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并联混合动力汽车动力系统优化及控制策略研究 摘要 并联式混合动力汽车( 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 ，p h e v ) 是将发动机与电动 机通过机械联接接入驱动系统。两个动力源根据不同工作模式，分别进行驱动或者联 合驱动。并联混合动力汽车动力系统的结构特点，使其动力系统参数的优化匹 配以及控制策略的选择，成为提高其节能环保性能的关键技术。本文以某型p h e v 为对象，对其动力系统参数的优化方法及其控制策略进行了分析研究。 论文首先介绍了混合动力汽车动力总成的分类和结构，且分别对串联式、并联式 和混联式混合动力汽车的结构作了详细的分析和举例说明。同时介绍某型p h e v 动力 总成的结构，并对其运行工况进行说明。 在对某型p h e v 的动力系统部件分析的基础上，利用稳态实验数据建立发动机和 电动机数学模型。利用汽车动力学理论，建立了动力系统参数优化模型，确定优化设 计变量、优化目标以及优化约束。将所建立的优化模型程序化，运行得出优化结果， 优化结果表明，该优化方法在保持原车设计动力性要求的基础上提高了整车燃油经济 性。 分析了目前所研究的并联式混合动力汽车控制策略，通过对比，提出采用 模糊逻辑控制作为某型p h e v 的多能源控制策略进行研究。选择工况需求转矩与 发动机目标转矩之差t 及动力电池s o c 作为输入参数，以发动机最低燃油消耗 模式为目标设计模糊控制规则，设计了某型p h e v 的模糊控制器。使用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件平台以及电动汽车仿真工具包a d v i s o r 对其进行二次 建模，通过a d v i s o r 接口实现了模糊控制器对整车模型的控制。 使用美国环境保护署e p a 制定的城市道路循环工况c y c u d d s 工况和欧洲 轻型车测试道路循环工况c y c e u d c l o w 工况，分别对某型p h e v 的整车模型进 行仿真，结果表明模糊控制策略与原型车采用的电力辅助控制策略相比，动力 性、燃油经济性都获得了提高，整车总效率也有明显提高。 关键词：并联混合动力汽车，动力系统，复合形法，优化，模糊控制，建模，仿真 o p t i m i z a t i o n s t r a t e g y o fp o w e r t r a i n f o rap a r a l l e l a n ds t u d yo nv e h i c l ec o n t r o l h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t 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 ( p h e v ) i sl i n ku pt h ee n g i n ea n dt h ee l e c t r i c m o t o rt op o w e r t r a i nb ym a c h i n e r y f o rd i f f e r e n tw o r kp a t t e r n s ，t h ee n g i n ea n d e l e c t r i cm o t o ra r es u p p l y i n gp o w e re a c ho t h e ro rt o g e t h e r t h ep o w e r t r a i ns t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i co fp h e v , m a k ep o w e r t r a i np a r a m e t e ro p t i m i z i n gm a t c h i n ga n dt h e c o n t r o ls t r a t e g yc h o i c e ，b e c o m et h ek e yt e c h n o l o g yi m p r o v i n ge n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n f u n c t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h e p o w e r t r a i np a r a m e t e r s o p t i m i z i n gm e t h o d sa n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fap h e v h a v eb e e na n a l y s e da n d s t u d i e d