1 緒論

1.1 研究背景與意義

從 1886 年第一輛汽車誕生以來(lái)，汽車工業(yè)就成為了許多國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。不僅改善了人們的生活水平，而且使得人們的出行變得越來(lái)越方便。然而，從 20 世紀(jì)末開始，汽車保有量開始了快速的增長(zhǎng)。1950 年，全球只有 5000 萬(wàn)輛；到 1995 年，全球已經(jīng)擁有 6.5 億輛[1]。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，增長(zhǎng)的勢(shì)頭依然不減，截止 2014 年底，全球汽車保有量達(dá) 12 億輛。據(jù)國(guó)家公布數(shù)據(jù)，我國(guó)截止 2014 年末汽車保有量也已達(dá)到 1.5 億輛。一方面如此多的汽車需要消耗大量的石油資源，預(yù)計(jì)到 2020 年交通用油將占全球石油總消耗的 62%以上，而石油資源的儲(chǔ)存量是有限的，這勢(shì)必會(huì)引發(fā)新的能源危機(jī)。事實(shí)上我國(guó)正經(jīng)受著能源安全帶來(lái)的巨大壓力，我國(guó)石油儲(chǔ)備和開采量非常有限，主要是依賴進(jìn)口，而我國(guó)又是一個(gè)能源消耗大國(guó)，根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增多，到 2030 年，石油消耗量的 80%將依賴進(jìn)口，這個(gè)壓力正日益增大[2]。另一方面，燃燒消耗大量的石油能源，傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)排放出大量有害污染氣體包括 CO、HC、NOX、PM 等，對(duì)大氣造成污染，嚴(yán)重危及人類健康。面對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境污染雙重壓力，節(jié)能減排勢(shì)在必行，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為我國(guó)汽車工業(yè)的戰(zhàn)略方向[3]。

1.2 PHEV 發(fā)展概況

目前國(guó)內(nèi)外各大汽車廠商均對(duì) PHEV 開展了大量的研究工作，并已經(jīng)開發(fā)出了各自的商品用車。其市場(chǎng)化的前景更值得期待。在 2014 日內(nèi)瓦國(guó)際汽車展上，HEV 和 PHEV一躍成為新能源汽車焦點(diǎn)，愈來(lái)愈多的汽車公司，把新能源汽車發(fā)展的重點(diǎn)轉(zhuǎn)到 PHEV上。早在 1988 年開始對(duì) HEV 技術(shù)展開研究，美國(guó)總統(tǒng)布什在 2006 年提出大力發(fā)展PHEV，并獲得政府支持。2007 年，有加州大學(xué)戴維斯分校開發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)低速和短距離范圍內(nèi)純電動(dòng)行駛，高速和長(zhǎng)距離時(shí)混合模式行駛的 PHEV。目前，，美國(guó)汽車生產(chǎn)廠商均有各自開發(fā)出的 PHEV。

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2 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類

PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、控制模塊等。PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類主要有兩種分類方法，一種是根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)部件的連接方式分類，另一種是根據(jù)混合度進(jìn)行分類。本文主要對(duì)第一種分類方式分析研究，來(lái)確定汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。串聯(lián)式 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池組成，如圖 2.1 所示。工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變器使驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，多余的電能還可對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，將電能存儲(chǔ)起來(lái)。動(dòng)力電池的電能也能單獨(dú)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求電能較多時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電與動(dòng)力電池一起為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。

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2.2 動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)匹配與選型

動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)匹配首先根據(jù)汽車的動(dòng)力性要求即整車最高車速、整車加速性能、整車爬坡性能確定發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)總功率的范圍。然后根據(jù)其它要求分別確定發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率范圍及轉(zhuǎn)速范圍等。如通過(guò)整車常用勻速行駛車速來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍，純電動(dòng)行駛車速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速范圍。動(dòng)力電池的相關(guān)參數(shù)的確定主要是要與驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配約束。另外，在確定 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，還要考慮企業(yè)的資源；充分考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池等部件的體積與質(zhì)量，是否能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池的合理匹配。

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3 PHEV 控制策略研究...............19

3.1 PHEV 控制策略制定原則............... 19

3.2 PHEV 主要工作模式劃分...............19

4 PHEV 建模與仿真分析...............29

4.1 Cruise 軟件介紹............... 29

4.2 整車模型建立...............30

5 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化............... 46

5.1 DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法...............46

5.2 優(yōu)化目標(biāo)...............47

5 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

5.1 DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

從上個(gè)世紀(jì) 20 年代費(fèi)雪(Ronald Fisher)在農(nóng)業(yè)試驗(yàn)中首次提出 DOE（Design ofExperiment）試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念，到六西格瑪管理在世界范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展，DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)歷了 80 多年的發(fā)展歷程，在學(xué)術(shù)界和企業(yè)界均獲得了崇高的聲譽(yù)。DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究正確的設(shè)計(jì)試驗(yàn)計(jì)劃和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)的合理安排，以較小的試驗(yàn)次數(shù)、較短的試驗(yàn)周期和較低的試驗(yàn)成本，獲得理想的結(jié)果得出科學(xué)的結(jié)論[46]。DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般步驟有：（1）確定目標(biāo)在設(shè)計(jì)和分析一個(gè)試驗(yàn)時(shí)，首先需要明確試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，這對(duì)問(wèn)題的理解和解決有重大的幫助。同時(shí)，還必須定義試驗(yàn)的指標(biāo)和接受的規(guī)格，這樣試驗(yàn)才有方向和檢驗(yàn)試驗(yàn)成功的度量指標(biāo)。

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5.2 優(yōu)化目標(biāo)

本文傳動(dòng)系的初步設(shè)計(jì)符合了整車的設(shè)計(jì)要求，為了使整車具有更加優(yōu)秀燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)傳動(dòng)系速比進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，尋求更加理想的傳動(dòng)系速比。汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性在一定條件下是相互矛盾的,現(xiàn)有的汽車傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化方法還不可能使兩者都達(dá)到最優(yōu)[47,48]。設(shè)若動(dòng)力性好，車輛的后備功率要大，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性勢(shì)必變差。解決方案只能是根據(jù)具體車型的用途來(lái)確定汽車更加強(qiáng)調(diào)的是動(dòng)力性還是經(jīng)濟(jì)性。如對(duì)于城市公交車、家庭用轎車以提高經(jīng)濟(jì)性為首要目標(biāo)，而對(duì)于越野車、賽車、豪華轎車則對(duì)動(dòng)力性要求更高，只能犧牲部分經(jīng)濟(jì)性來(lái)提高動(dòng)力性。