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是否能制造永动机?这几天在想考电动车的一个问题,既然电动车是由电能转化为动能,那么也可以再由动能转化为电能的,在电动车轴上加上正负极的磁铁,利用切割磁感线原理将车轮转动的动能转化为电能,然后充入电池内,如此反复循环,． 但是我自己的的想法就是,可能那些能量会逐渐会减弱,因为一些能量给车轮与地面的摩擦力损失了,但是这样也可以节约出很多的电能．如果所有的机动车的行驶的动能都能转化为电能,是否行得通?
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很明确的回答你不能（将生成的电能看成是磁能,其实是互通的）电生磁 磁生电 是相互的,能量是相互转化的 简单的说就是有多少电就可以生出多少磁（理论上）反之也成你可以这样想：电动车在行走,在电动车轴上加上正负极的磁铁,利用切割磁感线原理将车轮转动的动能转化为电能,但因而就对电动车做负功,电能减弱,磁能（将生成的电能看成是磁能）增强,根本不会有多余的能量来发电,原因就是能量守恒原理
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能量是守恒的，，电动机工作需要能量，，你把动能转化为电能时，会有热产生，，本来是电能—动能+热能的，，现在成了电能—动能+热能—电能+热能，，你那样子又产生了多余的热，，结果有两种可能，，一是电动机用电量增大了。。二是转动速度比原来慢了.....
答案不是雪的不能嘛！知道吗？能量守恒定律一:永动机制不出来！
扫描下载二维码& （2016o邵阳县一模）2016年1月，长沙到邵阳南的高铁正
（2016o邵阳县一模）2016年1月，长沙到邵阳南的高铁正式通车，这不仅方便了人们的出行，而且拉近了城市之间的距离．如图所示，动车组列车用大功率的电动机提供动力，列车到站前停止供电，电动机线圈随车轮转动，带动发电机发电，这个过程车速从200km/h减到90km/h，在90km/h以下才进行机械刹车，下列说法正确的是（　　）
A、减速发电过程中列车的动能增加B、机械刹车过程中是内能转化为机械能C、进站前停止供电列车仍能继续前行是受到惯性力的作用D、人站在安全线以外是为防止列车运行时车体附近空气流速大压强小把人推向列车
来源：2016o邵阳县一模 | 【考点】动能和势能的大小变化；惯性；流体压强与流速的关系．
解析与答案
（揭秘难题真相，上）
习题“（2016o邵阳县一模）2016年1月，长沙到邵阳南的高铁正式通车，这不仅方便了人们的出行，而且拉近了城市之间的距离．如图所示，动车组列车用大功率的电动机提供动力，列车到站前停止供电，电动机线圈随车轮转动，带动发电机发电，这个过程车速从200km/h减到90km/h，在90km/h以下才进行机械刹车，下列说法正确的是（　　）减速发电过程中列车的动能增加机械刹”的学库宝（http://www.xuekubao.com/）教师分析与解答如下所示：
【考点】动能和势能的大小变化；惯性；流体压强与流速的关系．
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（2016o邵阳县一模）2016年1月，长沙到邵阳南的高铁正式通车，这不仅方便了人们的出行，而且拉近了城市之间的距离．如图所示，动车组列车用大功率的电动机提供动力，列车到站前停止供电，电动机线圈随车轮转动，带动发电机发电，这个过程车速从200km/h减到90km/h，在90km/h以下才进行机械刹车，下列说法正确的是（　　）
A、减速发电过程中列车的动能增加B、机械刹车过程中是内能转化为机械能C、进站前停止供电列车仍能继续前行是受到惯性力的作用D、人站在安全线以外是为防止列车运行时车体附近空气流速大压强小把人推向列车
材料一：日至28日，中央扶贫开发工作会议在北京召开，会议提出未来5年要消除最后的7017万贫困人口．习近平总书记强调，要坚决打赢脱贫攻坚战，确保到2020年所有贫困地区和贫困人口一道迈入全面小康社会．材料二：日，省委扶贫开发暨全面建成小康社会推进工作会议在长沙召开．省委书记、省人大常委会主任徐守盛强调，要坚持以全面建成小康社会为统揽，聚焦短板，突出精准，坚决打赢脱贫攻坚关键战役．材料三：日上午，郴州撤地建市20周年纪念大会在市委人民会堂举行，市委书记易鹏飞作重要讲话．他强调，要把精准扶贫作为“十三五”民生改善的重中之重，精准施策，务实推进，确保到2019年全市38.24万贫困人口整体脱贫，4个片区县全部摘帽，全市人民同步实现全面小康．阅读以上材料，根据所学知识，回答以下问题：（1）上述材料反映了我国目前怎样的基本国情？（2）党和政府高度重视扶贫开发工作，有何重要意义？（3）请你为贫困地区脱贫脱困，奔向全面小康提四点建议．
日，邵阳站开出了车次为G6452的通往长沙南的第一趟高铁列车．说起高铁技术不能不说火车的发明和铁路的建设．火车的发明属于（　　）
A、英国工业革命的成果B、第二次工业革命的成果C、第三次工业革命的成果D、宋元时期的科技成果
阅读下面的文字，完成下列各题。书生意气正当时君&&然&&& ①“史亦尝考，文亦尝校，答辩近了，犹思几度改论稿；家总要成，钱总要挣，奔走红尘，莫忘曾经是书生。”近日，这副对联在微博和微信上热传，不少网友为其中的书生情怀所感动。&&& ②这副对联的作者是复旦大学古籍整理研究所教授陈正宏。时间久远、他只能依稀记得对联创作时间是2003年左右。在陈正宏看来，这副对联是“急就章”，严格来说，从平仄、对仗的角度来看都不工整，甚至可以说这是一首“打油联”。而如今，这副“打油联”因何在网上不胫而红？&&& ③陈正宏认为这副对联之所以走红，是因为人们对其中“书生意气”有所共鸣。“书生”这个词，或者说“书生意气”，有些人觉得已经过时了。从我们的角度来讲，一个社会需要发展，个人需要发展，书生本色还是需要的。现在社会上有些情况会发生，可能还是跟“书生意气”缺乏有关。&&& ④曾几何时，“读书无用论”是不少人选择在世俗生活中抛弃精神追求的强大理由。“百无一用是书生”，仿佛做学问就意味着穷酸，执着就意味着迂腐。于是，学术圈乱象丛生，抄袭论文、伪造研究成果、重权位代替重学术……种种学术腐败令人痛心。&&&&⑤学术界的种种失范尚且只是管中窥豹，在当下的社会转型期，不仅读书治学如此，人生周遭大小琐事的权重也被置于功利的有色眼镜之下。在不少人那里，考量任何事物的标准都是能带来多大利益，能不能成就功名，能不能制造人生的捷径……殊不知，在这样的人生逻辑下，只要能获取功名，只要能巧取利益，便使尽各种手段不达目的不罢休，社会道德底线一再受到冲击。&&& ⑥从这个意义上说，这副“打油联”的走红，恰恰折射出当下人们的生活对“书生意气”所代表的单纯和底线的透支。于是有人怅惋：“曾经怀抱理想的人，那些真正经历了艰难而仍然存着一点痴念的人，才会真正被触动吧。”&&& ⑦但我们的社会真的已至如此悲凉吗？&&& ⑧答案显然是否定的。从另一个角度来看，“打油联”的走红，也意味着人们对“书生意气”的渴望。“书生”这个词在中国人的传统中有着超越字面的意蕴，它代表着正直、理想主义，代表着在世俗生活中不忘仰望星空的胸襟与诗意，也代表着在倒退的道德底线面前拒绝流俗的勇气。这种理想主义、诗意与勇气不仅适用于学术界，更适用于任何时代的现世人生，它代表了一种价值取向和精神追求。&&& ⑨有所共鸣，就当有所渴求：有所渴求，就当有所坚守。“家总是要成，钱总是要挣”，但红尘之中的那一点不可抛却的道德高度和精神追求正是这个社会内在的气蕴所在。不忘初心，方得始终。（选自日《人民日报》）（1）选文的中心论点是&&&&（2）结合选文解释“书生意气”，并补写名句。①书生意气：&&&&②补写名句：书生意气，&&&&。（毛泽东《沁园春o长沙》）（3）作者认为“这副对联”之所以走红，一方面是因为&&&&，另一方面是因为&&&&。（4）下列说法，与作者观点不相符的一项是&&&&A．书生意气无论对社会发展，还是对个人发展，都是有作用的。B．在世俗生活中，“百无一用是书生”。C．在当下社会转型期，不少人考量事物的标准是名利至上。D．“家总是要成，钱总是要挣”，但道德高度和理想追求不可抛却。
知识点讲解
经过分析，习题“（2016o邵阳县一模）2016年1月，长沙到邵阳南的高铁正”主要考察你对
“” “” “”
等考点的理解。
因为篇幅有限，只列出部分考点，详细请访问。
动能和势能的大小变化
动能、势能的大小变化及判断：比较动能、势能的大小和判断它们大小的变化，关键是全面考虑决定它们大小的两个因素，不能只注意一个因素，忽视另一个因素。
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多体系统建模在混合动力汽车燃油经济性分析中的应用
同济大学汽车学院 硕士学位论文 多体系统建模在混合动力汽车燃油经济性分析中的应用 姓名：赵立新 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：左曙光
