（光学工程专业论文）混合动力汽车参数设计及电机控制系统仿真.pdf

中文摘要 摘要 汽车工业的发展把能源短缺和环境污染问题推到了日益严重的位置，因此研究 汽车节能、降低排放和替代燃料的新技术成了当今汽车工业的重大发展方向。尽 管电动汽车是解决这类问题的最好方式，然而目前在蓄电池没有取得突破性进展 的情况下，其发展受到了极大的限制。混和动力汽车( h e v ) 是具有低污染和低 油耗特点的新一代清洁汽车，是目前解决这类问题的最佳选择，因而混合动力汽 车的研究成为国际、国内汽车发展的一个引人注目的新热点。 在对混合动力汽车的结构型式和动力元件进行基础性理论分析后，针对我国 汽车技术发展现状和混合动力汽车技术的发展趋势，设计了一种基于金属带式无 级自动变速器c 、仃混合动力汽车动力传动系统方案，根据该传动系统方案制定了 比较合理的控制策略和工作模式，并针对长安之星6 3 5 0 b 设计了发动机功率和起 始转矩、主减速比、电机的额定功率和转矩、转矩合成器速比等相关参数，为下 一步的电机控制系统仿真实验打下基础。 混合动力汽车的关键技术之一一电机控制技术对混合动力汽车的发展起着决 定性的作用，它不仅要保证能满足整车的各种行驶工况，而且要提高整车的动力 性和经济性。本文在直接转矩控制系统的基础上提出了一种基于误差等级的直接 转矩控制d t c 策略，它以电机定子磁链误差、电机电磁转矩误差及磁链位置角作 为控制变量，然后根据直接转矩控制原理制定控制规则来选择开关状态，进而提 高系统瞬态时的转矩响应。动力平顺切换是混合动力汽车的另外一个关键技术， 本文以油门开度、油门开度变化率结合整车动力性和经济性作为动力切换的依据， 以保证汽车的乘坐舒适性确定目标转矩作为动力平顺切换的依据，确定了动力转 换策略。为了验证以上所提出的策略，建立了电机的动态数学模型和整车动力传 动模型，在此基础上分别对6 3 5 0 b 混合动力汽车纯电机启动工况、纯电机驱动工 况、纯发动机驱动工况和混合驱动工况进行了仿真计算，并与原型c 汽车进行 了比较分析。仿真结果表明，电机的误差等级转矩控制系统转矩响应迅速，动态 特性好；整车动力转换平顺：整车的动力性有较大的提高，达到了相关的技术要 求，为进一步的样车研制提供了理论依据。 关键词：混合动力汽车，动力传动系，参数设计，电机控制策略，建模，仿真 英文摘要 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi n d u c e si n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e m so f e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dt h es c a r c i t yo f o i ls o u r c e ，s oi ti sh n p e r i o u st os e e kf o ran e w t e c h n o l o g yo fs a v i n ge n e r g y , r e d u c i n gt h ee x h a u s te m i s s i o no fa u t o m o b i l ea n dt h e r e p l a c e a b l em m 甜a 1 t h ee l e c t r i cv e h i c l e ( e 1 v ) i st h eb e s tm e t h o dt os o l v et h e s eb o t h p r o b l e m s ，b u t i t sd e v e l o p m e n ti sc u r r e n t l yl i m i t e db yn ob r e a k t h r o u g hi nb a t t e r y e v o l v e m e n t h a v i n gt h ec h a r a c t e r so f l o wp o l l u t i o na n dl o wo i l c o n s u m p t i o n , t h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sa ni d e a lc h o i c et os o l v et h e s ee x i s t i n gp r o b l e m sa tp r e s e n t t h e r e f o r e , t h ei n v e s t i g a t i o n so nh e v b e c o m en e wh o t s p o ti nt h ef i e l do fi n t e r n a t i o n a l a n dn a i l o n a la u t o m o b i l e b a s e do nt h eb a s i ca n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dp o w e re l e m e n t so ft h eh y b r i d v e h i c l e , t h i st h e s i sp r e s e n t sap o w e r t r a i ns y s t e mw i t ham e t a lp u s h i n gb e l tc v t , a i m i n g t ot