SC7130ISG轻度混合动力汽车参数匹配设计

目 录摘 要IABSTRACII第1章 绪 论11.1课题提出的背景及意义11.2 混合动力系统的概念21.3混合动力汽车的发展概述31.3.1国外研究现状31.3.2国内研究现状3第2章 混合动力汽车传动系统介绍52.1 混合动力传动系统的概念52.2混合动力系统的结构型式62.2.1串联混合动力驱动系统62.2.2并联混合动力驱动系统8第3章并联式混合动力系统参数设计93.1 SC7130主要技术参数及动力性要求93.2并联式混合动力系统参数设计103.2.1发动机参数103.2.2传动系参数123.2.3最小传动比的选择133.2.4最大传动比的选择133.2.5变速器档位数及各档传动比的选择143.2.6电机参数143.2.7储能元件参数16第4章 并联混合动力汽车控制策略计184.1 控制策略概述184.2 电池SOC最大化控制策略19第5章 并联混合动力系统建模与仿真225.1混合动力系统主要机构建模225.1.1 整车阻力模型225.1.2发动机模型235.1.3电机模型245.1.4电池模型255.1.5控制单元模型265.2并联混合动力汽车仿真和分析285.2.1NEDC循环工况分析285.2.2FTP75高度公路仿真分析31第6章 总结和展望33参考文献34致谢3541摘 要随着能源和环境对人类生活和社会发展的影响越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声日益高涨。为此，各种电动汽车脱颖而出，但由于蓄电池的能量密度与汽油相差很大，远未达到所要求的数值，而燃料电池技术亦尚未取得重大突破。 在这种情况下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车(HEV)异军突起，成为当前新型汽车开发的热点。混合动力电动汽车是解决环境污染和能源问题最具实际商业前景的清洁汽车。考虑到我国汽车技术发展的现状、混合动力汽车技术的发展趋势及制造成本因素,本课题提出了一种适合我国国情的混合动力汽车动力传动系方案起动机/发电机一体化的轻度混合动力(ISG-MHV)方案。根据这一方案，本课题介绍了采用起动机/发电机/电动机一体化技术的ISG（Integrated starter/generator）型混合动力汽车动力汽车动力传动系统结构，确定了发动机、电机的类型，制定了怠速工作模式下以及减速制动时的控制策略，并对电机启动、电池充电、混合驱动、发动机单独驱动、 制动模式下功率进行了分析，并对ISG电机控制器和整车动力系统进行简单建模，并对特定工况进行仿真计算，已对设计方案进行验证，对SC7130ISG轻度混合动力汽车参数进行了匹配设计。关键词： 轻度混合动力， ISG， 参数匹配ABSTRACWith the energy and environment on human life and social development is more and more big, as soon as possible to improve the human living environment is growing. Therefore, all kinds of electric automobile talent showing itself, but as a result of battery energy density and gasoline is great, far did not achieve the desired value, and fuel cell technology has not yet achieved a major breakthrough. In this case, integration of internal combustion engine vehicle and electric vehicle has the advantages of the hybrid electric vehicle ( HEV ) a new force suddenly rises., become the new car development hot spot. Hybrid electric vehicle is to solve the pollution of the environment and energy issues of the most practical business prospects of clean car. Considering our country automobile technology development status, hybrid vehicle technology and the development trend of the manufacturing