（光学工程专业论文）并联混合动力城市客车动力系统研究与优化.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 汽车工业的发展，促进了人类文明和社会经济的快速发展。目前，全世界 汽车的保有量将近8 亿辆，并且还保持了快速增长的势头。但是，随着汽车保 有量的不断增加，排放的废气使空气的质量日益恶化和能源的渐趋匮乏，其中， 由于城市客车运行在城市工况下，行车速度慢，并且频繁处于起步、制动和怠 速状态，导致传统的内燃机客车的油耗大，排放高。因此，开发低排放、低油 耗的新型城市客车成为当今汽车工业的紧迫任务。 电动汽车在目前情况下的致命技术缺陷使其在短期内还不可能产业化，在 这种情况下，开发融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 有利于解决环境、能源等可持续发展战略所要求 解决的问题。 本文通过分析现有各种混合动力汽车结构型式和不同混合度混合动力汽车 的特点后，并结合城市客车运行环境和特点，提出了一种中度混合并联混合动 力城市客车动力系统的机电耦合方案，并选用了技术比较成熟的电控柴油发动 机、交流感应电机和镍氢电池等部件。文中对动力系统所涉及到的主要子系统 ( 如发动机、电机、电池和变速器) 的工作特性进行了介绍，并运用 m a t l a b s i m u l i n k 软件为动力系统各主要部件及整车建立了数学模型。 在分析所提出的动力系统机电耦合方案的工作模式及能量流的基础上，结 合模糊逻辑控制理论为该混合动力城市客车制定了符合e c e e u d c l o w 工况下的 模糊控制策略，包括驱动模式和制动模式两种模式下的控制策略，并运用 m a t l a b s i m u l i n k 软件为所制定的模糊控制策略建立数学模型。 在介绍a d v i s o r 2 0 0 2 仿真软件的工作原理后，运用该软件为所设计的混合 动力城市客车进行了性能仿真，通过性能仿真验证了所设计的动力系统及各主 要部件的性能能够满足整车的设计要求。在分析了整车性能仿真结果后，采用 m a t l a b 和a d v i s o r 2 0 0 2 以最小化各主要部件功率为目标，对所设计的动力系统 进行了优化：以最小化燃油消耗为目标，对控制策略进行了优化。并通过优化 前后整车性能仿真结果的对比，验证了优化后整车能够满足设计要求，同时也 达到了所提出的优化目标。 关键字：并联混合动力，城市客车，控制策略，仿真，优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l ei n d u s t r yb r i n g st h ef a s td e v e l o p m e n to fh u m a n c i v i l i z a t i o n sa n ds o c i a le c o n o m y n o w a d a y s ，t h e r ea r e0 8b i l l i o nc a r sa l lo v e rt h e w o r l da n dt h e r ew i l lb em o r ea n dm o r ec a r sa st i m eg o e sb y b u ta st h ei n c r e a s eo ft h e n u m b e r , e x h a u s tg a sa l s ob r i n g st h ed e t e r i o r a t i o no fa i rq u a l i t ya n dt h es h o r t a g eo f e n e r g y t h ec i t yb u st r a v e l ss l o w l yi nt h ec i t y , a n ds t a r t s ，b r a k e s ，i d l e sf r e q u e n t l y , t h e s ea l ll e a dt ot h eh i 【g ho i lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s s o ，i ti se m e r g e n tt oi m p r o v e an e wk i n do fb u s ，w h i c hl e t sl e s sw h i l ec o n s u m e sl e s s b e c a u s eo ft h er a t a lt e c h n i c a ld e f e c t s e l e