9-2东风混合动力MPV开发及其扩展研究—毕业论文.doc

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1、1 东风混合动力 MPV 开发及其扩展研究* 【摘要】基于传统的二驱 MPV，通过嫁接混合动力技 术，可以使车辆在动力性、经济性、排放性和通过性方 面有大幅度的改善。本文论述了混合动力 MPV 的设计方 案，并通过仿真计算预测了设计效果，并提出了扩展研 究设想。 【关键词】四驱，混合动力，设计 Design of DF Four-wheel Driven Hybrid Electric MPV and Variation Research Xu Pingxing Dongfeng Motor Corporation , Wuhan, 430056 Abstract: Based on the

2、conventional two-wheel MPV, combined with the hybrid technology, the vehicle can gain significant improvement in dynamics, fuel economy, emission and road ability. This paper states the design of a hybrid electric MPV, predicts by simulation the effects of the design, and proposes a consideration on

3、 variation research. Key words: four-wheel driven, hybrid electric, 2 design 前言 随着技术的深化研究和市场环境的逐步成熟，混合动力技 术逐步向多种车型渗透，并形成了多种技术路线。 东风汽车公司较早介入混合动力汽车研究，并在核心技术 和产品开发方面取得了一系列的科技成果。继 2003 年国内首创 示范运营后，混合动力公交客车现已进入批量化生产阶段，混 合动力轿车也开始了生产准备，将于近期投入市场。 以并联方案混合动力客车和混联方案混合动力轿车为基础， 东风形成了混合动力汽车平台技术，并扩展开发了多个混合动 力车型，如串

4、联混合动力客车、微混合动力轿车、四驱混合动 力军车和混合动力 MPV。 将混合动力技术嫁接到传统二驱汽车上，使得驱动桥同时 具有传统机械驱动功能和电驱动功能，可以不依靠动力分配机 构而实现四驱功能，而且在动力性、经济性、排放和通过性方 面都有理想的效果，促进了四驱车性能升级，在军事和民用方 面都将有重大价值。 本文论述了基于传统 MPV 实现四驱方案的设计思路和总体 的技术方案，并计算了主要指标的实现情况。 1.技术基础 3 东风混合动力客车已形成系列化产品，具有 3 种发动机配 置、MT 和 AMT 2 种变速箱配置、2 种电机和 2 种电池配置，形 成了变速箱中间轴和输出轴 2 种机电耦合

5、方案 （ZL200420017674.4）。 同时，在混合动力轿车方面，开发了具有双电机的混联式 机电耦合方案，并设计了电机与变速箱输入轴同轴的耦合装置 （ZL200320115453.6），如图 1 所示。 图 1 混合动力轿车双电机混联式机电耦合方案 通过采用高效的电机和镍氢动力电池，以及开发智能化的 整车控制系统和能源管理策略，以上两种方案均取得了显著的 燃料经济性和优良的动力性。 基于上述两种基本方案，形成了东风混合动力汽车的技术 序列，形成了可扩展、可组合的机电耦合拓扑方案（图 2）。 按照上述方案，当确定基础车型及技术目标后，只需适当 变型和调整控制参数，就可以很快速地完成所需车型

6、的开发。 4 目前在研车型已实现了可满足多种混合度要求的机电耦合方案。 图 2 可扩展的机电耦合方案拓扑图 2.开发四驱混合动力 MPV 的技术目标 随着人们对汽车用途多样化的需求，具有四驱功能的汽车 市场迅速扩大。但是，四驱汽车的高油耗和高污染的问题一直 难以解决。 丰田是最早把混合动力技术应用于四驱汽车的公司之一， 目前已有雷克萨斯 RX450h、GS450h 和 LS600hl 等几种混合动力 产品销售，这些车型都集成并扩展了丰田普锐斯混合动力汽车 动力总成技术，节油效果非常理想。 为满足市场需要，东风公司决定在已定型的东风二驱 MPV 基础上开发出具有四驱功能的混合动力汽车，体现良好越

