（光学工程专业论文）混联式混合动力轿车动力匹配及控制策略研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 作为中国汽车技术中心与吉利集团联合开发的混合动力轿车项目的一部分， 本文首先对国内外混合动力汽车的研发概况与趋势进行了描述，对现有电动汽车 仿真技术进行了探讨。提出了j l - h e v 整车的开发目标。考虑到我国混合动力汽 车技术的发展趋势，根据j l - h e v 的需求分析，确定了整车的最终结构，并对其 各个工况模式下的功率流进行了分析描述。根据混联式的系统要求提出了整车能 量管理的控制策略及其需要达到的目标，确定了采用发动机最优工作曲线控制策 略。对仿真软件p s a t 进行了研究，在其基础上对软件进行了2 次开发，在 m a t l a b s i m u l i n k 平台上建立了模糊控制的驾驶员模型，将其导入p s a t ， 相比原来的p l 控制模型提高了仿真精度。 基于基础性理论分析，在总结相关资料的基础上，提出了混联混合动力汽车 动力系统的参数设计方法，利用此方法对j l - h e v 整车的动力系统参数进行匹配 分析。针对混联式混合动力汽车动力传动系组成部件的参数进行了选择和合理匹 配，提出了一套比较有效的混联式混合动力系统参数初步匹配的方法。对其动力 分配器进行了重点研究，对其可能的配置，各部件之间的动力学原理，及在各个 工况下其工作原理进行了分析。 建立了所需的整车各个部件模型，对最终建立的整车模型进行了仿真及性能 分析。仿真结果表明整车性能能够满足开发目标，各个工况下的油耗都要比原车 要低很多，电池s o c 也能够在控制的范围内波动，对其功率扭矩分配特性进行 了分析，对发动机工作点的分布位置进行了研究分析。 最后对混合动力系统效率的影响因素进行了研究，并建立了不同混合度的整 车仿真模型，对其在相同的工况下的整车效率进行了对比。对于本车，分析并建 立了在不同动力系统工作模式下的动力学方程；分别讨论了当蓄电池功率为零和 蓄电池功率不为零两种情况下的h e v 的系统效率；利用序列二次规划法偶o p l 来求解出在不同车速、不同汽车需求转矩和不同蓄电池s o c 情况下对应的最佳 减速比和最佳蓄电池功率；利用优化计算结果，初步总结了一些车辆优化控制 规则，为将来更好的优化控制规则提供了依据。 关键词：混合动力车，行星齿轮，控制策略，系统效率 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t q u a d i n gap a r t o fh e va u t o p r o g r a mc o - d e v e l o p e db yc h i n aa u t o m o t i v e t e c h n o l o g y & r e s e a r c h c e n t e ra n dj 工i nt i i i sp a p e rf i r s t l yw ed e s c r i b et h e d o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c hs i t u a t i o n sa n dt r e n d so fh e v d i s c u s st h ee x i s t i n g s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rh e v , a n dp u tf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n ta i m sf o rf o na u t oo f j l 髓vc o n s i d c r i i 嚷t h ed o m e s t i ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tt r e n do f 眦va u t o ，b a s e d o nd e m a n da n a l y s i so fj l - h e va u t o ，w ed e t e r m i n et h eu l t i m a t es t r u c t u r e so ff u l la u t o ， t h e l la n a l y z ea n dd i s c u s st h ep o w e r - f l o wu n d e re a c hw o r kc o n d i t i o na n dm o d e a c c o r d i n gt ot h ed e ：m a n do fs e r i e sp a r a l l e ls y s t e m ，r a i s et h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h e e n e r g ym a n a g ea n dp r o s p e c t i v ea i m so f f u l la u t o ，t h e nd e t e r m i n et h ec o n t r o ls t r a t e g y t h a ta d o p t st h eo p t i m a lw o r kc e i v eo fe n g i n e t h