（光学工程专业论文）超轻度混合动力汽车优化匹配与仿真研究.pdf

中文摘要 摘要 超轻度混合动力汽车的传动系统是以回流式无级变速器作为传动装置的新型 车辆传动方式，利用其传动比变化范围大的特点，可以实现轻度混合动力汽车所 不具有的纯电动工况的功能。超轻度混合动力汽车的燃油经济性能和排放性能能 够得到改善，与已有的轻度混合动力传动系统相比，超轻度混合动力汽车具有良 好的发展前景。 本文以超轻度混合动力汽车为研究对象，以提高整车的燃油经济性和平顺性 为目的，主要开展了以下几方面的研究工作： 在全面阐述了回流式无级变速传动系统的结构和工作原理基础上，建立了 传动系统的速比和机械效率模型。综合考虑了回流式无级变速传动系统机械效率 和发动机热效率对循环工况任意时刻油耗量( 称为瞬时油耗) 的影响，可以分析 出瞬时油耗与瞬时系统效率( 传动系统机械效率与发动机热效率的乘积) 的关系。 分别讨论了回流式无级变速传动系统的速比范围七和行星排结构参数耐系统 效率的影响，并将七和徘为优化设计的变量，利用基于系统效率最大化控制策略 的回流式无级变速传动系统参数优化设计方法，得到了燃油消耗量最低时参数k 和0 【所对应的优化数值。基于m a t l a b s i m u l i n k 平台，对优化前、后参数设计的汽车 进行了经济性仿真研究的比较。 利用回流式无级变速传动系统大速比的特点，选用小功率电机作为辅助动 力源，满足整车动力性能的基础上，对关键性部件进行了参数匹配。分析了超轻 度混合动力汽车工作原理，将其工作模式划分为起步工作模式、驱动工作模式和 倒车工作模式。针对起步工况不同的运行模式，制定了起步工况模式的判别条件， 对于每一种起步工况模式制动了相应的控制策略，并分别进行了仿真试验研究。 针对驱动工况模式，分别阐述了该工况下的四种运行模式，并采用了逻辑门限控 制策略，对整车进行了e c e + e u d c 循环工况仿真研究。 分析了超轻度混合动力汽车低速挡( 回流工况) 、高速挡( 纯无级工况) 、 过渡挡( 回流无级工况、无级- 回流工况) 转换的判别条件，针对回流无级和无 级回流剀换过程的控制方法作了进一步地讨论，得出了在切换过程中离合器l l 和l 3 的接合或分离控制的重要性。因此，分别建立了离合器l 1 分离过程和离合器 l 3 接合过程的动力学模型，并以满足整车冲击度要求为条件，计算得出了离合器 l l 和离合器l 3 转矩变化率的范围。分析了超轻度混合动力汽车驱动_ 亡况模式切换 类型，制定了纯电动驱动工况切换到发动机工况的控制策略，建立了切换过程的 动力学模型和整车仿真模型。 重庆人学博士学位论文 在获取超轻度混合动力汽车关键部件效率试验模型的基础上，建立了不同 驱动模式下的系统效率计算模型，以系统效率值最大为优化目标，得到了任意驱 动工况模式下的目标速比和系统效率优化模型，并将任意驱动工况模式下的系统 效率模型进行对比分析，从而得到混合动力汽车不同驱动模式的优化工作区域。 以优化的工作区域作为驱动工况模式划分判别条件，建立了整车仿真模型，并进 行了e c e + e u d c 循环工况仿真研究。 关键词：混合动力汽车，无级自动变速器，优化匹配，优化设计，切换 英文摘要 a b s t r a c t s u p e rm i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) t a k e sc 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 ( c v t ) w i t hr e f l u xp o w e r 嬲t r a n s m i s s i o ns y s t e m t a k i n ga d v a n t a g eo fi t sw i d er a t i o r a n g e ，s u p e rm i l dh e vp o s s e s s e so n l ym o t o rm o d e ，h o w e v e r , m i l dh y b r i de l e c t r i c v e h i c l eh a sn o tt h i sm o d e s u p e rm i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ec a ni m p r o v et h ef u e l e c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c e c o m p a r e d 、 r i t l lm i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s u p e r m i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l eh a sb e t t e rp r o s p e c t t h i sp a p e rt a k e ss u p e rm i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 弱o b j e c to