纯电动汽车整车动力性试验
纯电动汽车在行驶中，由蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率，用于克服电动汽车本身的机械装置的内阻力，以及由行驶条件决定的外阻力消耗的功率。与燃油汽车一样，纯电动汽车的动力性也可以用最高车速、加速性能和最大爬坡度来进行描述，但是与燃油汽车不同的是，电动机存在不同的工作制，如1min工作制、30min工作制等，即存在连续功率、小时功率和瞬时功率，因此在描述或评价电动汽车的动力性时要做说明。
电动汽车动力性能的试验标准按GB/T 18385-2001《电动汽车动力性能试验方法》进行。测试的内容包括：最高车速、加速性能、最大爬坡度等评价指标。测试设备有五轮仪，现在国际上普遍采用的是非接触式传感器；记录和分析设备有日本小野、德国DA-TRON、瑞士KISTLER等公司的产品。
1．道路条件
1)一般条件
试验应该在干燥的直线跑道或环形跑道上进行。路面应坚硬、平整、干净且要有良好的附着系数。
2)直线跑道
测量区的长度至少1000m。加速区应足够长，以便在进入测量区前200m内达到稳定的最高车速。测量区和加速区的后200m的纵向坡度均不超过0.5%。加速区的纵向坡度不超过4%。测量区的横向坡度不超过3%。为了减少试验误差，试验应在试验跑道的两个方向上进行，尽量使用相同的路径。
3)环形跑道
环形跑道的长度应至少1000m。环形跑道与完整的圆形不同，它由直线部分和近似环形的部分相接而成。弯道的曲率半径应不小于200m。测量区的纵向坡度不超过0.5%。为计算车速，行驶里程应为车辆被计时所驶过的里程。
如果由于试验路面布置特点的原因，车辆不可能在两个方向达到最高车速，允许只在一个方向进行测量，但应该满足以下条件：
(1)试验跑道应满足要求；
(2)测量区内任何两点的高度差不能超过1m；
(3)试验应尽快重复进行两次；
(4)风速与试验道路平行方向的风速分量不能超过2m/s。
2．试验车辆准备
1)蓄电池充电
按照车辆制造厂规定的充电规程，使电动汽车蓄电池达到完全充电状态，或按下列规程为蓄电池充电。
(1)常规充电。
在环境温度为20~30℃下，使用车载充电器（如果已安装）为蓄电池充电，或采用车辆制造厂推荐的外部充电器（应记录充电器的型号、规格）给蓄电池充电。不包括其他特殊类型的充电，例如蓄电池翻新或维修充电。车辆制造厂应该保证试验过程中车辆没有进行特殊充电操作。
(2)充电结束的标准。
12h的充电即为充电结束的标准；如果标准仪器发出明显的信号提示驾驶员蓄电没有充满，在这种情况下，最长充电时间为：
3×制造厂规定的蓄电池容量(kW·h)／电网供电(kW)
(3)完全充电蓄电池。
如果依据常规充电规程，达到充电结束标准，则认为蓄电池已充满。
2)里程表的设定
试验车辆上的里程表应设置为0，或记录里程表上的读数。
3)预热
试验车辆应以制造厂估计的30min最高车速的80%速度行驶5000m，使电动机及传动系统预热。
3．30min最高车速试验
30min最高车速的试验可以在环形跑道上进行，也可以在设定的底盘测功机上进行。 将试验的电动汽车加载到试验质量，增加的载荷应合理分布。按规定对车辆进行准备。使试验车辆以该车30min最高车速估计值±5%的车速行驶30min。试验中车速如有变化，可以通过踩加速踏板来补偿，从而使车速符合30min最高车速估计值±5%的要求。如果试验中车速达不到30min最高车速估计值的95%，试验应重做，车速可以是上述30mi最高车速估计值或者是制造厂重新估计的30min最高车速。
测量车辆驶过的里程S1，m。并按下式计算平均30min最高车速，V30，km/h。
V30=S1/500 (5-1)
4．蓄电池完全放电
完成V30试验之后，试验车辆停放30min，然后以V30的70%恢复行驶，直到车速下降到当加速踏板踩到底时，车速为(V30±10) km/h的50%，或直到仪表板上的信号装置提示驾驶员停车，记录行驶里程。计算总的行驶里程S30，包括预热阶段的行驶里程、V30试验时的行驶里程、完全放电时的行驶里程。
5．最高车速试验
1)标准试验程序
将试验车辆加载到试验质量，增加的载荷应合理分布。按规定对车辆进行准备。在直线跑道或环形跑道上将试验车辆加速，使电动汽车在驶入测量区之前能够达到最高稳定车速，并且保持这个车速持续行驶1km（测量区的长度）。记录车辆持续行驶1km的时间t1。随即做一次反方向的试验，并记录通过的时间t2。
按下式计算试验结果：
V=3600/t (5-2)
式中，V为实际最高车速，km/h；t为持续行驶1km两次试验所测时间的算术平均值（t1+t2）/2，S。
2)单一方向试验程序
当用试验路面进行试验时，两次试验的结果按下式计算，这里最高车速V是两次Vi的算术平均值。如果考虑风速，最高车速应该按下式修正：
Vi=Vr±Vv×f (5-3)
Vr=3600/t (5-4)
式中，如果风的水平分量与车辆行驶方向相反，选“+”；如果风的水平分量与车辆行驶方向相同，选“一”。Vr为每次测量的最高车速km/h；t为通过测量区的时间，s；Vv为风的水平分量，m/s；f为修正系数，一般取0.6。
6．蓄电池的40%放电
将试验车辆以(V30±5)km/h的70%的恒定速度在试验跑道或测功机上行驶使蓄电池放电，直到行驶里程达到Scot的40%为止。
7．加速性能试验
1)M1和N1类纯电动汽车加速性能试验
(1)0~50km/h加速性能试验。
将试验车辆加载到试验质量，增加的载荷应合理分布；将试验车辆停放在试验道路的起始位置，并起动车辆；将加速踏板快速踩到底，使车辆加速到(50±1)km/h；如果装有离合器和变速器，将变速器置人该车的起步挡位，迅速起步，将加速踏板快速踩到底，换入适当挡位，使车辆加速到(50±1)km/h；记录从踩下加速踏板到车速达到(50±1)km/h的时间；以相反方向行驶再做一次相同的试验。
0~50km/h加速性能是两次测得时间的算术平均值（单位：s）。
(2)50~80km/h加速性能试验。
将试验车辆加载到试验质量，增加的载荷应(50分布km/h验车辆停放在试验道路的起始位置，并起动车辆；将试验车辆加速到(50±1)km/h，并保持这个车速行驶0.5km以上；将加速踏板踩到底，或操纵离合器和变速杆将车辆加速到(80±1)km/h；记录从踩下加速踏板到车速达到(80±1)km/h的时间或如果最高车速小于89km/h，应达到最高车速的90%，并应在报告中记录下最后的车速；以相反方向行驶再做一次相同的试验。
50~80km/h加速性能是两次测得时间的算术平均值（单位：s）。
2)M2和M3类纯电动汽车加速性能试验（M1、N1类车以外的纯电动汽车可参照）
(1)0~30km/h加速性能试验。
将试验车辆加载到试验质量，增加的载荷应均匀分布；将试验车辆停放在试验道路的起始位置，并起动车辆；将加速踏板快速踩到底，使车辆加速到(30±1)km/h；如果装有离合器和变速器的话，将变速器置入该车的起步挡位，迅速起步，将加速踏板快速踩到底，换入适当挡位，使车辆加速到(30±1)km/h；记录从踩下加速踏板到车速达到(30±1)km/h的时间；以相反方向行驶再做一次相同的试验。
0~30km/h加速性能是两次测得时间的算术平均值（单位：s）。
(2)30~50km/h加速性能试验。
将试验车辆加载到试验质量，增加的载荷应合理分布；将试验车辆停放在试验道路的起始位置，并起动车辆；将试验车辆加速到(30±1)km/h，并保持这个车速行驶0.5km以上；将加速踏板踩到底，或操纵离合器和变速杆（如果装有的话）将车辆加速到(50±1)km/h；记录从踩下加速踏板到车速达到(50±1)km/h的时间，或如果最高车速小于56km/h，应达到最高车速的90%，并应在报告中记录下最后的车速；以相反方向行驶再做一次相同的试验。
30~50km/h加速性能是两次测得时间的算术平均值（单位：s）。
8．爬坡车速试验
将试验的电动汽车加载到最大设计总质量，增加的载荷应合理分布。将试验车辆置于测功机上，并对测功机进行必要的调整使其适合试验车辆最大设计总质量值。调整测功机使其增加一个相当于4%坡度的附加载荷。将加速踏板踩到底使试验车辆加速或使用适当变速挡
位使车辆加速。确定试验车辆能够达到并能持续行驶lkm的最高稳定车速，同时，记录持续行驶1km的时间t。调整测功机使其增加一个相当于12%坡度的附加载荷。重复试验。完成后，停车检查各部位有无异常现象发生，并详细记录。
用下式计算试验结果：
V=3600/t （5-5）
式中，V为实际爬坡最高车速，km/h；t为持续行驶lkm所测时间，S。
9．坡道起步能力试验
1)原则
坡道起步能力应在有一定坡度角a1的道路上进行。该坡度角a1应近似于制造厂技术条件规定的最大爬坡度对应的角ao实际坡度和厂定坡度之差，应通过增减质量△M来调整。
2)试验规程
将试验的电动汽车加载到最大设计总质量。选定的坡道应有10m的测量区，测量区前应提供起步区域。将试验车辆放置在起步区域。如果该坡道坡度与厂定最大爬坡度对应的坡度有差别，可根据以下公式通过增减装载质量的方法进行试验：
（5-6）
式中，M为试验时的车辆最大设计总质量，kg；R为滚动阻尼系数，一般为0.01；a1为实际试验坡道所对应的坡度角，( °)；ao为制造厂技术条件规定的最大爬坡度对应的坡度角，(°)。
△M应该均布于乘客室和货箱中。
以每分钟至少行驶10m的速度，通过测量区。如果车辆装有离合器和变速器的话，应用最低挡起动车辆并以每分钟至少行驶10m的速度，通过测量区。
3)ao的计算
已知最大动力轴转矩，计算车轮的转矩：
Cr=Ca×T×ητ （5-7）
已知轮胎动载半径，计算平衡力
Ft=Cr/r=M×g×(sinao+R) （5-8）
从式(5-8)中可计算出ao，最大爬坡能力用tanao×100%表示。
式中，Cr为车轮转矩；Ca为最大动力轴转矩；T为总的齿轮传动比；ητ为齿轮传动效率；Ft为平衡车辆载荷所要的牵引力矩，N·m；r为轮胎动负荷半径，m;g为重力加速度，m/S2；tanao×100%为爬坡能力，%。
第二篇：四轮驱动混合动力汽车整车性能仿真试验研究
同济大学汽车学院
硕士学位论文
四轮驱动混合动力汽车整车性能仿真试验研究
姓名：何志生
申请学位级别：硕士
专业：车辆工程
指导教师：左曙光
20050501
摘要
摘要
随着汽车工业和整个社会的发展，汽车已成为人们生活的重要组成部分，同时也暴露出许多亟待解决的问题，能源和环保是其中倍受关注的两大方面。世界各主要工业发达国家纷纷以政府行为在经济和政策上大力扶持新型清洁、高效、节能汽车的研究和开发，代用燃料汽车、电动汽车、气动汽车等新能源汽车技术发展迅速，其中电动汽车的成就尤其突出。纯电动汽车虽然具有零排放的特点，但动力电池在能量密度、寿命、价格等方面的缺陷，限制了其广泛运用。燃料电池成本高、价格贵，短期内难以实现产业化。混合动力汽车则融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车优点，克服了ＢＥＶ和ＦＣＥＶ在开发过程遇到技术瓶颈和成本问题，同时具有很好的燃油经济性和排放水平，发展前景广阔。
本文结合研究所承担的混合动力汽车关键技术研究相关子课题，对混合动力汽车整车动力匹配和仿真建模进行相关研究。
首先建立了混合动力汽车整车功率平衡方程，分析了发动机、电机和动力电池等混合动力汽车动力部件运行特征，在此基础上给出了根据动力性设计目标对四轮驱动混合动力汽车进行初步动力匹配设计的关系式。
然后分析了四轮驱动混合动力汽车受力特性，建立了整车纵向动力学模型；分析了驾驶员模型和车辆控制器模型功能；分析了发动机、电机和动力电池运行特性的数学描述，给出了相关物理量间的函数关系。在此基础上基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真环境建立了整车仿真模型。
随后研究了混合动力汽车动力性、经济性和排放性的仿真方法。基于已经建立的仿真模型针对多种道路循环工况进行仿真，分析了整车油耗和排放特性。基于功率平衡方程给出了动力性指标的计算公式。
然后分析了循环工况对四轮驱动混合动力汽车整车性能的影响，指出混合动力系统在设计之初就应该考虑典型车辆运行条件对动力部件进行合理匹配。并基于上海道路循环进行了仿真分析。
最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词：混合动力汽车动力匹配建模仿真道路行驶循环工况
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｗｉｔｈ
ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｏｃｉｅｔｙａｎｄ
ｏｕｒ
ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
ｉｎｄｕｓｔｒｙ
ｖｅｈｉｃｌｅｓ
ａｒｅ
ｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎ
ｌｉｆｅ．Ａｌｓｏａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｉｎｄｕｓｔｒｙｉｓｎｏｗ
ｏｆｅｎｅｒｇｙｒｅｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒ
ｆａｃｉｎｇｔｗｏｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｏｎｅｉｓｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
ｉｓｅｍｉｓｓｉｏｎｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓ．Ｎｏｗｍｏｓｔｏｆｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｃｏｕｎｔｒｉｅｓａｒｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｍｏｒｅ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｃｌｅａｎａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｓｕｃｈ
ａｓ
ｌｉｑｕｉｄｐｅｔｒｏｌｅｕｍｇａｓｖｅｈｉｃｌｅｓ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ
（ＬＰＧＶ），ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ
ｆｕｅｌ．．ｃｅｌｌ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｎａｔｕｒａｌｇａｓｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＣＮＧＶ），ｂａｔｔｅｒｙ
ａｉｒｐｏｗｅｒｅｄ
ｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＢＥｖ），
ｔｈｅｓｅ
ｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＦＣＥＶ）ａｎｄ
ｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＡＰＶ）．Ｏｆ
ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｉｓｍｏｓｔｉｌｌｕｓｔｒｉｏｕｓ．ＴｈｅｇｅｎｅｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢＥＶａｎｄＦＣＥＶｉｓｌｉｍｉｔｅｄｂｙｔｈｅｉｒｔｅｃｈｎｉｃａｌｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｔｈｅｍｏｓｔｆｅａｓｉｂｌｅａｐｐｒｏａｃｈ．
Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｆｏｃｕｓ
Ｖｅｈｉｃｌｅ＇ｂａｓｅｄ
ｏｎ
Ｏｉｌ
ｏｒ
ｈｉｇｈｅｒｃｏｓｔ，ＳＯｎｏｗｏｎｌｙＨＥＶｉｓ
ｔｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＦｏｕｒ－ｗｈｅｅｌ－ｄｒｉｖｅＨ。ｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃ
ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｄｉｎ．
ｔｈｅ
ｐｒｏｊｅｃｔｗｒｉｔｅｒ
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｂａｌａｎｃｅｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓｏｆ
ｅｎｇｉｎｅ，ｍｏｔｏｒａｎｄｂａｒｅｌｙａｒｅＨＥＶｂａｓｅｄ
ｏｎ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
ｐｒｉｍａｒｙｐｏｗｅｒｍａｔｃｈｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆ
ｄｅｓｉｒｅｄｄｙｎａｍｉｃ
Ｔｈｅｎ
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ａｎｄ
ｔｈｅ
ｍｏｄｅｌｉｓ
ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ
ｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆ
ｅｎｇｉｎｅ，ｍｏｔｏｒａｎｄｂａｔｔｅｒｙ
ａｎｄ
ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｂａｓｅｄ
ｏｎ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｓｅ
ｗｏｒｋ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓ
ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＩⅡ．ＩＮＫａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．
ａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎ
ｌｅｖｅｌｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄ
ｏｎ
Ｔｈｅｎｔｈｅｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙ
ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｍｏｄｅｌｓ．Ｓｏｍｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｖｅｈｉｃｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ
ａｒｅ
ｍａｄｅ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｒｉｖｉｎｇｃｙｃｌｅｔｏ
ａｎｄ
ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｉｓｇｉｖｅｎｔｈａｔｐｏｗｅｒｍａｔｃｈｉｎｇｏｆ
ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．
ｈｙｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｓｈｏｕｌｄｔａｋｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｄｒｉｖｉｎｇｃｙｃｌｅｉｎｔｏ
Ｉｎｔｈｅｆｉｎａｌｉｔｙ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｒｅｑｕｉｒｉｎｇｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｓ
ａｒｅ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓ，Ｐｏｗｅｒ
ＤｒｉｖｉｎｇＣｙｃｌｅ
Ｍａｔｃｈｉｎｇ，Ｍｏｄｅｌｉｎｇ
ａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，
Ⅱ
学位论文版权使用授权书
本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。
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年月日
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本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
签名：
年月日
第一章绪论
第一章绪论
１．１选题背景、意义
随着汽车工业和整个社会的发展，汽车已成为人们生活的重要组成部分，并不可避免的暴露出许多亟待解决的问题，能源和环保是其中倍受关注的两个方面。一方面汽车是能源消耗大户，而据原西德地球物理和材料研究所估计，世界上可利用石油资源到２０５０年就要枯竭，节节攀升的汽车保有量日益加剧了世界石油资源短缺的矛盾；另一方面汽车的大量使用加剧了环境污染，城市大气中Ｃ０的８２％、ＮＯ。的４８％、ＨＣ的５８％和微粒的８％来自汽车尾气【１】，８０％的城市噪声是由交通车辆造成，汽车排放的大量ＣＯ：加剧了温室效应，汽车带来的环保问题已经引起紧密关注。因而世界各主要工业发达国家纷纷以政府行为的手段，在经济和政策上大力扶持新型清洁、高效、节能汽车的研究和开发，代用燃料汽车、电动汽车、气动汽车等新能源汽车技术发展迅速，其中电动汽车的成就尤其突出。
目前对电动汽车的研究主要集中在蓄电池电动汽车（ＢＥＶ）、燃料电池汽车（ＦＣＥＶ）和混合动力汽车（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ，简称ＨＥＶ）三个领域。由于蓄电池在能量密度、寿命、价格等方面的缺陷［２，３，４１，蓄电池电动汽车动力性能和成本方面竞争力都不是很高，目前只用于一些特定场合。燃料电池汽车由于生产成本高、价格贵，目前实现商业化和产业化的难度较大。混合动力汽车则融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，克服了ＢＥＶ和ＦＣＥＶ在开发过程遇到的困难以及传统汽车经济性和排放性不佳的缺点，被业界公认为最佳的过渡产品，成为世界各大汽车公司的开发热点。前不久ＡＤＡＣ（全德汽车俱乐部）受命于国际汽联（ＦＩＡ），对１１３种常见车型进行了环保性能测试（测试涉及车型涵盖从微型车到高级轿车的各个级别轿车，并首次将汽油机和柴油机放在一起进行比较），两款ＨＥＶ车型丰田ＰＲＩＵＳ１．５和本田Ｃｉｖｉｃ
占有绝对优势，是仅有的测试结果超过８０分的车型。１．３ＤＳＩＩｂＩＡ排放指标
我国是石油进口国，又是世界第二大石油消费大国，污染严重，世行认定的２０个污染最严重的城市有１６个在我国ｐＪ。国内汽车产品水平与国外差距很大，
第一章绪论
平均油耗高出１０—３０％，排放约为１５—２０倍【６】，开发节能、环保的车辆对我们显得更为重要和紧迫。目前，混合驱动电动汽车已被国家列入“十五”国家８６３计划电动汽车重大专项，是其中三个主攻方向之一，并提出“实现混合动力电动汽车的批量生产，开发的产品通过国家汽车产品型式认证＂的目标。近年来，在众多企业、高等院校和科研机构的努力下，混合动力汽车技术发展非常迅速。混合动力汽车在快速较好实现清洁节能缓解众多矛盾的同时，其技术研究成果、整车开发理论、商业化和产业化模式、市场拓展经验均可借鉴用于发展商用纯电动汽车和燃料电池汽车，我们应以此为契机，开发出先进的混合动力汽车，缩小我国汽车技术与国外先进水平的差距。
１．２混合动力汽车的研发历史和现状
１．２．１国外混合动力汽车的研发历史和现状［７－１４】
自１９９２年沃尔沃推出了全球首辆混合动力车ＥＣＣ以来，混合动力汽车的开发得到了日本、美国、西欧等发达国家的高度重视，各大汽车公司针对不同车型、不同行驶工况和使用条件先后开发了不同配置和结构形式的混合动力汽车。
第３２届东京车展上，日本各大汽车公司共推出了６款混合动力车型，这表明日本汽车界的重点已经转移到混合动力汽车。丰田是混合动力汽车领域的领军企业，公司现有三款量产混合动力车型，分别是ＰＲＩＵＳ轿车、ＥＳＴＩＭＡ小型车和Ｃｒｏｗｎ轿车。ＰＲＩＵＳ（图卜１）装有ＴＨＳ（ＴｏｙｏｔａＨｙｂｒｉｄＳｙｓｔｅｍ）系统，效率比传统汽车提高了１００％，其中发动机效率提高占８０％，制动能回收占２０％。截至２００２年３月底，丰田ＨＥＶ全球销量突破１０万辆，占全世界ＨＥＶ的９０％。２００３年丰田公司推出了搭载新一代混合动力系统”ＨｙｂｒｉｄＳｙｎｅｒｇｙＤｒｉｖｅ＊ｌ”的混合动力ＳＵＶ概念车一”ＳＵ—Ｈ、ｒ”和混合动力概念跑车“ＣＳ＆Ｓ＂。丰田最新的尖端技术产品混合动力箱式汽车Ｈｖ—Ｍ４装备新开发的混合动力系统ＴＨＳ．Ｃ（丰田混合动力系统无档变速器）和电动四轮驱动系统（Ｅ—Ｆｏｕｒ），在１０．１５工况下行驶时其燃烧效率约为一般同级车的两倍，尾气排放符合同本目前最严格的”超低尾气排放等级Ｊ－ＵＬＥＶ标准”。丰田还在年初的北美车展上推出了全新的２００５款丰田Ｈｉｇｈｌａｎｄｅｒ气电混合型中级尺寸ＳＵＶ，该车采用丰田为适应有更高负载需求的２
第一章绪论
中级尺寸ＳＵＶ所设计的“混合协同驱动”动力系统。公司还将为其２００５年美国市场增加三款ＨＥＶ：Ｈｉｇｈｌａｎｄｅｒ运动型旅行车、混合动力版Ｓｉｅｎｎａ小型车和凌志ＲＸ４００Ｈ运动型旅行车。除此之外，丰田还推出了Ｃｏａｓｔｅｒ混台动力巴士、Ａｌｐｈａｒｄ混合动力面包车等。
幽１－１ＰＲＩＵＳ图Ｉ－２ｐＲＩＵＳ在２００４必比登撬战赛中
本田是世界上第二大商用ＨＥＶ生产公司，目前本田公司销售的ＨＥＶ主要有两个品牌，一是１９９９年推出的’ＩＮＳＩＧＨＴ’，二是２００１年推出的”ＣＩＶＩＣ’。Ｉｎｓｉｇｈｔ（图卜３）是当今技术水平最高豹ＨＥＶ之一，本田采用了一系列措施使其在保持较低排放水平的同时，达到目前世界上最好的燃油经济性，采用了起动机与发电机一体化的设计．盘式电机替代了传统的发动机飞轮从而可以作为电动机启动发动机或给发动机助力，同时采用了率田的Ｉｌ｛＾技术及“气门停止ｖＴＥｃ”及排放后处理技术，ｌ乱的发动机发出５０ｋ＇Ｗ的强劲动力。Ｉｎｓｉｇｈｔ在全世界的总销量已经超过５０００辆。Ｉｎｓｉｇｈｔ跑车采用新型铝材结构，其驱动电机的转子部分采用新型材料，内侧和外测通过不同材料的粉末烧结技术实现一体化，提高了电机的力矩。Ｃｉｖｉｃ搭载了１＿３Ｌ汽油发动机和一台电动马达，１Ｌ汽油可行驶２９５ｋｍ，超过了丰田ＰＲＩＵＳ车１Ｌ汽
油行驶２９ｋｍ的水平。本田正通过研
究新型发动机、镍氢蓄电池等追求动
力高效化，开发新型轻质铝车身、树
脂油箱等谋求车辆轻型化，以使汽车
达到每公升汽油行驶３５ｋｍ的世界屉
高水平，并使尾气排放满足世界最严
格的标准。固Ｉ－３Ⅻ出车日产公司开发了ＴＩＮＯ、尼桑ＡＩ—ｘ、ＡＬＴＲＡ等多款混合动力汽车，并计划
第一章绪论
２００６年在美国推出ＡＬＴＩＭＡ油电混合动力汽车。ＴＩＮＯ混合动力轿车在结构上将一个电机置于离合器和ＣＶＴ之间，另一个电机通过带传动在发动机前部与发动机相连，起发电机和起动机的作用，ＴＩＮＯ采用较大功率发动机，较小功率电机，动力性好。
美国于１９９３年，在联邦政府的支持下，成立了“新一代汽车伙伴关系’’（ＰａｒｔｎｅｒｓｈｉｐｆｏｒＡＮｅｗＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｏｆＶｅｈｉｃｌｅｓ，简称ＰＮＧＶ）。ＰＮＧＶ是由政府有关机构、国家实验室、大学、汽车协会、三大汽车公司及有关配套厂商参加，联合开发研制美国新一代汽车的合作组织、ＰＮＧＶ汽车计划的目标是要求三大公司在２００４年提供新一代汽车的生产型样车（Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
样车的基本要求是在１９９４年ＣｈｒｙｓｌｅｒＰｒｏｔｏｔｙｐｅ）。Ｃｏｎｃｏｒｄ、ＦｏｒｄＴａｕｒｕｓ、ＣｈｅｖｒｏｌｅｔＬｕｍｉｎａ三种典型轿车的价格和各方面性能的基础上，将其按ＥＰＡ循环工况测得的燃油经济性指标提高３倍，即由２６．６ｍｉｌｅ／ｇａｌ（相当于８．８４Ｌ／ｌＯＯｋｍ）提高到８０ｍｉｌｅ／ｇａｌ（相当于３Ｌ／ｌＯＯｋｍ）。为达到ＰＮＧＶ提出的目标，在控制技术上工程技术界较为一致的看法足采用混合动力汽车技术。通用公司一份报告表明，在典型的美国轿车上装有混合动力驱动系统，在频繁的起步、停车的市区行驶时，其燃油经济性几乎可以提高一倍。
通用汽车公司在１９９８年底特律北美国际汽车展上推出了ＥＶＩ型混合动力汽车，１９９９年在北京召开的第１６届国际电动车会议暨展览会上展出了两款混合动力汽车（采用的发动机分别为涡轮增压汽油机和直喷柴油机），此后又推出多款轻型４轮轿车（最高车速达１３０ｋｍ／ｈ，最低油耗为２．９Ｌ／ｌＯＯｋｍ，Ｏ—ｌＯＯｋｍ／ｈ加速时间约为９ｓ），不久前在北美市场推出了５００辆油电混合皮卡车，公司计划到２００７年至少提供７款可供选择的混合动力汽车，包括一款行驶里程可达２５ｍｐｇ的土星ＶＵＥ运动休闲车。到目前通用已经研制了三种类型的混合动力系统，包括为重型车辆开发的Ｅ９Ｓｙｓｔｅｍ。
２００３年福特展出了第一款真正意义上的混合动力型ＳＵＶ—Ｅｓｃａｐｅ，它将福特ＥｓｃａｐｅＳＵＶ的载货容量和越野能力与一个”全”混合系统在燃油经济性和排放方面的优势结合在一起，此前福特已经推出福特Ｐｒｏｄｉｇｙ、福特Ｐ２０００ＬＳＲ轻型轿车、福特Ｅｓｃａｐｅ皮卡等车型，全新的２００６福特Ｆｕｔｕｒａ中型汽车将是公司的下一款混合动力汽车。
戴姆勒一克莱斯勒公司先后开发了道奇ＥＳＸ２轻型车和２００３款“道奇?杜蓝高＂ＴＴＲ，并开发了双马达油电混合系统技术，有步骤地推进着自己的ＨＥＶ发４
第一章绪论
展计划。目前在美国运行的３００多台搭载艾里逊混合动力驱动系统的客车，与普通客车相比，能够改善４０５６０５的燃油经济性，同时减少各类捧放污染物达５０—９０％。
Ｕ
图卜５戴克公司的混合动力系统
２００４年１２月通用汽车公司和藏姆勒?克莱斯勒汽车公司今日宣布，双方将在开发混台动力技术领域携手，共同推进此项技术的发展，以实现环境保护并使消费者真正受益，并签署了谅解备忘录。双方计划联手开发双模式全混合动力系统，并应用到通用汽车、克莱斯勒集团以及梅赛德斯轿车集团的各类车型上。但双方将在开发共用棍台动力系统架构的基础上开展合作，通用汽车、梅赛德斯以及克莱斯勒车型将保持各自独特的驾驶感受和性能。通用汽车曾宣布将在２００７年末在其摄受欢迎的两款全尺寸ＳＵＶ：雪佛兰Ｔａｈｏｅ和ＧＭｃＹｕｋｏｎ上首次应用全混合动力系统。此次联手将使得双方公司在混合动力技术上保持领先地位。双方合作的范围非常广泛，使得其他公司也将有机会参与合作，并
第一章绪论
且也将使通用汽车和戴姆勒?克莱斯勒汽车公司有机会为其他厂商提供混合动力系统。双模式全混合动力系统的性能、燃油经济性和系统本身紧凑的结构使它可以被适用于更广泛的车型和路况条件。当前常见的单模式混合动力系统的电机尺寸很大，而具有革命性意义的双模式混合动力系统可使车辆在高速公路行驶时的性能和燃油经济性更好，并具有更大的拖曳力。由于双模式混合动系统的电机结构紧凑且功率强大，安装尺寸与传统的自动变速箱相差无几，因此双模系统与车辆的匹配也将优于当前的单模式系统。
１．２．２国内混合动力汽车的研发历史和现状【８】
在我国，１９９９年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客车，此后又与沈阳金杯客车制造有限公司合作开发了ＳＹ６４８０混合动力客车。东风电动车辆股份有限公司开发出混合动力客车样车，并已完成了几百公里的路试。
２００２年年底，国内第一辆混合动力轿车也在东风电动车辆股份有限公司诞生。东风汽车公司正计划在２００５年具备ＥＱ６１ＩＯＨＥＶ混合动力大巴和ＥＱ７２００ＨＥＶ（以风神蓝鸟为原型）混合动力轿车的批量生产能力。据了解，东风公司将组武汉作营运试验，并把富康和风神轿车改装成２０辆纯电动及混合动力电动汽车，在武汉市进行城市和近郊营运试验，争取２００８年能够为北京奥运会服务。
在２００４年世界客车博览亚洲展览会上，广州富达集团下属深圳航富科技有限公司推出一款比较成熟的“五洲龙＂混合动力公交客车ＦＤＧｌ２０ＨＥＶＧ，该车已经通过２．１万ｋｍ严格的道路试验，并开始小批量试产。
采用环式电机的夏利混合动力新车型已开发成功并试运行，该车电机由兰州环电科技公司研制，在世界上首次实现了汽车发动机、电机一体化，最大连续功率达５０千瓦，节油３０％以上，降污６０％以上，并有效提高了整车动力性，０～１００ｋｍ／ｈ加速时间由原来的１４．７ｓ降至ｌＯｓ。
此外，吉林工业大学研究开发了４ＷＤ轻型越野混合动力汽车ＢＪ２１２。第一汽车集团公司、美国电动车（亚洲）公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作推出了串联式混合动力轿车——红旗ＣＡ７１８０ＡＥ，该车采用１３ｋＷ汽油机，１５ｋＷ直流电机，１４４Ｖ（１０５ｈｈ）铅酸电池，最高车速可达１３５ｋｍ／ｈ。目前一汽集６织生产３０台混合动力电动大客车，其中２０台提供北京市作营运试验，１０台留
第一章绪论
团开发的红旗混台动力轿车和解放混合动力卡车正计划量产。北京嘉捷博大电动车有限公司和常州客车厂合作开发了我国第一辆以燃气涡轮机作为动力机的混合动力电动大客车。北京客车厂与北京理工大学等单位合作研制了混台动力公交客车ＢＪＤ６０１ｌＥＶ。同济大学、上海交通大学和其他一些科研机构也对混合动力汽车技术做了很多研究，并取得了不少成果。同济大学在去年上海国际工业博览会上推出了其自主研发的改装型混合动力轿车“登峰一号”。十月份在上海的举行的清洁燃料汽车必比登挑战赛上多款混合动力汽车性能表现出色。
謦洲一举ｉ图卜６“登峰一号”展示在２００４年在上海举办的世界工业博览会上
１．３混合动力汽车系统的技术简介
国际电工委员会（ＩＥＣ）定义混舍驱动车辆（ｈｙｂｒｉｄｖｅｈｉｃｌｅ）如下：“一种驱动能量在特定的操作任务下可以从两种或更多种类型的能量储存器、能源、或转化器得到的车辆，至少一个储存嚣或转化嚣必须随车携带（ｏｎｂｏａｒｄ）。混合驱动电动车辆（Ｉ｝吖）是一种混合车辆，它至少有一个能量储存器、能源、转化器可以提供电能。串联混合驱动是一种混合驱动电动车辆（ＨＥＶ），它只有一个能量转化器可以提供驱动功率。并联混合驱动是另一种混合驱动电动车辆（ＨＥＭ），它有多于一个的能量转化器可以提供驱动功率。川”１按此定义混合动力汽车可咀有“油一电”混舍、“电一电”混合等多种形式，现在被广泛接受的概念是采用发动机和电机驱动，以燃油和电池作为能量源的汽车，即“油一电”混合动力汽车。
笫一章绪论
１．３．１混合动力汽车的工作原理和分类
混合动力汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化和降低油耗、减少污染而研制的一种多动力源协调驱动的向零排放过渡的车型，它将现有内燃机、传动系统与一定容量的储能器件、牵引电机等装置通过先进控制系统相结合，出发动机和电动机两套动力系统分别充当主动力源和辅助动力源，两套系统根据行驶工况在一定控制逻辑下同时或单独运行。依据两套动力系统结台形式的不同大致可咀分为串联式混合动力汽车（ｓＨＥＶ）、并联式混合动力汽车（ＰＨＥＶ）、混联式混合动力汽车（ＰＳＨＥＶ）和复台式混合动力汽车旧１６胛Ｊ８舯悃种结构。１．３１ｌ串联式混合动力汽车
串联式旆置结构比较倚单（圈１—７），发动机被控制在最佳工况点附近工作，驱动发电机．运行在较稳定的工况下带动发电机发电，发电机发出的电能供给电动机驱动汽车行驶，当发电机发出的功率不能满足汽车行驶的功率需求时（如起步、加速、高速、爬坡等）．电池组向电动机提供额外的电能，当发电机发出的功率超过功率需求时（如低速、滑行、停车等），发电机向电池组充电，以加大混合动力电动汽车的续驶里程，电池还可以单独向电动机提供电能来驱动汽车实现“零污染”状态的行驶。ＳＨＥＶ的内燃机和驱动桥之间没有直接的机械连接，发动机的选择范围大，且始终在最佳工作区域内稳定运行，具有夔好的经济性能和排放性能，同时这种柔性连接使整车布置具有较大的自由度，电动机直接从发电机或蓄电池获得电能且可随负荷变化调整输出扭矩和转速，控制方式也比并联式和混联式ＨＥＶ简单，但其发电机和电动机功率阻及电池容量较大，因而尺寸和质量较大，需要较大的布置空间，而能量传递至少要经过两次转换（机械能一电能一机械能），效率相对较低。
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第一章绪论
１．３．１．２并联式混合动力汽车