e nw es t u d yt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e p s a t , b a s e do nt h a tt a k et h es e c o n de x p l o i tt o w a r d st h es o f t w a r ea n do nt h eb a s i so f m a t l a b s i m u u 时kw ee s t a b l i s ht h ei n t a n g i b l ec o n t r o ld r i v e r sm o d e lt h e np u ti t i n t ot h ep s a t , c o m p a r i n gt ot h ef o r m e rp ic o n t r o lm o d e l ，i ti n o 呛a s e st h ee m u l a t i o n a l p r e c t s t o n b a s e do nt h eb a s i ct h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds u m u po fc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o n , w c r a i s et h ep a r a m e t e r s d e s i g nm e t h o d sf o rp o w e rs y s t e mo fs e r i e sp a r a l l e lh e vw h i c h a r ea d o p t e dt om a t c ha n da n a l y z et h ep o w e rs y s t e m sp a r a m e t e r sf o rj l h e vf o l la u t o a i m i n ga tt h ep a r a m e t e r so fp a r t so ft h ep o w e r s y s t e m ，w et a k et h ep r o p e rc h o i c ea n d m a t c h i n g , p u tu pa s e to fe f f e c t i v em e t h o d st h a tc 蛐p r e l i m i n a r ym a t c ht h ep a r a m e t e r s o fh y b r i dp o w e rs y s t e m w be m p h a s i z eo nt h er e s e a r c ho ft h ep o w e ra l l o c a t i o n , a n a l y z et h ep o s s i b l ec o n f i g u r a t i o n s ，t h ed y n a m i ct h e o r ya m o n ge a c hp a r ta n dt h e w o r kp r i n c i p l e su n d e re a c hw o r kc o n d i t i o n t h e nw ee s t a b l i s ht h ed e m a n dm o d e lf o re a c hp a r to ft h ef o l la u t o s i m u l a t et h e f m a lm o d e la n da l l a l y z et h ep e r f o r m a n c e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef u l la u t o s p e r f o r m a n c e sm e e tt h ed e m a n do ft h ed e v e l o p m e n ta i m s ，a n dt h eo i le x p e n s ei sm u s h l o w e rt h a nf o r m e ra u t o ，a n db a t t e r ys o cc a nf l u c t u a t ew i t h i nt h ec o n t r o lr a n g e ，t h c n a n a l y z et h ea l l o c a t i o ns p e c i a l i t yo ft h ep o w e rt o r s i o na n dr e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o no f t h ee n g i n ew o r ks p o t s f i n a l l yw er e s e a r c ht h ef a c t o r st h a te f f e c tt h eh y b r i dd o w e l - e f f i c i e n c y , a n de s t a b l i s h t h ef i l na u t oe m u l a t i o n a lm o d e l so fd i f f e r e n tm i x ，t h