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武汉理工大学硕士学位论文 摘要 面对新世纪能源和环保的巨大压力，混合动力电动汽车( h e v ) 成为当前主 流清洁能源汽车。我国非常重视混合动力电动汽车的研究和开发，国家科技部 在“十五”国家8 6 3 计划中将电动汽车单列为重大专项，明确提出将研究重点 放在电动汽车整车配置设计与通用控制平台、电动汽车多能源动力总成、电动 汽车新型电机与驱动系统、电动汽车动力电池及其智能管理系统的研制上。本 文以并联混合动力电动大客车s l g 6 1 2 0 c w e 为研究对象，进行了混合动力驱动系 统配置、混合动力驱动系统部件选型和参数设计、多能源动力总成控制系统及 其控制策略、h e v 主要部件建模及仿真方面的研究。 首先对比了各种结构形式的优劣，选择了一种适合s l g 6 1 2 0 c w e 的驱动方式， 根据s l g 6 1 2 0 c w e 的控制任务定义简化出了其混合动力驱动系统的模型，并对发 动机、电动机和蓄电池等主要零部件进行了使用条件和性能要求分析，对动力系 统进行了概念设计，并进一步对各关键部件进行了型式研究，初步确定了部件 的参数，提出了动力系统匹配方案。 然后通过对s l g 6 1 2 0 c w e 混合动力驱动系统在多种工作模式下的能量流分 析，提出了一种基于规则和能量流分析的转矩控制策略。同时对不同运行状态 切换过程中发动机和电动机之间的动态协同控制问题作了研究，结合转矩控制 策略提出了混合动力驱动系统动态协同控制算法。 最后在a d v i s o r 软件中结合多种典型的中国典型城市公交循环工况对 s l g 6 1 2 0 c w e 的转矩控制策略进行了仿真分析，验证了整车具有良好的动力性和 燃油经济性，达到了预期的设计目标。同时，也对整车在设计工况下无法反映 而又可能存在的不足之处做出了改进，最终达到了改进目的。 关键词：混合动力客车动力系统设计控制策略仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a c i n gt h ec h a l l e n g e s o fo i l s h o r t a g e a n da i r p o l l u t i o n ，h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ( h e v lb e c o m e so n eo ft h em a i nc l e a nv e h i c l e s a n di ti so nt h el i s to f n a t i o n a le l e c t r i cv e h i c l ek e yp r o j e c t so ft h et e n t h f i v ep l a na n d8 6 3h i t e c h p r o g r a m i nt h i sd i s s e r t a t i o n w i t hp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i ct r a n s i tb u ss l g 6 12 0 c w ea s t h em a i nr e s e a r c hs u b j e c t ，t h eh y b r i dp o w e rd r i v es y s t e m ( h p d s ) ，t h em u l t i - e n e r g y p o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e m ，t h ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g y , m o d e l i n g ，s i m u l a t i o na r es t u d i e d a n da n a l y z e d f i r s t l y , t h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo ft h eh e b a r ec o m p a r e d ，t h e nw ec h o s eac e r t a i n d r i v es y s t e mf i tf o rs l g 612 0 c w e b a s e do nt h ec o n t r 0 1m i s s i o n i t sh p d sm o d e li s s e tu p t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h em o s ti m p o r t a n t m o d e l si n c l u d i n ge n g i n e ，m o t o ra n db a t t e r ya r ea n a l y z e d t h es t r u c t u r eo ft h ed r i v e s y s t e mi sc o n c e p t i v ed e s i g n e db a s e do