h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n do ft h eh y b r i dv e h i c l et e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y a r a t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g ya n di t sw o r km o d eo ft h i sp o w e r t r a i ns y s t e ma r ed e t e r m i n e d ， a n dc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r ss u c ha st h ee n g i n ep o w e r , t h es t a r t i n gt o r q u e ，a n dt h e d i f f e r e n t i a lr a t i o t h er a t e dp o w e ra n dt o r q u eo ft h em o t o r , a n dt h er a t i oo ft h et o r q u e s y n t h e s i z e ra r es y s t e m a t i c a l l yd e s i g n e df o rt h ec h a n g a ns t a r6 3 5 0 b a tt h es a m et i m e ， t h ed e s i g no ft h e s ep a r a m e t e r si sc o n s i d e r e da st h eb a s eo ft h es i m u l a t i o no ft h em o t o r c o n t r o ls y s t e mi nn e x ts t e p a sak e yt e c h n o l o g y , t h em o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n d e v e l o p i n gt h eh y b r i dv e h i c l e i te n s u r e s t on o to n l ym e e tw i t ha l lk i n d so f m o d e so f t h e v e h i c l e , b u ta l s oi m p r o v ef u e le c o n o m ya n dd y n a m i ep e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so ft h e p r i n c i p l eo f d i r e e tt o r q u ec o n t r o l ，ac o n t r o ls t r a t c g yo f t h eg r a d e o f e r r o r sf o ri n d u c t i o n m o t o rh a sb e e np r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp o w e r t r a i ns y s t e mo fh y b r i d v e h i c l ei nt h i st h e s i s t h es t a t o rf l u xe r r o r , e l e c t r i cm a g n e t i ct o r q u ee r r o ra n df l u x p o s i t i o na n g l e a r ec o n s i d e r e da sc o n t r o lv a r i a b l e s ，a n dt h es w i t c h i n gs t a t e sa r e d e t e r m i n e db yt h ee n n t r o lm l e so f t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 t h e r e b yt h i sa p p r o a c hc a n a c q u i r et h ef a s t e rr e s p o n s eo ft h ee l e c t r i cm a g n c t i ct o r q u ew i t h o u tt h ep l e n t yo f c a l c u l a t i o n s a n o t h e rk e yt e c h n o l o g yi st or e a l i z et h ep o w e rs w i t c h i n gs t e a d i l y a c c o r d i n gt o a c c e l e r a t o rp e d a la n g l ea n da c c e l e r a t o rp e d a la n g l er a t i o ，a n df u e l e c o n o m ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h et i m ef o rp o w e rs w i t