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文獻綜述
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題 目 中度混合動力電動汽
車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計
學(xué) 院
專 業(yè)
學(xué) 生
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
前 言
作者畢業(yè)設(shè)計題目為《中度混合動力電動汽車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計》，1886年，世界上第一輛汽車誕生在德國，一百多年來，汽車己極大地改變了人們的活，成為非常重要的代步和運輸工具。目前，汽車工業(yè)是許多國家的支柱產(chǎn)業(yè)，也是當(dāng)今世界最大、最重要的工業(yè)部門之一。汽車縮短了人們之間的距離，改變了人們的生活方式，提高了生活質(zhì)量。今后50年，世界人口將由60億增加到100億，汽車數(shù)量將由7千萬增加到2億5千萬。但我們在享受汽車文明的同時，也必須面對汽車帶來的負面影響:環(huán)境污染和過度能源消耗。2000年我國進口石油7000萬噸，預(yù)計2005年后將超過1億噸，相當(dāng)于科威特一年的總產(chǎn)量。目前世界上空氣污染最嚴重的10個城市中7個在中國，國家環(huán)保中心預(yù)測，2010年汽車尾氣排放將占空氣污染源的64%。上個世紀末人們關(guān)注的是汽車節(jié)能、排放和安全技術(shù)，而本世紀初，人們己經(jīng)更多的將目光轉(zhuǎn)向汽車新能源和環(huán)保技術(shù)。如果仍然采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機技術(shù)發(fā)展汽車工業(yè)，將會給燃油的需求和環(huán)境保護造成巨大壓力。研制開發(fā)更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新型汽車，成為各大汽車公司的當(dāng)務(wù)之急。
本文作者通過查閱近些年來有關(guān)中度混合動力電動汽車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計的期刊、書籍、學(xué)位論文等文獻資料，了解掌握了關(guān)于中度混合動力電動汽車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計中的動力傳動系統(tǒng)功能總成、傳動系統(tǒng)總布置設(shè)計方案、主要技術(shù)參數(shù)以及內(nèi)燃機、電機、電池及傳動系主要性能參數(shù)進行匹配設(shè)計的分析研究方法，這些文獻給了作者很大的參考價值。
1.研究課題的意義、背景
電動汽車己有三種驅(qū)動類型:以高效能蓄電池驅(qū)動的電動汽車(EV)、以燃料電池為動力源電動汽車(FEV)和以燃油發(fā)動機與電動機混合驅(qū)動的混合動力電動汽車(HEV )。電動汽車的研究是從單獨依靠蓄電池供電的純電動汽車開始的，純電動汽車或零排放新燃料汽車無疑是我們的最終目標，但目前純電動汽車初始成本高，行駛里程較短。由于高效能蓄電池、燃料電池及其系統(tǒng)的發(fā)展相對滯后，混合動力汽車正是在純電動汽車開發(fā)過程中為有利于市場化而產(chǎn)生的一種新的車型。它將現(xiàn)有內(nèi)燃機與一定容量的儲能器件(主要是高性能電池或超級電容器)通過先進控制系統(tǒng)相組合，可以大幅度降低油耗，減少污染物排放。國內(nèi)外普遍認為它是投資少、選擇余地大、易于滿足未來排放標準和節(jié)能目標、市場接受度高的主流清潔車型，從而引起各大汽車公司的關(guān)注，得到商業(yè)市場的響應(yīng)并迅速發(fā)展，這其中以豐田的Prius和本田的Insight為代表。電力輔助型混合動力汽車采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，電池組容量相對較小(2-6kW/h)，由發(fā)動機提供勻速行駛時的平均功率需求，當(dāng)加速或爬坡需要較大功率時，由電池和電動機組成的電力輔助部分補充輸出驅(qū)動功率.