nt h er e c e n tl e v e lo ft h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e i nt h ew o r l d t h ep a r a m e t e r so ft h ek e yc o m p o n e n t sa r ec o m p u t e da n do p t i m a l l y m a t c h e db yt h ea n a l y s i so ft h es y s t e ma n dt h e i rs p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ha n a l y s i so ft h ee n e r g yf l o wo ft h eh p d so nv a r i o u sw o r k i n gm o d e s ，a t o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yi sp u tf o r w a r d t h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lv a r i a b l eo ft h i s s t r a t e g yi st h et o r q u e a c c o r d i n gt ot o t a lr e q u e s tt o r q u eo fd r i v e ra n dt h ee n g i n e m a p , t h es t r a t e g yd e t e r m i n e st h ew o r k i n gs t a t eo ft h eh p d sa n dt h eg o a lt o r q u eo f t h ee n g i n ea n dt h em o t o r a n dt h ec o o r d i n a t e dc o n t r o li s s u eo ft h eh p d si sa l s o s t u d i e d a tl a s t ，a c c o r d i n gt os e v e r a lt y p i c a lr o a dc y c l e s ，t h et o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yf o r s l g 612 0 c w ei ss i m u l a t e da n da n a l y z e dw i t ha d v i s o rs o f t w a r ei no r d e rt o v a l i d a t ei t sg o o dp e r f o r m a n c ea n df u e ie c o n o m y a tt h es a m et i m e w em a d es o m e i m p r o v e m e n tt ot h ei n a d e q u a t ep a r to ft h ep h e br e f l e c t i n gf r o mt h es i m u l a t i o n a n d t h ea n t i c i p a t e dd e s i g nt a r g e t sa l er e a c h e d k e yw o r d ：p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cb u s ，t h ed e s i g n a t i o no fp o w e r t r a i n ， c o n t r o ls t r a t e g y ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：导师签名：圣， y 、杉 i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着全球石油资源紧张、大气污染严重和电池技术的提高，电动汽 车已被公认为是2 1 世纪世界汽车工业改造和发展的主要方向。经过1 0 多年的 努力，世界各大汽车产业集团已投入上百亿美元的资金开发电动汽车，目前均已 从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段，并进一步转向产业化批量生 产阶段。从当前世界各国竞相发展的电动汽车类型来看，主要分为纯电动汽车、 混合动力电动汽车和燃料电池汽车3 种。但是，由于现阶段作为纯电动汽车和燃 料电池汽车的关键部件之一的电池存在能量密度低、寿命较短、价格较高等问 题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。尽管目前具有世界 先进水平的纯电动汽车和燃料电池汽车的性能与内燃机汽车不相上下，但其过 高的成本使其难以商品化。在这种环境下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混 合动力电动汽车( h e v ) 异军突起，在世界范围内成为新型汽车开发的热点。 