（农业机械化工程专业论文）混合动力电动汽车整车匹配与电机控制系统研究.pdf

摘要 随着石油资源的日益减少和人们环保意识的提高，电动汽车的发展越来越受到人 们的重视，我国也将其列入了重点发展之列。在电池技术未能取得根本突破的情况下， 续驶里程的不足已成为制约电动汽车发展的主要瓶颈。目前，混合动力电动汽车已成 为电动汽车行业发展的主流。计算机仿真技术在电动汽车上的运用具有很大的现实意 义，它不但能减少研究开发的成本，而且能够大幅度地缩短开发周期；同时电机驱动 系统是电动汽车关键技术之一，因此对它的研究也具有重要的意义。 本文首先研究了国内、国外电动汽车的发展现状，然后对混合动力电动汽车的相关 理论进行了分析与研究；在此基础上根据奥运场馆用车的特殊要求，对奥运场馆混合 动力电动汽车的匹配进行了研究，对关键部件进行了选型。 其次，在分析奥运场馆用车的特殊要求以及串联式混合动力电动汽车系统各零部 件原理的基础上，研究制定了控制策略，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了某型适合于奥运 场馆混合动力电动汽车的系统仿真模型；并对模型进行了仿真，结果表明，模型中所 制定的控制策略切实可行，所确定的参数合理，按照该模型设计的电动汽车能够满足 奥运场馆用车的要求。 再次，在分析了解直流无刷电机驱动系统的基础上，提出了一种以单片机为控制 核心的电驱动控制器结构，选择集成有a d 、p 咖输出等适合电机控制功能的8 0 c 1 9 6 k c 单片机作为微控制器，通过由m o s f e t 和栅极驱动集成电路构成的三相逆变桥实现了对 无刷电动机控制；控制系统软件设计中采用软件滤波技术，同时采用增量式p i d 控制 算法对速度进行了闭环控制。 实车实验表明，电机驱动系统的软硬件工作稳定、可靠，能够满足设计要求，为 进一步研究混合动力电动汽车电机驱动系统打下了基础。 关键词：混合动力；电动汽车；仿真；无刷直流电机；控翻； a b s t r a c t a st h er e d u c t i o no f r e s o u r c eo f o i la n dt h ee n h a n c eo f p e o p l e se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t , a n do u rc o u n u y w i l la l s o j o i ni nt h i sq u e u e u n d e rt h ec i r c u m s t a n c et h a tt h eb a t t e r yt e c h n o l o g yh a sn o tg o tt o b i gp r o g r e s s ，t h ew e a k n e s so fs h o r tm i l e a g eh a sb e c o m et h ek e yb o t t l e n e c kt h a tr e s t r i c t st h e d e v e l o p m e n to f e l e c t r i cv e h i c l e a t p r e s e n t , t h eh y b r i de l e c t r i c a l v e h i c l ep l a yt h e m a i n s t r e a mi nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y n 硷a p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r s i m u l a t i o ni ne l e c t r i c a lv e h i c l eh a sag r e a tm e a n i n g , w h i c hn o to n l yr e d u c et h ec o s to f r e s e a r c he x p l o d eb u ta l s os h o r t e nt h ee x p l o i t u r ep e r i o dg r e a t l y , a n da tt h em e a n t i m et h e s y s t e mo f t h ed r i v i n gs y s t e mo f m o t o ri so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g yo f t h ee l e c t r i cv e h i c l e , s o t h er e s e a r c ho nw h i c hm 础r l sal o t 。 