摘 要

环保和能源问题是汽车工业发展的主题，开发低能耗低排放的汽车是当前汽车发展的方向。电动汽车能够实现零排放，世界各国都在投入研发，但是受电池续航里程短、充电慢、质量大、成本高等问题的限制，技术还没能实现突破。混合动力汽车作为传统燃油车到纯电动的过度，能够实现较低的油耗和排放，成为研发的热点。

本文以浙江金华城市公交PK6890HH为原型车，进行混合动力系统的设计和匹配。分析了三种混合动力系统结构各自的特点，根据城市公交的特殊性，最终决定本文客车的动力系统采用串联式的结构。根据设定的动力性能指标，尽可能保留原有车上的部件，对发动机-发电机组、电动机、电池组、变速器进行计算和选型，完成动力系统的匹配工作。ADVISOR作为本文选择仿真的辅助工具，对匹配好的动力系统参数进行优化，以达到设计的目标。对比仿真结果，混合动力客车达到了动力性指标，设计是合理的。

关键词：串联式混合动力，城市客车，匹配，ADVISOR，仿真

Abstract

Environmental protection and energy issues are the theme of the development of automobile industry. Developing low energy consumption and low emission automobiles is the current direction of automobile development. Electric vehicles can achieve zero emission, and all countries in the world are investing in research and development. However, due to the limitations of short battery life, slow charging, high quality and high cost, the technology has not been able to achieve breakthroughs. Hybrid electric vehicles, as the transition from traditional fuel vehicles to pure electric vehicles, can achieve lower fuel consumption and emissions, which has become a hotspot.

This paper takes PK6890HH as the prototype vehicle of Jinhua City Bus in Zhejiang Province to design and match the hybrid power system. The characteristics of the three hybrid power systems are analyzed. According to the particularity of urban public transport, the power system of this bus is decided to adopt series structure. According to the set dynamic performance indicators, as far as possible to retain the original car parts, the engine-generator set, motor, battery pack, transmission calculation and selection, complete the matching work of the power system. ADVISOR, as an assistant tool of simulation, optimizes the matched parameters of power system to achieve the design goal. Compared with the simulation results, the hybrid electric bus achieves the dynamic performance index, and the design is reasonable.

Key Words：SHEV, City bus, Match, ADVISOR, Simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 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汽车的研究现状 3

1.4本文主要研究内容 4

第2章 混合动力城市客车驱动系统总体方案设计 5

2.1串联式（SHEV） 5

2.2并联式（PHEV） 6

2.3混联式（SPHEV） 7

2.4本文客车动力系统布置形式 8

2.5本章小结 10

第3章 混合动力客车动力系统设计 11

3.1整车参数和性能指标 11

3.2动力系统总成的选型与匹配 12

3.3本章小结 17

第4章 基于ADVISOR城市客车动力性能的仿真 19

4.1仿真软件ADVISOR简介 19

4.2仿真结果分析 19

4.3本章小结 24

第5章 结论和展望 25

5.1结论 25

5.2展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1引言

汽车作为一种交通工具，从1886年在德国诞生，已经经过了百年的发展，这不仅推动了经济发展，便利了我们的生活，还给我们的生活增加了独特的色彩，可是在这所有的优点和利益背后，所涉及到的环境和能源问题确实我们现在特别需要关注的，能源的有限性已经牵动了世界人民的神经，而排放对环境的污染也影响着我们赖以生存的大气环境。而衡量科技进步的指标已经不仅仅局限于经济效益，而是涉及到经济社会和环境的综合效益。传统内燃机汽车虽然现在在技术方面已经对燃烧效率实现较高的突破，但是从效率值来看，最高效率的柴油机也只不过是0.35-0.45，绝大部分能量以热能的形式散失，这与节能减排的理念是不符的^[1]。事实上，传统车型都是在已经满足功率需求的基础上额外配置高的动力部件。为了满足某些特殊的爬坡和高车速，提高了发动机的排量，这也使得能量浪费，排放增多，这使汽车工业面临着严峻的挑战。

当前世界，各国都在研发和探索新能源，能够取代传统燃油车，更加绿色节能的能量源，电动汽车无疑是未来汽车发展的方向。纯电动汽车具有的优势是显而易见的，能源上不依赖燃油，排放更谈不上。但是受电池技术的限制，纯电动汽车的性价比还不是特别高，并没达到预期的目标。纯电动汽车没有占据市场的大部分份额，原因在于：电池的成本昂贵，使用寿命有限，因此更换电池又使得成本增加。电池存在很大的安全问题，特斯拉电动汽车自燃就是鲜明的例子。轻量化依旧是汽车研发的主流方向之一，配重大质量的电池与该理念相悖。通过增加电池的数量来保证汽车具有足够的续航里程，这也限制了纯电动汽车无法达到传统燃油车的动力性。而燃料电池为动力的汽车因为燃料电池的技术限制，因此同样无法大批量的进入市场。