并联式布置结构（如图卜８）保留了发动机和后续驱动系统的机械连接，有两路动力驱动系统。一路为机械驱动，发动机的动力通过离合器的耦合传递至变速装置和驱动轮，另一路为电动驱动，能量经由电池组、电动机、传动轴传递（或通过轮毂电机直接传递）。两套动力系统可单独或同时使用，其动力合成方式有三种（图１－９）：扭矩合成型（包括单轴式和双轴式两种结构）、转速合成型和牵引力合成型。在一般路面上行驶时，发动机作为动力驱动汽车，通过控制发动机转速来调节发动机功率；当汽车加速、爬坡或高速行驶时，发动机的功率不能满足汽车行驶所需动力，控制器就会控制电动机辅助驱动。ＰＨＥＶ的内燃机与驱动轮间采用机械连接，能量利用率相对较高，可选用较小的内燃机和电动机，还可用四象限工作电机替代发电机，空间布置比较容易，但控制系统比串联式复杂，排放状况不如串联式好，且必须装配自动变速装置和动力合成装置，传动机构比较复杂。
（ａ）双轴式扭矩台戚”占．卜蓄电池Ｍ一蚴腹蝴日卜内燃机（ｂ）萃辅式扭矩台戚｛ｃ）转逦台戚（ｃＯ牵弓｛力苗厩
图１－９并联式混合动力系统的几种型式
扭矩合成型中内燃机和电动／发电机的转速相互制约，扭矩则进行叠加。对单轴式而言，内燃机转速与电动／发电机转速相同，对双轴式而言，两者通过变速器进行扭矩叠加，因而两者转速相应于变速器的结构成一定的比例关系。在转速限制的范围内，内燃机和电动／发电机输出的扭矩可以进行自由地调节，因此当驱动扭矩需求发生突然变化时候，可以通过迅速改变电动／发电机的输出扭矩来使内燃机功率调节器（汽油机为节气门，柴油机为油门拉杆）以缓慢的速度变化，从而减少瞬态变化时内燃机油耗和排放的恶化。单轴式扭矩合成实现了把不同内燃机和电动／发电机的输出一体化，结构紧凑，提高了系统的综合效率，但其需要的扁平电机的一些元件以及电机的控制系统等要经过特殊设计，
９
第一章绪论
成本较高，也不便于进行模块化设计。双轴式扭矩合成型则把不同原动机的输出进行动力合成，因此系统元件可选用已有的现成产品，系统的开发成本较低，但相对单轴式而言要求布置空间较大，动力系统质量也较大。目前，国内外开发并联式混合动力汽车的重点集中于这两种扭矩合成型结构。
转速合成型中则是内燃机和电动／发电机的输出扭矩相互制约，输出转速通过差速器进行叠加。这种型式的特点是内燃机的转速和电动机的转速可以灵活分配，可以利用传统内燃机汽车的变速器、差速器等大部分传动系总成，结构简单，维修方便。但在车辆驱动扭矩要求确定时，由于内燃机的扭矩一转速特性与电动机的扭矩一转速特性有很大的区别，因此要通过调节内燃机功率调节器来与电动机的转速相互配合才能获得最佳的传动效果，控制比较复杂。而且由于其控制特点，在驱动功率发生突变时，不可能通过减缓内燃机功率调节器的变化速度来改善瞬时油耗和排放性能。此外，在这种型式中电动机在低速、大扭矩的特性不能充分发挥出来，不利于满足车辆低速行驶时动力性要求。鉴于其控制的复杂性，目前对这种型式的混合动力系统的研究和开发还比较少。
牵引力合成型保留了传统内燃机汽车的全套机械传动系统，在另外的轮轴上安装了电力驱动系统，两套驱动系统之间没有机械连接装置，可以完全独立地工作，在进行混合驱动时，驱动力通过地面进行合成。电力驱动系统可以采用驱动电机通过减速器、差速器驱动车轮的型式，也可以采用直接安装轮毂电机的型式。这种型式的最大特点是适合于对普通内燃机汽车进行改装，但是两套动力系统间的牵引力匹配与控制十分复杂。目前对牵引力合成型并联混合动力汽车的开发研究主要集中于电动机加减速器、差速器驱动的型式，对直接使用轮毂电机的型式的开发和研究很少。
１．３．１．３混联式混合动力汽车
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Ｅ（卜内燃机Ｐ卜扭矩分配系统Ｂ—一蓄电池玉击一电动，发电机伊—＿发旬电动机Ｉ＂Ｍ——覆这器
图１．１０混联结构囱‘～图１－ｌｌ丰田ＰＲＩＵＳ
ＰＳＨＥＶ综合了串联式和并联式结构的特点，主要由发动机、发电机和驱动１０
第一章绪论
电机三大动力总成组成（如图卜１０），通过离合器的配合使用，可以以串联式、并联式或串并联混合方式工作，能最大限度地降低车辆油耗和排放。ＰＳＨＥＶ可能具有动力切换（切换串联驱动模式和并联驱动模式）或动力分配（将发动机能量分配进入串联路径和并联路径）两种系统。目前成功车型一般采用行星齿轮机构（图卜１１）作为动力分配器将内燃机的输出能量分配进入串联路径（内燃机一发电机）和并联路径（内燃机一驱动桥），通过串联路径控制发电机转速从而实现对内燃机的最优控制，并可以产生类似无级变速器的功能。与ＳＨＥＶ、ＰＨＥＶ相比，ＰＳＨＥＶ控制系统更复杂，是整车开发的技术关键。
１．３．１．４复合式混合动力汽车
复合式结构一般用于双轴独立驱动系统（四轮驱动），相当于一套完整的串连系统加上一套完整的并联系统，这种结构的工作模式更为多样化，它可以有三个动力装置（一台发动机和两台主电机）一起驱动的工作模式。当然这种结构也最为复杂，成本最高，控制系统最复杂。
１．３．１．５按照混合度对混合动力汽车分类
除了按照动力系统的结合形式进行分类外，按照“混合度＂分类也被广泛采用ｆ２０】。混合度在概念至今没有统一的定义，使用较多的定义是驱动电机功率和发动机功率的比值。根据混合度分类，混合动力汽车可以有弱混合和强混合两种形式，弱混合汽车具有怠速停机、电机助力和再生制动功能，强混合汽车在此基础上还具有纯电动行驶功能。通常混合度越高，燃油经济性和排放提高就越多。弱混合方式驱动电机功率占车辆驱动总功率的比例较小，且使用的蓄电池容量通常比较小，典型的弱混合有ＩＳＧ技术，即ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｏｒ－Ｇｃｎｃｒａｔｏｒ技术，其提高燃油经济性的主要方法有：Ｓｔｏｐ／Ｓｔａｒｔ技术，即使驻车时发动机停机以节省由驻车时发动机怠速产生的油耗；通过发电机调节发动机负荷，提高发动机的效率；制动能回收。由于功率较小，这种方式中的驱动电机只在车辆起步时协助发动机工作，在其他运行工况中驱动电机无分担驱动功率需求的作用。强混合相对弱混合而言，驱动电机的功率占车辆总功率的比重较大，使用的蓄电池具有较大的容量。这种混合方式使混合动力车辆可以实现低速时的全电动驱动，通过电力驱动的辅助可以平衡发动机负载，提高燃油经济性。丰田Ｐｒｉｕｓ２００１型混合动力轿车的混合度为６２．３％，是典型的强混合车型。本田ＣＩＶＩＣ混合动力轿车的混合度为１５．９％，是典型的弱混合车型。
第一章绪论
１．３．２混合动力汽车的特点
以上介绍了混合动力汽车的两种一般分类方法，其实对某种类型又可以有许多具体的布置方案和匹配参数，但是无论哪一种混合动力汽车都具备以下的一些共同点【２１’２２】：
（１）能量效率高。汽车在城市运行工况时，发动机多处在低速低负荷工况，
能量效率很低，而混合动力汽车在低负荷时可由电机驱动，或通过选
用小型发动机，使其保持在高效工况下运行，多余的能量给蓄电池充
电。
（２）制动能再生回收。传统汽车制动系将汽车的动能转化为不可逆的热能
而浪费掉，混合动力电动汽车可通过发电机将这部分动能转化为可以
重新利用的电能储存起来，提高了燃油经济性［１７］。
（３）排放性能好。混合动力汽车由于引入电力驱动，可很好改善起动、变
工况和低速低负荷等工况下的排放性能，在闹市区运行可通过纯电动
’模式实现零排放，从而能够实现超低排放。
了一般的发动机和变速器等部件外，增加了蓄电池、电动机、转矩合
成器等装置（有时包括发电机），与料电池汽车相比，技术实现的障碍
小，目前ＨＥＶ已经能够达到与传统汽车相当甚至更好的整车动力性、
经济性和排放性能，且成本较低。（４）技术障碍相对较小、市场化进程快。混合动力汽车的动力传动系统除
１．３．３混合动力汽车的关键技术
虽然ＨＥＶ的实现障碍较小，其研发过程中仍然需要解决很多关键技术问题，主要包括系统集成技术、整车能量管理技术、子系统关键技术及整车试验方法和评价体系的建立【１６＇１７＇２３，２４】。
１．３．３．１系统集成技术
ＨＥＶ系统具有高度的复杂性，正是这种复杂性为混合动力系统提供了更大的设计和控制自由度以及减小油耗和改善排放的可能性，混合动力系统设计的关键是系统结构的选择、子系统匹配、整车能量管理策略的开发和系统参数的确定，由于混合动力系统本身的复杂性，这些工作的完成是一个反复的复杂系统集成的过程。提高系统集成的相关技术．是提高混合动力系统研究水平和实１２
第一章绪论
车性能的基本前提。系统集成技术主要包括仿真技术、试验技术、硬件在环（ＨＩＬ）仿真技术和参数匹配技术。
在ＨＥＶ系统集成的过程中，静态、推静态和动态的分析都建立在仿真的基础上。混合动力系统属于既有连续环节又有时间离散环节的“采样控制系统一，模拟和分析其复杂行为的核心是建立其动态和非线性的仿真模型。由于混合动力系统本身的复杂性，必须按目标和研究对象的不同建立仿真模型，以兼顾结果的准确性和仿真效率【２５】。
台架试验既包括子系统的性能试验和参数提取，也包括多个子系统甚至整个动力驱动系统的联合运行试验。鉴于混合动力系统结构的多样性，ＨＥＶ试验台应当具有通用性并便于扩展，试验台的模块化设计可以满足这一要求。图１－１２为一种ＨＥＶ动力系统试验台方案，其设计目标是可以对多种类型的ＨＥＶ动力系统进行复杂工况测试，并且建立完善的试验数据处理与测试对象评价体系。混合动力系统台架试验方法的探索及规范化与试验平台的建设相辅相成【２６１。
数据库
资料存储
结果分析
对象评价
测试报告●工况梗拟系数数据采集系统发动机检测葡调节卜－
动力控制卜＿＋
Ｉ发电机检测电动机检测电池组检测
环境参量检测Ｉ颈留模块ｌ－．?－Ⅲ…＿Ⅲ＿●
图１－１２ＨＥＶ动力系统试验台模块化结构
结合软件仿真和台架试验技术，ＨＩＬ仿真是复杂系统的有效设计方法。对于ＨＥＶ，ＨＩＬ仿真是高水平系统集成的主要手段，ＨＩＬ仿真是一种包含硬件的实时仿真，要求模型和控制策略满足实时要求，而控制策略也将得到修正以消除模型离散化的影响。系统参数的合理选择与匹配为整车控制策略的优化提供了基础。同时，系统参数的选择还要兼顾成本。
参数匹配要借助于已经建立并且经过验证的仿真平台。混合动力系统的部件匹配，常常依据目标工况的功率和转矩需求而进行【２７１。串联系统的部件匹配相对简单，所依据的功率容易从循环工况的功率请求中获得。并联和混联系统既可以采用动态匹配方法，也可以用反向动力学对各部件参数进行匹配和优化。
第一章绪论
１．３．３．２整车能量管理技术
要实现混合动力电动汽车性能的提高，就必须对整车，尤其是动力系统进行控制，使各个部件能够协调工作。这一任务由整车能量管理系统来完成。混合动力电动汽车的能量管理系统和工业上用到的复杂系统～样，普遍采用分级分布式结构【２８＇２９，３０１。最上层是能量管理系统的决策单元，统一协调和控制各个低端子结构控制器：中间一层包括多个低端子结构控制器；最下层为各个子结构的执行器。
能量管理系统的决策单元接受驾驶员输入的指令、各个执行器的信息和环境信息，协调各子系统的工作。而混合动力系统的整车控制策略（能量管理策略）可以从不同的角度出发进行分析，但无论是串联、并联还是混联ＨＥＶ系统，控制策略要解决的问题主要有两个：系统运行模式的切换和混合模式下功率的分配。同时随着对混合动力系统控制策略研究的深入，诸如自适应控制、模糊逻辑控制、神经元网络控制等方法也得到有效的运用。这些方法可以改善实时控制的性能，提高ＨＥＶ对各种工况的适应能力。
１．３．３．３子系统关键技术
为了充分发挥混合动力系统的潜力，应当对部件子系统进行优化，使其适应混合动力系统的工作特点。ＨＥＶ系统中，由于发动机的工况可以控制在一定范围内，因而可以进行优化设计进一步提高其燃油经济性，降低排放，同时还可以用其他热机代替发动机。ＨＥＶ对以电动和发电模式工作的电机有很高的要求：恒扭矩和恒功率工作，高效率的大功率输出，接近双倍功率的过载量（出现于车辆再生制动时的发电模式，此时电机转速变化范围可达几千转到上万转）
【１２】。研究开发体积小，质量轻、工作可靠、动态响应好的电机，对ＨＥＶ进一步提高动力性和经济性极为重要。ＨＥＶ要求电池具备大功率充放电能力和较高的充放电效率，在快速充放电和变工况充放电过程时保持性能的相对稳定。作为车用动力电池，还有电压、质量和体积、比能量、免维护性以及成本等基本要求。在研究开发高性能、低成本、寿命长的电池的同时，还需要建立符合电池实际使用环境的电池能量管理系统。转矩合成器将发动机转矩和电动机转矩耦合输出，关系到电动机、发电机和电池的协调控制，并影响整车控制，对系统运行的平稳性和可靠性有重大影响。
１．３．３．４整车试验方法和评价体系
随着混合动力汽车数量的增加，建立标准的测试方法和评价体系对于促进１４
第一章绪论
混合动力电动汽车技术进步和推动混合动力电动汽车市场化具有越来越重要的意义。混合动力电动汽车与传统汽车在结构和工作模式方面都存在差异，无法完全照搬传统燃油汽车的标准循环和试验方法。设计合理、有效、便于实施的试验方法是建立评价体系的重点和难点。混合动力电动汽车的试验方法包括适用的测试方法、行驶工况循环以及对车辆动力性能、能量消耗和排放水平的评估。试验方法应当能够再现真实的运行情况并体现汽车运行过程中电池状态的变化。试验内容应当包括安全标准、性能标准、使用标准三个部分，这也是混合动力电动汽车评价体系的主要内容。
１．４本文工作内容
混合动力汽车的开发总要经历匹配、仿真、试验、硬件在环仿真、反复优化的过程，仿真是我们依赖的重要手段之一，但仿真要求建立准确的仿真模型。本文的研究正是以此为出发点仅考虑汽车的纵向动力学在姒ＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真环境中建立模型，分析四轮驱动混合动力汽车整车性能。本文研究对象为牵引力合成型并联式四轮驱动ＨＥＶ，主要研究内容和思路如下：
（１）分析混合动力汽车的功率平衡方程式，混合动力汽车动力部件如发动机、电机和蓄电池等的运行特性，在此基础上根据结构形式特点进行并联式四轮驱动ＨＥｖ动力匹配计算；
（２）建立四轮驱动ＨＥＶ的纵向动力学模型：
（３）根据仿真需要，基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ建立四轮驱动ＨＥＶ的仿真模型，包括动力学模型，驾驶员模型、车辆控制器模型和各个物理子系统模型等；
（４）基于ＭＡＴＬＡＢ仿真模型进行整车动态特性仿真研究，计算整车燃油经济性和排放性等；
（５）研究道路循环对整车燃油经济性和排放特性的影响，并基于上海市道路循环进行仿真分析。１５
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
为了使车辆燃油经济性能和排放性能达到最优，混合动力汽车动力系统的控制要点在于根据具体的系统结构来决定其动态功率分配效率。因此，混合动力汽车动力系统的设计要素包括：结构形式的确定（不同的结构形式具有不同的特点，应该根据具体的车辆特征以及设计要求确定采用的结构形式）、动力系统的匹配和部件选用（根据车辆选用的混合动力系统结构形式和具体的使用条件对混合动力系统部件提出要求，然后根据可选择范围确定具体选用的动力系统部件）、控制策略的设计和控制参数确定。
２．１四轮驱动ＨＥＶ驱动系统结构形式的确定
在第一章中我们曾介绍了混合动力汽车的几种结构形式，包括串联、并联、混联、复合等不同的结构形式。同时也介绍了几种不同结构形式混合动力汽车的特点。用于城市交通的中、大型车辆具有较大的动力系统布置空间，最重要的控制目标是降低排放，此时可以考虑选用串联式结构。对于小型车辆，由于布置空间比较紧凑，则一般考虑并联式和混联式结构。如果设计目标是对现有车型进行改造，提高燃油经济性和排放性能，则选用并联式，如果全新设计一辆混合动力汽车，混联式结构则是最佳选择。四轮驱动ＨＥＶ设计是基于现有车型改装，以尽快搭建研究平台实现技术攻关，因而选用并联结构。
并联式混合动力汽车有扭矩合成式（单轴或双轴）、转速合成式和牵引力合成式三种。可以看出，扭矩合成式或转速合成式混合动力汽车都需要对原车的动力传动系统进行重新参数匹配和结构设计，同时还需要进行电动机、发电机蓄电池等部件的布置，改动比较大，而牵引力合成式可以不改动原有传动系统，只要另外布置一套电驱动系统驱动原车从动轮，尤其是采用轮毂电机的结构，电机直接驱动车轮，机械结构变化最少。
因此，本文的研究对象选定为牵引力合成型四轮驱动混合动力汽车，前轮保留原动力传动系统，发动机发出的动力经变速箱、差速器传递至前轮，后轮由轮毂电机驱动，其动力来自蓄电池，同时发动机可通过发电机向动力电池充１６
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
电，轮毂电机可实现制动能回收，大致空间布置示意如图２．１。
图２．１使用轮毂电机的并联式四轮驱ＨＥＶ布置结构
２．２四轮驱动ＨＥＶ的功率平衡
２．２．１四轮驱动ＨＥＶ的输出功率与阻力功率：
由汽车行驶方程式【１３１可知：
Ｆｔ＝Ｆｆ＋Ｆ。＋Ｆｉ＋Ｆ｝
式中：Ｆ——混合动力汽车驱动力
Ｆ，——混合动力汽车滚动阻力
Ｅ，——混合动力汽车空气阻力
只——混合动力汽车坡度阻力
Ｆ：——混合动力汽车加速阻力
根据汽车理论有：
Ｆ｜＝｛ＧＣＯＳａ
式中：厂——滚动阻力系数
Ｇ——汽车总重力（Ｎ）
口——汽车在坡道上行驶时道路的坡度角
Ｆ：鱼：丝：生（２－３）‘ｗ２１．１５
式中：Ｃ二——空气阻力系数１７（２－１）（２－２）
——鱼三皇堑壁壅婴丝塑垫坚里∑垫垄堕堡盐竺
“。——汽车行驶速度
爿——迎风面积。
只＝Ｇｓｉｎａ
式中：Ｇ——汽车总重力（Ｎ）
口——汽车在坡道上行驶时道路的坡度角
道路的坡度除了用坡度角口表示，工程中常将坡度角的正切定义为坡度ｆ，即：
ｆ＝ｔａｎａ．（２—４）
ｅ＝锄詈
析计算）（２＿５）式中：万——质量换算系数（对于四轮驱动ＨＥＹ，可参照一般计算方法作分
皇鍪——汽车的行驶加速度（ｍ／ｓ２）
将汽车行驶方程式两边乘以甜。，并经过单位换算整理出汽车功率平衡方程式（式中功率单位ｋＷ）如下：Ｐ＝三ｒ／（盟堕３６０＋垫３６００＋型７６１４０＋塑３６０堕０２．塑ｄｔ）、。，（２—６）、。Ｖ／
或：
尸＝寺＠＋只＋￡＋弓）（２－７）
式中：Ｐ——发动机和电机输出总功率
，７——机械传动装置的总效率
发动机和电动机的输出总功率换算到驱动轮上的输出功率应该考虑传递过程中的机械损失，即：
只＝ｒ／?Ｐ（２－８）
克服混合动力汽车行驶滚动阻力所消耗的功率为：
Ｊ，一————————————————一’３６００Ｐ，：垒粤（２－９）Ｊ
克服空气阻力所消耗的功率为：
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
Ｐ，＝鱼：丝：立７（２－１０）’７６１４０
克服坡度阻力所消耗的功率为：
只：ｇ：塑竺：堕’（２－１１）３６００
克服加速阻力所消耗的功率为：只：坐．塑（２－１２）２．２．２混合动力汽车的功率平衡
现在驱动轮上的阻力功率始终保持平衡【１２】。有：
ＪＰ＝吉眩＋己＋毋＋弓）
令动力系统的最大瞬时爷出功率为Ｐ～，当混合动力汽车以最高车速行驶时，汽专遇到的阻力功率为孓ｉｐ，＋己）‰，根据混合动力汽车的功率平衡方程Ｐ一＝＝ｉ、ｐ，＋只）。。可以求得最高车速“一?
