基于cvt的插電式混合動(dòng)力汽車能量管理策略研究碩士學(xué)位論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 .................77 工作展望 ..................................................................................................................................77目 錄VII致 謝 ........................................................................................................................................79參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................81附 錄 ........................................................................................................................................87A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文或?qū)＠夸?.......................................................................87B. 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VIII1 緒 論11 緒 論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NO x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)德國一家 MARKETING SYSTEMS的預(yù)測數(shù)據(jù)，到2022年，全。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。從當(dāng)前各國發(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]。混合動(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，節(jié)油率更高，成為許多國家在發(fā)展新一代電動(dòng)汽車時(shí)的重點(diǎn)關(guān)注對象之一[3,4,5]。相對于常規(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)一步的研究對國家新能源汽車的發(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，號稱“插電式混合動(dòng)力汽車之父”的美國加州大學(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。2022年美國加利福尼亞大學(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 [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。美國能源部自由車和車輛技術(shù)項(xiàng)目處（FCVT）于2022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2022 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，美國政府宣布施行綠色新政，計(jì)劃到2022年普及100萬輛插電式混合動(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2022年1月開始施行“綠色稅制” ，免除消費(fèi)者在購買純電動(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。德國政府在2022年11月提出，未來10年普及100萬輛純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車。中國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。2022年6月28日，國務(wù)院頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2022~2020） 》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220萬輛、累計(jì)銷售量超過500萬輛。為更好地推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，國家還在財(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、國家發(fā)展改革委（以下簡稱四部委）于2022年5月311 緒 論3日聯(lián)合推出的《私人購買新能源汽車試點(diǎn)財(cái)政補(bǔ)助資金暫行辦法》 ，對滿足要求的插電式混合動(dòng)力乘用車每輛最高補(bǔ)貼5000元 [10]。在國內(nèi)，一汽、東風(fēng)、上汽、長安、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2022年12月在國際上率先推出其插電式混合動(dòng)力汽車上市車型F3DMI，并在2022年4月的北京國際汽車展覽會(huì)上推出 F3DMII型秦級插電式混合動(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。2022年3月插電式混合動(dòng)力汽車上市車型的相關(guān)情況 [12]。現(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 2022 年 3 月前上市的插電式混合動(dòng)力汽車Table Plugin hybrid global sales before March 2022研發(fā)單位 車型 純電動(dòng)續(xù)駛里程 上市時(shí)間 銷量（輛）雪弗蘭 Volt 56km 2022 年 12 月歐寶 Ampera 56km 2022 年 2 月通用沃克斯豪爾 Ampera 56km 2022 年 5 月71100美國菲斯克 Karma 51km 2022 年 11 月 2150保時(shí)捷 Panamera S EHybrid 32km 2022 年 11 月 629CMax Energi 34km 2022 年 10 月 11360福特Fusion Energi 34km 2022 年 2 月 8416豐田 Prius PHEV 18km 2022 年 1 月 52022三菱 Outlander PHEV 60km 2022 年 1 月 23500本田 Accord 21km 2022 年 1 月 595沃爾沃 V60 50km 2022 年 11 月 9300F3DM 97km 2022 年 12 月 3295比亞迪Qin 70km 2022 年 11 月 2526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)式和混重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4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、不同控制策略對應(yīng)的參數(shù)匹配方法也差異很大。查閱大量相關(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)力汽車為研究對象，提出了針對其動(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)力性評價(jià)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性評價(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)原理對循環(huán)工況下車輛需求功率進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對動(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 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。1 緒 論5吳曉剛、盧光蘭 [28]針對插電式串聯(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 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，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，對插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成進(jìn)行優(yōu)化，