e nc o m p a r et h ef o ua u t o s e f f i c i e n c yu n d e rt h es a m ew o r kc o n d i t i o n s f o rt h ea u t om e n t i o n e di nt h ep a p e r , w e a n a l y z ea n d e s t a b l i s ht h ed y n a m i ce q u a t i o n su n d e rd i f i e r e n tp o w e rs y s t e m s ， r e s p e c t i v e l yd i s c u s st h es y s t e me f f i c i e n c yo fh e v u n d e rt h ec o n d i t i o n so fw h e t h e rt h e s t o r a g eb a t t e r yp o w e ri sz e r oo rn o t ，u t i l i z et h es o pt oc o m p u t et h ec o r r e s p o n d i n g o p t i m a ld e c e l e r a t i n gr a t ea n do p t i m a ls t o r a g eb a t t e r yp o w e ru n d e rt h ec o n d i t i o n so f d i 旋r e n ts p e e d s 。d i f f e r e n td e m a n dt o r s i o n sa n dd i f f e r e n ts t o r a g eb a t t e r ys o c ；t h e n u s et h eo p t i m a lc o m p u t a t i o nr e s u l t st os u m m a r i z et h er u l e so fa u t oo p t i m a lc o n t r o l ， p r o v i d et h ef o u n d a t i o n sf o rt h eo p t i m a lc o n t r o lr u l e si nt h ef u t u r e k e y w o r d ：h e vp l a n e t a r yg e 盯，c o n t r o ls t r a t e g y , s y s t e me f f i c i e n c y 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 自1 8 8 6 年，世界上第一辆汽车在德国诞生，至今汽车工业已经发生了翻天覆 地的变化。随着汽车工业的不断发展壮大，一方面带来环境污染，改变了我们 赖以生存的地球环境，同时石油需求量的日益增加也导致能源短缺，油价居高不 下! 这些问题使得传统内燃机技术正面临这前所未有的挑战，发展洁净燃烧技术 已经是势在必行。国际和国内多年的电动汽车发展经验告诉我们，在电池技术的 进展尚未获得绝对突破的前提下，寻求一种可替代的解决办法是必要的【l j 。在上 述背景下，混合动力汽车作为最有市场化前景的车型也就应运而生。 1 1 研究的目的和意义 节能和排放是当今全球汽车工业发展的两大主题，围绕这两大主题各国争相 开展绿色环保汽车电动汽车的研制与开发。 电动汽车己有三种驱动类型：以高效能蓄电池驱动的电动汽车( ev ) 、 以燃料电池为动力源的电动汽车( fev ) 和以燃油发动机与电动机混合驱动的 混合动力电动汽车( he v) 。电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯 电动汽车开始的，纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是电动车开发的最终目 标，但目前纯电动汽车初始成本高，行驶里程较短。由于高效能蓄电池、燃料电 池及其系统的发展相对滞后，影响了纯电动汽车的商业化进程。而燃油发动机和 电动机混合驱动的混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市 场化而产生的一种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能器件( 主要是 高性能电池或超级电容器) 通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减 少污染物排放。 对于汽车的动力性能和燃料经济性水平，通常是在进行实车道路试验之后给 予最后评价。这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及各总成 方案的确定、结构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等具有一定的盲目性， 可能遗漏较优的方案，造成浪费。 如果在设计阶段，根据有关设计参数和驱动系统控制策略，利用计算机仿真 模拟对汽车动力性和燃料经济性进行预测，可以考察驱动系统参数是如何影响汽 车动力性和燃油经济性，并对其进行优化设计。此外，按预定的程序模拟各种行 驶工况，包括瞬变的非稳定工况，能全面地预测汽车在多种工况下的动力性能和 燃油经济性。 