c t r i cv e h i c l e sc a nn o tb ei n d u s t r i a l i z e d i nt h es h o r tt e r m s o ，i m p r o v i n gt h eh e vi sg o o df o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo f c i r c u m s t a n c e sa n de n e r g y t h i st e x th a sp r e s e n t e da ne l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gp r o g r a ma n dc h o s e ns o m e c o m p o n e n t si n c l u d i n gt h e d i e s e le n g i n e s ，a ci n d u c t i o nm o t o ra n dn i c k e l 。m e t a l h y d r i d eb a t t e r i e so nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r a lt y p e sa n d m i x e so f t h ee x i s t i n gh y b r i dv e h i c l e s i nt h i sp a p e r , i th a v ei n t r o d u c e ds o m em a j o rs u b s y s t e m s ( s u c ha se n g i n e s ， m o t o r s ，b a t t e r i e s a n d t r a n s m i s s i o n ) o f t h e p o w e rs y s t e m ，a n d u s e dt h e m a t l a b 7 s i m u l i n kt oe s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lf o rc o m p o n e n t sa n d v e h i c l e t h i sp a p e ra l s oh a v ed e v e l o p e daf u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi nt h el i n ew i t h e c e e u d c l o wf o rt h eh y b r i dc i t yb u s ，i n c l u d i n gf o rt h ed r i v em o d e la n dt h e b r a k em o d e l a n du s e dt h em a t l a b s i m u l i n kt oe s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e l f o rt h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yo nt h eb a s i so ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gp r o g r a m a n df u z z yl o g i cc o n t r o lt h e o r y a f t e ri n t r o d u c i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa d v i s o r 2 0 0 2 ，t h i sp a p e ru s e dt h e s o f t w a r et os i m u l a t et h eh y b r i de l e c t r i cc i t yb u sa n dh a v ev e r i f i e dt h a tt h ep o w e r s y s t e mc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a ss o o na st h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h e r e s u l to fs i m u l a t