cost factors, this paper put forward a kind to fit our country national condition of hybrid electric vehicle transmission system scheme, starter / generator integration of mild hybrid ( ISG-MHV ) scheme.According to this scheme, this paper introduces the starter / generator / motor integration technology of ISG ( Integrated starter/generator ) type of hybrid electric vehicle power train system of automobile structure, determines the engine, motor type, developed in idle mode and a braking control strategy, and the starting of the motor, battery charging, hybrid drive, engine driven individually, braking mode power are analyzed, and the ISG motor controller and vehicle power system simple modeling, and the specific operating conditions were simulated, the design scheme has been verified, the SC7130ISG mild hybrid vehicle parameter matching design.Keywords： mild hybrid; ISG; parameters match第1章 绪 论1.1课题提出的背景及意义高速发展的汽车工业和世界上巨大的汽车保有量已经并将继续导致一系列严重的社会和人生存问题。日益恶化的空气质量、全球变暖和石油资源的短缺等等已经成为人类生存的主要威胁。越来越严格的排放限制和油耗法规正激励着更安全、清洁和高效的汽车的发展。目前，人们基本上已经有一个共识，就是纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车技术是解决这些问题最有效的途径。当前普遍使用的传统内燃机汽车存在种种弊病，统计表明，汽车公路行使的效率(即车轮上的输出能量与燃料的含能量的比值)平均约为15，市区行驶不足10，更为严重的是放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对节约能源和改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。但由于电池的能量密度与汽油相比差了上百倍，专家称如果燃料电池技术不能实现重大突破，电动汽车还无法取代传统内燃机汽车。混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能元件(主要是高性能电池或超级电容器)通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，各大汽车公司都正在加紧混合动力汽车研究的投入。混合动力汽车配备了两套动力系统，即传统内燃机(汽油机或柴油机)和电机一蓄电池系统。理论和实践证明，设计合理、控制精确的混合动力汽车可以大幅度提高汽车的燃油经济性和降低汽车的环境污染排放物，同时不牺牲汽车的动力性。由于混合动力汽车远比传统汽车结构复杂，特别是需要一套传统汽车所没有的控制系统。因此传统的汽车理论和设计方法不能适用于混合动力汽车，而急需发展一套新的混合动力汽车的设计和控制方法，以支持混合动力汽车的产品开发。本项目正是在这一背景下提出的，以合理设计混合动力系统机构参数及控制策略为目的，寻找系统设计和控制的方法。混合动力系统设计包括发动机和电机的最高转速、功率和扭矩、电池的功率及容量，以及传动系统的档位数及各档的传动比等参数的设计。系统控制策略则控制汽车行驶需求功率在两套动力系统之间合理分配。它们的设计正确与否都会对车辆的动力性、燃油经济性和排放均有显著影响。随着计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术在汽车产品的开发中扮演着越来越重要的角色。计算机仿真能大量地节省产品开发时间，缩短开发周期，降低开发成本。因此在当今开发混合动力汽车产品，计算机仿真已成为了必不可少的工具。