混合动力电动汽车是从传统燃油车到纯电动的过渡车型，这也是在电池技术没能完全解决其弊端之前，市场所能大量投入使用的一种车型。兼顾了内燃机和电机的优势，根据道路工况和人们的需要，减少化石燃料的使用，而且减少了对环境污染物的排放，弥补了纯电动时续航和动力的需求。因此，在这种能够投入大量生成，进入市场运营的车型，提高混合动力的技术，成为公司研发的关键所在，在这种趋势之下，混合动力的汽车核心技术也取得较大的突破。

1.2论文研究的目的和意义

（1）论文研究的意义

随着社会的进步和经济水平的提高，汽车逐步的走入每一个家庭，这从侧面反映出人类文明的进步，便利了我们的生活，方便了我们的出行。虽然如此，纵观全国，林林总总的汽车充斥着整个道路，在出行的高峰期，道路就会变得拥堵，这未必使得出行便利。所以公交车以及地铁等公共交通设施仍然有存在的必要性，这是市民出行的主要方式。公交车在公共交通设施中占据主体部分，彰显了城市的形象，在城市文明发展中具有重要的战略地位。城市公交车为人们出行提供了便利，在昂贵的油价面前，人们更愿意乘坐优惠的公交来替代自驾出行。公交车的载客量相对私家车，缓解了道路的拥堵压力，解放了更多的土地资源，这在未来几年中，仍然是人们出行优先选择的最主要的出行方式。相比轿车而言，公交车具有较大的体积，要满足动力性要求，那么具备更大的功率。而且，排放和油耗相比轻型的汽车更多，根据公交车在城市道路上运行的特点，停车或者怠速情况较多，因而相比较以匀速行驶的情况而言，发动机的运行工况更差，排放更为恶劣，这严重影响交通空气环境，因此对公交车动力系统的改善是重中之重，传统的燃油公交车已经不再适合在道路上行驶，那么混合动力公交车已经是市场上推崇的一种车型。

在政策上，由国家政府提供支持。投入了大量的人才和财物以更快的发展混合动力。在电动汽车大会也将发展混合动力作为首要的研究项目之一^[2]。“公交优先”应该大力推行，政府要支持，人民也要发扬。混合动力汽车与混合动力公交车的技术也不同，掌握研发的核心技术是关键所在，能将混合动力实现最佳优化，实现重大的突破是公交产业的重要战略部署。本文根据传统燃油公交车PK6890HH，这是之前浙江金华市投入使用的一款车，设计一款混合动力系统，使其能够满足基本的动力需求，打造绿色环保的道路出行。

（2）论文研究的目的

众所周知，车辆在城市中行驶不可能以恒定的高车速行驶。而城市工况是复杂变化的，受可控与不可控因素的影响，难免会频繁的启停。传统的燃油车能量源完全依赖发动机，直接通过机械输出。在怠速和频繁启停以及加速减速的工况下，发动机的工作状况是非常差的。甚至会出现排放的黑烟，燃油经济性低，排放污染物增多[3]。在当今社会，强调节能减排，那么传统燃油车已经不太适合城市交通。混合动力公交车配合着电池和电机，能够很好的解决这种恶劣城市的工况条件，将内燃机的不足进行弥补，因此混合动力能够被大量投放在公共交通的市场。混合动力公交车能够被大力推崇，优先发展的原因在于：

①城市版图扩大，道路建设日益成就一定的规模，城市的流动人口也越来越多，为了便利人们的出行，交通设施的完善是非常重要的，公交车的数目自然也是增加的。对公交车的研发变成了重要的项目，这涉及到巨大的投入，与人们的生活息息相关。传统燃油公交车的排放已经不能满足国家规定的排放标准，油耗增加威胁着我们世界上不可再生的化石能源，必定会被淘汰，为了打造环保城市，优化城市的环境，必须对改良公交车的动力系统。

②目前，纯电动汽车是世界各国都在研发的，也是最具发展潜力的，注定成为汽车的未来，但是由于技术水平的限制，纯电动并不能被广泛所接受。纯电动能够实现零污染，依靠电能，效率高，电力系统的布置也相对而言比较简单^[4]。世界各国在这个方面是同一起点，掀起了汽车工业的改革热潮。但是电池问题是一直没能解决的，主要是成本高，寿命短，充电时间长以及安全问题等。

③公交车不同于汽车，在混合动力方面，我国更具有自主研发的优势。根据国家国情，路况条件，在混合动力公交车，中国企业更具有发言权，具有自己的公交车品牌。在国家政策的支持下，企业投入研发资金，开发更具有市场竞争力的车系，使得动力性和经济性都能得到显著的提高，实现低排放低能耗。

