并联混合动力中型客车多能源动力优化控制策略

分类号：U463.341 密 级：

单位代码：10433

学 号：Y0602078

山东理工大学

硕士学位论文

并联混合动力中型客车多能源动力

优化控制策略研究

RESEARCH ON MULTI-ENERGY POWER TRAIN OPTIMIZATION AND CONTROL STRATEGY OF

PARALLEL HYBRID ELECTRIC BUS

研指

导

究教

生： 宋 忠 凯 师： 谭德荣 教授

申请学位门类级别： 工 学 硕 士 学科专业名称： 载运工具运用工程 研

究

方

向： 车辆电子技术

论文完成日期： 2009年 4月 8日

独 创 性 声 明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名： 时间： 年 月 日

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(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)

研究生签名： 时间： 年 月 日

导师签名： 时间： 年 月 日

山东理工大学硕士学位论文 摘 要 摘 要

随着科技发展和社会进步，汽车保有量日益增加，汽车工业所带来的能源短缺与环境污染等问题越来越受到世界各国的重视。混合动力汽车作为一种低能耗、低排放且能够满足现代使用性能要求的新型能源汽车，受到越来越广泛的关注。

本文以舒驰中型客车YTK6605Q为研究对象，运用并联混合动力系统的有关知识对其动力系统进行设计，优化了动力系统参数，使之在保持动力性的基础上，达到提高燃油经济性和降低排放的设计目标。

本文分析比较了混合动力系统的几种驱动结构形式；研究了混合动力客车动力总成部件选型理论，提出了发动机、储能元件、电机以及变速器等的选型方案，并提出了双轴并联的混合动力客车动力系统设计开发方案。对YTK6605QHEV并联混合动力客车进行动力系统参数选择和控制策略的研究，提出了实时控制策略。运用advisor仿真软件编辑客车动力系统各组成部件M文件并对其建模；研究了在不同工况下的客车动力性与经济性；与传统车型进行比较，突出并联混合动力系统的优越性。

关键词：并联混合动力客车；动力参数匹配；控制策略；仿真

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山东理工大学硕士学位论文 ABSTRACT Abstract

With technological development and social progress, the automobile industry is increasing year by year. Energy source shortage and environment pollution arising from automobile industry have been given more and more attention all over the world. HEV is a new type motor vehicle with low energy consumption and emission, it receives more and more extensive attention.

YTK6605Q was studied in this paper as traditional model to design power train system by related information in order to realize the designed object to improve the fuel economy and decrease the emission.

The paper analyzed and compared several drive structure. The parallel configuration was put forward based on analyzing the advantages and disadvantages for series and parallel power train for hybrid electric power train structure. Then, the type for power train, such as engine, storage, motor and transmission was selected respectively according to analyzing the component for HEV. Based on YTK6605Q, the paper completed dynamic parameter matching of YTK6605QHEV and control strategy research. And it selected real time control strategy. ADVISOR software was used to simulate the designed prototype under certain drive cycle. The simulation result was compared with that from conventional bus prototype, from which it could be concluded that as for the newly designed prototype, the parameter selecting was reasonable and hybrid power was superior.

Key words: Parallel Hybrid Electric Vehicle; Dynamic Parameters Matching; Control Strategy; Simulation

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山东理工大学硕士学位论文 目 录 目 录

摘 要 ........................................................................................................................................ I Abstract ....................................................................................................................................... II 第一章 引 言 ........................................................................................................................... 1 1.1 选题背景 .......................................................................................................................... 1 1.2 论文研究的目的和意义 .................................................................................................. 1 1.3 国内外混合动力电动客车的研究现状与发展趋势 ...................................................... 2

1.3.1 国外混合动力电动客车的研究现状 .................................................................... 2 1.3.2 国内混合动力电动客车的研究现状 .................................................................... 3 1.3.3 国内外混合动力电动客车的发展趋势 ................................................................ 4 1.4 论文的主要研究内容 ...................................................................................................... 4 1.5 本章小结 .......................................................................................................................... 5 第二章 混合动力客车动力系统布置方案研究 ....................................................................... 6 2.1 概述 .................................................................................................................................. 6 2.2 混合动力客车驱动类型和工作原理 .............................................................................. 6

2.2.1 串联式混合动力客车（SHEV） .......................................................................... 6 2.2.2 并联式混合动力客车（PHEV） .......................................................................... 7 2.2.3 混联式混合动力客车（PSHEV） ..................................................................... 12 2.2.4 插电式混合动力客车 .......................................................................................... 13 2.2.5 四种混合动力驱动系统的性能特点和对比 ...................................................... 14 2.3 YTK6605QHEV动力驱动系统的确定 ........................................................................ 17

2.3.1 中型客车运行工况的特点 .................................................................................. 17 2.3.2 YTK6605QHEV动力驱动系统方案 ................................................................... 17 2.4 本章小结 ........................................................................................................................ 18 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 ................................................. 20 3.1 概述 ................................................................................................................................ 20 3.2 YTK6605Q整车参数和性能指标 ................................................................................. 20 3.3 并联混合动力客车动力总成选型 ................................................................................ 21

3.3.1 并联混合动力客车整车模型 .............................................................................. 21 3.3.2 并联混合动力客车发动机选型 .......................................................................... 21 3.3.3 并联混合动力客车电动机选型 .......................................................................... 24 3.3.4 并联混合动力客车储能元件选型 ...................................................................... 25

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山东理工大学硕士学位论文 目 录 3.3.5 并联混合动力客车变速器选型 ...........................................................................26 3.4 YTK6605QHEV动力传动系参数的选择 .....................................................................27

3.4.1 YTK6605QHEV发动机参数的选择 ....................................................................27 3.4.2 YTK6605QHEV发动机参数的选择 ....................................................................29 3.4.3 YTK6605QHEV电池参数的选择 ........................................................................30 3.4.4 YTK6605QHEV传动系速比的选择 ....................................................................32 3.5 本章小结 .........................................................................................................................34 第四章 并联混合动力中型客车动力总成控制策略 ..............................................................35 4.1 概述 .................................................................................................................................35 4.2并联混合动力客车控制策略研究 ..................................................................................35

4.2.1 电动助力控制策略 ...............................................................................................35 4.2.2 实时控制策略 .......................................................................................................37 4.2.3 模糊逻辑控制策略 ...............................................................................................39 4.3 YTK6605QHEV的控制策略和控制模式 .....................................................................40 4.4 本章小结 .........................................................................................................................41 第五章 ADVISOR软件仿真及结果分析 ...............................................................................42 5.1 概述 .................................................................................................................................42 5.2 电动客车仿真软件ADVISOR简介 .............................................................................42

5.2.1 ADVISOR的文件结构和工作原理 .....................................................................42 5.2.2 ADVISOR的仿真界面 .........................................................................................43 5.2.3 ADVISOR的基本功能 .........................................................................................46 5.3 ADVISOR仿真方法及m文件的建立 ..........................................................................46

5.3.1 ADVISOR仿真方法 .............................................................................................46 5.3.2 m文件的建立 ........................................................................................................48 5.4 YTK6605QHEV性能测试选型、仿真工况及结果分析 .............................................48

5.4.1 设置性能测试选项 ...............................................................................................48 5.4.2 仿真工况研究 .......................................................................................................49 5.4.3 仿真结果分析 .......................................................................................................51 5.5 本章小结 .........................................................................................................................52 第六章 论文总结与研究展望 ..................................................................................................53 6.1 全文总结 .........................................................................................................................53 6.2 研究展望 .........................................................................................................................53 致 谢 ......................................................................................................................................55 参考文献 ....................................................................................................................................56 在学期间公开发表论文及著作情况 ........................................................................................59

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山东理工大学硕士学位论文 第一章 引言 第一章 引 言

1.1 选题背景

为降低汽车的能源消耗和废气排放，近年来传统内燃机汽车(ICEV)、纯电动汽车(EV),混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCV)等新技术取得了长足的进步。然而由于发动机及相关技术的限制，传统内燃机汽车的能耗和排放很难再作突破性的改善。燃料电池也由于高昂的成本、目前尚低的可靠性和运行寿命，以及氢燃料基础设施的缺乏而无法在短期内替代传统内燃机汽车。