混合动力系统主要有串联式(Series)、并联式(Parallel)、混联式(SeriesParallel)和复合式(Complex)四种典型结构型式。本文将以一款现有常规车型SC7130作为参照，设计一并联式混合动力汽车(PHV)，在保证不削弱动力性的前提下，确定上述机构参数，并制定混合动力系统能量分配控制策略，建立计算机仿真模型，并对初步设计好的混合动力汽车进行仿真计算，从计算得出的动力性、百公里油耗及SOC变化情况等结果判断设计的效果，并与原车型计算结果作比较，使得在满足动力性的前提下，燃油经济性和排放比传统内燃机汽车有明显改善。1.2 混合动力系统的概念一般地，对任何汽车的动力系统都有如下要求：(1)为汽车提供足够的动力来满足汽车行驶性能的要求；(2)携带足够的能量来满足汽车行驶里程的要求；(3)高效率；(4)污染物排放低。拓宽一点，汽车可以有两种及以上的动力源和能量转换装置，比如，汽油(或柴油)发动机系统，氢一燃料电池一电机系统，蓄电池一电机系统等等。一个具有两种或更多种动力源和动力转换装置的汽车叫做混合动力汽车。混合动力汽车上装有电动系统(电能转换装置)，便称为HEV。传统内燃机(ICE)汽车具有良好的性能，内燃机有较宽的工作区域等优点。但它也有耗油高、对空气的污染大的缺点。纯电动汽车(EV)在很多方面却优于传统的ICE汽车，比如说有较高的能量利用效率，对环境无污染等。但在性能方面，特别是它的一次充电续驶里程，由于其电池容量有限，EV比传统的ICE汽车逊色不少。而混合动力汽车(HEV)综合了EV和传统的ICE汽车的优点，一方面能比传统ICE汽车节油，另一方面能保证车辆的性能。1.3混合动力汽车的发展概述1.3.1国外研究现状目前，许多国家都制订了严格的汽车排放法规和节能标准。在纯电动汽车不能很快实现市场化的情况下，世界上各大汽车公司都对混合动力汽车加大了投入力度，相继开发出各种混合动力汽车产品。例如日产公司的Tino混合动力轿车，本田公司的Insight混合动力轿车，通用公司的Preceptl.3混合动力轿车，福特公司的Prodigy混合动力轿车，戴母勒一克莱斯勒公司的ESX315混合动力轿车，还有丰田公司在1997年推出的王牌车型Prius混合动力轿车，目前全球销量已经接近年30万辆。在混合动力大客车方面，较为典型的有日本三菱的HEV无阶梯公共汽车，美国的DE40LF和ORION混合动力大客车都有较好的性能价格比，都已经在2002年推向市场。早在1997年12月的电动汽车国际会议上，绝大多数汽车工程师认为，在未来10年内世界上生产的汽车中至少有40是混合动力汽车。日本丰田汽车公司宣称到2010年，将生产混合动力汽车180万辆。有专家认为，混合动力汽车的研发，已不再是汽车工业的一次简单的技术革新，而是一次新的汽车工业革命。1.3.2国内研究现状我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制，在此基础上也开展了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。清华大学、华南理工大学、广州电车公司等单位分别试制了混合动力样车。但从技术水平上看，国内目前还处于探索的初级阶段，与国外的先进水平相比还有很大差距。随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门列有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力汽车车和纯电动车)，总经费8.8亿，其中混合动力汽车的开发目标是，5年内实现产业化。我国的几大汽车集团近几年都开展了混合动力汽车的研究开发工作。“一汽”集团和“二汽”集团于2002年1月就分别启动了混合动力客车和混合动力轿车的开发研究。中国“一汽集团公司在2004年9月与丰田汽车公司就推动混合动力汽车在中国市场的发展与普及事宜达成合作协议。双方将在今年内，共同进行Prius的生产。旨在通过合作，学习和借鉴丰田先进技术和成熟经验，加快中国混合动力汽车开发和产业化进程。东风汽车公司也加紧了自己的步伐。目前，东风混合动力城市公交车和轿车已完成样车开发，工业化生产平台搭建、销售服务网络建设等产业化准备工作也已全面展开。拥有自主知识产权的东风混合动力城市公交车和混合动力轿车年内将实现产业化。上汽集团也于今年8月与上海交通大学、同济大学在上海举行仪式，共同签署新能源汽车战略合作协议。规定双方将全力合作加快替代能源、混合动力、燃料电池等车型的研发。计划到2008年北京奥运会和2010年上海世博会时，使上汽自主品牌混合动力轿车等新能源汽车实现规模批量生产。长安集团也早在2002年就联合数家科研院校，进行混合动力技术的研发，该项目被列入国家863计划，并于去年11月通过国家科技部第二阶段的认证，准备进入量产。还有国内的奇瑞等汽车公司同样打算在混合动力车上树立起自主品牌。奇瑞计划会在2007年展出首款自主研发的混合动力轿车。