为在 2 0 0 8 年使北京交通运输车辆的环保性能指标达到发达国家的先进水平，“十五” 期间，国家把电动车辆、混合动力电动车辆的产业化、商品化作为发展重点，并 投入巨资，组织相关关键技术的产业化工作3 。城市公交作为市内交通的重要组 成部分，采用混合动力电动车辆等清洁车型很有必要砼引。世乔范围内就混合电 动大客车也开展了多项研究，出现了多种样车，这些样本在布置方式和组成元件 以及控制方式方面各不相同，但总体来说，都具有至少两种能量源口1 ，其中一种为 具有高能量密度的能量源，另一种为具有高功率密度的能量源，利用两种能量源 的特性互补，实现系统性能的改善和提高。 1 2 混合动力汽车研究现状 1 2 1 国外发展状况 上世纪8 0 年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资进行电动汽车和混 合动力汽车实用车型的研制和开发。进入2 1 世纪后，各国加快了h e v 的产品化 的进程，相继推出了不同型式的h e v 产品，很多车型都显示出了优良的环保与节 能性能。 1 9 9 1 年德国大众汽车公司第一次推出了“济科”( c h i c o ) 混合动力电 动微型汽车，最高车速为1 3 1k m h ，0 - - 一8 0k m h 的加速时间为1 9 s 。“济科”在城 市行驶时每百公里平均能量消耗为1 4l 汽油加上1 3k w h 的电能，相当于每 武汉理工大学硕士学位论文 百公里3 2l 的汽油消耗h 1 。 日本的丰田汽车公司是目前走在h e v 开发最前沿的汽车公司，也是世界上最 早开始进行h e v 研究的汽车公司之一。早在1 9 9 7 年，丰田公司就在世界上第一 个推出了名为p r i u s 的混联式混合动力电动汽车。在日本1 0 - - - 1 5 工况下燃油经 济性指标达到了每百公里3 5 7l ，c o ，n o x 和h c 的排放水平仅相当于日本现行法 规的1 1 0 。这种5 座轿车最高车速为1 4 0k m h ，其连续行驶里程与普通汽车一 样，视加入的汽油多少而定碍1 。丰田p r i u s 混合动力汽车自上市以来已经在全球 卖出了超过1 2 万辆，成为到目前为止市场表现最好的混合动力汽车。 日本的本田汽车公司独立研制开发的i n s i g h t 混合动力车也已经实现量产。 该车实现了目前全世界最低的油耗( 每升汽油可行驶3 5k m ) 和最洁净的排放( 每 行驶1k m 仅排放8 0g 二氧化碳) ，并且创造了一次加油行驶l5 0 0k m 的纪录阳1 。 继l n s i g h t 之后，2 0 0 2 年本田公司又推出了d u a l n o t e 运动型概念车。 福特汽车公司在2 0 0 0 年北美国际车展上推出了其开发的p r o d i g y 混合动力 家庭概念车。该车采用福特p 2 0 0 0l s r 混合动力系统、1 2 升4 缸柴油发动机和 镍金属复合电池，每百公里油耗仅3 3 l 口3 。在2 0 0 1 年北美国际车展上，福特公 司又推出爱仕( e s c a p e ) 混合动力s u v 概念车，获得广泛关注2 0 0 2 年和2 0 0 5 年福 特公司再次推出福克斯( f o c u s ) 新一代燃料电池混合动力轿车和e s c a p e 混合动 力轿车，前者2 0 0 4 年己小批量生产。福特公司预计，未来1 0 年内，h e v 将占汽车 市场的1 0 2 0 。 另外其他一些汽车公司也都推出了自己的h e v 。通用的p r e c e p t 、戴姆勒 克莱斯勒的e s x 3 、日产的t i n o 、现代的c l i c k 等都是具有代表性的车型。目 前混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，正在进人实用化、商品化阶段。 1 2 2 国内发展状况 国内2 0 世纪9 0 年代末期开始了混合动力汽车的研发工作。1 9 9 9 年，清华大 学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客 车m 1 。2 0 0 1 年底，国家“8 6 3 ”电动汽车科技攻关项目正式启动，第一批项目中 主要是混合动力汽车开发，目前正在进行当中其他一些汽车公司和高校也在这 方面做了许多工作。一汽集团和东风汽车集团联合所在地高校和研究所，在各自 的客车底盘上，研发混合驱动公共汽车和大型客车：东风电动车辆股份有限公司 已开发出混合动力轿车，其中e q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车实现了产品系列化、通 用化、标准化设计：天津清源电动车辆有限公司开发出混合动力中型客车，排放 达到欧i i i 标准，燃油经济性提高1 5 以上：北京嘉捷博大电动车有限公司和常州 2 武汉理工大学硕士学位论文 客车厂合作开发了我国第一辆以燃气涡轮机作为动力机的混合动力电动大客车， 排放指标低于2 0 0 8 年将在欧洲开始执行的欧v 标准：深圳明华环保汽车有限公 司也开发出混合动力电动轻型客车阳1 。 1 3 混合动力汽车关键技术及研究现状 一参数匹配 系统参数的合理选择与匹配为整车控制策略的优化提供了基础。同时，系 统参数的选择还要兼顾成本。参数匹配要借助于已经建立并且经过验证的仿真 平台。