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文献综述（或调研报告）： 国内外现状分析： 汽车诞生于1886年，本茨制造出第一辆汽油发动机车，至此，内燃机汽车演进的巨幕被正式拉开。回首望去，汽车工业给20世纪的人类生活带来了翻天覆地的变化，随着时代与科学进步的发展，纯燃油汽车由于其高能耗、低效率、高污染的特点，已经无法满足现代社会的要求，因此汽车的驱动方式像电气化进行发展。目前全世界广泛使用的电气化汽车主要有纯电动和混合动力两种模式。纯电动汽车仅依靠其中蓄电池所储存的电能就可以实现自主行驶，被认为的未来发展的终极方向，而由于限制于续航里程以及电池密度、充电速度等因素的限制，电动汽车还不能完全代替传统燃油汽车进入人们的生产生活，因此就出现了过渡产品——混合动力汽车。目前从电能来源来看混合动力汽车分为两类，一类是来自于日本厂商的不插电混合动力系统，它通过回收电能以及一套控制系统，使发动机和电动机协同工作达到降低能耗的效果。还有来自包括中国在内其他地区广泛使用的插电式混合动力汽车，这种汽车从电网中获取电能，储存在其蓄电池中，可以和发动机协同工作，也可以实现一定里程的纯电动驱动，能耗也相对较低。 对于纯电动车目前一般采用新型的高效可靠的传动电机,如直流无刷永磁电机、 开关磁阻电机及微电子调速控制技术[1]，由于限制于续航以及电池密度和成本因素，纯电动汽车在全球范围的普及仍有一定的难度，因此本文只做简单分析与介绍。现行市场上销售的纯电动汽车主要有分布式和非分布式两种，分布指其驱动部件电机的位置设定，例如进口纯电动汽车TESLA的MODLE S 与MODLE X 均使用分布式电机，其电机位于前后车桥的位置，因而使其车辆结构与传统的燃油或者混合动力汽车有很大的区别，布局灵活性更强，且动力输出更易实现电控全驱，是未来纯电动汽车的发展方向。另一种为国内低端电动车市场极受欢迎的非分布式，例如日产聆风，其电机位于原燃油车汽油或柴油发动机的位置，多为单电机。这种结构使得车企可以在原有燃油车的结构框架上通过更换动力源来实现纯电动，其成本低但是由于单电机效率与攻略的限制，其能耗较高，等电量续航能力较差，但售价亲民，因此在现阶段非常受欢迎。[2]目前纯电动汽车按照驱动电机方式主要分为单电机、多电机、轮边电机、轮毂电机几类。 采用单电机驱动的纯电动汽车多见于产品定位低端的电动车领域（如图1），单电机驱动结构简单、成本低廉，但是由于目前没有合适的自动变速箱与之匹配，所以大多是此类产品使用定传动比。在进一步降低成本的基础上带来了爬坡和高速无法兼顾的问题，导致速度范围较窄或高速能耗过大的问题（如表1所对比）。 图1 北汽集团北汽新能源EU5 表1 各种典型电动汽车百公里能耗图
多电机系统可以很好的解决这种缺陷，将两个或两个以上的电机有机合成，由某个电机担任低速任务，另外的电机承担高速任务，即可很好的完成电动汽车的性能和能耗要求，目前市场上常见的为双电机（例如Tesla Model X，如图2所示）。 图2 Tesla Model X 而大众集团旗下奥迪品牌推出的e-tron系列电动汽车（如图3、图4所示）将会在其高性能版本上搭载三电机系统。多电机系统有着很好的加速和能耗性能，但在成本与控制复杂程度上有着先天的劣势。 图3 奥迪e-tron外观 图4 奥迪e-tron充电口 轮边电机（如图5）是电机安装在车轮边上，具有以电子差速控制技术实现转弯时内外车轮不同转速运动，而且精度更高、取消机械差速装置有利于动力系统减轻质量，提高传动效率，降低传动噪声；有利于整车总布置的优化和整车动力学性能的匹配优化；降低对电动汽车电机的性能指标要求，且具有冗余可靠性高的优点，但是为满足各轮运动协调，对多个电动机的同步协调控制要求高、电动机的分散安装布置提出了结构布置、热管理、电磁兼容以及振动控制等多方面的技术难题。