c h i n gi sd e t e r m i n e d t h e n , b a s e do nt h et a r g e tt o r q u er e q u i r e db yt h ea u t o m o b i l ee a s e m e n t , p o w e rs w i t c h i n g 重庆大学硕士学位论文 s t e a d i l yi so b t a i n e d a f t e rs y n t h e s i z i n gt h ea b o v ei n f o r m a t i o n , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo n p o w e rs w i t c h i n gs t e a d i l yi sa c h i e v e di nt h i st h e s i s t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h em o t o ra n dt h ew h o l ep o w e r t r a i nm o d e lw e r eb u i l tt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h e s t r a t e g yi nt h ea b o v e a tl a s t , t h es t a r t i n gm o d eo fs i n g l em o t o r , t h ed r i v i n gm o d eo f s i n g l em o t o r , t h ed r i v i n gm o d eo fs i n g l ee n g i n e ，a n dt h ed r i v i n gm o d eo fh y b r i dp o w e r w e r es i m u l a t e df o rt h ec h a n g a ns t a r6 3 5 0 b ，a n dt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ni s c o m p a r e dw i t ht h ep r o t o t y p ec v t r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s e n t e dc o n t r o ls t r a t e g i 髓a r e i d e a lf o rh ) i b r i dv e h i c l e ，w h i c hc a nm a k et h em o t o rg e n 锄l et h ee l e c t r i cm a g n e t i c t o r q u ee f f i c i e n t l y , s t e a d i l ya n dq u i c k l y a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fw h o l ev e h i c l ei s l a r g e l yi n c r e a s e dt oa c h i e v et h er e l a t e dt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s t h i si n v e s t i g a t i o n p r o v i d e sa t h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h eh y b r i dv e h i c l e k e y w o r d s ：h y b r i dv e h i c l e ；p o w e r t r a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m ；p a r a m e t e rd e s i g n ；m o t o r c o n t r o ls t r a t e g i e s ；p o w e rs w i t c h i n gs t r a t e g y ；, m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n i v 1 绪论 1 绪论 保护人类赖以生存的自然环境，珍惜地球上有限的石油资源，从现在到下世 纪中叶，是摆在人类面前迫切需要解决的两个重大课题。而传统的内燃机汽车在 环境和节能这两个重大问题上与人类的愿望背道而驰。因此，研究汽车节能、降 低排放和替代燃料的新技术是当今汽车工业的主要发展趋势。 1 1 混合动力汽车概述 混合动力汽车英文缩写为h e v ，即h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 。根据国际电工委 员会电动汽车技术委员会的建议，对混合动力汽车的定义为：有多于一种的能量 转换器来提供驱动动力的混合型电动汽车。另外，也可以将h e v 做以下简单的定 义，即将电力驱动和辅助动力单元( a u x i l i a r yp o w e ru n i t ，简称a p u ) 合用到一辆车上 【1 。