使用电动汽车可实现无污染，无疑是解决问题的最有效途径。但是，由于电动汽车的关键部件—电池的能量密度、寿命、价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡[1]。在这种情况下融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车HEV (Hybrid Electric Vehicle)异军突起，它有比传统汽车更高的燃油经济性和更低的排放，以及在规定范围内实现零排放(纯电动模式)，又克服了电动汽车续驶里程短的缺点。

混合动力电动汽车同时配备电力驱动系统和发动机系统，混合动力电动汽车将发动机、电动机、能量储存装置组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车[2]。

混合动力系统的采用可以使汽车有更多的工作模式，改善了发动机的运行工况，提高了运行效率[3]。混合动力系统作为混合动力电动汽车的核心，具有高度的复杂性。只有充分考虑系统的结构形式、部件参数、控制策略以及汽车的行驶路况等因素对系统性能的影响，做到整个混合动力系统的合理匹配，才能提高系统的运行效率，充分发挥混合动力驱动系统的潜力。

1.2 论文研究的目的和意义

节能与环保成为当今世界汽车发展的两大主题，汽车工业的可持续发展战略以及我国汽车工业所面临的现状迫使我们必须寻求新的发展道路，再加上今年经济危机的影响，政府对电动汽车的发展提供了大量政策支持。新能源汽车本身的产业前景也是非常广阔的，一方面，传统能源日渐稀缺，环境问题日益加剧，汽车行业需要未雨绸缪，加以应付，提前做好技术准备；另一方面，这也是汽车业目前面临的危机与调整带给新能源汽车的机遇。我们要抓住机遇，下决心把发展电动汽车实现产业化作为我国汽车工业实现

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山东理工大学硕士学位论文 第一章 引言 跨越式发展的战略性举措。

就其定义而言，混合动力电动汽车(HEV)是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供[4]。在并联混合动力电动汽车多能源动力总成配置中，通常将内燃机与牵引电机通过机械传动装置耦合在一起，在不同的工况条件下组成不同的工作模式，从而使内燃机和牵引电机发挥各自优点，以应对越来越严酷的环保和能源限制要求。并联混合动力电动汽车多能源动力总成由内燃机、牵引电机或电动/发电机、储能装置、传动装置、电力电子和微电子控制器等组成，这些部件的参数匹配和系统控制策略对于混合动力电动汽车的性能起着至关重要的决定性作用。值得强调的是：任意设计的 HEV 是不能达到以上要求的。这就要求设计者对 HEV 的整体匹配进行研究，包括动力驱动系统的布置形式、各部件参数的选择、功率在牵引电机和发动机之间的分配关系及其控制策略的确定等等，使各部件达到合理的匹配。如果采用传统的汽车开发的方法，混合动力电动汽车的开发将会是个漫长的过程，而且开发成本也会很高。随着计算机软硬件技术的飞速发展，新兴的虚拟样机技术逐步在汽车开发中得到广泛应用。为此，在开发阶段必须通过计算机仿真技术寻求适宜的匹配和控制策略，以使用较低的开发成本、较短的开发周期研制我国自主产权的混合动力电动汽车多能源动力总成控制系统，满足整车性能及产品实用性要求，促进我国汽车电控产业的发展。这也正是本论文所研究的目的和意义所在。

1.3 国内外混合动力电动客车的研究现状与发展趋势

1.3.1 国外混合动力电动客车的研究现状

在日本政府实施严格的汽车环保法案、给予达标车辆优惠政策等的影响下，日本混合动力汽车技术居世界领先水平。丰田是全世界第一台正式批量生产的混合动力车的制造者，自从1997年开始，Prius就开始在日本销售，2000年起便在北美、欧洲及世界各地公开发售。丰田公司已经开发出5中商业化车型。且应用于动力性能要求更高的SUV车型上—雷克萨斯的RX400h(日本名为Harrier Hybrid)和Highlander Hybrid(日本名为Kluger Hybrid)[4]。本田公司分别在1999年和2001年推出的“INSIGHT”，和“CIVIC”。本田还在混合动力车的开发上，通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等追求动力高效化；通过开发新型轻质铝车身、树脂油箱等谋求车辆的轻型化，使汽车达到每公升汽油可行驶35公里的世界最高水平，并且使汽车尾气排放达到世界最严格要求的标准。日产公司也能够批量生产并联混合动力汽车系统。

与日本相比，美国混合动力汽车的研发起步稍晚，但美国三大汽车公司的进展速度很快。美国政府于1997年与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司合作，实施新型汽

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山东理工大学硕士学位论文 第一章 引言 车合作计划(PNGV)，该计划制定的混合动力电动汽车开发的目标是：2002年进行试验性推广，2004年达到全面商业化生产。在2000年的北美国际汽车展上，三大公司分别展出了自行研制的混合动力轿车:通用Precept，福特Prodigy，戴姆勒—克莱斯勒Dodge ESX3。Precept是通用汽车公司展出的一款具有先进技术的环保车，直接归属PNGV ( Partnership for a New Generation of Vehicles)项目。它是一种采用发动机为主，电动机为辅的配置方式，适合五人乘坐的家用轿车，设计百公里油耗为3.5L，燃油效率是使用一般燃料的同类车型的三倍。

欧洲在混合动力汽车的开发、研制和推广方面作了大量投入。突出代表是法国的Berlinge，在性价比上能与一般汽车相抗衡，代表了国际实用先进水平。目前，德国己有20辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。最近，德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将在部分地区限制百公里油耗超过5升的轿车行驶，也将促使人们把希望寄托在混合动力汽车的开发上。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃FL6卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达90km。 1.3.2 国内混合动力电动客车的研究现状

电动汽车在我国863计划启动之初就是重要专项之一，2000年科技部进一步将电动汽车的产业化列为“十五”科技工作重中之重的重大专项[5]。混合动力客车和混合动力轿车目前发展比较快。混合动力客车是由一汽和东风公司牵头，与众多科研院所合作研制的。

清华大学在混合动力电动汽车关键技术和系统及理论方面作了许多工作, 1995 年就开始这方面的研究。到目前为止国内已有几个单位试制出了混合动力电动汽车的样车 , 如广州市电车公司开发了混合动力公共汽车； 华南理工大学与广东云山汽车厂也合作开发了一种中巴混合动力汽车。1998年，清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车；江苏理工大学也进行了串联式混合动力公交轻型客车的研制[6]。吉林大学分别与第一汽车集团、中国汽车技术研究中心进行混合动力卡车、轿车和客车的研究。常州长江客车集团也在2001年5月与北京能源技术科研机关研制了2辆11米的混合动力大客车，至今已运行了近8000km，运营状况良好。目前常客集团工矿车辆有限公司又与航天部杭州航天万源绿色动力科技有限公司继续研制开发这种混合动力电动公交大客车。一汽自主研发的解放牌混合动力城市客车已通过国家“863”电动车重大专项专家组的项目验收。2005年4月，天津清源电动车辆有限责任公司向美国成功出口6辆自主研发生产的“幸福使者”电动汽车，后经过美国经销商的性能测试和市场推广，对该车的各项性能指标均非常满意，随后同年9月美方再次向清源公司订购“幸福使者”电动汽车106辆，这112辆电动汽车成功批量销往美国既是我国国内电动汽车第一次出口，同时也标志着天津清源电动车辆有限责任公司已经初步实现了电动汽车产业化，走在了全国同行

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山东理工大学硕士学位论文 第一章 引言 的前列[7]。东风集团的混合动力公交车已于2005年7月完成最终产品定型样车试验并通过验收。从此，我国首款自主研发、完全拥有自主知识产权的东风混合动力电动公交车正式投放市场[8]。