fs t u d y , f o rt h e p u r p o s eo fi m p r o v i n gf u e le c o n o m ya n dh a r s h n e s s ，t h e m a i nr e s e a r c hw o r ki s i n t r o d u c e da sf o l l o w i n g s ： ( ) b a s e do nr o u n d l yc l a r i f y i n gt h es t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo fc o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n 、析mr e f l u xp o w e r , t h em o d e lo ft r a n s m i s s i o ns y s t e mr a t i oa n d m e c h a n i c a le f f i c i e n c ya r eb u i l t c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to ft r a n s m i s s i o na n de n g i n e e f f i c i e n c yo ni n s t a n t a n e o u so i lc o n s u m p t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n s t a n t a n e o u so i l c o n s u m p t i o na n ds y s t e me f f i c i e n c yi sb u i l t t h e i m p a c t o ft r a n s m i s s i o n s y s t e mw i d er a t i or a n g ea n dp l a n e t a r yg e a r i n g m e c h a n i s ms t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ns y s t e me f f i c i e n c y , t a k e ska n d aa st h eo p t i m i z a t i o n d e s i g nv a r i a b l e s ，a d o p t i n gt h em e t h o do fo p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e do nt h es y s t e m e f f i c i e n c ym a x i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y , d e r i v e st h ev a l u eo f t h eo p t i m a lp a r a m e t e rk a n d a ：b a s e do nt h ep l a t f o r mo fm a t l a b s i m u l i n k , ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h ef u e l e c o n o m yo f b e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n ( 菖) t a k i n ga d v a n t a g eo f i t sw i d er a t i or a n g e ，c h o o s i n gs m a l lp o w e rm o t o ra sa s s i s t a n t p o w e rs o u r c e ，a n dm a t c h i n gp a r a m e t e r s o nm a i nc o m p o n e n t s a n a l y z i n go nt h e p r i n c i p l eo fs u p e rm i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，t h ew o r km o d ei s d i v i d e di n t ol a u n c h , d r i v i n ga n dr e v e r s em o d e a i m i n go nt h ed i f f e r e n tw o r km o d e ，d r a w su pt h ej u d g i n g c o n d i t i o no fl a u n c hm o d ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ne v e r ym o d e ，f i n a l l y , t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i s d o n e a i m i n go nd r i v i n gm o d e ，c l a s s i f y i n gt h e f o u r w o r km o d e s a d o p t i n go nt h el o g i c c o n t r o ls t r a t e g y , t h es i m u l i n ke x p e r i m e n to fd r i v i n gc y c l e e c e + e u d ci sc a r r i e do u t ( 亘) t h ej u d g i n gc o n d i t i o no nl o wg e a r ，h i g hg e a ra n dt r a n s i t i o ng e a ro fs u p e rm i l dh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e 踟a n a l y z e d a i m i n go nt h em e t h o do fr p c v tg e a rt oc v tg e a r s w i t c h i n ga n dc v tg e a rt or p c v tg e a rs w i t c h i n g ，w h i c hi sf u r t h e rd i s c u s s e d ，d e r i v i n g i i i 重庆大学博士学位论文 t h a tt h ec o n t r o lo fc l u t c hl ia n dl 3i sv e r yi m p o r t a n t t h e r e f o r eb u i l d i n gt h ed y n a m i c a l m o d e lo fc l u t c hl ia n dl 3 ，f o rt h ep u r p o s eo fm e e t i n gj e r k ，d e r i v i n gt h et o r q u ec h a n g e r a t er a n g eo fc l u t c hl la n dl 3 a n a l y z i n go ns w i t c h i n gt y p eo fs u p e rm i l dh y 嘶de l e c t r i c v e h i c l ed r i v i n gm o d e ，d r a w i n gu pc o n t r o ls t r a t e g yo no n l ym o t o rm o d es w i t c h i n gt o o n l ye n g i n em o d e ，b u i l d i n gd y n a m i c a la n ds i m u l a t i o nm o d e l i nt h es w i t c h i n gp r o c e s s b a s e do nt h ek e yc o m p o n e n te f f i c i e n c ym o d e lo fs u p e rm i l dh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，b u i l d i n gt h es y s t e me f f i c i e n c ym o d e lo n d i f f e r e n td r i v i n gm o d e t a k i n gs y s t e m e f f i c i e n c ym a x i m u ma so p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，d e r i v i n gt h et a r g e ts p e e dr a t i oa n d s y s t e me f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o nm o d e lu n d e rd r i v i n gm o d e c o m p a r i s o n 、撕ms y s t e m e f f i c i e n c y o fd i f f e r e n t d r i v i n gm o d e ，d e r i v i n go p t i m i z a t i o no p e r a t i o nr e g i o n , t h e n b u i l d i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lo fs u p e rm i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n to fd r i v i n gc y c l ee c e + e u d ci sc a r r i e do u t k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n , o p t i m a l m a t c h i n g ，o p t i m a ld e s i g n ，s w i t c h i n g 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源与意义 本课题是国家自然科学基金项目新型混合动力传动系统工况区域动态优化 与转换控制和重庆市科技攻关计划项目汽车自动变速器硬件在环试验系统的 研制开发研究内容的组成部分。 