混合动力系统的部件匹配，常常依据目标工况的功率和转矩需求而进行1 叭。 串联系统的部件匹配相对简单，所依据的功率容易从循环工况的功率请求中获 得。并联和混联系统既可以采用动态匹配的方法i 1 0 1 ，也可以采用反向动力学对各 部件参数进行匹配和优化。 二整车能量管理系统和控制策略 要实现混合动力电动汽车性能的提高，就必须对整车，尤其是动力系统进 行控制，使名个部件能够协调工作。这一任务由整车能量管理系统来完成。 ( 1 ) 整车能量管理系统 混合动力电动汽车的能量管理系统和工业上用到的复杂系统一样，普遍采用 分级分布式结构，如图1 1 所示最上层为能量管理系统的决策单元 ( d e c i s i o n - m a k i n gu n i t ) ，统一协调和控制各个低端控制器；中间一层包括多个低端 控制器；最下层为各个执行器。 能量管理系统的决策单元接受驾驶员输入的指令、各个执行器的信息和环 境信息，协调各子系统的工作。 隆= 慧乒 图卜1 混合动力电动汽车整车能量管理系统 ( 2 ) 整车能量管理策略 混合动力系统的整车控制策略( 能量管理策略) 可以从不同的角度出发进行 一臂缝一 1 一泡东【一 蕊忑j 一剐器器酉鳇 一会动翩一 一孽 ，、j 器器 一器一 一透嬲丁遥 罐艘匡 商嚣、乡 一动物l豌一 栅否 一机器多甄( 乡阪堂鬯 饨器一 z动制圭篓 武汉理工大学硕士学位论文 分析。无论是串联2 并联还是混联h e v 系统，控制策略要解决的问题主要有两个： 系统运行模式的切换和混合模式下功率的分配。 a 模式切换策略：混合动力系统有多种运行( 能量流动) 模式。根据不同的工 况要求，以优化各部件工作点为目的，可以在这些运行模式中进行切换。串联混 合动力系统有1 1 种可能的工作模式及多种模式切换策略，如发动机o n o f f 策略 1 和”转换输出功率”策略n 引。并联系统的运行模式较少，混联系统则可以设计 得较多，以适应不同的工况。 b 功率分配策略：功率分配是系统能量管理策略研究的关键。通常功率分配 都被看作是一个以减小油耗和改善排放为目标的优化问题。功率分配决定了混 合动力系统中发动机的工作区域。根据优化程度的不同，目前被广泛采用或研究 的功率分配策略大体上可以分为：恒定工作点策略、优化工作区策略、i c e 优化 曲线策略、瞬时优化策略和全局优化策略。 随着对混合动力系统控制策略研究的深入，诸如自适应控制、模糊逻辑控 制、神经元网络控制等方法也得到有效的运用。这些方法可以改善实时控制的 性能，提高h e v 对各种工况的适应能力。 三电池和电池管理系统 ( 1 ) 混合动力电动汽车对电池的要求 一般情况下，混合动力系统的动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。 在充放电过程中，电压、电流可能有较大变化。针对这种使用特点，混合动力系 统对电池有如下几方面的特别要求： a 大功率充放电的能力。质量比功率和体积比功率是衡量电池快速放电能 力的指标，相对于能量要求，混合动力系统的电池对比功率的要求更高。同时， 混合动力系统在制动能量回收或低功率调峰时要求电池能够在短时间内接受大 量的能量。目前的高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题。提高电池 快速充电接受能力比提高电池的比功率更加紧迫和关键。 b 充放电效率。混合动力电动汽车中内燃机发出的相当一部分能量须经历 充电一放电的能量循环，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。 c 混合动力系统的电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保 持性能的相对稳定。混合动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数也 是对电池的基本要求。 此外，作为车用动力电池，还有一些基本要求：电压、质量比能量和体积 比能量、免维护性以及成本。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) h e v 发展的其它储能技术 a 飞轮电池 飞轮电池有比能量高、比功率大、充电快、寿命长、无污染等优点，但目 前技术难度和成本都较高。 b 超级电容 超级电容虽然能量密度较低，但却拥有很高的功率密度，能在瞬时提供很 大的电流和功率，同时寿命长、效率高、充电快，是混合动力系统中很有前途 的一种瞬时供能装置。 ( 3 ) 电池管理系统 电池管理系统是整车能量管理系统的一部分。整车能量管理策略的实施要 依赖电池管理系统对电池状态的判别和对电池性能的维护。电池管理系统的主 要功能有：防止电池过充电或过放电；判定荷电状态s o c ：选择适当的充电或放 电模式；对电池进行均衡充电：控制并平衡电池组的工作温度。 四电驱动系统 h e v 对电驱动系统的要求： a 串联系统对驱动电机的要求与纯电动车相似，发电机则要求小体积、高 效率、控制性能良好。 b 并联和混联系统要求电机能适应频繁的起停和电动发电状态的切换。在 并联系统“轻度复合的结构中，电机功率要求较小，可采用与发动机曲轴同 轴的结构，进一步减小了电机尺寸和质量。 目前适合 i e v 使用的电驱动系统主要是异步电机( 感应电机) 驱动系统和 永磁同步电机驱动系统。 