第2章 混合动力汽车传动系统介绍2.1 混合动力传动系统的概念本质上，任何车辆的动力系都要求：（1）产生足够的动力以满足车辆性能的需要； （2）配置充分的车载能量以保证车辆行驶给定的路程；（3）高效率的显示；（4）少量环境污染的排放。一般说来，一台车辆可以有多个能量及其能量变换器，例如，汽油（或柴油）热机系统；氢燃料电池电动机系统；化学蓄电池电动机系统等。配置有两个或更多个能源及其能量变换器的车辆被称作混合动力车，当其携带有电气的动力系（能源及其能量变换器）时，进而被称为混合动力电动汽车。 混合动力电动汽车的驱动系通常由不多于两个的驱动系组成，多于两个动力系的结构将使系统复杂化。为回收在传统ICE 车辆中以热形式消耗的部分制动能量的目的， 通常的混合动力电驱动系含有一个双向的能源及其能量变换器，而另一类，则不是双向的、就是单向的能源及其能量变换器。图2-1 展示了混合动力电驱系统的概念，以及可能的各种动力流的通路。图2-1 混合动力电驱动系的概念图示混合动力电驱动系通过被采用的动力系供应所需的动力。许多与动力流相配合的有效模式如下，以满足运行中的负载需求： 1. 动力系1单独向负载提供动力； 2. 动力系2单独向负载提供动力； 3. 动力系1和2二者都向负载提供动力； 4. 动力系2由负载获得功率（再生制动）； 5. 动力系2从动力系1中获得动力； 6. 动力系2从动力系1和负载中同时获得动力； 7. 动力系1同时向负载和动力系2提供动力； 8. 动力系1向动力系2提供动力，同时动力系2向负载提供动力； 9. 动力系1向负载提供动力，同时负载向动力系2提供功率。 2.2混合动力系统的结构型式2.2.1串联混合动力驱动系统串联混合动力系统是由两个动力源加上一个驱动电机构成的。最常见的串联混合动力系统如图22所示。其动力系统结构形式如图2.3所示，发动机发电机组是单向能量转换装置。发电机的输出端通过一个整流器与电能传输线连接。蓄电池组为双向能量源，通过一个DCDC转换器与能量传输线连接。电能传输线也和驱动电机控制器相连接。控制器能控制驱动电机以电动机或发电机两种模式工作。这种驱动系统需要一个充电器为蓄电池充电。图2.2串联混合动力系统串联混合动力系统的工作模式有以下几种：1纯电动模式：发动机关闭，由电池向电机提供能量驱动汽车行驶；2纯发动机模式：驱动电机所需电能直接由发电机发电机提供，电池既不充电也不放电，驱动电机仅起传递力的作用；3混合模式：发电机发电机和电池同时向驱动电机提供电能；4发动机驱动、电池充电模式：发电机发电机既为电池充电也驱动电机提供电能；5制动能量回收模式：发电机发电机关闭，驱动电机以发电机模式工作，为电池充电；6电池充电模式：驱动电机不工作，发电机发电机为电池充电；7混合充电模式：发电机发电机为电池充电，同时驱动电机以发电机模式工作为电池充电。图23串联混合动力系统的结构型式串联混合动力汽车有以下优点：1发动机到驱动轮没有直接的机械连接，它的转速不受汽车行驶速度的限制，所以能始终工作在如图11所示的最佳经济区域，能获得很高的燃油效率。另外，和驱动轮之间没有直接的机械连接就可以选用高转速的发动机，如燃气轮机和斯特灵发动机。2电机有比较理想的外特性，传动系采用结构简单的单一速比机构就能满足动力性要求。可用两个小型电机分开驱动车轮，以代替一个驱动电机和差速器机构，控制两小型电机能实现差速和驱动防滑的双重功能。甚至可用四个小型电机分别驱动四个车轮，结构更简单，动力性能更好。3控制策略简单。串联混合动力系统也有它的不足，主要表现在以下方面：1能量两次传递(发动机-发电机-驱动电机)，总体效率低，能量损失大；2加了一个发电机，增加了车重；3驱动电机是单一的驱动装置，对其尺寸要求大。2.2.2并联混合动力驱动系统对于并联混合动力驱动系统，发动机向驱动轮提供动力的方式与传统ICE汽车类似。而电机提供辅助动力，如图24所示。图24并联混合动力系统的结构型式第3章并联式混合动力系统参数设计本章主要讨论如图31所示并联式混合动力系统机构参数的设计，其目的是满足整车的动力性指标要求的前提下，为提高整车的经济性和排放性，确定合适的各总成部件参数。设计发动机功率及最高转速，电机功率、最高转速及基速比，电池功率及容量，传动机构档位数及速比等参数，在合适的系统控制策略下，使其在满足汽车动力性要求的前提下提高系统整体效率，从而达到节油和降低排放的目的。图3.1并联混合动力系统模型3.1 SC7130主要技术参数及动力性要求在设计并联混合动力系统部件参数前，首先通过查资料得到SC7130轿车的主要技术参数，如表31所示，这些参数是下文设计所必需的。技术参数数值整车整车质量（kg）86520满载质量（kg）1190车轮半径（m）0.265滚动阻力系数0.012空气阻力系数0.38发动机额定功率（kW）63/6000rpm最大扭矩（Nm）110/35004500rpm最高转速(rpm)6300参考SC7130轿车的动力性能，提出本文混合动力汽车的动力性要求如下：(1)最高车速160kmh；(2)加速时间14s(O100km/h)；(3)最大爬坡度在发动机单独驱动模式下不小于30。