7、野性、 动力性、燃油经济性和排放性能。 通过增加电驱动系统及机电耦合装置，在整车控制器的协 调控制下，可根据负载、工况和路况变化，智能选择二驱或四 5 驱方式，发动机与电机单独驱动或联合驱动，实现以下性能的 全面提升： 动力性：在保持原车最高车速水平下，起步加速时间比原 车显著缩短； 燃油经济性：城市工况油耗比传统四驱车降低 30%，比传 统二驱车降低 10%； 尾气排放：有害气体排放水平由国 3 提高到国 4 水平； 越野能力：在低附着路面具有良好的通过性； 爬坡能力：最大爬坡度 40%以上。 3.基础车情况 选定传统二驱 MPV 为基础车型进行混合动力汽车开发，在 功能上参照传统四驱车。两

8、种车型的基本参数如表 1。 6 表 1 基础车参数 传统车 （4WD） 传统车 （2WD） 外形尺寸（mm） 466017902000 总质量（kg） 2425 2370 整备质量（kg） 1900 1850 额定载客(含驾驶 员，人) 7 发动机型号 4G64S4M 4G94 发动机额定功率 （kW rpm） 935250 895500 发动机额定扭矩 （Nm rpm） 1902500 168/4500 变速器速比 3.968/2.137/1.36/1/0.857/R3 .579 主减速器速比 前后 4.875 后 4.2727 4.对标分析 美国通用公司在 1998 年开始开发 GM PR

9、ECEPT 四驱混合动 力轿车概念样车，其前轮由发动机和与其同轴的电机驱动，后 轮由另一个电机驱动，具有非常丰富的工作模式。 7 图 3 GM PRECEPT 四驱混合动力轿车工作模式划分 该车设计目标为：乘员 5 人，整备质量 1226kg，0- 60miles/h 加速时间为 12s，燃油经济性为 80mpg。为达到这一 目标，该车采用了许多新出现的先进技术，包括：铝合金和复 合材料车身、空气动力学、镍氢和锂离子聚合物电池，先进的 热管理和底盘控制技术。 真正实现量产的 4 驱混合动力汽车为丰田公司研发的 LEXUS 系列车型，包括 RX600h 和 RX400h 车型。 RX400h 车

10、为一款 4 轮驱动的 SUV 混合动力车，混合动力结 构与 Prius 车类似，使用 Prius 车行星齿轮结构耦合装置进行 前轮电动驱动，增加后轮驱动电机。 RX400h 车前轮驱动电机为 123kW；后轮驱动电机为 50kW； 电机电压为 650V,发动机为 3.3L 的 V6 汽油机，155kW/288Nm， 动力电池为 6.5Ah，288V，30 个模块（每个模块 8 个单体）； 该车原地起步加速性能达到了配置 V8 发动机车辆的性能， 8 0100km/h 加速时间为 7.5s 左右，4880km/h 加速时间为 3.5s 左右。无动力中断的原地起步加速过程使加速过程非常平 顺，消除

11、了换档挡和加速的冲击和超调现象。经济性达到了紧 凑型车辆的油耗指标 8L/100km，比同样动力等级的 SUV 车节油 率达到 50。排放同时满足美国 SULEV 标准、欧洲 EURO4 标准 和日本 JSULEV 标准要求。具有优良的操纵稳定性：路面较滑 时，能更迅速地检测出地面滚动阻力和附着系数，整车控制反 应更迅速、控制更准确。 5.方案设计 5.1. 机电耦合方案 为满足预期功能和性能要求，基于已有混联式混合动力轿 车双电机单轴驱动系统方案，设计了双电机双轴驱动方案，即 BSG+TTR（BSG-Belted Starter & Generator，TTR-Traction Throug

12、h Road）方案，这也是一种混联方案。如图 4 所示。 图 4 四驱混合动力 MPV 动力系统方案 （ZL200720089086.5） 9 系统由发动机、离合器、变速箱、驱动电机、BSG、动力电 池及相关控制器和电动附件组成。 其中，BSG 装在发动机上，发动机通过变速箱驱动后桥。 主电机通过另一根传动轴驱动前桥。前桥是独立悬挂式转向驱 动桥。中央主减速器固定在车架上，通过两个半轴与车轮连接。 主减速器上设有真空阀，用于控制前驱动桥的动力通断，因此， 可自动切换两驱和四驱模式。 驱动电机和 BSG 都具有电动、空转和发电三种工作模式。 驱动电机电动时可单独或辅助发动机驱动车辆，发电时向电池