五动力复合装置 在并联和混联系统中，机械的动力复合装置是耦合发动机和电机功率的关 键部件。它不仅具有很大的机械复杂性，而且直接影响整车控制策略，因而成 为混合动力系统开发的重点和难点。 目前采用的动力复合方式有转矩复合、速度复合和双桥动力复合。 六混合动力系统专用发动机 h e v 系统中，由于发动机的工况可以控制在一定范围内，因而可以进行优化 设计进一步提高其燃油经济性，降低排放。 a 对内燃机的改进 目前采用内燃机的混合动力系统基本上都对其发动机进行了重新设计或重 武汉理工大学硕士学位论文 大改进。例如丰田p r i u s 的1 5 l 汽油机采用a t k i n s o n 的高效率、高膨胀比工 作循环、紧凑型倾斜式挤气燃烧室以及铝合金缸体，其主要目的是追求高效率 而不是高功率。由于电机承担了功率调峰的作用，发动机可以舍弃非经济工作 区的性能而追求经济工作区的更高效率。 b 混合动力系统中使用的其它热机 混合动力电动汽车还可以选用燃气轮机、斯特林发动机或燃气发动机等其 它热机，利用它们各自的优势，可以构成不同特点的混合动力系统。 1 4 本课题研究的内容 混合动力汽车具有高度的复杂性，正是这种复杂性为混合动力系统提供了 更大的设计和研究空间。本课题主要研究内容如下： 一客观评价混合动力城市客车采用各种驱动型式时的优劣，然后确定动力 总成的结构方案； 二系统研究并联混合动力总成及其应用； 三比较混合动力客车各种驱动方式，提出并联混合动力驱动方式及对动力 系统参数进行设计，完成并联式混合动力系统部件选型。 四制定适合城市公交客车的混和动力电动汽车控制策略； 五对目前混合动力电动汽车的仿真软件进行介绍； 六在m a t l a b s i m u l i n k 环境中结合a d v i s o r 进行仿真计算。本文对并联混 合动力控制策略等问题只能进行理论上的探讨，未能深入研究并联混合动力总 成控制器的实际开发过程。这方面的研究应该进一步深入下去。 七对仿真结果进行分析，提出改进方案 1 5 本课题意义 面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题，人们对汽车所带来了能源消耗、 环境污染等诸多负面影响也越来越重视了。显然电动汽车是替代当前燃油汽车 的最佳解决方法，但是因无法在短时间内解决电动汽车所面临的实用化与商品 化的现实问题，一种兼具传统燃油汽车和纯电动汽车优点的混合动力电动汽车 应运而生，它可以根据运行工况使发动机与电池协调工作，“取长补短 。然而 混合动力电动汽车的结构及控制问题与普通的燃油汽车相比却要复杂的多，很 多关键技术仍未得到解决。尤其是发动机、电动机、电池三者之间的能量转换 6 武汉理工大学硕士学位论文 关系的控制、协调与管理技术，即如何使混合动力汽车在不同的运行工况下， 能够最大限度的发挥三个能量源各自的优势，对于整车而言十分重要、也十分 难于突破。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力客车的分类及驱动系统选型 根据国际电子技术委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o r g i s s i o n ，i e c ) 的定义，混合动力电动汽车( h e v ) 是能够根据特定的运行要求， 从两种或两种以上能量源、能量存储器或转化器中获取驱动力的汽车，在运行 中至少有一种或者能量存储器或转化器直接驱动汽车，并且至少有一种能量源、 能量存储器或转化器能够传递电能。一般混合动力客车的动力系统采用内燃机 和电机作为双动力源，所以根据混合动力汽车的定义我们在设计混合动力汽车 时可以采用不同的动力系统结构。 2 1 混合动力客车的分类 2 1 1 串联式混合动力客车 串联式混合动力汽车s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( s t l e v ) 由发动机、 发电机、蓄电池和电动机等动力装置以串联连接方式组合而成。如图2 1 所示， 该系统利用发动机提供电能，牵引电机是唯一的驱动源。图中带箭头的线条表 示功率流的路径，箭头表示功率流动方向，细虚线表示控制信号。 r r 竺：兰竺竺_ 下一1百 上上丁_ i 。上孟 内燃机一l 一逆变器= 二电动机二= = | e 变速器= 脒内燃机一发电机一逆变器 电动机 | 1 变速器 j 桥 - 一一 离含器 图2 1 串联式混合动力示意图 串联式混合动力汽车中发动机的功能是带动发电机发电，电动机将电能转 变为机械能后通过变速箱、后桥来驱动车轮。实际上串联式混合动力汽车的发 动机发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机并不直接参与串联式混 合动力汽车的驱动。传统车在制动时是把动能转化成热能，因为摩擦材料磨损 的原因会对环境造成一定的影响，另外制动时造成了汽车总能量的损失。当公 交车在城市线路运行时制动能量占了总能量的大约5 。混合动力汽车在制动时 会把制动能量转换成电能并输送到蓄电池，以便必要时由蓄电池为电动机供电。 