f i r s t , t h ep a p e rs t u d i e dt h es t a t u so ft h ee l e c t r i cv e h i c l eh o m ea n da b r o a d ，a n dt h e n a n a l y s e dt h et h e o r i e so nt h eh y b r i de l e c t r i c a l c l e a n du n d e rt h i sp r e c o n d i t i o n , t h e p a p e rd i ds o m er e s e a r c ho nt h em a t c h i n go ft h ee l e c t r i cv e h i c l ea n dd i ds o m ec h o o s eo n s o m ek e y p a r t s ，b a s e do nt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o r t h ev e h i c l eo no l y m p i cv i l l a g e s e c o n d l o nt h eb a s et h a th a sa n a l y z e dt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rt h ev e h i c l ei nt h e o l y m p i cv i l l a g ea n dt h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e mp a r t so fh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l ei ns e r i e s ， t h i sp a p e rs e t sd o w nt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s ，a n ds e t su ps o m et h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lo n t h eh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l ei nu s i n gb yo l y m p i cv i l l a g e ，b yu s i n gm a t l a b s i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ef e a s i b l e t h ep a r a m e t e r so u t e p r o p e r , a n dt h ee l e c t r i c a lv e h i c l ec a nm e e t t h er e q u i r e m e n t sf o ro l y m p i cv i l l a g e a g a i n , o nt h eb a s i st h a th a sa n a l y z e dt h eb r u s h l e s sd cm o t o rd r i v es y s t e m ，t h i sp a p e r p r e s e n t e das i n g l e c h i pf o rt h ec o n t r o lo f t h ec o r ee l e c t r i cd r i v ec o n t r o l l e r , a n dc h o s ei n t e g r a t i o n w i t ha da n dp w m o u t p ms u i t a b l em o t o rc o n t r o la saf u n c t i o no f8 0 c 19 6 k cs c m m i c r u e o n t r o l l e r s a n dt h e t h eb r u s h i e s sm o t o rc o n t r o lw a sr e a l i z e db yt h et h r e e - p h a s ei n v e r t e r b r i d g ei n t e g r a t e dd r i v e ri co f t h eg r i da n dm o s f e t l t l 】es o f t w a r ed e s i g no f t h ec e n t r o l s y s t e ma d