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东北大学硕士学位论文摘要 并联混合动力电动汽车驱动系统控制策略研究及仿真分析 摘要 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 是当前解决能源短缺和环境 污染问题切实可行的方案之一。就目前h e v 的几种基本结构类型而言，并联式混合动 力电动汽车不仅结构简单、成本较低而且系统效率较高，结合我国混合动力电动汽车的 发展状况，具有较快地推出有竞争力车型的特点。而h e v 驱动系统控制策略的制定是 漉合动力电动汽车的重要研究课题之一，因此，本课题针对p h e v 进行驱动系统控制策 略的研究。 本文介绍了鼬v 的三种基本结构类型：串联式( s 髓v ) 、并联式( p h e v ) 和混联 式( p s h e v ) ，并对各种驱动类型的结构形式和工作模式进行了较全面阐述。深入地分 析了并联式h e v 驱动系统的工作原理和控制手段。对目前驱动系统的不同控制策略， 如电辅助式控制策略、s o c 扭矩平衡式控制策略、自适应控制策略和模糊控制策略等 的原理、实现以及特点等进行了深入系统的分析与研究。模糊控制策略是一种比较新而 且很有发展前景的控制策略。本文就这一控制策略开展了些较深入的研究和探讨工 作。 系统地分析了h e v 仿真分析应用软件a d v i s o r 2 0 0 2 ，并以该软件作为本文进行模糊 控制策略的仿真分析平台。在m a t l a b 软件环境，采用m 文件编程和模糊逻辑工具箱 两种方法对模糊控制器进行设计。针对并联式髓v 驱动系统的特点，实现了本h e v 模 糊控制策略的制定和生成，并对模糊控希i 策略的各环节作了详细的分析。对模糊规则制 定和模糊判决等问题，给出了设计指导思想和实施方法。 在a d v i s o r 2 0 0 2 环境下，对几种模糊控制规则进行了仿真验证和分析。对重心法和 加权平均法两种判决方法进行了对比和仿真分析，还对模糊控制和电辅助控制两种策略 进行了比对仿真分析，并总结了模糊控制策略表现出来的一些优越性。 关键词：并联混合动力电动汽车；控制策略i 模糊逻辑；控制系统；仿真 h 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no f d r i v e t r a i nc o n t r o ls t r a t e g yf o r p a r a l l eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t h y b d de l e c t r i cv e h j d e ( h e v ) b e c o m e so n eo ff e a s i b l es c h e m e st os o l v et h ep r o b l e m so f e n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n c o m p a r e dw i t hs e v e r a lo t h e rk i n d so fb a s i c s t r u c t u r et y p e s ，t h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( p h e v ) n o to n l yt h es t r u c t u r ei ss i m p l e a n dt h ec o s ti sl o w e rb u ta l s os y s t e m a t i ce f f i c i e n c yi sh i g h e r c o n s i d e r i n gt h ed e v e l o p m e n t c o n d i t i o no fh e vi no u rc o u n t r y , w ec a np r o m o t ec o m p e t i t i v es t y l ev e r yf a s t a n dt h e c o n s t i t u t i o no fd f i v e 仃a l nc o n t r o ls t r a t e g yf o rh e vi so n eo ft h em o s ti m p o f l a n ts u b j e c t s ，s o t h i sp a p e rs t u d i e sd r i v e t r a i nc o n t r o ls t r a t e g yf o rp h e v t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h r e ek i n d so fb a s i cs t r u c t u r et y p e sf o rh e v ：s m v , p h e v , p s h e v , e x p l a i n st h es t r u c t u r et y p ea n dw o r km o d eo f e a c ht y p ea n da n a l y s e st h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e