摘 要

三次工业革命，给人类社会带来了巨大的进步，很大程度的解放了人们的双手，提供了很大的便利。工业革命的进行，很多程度的依托于化石燃料的开发和应用，除了带给人们的便利，也很大程度带来环境的破坏，而其中很重要的一部分污染来自汽车工业产生的排放。汽车工业的迅速发展，让汽车得以进入大家的日常生活，但是汽车所产生的排放物是造成环境污染重要来源。混合动力汽车由于其较好的排放性，一时间成为缓解汽车排放问题的途径之一。本文以并联式混合动力汽车为例，分析混合动力汽车的结构形式，结合整车的参数建立数学模型和ADVISOR软件模型，建立此混合动力汽车各个系统的模型，对此混合动力汽车在某工况下的运行特性进行分析。

本文主要研究了并联式混合动力汽车在ADVISOR软件中的仿真和运行特性分析。

研究结果表明：并联式混合动力汽车具备良好的运行特性，较缓的蓄电池SOC变化有效提升了电池的寿命。

关键词：混合动力、ADVISOR仿真软件、运行特性

Abstract

The three industrial revolutions have brought great progress to human society, greatly liberated people's hands and provided great convenience. The industrial revolution, to a large extent, relies on the development and application of fossil fuels. In addition to bringing convenience to people, it also brings environmental damage to a large extent. A significant part of the pollution comes from the emission of automobile industry. With the rapid development of the automobile industry, cars can enter our daily life, but the emission from cars is an important source of environmental pollution. Due to its good emission performance, hybrid electric vehicles have become one of the ways to alleviate the emission problem of automobiles. Taking parallel hybrid electric vehicle as an example, this paper analyzes the structural form of hybrid electric vehicle, establishes the mathematical model and ADVISOR software model based on the vehicle parameters, and establishes the models of various systems of this hybrid electric vehicle, and analyzes the operating characteristics of hybrid electric vehicle under certain conditions.

This paper mainly studies the simulation and running characteristic analysis of parallel hybrid electric vehicle in ADVISOR software.

The research results show that the parallel hybrid electric vehicle has good running characteristics, and the slow change of battery SOC effectively improves the battery life.

Keywords: hybrid power，ADVISOR simulation software，operation characteristic

目录

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2 混合动力汽车发展现状 2

1.2.1 混合动力汽车国外发展现状 2

1.2.2 混合动力汽车国内发展现状 2

1.3 研究内容 3

第2章 混合动力汽车结构及车辆参数选择 5

2.1 混合动力汽车定义及特点 5

2.2 混合动力汽车的三种混合方案 5

2.2.1 串联式混合动力汽车 6

2.2.2 并联式混合动力汽车 6

2.2.3 混联式混合动力汽车 7

2.3 物理对象参数 8

第3章 研究对象的数学模型及软件模型 9

3.1 研究对象的数学模型 9

3.1.1 发动机数学模型 9

3.1.2 蓄电池数学模型 10

3.1.3 电机数学模型 11

3.1.4 整车数学模型 11

3.2 仿真软件介绍 12

3.2.1 ADVISOR仿真软件的特点 12

3.2.2 ADVISOR仿真软件仿真的策略 13

3.3 ADVISOR软件里的仿真模型 13

3.3.1 发动机模型 13

3.3.2 蓄电池模型 14

3.3.3 电机模型 15

3.3.4 整车模型 15

第4章 混合动力汽车仿真及特性分析分析 16

4.1 仿真流程 16

4.1.1 汽车参数输入 16

4.1.2 仿真参数输入 17

4.1.3 查看仿真结果 18

4.2 仿真结果分析 19

4.2.1 加速特性分析 19

4.2.2 爬坡性能分析 20

4.2.3发动机输出扭矩分析 20

4.2.4 蓄电池SOC变化情况分析 20

第5章 结论与展望 22

5.1 结论 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

自第一辆汽车被发明出来以来，仅仅用了一百多年，从最开始一辆简单的三轮汽车飞速发展到现在我们所见到的各式各样各种性能用途的汽车，汽车正在越来越方便人们的生活^[1]，可以说汽车已经深深的走入了人们日常生活的很多方面。为人类发展做出巨大贡献的汽车工业，其产生的经济效益是很多国家重要的经济来源之一^[2]。但是，随着汽车产业的发展，也在不断的带来对环境的破坏^[3]。汽车的所产生的排放物主要是CO、CO2、HC、氮氧化物以及颗粒物^[4]，而其中的一氧化碳、HC、氮氧化物和颗粒物对的身体危害极大。一氧化碳削弱人体供养能力，HC和氮氧化物形成光化学烟雾，PM2.5的形成就是这些颗粒物的作用。除此之外，二氧化碳是很严重的温室气体，大气中二氧化碳的含量增加会导致气候变暖。然而尽管这些排放物对人体和对环境污染非常大，人们也意识到这一点，但是其排放量还是居高不下。据统计，2004年我国的汽车排放污染物的含量跟1999年相比上升了223.5%；2005年，欧盟国家的二氧化碳排放量中，有25%来自交通运输工业；截止到2018年6月，全世界的汽车保有量已经达到了13.4亿量^[5]，比十五年前翻了一倍；因为化石燃料的燃烧所排放出的CO、二氧化碳还有NOx等，将近二分之一的排放来自于汽油机和柴油机^[6]。由这些数据可见，全球汽车的数量还在不断增加，然而汽车工业所产生的排放物含量并没有得到有效控制。虽然汽车在发展过程中其舒适性和效率在不断发展，但是这所造成的对环境的冲击，已经越来越被人们重视。全球环境的恶化，加之石油资源的紧缺，新能源汽车的研究符合时代特性，引领着可持续发展的潮流，越来越多的国家投入研发新能源汽车。