目前国内市场应用轮边电机的产品主要有比亚迪K9、K8城市公交客车（如图6）。 图5 比亚迪轮边电机驱动桥示意图 图6 比亚迪K9客车外观 轮毂电机是将电机置于车轮轮毂位置，电机与车轮组成一体，车轮直接由电机驱动，没有传统内燃机汽车笨重的机械传动系统，且其体积小、比功率大，具有很高的传动效率，可大大简化整车机构和降低整车重量及重心，从而减少电动汽车电池消耗和提高电动车稳定性，非常容易实现四驱形式。目前也是全世界电动汽车驱动科研的热点话题，国内清华大学、同济大学、吉林大学等知名高校都有参与其科研项目。但由于轮毂电机安装于轮毂内部，造成车辆簧下质量增加，车辆在极限状态下姿态会出现异常，不利于操控与驾驶感受的建立。具体特点、优点、缺点见如下表2。 表2 各类电机驱动特点及优缺点
我国经济经历快速发展，而且我国人均石油资源并不丰富，这也导致我国成为耗油大国，并一定程度上依赖于原油进口。从这些角度来看，电动汽车推广很有必要，是缓解我国能源危机的一个好方法，是符合我国国情的良策。我国政府十分重视电动汽车的发展和关键技术的研发，我们应当顺应国际形势，抓住发展机会。努力向着并追赶国际先进水平。因此我国通过设置先行城市、推出新能源汽车补贴等方式推动新能源汽车的发展[3]。由于混合动力属于传统燃油汽车与纯电动车发展中的过渡性产品，从我国发展角度来看，笔者认为在未来混合动力仍是发展重点。[4] 对于混合动力汽车，国际上目前主要发展有串联式、并联式、混联式三种。 串联式混合动力内燃机与驱动桥之间没有机械连接；电机从蓄电池或内燃机发电机组获得电能，内燃机发电机组和驱动电机（再生制动时）均可对电池进行充电。其结构简单。 表3 各类混合动力结构特点及优缺点
无需传统燃油车的离合器和复杂变速结构，内燃机可以一直工作在最优区域，但效率底下啊，需要比较大的蓄电池和电机。 并联式是内燃机、驱动电机与驱动桥之间机械连接，驱动电机可以驱动车辆并为蓄电池充电，可以不需要单独的发电机；车辆在任何负载时效率都比纯燃油车高，但两套驱动系统成本较高。 而混联式是两种的结合，同时包含串联式和并联式结构，但控制复杂[5]。如上表3以对各类混合动力汽车的特点、优点、缺点做了详细的分析与对比 目前国际上日本丰田的双ISG 行星轮系混合动力技术已经非常成熟； 本田汽车的ISG CVT的混合动力系统也较为成熟。 通用集团使用BSG的并联混合动力系统，德国的大众集团则使用IST AT的混合动力模式。我国目前包括广汽、上汽、比亚迪、吉利等一线自主品牌自主研发的插电式混合动力汽车主要采用将电机安装在变速箱、发动机间的离合器后方，以及将电机安装在变速器输出轴等2种技术路线，目前在国内市场有着较高的占有率。 不插电的直接混合动力已经发展已久，但由于加工工艺以及油电混合技术的复杂性，目前世界上只有丰田汽车、本田汽车、日产集团、现代起亚集团等大型一线车企攻克了技术难关，是这项技术应用于旗下产品。其中丰田汽车当下最先进的名为THS-II的新一代混合动力系统采用了发动机加行星齿轮组再加电动机的组合，取消了传统汽车的变速箱机构，将发动机与行星架相连接，电动机分别与中心轮、齿圈、输出动力的主减速齿轮连接，通过这种方法将动力源与行星齿轮组耦合在一起[6]。主要部件如下图7所示，包括发动机、动力控制单元、电机、发电机、动力分配装置和电池组.图8、9展示了丰田混合动力系统的宏观结构与行星齿轮组结 TOYOTA Hybrid Engine Generator Power Split device Motor Power Control unit Battery 图7 丰田混合动力系统的组成部分 丰田使用具有连续叠片和常规整体槽分布式绕组的内部PM（IPM）机器。 在Prius 2010发电机中就使用分数槽集中绕组。 丰田汽车公司的一些设计有一层单层磁铁，有些还有多层磁铁，以增加磁阻转矩的贡献。