t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c i n gt h ec l a s s i f i c a t i o na n ds t r u c t u r eo fh y b r i de l e c t r i c v e h i c l ep o w e r t r a i na tf i r s t ，a n dr e s p e c t i v e l y , m a d ead e t a i l e da n a l y s i s a n d e x a m p l e s i n s e r i e s ，p a r a l l e l a n dc o m b i n e ds t r u c t u r e o f h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e s i n r o d u c i n gt h es t r u c t u r eo fap h e v sp o w e r t r a i nu n i t ，a n dd e s c r i b e di t s o p e r a t i n gc o n d i t i o n s b a s e do na n a l y s i sp o w e rs y s t e mc o m p o n e n t so ft h eap h e v , t h em a t h e m a t i c a l m o d e l so fe n g i n ea n de l e c t r i cm o t o rh a v eb e e nb u i l tb ys t e a d y s t a t ee x p e r i m e n t a l d a t a b u i l tp o w e r t r a i no p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lu s e dv e h i c l ed y n a m i c s t h e o r y ，d e t e r m i n et h ed e s i g nv a r i a b l e s ，t a r g e tf u n c t i o n sa n dc o n s t r a i n e dc o n d i t i o n s a b o u to p t i m i z a t i o n c h a n g e dt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lt oc o m p u t e rp r o c e d u r e ，r u nt h e p r o c e d u r ea n do b t a i nt h eo p t i m a lr e s u l t s r e s u l t so fo p t i m i z a t i o na r es h o w e dt h a t t h eo p t i m a lm e t h o dm a i n t a i n e dt h eo r i g i n a lv e h i c l ed e s i g nd y n a m i cp e r f o r m a n c e a n de n h a n c et h ee n t i r ev e h i c l ef u e le c o n o m y a n a l y s i so ft h ec u r r e n tp h e vc o n t r o ls t r a t e g y , p u t sf o r w a r d st h a t u s e st h e f u z z yl o g i cc o n t r o la s t h ep h e v sm u l t i - e n e r g yc o n t r o ls t r a t e g y s e l e c t e dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt a r g e te n g i n et o r q u ea n dr e q u i r e dt o r q u ea ta n ds o c o fp o w e r b a t t e r ya si n p u tp a r a m e t e r s ，t a k et h em i n i m u me n g i n ef u e lc o n s u m p t i o nm o d e la st a r g e t d e s i g n i n gt h ef u z z yc o n t r o lr u l e s ，t od e s i g nt h ep h e v sf u z z yc o n t r o l l e r t h er e a l i t yo f t h ep