摘要摘要混合动力汽车是近期、中期汽车发展的重点。本文对并联式混合动力汽车的建模、整车动态仿真作了一定的研究，主要开展了以下工作： 首先在总结混合动力汽车仿真研究现状的基础上，论述了目前采用质点模 型的混合动力汽车燃油经济性仿真的不足，指出了多体系统动力学在汽车研究 中的优势，提出了利用多体动力学模型进行混合动力汽车燃油经济性仿真的设 想。随后研究了发动机、电机、电池等混合动力汽车关键部件的工作特性，并在ＭＡＩ＇ＬＡＢ／ＳｉＭＵＬＩＮＫ环境下建立了并联混合动力系统及汽车其它主要部件 的前向仿真模型，构建了整车仿真平台。 然后利用多体系统动力学理论建立了并联混合动力汽车的整车动力学模型。该模型包括汽车车身，滑块和导向臂三个刚体ｊ具有车身质心的水平平动、竖直平动、车身的俯仰转动、滑块的平动和导向臂的转动五个自由度。经过仿 真验证，发现本文建立的多体模型是正确的，它能够反映出汽车在起步、加速、 制动工况下车身姿态的动态变化。与质点模型相比，本文建立的多体模型能更 准确地反映汽车的行驶状态。 随后，基于已经建立的整车模型针对５种道路循环工况进行仿真，分析了 多体模型与质点模型的燃油经济性差异。指出对于前轮驱动并联混合动力汽车 的燃油经济性仿真，利用质点模型与利用多刚体模型得到的仿真结果差异不大，都在１％以内。然后又针对特定的道路循环工况进行仿真，分析了多体模型中悬 架刚度，车身转动惯量，轴距，质心高度这四个参数对整车燃油经济性的影响 规律。发现在其他参数不变的情况下，汽车的轴距越大，燃油消耗越低；车身质心高度越低，燃油消耗越低；车身的转动惯量越小，燃油消耗越低；汽车悬 架的刚度越小，燃油消耗越低。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词：多体系统，建模，混合动力汽车，燃油经济性，仿真＿。一―――――――――――――――＿―――――――――――――――――――――――――――――――一ＡＢＳＴＲＡＣＴ摘要Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｅｒｍ． ＴｈｉｓＶｅｈｉｃｌｅ（脏Ⅵｉｓｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｆｏｃｕｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ＨＥ＇ｄ，ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｂａｓｅｄ ｄｅｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｏｎｍａｊｏｒ ｊｏｂｓｉｎｖｏｌｖｅ：ｔｈｅ ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＨＥＶ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ ＨＣＶ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ｆｕｅｌ＆ｏｎｏｍｙｉｎ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｌｌ‘ｉｄｅａ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ＨＥＶ，Ｓｕｃｈ ａｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ，ａｌｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅａｓ ａｍｕｌｔｉ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＨＥＶ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙｅｎｇｉｎｅ，ｍｏｔｏｒｆａｃｉｎｇ－ｆｏｒｗａｒｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． ｐａｒａｌｌｅｌ ＨＥＶ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅＴｈｉｒｄｌｙ，ｍｕｌｔｉｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＨＥＶ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ ｍｕｌｔｉ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓａｉｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆ ｔｈｒｅｅｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ－ｃａｒｂｏｄｙ，ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋ ａｎｄ ｇｕｉｄｅｍ ａｎｄ ｈａｓ ｆｉｖｅ ｆｒｅｅｄｏｍ ｄｅｇｒｅｅｓ，ｔｈｏｓｅ ａｒｅ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒ ｂｏｄｙ，ｔｈｅｃａｒｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋｂｏｄｙ，ｔｈｅｐｉｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅｃａｒｏｆ ｂｏｄｙ，ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｕｉｄｅｃａＩＩａｒｍ．Ｔｈｉｓｍｕｌｔｉ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｖａｌｉｄａｔｅｄｃａｒｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｒｅｆｌｅｃｔ 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ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ?ｒｉｇｉｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｏｄｙ’ｓｙｓｔｅｍ，ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ，ｆ１Ｊ莳ｅｃｏｎｏｍｙ，ＩＩＩ符号说明 符号说明（按章节顺序排列）蹴ｚ电池的荷电状态 发动机扭矩，Ｎｍ 燃油消耗量，Ｌ 发动机扭矩需求，Ｎｍ 液力变矩器的输入转速，ｒａｄ／ｓ 电机扭矩控制指令，Ｎｍｏ～ 一 ｋ‰ Ｌ嘶甥一；后轮转速，ｒａｄ／ｓ 电机实际输出扭矩，Ｎｍ一虬ＬＥ』甜负载功率需求，ＫＷ 电机功率需求，ＫＷ 发电机功率，ＫＷ ．电池的开路电压，Ｖ 电池电流，Ａ 电池的电动势，Ｖ 电池的内阻，欧姆 电池功率，ＫＷ 已使用的电池电量，Ｊ 电池的效率一 一一ＤＲｋ瓯叩符号说明ｒ电池组温度，Ｋ 电池组因功率损耗而产生的热量，， 电池组通过箱体的散热量，‘，鲒 瓯％‰ 乙％电池组的质量，堙电池组的比热容，，?（姆?Ｋ）４电池箱内空气温度，Ｋ 电池模块的等效热阻，欧姆 电池箱外空气温度，Ｋ‰％电池箱空气流量速度，堙／ｓ钆＾ Ａｆ空气的热容蹙，Ｊ?（幻?Ｋ）‘１空气的导热系数 电池模块的导热系数 电池箱厚度，ｍ 电池模块总的表面积，ｍ２ 车辆行驶速度，ｍ／ｓ 前轮轮胎切向力，Ｎ彳咋％ｏ后轮轮胎切向力，Ｎ 前轮轮胎垂直力，Ｎ 后轮轮胎垂直力，Ｎ 轮胎的圆周速度，ｍ／ｓ％ｏ一吃ｌｌ符号说明 匕 车辆的纵向速度，ｍ／ｓ 车辆的横向速度，ｍ／ｓ 车轮侧偏角，ｔａｄ 车轮角速度，ｒａｄ／ｓ 车轮对地面作用圆周力，Ｎ 地面对车轮产生反作用力，Ｎ 车轮半径，ｍ 轮胎纵向刚度 为轮胎横向刚度 车轮的附着率 滑移率 滚动阻力，Ｎ 空气阻力，Ｎ 坡道阻力，Ｎ 加速阻力，Ｎｂａｑ磊 互ｒＫ，： Ｋ４Ｊｃ‘ＳＦ｜Ｆ。ＥＦｌｆ道路的坡度，口。 来自道路循环行驶工况的期望车速，ｍ／ｓ 整车需求扭矩，Ｎｍ 液力变矩器的输出扭矩，Ｎｍ 输山转速，ｒａｄ／ｓ 发动机的扭矩需求，Ｎｍ％％ｈｔｃ．―ｔｒｑ――ｏｕｔｈｔｃ――ｓｐｄ――ｏｕｔＴ――ｔｒｑ――ｅｎｇＩＩＩ符号说明ｈｔｃ――ｓｐｄ―．ｉｎ液力变矩器的输入转速，ｔａｄ／ｓ 前轮转速，ｒａｄ／ｓ 发动机开关信号 档位信号ｗｈｅｅｌ―ｓｐｄ―ｌｅｎｇ――ｅｎａｂｌｅｇｏ――ｎｕｍｂｅｒ以ｐ变速器输出轴转速，ｒａｄ／ｓ 变速器输入轴转速，ｒａｄ／ｓ 变速器减速比 变速器输出轴扭矩，Ｎｍ 变速器输入轴扭矩，Ｎｍ 变速器中由于摩擦引起的扭矩损失，Ｎｍ 变速器中由转动惯最引起的扭矩变化量，Ｎｍｎｖｉ弘％ ％ 乙 ％Ｉｓ变速器的转动惯量，ｋｇ?