1.3.3 国内外混合动力电动客车的发展趋势

近几十年来, 世界各国汽车工业都面临着能源危机与环境保护两大挑战。为此, 各国政府纷纷制定相应对策, 力图开发出新一代清洁节能型汽车。我国财政部和科技部联合出台了《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》。此次财政支持的节能与新能源汽车主要指混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车，对于节油率在40%以上的混合动力汽车，其补助标准将达到5万元/辆，并且鼓励在公交、出租等公共服务领域率先推广新能源汽车。此次明确提出具体的补助方案，显示出政府发展新能源汽车的决心。由于电池技术的瓶颈, 纯电动和燃料电池电动汽车技术发展相对缓慢。目前, 混合动力电动汽车由于其高能量效率和低排放性能向传统汽车提出了极大挑战, 发展势态迅猛, 市场化进程很快。

1.4 论文的主要研究内容

论文将以传统客车YTK6605Q为研究对象，将其设计为并联式混合动力电动客车，在不牺牲其动力性的基础上，提高燃油经济性和降低排放。实现混合动力系统设计目标的关键在于确定系统的结构、动力系统的合理匹配、参数优化以及多能源动力分配控制策略的制定，然后进行性能仿真分析。基于以上考虑，本课题主要研究内容如下：

(1)并联式混合动力城市客车动力系统总体方案的确定。

(2)并联式混合动力城市客车动力系统参数选择与匹配。根据本文制定的整车动力性能指标要求，提出并联式混合动力总成参数的匹配方法和原则，对并联式混合动力城市客车进行动力系统参数匹配。

(3)并联式混合动力城市客车控制策略的研究，其中包括模糊逻辑控制策略、自适应控制策略、遗传实时控制策略。本部分主要完成控制策略在整个模型中的建立，综合考虑车辆的动力性能、燃油经济性和电池荷电状态，建立合适的控制策略。

(4)并联式混合动力城市客车整车性能仿真。采用ADVISOR仿真思想建立起整车仿真模型，并根据整车参数、选择的动力系统参数以及制定的控制策略对设计好的车型进行仿真，并对仿真结果进行分析。

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山东理工大学硕士学位论文 第一章 引言 1.5 本章小结

(1)介绍了该课题研究的目的和意义以及发展前景。

(2)详细介绍了混合动力客车当前的国内外研究现状和发展趋势。 (3)介绍了本课题的主要研究内容。

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 第二章 混合动力客车动力系统布置方案研究

2.1 概述

目前由于能源的限制，电动客车的行驶里程无法与燃油客车相比，无论电动客车多么清洁，人们不可能购买行驶里程只有100-200km的电动客车。只有当电动客车的能源技术有所突破时，电动客车才会普及，在此之前，使用内燃机和电动机的混合动力电动客车是一种替代的解决方法。混合动力电动客车的优点是把纯电动客车的行驶里程延长了2-4倍，而且能快速添加汽油或柴油，其缺点是结构复杂且不是零排放。不过与燃油车相比，在相同行驶里程的条件下，混合动力电动客车的燃油消耗和排放要小得多，因为混合动力电动客车中的内燃机以最有效的模式工作，燃油消耗少，产生的排放也小，而且，混合动力电动客车也可以像电动客车一样工作于零排放区。

混合动力客车性能的好坏不仅取决于传动系参数的选择与匹配、控制策略的制定以及各组成部件的优化，而且还取决于整车动力传动系的布置方案。本章主要深入研究整车的布置方案，为了对动力系统有一个较全面的认识，对各种典型的动力系统的结构和特点作了较深入的对比和总结。通过本章研究，从理论上初步确立本文研究的混合动力电动客车要采用的动力驱动型式。

2.2 混合动力客车驱动类型和工作原理

混合动力车的传统分类方法是按照混合动力驱车传动系统采用什么样的机械连接结构进行分类，主要分类依据是判断内燃机是否与驱动轮有直接的机械连接，即以动力传输路线将混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式和插电式四种典型结构, 不同结构实施不同控制策略[9]。控制策略的制定是混合动力电动汽车开发的关键, 因为其直接影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能。如今, 控制策略研究作为电动汽车的关键技术之一, 得到了国内外汽车科技工作者的普遍重视。 2.2.1 串联式混合动力客车（SHEV）

串联式混合动力电动汽车发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能, 转化后的电能一部分用来给蓄电池充电, 另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。串联式混合动力电动汽车控制策略相对简单, 目前运用较多的主要是自动调温器式和功率跟踪式两种,这两种控制策略基本原理有如分段函数, 都是以电池荷电状态(SOC) 的上下界作

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 为临界点来分段执行相应操作, 原理简单。

串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成, 它们之间以串联的方式组成动力单元系统, 由发动机驱动发电机发电, 电能通过控制器输送到电池或电动机, 由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮, 大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处启动、加速、爬坡工况时, 发动机- 电动机组和电池组共同向电动机提供电能; 当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时, 则由电池组驱动电动机, 当电池组亏电时则由发动机- 发电机组向电池组充电[9]。串联式驱动系统结构如图2-1所示：

图2-1 串联式驱动系统结构图

这种结构的混合动力系统由于没有发动机驱动车轮的机械结构，所以在结构上较为简单。另外由于发动机仅为发电机提供动力发电，所以无论车辆行驶情况如何，发动机一直都会以恒定的工况在经济区做功，从而降低了油耗。这一特性使得串联式混合动力车型在频繁起步和低速行驶工况的市区尤为有效。但是相反在长距离高速运行时，由于串联式系统需要不断的通过以发动机的动力产生电能，从而多了一次能量转换过程，机械效率较低，并且在高速运行中，电动机对电能的消耗也较快，此时的串联混合动力系统便不如传统的内燃机汽车省油了。因此串联式混合动力系统常常出现在混合动力城市客车中，不过近年来由于电池技术有所进步，串联式系统也被应用于混合动力轿车之中，并且建立起了一种极富发展前景的系列。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速行驶工况, 可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转, 通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，使发动机避免了怠速和低速运转的工况, 从而提高了发动机的效率, 减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换, 机械效率较低。 2.2.2 并联式混合动力客车（PHEV）

并联式混合动力系统采用发动机和电动机两套独立驱动系统, 可以采用发动机单独驱动, 电力单独驱动或者混合驱动三种工作模式。国内外对并联式混合动力电动汽车精力投入较多, 结构形式和控制策略多样化。并联混合动力系统又有多种不同的结构形式，

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 常见的有单轴并联和双轴并联，控制策略有并联电辅助驱动式控制策略、并联自适应式控制策略(实时控制策略) 和模糊逻辑控制策略三种[10]。

并联式系统的发动机和电动机共同驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统, 可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩, 在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时, 电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力, 一旦汽车车速达到巡航速度, 汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用, 又称为电动- 发电机组。由于没有单独的发电机, 发动机可以直接通过传动机构驱动车轮, 这种装置更接近传统的汽车驱动系统, 机械效率损耗与普通汽车差不多, 得到比较广泛的应用。一般大多数的设计都是将发电机和电动机整合成一个单元(ISG)。这样的发电机、电动机整合单元被安装于发动机和变速器之间，并且替代了传统汽车中的起动机和发电机。车辆行驶时主要以发动机驱动，利用电动机所具有的在低速时产生强大驱动力的特征，在汽车起步、加速等发动机的燃料消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。因为这种方式的结构相对比较简单，并联式混合动力可以做到轻型化，在车身自重增加不多的情况下对提升汽车的动力性和燃油经济性能都有利。比如本田汽车研发的IMA系统便是典型的并联式混合动力系统。另外国内自主品牌奇瑞汽车开发的ISG混合动力汽车也属于同一范畴。

并联式混合动力电动汽车发展迅速,复合装置采用行星轮系。目前也有将发动机和电机直接复合的新结构出现, 它通过磁场叠加原理完成动力复合, 省略了机械复合装置。

◆双轴并联混合动力总成构型

双轴并联式混合动力总成的结构根据动力合成装置在变速箱的前与后可分为前置式(动力合成装置在变速箱前)双轴并联结构和后置式(动力合成装置在变速箱后)双轴并联结构分别如图2-2和图2-3所示。

图2-2 前置式双轴并联HEV动力传动系结构简图

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究

图2-3 后置式双轴并联HEV动力传动系结构简图

双轴并联式混合动力传动系，发动机与电动机可以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，即发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮。而且并联式HEV没有串联式HEV动力传动系中的专用发电机，因此更像传统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点:

(1)由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统效率较高，燃油消耗也较少;

(2)电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发动机和电动机两个动力总成，整车质量和成本大大减小。

缺点:

(1)由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况实时地受到汽车行驶工况的影响，因此对整车排放工作点的优化不如串联形式好。

(2)这种结构，要维持发动机在最佳工作区工作，需要复杂的控制系统。 ◆单轴并联混合动力总成构型

单轴并联式混合动力传动系是指发动机和电机同轴联接和布置，根据电机在变速箱的前与后可分为前置式(电机在变速箱前)单轴并联结构和后置式(电机在变速箱后)单轴并联结构，分别如图2-4和图2-5所示。

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究

图2-4 后置式单轴并联结构

图2-5 前置式单轴并联结构

单轴并联结构形式的优缺点除如上所述外，还有一个特点是有利于电机和变速箱结构的一体化模块设计，便于批量生产中的模块化供货和整车装配。

单轴并联结构的合成方式为扭矩合成。这种结构(发动机和电动机的输出轴采用了同一根传动轴)将导致发动机和电动机两者每时每刻的转速值均为同一值，限制了电动机的工作区域，造成两者特性的不匹配，为改善这种关系，需要布置一多速变速箱，这又会导致控制系统较为复杂。

并联混合动力系统一般的工作模式是：低速时和纯电动车一样只有电动机接合(即电驱动模式)，发动机只在较高车速时才开始工作。因此有利于改善低速HC, CO排放和燃油经济性。在再生制动或者高负荷运行下(例如急加速)电动机又会接合。停车时发动机关闭，由电池提供其他设备所需功率。并联式与串联式结构相比，其能量的利用率，燃油经济性相对较高;需要变速装置和动力复合装置，传动机构比串联式复杂。由于并联式HEV的发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不太适合于市内行驶，而更适合于在城市间公路和高速公路上稳定行驶。

目前用于并联的策略一般有并联电辅助驱动式控制策略、并联自适应式控制策略(实时控制策略) 和模糊逻辑控制策略三种，下面分别加以介绍。

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 ◆并联电辅助驱动式控制策略 在电辅助驱动控制策略中, 利用电动机提供额外功率, 并要保持电池的荷电状态处于允许的工作范围。具体的控制策略如下：

a. 当车速低于某一最小车速时, 电动机提供全部的驱动力； b. 当转矩需求高于发动机的最大值时, 电动机提供额外的驱动转矩；

c. 当发动机在给定的车速上效率很低时, 发动机关机, 由电动机提供驱动转矩； d. 当电池SOC过低时, 发动机提供额外扭矩带动电机工作对电池充电。 e. 回收制动能量, 为蓄电池充电；

电辅助控制策略的出发点是保证发动机工作在较高效率区, 由电动机来提供余下的功率, 没有考虑到电机的效率和发动机产生的机械能转化为电能的效率。

◆并联自适应式控制策略(实时控制策略) 这种控制策略兼顾了燃油经济性和发动机废气排放两方面的性能, 在每一个时间段内都对发动机和电动机的转矩分配进行优化控制。主要特点如下:

a. 当车速低于某一最小车速时, 由电机提供全部驱动力；

b. 当车速大于最小车速, 并且行驶需要扭矩小于电机的最大扭矩时,根据发动机的燃油消耗率和当前电池的SOC值来决定动力源；

c. 当行驶需要扭矩大于电机的最大扭矩, 并且小于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时, 由发动机独自提供全部驱动力。发动机是否驱动电机对电池充电, 取决于电池的SOC以及此时电池和电机的效率；

d. 当行驶需要扭矩大于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时, 由电机提供扭矩助力；

e. 减速时回收制动能量。

该控制策略可以将汽车的优化设计结合发动机、排气装置、电动机和蓄电池的瞬时效率能耗和尾气排放, 根据用户定义的燃油经济性和排放目标, 由发动机、电动机及蓄电池的状态和可回收的制动能量等条件,动态调整控制策略。

◆模糊逻辑控制策略 模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机和蓄电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率达到最高。模糊逻辑控制策略目标与实时控制策略类似, 但是与实时控制策略相比, 模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点[11]。

双输入模数逻辑的两个输入分别为:(1)整车的需求功率和当前转速下发动机最优功率的差值；(2)蓄电池组SOC 值的估计值。模糊控制器对两路输入信号进行模糊运算, 经清晰化运算后得到两个比例控制系数X1 和X2 分别控制发动机和电机的控制器。

输入变量隶属度函数的设计主要根据发动机、蓄电池和电机的工作效率图, 确定各自高效运行的模糊集。各变量的隶属度函数为调整方便可以选用正态函数或者0-1 范围内的梯形图[12]。

在确定出各输入变量的量化等级和隶属度函数后, 就可以制订模糊控制规则, 所掌握的规则越多, 对系统的描述就越清晰, 控制结果也就越接近最优值。模糊控制规则的

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 主要意图是:

a. 所需功率近似为当前转速下发动机最优功率时，电机基本不工作。

b. 所需功率大于最优功率一定值时，发动机工作点位于最优工作点附近, 余下的部分功率由电机提供,同时使电机运行效率也在较高范围内。

c. SOC 超出限定值时，采取相应措施，使其回到正常范围。 2.2.3 混联式混合动力客车（PSHEV）

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构图如图2-6所示。其驱动系统是发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，但驱动电动机的发电机串联于发动机与电动机之间。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥

[13]

。

图2-6 混联结构

混联式驱动系统的控制策略是:

a. 起动时, 由电池组分别向车辆前驱动轴、后驱动轴电机供电直到发动机可以较高效率工作时, 起动发动机并用于驱动车辆前轴；

b. 轻载时, 发动机关闭, 车辆前驱动轴由电池组、电动机系统驱动； c. 正常行驶时, 由发动机直接驱动车辆前驱动轴；

d. 全节气门开度加速时, 发动机和两个电动机同时工作用于提供车辆驱动行驶功率；

e. 减速制动时, 电动机以发电机模式工作, 实现再生制动；

f. 电池组充电模式, 在车辆正常行驶过程中, 当电池组电量偏低时, 应对电池组进行补充充电。

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 混联式HEV充分发挥了串联式和并联式的优点，以达到热效率更高，排气污染最低的效果。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高[14-15]。

2.2.4 插电式混合动力客车

目前，又开发出了一种插电式混合动力汽车PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle),它是指可以使用家用电源插座(例如110V/220V电源)对混合动力系统中电池充电的汽车，这种混合动力汽车比全混合电力汽车有较长纯电动行驶里程(30km、50km或80km，依设计而异)，但需要时，仍然可以像通常的全混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV，可利用电池行驶40km，到旅程终点后，再利用电网电源对电池充电；如果旅程超过50km，则开始的50km可以用电池来行驶，超过50km后则可以常规的混合动力方式行驶，到了旅程终点则再一次利用电网电源对电池充电[16-17]。

通用汽车公司在2007年底特律车展推出了配备汽油涡轮增压发动机E-Flex系统的Volt串联插电式混合动力车。Volt混合动力车在第十二届上海国际汽车展、通用2007高新科技能源动力技术展上展出，2010年准备量产。通用汽车公司将需量产的Volt前驱电动车取名为增程式电动车。它可以通过电力来全时、全速驱动车辆。当行驶里程小于64km(40英里)时，完全可只依靠一个车载16kWh锂离子蓄电池电力来带动电机驱动车辆。当锂离子蓄电池电力耗尽时，Volt可通过一个车载的汽油或E85乙醇燃料1.4L排量发动机延长续驶里程为车载锂离子蓄电池充电。发动机不直接参与驱动车轮，因此，Volt实际上是串联插电式混合动力车。与传统纯电动汽车不同的是Volt汽车彻底消除了人们对行驶距离的顾虑，它可以使驾驶员完全不用担心由于锂离子蓄电池电量耗尽而进退两难所带来的尴尬。雪佛兰Volt串联插电式混合动力车可通过标准家用220V电源为车载锂离子蓄电池进行插电式充电[18]。Volt车所具备智能充电技术可确保车载锂离子蓄电池能在3小时内完成充电。如果蓄电池内电量尚未完全耗尽，充电时间也会相应缩短。而在110V电源上充电时间为8小时。以平均1小时耗电8度计算，雪佛兰Volt串联插电式混合动力车在美国充电成本约为10美分／小时(折合人民币0.68元／小时)。在中国完全可以采用晚间廉价电力来充电。