在良好路面上加速行驶的坡度ｉ＝０，则由（２—１１）式和（２—１３）式得：
ｅ＝刁卜吉心＋Ｒ）］
车速为“。时的加速度为：．∞㈣
生，ｉｔ等¨ｒｌ眈＋Ｒ）Ｊ鼢。Ｌ一＝一ｌ
汽车等速上坡时，加速度掣：０ａｔｒ一一Ｉｒ，十ｆ¨¨∽川、厶■１／”ｊ
账只＝叩［Ｐ＿吉眈＋只）］
１９车速为Ｕ。时的爬坡度为：
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
ｚ＝等Ｂ眩＋叫浯㈣
２．３混合动力汽车系统部件特性研究
混合动力汽车良好的燃油经济性能和排放性能是通过各动力总成部件扬长避短地协调工作实现的。了解混合动力汽车动力部件的特性是进行混合动力汽车设计的第一步。
２．３．１发动机工作特性
混合动力汽车为多种新型发动机在汽车上的应用提供了可能，如转子式发动机、燃气轮机、斯特林发动机等，但研究表明技术成熟的四冲程内燃机仍然是现阶段混合动力汽车用发动机的最佳选择。下面将讨论的发动机特性仅限于传统四冲程内燃机，并主要讨论与混合动力汽车整车燃油经济性和排放性能密切相关的两个特性：万有特性和尾气排放特性【３ｌ】。
发动机的万有特性是指稳态工况下发动机的比油耗ｂｅ与发动机转速挖和转矩瓦的对应关系。万有特性可以用来方便直观地分析多速度多负荷情况下发动机的动力性能和经济性能，反映了发动机运行工况的全特性。发动机的比油耗ｂｅ定义为：
ｂｅ一－＂ｉＢ×１０００（２一１６）
式中：６ｅ——发动机的比油耗，ｇ／ｋＷｈ；
Ｂ——发动机单位时间油耗，堙／ｈ；
￡——发动机有效功率，ｋＷ；
发动机的排放特性是指稳态工况下发动机排放物的比排放ｇ与发动机转速刀和转矩瓦的对应关系。排放特性可以用来方便直观地分析多速度多负荷情况下发动机的排放性能。发动机的比排放ｇ定义为：
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
ｇ＝号
式中：ｇ——发动机的比排放，ｇ／ｋＷｈ；
Ｇ——发动机排放物单位时间排放量，ｇ／ｈ
之——发动机有效功率，ｋＷ；∽…
１计
图２－２ＨｏｎｄａＩｎｓｉｇｈｔｔｔＥＶ车用汽油发动机万有特性
图２—３Ｓ１２２４柴油发动机万有特性
目前传统的四冲程内燃机主要是指柴油机和汽油机，它们的万有特性和排放特性既有相同之处，也存在差别。图２－２和图２－３分别是一款车用汽油发动机和一款柴油发动机的万有特性，从图中不难看出，发动机工作转矩对整车燃油经济性能有着重大影响。在低转矩小负荷区域，发动机的比油耗较高，在中、高转矩工作区域，发动机的比油耗则较低。从图中还可以看出发动机的工作转２ｌ
第二章并联式四轮驱动Ｉ－ｍＶ动力匹配计算
速对比油耗的影响不及发动机工作转矩的影响显著，尤其对于柴油发动机其工作转速对比油耗几乎没有影响。
发动机特别是柴油机的排放特性不像万有特性那样具有普遍的规律性，但研究表明特定型号的发动机其排放特性仍有一定规律性可循。图２－４至图２－９为某发动机的ＨＣ、ＣＯ和ＮＯｘ的排放特性三维图和等值线图（单位ｇｐｋＷｈ）。从图中可以看出，该发动机排放特性不像万有特性一样在转速方向或转矩方向具有较好的单调性，但从图中仍然能看出一些规律。以ｃｏ排放为例，该发动机在高转矩区域时ＣＯ的排放量较大；高转速且中等转矩工作时，ＣＯ的排放特性也较差。总体来看，该发动机在中等转速和中等转矩附近区域工作时，Ｈｃ、ｃ０和ＮＯｘ排放特性均相对较好。
图２－４汽油机Ｓ１４１的Ｈｃ排放特性三维图
自＝４１ｋＱ
Ｇ¨Ｉ．ＯＬ（４１ｋ帅ＳｔＥｎｇｉｎｅ?ｔｒａｒｌｓｉｅｎｔｓ耐ｆｅＨＣ自恤如，０ｋ、蛐）?ｄａｔａ菖
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寻
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ＬＬＩ墨
图２－５汽油机Ｓ１４１的Ｈｃ排放特性等值线图
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
恤
图２—６汽油机Ｓ１４１的Ｃ０排放特性三维图
Ｂ口ｈｓｐ∞ＨｃＣＯ酬ｓ如Ｉ∽慵）－
Ｇ的１卫Ｌ（４１ｋＶ叼ｓＩＥ岫??怕ｒ画ｅ臆ｄａｔａＥｎｇｉｎｅＳｐｅｅｄ（巾１１１）
图２－７汽油机Ｓ１４１的ＣＯ排放特性等值线图图２－８汽油机Ｓ１４１的Ｎ０ｘ排放特性三维图
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
６拍１．０Ｌ（４１ｋＷ）ＳＩ响押话－们ｍｓｉｅｍ柏Ｂｒａｋｅ舡ｃＩｆｊｏＮ砸卧ｂ嘲∞掣蝴岣?
言
己
ａ，
丁
ｇｏ卜
‘南Ｃ
ＩＬｌ罟
图２－９汽油机Ｓ１４１的Ｎ０ｘ排放特性等值线图
可见，发动机的工作转矩对整车燃油经济性能影响较大，一般应当尽量避免发动机工作于高转矩区间和怠速状态以获得较好的整车燃油经济性能。对于某一特定的发动机，在某些转速和转矩区域呈现出良好的排放特性，但这种规律性不具有普遍性，不像转矩对燃油经济性的影响规律那样可以较随意的推广。提高整车燃油经济性能和提高排放性能所限制的发动机工作区间不同，因而当限制发动机工作区间，油耗和排放的改善会出现矛盾，我们的控制策略应当抓住不同运行状态下的主要矛盾。发动机的万有特性和排放特性仅仅是发动机的稳态工作特性，要进一步改善整车动态工作时的油耗和排放，仅仅通过限制发动机工作区间的方式效果有限。必须结合最新的内燃机技术如发动机电控，尾气及后处理等方法来改善整车动态燃油经济性和排放特性。
２．３．２电机运行特性研究
混合动力汽车使用的电动机有直流电机、交流同步电动机、交流感应电动机等，目前使用比较广泛的是他励电刷式直流电动机、三相交流感应电动机、永磁式同步电动机、开关式磁阻电动机和同步磁阻式电动机，其中交流感应电机和永磁同步电机是未来车用电机驱动系统的主要趋势【３２】。
２．３．２．１交流感应电机的特性
感应电动机在各种无换向器电动机驱动中技术最成熟，感应电动机有绕线式转子电动机和鼠笼式电动机两种类型。由于绕线式感应电机成本高、需要维护、缺乏坚固性，没有鼠笼式应用广泛，特别是在电动汽车的电力驱动中。通
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
常把鼠笼感应电机简称为感应电动机。在电动汽车驱动中，这种电机需要专门设计，在电压等级受动力电池数量、质量和类型限制的情况下采用高电压和低电流的设计以减少功率逆变器的成本和体积。尽管轴承摩擦、通风损失等影响电动机最大转速，仍需采用高速运行使电动机的尺寸和质量最小化。电动机的工作特性应满足电动车行驶的要求，例如爬坡时低速高转矩，巡航时高速低转矩，超车时要求瞬时超载能力【１２Ｊ。
交流异步电机的工作特性主要包括转矩外特性、功率外特性和效率特性，他们不是电机本身的固有特性，而是电机及其控制系统的调速特性【３３１。电机的转矩外特性和功率外特性的定义与发动机外特定的定义类似，能够反应电机驱动系统的做功能力和驱动能力。电机的效率特性反则反映了电机驱动系统的工作效率，其定义如下：
ｐ
％＝詈丝锄一如
式中：７７材——电机及其控制器的效率
昂妇——输入电机的电功率，ＫＷ
匕。，——电机输出的机械功率，Ｋｗ（２—１８）
，恒扣矩区
基遗图２－１０ＡＣ７５扭矩外特性‘～ｉ．一ｊ
研究表明，各种交流感应电机具有类似的扭矩特性、功率特性和效率特性。图２－１０至２—１３为某最大功率７５ＫＷ的交流感应电机ＡＣ７５的扭矩外特性、功率外特性、工作效率特性和工作效率等值图。很显然，该电机在基点（图中虚线）以下，以恒扭矩特性运行，在基速以上以恒功率特性运行，是汽车比较理想运行特性。同时该三相交流感应电机可以在两个象限运行，即该电机既可以作为
第二章并联式四轮驱动Ｉ－ＩＥＶ动力匹配计算
电动机输出驱动扭矩拖动汽车行驶，也可以作为发电机工作，输入力矩回收再生制动再生能量。通过工作效率特性图可以看出交流异步电机的运行效率比发动机高得多，最大运行效率达到９２％，最低效率近７０％，高效率区主要分布在中速中扭矩的较大范围区，在基速以下的低转速区和低转矩区，工作效率偏低。
图２－１１ＡＣ７５功率外特性
图２－１２ＡＣ７５工作效率特性
言
己
ｏ３
ｇ
ｏ
卜
苦
芑
芝
ＭｏｔｏｒＳｐｅｅｄ（ｒｐｍ）
图２－１３ＡＣ７５工作效率等值线图
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
２．３．２．２永磁同步电机的特性
永磁同步电机是电力驱动感应电机最有力的竞争对手。这种电机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，它的质量和体积能够大大减小，使得功率密度提高。而其转子无绕组，无铜损，使得工作效率高于交流感应电机。永磁交流电机的发热主要集中在定子上，易于采取散热措施。永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制，因而可靠性高，且其转子电磁时间常数小，动态性能好。
恒扭矩医‘～ｊ?
．／一－｜
ＭｏｔｏｒＳ珥塘叫ｒｐｍ
Ｍｏｔｏｒ蓦运图２—１４Ｉｎｓｉｇｈｔ车用永磁电机扭矩特性ｓＩ挎戡岍
图２－１５Ｉｎｓｉｇｈｔ车用永磁电机功率特性
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
图２—１６Ｉｎｓｉｇｈｔ车用永磁电机效率特性
ＭｏｔｏｒＳｐｅｅｄ仲ｍ）
图２—１７Ｉｎｓｉｇｈｔ车用永磁电机工作效率等值线
永磁同步电机的工作特性与交流感应电机类似，能够产生理想的恒转矩工作特性和很好的恒功率工作特性。图２—１４至图２一１７是本田Ｉｎｓｉｇｈｔ车用永磁电机的扭矩特性、功率特性、销率特性和工作效率等值线图。可以看出，该永磁同步电机在基速以下以恒转矩运行，在基速以上以接近恒功率运行。该永磁电机同样可以在两个象限运行，因而既可以用作驱动电动机，也在用作发电机在车辆制动时是限制动能回收。从图中可以看出该永磁同步电机的最大效率达９０９６以上，但在低速和低转矩区域效率比交流感应电机低得多，只有不到５０％。因而采用永磁同步电机的混合动力汽车不适合让电机工作于低转矩区域，否则会引起整车能量效率降低等问题。
总之，交流感应电机和永磁同步电机具有基速以下恒转矩、基速以上恒功率的运行特性，非常接近活塞式蒸汽机的外特性曲线，是理想的汽车驱动特性。两种电机均可以量象限工作，能够回收制动能量，非常适合在混合动力汽车上
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
使用，从而提高整车能量效率，改善整车燃油经济性。为了提高电机的工作效率应尽量控制电机使其工作于中速和中转矩区域，特别对永磁电机应尽可能避免工作于低速和低转矩区域。
２．３．３动力电池特性研究
理想的车用动力电池应该具有高比能量、高比密度、良好的快充和深放电能力，使用寿命长，自放电率小，充电效率高，安全性好且成本低廉，但是还没有一种动力电池能够同时满足上面的要求。相对而言，铅酸电池具有成本低廉何必功率高的特点，但寿命短且比能量低。镍氢电池比能量高，但其价格也高。飞轮电池的比能量和比功率均较高，但成本也高。超级电容比功率高，充电速度快，但比能量太低。对于纯电动汽车，为了提高整车性能，往往同时采用两种电池，一种具有高的比能量，一种具有高的比功率，组成电一电混合动力系统。而本文所研究的混合动力是指内燃机和电力的油电混合系统，由于内燃机具有高比能量能够保证汽车的行驶里程，因而在混合动力汽车上应当配备具有高比功率的动力蓄电池以提高汽车加速性能和减少污染排放。镍氢电池和锂电池是目前混合动力汽车储能元件的主要发展方向。
电池的特性主要包括内阻、端电压、放电电压、电池容量（Ａｈ）、电荷状态（ＳＯＣ）、电池效率等【３ｌ】。图１８－２０以本田Ｉｎｓｉｇｈｔ车用镍氢电池ＥＳＳ—Ｎｉ姗６为例给出了其部分特性曲线。
电池内阻主要与电池ＳＯＣ状态和电池温度有关。ＳＯＣ较小或较大时，电池内阻较大，这一规律在放电时尤其明显。且电池的内阻放电时比充电时大。
放电电压是电池运行中的动态电压特性，因而是电池的重要特性，充放电电压主要与ＳＯＣ状态和电池工作温度有关。一般ＳＯＣ越大，放电电压也越大，当ＳＯＣ降低到一定程度电压降至某一电压值后放电电压会急剧下降，如果继续放电可得到的容量很少，意义不大，同时还会降低电池的使用寿命。所以放电时电池电压必须不低于某一截止电压，该电压被称为放电中止电压，与此相对应的我们应当控制放电过程中电池ＳＯＣ不低于某一下限阀值。
端电压是指电池充电和放电结束精致一段时间后电池正负电极间的电压Ｕ。充电过程中实际电压低于端电压，放电过程中实际电压高于端电压。电池的端电压Ｕ主要与放电电流和电池容量有关，与电池的工作温度也有一定关系。
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
电池容量是指以某一恒定电流将电池从一段电压值放电至另一电压值时经历的时间（ｈ）与该电流（Ａ）的乘积。电池容量主要与电池放电或充电时的电流有关。电池容量随着放电电流的增大而下降。
图２一１８Ｅｓｓ＿＿Ｎｉ删６内阻特性
电池ｓｏｃ状态定义为电池的剩余容量Ｑ与恒定电流下电池放电容量Ｑ，的比值。可用下式表示：
ＳＯＣ：垒
踢（２—１９）
令电池充满电的状态下舳Ｃ＝ｌ，则．如Ｃ可以用电池的放电量幺表市为：
ＳＯＣ：１一立
踢（２—２０）
电池效率包括能量效率％和能量效率锄，分别定义为放电和充电的容量和能量值比，表达式为：
』栌鲁×１涨卜等枷鼢
式中：Ｑ撕——放电容量，Ａｈ
蜴弼。——充电容量，Ａｈ∽２。，
矽姗呼一放电能量既啊。——充电能量
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
图２—１９ＥＳＳ－－ＮｉＭＨ６端电压特性
ＩｓｏｔｈｅｍｍｄＲｏｕｎｄＵｔｐ
ＵｓｅｄｉｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｓｉｇｈｔｔＯＣ翱蜥■ＷｏｕｎｄＩＶ＊ＭＨ８Ｊａｐａｎｅｓ．ＱＰｄｕｓ
ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ（＿）
图２—２０ＥＳＳ－－Ｎｉ枷－１６效率特性
２．４四轮驱动ＨＥＹ匹配计算
混合动力汽车的意义在于在一定的控制策略之下，内燃机、电动机、发电机、蓄电池等动力部件协调工作，使内燃机在较高效率和较低排放工况下工作，通过电机助力，实现整车燃油经济性和排放性能最优。因而各动力部件必须满足行驶过程中各种工况的动力需求，动力匹配的任务就在于根据实际行驶循环所要求的整车动力性能及预估的整车基本参数计算确定各个动力部件的功率、力矩、特征转速等参数【３２，３３１。
对所研究四轮驱动ＨＥＶ，初衷是设计一辆功率辅助型弱混合ＨＥＶ，发动机是主要动力源。起步加速时汽车由电机驱动（后轮驱动），当车速超过某一数值后发动机开始工作；怠速停车时关闭发动机：行车加速时，电机辅助驱动；减速制动时，制动能回收。在动力匹配阶段，我们需要确定发动机和电机的功
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
率、力矩以及特定力矩和功率下的转速，需要确定蓄电池的容量和功率。２．４．１发动机和电机的匹配计算要求
并联式四轮驱动混合动力系统的基本控制策略是用内燃机提供车辆连续行驶车速或平均车速下所需功率，用电动机提供加、减速时的额外功率需求【３４阀，（２．６）式是车辆行驶的功率平衡方程，考虑到大部分行驶循环测试曲线中不考虑坡度阻力，因此在初步动力匹配行驶过程中内燃机和电动机应各自提供的功率最、忍分别为（２—２２）式和（２?２３）式，内燃机应该保证功率‰不小于连续功率需求置的最大值只一１３６１。电动机第一要满足加速行驶时的辅助动力需求，因而电动机应保证峰值功率匕一不小于忍的最大值最～；电机还必须提供混合动力汽车高速行驶时的辅助动力，因而电动机功率应能够满足选用小功率发动机后车辆最高车速行驶的功率需求，即匕一≥￡眦一‰嗽。可见，在这种控制策略下，‰主要与行驶循环中的连续行驶车速或平均车速有关，匕一主要与车速与加速度乘积Ｕ．ｄｕ／ｄｔ的最大值和最高车速有关。