a n dc o n t r o ls t r a t e g yo fp 删i nd e t a i l f o rs e v e r a ld i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s ：e l e c t r i ca s s i s t c o n t r o ls t r a t e g y , s o ct o r q u eb a l a n c ec o n t r o ls t r a t e g y , a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g ya n df u z z y l o g i cc o n t r o ls l r a t e g y , t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds t u d i e ss y s l e m a t i c a l l y t h e i r p r i n c i p l e s ， r e a l i z a t i o nm e t h o d sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s t h ef u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g yi sc o m p a r a t i v e l y n e wa n dh a st h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t ，s ot h i sp a p e rs t u d i e st h i sc o n t r o ls t r a t e g y o nt h eb a s i co fa n a l y s i n gh e vs i m u l a t i o ns o r w a r ea d v i s o r 2 0 0 2s y s t e m a t i c a l l y , t h i sp a p e r t a k e st h i ss e t , w a r ea st h ep l a t f o r mo fs t u d y i n gt h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y i nt h em a t l a b e n v i r o n m e n t , t h i sp a p e rd e s i g n st h ef u z z yc o n t r o l l e rw i 也t w om e t h o d s ：o n ei st op r o g r a m m e w i t hmf i l ea n dt h e o t h e ri st ob u i l dw i t ht h ef u z z yl o g i ct o o l b o x a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r s t i co ft h ep h e vd r i v e t r a i n ，t h i sp a p e ri n s t i t u t e st h ep h e vc o n t r o ls t r a t e g ya n d a n a l y s e se a c hs t e po fb u i l d i n gf i 垅z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g yi nd e t a i l o nt h ep r o b l e mo f c o n s t i t u t i n gf u z z yr u l ea n df u z z ya j u d g e m e n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g ni d e aa n d r e a l i z a t i o nm e a s n r e i nt h ea d v i s o r2 0 0 2e n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e rs i m u l a t e sa n da n a l y s e ss e v e r a lk i n d so ff u z z y l o g i cc o n t r o lr u l e s c o n t r a s t i n gt h em e t h o do fg r a v i t yc e n t e rw i t ht h em e t h o do fw e i g h tm e a n a n da n a l y s i n gt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s f u r t h e r m o r et h i sp a p e rc o m p a r e st h ef u z z yl o g i cc o n t r o l s t