纯电动汽车^[7]、燃料电池汽车^[8]和混合动力汽车^[9]成为解决这一环境问题的可靠方法。然而受限于电池的能量密度、充电的时间、电池使用时长以及昂贵的价格等因素，纯电动汽车一直无法取得突破性的进展；燃料电池汽车虽然发展很快，而且其产生电能的效率很高，但是必须要倚靠昂贵的金属作为它的催化剂，也一直得不到广泛的应用。而混合动力汽车并不抛弃原有的内燃机，而是用电动来辅助动力驱动汽车，在节能减排方面有很好的发展前景^[10]，也因此成为了市场上最被看好和最可能被普遍推广的车型之一。

1.2 混合动力汽车发展现状

1.2.1 混合动力汽车国外发展现状

研发混合动力汽车的热潮要追溯到二十世纪九十年代，由于各个国家政府对混合动力汽车的研发投入了巨大的支持，各个国家的著名汽车产业公司也投进了大量的资金参与到混合动力汽车的研发中来。而在研发过程中，现代电子技术，自控技术，测试技术以及新材料技术等众多的新兴技术被应用到混合动力汽车的开发中来。国外高度重视混合动力汽车研发^[11]，而在国外的混合动力汽车研究中，日本在混合动力汽车技术领域处于主导地位^[12]，而日本的丰田汽车公司、本田汽车公司、日产汽车公司是主要的研发力量。自丰田汽车公司全球第一台商用混合动力汽车丰田Prius^[13]生产以来，其混合动力驱动技术已经发展形成第四代产品。本田汽车公司在成功推出集成式电机辅助（IMA）系统之后，也着力引进混合动力汽车。IMA电机是一种独特且全新的异极永磁同步带机，具有绕组定子线圈和表面嵌入式转子磁体结构。而本田的IMA系统也被应用到其著名的Civic车型上，其Civic混合动力汽车也已经发展到8代，在油耗率、排放方面性能优越；日产汽车公司则推出了自己的电容混合动力载货汽车，采用并联柴油—电力混合动力系统。

北美汽车制造商讲混合动力汽车研究定位在SUV和轻型货车，福特汽车公司在2000年洛杉矶车展上发布了Escape SUV混合动力汽车，目前该车型已经发展到第三代。通用汽车公司发布了比其他任何主要的汽车公司都更为详细的全系混合动力系统，最初在Sliverado轻型载货汽车上使用了集成式起动机/发动机（ISG），而在2006年通用汽车公司雪佛兰Equinox混合动力SUV；2007年初，通用汽车公司推出混合动力乘用车雪佛兰Malibu以及最近推出的雪佛兰迈锐宝XL混动版。

欧洲的混合动力汽车研发也进入了全面发展的阶段，而其中奥迪汽车公司是欧洲混合动力汽车研发的先行者，早在日本推出丰田Prius的之前，奥迪汽车公司的混合动力汽车已经来到了第三代。早在1989年的时候，奥迪^[14]就推出了第一款并联式的混动汽车——Audi Duo 。1991年的时候，推出了第二代Audi Duo并于1997年推出了第三代，同时首次前瞻性的提出了“插电式混合动力”这一概念。在2009年的时候，奥迪宣布开始量产Q5 Hybrid车型。2013年，A6/A8L混动版在国内上市。如今e-tron已经成了奥迪的一项重要发展计划。

1.2.2 混合动力汽车国内发展现状

与国外的混合动力汽车发展相比，混合动力汽车技术在我们国家的推行和研发开始的比较晚，但是国家把混动汽车的研究放在了很重要的位置，提供给技术发展很多的支持。混合动力汽车在国内的发展状况越来越乐观，而且国家的政策也越来越好^[15]，在国内的前景也越来越明朗。国内最开始制定混动汽车的研发的具体国家计划，要追溯到“十五”国家863专项计划。一汽、东风、奇瑞和长安牵头混合动力系统在轿车方面的研究；一汽和东风汽车公司牵头混合动力系统在客车上得使用和研究。在这两块研究的成果如表1.1和表1.2所示：