13、 补电，BSG 电动时可快速起动发动机，消除怠速，发电时向电 池储存能量。 工作模式分解如下： 起步：正常状态时，电池 SOC 较高，电池处于高效区，通 常以纯电动方式进行起步。这时由主电机单独驱动车辆，可发 挥电机低速扭矩大的优点，使车辆迅速起步。这样发动机保持 停机，消除了因怠速而出现高油耗和排放恶化问题，起步时的 平顺性也较好。例外情况下，如车辆长时间放置后，电池 SOC 有可能处于较低状态，这时，将以发动机驱动方式起步。不过， 发动机是在 BSG 的驱动下快速起动，也能获得较高的效率。 起步后加速：起步后当车速达到较高时，发动机快速起动， 与主电机一起驱动，使车辆快速达到所需要的速度。

14、 定速巡航：发动机处于设定车速下的最高效点工作，负荷 较高时，主电机参与驱动，负荷较低时，由 BSG 发电，将多余 的能量转化成电能储存在电池中备用。 10 加速超车：发动机沿着最高效率线提升转速，主电机参与 驱动，提供额外的驱动力。 减速让车：发动机沿着最高效率线降低转速，主电机处于 发电状态，将富余的能量储存在电池中。 制动：发动机停机断油，节气门全开，BSG 和主电机处于 发电状态，回收能量。 5.2. 主要总成选型 1）汽油机发动机 额定功率：89kW5500rpm 额定扭矩：168Nm4500rpm 最低比油耗：240g/kWh 变速器速比：3.968/2.137/1.36/1/0.

15、857/R3.579 发动机驱动主减速比：4.875 2）镍氢动力电池 公称容量：6 Ah 额定电压：336 V 3）永磁同步驱动电机 最大功率：22 kW 最大扭矩：150Nm 基转速：1400rpm 电驱动主减速比：4.2727 11 4）永磁同步 BSG 峰值电动扭矩：56 kW 380 rpm 峰值发电功率：3 Nm 2500rpm 电机/曲轴速比：1.5 5.3. 总体布置方案 为便于零部件的通用化和整车共线装配，以二驱传统车为 基础，保留了原有发动机前置后驱的动力总成和传动系统的结 构，最大限度地继承了基础车的主要结构。将四驱传统车的驱 动前桥移植过来，电机布置在前后桥之间，通过传

16、动轴与前桥 主减速器连接。 图 5 整车动力系统总体布置设计方案 12 图 6 驱动电机布置方案设计 BSG 电机的布置。BSG 电机的布置利用传统发电机的空间， 利用传统发电机的安装位置,重新设计张紧机构与轮系。 图 7 BSG 轮系布置方案 电机控制器与动力电池的布置。将电机控制器与动力电池 一起布置在后排座椅下，便于线路的连接。电池通风管道与后 部车身连接，热风直接排除外部。在电池和电机控制器上面安 装行李箱盖板，以便放置行李。 13 图 8 动力电池布置方案 这种布置，取消了传统四驱车的分动箱，前后桥驱动的切 换可以适时进行，从而可避免因前后驱动之间刚性传动可能造 成的功率循环问题。

17、另外，作为变型方案，适当增大电机功率和电池容量，可 以很方便地实现 Plug-in 方案，为城区短途运行采用纯电动模 式创造了条件，从而可大幅节省燃料消耗和减少排放。 动力电池布置在后排座椅下，不占用行李空间。 载荷分布计算表明，整车总质量增加的部分控制在 5%以内， 比较合理。 5.4. 电控系统总体方案 电控系统由原车电控系统和混合动力电控系统两部分组成。 其中，原车电控系统包括发动机 ECU、ABS 控制器和车载诊断口， 混合动力系统包括整车控制器 HCU、配电控制器 PDU、电机控制 器 PCU、电池管理系统 BMS 和智能仪表系统 DCU。控制器之间主 要通过 CAN 总线进行通讯，

18、部分信号靠直通线传递。 增加了数个传感器，以感知点火锁挡位状态、离合器分合 状态、制动强度、油门大小、变速箱挡位。同时，整车控制器 14 还要采集发动机转速、节气门开度、车速、空调开关状态，以 便进行控制。 整车控制器处于最高级别，其作用是识别驾驶意图、判断 车辆载荷、路况和行驶工况，决定工作模式的切换，优化能量 分配，并统一协调其它控制器实现驾驶意图。 为控制发动机的工作状态，设置了电动节气门及其控制电 路，并增加了断油装置。 增加了电动转向泵和电动真空泵，使动力系统的工作不依 赖发动机工作状态。 图 9 控制器系统拓扑图 5.5. 整车控制策略设计 按照结构化的思路，制定了整车控制策略的结