h e vm o d e l i n gb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k a n da d v i s o rs e c o n d d e v e l o p i m e r i tt h r o u g ha d v i s o ri n t e r f a c er e a l i z a t i o no faf u z z yc o n t r o l l e rf o rc o n t r o lo f t h ev e h i c l em o d e l u s ec y c e u d c l o wa n dc y c u d d st ob ei np r o g r e s st o ap h e vm o d e l s i m u l a t i n g ，t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dt ou s i n gt h ee l e c t r i cp o w e r - a s s i s t e dc o n t r o l s t r a t e g y ，i tc a ni n e a s et h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yb yu s i n gf u z z y c o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h et o t a le f f i c i e n c yo fv e h i c l e sh a si m p r o v e do b v i o u s l 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 ( p h e v ) ，p o w e r t r a i n ，c o m p l e xm e t h o d ， o p t i m i z a t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n 插图清单 图2 1 串联混合动力汽车驱动系统结构简图1 2 图2 2 并联式混合动力汽车驱动系统结构简图1 3 图2 3 驱动力结合式并联混合动力汽车结构1 4 图2 4 转矩结合式并联混合动力汽车结构1 4 图2 5 转速结合式并联混合动力汽车结构1 5 图2 - 6 本田i n s i g h t 动力系统结构1 6 图2 7 丰田p r i u s 的驱动系统结构示意简图。1 7 图2 8 某型p h e v 动力系统结构简图1 8 图3 - 1 汽车加速上坡受力图2 0 图3 2 发动机万有特性曲线2 2 图3 3 发动机外特性曲线拟合2 3 图3 4 电机效率特性曲线。2 5 图3 5 城市行驶循环工况( u d d s ) 2 8 图3 - 6 混合动力汽车传动系模拟框图2 8 图3 7 优化流程图3 1 图3 8 优化输入界面3 2 图3 - 9 优化前参数曲线3 3 图3 1 0 优化后参数曲线3 4 图4 1 电力辅助控制策略流程图3 7 图4 2 模糊逻辑控制系统结构图3 9 图4 3 混合度( d o h ) 示意图4 0 图4 4 模糊逻辑控制策略4 1 图4 5 发动机优化转矩4 1 图4 6 模糊推理系统编辑器图形界面。4 2 图4 7 输入变量t 的隶属度函数4 3 图4 8 输入变量s o c 的隶属度函数4 3 图4 9 模糊规则的生成4 5 图4 1 0 t 为4 0 ，s o c 为0 2 时，模糊控制器输出4 6 图4 1 1 t 为4 0 ，s o c 为0 2 时，模糊控制器输出4 6 图4 1 2 t 为4 0 ，s o c 为0 9 时，模糊控制器输出4 7 图4 1 3s i m u l i n k 下的模糊逻辑控制策略模型4 7 图4 1 4 模糊控制器模型及输入输出4 8 图4 1 5 某型p h e v 整车仿真模型4 8 图4 1 6 仿真输入界面4 9 图4 1 7 仿真参数修改后的输入界面4 9 图4 1 8 将模糊控制器参数送往m 觚a b 工作表中5 0 图5 1c y ce u d cl o w 循环工况车速时间曲线5 1 图5 2c y cu d d s 循环工况车速时间曲线。5 1 图5 3c y ce u d cl o w 循环发动机输出转矩5 2 图5 4c y ce u d cl o w 循环电机输出转矩5 2 图5 5c y ce u d cl o w 循环s o c 变化曲线5 2 图5 6c y ce u d cl o w 循环工况下模糊控制的发动机工作点5 3 图5 7c y ce u d cl o w 循环工况下模糊控制的电机工作点5 4 图5 8c y cu d d s 循环发动机输出转矩5 5 图5 9c y cu d d s 循环电机输出转矩5 5 图5 1 0c y cu d d s 循环电池s o c 变化曲线5 5 图5 1 1c y cu d d s 循环工况下模糊控制的发动机工作点5 6 图5 1 2c y cu d d s 循环工况下模糊控制的电机工作点5 7 插表清单 表1 - 1 国内混合动力整车相关单位( 奉为国家8 6 3 资助) 。