i o na n do p t i m i z e dt h i ss y s t e m a f t e rt h ec o n t r a s to ft h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h i sp a p e rh a sv e r i f i e dt h a tt h eo p t i m i z e dm o d e lc a na l s oc a t c ht h ed e s i g n r e q u i r e m e n ta n dt h en o r m a l i z e do b j e c t i v e k e yw o r d s ：p h e v , c i t yb u s ，c o n t r o ls t r a t e g y , s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盛煎丛日期：幽：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：尘趁墨导师签名：彳(璐 j 1 7 1 期：逖叟世 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 课题研究的目的 构建混合动力汽车动力系统，制定和优化其控制策略，是混合动力汽车开 发中的关键技术。本课题的研究目的是构建满足某城市工况下中度混合的混合 动力城市客车动力系统；围绕整车动力、经济性能需要，以及废气排放的要求 进行动力系统设计，并给出符合实际要求的多能源控制策略；同时，结合当前 混合动力汽车优化技术，对所设计的混合动力城市客车动力系统及控制策略进 行优化。 1 1 2 课题研究的意义 汽车工业的发展，促进了人类文明和社会经济的快速发展。目前，全世界 汽车的保有量将近8 亿辆，并且还保持了快速增长的势头。汽车与人们的生活 已经密不可分了。但是，随着汽车保有量的不断增加，排放的废气使空气的质 量日益恶化和能源的渐趋匾乏，其中，大中城市的客车对城市的空气质量影响 是较大的。因此，开发低排放、低油耗的新型城市客车成为当今汽车工业的紧 迫任务。 使用电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 可以实现零污染，并且可以 使用非石油资源，因此电动汽车成了解决汽车污染和排放问题的最佳途径。但 是，由于电动汽车的关键技术一电池技术的制约，电动汽车的性价比还远未达到 推广应用的标准。主要障碍是：电池的能量密度较低，电池组的质量和体积比 较大，导致电动汽车的续驶里程和动力性能无法达到当前内燃机汽车的水平。 此外，电动汽车空调和暖风的选用必须充分考虑其能量消耗对电动汽车续驶里 程的影响，乘员的舒适性受到限制，充电站的建设投资巨大，电池组的价格较 贵，使用寿命有限，频繁更换电池的成本使用户难以接受。 电动汽车在目前情况下的致命技术缺陷使其在短期内还不可能产业化，在 这种情况下，开发融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 有利于解决环境、能源等可持续发展战略所要 武汉理工大学硕士学位论文 求解决的问题。目前国内外专家基本上达成共识：混合动力汽车不只是电动汽 车的一个过渡阶段，而是汽车工业即将面临的一场新的革命。 1 2 国内外相关研究的现况及存在的问题 1 2 1 国外相关研究的现况 ( 1 ) 现在美国有3 0 多家的组织机构使用混合动力城市客车技术。目前美 国发展中重型混合动力技术的公司有b a es y s t e m s 、e a t o n 、e b u s 、g m - a i - 1 i s o n 、 i s er e s e a r c h 以及o s h k o s h 等，其产品分别用于城市客车或重型货车。表1 - 1 列出目前正在进行的a v t a 混合动力城市客车的概况【4 1 。 