r a t e g yw i m t h ee l e c t i ca s s i s tc o n t r o ls t r a t e g ya n ds u m su pt h es u p e r i o r i t yo ft h ef u z z yl o g i c c o n t r o is t r a t e g y k e yw o r d s ：p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；c o n t r o ls t r a t e g y ；f u z z yl o g i c ；c o n t r o ls y s t e m ；s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：趋臣患请 日期：劲矿；j 2 孑 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 学位论文作者签名： 日期； 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名 否则视为同意。 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 汽车工业蓬勃发展的百年历史记载了人类文明飞跃发展的光辉历程。汽车作为主要 的交通工具和国民经济的重要支柱产业得到了快速发展，但是，与此同时，汽车也带来 了能源消耗、环境污染等诸多负面影响。能源短缺和环境污染是目前汽车工业发展遇到 的两大挑战。 环境问题的表现形式为空气污染，据环境部门统计 1 】，目前，城市大气中c o 的 8 2 ，n o , 的4 8 ，h c 的5 8 和微粒的8 均来自汽车排放的废气；按照国家环保中心预 测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 。从2 0 0 0 年起，我国已开始全面实施 新的排放法规，同时，一系列鼓励用户购买使用低排放车辆的经济政策己开始出台，如： 对提前达到欧i i 排放标准的车辆减免3 0 的消费税。随着时间的推移，国家排放法规将 会越来越严格。另一方面，我国的石油资源相对较少，从1 9 9 4 年开始，我国就己经是 石油进口国，因此节能就提上了日程；同时，实施燃油税后，提高汽车的燃油经济性成 为用户的最大需求。因此，为解决能源短缺和环境污染这两大问题，开发新一代的清洁 节能型汽车成为必然趋势。 目前，由于电池技术没有取得突破性进展，电动汽车具有续驶里程短、成本高和电 池循环使用寿命低等缺点，因而其发展受到限制。近年来燃料电池汽车发展十分迅速， 但在成本和氢能源的制备等方面仍存在需要解决的问题。为了解决环保和节能问题还要 促进电动汽车的发展，除进一步解决电池技术的问题外，另一种有效的方法就是研制混 合动力电动汽车 2 1 。 所谓混合动力电动汽车( h e v ) 主要是让燃油发动机在燃烧效率相对稳定的行驶条 件下发电，并将电能储存进蓄电池，借助电动机驱动车辆行驶【3 】。 从目前现有的技术条件来看混合动力电动汽车具有以下优点： ( 1 ) 蓄电池数量少，可减轻整车自身质量，串联式混和动力电动汽车的蓄电池质量 仅是纯电动汽车蓄电池重量的1 3 ； ( 2 ) 由于配有发动机，可以大大提高续驶里程； ( 3 ) 虽然发动机会有排放产生，但由于工作在最佳工况附近，大大减少了汽车变工 况( 特别是低速、怠速) 时的排放，同时可回收制动能量，所以使得混合动力电动汽车成 为较低排放的节能汽车； ( 4 ) 可以借助发动机输出的动力直接带动车内空调、暖风、真空助力器、动力转向 等汽车电器附件，无需再消耗蓄电池组内有限的电能，保证了乘员的舒适性。在某些对 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车排放严格限制的区域( 如商业区、旅游区和居民区等) ，混合动力电动汽车可以关闭 发动机，用纯电力驱动，成为零排放的电动汽车。 ( 5 ) 混合动力电动汽车可以不通过外部电源充电，从而节省了大量的充电基础设施 投资； 基予以上分析，混合动力电动汽车能满足2 1 世纪对汽车工业日益严格的环保要求、 节能要求和使用要求；而且其目前的技术成果可望使混合动力电动汽车的成本接近一辆 普通燃油汽车。因此，混合动力电动汽车具有良好的商业化和产业化前景。 1 2 国内外混合动力电动汽车发展现状 作为一项崭新的技术，9 0 年代初以来，混合动力电动汽车的开发得到了美、日及西 欧等许多发达国家的高度重视，并已取得了一些重大的成果和进展。在我国，混合电动 汽车的研发课题同样受到了重视，国内多家实力较强的科研院所、高校、汽车制造厂家 都在紧锣密鼓地从事这项研究。下面所介绍的是当前世界各国及我国研制混合动力电动 汽车的具体技术发展状b z 4 。 l 。2 1 国外发展现状 9 0 年代以来，在各国政府的支持下，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电 动汽车和混合动力汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机 械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术，使不少样车的主要动力性 能指标达到了燃油汽车的水平。 ( 1 ) 美国 ( a ) 通用汽车公司( g m ) g m l 9 9 6 年推出e v l 座电动汽车。动力系统为重1 1 7 5 磅的2 6 个铅酸电池、一个1 0 0 7 千瓦三相电机和六档齿轮变速箱。一次充电( 2 。3 小时) 后可在市内连续行驶1 1 2 6 公里， 高速公路1 4 4 8 公里。从起动到时速9 6 5 4 公里的加速时间为8 5 秒，最高时速1 2 8 7 公 里。车身架构由铝合金和复合材料制成，车型设计的空气阻尼系数为o 1 9 。1 9 9 8 年上半 年铅酸电池被换装成由g m 和o v o n i e 电池公司合作开发的镍氢电池，一次充电( 1 5 分 钟) 居可在市内连续行驶2 2 5 3 公里，高速公路2 8 9 。6 公里。在1 9 9 8 年1 月的底特德北 美国际汽车展上，已推出e v l 四座混合动力车。 ( b ) 福特公司( f o r d ) 福特汽车公司在2 0 0 1 年北美国际车展上，福特推出地爱仕( e s c a p e ) 混合动力s u v 概念车，获得广泛关注。该车是福特在2 0 0 3 年上市的混合动力s u v 的原型，非常省油， 特别适合城市内行驶，加速性能可与毅备v 6 发动机型爱仕媲美。爱仕i q e v 在2 0 0 3 年上 市时，是世界上最省油、最清洁的s u v 。福特公司也成为第一个宣布混合动力s u v 生 产计划的汽车厂家。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 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 外已开发出f o r dp 2 0 0 0 型5 座并联型混合动力车，己于2 0 0 0 年投放市场。其动力系统 采用1 2 升四缸d i m a 直喷式( 压缩高压点火) 发动机，驱动车轴并带发电机产生电能存 储到高能量蓄电池内。d i m a 发动机使用f i s c h e r - t r o p s c h 燃油( 从无硫天然气转换得到的 高含量碳烃燃油) ，以减少污染，也可使用甲醇和双甲烷化醚做燃料。能量效率4 0 ，燃 油经济型2 2 3 公里升。采用碳纤维和钛镁合金等轻型材料，车重2 0 0 0 磅。 ( c ) 克莱斯勒公司( c h r y s l e r ) 1 9 9 8 年1 月，克莱斯勒( c h r y s l e r ) 公司宣布开发出d o u d g ei n t r e p i de s x 2 并联型混 合动力汽车，2 0 0 3 年己投放市场。动力系统为直喷式1 5 升柴油发动机和2 5 个铅酸电 池。能量效率4 1 ，燃油经济性2 4 8 公里升，尾气排放污染比目前减少一半。车身架 构为铝合金，车体采用低成本高级聚合物材料( p e t ) ，车重比以前中型轿车轻3 5 左右。 生产线投资比全金属车减少2 3 ，工人减少一半，厂房减少4 5 ，成本比汽油发动机的 i n t r e p i d 仅高1 5 万美元。 ( 2 ) 日本 ( a ) 丰田汽车公司( t o y o t a ) 丰田汽车公司是目前走在h e v 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，丰田就在世界上第一个推出了名为p r i u s ( 意为“先驱”) 的h e v ，引起全球瞩目。p r i u s 与丰田c o r o l l a 大小相仿，采用汽油发动机和电动马达混 联装置t h s ，发动机是1 5 l 新型汽油发动机，电池组为2 5 个串联的镍一氢电池，电池 组总质量仅为7 5 姆。第一代p r i u s 每升汽油的行驶距离达到2 8 k m ，c o 排放量比普通汽 车减少5 0 ，h c 和? c o x 的排放量仅为普通轿车的1 0 。几年来，丰田公司不断对p r i u s 进行改良，把每升汽油的行驶距离从2 8 k i n 提高到2 9 5 k m ，废气排放量也进一步减少。 截止到2 0 0 4 年底，丰田p r i u s 在海内外的销量己超过2 0 万辆，成为全球首部实现量产、 也是销量最大的h e v 。在1 9 9 9 年东京国际汽车展上，丰田汽车公司又推出新开发的 h v - m 4 ( 4 轮驱动混合动力小型面包车) 。该车的油耗约为同等级小型厢式汽车的二分之 一，而尾气排放仅为日本现行标准的十二分之一左右。h v - m 4 是继p r i u s 之后，丰用在 h e v 方面的又一力作，也充分显示出丰田在发展h e v 这一新生事物方面的勇气和信心”j 。 ( b ) 本田汽车公司( h o n d a ) 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，已经实现量产。i n s i g h t 采用本 田独特的混合动力系统h i s ，将发动机作为主要动力，电机作为辅助动力，加上车身由 质量轻的铝压材和树脂材组合而成，从而实现了世界最低的油耗( 每升汽油可行驶 3 5 k m ) 、最洁净的排放( 每行驶l k m 仅排放8 0 9 c o ) 和世界最高水平的碰撞安全性能，是 一种充分考虑到环境和安全并充分体现驾车乐趣的轻便、实用型油电混合动力汽车。 ( c ) 日产汽车公司( n i s s a n ) 1 9 9 7 年5 月1 6 日该公司开发出了可以使连续行驶距离增加一倍的串联式混合动力 型微型轿车( 排气量1 3 0 0 c c 、搭载汽油发动机) 。