9 表3 1 变速器和主减速器传动比3 1 表3 2 混合动力汽车主要参数3 2 表3 3 优化结果3 3 表3 4 车辆动力性仿真结果3 4 表4 - 1 表模糊逻辑规则表4 5 表5 1 循环技术特性参数5 1 表5 2c y c e u d cl o w 循环工况下车辆性能比较。5 2 表5 3c y cu d d s 循环工况下车辆性能比较5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：亡作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金目巴王些态堂 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。 学位论文作者签字：专风凌绎签字日期：加广9 7 年争月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒壁王些太堂 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磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名： 签字日期：力q 年矽月姗 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 鬻瓣了日 签字日期：d7 年印月f 日 电话：7 即g 耵d ( 易 邮瓤y 7 第一章绪论 1 1 混合动力汽车的开发背景及意义 当前，汽车工业的可持续发展面临着两大难题：一是环境污染，二是石油 资源匮乏。因此节能和环保成为当今全球汽车工业发展的两大主题，各国也争 相开展绿色环保汽车一一电动汽车的研发与产业化。然而，由于纯电动汽车上 的关键技术一一电池技术的制约，使其大批量推广应用还需要一段时间。其主 要障碍包括：电池的能量密度低，质量和体积都比较大；电池组的循环寿命有限、 价格昂贵。在纯电动汽车短期内还不能实现产业化的情况下，融合传统汽车( 内 燃机汽车) 和纯电动汽车优点的混合动力汽车登上了历史舞台。 混合动力电动汽车( h y b r i d e 1 e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 是电动汽车的 一种类型，是清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。它采用内燃机和 电动机作为混合动力源，集中了两者的优点。既继承了纯电动车辆作为“绿色 汽车”节能和低排放的优点，显著改善整车的排放性能和燃油经济性；又发扬 了石油燃料高比能量和比功率的长处，弥补了电动车辆续驶里程短的不足，达 到两种车辆优点的互补。与传统汽车相比，混合动力汽车的整车能量管理系统 将根据车辆的运行工况，控制发动机和电机都工作在最佳效率区，同时保证电 池中的电能储备始终保持一定水平，无须停车充电或频繁更换电池。 据国外样车及产品的统计资料，这种配备整车能量管理系统的混合动力车 辆与同类的内燃机汽车相比，燃油消耗降低3 0 4 0 ，尾气排放指标降低 5 0 一6 0 。同时在配套设施方面，不需要像燃气汽车、燃料电池电动汽车和纯电 动汽车那样投入巨资进行加气站和充电站建设。因此，在纯电动汽车技术取得 重大突破之前，混合动力汽车成了各国的主要选择。在日本和美国等发达国家， 政府部门、各大汽车公司和相关零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车的研 制开发。目前，混合动力汽车产品在美国、日本已经大批量上市，其他各国也 有开始有小批量销售，有关专家一致认为，今后十年混合动力汽车技术将继续 作为汽车产业发展的研发热点【2 j 。 1 2 混合动力汽车的发展状况 1 2 1 国外混合动力汽车的发展状况 1 2 1 1 日本 目前，日本丰田汽车公司正走在混合动力汽车研发的最前沿，开发的混合 动力汽车已批量生产。1 9 9 7 年，丰田公司推出了世界上第一款批量生产的混合 动力汽车“p r i u s ，2 0 0 1 年又相继推出“e s t i m a 混合动力面包车和“皇冠 ( c r o w n ) 轿车，有数据显示，在2 0 0 6 年中，丰田一共卖出了3 1 2 5 0 0 辆混合动力 汽车，与上一年相比增长了3 3 1 引，2 0 0 8 年5 月17 日，日本丰田汽车宣布，其名 下的p r i u s 油电混合动力车型目前的全球销量已经突破了1 0 0 万大关。按照丰田 的计划，他们还将会在2 0 0 9 年的北美国际车展上正式推出他们的第三代混合动 力技术。 