本论文研究内容是我中心与吉利集团联合开发的混联式混合动力轿车项目 武汉理工大学硕士学位论文 的一部分。研究为混联式混合动力汽车的控制系统以及整车开发奠定了基础，有 助于缩短混合动力车的开发时间，为整个实车的匹配及控制策略提供了参考1 1 2 国内外混合动力汽车研发概况与趋势 1 2 1 国外混合动力轿车研发概况 美国较大的混合动力轿车研发项目有新一代机动车伙伴关系计划( p n g v 计 划) 和自由汽车合作研究计划( f r e e d o m c a r 计划) 。p n g v 计划始于1 9 9 3 年1 2 月，2 0 0 2 年1 月终止，美国各大汽车公司都有各自的混合动力概念轿车问世， 但由于成本问题而都未大批量生产。 与美国不同的是，日本众多的混合动力轿车研发项目几乎完全由日本汽车公 司自行承担进行，而且多为单车项目直接面向市场。因此，日本各大汽车公司目 前拥有全球几乎全部的混合动力轿车市场份额，仅丰田公司的p r i u s 就占了全球 混合动力车市场6 0 左右份额。 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。法国雷 诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力汽车已在法国接受了1 0 0 0 0 k m 的运行 试验。并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽涵) 两用车，取名为n e x t ，样车已经向公众 展出。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汽车，最 高时速可达9 0 k m 。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汽车d u o 已小批量生产，现在德国已开始出租。 1 2 2 国内混合动力轿车研发概况 国内是在20 世纪80 年代后期开始电动汽车研究的。l9 99 年4 月6 日 由科技部、环保总局、国家计委、国家经贸委和国家机械局等十多个部委联合召 开“空气净化工程一清洁车辆行动”会议，提出通过电动车辆、混合动力车辆 技术的攻关和推广应用，从根本上治理机动车辆排放污染，依靠科技进步，建立 新型清洁车辆产业。2001 年11 月，国家科技部将电动汽车纳入国家“十 五”规划，列入“863 ”的重大专项。 “十一五”期间，中国将在“十五” 基础上，重点研究开发和掌握混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车，代用 燃料汽车整车和零部件的关键技术，建立整车评价平台，推动标准体系的建设， 促进节能环保机车的产业化。 2 0 0 5 年1 0 月1 日混合动力电动汽车国家标准开始实施，汽车厂家争相掘金 混合动力车市场。国内多个汽车企业( 集团) 宣布将推出自己的混合动力车型。而 国外企业，在丰田、大众、通用都表示要在中国生产混合动力汽车后，本田也不 甘落后，1 1 月底也决定在中国推出雅阁和思域混合动力轿车。 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 8 年北京奥运会开出了2 0 亿元的电动汽车订单。而且这些电动车只能在 国内生产制造对于所有汽车厂家来说，无疑是诱人的大餐。 1 2 3 混合动力轿车的发展趋势及目前形式分析 ( 1 ) 在中国自己的混合动力轿车产业化刚起步的时候，国外的企业已经 开始抢占市场了，“8 6 3 ”电动汽车重大专项规划组组长万钢教授曾表示“在 传统汽车领域，我们与发达国家的差距是2 0 年，而在电动汽车领域的差距 只有5 年”，传统轿车市场已经被国外企业瓜分的面目全非，不能再轻而易 举的把电动车市场拱手相让了，所以中国的企业必须加快混合动力汽车技术 的研发。 ( 2 ) 国产混合动力车的制造成本比同等类型传统汽车高3 0 ，特别是关 键零部件的可靠性与国际先进水平还有较大差距，尽可能地采用成熟技术， 降低整车成本。 ( 3 ) 由于混合动力轿车技术自身具有的特点，混合动力轿车专用零部件 的开发和批量生产也将成为混合动力轿车技术发展的另一大趋势。 ( 4 ) 研究开发应用于混合动力轿车的先进技术，如燃料电池技术、轻质 车身技术、柴油发动机技术以及先进的电机驱动系统将是各国汽车生产商全 力解决的重要技术。 ( 5 ) 消费者对于购买的愿望程度。显然，消费者购买的愿望程度越高， 其购买混合动力汽车的可能性就越大，在市场的占有率也就越高。国家必须 推出相应的优惠措施，企业对于混合动力车自身的特点的宣传措施要到位， 有创新性 1 3 混合动力汽车概述 1 3 1 混合动力车的定义2 根据国际机电委员会下属的电力机动车技术研究委员会的建议，混合动力电 动汽车是指由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少由 一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。一般认为混合动力电动汽车就是 既有内燃机又有电动机驱动的车辆。 1 3 2 混合动力车的基本原理 混合动力汽车的基本原理是采用适当的燃料转换装置( 如内燃机) 、储能装 置和电动机作为混合动力源，在一整套严密的控制策略的控制下，使燃料转换装 置、储能装置和电机在驱动工况下尽可能工作在高效率、低排放区域，在汽车制 3 武汉理工大学硕士学位论文 动工况下，通过发电机或电机工作象限的调整回收部分制动能量，从而大大改善 汽车变工况行驶时的燃油经济性能、尾气排放性能和其它使用性能。 