混合動力汽車動力性能、燃料經(jīng)濟性以及廢氣排放效果的好壞，在很大程度上取決于車輛驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配以及車輛行駛過程中對各部件的協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機使用情況多數(shù)是偏離其最佳工作區(qū)域，未能實現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)的最佳匹配。因此，通過合理匹配混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，制定適合于車輛行駛工況的控制策略，對于提高汽車行駛效率，降低燃油消耗和尾氣排放具有較大的潛力，是一個值得研究的課題。對于汽車的動力性能和燃料經(jīng)濟性水平，通常是在進行實車道路試驗之后給予最后評價。這樣做不但周期長，成本高，而且在產(chǎn)品設(shè)計階段對整車及各總成方案的確定、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、傳動系參數(shù)與發(fā)動機的匹配等具有一定的盲目性，可能遺漏較優(yōu)的方案，造成浪費。如果在設(shè)計階段，根據(jù)有關(guān)設(shè)計參數(shù)和驅(qū)動系統(tǒng)控制策略，利用計算機仿真模擬對汽車動力性和燃料經(jīng)濟性進行預(yù)測，可以考察驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)是如何影響汽車動力性和燃油經(jīng)濟性，并對其進行優(yōu)化設(shè)計。此外，按預(yù)定的程序模擬各種行駛工況，包括瞬變的非穩(wěn)定工況，能全面地預(yù)測汽車齊多種工況下的動力性能和燃油經(jīng)濟性。
2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
在葉心[8]文獻中，以ISG型中度混合動力汽車的系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標，通過建立不同驅(qū)動模式下的系統(tǒng)效率計算模型，獲得了各個驅(qū)動模式的工作范圍和驅(qū)動模式之間的切換規(guī)律；在此基礎(chǔ)上通過“三系數(shù)法”優(yōu)化了驅(qū)動模式切換的邊界條件，避免了模式切換時發(fā)動機頻繁起停帶來的怠速油耗的增加；針對模式切換時或突然加速時油門突變引起的動態(tài)油耗的增加，通過對發(fā)動機節(jié)氣門開度變化率的限制和驅(qū)動電機對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的動態(tài)補償控制，減小了由于節(jié)氣門突變增加的動態(tài)油耗；以ISG型中度混合動力系統(tǒng)各個驅(qū)動模式下的系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標，制定了不同驅(qū)動模式下的經(jīng)濟性換擋規(guī)律，并通過不同驅(qū)動模式下ISG電機對AMT換擋構(gòu)成的協(xié)調(diào)控制，改善了AMT的換擋品質(zhì)。
在秦大同、葉心、胡明輝[11]文獻中，以ISG型中度混合動力汽車的系統(tǒng)效率最優(yōu)點作為換擋點，建立在不同驅(qū)動模式下的經(jīng)濟性換擋規(guī)律，在MATLAB/Smulink仿真平臺下，建立換擋模型，仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)經(jīng)濟性換擋規(guī)律得到的結(jié)果相比，新經(jīng)濟性換擋策略使得升檔過程油耗降低了0.52%，降檔過程油耗降低了0.49%。該文獻還文對ISG型中度混合動力汽車在不同驅(qū)動模式下的換擋過程進行了分析， 在MATLAB/Smulink 仿真平臺下建立整車模型，對車載充電模式下的換擋過程進行仿真研究。結(jié)果表明，采用了ISG 電機和電子節(jié)氣門對動力源進行控制，減小換擋前后離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差，降低了換擋沖擊和換擋時間，改善了換擋品質(zhì)。