1 9 9 9 年末，日本、美国、泰国、西欧等国陆续开始销售小型混合动力轿车 “i n s i g h t i4 1 ，本田i n s i g h t 在美国市场上供不应求。本田于2 0 0 4 年1 2 月在美 国上市的“雅阁混合动力车( a c c o r dh y b r i d ) ”，是继“i n s i g h t 及“思域( c i v i c ) 之后本田在美国上市的第三款混合动力车，并且是本田的第一辆混合动力中级 轿车。本田汽车公司预计2 0 1 3 年或2 0 1 4 年混合动力汽车销量将占到公司总销 量的lo 。 日产公司的t i n o 混合动力车，在国内及国外的销售良好。日产公司实施了 “日产2 0 10 绿色计划 ，按照这一计划，至2 0 10 年，该公司不仅将批量生产 自主研发的混合动力汽车，而且还将向日本和美国销售燃料电池( 电动) 汽车。 除此之外，该公司在2 0 1 0 年还将向日本市场批量提供百公里油耗只有3 升的 节能型汽车以及无污染的电动汽车。 1 2 1 2 美国 1 9 9 3 年9 月美国启动新一代汽车伙伴计划( p a r t n e r s h i pf o ra n e wg e n e r a t i o n o fv e h i c l e s ，p n g v ) ，计划2 0 0 4 年推出能用于投产的样车。当年，美国能源部 与三大汽车公司签订了混合动力汽车开发合同，进行为期6 年的研制开发工作。 在美国4 7 个州的2 1 个联邦实验室和5 1 所大学中，有1 2 0 0 多个p n g v 的研究专案正 在进行中p n g v 计划已使美国的汽车技术创新形成为弋- 个国家行动。 福特汽车目前同南加州爱迪生电力公司、电力科学研究院、江森自控s a i l 动力方案公司和底特律能源公司等合作研发e s c a p e 插电式混合动力车。目前， 福特己开始生产s u v ”e s c a p eh y b r i d ”，这将是全球首款混合动力s u v 。此外， 福特汽车计划把混合动力汽车的产品和产量在2 0 0 9 年翻番，此后还将继续扩 大。全新的2 0 1 0 款福特f u s i o n 和水星m i l a n 混合动力车也即将投产，预计其 燃油经济性将超越丰田凯美瑞混合动力车1 5 j 。 2 0 0 7 年通用汽车公司共向市场推出4 款混合动力车型，2 0 0 7 年3 月日内 瓦车展上通用推出e s c a l a d e 混合动力车，它是全球第一款应用节能混合动力技 术的大型豪华s u v ，采用双模式混合动力技术。并且在车展上宣布：到2 0 1 2 年，通用至少推出16 款混合动力新车。通用汽车第二代混合动力系统基于原 有轻度混合动力技术，该混合动力系统目前己应用在土星v u e 、土星a u r a 以及 雪佛兰m a l i b u 等车型上，并获得了汽车业和消费者充分认同。应用该混合动力 系统的土星v u eg r e e n l i n es u v 车是目前美国市场上价格最低的混合动力 s u v l 6 1 。 2 0 0 6 年4 月2 8 日，戴姆勒克莱斯勒集团与通用汽车、宝马集团在维也纳 首次发布了其联合开发的完全混合动力系统1 7 】。2 0 0 8 年，戴姆勒将混合动力用 于城市客车、货车和专用车，戴姆勒公司充分利用其旗下位于欧、亚、美的技 2 术资源并使其共享，将日本三菱扶桑公司混合动力技术移植到欧洲。在奔驰 a t e g o 货车进行实际运行试验，合作伙伴为d h l 敦豪快运公司。三菱扶桑公司 混合动力技术为油电混合动力，电机置于柴油机和离合器之后、变速器之前， 以锂离子蓄电池为电源，附加混合动力冷却系统。 1 2 1 3 欧洲 欧洲也正在积极进行混合动力汽车的开发、研制及推广方面的工作。2 0 0 4 年，英国和法国合作开发柴电混合动力车，英国交通部与法国标致一雪铁龙公 司、英国的零部件供应商r i e a r d op i e 和q i n e t i q l t d 合作，开发出一种柴油一电 力混合动力车。据介绍，这款车是当前最洁净的碳燃料汽车，它的二氧化碳排 放量大约是8 9 5 9 k m ，低于丰田p r i u s 的1 0 4 9 k m 。2 0 0 8 年，在法国召开的格 勒奈尔环境圆桌会议上，为推动电动汽车的发展以及新一代高能量密度的蓄电 池的开发，法国政府提供最优惠的退税政策，即第一年返还研发支出的5 0 ， 这一政策将进一步加快法国混合动力汽车的发展。 瑞典沃尔沃( v o l v o ) 动力系统公司最新开发的柴一电混合动力装置已经大 量用于沃尔沃集团的卡车和大客车。在伦敦城市公共汽车上的实际运营结果表 明，采用沃尔沃混合动力的燃油消耗为5 2 l 1 0 0 k m ，燃油经济性提高3 0 ，行 驶噪声和排放大幅度降低。沃尔沃混合动力由电机、储能系统、功率电子器件 和车辆及动力系统控制装置组成。 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，现在德国己开始出租，预计4 年内 租出5 0 0 辆。