ｍ２ 变速器的效率 电机晟大输出扭矩，Ｎｍ 发动机最优输出扭矩下限，Ｎｍ，７９乙一ｆｃ――ｔｒｑ――ｏｐｔ――ｌｏｗＳＯＣ――ｌｏｗ电池的ＳＯＣ下限 发动机最优输出扭矩上限，Ｎｍ 发动机的最大输出扭矩，Ｎｍ 发屯机的输出扭矩，Ｎｍ 发动机的最优输出扣矩，Ｎｒａｆｃ―ｏｐｔ―ｈｉｔ一乙一鲫瓦一啊ＩＶ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。学位论文作者签名： 年月 日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 本授权书。 指导教师签名： 年月 日年解密后适用学位论文作者签名：年 月 日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：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 目第一章绪论第一章绪论１．１混合动力汽车的开发背景及意义能源与环保是人类发展面临的主要问题，也是世界汽车工业面临的两大核心问题。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同益加剧了世 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ＣＯ的８２％、ＮＯ，的４８％、ＨＣ的５８％和微粒的８％来自汽车尾气【¨，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。 为此，各国政府纷纷制定相应的对策，力图开发新一代的清洁能源汽车。 从上世纪９０年代开始，全球各大汽车公可首先把目光投放到电动汽车上。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、价格等方面的缺吲２３，４】，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。以氢为燃料的燃料电池电动汽车 是汽车远期发展的目标。作为向纯电动汽车转型的过渡产品，混合动力汽车是 近期、中期汽车发展的重点。 国外大汽车公司在混合动力汽车研发方面起步早，取得了显著的成果，日 本汽车公司尤其显得突出。上世纪七十年代，受石油危机影响，一些大汽车公 司开始研发电动汽车和混合动力汽车。丰田汽车公司在１９７７年推出了其第一辆 混合动力原型车ＴｏｙｏｔａＳｐｏｒｔ８００。此后随着世界能源供应形势的好转，混合动力汽车的开发工作一度波澜不兴，到１９９７年，丰田公司再度连续推出Ｃｏａｓｔｅｒ 混合动力客车和Ｐｒｉｕｓ混合动力轿车两辆商品化样车，其中Ｐｒｉｕｓ于２０００年 开始投放日本本土、北美和欧盟市场。紧随其后的同本本田汽车公司和同产汽 车公司也于１９９９年分别推出了Ｃｉｖｉｃ和ＴｉＲＯ混合动力轿车，Ｃｉｖｉｃ在本世纪第一章绪论初进入市场。日本汽车公司以众多的产品遥遥领先，丰田、本田等公司已经决定在他们下一代主力车型上全方位装备混合动力技术。欧洲、美国公司正在奋 起直追，美国福特公司在推出的翼虎ＥＳＣＡＰＥ的基础上，还将推出Ｍａｒｉｎｅｒ、Ｆｕｓｉｏｎ、Ｍｉｌａｎ、ＭａｚｄａＴｒｉｂｕｔｅ四款混合动力系统；通用、戴克、大众、雪铁龙、雷诺、宝马、日产、现代、三菱等世界各大汽车公司也在同步开展数十款混合动力汽车的开发，并即将推向市场。从全球来看，混合动力汽车的发展已经渡过了量产的起步阶段，进入初期的快速增长阶段，产量逐年快速递增，总销量所占比重也迅速攀升。 在中国，近年来汽车业迅猛发展，导致的能源消耗和环境污染问题十分严 峻。２００４年中国汽车产量为５０７万辆，２００５年中国汽车产量为５７０万辆，２００６ 年汽车产量７２８万辆，中国汽车工业协会预测：２００７年，中国汽车产量将突破 ８００万辆，可能达到８５０万辆。２００４年，我国的石油消费量增加到３．１亿吨， 成为仅次于美国的世界第二大石油消费国，当年进口量为１．２亿吨。在３．１亿 吨的总消耗量中，车用燃油达到８１２０万吨，约占１／４。可以预见，随着汽车产 业的不断发展，石油消费量将会继续增加，如果不采取有效的措施，我国的能 源安全必将受到更严峻的挑战。环境污染方面，机动车尾气污染对大气污染的 “贡献＂分别为：一氧化碳６０％，氮氧化合物５０％，碳氢化合物３０％。国家环保 中心预测，到２０１０年，汽车尾气排放量将占空气污染源的６４％１５，６，７】。 出于国家可持续发展战略和中国汽车工业发展战略的考虑，中国在“十五’’ 国家８６３计划中设立了“电动汽车重大专项＂，分设混合动力汽车、纯电动汽 车和燃料电池汽车三个主攻方向。在８６３电动汽车重大专项的支持下，我国混 合动力汽车的研究开发取得一定技术突破，但尚未实现产业化。一汽、东风、 长安、奇瑞等汽车集团都已经开发出混合动力汽车样车。国内一些高校，如北京理工大学、清华大学、上海交通大学、同济大学、华南理工大学等也在进行混合动力技术的研究工作。１．２混合动力汽车的发展历史和现状１．２．１国外混合动力汽车的发展历史和现状２０世纪７０．８０年代两次世界性石油危机的爆发，使世界各主要工业国家重２第一章绪论新认识了电动汽车发展的战略意义，纷纷投入巨资开展电动汽车的商业开发应 用。自１９９２年沃尔沃推出了全球首辆混合动力车ＥＣＣ以来，各大汽车公司针对 不同市场和需求，纷纷推出了基于自己成熟平台的混合动力汽车。１．２．１．１日本丰田汽车公司是目前走在ＨＥＶ最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进 行ＨＥＶ研究的汽车公司之一。早在１９９７年，丰田就在世界上第一个推出了名 为Ｐｒｉｕｓ的ＨＥＶ，引起全球瞩目。第一代Ｐｆｉｕｓ每升汽油的行驶距离达到２８ｋｍ， Ｃ０２排放量比普通汽车减少、５０％，ＣＯ、ＨＣ和ＮＯ。的排放量仅为普通轿车的１０％。 几年来，丰田公司不断对Ｐｆｉｕｓ进行改良，把每升汽油的行驶距离从２８ｋｍ提高到２９．５ｋｍ户废气排放量也进一步减少。丰田Ｐｒｉｕｓ是全球首部实现量产、也是销’量最大的ＨＥＶ。 本田汽车公司独立研制开发的Ｉｎｓｉｇｈｔ混合动力车，已经实现量产。Ｉｎｓｉｇｈｔ 采用本田独特的混合动力系统ＨＩＳ，将发动机作为主要动力，电机作为辅助动力， 加上车身由质量轻的铝压材和树脂材组合而成，从而实现了世界最低的油耗（每 升汽油可行驶３５ｋｉｎ）、最洁净的排放（每行驶ｌｋｍ仅排放８０９Ｃ０２）和世界最高 水平的碰撞安全性能，是一种充分考虑到环境和安全并充分体现驾车乐趣的轻 便、实用型油／电混合动力汽车。另一款Ｃｉｖｉｃ搭载了１．３Ｌ汽油发动机和一台电 动马达，１Ｌ汽油可行驶２９．５ｋｍ。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的世界最高水平，并使尾气排放满足世界最严格的标 准。其它日本公司也推出了各自的产品。日产公司开发了ＴＩＮＯ、尼桑舢．ｘ、ＡＬＴＲＡ等多款混合动力汽车，并计划２００６年在美国推出ＡＬＴＩＭＡ油电混合动 力汽车。日野汽车制造公司也于１９９７年１２月１８日开发出了柴油机／电动并联式 混合型系统的客车。日本富士重工则将研制微型（６６０ｃｃ）混合动力型汽车作为 自己的主攻目标。目前，该公司已经制造出了试验用车体，采用了两种电池： 双层电容器和锰钾离子电池。其特色是依据不同的行驶状态，切换使用这两种 电池：另外，该设计又在车的顶棚装有太阳能吸收板，利用停车时间进行充电。 三菱电机公司也开发出轻型串联式混合动力电动卡车，采用两个Ａ Ｃ感应电机 和１ ８升的发动机。３第一章绪论 １．２．１．２美国９０年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合，并以混合动 力电动汽车为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组织各 大汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。１９９３年９月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国 “新一代汽车合作伙伴计划＂（ＰＮＧＶ计划），旨在开发新一代高效节能汽车。混３合动力电动汽车计划是１９９７年底美国重新确定的ＰＮＧＶ计划４个重点领域之一。 １９９３年和１９９６年，美国能源部分别与通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司签定了总额达３．６１亿美元的混合动力电动汽车系统开发子合同，并许下诺言：“至２０００年，一定要使混合动力汽车成为美国公路上司空见惯的车辆”。 随着ＰＮＧＶ计划的实旌，美国三大汽车公司迸行了一系列的整车技术开发和研】制工作。 通用汽车公司同时致力于串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力的研 制。在１９９８年１月的底特律北美国际汽车展上，通用汽车公司推出了ＥＶｌ型４ 座混合动力电动汽车。