④政府政策支持是公交车体系能在混合动力方面能够推广和运营的强有力的后盾^[5]。企业研发和投入市场很多是由政府补贴的，机制的市场化使得混合动力公交车商业化的困难程度下降了很多，这也是我国混动公交客车能够大力研发的佳音。

车辆变革过渡时期，前有传统燃油车，后有纯电动，而核心问题是解决能耗和排放问题，这其中又牵扯到技术的难关无法完全攻克。在减少化石能源的消耗的同时，建设绿色的家园，减少对大气尾气的排放，这涉及到我们赖以生存的环境。车辆工业能够得以发展和壮大，离不开高标准的制定和技术要求的实施。在大势所趋的条件下，研发混合动力公交车是过度时期最好的手段，提升国际竞争力。

1.3国内外混合动力电动汽车的研究现状

1.3.1国外混合动力研究现状

在1898年， Ferdinand Porsche的首创是汽车发展的里程碑，混合动力车型出现了。在混合动力客车的研究领域，发达国家如美、日和欧洲的一些国家等，最先开始开发。在90年代，日本TOYOTA和日野都是日本的顶级车企，在混合动力上走向联合，便有了第一辆获批的FCHV-2，这是一辆典型的燃料电池混动客车。97年，混动车首批量产还要归功于丰田，之后也推动了面包车等车型的发展^[6]。美国推行公交客车的运营，BAE-Ori-on和GM Allison等公交车在西雅图、纽约等大城市形成规模化管理，超过2200辆混动客车在110多个城市投入运行。在混合动力动力系统中，有几种比较典型的构型：Eaton 公司动力耦合采用的是并联混动结构，这种布置是同轴式的，由变速箱输入轴端与离合后端进行布置。串联式混动系统是最简单的系统，典型的是英国公司代表BAE，内燃机作为能量源，将动力传输给电机，由电机进一步将动力传输给驱动桥。日野公司的HIMR是并联系统，动力源的动力首先由减速齿轮传动，变速箱输出轴传输动力给驱动桥，在变速装置和轴上将传输的力进行耦合。以美国GM作为代表的混联式车，由通用生产。电机和行星齿轮各有两个，行星齿轮的用于内燃机能量的分散输出，实现电机动力耦合，集成化设计了电机与行星齿轮的结构^[7]。当然主流的发展形势是直接用外接电源的插电式混动，这是最接近纯电动的，已经出台了一些规范。

1.3.2国内混合动力汽车研究现状

新能源汽车利国利民，这首先得到了国家的支持。从十五“863”项目的设立，于是我国在研发方面投入颇多，实现了众多突破。典型的客车企业宇通，在客车研发处于我国前列水平，更是在混合动力取得进展。混合度实现了深度混合，ZK6120CHEV混联式客车的输出电功率占比达到了50%以上，能够通过IST实现起停工作的智能化。内燃机和电机的协同能力优化，降低了油耗，提高经济性水平^[8]。另一个有代表性的是一汽解放，设计开发的CA6110HEV，结构上搭载全电控发动机，在系统上实现双轴并联，在各项性能上与传统燃油车对比都有所提升。排放能够降低32%，油耗节约了37%左右，综合性能位于国家前列。

1.4本文主要研究内容

本文对已有车型进行串联式混合动力系统的匹配与计算以及仿真，传统燃油车PK6890HH作为改造的原型，在动力上达标，在经济性有所优化。

国内外的技术现状得到了对比之后，根据当前车辆的发展形式对论文可行性做简要说明。混合动力模式各有各自的优缺点，择善而从，综合判断取舍。根据论文的设计要求及综合分析，另外，要联系实际中客车的特殊性，最终确定传统燃油客车采用改造的混动形式。根据车辆最简单的动力性能指标作为需求，通过功率的关系展开计算，完成动力部件的选型，达成匹配。利用仿真软件ADVISOR，对匹配好的部件参数进行软件界面的输入和更改，在整车模块搭建好的平台下，运行仿真，对设计参数进行更改和优化。根据仿真的结果，看其能否满足动力性指标，最终的设计是否合理，对论文进行总结。

第2章 混合动力城市客车驱动系统总体方案设计

依据不同的需求和准则，混合动力汽车可以被分为几个不同的明显区分的类别。依据混合程度而言，可以分为微度、轻度、中度、重度四个大类。区分的依据是以一个比值的范围而定，这个比值是以电机的峰值功率除以发动机对的额定功率。从根本上而言，这取决于对电动机和内燃机两种的依赖程度，而我们普遍意义上并不采取这种区分方式。按照布置动力系统的结构类型，可主要分为三大类：串联式、并联式、混联式^[9]。

