论文总字数：32395字

摘 要

面对环境污染、全球变暖和能源短缺等世界性难题，汽车产业的迅猛发展与低碳经济时代之间的矛盾日益突显，多国开始制定严厉的排放法规来应对，汽车能源与动力的转型已是大势所趋。以纯电动汽车、混合动力汽车为主的新能源汽车的发展迎来了空前的历史契机， 而当前动力电池续航时间短、基础设施不完善等问题严重制约了纯电动汽车的研发与推广，使得兼具内燃机汽车和纯电动汽车综合优势的混合动力汽车成为现阶段最具实用价值的新能源汽车。

本文首先介绍了混合动力汽车的减排优势所在，并从其结构形式与混合度两个角度对其进行了分类。其次，介绍了当前对于混合动力汽车动力耦合装置及其能量管理控制策略的研究现状，以丰田普锐斯的行星齿轮混联混合动力系统作为主要研究对象，分析了行星式动力耦合装置的工作原理，引入了输入型、输出型、复合型功率分流混合动力汽车，并分析了它们的特点。对混合动力汽车的动力系统组成进行分析，建立了包括驾驶员、整车纵向动力学、准静态发动机、电机、电池充放电在内的混合动力汽车动力学模型；设计了一种基于确定规则的能量管理控制策略，分析了各工作模式下动力元件的功率输出状态，并以普锐斯整车参数为基础在MATLAB/SIMULINK平台完成了整车仿真试验。最后，以普锐斯为例，设计了一套演示用行星功率分流式动力耦合装置，并对齿轮和齿轮轴进行了设计校核。

关键词：混合动力汽车，功率分流，动力耦合装置，能量管理控制策略，MATLAB/SIMULINK

Abstract

With many worldwide problems such as environmental population, global warming and energy shortage occurring, the contradiction between the rapid development of automobile industry and the low-carbon economy era becomes evident day by day, many countries are carrying out tough emission regulations to avoid it. New Energy Vehicles, mainly refer to Battery Electric Vehicle and Hybrid Electric Vehicle, obtain the unprecedented historical opportunity to develop. But the short endurance of power battery and low infrastructure severely constrain the research and promotion of BEVs. On the contrary, HEVs become the most practical NEVs at current stage due to its comprehensive advantage.

This paper introduces HEV’s clean advantages and categorizes HEV from two different points of view, structure and the degrees of hybridization. Secondly, the research status of HEV’s power split device and energy management control strategy is introduced. The main object of the research is the planetary parallel-series hybrid powertrain system, whose working principle, classification and characteristic are analyzed. Then, the powertrain system is separated into several parts, each part’s dynamic model is built up, including a driver model, the longitudinal vehicle dynamics, a quasi-static engine model, a quasi-static MG model, an equivalent circuit based battery model. This paper also designs a rule-based energy management control strategy, analyzes the power status of different mode and finishes simulation based on Pruis’s parameters on MATLAB/SIMULINK. Finally, a planetary power split device is designed taking Pruis as an example, and strength review is applied to both gear and gear shaft.

KEY WORDS: Hybrid Electric Vehicle, Power Split, Coupling Device, Energy Management Control Strategy, MATLAB/SIMULINK

