92東風混合動力MPV開發(fā)及其擴展研究論文設計

1、東風混合動力mpv開發(fā)及其擴展研究*【摘要】基于傳統(tǒng)的二驅mpv，通過嫁接混合動力技術，可以使車輛在動力性、經濟性、排放性和通過性方面有大幅度的改善。本文論述了混合動力mpv的設計方案，并通過仿真計算預測了設計效果，并提出了擴展研究設想。【關鍵詞】四驅，混合動力，設計design of df four-wheel driven hybrid electric mpv and variation researchxu pingxingdongfeng motor corporation , wuhan, 430056abstract: based on the conventional two-

2、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 variation resear

3、ch.key words: four-wheel driven, hybrid electric, design前言隨著技術的深化研究和市場環(huán)境的逐步成熟，混合動力技術逐步向多種車型滲透，并形成了多種技術路線。東風汽車公司較早介入混合動力汽車研究，并在核心技術和產品開發(fā)方面取得了一系列的科技成果。繼2003年國內首創(chuàng)示范運營后，混合動力公交客車現(xiàn)已進入批量化生產階段，混合動力轎車也開始了生產準備，將于近期投入市場。以并聯(lián)方案混合動力客車和混聯(lián)方案混合動力轎車為基礎，東風形成了混合動力汽車平臺技術，并擴展開發(fā)了多個混合動力車型，如串聯(lián)混合動力客車、微混合動力轎車、四驅混合動力軍車和混合動力mpv

4、。將混合動力技術嫁接到傳統(tǒng)二驅汽車上，使得驅動橋同時具有傳統(tǒng)機械驅動功能和電驅動功能，可以不依靠動力分配機構而實現(xiàn)四驅功能，而且在動力性、經濟性、排放和通過性方面都有理想的效果，促進了四驅車性能升級，在軍事和民用方面都將有重大價值。本文論述了基于傳統(tǒng)mpv實現(xiàn)四驅方案的設計思路和總體的技術方案，并計算了主要指標的實現(xiàn)情況。1. 技術基礎東風混合動力客車已形成系列化產品，具有3種發(fā)動機配置、mt和amt 2種變速箱配置、2種電機和2種電池配置，形成了變速箱中間軸和輸出軸2種機電耦合方案（zl200420017674.4）。同時，在混合動力轎車方面，開發(fā)了具有雙電機的混聯(lián)式機電耦合方案，并設計了電

5、機與變速箱輸入軸同軸的耦合裝置（zl200320115453.6），如圖1所示。圖1 混合動力轎車雙電機混聯(lián)式機電耦合方案通過采用高效的電機和鎳氫動力電池，以及開發(fā)智能化的整車控制系統(tǒng)和能源管理策略，以上兩種方案均取得了顯著的燃料經濟性和優(yōu)良的動力性?；谏鲜鰞煞N基本方案，形成了東風混合動力汽車的技術序列，形成了可擴展、可組合的機電耦合拓撲方案（圖2）。按照上述方案，當確定基礎車型及技術目標后，只需適當變型和調整控制參數(shù)，就可以很快速地完成所需車型的開發(fā)。目前在研車型已實現(xiàn)了可滿足多種混合度要求的機電耦合方案。圖2 可擴展的機電耦合方案拓撲圖2. 開發(fā)四驅混合動力mpv的技術目標隨著人們對汽車

6、用途多樣化的需求，具有四驅功能的汽車市場迅速擴大。但是，四驅汽車的高油耗和高污染的問題一直難以解決。豐田是最早把混合動力技術應用于四驅汽車的公司之一，目前已有雷克薩斯rx450h、gs450h和ls600hl等幾種混合動力產品銷售，這些車型都集成并擴展了豐田普銳斯混合動力汽車動力總成技術，節(jié)油效果非常理想。為滿足市場需要，東風公司決定在已定型的東風二驅mpv基礎上開發(fā)出具有四驅功能的混合動力汽車，體現(xiàn)良好越野性、動力性、燃油經濟性和排放性能。通過增加電驅動系統(tǒng)及機電耦合裝置，在整車控制器的協(xié)調控制下，可根據(jù)負載、工況和路況變化，智能選擇二驅或四驅方式，發(fā)動機與電機單獨驅動或聯(lián)合驅動，實現(xiàn)以下性