随着汽车保有量的快速增长、石油资源的日趋匮乏、汽车排放的污染物造成 城市空气质量日益恶化，使得能够有效降低汽车能源消耗和排放的混合动力汽车 成为世界各国政府、科研机构和企业研究的重点。 超轻度混合动力汽车的传动系统是一种以回流式无级变速器为传动装置的新 型车辆传动方式，与日本本田公司开发的i n s i g h t 轻度混合动力传动系统相比，可 采用更小功率的电机，实现i n s i g h t 轻度混合动力传动系统所不具备的低速时纯电 机快速驱动车辆加速行驶的功能，由此导致二者在驱动功能模式、匹配控制策略 和系统优化设计方法等方面产生很大的不同。超轻度混合动力传动系统的特点在 于：利用所采用的变速装置，即回流式无级变速传动装置具有超大的速比变化范 围、传动效率高于纯金属带无级变速传动以及较低转速时承载能力大的特点，突 破了目前轻微度混合动力传动系统不具备纯电动驱动工况的局限性。通过对大速 比变化范围混合动力传动系统的匹配设计理论与优化控制方法的研究，采用新的 传动方式和匹配控制策略，以更低的制造成本，达到以日本本田公司生产的i n s i g h t 汽车为代表的轻度混合动力汽车的节能减排效果。 在功能方面，充分利用回流式无级变速传动装置超大速比变化范围的特点， 在保证车辆最高车速和高速行驶时发动机燃油经济性的前提下，采用比i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ) 型轻度混合动力传动系统更小功率的电机作为汽车 的辅助动力源，实现普通无级变速器( 速比变化范围仅为5 - - - 6 之间) 所无法达到 的快速驱动汽车低速时加速行驶的目的。因此，该混合动力传动系统不仅具有轻 度混合动力传动机构电动机辅助发动机怠速起停和制动时能量回收的特性，也能 够在进出车库或交通堵塞等车辆爬行工况时采用电动机单独驱动；同时，在低速 倒车时采用纯电动驱动，而高速时采用发动机驱动，从而达到进一步节省燃油消 耗和减少有害气体排放的目的。 除此之外，超轻度混合动力传动系统还具有以下优点： 采用的回流式无级变速装置比普遍无级变速传动的成本低。前者的部件组 成主要包括：金属带轮组件、一个行星排、一组定速比齿轮副、3 个离合器、1 个 制动器和1 个单向离合器，比普通无级变速器多出了一组定速比齿轮副、2 个离合 重庆人学博士学位论文 器和1 个单向离合器，但省去了液力变矩器及其相应的液压控制和供油系统； 在传动效率方面，由于金属带摩擦传动本身( 7 5 9 0 ) 与齿轮啮合传动 相比为低效率传动部件，而回流式无级变速传动在混合调速区段时，主要驱动功 率将通过齿轮机构传递，此时，回流式无级变速装置的总体效率高于目前采用的 金属带无级变速器； 由于回流式无级变速传动具有超大的速比变化范围，可在保证车辆最高车 速和高速行驶时发动机燃油经济性的同时，大大提高低速行驶时汽车的动力性。 因此，大速比混合动力传动系统所需采用的辅助电动机功率更小( 大约为轻度混 合动力传动系统电机功率的一半) 、蓄电池组数更少，电机控制器和电池能量管理 系统得以简化，从而降低了整个混合动力传动系统的制造成本； 由于辅助电机的功率较小，其布置更加灵活，从而降低了对电机设计的要 求。 超轻度混合动力传动系统将在传动方式、匹配控制理论和优化设计方法方面 具有创新性。与普通汽车相比，其燃油经济性能和有害气体排放性能将会得到改 善，完全适合我国目前社会发展和国民经济的实际需要。同时，与当前国际上已 有的轻度混合动力传动系统相比，节能减排效果好，价格低，具有良好的生产可 行性和市场销售前景。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大速比变化范围传动系统研究现状 传动系统结构 1 9 8 7 年，m a c e yjp 和v a h a b z a d e hh 1 1 l 【2 】首次提出了金属带行星齿轮无级变 速器( 图1 1 ) ，该变速器通过离合器o c 、c 卜c 2 、c 3 接合或闭合可以实现纯无级 变速与回流两种工况，在回流工作模式下，无需动力中断，通过增加金属带速比 就可进入倒挡工况。由于倒挡过程的系统效率较低，孙冬野【3 j 提出了回流式无级变 速器，该传动系统在金属带行星齿轮无级变速器结构的基础上增加了一个制动器， 并利用已有的行星排实现了倒挡，大大提高了变速器倒挡时的效率。 ”-c l 1 坯 l j oci 一一 缀 鳜 输入l 豳 、 目 均c ， u 僦口i i ：l 输：i ： 同1 1 u u 。 