2.1串联式（SHEV）

2.1.1串联式混合动力汽车的结构和原理

串联式混动汽车（Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV）它的驱动力源且只源于电动机，动力系统总成由发动机-发电机组、驱动电动机、动力电池这几个主要部件构成。串联式动力系统的布置特征展示在图2-1。串联这种结构是最接近纯电动动力系统的布置的，连接方式综合以电力连接、机械连接、液流连接。发动机的功用区别于传统燃油车，是不直接输出动力来驱动整车运动的，唯一功用是连接发电机，使其机械能转化为电能发电。电动机作为串联式动力系统单一的动力装置，将来自发电机和电池的电能以机械能的形式转化为动力输出，最终驱动车辆运行。能量源由蓄电池和发动机联合组成，实现能量源环节的混合^[10]。道路阻力情况的多变，可直接影响到车辆的运行，但是由于发动机并不将动力直接输出，因此它的工况条件受路况影响极小，避免了众多恶劣条件的运行工况，可以充分利用其高效、最优的状态。

电力连接 机械连接

图2-1 串联式混合动力系统布置方式

在起步时，发动机低负荷运行工况条件恶劣，排放严重和油耗高，因此不工作，电机的特性是低速大转矩，正好利用其优势独自带动起步过程。在正常匀速行驶阶段，发动机以最低油耗的最佳状态运行，充分利用发动机高的热效率，如果发动机功率的输出足以满足车的正常运行，那么多余的功率将用来给电池充电。车辆处于加速行驶模式，仅靠发动机独自工作是不够的，电池同时也要提供功率输出，两部分电能通过逆变器驱动电机运转。在减速和制动情况下，那么发动机停止运作，利用电机的再生制动功能，将机械能转化为电能来给电池充电。

2.1.2串联式混合动力汽车的优缺点

串联式的优势在于驱动部件仅依靠电机，动力布置更接近纯电动的特点，使得控制策略和结构方面更为简单明晰，底盘上各部件的布置更为独立。发动机能在更多条件下以最优曲线运转，发动机的排放和油耗能够最佳的控制，实现环境友好和好的经济性指标。有发动机和蓄电池的存在，能够保证有油就能保证续航，当以电池作为单一能量源，可以作为纯电动行驶。

缺点在于对动力性能的需求，使得电机的功率需求增大确保克服行驶道路阻力达到理想的动力。这无疑于增大了电机的尺寸，各部件进行匹配，质量都加重了。较大的尺寸限制了小型车上动力机构的布置，适宜在大中型车上应用^[11]。能量从输入到利用经过了多级转化，机械能由电机转化为电能，又将电能转为机械能动力输出，由于转化率和传输效率的限制，能量损耗极其严重，从发动机真正输出的能量不多。高速行驶就使发动机面临尴尬的局面，油耗比传统车型还多一些。本来能够工作在最佳油耗状态的发动机由于能量转化的原因，增加了油耗。

2.2并联式（PHEV）

2.2.1并联式混合动力汽车的结构和原理

并联式混动汽车（Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV ）动力输出上是多变的，可以仅是电机或者发动机，也可以实现联合输出。如图2-2所示，系统动力的装置构成主要由两大部件，而这两套驱动系统分别是发动机和电池组、电动机为主线的，他们的动力源是独立的。这种形式的混动模式特点是在机械动能处进行混合的，电机与发动机作为动力输出共同驱动一个轴，两者输出的动力之和为总动力。两种输出方式是独立的，因此对单体的功率要求相比较串联式没那么高，因此包含电机和发动机的整体系统布置尺寸可以有所减小。部件有较小的质量，那么整车的质量相对而言就会减小，有利于在中小型车型动力系统的布置^[12]。

在加速或者启动的条件下，车的动力需求是由发动机和发电机共同来提供的，他们会同步进行工作。在常规道路行驶，发动机单体足以提供整车的运行，因此电机是不工作的，在高速运行时，发动机的工作曲线条件较好，能够实现较低的油耗。在减速和制动情况下，电机的存在，会将机械能以电能的形式回收，切换为发电机的模式，回收的电能给蓄电池进行充电。当车辆处于轻载情况下，发动机在能够满足车辆正常运行之外，多余的功率通过电动机和功率转换器进而给电池充电。

2.2.2并联式混合动力汽车的优缺点

并联式混动汽车在某种意义上讲更趋近与传统燃油车，它的优点在于：发动机可以用以能量源直接驱动车辆运行，以传统模式运作，电机可以看作一个辅助工具，省去了机电多重能量转化，效率和能量利用率比串联式高。对传统车利用原部件进行改造，更加轻易简略，造价更加低。兼顾了纯电动和传统车的优势，加速和起步更加出彩，纯电动时候会运行更为安稳，噪声小。车辆需求的功率较大时，电机能够供给不足的动力，那么发动机的选择余地将更为明朗，以获得较好的燃油经济性。发动机直接通过机械传输将动力传到车轮，综合的系统总能量利用率更高。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：