福特汽车公司己开发出福特Ｐ２０００型５座并联式混合动力电动汽车。此后又推出多款轻型４轮轿车，公司还计划到２００７年至少可以提供７款可供选择的混合动力汽车。 福特汽车公司在２０００年北美国际车展上推出了其开发的Ｐｒｏｄｉｇｙ混合动力 家庭概念车，该车采用福特Ｐ２０００ＬＳＲ混合动力系统、１．２Ｌ４缸柴油发动机和镍 金属复合电池，整车质量仅１０８３ｋｇ，比当前的家用轿车轻约４５０ｋｇ。百公里油 耗仅３．３Ｌ。在２００１年北美国际车展上，福特又推出爱仕（Ｅｓｃａｐｅ）混合动力ＳＵＶ 概念车，获得广泛关注。该车是福特准备在２００３年上市的混合动力ＳＵＶ的原型，非常省油，特别适合城市内行驶，加速性能可与装备Ｖ６发动机型爱仕媲美。爱仕ＨＥＶ在２００３年上市时，将是世界上最省油、最清洁的ＳＵＶ。福特公司也 成为第一个宣布混合动力ＳＵＶ生产计划的汽车厂家。福特公司预计，未来１０年内，ＨＥＶ将占汽车市场的１０％．２０％。福特新开发出的“优异２０１０”概念车 实验平台的性能已达到了ＰＮＧＶ计划的部分目标：每加仑汽油行驶８０英里。 戴一克公司计划在２００３年使ＨＥＶ实现商品化。该公司将最新研制的ＨＥＶ命名为“道奇?杜蓝高”ＴＴＲ，它是由在美国销售的大型ＳＵＶ“道奇?杜蓝高” 改造而来的。采用发动机驱动后轮，电动机驱动前轮。其３．８Ｌ的Ｖ６发动机能 够获得与５．８Ｌ的Ｖ８发动机相同的动力性能，并可节约燃料６５％，尾气排放也４第一章绪论大大改善。另外，戴一克公司还以奔驰的Ａ级车为参照车，试制了混合动力概念车―．Ｈｙｐｅｒ。该车为柴油发动机加电动机，４轮驱动。与原车型相比，Ｈｙｐｅｒ 具有更高的驾驶性能，同时节省了燃料费用。１．２．１．３欧洲欧洲也正在积极进行混合动力汽车的开发、研制及推广方面的工作。 标致雪铁龙（ＰＳＡ）集团认为，未来的世界必然是电动汽车的天下，但由今 日的汽车向未来汽车转变的过程中，必须准备多种技术方案，以便在未来的竞 争中处于有利地位。本着这个宗旨，ＰＳＡ集团在全电动汽车、混合动力汽车领 域进行着不懈的努力。已有多款全电动汽车和ＨＥＶ的商业型号投入市场。２０００ 年日内瓦车展上，雪铁龙公司又推出新型ＨＥＶ：Ｘｓａｒａ（萨拉），表明了他们在 这＿二领域的世界领先水平。萨拉是一款并联混合动力轿车，以雪铁龙的Ｅｓｔａｔｅ 加长型轿车为原型，配备一个５５ｋｗ的汽油内燃发动机和一个２５ｋｗ的电动机。 功率蓄电池额定输出电压为１６８Ｖ。萨拉的燃油消耗量及Ｃ０２排放量较普通车降 低３５％，一次行程可高达１０００ｋｒｎ。 法国雷诺公司研制的ＶＥＲＴ和ＨＹＭＭＥ两款混合动力电动汽车已在法国接 受了１００００ｋｍ的运行试验。并于１９９８年研制出电动（汽油）两用车，取名为 ＮＥＸＴ，样车已经向公众展出。这种电动汽油两用车前部装有一台汽油发动机； 两台７ｋｗ电动机装在两个后轮上。当时速在４０ｋｍ以下时，由电动机驱动；达 到４０ｋｍ以上时由汽油发动机驱动，同时可为电瓶充电，最大时速达１４２ｋｍ；若 再加速，此时电瓶会提供辅助动力，最高时速可达１６９ｋｉｎ。瑞典沃尔沃公司也 开发出基于沃尔沃ＦＬ６卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达９０ｋｍ。德 国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产的并 联式混合动力电动车Ｄｕｏ已小批量生产，现在德国己开始出租，预计４年内租 出５００辆。最近，德国汽车工业准备实＿旌新的排放标准和节能要求，将不允许 百公里油耗超过５升的轿车上路，这也促使人们更多地把希望寄托在混合动力 汽车上。１．２．２国内混合动力汽车的发展历史和现状我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，国家科技部已经将 其作为“十五”８６３重大专项的内容，相关企业如一汽、东风、上汽、奇瑞、长５第一章绪论安等纷纷宣布进入混合动力汽车领域，并推出多款车型，很多高校和科研机构 也相继展开合作，开展混合动力技术的研究。 ２００６年年底，科技部公布了“十一五”国家高技术研究发展计划（８６３计划） “节能与新能源汽车＂项目课题及承担单位评审结果，其中清华大学、北京理 工大学、一汽集团、东风、上汽、奇瑞、北汽福田等单位共有１３９个项目课题 入选，这表明，国家进一步明确“十一五＂期间新能源汽车技术的重点发展方向，新能源汽车技术发展已经成为迫在眉睫的问题。２００６年第九届北京车展期间，我国汽车企业共展示了９款自主品牌混合动力车型，吉利、奇瑞、华普、上汽都展示自己的混合动力汽车，其中有４款混合动力汽车已经确定将在国内市场投产１８Ｊ８。 一汽从１９９９年开始着手混合动力技术的研究。在２００１年４月１９日闭幕的第．３届北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿车一红旗ＣＡ７１８０ＡＥ，这是一汽汽车研究所、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 同合作的成果。２００２年在科技部的支持下，启动了混合动力城市客车研究开发 项目。历经三年多刻苦攻关，自主完成了功能样车，性能样车和产品样车三轮 开发，经国家“８６３”专家组等权威部门各种工况测定，各项性能指标均达到设计 目标，技术指标处国内领先、国际先进的水平。该项目不仅在整车集成技术、 整车控制技术、机械式自动变速箱（ＡＭＴ）、电机和电池关键部件以及整车试验 能力方面取得了重大突破，获得了国家１０余项专利。同时，混合动力技术的发 展将对相关产业的技术进步和产品结构调整起到带动作用。．东风汽车公司早在“八五”、“九五”期间，就展开了电动汽车的研发，立 足于开发拥有自主知识产权和自主品牌的清洁能源汽车，相继开发出中国第＿ 台拥有自主知识产权燃料电池电动客车，研制出中国第一台纯电动轿车概念车、 纯电动客车、纯电动富康轿车和混合动力公交车等车型。其中，混合动力城市 公交车和混合动力轿车项目，被列为国家“８６３”计划电动汽车重大专项。２００６年初，国家发改委批准东风混合动力公交车（ＥＱ６１１０ＨＥＶ）上市。这是中国首次 发布混合动力汽车生产企业及产品公告，标志着东风混合动力公交车具备国家产品生产销售资格ｐＪ。上汽集团股份公司在“十五＂期间已经通过“校企合作’’在新能源汽车的 研发领域取得一定成果，成功试制了二甲醚城市客车、混合动力城市客车、“超越三号”燃料电池、ＭＰＶ等概念样车，实现了桑塔纳３０００型ＬＰＧ单／双燃料轿６第一章绪论车、申沃ＣＮＧ城市客车、桑塔纳ＣＮＧ两用燃料轿车等车型批量投放市场，为 “十一五’’加快研发和应用新能源汽车奠定了重要基础。在“十一五’’期间， 新能源汽车项目将全面纳入上汽股份的自主品牌开发计划，上汽股份的新能源 汽车产业化分阶段目标是：在２００８年奥运会前，小批量投产自主品牌混合动力 轿车，并同步推进合资品牌的混合动力轿车以及公交客车的小批量生产；在２０１０ 年世博会前，规模投产混合动力轿车、客车，同时实现燃料电池轿车小批量示 范运行。上海大众将为２００８年北京奥运会生产５００辆混合动力轿车，用于奥运 会的各项主题活动，并预计在２０１０年上海世博会前实现规模投产。 奇瑞早在０３年就已经试制成功第一款在风云ＳＱＲ４８０发动机基础上改进的 混合动力车，且通过了国家８６３计划组的审查。目前，奇瑞公司正与英国纽卡斯尔大学所进行的项目也正是混合动力的项目，所以在未来很短的几年之内，这些项目将有一定的进展。 长安集团混合动力计划源于２００２年，当年长安组织人员进入了混合动力技 术的研究领域，这一研究也进入了国家８６３科研计划。 比亚迪公司研制的Ｈｙｂｒｉｄ．Ｓ串联混合动力轿车长３．５０米宽１．４５米高１．４８ 米，轴距２．３米，是一种可以乘坐四人的微型轿车。它的城市道路百公里油耗仅 ４升，０．１００公里／ｄ，时加速时间１３秒，最高时速１３０公里，废气排放大部分指 标巳超过欧ＩＩＩ标准。 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０４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”。在０５年的上海国际工业博览 会又推出了和上海华普汽车有限公司合作开发的“登程一号”混合动力汽车。１．３混合动力汽车系统的技术简介国际电工委员会（ＩＥＣ）定义混合驱动车辆（ｈｙｂｒｉｄ ｖｅｈｉｃｌｅ）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，至少一个储存器或转化器必须随车携带（ｏｎ ｂｏａｒｄ）。混合 驱动电动车辆（ＨＥＶ）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７第一章绪论（ＨＥＶ），它有多于一个的能量转化器可以提供驱动功率【１０１。’’按此定义混合动 力汽车可以有“油一电”混合、“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。