1 绪论 美国西维吉尼亚大学教授v i c t o rh 【4 l 等人提出了功率分流式无级变速器( 图 1 2 ) ，此传动系统主要由金属带传动装置和行星排齿轮机构组成，动力从金属带传 动机构的主动轮输入，一部分功率传递到行星排齿轮装置的太阳轮，一部分功率 通过金属带传递到从动轮，从动轮通过定齿轮机构将动力传输到行星齿轮机构的 齿圈，最后由行星齿轮机构的行星架将动力输出。 ，宁上_ l_厂 u 输出轴 ii， 1 输入轴 一王 图1 2 功率分流式无级变速器 f i g1 2t h es t r u c t u r e0 fp s c v t gm a n t r i o t a 5 1 等提出了一种新颖的功率分流无级变速器( p s c v t ) ，如图1 3 所示，其没有功率再循环，变速器的效率得到了提高，并对该传动系统进行了功 率流分析和变速器效率的理论、试验研究。试验证实：与c v t 传动系统效率相比 较，p s c v t 的效率是增大的。 图1 3 无再循环功率流功率分流式无级变速器 f i g1 3t h es t r u c t u r eo fp s c v tw i t h o u tc i r c u l a t i o n 南京理工大学常思琴教授【6 卜1 1 1 ，针对承担的国产某微型车的功率分流式自动 变速系统( 其由一组二自由度行星齿轮系和一组可变带轮半径的金属带式无级变 速装置以及磁粉离合器等组成) 的研究项目开展了一系列研究，主要包括：功率 分流式无级变速器的结构设计与建模、换挡控制策略、整车经济性仿真以及样机 的研制、试验等几个方面。 重庆大学搏十学位论文 以上文献所描述的大速比传动系统结构主要是以金属带传动装置和行星排齿 轮机构组合而成的，与普通的c v t 无级变速传动系统相比，大速比传动系统的传 动比范围更宽，机械效率更高。 传动系统优化设计 w - zg a o 1 2 j 等在混合动力汽车传动系统优化设计上采用了d i r e c t 、模拟退 火、遗传和粒子群优化四种全局优化算法。运用p s a t 软件对这四种算法进行仿真， 仿真结果表明：d i r e c t 、模拟退火算法解决复杂的工程设计问题更加有效。y - h w u l l 3 1 运用多目标粒子群算法，以体积和轴中心距最小为优化目标函数，寻求变速 器最佳的结构设计参数。qm f a n 1 4 j 建立了关于动力性、经济性、排放性的多目标 优化目标模型，并以变速器速比作为设计变量，利用p a r e t o 优化理论对传动系统 的参数进行了优化设计。s mm e h d i 1 5 】提出了一种基于遗传神经网络多目标优化 算法，并运用整车传动系统仿真分析软件包，优化了变速器的速比。杨伟斌【1 6 1 等 利用正交试验设计优化方法对变速器各挡速比进行了优化设计。吴光吲1 。7 】等以混 合动力汽车燃油消耗量和排放最小为优化目标，满足动力性为条件，采用自适应 遗传算法对整车变速器参数和控制参数进行了优化设计。尹安东【1 8 】等运用正交试 验设计方法，对串联型混合动力城市客车电池容量，传动系统速比和混合度( 电 机功率占所有动力源功率总和的比例) 等参数进行了优化设计。 以上文献主要阐述了有级变速传动系统参数优化设计方面的研究，目前而言， 在大速比变化范围传动系统优化设计方面的研究较少，a k l e i m a j e r i l 州针对由 产c v t 变速器所组成的混合动力汽车的特点，采用最优控制理论方法，最终得到 了变速器最小和最大速比、发动机最大转矩、电机最大转矩等参数优化结果。步 曦【2 0 1 1 2 i 】等建立了发动机转速、电动机输出轴转速和发电机转速三者转速关系平面 图，基于几何学原理，对行星齿轮结构特征参数进行了优化设计。g m 锄t r i o t a 【2 2 卜【2 5 】 只对功率分流无级变速器的速比和机械效率计算模型进行了详细地分析。迮素芳 在速比范围的设计上，仅仅考虑了使发动机工作在高效率区域上，未考虑传动系 统的效率对整车油耗的影响。本文将综合考虑发动机和回流式无级变速传动系统 的效率对整车油耗的影响，对速比范围和行星排结构参数进行优化设计。 动力切换 回流式无级变速传动系统在速比连续变化过程中，传动系统中离合器的接合、 分离时刻和离合器接合、分离转矩的控制对动力切换过程有着重要的作用。由于 回流式无级变速传动系统在动力切换控制方面的相关文献很少，因而，在回流式 无级变速传动系统动力切换中离合器的控制上，借鉴了液力机械变速器( 简称a t ) 1 2 6 卜网、电控机械式自动变速器【3 0 1 、d 6 1 ( 简称a m t ) 和双离合器自动变速器( 简称 o c t ) d t l - - 1 4 1 1 在换挡过程中对离合器的控制方法。王娟等1 2 8 j 研究了液力机械自动变 4 1 绪论 速器的换挡过程，该变速器是通过控制换挡离合器的接合或分离，来实现不同挡 位的传动速比。建立了低挡切换到高挡过渡过程的动力学模型，提出了变速器换 挡品质的控制方法，在充油阶段对换挡离合器进行缓冲控制，从而保证了换挡过 程平稳。曹桂军掣3 0 j 基于控制系统理论建立了a m t 换挡过程中离合器的接合模 型，采用反馈理论方法计算得到了合适的控制变量，并模拟了换挡中离合器的接 合过程。