总之，h e v 是传统内燃机车辆与电动车辆的有效组合，它继承了电动汽车低 排放的优点，又发扬了石油燃料比能量和比功率高的长处，显著改善了传统内燃 机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程，在由内燃机汽车向电 动汽车的转变过程中扮演着承上启下的角色。 1 2 开展混合动力汽车研究的背景及重要意义 世界汽车工业目前可持续发展面临的两大难题是环境污染和石油资源匮乏， 环保和节能是2 1 世纪汽车技术的一个重要发展方向，而混合动力汽车( h e v ) 正 是具有低污染和低油耗特点的新一代清洁汽车。自7 0 年代石油危机之后，美国以 及欧洲一些国家就开始对电动汽车( e v ) 进行研究开发；8 0 年代，由于城市空气 污染问题日益严重，在电动汽车的关键技术没有取得突破性进展的情况下，开始 对混合动力汽车进行研究；到9 0 年代以后，对混合动力汽车的研究逐步得到发展， 近几年，国际上对混合动力汽车的研究成为一个引人注目的新热点。 1 2 1 汽车尾气对全球大气环境的污染b 益严重 据环境部门统计，大气污染的4 2 来源于交通运输【2 】。传统的汽油机或柴油 机汽车排放的废气主要是n o x 、c o 、h c 和颗粒物等，它们是大气污染的主要来 源。1 9 9 0 年全球轿车和货车有近4 3 亿辆，2 0 0 0 年估计有5 7 5 亿辆，到2 0 2 0 年 将有1 0 亿辆轿车，这意味着汽车所消耗的能源和所带来的污染将是1 9 9 5 年的两 倍。调查研究表明，北京市大气污染物中有7 3 5 的碳氢化合物、6 3 4 的一氧化 碳、6 5 的铅和4 6 的氮氧化合物，它们都来源于机动车的燃油排放。而且由于机 动车的排放位置低，实际对环境污染浓度的分担率在7 0 以上【3 】。由于大气状况的 重庆大学硕士学位论文 严重恶化而引起的一系列异常的自然现象，比如：光化学烟雾、酸雨以及厄尔尼 诺现象等对人类赖以生存的地面生态环境系统起到了严重的破坏作用。另外，汽 车尾气排放对人类自身生存的影响亦非常严重：铅进入人体与血液生成“血铅” 破坏人的造血系统和神经系统：c o 进入人体与血红蛋白结合破坏人体内氧的输送 及交换；n o x 对人体的呼吸系统有较大的刺激作用并且是构成光化学的主要成分； 碳氢化合物由苯及多环芳烃等巨毒成分构成，其中多环芳烃中的苯并芘引发癌症 十分厉害。因此，解决汽车尾气排放问题是发展汽车工业的当务之急。尽管在汽 油机、柴油机上使用燃料直喷技术以及更先进的催化剂技术在一定程度上能够减 少汽车的排污和油耗，但不能从根本上解决汽车的尾气问题。 1 2 2 地球上的石油储藏量是有限的 据预测地球上现己探明的石油储藏量只能够人类再用4 0 , - , 5 0 年【4 】，而且只有一 半用于交通运输以外的其它方面。另方面，自7 0 年代中东石油危机以来，国际 市场上石油价格居高不下，而且石油输出国组织更声称不打算增加石油产量，这 无疑增加了汽车的运营成本。再者传统汽车的发动机排量大，而发动机大部分时 问( 尤其在市区行驶时) 是运行在中小负荷的低效率区，这不可避免地导致汽车 油耗上升。因此，开发低油耗的新型汽车具有非常现实和深远的意义。 1 2 3 电动汽车的发展受到制约 为了减少对石油的依赖，并实现汽车行驶零排放目标，从7 0 年代开始不少国 家对电动汽车进行了研究开发，但由于电动汽车电池技术还没有取得突破性进展， 因而电动汽车离市场化的目标仍然有相当长的一段距离。 目前电动汽车的主要问题是：( 1 ) 由于蓄电池组的比能量较小，电动汽车一次 充电的续驶里程短；( 2 ) 由于蓄电池组的比功率较小，使得其重量和体积都大， 导致电动汽车的动力性能无法与传统汽车相媲美：( 3 ) 蓄电池组充电时间较长， 使用不方便；( 4 ) 蓄电池组价格昂贵；( 5 ) 电动汽车只能实现局部范围内的零排 放，而在由其它能源转换成电能过程中同样存在对环境污染的问题。 1 2 4 各国排放法规日趋严格 为了减少汽车污染，各国的排放法规日趋严格。美国加卅l 制定了世界上最严 格的排放标准。加州空气资源委员会规定从2 0 0 3 年开始，在加州出售的“零排放” 汽车要达到销售份额的1 0 ( 1 0 万辆) ，把能达到低排放或超低排放的混合动力汽 车包括在零排放汽车条款中。 1 9 9 3 年，美国成立了“新一代汽车联合体( p n g v ) ” 由美国政府牵头，组织 了三大汽车公司、国家实验室和各国立大学共同开发能将燃油经济性提高3 倍( 百 公里油耗约3 升) 以上，又能达到2 0 0 4 年排放要求，且能以现行成本生产的新一 代汽车。而混合动力汽车正是具备上述要求的新一代车辆。 1 绪论 日本丰田、本田等汽车公司近年来也相继推出自己的混合动力汽车。1 9 9 7 年 丰田公司将“p r i u s ”混合动力汽车成功推向市场，在从1 9 9 7 年下半年到1 9 9 9 年上 半年期间就销售了1 7 万辆。本田公司的“w ”混合动力汽车能满足2 0 0 1 年加州 低排放标准c u l e t ) ，百公里油耗仅为3 3 升。 0 删 4 m 口z i ：i 墓 $个、 l71 y 时间 苤弛熟兽鎏犟 汽车减速 动的能量输出 一一 图1 1 混合动力汽车工作燎理图 f i 9 1 w o r kp r i n c i p l eo f h y b r i dv e h i c l e 另外，法国的雷诺、雪铁龙、标志，意大利的菲亚特，瑞典的沃尔沃等也相 继对混合动力汽车技术进行了研究并推出了各具特色的混合动力汽车概念车或样 车，具体如表1 所剥5 】 l 6 j l t 8 】 1 9 b o 【l l j 、【1 2 】【1 孤，这些样车通过采用不同的混合 动力系统，使原车型的燃油经济性得到了大大的改善。 