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，由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合形式 的不同大致可以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）和复合式混合动力汽车【１１，１２，１３，１４，１５］四种结构。驱动娩―’电能…－主硅速幕图１．２串联结构图１．１并联结构１．３．１．１串联式混合动力汽车串联式布置结构比较简单（图１．２），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８第一章绪论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，具有良好的经 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以及屯池容量较大，’因而尺寸和质量较大，需要较大的布置空间，丽能量转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。 １．３．１．２并联式混台动力汽车 并联式布置结构（图１．１）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。Ｌ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１．３）：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，空间前ｉ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。 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。ｏ（ａ）双轴式扭矩台成（ｂ）单轴式扭矩合成（ｃ）转速合成 Ｅｃ．广一内燃机Ｂ一蓄电池Ｍ一电动废电机图１．３并联式混合动力系统的几种型式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。目自ｉ『对牵引力合成型并联混合动１０第一章绪论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 用轮彀电机的型式的开发和研究很少。１３．１．３混联式混合动力汽车 ＰＳＨＥＶ综合了串联式和并联式结构的特点，主要由发动机、发电机和驱动电机三大动力总成组成（图１．Ｓ），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ｌ＿４）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，时一日｝―自＃｝机＝要器。。‰！鉴器圈ｌ＿５混联结构可一ＢＰｏ―一ｍ《目配系‰⑥ＰＳＨＥＶ控制系统更复杂，是整车丌发的技术关键。１３．１．４复合式混合动力汽车 复合式结构一般用于职轴独立驱动系统（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。１３ １５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１１“。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第一章绪论两种形式，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＝Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ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。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＿种混合动力汽车都具备以下的一些共同点ｆ１７，１８ｌ （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Ｉｌ引。（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。（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 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ＨＥＹ已经１２第一章绪论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。１．３．３混合动力汽车仿真分析技术及多体动力学在汽车仿真中的应用１．３．３．１混合动力汽车仿真技术现状【１９’２０ｌ混合动力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，丌发 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）ＳＩＭＰＬＥＶＳＩＭＰＬＥＶ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）ＨＶＥＣＨＶＥＣ是由Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ美国国家实验室开发的仅用来仿真纯电动汽１３第一章绪论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）ＣＡＲＳＩＭＣａｒＳｉｍ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罩程测试时的数据 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）ＣＳＭ ＨＥＶＣＳＭＨＥＶ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―ＥＬＰＨｖ―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【２１１，像Ｖ－Ｅｌｐｈ～样，ＡＤＶＩＳＯＲ的代码也是基１４第一章绪论于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。 ＡＤＶＩＳＯＲ与前面提到的许多仿真软件一样，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 数据显示任何中问和最后结果。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。 １．３．３．２多体动力学在汽车仿真中的应用 汽车本身是一个复杂的多体系统，由于它的工作情况、使用环境的复杂多 变，给研究带来了很大困难。同时由于理论方法和计算手段的限制，该学科曾一 一度发展较为缓慢。电子计算机技术的迅猛发展，加快了多体动力学的发展步 伐。多体动力学方法是一种高效率高精度的分析方法。它的出现和发展使汽车 研究的力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型，模型的自由度数 由二个自由度发展到数十个自山度，甚至到数百上千个自由度。二十世纪八十 年代初，不仅有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种 针对汽车某一类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系统，涉 及汽车系统动力学的方方面面。八十年代中期是多体动力学对汽车动力学研究 推动最快的时期。国外各主要汽车生产企业和研究机构，使用了大量的多体系 统动力学分析软件，并与有限元分析、模态分析、优化设计等软件一起形成了 一个整体，同时集成了这些汽车公司在汽车设计、开发等方面的经验，逐步形 成整车设计软件包，在汽车设计开发中发挥了重要作用。 虽然多体动力学在汽车研究中得到了广泛的应用，但是在进行整车燃油经 济性仿真计算时，１．３．３．１中介绍的混合动力汽车仿真软件都是将汽车简化为一 个质点。汽车的质点模型不能反映出汽车悬架变形、车身俯仰，尤其是在加速、 减速、起步、制动工况较多的情况下，悬架伸缩、车身俯仰更为频繁。 多体系统动力学方程与单个质点的牛顿定律Ｆ＝ｍａ虽然在形式上类似，但 系统性质却不一样。对于单个质点，质点加速度与质点所受的力呈线性关系， 而在多体系统中，ｑ；与Ｅ是非线性关系【７２１。第一章绪论１．４本文的基本思路和主要工作内容本文的研究工作是以同济大学混合动力汽车相关课题为背景。 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。 