[7] 发电机（MG1） 减速用 行星齿轮组 动力分配 行星齿轮组 电动机（MG2） 发动机 图8 丰田混合动力系统结构示意图 Planet gears Ring gear Sun gear Planet carrier 图9 丰田混合动力系统行星齿轮组示意图 本田汽车采用旗下第三代i-MMD系统，也取消了传统汽车的变速箱，相比于的丰田汽车的THS-Ⅱ系统其发动机大多时间相当于发电机，为驱动电机供电，发动机只在中高车速才通过啮合离合器来驱动车辆，本田汽车专注于表面PM（SPM）和带有分段定子结构和分数槽集中绕组的嵌入式PM电机。分段结构具有增加铜槽因数和降低制造成本的潜力，其设计重点是0.5槽/极/相配置，其绕组系数通常为0.866，此外，可以看出本田汽车有限公司设计采用低直流母线电压[7]。本田的混动系统主要由发动机、电动机、发电机E-CVT结构、电池等组成。其组合方式如图10所示。下图11展示了各部分协同工作的结构特点。 HONDA Hybrid Engine Motor E-CVT Battery Generator 图10 本田i-MMD混合动力系统的组成部分 图11 本田i-MMD混合动力系统工作原理示意图 现代起亚集团的混合动力系统Transmission-Mounted Electrical Device（如图12）与日本车企的不同，没有取消传统的变速箱，在原先的动力总成基础上，将电动机布置在发动机和变速箱之间，电动机和发动机的动力均通过离合器向变速箱传递。主要由发动机、变速箱、发电机、电动机、电池组等组成（如图13所示） 图12 现代起亚集团混合动力系统整车布置示意图 HYUNDAI Hybrid Engine Motor Generator 6AT Gear Box Battery 图13 现代起亚集团混合动力系统组成部分 而日产集团的混合动力和德国大众集团以及戴姆勒集团的轻混系统相似，多采用48V低电压系统，仅在车辆起步时提供一定的动力支持以减少发动机负荷，从而达到节省燃油的目的[8]。 为了达到省油的目的，哈尔滨东安汽车动力股份有限公司的何少利老师进行了怠速起停系统在混合动力汽车中的应用的研究，即在汽车行驶中遇到红灯或者堵车以及在其他情况短暂停车状态中，车速小于3km/h时，怠速起停系统的电控单元控制系统就会自动停止运行，发动机自动熄火，而在重新启动的时候，驾驶员在踩下油门松抬刹车的一瞬间，电控单元就会重新启动发动机。数据表明在混合动力的基础上加入启停系统可以在交通拥堵的城市节省燃料15％-20％。[9] IEEE fellow Mehrdad Ehsani老师在最近的实验中致力于开发用于电动和混合动力电动车辆应用的改进的推进系统。 研究了车辆的动力学，试图找到电力推进系统的最佳扭矩 - 速度曲线。 他的研究表明，如果动力传动系主要在恒定功率区域运行，则可以以最小额定功率满足车辆的运行约束，例如初始加速度和坡度。他提出了几个例子来说明恒功率运行的重要性。还检查了恒定功率区域中的几个候选电动机的操作[3]。对本文的设计思路有很强的指引作用。 针对插电式混合动力汽车（PHEV），上海大学的邵佩玲、徐元辰团队进行了插入式混合动力汽车的充电计量方法和相关试验。通过建立智能电网的模型并考虑电网负荷情况模拟出插电式混合动力汽车每次充电时间平均为六小时，最佳充电时间为每日8:00-9:00以及18:00-20:00。[11] 为了提升混合动力车型机舱内的热管理系统性能，浙江盾安人工环境股份有限公司的张克鹏、蔡培裕、楼军、康志军团队利用CFD软件对混合动力汽车整车前舱内流场和温度场进行分析，考虑热源的影响，考察前舱内零部件及排气系统周边部件在爬坡和最高车速2个典型工况下的温度情况。结合环境舱热管理试验关键部件温度测试结果，仿真与试验冷却模块流量误差在7％以内，关键件温度误差最大在10％以内。