2 0 0 9 年，一款新式梅赛德斯轿车将于明年在美国上市，它是高端 油电混合系列轿车中的第一款，预计这款s 级轿车的售价在1 0 万美元以上。 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。 1 2 2 国内混合动力汽车的发展情况 我国十分重视混合动力汽车的研制和开发，“十五国家8 6 3 计划中电动汽 车重大专项明确提出“三纵三横 的研发布局，参与到与混合动力汽车相关的 高校、科研院所和企业已经有几十家。此外，还有很多地方支持或自筹资金进 行的混合动力汽车项目。总的来看，整车已经超过二十家，如表卜l 所示。在2 0 0 5 年末，“8 6 3 电动汽车重大专项全部验收合格，对电动汽车的研究取得了阶段 性成果【引。 表卜1 国内混合动力整车相关单位( 宰为国家8 6 3 资助) 重庆长安混合动力轿车 芜湖奇瑞 混合动力轿车 宰长春一汽混合动力大巴混合动力轿车 武汉二汽混合动力大巴混合动力轿车 武汉理j = 人学 混合动力大巴 哈尔滨中强混联混合动力大巴 天津清源混合动力人巴混合动力中巴 博大混合动力大巴 北京理工大学混合动力大巴 北京 北京工业人学混合动力大巴 北京交通大学 混合动力垃圾清扫( 运) 车 同济大学混合动力轿车 上海 上汽混合动力大巴 比弧迪混合动力轿车 湘潭湘电混合动力大巴 长沙长丰 混合动力越野车 五少i l 龙混合动力大巴 深圳 明华混合动力中巴 广州华南理工大学混合动力大巴 郑州宇通混合动力大巴 合肥 安凯混合动力大巴 金龙厦门 混合动力大巴 从2 0 0 6 年起，“十一五 8 6 3 计划节能与新能源汽车重大项目展开了新一轮 的新能源汽车研发热潮，结合“十五电动汽车重大科技专项和“十五”清洁 汽车行动取得的成果，继承发展，自主创新，推动节能与新能源汽车整车和关 键零部件的研发和产业化，提升我国汽车工业核心竞争能力。为保障能源安全、 降低环境污染，实现汽车工业可持续发展提供有力技术支撑。 2 0 0 8 年7 月1 1 日，奥运节能与新能源汽车示范运行交车仪式在北京举行。由 一汽、东风、上海大众、长安、奇瑞、中通、北汽福田和京华客车共八家企业 生产的5 0 0 多辆节能与新能源汽车正式交付北京奥组委，为奥运会提供服务。 2 0 0 9 年1 月，财政部、科技部决定，在北京、上海、重庆、长春、大连、杭 州、济南、武汉、深圳、合肥、长沙、昆明、南昌等1 3 个城市开展节能与新能 源汽车示范推广试点工作( “十城千辆 计划) ，以财政政策鼓励在公交、出 租、公务、环卫和邮政等公共服务领域率先推广使用节能与新能源汽车，对推 广使用单位购买节能与新能源汽车给予补助。专家认为，我国的新能源汽车产 业将在国家“十城千辆 计划的推动下得到快速发展。 4 1 3 混合动力汽车的控制策略研究现状 混合动力汽车的控制策略是实现混合动力汽车低油耗、低排放目标的关键 技术。目前提出的混合动力汽车控制策略的实用性还有待提高，只有基于工程 经验进行设计的逻辑门限控制策略在实际商品化混合动力汽车中得到了应用。 开发一种成熟实用的控制策略仍然是目前亟待解决的问题。在国内由于混合动 力汽车的起步较晚，对混合动力控制策略的研究还未成熟，大部分处于理论研 究阶段 9 - 1 3 l ，也有部分科研单位和整车厂家逐步开始应用于实车进行试运行。 在应用方面可以说才刚刚起步，尚未实现产业化，与国外有关混合动力汽车控 制方面的技术水平有相当大差距。 目前世界各国研发的混合动力汽车，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，可 分为串联式、并联式和混联式三种，主要研究控制策略有以下数十种： 1 、串联式目前应用的控制策略有两种：恒温器式控制策略【1 4 15 】和功率跟随式控 制策略| l 孓泊j 。 2 、并联混合动力汽车的控制比较复杂，控制策略种类也较多，主要研究的有以 下几种： 1 ) 以车速为主要参数的控制策略，是最早采用的一种控制策略，利用车速大小 作为控制依据1 1 7 卅9 。 2 ) 以功率为主要参数的控制策略m 之，其控制方法比较简单，不能保证 各部件的最佳匹配，难以获得整车系统的最大效率。 3 ) 采用优化技术的控制策略，法国学者d z l p r a t 和p a n g a n e l l i 等【：2 3 】 研究了带机械有级式变速器的并联混合动力汽车的能量分配优化问题。建立了 以电动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。德国学者z o e l c h 等【2 4 】对带有c v t 的并联混合 动力汽车作了研究，k i a 公司的k i m 等【1 刘提出一燃油经济性为目标的优化控 制策略。 4 ) 以成本和燃油经济性为目标的控制策略，采用以成本和燃油经济性为 目标的控制策略的混合动力汽车装备了小功率电机和小容量电池组，使蓄电池 组的成本和质量减少到最小程度1 2 6 1 。 5 ) 电力辅助控制策略，将电动机作为动力系统中的灵活因素，根据汽车 工况对发动机输出进行“削峰平谷 ，从而优化发动机的运行 2 7 】。