表1 - 1正在进行a v t a 的混合动力城市客车概况 运输机构纽约市政运输局金县城市交通局印第安纳波利斯公 共交通公司 车型 o r i l lv i in e wf l y e rd e 6 0 l fe b u s 长宽高( m )1 2 2 0 0 2 5 9 0 3 3 5 01 8 5 0 0 2 5 9 0 3 3 5 06 7 0 0 2 3 4 0 2 61 0 车辆总质量整车整 1 9 2 9 6 1 4 4 4 2 3 0 2 9 5 2 0 2 3 08 8 4 5 6 5 7 8 备质量( k g ) 乘客数( 人) 4 4 5 82 2 座+ 1 轮椅 发动机及排量( l ) c u m m i n si s b ，5 9 c a t e r p il l a rc 9 ，8 8c a p s t o n em o d e l3 3 0 m i c r o t u r b i n e 最大功率( k w 2 0 1 2 5 0 02 4 6 21 0 0额定功率3 0 k w ( r m i n ) ) 最大转矩( n m 8 9 4 1 6 0 01 4 2 0 1 3 0 0最高车速6 4 4 k m h ( r m i n ) ) 燃油超低硫柴油超低硫柴油柴油 驱动系统串联式并联式串联式 电机 交流感应电机， 交流感应电机， 交流感应电机，额定功率3 3 5 k w 额定功率7 5 k w ， 空冷发电机永磁电机， 峰值功率1 5 0 k w 额定功率2 1 4 k w 蓄电池铅酸电池镍氢电池4 8 块镍镉电池 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 日本三菱汽车公司开发了串联型的一级踏步低地板混合动力客车， 主要应用于人员流动大交通繁忙的地区。该客车发动机为8 2 l 柴油机，电机 功率为1 5 0 k w ( 2 个7 5 k w 电机) ，发电机功率为l o o k w ，锰系锂离子电池2 1 k w h 。 日本日野公司( h i n o ) 生产的h i m r 混合动力驱动系统是专为货车和客车 市场设计的，该系统中三相交流电机装在发动机飞轮里。通过电机在起动和 加速时的辅助作用，使该系统可降低n o 。约2 0 一3 0 ，黑烟7 0 ，微粒5 4 ， 另外还可降低噪声。此外，该系统可以使车辆更快地减速以及提高燃油经济 性【5 1 。 ( 3 ) 德国的w e s e la n ds t u t t g a r t 从1 9 7 6 1 9 8 5 年使用了2 0 辆混合动 力城市客车。该车辆由m a n 和d a i m l e rb e n z 的城市客车公司改造，为串联式 结构，使用传统的直流电机和发电机，铅酸蓄电池，以及一个小的柴油发动 机。这些车辆成功使用了1 0 年，示范运营显示出车辆有良好的加速性能，低 噪声，低排放。然而，直流电机的低效率使整车燃油消耗没有得到降低1 5 j 。 ( 4 ) i v e c o 和a n s a l d o 为意大利的热那亚市设计制造了1 0 辆混合动力城 市客车。该车使用2 5 l 、3 6 7 8k w 的柴油机和3 5k w 的发电机，车轮由一个 1 1 0k w 的感应电机通过减速装置驱动。从1 9 9 6 年开始，热那亚市公交使用这 些混合动力城市客车进行正常运营。该车在整个行驶循环中3 0 的时间单独使 用蓄电池供电电动机驱动。到1 9 9 7 年时，还有6 0 的车辆能使用，最主要的 问题是蓄电池和柴油机的匹配。通过底盘测功机测试，在欧洲城市工况循环 下，排放降低了8 0 。然而，燃油的经济性并没有得到提高【5 l 。 ( 5 ) 丹麦的s c a n i a 也制造了许多混合动力城市客车，其中有6 辆在1 9 9 6 年提供给g r e a t e rs t o c k - h o l m 公交，还有3 辆提供给l u x e m b o u r g 。l u x e m b o u r g 的3 0 座城市客车使用2 0 l 大众的发动机，a 1 1 i s o nt r a n s m i s s i o n 串联式混 合动力系统。发动机运行在恒定转速以降低排放，发电机为铅酸( v r l a ) 蓄 电池充电。驱动系统由两个感应电机和减速齿轮组成。该车的最高时速为 6 5 k w h ，可使用纯电动模式驱动p j 。 1 2 2 国内相关研究的现况 2 0 0 7 年9 月8 日，首批3 0 台东风混合动力电动公交车正式交付武汉用户， 这标志着我国第一款自主研发的电动公交车实现了批量生产、销售。东风混 合动力电动公交车采用1 1 米东风客车底盘，其驱动系统装载康明斯电控柴油 3 武汉理工大学硕士学位论文 发动机，风冷式开关磁阻电机和高性能镍氢电池作为辅助动力，以并联方式 参与驱动。内设可靠的强电安全系统，智能仪表可实时显示整车工作状态和 故障模式。与装备六缸发动机的燃油客车相比，该车动力性能大致相当，最 高车速大于8 0 k m h ，但能大幅减少尾气排放( 约5 0 左右) ，燃油消耗可降低 3 0 以上，车外噪声也减少2 分贝。