为本文的进行以及后续车型的性能优化提供了有效的技术支持。[12] 而针对并联混合动力汽车，V. Sreedhar教授已经在Plug-In Hybrid Electric Vehicles with Full Performance一文中阐述了其优势以及充电部分的功能，也讨论了对于并联插电式混合动力汽车组件的选择与控制策略。[13] 混合动力汽车在复杂的城市工况下行驶，其高压总线上的大电流脉冲很容易冲击动力电池，导致电池过充，从而造成动力电池容量衰减，寿命下降。来自中国广东的孙宝文团队在混合动力汽车电驱动系统过压抑制最优控制一文中指出采用Bang-Bang控制策略能够有效地抑制高压总线过压，保证混合动力汽车行驶安全[14]。 串并联形式的混合动力汽车，在对其内部能量进行传递过程中，存在三类不同的方法，其详细情况是： 第一类，使用发动机作为能源，对整辆车进行驱动； 第二类，使用电池组作为能源，为汽车内部的电动机提供电源，随后让对整辆车进行驱动； 第三类，电动机使用发电机的方式开展工作，随后发动机经过发电机，为车辆内部的电池组进行充电，以此实现对整辆车进行驱动。王伟光团队在插电式并联混合动力汽车能量控制策略一文中提出了智能算法、模糊控制、瞬时优化、逻辑门限值的策略，使在建模仿真中对于能量转换的方法有了一定的探究。[15] 针对模糊控制，来自上海的徐航，马向华，叶银忠团队在混合动力汽车驱动控制策略优化研究一文中做了更加详细的阐述。优化驱动控制系统的目标是在保证整车动力性能的前提下，合理分配车辆运行需求转矩，且使得发动机工作在高效区域；在保护动力电池使用寿命方面，将动力电池 SOC 值保持在规定的浮动范围内。 图14 控制器作用的流程框图 控制器设计中采用的输入变量为2个，一个是行驶过程中的请求转矩与发动机最优转矩的转矩差Delta;T；第二个是蓄电池组的荷电状态 SOC值。发动机最优转矩是指发动机运行在油耗最 低时对应的转矩。采用行驶过程中的请求转矩与发动机最优转矩的转矩差值Delta;T为输入变量的主要原因是保证，发动机的工作范围始终保持在最优转矩工作曲线上下波动。模糊逻辑控制器的输出变量是 发动机的转矩系数k。通过模糊逻辑控制器进行功率分配后，发动机需要提供的实际转矩为ktimes;最优转矩，电动机分配到的实际转矩为需求驱动转矩与发动机实际提供转矩之差。[16]流程结构如上图14所示。 重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心的李连与Salman M, Chang M F, Chen J在混合动力汽车能量控制策略研究现状一文中还提出了有关全局最优控制策略的方法，包括线性规划、动态规划、随机动态规划等方式。[17] 除控制模块外，混合动力模型发动机的选取也有一定的原则。尚建利在混合动力轿车整车控制策略分析一文中指出启动发电一体机的电机应符合两个条件要求：第一，在串联工况下，如果动力电池处于严重馈电状态时，启动发电一体机要能提供充足的发电功率，以使其达到车辆爬行工况下的驱动功率实际需求和附件功率实际需求。第二，在低转速工况下，启动发电一体机的峰值扭矩应比发动机静摩擦阻力矩要高，从而促使启动发电一体机能够快速启动发动机。对于变速器速比的选择，要符合以下几项要求：第一，在车辆以最高转速匀速行驶过程中，发动机利用高挡速比传递到轮边的驱动扭矩要比道路阻力高一些，从而确保车辆能够以发动机单独驱动模式在最高车速条件下持续运行。第二，在发动机参与驱动过程中，变速器低挡速比值要达到最大爬坡度和最低爬行车速的实际需求。第三，变速器低、高挡的速比值应保持合理差异。这就可以使发动机到轮边的扭矩变化梯度较为合理，从而为后期能量分配策略创造良好条件。对于插电式混合动力轿车主电机的选择方面，要求主 电机的峰值扭矩必须符合纯电动模式和混合模式下的动力性指标实际需求。同时由于驱动电机和发动机之间的齿轮一直处在啮合状态，不能做到动力中断。