3.2并联式混合动力系统参数设计混合动力系统设计的重点是确定发动机和电机的功率大小，以及在汽车行驶过程中动态决定功率在两者之间的分配(通过控制策略实现)。设计两者的功率时，电力辅助型混合动力汽车可作如下分析。汽车行驶时的功率需求是随机变化的，但可将它分为两部分：一部分是稳定值(平均功率)；另一部分是平均值为零的动态值(动态功率)。在混合动力汽车上，可以认为其中一种动力系统(如内燃机)，用来提供行驶需求的稳定功率，而另一动力系统(如电力系统)，则用来提供动态需求功率。在整个循环工况中，电机提供的动态需求功率代数和应为零，亦即在循环工况结束时，提供汽车动态需求功率的能量源没有能量的变化，它仅仅起个缓冲的作用。本文设计的并联式混合动力汽车，采用内燃机提供行驶需求的稳定功率。而动态功率由电机提供，蓄电池为电机提供电能。除此之外，传动机构档位数、速比和电池功率及最大容量等，也是动力系统重要参数，它们对汽车的动力性能和系统工作效率同样有着很大的影响。在设计初期，这些参数可根据汽车的动力性要求来初步估计，然后再进一步计算优化。3.2.1发动机参数汽车匀速行驶在水平路面上时，发动机应能不依靠电池而向汽车提供足够的行驶功率。否则将会造成电池迅速放电，这对电池工作状况和使用寿命等方面都将是不利的。同时，要求发动机提供的汽车行驶所需的稳定功率(如图32所示)，即发动机输出的最大平均功率应不小于频繁起停循环工况下汽车需要的平均功率。发动机功率就从以上两点入手初步设计。(1)发动机单独驱动下满足高速公路汽车行驶功率需求：汽车匀速行驶在水平高速公路上时，需求功率为：Pe=V1000t,eMvgfr+12aCDAfV2 (kW) (3.1) 其中，e,t发动机到车轮的传动效率，取0.9; V汽车行驶速度，ms g重力加速度，9.80ms2 fr滚动阻力系数 a空气密度，1.2258Ns2m4 CD空气阻力系数 Af迎风面积，m2代入整车参数并计算，得到汽车在水平路面上行驶时，速度达到160kmh时所需功率为43.23kW，将其圆整，确定发动机功率为44kW。(2)满足典型循环工况下平均行驶功率需求：在一个循环工况中，平均行驶功率可由下式计算得到Pave=1T0T(MvgfrV+12aCDAfV3+MvVdVdt)dt （3.2）其中汽车旋转质量转换系数为一常量，取为1.Ol。平均行驶功率也随制动能量回收程度的不同而变化。两种极端情况就是制动能量全回收和零回收。如果是全回收制动能量，则平均行驶功率就由式32计算得到；如果是零回收制动能量，平均行驶功率就要大于前一种情况，也可以用式32来计算，小于O的瞬时功率用0代替。在设计发动机功率参数时，必须使发动机最大平均输出功率大于平均行驶功率。在并联混合动力系统中，发动机与驱动轮之间是机械连接的，发动机的转速也就随车速的变化而变化。另一方面，发动机节气门全开的输出功率也随其转速的变化而变化。因此，确定发动机的功率来满足一个循环工况下平均行驶功率就不像串联混合动力系统那样直接(串联混合动力系统中，发动机工况可以固定)。发动机节气门全开的平均输出功率可由下式计算：Pmax-ave=1T0TPe（v）dt （3.3）其中，T为循环工况总时间，Pe（v）为发动机机器们全开下的输出功率。这里发动机的最大功率是44kW，发动机外特性采用SC7130轿车用发动机(JL474Q1)按一定比例缩小得到。图32和图33分别为和某汽车FTP75高速公路循环工况和NEDC循环工况下的上述功率图。把这些可能的最大平均输出功率与所计算的平均行驶功率作比较，可知发动机功率的选择满足这些循环工况的行驶要求。所以发动机功率设定为满足汽车高速公路等速行驶所要求的功率，即44kW。图3.2FTP75高速公路工况下的上述功率图图3.3NEDC循环工况3.2.2传动系参数电机用来提供峰值功率，且它有低速大转矩的特性，在它和驱动轮之间采用单一速比的传动机构就可以使汽车在爬坡和加速时得到足够大的转矩。而发动机到驱动轮之间必须采用多速比传动机构。采用多速比传动机构可有效的增加发动机的后备功率，汽车的动力性能(爬坡和加速性能)也得到改善。多速比传动机构也增加了发动机工作在最优经济区域的机会，燃油经济性也得到了改善。另外，发动机较大后备功率可以为电池快速充电。但是，多速比传动机构比单一速比机构大、重、复杂，对它的控制也更复杂。因此在设计时需要权衡考虑机构的设计和参数的选择。本文设计的并联混合动力系统，发动机到车轮之间采用多速比传动机构，电机到车轮采用单一速比机构(主减速器)。传动系参数主要包括变速器和主减速器速比。最大速比取决于整车的最大爬坡度，最小速比取决于整车的最高车速。当汽车以最常用的巡航车速行驶时，尽可能使发动机工作在高效区。