19、果结构框架， 搭建了驾驶意图识别、驱动控制、制动控制和动态协调控制策 略模型。 15 图 10 整车控制策略结构化模型框架 通过发动机快速起停、工作模式的适时切换、优化发动机 工作区域和制动能量回馈等措施，实现整车能量分配的动态优 化。使得整车具有良好的越野性、动力性、燃油经济性和排放 性能，且成本增加得到有效控制。 图 11 标准工况下功率需求仿真分析 16 图 12 混合动力 MPV 的启停策略原理图 6.性能分析 6.1. 动力性仿真分析 传 统 车 和 混 合 动 力 车 百 公 里 加 速 性 能 比 较 00.20.4 0.60.81 1.2 2468101214161820224

20、262830时 间 (s) 负荷率 2040608010 120 车速(km/h) 传 统 车 负 荷 率混 合 动 力 发 动机 负 荷 率混 合 动 力 电 机负 荷 率传 统 车 车 速混 合 动 力 车 速 图 13 混合动力 MPV 加速过程仿真曲线 17 与传统车相比，混合动力 MPV 起步加速到 100km/h 的时间 缩短 3.5s，接近轿车水平。 经过计算，最大爬坡度也达到 40%以上。 因此，应用混合动力技术可使动力性非常明显地改善。 6.2. 燃油经济性仿真分析 00.10.20.30.4 0.50.60.70.80.9 1 20406080101201401601802

21、0时 间 （ s） 发动机负荷率 2040608010 120 车速（km/h） MPV_engabove_35发 动 机 负 荷 率CONV_发 动 机 负 荷 率MPV_nochar发 动 机 负 荷 率车 速 图 14 混合动力 MPV 发动机工作负荷分析（市区工况） 分析表明，采用混合动力技术，有效地减少了发动机低效 工作区域，从而可使整车燃油经济性得到改善，特别是在城市 道路上优势非常明显。 18 进一步预测表明，若提高电池和电机的容量，增加 Plug- in 外接充电，将使燃料消耗量进一步减少，这对于电力供应充 足和充电设施齐全的地区非常有利。 6.3. 低附着路面通过性分析 针对

22、低附着路面（如冰雪路面）驱动力分配情况的分析表 明：二驱情况下，发动机驱动能力的利用受到很大限制；四驱 情况下，发动机驱动能力利用率显著提高。利用电机助力，可 以部分弥补发动机驱动能力损失，电机驱动力特点正好满足要 求。电机助力区域适宜在起步、低档挡和低速段。电机助力持 续时间为短时通过低附着路面。在好路情况，利用 HEV 的能源 分配优化，可以进一步提高整车动力性和燃料经济性。 1 7.扩展研究 本混合动力 MPV 机电耦合方案，通过改变电动系统规格， 增减相应的电动附件，辅以控制系统的变型设计，可以扩展出 两种具有发展前途的混合动力车型。 1）通过增大电机和电池的容量与功率，配置电动附件，

23、可 形成强混合动力或 PHEV 车型，可进一步提高车辆的动力性和节 油能力。 2）通过降低电机和电池的容量，但维持适当功率水平，可 形成具有适时四驱功能的车型，提高车型在低附着路面的通过 能力，在良好路面又有良好的燃油经济性。 19 8.结论 基于混合动力汽车动力系统平台技术实现对传统 MPV 的嫁 接，通过机电耦合方式的创新和控制系统的开发，形成了与传 统四驱车不同的混合动力四驱方案。 与传统 MPV 相比，新型混合动力四驱 MPV 不仅具有了传统 四驱车的高动力性和通过性，同时还有非常优良的燃料经济性。 同时，通过扩展开发，可以形成更为丰富的产品系列，满 足不同的使用要求。 这必将为四驱汽车的电动化，实现可持续发展开辟一条新 路。 参考文献 1 徐平兴、石勇. 四驱混合动力 MPV 的方案设计，2010 中国汽 车工程学会年会论文集，SAE-C2010P168 2 余志生. 汽车理论M. 1981 年 8 月第一版，北京：机械工业 出版社，1988. P283-285 3 Shawn D. Sarbacker 等，Rapid System Design and Development Methods for GMs Precept Hybrid Electric Vehicle: Enabler of Multiple Battery Technologies