在葉心、秦大同、胡明輝[5]文獻中，對基于ISG的中度混合動力汽車在不同工作模式下的系統(tǒng)效率進行優(yōu)化計算，得到了中度混合動力汽車工作模式切換規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，以ECE_EUDC 為道路循環(huán)工況，對中度混合動力汽車燃油經(jīng)濟性進行仿真研究。首先分別對ECE和EUDC循環(huán)單元進行仿真分析，計算在不同工況下兩種道路循環(huán)單元的百公里油耗與ΔSOC。然后在ECE_EUDC 整個循環(huán)工況上進行全局優(yōu)化，對不同工況采用排列組合算法，得到了十種不同的能量管理策略。通過對仿真結(jié)果分析可知，根據(jù)不同的道路情況和駕駛意圖，實時選擇最優(yōu)控制策略。
在秦大同、葉心、胡明輝[1]文獻中，首先對ISG 型中度混合動力系統(tǒng)效率進行瞬時優(yōu)化，得到ISG 型中度混合動力汽車控制策略。然后在Matlab/Simulink仿真平臺下，對控制策略中的三個關(guān)鍵系數(shù)XSOC、Xe_chg和Xe_off所確定動力源的不同匹配方案進行仿真分析，并將電池電量折算為等效油耗，以綜合油耗最低為優(yōu)化目標，確定了ISG型中度混合動力系統(tǒng)的最優(yōu)匹配控制參數(shù)。與傳統(tǒng)汽車相比，按照本文提出的優(yōu)化動力源匹配方法得到中度混合動力系統(tǒng)的百公里油耗降低了36.95%；與ADVISOR中的混合動力汽車的基線控制策略得到的結(jié)果相比，百公里油耗降低了13.72%。同時，保證了ISG 型中度混合動力系統(tǒng)的動力性。
在葉心、秦大同、胡明輝[3]文獻中，針對模式切換或者突然加速工況，為了避免動態(tài)油耗的增加，對ISG型混合動力汽車進行油門動態(tài)協(xié)調(diào)控制，限制發(fā)動機節(jié)氣門變化率，將其盡可能的控制在15%/s 以內(nèi)，抑制汽油過度噴射，有利于降低混合動力汽車油耗。在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立ISG型中度混合動力整車模型，在給定道路循環(huán)工況1015下，分別對ISG型中度混合動力汽車油門動態(tài)協(xié)調(diào)控制前后的進行仿真分析。結(jié)果表明，通過對ISG型中度混合動力汽車油門動態(tài)協(xié)調(diào)控制，在滿足動力性的情況下，燃油經(jīng)濟性得到了一定的改善，折算電池△SOC后的整車綜合油耗降低了2%。
在楊雪梅[12]文獻中，對JL474Q1發(fā)動機進行了性能試驗，獲取了發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩特性和燃油消耗特性;利用樣條插值的方法構(gòu)造了發(fā)動機轉(zhuǎn)矩模型和發(fā)動機燃油消耗模型，并討論了非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機性能的修正；討論了電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了電子節(jié)氣門的控制器，開發(fā)了控制器硬件電路；對電子節(jié)氣門進行了試驗，結(jié)果表明電子控制單元能夠較好地實現(xiàn)節(jié)氣門的控制。
在申彩英[13]文獻中，以“十五”科技部重大項目“純電動－混合動力汽車系統(tǒng)研發(fā)”（項目編號：2006AA11A174）的子課題——天津市形象工程600路混合動力公交車為背景，對串聯(lián)混合動力汽車控制策略進行優(yōu)化和改進。動態(tài)規(guī)劃算法可以獲得給定工況下的全局最優(yōu)控制策略；同樣，采用的新智能算法—猴群算法也可以獲得混合動力汽車能量管理問題的全局最優(yōu)解，避免了遺傳算法、粒子群算法等智能算法不能解決大規(guī)模問題的缺點；提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)混合動力汽車實時能量管理策略。
在蒲斌，秦大同[14]文獻中，在對混合動力汽車的結(jié)構(gòu)型式和動力元件進行基礎(chǔ)性理論分析后，針對我國汽車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和混合動力汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢，設(shè)計了一種基于金屬帶式無級自動變速傳動CVT的并聯(lián)式混合動力汽車動力傳動方案。