o p t ss o f t w a r ef i l t e r i n gt e c h n o l o g y ，w h i l eu s i n gi n c r e m e n t a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mf o r t h ec l o s e d l o o ps p e e dc o n t r 0 1 t h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eh a r d w a r eo f t h em o t o rd r i v es y s t e ma n ds o f t w a r e w o r ks t a b l y , r e l i a b l ya n di tc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u l r e m e n t s 。t of 1 1 r t l l e rs t u d y , t h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l em o t o rd r i v es y s t e ml a i dt h ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i d ；e l e c t r i cv e h i c l e s ；s i m u l a t i o n ；b r u s hl e s sd cm o t o r ；c o n t r o l 插图清单 图卜l “三纵三横”研究开发布局及其组织管理模型7 图2 - 1 串联型混合动力驱动系统9 图z 一2 并联型混合动力驱动系统l o 图2 3 混联系统布置形式l o 图2 - 4 复合系统布置形式1 1 图2 5 混合动力传动结构1 2 图2 - 6 混合传动系统简化模型1 3 图2 7 辅助能量源容量最小值。和初值取值方法示意图1 7 图2 8 串联式混合动力电动汽车的四种能量流动模式1 8 图2 - 9 并联式混合动力电动汽车的四种能量流动模式1 8 图2 1 0 发动机主动型混联式混合动力电动汽车的能量流动模式1 9 图2 一1 1 电动机主动型混联式混合动力电动汽车的能量流动模式1 9 图2 一1 2 双轴复合式混合动力电动汽车的能量流动模式2 0 图2 1 3a d v i s o r 仿真结构流程图2 2 图2 - 1 4e v s i m 仿真流程图2 4 图2 - 1 5 传统的电控单元的开发流程2 4 图2 - 1 6v 模式2 5 图3 1 奥运场馆用串联式混合动力电动汽车的主要结构2 8 图3 2a c 9 0 - c 型三相交流异步电机3 3 图3 - 33 0 0 a 充电试验曲线3 5 图3 - 43 0 0 a 放电试验曲线3 6 图4 一l 前向仿真示意图3 9 图4 - 2 后向仿真示意图4 0 图4 3 奥运场馆用电动汽车动力系统示意图4 0 图4 - 4o p - s h e v 四种驱动模4 2 图4 5 驱动电机模型4 4 图4 6 发动机模型4 5 图4 7 电化学电池的等效电路图4 6 v 图4 - 8 电池状态划分4 7 图4 - 9 电池充电试验曲线4 7 图4 1 0 电池及其管理系统模型4 8 图4 一1 1 发电机模型4 9 图4 1 2 汽车受力分析示意图4 9 图4 一1 3 车身仿真模型5 0 图4 1 4o p - s h e v 整车仿真模型5 1 图4 - 1 5 驱动循环规定的车速5 2 图4 1 6 汽车要求转矩5 2 图4 - 1 7 电机提供转矩5 2 图4 1 8 纯电动行驶电池组s o c 变化瞌线5 2 图4 1 9 混合动行驶电池组s o c 变化曲线5 3 图4 2 0 纯电动行驶续驶里程5 3 图4 2 1 混合动力行驶续驶里程5 3 图4 2 2 发动机转速5 3 图5 - 1 无刷直流电机的结构5 5 图5 2 无刷直流电机控制系统原理图5 7 图5 - 3 无刷直流电机工作原理示意5 8 图5 4 电机相电压波形5 8 图5 - 5 单片机控制电路硬件系统方框图6 1 图5 - 6 单片机控制电路硬件系统实物6 2 图5 - 7 s t p 7 5 n f 7 5 的电气示意图和t 0 - 2 2 0 封装结构图6 3 图5 8 三相逆变桥任意一桥臂及其m 0 s 栅极驱动电路图6 4 图5 9 功率逆变电路和功率驱动电路实物图6 5 图5 1 0 蓄电池电压采集电路6 5 图5 - 1 1 电机主回路电流采集电路6 5 图5 - 1 2 串口电路图6 6 图5 1 3 转速给定电路b a oo wow l 6 6 图5 