Volt串联插电式混合动力车采用1.4L小排量发动机。电机功率为70kW。发电机功率为53kW。采用由A123系统公司生产的磷酸铁锂离子蓄电池，其功率为16kWh，Volt车的电动系统可产生110kW、370Nm的输出扭矩，而最高车速为161 km／h。0-96km/h加速时间为9s。

美国通用汽车(GM)在底特律车展(2008 North American International Auto Show)展出了配备柴油发动机的插电式混合动力概念车―Saturn Flextreme Concept‖，该车采用了该公司定位于下一代电动汽车平台的―E-Flex‖。E-Flex可以利用家庭电源给汽车中的锂离子

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 充电电池充电，进行电动汽车行驶(EV行驶)。这是一款采用串联方式的插电式混合动力车， 当充电电池的剩余电量较少时，不利用发动机来行驶，而是用发动机来驱动发电机来发电，然后用所发的电边给充电池充电边驱动汽车行驶，所以该车为系列(series)式插电式混合动力车。Flextreme Concept备有排量1.3 L的柴油涡轮发动机。锂电池容量等详细信息未公布，不过每次充电最多可实现约54km的EV行驶。 2.2.5 四种混合动力驱动系统的性能特点和对比

一、SHEV驱动系统的性能特点 (一)SHEV的优点主要有四个方面[19-21]：

(1)SHEV只有驱动电动机的电力驱动系统，其特点更加趋近于EV。从总体结构上来看，比较简单，易于控制，三大动力总成之间没有机械联系，在电动汽车上布置起来，有较大的自由度，可以独立地布置。

(2)SHEV的发动机－发电机组中的发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运转，因此，发动机具有良好的经济性和较低的排放指标。

(3) SHEV以动力电池组为基本能源来驱动，使SHEV在城市中，实现“零污染”状态的行驶。发动机－发电机组所发出的电能向动力电池组充电，用于补充动力电池组的电能，或直接供给驱动电动机，大大地延长SHEV续驶里程。

(4)可以采取电动机集中驱动系统或轮毂驱动系统。 (二)SHEV的不足主要有以下三个方面：

(1)驱动电动机的功率必须能够克服汽车在行驶过程中的最大阻力，驱动电动机的功率要求较大，外形尺寸较大，质量也较重。由于不是经常在满负荷状态下运转，因此效率较低。由于外形尺寸较大，质量也较大，在中小型车上的布置有一定的困难，但较适合在大型客车上采用。

(2)发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都有能量损失，因此发动机输出的能量利用率比较低，这是其固有的弱点。

(3)发动机－发电机组与动力电池之间的匹配要求较严格，应能自动启动或关闭发动机－发电机组，以避免动力电池组过度放电，这就需要更大的电池容量。

二、PHEV驱动系统的性能特点

(一)PHEV的优点主要包括以下三个方面：

(1)基本驱动模式是发动机驱动模式，由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，没有机械能－电能－机械能的转换过程，与串联式布置相比，能量综合效率较高。

(2)由于在车辆需要最大输出功率时，驱动电动机可以向汽车提供额外的辅助动力，因此发动机功率可以选择得较小，使汽车的燃油经济性提高。

14

山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 (3)具有发动机和驱动电动机两个动力总成，其中每个动力总成的功率设计为车辆驱动功率的50%-100%，因此，质量和体积要小很多。

(二)PHEV的不足主要包括以下三个方面：

(1)由于基本驱动模式是发动机驱动，故需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，在总布置上基本与内燃机汽车相同，动力性能接近内燃机汽车，发动机有害气体的排放高于串联式。

(2)发动机驱动模式需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动器等传动总成，另外还有驱动电动机、动力电池组，以及动力耦合器等装置，因此使动力系统结构复杂，布置和控制也更加困难。

(3)发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地受到汽车具体行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作区工作，则控制系统和控制策略较复杂。

三、PSHEV驱动系统的性能特点

(一)PSHEV的优点主要包括以下三个方面：

(1)发动机的工作不受汽车行驶状况影响，总是在最高效率状态下工作或自动关闭，使汽车在任何时候都可实现低排放及超低油耗，达到环保和节能效果。

(2)车辆的最大输出功率相当于三个动力装置共同组成混合动力驱动汽车时的发动机和电动机的最大输出功率之和。因此发动机排量可减少，电动机功率可降低，其体积减少，而且加速性能很好。

(3)配有专用电动/发电机发电系统，所以对电池的依赖较少。 (二)PSHEV的主要缺点为：

控制系统比较复杂，部件性能要求高、造价高，从而导致了其可靠性难以保证、设计加工困难。

四、插电式HEV驱动系统的性能特点 (一)插电式HEV的优点主要包括以下方面：

短途行驶发动机不工作，蓄电池提供全部驱车动力，可实现零排放。长途行驶相当于串联混合动力，发动机的工作不受汽车行驶状况影响，总是在最高效率状态下工作或自动关闭，可实现低排放及超低油耗，达到环保和节能效果。

(二)插电式HEV的主要缺点为： 充电时间长，续驶里程短。 五、四种混合动力驱动结构对比

通过对上述不同结构型式的动力系统进行对比，可以得出：SHEV有利于降低排放，但在现有技术条件下降低油耗作用不明显；PHEV可以使油耗和排放都得到显著降低，目前的开发重点是高效率、易控制的动力复合装置；PSHEV在理论上易于实现最优的燃油经济性和低排放，但由于结构过于复杂，开发难度最大，所以成本高。插电式混合动力车可以实现零排放，但受续驶里程和充电时间的影响。串联式HEV与并联、混联、

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 插电式HEV的主要优缺点比较见如表2-1。

表2-1 四种混合动力驱动系统的优缺点

类型

控制系统 控制系统结构比较简串联式

单，控制方法简便，根据蓄电池充电状态决定其运行或

停止

总容量比串联的小(约为1/3)，对蓄电池的峰值功率要求低 对电池要求较高，容量大，增加了电池和汽车重量以及制造成本 电池

能量传递效率 动力传递过程中存在能量转换的损失，降低了能量利用率 动力直接传到车轮上中间环节少，比串联式的能量利用率高

发动机的工作

对电池的依赖小，甚至可以不需要外置充电系统

较高

不受汽车行驶工况的影响，总是在最高效率状态下运转使汽车实现低排放和超低油

耗

插电式

控制方法和串联式相似

对电池要求较高

纯电动行驶利用率高，发动

内燃机最佳工况

工作

污染小 介于串、并联之间

发动机和电动机均较小，动力系统可根据不同工况选用不同的动力驱动方式，充分利用两套动力装置的优

点 对充电源有依赖，有充电时间限

制

动力主要来源

污

结构简单，省去了发电机

内燃机总在最佳工况下工作，具有较好的燃油经

济性

污染小

内燃机工作效

率

环境污染

其他

动力装置的功率较大，设备规模较大，增加了车辆的成本及结构布置

的难度

并联式

动力控制系统及机械切换系统相对较

复杂

于内燃机，内燃机染大，工作范围大，效率

较低

噪声大

混联式

机械传动系统及控制系统最为复杂

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 2.3 YTK6605QHEV动力驱动系统的确定

从上述对四种结构的混合动力电动客车的介绍、分析可以看出。这四种类型的混合动力驱动系统在结构和性能上各有优缺点。各自的技术特点决定其适应于不同的工况。 2.3.1 中型客车运行工况的特点