秦大同等【3 9 l 阐述了d c t 的换挡过程，建立了离合器动力学模型，制定了 离合器接合规律，控制执行机构按照该接合规律运行，在m a t l a b s i m u l i n k 平台上 进行了换挡仿真试验。张金乐等【4 0 1 对双离合器自动变速器升挡和降挡过程进行了 分析，提出升挡过程运用p i d 控制器控制离合器充油油压，降挡过程使用p i 控制 器控制节气门开度，通过s i m u l i n k 仿真分析得到：此种控制方法换挡过程平稳， 对提高换挡品质有一定的作用。 以上文献均对换挡过程中离合器的动力学模型和离合器如何控制能够提高换 挡品质等给予了详细分析。本文针对回流式无级变速器自身的特点，建立了回流 工况纯无级工况和纯无级工况回流工况转换的动力学模型，确定了切换过程中离 合器的扭矩变化率，保证切换过程中整车平顺性。 1 2 2 轻微度混合动力汽车发展现状 混合动力汽车按照电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是 混合度的不同，将混合动力汽车划分为微度混合动力汽车、轻度混合动力汽车、 中度混合动力汽车和重度混合动力汽车。 微度混合动力汽车的主要功能是怠速启停，即在车辆怠速时自动关闭发动机， 等到车辆运行前再自动启动发动机，因此又称为启停系统。由于减少了发动机怠 速，从而，可以改善整车的燃油经济性和排放性能。微度混合动力汽车从结构上 将可以分为增强起动机型启停系统和b s g ( b e l t d r i v e ns t a r t e rg e n e r a t o r 皮带驱动 启动电机) 型启停系统。 增强起动机型启动系统使用增强起动机代替常规起动机，主要目的是提高起 动机的寿命，降低起动噪音。由于增强起动机在外形尺寸和安装位置等与常规起 动机相同，因此该启停系统对常规车的改动量很小，如图1 4 所示。 b s g 型启停系统( 图1 5 ) 使用b s g 代替传统汽车的发电机，同时b s g 还 可以起动发动机，所以可以取消常规起动机。由于使用皮带式连接，该系统除了 启停功能外，还具备再起动功能，即发动机正在执行停机动作，但是驾驶员突然 踩加速踏板，该系统可以立即起动发动机。而增强起动机型启停系统，由于起动 机和起动齿圈之间是机械齿轮连接，需要等到发动机转速较低或完全停止运行的 情况下才能啮合，否则会有打齿的现象发生。 重庆大学博十学位论文 图1 4 增强起动机型启停系统 f i g1 4t h e s t a r t e rs t a r t s t o ps y s t e m 图1 5b s g 型启停系统 f i g1 5t h eb s gs t a r t s t o ps y s t e m 奇瑞a 5b s g 是一款在奇瑞成熟紧凑型轿车基础上加装b s g 系统的混合动力 车型，电机功率为2 k w ，仅为满足快速启停发动机的需要，该系统结构简单、重 量轻，对整车原有结构改动小、成本低，适用于经济车型。 东风风神$ 3 0b s g 混合动力汽车采用了b s g 启动发电一体电机，使车辆快速 启动，从而达到节油环保的目的，能在不降低原有动力性的情况下，实现城市工 况节油率1 1 2 ，提高整车经济性，降低排放。 奔驰s m a r tm i l d 混合动力汽车搭载了一台功率为5 2 千瓦1 0 升汽油发动机， 并配备了手自一体变速器，其利用皮带驱动大功率电机为车辆的电子系统提供电 力同时也作为发动机的起动机，由于微混合动力系统的影响，s m a r tm h d 百公里 油耗仅为4 3 升。 轻度混合动力汽车选用功率较小的电动机作为辅助动力源，发动机作为主要 动力源，与微度混合动力汽车相比，其除了具有怠速启停功能之外，还能够实现 制动能量回收、加速助力、行车充电等功能。1 9 9 9 年日本本田公司成功推出了轻 度混合动力汽车“i n s i g h t ，该混合动力汽车是当时全球最节油的汽车，如图1 6 所示。其采用了独特的单轴并联驱动混合动力系统“集成电机辅助动力系统一 6 1 绪论 ( i m a ，i n t e g r a t e dm o t o ra s s i s t ) ，将盘式一体化的起动机发电机直接安装在内燃 机曲轴输出端，取代了飞轮以及原有的起动机和发电机。 图1 6i n s i g h t 结构示意图 f i g1 6t h es t r u c t u r eo fi n s i g h t 2 0 0 0 年戴克公司推出了轻度混合型概念车d o d g ee s x 3 。e s x 3 安装了i s g 系 统可降低系统重量，优化了启动性能和回收制动能量，并通过怠速关机来降低燃 料消耗和排放，使得动力系统的匹配达到最优组合。 长安汽车有限责任公司于2 0 0 2 年承担了国家8 6 3 电动汽车重大专项课题“i s g 型混合动力长安轿车整车匹配”，在重庆大学等相关单位共同协助下，搭建了i s g 混合动力整车模拟匹配试验台，完成了i s g 混合动力长安羚羊样车的研制，并分 别对两辆样车的性能进行了测试。其采用的传动结构就是与i n s i g h t 相近的发动机 电机发电机一体化的i s g 型传动结构，如图1 7 所示。 