摘 要

汽车经过超过一个世纪的长期发展，早已成为社会生产生活中的最重要的工具之一。随着全球人口增加、生产力提高和科技进步，全球汽车保有量越来越高。汽车在给人们出行和运输带来好处的同时，也成为世界能源问题和环境问题的原因之一。发展新能源汽车成为必然之举。混合动力汽车的技术成熟，优点明显，已经有大量的商业使用。重型商用车即使运输的重要工具，也消耗了大量石油，造成严重污染。所以混合动力重型商用车也应该大力发展。

本文通过改造“J6P CA4180P66K24E5”，设计出一款并联式混合动力重型商用车。研究的重点是对混合动力汽车的动力系统及主要部件的设计。本文的主要内容是确定动力系统结构，主要动力部件的参数匹配和选型，仿真分析。最后，设计的并联式混合动力重型商用车的动力性能与原型车相当，经济性大幅改善，符合研究目标。

关键词：混合动力重型商用车，动力系统，参数匹配，仿真

Abstract

After more than a century of long-term development, the automobile has already become one of the most important instruments in social production and life. With the increase of the global population and the progress of production efficiency and technology, the inventory of the global automobile is getting bigger and bigger. While bringing benefits to people's travel and transportation, automobiles have also become one of the causes of the world's energy and environmental problems. It is inevitable to develop new energy vehicles. The technology of hybrid vehicles is mature and has obvious advantages. Heavy commercial vehicles, even important transportation tools, consume a lot of oil and cause serious pollution. Therefore, hybrid heavy commercial vehicles should also be vigorously developed.

This paper designed a parallel hybrid heavy-duty commercial vehicle by transforming "J6P CA4180P66K24E5". The research focuses on the design of the power system and main components of hybrid electric vehicles. The main content of this article is to determine the power system’s structure, the parameter matching and selection of main power components, and simulation. Finally, the power performance of the designed parallel hybrid heavy-duty commercial vehicle is comparable to that of the prototype, and the economy is greatly improved, which is in line with the research goals.

Key Words: parallel hybrid heavy-duty commercial vehicle, power system, parameter matching,simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2混合动力汽车发展现状 2

1.2.1国外混发展现状 2

1.2.2国内发展现状 2

1.3研究的目标和内容 3

第2章 混合动力重型商用车动力系统结构的类型与设计 4

2.1混合动力汽车的类型 4

2.1.1按混合度划分的混合动力汽车的类型 4

2.1.2按混合方式分类 6

2.1.3按电机位置分类 9

2.2动力系统结构的设计 10

2.2本章小结 12

第3章 动力系统关键部件的参数匹配和选型 13

3.1动力系统的设计参数和性能指标 13

3.2动力系统的工作模式设置 14

3.3整车所需功率的计算 15

3.4发动机的参数匹配与选型 16

3.5电机的参数匹配与选型 17

3.6电池的参数匹配与选型 17

3.7转动系统的参数匹配与选型 18

3.8选型结果分析 20

3.8.1根据最高速度验核 20

3.8.2根据最大爬坡度分析 23

3.8.3根据百公里加速时间分析 24

3.8.4选型确定 26

3.8本章小结 26

第4章 动力系统的仿真 27

4.1仿真软件的介绍 27

4.2 仿真设置 27

4.3仿真结果 33

4.3.1 以80km/h匀速行驶循环和UDDS循环仿真 33

4.3.3最终仿真结果 37

4.4本章小结 38

第5章总结与展望 39

5.1全文总结 39

5.2展望 39

致谢 41

参考文献 42

第1章 绪论

1.1研究背景

运输工具对于人类社会的进步和生产力发展起到重要作用。自从1886年第一辆内燃机汽车被发明出来，汽车就逐渐成为主要交通工具，遍布人类社会的各个角落。随着科技进步、生产力发展和生活水平的提高，全球汽车总保有量不断提高。高速运转的发动机驱动着汽车快速前进，推动经济发展的同时，也造成了巨大的石油需求量、隆隆的噪音和有害的尾气。由于汽车数量的增加，内燃机汽车所产生的能源与环境问题愈发凸显，引起人们更多的重视。石油储量并不多。我国已经是全球第二大石油消耗国和全球最大石油进口国，所需的石油70%以上依赖进口。能源问题，特别是石油问题，对我国经济和民生发展以及国家安全产生日益严重的影响。