7、能的全面提升：動力性：在保持原車最高車速水平下，起步加速時間比原車顯著縮短；燃油經濟性：城市工況油耗比傳統(tǒng)四驅車降低30%，比傳統(tǒng)二驅車降低10%；尾氣排放：有害氣體排放水平由國3提高到國4水平；越野能力：在低附著路面具有良好的通過性；爬坡能力：最大爬坡度40%以上。3. 基礎車情況選定傳統(tǒng)二驅mpv為基礎車型進行混合動力汽車開發(fā)，在功能上參照傳統(tǒng)四驅車。兩種車型的基本參數(shù)如表1。表1 基礎車參數(shù)傳統(tǒng)車 （4wd）傳統(tǒng)車 （2wd）外形尺寸（mm）4660×1790×2000總質量（kg）24252370整備質量（kg）19001850額定載客(含駕駛員，人)7發(fā)動機型號4

8、g64s4m4g94發(fā)動機額定功率（kw rpm）935250895500發(fā)動機額定扭矩（nm rpm）1902500168/4500 變速器速比3.968/2.137/1.36/1/0.857/r3.579 主減速器速比前后4.875后4.27274. 對標分析美國通用公司在1998年開始開發(fā)gm precept四驅混合動力轎車概念樣車，其前輪由發(fā)動機和與其同軸的電機驅動，后輪由另一個電機驅動，具有非常豐富的工作模式。圖3 gm precept四驅混合動力轎車工作模式劃分該車設計目標為：乘員5人，整備質量1226kg，0-60miles/h加速時間為12s，燃油經濟性為80mpg。為達到這一

9、目標，該車采用了許多新出現(xiàn)的先進技術，包括：鋁合金和復合材料車身、空氣動力學、鎳氫和鋰離子聚合物電池，先進的熱管理和底盤控制技術。真正實現(xiàn)量產的4驅混合動力汽車為豐田公司研發(fā)的lexus系列車型，包括rx600h和rx400h車型。rx400h車為一款4輪驅動的suv混合動力車，混合動力結構與prius車類似，使用prius車行星齒輪結構耦合裝置進行前輪電動驅動，增加后輪驅動電機。rx400h車前輪驅動電機為123kw；后輪驅動電機為50kw；電機電壓為650v,發(fā)動機為3.3l的v6汽油機，155kw/288nm，動力電池為6.5ah，288v，30個模塊（每個模塊8個單體）；該車原地起步加

10、速性能達到了配置v8發(fā)動機車輛的性能，0100km/h加速時間為7.5s左右，4880km/h加速時間為3.5s左右。無動力中斷的原地起步加速過程使加速過程非常平順，消除了換擋和加速的沖擊和超調現(xiàn)象。經濟性達到了緊湊型車輛的油耗指標8l/100km，比同樣動力等級的suv車節(jié)油率達到50。排放同時滿足美國sulev標準、歐洲euro4標準和日本jsulev標準要求。具有優(yōu)良的操縱穩(wěn)定性：路面較滑時，能更迅速地檢測出地面滾動阻力和附著系數(shù)，整車控制反應更迅速、控制更準確。5. 方案設計5.1. 機電耦合方案為滿足預期功能和性能要求，基于已有混聯(lián)式混合動力轎車雙電機單軸驅動系統(tǒng)方案，設計了雙電機雙