此控制策略 已应用与实际的混合动力系统中，如本田i n s i g h t 和雪铁龙x s a r a 。 6 ) 模糊逻辑控制策略，美国学者g l e n n 等【28 1 提出利用模糊逻辑控制器 驱动i c e ( 6 6 k wv o l k s w a g e nt d i 6 6 k w 柴油发动机和3 2 k w 的电动机) ，以最 高效率区和燃油经济性为目标进行试验。结果表明可明显提高燃油经济性。 3 、目前研究的混联式混合动力汽车的控制策略有：瞬时优化控制策略【2 引、 发动机恒定工作点控制策略1 2 圳、发动机最优工作曲线控制策略、全局优化控制 策略1 3 0 l 。 1 - 4 课题来源和主要研究内容 结合我校与奇瑞汽车股份有限公司共同申报的十一五“8 6 3 节能与新能 源汽车重大科技专项一一“奇瑞a 5 混合动力轿车整车产品开发和产业化”项 目( 项目号：2 0 0 6 a a l l a l l 5 ) ，在广泛阅读国内外关于并联混合动力汽车文献资 料的基础上，以某型p h e v 为研究对象，对其动力系统参数和控制策略进行研 究。本文主要研究内容有以下方面： 1 、分析混合动力汽车的动力系统构型方案，并进行混合动力系统的各种工 作模式分析，建立整车动力系统的数学模型，包括发动机、电机、蓄电池和汽 车动力系统数学模型； 2 、针对并联式混合动力汽车的各部件效率特性和汽车驱动工况，以最大程 度降低系统燃油消耗为主要目标，研究传动系统参数的优化计算方法，使传动 系统与发动机、电动机发电机、蓄电池实现最佳匹配，获得最大的整车效率； 3 、对并联混合动力汽车控制策略进行分析，建立控制策略仿真模型，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件平台，在分析a d v i s o r 仿真软件的基础上，建立并联混合 动力汽车控制策略仿真模型，选择合适的运行工况，对整车性能进行仿真研究， 验证参数优化和控制策略制定的正确性和可行性，并对仿真结果进行对比分析， 获得进一步研究和应用的参考资料。 6 第二章混合动力汽车的驱动系统结构和工作原理 2 1 引言 由于混合动力汽车有两种或两种以上的动力源，动力系统的设计有了更多 自由度，无论是从能量源输入，还是从机械能的传递、调节和输出，混合动力 系统都具有多种方案。而由于混合动力汽车在传动系统结构上的差异，提供了 多种工作模式，车辆动力系统的性能很大程度上由混合动力系统决定。混合动 力系统设计包括系统结构、各部件特性、参数匹配和控制策略i 弓3 1 ，如何对这 些结构进行归类和评价并应用于指导混合动力系统的设计，是混合动力汽车中 的一个重要课题。 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 lc o m m i s s i o n ，i e c ) 对混 合动力车辆的定义为：“在特定的工作条件下，可以从两种或两种以上的能量存 储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。其中至少一种存储器或转 化器要安装汽车上混合动力汽车( h e v ) 至少有一种能量存储器、能量源或能量 转化器可以传递电能。串联式混合动力车辆只有一种能量转化器可以提供驱动 力，并联式混合动力车辆则不止一种能量转化器提供驱动力。 现在大部分的h e v 是在传统发动机汽车上增加蓄电池组作为电能存储装置， 通过电动机将电能转化为机械能。根据h e v 动力系统零部件的种类、数量和连接 关系可以将h e v 的动力系统分为三种基本结构类型：串联式、并联式和混联式。 2 2 串联式混合动力汽车的结构和工作原理 i _ l l 机械能 ：电能h 控制信号 图2 - i 串联混合动力汽车驱动系统结构简图 串联式混合动力汽车的动力总成由发动机、发电机和驱动电机三大主要部 件组成。发动机输出的机械能仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机， 电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，利用发动机的后备 功率，来延长混合动力汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电 能来驱动电动汽车，使混合动力汽车在零污染状态下行驶。 在串联式混合动力汽车上，由发动机带动发电机所产生的电能和电池输出 的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶，电力驱动是唯的驱动方式。能 7 量流如图2 - 1 所示。发动机与发电机直接连接产生电能，来驱动电动机或者给蓄 电池充电。由电动机来提供汽车行驶时的驱动力，它将发动机一发电机组发出 的电能，或者储存在蓄电池中的电能转化为车轮上的机械能。当蓄电池的荷电 状态( s o c ，s t a t eo fc h a r g e ) 在一个设定值以下时，发动机可以对蓄电池进行 充电。