人类现在的能源体系严重依赖化石燃料。而化石能源作为不可再生能源，其总量是不会增加的。想要更多的化石能源，只能勘探和开采更不易开发的区域，难度和成本都在不断提高。石油是最重要的化石燃料，而且超过一半用于交通领域。但是我国陆地石油资源储量不多，只能大量进口。现在我国石油战略储备量只是全国三十天的消耗量。所以能源短缺一直是我够经济和国防安全的威胁。

汽车也造成噪音污染、空气污染和全球变暖等环境问题。汽车行驶所产生的噪音已经影响许多人的生活。城市中交通车辆制造80%的噪音。随着工业技术的提高和城市的发展，尾气已经取代工业废气，成为城市空气污染的主要来源。空气污染已经产生了许多诸如雾霾、酸雨的环境问题，严重影响到人们的健康和生态系统。汽车燃烧汽油或柴油，排放大量二氧化碳等温室气体。自二十世纪全球变暖已经成为全球治理的重要课题之一，也是对未来人类文明重大隐患。全球变暖会使全球降水重新分配、冰川融化、海平面上升等问题，已经威胁人类的生存，影响到地球生态平衡。上个世纪平的全球均温度提高约0.6摄氏度^[8]。将来全球变暖会对地球造成更加严重的伤害，所以人类必须加以阻止。

中国为减轻能源问题和环境问题，一方面不断提高汽车排放标准，在2019年开始实施“国六”排放标准，另一方面推动节能技术和新能源技术的发展。中外主要汽车工业国都对各种新能源汽车各有偏重的研究。燃料电池汽车目前还有诸多困难有待解决，氢的制取、储备和运输尚在研究。纯电动汽车已经在乘用车领域取得长足发展，并且经过市场检验。国内无论是汽车研发还是新电池都经过多年技术沉积，在2019年、2020年取得优良成果。因为动力电池成本高，寿命短，充电时间长、体积重量大和充电桩数量还较少，纯电动技术还需发展，尚不成熟。所以纯电动技术在商用车领域还很少运用^[13]。混合动力汽车已经很成熟，投入市场二十多年，取得广泛运用。而且混合动力技术在乘用车和商用车领域都有运用。因为混合动力技术结合了内燃机车和电动车的优点，能满足商用车对动力性、耐用性和成本的要求，所以混合动力会成为商用车节能减排的重要发展途径^[3]。

1.2混合动力汽车发展现状

1.2.1国外混发展现状

在新能源汽车的研究道路上，日本、欧洲和美国的汽车制造商起步早，布局广。受到政府政策帮助和市场特点的影响，日本和欧洲车企对混合动力汽车的研发力度更大，成果更丰富。自从1997年第一代丰田普锐斯被投入市场，混合动力已经在乘用车上应用了超过20年。此后各个厂商陆续推出混合动力汽车。相比于日本车企，欧洲车企在混合动力商用车领域有更多开拓。早在1995年沃尔沃集团就展示了拥有燃气轮机和电机两个动力源的概念环保卡车。在2008年，沃尔沃推出其首款混合动力重型商用车“沃尔沃 FE混合动力”，并在2011年投入市场。该车型使用由一台7L排放量的柴油机和一台120W电机组成并联混合动力系统，在拥有1300Nm最大输出扭矩的同时，可省油30%。同样是2008年，戴姆勒公司和三菱公司联合推出混合动力技术的 Canter 商用车。2012年，MAN推出TGS载货车。其采用额定功率150kW的3LTDI柴油机和功率203kW的电机组成的串联式混合动力系统。在2018年，斯堪尼亚连续推出L320和R450混合动力卡车^[14]。2019年，日野推出其首款混合动力重型商用车—“Profia Hybrid”^[2]。在世界各大车展上混合动力商用车的身影并不少见。

1.2.2国内发展现状

我国各车企对新能源汽车的相关研究起步较晚，但在国家政策的扶植下进步迅速。在国家号召和行业变化的影响下，各大车企、院校和研究机构积极参与研究，推动我国新能源汽车技术发展。从九十年代，我国就有关于客车的混合动力技术的尝试。经过多年发展，混合动力技术已经较为成熟，各车企陆续有混合动力乘用车和混合动力客车投放市场。在2009年的上海国际车展上，采用双轴并联式混合动力系统的解放混合动力客车被展示^[8]。2010年，采用双电机混合动力系统的解放J6混合动力乘用车在北京国际车展上展示。东风、上汽、江淮等企业也都在此时间推出混合动力商用车。虽然混合动力乘用车早已在我国广泛使用。但是混合动力技术在商用车领域，特别是重型卡车上仍然很少应用。我国的混合动力商用车还有待研究和发展。