表1 1 世界各汽车公司混合动力汽车样车现状 t a b i 1t h ea r to f t h es l a t eo f h e v s p e e i m e ni na u t o m o b i l ec o m p a n ya l lo f t h ew o r l d 研制厂商h e v 技术及车型 通用 并联混合动力、串联混合动力 戴姆勒克莱斯勒c o m m a n d e r 吉普车、c i l a d e l 混合动力、 d o d g ei n t r e p i de s x 2 轻度混合动力 福特p t h 、l s r 两种形式的并联h e v 系统，p 2 0 0 0 h e v 样车 丰田p r i u s 并联混合动力 本田i s g 并联混合动力 雷诺 k a n g o o 串联混合动力 雪铁龙 “b e r l i n g od y n a v o l t ”串联混合动力 沃尔沃混合动力“v o l v o ”f l 6 重庆大学硕士学位论文 在混合动力汽车中，除了采用传统的发动机等动力系统外，还应用了以蓄电 池为能源的电动系统，如图1 _ 1 所示，当汽车需要峰值功率时，使用电驱动系统作 为辅助动力，这样不仅可以提高汽车的动力性，而且在保持相同动力性的前提下， 可以减少发动机的后备功率或排量，有利于系统节省燃油；在下坡滑行等工况下， 发动机的多余能量通过发电机转换为电能储存在蓄电池中；在汽车减速或制动工 况，汽车的再生制动能量可以通过发电机转换为蓄电池的电能，减少了系统的燃 油消耗；在发动机长时间怠速工况，混合动力系统可以切断发动机的燃油供给， 进一步提高了汽车的燃油经济性和减少废气排放：汽车在城市或低速行驶时，可 以以纯电机驱动方式，减少废气排放。 我国于1 9 9 9 年4 月由国家科技部、环保总局、国家机械局等十多个部委联合 召开了“空气净化工程一清洁车辆行动”会议，提出通过电动汽车、混合动力汽 车技术的攻关和推广应用，解决汽车排放污染问题。目前，混合动力汽车项目已 正式列为国家“8 6 3 ”项目开始实施，本课题就来源于此。 另外，我国在电动汽车方面以做了大量的研究工作，并且取得了一些研究成 果，与电动汽车同步发展混合动力汽车技术，不仅可充分利用己获得的研究成果， 把研究成果尽快地变为生产力，而且还为将来电动汽车的发展提供了经验和基础。 因此混合动力汽车的研制具有现实可行性。 因此在电动汽车的关键技术还未取得重大突破的条件下，混合动力汽车成了 目前解决汽车节能、排放两大问题的主要选择，其根本原因在于它与“绿色汽车” 电动汽车相比具有以下优势： ( 1 )电池的数量减少，减轻了混合动力汽车自身的质量； ( 2 )发动机的使用可以使混合动力汽车的续驶里程与动力性达到使用内燃 机为动力的汽车性能的相应水平； ( 3 )虽然有时需要发动机工作，但由于其主要工作在最佳工作区域，大大 的改善了汽车变工况( 特别是低速、怠速) 行驶时的排放，同时由于可实现再生 制动，使混合动力汽车成为较低排放的节能汽车： ( 4 )在某些对汽车排放严格限制的地区，混合动力汽车可以关闭发动机， 变为纯电动驱动而成为零排放汽车。 因而，混合动力汽车是最有希望的高科技汽车，相信在2 1 世纪不远的未来， 混合动力汽车将具备可以和现存的汽油车相抗衡的市场规模【l “。开展混合动力汽 车的研究具有十分重要而深远的意义。 4 1 绪论 1 3 混合动力汽车技术发展现状和趋势 1 3 1 混合动力汽车的种类与特点 目前世界各国研究开发的混合动力汽车因其各个组成部件、布置方式及控制 策略的不同，而形成了各式各样的结构型式，其分类也有多种。根据动力源的数 量及传递方式的不同，分为串联式、并联式和混联式三种组合型式；根据发动机 和电机的功率比的大小，分为里程延长型、动力辅助型和双模式型，或者分为轻 度混合、中度混合和重度混合；根据发动机运行模式的不同，分为发动机开关模 式和发动机连续运行模式；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单 轴式和双轴式；根据蓄电池组的荷电状态的变化情况，又分为荷电消耗型和荷电 维持型。 ( 1 ) 串联式驱动( sh e v ) 系统 串联式驱动系统apu 由原动机和发电机组成，通常将这两个部件集成为一 体。原动机带动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产 生驱动力矩驱动汽车。电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输入功率的作 用：当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时( 如汽车减速滑行、低速行驶 或短时停车等工况) ，控制器控制发电机向电池充电；当发电机发出的功率低于电 动机所需的功率时( 如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况) ，电池则向电动 机提供额外的电能。 串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区稳 定运行，并可选用功率较小的发动机，因此可使汽车的油耗和排污降低。串联式 混合动力电动汽车特别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原动机，只利用电池进行功率输出，使汽车达到零排放的 要求。