1 4 a d 调理电路6 7 图5 - 1 5 霍尔位置检测电路6 7 图5 - 1 6 电机调速p i d 算法原理图6 9 v i 图5 1 7p i d 调速算法程序流程图7 1 图5 一1 8 主程序流程图7 2 图5 - 1 9 油门开度2 0 下电机转速曲7 3 图5 2 0 油门开度2 0 下电机a 相电流曲线7 3 图5 2 1 油门开度4 0 下电机转速曲线7 3 图5 2 2 油门开度4 0 下电机a 相电流曲线7 3 图5 2 3 油门开度8 0 下汽车速度曲线7 4 图5 - 2 4 电机嘲电流曲线“：7 4 附表清单 表2 1 利用能量平衡法获得的功率方程列表1 4 表3 一l 各结构形式混和动力电动汽车的比较2 7 表3 - 2 整车性能参数2 8 表3 - 3 驱动电机参数3 2 表3 - 4 电动汽车用蓄电池的比较3 3 表3 - 5 电池组参数3 6 表3 - 6 发动机参数3 7 表3 7 发电机参3 8 表4 1s h e v 系统仿真参数4 2 表4 - 2 电池状态划分4 7 表5 - 1 - - 二导通方式5 9 表5 2 三三导通方式5 9 表5 - 3 轮毂电机主要参数6 0 表5 - 4 模拟量输入输出6 0 表5 5 开关量输入输出6 0 表5 6s t p 7 5 n f 7 5 的主要参数6 2 表5 7i r 2 1 0 1 的工作条件要求6 3 表5 8h s i 命令寄存器6 8 v i i 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本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，也不包含为获得安徽农业 大学或其他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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：壳季 签字日期：矿7 年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允 许论文被查阅和借阅。本人授权安徽农业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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 学位论文作者签名：n 签字日期：_ 1 年1 ) 月w 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通信地址： 指导教师签名；之兰丛 签字日期：弘功年月p 日 电话： 邮编： 1 绪论 1 1 课题的来源及选题的背景与意义 本课题研究得到了北京市教委“电动汽车技术研究与开发”( 课题编号：p 0 5 0 5 0 1 - 0 2 ) 及“北京市人才强教计划项目”( 课题编号：0 5 0 0 5 0 1 5 2 0 0 7 0 1 ) 科研基金项目的 资助。 自1 8 8 0 年卡尔本茨发明汽车以来，汽车工业发展至今已有一百多年的历史。汽车 在诞生之初只是作为富裕阶层消遣、娱乐的工具，从1 9 0 5 年全世界汽车的年产量总共 只有6 2 万辆，到2 0 世纪9 0 年代中期，全世界每年汽车保有量超过了6 亿辆，汽车 己成为人们所依赖的最为重要的交通工具。我国的汽车工业起步虽然较晚，但在最近 的十年里汽车工业却处于快速发展的阶段，汽车的产量和保有量大幅攀升，汽车也成 为我国国民生产的重要工具但汽车的负面影响也随之而来，地球上的石油资源日益 减少，大量的汽车尾气排放造成的温室气体、酸雨效应等，使得我们人的地球环境日 益恶化。因此，在世界各国，特别在我国进行电动汽车的研究势在必行，有着深远的 历史和现实意义。 i i 1 畿源危机 汽车工业的发展的同时，带动了石油化工、钢铁冶金、有色金属材料、橡胶工业、 电子工业、纺织工业、机器制造等工业的发展。目前，汽车工业已经成为世界上很多 国家的支柱产业之一。但汽车工业在带动世界经济发展的同时也消耗了地球上有限的 石油资源，给人类社会带来了能源危机。 根据1 9 7 6 年伦敦国际会议估计，当时已探明的剩余可开采的石油储量不足1 0 0 0 亿吨。1 9 9 1 年探明的储量为1 3 5 0 亿吨，1 9 9 4 年全球己探明的石油总储量为1 4 2 8 亿吨。 虽然不断有新的石油资源被发现，但是毕竟地球的石油资源是有限的。而1 9 8 0 年以来 全世界每年石油产量在3 0 亿吨左右，在未来的5 0 年内世界石油资源将消耗殆尽。这 就意味着以廉价石油作为能源的汽车总有一天会被淘汰。 