所以当主电机工作在峰值转速过程中，要确保发动机不能出现超速现象。[18] 发动机选取之后通过对其转速进行智能控制可以达到有效的降低能耗的目标，李志坚在混合动力电动汽车发动机转速智能控制系统设计一文中通过模拟仿真。提出一种基于软切换的Bang-Bang神经网络PID的混合动力电动汽车发动机转速智能控制系统设计方法。仿真实验结果表明，所提设计方法保证了发动机转速的快速性和平稳性。[19] 除此之外，李刚在混联式混合动力汽车驱动控制与节能分析一文中详细提出了一种节能策略的应用。 （1）发动机适时启动的控制 为使发动机及时投入汽车加速状态，要求发动机的启动要瞬间完成，混动车的一号电机功率高达 10千瓦，启动完成时间一秒钟。车辆静止启动时，与车轮相连的外齿圈不转，一号电机驱动恒星齿轮正转，恒星齿轮的正转使行星齿轮反转，并迫使行星齿轮座开始正转并带动汽油机转动，汽油机启动着火转速每分钟1 000 转，当车辆在电动模式下运行时，因齿圈转动，一号电机启动转速相应提高。 （2）起步和低速轻载行驶节能减排的控制 低速电动模式下，发动机不运转，只用电动机起步，二号电机推动外齿圈在转动，而行星齿轮不转，恒星齿轮和一号电机反向空转。当控制单元检测到蓄电池存电不足时，由一号电机启动发动机。 （3）加速、爬坡和全速行驶时，发动机与电力 驱动动力分配的控制 当需要较大的动力时，发动机和二号电机共同提供扭矩驱动汽车行驶，发动机驱动动力分配器中 的行星齿轮座，把2/3的扭矩通过外齿圈传递到最 终减速器和车轮，把1/3的扭矩通过恒星齿轮传递 到一号电机，一号电机发出电能，供给二号电机，使二号电机向外齿圈提供额外的扭矩。随着车速的提高，车载计算机会根据电池组的电量、油门踏板 位置信号、行车阻力控制输送到一号电机的供电份额，合理分配发动机与电机输出动能，使发动机运行在高效区。 （4）巡航时，发动机最佳运行状态控制、巡航时，汽车在平坦的路面上处在稳定行驶状 态，为使发动机保持在低转速高效区，此时使一号电机工作在电动机状态，发动机以低速驱动行星齿轮座圈旋转，一号电机带动恒星齿轮快速反转，迫使得行星齿轮正转，增加了对外齿圈的推力和转速的提高。 （5）滑行时能量回收控制 抬起油门踏板，汽车进入滑行状态时，发动机熄火，主减速器反拖二号电机旋转，二号电机转换 为发电模式工作，经电机控制器进行电压变换，给 蓄电池组充电，同时发电所产生的电磁阻力，使汽车减速。滑行时，因发动机停转，行星齿轮座不转，与二号电机连接的外齿圈使行星齿轮正转，一号电机及恒星齿轮反转，一号电机既不发电也不耗电，只是在空转。 （6）刹车时能量回收控制 当踩下制动踏板时，车载计算机根据踏板行程，启用能量再生式刹车控制模式，使二号电机的 输出电流大幅度上升，产生更大的发电阻力来降低车速，刹车过程中产生的电能被储存在电池组中。 在制动过程中，车载计算机计算出汽车在能量再生 制动时产生的减速量，相应减少施加于行车制动器上的液压制动力。 （7）倒车节能减排控制 发动机不运转，电机控制器控制二号电机反向转动，推动外齿圈反转，实现倒车，因行星齿轮座不转，则一号电机正向空转，此时一号电机不参与能量转换。这种设计思想对本文的模拟与仿真有着很重要的启发。[20] 对于整车的设计，需要进行参数匹配，荀博深，耿龙伟，杨骁，赵振秀团队在对进口大众UP的分析中得出了一种由驱动、制动、车轮、蓄电池、电机等模型行车的整车参数匹配方法，对本文后来的模拟与仿真提供了一定的参考。[21] 为掌握串并联构型混合动力汽车(HEV)动力系统模式切换的控制方法，来自一汽集团和同济大学的孙起春，王军华，郭洪江，赵永强团队分析了搭载智能多模式驱动(i-MMD)动力系统的 本田雅阁汽车各模式间切换过程，并开展了典型工况 测试试验验证。结果证明了整个控制过程分析的正确性。该结果对开发相关构型车辆的控制策略可提供借鉴。也对本文的形成有着很重要的参考意义[22]。 |