3.2.3最小传动比的选择传动系最小传动比，可根据发动机单独驱动时，最高车速的功率平衡点进行选择，即当发动机工作在最大功率点处时，对应最高车速为160kmh，此时有如下对应关系Te maximint,er=Mvgfr+12aCDAfV2 （3.4） 所以imin=(Mvgfr+12aCDAfV2/2)rTe maxt,e （3.5）带入数据计算得 imin=3.69243.2.4最大传动比的选择最大传动比为变速器的头档速比与主减速比的乘积。该速比主要满足两方面要求。(1)满足最大爬坡度的要求。汽车在最大爬坡度工况时车速较低，可忽略空气阻力，最大传动比应满足imaxMvg(frcos+sin)rTe maxt,e （3.6）式中，最大爬坡角度，16.7o(30%);带入数据计算得，imax14.71满足附着条件的要求，即牵引力不应大于附着力Ft max=Te maximaxt,erF=M2g （3.7）所以满足imazM2grTe maxt,e （3.8）式中，Ft max最大牵引力，N； F附着力，N； M2驱动桥质量，取M2=0.6Mv kg 附着系数，取=0.7代入计算得，imax33由此可知，仅发动机驱动时的最大传动比应该设计在14.71和33之间。但实际上常常是发动机和电机混合驱动，因此最大传动比还要满足混合驱动时的附着条件。综合这些因素，又考虑到在满足汽车动力性要求下尽量减小相邻档之间的比值，故取imax=15.5。在设计好各机构参数后，可对此参数校验。3.2.5变速器档位数及各档传动比的选择变速器档位数的多少主要从动力性、经济性、操纵性、结构复杂程度及需要进行选择。档位数越多，发动机的功率利用率越高(高功率区工作时间长)，既增加了动力性，同时也增加了发动机在低油耗区工作的可能性，提高了燃油经济性。但是档位多的变速器结构，特别是操纵机构会很复杂，所以在选择档位数时应根据这两方面协调考虑。参考SC7130轿车主减速器速比，本文设计主减速器为5。同样，变速器也采用五档，且各档速比按等比级数分配，结合以上分析，设计各档速比，如表3.2所示。3.12.16571.5131.0000.7385表3.2变速器各档速比3.2.6电机参数ISG-MHV中一般使用较低功率的发动机，因为加速和爬坡时并不只由发动机单独提供功率，而是由电动驱动装置及能量存储单元(电池组、储能飞轮或者超能电容器)与发动机一起驱动汽车行驶。对于电力辅助型并联混合动力汽车，电机的作用主要是为混合动力系统提供峰值功率。设计电机功率，主要考虑在几种典型循环工况下的加速性能和汽车行驶的峰值需求功率。设计电机功率分两个步骤，首先从给定的混合动力汽车加速性能对电机功率初步估计，再通过仿真计算对初步估计的电机功率进行调整。(1)根据加速性能初步估计电机功率：初步估计的时候，可以假设汽车稳态行驶动力(克服滚动阻力和空气阻力)由发动机提供，动态动力(克服加速时的惯性阻力)由电机来提供。有了这个假设，电机的输出扭矩和汽车加速度就有如下的关系Tmit,mt,mr=mMvdVdt (3.9)其中，Tm电机输出扭矩； m 电机驱动旋转质量转换系数，取1.03； it,m电机到驱动轮的传动比； t,m 电机到驱动轮的传动效率，取0.95； r车轮滚动半径利用图3.4所示的某电机输出特性，加上给定的从初速0到末速度为Vf（100kmh）的加速时间ta(14s)，可由式310得到电机功率，如式311。图34汽车电机驱动F的驱动力一车速曲线ta=0VbMvmPmVbdV+VbVfMvmPmVdV (3.10)Pm=mMv2t,mta(Vf2+Vb2) (3.11)式中，Vb为电机额定转速下的车速。上式说明了，如果加速性能一定，则电机额定转速下的车速越小，电机的功率等级就越小。根据式3.10计算的该车电机功率等级与其基速比x的关系。如果电机x较小（Vb较高），那么减小Vb就能大大地减小对电机功率等级的要求。但如果x较大（Vb较低），如x5，这种效果就不明显。本文选取电机x=5，则根据3.11计算得到初步估计的电机功率Pm=52.13kw（2）验算初步估计电功率 步骤(1)设计的电机功率是偏大的，因为在汽车加速的时候，发动机除了用于克服汽车滚动阻力和空气阻力的功率外，还有后备功率，它也分担了一部分加速功率。汽车加速时发动机的平均后备功率为：Pe,a=1ta-tiia(Pe-Pr)dt (3.12)式中，Pe发动机功率，kW Pr阻力功率，kW ta加速时间，s； ti发动机驱动开始时刻，s 传输到驱动轮上的发动机功率还和传动机构的档位数和传动比有关系。利用以上设计的发动机功率、变速器参数和整车参数，建立仿真模型计算得到发动机平均后备功率为818kW。将步骤(1)初步估计的电机功率值减去步骤(2)发动后备功率值得到52.13818=43.95kW，将其圆整为44kW，这就得到了要设计的电机功率值。3.2.7储能元件参数储能元件的参数主要包括两方面：功率和容量。(1)功率选择储能元件的功率设计相对简单而直接，主要满足电机的输入功率需求，即 PsPmm (3.12)其中，Pm为电机最大功率，m为电机效率。