同年9 月3 0 日日产又开发出使燃料费 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 降低一半，并且可以批量生产的并联式混合动力型汽车系统。 从减少排放的角度看，日产和丰田两家开发的混合动力型汽车基本达到了同一指 标。但与丰田公司最大的不同是日产公司于1 9 9 7 年9 月开发出的世界第一台排气量 2 0 0 0 c c 级、搭载皮带式无级变速机的混合动力型汽车可使燃料效率进一步提高2 0 。 由于变速装置完全是电子式控制，因此可根据不同的行驶状态，理想平稳地控制发动机 的输出功率和转矩，提高传动效率。 表1 1 国外典型h e v 的结构型式和主要参数 t a b l e1 ，1t h es t r u c t u r ep a t t e r na n dm m np a r a m e t e ro f f o r e i g nt y p i c a lh e v ( 3 ) 欧洲 欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制及推广方面的工作。法国雷诺 公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力电动汽车己在法国接受了1 0 0 0 0 k m 的运行 试验。并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车，取名为n e x t ，样车已经向公众展出。 这种电动汽油两用车前部装有一台汽油发动机；两台7 k w 电动机装在两个后轮上。当时 速在4 0 k w 以下时，由电动机驱动；达到4 0 k w 以上时由汽油发动机驱动，同时可为电 瓶充电，最大时速达1 4 2 k m ：若再加速，此时电瓶会提供辅助动力，最高时速可达1 6 9 k m 。 瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃f l 6 卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 9 0 k i n 。德国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产的并 联式混合动力电动车d u oe d , 批量生产，现在德国已开始出租，预计4 年内租出5 0 0 辆。最近，德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里油耗超过 5 升的轿车上路，这也促使人们更多地把希望寄托在混合动力汽车上。表1 1 是国外典 型混合动力车的参数。 1 2 2 我国的发展现状 我国在混合动力电动汽车的研究方面较国外相比起步较晚，核心技术的掌握上存在 较大的差距。但是政府和相关部门对此项研究却很重视，2 0 0 1 年科技部就将电动汽车的 研究与开发工作列为了国家“十五”规划期间的8 6 3 重大科技专项之一。 ( 1 ) 客车方面 1 9 9 8 年，清华大学与厦门金龙客车合作研制了混合动力客车：同年，江苏理工大学 承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目一混合动力公交轻型客车 z j k 6 7 0 0 h e v 串联式混合动力汽车的研制，目前样车的研制工作已基本结束，正在进行 样车的试验和改进 6 1 。 ( 2 ) 轿车方面 2 0 0 2 年8 月1 6 日，中国首辆c a n 网络系统混合动力轿车( h e v ) 在上汽奇瑞汽车 公司试装成功，并进行了初步试运行，这标志着中国在混合动力轿车项目上、尤其是电 控的核心技术上取得了突破性进展。奇瑞混合动力轿车采用的是双c a n 网络系统：电机 与驱动系统、电池与管理系统、发动机e c u 及多能源动力总成等系统采用高速c a n 网络 系统，整车车身电器系统采用低速c a n 网络系统，高、低速c a n 网络系统之间采用网关 交换。 2 0 0 2 年年底，由长安汽车( 集团) 有限责任公司开发的i s g 混合动力长安轿车整车 匹配项目也已经进行验收。从下线的两辆样车测试结果来看，i s g 型混合动力长安轿车 的油耗己降低了3 0 以上，排放已达到“欧i i l ”标准。并且与同档次汽车的相比，外 部噪声降低了一个分贝、最大时速可达到1 6 0 公里4 , 时，整车成本的增加有效地控制 在3 0 以内、加速性能与同档次的汽车相当，续时里程大于5 0 0 公里、最大爬坡度可达 到2 5 ，汽车的其它性能指标均达到设计要求。 ( 3 ) 越野车s t j v 方面 2 0 0 2 年1 2 月3 1 日，我国第一辆四轮驱动混合动力车日前在长沙问世。这台四轮驱 动混合动力样车的问世，弥补了国内四轮驱动混合动力车空白。该项目是由长丰集团承 担，联合清华大学、湖南大学共同研制的。该混合动力电动样车是在长丰集团现有越野 车平台上开发的。经测试，样车的加速性能与纯燃油汽车相比超过了6 4 6 1 ，最高车 速超过了9 4 ，油耗下降了3 0 等。 值得关注的是，大连理工大学与一汽集团、哈工大、北京理工等多家单位共同承担 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 9 0 k i n 。