中型客车与其他车辆行车工况相比，有显著特点[22-23]： (1)行驶道路有其自身特点

随着城间基础设施建设的逐步完善，城间道路条件逐步完善，道路质量比较好，车辆行驶较平稳；市内广泛采用了立体交通，立交桥路面坡度一般为4%-6%，在没有公交专线的情况下市内车辆行驶速度较低，易发生交通堵塞，经常发生坡道起步；同时建有桥梁的市内还应考虑车辆爬长坡的要求，因为桥梁的坡度不大，但是坡道较长，这就对车辆提出了爬长坡的要求。

(2)室内平均车速低，过渡工况多

市内由于交通拥挤、交通道口多，站距短，客车因而起步、停车频繁，大多数时间以加速－减速－滑行－怠速等过渡工况工作，且平均加速度小。

(3)城郊路线固定，往复运行

中型客车不像其他车辆运行路线千变万化，而是每天都在指定线路运行并来回往复。每条线的车辆都在固定站点停靠，而且现在城郊交通通畅，路况好，车辆每天在固定地段行驶。运行时间固定。

(4)载荷多变且时间特征明显

随着建设规模的逐步扩大，交通网也日趋复杂，每条线路途径地区的行驶速度、道路特点、乘客数量各不一样，上、下班高峰时段和中心城区乘客拥挤，非上、下班高峰期和郊区乘客相对稀少，车辆负荷低，造成了能源的极大浪费。 2.3.2 YTK6605QHEV动力驱动系统方案

不同形式的混合动力驱动系统在结构和性能上各有优缺点。各自的技术特点决定了串联混合动力客车更适合于市内低速运行、频繁的加速、减速、停车的复杂工况，在这种工况下串联式混合动力驱动系统发挥了其发动机工作条件稳定、制动能量回收效果好、工作稳定可靠的优势；并联式混合动力客车则适合路况简单的城市间公路及高速行驶的车辆；而混联式结构由于其系统过于复杂，部件性能要求高，造价也高，在研究、开发和应用中都受到很大的限制。本文选择并联式驱动结构，其主要原因表现在以下方面：

(1)并联式结构中发动机和电动机是相互独立的，在低速小功率运行时可以关闭发动

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 机，利用电动机进行驱动。

(2)在中高速稳定运行工况时，可以只利用发动机进行驱动，此时发动机富裕的功率还可以通过动力复合装置和电机转换为电能，对电池进行充电。

(3)在高速运行或加速时，可以利用动力复合装置对原动机和电动机的输出动力叠加。

(4)在市郊和城间运行时，客车经常处于中高速平稳运行状态，而且对排放没有苛刻要求，并联式动力系统可以关闭效率较低、需经常对电池进行管理的电驱动部分，从而使系统具有更好的经济性。

基于上述对混合动力系统的分析，可知混合动力汽车是一个组成部件多、驱动布置形式多样的复杂系统。根据现有的机械加工能力、大中城市汽车排放污染严重的问题和我国国情，并结合城市公交车发展的需要，作者认为本文的混合动力城市客车选择并联式结构型式是较为可行的方案，可以使油耗和排放都得到显著降低。对应于YTK6605Q并联混合动力客车本文采用双轴并联式传动系，其结构简图如下图2-7所示：

图2-7 YTK6605QHEV结构简图

2.4 本章小结

本章主要是为本文设计的并联式混合动力电动客车YTK6605QHEV的驱动系统选择合适的方案，主要内容包括：

(1)对混合动力电动客车的动力总成结构型式进行了全面介绍。混合动力电动客车的分类方法有很多种，作者根据一般的分类方法，即根据驱动系统进行分类，把混合动力电动汽车分为：串联式、并联式、混联式和插电式，对其各自驱动系统的结构形式、工作原理和控制策略进行了详细介绍，并对他们进行了比较分析。

(2)通过对四种驱动结构优缺点的分析比较，得出结论：并联混合动力客车更适合于路况简单的城市间公路及高速行驶的车辆；串联式混合动力汽车特别适合于在市内低速运行、频繁的加速、减速、停车的复杂工况；混联式结构具有二者的优点，但由于其系统过于复杂，部件性能要求高，造价也高，在研究、开发中和应用中都受到很大的限制；

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 插电式则由于受充电时间和续驶里程限制不予考虑。

(3)详细总结了城市客车运行工况的特点。

(4)由于并联式结构可以使油耗和排放都得到显著降低，综合考虑城市客车运行工况的特点以及目前国内外技术现状，确定本课题的驱动结构为并联式。

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配

3.1 概述

研究混合动力中型客车动力系统的关键是选择合适的动力系统结构型式，并对构成整个系统的发动机、电动机、发电机、蓄电池和传动比进行合理的参数匹配，使其在满足整车的动力性能指标的前提下，提高整车的燃油经济性和降低排放。为了充分发挥HEV的优势，本章主要是对并联式混合动力客车动力总成选型和参数匹配进行研究。

3.2 YTK6605Q整车参数和性能指标

本文设计的并联式混合动力中型客车是以烟台舒驰YTK6605Q传统内燃机客车为原型车，其整车基本参数见表3-1。

表3-1 YTK6605Q整车基本参数

参数 整备质量(kg) 迎风面积(m2) 空气阻力系数

外形尺寸：长*宽*高(mm) 轴距(mm)

轴荷分配 前/后(满载) 轴荷分配前/后(空载) 变速器速比 排量(L)

标定功率(kw/rpm) 最大扭矩(Nm/rpm) 最高转速(rpm) 驱动桥速比 滚动阻力系数 规格 车轮半径

参数值 3285 6.1 0.5

5995*2240*2730 3300 1622/2870 1190/2105

6.8，3.88，2.27，1.42，1.00：R：6.15 2.656 75/3200 245/﹤2200 3200 4.875 0.014 6.50-16.0 0.375

综合考虑本课题的各种因素，参考传统客车和目前中型客车的运行状况以及道路条

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 件提出YTK6605QHEV预期达到的动力性指标如表3-2：

表3-2 YTK6605QHEV预期动力性指标

参数 最高车速 最大爬坡度 0-50km/h的加速时间 20km/h行驶的纯电动续驶里程 6%的坡度上持续行驶速度

参数值 95km/h 20% <15s 40km 40km/h

3.3 并联混合动力客车动力总成选型

混合动力客车动力总成主要包括以下部分:发动机、储能元件、动力电机及控制系统、变速器以及动力合成装置等，本节主要根据混合动力汽车的工作特性要求对动力元件的选型方案进行分析。

3.3.1 并联混合动力客车整车模型

整车模型采用ADVISOR已有的模型，它包括车身模块和车轮及传动轴模块。模型首先根据需求的加速度计算需求的牵引力，然后根据车轮输出的牵引力来计算可以输出的加速度。单位时间步长的车速等于步长开始时的速度和步长结束时速度的平均值。整车模型如图3-1，包括克服滚动阻力模块、克服坡度阻力模块、克服空气阻力模块、克服加速阻力模块。车身模块是根据经典的汽车动力学方程建立的，即[24]：

F?Ff?Fw?Fi?Fj

其中：F—牵引力，Ff—滚动阻力，Fw—空气阻力，Fi—坡度阻力，Fj—加速阻力。

3.3.2 并联混合动力客车发动机选型

选择混合动力客车用发动机时，首先要考虑的就是满足汽车性能要求的发动机尺寸与额定功率问题。在大多数的混合动力客车设计中，发动机的额定功率将由车辆需求的平均功率决定，结果与传统的客车发动机相比，混合动力客车用发动机是相对较小的。另外，对于所开发的并联混合动力客车，为达到车辆的节能和低排放目标，要控制发动机工作在高效区，即在低负荷由电机提供驱动功率，发动机关闭；在高负荷(发动机满足不了整车需求)时，电机参与工作等。

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配

图3-1 车身模块

此外，在选用混合动力客车用发动机时还要考虑到整车总布置问题，这是因为在混合动力客车上采用了多种动力部件，而客车的可用空间又非常有限，所选用的发动机应有利于动力传动系的合理布置。另外还要考虑发动机的噪声和振动、可靠性、使用寿命、维护成本、运行成本以及安全性能等因素。

考虑到上述因素并总结了目前各国在混合动力客车研究中所选用的发动机方案知，可以应用于混合动力客车的发动机主要有:转子式发动机、燃气轮机、斯特林发动机以及四冲程汽、柴油机等。表3-3列出了各自的特点与使用动力总成方案[25]。