串联式结构的不足是：需要功率足够大的发电机和电动机，发动机的输出 需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池充放电的 效率较低，使得燃油能量的利用率比较低。 ( 2 ) 并联式驱动系统 并联式驱动系统汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。当电动 机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。与串联式结构相比，发动机通过 机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率相对较高，这使得并联式燃油经济 性比串联式的高。并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定 行驶的工况。由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响，要维 持发动机在最佳工作区工作，相比于串联结构，需要变速装置和动力复合装置， 传动机构较为复杂。 ( 3 ) 混联式驱动系统 重庆大学硕士学位论文 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，发动机发出的功率一部分通过机 械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电 动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱 动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽 车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。 混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、 电动机的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统在晟优状态工 作，所以更容易实现排放和油耗的控制目标，因此是最具影响力的h e v 。与并 联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高。目 前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。丰田公司p r i u s 车 的驱动系统结构被公认为目前最成功的结构。 1 3 2 混合动力汽车的发展现状 目前世界各国都致力于开发先进的混合动力电动汽车，在1 9 9 9 年北京举行的 第1 6 届国际电动车会议暨展览会( e v s l 6 ) 上，混合动力电动汽车成为热点，展 出的部分展品代表了世界混合动力汽车发展的现状。通用汽车公司的串联式混合 动力电动汽车的a p u 是4 0 k w 高速永磁交流电机和单轴燃气涡轮发动机组件，它的 总重约1 0 0 k g ，是至今生产的同类产品中最小、最轻、最省油的，发电机在 1 0 0 0 0 1 4 0 0 0 r m i n 范围内运转平稳、噪声低，在1 3 0 k m h 的行驶状态下可以输送 4 0 k w 的电能。该车在关闭a p u 的情况下，可以电动方式行驶6 5 k m 。而在混合模 式中，当电池的s o c ( 荷电状态) 下降到4 0 以下时，a p u 自动开启，产生的电 能一般恰好够用于驱动电机并使电池的s o c 恢复到5 0 。车上携带一个2 4 l 的油 箱，供给a p u 燃料，在高速路上可以使汽车拥有5 6 0 k m 的续驶里程。通用公司展 出的并联式混合动力电动汽车，在标准的混合模式下，汽车主要由高效的柴油机 驱动。由发动机驱动的电动发电机发电，可以使电池组的s o c 维持在8 0 左右； 在零排放模式下，只使用电动机驱动可以行驶约6 5 k m ；当汽车需要加速或爬坡时， 安装在前部的电动机驱动前轴，柴油机和电动发电机通过自动变速器驱动后轴， 从而实现四轮驱动。该并联式混合动力电动汽车其燃油经济性和动力性均超过了 传统汽车。 丰田公司展出的p r i u s 汽车为混联式混合动力电动汽车，使用密封的镍氢电池。 在日本1 0 1 5 工况下燃油经济性达到了3 5 7 l 1 0 0 k m ，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 ，c 0 2 的排量相当于普通汽车的1 2 。这种5 座轿 车最高车速为1 4 0 k n g h 。续驶里程与普通汽车一样，视加入的汽油多少而定。在日 本国内已售出3 0 0 0 0 多辆。清华大学与厦门金龙联合汽车公司合作研制的串联式 混合动力客车，也参加了展览，这标志着我国混合动力电动汽车研究进入了实质 1 绪论 性阶段。 1 3 3 混合动力汽车控制策略 在满足汽车的动力性和其它基本技术性能以及成本等要求的前提下，针对各 部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在发动机、电机之间的合理 而有效地分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性、最低的 排放以及平稳的驾驶性能。 ( 1 ) 串联型混合动力汽车的控制策略 串联混合动力汽车的发动机与汽车的行驶工况没有直接联系，因此控制策略 的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。