德国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产的并 联式混合动力电动车d u o 已小批量生产，现在德国已开始出租，预计4 年内租出5 0 0 辆。最近，德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里油耗超过 5 升的轿车上路，这也促使人们更多地把希望寄托在混合动力汽车上。表1 1 是国外典 型混合动力车的参数。 1 2 2 我国的发展现状 我国在混合动力电动汽车的研究方面较国外相比起步较晚，核心技术的掌握上存在 较大的差距。但是政府和相关部门对此项研究却很重视，2 0 0 1 年科技部就将电动汽车的 研究与开发工作列为了国家“十五”规划期间的8 6 3 重大科技专项之一。 ( 1 ) 客车方面 1 9 9 8 年，清华大学与厦门金龙客车合作研制了混合动力客车；同年，江苏理工大学 承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目一混合动力公交轻型客车 z j k 6 7 0 0 h e v 串联式混合动力汽车的研制，目前样车的研制工作已基本结束，正在进行 样车的试验和改进驯。 ( 2 ) 轿车方面 2 0 0 2 年8 月】6 日，中国首辆c a n 网络系统混合动力轿车( h e v ) 在上汽奇瑞汽车 公司试装成功，并进行了初步试运行，这标志着中国在混合动力轿车项目上、尤其是电 控的核心技术上取得了突破性进展。奇瑞混合动力轿车采用的是双c a n 网络系统：电机 与驱动系统、电池与管理系统、发动机e c t j 及多能源动力总成等系统采用高速c a n 网络 系统，整车车身电器系统采用低速c a n 网络系统，高、低速c a n 网络系统之间采用网关 交换。 2 0 0 2 年年底，由长安汽车( 集团) 有限责任公司开发的i s o 混合动力长安轿车整车 匹配项目也已经进行验收。从下线的两辆样车测试结果来看，i s g 型混合动力长安轿车 的油耗已降低了3 0 以上，排放已达到“欧i l l ”标准。并且与同档次汽车的相比。外 部噪声降低了一个分贝、最大时速可达到1 6 0 公里4 , 聍，整车成本的增加有效地控制 在3 0 以内、加速性能与同档次的汽车相当，续时里程大于5 0 0 公里、最大爬坡度可达 到2 5 ，汽车的其它性能指标均达到设计要求。 ( 3 ) 越野车s u v 方面 2 0 0 2 年1 2 月3 l 目，我国第一辆四轮驱动混合动力车日前在长沙问世。这台四轮驱 动棍合动力样车的问世，弥补了国内四轮驱动混合动力车空白。该项目是由长丰集团承 担，联合清华大学、湖南大学共同研制的。该混合动力电动样车是在长丰集团现有越野 车平台上开发的。经测试，样车的加速性能与纯燃油汽车相比超过了6 4 6 1 ，最高车 速超过了9 4 ，油耗下降了3 0 等。 值得关注的是，大连理工大学与一汽集团、哈工大、北京理工等多家单位共同承担 值得关注的是，大连理工大学与一汽集团、哈工大、北京理工等多家单位共同承担 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的国家“十五”规划的8 6 3 计划重大专项课题一解放牌混合动力电动客车的研制工作也 正在进行之中，在2 0 0 5 年批量生产的混合动力电动客车已经驶上北京街头。 在湖北，通过产学研的共同努力，混合动力电动汽车己开发出试验车。其中，东风 电动车辆股份有限公司去年完成了第一辆混合动力客车样车；2 0 0 3 年7 月，由武汉公用 客车厂、武汉理工大学和武汉经济开发投资公司研制的第一辆混合动力客车正式下线， 已投入小批量生产。据了解，按照计划，东风公司在未来两三年内将组织生产3 0 台多 种电池、电机控制系统、气电结合的混合动力电动大客车，其中2 0 台提供北京市作营 运试验，l o 台留武汉作营运试验，并将富康和风神轿车改装成混合动力电动汽车，在武 汉市进行城市和近郊营运试验，2 0 0 5 年投入了小批量生产，力争2 0 0 8 年能够为北京奥 运会服务，实现产业化。不久前由东风电动车辆股份有限公司牵头申报的e q 6 1 0 0 h e v 混合动力城市公交客车开发、e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车开发两个混合动力整车，以及 由华中科技大学等单位申报的7 个零部件开发项目，已被列入“十五”国家8 6 3 计划电 动汽车重大专项首批项目正式启动。种种迹象显示，混合动力电动汽车的产业化已初见 端倪，为期不远了。国内主要电动汽车项目见表1 2 。 表1 2 国内混合动力电动汽车主要项目 t a b l e1 2t h em a i np r o e e to f h e va th o m e 1 3 目前混合动力电动汽车的热点课题 由于h e v 中一般包括两个互相耦合的动力源，并且具有多种不同的运行模式，所 以双能源动力总成控制是混合电动汽车能量管理中最为复杂，也是近年来电动车技术发 展和产业化进程中的重要研究开发方向。如并联式混合动力电动汽车的模糊和自适应控 制策略的选择，串联式混合动力电动汽车的开关式和功率跟随式控制策略等。另外，对 于混合动力电动汽车用电池及其能量管理系统的开发、电动机发电机一体化控制技术、 适应于混合动力用发动机的研制也是当前研究热点。 