表3-3 各种发动机特点及应用方案

发动机型式 转子发 动机

燃气轮机

优点：(1)具有尺寸小、重量轻、暖机迅速和扭矩速度曲线平坦。 (2)最小燃油消耗率较高，达到了300-360g/kwh

缺点： 排放较高。

优点：(1)尺寸小、维护成本低、噪声和振动小、在低转速时能产生较大扭

矩，热效率高、可采用多种燃料并且设计简单。

(2)排放水平低、通过使用后处理器或者采用催化燃烧室还可达到准零排放水平。

缺点： 响应时间长。

斯特林发动机

优点：具有高的效率、低排放和低噪声性能。 缺点：功率密度低以及需要大的散热装置。

串联 串联

特点

应用 范围 串联

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 四冲程汽油机和柴油机

优点：(1)技术成熟 (2)热效率高

缺点：排放较差、噪声和振动大。

但采取技术后，上述缺点得到改善，应用广泛。

串联 并联

综上所述，对于并联混合动力客车，应用目前技术成熟的先进四冲程发动机并做适当的改进不失为最佳选择。本文选择四冲程柴油发动机作为YTK6605QHEV研究对象。

基于Matlab/Simulink 平台建立的发动机模型主要通过包括发动机控制模块、发动机转矩和转速计算子模块、燃油消耗和排放计算模块、发动机散热模型等来建立发动机总成模型，如图3-2、3-3。至于是柴油机还是汽油机，则可以在发动机模型输入文件中进行描述和特性输入[26]。

图3-2 发动机总成模型

图3-3 发动机总成模型中的燃燃油消耗和排放计算模块

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 3.3.3 并联混合动力客车电动机选型

在混合动力客车应用中，电动机的选用原则为： (1)高性能、低重量和小尺寸； (2)在较宽的转速范围内有较高的效率； (3)电磁辐射尽量小； (4)成本低。

另外，对电动机的选型还应综合考虑其控制系统的特点，要求能实现双向控制，对制动再生能量可以回收。目前混合动力客车使用的电动驱动系统主要有直流电机驱动系统和交流电机驱动系统两种[27]。

直流电动机的优点是机械特性好，调速方便而且性能好，曾在电动客车上得到广泛应用，但由于直流电动机在运行过程中需要电刷和换向器限制了电机转速的进一步提高(最高转速6,000-8,000r/min)，另外，电机本身效率较低、结构复杂且体积大、重量大、价格高决定了它必然会被其它先进电机如交流电机所取代。

交流电机驱动系统非常适合应用于混合动力客车传动系。混合动力客车上用交流电机驱动系统主要有采用异步电机的驱动系统和永磁电机的驱动系统，也有部分电动客车采用了开关磁阻电机组成的交流驱动系统。

考虑到技术成熟度，交流感应电机成了混合动力客车的主要选择。随着技术的进步，永磁同步电机也具有广阔的应用前景。本文选择技术成熟交流感应电机作为电驱动系统。在一定的转速下，整个模块接受来自车辆控制器的指令，通过改变电机的电流和电压调整输出转矩，其扭矩平衡方程与发动机类似。综合多种已有的模型架构，建立如下总成电机模型，如图3-4。

图3-4 交流感应电机模型总成

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 3.3.4 并联混合动力客车储能元件选型

在混合动力客车中，储能元件起着向电动机供能及向动力传动系输出峰值功率的作用，其另外一个作用是吸收制动再生能量并将其存储起来。

能量回收制动(Regenerative breaking)对提高混合动力客车的总效率是非常有意义的，混合动力客车要求储能装置应在长时间内能够接收制动功率(例如2分钟)，为使储能装置不致太重，要求其应具有比较高的比功率和比能量。目前，功率型动力电池组作为混合动力汽车储能系统的主要类型得到普遍使用。由于动力电池涉及固-液-气三相反应，是一个非常复杂的非线性电化学系统，其系统建模和特性描述成为混合动力汽车性能仿真和控制策略设计的难点之一。目前通常采用由电阻、电容、恒压源等电路元件组成的等效电路模型来近似描述动力电池的充放电特性，比如内阻模型、RC模型、Thevenin模型和PHGV模型以及更加复杂的GNL模型等等。对于本文将采用技术较成熟的NiMH动力电池组为研究对象。

NiMH动力电池电极活性物质为负极的金属氢化物和正极的NiOOH，金属氢化物能够在电池放电和充电时释放和吸收氢气，碱性氢氧化钾溶液是电解液的主要成分，电化学反应方程式为：

Ni(OH)2?M?NiOOH?MH

放电充电NiMH动力电池具有能量密度、功率密度优于铅酸电池、循环使用寿命长、全密封、免维护、使用安全等优点，在混合动力客车上得到广泛应用，比如丰田Prius、本田的Insight以及我国研制的混合动力轿车、混合动力客车等[28]。

Advisor仿真软件共有四种不同的蓄电池模型，分别为RC模型、Rint模型、Fundamental Lead Acid模型、neural network模型。本文采用Rint模型结构来大致仿真电池特性。其顶层模块的实现如图3-5所示：

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图 3-5 蓄电池总成模型

3.3.5 并联混合动力客车变速器选型

变速器目前主要分为机械式手动变速器—Manual Transmission(MT)、机械式自动变速器—Automatic Manual Transmission(AMT)、自动变速器—Automatic Transmission(AT)以及无级变速器—Continuous Variable Transmission(CVT)。CVT由于受传动带承受力的限制，目前只适用于轿车[29]。AT在车辆低速或起步时机械能损失大，不适合频繁起停的公交客车。在混合动力客车中，由于增加了电机，整车控制系统将根据整车的需求功率，对发动机和电机之间的功率进行合理的分配，如果选用机械式手动变速箱，不能充分发挥系统的最大优势。因此，对混合动力客车选用AMT能够更好地发挥整个系统的优势，实现系统的最佳性能。图3-6为Advisor仿真软件中的变速器模块。

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图3-6 变速器总成模型

3.4 YTK6605QHEV动力传动系参数的选择

3.4.1 YTK6605QHEV发动机参数的选择

混合动力客车发动机功率Pe与电动机功率Pm之间存在如图3-7所示关系。

图3-7 Pe与Pm关系简图

图中，助力型HEV的发动机功率取值较大，用于向车辆提供主驱动功率，由电池组-电动机来提供车辆行驶峰值功率，经过适当的设计，可实现车辆的续行里程不受电池

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 组容量限制。

通常，并联混合动力汽车都要求具有与普通汽车相近的动力性能，并且续行里程不受电池组容量限制，因此都可归类为助力型HEV，而对助力型HEV发动机最大输出功率的取值一般要依据车辆匀速行驶时的功率需求，即:

CdAV21P(mgf?)V (3-1) 1?3600?t21.15式中，P1为发动机功率kw;V为车速km/h ; m为汽车质量kg; g为重力加速度m/s2 ;f为滚动阻力系数;Cd为风阻系数;A为迎风面积m2 ;?t为传动效率，且取0.85，V的具体取值应依据所设计车辆的动力性能要求而定，文献[30]中指出: V取为车辆最高行驶车速Vmax比较合理，而文献[31]中指出V应取为车辆额定行驶车速，即车辆经常行驶时的平均车速Vavg。若取V =Vmax，显然发动机的功率取值偏大，因为实际上车辆很少以最高

V=Vavg则发动机的功率值偏小。车速行驶。根据参考文献[29]的统计结果，结合YTK6605Q

的实际情况，确定的V取值要求为:

V< V

avg因此，本文取V=75km/h时，计算发动机的功率。则发动机功率最小值应满足(3-1)、(3-2)式，计算得到P1=38kw。

除了车辆行驶需求的功率外，发动机单独驱动车辆匀速行驶时还应有一定的为电池充电的功率余量10%左右以及附件功率(特别是有空调时)。这些功率之和应该是发动机工作在经济区能输出的功率。最后得到发动机总功率需求约为P=52kw。参考ADVISOR软件附带的发动机模块，选择了压燃式5缸1.987L内燃机。选取的发动机具体参数如表3-4所示：