图1 7i s g 混合动力长安轿车结构原理图 f i g1 7t h es t r u c t u r eo fc h a n g a n si s gh e v 2 0 0 6 年奇瑞汽车有限公司推出的奇瑞a 3 ，搭载了1 3 l 发动机和1 0 k w 电机， 采用扭矩叠加的方式进行动力混合，其仍以发动机为车辆的主动力源，电机辅助 重庆大学博十学位论文 发动机驱动作用，实现最优的驱动效率。奇瑞a 3i s g 既能达到常规1 6 l 汽油车 的动力性能，又能节省燃油消耗。 2 0 11 年奔驰s 4 0 0 lh y b r i d 首次采用了锂离子电池组为1 5 千瓦的电动机提 供动力，同时配备了3 5 l 汽油发动机，该混合动力传动系统最高车速可达2 5 0 k m h ， 百公里油耗7 9 l ，二氧化碳的排放量为1 8 6 9 k m 。 同年，上海通用汽车也推出了别克君越e a s s i s t 混合动力汽车，该混合动力系 统搭载了2 4 l 智能直喷汽油发动机，并装备了1 5 千瓦的电动机，具有加速助力、 发动机起停、制动能量回收等功能。厂家公布数据显示，其9 0 k m h 等速百公罩油 耗仅为5 2 l 、综合工况百公里油耗仅为7 2 l ，相比同级同排量传统动力车型，平 均油耗降低2 0 。 超轻度混合动力汽车与轻度微混合动力汽车相比，其采用较小功率的电动机， 利用超轻度混合动力汽车传动系统速比范围大的特性，具有低速时电动机单独驱 动的功能。 1 2 3 大速比变化范围传动系统混合动力汽车研究现状 大速比变化范围传动系统的混合动力汽车的特点是充分发挥了传动系统速比 变化范围宽的优点，以较低的混合功率比( 电机功率发动机功率) 来设计混合动 力汽车，在实现节省燃油和降低排放的同时，达到减少混合动力系统生产成本的 目的，以进一步提高混合动力汽车的市场化前景。 1 9 9 4 年德国慕尼黑工业大学的b r h o h n 【4 2 1 1 4 3 1 教授提出了产型无级变速传动系 统( 传动比变化范围可以达到2 5 ) 混合动力汽车，如图1 8 ( a ) 所示。i 2 型无级变速 传动系统混合动力汽车在市中心行驶可以达到零排放，同时它也适合于长途行驶 状态。混合动力系统是由发动机和电动机通过耦合器并联组成，并采用了产型无 级变速传动系统，这种大速比变化范围的变速器有利于降低整车油耗和有害物质 的排放量。 图1 8 ( a ) i 2 型无级变速混合动力系统 8 1 绪论 图1 8 ( b )i 2 型无级变速混合动力传动系统 f i g1 8t h e s t r u c t u r eo fi 2c v t h e v a ：输入轴：b ：c v t 轴；c ：c v t 轴；d ：输出轴；e ：差速器；f ：电动机 图1 8 ( b ) 显示了产型无级变速传动系统，其通过两个爪式离合器和两个片式( 或 盘式) 离合器的不同组合，达到了速比范围扩大的效果。 2 0 0 4 年美国西维吉尼亚大学m i g u e lm i 4 4 l 等人研制了功率分流式无级变速系统 混合动力汽车( 图1 9 ) ，主要应用于小型载货卡车和运动型多用途车s u v ( s p o r t u t i l i t yv e h i c l e ) 上。该混合动力汽车有纯电动工作模式、倒挡模式、发动机行车充 电、发动机单独工作、发动机和电动机联合驱动以及空挡工作模式。m i g u e l 并以 装载功率分流式无级变速传动系统的s u v 混合动力汽车为例，对金属带的张紧力、 扭矩与速比的关系进行了详细分析。 图1 9 功率分流无级变速系统混合动力s u v 汽乍结构 f i g1 9t h es t r u c t u r eo fp s c v ts u vh e v 9 重庆大学博十学位论文 2 0 0 9 年重庆大学秦大同1 4 5 j 教授提出一种基于金属带式无级变速传动 ( 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 ，c v t ) 与行星齿轮机构的新型功率分流式混合动 力汽车动力传动系统方案( 图1 1 0 ) ，分析该系统所具有的各种工作模式，并针对 长安某车型参数完成了动力系统和传动系的参数匹配设计。基于该系统的整车性 能仿真模型，进行整车动力性能及u d d s 1 0 - 1 5 循环工况下的燃油经济性仿真计 算分析。 i转，-l 2型3 p 一 酬i 工 一 5 t 4 上 岛= _ 一 8 工 三 且l 一 、 6 l _ - - - 4i - =、 一一 l 输“il ； 7 ll 9 一 图1 1 0 基于c v t 的高效无级变速混合动力传动系统 f i g1 1 0t h es t r u c t u r eo f h e v b a s e do nc v t 1 扭转减震器；2 齿圈；3 行星架；4 太阳轮；5 主动齿轮： 6 中间轮；7 从动齿轮；8 c v t 主动轮；9 c v t 从动轮 与目前国际上连续大速比变化范围混合动力传动的代表一产型无级变速混合 动力传动系统相比，回流式无级变速混合动力传动系统具有更高的传动效率、更 低的制造成本等优点。并根据我国道路条件和驾驶习惯，对连续大速比变化范围 混合动力传动系统工况模式、匹配控制理论和优化设计方法的研究，建立一种新 的、更适合我国国情的混合动力传动系统的设计思想，为研制开发一种高效、节 能、环保、低成本以及具有更好市场前景的新型混合动力传动系统奠定理论基础。 