由于弓皿。对应于内燃机在最高转速时候输出的功率，考虑到一方面内燃机的最大功率（即标定功率）点的转速通常低于其最高转速，另一方面最高转速附近通常不属于内燃机的燃油经济性和排放性能较好的区域，此外，要考虑车辆在一定坡度上行驶工作，因此根据运行条件实际选择的内燃机的标定功率ｅｅｎｇ＞只呲，以保证内燃机在发出功率墨一时能够处于排放和经济性较好的工作区域内。．
选用电动机的额定功率‰要根据电动机的性能特点来定，一般电动机的
１１
峰值功率为额定功率的２￣３倍，因此Ｐ肼＝（二～习?匕一。Ｊ二
‘只：三拦坠生纽哑＋鱼兰叠）
ｒ／、３６００７６１４０
。（２．２２）只＝三．鱼：竺：竺已坐：三．鱼竺坚．鱼３６００ｄｔ１０００ｄｔｒ／（２．２３）ｒｌ
以上各式中尸表示车辆行驶的阻力功率，置和Ｂ分别指行驶过程中内燃机和电动机应提供的功率，ｌｒｌ为车辆的质量，厂为滚动阻力系数，“。硎妇哪、“、Ｕ４３２
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
为车辆行驶速度，单位分别为ｍ／ｓ、ｍ／ｓ和ｋｍ／ｈ，ｉ为坡度，％为风阻系数，彳为迎风面积，万为汽车质量换算系数。
综上所述，发动机和电机的功率需要为：ｐ—ｃ吉ｃ警＋噜，，
Ｐｕ。，．＞ｍａｘ［万１?等．＿ａ班ｕ］
匕一≥￡陇一‰一∽２４）
由于某些原因，根据行驶循环或车辆运行条件调查结果按上述方法计算得到的内燃机和电动机的功率偏小，因此在通过进行初步匹配后还应根据最高车速、加速时间和最大爬坡度要求进行验证和修正，以保证整车动力性设计目标。２．４．２动力电池匹配计算的要求
动力电池的匹配主要是根据车辆行驶要求确定电池的功率和容量【１９１。
电池的最大功率忍眦应该能够满足电动机最大功率输出的要求，即忍眦≥昂一。
电池的容量根据车辆运行条件和所用混合动力系统的控制策略来确定【３４１。如果设计对纯电动行驶没有特殊要求，则要求在有利于提高工作效率和寿命的电池荷电状态ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ
行条件下的能量需求。ＯｆＣｈａｒｇｅ）区间内的电量能够满足行驶循环或车辆运
一定行驶循环中电池能量的变化已为其瞬时充放电功率忍对时间的积分，即
ｔ
岛＝ｌ忍?ｄｔ
在电池放电为电动机工作提供能量时，Ｆｇ池的－ｒ作功率弓为
ｐ（２－２５）
忍＝—二址一
，１ｂ一弛’飘Ｍ（２－２６）
式中％、ｒ／肘分别为电机的输出功率和效率，％幽为电池的放电效率。当通过内燃机为动力电池充电或进行制动能回收时，电机以发电机形式工
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
作将电能存储到电池中，此时电池的最大充电功率受限于最大充电电流乞一，如式（２．２７）所示：
ｆ忍＝昂¨Ｊ—ｃＪｌ‘ｒ／Ｇ
ｌＥ＝只懈，ｌ｜ｃ＜Ｉ｜ｃ—ｍ（２－２７），Ｊｋ≥Ｉｋ嘛
式中％一曲为电池充电效率，％为电动机以发电机形式工作时的效率，忍一一为电池最大充电功率，ｋ分别为电池的充电工作电流。
时同（ｓ，
’图２．２１一次行驶循环中蓄电池ＳＯＣ状态的变化情
令皈一为行驶循环中单次蓄电池能量变化的最大值（如图２—２ｌ所示），则对于完全使用车载充电的混合动力汽车，在有利于提高工作效率和寿命的蓄电池荷电状态区间ＡＳＯＣ６口，内应能够提供地眦的能量，因此蓄电池的总容量需求Ｇ为
ｃ一竺：竺！（２－２８２８））Ｃ。≥Ｌ—型。怂ｏｃ‰
如果控制策略要求混合动力车辆具有纯电动行驶功能，动力电池的容量还应能够满足纯电动续驶里程的要求，计算方法与上述方法类似，但混合动力汽车的纯电动行驶一般为其设置最高车速限值％嗽，由于很多循环曲线的最高车速比较高，因此计算时要对使用的循环曲线进行选择过滤。
２．５四轮驱动ＨＥＶ“登峰一号刀的动力匹配计算
按照以上匹配计算原则我们对登峰一号混合动力汽车进行了动力匹配计算，并最终确定基于爱丽舍ＳＸ轿车搭建四轮驱动混合动力汽车研究平台。
爱丽舍轿车是神龙汽车公司推出的一款轿车，也是目前国内中档轿车中最具现代感的车型之一。爱丽舍轿车采用萨拉毕加索轿车的底盘平台并根据中国的道路状况和用户使用习惯进行了优化设计，不仅继承了雪铁龙产品独有的后
第二章并联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
轮随动转向专利技术，而且在承载能力和耐用性方面作了进～步强化，底盘更加结实、耐用，乘坐更加舒适，操纵稳定性和行驶平顺性亦更加出色，其配置
参数如下。
表２．１爱丽舍ＳＸ１６Ｖ基本技术参数参数名称生产厂商品牌
基本参数
驱动型式最高车速（Ｋｍ／ｈ）Ｏ一１００Ｋｍ／ｈ加速时Ｎ（ｓ）油耗（Ｌ／１００ｌ（１１１）
排放标准燃料种类长／宽／高（ｍｍ）
参数值神龙汽车东风雪铁龙前置前驱
１８５１１．３
６．１（９０Ｋｍ／ｈ等速）
欧２
９０号以上无铅汽油
４３０５／１７０７／１４１３
２５４０１４２３／１４２４
１３０４３７５ｌ１１２５１５００
轴距（ｎｕｎ）
主要尺寸与质且里
轮距（前后）（埘吼）
最小离地间隙（ｎｌｌＴｌ）后备箱体积（Ｌ）油箱容积（Ｌ）整备质量（ｋｇ）总质量（ｋ曲发动机位置发动机型式
前置横置
顶置双凸轮轴十六气阀多点电喷发动机
１５８７１０．５：１
发动
排量（ｍＬ）压缩比点火方式最大功率（ＫＶＯ最大扭矩（Ｎ?ｍ）
机
参数
ＭＥ７．４电喷系统
６８／５７５０ｒｐｍ１４２／４０００ｒｐｍ
底数盘
参
变速器型式悬架（前／后）
五档手动独立悬架
第二章井联式四轮驱动ＨＥＶ动力匹配计算
制动装置型式（前／后））
转向器型式前盘后鼓齿轮齿条
１８５，６０
４
５
１０５轮胎类型与规格（ｋｍ／ｈ）车身参数车门数座位数展小转弯直径（ｍ）
四轮驱动混合动力汽车以爱丽舍ＳＸ１６Ｖ为原型，加装大功率发电机、轮毂电机、动力电池和相关电器元件。动力部件选择情况见表２
表２２“登峰一号”动力部件选型
部件名称
电动机２２备注２ＫＷ×２外转子式轮毂电机，单只质量约为１５Ｋｇ，由２１所生产
ＪＦＹＪ２５０１永磁交流发电机，规格：２８Ｖ、１８０Ａ／５０００Ｗ，转速特性
发电机ＩＡＵ］！０４５Ｖ负载特性Ｉ△ｕ｛≤ｏ６０Ｖ调节电压２８±０２５Ｖ，质量
１３５Ｋｇ
动力电池镍氢电池１５Ａｈ．１０８Ｖ
大功率发电机布置于原车发电机位置，原车用小功率发电机布置于原车空调压缩机位置，空调暂不可用。两个轮毂电机分别布置于两个后轮腹板内侧。原车后轮鼓式制动器替换为盘式制动器。蓄电池、电容器（作为蓄电池稳压器）轮毂电机控制器布置于后备箱内。下图为在ＵＧ中建立的整车模型图２－２２混合动力汽车三维总布置仰视圈
第二章并联式四轮驱动Ｈ吖动力匹配计算
图２．２３棍台动力汽车三维总布置俯视图
２．６本章小结
本章通过对汽车行驶过程的动力学分析建立了混合动力电动汽车的功率平衡方程。在此基础上分析了四轮驱动混合动力电动汽车动力匹配中各部件的功率需求的匹配计算。分析表明，发动机主要满足连续行驶功率需求，电动机必须满足加速功率需求和最高车速行驶需求。最后以登峰一号为倒给出了匹配结果和整车布置形式。
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＶ建模
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ的四轮驱动ＨＥＶ建模３．１ＨＥＶ仿真分析技术现状（３７＇３８１
混合动力电动汽车仿真的研究是伴随着十九世纪六十年代几种样车的发展而出现的。这些样车被用来收集大量数据以用来验证混合动力系统的性能。随着计算机技术的飞速发展，现在计算机仿真已经是混合动力汽车设计开发的有力辅助工具，仿真分析有利于深入理解混合动力系统的工作过程和分析控制策略中占主要影响的动力学因素减少样车制造和实车试验，缩短开发周期，降低开发成本。系统部件模型可用来定量分析整车的能量消耗。在整车方案设计中可用整车仿真程序评估整车性能，验证方案设计，以及对方案进行优化设计。随着对混合动力研究的深入，国内外已经开发出多款混合动力电动汽车计算机仿真软件。这些软件具有不同的功能，可以预测一个或者多个领域的性能，比如燃油经济性、排放特性、加速性能、爬坡性能。下面介绍几个突出的仿真工具的特点和功能。
（１）ＳＩＭＰＬＥＶ
ＳＩＭＰＬＥＶ是早期著名的电动汽车仿程序，由美国Ｉｄａｈｏ国家工程与环境实验室于上世纪九十年代初开始开发，主要用于纯电动汽车和串联式混合动力汽车的仿真分析。它具有交互式、菜单驱动的界面方便选择特定的车辆、单独的部件和规定的标准循环。他不能仿真并联式混合动力汽车和传统内燃机汽车，而且串联式混合动力电动汽车的操作首先评估ＡＰＵ的功用和特性，不能确切对汽车ＶｉｒｇｉｎｉａＴｅｃｈＶｅｈｉｃｌｅ进行建模。ＳＩＭＰＬＥＶ源代码采用ＢＡＳＩＣ语言编写，给软件的维护和升级带来了很大的困难，同时模型库不容易扩充，使用不方便。
该软件的仿真理论与将要介绍的所有软件类似。首先计算满足驱动循环要求的功率，然后利用各部件的传动效率计算出总线输出功率。它具有绘制输出数据图表或存储仿真中每一时间步长数据的功能。ＳＩＭＰＬＥＶ能预测汽车的燃油经济性、能量使用、排放（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）和其他许多汽车性能参数。
（２）ＨＶＥＣ
ＨＶＥＣ是由ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅ美国国家实验室开发的仅用来仿真纯电动汽
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＶ建模
车和串联型混合动力电动汽车的软件。在其菜单驱动的代码中有许多现有的混合动力电动汽车模型。如，燃料电池可用来代替内燃机作为辅助动力单元，飞轮电池可用来代替电化学电池，许多待用燃料用来代汽油等。该代码可建立整车的燃油经济性、排放和其他性能模块。但是，作为仿真工具，ＨＶＥＣ的灵活性受到固定结构的限制。
（３）ＣＡＲＳＩＭ
ＣａｒＳｉｍ是由美国ＡｅｒｏＶｉｒｏｎｍｅｎｔ公司开发的仿真软件，具有与ＳＩＭＰＬＥＶ相同的功能和限制。美国国家可再生能源实验室同时将ＣａｒＳｉｍ的仿真数据以及ＳＩＭＰＬＥＶ的仿真结果作了比较，发现二者在仿真加速度和行驶里程测试时的数据相差不到５％，同时对能量消耗的仿真与实测数据也在仿真范围之内。
（４）ＣＳＭＨＥＶ
ＣＳＭＨＥＶ是由ＣｏｌｏｒａｄｏｓｃｈｏｏｌｏｆＭｉｎｅｓ设计的预测混合动力电动汽车行为的仿真工具。它的代码位于界面友好的ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境中，比ＳＩＭＰＬＥＶ容易改变混合动力电动汽车布置。而且，这个程序也能进行不同混合动力电动汽车设计对参数输入变化敏感性的参数分析。然而，其文献也承认其代码仍需完善，目前尚无法证实实际测得的数据。
（５）Ｖ—ＥＬＰＨ
Ｖ－Ｅｌｐｈ或Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ－Ｅｌｐｈ是ＴｅｘａｓＡ％Ｍｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ开发的电动峰值混合动力电动汽车（ＥＬＰＨ）仿真代码的改进。最初ＥＬＰＨ代码受特定ＨＥＶ控制策略的限制，但Ｖ－Ｅｌｐｈ扩展了其功能可以仿真串联和并联混合动力电动汽车。它的代码也是基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境，且能够轻易的修改以反映实际的混合动力电动汽车运行。其代码比前面提到的代码简单得多，因为汽车各部件的动态相互作用可以通过直观的子模块和连接线轻易的观察到，而不需许多复杂、难懂的方程式。模块示意图系统建模代表了软件实用性的改善。
该代码对所有部件模型采用标准的数据流，这使得该软件可轻易仿真特定的部件、燃油经济性和控制策略。从有关文献中看不出它是否能够准确预测车辆的排放，但代码的灵活性可使它添加上这个功能。燃油经济性和其他性能的数据能够轻松的以图形的形式输出。
（６）ＡＤＶＩＳＯＲ
由美国国家可回收能源实验室（ＮＲＥＬ）开发的先进汽车仿真器代表了目前最好的混合动力电动汽车开发工具【３９１，像Ｖ－Ｅｌｐｈ一样，ＡＤＶＩＳＯＲ的代码也是基
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于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ可视化模块示意图编程环境。该软件具有很大的灵活性，可以对任何类型的混合动力电动汽车或内燃机汽车进行建模。
与前面提到的许多仿真软件一样，ＡＤＶＩＳＯＲ能利用各种各样经典或标准的驱动循环作为输入。它能预测燃油经济性、排放性能、加速和爬坡性能，绘制或数据显示任何中间和最后结果。ＡＤＶＩＳＯＲ的另一个特别方便的特点就是它具有精心改进的图形用户界面，允许使用者轻松的从列表框或预定义的库中选择车辆、可互换的部件、驱动循环。最后，部件和控制策略可在ＭＡＴＬＡＢ环境下运行用以确定特定布置下的理想的操作状况。
除此之外，混合动力电动汽车仿真软件还有美国Ｍｉｃｈｉｇａｎ大学开发的ＨＥ－ＶＥＳＩＭ、美国Ａｒｇｏｎ国家实验室开发的ＰＳＡＴ、荷兰ＴＮＯ公司开发的ＡＤＶＡＮＣＥ、意大利比萨大学和意大利国家能源与环境总局联合开发的Ｈｙ—Ｓｉｍ以及法国国家交通与安全研究院开发的ＶＥＨＬＩＢ等。
目前对混合动力电动汽车的仿真有两种基本方法，即后向仿真和前向仿真【删分别如图３－Ｉ和３－２所示。我们把从动力装置到车轮的动力传递的方向称为正向，顺着这个方向称为“正向”或“前向”，把其逆方向称为“反向”或“后向＂。
图３－Ｉ后向仿真流程图
图３—２前向仿真流程图
后向仿真模型以目标车速（如标准行驶循环试验工况）作为输入，计算驱动系统中需要产生多大的扭矩、转速和功率，信息流沿着驱动系统从车轮到驱
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动桥到变速器如此往上沿着驱动系统向后传播。前向仿真模型包含驾驶员模型，可以模拟驾驶员感觉车速作出加速或制动的操作，在驱动系统中产生扭矩，并沿着驱动系统向前传播至车轮。前向仿真模型可以用于控制系统的设计，而后向仿真模型主要用于整车性能仿真分析。前向仿真与汽车的实际工作情况相一致，基于前向仿真模型可以建立起控制系统的硬件在环仿真环境ｆ４ｌ】。
本章采用前向仿真建模法，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境下，建立了混合动力系统以及车辆纵向动力学、传动系、发动机、车辆控制器、驾驶员等模型，为研究混合动力系统初步搭建了仿真平台。
３．２四轮驱动ＨＥＶ的车辆动力学模型
３．２．１车轮模型
四轮驱动ＨＥＶ的轮胎模型根据传动系和电机传递到车轮上的力矩计算轮胎力。如图３－３所示模型的输入包括从发动机经传动系传递至前轮的驱动力矩％．Ｑｈ）、从电机传递至后轮的驱动力矩瓦（Ｎｍ）、前后轮制动力矩％一，、％，，（Ｎｍ）和车辆行驶速度“。（ｍ／ｓ），输出轮胎切向力Ｃ一，、巧一，∞、轮胎垂直力ｅ一，、Ｃ一，（№以及车轮角速度鸭（ｒｍｉ／ｓ）。
‘
－％叶
％。
－
一，?车轮％ｏ
●
一ｒｏ，
●哆
图３．３车轮模型示意
一般地在力矩ｚ作用下车轮与地面产生相互作用【４２１，车轮对地面作用圆周力Ｆｏ的同时，地面对车轮产生反作用力ｅ，，为驱动力矩时Ｃ与车轮前进方向一致，否则相反，如图３４所示。
４１
，．
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Ｉ
ｉ
图３４车轮受力分析
则：互：一Ｔ，（３—１）
上式中，－为车轮半径。前轮的输入力矩为‰．和瓦一，，后轮的输入力矩为乙和％，，所以四轮驱动ＨＥＶ前后轮的地面切向力分别为：
｝至
Ｃ＝‰。一％一，，（３－２）瓦一瓦，，根据汽车理论‘１３１，前后轮的垂直力ｅ可表示为：Ｃｊ＝足√名．叱Ｌ叫（３．３）＋‘■嗍甚￡矗￡甓等如一出玩～办
瞄口Ｓ一足』
名＝Ｇ６一三．璺ｎ口（３４）＝Ｇ似怄“旺口一三
＝啷Ｓ口＋％～￡艮一三．ｇｎ口Ｌ，，ｌ一２
ＩＩＬ，１—２枷彬即伽衫叫．２，（３．５）
式中，乞为静载时车轮的垂直力，Ｌ表示空气升力（ｃ０、ｃ０分别是车身的前后
４２
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空气升力系数）?