我国对石油的地质勘探程度较低，1 9 9 2 年已探明的石油资源的工业储量为4 3 亿 吨，以1 9 9 1 年年开采量1 4 亿吨计算，只能开采3 0 年，即便在未来的几十年里再勘 探出规模更大的油田，但石油，这种不可再生的化石性能源，终究会有一天被消耗殆 尽。实际上，1 9 9 4 年我国已经成为石油进口国，当年进口石油2 0 0 0 万吨左右。2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 万吨，到2 0 0 5 年已超过1 亿吨，相当于科威特一年的总产量。 这使得我国更需要找到有效的能源解决方案，调整我国的汽车产业结构已势在必行 i i 2 环境危机 目前，世界汽车工业可持续发展面临的重大难题大气环境污染表现尤为 突出。环境问题的表现形式为空气污染，据环境部门统计，目前，大气污染的4 2 来源 于汽车尾气排放，随着人们生活水平的提高，汽车保有量的迅速增加，这一比例也会 相应提高，预计2 0 1 0 年汽车尾气排放将占空气污染源的6 4 “1 。汽车排放物主要包括 c o 、c o , 、c h 、n o ；和s 0 。等。据统计，美国大气中由汽车排放的c o , h c ，n o x ，s o 。分别 占相应污染物总量6 6 ，4 8 ，4 3 和2 ，上述排放总量中由汽车排放的比例分别达到 9 0 ，5 5 ，7 8 ，1 0 。据我国环境监测数据表明，汽车尾气排放是我国城市大气污染 的主要来源之一。北京市机动车尾气排放对大气污染物中co 、hc 、n o x 的分担率分 别为6 3 4 ，7 3 5 和4 6 ，非采暖期这一分担率更高，分别为8 0 3 ，7 9 1 和5 4 8 。 上海市更为严重，分别为8 6 、9 6 和5 0 ；广州、天津、重庆等许多大中型城市也有 类似情况。目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国。 环境严重恶化将引起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，严重破坏人类赖以生存的自然环境嘲。另外，全球范围内，温室气体c o 的 排放量也引起人们的极大关注，国际环保组织技术报告显示，在过去的几百年内，地 球表面平均气温上升了o 3 o 6 0 c 若对c o 气体排放不加以限制的话，在2 l 世纪，地 球表面平均气温将再上升2 0 c ，海平面将再上升5 0 c m ，这将严重威胁到人类有限的陆 地生存空间”。 为了改善生存环境，遏制大气环境状况的进一步恶化，世界各国都先后制定了法 律、法规来限制汽车尾气排放。针对我国实际情况，我国政府已制定了汽车排放的控 制目标：2 0 0 0 年达到欧洲9 0 代初期水平，到2 0 0 4 年达到欧洲9 0 年代中、后期水平， 2 0 1 0 年实现与国际水平同步啪。这对我国汽车工业将是一个巨大的技术挑战，发展零 污染和超低污染的电动汽车是实现这一目标的最有效的途径。 1 1 32 0 0 8 年北京奥运会场馆用车的现实需要 近年来，奥林匹克运动已经把环境看作奥林匹克精神的第三大支柱，自从一九七 二年德国慕尼黑奥运会上首次出现电动汽车以来，其后每届奥运会均不同程度地使用 电动汽车，例如，悉尼奥运会投入了由4 0 0 辆纯电动汽车组成的绿色车队，美国亚特 兰大奥运会投入了由三条电车线路共7 5 辆电车、2 5 0 多辆电动高尔夫球车以及1 5 辆电 动大巴组成的绿色车队，韩国现代集团为雅典奥运会提供了多辆纯电动汽车用于马拉 松火炬接力活动和马拉松比赛的先导车。电动汽车良好的环保特性已成为奥运会主办 城市宣传绿色奥运主题的主要手段 北京即将迎来2 0 0 8 年第2 9 届奥林匹克运动会，它将是一次普及奥林匹克精神， 弘扬中华民族优秀文化，加深各国人民之间的了解与信任的盛会。“绿色奥运，科技奥 运，人文奥运”是北京2 0 0 8 年奥运会的三大理念北京市政府庄严承诺，2008 年 北京举行奥运会时，在市区运营的90 的公交车和70 的出租车将使用清洁燃料， 为全球奥运选手和北京市民提供舒适、快捷、清洁的交通服务。据悉，2 0 0 8 年北京奥 2 运会开列的采购清单上，有1 8 0 0 0 辆清洁汽车，其中包括10 00 辆“零排放”的纯 电动汽车，总金额高达2 0 亿元，市场前景广阔。两年之后的上海世博会，更是大量需 要混合动力电动汽车。这使得我国对电动汽车的研究与开发刻不容缓。 1 1 4 混合动力汽车的比较优势 电动汽车分为纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池汽车，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 ，h e v ) 是指，在同一辆汽车中同时采用电动机和发动 机作为动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合工作，实现最佳 能量分配，达到低能耗、低污染及高度自动化的新型汽车哪。 