本文选择某交流电机，其最大功率为44kW，最大效率为09，平均效率为08，经计算储能元件功率设计为55kW。（2）容量选择储能元件的容量设计与不同驱动模式(主要是全油门加速和几种典型循环工况)的能量消耗有密切的关系。在汽车加速阶段，储能元件和发动机输出的能量可由下式计算得到。Es=0aPmmdt （3.13）和 Eeng=0aPedt （3.14）其中，Es和Eeng分别表示储能元件和发动机输出的能量，Pm和Pe分别比表示电机和发动机的输出功率。图3.11为该混合动力汽车在加速阶段计算得到的随车速变化的储能元件和发动机输出能量。在汽车末速度为120kmh时，储能元件输出的能量大约为0.2kwh。图31l加速期间储能元件和发动机的输出能量曲线储能元件的容量也要满足汽车在几种典型工况下的能量需求。储能元件的能量变化可由下式得到Ec=0a（Psc-Psd）dt （3.15）其中，Psc和Psd分别为储能元件充电功率和放电功率。有了确定的控制策略后，Psc和Psd就能通过对混合动力系统的仿真计算得到。但储能元件的能量并不是全部被利用。假设选择电池作为储能元件，电池SOC过低将会限制它的功率输出，并且电池内阻会增加而导致放电效率降低。如果采用超级电容作为储能元件，过低的SOC又会使其端电压下降，从而影响电动机性能的发挥。同样，若用飞轮电池作储能元件，过低的SOC相当于过低的飞轮转速，也会影响电机性能的发挥。因此，储存在储能元件里的能量只有部分能利用，它可以用SOC的百分数来表示。储能元件的容量就可由下式得到：Ecs=EdSOCtop-SOCbott （3.16）其中，Ed为储能元件的放电量，SOCtop和SOCbott分别为储能元件SOC上限和下限。Ed=0.2kwh，假设假设最多只能利用储能元件40的总能量，则储能元件的最小容量为0.4kwh第4章 并联混合动力汽车控制策略计4.1 控制策略概述不同的混合动力汽车需要不同的控制策略来调节和控制功率从不同部件流进和流出，从而实现不同的控制目标。一般说来，混合动力汽车控制策略的控制目标主要有三个：(1)最佳燃油经济性；(2)最低的排放；(3)最低的系统成本。在设计混合动力汽车控制策略时，应该着重考虑以下一些问题：(1)优化发动机的工作点。基于最佳燃油经济性、最低排放或者二者相结合，根据发动机的转矩、转速特性曲线确定最优工作点。(2)限制发动机的最低转速。当发动机低速运行时，燃油效率很低，因而当发动机转速低于某一值时，应切断发动机的工作(关闭发动机或将离合器分离)。(3)合适的蓄电池荷电状态。蓄电池的SOC值必须保持在适当的水平上，以便在汽车加速时能提供足够的功率，在汽车制动和下坡时能提供回收能量。(4)安全的蓄电池电压。在放电、发电机充电或再生制动时，蓄电池的电压会发生很大变化，应避免蓄电池电压过低或过高。否则，蓄电池会产生永久性损坏。(5)分工适当。在驱动循环中，发动机和蓄电池应合理分担汽车所需功率。(6)工况选择。在某些城市或地区混合动力汽车应以纯电动的模式工作，这种转变可以通过手动或自动来控制。目前应用于并联混合动力汽车的控制策略主要包括电力辅助控制策略、建立在固定循环工况上的全局优化控制策略、综合管理控制策略以及自适应控制策略等。由于逻辑门限值控制方法相对简单，易于实现，因此国外成型的混合动力样车和产品车大多采用这种控制方法。其控制策略需满足以下目标：(1)满足动力性要求，即在任何时刻输出到车轮的总功率(扭矩)都必须等于驾驶员通过加速或制动踏板所反映的行驶需求功率(扭矩)(2)实现系统整体的高效率；(3)保证电池SOC在整个循环工况维持在一个合理的水平而不需外界为其充电；(4)回收制动能量。4.2 电池SOC最大化控制策略电池SOC最大化控制策略是一种逻辑门限值控制的电力辅助策略。它的控制思想是将动力系统总成中的电机作为灵活变化的被控部件，利用电机系统反应迅速、控制准确的特点，在汽车行驶过程中，随工况需求变化配合发动机进行电机实时调控。而发动机则尽可能工作在其最佳经济区域，只要电池SOC值未达到充电上限，发动机工作在最佳区域的剩余功率全部用来给电池充电，力争电池SOC维持在一个较高的水平，确保电力系统能正常工作，从而保证汽车的动力性。电池SOC最大化控制策略强调的是维持电池SOC在一个较高的水平。但有些工况下，如汽车在低速和低加速度的工作条件下长时间行驶，电池充电就很容易达到SOC上限值，这样，发动机将被迫以小负荷工况工作，降低了效率。因此，有必要采用发动机开关控制策略加以调节，如图4.1在发动机开启阶段，混合动力系统采用电池SOC最大化策略控制。当电池SOC达到上限，发动机关闭，汽车完全由电机驱动。当SOC到达下限，发动机开启，又转为电池SOC最大化策略控制。