它包括恒温器控制模式和发 动机跟踪器控制模式。 1 ) 恒温器控制模式【l 5 】 当蓄电池s o c 降到设定的低门限值时，发动机启动，在最低油耗( 或排放) 点按恒功率输出，一部分满足车轮驱动功率要求，另一部分功率向蓄电池充电。 而当蓄电池组s o c 上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电机驱动车轮。 在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率的要求，蓄电池组的过度循环所引起 的损失可能会减少发动机优化所带来的好处。这种模式对发动机比较有利而对蓄 电池不利。 2 ) 发动机跟踪器控制模式 发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化，与传统的汽车运行相似。采用这种 控制策略，蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组损失被减少到最低 程度。但发动机必须在整个负荷区范围内运行，而且发动机的功率快速而动态地 变化，这些都损害了发动机的效率和排放性能( 尤其是在低负荷区) 1 1 6 ) 。解决的 办法是采用自动无级变速器c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) ，通过调节 c v t 速比，控制发动机沿最小油耗线运行，这样同时减少了h c 和c o 的排放量。 ( 2 ) 并联混合动力汽车的控制策略 并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，需要进一步优化。一般的控制 策略通常是根据电池的s o c 、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的平均功率 等参数，按照一定的规则使发动机和电动机输出相应的转矩( 或功率) ，以满足驱 动轮驱动力矩的要求。 1 ) 以车速为主要参数的控制策略 这是最早也是最常采用的一种控制策略，它利用车速大小作为控制的依据。 当汽车车速低于所设定的车速时，由电机单独驱动车轮，当车速高于所设定的车 速时，电机停止驱动，而由发动机驱动车轮，当车轮负荷比较大时( 如汽车急加 速、爬陡坡或以较高车速爬坡时) ，则由发动机和电动机联合驱动车轮。这种策略 重庆大学硕士学位论文 利用了电动机低速大转矩的作用，避免了发动机的怠速及低负荷工况。当车速较 高有助于发动机有效工作时，发动机的启动可避免纯电动高速行驶时电池的快速 放电损失。在这种控制策略中，发动机启动的设定车速可以设计为一个定值。对 于荷电消耗型混合动力汽车，设定车速愈低，汽车一次充电的续驶里程愈长【l ”。 也有将设定车速设计为蓄电池组放电深度的函数 1 ”。 美国k l b u l t e r 等人提出了另一种基于速度的控制策吲1 9 】。汽车在低速行驶 时，也是由电机单独驱动车轮；但当车速高于所设定的车速时，则采用了混合驱 动。此时，发动机保持在一个恒定的节气门开度运行，而由电机提供车轮所需的 动态功率，通过提高发动机启动的设定车速并保持蓄电池组的s o c 在驾驶循环前 后不变，可以减少发动机工作的时间。这种控制策略有利于减少汽车的排放，但 电机及蓄电池组的功率较大，增加了整车自重和成本。 对于采用上述控制策略的荷电维持型混合动力汽车，还需要监视蓄电池组的 s o c ，当s o c 降到某一设定值以下时，无论此时车速多低，发动机将启动，同时 一部分发动机功率通过发电机向蓄电池组充电。 2 ) 以功率为主要参数的控制策略 当车轮平均功率低于某设定值时，汽车由电动机单独驱动；当车轮平均功率 高于该设定值时，此时有利于发动机有效工作，因而发动机被启动，电动机则停 止运行。发动机启动的最佳时机是在变速器换挡期间，这有助于获得平稳的驾驶 性斛2 0 1 。一旦车轮平均功率超过发动机所能提供的功率时，电动机启动，辅助发 动机提供额外的功率。 在上述第1 ) 种和第2 ) 种控制策略中，都存在发动机和电动机联合驱动的混 合动力工况。这种工况一般出现在车轮平均功率很高的时候( 如急加速或以较高 车速爬坡) ，其控制策略有以下几种模式：( 1 ) 当加速踏板踩下时，发动机和电动 机的功率按照一定比例同时增加，以满足驾驶员的高功率需求；( 2 ) 电动机功率 一直增加到其最大值，然后启动发动机以提供补充动力；( 3 ) 发动机被控制在高 功率的低油耗区稳定运行，而由电动机来提供所需的补充功率。 上述第1 ) 种和第2 ) 种控制策略都比较简单，但不能保证各部件得到了最佳 匹配，无法获得整车系统的最大的效率，因此优化技术被引入到控制策略研究中。 3 ) 采用优化技术的控制策略 法国学者s e b a s t i a nd z l p r a t 和g i n op a g a n e l l i t 2 嵫1 等人研究了带机械有 级式变速器的并联型混合动力汽车在混合动力工况时的能量分配优化问题，建立 了以电机转矩和变速器档位为优化变量、以给定循环工况下发动机油耗最小为目 标的有约束优化计算模型。该优化计算结果虽然不能用于实时控制，但对于推导 汽车实时控制策略是有益的。 1 绪论 为了使发动机工作在最佳效率区，在混合动力汽车上装备c v t 成为目前的一 种发展趋势。