车轮的切向力Ｃ与车轮垂直力Ｅ的比值被定义为车轮的附着率∥例：则：
』竹～一，胆一，Ｉ以＝Ｅ，／只，
线我们利用插值方法由附着率∥计算滑移率ｓ。
／，（３－６）文献【４３Ｊ还表明路面的附着率和滑移率的关系用图３．５表示，根据该图中的曲
董。
历．ｏ“
，
Ｊ／／，７／‘二≯ｒ／／
’ｏ＾
Ａｄｈｅｎｓｌｏｎｒａｔｅ
图３．５干燥路面的附着率．滑移率曲线
根据汽车理论，滑移率∥被定义为汽车行驶速度“，和车轮角速度ｑ的函数。表达式如下：
～ｑ‘，一哆∥２—Ｌ—一蚱（３．７）贝｜Ｊ：ｑ＝争（１＋∥）（３—８）根据以上理论可以建立ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真模型如图３－６和３－７。
图３－６车轮模型ＳＩＭＵＬＩＮＫ框图
４３
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图３—７前轮模型
３．２．２纵向行驶动力学模型
汽车纵向行驶动力学模型的建立基础是第二章已经介绍过的汽车驱动力行驶阻力平衡方程．它与传统汽车的行驶方程式一样，可用下式表示［叫：
ｆ＝∑，＝‘＋‘＋Ｆ＋巧
式中：ｆ＝ｆ一，＋ｆ一，
，，＝ｆＧＧＯＳａ（３?９）
，是滚动阻力系数，它是车速的函数，对轿车其近似计算表达式如下
，２五＋』（惫）＋正（蔷４
其中：工、＾、正——系数，主要与轮胎车身特性有关
兄＝；。纠＝镣
Ｅ＝６’ｓｉｎａ
‘巧ｍ等卸…
式中．占为汽车旋转质量换算系数。
方程变形后：
Ｆｒ＝Ｆ｝一Ｆｆ—Ｆ。一Ｆ。＝８?ｍ－ａ
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ｄ：—Ｆ，－Ｆ，－—Ｆ－Ｆ，（３－１０）ＤⅢ
根据以上方程可以建立汽车行驶动力学模型如图３－８和３－９。模型的输入为地面切向力Ｆ，道路的坡度ｒ（坡角口４），输出为汽车的行驶速度蚱（ｍ／ｓ）ａ
只
瑾—寸ｉ卜“，—叫圈３－８汽车行驶动力学ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真模型Ｉ
图３－９汽车行驶动力学模型示意
３．３四轮驱动眦ｖ的子系统建横
３．３．１驾驶员模型
驾驶员模型就是一个踏板模型，根据实际情况可能是加速踏板也可能是制动踏板，其实质就是一个车速控制器，使车速达到期望车速，如图３—１０，模型中采用一个ＰＩＤ控制嚣，根据输入的来自道路循环行驶工况的期望车速‰与来
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自汽车动力学模型输出反馈的实际车速％计算出需求力矩％，并将信号传递给车辆控制器【４５１。
ｕｄ
图３－１０驾驶员模型示意
Ｃｏｎｓｔａｎｔ
图３－ｉｌ驾驶员模型ＳＩＭＵＬＩＮＫ框图
３．３．２车辆控制器模型
车辆控制器（ＶＣＵ）一方面接受驾驶员的操作指令，另一方面实时检测整车运行状态，根据预设的控制规则，计算并输出指令控制各子系统执行相应的操作【４５，４６，４７１。具体的输入参数包括踏板信号、发动机转速、发动机力矩、发动机温度、电机转速、电机力矩、电池ＳＯｔ；、电池温度、电池电流、离合器状态、变速器档位、车速等，输出信号为发动机指令、电机指令、电池指令、离合器指令、变速器指令等。
模型中车辆控制器采用了基本的静态逻辑门限控制，首先由一个力矩分配器来判断发动机和电机的力矩需求，然后由车辆控制器模型根据发动机和电机力矩需求和动力部件运行状态，判断汽车处于驱动、制动或停车模式，并根据控制规则向各个动力部件发出指令。图３一１２为车辆控制器的ＳＩ姗ＬＩＮＫ顶层模块框图，表３－１是所用逻辑门限控制策略所涉及参数。
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图３—１２车辆控制器ＳＩＭＵＬＩＮＫ顶层模块框图表３－１静态逻辑门限控制策略参数说明
参数名
ｖｅｈ＿ｓｐｄ
单位
ｍ／ｓｍ／ｓＮｍＮｍＮⅢⅣｍ＿ｖ卅ⅣｍＮｍ
说明
车速
ｖｅｈ＿ｓＭ．。
Ｔｒｅｑ
车速限值，低于该车速春电动行使
整车需求力矩电机最大力矩发动机需求力矩电机需求力矩发动机工作力矩电机工作力矩发电机工作力矩发动机最大力矩
车速限值，低于该车速认为汽车静止
电池荷电状态
ＳＯＣ工作区Ｆ限值
‘坤
ｅｎｇ＿ｔｒｑ嘲ｍｃ＿ｔｒｑ呷
∞啪
ｍｃ＿ｔｒｑ
ｇｅｎ＿ｔｒ｛ｑ
Ｎ
ｍ
啪一ｓｐｄ．，
ＳＯＣＳ０ｃｈｈ
ｍ／ｊ
ｎａｔ＿值限上矩力作工机动发
第三章基Ｔ－ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬｌＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＶ建模
ｓＤｃｏ帅一
一
Ｎｍ
ＮⅢ
ｍ／ｓ
ＮｍＳＯＣ】二作区上限值ＳＯＣ限值?低于该值时提醒对电池充电ＳＯＣ…。ｅｎｇｔｒａｅｎｇｔｍｌｍ发动机工作力矩下限值速度增量限值力矩增量限值ｄＫ…ｄＴｒｅｑ
１力矩分配器
模型中发动机需求力矩和电机需求力矩由一个单独的分配器模型（圈３－１３）完成，力矩分配器根据驾驶员模型产生的总的力矩需求和动力部件运行状态判断发动机的力矩需求和电机的力矩需求。其计算规ⅢⅡ如下：
囤３一１３力矩分配器模型框图
１
ｍｃ如果：ｖｅｈｓｐｄ＜ｖｅｈ＿ｓｐｄ血－且Ｔｒｅｑ‘也删，则；ｅｎｇ．ｔｒｑ咖＝ｏ?ｌｉ＇ｑ嘲＝Ｔ＿ｒｅｑ。
２如果：ｖｅｈｓｐｄ＜ｖｅｈ＿ｓｐｄｍ，且Ｔ—ｆｅｑ）Ｔ叩哪ｔ则；ｅｎｇ＿ｔｒｑ州可ｋ屯．吣
ｓｐｄ≥ｖｅｈ＿ｓｐｄ疵，且Ｔ—嘲町矗ｍ，则：ｅｎｇ＿ｔｒｑ喁＝Ｔｒｅｑ，ｍｃｔｒｑ＿墨，－３如果：ｖｅｈ
ｍｃｔｒｑ。卸
４
５如果：Ｔｊｅｑ＞１：％ＪⅢ，则：ｅｎｇｔｒｑ嘲２Ｔ：＿叫，ｍｅ＿ｔｒｑ嘲＿Ｔ—ｒｅｑ’１二ｕ皿。如果：ｄＶ＞ｄＶｉ。ｂ，，且ＴＪｃｑ嘎哪十∞ｇ－廿ｑ＿ｐｒｃ，则：ｍｅ＿ｔｒｑ哟－１ｔ咐ｅｎｇ＿ａ－ｑ。２￡四－‘。
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６．如果：ｄＴｒｅｑ＜Ｏ，则：ｍｃ＿ｔｒｑ嘲－－ｍａｘ（Ｏ，ｍｃ＿ｔｒｑ”＋ｄＴｒｅｃ０，ｅｎｇ＿ｔｒｑ嘲＿１＇．ｒｅｑ．ｍｃ姗嘲
２．工作模式的判断。如前所述，四轮驱动混合动力汽车有三种工作模式，即驱动、制动和停车。模型中根据驾驶员模型输出的总需求力矩％以及车辆动力学模型输出的车速蚱判断。
表３－２工作模式判断规则
条件工作模式判断
驱动
制动
停车‰＞０Ｚ。≤０＆ｖｅｈ—ｓｐｄ＞ｖｅｈ—ｓｐ谚咖Ｚ。≤０＆ｖｅｈ—ｓｐｄ≤ｖｅｈ—ｓｐｄ，ｗｏ
３．驱动模式动力部件运行状态的控制规则
驱动模式下总的控制原则是尽量使发动机工作于稳定高效状态。起步或低速行驶时尽量用电机驱动，否则发动机和发电机同时工作。力矩需求的变化尽量用电机补偿，以保持发动机工作状态的稳定。高负荷下，发动机和电机同时工作。
１．如果：ｅｎｇ＿ｔｒｑ，田＞ｅｎｇ＿ｔｒｑ＿ｈｍ或ｍｃ姻瑚瑚＆ｅｎｇ＿ｔｒｑ，鹎－－＝０，且ＳＯＣ＞ＳＯＣ姗妞，则：发动机和电机协同驱动，ｅｎｇ＿＿ｔｒｑ＝ｅｎｇ＿ｔｒｑ嘲，ｍｃ＿ｔｒｑ－－ｍｃ＿ｔｒｑＩｅｑ。
２．如果：ｅｎｇｔｒｑ嘲＜ｅｎｇ＿ｔｒｑ＿ｈｍ，髓ｇ．仃ｑ嘲—司，Ｊ王．ｍｅ＿ｔｒｑｆｅｑ—旬，则：
ｌａ＇ｑ，ｍ，ｍｅｔｒｑ＝０。发动机驱动，ｅｎｇ＿ｔｒｑ＝ｅｎｇ
３．如果：朗ｇ＿姗瑚剐，ＳＯＣ＞ＳＯＣｂ，，胁，且ｖｅｈ．＿ｓｐｄ＜ｖｅｈ＿ｓｐｄ晌，则：纯电动驱动（电机驱动），ｅｎｇｔｒｑｒｅｑ＝０，ｍｃ＿ｔｒｑ－－ｍｃ＿ｔｒｑ嘲。
４．如果：ＳＯＣ＜＝ＳＯＣｌｏｗ陆，则：发动机和发电机工作，ｍｃ＿＿ｔｒｑ＝０，ｅｎｇ＿ｔｒｑ＝Ｔ＿ｒｅｑ＋ｇｅｎ＿ｔｒｑ。
５．如果：ＳＯＣ＜ＳＯＣｈ裥，ＳＯＣ＞ＳＯＣｈ，妇，ｅｎｇ＿ｔｒｑｍ＜ｅｎｇ＿ｔｒｑ＿ｌｍ，且ｅｎｇ＿ｔｒｑ嗍－－－－０＆ｍｃ＿＿ｔｒｑＴｅｑ创，则：发动机和发电机工作，ｅｎｇ＿ｔｒｑ＝Ｔ＿ｒｅｑ＋ｇｅｎ＿ｔｒｑ，ｍｃ＿ｔｒｑ＝０。
４．制动模式动力部件运行状态的控制规则
四轮驱动混合动力汽车制动时同样可以进行制动能回收。当进行制动能回收时，电机工作以发电机模式工作，给动力电池充电。但只有在电池ＳＯＣ未超出其上限值时才可以回收制动能。
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１．如果：ａｂｓ（Ｔ，，ｑ）＜乙一一＆ＳＯＣ＜ＳＯＣｈ恸一岫，则：再生制动，ｍｅ．＿ｔｒｑ＝％。２．如果：ｓｏｃ＞＝ｓｏｃｋ，一触，则：摩擦制动
３．如果：ａｂｓ（Ｔ删）＞乙一娜＆ＳＯＣ＜ＳＯＣｈ动一硒，则：再生制动加摩擦制动，
ｍｃ＿ｔｒｑ＝Ｔ．一嘲
３．３．３发动机模型
发动机是四轮驱动混合动力汽车主要动力源，模型的准确性直接影响整车的动力性、经济性和排放水平。发动机由于自身特性的显著非线性，真是模型相当复杂。目前常用的发动机建模方法有实验建模法和理论建模法【３２＇４１１。
理论建模法基于理论分析，利用流体力学、动力学、热力学和化学等对发动机的进气、喷油、燃烧、冷却等过程以及发动机的各个部件进行详细数学描述，建立发动机的空气和燃油流量方程、各运动部件的运动方程、能量流动方程。理论模型能够较好的反映发动机的动态特性和瞬态特性，而且具有很强的通用性，只要简单的改变该动机的几何参数就可以对不同的发动机进行仿真。但发动机的复杂性是发动机模型的解析式非常庞大复杂，难以解耦求解，计算机的计算速度也会很慢，对模型所作的诸多假设条件又会降低模型的精度。而且理论模型所需要的大量参数常常难以获得。实验建模法利用发动机的实验数据，如不同节气门开度下的转速、转矩、燃油消耗量和排放的数据等，建立数据表，通过查表插值求解，这种模型可以精确的表示发动机的稳态特性。这种建模方法简单方便有效，模型所需要的数据可以通过发动机性能测试实验获取，但这种模型部能够反映发动机的瞬态特性和动态特性，而且不具有通用性，其模型只能针对一台发动机，不能用于其它型号发动机。本文的发动机模型采用实验模型。
实验模型实质上就是发动机特性模型。混合动力汽车的发动机模型要求根据踏板信号和转速信号计算发动机的力矩、功率、油耗和排放。
发动机的转矩乙。、功率￡、燃油消耗率６和比排放ｇ是发动机转速力和油门开度，，的函数。表达式为：
‰＝石（咒，厂）
只＝五（靠，ｙ）（３－１１）（３—１２）
（３．１３）ｂ＝石（力，，，）
５０
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动｝ｍｖ建模
ｇ＝正ｆＨ，，）（３—１４）
对某一发动机通过实验测得不同转速啊和油门开度ｎ下的发动机转矩，建立转矩对转速和油门开度的Ｂｔａｐ图，上面的函数＿（）可以通过查表的方法插值求解㈣。图３－１４和３，１５为扭矩特性图。；窿
遘‘囊霉酴Ｉ：；≮；燮攀鬻ｔ”。自＂≈＿Ｍ
图３—１５发动扭矩三维插值圈Ｗ＊ｍ＿?ｍ１）
发动机的功率与扭矩和转速的关系用下式表示：
￡＝％－ｎ（３－１５）
因而根据实验测得的转矩我们可以求得不同转速ｎＩ和油门开度＾下的发动机的功率，建立其ｍａｐ图，函数正（●同样可以通过查表的方法插值求解。图３．１６和３－１７为发动机功率的转速特性。
此外貌们还应测得对应转速和油门开度下发动机的比油耗和比摔放．根据正。＝＾（％ｒ）＊ｎｂ＝＾（以力、ｇ＝工（Ｈ，，）我们可以建立燃油消耗率６和比捧放ｇ与发动机的转矩Ｚ。和发动机转速ｎ之间的关系，印发动机的万有特性和捧放特
第三章基丁ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＶ建模
性。利用发动机的万有特性和排放特性可以插值求解某一转运和扭雉ｒ发动机的比油耗和比排放，用关系式表达为：
ｆｂ＝＾（￡，月）
１９＝＾２（１，月）
油耗Ｑ通过下式计算：∞㈣
（３—１７）Ｑ＝ｐ出＝∑气?Ａｔｉ
排放４。埘Ⅲ（ｅｒａｉｓｓｉｏｎ分别为ＣＯ，ＨＣ，ＮＯ，）用下式计算：
厶№＝』舫＝∑邑Ａｔｋ（３－１８）
图３－１７发动机功率三维插值图
如果考虑温度的影响，发动机冷启动时的油耗和排放要高于热机工作的油耗和排放，可引入温度校正，ＡＤＶＩＳＯＲ提供的经验公式为：
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＶ建模
州ｍ形档ｎ
ＡＤＶＩＳＯＲ中取值如表３－３：
表３－３Ｃ和Ｐ系数的取值
Ｃ‰镏（１＋ｃ?（翳ｎｅ协㈣式中，‰和ｇ。跹表示发动机冷机的油耗和排放，Ｚ为发动机冷却剂温度，互掰为发动机冷却剂设定温度，一般为９５＋５Ｃ。。Ｃ和ｅ取值都为常量系数，
燃油消耗
Ｃｏ
ＨｃＯ．１（１）２．１３（９．４）８．０５（７．４）
Ｏ．５１（０．６）
５．１４０．６５（３．１）４．２６（３．２１）９．４６（３．０７２）１－３７（７．３）１７．０４ＮＯｘＰＭ
?注：表中括号内数据为其他研究者提出的修正系数，该系数的提出假设互耐
为９５Ｃ。。
在ＡＤＶＩＳＯＲ中还提供了另一种温度修正公式：
小㈣。呲考毫
小㈣．呲者菪
式中，％一训为发动机冷机温度Ｃ。。
带走的热能，根据发动机体的质量和热容，可以计算其温度。根据以上函数关系可以建立发动机模型，如图３．１８和３．１９所示。。㈣发动机冷却水温度的计算基于发动机热模型，需要建立发动机部件的热传递方程，发动机温升吸收的热能为燃烧产生的热能减去发动机做功和为其排放
第三章基丁ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＶ建模
ｒ———————————一Ｌ—一‘
一发动机［二４坫抽Ｉ．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．一
圈３一１８发动机模型示意“
图３一１９发动机模型顶层框图
３．３．４电机模型
电机建模也有实验建模和理论建模两种方法。理论模型要求根据力学、电磁学等理论建立电机的转矩方程、电压方程、电流方程、功率方程、功率因素和效率方程等，以完整的描述电机的工作特性，建立其模型。实验建模法忽略电机的内部因素，直接通过实验数据建立电机特性的ｍａｐ图，查表求解。电机模型实质上反映的是电机和电机控制器组成的系统特性，同时在本文研究的四轮驱动混合动力汽车上，电机要求同时具有电动机和发电机功能，电机模型应当能够满足两种运行模式的仿真需要。
与发动机建模类似，本文的电机建模也采用实验建模法，根据电机转矩控制指令‘咐和后轮转速（电机转速）一，，计算电机实际输出转矩Ｌ－
电机的输出转矩‘受其最大输出转矩０唧限制，ｔ哪是电机转速一，的函数‘地ｏｌ，即：
‘胁＝，（～）
ｔ（３－２１）。『ｍｉｎ（‘一，呵，‘一。），ｔ≥ｏ２１ｍ“（ｔ。已～）孙ｏ（３—２２）
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＶ建模
由此我们可以计算电机的输出功率己和输入功率己加（即电池的输出功率），计算式如下：
己＝乙‘‰’蠢（３－２３）
己一细＝｛箍茹
时的效率。仔２４，式中，％为电机工作于发电机模式时的效率，’ｋ为电机工作于发电机模式
电机效率‰或玎倒是电机转矩Ｌ和转速玎，的函数，通过电机性能试验，测量电机在不同转矩和转速下的效率，可以建立三维插值函数，表达式为（３－２５），图３－２０和３－２１是模型中所用电机的效率特性。
‰％）＝ｇ（乙，‰）（３—２５）
图３－２０效率特性图
图３—２ｌ电机效率三维插值图５５
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式冈轮驱动ＨＥＶ建模
根据以上数学关系可以建立起电机模型．如图３—２２和３—２３。冲
图３—２２电机模型示意
图３—２３电机模型ＳＩｈ（ＵＬＩＮＫ框图
３．３．５动力电池模型
动力电池的充放电过程是一个受多因素影响的复杂非线性过程。由于热动力效应或量子效应的影响会导致不同载荷Ｆ电压变化率的变化，理论模型很难模拟这种效应，所以大多数动力电池模型都是基于实验数据的经验模型或半经验模型，例如Ｐｅｕｋｅｒｔ方程、Ｓｈｅｐｈｅｒｄ模型和基于神经网络的电池模型等。Ｐｅｕｋｅｒｔ方程和Ｓｈｅｐｈｅｒｄ模型都没有考虑电池工作过程中温度变化的影响，因而模拟结果与实验数据间的误差较大。基于神经网络的电池模型将电池及其管理系统视为一个黑箱，完全基于实测数据，能够较好的模拟电池的工作过程，但这种模型中可观测的参数较少．不便于对模型参数监测分析，且模型运算量大，求解速度低。
动力电池的建模基础是如何描述电池的电动势Ｅ、内阻凡．的特性函数，目前特性函数的确定一般是基于对凡随电池荷电状态ＳＯＣ变化关系的实验测试