如图4.2图4.1发动机开关控制示意图 图4.2电池SOC控制策略图解并联混合动力系统主要有发动机单独驱动、电机单独驱动、混合驱动、再生制动、发动机为电池充电等几种工作模式，其具体控制思想有以下几点：（1）纯电机模式在混合动力汽车起步和低速行驶时，相应的发动机运行偏离了发动机较优的工作范围，此时汽车雪球的牵引力负荷偏小或发动机运行转速过低、油耗和尾气排放情况较差，这时混合动力系统处于纯电机模式，汽车牵引力全由电机提供，电池向电机提供能量，处于放点状态，发动机与动力系统通过离合器的分离断开连接，发动机处于怠速或停机状态。（2）发动机、电机混合驱动模式当汽车行驶功率需求功率大于发动机提供的功率时，发动机和电机同时工作驱动车辆行驶，汽车的负载功率等于发动机输出功率和电机输出功率之和，如果此时由发动机单独驱动，则发动机动力性无法满足整车需求，会使其发动机的经济性和排放性能指标下降，因此在混合驱动模式下，电机起到了提供峰值驱动功率的作用。（3）发动机驱动、电池充电模式当汽车行驶需求功率小于发动机最优区域输出功率是，并且电池SOC低于充电上限，使其发动机在最优工况范围内，此时电机成为了变速器输出轴上的一个负载，利用发动机发出的汽车牵引功率以外的剩余功率对电池进行充电。（4）纯发动机驱动模式当汽车行驶于相对稳定的工况时，汽车需求驱动功率在发动机最佳输出功率范围内，而此时电池SOC已达到上限，混合动力系统此时进入纯发动机驱动模式，汽车的牵引功率全部由发动机提供，电机输出为0.（5）电机单独制动模式当汽车需要制动时，汽车需求功率小于电机提供的最大再生功率此时电机以发电模式工作产生与制动所需的相等功率，而发动机此时刻关闭，由电机提供能量制动。（6）发动机、电机混合制动模式当汽车制动时，所需的制动功率大于电机的最大再生制动功率，控制电机以发电机模式工作并产生最大再生功率；同时使用机械制动补充剩余的需求功率，以混合模式共同制动。第5章 并联混合动力系统建模与仿真5.1混合动力系统主要机构建模5.1.1 整车阻力模型要得到汽车行驶时的需求功率，首先建立整车阻力模块，可以参考汽车理论，对汽车行驶作受力分析，如图5.1所示为一汽车行驶在一坡度上时的受力情况。驱动汽车向前行驶的是作用于车轮与地面之间的驱动力Tt，它由动力装置的输出扭矩经过传动机构和主减速器再到车轮的传输而来。汽车受到驱动力的同时，也受到了行驶阻力、空气阻力和坡度阻力等阻力。其中： Fr=Mvgfrcos (5.1)Fw=12AfCDVa2 (5.2)Fi=Mvgsin (5.3)Fj=MvdVdt (5.4)Fr为滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡度阻力，Fj为加速阻力。有以上4个公式可以得出汽车行驶受到的总阻力为Ft=Fr+Fw+Fi+Fj （5.5）其中，Mv为汽车质量，Af为汽车迎风面积，CD为空气阻力系数，fr为滚动阻力系数，Va为汽车速度，为坡度，为旋转质量系数，dV/dt为汽车加速度。图5.1整车阻力学模型可由驱动力一行驶阻力平衡方程式得知，汽车行驶时，需要作用在车轮上驱动力Ft等于汽车受到的总的阻力。所以，由整车动力学模型在得到循环工况模块的车速和加速度请求后，计算整车所受总阻力，再向车轮提出驱动力和车速要求或功率要求。行驶需求功率为Pt=FtV=FtV （5.6）5.1.2发动机模型发动机由于自身特性的显著非线性，其真实模型相当复杂，难于通过数学模型描述，但是，发动机处于不同转速时，对应于不同的节气门开度，发动机输出扭矩特性特性可以通过一系列实验数据得到，如图5.2为发动机对应转速和节气门开度下的发动机输出的功率，图5.3为发动机对应情况下的模型图。图5.2 发动机转矩输出特性图5.3发动机模型5.1.3电机模型与发动机建模类似，电机模型同样基于电机特性图。通过一系列稳态工况实验数据可得到。电机单独工作时，由电机提供动力输出给汽车行驶所需的功率，当电机和发动机混合驱动时，当汽车行驶需求功率小于发动机最优区域输出功率是，并且电池SOC低于充电上限，使其发动机在最优工况范围内，此时电机成为了变速器输出轴上的一个负载，利用发动机发出的汽车牵引功率以外的剩余功率对电池进行充电，当汽车行驶功率需求功率大于发动机提供的功率时，发动机和电机同时工作驱动车辆行驶，汽车的负载功率等于发动机输出功率和电机输出功率之和，如果此时由发动机单独驱动，则发动机动力性无法满足整车需求，会使其发动机的经济性和排放性能指标下降，因此在混合驱动模式下，电机起到了提供峰值驱动功率的作用。如图5.1图5.1电机模型图5.1.4电池模型电池是混合动力系统中的电能存储装置。根据电池本身不同的电量，当汽车行驶时所需的功率不同，使得电池在一定的条件下进行充电、放电，一般规定，正的功率值表示放电，负的功率值表示充电。当汽车充电的电量SOC达到本身设计的上限时，停止对电机充电， 其模块如图5.4所示图5.4电池模型图5.1.5控制单元模型控制单元如下图所示，其四个子系统为发动机和电动机工作单独驱动、混合驱动和制动时的模块，图5.5控制单元模型当汽车行驶需求功率小于发动机最优区域输出功率是，并且电池SOC低于充电上限，使其发动机在最优工况范围内，此时