1 3 3 混合动力车的分类 根据混合动力系统连接方式的不同，混合动力汽车主要可以分为三种结构形 式，即串联、并联和混联，它们各有优势。 表卜l 三种混合动力性能比较 燃潍黔济憷改进赣动髓施 怠速麓餐翻l | (赢效运行慧功率加速比持绥功率 控锎 审联式 口 t 警 口口 j 联式 口口口 混载式 蠢 譬重量薯口 口 - d 锻好口较好弱应 1 1 3 3 1 串联式( s h e l ) 图卜1 所示为串联式混合动力系统示意图。串联结构的特征是以电力形式进 行复合，发动机直接驱动发电机对储能装置和牵引电机供电，电动机用来驱动车 图卜1 串联混合动力系统示意图 轮，储能装置起着发动机输出和电动机需求之间的调节作用。其优点是发动机的 运行独立于车速和道路条件，适用于车辆频繁起步、加速和低速运行。发动机在 4 武汉理工大学硕士学位论文 最佳工况点附近运转，避免了怠速和低速工况，从而提高了效率，提高了排放性 能。但在机械能与电能的转化过程中有效率损失，很难达到明显降低油耗的目的， 目前主要用于城市大客车，在轿车中很少见。 1 3 3 2 并联式( p h e v ) 图1 - 2 所示并联式混合动力系统示意图。并联结构的特征是以机械形式进行 复合，电机可同时用作电动机或发电机以平衡发动机所受的载荷，使其能在高效 率区域工作。但是由于发动机和驱动桥机械连接，在城市工况时，发动机并不能 运行在最佳工况点，车辆的燃油经济性比串联时要差。 ? ”电气连接 囤 图卜2 并联混合动力系统示意图 图1 - 3i m a 系统原理图 目前并联中最成功的就是本田的i m a 系统( 如图卜4 ) 。1 9 9 7 年，本l i t ( h o n d a ) 公司开发出第一代i m a ( i n t e g r a t e dm o t o ra s s i s t ) 系统。1 9 9 9 年1 2 月，搭载 5 武汉理工大学硕士学位论文 i m a 系统的i n s i g h t 在美国正式上市，本田成为第一个在北美销售混合动力车的 公司。2 0 0 3 年，装配第二代i m a 系统的四门小型轿车c i v i c 投放市场，深受消 费者欢迎。本田雅阁混合动力车成为第三代i m a 系统装备起来的混合动力中型轿 车，也成为世界上第一款混合动力中型轿车。最近，本田将最新研制的第四代 i 凇混合动力系统又应用在了2 0 0 6 款c i v i c 混合动力车上。本田最新i m a 混合 动力技术。也是目前唯一可以适用于现有量产车型的高端技术。在此研发领域中， 本田始终在全球范围内保持着领先地位。 第四代d i a 系统的主要部件有一个1 3 - l i t e ri - v t e c4 - c y l i n d e r 汽油机， 一个高功率的超薄永磁同步电动机，一个无级变速器( c v l ) 和一个智能动力单元 ( i p u i n t e l l i g e n tp o w e ru n i t ) i p u 由一个动力控制单元( p o j p 0 孵r c o n t r o lu n i t ) ，一组高性能镍氢电池和一个制冷单元组成。汽油机和电机布置 在车的前部，智能动力单元布置在车的后部。 p c u 作为i p l j 的核心部分控制着电机辅助，制动回馈和电池( 包括i 姒电池 包和1 2 v 电池) 充放电。p c u 通过节气门开度，发动机参数和电池包的荷电状态， 来决定电能辅助的多少。 1 3 3 3 混联式( s p 畦v ) 图1 - 4 所示为混联混合动力系统示意图，混联式混合动力汽车驱动系统兼有 串联和并联的的特点，亦即该结构既可实现车载能源环节的联合，也可实现传动 系环节的联合。 混联式混合动力汽车驱动系统综合了串联式和并联式两种驱动系统的优点， 具有最佳的综合性能。但该结构系统结构更复杂，组成规模更大，布置更加困难。 ”鬯气连接 图卜4 混联混合动力系统示意图 另外，实现串、并联分支间合理的切换对控制策略的制定和控制系统的设计也提 出了更高的要求。 6 武汉理工大学硕士学位论文 混联模式中，目前最成功的系统是丰田公司的t h s 系统( 如图卜5 ) 。丰田公 司于1 9 9 7 年开始销售的p r i u s 混合动力轿车，是世界第一款商业用途的大批量 生产的混合动力汽车丰田混合动力汽车的动力中枢是混合动力系统( t h s t o y o t ah y b r i ds y s t e m ) ，它使汽油机和电力两种动力系统通过串联与并联相结 合的形式进行工作。在2 0 0 3 年4 月的纽约国际车展上，丰田推出了采用t h si i 的新一代p r i u s ，使混合动力汽车的发展又向前迈了很大一步。 图卜5t h si i 系统结构 t h si i 系统主要部件有采用a t k i n s o n 循环的高效汽油机、永磁交流同步电 机、发电机、商性能镍氢电池和功率控制单元，见图i - 5 。功率控制单元由高压 电源电路、a c d c 逆变器组成。电源电路将电动机和发电机的电压升至5 0 0v 。 a c d c 逆变器用于电动机、发电机的交流电和混合动力电池的直流电之间的转 换，动力分配装置用于分配、合成和传递发动机、电动机和发电机的机械动力。 