串联式混合动力汽车具有以下特点n 3 j ： 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 控制系统比较简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电状 态、s o c 决定发电或停止； 2 发动机总是在最佳效率区驱动发电机，因此燃油效率高，有一定节能效 果，能减少污染； 3 动力传递过程中，由于存在能量转换中的损失，降低了能量利用率，其 综合效率与传统汽车区别不大； 4 要求每一动力装置的各自功率都等于或接近汽车的最大驱动功率，特别 是电动机必须满足汽车行驶的需求。因此整个系统的规模庞大，增加了车辆成 本及机构布置难度。一般在轿车上很少采用串联式混合动力系统，串联式混合 动力系统主要应用于大型客车上。 2 1 2 并联式混合动力客车 并联式混合动力汽车p a r a ll e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( p h e v ) 可以利用 发动机和电机共同驱动车轮。并联式混合动力汽车的动力结构多种多样，如图 2 - 2 至图2 5 所示：由于发动机与驱动车轮之间直接相连，所以发动机的运转受 到驱动工况的影响，虽然并联式混合动力汽车有不同的结构模型，但都是以发 动机为主要驱动模式。因为发动机直接带动并联式混合动力汽车的驱动系统， 所以可以采用传动效率高的机械传动系统，没有串联型混合动力汽车在热能一 电能一机械能的转换过程中的能量损耗引。 发动机动力系统主要用于中、高速的行驶工况；而电动发电机动力系统用 于中、低速的城市路况行驶，在汽车加速和爬坡时配合发动机动力系统驱动车 辆，大大提高了汽车的加速性能和爬坡性能。 广一一一 整车控制器 一l车轮i l l 。二工二一上二il 二 内燃机h 卜电机= 变蝴二= = 后桥 l 离暮器二二 卜一逆变器 电池 车轮 ! 一- _ 1 一 一 l 一一一一一一：= = ：z ：= ：一一一一一一l 一 图2 - 2 并联式混合动力示意图a 9 武汉理工大学硕士学位论文 广丁一一 整车控制器 一一l 车轮 li - l i l l!i； j 一 i j _ _ 一 il j l 一l j l 一 内燃机卜电机：习亡：变速器后桥内燃机 电机。ll 一一变速器 后桥 ；离龟兰 l撒杏照一 电池 车轮 ；一。逆变器 鬯地 一卜牝 i - _ 广 1 一一一。一一一一一一_ 图2 3 并联式混合动力示意图b 自眸蜀 ： ：1 一； r 离台器：li 离仑兰且 图2 - 4 并联式混合动力示意图c 广一一1 一 整笨控制器一l 军轮 l 1。二iii l i i ：l： _ 1 一- l j 一上j 上 内燃机；一卜一变速器一 电机 一后桥 ii - 耐丁t l 离合器 iil i ；电池：= 二逆变器 车轮 电池 一一逆变器 干寸艺 l 一一= = = = = = 一一 图2 5 并联式混合动力示意图d 并联式混合动力汽车具有以下特点： l o 武汉理工大学硕士学位论文 1 结构简单，特别是省去了独立的发电机，两套动力装置可单独或同时驱 动，输出总功率可以为两个动力系统的叠加，因而单个动力系统功率可以减小， 有利于机构布置； 2 两套动力装置可直接驱动车轮，因此效率提高，能量损失降低； 3 两套动力装置要根据车辆状态进行切换，动力控制系统及机械切换系统 相对复杂； 4 低负荷时电机可以发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里 程。 2 1 3 混联式混合动力客车 混联式混合动力电动汽车s p l i th y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ( p s h e v ) 综合了 串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动发电机和驱动电动机三大动力总 成组成，可以根据行驶条件以串联和并联模式工作。所以，混联系统具有串联 系统和并联系统的双重特性。 因为混联式混合动力电动汽车兼有串联式和并联式的优点，可以组合成更 多种形式的混合驱动的驱动模式。如图2 6 至图2 8 所示：发动机、电动发电 机和驱动电动机的功率可以是混联式混合动力电动汽车总功率的1 3 1 倍，汽 车的整备质量可以降低，而且性能更加完善，经济性更好，在动力性能方面接 近和达到内燃机汽车的水平，有害气体的排放更少，达到“超低污染 的标准 要求。 图2 - 6 混联式混合动力示意图a 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 混联式混合动力示意图b 图2 - 8 混联式混合动力示意图c 2 2 混合动力客车动力驱动系统的选择 2 2 1 混合动力客车动力驱动系统对比分析 混合动力客车的动力系统结构形式复杂多变，如何从各个动力系统结构中 选择合适的结构，我们就要对各种形式的混合动力汽车动力总成结构进行对比 分析，各驱动系统的特点及比较如下表2 l ： 1 串联式混合动力电动汽车结构最简单，同时控制策略也不复杂，开发难 度较小，可开发用于降低城市污染的公交车，并为其他类型的h e v 积累开发经 验。在串联混合动力的两种常用控制方式中，由于功率跟随式控制策略在动力 性和燃油经济性方面有较好的综合性能，所以该控制方式较为常用。采用功率 跟随与恒温器综合控制方式n 引更有利于避免电池大电流放电和发动机的频繁启 动，降低油耗提高排放性能。