不过要进一步实现商品化，还存在许多问 题，首先还是造价，由于混合动力汽车造价高于传统汽车，在产业发展初期， 传统汽车生产商和消费者都难以有足够的动力生产和购买，最重要的推动力只 能来自政府，目前国际流行的解决之道是政府补贴；其次，由于电动汽车有关 技术法规尚未健全，且没有公告目录管理程序，电动汽车道路行驶准入问题迟 迟得不到解决，已经影响到了我国电动汽车的研究开发、试验示范运行1 6 j 。 一汽“解放牌混合动力城市客车研究开发”项目由国家“8 6 3 计划电动 汽车重大专项资助。目前已完成样车开发，试制整车7 辆，其中2 辆已投人 长春市示范运行。c a 6 1i o h e v 动力总成采用双轴并联结构，装配d e u t z 全电控 欧i i i 发动机、机械式自动变速器( a m t ) 交流异步感应电机、镍氢动力电池组 等；同时整车控制单元、发动机控制单元、a m t 控制单元、电机控制单元、电 池控制单元通过c a n 总线进行通信，以实现传感器测量数据的共享、控制指 令的发送和接收等，并使各自的控制性能都有所提高，从而提高系统的控制 性能。实现整车排放降低3 0 ，百公里油耗在北京城市循环下为2 5 9 l ，比原 车型降低3 8 ，加速时车外最大噪声为8 0 d b ( a ) 1 7 j 。 福田汽车在2 0 0 6 年推出了欧v 1 1 米混合动力客车，该车采用并联结构， 装配康明斯电控柴油发动机、美国伊顿公司锂离子电池和永磁同步电机。其 工作原理是，柴油发动机与电动机一起工作，在启动、加速、上坡时两套系 统同时出力；制动时能量逆向存入蓄电池；平稳行驶时由蓄电池驱动电动机 单独输出动力。该车o - 5 0 k m h 加速时间仅2 2 5 秒，与同类车辆相比加速时间 可缩短2 0 ；在满足加速性能的前提下工况油耗仅为2 8 3 l l o o k m ，同比节油可 达3 3 ；同时该车电池寿命可达8 年，确保了车辆的长时间运营。 上海交大神舟汽车设计开发有限公司与上海交通大学合作开发的液压混 合动力城市公交车。液压混合动力客车的工作原理是：在公交车进站停车、 遇红灯停车及遇到其他情况制动时，液压泵将公交车的动能转化成液压能储 存在液压蓄能器中( 制动能量回收) ；在公交车起步、加速时，释放液压蓄能 器中的液压能，液压马达先驱动公交车行驶( 回收能量释放) ，待能量放完后 4 武汉理工大学硕士学位论文 发动机才参与工作【引。 1 2 3 存在的问题 混合动力汽车的进一步发展，实现产业化，以下一些关键技术仍有待解决： 第一、机电耦合的集成度 高度集成的机电耦合系统具有结构紧凑、可靠性高，体积相对较小，有利 与传统汽车底盘接口，有利于增加整车的空间；便于控制，整体效率高；使 用简单、方便，有利于市场化；降低批量生产后的成本等优点。因此开发高 度集成的机电耦合系统是非常必要的，目前日、美等国在这方面已有产品投 向市场。如采用汽油机和行星齿轮变速结构的丰田p r u i s 混合动力发动机系 统；采用发动机+ 薄形( 或盘式) 电机的本田i n s i g h t 混合动力发动机系统等。 而目前我国在这方面的研究还没有取得实质性进展。 第二、能量管理系统 混合动力城市客车涉及到新型的驱动方式和多种能源管理，如何优化车辆 各系统的配置和车辆在不同工况下的控制策略是保证车辆性能的关键。目前， 国内大多数整车生产企业还缺乏集成相关系统的技术和能力，以及必要的测 试手段【引。 第三、电池技术 混合动力汽车电池的使用状况不同于电动汽车，在工作中电池处于非周期 的充放电循环中，要求电池的充放电速率和效率都比较高。因此，混合动力 电动汽车用电池不仅需要高能量密度，而且还需要高功率密度。开发高性能、 低成本、寿命长的电池，仍然是混合动力汽车发展需要解决的关键问题【1 0 。 第四、制造和运营成本 混合动力城市客车的制造成本将增加较多( 比柴油公交客车大约增加 3 0 ) 。同时，由于动力蓄电池的寿命有限和需要维护的项目增加，混合动力 城市客车运营的维护费用也将增加。另外，运营企业也需要配备必要的维护 设备，也将导致运营成本的提高i9 1 。 第五、相关标准和法规 目前我国还未制定完善的混合动力汽车相关标准和法规，因此应尽快制定 完善的混合动力汽车相关标准和法规，为混合动力汽车市场化奠定基石出1 1 1 l 。 5 武汉理工丈学硕士学位论文 13 混合动力汽车混合度概述 131 混合度r 定义 所谓的混合度( r ) 是指整车电系统功率占总功率的百分比。 动力驱动系统混合度r 定义为： r 土 p + 乓 串联式混合动力驱动系统混合度r 定义为： 月土 乓+ 岛 并联式混合 ( 1 - 2 ) 式中：r 一混合度( 0 r 1 ) ； 乓一电机功率 k w hb 一发动机功率( h ) ： b 一电池组功率( k w ) ；弓一发电机功率( k w ) 。 