在于海芳[15]文獻中，建立了基于能量宏觀表達法的混合動力整車模型和復(fù)合儲能系統(tǒng)模型，并基于反轉(zhuǎn)規(guī)則給出了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)；模塊間根據(jù)能量的相互作用關(guān)系進行組織和關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)的能量流動清晰直觀。并總結(jié)出不同混合度 HEV 復(fù)合儲能源適宜的混合比?；旌隙雀哂?0%的重度HEV，復(fù)合儲能源混合比宜選取 0.21；混合度高于 20%的中度HEV，復(fù)合儲能源混合比宜選取0.28；混合度低于20%的輕度HEV，復(fù)合儲能源混合比宜選取0.35以上。
在姚明亮，秦大同[16]文獻中，分析了汽車排放污染物（HC、CO、NOx）的生成機理及其影響因素，總結(jié)了汽車排放控制的基本方法以及汽車排放控制技術(shù)的發(fā)展歷程。以本田Insight為例，分析了混合動力汽車為降低油耗和排放所采取的措施。以上分析為混合動力汽車的排放控制提供了理論依據(jù)。并對ADVISOR仿真軟件、混合動力汽車在ADVISOR中的建模實現(xiàn)過程進行了詳細地分析。結(jié)合本文研究的長安混合動力汽車，對ADVISOR進行了二次開發(fā)，給出了ADVISOR二次開發(fā)的具體步驟，為拓展ADVISOR的應(yīng)用提供了參考。
在高銀平[17]文獻中，借助GPS/GIS所提供的道路交通信息建立汽車未來運行狀態(tài)模型，利用動態(tài)規(guī)劃法來實現(xiàn)混合動力汽車的預(yù)測控制是降低汽車油耗，有效并充分地回收制動能量，延長電池使用壽命的有效途徑。本文在這方面做了基礎(chǔ)性的研究工作，以中度混合動力汽車為研究對象，以汽車行駛循環(huán)工況燃油消耗量最低作為優(yōu)化控制目標，利用動態(tài)規(guī)劃逆序算法以獲得最優(yōu)控制策略，并進行了汽車燃油經(jīng)濟性優(yōu)化控制仿真。
在潘文軍[18]文獻中，對混合動力汽車勻速下坡和平路減速再生制動過程進行了動力學(xué)分析，建立了中度混合動力汽車再生制動數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)ECE制動法規(guī)對前后軸制動力進行合理分配。并在基于動態(tài)規(guī)劃的中度混合動力汽車再生制動全局優(yōu)化控制策略的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模型預(yù)測控制理論，建立了中度混合動力汽車再生制動模型預(yù)測控制策略數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了預(yù)測視距內(nèi)的滾動優(yōu)化控制。
結(jié) 論
前普遍使用的燃油發(fā)動機汽車存在種種弊病，除了能耗較高，更為嚴重的是污染環(huán)境。而混合動力汽車則針對不同的道路環(huán)境實施不同的供能方案，能大大降低排放污染程度。例如在城市運行時，當(dāng)交通堵塞或遇到紅燈時發(fā)動機會關(guān)閉，當(dāng)車隊移動時或信號燈 轉(zhuǎn)為綠燈時駕駛者只要輕踩加速踏板，電動機就能驅(qū)動汽車前進。在市區(qū)內(nèi)當(dāng)汽車發(fā)動機無效率空轉(zhuǎn)或車輛移動緩慢時，使用電動機作動力源不但對環(huán)境有利，而且還減少了噪音。因此，越是在交通日益擁擠的大城市使用混合動力汽車，就越能夠顯示出它的節(jié)能、環(huán)保、適應(yīng)能力廣的優(yōu)越性。從目前的發(fā)展來看，計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)，以及各種智能控制系統(tǒng)在混合動力汽車上的逐漸應(yīng)用，將進一步促進混合動力汽車的發(fā)展。與傳統(tǒng)型汽車相比，混合動力汽車充分吸取了電力及熱力系統(tǒng)中最大的優(yōu)勢，在節(jié)能和排放上勝出一籌；與純電動汽車相比，混合動力汽車的電壓和功率等級與電動車類似，但蓄電池容量大大減小，因而其造價成本低于電動汽車。當(dāng)前混合動力車輛所面臨的技術(shù)問題還很多，比如汽車電池較易老化且可靠性與預(yù)期有差距，再加上生產(chǎn)成本高于燃油動力車輛，市場占有率較小，盡管從汽車制造技術(shù)的長遠發(fā)展來看，混合動力車輛只是由燃油動力車輛到純電動車的過渡類型，但其在近幾十年內(nèi)會很有發(fā)展前景，這一點是毫無疑問的。
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