本文的研究正是通过分析混合动力汽车仿真研究的现状，论述了目前混合动力汽车燃油经济性仿真的不足以及多体动力学的优点，以此为出发点在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真环境中建立多体系统模型，随后利用此模型分析混合动力 汽车燃油经济性。本文将以此为基础，展开以下工作： （１）对混合动力系统及子部件的特性进行分析，采用实验建模为主、理论 建模为辅的方法，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境中建立混合动力汽车的前向仿真模 型，为后面的仿真研究提供必要的平台。 （２）建立车辆纵向动力学模型，包括轮胎模型和行驶动力学模型。基于 ＧＧｉｍ模型，建立轮胎的仿真模型。应用拉格朗日方法，建立三刚体五自由度的汽车多刚体模型，并在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩ删ＬＩＮＫ环境下搭建了整车动力学计算模块。 （３）基于建立的质点模型和多体系统动力学模型，针对多个工况通过对比 仿真，研究质点模型与多体模型在整车燃油经济性仿真计算的差异。然后又逐 个分析了悬架刚度，车身转动惯量，轴距，质心高度等参数对燃油经济性的影 响。１６第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模２．１前言随着计算机技术的飞速发展，计算机仿真已经成为研究复杂工程问题的有 力工具瞄ｌ。对混合动力系统的仿真分析有助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，快速验证控制策略，减少不必要的样车制造和实车实验，缩短开发周期，降低开发成本。目前混合动力汽车仿真有两种基本方法，即后向仿真和前向仿真。前向仿真可用于控制系统的设计，而后向仿真主要用于整车的性能分析。 混合动力系统的特性研究与建模是其动态仿真的基础与关键，精确高效的 模型是仿真成败的基础。因此，本节在研究混合动力系统性能及其他主要部件 的基础上，利用各系统及部件的实验数据，采用前向仿真建模法，以实验模型 为主、理论模型为辅，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境下，建立混合动力系统和汽 车其它主要部件的仿真模型。如表２．１所示为本文并联混合动力汽车仿真模型框图。蟹琢Ｉ“纽图２．１并联混合动力汽车仿真模型框图混合动力汽车仿真模型包括四部分，分别为动力系统模型、整车控制器模 型、传动系模型和车辆动力学模型。动力系统模型包括发动机模型、电机及其 控制器模型和动力电池模型；传动系模型包括变速器模型、驱动桥模型和制动第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模器模型；车辆动力学模型包括轮胎模型和纵向动力学模型。如表２．１所示，在仿真的每一时刻，将循环工况输入的车速与上～时刻由动力学模型计算出的车速相比较，求出差值，通过驾驶员模型将该差值转变为整车控制器的输入，和电池的ＳＯＣ等参数一起控制发动机、电机和制动器模型的扭矩输出，发动机通过传动系将扭矩传给前轮，电机直接作用于后轮，同时计算出电池的ＳＯＣ，最后通过纵向动力学模型计算出车速，并将该车速反馈给驾 驶员模型。下面将具体说明建立各模型的方法。２．２混合动力汽车系统的特性研究与建模２．２．１发动机特性研究与建模发动机是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。由于发动机自身特性的显著非线性，真实模型相当复杂。 目前常用的发动机建模方法有实验建模法和理论建模法［，２４，２５，２６ｌ。 理论建模法基于理论分析，具有通用性好、精度高等特点，但模型复杂， 计算量大。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，但这种模型不能够反映发动机的 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。表２．１ 混合动力汽车发动机主要参数型式 排量 发动机 最大功率 最大扭矩 油耗 排放顶置双凸轮轴十六气阀多点电１５８７ｍｌ６８ｋｗ／５７５０ｒｐｍ １４２Ｎ．ｒｎ／４０００ｒｐｍ由相关部门提供 由相关部门提供第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模根据本文需要，这里只建立发动机的实验模型。发动机的具体参数见表２．１，发动机的相关实验数据已在台架上测得，这里直接引用。发动机模型的输出有发动机扭矩瓦、燃油消耗量肌，和排放（ＣＯ，ｔｌｃ，ＮＯｘ），要求输入量为驾驶员油 门开度（即发动机扭矩需求亍一ｒｅｑ―ｅｎｇ）和与传动系相连的转速输入ｈｔｃ―ｓｐｄ―ｉｎ。发动机模型的输入输出关系如图２．２所示。Ｔ．．ｒｅｑ―．ｅｎｇ互ｍｆ胁ｃ一叫一ｉｎＣＯ脚ｅＮＯ，图２．２发动机模型的输入输出关系对于混合动力系统，发动机控制的目的是尽可能让其工作于高效区，我们 最关心的是外部控制变量，因此，建模的主要工作是建立发动机扭矩需求 Ｔ―ｒｅｑ―ｅｎｇ与发动机扭矩特性关系的模型，以及发动机燃油消耗和排放特性模 型。对此，发动机仿真模型可由以下三个模块组成：扭矩计算模块；燃油消耗 量计算模块；排放计算模块。 对某一发动机通过实验测得不同转速％和油门开度），，下的发动机扭矩，建 立扭矩对转速和油门开度的ｍａｐ图，同样可以测得对应转速和油门开度下发动 机的比油耗及排放，建立相应的ｍａｐ图。通过查表可以获得任意转速和右门开 度下发动机的油耗和排放１２７１，再按照式２．１和２．２计算发动机总的油耗和排放。 图２．３和 图２．４为扭矩特性图。图２．５为发动机模型的顶层框图。本文的发动机模型主要基于文献的工作１２７１。油耗Ｑ通过下式计算：Ｑ＝ｆｂ?ｄｔ，（２．１）排放ａｅｍ确（ｅｍｉｓｓｉｏｎ分别为ＣＯ，ＨＣ，Ⅳｑ）用下式计算：彳。ｆ＝阽’ｄｔ（２．２）１９第二章混台动力汽车系统的特性研究与建模｛－《蕃ｊ幽２ ３发动机扭矩的转速特性＼～攀图２ ４发动扭矩三维插值图图２ ５发动机模型顶层系统框图２．２．２电机的特性研究与建模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。 电机建模也有实验建模和理论建模两种方法，与发动机建模类似，本文的 电机建模也采用实验建模法，重点放在电机模型的输入输出特性上，而略去其 内部复杂的物理过程【２５’２６捌。根据电机扭矩控制指令ｔ珊和后轮转速（电机转 速）‰，计算电机实际输出扭矩Ｌ，电机及其控制器模型的输入输出如图２．６ 所示。图２．７为电机效率的三维插值图，图２，８为电机模型的顶层框图，本文的第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模电机模型主要基于文献的工作【２７，２８ｌ。互撑电机％图２．６ 电机及其控制器模型的输入输出关系图２．７电机效率三维插值图图２．８电机模型的顶层框图２１第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模２．２．３动力电池特性研究与建模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，所以在混 合动力系统中，电池可能是最难以建模的１２９，３０，３ｎ。由于电池在充放电过程中伴随 有复杂的电化学反应，使得其电化学特性是一个与各种随机变量相关的高非线性函数。由于热动力效应或量子效应的影响会导致不同载荷下电压变化率酶变化，理论模型很难模拟这种效应。实际上，电池动态模型的建立一方面要从分 析它的内在机理出发，另一方面还要借助试验测试来拟合非线性变量之间的关系，１２９１，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１３２１０本文电池模型采用与发动机建模相同的方法，其输入输出的关系如图２．９ 所示，输入为负载功率需求ａｃｃ 机功率输入ｇｅｎ 电。池的ＳＯＣ。 吒Ｉ ｐｗｒ ｅｌｅｃｐｗｒ、电机功率需求Ｐ ｍ辞２ｂａｔ及发电ｏｕｔ三者之和，输出为电池的开路电压Ｕ。、电池电流，。及ａｃｃ．．Ｐｌｅｅ．．ｐｗｒ Ｐ―ｍｏｔ２６ａｔ ｇｅｎ―．Ｐｗｒ．．ｏｕｔＵ池Ｉ４ＳｏＣ图２．９电池模型的输入输出关系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民随电池荷电状态ＳＯＣ变化关系的实验测试结果【３３１。其等效电路如图２．１０所示。％图２．１０电池等效电路图第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模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Ｅ嗍和电池荷电状态ＳＯＣ计算电池的内阻、电压、电流和下一时刻Ｓｏｃｏ研究表明电池的内阻民和开路电压眈是主要由电池荷电状态决定【２５’２９］，用函数关系是可表示为２．３式，该函数为通过实验数据建立的插值函数。