对于燃料电池汽车来说，虽然前景一致看好，但目前主要存在5 个问题： 1 ) 氢能获取不容易从理论上将，地球上的氢能是取之不尽、用之不竭的但无论 是从石化燃料中制取，还是生物制氢和水制氢，技术上都有待突破，另外制氢成本目 前仍然很高。 2 ) 续驶里程短。目前最好的燃料电池车一次加氢后只能行驶4 0 0 公里，续驶里程 远不如普通汽车。 3 ) 燃料电池汽车的价格也是限制其发展的“瓶颈”目前燃料电池发动机的价格是 普通汽油发动机的l o 倍，生产一辆车的成本将近2 0 万美元，因而其售价要降到现在 燃油小轿车的水平则需要二三十年的时间。不少国家政府不得不用财政补贴的方法鼓 励购买这种汽车。 4 ) 基础设施建设庞大。要建设数量庞大的燃料电池汽车“加油站”，耗资必将十分 巨大。 5 ) 安全性要求高。氢气易与氧气混合发生爆炸，因此氢气的安全运输与储藏也是 个问题m 。 因此，目前使用燃料电池汽车的条件还不成熟。 虽然纯电动汽车能满足零排放的要求，但仍存在很多不足，相比于燃料电池汽车和 纯电动汽车，混合动力电动汽车较纯电动汽车具有以下优点： 1 ) 电池的数量减少，因此混合动力电动汽车自身质量可减轻。 2 ) 辅助动力单元( a p u ) 的选用使汽车的续驶里程与动力性能可以达到内燃机汽 车的水平。 3 ) 虽然原动机会有排放产生，但是由于原动机主要工作在最佳工况点附近，因而 大大减少了汽车上内燃机变工况( 特别是低速、怠速) 时的排放，由于可回收制动能 量，使得混合动力电动汽车成为较低排放的节能汽车。 4 ) 借助原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，无需再消耗电池组内有限的电能。 5 ) 在某些对汽车排放严格限制的地区( 如商业区、旅游区、居民小区等) ，混合 动力电动汽车可以关闭a p u ，由纯电力方式驱动，成为零排放的电动汽车 因此，国内外汽车制造业者普遍认为混合动力电动汽车是目前最具有开发和推广 前景的新型交通工具之一。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置( 蓄 电池) 组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制。可充分发挥内燃机汽车和电动 汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车，所 以开展混合动力电动汽车的研究具有非常重要的现实意义。 1 2 电动汽车发展的历史、现状 1 2 1 电动汽车发展简史 早在一百多年前，由于当时电池和电机的发展较内燃机成熟，而且石油的运用还 没有普及，使电动汽车在早期的汽车领域中占有举足轻重的位置。第一辆电动汽车( 3 轮) 由法国人古斯塔夫土维( g u s t a v et r o u v e ) 在1 8 8 1 年制造出来，此后三四十年 问，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置。侧如，世界上首辆车速超过t 0 0 公里小时的汽车就是电动汽车。那是在1 8 9 9 年，由比利时工程师卡米乐热纳茨 ( c a m i l l ej e n a t z y ) 设计的名为“从不满意”( k aj a m a i s c o n t e n t e ) 的铝制车身汽 车，现在保存在法国贡批尼( c o m p i e g n e ) 博物馆中。据统计，到1 8 9 0 年在全世界4 2 0 0 辆汽车中，有3 8 为电动汽车，4 0 为蒸汽车，2 2 为内燃机汽车。到了1 9 1 1 年，就 已经有电动出租汽车在巴黎和伦敦的街头上运营，到了1 9 1 2 年在美国更有至少3 。4 万 辆电动汽车运行。但由于石油的大量开采和内燃机的种种优越性，电动汽车渐渐被人 们忽视。直到上世纪7 0 年代石油危机的爆发，给世界各国政界一次不小的打击，开始 考虑替代石油的其他能源，包括风能、太阳能、电能等可再生能源。因此从政治经济 方面考虑，才又给了电动汽车第二次机遇，又一次被人瞩目。 第三次机遇开始于若干年前，世界上除了已存在的能源问题之外，环境保护问题 也逐渐成为了各个方面所关心重大课题，内燃机汽车的排放污染，给全球的环境以灾 难性的影响，因此开发生产零污染交通工具成为各国所追求的目标，电动汽车的无( 低) 污染优点，使其成为当代汽车发展的主要方向”。 1 2 2 国外电动汽车的研究概况 由于7 0 年代燃油短缺问题和8 0 年代大气污染问题的冲击，对电动汽车的研究与 开发近年又重新受到了人们的关注。为了保护环境，世界各国都分别制定了严格的法 律、法规来限制汽车尾气排放环境保护法是开发电动汽车最直接的原因。