132 混合动力汽车混合度分类 因为混合动力系统可以认为是传统驱动系统又搭载了电驱动系统，因而 可以根据搭载电机的功率或混合度r 的大小，大致确定车辆的混合化程度， 如图卜i 所示。 翌一 。- _ _ 。_ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 ) ：0 0 r - _ _ _ _ - b i 9 一 - - - - _ - ；童麓詈，暑# 最o 能呢o ， 图卜l 混合动力汽车按混合程度分类示意 武汉理工人学硕七学位论文 根据混合度r 的太小，并联式混合动力汽车动力系统又可分为三种基本 类型：电助力型、双模式型和续驶里程延伸型，如图卜2 所示。并联助力型 混合动力汽车的设计思想为在传统汽车上增加电传动系统以优化发动机的工 作特性，提高车辆的燃油经济性和降低排放，具有良好的节能潜力：续驶里 程延伸型混合动力汽车的设计思想为在普通电动汽车上增加车载能源，并及 时为电池组充电或承担部分的车辆行驶功率，减少电池组的能量消耗，延长 电动汽车的续驶里程，通常适用于对排放严格限制的市区车辆：双模式型混 合动力汽车综合了上述两种类型的特点，可以以零排放模式行驶相当长距离， 但其系统复杂，成本较高旧。 图卜2 并联混合动力汽车按混合度分类 1 4 并联混合动力汽车结构型式及控制策略 由于混合动力汽车采用2 种或2 种以上的动力源作为动力装置，它的各个 组成部件、布置方式及控制策略的不同因而形成了各式各样的结构型式。混 合动力汽车的分类方法也有多种。根据动力源的数量及动力传递方式的不同， 分为串联型( s h e v ) 、并联型( p i i e v ) 和混联型( p s h e v ) ：根据发动机和电机的 功率比的太小，分为里程延长型、动力辅助型和双模式型：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 是否柿置在同一轴线上，分为单轴式和双轴式；根据蓄电池组的荷电状态s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 的变化情况，又可分为荷电消耗型和荷电维持型。 控制策略是混合动力汽车的核心，它根据汽车行驶过程中对动力系统的能 武汉理工大学硕士学位论文 量需求，动态分配发动机与电机系统的输出功率，使发动机尽量工作在最优工 作区，从而达到减低能耗，改善排放的目的。控制策略往往随着结构型式的不 同而不同。 本文主要研究中度混合并联混合动力城市客车动力系统及其控制策略，因 此下面将主要介绍并联混合动力汽车结构型式及其控制策略的现况。 1 4 1 并联混合动力汽车结构型式 并联式结构有内燃机和电动机两套驱动系统它们可分开工作也可一起协调 工作，共同驱动。所以并联式混合动力电动汽车可以在比较复杂的工况下使用， 应用范围比较广。并联式结构由于电机的数量和种类的不同、传动系统的类型、 部件的数量( 如离合器的数量) 和位置关系( 如电机与离合器的位置关系) 的 差别，具有明显的多样性。结构上可划分为两种形式，单轴式和双轴式。典型 并联式混合动力电动汽车驱动系统如图卜3 所示。 图1 - 3 并联混合动力汽车动力系统结构型式 并联式混合动力电动汽车的结构布置形式和控制方式具有以下特点： ( 1 ) 由于发动机保持了与机械驱动系统的机械连接，与串联驱动系统相比， 并联驱动系统的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，这使得并联式的燃油经济性一般比串联的要高；同时，发动机与驱动系 统之间的机械连接，使得发动机的运行工况要受到汽车行驶工况的影响，当汽 车行驶工况复杂时，发动机可能较多地在不良工况下运行。因此，并联驱动的 排放比串联驱动的要差。 ( 2 ) 发动机与电动机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加起 来满足汽车行驶时的功率要求。因而，系统可采用小功率的发动机与电动机， 8 武汉理工大学硕士学位论文 使得整车动力总成尺寸小，质量也较轻。但发动机和机械驱动系统的机械连接 使得机械装置较复杂，增加了整车布置的难度。 ( 3 ) 该布置形式适于路况简单的城市间公路及高速公路行驶的车辆。当汽 车进入市区行驶时，关闭发动机，进入电动状态；当汽车在市郊公路行驶时， 关闭电动机，由发动机直接驱动。 1 4 2 并联混合动力汽车控制策略分类 并联混合动力汽车多能源系统一般的控制策略通常是根据电池的s o c 状态、 发动机的节气门位置、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、低燃油消耗 和低排放的要求。 