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 针对混合动力电动汽车的发展前景广阔，目前混合动力电动汽车的一些关键技术尚 需逐步成熟和探求发展阶段，而我国混合动力电动汽车的发展正面临一些关键技术的突 破，为此，本文拟对如下内容开展研究： ( 1 ) 在分析目前混合动力电动汽车驱动系统的基础上，研究现行混合动力电动汽车 驱动系统控制策略的基础理论和实现方法以及应用效果； ( 2 ) 探讨采用模糊控制手段对混合动力电动汽车的控制策略进行实现研究； ( 3 ) 对a d v i s o r 软件的功能及仿真开发进行研究，为h e v 系统的仿真分析奠定必 要的理论基础和应用手段； ( 4 ) 通过实例，对h e v 系统进行模糊控制策略仿真建模并进行仿真运算。研究h e v 系统控制策略的改善，并对模糊规则的制定给出专家性的建议和归纳总结。 7 东北大学顽士学位论文第二事混合动力电动汽车驱动系统方袭分析 第二章混合动力汽车驱动系统方案分析 混合动力电动汽车驱动系统无论是在能量输入还是在机械能的传递、调节和输出方面 的方案都多种多样，驱动系统的设计有很大的自由度。如何对这些结构进行归类和评价并 应用于指导混合动力电动汽车开发是一个重要课题。混合动力电动汽车的分类方法较多， 可以按联接部件位置不同、混合比大小不同、驱动系复杂程度不同等归类方法来分析【7 1 。 本章主要从联接部件位置不同来分析三种不同形式的混合动力电动汽车的驱动原理。 2 1 混合动力电动汽车驱动系统的定义 混合动力电动汽车驱动系统是指汽车上所有的用于存储、转化和传递能量并使汽车获 得运动能力的部件的总称。和其他汽车一样，其总体上包括车载能源、动力生成装置和动 力传动系统三部分【b 】，如图2 1 所示。 车载能源 ； 动力生成装置 i 动力传动系统 图2 1 混台动力汽车驱动系统总体构成 f i g 2 1 t h eg e n e r a lc o n s t i t u t i o no f p r o p u l s i o ns y s t e mf o rh e v 车载能源：用于能源存储或进行能源的初始转化以向动力生成装置直接供能的所有部 件的总称，由能源存储装置或能源存储、调节和转化装置组成。混合动力电动汽车的车载 能源一般是油箱和蓄电池及其它能源转化调节系统。 动力生成装置：用于把其他形式的能量转化为机械动能的装置，直接作为动力传递系 的输入，如内燃机和电动机等。 动力传动系统：用予传递和调节动力生成装置输出的旋转机械动能，并输送给汽车驱 动车轮，实现汽车正常行驶的所有部件的总称，包括离合器、变速器、主减速器、差速器 等吼 从联接部件位置不同来分析，混合动力电动汽车可分为串联式、并联式、混联式三种 不同的布置形式。 9 东北大学硕士学位论文g r _ - 章混合动力电动汽车驱动系统方案分析 2 2 串联式混合动力电动汽车驱动系统方案分析 2 2 1 结构特点分析 串联式混合动力系统的最大特点是其主动力源不再与后续的驱动系统( 变速装置、后 桥至后轮) 有直接的机械连接，主动力源的动力通过一台发电机全部转化为电能，任何情 况下汽车行驶所需的动力都由电动机提供。串联式布置结构简单明了，实际的实现形式大 致相同，所不同的只是主动力源和载荷调节装置形式不同。 串联式混合动力汽车由发动机、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 2 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 实线表示功率流的路径，虚线表示控制信号，箭头表示功率流动方向。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机构驱动车 轮。发电机同时也能提供部分电能输送到蓄电池，以便必要时由蓄电池为电动机供电l l 。 图2 2 串联混合动力汽车驱动系统示意图 f i g 2 2t h es k e t c hm a po f p r o p u l s i o ns y s t e mf o rs h e v 2 2 2 性能特点分析 发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的，当汽车运行工况变 化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由控制器控制发电机向电池充电 ( 吸收发电机富余的电能) 或使电池向电动机放电( 协助发电机供电) ，电池充电和放电电流 的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和控制方式， 使串联式混合动力电动汽车具有如下性能特点： f 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决定发 电或停j ： 1 0 一 一一 _ 一一 - 一 _ 一一一 _-i 一 _ 一一一 一一 _ 一一 - 一一 - 一一一 _- 一一一 _ 一一 _ 一一 r； 东北大学硕士学位论文第二章混合动力电动汽车驱动系统方案分析 ( 2 ) 发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，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，其综台效率 低予燃油汽车； ( 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，特别是驱动电 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f 1 0 1 。 