只有电动 汽车才能满足不断严格化的超低排放或零排放的要求，所以从二十世纪晚期开始，世 界各国都纷纷将对汽车研究的重点转向电动汽车上，并研制出很多类型及品种的电动 汽车，下面分别予以介绍： 美国：美国是世界上最早关注并研制电动汽车的国家之一。长期以来美国政府制 定了一系列的法律法规、研究项目来促进电动汽车的发展。例如：1 9 7 6 年7 月，美国 4 国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令，以立法的形式、政府资 助和财政补贴等手段加速发展电动汽车：1 9 9 0 年，加里福尼亚州在对防止大气污染而 制定的限制法规中规定：到1 9 9 8 年，“零污染”汽车的销售比例要占新车销售额的2 ： 到2 0 0 0 年，“零污染”汽车销售的比例要占新车销售额的5 ：到2 0 0 3 年，“零污染” 汽车销售的比例要占新车销售额的1 0 。这一法规的出台，引起了世界汽车工业和环保 界的震动，从此美国各州先后都制定了自己的法律法规来促进电动汽车的发展。另外， 国政府制定了p n g v 计划( 新一代汽车伙伴计划) ，来促进新型的纯电动汽车和混合电 动汽车的发展，并减少汽车的排放、提高汽车的各项性能、以及减少汽车的运行成本。 同时美国能源部制定了“f r e e d o mc a r ”计划，这个计划的目的是在提高轿车和卡车的 效率、降低运输成本的同时，消除大气污染、以及降低对海外原油的依赖程度。因此， 在开发燃料电池的同时，美国将大力扶持从国内的可再生能源中提取氢的研究。此外， 美国还投巨资建立了很多发展电动汽车的的项目，2 0 0 2 年投资1 5 0 0 万美元进行电动汽 车电池利用研究，以提高电池的各项性能。美国能源部投资2 亿美元建立汽车代用燃 料示范项目。投资1 5 亿美元建立公共汽车氢燃料示范项目。此外还建立了“绿色校 车示范项目”，”a v p 计划”等项目大大推动了美国电动汽车的发展。在美国社会各界 的努力推动下，美国的电动汽车的研究取得了令人瞩目的成绩：1 9 9 7 年通用公司就开 发出了第一辆氢能源汽车、1 9 9 8 年福特公司推出了p 2 0 0 0 f c v 燃料电池概念车，之后又 推出了f o c u s 燃料电池汽车、2 0 0 0 年通用汽车公司开发出世界上第一辆氢燃料电池汽 车“氢动l 号”、在2 0 0 6 年通用公司将开发出c h e v y e q u i n o x 商务车等等。 日本：日本为了推动电动汽车的发展也制定了很多的法律、法规、开发电动汽车 的项目，例如：日本经济产业省规定，对于购买电动汽车，给予纯电动汽车e v 、混合 动力汽车h e v 与汽油车差价5 0 以内的补贴；并从1 9 9 6 年起，对于特定地区批量购买 低公害车的地方公共团体。提供与通常车辆差价i 2 的补贴。由环境省负责具体实施。 政府支持燃料电池实用化研究开发、燃料电池汽车研发以及燃料电池测试装置的研发。 例如，2 0 0 3 年日本质子膜燃料电池和氢能利用项目的政府资助预算为3 0 7 亿日元，比 2 0 0 2 年预算增加4 0 。其中2 2 5 亿日元用于质子膜燃料电池项目。在日本各界的努力 下，日本电动汽车的研究也取得了可喜的成绩：丰田汽车公司在1 9 9 6 年成功地研制出 燃料电池汽车，在1 9 9 7 年研制出混合动力汽车“p r i u s ”并进行了批量生产，这是世 界上第一种大批量生产的混合动力汽车，从1 9 9 7 年上市至今已经销售了1 0 万辆，占 混合动力车总销量的9 0 9 6 ，代表了这一领域的最高水平。1 9 9 9 年本田汽车公司开发出 混合动力汽车i n s i g h t ，此汽车以发动机为主驱动源，以电动机为辅助动力，是燃油效 率最高的混合动力汽车，燃油经济性为2 6 3 0 k m l ，而且它能够满足加州超低排放标 准。2 0 0 2 年本田汽车公司开发出名为c i v i c 的混合动力汽车、2 0 0 5 年丰田本田公司分 别推出雷克萨斯r x 、a c c o r d h y b r i d 雅阁混合动力汽车混合动汽车嘲。目前日本的电动 汽车发展势头强劲，其重点为混合动力汽车。 欧洲：欧洲是最为重视环境的地区，很早就制定了严格的环境保护法规，禁止汽 车的过渡排放，所以欧洲一直以来都很重视电动汽车的研究和推广，经过政府和汽车 公司的共同努力欧洲电动汽车的研究取得了很多的成就，在上个世纪七十年代，德国 戴姆勒一奔驰汽车公司生产了一批l e 3 0 6 电动汽车，该汽车采用铅酸电池作为能量源。 德国宝马公司于1 9 7 8 年就开始了氢能源汽车，其后在短短的十几年间宝马公司一共开 发出了4 代氢能源汽车、法国的标致一雪铁龙与雷诺汽车公司一直在积极研制电动汽 车，1 9 9 0 年j 一5 和c - 2 5 电动货车投入生产，1 9 9 5 年标致1 0 6 和雪铁龙a ) ( 电动车投入生产。 