11、軸驅動方案，即bsg+ttr（bsg-belted starter & generator，ttr-traction through road）方案，這也是一種混聯(lián)方案。如圖4所示。圖4 四驅混合動力mpv動力系統(tǒng)方案（zl200720089086.5）系統(tǒng)由發(fā)動機、離合器、變速箱、驅動電機、bsg、動力電池及相關控制器和電動附件組成。其中，bsg裝在發(fā)動機上，發(fā)動機通過變速箱驅動后橋。主電機通過另一根傳動軸驅動前橋。前橋是獨立懸掛式轉向驅動橋。中央主減速器固定在車架上，通過兩個半軸與車輪連接。主減速器上設有真空閥，用于控制前驅動橋的動力通斷，因此，可自動切換兩驅和四驅模式。驅動電機和

12、bsg都具有電動、空轉和發(fā)電三種工作模式。驅動電機電動時可單獨或輔助發(fā)動機驅動車輛，發(fā)電時向電池補電，bsg電動時可快速起動發(fā)動機，消除怠速，發(fā)電時向電池儲存能量。工作模式分解如下：起步：正常狀態(tài)時，電池soc較高，電池處于高效區(qū)，通常以純電動方式進行起步。這時由主電機單獨驅動車輛，可發(fā)揮電機低速扭矩大的優(yōu)點，使車輛迅速起步。這樣發(fā)動機保持停機，消除了因怠速而出現(xiàn)高油耗和排放惡化問題，起步時的平順性也較好。例外情況下，如車輛長時間放置后，電池soc有可能處于較低狀態(tài)，這時，將以發(fā)動機驅動方式起步。不過，發(fā)動機是在bsg的驅動下快速起動，也能獲得較高的效率。起步后加速：起步后當車速達到較高時，發(fā)

13、動機快速起動，與主電機一起驅動，使車輛快速達到所需要的速度。定速巡航：發(fā)動機處于設定車速下的最高效點工作，負荷較高時，主電機參與驅動，負荷較低時，由bsg發(fā)電，將多余的能量轉化成電能儲存在電池中備用。加速超車：發(fā)動機沿著最高效率線提升轉速，主電機參與驅動，提供額外的驅動力。減速讓車：發(fā)動機沿著最高效率線降低轉速，主電機處于發(fā)電狀態(tài)，將富余的能量儲存在電池中。制動：發(fā)動機停機斷油，節(jié)氣門全開，bsg和主電機處于發(fā)電狀態(tài)，回收能量。5.2. 主要總成選型1）汽油機發(fā)動機額定功率：89kw5500rpm額定扭矩：168nm4500rpm最低比油耗：240g/kwh變速器速比：3.968/2.137/

14、1.36/1/0.857/r3.579發(fā)動機驅動主減速比：4.8752）鎳氫動力電池公稱容量：6 ah額定電壓：336 v3）永磁同步驅動電機最大功率：22 kw最大扭矩：150nm基轉速：1400rpm電驅動主減速比：4.27274）永磁同步bsg峰值電動扭矩：56 kw 380 rpm峰值發(fā)電功率：3 nm 2500rpm電機/曲軸速比：1.55.3.5.4.5.5. .總體布置方案為便于零部件的通用化和整車共線裝配，以二驅傳統(tǒng)車為基礎，保留了原有發(fā)動機前置后驅的動力總成和傳動系統(tǒng)的結構，最大限度地繼承了基礎車的主要結構。將四驅傳統(tǒng)車的驅動前橋移植過來，電機布置在前后橋之間，通過傳動軸與前

15、橋主減速器連接。圖5 整車動力系統(tǒng)總體布置設計方案圖6 驅動電機布置方案設計bsg電機的布置。bsg電機的布置利用傳統(tǒng)發(fā)電機的空間，利用傳統(tǒng)發(fā)電機的安裝位置,重新設計張緊機構與輪系。圖7 bsg輪系布置方案電機控制器與動力電池的布置。將電機控制器與動力電池一起布置在后排座椅下，便于線路的連接。電池通風管道與后部車身連接，熱風直接排除外部。在電池和電機控制器上面安裝行李箱蓋板，以便放置行李。圖8 動力電池布置方案這種布置，取消了傳統(tǒng)四驅車的分動箱，前后橋驅動的切換可以適時進行，從而可避免因前后驅動之間剛性傳動可能造成的功率循環(huán)問題。另外，作為變型方案，適當增大電機功率和電池容量，可以很方便地實現(xiàn)