德国学者u l r i e h z o e l e h 等人】对带有i 2 - c v t 的并联型混合动力汽 车作了研究，以汽车在一个给定驾驶循环工况中发动机油耗最小为目标函数，建 立了包括c v t 、电机效率在内的优化计算模型，利用动态优化技术对发动机、电 动机( 发电机) 所应分配的转矩和c v t 速比进行了计算，并由此确定满足最小燃 油量所需要的电机额定功率。该优化方法只能用于特定的驾驶循环，不能用于汽 车的实时控制。k i a 汽车公司的c h u n h o k i m 等人1 2 4 提出以燃油经济性为目标的优 化控制策略，该方法将电池输出功率转化为等效的燃油量，建立了基于有效燃油 消耗率的优化模型，以发动机燃油消耗量最小为目标函数，得到随车速、电池组 s o c 而变化的控制量( c v t 速比、电动机转矩、发动机节气门) 。这种控制策略 的实质就是将发动机和电机控制在最佳效率区工作，从而达到最佳的燃油经济性。 这种方法可以用于汽车的实时控制，但没有考虑汽车驾驶循环工况的影响及发动 机排放问题。 4 ) 以成本和燃油经济性为目标的控制策略 采用这种控制策略的混合动力汽车装备了小功率电机和小容量的蓄电池组， 使蓄电池组的成本和重量减少到最小程度。在这种策略中，电动机一般仅仅只在 汽车急加速时才启动，辅助发动机向车轮提供加速所需的功率。而汽车的一般行 驶工况则由一个小排量的发动机单独驱动，并在蓄电池组s o c 下降到一定程度时 为其充电，这进一步提高了发动机的负荷率。在汽车减速时，蓄电池组吸收制动 能量而充电。这种控制策略存在的一个缺陷是：由于发动机几乎一直处于工作运 行状态，虽然避免了发动机开关控制引起的发动机效率下降问题，但无法消除发 动机在低负荷时的排放问题。 这种汽车在加速时的控制策略有以下几种模式：( 1 ) 当汽车原地起步时，由 发动机单独驱动汽车起步，或者由电动机单独驱动汽车起步，然后在汽车的速度 增加到一定值时，发动机启动，提供加速所需的补充动力。( 2 ) 当汽车快速起步 或急加速时，发动机和电动机联合向车轮提供驱动功率。 克莱斯勒的“道奇无畏e s x ”、本田“i n s i g h t ”和日产的混合动力汽车都采用 了这种控制策略，这类汽车也被称之为“轻度混合动力汽车”。这类汽车只有少量 或者完全没有纯电动工况，但整车成本和重量都大为降低，并且燃油经济性可以 达到相当好的程度( i n s i g h t 和“道奇无畏e s x ”混合动力汽车的百公里油耗分别 为3 3 升、3 4 升) ，排放也有比较大的改善，但为了满足今后更为严格的排放标准， 发动机排量还需要进一步降低。本田和日产的这种混合动力车都装备了c v t ，进 一步改善了整车的燃油经济性和排放。 9 重庆大学硕士学位论文 1 4 混合动力汽车电机驱动控制系统 交流电机驱动控制系统是混合动力汽车的一项关键技术之一，其性能的好坏 将直接影响整车性能。目前国际上和国内在常规领域中较为流行的和在电动汽车 上使用的控制系统有矢量控制、直接转矩控制、模糊直接转矩控制三种。它们各 有千秋： 1 4 1 矢量控制系统 1 9 7 1 年由德国西门子公司的f b l a s c h k e 提出的异步电机矢量控制技术是基于 坐标变换的一种技术，将电机的定、转子电压、电流、磁势、磁链瞬时值所产生 的效应用空间矢量来表示，以转子磁链矢量为参考坐标，通过三相到两相坐标转 换，实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦。因此便可以进行独立的控制和调 节，把这两个分量作为被控参数，异步电机就具有和直流电机一样优良的转矩、 转速调节特性【2 5 】。 转子磁场定向的矢量控制系统是2 0 年来实际应用最为广泛的高性能交流调速 系统，在电动车和混合动力汽车的交流驱动系统中的应用也是最成熟的，起动态 性能好，调速范围宽，但控制性能受电机参数变化的影响很大是其主要缺点。 1 4 2 直接转矩控制系统 图1 2 直接转矩控制系统原理图 f i g 1 2w o r k p r i n c i p l eo fd t c 直接转矩控制是有德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年提出的具有控制手 段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点2 6 1 ，比较适合混合 动力汽车和电动车的控制。它摈弃了矢量控制中解耦的思想，将转子磁通定向更 换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角， 从而达到控制转矩的目的。根据s p w m 控制方式和磁场加速理论，当气隙磁通维 1 0 1 绪论 持恒值而旋转速度可调时，所有其它矢量包括转矩均为转差的函数，这样通过适 当选择6 个空间非零电压矢量和作用时间，并通过适当加入一个或多个空间零矢 量来调节气隙磁通的运动轨迹和速度，就能控制转矩【2 ”。 由于定子磁通定向，而且直接通过控制转矩差和定子磁通差就能确定电压矢 量，不需要进行坐标转换，控制系统及计算过程大大简化。 由于为了实现转矩的快速响应，直接转矩系统采用了两点式( b a n g - b a n g ) 控 制，由此而产生了转矩脉动，限制了系统的调速范围，这是其缺点之一；再者由 于系统未能彻底摆脱电机参数的影响，尤其是在低速时定子电阻的影响相当大。 1 4 3 模糊直接转矩控制系统。阳 直接转矩控制系统依据转矩误差、定子磁链幅值误差及磁链位置角来选择逆 变器的开关状态，但控制器无法区分电机定子磁链和电磁转矩误差的等级，以及 引起误差变化的一些不确定性因素等，