Ｊ凡｝五∽ｃ，丁）（２．３）ｌ玑一厶（ｓｏｃ，丁）。电池的电流，口可以根据只瑚、Ｒ。和虬计算，表达式如下：Ｌ一坚簪ｋ一半（２．４）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Ｕ一， 因此，相应的其电流不能超过最大电流值，ｍ缸：娩５，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￥０Ｃ，电池的ＳＯＣ采用安时累计法计算【３０，３２ｌ，计算式为２．６，应当注意的是当电池处于充电状态时，表达式中瓯修正为，７如，ｒ／为电池的效率：ＳＯＣ＝Ｓ％一瓦ＱⅢ＝ＳＯＣｏ一警娩６，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 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Ｑ哪加（Ｊ）、电池组通过箱体的散热量为瓯喇（Ｊ），则Ｚ的表达式为：ｒ；ｒ塾￡坠勘（２．７）第二章混台动力汽车系统的特性研究与建模式中，％、‰分别为电池组的质量（船）和比热客 （，?（七ｇ Ｋｒｌ） 电池组因功率损耗而产生的热量为瓯一。通过下式计算‰１敝端枞枷电池组通过箱体的散热量为如州用下式计算：（２．８）如一‘警算式如下；ｃｚ，，式中，７≥电池箱内空气温度（Ｋ），吒为电池模块的等效热阻，它们的计。。；％叫矧一１眩㈣式中，Ｔｋ为电池箱外空气温度（Ｋ），ｍｏ，为电池箱空气流量速度（蛔Ｉｓ），ｃ，盯为空气的热容量（Ｊ?（堙?Ｋ）－１），ｈ为空气的导热系数，＾为电池模块的导热系数，ｒ为电池箱厚度（埘）Ａ为电池模块总的表面积（ｍ２）。 至此，由以上函数关系可以建立完整的动力电池模型，如图２．１１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（２０Ｃ９）ＩｌＩＩ芏｜２ １１电池模型的顶层框图第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模２．３车辆控制器模型．车辆控制器（ｙｏｕ）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。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Ｓ０ｅ、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２．１２为车辆控制器的ＳＩＭＵＬＩＮＫ顶层模 块框图，表２．２是所用逻辑门限控制策略所涉及参数。图３．１２车辆控制器ＳＩＭＵＬＩＮＫ顶层模块框图第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模 表２．２静态逻辑门限控制策略参数说明２．３．１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（图２．１３） 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。其计算规则如下：图２．１３力矩分配器模型框图１．如果：ｖｅｈ＿ｓｐｄ＜ｖｅｈ＿ｓｐｄ。ｉｎ，且Ｔ』ｑ＜＝Ｔｍ．觚，则：ｅｎｇ＿ｔｒｑ。ｑ＝０，ｍｃ＿ｔ‘ｑ，ｑ＝Ｔ＿ｒｅｑ。２．如果：ｖｅｈ＿ｓｐｄ＜ｖｅｈ＿ｓｐｄ，ｍ。，且Ｔ－ｒｅｑ＞Ｔｍ＿ｍ“，则：ｅｎｇ＿ｔｒｑ。ｑ ２ｋ。Ｔｍ＿一，ｍｃ－ｔｒｑｆｃｑ２Ｔｍ－一。３．如果：ｖｅｈ＿ｓｐｄ苫ｖｅｈ＿ｓｐｄ。ｉｎ，且Ｔ－ｆｅｑ＜Ｔ舶ｇ～，则：ｅｎｇ＿ｔｒｑｒｃｑ＝Ｔ＿ｒｅｑ，ｍｃ＿＿ｔｒｑ嘲＝０４．如果：Ｔ－ｒｅｑ＞ｋ．眦，则：ｅｎｇ＿ｔｒｑ嘲＝Ｔｍ．眦，ｍｃ．＿ｔｒｑｎ。ｑ－－－－Ｔ＿ｒｅｑ‘ｋ一ｅｎｇ＿ｔｒｑ。ｑ＝Ｔ＿ｒｅｑ’Ｔｉｎ＿ｍ６．５．如果：ｄＶ＞ｄｋ陆，’且Ｔ－－ｒｅｑ＞Ｔｍ ｍａｘ＋ｅｎｇ＿ｔｒｑ＿ｐｒｅ，则：ｍｃ＿ｔｒｑｒ啊＝Ｔｍ－眦，如果：ｄＴ＿ｒｅｑ＜０，ｅｎｇ＿ｔｒｑｆｃｑ＝Ｔ＿ｒｅｑ－ｍｃ＿ｔｒｑ咖则：ｍｃｔｒｑ，ｅｑ＝ｍａｘ（Ｏ，ｍｃ＿ｔｒｑｐ。＋ｄＴ＿ｒｅｑ），２．３．２工作模式的判断如前所述，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Ｔｒｅｑ以及车辆动力学模型输出的车速比，判断。第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模 表２．３工作模式判断规则 条件 工作模式判断驱动 制动乙＞０Ｚ。ｓ０＆ｖｅｈ―ｓｐｄ＞ｖｅｈ―ｓｐｄｓⅢ， ０＆ｖｅｈ―ｓｐｄ ｓｖｅｈ―ｓｐｄ，加Ｚ。５停车２．３．３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ｊ发动机和虎机同时 工作。 １．如果： ｅｎｇ＿ｔｒｑ嘲＞ｅｎｇ＿ｔｒｑ＿ｈｍ或ｍｃ＿ｔｒｑｒｃｑ－＝０＆ｅｎｇ＿ｔｒｑｒｅｑ－－０，且ＳＯＣ＞ＳＯＣｈ ｌｉｍ，则：发动机和电机协同驱动，ｅｎｇ＿ｔｒｑ＝ｅｎｇ＿ｔｒｑｒｃｑ，ｍｃ＿ｔｒｑ２ｍｃ＿ｔｒｑ，蜘。２．如果：ｅｎｇ＿ｔｒｑｆｃｑ＜ｅｎｇ＿ｔｒｑ＿ｈｍ，ｅｎｇ＿ｔｒｑｒｅｑ一＝０，ｍｃ＿ｔｒｑ嘲＝＝０，则：发动机驱动，ｅｎｇ＿ｔｒｑ＝ｅｎｇ＿ｔｒｑ嘲，ｍｃ＿ｔｒｑ＝０。 ３．如果：ｅｎｇ＿ｔｒｑ嘲＝＝０，ＳＯＣ＞ＳＯＣｋ，，，ｌｉｍ，且ｖｅｈ＿ｓｐｄ＜ｖｅｈ＿ｓｐｄｍｉｎ，则：纯电动 驱动（电机驱动），ｅｎｇ＿ｔｒｑ＿ｒｅｑ＝０，ｍｃ＿＿ｔｒｑ＝ｍｃ＿ｔｒｑｆｃｑ。 ４．如果：ＳＯＣ＜＝ＳＯＣｌｏ＿，胁，则：发动机和发电机工作，ｍｃ＿ｔｒｑ＝０，ｅｎｇ＿ｔｒｑ＝Ｔ＿ｒｅｑ＋ｇｅｎ＿ｔｒｑａ５．如果：ＳＯＣ＜ＳＯＣｈⅡｌｉｄ，ＳＯＣ＞ＳＯＣ帅Ｉｉｍ，ｅｎｇ＿ｔｒｑ嘲＜ｅｎｇ＿ｔｒｑ＿ｌｍ，且ｅｎｇ＿ｔｒｑ。ｑ一＝０＆ｍｃ＿＿ｔｒｑ嘲＝＝０，则：发动机和发电机工作，ｅｎｇ＿ｔｒｑ＝Ｔ＿ｒｅｑ＋ｇｅｎ―ｔｒｑ，ｍｃ＿＿ｔｒｑ＝０。２．３．４制动模式动力部件运行状态的控制规则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。１．如果：ａｂｓ（Ｔ，．，。）＜乙一。。＆ＳＯＣ＜ＳＯＣ，劬一ｌｉｍ，则：再生制动，ｍｃ＿＿ｔｒｑ＝％。２．如果：ＳＯＣ＞＝ＳＤｃ＾动一Ｉｉｍ，则：摩擦制动２８第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模３．如果：ａｂｓ（Ｔ。ｑ）＞乙一一＆ＳＯＣ＜ｓＤ％一缸，则：再生制动加摩擦制动，ｍ吖ｒｑ＝ｌ＿眦．ｍ２．４轮胎模型汽车的动力性能受多方面因素的影响，．其中轮胎的影响最大，它直接决 定了产生地面动力的大小，所以轮胎在车辆动力学中占有重要的地位【３４’３５１。 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。 一般地在力矩丁作用下车轮与地面产生相互作用，车轮对地面作用圆周力 瓦的同时，地面对车轮产生反作用力Ｅ，Ｚ为驱动力矩时Ｅ与车轮前进方向一 致，否则相反。 本文采用Ｇ．Ｇｉｍ理论模型。根据车辆行驶时制动和驱动不同，首先定义纵、 横向滑（转）移率为： 上二兰＞０Ｓ，＝ 匕６，口勋兰二生＜０Ｋ扒ｗ（２．１１）ｓ。。¨ｔａｎｓａ，Ｉ Ｉ）．１ｔａｎ叫ｂ咖ｒａ知ｋｅＰ式中，（２ｍ）ｌ，。――轮胎的圆周速度；１，，――车辆的纵向速度；ｙ，――车辆的横向速度； 口――车轮侧偏角，定义为：口＝ａｒｃｔｇ（ｖｒ Ｉｖｘ） 考虑轮胎受纵向和横向作用力，定义车轮的附着系数：（２．１３）９一％（１一Ａ?Ｓ。）（２．１４）式中，彳２旧沪２９汜㈣第二章混合动力汽车糸统的行任研氕与建俣Ｓ埘一届可％――轮胎与路面的静态摩擦系数；车轮的纵、横向及综合附着系数为：（２．１６）＆――为滑移率的联合参数；吼叩砉叫ｃｏｓａ 旷驴。专叫豇脓驴２√眨＋何厂了―＿Ｆ。２肿， 。２邯，（２．１９）接触区滚动、滑动临界点：ｐ壶腼可研滑移临界点：旺加，Ｓ。＝蜒肛，侧偏临界点：（２．２１）Ｓａｃ＝惫孵式中，旺２２，墨一轮胎纵向刚度；疋――为轮胎横向刚度。令Ｚ．－－１一Ｓ。，则轮胎与路面间的纵向力为：Ｅ＝｛象乏砰＋吼只（１―３砰＋２ｆ：） 量二乏。２．２３，第二章混台动力汽车系统的特性研究与建模２．５混合动力系统其它子系统模型 ２．５．１驾驶员模型 驾驶员模型实际上就是一个油门踏板开度模型闻，根据实际情况可能是加速，也可能是制动，其实质就是一个车速控制器，使车速达到期望车速，如图 ２１２，模型中采用一个ＰＩｐ控制器，根据输入的来自道路循环行驶工况的期望车 速‰与来自汽车动力学模型输出反馈的实际车速“计算出需求力矩王。，并将信 号传递给车辆控制器。刚２ １２驾驶员模型的顶层框幽２．５２传动系模型２１液力变矩嚣模型 液力变矩器由于有良好的传动比转换性能，操纵方便，已越来越多的应用２ ５于现代小轿车上。液力变矩器主要由随发动机曲轴转动的泵轮、与变速器输入 轴一起转动的涡轮和固定不动的导轮三个元件组成。由于其结构复杂，且依靠 液体介质的流动来进行工作，使其输出特性很复杂，且容易受其它因素的干扰 【切，通用的理论模型较难建立。 