16、plug-in方案，為城區(qū)短途運行采用純電動模式創(chuàng)造了條件，從而可大幅節(jié)省燃料消耗和減少排放。動力電池布置在后排座椅下，不占用行李空間。載荷分布計算表明，整車總質量增加的部分控制在5%以內，比較合理。5.6. 電控系統(tǒng)總體方案電控系統(tǒng)由原車電控系統(tǒng)和混合動力電控系統(tǒng)兩部分組成。其中，原車電控系統(tǒng)包括發(fā)動機ecu、abs控制器和車載診斷口，混合動力系統(tǒng)包括整車控制器hcu、配電控制器pdu、電機控制器pcu、電池管理系統(tǒng)bms和智能儀表系統(tǒng)dcu。控制器之間主要通過can總線進行通訊，部分信號靠直通線傳遞。增加了數(shù)個傳感器，以感知點火鎖擋位狀態(tài)、離合器分合狀態(tài)、制動強度、油門大小、變速箱擋位。同

17、時，整車控制器還要采集發(fā)動機轉速、節(jié)氣門開度、車速、空調開關狀態(tài)，以便進行控制。整車控制器處于最高級別，其作用是識別駕駛意圖、判斷車輛載荷、路況和行駛工況，決定工作模式的切換，優(yōu)化能量分配，并統(tǒng)一協(xié)調其它控制器實現(xiàn)駕駛意圖。為控制發(fā)動機的工作狀態(tài)，設置了電動節(jié)氣門及其控制電路，并增加了斷油裝置。增加了電動轉向泵和電動真空泵，使動力系統(tǒng)的工作不依賴發(fā)動機工作狀態(tài)。圖9 控制器系統(tǒng)拓撲圖5.7. 整車控制策略設計按照結構化的思路，制定了整車控制策略的結構框架，搭建了駕駛意圖識別、驅動控制、制動控制和動態(tài)協(xié)調控制策略模型。圖10 整車控制策略結構化模型框架通過發(fā)動機快速起停、工作模式的適時切換、優(yōu)化

18、發(fā)動機工作區(qū)域和制動能量回饋等措施，實現(xiàn)整車能量分配的動態(tài)優(yōu)化。使得整車具有良好的越野性、動力性、燃油經濟性和排放性能，且成本增加得到有效控制。圖11 標準工況下功率需求仿真分析圖12 混合動力mpv的啟停策略原理圖6. 性能分析6.1. 動力性仿真分析圖13 混合動力mpv加速過程仿真曲線與傳統(tǒng)車相比，混合動力mpv起步加速到100km/h的時間縮短3.5s，接近轎車水平。經過計算，最大爬坡度也達到40%以上。因此，應用混合動力技術可使動力性非常明顯地改善。6.2. 燃油經濟性仿真分析圖14 混合動力mpv發(fā)動機工作負荷分析（市區(qū)工況）分析表明，采用混合動力技術，有效地減少了發(fā)動機低效工作區(qū)

19、域，從而可使整車燃油經濟性得到改善，特別是在城市道路上優(yōu)勢非常明顯。進一步預測表明，若提高電池和電機的容量，增加plug-in外接充電，將使燃料消耗量進一步減少，這對于電力供應充足和充電設施齊全的地區(qū)非常有利。6.3. 低附著路面通過性分析針對低附著路面（如冰雪路面）驅動力分配情況的分析表明：二驅情況下，發(fā)動機驅動能力的利用受到很大限制；四驅情況下，發(fā)動機驅動能力利用率顯著提高。利用電機助力，可以部分彌補發(fā)動機驅動能力損失，電機驅動力特點正好滿足要求。電機助力區(qū)域適宜在起步、低擋和低速段。電機助力持續(xù)時間為短時通過低附著路面。在好路情況，利用hev的能源分配優(yōu)化，可以進一步提高整車動力性和燃料經濟性。17. 擴展研究本混合動力mpv機電耦合