1 3 3 4 其他分类方法 根据行驶前后蓄电池组的荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ，s o c ) 变化情况，混 合动力汽车可分为电量维持型和电量消耗型两种。前者蓄电池组容量较小，在行 驶时电池荷电状态保持在一定范围内变动，电池组不需从外部电网充电；后者蓄 电池组容量较大，在行驶一定的里程后，电他需要从外部电网充电。此外，根据 驱动系中组成部件功率问的分配比例，混合动力汽车还可以分为里程延长型、双 模式型和助力型三种。里程延长型混合动力车辆装备较大容量的电池组和小型的 附加车载能源( 如发动机发电机组) 或小功率的原动机( 如内燃机) ，其混 合比较大，适用于对排放严格限制的市区车辆。助力型混合动力车辆的是在普通 内燃机车辆上增加电传动系统，以优化内燃机的工作点，提高车辆的经济性和降 低排放。双模式型混合动力车辆综合了上述两种类型车辆的特点，可以零排放模 式行驶较长的距离。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 4 混合动力汽车提高燃油经济性和降低排放的主要措施 1 3 4 1 限制发动机怠速 发动机平均约有2 0 的时间处于怠速状态，当发动机处于怠速或车辆减速时 将其关闭能降低大约5 忙8 9 6 的燃油消耗。与传统的起动电机相比，混合动力汽 车采用的大功率电动机能快速起动发动机，同时计算机技术和燃油喷射技术的发 展已经有效地解决了发动机的快速起动问题。 3 5 k w 的电机在0 5 s 之内就可以把发动机拖动到正常怠速转速之上，这时 发动机才开始工作，就降低了油耗，减少了燃料的不完全燃烧及由此引起的l c 排放。 1 3 4 2 制动能量回收 传统车辆在减速或者制动时，大部分的车辆动能都以制动蹄片的摩擦、发 动机的机械摩擦和泵气损失等各种形式消耗掉丁。混合动力汽车采甩电机可以回 收车辆的部分动能。制动能量回收的多少与电机的功率和储能装置的容量有关。 1 0 _ _ 2 0 k w 的电机足以回收大部分可回收的车辆动能。制动能量回收的比例必须 与车辆摩擦制动时消耗的能量一致，否则驾驶员进行制动时，车速会下降太快或 者发生点头。制动能量回收一般在车速为1 6 k m h 以下时不起作用，因为低速时 的制动能量回收也易造成车辆点头。 3 4 3 降低发动机排量 车辆行驶时并不总是需要发动机提供峰值功率。在混合动力系统中，电动机 能为发动机提供功率辅助，使在降低发动机的排量时而不影响车辆的动力性。在 给定的负荷下，排量小的发动机摩擦损失、热损失和泵气损失都比较小。 1 3 4 4 提高发动机效率 发动机在低负荷时效率很低，采用混合动力系统可以使发动机尽量工作在高 效区，主要原因是： ( 1 ) 电机能在低速和低负荷时提供助力，使发动机在停车、怠速等工作效率 较低的情况下关闭，减少油耗和降低排放( 基本零排放) ； ( 2 ) 车辆在高速行驶时，由于电机的高转矩特性使发动机在转速较低、效率 较高时仍能维持足够的加速度，电机助力也可减少发动机的瞬态工况； ( 3 ) 电机和变速器的优化匹配使发动机可以运行于高效的工况区域； ( 4 ) 电机的助力便于在进行发动机设计时采用一些革新技术。 1 3 4 5 提高发动机附件的工作效率 在混合动力系统中提高发动机附件的效率也可以提高车辆的燃油经济性， 8 武汉理工大学硕士学位论文 例如空调压缩机、动力转向泵和水泵。目前，大部分的发动机附件都是通过皮带、 齿轮、链条等与发动机机械连接，靠发动机直接驱动，效率很低，采用电机驱动 这些附件时可以使其相对于发动机独立地下作。同时传统车辆的电器附件最高电 压只有1 4 v ，电路系统的损耗较大，导线的成本也较高，而混合动力系统采用高 压电，减少了能量损失( 例如p r i u s 2 0 0 4 电路系统电压为5 0 0 v ，c i v i c 和i n s i g h t 为1 4 4 v ) 。 1 4 电动汽车的仿真技术 国外早在上世纪七十年代，美国、日本、英国和法国等国家都研制出多种电 动汽车仿真软件，它们中大多数软件由于功能单一，仿真效果差，已经被淘汰。 本文将近十年内主要的电动汽车仿真软件的基本情况介绍与对比如下表( 见表 1 - 2 和表1 - 3 ，其中空白栏表示资料不全。在表卜3 的车型栏中c 、，表示传统内燃 机汽车，e v 表示纯电动汽车，h e v 表示混合动力汽车，s h e v 表示串联混合动力 汽车，p h e v 表示并联混合动力汽车，f c v 表示燃料电池汽车) ，这些软件除香港 大学研制的e v s i m ，其它都是美国的大学、研究机构和公司研制的软件。目前国 内己经有少数大学和研究机构在进行电动汽车仿真的研究，并且开发了一些仿真 程序，但是功能单一，尚没有成熟的国产商品化软件出现。 