基于以上原因，仿照前面建模的方法，重点放在液力变矩器模型的输入输 出特性上，建立实验模型。根据混合动力系统控制分析的需要，液力变矩器模型的输入输出如图２ １３所示，输入为液力变矩器的输出扭矩＾ｆｃ―ｔｒｑ―ｏｕｔ和输￥转速ｈｔｃ一叫一ｏｂｔｔ，输出为发动机的扭矩需求Ｔ入转速＾把ｓｐｄｔｒｑ―ｅｎｇ及液力变矩器的输 ｉｎ。图２ １４为液力变矩器模型的顶层框图。第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模量囤２ １４液力变矩器模型的顶层框图Ｔ～呻一ｅ豫图２ １３液力变矩器模型的输入输出芙系黑蔓’除越絮 同＞＿―幅Ｌ―＿ｊ““…“““２５．２．２壹逮器模型ｐ¨ 变速器主要起减速增矩的作用，在整车的仿真计算中，变速器传递的是扭矩和转速的信号。目前常见的变速器主要有手动变速器、电子控制机械式自动变速器（ＡＭ７）、液力自动变速器（盯Ｊ和无机变速器（ＣＶＴ）等四种类型。本文中选用的是ＡＴ，以下将以此为基础，建立变速器仿真模型。液力自动变速器 的建模包括两部分：机械传动模型和换档控制策略模型，其中机械传动模型也 包括两部分，液力变矩器模型和行星齿轮系统模型。由于前面已建好液力变矩 器模型，下面只建立行星齿轮系统模型和换档控制策略模型。 在进行仿真计算时，主要考虑的是它的扭矩变化和损失以及速度变化。根 据混合动力系统分析的需要，变速器模型的输入输出关系如图２ １５所示，输入第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模为来自液力变矩器的扭矩瓦和转速ｎ加输入，车速ｖｅｈ―ｓｐｄ，前轮转速 ｗｈｅｅｌ―ｓｐｄ一厂，发动机开关信号ｅｎｇ―ｅｎａｂｌｅ以及档位信号ｇｂ―ｎｕｍｂｅｒ，输出 为扭矩输出和转速输出。瓦 ％％ｖｅｈ一瘁珂变速器露憎ｗｈｅｅｌ一印ａ―ｊ ｅｎｅ一寥Ｍ６妇 ｇｂ．ｍ‘辫ｔｂ耵图２．１５变速器模型的输入输出关系Ｉ．行星齿轮系统模型 转速计算模型：以驴＝刀∥／ｉＦ，式中，订护为变速器输出轴转速，万∥为变速 器输入轴转速，ｆ弘为变速器减速比。 扭矩计算模型：在扭矩的计算中包括由减速比引起的扭矩的变化、转动惯 量引起的扭矩变化和摩擦引起的扭矩的变化。在建立计算模型时，考虑到车辆 为混合动力电动车辆，分为如下正常行驶工作状态和制动能量回收两种工作状 态。 （１）正常行驶工作状态：ｒ，ｏ＝乙。ｆ萨一乙一乙（２）制动工作状态：（２．２４）Ｚｇｉ＝乙／ｉＦ＋乙一％（２．２５）式中，乇为变速器输出轴扭矩，ｔ；为变速器输入轴扭矩，％为变速器中由于 摩擦引起的扭矩损失，乙为变速器中由转动惯量引起的扭矩变化量：乙＝，ｇ．?ｄ（ｎ∥）／ａｔ式中，Ｊ。为变速器的转动惯量。（２．２６）第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模在计算摩擦损失的时候，也要考虑正常行驶和制动能量回收两种状态。 （１）正常行驶工作状态（２）制动工作状态％；剖 ％。掣、旺２７，旺２８）式中，，７譬为变速器的效率。 ＩＩ．换档控制策略模型 换档控制策略是汽车在不同时刻选择不同档位的方法。它是自动变速器的 核心技术，会直接影响到汽车的动力性、经济性和乘坐的舒适性【２４】。在进行仿 真时采用发动机负荷率进行换档，其控制流程如图２．１６所示。图２．１６控制流程图具体换档操作如图２．１７所示，图示的虚线为换档控制线，带有数字的曲线 表示效率等高线，带有Ｘ的最上面的曲线表示发动机最大扭矩包络线。当发动 机的当前工作点（它所对应的转速和扭矩点）落在左边虚线的左方时，则表明 车辆需要升档；当发动机的工作点落在右边虚线的右方时，则表明车辆需要降 档。第一章混合动力汽车系统的特性研究与建模１００∞６０‰０Ｌ∞０２ ０００３０∞ｔ‘…ｉｎ４０００５∞０６ ０００图２．１７换挡原理圉综合以上可建立变速器的仿真模型，图２．１８为自动变速器模型前顶层框图。图２ １８自动变速器模型的顶层框图２．５．２．３驱动桥模型 驱动桥主要部件是主减速器。其功用是将万向传动装置传来的发动机扭矩 和转速通过驱动桥传到驱动车轮，实现降速、增大扭矩。它只有一个传动比， 输入没有档位选择指令。如图２ １９所示，驱动桥模型的输入为变速器的扭矩输 入和转速输入，输出为输入到后桥驱动轮的扭矩和转速。由于模型的输入输出第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模关系简单，这里不再列出各项公式。互ｎｋ‰驱动桥一Ⅲ图２．１９驱动桥模型的输入输出关系２．５．３附件模型在实际的车辆中，车载附件也要损耗来自发动机的能量，如照明，雨括，空调以及电动真空泵，电动转向等等。为了更好的模拟实际情况，车载附件损耗的能量就必须折算成发动机的油耗及其产生的排放。车载耗能附件可分为机 械附件与电气附件两类，附件功率可通过估算或实际测试测得。由于车载耗能 附件较多，且有些耗能附件无法模拟，比如照明，雨刮，因此，本文中附件模 型基于这样一个假设，将所有耗能附件看成一个附件，并以某恒定的功率工作。 由于模型简单，这里不再列出框图。２．６本章小结本章采用实验为主、理论为辅的方法，基于各部件的实测数据，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境中建立了并联式混合动力系统及汽车其他主要部件的 前向仿真模型，为整车控制策略的动态仿真和开发提供－ｆ，ｇ，要的平台。本章主 要工作包括：（１）基于实测的性能试验数据，采用查表的方法，建立了发动机扭矩需求与扭矩输出特性、燃油消耗以及排放模型：电机扭矩特性和效率特性模型；基于电池内阻随电池ＳＯＣ变化关系的实验模型。基于实验数据的建模方法可以十分精确的反映部件稳态特性，对于以分析燃油消耗为主的仿真，模型的精度是足 够的。（２）简要介绍了车辆控制器模型的功能和常用的输入输出参数，并介绍了在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境下的实现方法。 （３）对轮胎进行了力学分析，在考虑了轮胎纵滑特性的基础上建立了轮胎的第二章混合动力汽车系统的特性研究与建模仿真模型。应用汽车行驶动力学方程，建立了车辆纵向动力学模型。 （４）建立了基于ＰＩＤ控制的驾驶员模型。建立了汽车传动系模型，包括：液 力变矩器，变速器，以及驱动桥。在基于恒定功率工作的基础上，建立了恒功 率附件模型。３７第三章多体系统动力学理论及整车多体模型的建立第三章多体系统动力学理论及整车多体模型的建立３．１多体系统动力学简介３．１．１多体系统动力学概述多体系统动力学，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多 体系统运动规律的学科。这种多体系统一般由若干个柔性和刚性物体相互连接 所组成。多体系统动力学是在经典力学与计算机相结合的基础上发展起来的， 在发展过程中，结合了运动生物力学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机 械动力学等学科，成为一门具有广泛用途的新兴力学分支１３引。 在航天器、机器入、车辆、机械与兵器等工程领域中，系统的研究将面临 两大问题。一类是涉及这些复杂系统的结构强度分析。多少年来，由于计算结 构力学的理论与计算方法的研究不断深入，加之ＦＥＡ应用软件系统的成功开发 并已应用于工程结构的计算机辅助分析，因而大大地缩短了新产品的开发与设 计的周期。另一类问题是要解决这类复杂系统的运动学、动力学与控制的性态 问题。这类系统的特征是系统的各部件存在大范围的相对运动，这些部件相互 连接方式的拓扑与约束形式多种多样，受力的情况除了外力与系统各部件的相 互作用外，还可能存在复杂的控制环节，其共性是系统由存在相对运动的多个 物体组成，故称为多体系统。随着工业技术发展的需要，多体系统的构型越来 越复杂，规模越来越庞大。在运动学、动力学与控制性态的分析与优化中，如 何面对不同的拓扑、不同的约束、不同的受力与控制环节的多体系统，建立通 用的程式化的动力学模型，研究处理这些数学模型的计算方法，开发处理多体 系统动力学通用的软件系统，充分利用计算机的潜能是解决上述难题的唯一途 径【３８】。 多体系统动力学始于二十世纪六十年代。为了解决当时宇宙和机械领域的 工程问题，美国、德国和前苏联的一些学者丌始了多体动力学的研究，到了六 十年代末七十年代初，他们就提出了各自较为系统的理论和方法１３９，４０Ｊ。 与此同时，一些多刚体系统动力学分析软件也相继于七十年代初问世。在第三章多体系统动力学理论及整车多体模型的建立这一时期，多柔体系统动力学的理论研究工作已经展开【４ｌＪ。１９７７年，在德国慕 尼黑由国际理论与应用力学大会主持召开的第一次国际性多体系统动力学讨论 会；１９８３年，在美国依阿华由“北大西洋公约组织＂的高级学会主办了“机械系 统动力学计算机分析与优化讲习会＂，对多体动力学的发展起到了很大的推动作 用。１９８５年，在意大利的乌迪内，由国际机械与机构理论联合会联合主办的第 二次国}