1 2 4 混合动力汽车能量管理策略研究现状 混合动力汽车能量管理策略的核心问题是如何合理分配发动机和电动机之间 的动力，既要满足驾驶员对整车驱动轮的需求，同时又要优化发动机、电动机、 蓄电池以及系统能量效率。混合动力系统的能量管理策略大致可以分为基于规则 的逻辑门限策略、瞬时优化能量管理策略、全局最优能量管理规则策略、智能控 l o 1 绪论 制策略。 基于规则的逻辑门限策略 基于规则逻辑门限策略主要依据工程经验，根据发动机、电动机稳态效率m a p 图，按照预先设定的控制规则，来确定发动机和电动机的转矩分配，使得发动机、 电动机运行在高效区域，提高汽车的燃油经济性。 n j a l i t 蚓提出了基于规则的串联型混合动力汽车能量管理策略。该控制策略用 于发动机和电池之间功率分配，使得动力源能够工作在高效区。规则的制定主要 参照以下几个变量：功率需求，驾驶员加速命令和s o c 状态。张欣等【47 j 采用电力 辅助控制策略对并联式混合动力电动汽车进行了工作模式划分和转矩分配，利用 仿真软件实施了控制策略的仿真研究。尹安东等【4 8 】根据混合系统理论对串联式混 合动力城市客车进行了描述，采用规则型控制策略，运用a d v i s o r 软件对整车进行 了仿真研究和试验验证。赵子亮等【4 9 】提出了同时限定发动机和蓄电池的工作范围 的逻辑门限值法，以确保发动机工作在高效区。通过a d v i s o r 软件仿真，最后得到 该控制策略可以满足项目开发需求。 该控制策略简单，容易实现，且具有良好的鲁棒性，但从理论上讲静态的控 制策略不是最优的，其未考虑工况的动态变化。 瞬时优化能量管理策略 瞬时优化控制策略是在某一瞬时工况，将电机消耗的电能折算成发动机提供 相等能量所消耗的燃油，再加上制动回收的能量与发动机实际的燃油消耗组成的 整车燃油消耗量，计算此燃油消耗量最小。 so n o r i 5 0 j 在等效燃油消耗最小控制策略基础上，提出了- 种可以解决混合动 力汽车能量管理策略问题的新方法。在分析了等效燃油消耗最小控制策略主要内 容之后，将等效因子适应法则运用在等效燃油消耗最小控制策略中，以s o c 作为 反馈，从而确保所提出的控制策略的最优性。最后，得到适应等效燃油消耗最小 控制策略与动态规划全局优化方法仿真结果很接近。vh j o h n s o n 引j 提出了并联混 合动力汽车实时优化控制策略，对整车燃油经济性和排放性进行优化。为了使发 动机和电动机达到理想的工作点，控制策略考虑了所有的可能的发动机电机转矩 组合。对于某一个给定的工作点，控制策略预测到可能燃油消耗量和排放量。与 静态基线控制策略仿真结果相比，运用实时优化控制策略可以降低n o x 的排放量 2 3 ，p m 为1 3 。l i p p o l i t o t 记j 采用了模糊聚类准则与遗传算法相结合方法，对 减低计算机计算速度和各种循环工况控制系统效率的提高上具有很好的效果。为 了证实所提出方法的有效性，进行了仿真测试并与其它能量管理策略结果做了比 较。g p a g a n e l l i 5 3 1 提出了以燃油消耗量最小为目标，可以实现电动机和发动机之 间功率流分配的一种算法。首先，呈现了l a m i h 制造的原型车，然后描述了等效 重庆人学博士学位论文 燃油消耗量最小控制策略，结果显示燃油消耗量降低了1 7 5 。 瞬时优化控制策略保证在每一个步长内是最优的，但无法确保在整个行驶工 况内时最优的，而且计算量较大，在实际车辆的实时控制中难以实现。 全局最优能量管理策略 全局最优能量管理策略是在既定驾驶循环下根据最优控制理论动态分配发动 机和电动机的动力输出从而使燃油经济性达到最优。 ko h 矧提出了一种并联混合动力汽车的优化控制策略，衡量电动机使用程度 的比例系数作为控制变量，比例系数决定着整车需求功率如何在电动机与发动机 两者之间分配。通过状态空间方程表示混合动力系统动力学模型。为了找到最优 的控制策略，制定了优化模型，在满足各种约束的条件下，寻求使燃油消耗量最 小的优化控制变量。通过运用基于s i m u l i n k 的混合动力汽车性能模拟器和二次规 划算法来解决优化问题。jp u t 5 5 j 建立了给定循环工况下并联混合动力汽车燃油经济 性优化控制的数学模型，采用d p 算法解决优化控制问题。研究表明：在允许的时 间内，整车的最大性能和最优优化控制策略由d p 算法所决定，仿真结果也可以用 于评价和提高实时控制策略。lv p e r e z 5 6 】在循环工况已知条件下，以整车燃油消 耗量最小为目标，对电动机和发动机功率进行了分配，并运用动态规划算法进行 解析。c d e x t r e i t 5 7 】提出了基于博弈论的混合动力汽车能量管理策略，该控制策略 将驾驶员与传动系统两者看作竞争者。文中阐述了博弈论用于混合动力汽车能量 管理的发展史，并且从燃油消耗量和计算速度等方面对基于规则、动态规划方法 作了比较。欧阳易时等【5 8 j 建立了功率损失最小优化函数，运用动态规划方法，解 析得到并联混合动力汽车内燃机和电动机功率分配最优解。采用该控制策略与燃 油消耗型为指标控制方法相比，其燃油经济性提高2 8 以