表1 - 2 电动汽车仿真软件基本情况表 软件名称 开发单位 系统平台开发软件年代 s i m p l e v3 0 ( a s i m p l ei d a h 国家工程 e l e c t r i cv e h i c l e 实验室 d o s a s i c 1 9 9 5 s i m u l a t i o np r o g r a m ) c a r s i m2 _ 5 4a e m v i r o n n g m a p p l e 1 9 9 5 公司m a c h i n t o s h h v e c ( a h y b r i d l a w r e n c e 1 9 9 5 、奄h i c l el i v e r m o r e 国家 e v a l u a t i o nc o d e ) 实验室 c s m 胍vc o l o r a d o 矿业 w 妯d o w s m a t l a b s i m u l i n k 1 9 9 6 学校 v - e l p h ( v e r s a t i l e t e x a sa & m 大w 铀d o w sm 棚a h s i m u l i n k1 9 9 1 7 e l e c t r i c a l l y - p e a k i n g 学 h y b r i d ) h l 气r v e l a r g o n n e 国家实 l b m p cp i 1 验室 a d s o r2 0 0 2 可再生能源实 w i m i o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 2 验室 9 武汉理工大学硕士学位论文 e v s i m 香港大学w 铀d o w sm 棚a b ，s i m u l i n k2 0 0 2 p s a t 5 a r g o n n e 国家实 w i n d o w s m a t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 验室 h e v s i m0 p a 卜盯技术公 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 司 c r u i s e 3 oa v l w i n d o w sm 戌na b s h m i i i n k2 0 0 5 表i - 3 屯动汽车仿真软件的功能分析表 软件名称仿真车型功能特色开放性和通g u i 界仿真 用性面 效果 s i 御l e yc v ，e v ，s ( p ) h e w可定义部件模型的参在源代码中交互式好 汽车、客车和货车数，选择道路循环，修改控制方菜单界 以图表的形式报告仿 法很困难。面 直结果。 c a r s i m 与s i i 俨l e t 相似 2 5 4 i v e ce v ，s m l l 设计了燃料电池、飞结构固定，柔菜单界 轮、氢燃料和压缩天 性差。 血 然气等上面软件不具 有的模型 c s mm 1 1 ，唧 具有上面软件不具有易于改变模友好 差 自q 参数分析功能型结构 v e 1 p h e v 。s m l l r ，p h e v 易于改变车辆的配 易于改变部 置 可视化的模型； 拌、燃料和控 模型之间采用标准的制方法的类 数据流通讯。型。 姒r v e lc v ，e v ，m 1 1 ，具有精确的电池模 型和优化设计功能。 a d v i s o r c v ，e v ，s ( p ) h e v ，模型较完善，功能多，易于改变模友好好 2 0 0 2f c t 采用后向仿真算法。型和控制方 汽车、客车和货车法 p s a t5 1c v ，e v ，s ( p ) h e w ， 模型较完善，功能多，易于改变模友好好 f c v 采用前向仿真算法。型和控制方 汽车，客车和货车具有实时仿真和快速法 原型功能 h e v s i m h e v 具有实时仿真和快 对软、硬件具好 速原型功能，虚拟现 有开放和可 实的模型设计方式。 扩展的结构 e v s i m汽车、客车和货车综合了软、硬件的可交互式 视化环境，具有设计菜单界 和优化功能，智能虚面。 拟现实系统 c r u i s ec v ，e v ，s ( p ) h e v ， 模型较完善，功能多，易于改变模友好好 f c v 型和控制方 汽车、客车和货车 法 1 5 本文的研究内容 武汉理工大学硕士学位论文 课题来源于中国汽车技术研究中心与吉利集团联合开发的混联式混合动力 轿车项目。实现混合动力系统设计目标的关键在于首先明确系统结构选择和动力 传动系的合理匹配、优化以及多能源控制策略的设计，然后进行整车运行性能仿 真分析。基于以上考虑，本文的主要进行了以下几个方面的研究： ( 1 ) 根据实际性能需要，确定混合动力汽车的结构型式和关键的总成部件； ( 2 ) 针对混合动力汽车动力传动系组成部件的参数进行选择和合理匹配，提 出了一套比较有效的混联式混合动力系统参数初步匹配的方法。同时对混合动力 汽车驱动系统主要部件的特性进行分析； ( 3 ) 对仿真软件p s a t 进行研究，仿真分析确定模型，并利用p s a t 进行最终建 模； ( 4 ) 对与本车的动力分配机构进行了研究分析； ( 5 ) 对建立的模型进行性能分析； ( 6 ) 对于混合动力整车系统效率的影响因素进行了分析研究。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章混合动力整车设计方案 在开发混合动力汽车之前，首先，对于现在已有的混联式结构进行一定的研 究，对于混合动力的经典车型进行分析研究借鉴。然后根据我们整车系统的需求 分析，确定整车的结构形式和关键的总成部件。在整车设计方案确定下来之后， 如何制定和设计控制策略是实现混合动力汽车低油耗低排放目标的关键所在。在 满足汽车的动力性能和其他基本性能以及成本等要求的前提下，针对各部件的特 性和汽车的运行工况，能量控制策略要实现动力源的能量在发动机、电机之间的 合理而有效分配，以使整车系统效率达到最佳，并且获得最大的燃油经济性、最 低的排放以及平稳的驾驶性能。 