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 并联式混合动力电动汽车可以使油耗和排放都得到显著的降低，其控制 策略优化后优点更加明显。采用小功率电动机和小容量蓄电池组的并联式混合 动力汽车，能够极大地降低混合动力汽车的自重和制造成本，是十分有市场化 前景的一种结构型式。特别是这种结构型式与c v t 配合，是获得较高的燃油经 济性、较低的排放、平稳的驾驶性能的一种比较理想的系统型式。对于这种系 统，如何对蓄电池组的s o c 进行合理而有效的能量管理是获得整车最佳燃油经 济性的关键。 电力辅助控制策略是并联式混合动力电动汽车较为普遍采用的种控制策 略。电力辅助控制策略比较简单，易于实现，但控制效果不够精确。目前并联 式混合动力车控制策略还不十分成熟。己开发的控制策略各有优点，互补性很 强，但都没有达到最优。 3 混联式混合动力汽车在理论上易于实现最优的燃油经济性和排放性，但 由于结构过于复杂，相对成本高。但为了更好地解决当前大中城市普遍存在的 空气污染严重问题，同时作为对低排放、低油耗车辆的探索，必须深化c h e v 的 开发工作。 在混联式混合动力汽车控制策略中，从理论上讲全局最优模式是最佳的。 但是建立在固定循环下的全局优化控制策略受驱动循环影响大，实现起来有一 定的困难。发动机恒定工作点模式、发动机最优曲线模式这两种控制策略是比 较实用的控制方法。 表2 1 串联、并联和混联技术对比 串联并联泓i | ) ( 燃油经济性篮旺 好 环像性能好r 扫l 】 动力驱动系统结构绚单 较复杂链杂 自f i 度少般多 挖制方式简啦软复杂复杂 制边技术容易牟坌难琥 技术先进惟低 先进免进 成本商较l 儡高 与串联式混合动力汽车的动力系统相比，并联式结构相对要复杂一些，自 由度也要多一些，控制方式比较复杂，但是在节能方面比较突出，符合目前的 武汉理工大学硕士学位论文 技术潮流与日益增长的环保和节能要求。另外动力总成的重量和成本相对较低， 虽然开发成本比较高，但是对于我国的汽车先进制造技术积累与持续发展有着 重要的意义。与混联式结构相比，并联式结构简单得多，自由度少，因此控制 起来相对容易一些。在对混联式混合动力电动汽车的动力系统进行控制时，除 了对驱动转矩的控制有严格要求，同时也对速度调节控制有严格要求，这种转 矩和速度的双重控制增加了控制器和控制策略的复杂度，而且混联式结构要求 更加精密的传动系统，这对制造技术也提出了比较高的要求。另外并联式结构的成本相 对较低，因此通常一般选用并联式结构，当并联式结构的性能指标不能满足设计要 求时，才选用混联式结构。 2 2 2 混合动力系统结构选型依据 基于以上对h e v 动力系统的分析，在动力系统选型中着重考虑以下几个因 素： 1 使用环境 h e v 的动力系统一般基于特定工况进行设计，这是因为多数动力系统对工况 比较敏感，不同工况性能差别很大，只有在特定的工况下才能充分发挥低油耗、 低排放的优点。 2 性能要求 不同类型的h e v 之间性能差异十分明显，在选型时必须注意由动力系统结 构引发的性能差异。如果对加速性能要求高，就有必要选择配有峰值功率调节 器的结构型式。如果对经济性要求苛刻，并联式可以成为合适的选择。 3 技术条件 所谓技术条件，除研究开发的条件和力量外，还包括工业基础。强调工业 基础是因为一些常见的动力系统部件，我国的产品水平还不能满足需要或尚无 法生产。进行时间的产品开发总会有一定的进度要求，如果技术条件无法保证， 就难以实现预定开发目标。 4 开发性 开发性是指动力系统需要进一步完善的空间。产品性能是一个完善的过程， 同样开发工作也不可能一步到位，也需要进行不断的完善。在具体开发工作中 应该由简单到复杂、由易到难的思路，先选择对技术条件要求较低简单的结构 进行开发。 5 成本和使用维护费用 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 动力系统的结构对h e v 成本影响很大，这是因为不同类型的动力系统对部 件的种类、数量和性能要求差别很大。而部件的种类、数量和性能指标是影响 h e v 成本的主要因素。选型时还应考虑使用、维护费用，结构越复杂，故障率越 高，使用和维护费用也越高。 价格和使用维护费用直接关系到h e v 的产业化，如果不能产业化，就不能 为进一步开发提供资金，也就难以促进技术水平的提高和服务性能的改善。事 实上，性能优良但价格过高无法商业化、甚至被迫放弃h e v 开发的实例很多， 我们不应重蹈覆辙。 通过综合分析混合动力客车的动力系统结构形式，并考虑到目前的技术能 力与开发成本，采用并联式结构是理想的选择。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章混合动力客车动力系统部件选型和参数设计 3 1 并联式混合动力系统驱动模式的选择 3 1 1 并联式混合动力客车动力驱动系统前期开发评估 参考图2 2 至图2 5 中的各并联混合动力系统示意图，并联混合动力的 结构型式a 、b 、c 和d 各有优缺点。但如何选择合适的混合动力系统，首先 要考虑用评估标准对这四种结构进行评估。 对于整车布置来说，尽管并联混合动力的动力系统结构c 需要更多的工 作，但无论单轴或者双轴混合动力总成的布置都是可以实现的。 从制造技术来说，我们完全可以满足四种动力系统结构的制造要求。