1.3研究的目标和内容

本文以“一汽解放J6P CA4180P66K24E5”为设计原型车，通过改变动力系统结构，将其改造成新型并联式混合动力重型商用车。设计后的并联式混合动力重型商用车能在最大爬坡度、加速性能和最高速度三方面动力性能能达到甚至超过原型车，在油耗方面比原型车低15%以上，在排放方面能达到“国六”标准。

本文着重研究、分析了混合动力系统的结构布局，主要动力部件的选型、动力参数匹配以及对设计的仿真检验。具体的步骤都如下所述：

（1）了解混合动力汽车的动力系统主要分类方式和类别。通过对比各种结构类型，分析各自的优缺点和适用范围，选择出一种适合本课题的动力系统结构。

（2）确定设计的并联式混合动力重型商用车的主要参数。根据之前选定的动力系统结构，对主要动力部件进行参数匹配和初步选型。

（3）使用ADVISOR2002对设计的并联式混合动力重型商用车进行计算机仿真。根据动力性和经济性的仿真结果与原型车对比，检验设计的动力系统和各部件是否能使并联式混合动力重型商用车达到设计目标。

第2章 混合动力重型商用车动力系统结构的类型与设计

在第一章中，本文已经确定了要设计并联式混合动力重型商用车。由此，应该确定动力系统方案。首先，要先对混合动力分类。

2.1混合动力汽车的类型

混合动力汽车从广义上讲是指动力系统由两种或两种以上能同时工作的驱动系统组合成的汽车。但混合动力汽车一般指同时拥有内燃机和电动机的驱动系统的汽车。本文中所叙述的混合动力重型商用车也是使用柴油机和电动机作为动力源的重型商用车。根据不同的标准，混合动力汽车有多种分类方式。常见的分类方式有根据混合度划分、根据混合方式划分、根据耦合系统划分，根据电机位置划分等等，但本文只介绍根据混合度划分、根据混合方式划分和根据电机位置划分三种，其他分类方式就不详细讨论了。

2.1.1按混合度划分的混合动力汽车的类型

按照混合度划分，混合动力汽车可以被分为微混合动力、轻混合动力、中混合动力、全混合动力和插电混合动力五种。混合度指的是在混合动力汽车中电系统功率占动力源总功率的百分比^[9]，即

ⅹ100% （2.1）

2.1.1.1 微混合动力

微混合动力又称起/停混合动力，混合度很小，在5%左右。车辆主要由发动机驱动。电机只用来协助发动机快速启停，避免了发动机长时间处于怠速状态，但无法单独启动汽车。微混合动力汽车与传统汽车相比，可以节省5%～10%的油。

2.1.1.2 轻混合动力

轻混合动力系统的混合度小于20%。轻混合动力系统通常采用集成启动电机（ISG）。在轻混合动力系统中，电机可以实现控制发动机起停、能量制动回收和调节能量管理。与传统汽车相比，轻混合动力汽车可以节省10%～15%的油。

2.1.1.3 中混合动力

与微、轻混合动力相比，中混合动力系统采用高压电机，电机功率更大，混合度能达到20%以上。在中混合动力系统中，电动机能能量制动回收、纯电动起步。在汽车需要加大功率时，电动机能协助发动机驱动汽车，弥补发动机动力不足。这种系统的汽车的节油率大概是15%～ 30%。代表车型有本田Insight。

2.1.1.4 全混合动力

全混合动力系统的混合度能达到40%以上。在全混合动力系统中，除了能量制动回收，电动机可以单独驱动车辆。在起步、倒车、低俗行驶等情况下，汽车可以纯电动行驶。在加速或爬坡情况下，电动机与发动机共同驱动汽车。全混合动力汽车真正兼有内燃机汽车和电动车的优点。其节油率在30%～50%。

2.1.1.5 插电混合动力

插电混合动力汽车可以直接通过电网对动力电池充电，能以纯电动驱动模式行驶较长里程，所以其发动机功率更小。插电混合动力汽车的结构与全混合动力系统相似，但电机功率更大，所以发动机功率可以更小，降低了排放，提高了节油率。插电混合动力汽车是混合动力汽车的主要发展方向和市场^[17]。

综上所述，混合动力汽车的混合度在0～100%之间（传统内燃机车混合度为0%；电动车混合度为100%）。微混合动力、轻混合动力、中混合力、全混合动力和插电混合动力的混合度依次提高，越接近电动车。各混合动力的功能和混合度差异如下表。