对于目前混合动力汽车来说，混合动力汽车的多能源管理控制策略通常是根 据电池的s o c ，驾驶员的加速踏板和制动踏板位置、车速和驱动轮扭矩等参数， 按照定的规则使发动机和电机输出相应的扭矩，以满足驱动轮扭矩的需求。 汽车驾驶员作为操纵者，其意图必须经过车辆控制系统实现。从目前发表的 相关论文可知，对驾驶员的方向盘输入的模型已有较深入的研究。而对混合动力 汽车而言，除驾驶员方向控制模型外，其对驾驶员的输入完全不同于内燃机汽车。 在内燃机汽车中，驾驶员通过急加速踏板直接控制节气门开度。而对于混合动力 汽车而言，踏板不仅控制发动机而且还控制电机。至于如何控制两者? 这正是混 合动力汽车能量控制策略设计的关键之处。 要实现整车的仿真，必须找到合适的仿真平台。我国由于在汽车设计方面的 力量相对薄弱，如果从头开始开发新的仿真软件，投资大，周期长，不能解决目 前我国企业在开发电动汽车过程中的燃眉之急。因此，采用p s a t 作为仿真平台 来开展研究工作，是一种切实可行的有效途径。我们可以在p s a t 基础上进行二 次开发，利用其中现有的大部分模型，仅对少数不符合使用要求的模型进行 改造或重新建模。 2 2 目前主要几种形式的混联式结构 根据项目需求，本车开发为一套混联式机构，则对当前存在的几种混联式机 构进行分析。 2 2 1 切换式混合动力汽车 武汉理工大学硕士学位论文 采用该种布置形式时，利用离合器的断开与结合可使该系统在串联系统和并 联系统之间切换。如图2 - 1 所示，当汽车在城市里行驶时，要求低负载和低排放， 可断开离合器，系统工作在串联模式。而当高速行驶时，有较高的负载要求，串 联系统由于发动机的高功率输出而不能有效工作，于是离合器结合，变为并联系 统。 广- 一_ - 一1 一一l 一一一一一l 一一一一一1 ，_ 图2 - 1 切换系统布局形式 2 2 2 分路式混合动力汽车 图2 - 2 分路式系统布局 车辆采用分路系统布置形式，在任何时候都能作为串联和并联系统同时使 用。如图2 2 ，发动机输出的能量经行星轮机构分离后分别流经串联系统( 从发动 机到发电机) 和并联系统( 从发动机到驱动轮) 。它能通过发电机控制发动机转速， 同时通过并联系统保持发动机与驱动轮的机械连接。这种驱动布置形式结构紧 凑，具有较高的传动效率。丰田的p r i u s 混合电动轿车就是这种驱动形式的成功 典范。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 华沙工业大学的混联结构 图2 - 3 华沙工业大学的混合动力系统 如图2 3 所示，在这种混合动力系统中同样使用的是行星齿轮差速机构，不 同的是在这种动力系统中只有一个电机，既可以作为驱动电机也可以作制动回收 能量的发电机。齿圈与电机轴通过齿轮相联，该齿轮与电机之间有轴制动器i i 。 发动机与太阳论相联，两者之间有离合器和制动器i 。行星架与驱动桥上的差速 器相联。 这种结构可以实现无极调速，却无法实现发动机转矩与电机转矩的直接叠 加。但是输出转矩却大于发动机和电机的单独输出的转矩。这种结构需要电机有 较大的转矩。这种结构与丰田p r i u s 的结构相比，结构上简单一些，在制造工艺 和控制上都更容易一些，性能也较差一些。 2 2 4 其他新出的几种混联方案 ( 1 ) 方案一 如图2 4 所示，该方案把行星齿轮作为动力复合装置的基本构架，是一种扭 矩叠加式的传动方案。发动机可以直接将动力传给变速箱，同时电动机的扭矩也 直接加到变速器的输入轴上，以减轻发动机的负担。尤其当汽车上坡或加速时， 发动机和电动机同时对其后面的传动系输出动力，可使汽车达到单独发动机驱动 时所不能达到的动力性。这样就可以降低发动机的最高功率，达到节省燃油的目 的。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 一种混联式驱动系统 图2 5一种混联驱动系统 ( 2 ) 方案( 二) ( 华南理工大学提出的一个) 图2 - 5 所示的新型混联驱动系统实质上是切换式系统的一种优化，在发电机 的前端增加了一个离合器，使控制更加简便，提高了整个系统的效率。 2 3 对p r i u s 实车的逆向试验分析方法 图2 - 6p r i u s 实车分析照片 作为目前最成功的商业化的混合动力车。p r i u s 可以说是混合动力研究中的 一个里程碑式的车型，对其进行前期的实车研究，对开发新的混合动力车控制策 武汉理工大学硕士学位论文 略和实车装备进行借鉴。在吉林大学的底盘测功机上对其进行了研究。试验照片 如图2 - 6 所示。 2 3 1 整体方案 主要的数据采集流程如图2 - 7 所示，除发动机转速外，所有信号输入到安装 在工控机内部的信号采集卡，采集卡每0 0 5 秒采集一次数据，利用v c 编写的上 图2 7数据采集系统结构框图 位程序，将数据显示到屏幕上并保存到硬盘。尾气分析仪通过感应发动机点火线 圈产生的周期性电脉冲来测量发动机曲轴转速，每0 7 秒采集一次转速值，通过 r s 2 3 2 接口输入到工控机，尾气分析仪自带的监控软件负责数据显示和存储。在 工控机中，上位程序数据以时间为基准，生成宰t x t 文件，将木t x t 文件导入 o r i g i n 7 软件，再对数据进行处理，生成以时间轴为横坐标的曲线。 2 3 2 采集方法： 图2 - 8 油门踏板采集图2 - 9 制动踏板采集 所有进入采集卡的信号再正式试验前已经过标定。 武