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＶ建模
结果【３２】。其等效电路如图３—２４。
％
图３－２４电池等效电路图
目前比较常见的动力电池模型便是基于上述电路图的内阻模型，通过试验确定电池的内阻和电压特性，建立插值函数，同时根据车辆控制器发出的电池功率指令只埘和电池荷电状态?如Ｃ计算电池的内阻、电压、电流和下一时刻ＳＯＣ。
研究表明电池的内阻民和开路电压虬是主要由电池荷电状态决定ｆ４８删，用函数关系是可表示为（３—２６）式，该函数为通过实验数据建立的插值函数。
』氐＝ｆ，（ｓｏｃ，乃（３－２６）【虬＝五（ｓｏｃ，ｒ）
电池的电流Ｌ可以根据咒一嗍、凡和虬计算，表达式如下：
１４＝眈一属瓦２?凡（３－２７）
同时对于充电过程而言，电池的端电压不超过电池允许的最大限值‰，因此，相应的其电流不能超过最大电流值，姒：
ｋ：—Ｕａｉ－Ｕ—ｒｍｘ（３—２８）
同时为了下一时刻的仿真计算，动力电池模型还应该输出每一仿真时刻末电池的ＳＯＣ，电池的ＳＯＣ采用安时累计法计算［３５，５１】，计算式为３－２９，应当注意的是当电池处于充电状态时，表达式中鲒修正为，７纰，，７为电池的效率：
脱堋ｃｏ一老瑚ｃｏ一苦＠２＂
电池组温度Ｔ（Ｋ）由电池热力学模型模拟计算，热力学模型主要考虑内阻损耗发热以及电池组的热传导和对流散热对电池工作温度的影响。当电池温
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动ＨＥＹ建模
度大于最大限值时，需要通过风扇进行强制通风冷却。令电池组因功率损耗而产生的热量为既一加（Ｊ）、电池组通过箱体的散热量为Ｑ鲫一州（Ｊ），则丁的表达式为：
（３－３０）丁＝睁
线一叫＝苛式中，‰、％分别为电池组的质量（姆）和比热容（，?（堙?足）＿１）电池组因功率损耗而产生的热量为如加通过下式计算：级一如＝般茹。嘞Ⅷ电池组通过箱体的散热量为Ｑ０刎用下式计算：协３，，
＠３２）
式中，乙电池箱内空气温度（Ｋ），如为电池模块的等效热阻，它们的计算式如下：
毫如ｕ睁●一心—％弓
式中，‰为电池箱外空气温度（Ｋ），吃扣为电池箱空气流量速度（姆／ｓ），ｃ。。加为空气的热容量（Ｊ．（培．Ｋ）１），Ｉｊｌ为空气的导热系数，旯为电池模块的导热系数，ｔ为电池箱厚度（ｍ）４为电池模块总的表面积（朋２）。
至此，由以上函数关系可以建立完整的动力电池模型，如图３－２５和３－２６所示，需要说明的是图示电池模型也是本人论文工作中所采用的模型暂时没有考虑温度影响因素，设定温度为定值（２０Ｃ。）
虬
忍一。口电池ｌ。
．＆℃
图３－２５动力电池模型示意
第三章基于ＭＡＴＬＡＢ／￥１ＭＵＬＩＮＫ并联式四轮驱动眦ｖ建模
图３—２６动力电池模型ＳＩＷＵＬＩＮＫ框图
３．４本章小结
本章介绍了混合动力汽车的仿真技术现状，基于ｌＩａｔｌａｂ／ｓｌ叫ｌｉｎｋ建立了四轮驱动混合动力汽车的前向仿真模型。
首先分析了四轮驱动ＨＥＹ的纵向动力学，在数学描述的基础上建立包括车轮模型和行驶动力学模型的车辆纵向动力学模型。接着分析了个子系统模型的功能以及各模型的基本数学方程，在此基础上建立了驾驶员模型、车辆控制器模型、发动机模型、电机模型和动力电池模型，并最终建立了整车模型．搭建了整车性能仿真试验研究的基础平台。
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
上一章研究了四轮驱动混合动力汽车及其子系统工作特性的数学描述及其模型特征，并据此应用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩ删ＬＩＮＫ建立了整车的前向仿真模型（图４—１）。本章将利用这一模型对整车性能进行仿真分析。
４．１四轮驱动ＨＥＶ整车性能的仿真方法
汽车整车性能包括动力性、经济性、制动特性、操纵稳定性、平顺性、排放特性、噪声特性等。对混合动力汽车的整车性能的评价也应包括上述传统汽车的性能。但仅仅一个仿真模型不可能评价所有的性能指标。
混合动力系统的主要目标是希望通过油电混合降低汽车油耗，提高整车能量效率，改善汽车排放，以缓解能源危机和环境污染问题，所以油耗特性和排放特性是我们首先应该分析的性能，这两个特性主要体现了汽车主要动力源发动机的工作特性。同时还应当考察电机和电池的工作特性特别是效率特性，以判断混合动力系统各个动力部件是否工作在较好状态以保证能量效率，整车匹配是否合理。良好的动力性能是汽车必须的基本性能，混合动力系统也应该在这方面体现好的特性。
综上所述，四轮驱动混合动力汽车的燃油经济性、排放特性、动力性以及发动机、电机和动力电池的工作特性被选为仿真的观察参数。对混合动力汽车性能的仿真一般是让汽车按照一定的标准道路循环行驶，观测汽车在标准循环下的整车性能参数，本文基于已经建立的仿真模型，针对ＥＣＥ＿ＥＵＤＣ道路循环行驶工况和汽车原地起步加速工况进行仿真，观察整车性能。
该仿真平台上只是建立了一个仿真环境，还不能像ＡＤＶＩＳＯＲ和其他软件那样具有方便的参数修改界面和较好的程序通用性。为了获得各子系统的参数，我们将其分别编辑为Ｍ文件，如ＨＥＶ＿Ｖ阴．Ｍ存放整车参数，ＨＥＶ—ＷＨ．Ｍ存放车轮参数，ＨＥＶ—ＦＣ．Ｍ存放发动机参数，ＨＥＶ＿ＭＣ存放电机及其控制器数据，ＭＨＥＶＥＳＳ．Ｍ存放电池参数等。道路行驶循环工况的数据存放在ＭＡＴ文件中，并通过一个Ｍ文件调用处理后形成仿真所需要的道路行驶循环工况。为了方便仿真，再建立
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
一个ＨＥＶ—ＳＩＭ—Ｍ文件，该文件的功能是执行各个子系统的Ｍ文件获得仿真必须的参数，仿真中首先执行ＨＥＶ＿ＳＩＭ＿Ｍ文件，然后ＳＩＭＵＬＩＮＫ模型开始仿真计算。如果要修改仿真参数，就必须修改相应的Ｍ文件。
ＶＩＥｈｉｏｌｅＤｙｎａｍｉｃ
图４－１四轮驱动ＨＥＶ的ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真模型
４．２四轮驱动ＨＥＶ经济性、排放性和动力部件运行特性仿真
四轮驱动ＨＥＶ的经济性和排放性仿真的基本原理是将车辆的行驶过程离散成若干小过程，对每个小过程认为车辆的行驶工况不变，根据每个小过程发动机的运行状况求出该过程中发动机的燃油消耗和排放，再将这些离散后的小过程中的燃油消耗或排放相加，从而得到整个过程的油耗或排放【５２￣５７１。根据行驶里程可以将油耗换算为反映汽车燃油经济性能的指标百公里油耗。
假设每一离散过程中汽车的发动机单位时间燃油消耗量为疏删（ｇ／ｓ），单位时间排放量为廊删嫱拥（ｇｌｓ），廊删和噍砌蛔通过发动机万有特性和排放特性插值函数计算，则一个行驶循环中汽车的油耗Ｑ删和排放Ｑ伽缸如用下式计算：
一｛艺％二泐斑
６ｌ㈤?，为了对整车的燃油经济性和排放特性进行仿真，仿真中使汽车按照ＥＣＥ＿ＥＵＤＣ道路循环行驶工况行驶，ＥＣＥ＿ＥＵＤＣ由ＥＣＥｌ５城市工况和ＥＵＤＣ城郊循环工况两部分组成，这是目前我国测试轿车燃油经济性和排放性能的主要循环工况。假设电池的初始ＳＯＣ为０．８。图４－２为ＥＣＥ—ＥＵＤＣ循环工况和仿真过程中
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
实际车速，该图表明汽车实际速度很好地跟随了期望速度，因而模型建立及其参数的设置比较合理。整车燃油经济性和排放特性的仿真结果见表４－１，表４—２为欧洲乘用车尾气排放标准（ＥＣＥ。。＋ＥＵＤＣ工况），比较两表，可以看出，四轮驱动混合动力汽车在提高了整车经济性的同时，排放大大减少，达到了很好的排
ｔｉｍｅ（ｇ）
图４—２循环工况和实际汽车速度响应对比关系（ＥＣＥ—ＥＵＤＣ）
表４—１ＥＣＥ＿ＥＵＤＣ循环工况下仿真结果
仿真对象
仿真结果油耗ｌ／ｌＯＯｋｍ７．１ＣＯ（ｇ／ｋｍ）０．７８５ＨＣ（ｇ／／ｏｎ）０．０８７ＮＯ．（ｇ／ｈｎ）０．１４３
表４－２欧洲乘用车尾气排放标准（ＥＣＥ。。＋ＥＵＤＣ工况）
ＥＵＥｍｉｓｓｉｏｎＳｔａｎｄａｒｄｓｆｏｒＰａｓｓｅｎｇｅｒＣａｒｓ（ＣａｔｅｇｏｒｙＭ１搴），ｇ／ｋｍ
Ｐｅｔｒｏｌ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ）
Ｔｉｅｒ
ＥｕｒｏＩｔ
Ｅｕｒｏ２
Ｅｕｒｏ３
Ｅｕｒｏ４Ｄａｔｅ１９９２．０７１９９６．０１２０００．０１２００５．０ｌ
ｏｖｅｒＣＯ—ＨＣＨＣ＋ＮＯｘ－Ｎ０ｘＰＭ２．７２（３．１６）２．２２．３０１．０Ｏ．２００．１００．９７（ｉ．１３）０．５０．１Ｓ０．０８’Ｅｘｃｌｕｄｉｎｇｃ沼ｌ－ｓ２，５００ｋｇ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔＮｔｃａｔｅｇｏｒｙｓｔａｎｄａｒｄｓ
ｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔＶａｌｕｅｓＩｎｂｒａｃｋｅｔｓ
ａ－ｕｎｔｉｌａｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ（ＣＯＰ）ｌｉｍｉｔｓ．１９９９．０９．３０（ａｆｔｅｒｔｈａｔｄａｔｅＤＩｅｎｇｉｎｅｓｍｕｓｔｍｅｅｔｔｈｅＩＤＩｌｉｍｉｔｓ）
图４—３是仿真过程中各时刻‰，图４—４至图４－６为各个时刻的，ｆｌ。蛔椭，图４—７是仿真过程中发动机转速时间历程，图４－８时仿真中发动机扭矩时间历程，图４－９显示了仿真过程中发动机工作点的分布情况。从图中可以看出，发动机主要工作在中等负荷区域，有效避开了油耗和排放恶劣区，但并没有能够真正工作在最佳燃油经济性区域。
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
崔
量
歪
：６ｈ向６『］一｜｜｜６ｈ九ｏ４，１仙Ｊ州．；
图４－４单位时间ＣＯ排放量时间历程
莒苫。Ｈ
图４－５单位时间月Ｃ排放量时间历程
ｔ‘ｍ?（?）
图４－６单位时间崛排放量时间历程
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
ｕｎｌ●（Ｉ）
图４～ＥＣＥ—ＥＵＤＣ循环下发动机转速时间历程
蚕喜
ｔ－ｒｒ－ｅ（日》
图４－８ＥＣＥ—ＥＵＤＣ循环下发动机扭矩时间历程
霎苔
蓦
喜
．五
Ｅｎ９ｎｅｓｐｅｅａ‘ｒｐ叮ｎＪ
图４－９发动机工作点分布
图４一１０为仿真过程中电机扭矩输出时间历程，图４－１ｌ是电机转速时间历程，图４一１２是仿真过程中电机的工作效率时间历程，图４－１３显示了仿真过程中电机工作点的分布情况，图４－１４则反应了整个仿真过程中电机各个工作效率段所占的时间比例。从图中可以看出电机主要工作在中高负荷区域，也就是电机的高效率工作区。
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
图４－１０电机扭矩时间历程
图４－１１电机转速时间历程
图４－１２电机效率时问历程图４－１３电机工作点分布情况
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
图４－１４电机各效率段占总时间的比例
图４－１５显示了仿真过程中电池ＳＯＣ的变化情况，在整个仿真过程中，ＳＯＣ呈现出合理的波动，但仿真结束时ＳＯＣ有所下降。图４－１６是电池电压时间历程，图４－１７是电池电流时问历程，图４－１８是电池输出功率时间历程（充电时输出为负），图４－１９是电池能量输出累计时间历程，可以看出，整个过程中电池有时候供电，有时候被充电，仿真结束时电池的能量交换为正，相对于初始状态，电池呈现的能量消耗１０００ＫＪ，这与∞Ｃ下降一致。
图４－１５电池ＳＯＣ时间历程
ｔＩｍ?（１）图４－１６工作过程中电池开路电压
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
＂ｔ＇ｌ＂ｌｌ?（１）
图４－１７工作过程中电池电流时间历程
图４一１８电池功率时间历程
图４－１９电池能量交换时间历程
以上是设计车型在ＥＣＥ＿ＥＵＤＣ工况下仿真结果，当在ＥＣＥ、ＥＵＤＣ或１０．１５道路循环行驶工况下对整车性能进行仿真时，其结果呈现出一些差异性，第五章将专门进行道路行驶循环对整车性能影响的研究。
４．３四轮驱动ＨＥＶ动力性能仿真分析
和对传统内燃机汽车的要求一样，四轮驱动混合动力汽车的动力性指标主６７
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
要有三个方面：
１．最高车速矿一，单位砌／Ｊｌ
２．加速时间ｔ，单位Ｊ
３．最大爬坡度ｋ
这些指标的计算方法也跟传统内燃机汽车的动力性计算方法类似，根据第二章的推导，最高车速可用下式计算：Ｐｅ＿ｒａ眠－Ｉ－ｋ＝寺（％≯＋铬）
ｔ：ｒ—立～，ｋＦｔ—Ｆｆ—Ｆ。㈤２，汽车从Ｍ加速Ｎｖ２的时间ｔ用下式计算：（４—３）
最大爬坡度ｋ的计算公式为：ｋ：ｍａ）【（ｔｇ（ａｒｃｓｉｎ（堕坠堕掣坐）））（４－４）根据上述公式所代表的方程即可以计算汽车的动力性。
以下尝试通过仿真模型做一个动力性仿真，我们主要分析汽车０～１００ｋｍ／ｈ的加速性能。观察的参数包括加速时间，速度，加速度。仿真的输入是一个阶跃的速度信号，这是一个理想化的激励。以下是仿真结果及其分析。
譬—霹∞童重
ｔｉｍｅ（ｓ）
图４－２０阶跃速度期望
图４—２０为０＿１００的阶跃速度信号，并考虑到采用踏板后汽车响应的滞后效应，所以仿真中阶跃信号的产生时刻为Ｏ．４Ｊ，图４－２１为实际速度信号。从图中看出，当１１ｓ时刻实际车速达到期望值，这表明０～１００ｋｍ／ｈ加速时间为
第四章并联式四轮驱动ＨＥＶ整车性能仿真分析
１１ｓ。需要指出的是，实际汽车加速时期望速度输入并不是一个阶跃信号，而是要求速度逐渐增加，而且由于驾驶员的操作习惯不同，每一时刻的速度期望也不同，所以实际的加速过程与阶跃的理想输入信号差别较大，因而实车的加速时间会比１ｌＪ长，此外本文所用的变速器模型没有考虑换档时间，实车加速时
＂ｍｅ（ｓ）
图４－２１实际车速
４．４本章小结
本章依据前～章建立的仿真模型主要对四轮驱动混合动力汽车在ＥＣＥＥＵＤＣ道路循环行驶工况下的整车燃油经济性、排放特性、各动力部件运行特性以及整车动力性进行了仿真。结果表明，设计车型呈现出良好的燃油经济性和排放特性，发动机有效避免了在高油耗高排放区域工作。电机主要工作高效率区域。电池基本满足行驶需要，但在仿真始末中呈现较明显的ＳＯＣ下降。研究中发现设计车型在不同的道路循环行驶工况下运行特性和整车性能会有差异，下一章单独讨论这个问题。
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究５．１道路循环行驶工况的意义及其建立方法
汽车在不同道路循环工况下的仿真结果存在差异，甚至差异较大，因而有必要研究道路循环工况对四轮驱动ＨＥＶ整车性能的影响［３７］。道路循环行驶工况是在对实际行驶车辆进行跟踪测试统计的基础上制定的具有统计学意义的典型汽车运行工况。汽车在不同的运行状况下由于其功率和扭矩需求的不同，发动机会处于不同的运行状态，而发动机的油耗和排放水平也会呈现出差异。汽车的这种典型行驶工况主要由地区的交通状况所决定，不是汽车本身的性质，而是对交通状况的反映，是对汽车实际行驶中加速、减速、匀速、怠速以及停车等汽车运行工况在汽车行驶中所占比例，对换档情况、制动情况、加速情况和加速度值，以及最高车速、平均车速等进行的统计处理数理，具有典型性和广泛的代表性，可以用来模拟实际汽车行驶状况。目前各国都制定了一些代表本地区汽车运行状况的典型工况，并以其百公里油耗量来评定相应行驶状况的燃油经济性，也用汽车在这种循环工况下的排放来评价汽车的排放水平。比较典型的有欧洲经济委员会制定的ＥＣＥ—Ｒ．１５循环工况及其与９０ｋｍ／ｈ和１２０ｋｍ／ｈ等速行驶的组合工况、美国的城市循
环工况（ＵＤＤＳ）、美国公路循环工
况（ＨＷＦＥＴ）、曼哈顿城市循环工
况（ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ）和日本的１０．１５
循环工况等。根据统计得到的车辆单次出行里程数据确定采样路段的长度根据城市道路交通信息进行道路分类，分别选取有代表性的采样道路
调查车辆运行条件常用的方
法有三种【５８】：跟车法，随机车辆进行道路试验，采集采样路段上反映车辆运行状态的信息参数
统计法和代表工况统计法。跟车
法指按照一定标准选定一定数量
和类型的试验目标车辆，采用装