发动机与驱动系统之间并没有机械联接，这种方式可以很大程度地减少 车辆的瞬态工况对发动机的影响。使得发动机能够很好地工作在燃油经济性较 高的区域34 1 。 因为串联式混合动力汽车能使发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染 的运转状态，所以能够使有害排放气体控制在最低范围。串联式混合动力汽车 从总体结构上看，比较简单、易于控制，只有发电机一电动机的电力驱动系统， 其特点更加趋近于电动汽车。但是三大部件总成在电动汽车上布置起来，有较 大的自由度，但各自的功率较大，外形较大，质量也较大，所以在中小型电动 汽车上布置有一定的困难。由于串联式混合动力汽车的能量经过了较多级的转 化，能量损失较大，使得最终的总的能量利用效率并不高。 2 3 并联式混合动力汽车的结构模型 2 3 1 并联式混合动力汽车的结构和工作原理 并联式混合动力汽车主要由发动机、电动发电机两大部件总成组成，有多 种组合型式，可以根据使用要求选用。两大动力总成的功率可以互相叠加，发 动机功率和电动发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的0 5 - 1 倍，因此， 可以采用小功率的发动机与电动发电机，使得整个动力系统的装配尺寸、质量 都较小，造价也更低，行程也可以比串联式混合动力汽车的长一些，其特点更 加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混合动力汽 车上。 图2 2 并联式混合动力汽车驱动系统结构简图 并联式驱动系统的典型驱动系统结构如图2 - 2 所示，发动机和电动机通过某 种变速装置同时与变速器输入轴直接相连接。电动机可以用来平衡发动机所受 的载荷，使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在满负荷( 中等转速) 下燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时，传统车辆的发动机的 8 燃油经济性比较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可以增加发动机的负 荷使电动机作为发电机，给蓄电池充电以备后用( 即一边驱动汽车，一边充电) 。 由于并联式混合动力汽车在稳定的高速下发动机具有比较高的效率和相对较小 的质量，所以它在高速公路上行驶也具有比较好的燃油经济性35 1 。 2 3 1 1 驱动力结合式并联混合动力汽车结构 e 一发 一电 b 一畜 图2 3 驱动力结合式并联混合动力汽车结构 驱动力结合式并联混合动力汽车保存了内燃机汽车的全套机械传动系统， 采用一个小功率的发动机，单独地驱动电动汽车的前轮。另外再装置一套电动 机驱动系统单独地驱动电动汽车的后轮，可以在电动汽车起动、爬坡或加速时 提供辅助牵引力，也可以独立驱动电动汽车。发动机一变速器组成的驱动系统 与电动机组成的驱动系统，是各自独立的，没有机械式的连锁装置，两套驱动 系统在混合动力驱动时的牵引力是互相结合的。 驱动力结合式并联混合动力汽车能够用普通内燃机汽车进行改装，两套动 力系统互不牵连，能够充分发挥各自的特性，提高电动汽车的动力性能。但是 驱动力结合式并联混合动力汽车有两套动力总成和传动系统，使得它的结构变 得十分复杂，体积和质量大大的增加。两套动力系统之间的牵引力的匹配与控 制也十分复杂。 2 3 1 2 转矩结合式并联混合动力汽车结构 e 一 疆一 b 一 ( a ) 双轴式( b ) 单轴式 图2 4 转矩结合式并联混合动力汽车结构 转矩结合式并联混合动力汽车只有发动机和电动发电机两个动力总成，电 9 动发电机兼有发电机和电动机的功能。发动机通过传动系统直接驱动混合动力 汽车，并直接( 单轴式) 或间接( 双轴式) 带动电动发电机转动向电池充电，电池 也可以向电动发电机提供电能，此时电动发电机转换成电动机，可以用来启 动发动机或驱动混合动力汽车。 转矩结合式并联混合动力汽车的发动机直接通过传动系统来驱动电动汽 车，组成发动机驱动模式；电池向电动发电机提供电能，启动发动机或驱动混 合动力汽车，组成电力驱动模式。采用发动机驱动模式或电力驱动模式时，都 通过同一根传动轴来输出动力，发动机输出的转矩与电动发电机输出的转矩互 相叠加。 转矩结合式并联混合动力汽车是以发动机驱动模式为主要驱动模式，其特 点更加趋近于内燃机汽车，两个动力总成可以根据各自转矩的特点，对总的输 出转矩进行最佳分配，它的结构较简单，总质量较小，便于在小型汽车上布置， 使用维修方便。 2 3 1 3 转速结合式并联混合动力汽车结构 e m b 一 图2 5 转速结合式并联混合动力汽车结构 电动汽车的发动机通过离合器和一个“动力耦合器”来驱动电动汽车，电 动机也是通过“动力耦合器 来驱动电动汽车。可以利用普通内燃机汽车的大 部分传动系统的总成，电动机只需通过“动力耦合器 与传动系统连接，结构 简单，改制容易，维修方便，但是对耦合器的要求较高。 2 3 2 本田i n s i