串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越 性主要表现在低速、加速等运行工况，而在汽车中、高速行驶时，由千其电传动效率低， 抵消了发动机油耗低的优点，因此，串联式混合动力电动汽车更适用于在市内低速运行的 工况。在繁华的市区，汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用电池进行功率输出， 使汽车达到零排放的要求。 2 2 3 工作模式分析 按照辅助动力源( 发动机一发电机组) 功率值的大小不同，串联式混合动力车辆有两种 典型的类型l l 】： ( 1 ) 电力主动性h e v ( 电量消耗型h e v ) ，发动机功率占整个系统功率的百分比较小，不 足以维持电池组的荷电状态( s o c ) ，因此属于电量消耗型h e v 。车辆行驶后的电池组s o c 低于初始值，需外界能源补充充电；( 2 ) 发动机主动型h e v ( 电量维持型h e v ) ，发动机功 率占整个系统功率的百分比较大，电池组仅提供车辆行驶时的峰值功率。车辆行驶前后， 电池组s o c 基本维持不变，相应的车载电池组容量可选的较小。 典型串联式混合电动车辆的工作模式如图2 3 ： ( 1 ) 车辆起动、加速行驶以及高速和爬坡行驶工况时，发动机和蓄电池组共同向车辆 提供功率输出，工作模式如图2 3 ( a ) 。 ( 2 ) 车辆正常行驶( 中等功率需求) 以及车辆滑行工况时，发动机向蓄电池组和车辆提 供功率输出，同时弥补s o c 的衰减，工作模式如图2 3 ( b ) 。 ( 3 ) 车辆行驶于对排放要求较高的区间时，整车功率需求全部由蓄电池供给，车辆为 纯电动工作，这时车辆的s o c 降低较快，工作模式如图2 3 ( c ) 。 ( 4 ) 车辆在减速n 动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，电动机回收车辆部分动能 以向蓄电池组充电，同时发动机一发电机组的全部功率输出流向蓄电池组，工作模式如图 2 3 ( d ) 。 东北大学硕士学位论文 第二章混合动力电动汽车驱动系统方案分析 ( a ) ( b ) ( c )( d ) b ：车载电池组：e ：内燃机；f ：燃油箱； g ：发电机；m ：电动机； p ：功率转换器 t 变速箱= ：机械联结：电缆连接；- - ：功率流。 图2 3串联混合电动车辆典型工作模式 f i g 2 3 t h et y p i c a lw o r kp a t t e mo fs h e v 2 3 并联式混合动力电动汽车驱动系统方案分析 2 3 1 结构特点分析 r 一一。一一一一一一一t 一一一一。一一一广一。一一一一一一。1 图2 4 并联式混合动力汽车驱动系统示意图 f i g 2 4 t h es k e t c hm a po f p r o p u l s i o ns y s t e mf o rp h e v 1 2 东北大学硕士学位论文第二章混合动力电动汽车驱动系统方案分析 并联式混合动力汽车主要由发动机、电动发电机、电池组、电机控制器等部件总成 组成。如图2 4 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。该系统可不需要发电机，因此提高了能量转化效率。发动机和电动发电机 以机械能叠加的方式来驱动汽车，可以组合成不同的动力模式。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。 2 3 2 性能特点分析 并联式混合动力汽车具有以下特点； ( 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 ) 采用电动，发电机可以空载发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续驶里程。 在并联式混合动力车辆驱动系中，联接部件用于完成传动系组成部件间的联合。根据 具体的联接部件位置，并联混合动力车辆具有单轴联合式、双轴联合式和单个驱动系联合 式三种基本的布置方案。单轴联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在原动机输出轴 处实现的，齿轮箱的输入轴为单轴，发动机的输出轴j 聪寓禽器后与电动机的转子轴直接 相连；双轴联合式是指车辆的驱动系中机械动能的联合是在齿轮箱中实现的，齿轮箱( 减 速变速器) 具有两个或多个输入轴，仅有一个输出轴；单个驱动累蛱合式是指车辆驱动系中 机械动能的联合是在车辆驱动轮处通过路面实现韵，它具有两套或多套独立的驱动系。单 个驱动系联合式驱动系在充分利用车辆的地面附着力方面具有优势，通过合理地控制，可 大大改善车辆的驱动性能，但系统组成比较庞大，控制复杂( 1 ”。 2 3 。3 工作模式分析 在典型的并联式混合动力系统中，发动机以常规模式( 传统汽车的工作模式) 工作，但 只承担部分车辆驱动行驶功率。 典型的并联式混合电动车的工作模式如图2 5 ： ( 1 ) 车辆起动、轻载行驶时，发动机关闭，车辆由