用 PSAT 前向仿真软件，建立双离合器式并联型插电式混合动力汽车的仿真模型，在确定插电式混合动力汽车整车性能约束条件的基础上，建立以动力总成设计参数为自变量的成本函数，利用开发的优化设计程序，对插电式混合动力汽车动力总成进行优化，得出能够满足车辆性能约束条件又使成本函数值最小的动力总成匹配方案。 插电式混合动力汽车能量管理策略研究现状 对于插电式混合动力汽车而言，其包含两个或两个以上的能量源，是一个集。