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景与研究意义 1

1.2 混合动力电动汽车的分类 2

1.2.1 按照动力元件联接结构分类 2

1.2.2 按照混合动力混合度分类 4

1.3 国内外混合动力汽车研究现状 5

1.3.1 混合动力汽车动力耦合装置研究 5

1.3.2 混合动力汽车能量管理控制策略研究 6

1.4 本文的主要研究内容 7

第二章 行星式混合动力系统分析 8

2.1 典型的行星式混合动力系统 8

2.2 行星式动力耦合装置的工作原理与特点 9

2.2.1 行星式动力耦合装置的基本原理 9

2.2.2 行星式动力耦合装置的分类 11

2.2.3 输入功率分配型动力耦合装置的特点 11

2.3 本章小结 13

第三章 混合动力汽车动力系统仿真模型的建立 15

3.1 混合动力汽车动力系统分析与仿真软件选择 15

3.2 仿真方法与动力学建模 15

3.3 驾驶员模型 16

3.4 整车及关键动力元件模型建立 17

3.4.1 整车纵向动力学模型 17

3.4.2 准静态发动机模型 18

3.4.3 电机模型 19

3.4.4 电池充放电模型 20

3.5 本章小结 22

第四章 混合动力汽车能量管理控制策略与仿真试验 23

4.1 混合动力汽车能量管理控制策略设计 23

4.2 仿真试验 28

4.2.1 整车仿真参数的确定与仿真模型的建立 28

4.2.2 仿真试验结果 29

4.2.3 仿真结果分析 33

4.3 本章小结 33

第五章 行星式混合动力耦合装置演示模型设计 34

5.1 行星式混合动力耦合装置主要设计参数的确定 34

5.2 行星齿轮结构设计 34

5.2.1 行星齿轮强度校核 34

5.2.2 行星齿轮轴设计 37

5.2.3 行星式混合动力耦合装置三维模型设计 38

5.3 本章小结 39

第六章 总结与展望 40

6.1 论文总结 40

6.2 展望 40

致 谢 42

参考文献 43

附录A 仿真试验主程序 46

绪论

选题背景与研究意义

汽车工业在国家经济与社会发展中有着举足轻重的作用，随着当前我国经济持续快速发展和城镇化进程的加速推进，居民人均收入水平的不断提高，汽车需求量在大幅上涨，根据中国汽车工业协会统计的数据，2017年我国汽车产销总量分别为2901.54万辆、2887.89万辆，即使在国内整体经济放缓的情况下，其同比增速仍超3%^[1] 。近年来，环境污染、全球变暖以及能源供应短缺等问题引发了全世界的关注。内燃机汽车依靠碳氢化合物类燃料的燃烧，以获得其驱动所必需的能量，但是由于燃料中的杂质和燃烧不充分导致汽车排出气体中含有碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、一氧化碳(CO)和悬浮粒子等污染物，不仅会造成大气污染，给生命造成危害，甚至是雾霾的形成主要原因之一。据资料显示，近几年我国石油消费年均增长率超过6%，而汽车消费原油约占总量的一半；欧盟国家所产生的二氧化碳排放量约占温室气体总排放量的20%^[2] 。在这个历史背景下，国内外汽车工业亟需蜕变，发展模式也要变革，节能减排与低碳经济已经成为全世界学术研究的重要议题之一，也是实现国家经济、社会可持续性发展的重要举措，传统燃油汽车已经不符合时代发展的需求，必须在有限的条件下实现汽车消费模式的变革，在以能源多元化、排放洁净化、燃料节约化为主要特征新能源汽车领域取得技术和产业化的突破，促成汽车能源及动力的快速转型。

我国非常重视新能源汽车的发展，2012年提出的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》就将节能汽车与新能源汽车的发展与推广作为首要任务，通过标准制定、财政补贴、基础设施建设、人才队伍建设等手段促进汽车产业转型升级，并规定到2020年新能源汽车累计产销量超过500万辆^[3] 。这一举措使得新能源汽车迅猛发展，据中国汽车工业协会的数据，2017年我国新能源汽车累计产销达到了79.4万辆和77.7万辆。另一方面，汽车排放标准的制定也将强烈刺激市场，降低汽车尾气排放。欧盟在2013年实行了严苛的欧六排放法规，美国于2010年开始执行等同于欧六的EPA2010排放法规，而中国也在2017年实施了国五标准，随之将来的是比国五标准严格40%到50%的国六标准，目前我国多地已经开始计划提前实施^{[4] [5]} ，这意味着节能减排战略已真正贯彻落实到汽车行业规范中，对降低汽车对环境的影响有着非常积极的作用。2018年4月1日，我国政府颁布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》(简称“双积分政策”)^[6] 。规定年度产能达到3万辆以上的传统车企都需要执行此办法，并且在2019年和2020年就要达到10%、12%的新能源车比例要求。这将进一步促进乘用车企加快推进新能源汽车的研发与生产，在财政补贴逐渐退坡后继续推动新能源汽车的发展。

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