有试验仪器的试验车跟踪实际行根据代表路段对交通的贡献率处理数据得到车辆运行条件统计信息构造道路行驶循环曲线图５．１代表工况法调查车辆运行条件的步骤驶的目标车辆的方法，试验近似
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
复制并记录目标车辆的行驶工况，然后对这些数据进行统计分析。随机车辆统计法指随机选取一定数量的目标车辆，将这些车辆的行驶工况全部记录下来，然后对这些数据进行统计分析，为涵盖尽可能多的工况特征以保证统计的准确性，应保证样本数量足够多。代表工况统计法指根据道路交通统计信息对道路进行分类，然后用试验车在不同类别的代表路段上进行车辆行驶工况的数据采集，最后对数据进行统计分析。这三种方法中跟车法和随机车辆统计法需要进行大量的试验工作，得到的结果也具有较高的准确度，代表工况法则试验工作量较少，准确度略低。我校相关研究所曾用代表工况法调查车辆运行条件并构造了上海市区行驶循环曲线。
５．２道路循环行驶工况对整车性能影响研究【５９，６０］
混合动力汽车通过控制发动机工作在低排放低油耗区域以改善汽车油耗排放，在郊县行驶的汽车道路畅通，运行状况一般比较好，而城市工况由于交通拥挤，运行状况恶劣，混合动力汽车的优势便明显的体现出来。所以在已经分析了设计车型在ＥＣＥ＿ＥＵＤＣ循环工况下性能的基础上，用类似的方法仿真分析四轮驱动混合动力汽车在曼哈顿城市工况（ＭＡＮＨＡ，ｒ，ｒＡＮ）下的燃油经济性、排放性能和动力部件运行特性。图５－２是ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ行驶工况图：
垤
伸
－，’Ｉｌ
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ｏ厂叭∽酬ｎ小。刖刚厂ｌ
ｔ－ｍｅ（８）
图５—２ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ道路循环行驶工况
表５—１ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ循环工况下仿真结果
仿真对象油耗ｌ／１００ｋｍ
１０．６ＣＯ（ｇ／１．６３３）ＨＣ（ｇ／ｋｍ）０．３１９ＵＯＡｇ／勋ｎ）０．２５７仿真结果
表５－１是在ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ循环工况下燃油经济性和排放特性仿真结果，相比于ＥＣＥ．ＥＵＤＣ工况，各项指标均急剧变差。图５—３至５－５是发动机转速时间历程，
７ｌ
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
发动机扭矩时间历程，发动机工作点分布情况。可以看到发动机基本工作在中低速和低扭矩区域，也是油耗和排放比较恶劣的区域。
ｔｉｍ－（ｇ，
图５－３ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ循环工况下发动机转速
∞
赫
一
葛
∞
霎喜一
∞
侣
∞
－
ｏ¨ｍ?（１）
图５－４ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ循环工况下发动机扭矩
图５－５ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ循环工况下发动机工作点分布
图５—６至５—１０是电机转速时间历程，扭矩时间历程，效率时间历程，电机工作点分布和电机各工作效率段时间比例。图中可以看出，电机主要工作区域
ｔ－ｍ?‘＿＿ｌ》
图５－６电机转速时间历程
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
善鲁Ｄ鲁暑
图５－７电机扭矩时间历程
廿ｍｅ（ｓ）
图５－８电机效率
ＭｏｔｏｒＳｐｅｅｄ（ｒｐｍ）
图５－９电机工作点分布
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
图５－１０电机各效率段工作时间比例
图５一１１和５—１２分别是电池的ＳＯＣ时间历程和能量交换情况，可以看到在ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ工况下ＳＯＣ一直呈现下家趋势，且幅度很大，仿真终了时其值已经接近下限，整个运行过程电池几乎一直被要求放电。
图５．１ｌ电池ＳＯＣ状态
图５．１２电池的能量交换情况
总之，在ＭＡＨＡＴＴＡＮ循环下，无论是整车油耗和排放，还是发动机和电机等的运行特性都比较差。究其原因是因为良种循环下汽车运行状态的差别，表５—２７４
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
为ＥＣＥ．ＥＵＤＣ和ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ两种道路循环行驶工况的特征差别，图５－１３和图５—１４显示了两种循环工况下，各行驶车速范围所占时间比例。可以看出在曼哈顿工况下，汽车的平均车速和最高车速很低，需求扭矩和功率较小，使所选较大额定功率的发动机工作于低负荷状态。还可以看到在这种工况下，汽车启动停车频繁达到２０次，比ＥＣＦ．一ＥＵＤＣＴ况高出５０％，且怠速时间长，ＥＣＥ—ＥＵＤＣ的怠速时间比例为２７．７％，而在删ＨＡＴ，ｒＡＮ工况下这一比例达到３６．２％，从而加剧了油耗和排放的恶化。要使汽车在这种工况下表现出好的运行特性，应当匹配较小功率的发动机，提高发动机工作过程中的负荷率，但因为汽车还需要满足动力性的要求发动机的功率不可能很小，因而对于多低速运行的城市工况须提高电力驱动的比例，在匹配较小功率的发动机的同时配备较大功率的电动机，当车速较低时使汽车能够纯电动行驶，同时还需根据工况中低速行驶的时间比例选择合理的电池容量和控制策略以维持纯电动驱动所需要的能量。
表５－２ＥＣＥ—ＥＵＤＣ和ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ行驶循环曲线比较
循环名称
ＥＣＥ．—ＥＵＤＣ测试时循环行驶间距离１２２４ｓ平均速度３２．１ｌｋｍ／ｈ最高速度１２０ｋｍ／ｈ怠速停车时间３３９ｓ平均加平均减速停车速度度次数１０．９３ｋｍ０。５４例０－０．７９ｍ／ｓ２１３ｍ。ＮＨＡｌ到攥１０８９ｓ３．３２ｋｍ１０．９８ｋｍ／ｈ４０．７２ｋｍ／ｈ３９４ｓ０．５４ｍ／ｓ２一ｏ．６７ｍ／ｓ２２０
图５—１３ＥＣＥ．ＥＵＤＣ行驶循环各速度段时间比例７５
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
图５－１４ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ行驶循环各速度段时间比例
所以，针对不同国家和地区，混合动力汽车的设计应当充分道路运行工况的差别，合理匹配发动机、电机、电池等动力部件和设计控制策略使各动力部件工作于最佳运行状态，提高能量效率，降低油耗和排放。
５．３基于上海市道路循环行驶工况的整车性能仿真试验研究
据相关研究和统计，上海市区车辆运行有如下特点。由较高的人口密度和人流密度、狭窄的道路，市中心道路交通相当拥挤，属于典型的城市拥挤状况。市中心近高架区域道路交通饱和度明显降低，但高架的沿线上下匝道附近的地面道路交叉口的饱和度相当高。内、外环线间的几个重要的交叉路口的车流饱和度很高，这主要是由于城区面积扩大，市中心居民外迁，使外围区的交通需求日益增加。由于规划较好、新建道路较多，浦东地区的道路交通饱和度较低，交通状况较好【删。上海市综合交通调查领导小组办公室提供的行车速度统计数据显示：
（１）市中心区平均车速为１５．５ｋｍ／ｈ，平均延误８０ｓ／ｋｍ；
（２）市区周边道路平均车速２７．８ｋｍ／ｈ，平均延误２３ｓ／ｋｍ；
（３）外环线、高架道路和高速公路的平均车速达６３ｋｍ／ｈ，其中市区内的南北高架（中山北一中山南）平均车速５３．４ｋｍ／ｈ，内环线高架平均车速４８．２ｋｉｎ／ｈ；
（４）浦东地区主干道平均车速为４２．４ｋｍ／ｈ，平均延误１０ｓ／ｋｍ。７６
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
表５－３上海市道路行驶工况特征统计
循环名称
上海循环测试时循环行驶间距离１６８２ｓ平均速度２７．１ｋｍ／ｈ最高速度８５ｋｍ／ｈ怠速停车时间４９％平均加平均减速停车速度度次数０．６１ｍ／ｓ２－０．８１ｍ／￥２１４１２．６７ｋｍ
我校相关研究所的研究表明（表５—３显示了上海市道路行驶工况特征）：上海市民平均单次出行里程为５．８公里；上下班高峰对地面道路上车辆的运行条件有很大影响，最大时可使最高、最低平均车速差一倍；在拥挤路与区间路上车辆的平均行驶车速只有１４ｋｍ／ｈ左右，但前者主要由较低的行驶车速造成的，后者主要由长时间的停车造成；在市区主干道和内、外环间干线上车辆的平均行驶车速超过２１ｋｍ／ｈ，车辆的运行特点有很多相似之处。因而对上海和具有类似特点的我国大型城市的混合动力汽车需要考虑这些特点合理进行汽车的匹配设计。同时对比表５－２和５－３可以看出上海市区车辆行驶的平均车速低，怠速停车时间最长，平均加速度、减速度都为最大，因而在上海市区行驶的混合动力汽车可以更多地从怠速停机、制动能回收方面提高燃油经济性。
利用我校制定的上海市区循环对上述模型仿真，燃油经济性和排放特性仿真结果见表５—４，仿真中注意到原匹配下整车性能不很理想，又更改动力参数进行了仿真，更改通过发动机仿真相关参数ｆｃ—ｔｒｑ＿ｓｃａｌｅ和电机相关参数ｍｃｔｒｑｓｃａｌｅ实现，实际更改中发动机扭矩变为原扭矩的０．８，而电机变更为原扭矩的１．１。结果表明，原匹配下整车性能良好，排放达到欧洲三号标准，但尚不够理想，而更改匹配后燃油经济性和排放特性进一步得到了改善，所以要设计性能优越的混合动力汽车，合理进行动力参数匹配非常重要。但是即使更改动力匹配参数后我们也看到整车燃油经济性和排放性能并没有达到最优，还有很大的提升空间，这需要进一步改善本车的控制策略，目前只是利用简单的逻辑门限控制搭建了仿真平台，但门限值并没有经过优化，另一方面静态逻辑门限控制不能很好适应整车的动态特性，所以整车性能不够优越。如果把模糊、神经网络等先进控制方法引进，会得到更好的效果。
表５－４上海循环工况下仿真结果
油耗１／１００ｋｍ
原匹配
改变匹配后７．４７．１ＣＯ（ｇ／ｌａｎ）０．６６１０．５２９ＨＣ（ｇ／Ｉｏｎ）０．０７３０．０７５ＮＯ，（ｇ／ｋｍ）０．１２９０．１０７
第五章道路行驶循环对四轮驱动ＨＥＶ整车性能影响研究
Ｅ∞ｌｍｓｐ∞铆）脚印－岬呻
图５－１６原匹配下电机工作点分布图５—１５原匹配下发动机工作点分布
主。
呈萼
：叫辫彰爹多矽
ＭｅｉｅｒＳ∞ｅｄ（巾ｍ）呻∞８弦ｅ“ｒｐｍ）５∞锄７００鲫卿’咖
图５—１７新匹配下发动机工作点分布图５－１８新匹配下电机工作点分布５．４本章小结
本章介绍了道路循环行驶工况的意义建立方法，通过对比分析了道路循环工况对整车性能的影响。又以同济大学自己制定的上海市区运行工况分析了在上海市区工况下设计车型的运行特点，必通过修改整车匹配参数进行对比仿真分析给出了建议。
结论与展望
第六章结论与展望
６．１结论
电动汽车是汽车发展的必然趋势。纯电动汽车虽然具有零排放的特点，但由于动力电池技术尚未取得重大突破，汽车行驶里程过短，限制了其广泛运用。燃料电池汽车被很多专家认为是汽车发展的终极目标，但成本高，短期内难以实现产业化。混合动力汽车只是将电池作为辅助能量，动力电池技术的影响被相对削弱，同时具有续驶里程长，成本相对较低，技术难度相对较小，而且具有很好的燃油经济性和排放水平，因而发展前景广阔。
本文结合研究所承接的混合动力汽车关键技术研究相关子课题，对混合动力汽车整车动力匹配和仿真建模进行了研究。
１．建立了混合动力汽车整车功率平衡方程，在分析了发动机、电机和
电池等混合动力汽车动力部件运行特征的基础上给出了根据动力性
设计目标对四轮驱动混合动力汽车进行初步动力匹配设计的关系
式。
２．在分析了四轮驱动混合动力汽车受力特性的基础上，建立了整车纵
向动力学模型，该模型包括车轮模型和车身模型两部分。在给出模
型数学描述的同时，基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真环境建立了纵
向动力学模型的仿真模型。
分析了发动机、电机和电池运行特性的数学描述，给出了各动力模
块的相关物理量间的函数关系，基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真环
境建立了各动力部件的仿真模型。３．
４．研究了混合动力汽车动力性、经济性和排放性的评价方法。基于功
率平衡方程给出了动力性指标的计算公式；基于已经建立的仿真模
型针对多种道路循环工况进行仿真，分析了整车油耗和排放特性，
结果表明四轮驱动混合动力汽车具有良好整车性能，循环工况对四
轮驱动混合动力汽车的性能影响很大，因而混合动力在设计之初就
应该考虑地区典型车辆运行条件对整车动力部件合理匹配。
基于同济大学汽车学院相关研究所制定的上海道路循环进行了仿５．
结论与展望
真，结果表明由于上海市区道路循环车速低，怠速停车频繁，使用
混合汽车后可通过减少怠速和制动能回收改善油耗和排放，混合度
较高的混合动力汽车更适合在这种道路工况。
６．２进一步研究的方向
虽然本文的研究工作基本取得了预期的效果，但由于混合动力系统的复杂性，研究尚不够深入，还有许多方面需要进一步探讨。本人觉得以下几个方面需要进一步研究：
１．本文建模的模型多采用了试验模型，这种模型不具有通用性，应当
进一步建立理论模型与实验模型相结合的模型，对于主要物理量用
理论模型描述，对于次要物理量用实验模型描述。比如文中发动机
模型的排放计算模块应当进一步改进为理论模型，国内已有这方面
的初步研究。
２．本文采用了基本的静态逻辑门限值控制，这种控制方式固然实现较
方便，但不能很好的适应汽车的动态特性，效果不够理想。应当进
一步研究门限值的动态优化及其模糊、神经网络等在混合动力汽车
上的应用。
３．本文指出了道路循环工况对整车匹配有很大的影响，做了定性分析，
但没有定量分析。可进一步研究道路循环工况的相关特征参数与动
力匹配关系比如混合度之间的经验数学关系，建立混合动力汽车动力匹配的相关设计理论。
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致谢
致谢
两年半的研究生生活一转眼就过去了，追忆往事，已经在同济生活了５年。虽然毕业在即，但在同济的点点滴滴让我终身受益。在这里首先我要感谢我的导师左曙光教授，在学习上和生活中给予我的谆谆教诲和无私帮助。左老师严谨的治学态度、渊博的知识、敏捷的思维和准确的判断力给我留下了深刻的印象，老师的教诲将在以后的工作和生活中激励我不断向前。在科研和学习过程中左老师给予我悉心的指导，使我在专业方面得以提高。在生活上，左老师给了我无微不至的关怀和帮助，使我深深感动，终生难忘。在我即将离开这美丽校园的时候，我向左老师表示由衷的感谢和真诚的祝福！谢谢您，左老师！
感谢在学习上给我很多帮助的靳晓雄教授和彭为博士。靳老师敏锐的洞察力给我留下了深刻的印象，并且给我不少有益的指导和启发。彭博在学习上和生活上给了我很多热情有益的帮助。在此，谨向靳老师和彭博表示深深的谢意。
在我的学习和科研课题完成过程、论文完成以及就业过程中，还得到了汽车学院高申兰老师、郑晓蕾老师、张其荣老师和其他老师的关心帮助，在此向他们表示由衷的感谢。在参与混合动力汽车项目过程中，汽车学院试制车间的董师傅和其他师傅们给与了很大的方便和热情的帮助，在此向也他们表示诚挚的谢意．
在完成论文的过程中，我还得到了研究所同门师兄弟的帮助和支持，他们包括陈栋华博士、黄海波博士、熊璐博士、郑志强博士以及何扬、赵传军，马竞展、虞健、吕胜利、徐云峰等。在这里向他们表示感谢。
感谢我远在千里之外的父亲和母亲，他们的辛苦劳动和全力支持使我有勇气坚持完成学业，他们的恩情我永远铭记在心．
感谢所有曾经关心和帮助过我的老师，亲人和朋友１２００５年３月于同济园
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果
个人简历：
何志生，男，１９８０年５月生。
２００２年７月毕业于同济大学机械工程学院汽车与拖拉机专业获学士学位。
２００２年９月入同济大学读硕士研究生。
待发表论文：
［１］何志生，左曙光．新能源汽车技术发展现状和趋势．汽车研究与开发（已接收），２００５年，第６期。