另外，雪铁龙公司还一直致力于纯电动汽车的开发研究，到1 9 9 8 年为止一共生产了5 5 0 0 多辆电动汽车。奔驰公司1 9 9 7 年9 月，在法兰克福汽车展览会上推出一款燃料电池电动 汽车，该车在奔驰a 级轿车基础上改装而成，装有燃料转换装置，可使用甲醇为燃料。 另外法国雷诺公司和意大利依维克公司不久将要推出i 【a n g 0 0 和i v e c 0 混和动力汽车。其 他国家和地区如瑞士、瑞典、丹麦、奥地利、捷克、匈牙利、俄罗斯、澳大利亚、墨 西哥等都已开展和研制电动汽车”。 1 2 3 我国电动汽车的研究概况 我国电动汽车、混合动力电动汽车的研究与国外相比起步较晚，在核心技术上仍 存在一定的差距。但是政府和相关部门对此项研究却很重视，在“八五”、。九五”、“十 五”期间都将电动汽车的研究与开发工作被列为了国家科技发展的重点之。 “八五”期间发展状况：电动汽车作为“明日汽车之星”在我国早已引起了关注。 1 9 8 9 年初试制成功以日产“阳光”牌小轿车为基础的四座电动车，车速只有3 0 k m h 。 1 9 9 1 年试制成功了“叶丰”牌五座混合驱动型电动轿车，该车使用1 1 9 k w 汽油机和铅 酸电池驱动1 2 k w 直流电动机，最高车速8 2 k w h ，一次充电续驶里程为2 0 2 k m 。1 9 9 3 年7 月，首次使用镍镉、镍氢电池的电动车，最高车速达1 0 0 k m h ，一次充电续驶里程 为2 0 0 k m ，汽车性能有了较大进步。1 9 9 5 年上海国际汽车工业展览会上，首次集中展 出了我国研制的最新水平电动汽车。 “九五”计划期间发展状况：1 9 9 6 年在北京国际电动汽车展览会上，展出了我国研 制的y w 6 2 0 0 d d 大型电动客车。采用三相感应电动机，电动机额定功率为1 5 0 k w ，最 大功率为1 7 2 k w ，最高转速可达到1 3 0 0 0 r m p ，最高车速为9 0 k m h ， ( 0 4 0 k m h ) 加 速时间为2 0 s ，续驶里程达到1 5 0 k m 。1 9 9 9 年国际电动汽车研讨会( e v s ) 年会在北京召 开，同年科技部、国家环保总局、国家计委、国家经贸委、国家机械工业局、公安部 和交通部等1 3 个部门联合发起“空气净化工程清洁汽车行动”计划。2 0 0 1 年4 月北 京还成功举办了第三届北京国际电动汽车暨清洁燃料汽车和汽车环保研讨会。2 0 0 2 年 7 月，北京公交线上两辆混合动力电动汽车开始运营。此外，北京还是世界上拥有天然 气汽车最多的城市，我国其它城市也高度重视电动汽车的发展，如武汉被科技部批准 6 为我国电动汽车研发试验基地嘲。 “十五”计划对发展电动汽车的规划：从技术角度而言，“十五”国家8 6 3 计划中 单列电动汽车重大专项，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、电动转向控制及其控制系统、电动汽车电驱制动器及控制系统的 研制上。 电动汽车重大专项提出“三纵三横”研究开发布局如图1 1 所示强调建立符合 图卜 。三纵三横”研究开发布局爱其组织管理模型 f i g 1 一lo v e r a iia r r a n g e m e n ta n dl o d e io f 胜d 整车开发规律的严密的整车开发程序。提出以整车开发为主导，关键零部件和相关材 料紧密结合、基础设施协调发展，政策法规、技术标准与评估技术同步展开的基本方 针，作为国内汽车科技项目的一个探索，以保证电动汽车重大专项产品化和产业化目 标的实现1 w 。 2 0 0 1 年1 0 月，国家投入8 8 亿元的电动汽车重大专项基金正式启动，内容分5 部分：燃料电池汽车技术、混合动力电动汽车技术、纯电动汽车技术、电动汽车共性 技术研冠以及推动电动汽车发展的运行机制、相关政策、技术标准与法规的研究【1 0 1 。 1 3 本文研究混合动力系统匹配的方法 在电动汽车的前期分析研究和设计开发阶段，往往要求研究及设计人员能够依据 不同的现实需求，对各个部件的备选方案进行性能测试及比较论证，并结合整车布置 结构综合考虑各部件间的匹配情况，以期获得满足整车特定性能要求的最优结构。特 别是混合动力电动汽车是一个非常复杂的系统，而且造价非常昂贵。因此，在制造之 前要非常慎重，必须在造之前进行系统匹配研究。目前，国内外在开发混合动力电动 汽车的过程中，确定混合动力系统的匹配方案( 如选择系统的结构形式，确定部件参数， 优化控制策略) ，主要是通过三条途径来进行的：计算机仿真、试验台开发、实车开发 平台i l l l 。如果单独用实车开发平台对混合动力电动汽车进行匹配研究，这样不但开发 周期长，而且开发费用很高，并且容易造成很多的浪费。如果单独通过试验台开发， 这样虽然周期也不是很长，但是不能从整体上对汽车进行