单轴 混合动力的外壳有安装要求，但是对于双轴混合动力来说，电机在选购时可以 单独购买。与串联混合动力的结构形式相比，四种并联结构采用的电机成本相 对便宜。 再生制动对于混合动力具有重要的意义，但是结构b 的电机在制动时与发 动机总是结合在一起的，所以再生制动能量回收相对较少。 s t a r t s t o p 功能是并联混合动力客车的重要功能，结构b 和结构c 相对 来说比较容易实现。而结构a 如果要实现s t a r t s t o p 功能，则变速器必须要 在空挡上。结构d 无法实现s t a r t s t o p 功能，它只能在纯电动状态时实现电 起机，但是这种方式需要大量的电能，所以在起车停止时需要一个单独的电机 来实现电起机。对于结构b 来说，在纯电动状态下，电机总是拖着发动机转动， 所以这增加了能量需求。 通过以上分析，我们认为结构a 与结构c 总体来说更适合混合动力后置 客车的动力系统结构。但是具体选择结构a 还是结构c ，我们还是需要进一步 的对比分析。 当汽车需要突然起动时，冷起动能力就非常有用，这时电机在与发动机接 合前已经转动起来，然后利用动能来启动发动机。这时传统汽车的启动机就不 起作用了。相比较结构c 更容易实现这个功能。 从安全性来说，当电子系统出现故障时，混合动力客车动力系统结构a 因 为电机的旋转惯量非常大，在全负荷的状态下变速器不容易挂上空挡。而对于 结构c 来说，因为电机位于两个离合器之间，所以可以实现电机与变速器的分 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 离。 当供电系统出现问题时，如电池出现损坏，这时如果汽车的发动机停止工 作，怎样才能使发动机重新启动，如何才能使汽车安全开回家呢? 这时传统的 启动机就是非常必要的。混合动力客车动力系统结构a 如果不能在全负荷状态 下挂上空挡和低档，发动机在起车时也是非常困难的。 对于图a 与c 两种结构来说，附件安全工作是非常重要的功能。当汽车处 于纯电动工况时，这时发动机处于停机状态，动力转向器、制动系空气压缩机 就失去了动力源，所以这时候就需要额外的电机来提供动力，或者发动机常开 给汽车附件提供动力。 对于控制来说上述两种结构控制难度相差不大。另外上述两种结构在汽车 减速滑行时，发动机与整车传动系分离，能充分回收制动能量，节约燃油消耗 量。但通过以上综合比较分析我们可以得出结构c 优于结构a 的结论。 3 1 2 并联式混合动力客车动力驱动系统定型 从3 1 1 的结论中我们看到并联式动力系统结构c 优于结构a ，并且结 构c 可以提升整车的安全性，但是结构c 相对于结构a 来说多了一个离合 器，增加了整车的布置难度。因为我们采用的基础车型是后置后驱动城市公交 车辆，后悬的尺寸有限。对于动力系统结构c 来说，发动机的功率的选择范围 比较小，如采用大功率发动机的话，另外加上双离合器，这时就满足不了整车 尺寸布置的要求。所以综合考虑，选择结构a 的并联式结构，其特点是驱动电 动机通过离合器与发动机同轴安装，再通过主减速器和变速箱驱动后桥，如图 3 1 所示。 图3 1 混合动力客车单轴并联结构图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 该系统的工作模式为在车速低于2 0 k m h ( 包括倒车) 时离合器分离，仅由 电动机经过传动轴驱动后桥行驶。发动机则带动空气压缩机、动力转向油泵及 空调压缩机等：在车速超过2 0k m h 匀速行驶时，离合器结合，发动机经过离 合器、电动机、主减速器、变速箱和传动轴驱动后桥前进( 此时电动机的转子 仅作为传动轴的一部分) ：在车速超过2 0k m h 并加速行驶时，除了发动机经 过离合器、电动机、主减速器、变速箱和传动轴驱动后桥前进外，电动机也驱 动后桥前进，此时为两套驱动系统共同驱动：减速或制动时，电机再生制动回收 能量。 3 2 混合动力客车动力系统的部件选型 混合动力汽车的主要动力部件为：发动机、蓄电池、电动机及其控制系统 等。本h e b 主要动力元件的选型依据样车对它们工作特性的要求。 3 2 1 发动机型式 h e v 的发动机要求有一定的驱动功率，能够满足基本的动力性能要求。能够 与驱动电机一起提供h e v 所需要的最大功率。h e v 的发动机功率一般要比同级别 的内燃机汽车要小。混合动力系统的发动机追求的是高效率，而不是高功率， 便于发动机的最优化调整，保证燃料充分燃烧。发动机的排量相对小一些，有 助于降低摩擦损失，而加速时的动力不足可以由电机来弥补。直喷柴油发动机 ( c i d i ) 是目前大中型汽车广泛使用的动力装置，技术比较成熟，热效率高， 燃油经济性好，有害排放物相对较低。另一方面，由于电子控制技术、废气增 压技术、尾气处理技术等在柴油机中的应用，使柴油机的综合性能尤其是排放 性能得到明显提高。因此，无论是从混合动力系统自身的特点，还是从车用动 力的发展趋势来看，对于近期混合动力汽车而言，沿用技术成熟的先进直喷式 增压柴油机是实际可行的方案。 3 2 2 蓄电池型式 电池仍然是混合动力汽车一个十分重要的部分，但是由于在混合动力汽车 中，电池不再是唯一的能量载体，电池仅在车辆启动、低速运行、加速等工况 下工作，对能量和容量的要求不像纯电动汽车那样苛刻，所以混合动力汽车电 池的重量和成本都有大幅度下降，选择范围也更为广泛。 1