表1.1 混合动力汽车在轿车上的研究

表1.2 混合动力汽车在客车上的研究

1.3 研究内容

混合动力汽车在其燃油经济性、油耗率及排放等方面有明显优势，对于这些性能的研究测评较为复杂，采用计算机软件仿真进行分析计算是一种较为可靠的方法。本文的研究那个如下：

1. 介绍混合动力汽车三种典型结构，选定目标车型；
2. 选取目标车型的车辆汽车参数，建立该车各个系统的数学模型以及ADVISOR软件模型；
3. 录入整车各项参数以及工况参数，对其由发动机驱动、电力驱动、混合动力驱动三种情况的速度特性、爬坡性能进行分析，并对发动机输出扭矩及蓄电池SOC变化等进行仿真结果分析；
4. 分析仿真结果，得出混合动力汽车在某循环工况下运行特性的特点。

第2章 混合动力汽车结构及车辆参数选择

2.1 混合动力汽车定义及特点

从定义上来讲，具备两个甚至更多的能够在同一时间独立驱动的动力系统，而这些动力系统一起来提供汽车运行时所需要的功率，就可以将其理解为混合动力汽车。目前对于混合动力系统的研究中，大部分研究为内燃机动力和电力动力两者的混合，其中有用电作为主要驱动力的系统，也有用传统内燃机驱动而电力参与辅助驱动的混合动力系统。混合动力汽车较高的燃油经济性以及行驶性能得益于它的发动机还是使用汽油机或者柴油机，但是在车辆启动和加速的时候，可以通过电动马达的辅助作用来降低它的油耗率，而且启动的时候动力更加强烈，行驶性能更好。同时，其能量管理系统（ESS）还可以将车辆制动以及行驶过程中富余的能量储存起来，更加的节能环保。传统汽车怠速耗能巨大，在功率和负载较低的情况下工作效率很低，发动机采用皮带轮驱动浪费资源，而且还没有办法回收车辆制动时的动能。传统汽车其瞬时反应能力，制动性，排放性能以及效率都非常的低下。混合动力汽车结合了传统汽车驱动和纯电力驱动的长处，其能量管理系统与电机系统相互合作，将内燃机的工作效率最大化，让传统内燃机汽车的优势和纯电力驱动的优势得以结合。由于其中一种方式作为辅助的动力驱动模块，所以混动汽车同样能够提供传统内燃机汽车的强大动力，甚至能比传统内燃机汽车动力更强劲。而且在混动汽车的混合动力驱动的方案下，内燃机可以长时间的保持在最佳的工作工况下，所以就算内燃机同样会产生排放物，但是其排放量能够的得以显著减少。另外混合动力驱动系统具备传统内燃机动力系统不具备的汽车制动时能量的收集，制动时会产生较大的排放，而混合动力系统的这一结构特点能够使其产生较少的排放。如果关闭内燃机驱动系统，混合动力汽车又可以成为纯电力驱动的汽车，在城市市区较低速的工况下，完全可以采用纯电力驱动，不产生排放。

2.2 混合动力汽车的三种混合方案

混合动力汽车成功取得研发成果并且实现其预期的优良性能的关键就是其驱动技术的研发，只有先进的动力驱动技术才能保证混合动力汽车优点得到尽可能发挥。纯电动汽车的蓄电池的容量可能会不够，但是混合动力汽车采取的两种动力系统其中一种作为辅助驱动的方式，保证发动机工作时的最佳工况，这一设计解决了蓄电池容量不够的问题，是增加汽车续航里程的重要技术；而蓄电池不用一直提供全部的驱动动力，让电池寿命的增加成为可能。按照混动汽车的结构形式，分为如下三种混合动力汽车。

2.2.1 串联式混合动力汽车

1) 动力传动系统的组成：发动机、蓄电池、发电机、电动机；（如图2.1）

图2.1 串联式混合动力汽车结构图

2) 车辆动力驱动传动过程：

① 油箱→发动机消耗燃料带动发电机→发电机发电→逆变器→电动机带动车轮

② 蓄电池输出电能→逆变器→电动机带动车轮

3) 优点：低负荷时，蓄电池直接输出电能给电动机带动驱动的车轮；负荷较大时，发动机带动发电机发电给电动机驱动来驱动车轮；制动时，将制动的动能转换成电能给蓄电池储存。这样的结构使得串联式混合动力汽车发动机不会受到车辆行驶时的工作状况影响,结构最接近于纯电动汽车,燃油经济性最好，产生的排放也最小。

4) 缺点：对电池的要求更高,需要电池的容量很大,会增加其制造的成本;而且在这个结构的动力传动过程中,发动机做的功通过发电机再传给驱动电机，能量转换过程有损失，降低了对能量使用的效率。