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四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证： 通过阅读文献，以及对市场上主流国产以及进口电动车进行调研。 该论题研究的方案主要有以下几方面
其中包括插电混动和传统混动，从使用便利性，结构简单可靠程度，效率，制造成本等方面入手进行分析与比较。
研究技术路线： 首先，了解本论题的研究状态，对国内外目前主流的电动车进行调研，形成文献综述和开题报告。 其次，进一步搜集阅读资料并研读文本，做好记录，形成论题提纲。 第三，深入研究，写成初稿。最后，反复修改，完成定稿。 研究方法：运用文献分析法、文本细读法、比较法、综合分析法等进行研究 针对各种电动车驱动方式的不同，电机形式与位置的不同，以及性能、能耗性能的不同，综合分析形成文献综述与开题报告。
将其连接并调试，形成合理的整车模型，并设定一个仿真的模拟行驶工况，对整车模型的经济性进行测试。 应用Matlab软件进行建模与仿真，包括发动机模型、电动机以及电池模型，油电转化的控制策略等具体内容。并分别调试。 调查目前国内外对其的科研前沿水平与在市场上的应用，以及应用的产品的表现与性能等具体内容，并做好记录。 搜集并阅读有关串联式、并联式、混联式混合动力汽车的文本资料、互联网资料，了解其特点、优点、缺点。 |
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进一步深入研究这种混合动力车在未来的发展前景以及发展方向，并与其他品牌、其他类型的混合动力车型做比较，形成论文报告的初稿 之后根据仿真结果得出本车对应的能耗水平，并加以分析，且提出针对此种电动车的改进意见。 之后再对具体差别与车型表现进行综合分析、修改最终形成并完成定稿。 图15 技术研究路线图 五、进度安排： 2018年11月8日-2019年1月15日 查阅相关文献 2019年1月16日-2019年2月25日 完成电动汽车驱动系统模型的建立, 完成系统仿真模型的整体控制 2019年2月25日-2019年4月15日 实现电动、发电等功能，计算电动汽车的运行里程 2019年4月16日-2019年6月6日 完成毕业设计论文并答辩 六、参考文献 [1]刘卓然 陈健 林凯 赵英杰 许海平,” 国内外电动汽车发展现状与趋势” [2] John G. Hayes, R. Pedro R. de Oliveira, Sean Vaughan, Michael G. Egan,” Simplified Electric Vehicle Power Train Models and Range Estimation [3] Xiang Zhang, Jianzhong Yang, Bo Sun, Jia Wang,” Study on the Policy of New Energy Vehicles in China”, 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. [4]邱先文 插电式混合动力汽车技术及研发状况分析 [5]同济大学汽车学院车辆工程 混合动力汽车现状与发展 [6] Shinji Aso ; Mikio Kizaki ; Yasuhiro Nonobe,” Development of Fuel Cell Hybrid Vehicles in TOYOTA” 2007 Power Conversion Conference – Nagoya [7] A. M. 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资料编号：[178002]