表3-4 发动机参数

额定功率/转速 最大转矩/转速

54kW/5000rpm 134Nm/3000rpm

图3-8 发动机万有特性曲线图 图3-9 发动机效率曲线图

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 在客车设计与开发工作中，需要根据发动机的万有特性曲线来分析发动机的动力性和经济性。发动机的万有特性曲线和效率曲线分别如图3-8和3-9所示。 3.4.2 YTK6605QHEV电动机参数的选择

◆电动机额定功率选择

在双轴并联混合动力汽车上，电动机主要是作为功率均衡装置，为车辆提供加速功率和爬坡功率，即通常所说的峰值功率，因此其功率参数的选择要依照车辆具体的加速性能和爬坡性能要求而定。即电动机峰值功率与发动机功率之和应该大于等于车辆所要求的最大功率。由表3-2的动力性指标要求得到如下计算公式：

1.最高车速功率需求

即使车辆达到95km/h时，所需要的功率：

31mgfvmaxcDAvmax pe1?( (3-3) ?)?t360076140

计算得到：pe1=64.2kW

2.加速功率需求

满载汽车在平路上行驶，从静止起步加速至速度Vn=50km/h时，汽车所需功率：

dvcAv1(3-4) pe2?(mn?mgf?Dn)v3600?tdt21.15

计算得到：pe2=84.3kW

3.爬坡功率需求

根据表3.3的开发指标，可在6%的坡度上持续以40km/h行驶。则所需的功率为:

mgfvcos?mgvsin?cDAv3pe3?(??)/?t(3-5)

3600360076140

2计算得到： pe3=68.97kW

综上所述，最高车速，加速度，爬坡时的峰值功率由电动机提供，得到电动机的峰值功率Pe应为30kW左右。由此选择西门子公司的交流感应电动机，功率为30kW，工作电压为216V。

◆电动机额定转速和最高转速的选择

电动机的最高转速影响混合动力汽车动力传动系的尺寸，并且还显著影响电动机的额定扭矩。具有较大β值的低速电机有更高的额定转矩[32]。相应地，对电机支撑就提出更高的要求，另外，高扭矩需较大的电机电流和电子设备，增大了损耗，但大β值又是车辆起步加速和稳定运行所必需的，所以电机额定扭矩的减小只能通过选用高速电机来解决[33-34]。采用高速电机，为达到车辆实际行驶车速要求，就要经过多级减速，结果增大了整车动力传动系的尺寸，另一方面，增大β值会使车辆驱动轴扭矩和齿轮应力增大。

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 所以在选择电动机转速时要综合考虑β值和整车动力传动系尺寸，就目前来看，一般都倾向于选择中高速电机(最高转速8000-15000r/min)，这对于交流电机驱动系统己很容易实现，扩大恒功率区系数β值一般选择在4-6之间，相应地，电机额定转速:

Nmr?Nmmax? （3-6）

本文选取电动机额定转速2200rpm，则电动机的最大转速为9000rpm。 综上所述，得到电动机参数如表3-5所示：

表3-5 电动机参数

电动机额定功率/电压 电动机额定转速/最高转速

30kW/216V 2200rpm/9000rpm

电动机的效率曲线如图3-10:

图3-10 西门子30KW电动机效率曲线图

3.4.3 YTK6605QHEV电池参数的选择

电池是用来向电动机提供电力功率的，所以它必须满足电动机工作的要求。电池在不同的荷电状态(SOC)对应不同的内阻和峰值功率，在SOC工作区内峰值放电功率必须大于电动机的最大功率。另外，电池总电量也要满足汽车连续加速和爬坡时电动机做功的需求，即电池在SOC工作区内所能提供的电量必须大于电动机持续做的总功。

镍-氢(Ni-NH)电池具有很高的充放电循环寿命和充放电效率等优点，镍-氢电池SOC工作区在(0.2-0.8)之间具有较低的充放电内阻，故能满足混合动力汽车经常性充放电的要求具体确定方法如下：

由表3-2的动力性指标知，纯电动行驶能量需求以V=20km/h纯电动行驶里程超过

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 40km来进行确定

WnimhmgfcDAv3S?Wroad?Pt?(?)?(3-7)

360076140v

n?1000Wroad/UC (3-8)

Wimh—电池实际放出的能量，kwh Wroad—汽车行驶过程中所需要的能量，kwh P—纯电动行驶功率， t—续驶时间，n—电池数量， C—单节电池的容量，Ah U—单节电池的输出电压，V S—电池的续驶里程，km v—纯电动续驶车速，km/h。 计算得到：W=5.96kW，

n≥14.74

由此蓄电池选用仿真软件中自带的Ovonic 60Ah NiMH HEV battery，额定电压12V。 电池块数为：n=216/12=18 所以取n=18。综上所述得到电池参数如表3-6：

表3-6 Ovonic60AhNIMH电池参数

电池容量/电压 电池块数 电池外形尺寸 重量（kg） 冷却方式 风扇开启温度

60Ah/12V 18

385mm *102mm * 119mm 11.6 风冷 35

Ovonic镍氢电池(NIMH)模组的一些技术指标如图3-11至图3-15。

图3-11 不同放电深度的脉冲功率容量 图3-12 不同SOC下的电池内阻

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配

图3-13 不同SOC下的电池开环电压 图3-14 不同SOC下的电池瞬时功率

图3-15 不同SOC下的电池电流

3.4.4 YTK6605QHEV传动系速比的选择

1.传动系最小传动比(即主减速器速比)的选择

本文PHEV的变速器仍然选用五挡自动变速器AMT，V挡为直接挡，所以主减速器速比就为车辆传动系统最小传动比。PHEV的最小传动比应从满足车辆最高车速的要求来选择。首先应满足最高车速要求，即

i0?0.377nemaxrruamax

其中，i0为主减速器速比;nemax为发动机最高转速;rr车轮滚动半径。 另外，发动机在最高车速时还应能发挥其最大功率，所以还应满足

umax

其中，nep为发动机最大功率点对应的转速。得到4.5?i0?7.4，综合考虑选择主减速器速比为6。

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i0?0.377neprr山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 2.变速器各档位传动比的选择

由于PHEV在启动和低速时一般由电动机单独驱动，而当电池荷电状态(SOC)过低时又只允许发动机单独驱动，所以最大传动比应根据电动机和发动机单独驱动时的最大爬坡度要求来设计，即

imax?mg(fcos?max?sin?max)rr

Tmaxi0?t其中，imax为最大传动比，?max为最大爬坡度，Tmax为动力源最大转矩。 计算得到： ima=7.8。根据一般汽车传动比大致符合如下关系： xig1ig2图标[35]。

?ig2ig3?ig3ig4?ig4ig5?q

得到各档位传动比为：7.8，4.96，2.91，1.71，1。图3-16至图3-18为变速器换挡

图3-16 变速箱降档表 图3-17 变速箱升档表

图3-18 变速箱换挡表

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 3.5 本章小结

本章主要介绍了并联混合动力客车动力总成选型，动力目标的制定、动力参数的选择以及对应的ADVISOR软件中各总成模块。具体工作如下：

(1)介绍了并联混合动力客车动力总成选型的原则。并且通过比较分析确定了并联混合动力系统各部分的选型。

(2)通过比较，对YTK6605QHEV中的发动机、电动机以及电池进行了选型，电机采用交流感应电动机，发动机采用四冲程柴油发动机，电池选用的是技术比较成熟的镍氢电池。另介绍了ADVISOR软件中的各客车总成模块，制定了并联混合动力系统的动力性指标。

(3)详细介绍了YTK6605QHEV动力总成中各个部件的参数匹配原则和方法。根据对YTK6605QHEV设计的动力性指标，在理论和实践相结合的条件下，针对各个动力总成部件的参数选择原则和方法进行了详细说明，并提出了部件参数的计算公式。

(4)根据制定的动力总成系统参数匹配原则和方法，结合该车的整车参数，完成了YTK6605QHEV的动力总成参数的选择与匹配。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/03mg.html