目前用于并联混合动力汽车的控制策略一般有逻辑门限控制策略( 电力辅 助驱动式控制策略) 、自适应式控制策略( 实时控制策略) 、模糊逻辑控制策略 和神经网络控制策略等【1 3 】。下面主要介绍前三种控制策略： 1 4 2 1 电力辅助式控制策略 在电辅助驱动控制策略中，利用电动机提供额外功率，并要保持电池的荷 电状态处于允许的工作范围。具体的控制策略如下： ( 1 ) 当车速低于某一最小车速时，电动机提供全部的驱动力； ( 2 ) 当转矩需求高于发动机在给定转速下转矩最大值时，电动机提供额外 的驱动转矩； ( 3 ) 当发动机在给定的车速上效率很低时，发动机关机，由电动机提供驱 动转矩； ( 4 ) 当电池s o c 过低时，发动机提供额外扭矩带动电机工作对电池充电； ( 5 ) 回收制动能量，为蓄电池充电。 电辅助控制策略的出发点是保证发动机工作在较高效率区，由电动机来提 供余下的功率，没有考虑到电机的效率和发动机产生的机械能转化为电能的效 率。 1 4 2 2 自适应式控制策略 这种控制策略兼顾了燃油经济性和发动机废气排放两方面的性能，在每一 9 武汉理工大学硕士学位论文 个时间段内都对发动机和电动机的转矩分配进行优化控制。主要特点如下： ( 1 ) 当车速低于某一最小车速时，由电机提供全部驱动力； ( 2 ) 当车速大于最小车速，并且行驶需要扭矩小于电机的最大扭矩时，根 据发动机的燃油消耗率和当前电池的s o c 值来决定动力源； ( 3 ) 当行驶需要扭矩大于电机的最大扭矩，并且小于发动机在给定转速下 所能产生的最大扭矩时，由发动机独自提供全部驱动力。发动机是否驱动电机 对电池充电，取决于电池的s o c 以及此时电池和电机的效率； ( 4 ) 当行驶需要扭矩大于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时，由 电机提供扭矩助力： ( 5 ) 减速时回收制动能量。 该控制策略可以将汽车的优化设计结合发动机、排气装置、电动机和蓄电 池的瞬时效率能耗和尾气排放，根据用户定义的燃油经济性和排放目标，由发 动机、电动机及蓄电池的状态和可回收的制动能量等条件，动态调整控制策略。 1 4 2 3 模糊逻辑控制策略 模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机和蓄电池的工作效率来 实现混合动力系统的整体效率达到最高。模糊逻辑控制策略目标与实时控制策 略类似，但是与实时控制策略相比，模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点。 双输入模糊逻辑的两个输入分别为：( 1 ) 整车的需求功率和当前转速下发 动机最优功率的差值；( 2 ) 蓄电池组s o c 值的估计值。模糊控制器对两路输入 信号进行模糊运算，经清晰化运算后得到两个比例控制系数w | 和w ：，分别控制 发动机和电机的控制器。 输入变量隶属度函数的设计主要根据发动机、蓄电池和电机的工作效率图， 确定各自高效运行的模糊集。各变量的隶属度函数为调整方便可以选用正态函 数或者0 - 1 范围内的梯形图。 在确定出各输入变量的量化等级和隶属度函数后，就可以列写出模糊控制 规则，所掌握的规则越多，对系统的描述就越清晰，控制结果也就越接近最优 值。以发动机最优效率为目的的模糊控制规则的主要意图是： ( 1 ) 所需功率近似为当前转速下发动机最优功率时，电机基本不工作； ( 2 ) 所需功率大于最优功率一定值时，发动机工作点位于最优工作点附近， 余下部分的功率由电机提供，同时使电机运行效率也在较高范围内； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 所需功率小于最优功率一定值时，发动机工作点位于最优工作点附件， 发动机多出部分的功率给电池充电； ( 4 ) 车辆起动或车速小于限定值时，由电动机单独驱动； ( 5 ) s o c 超出限定值时，采取相应措施，使其回到正常范围。 模糊逻辑控制策略也可以以兼顾发动机最低排放和最优效率为目的， 修改各自权重值大小可以动态调节排放与效率的优先级。 1 4 3 并联混合动力汽车控制策略研究现状 由于逻辑门限控制策略快速简单、实用性较强，目前大多数的并联混合动 力汽车均采用逻辑门限控制策略，即将电机作为辅助动力源，根据运行工况提 供峰值转矩或在发动机转矩富余时以发电机模式工作。例如本田i n s i g h t 的转 矩分配控制策略和雪铁龙x s a r a 的并联控制策略都属于这种控制策略。尽管逻 辑门限控制策略优点很多，但这种控制策略只能限制发动机工作在相对较高的 区域，无法达到最优，所以还有进一步改进的空剐捌。 自适应控制策略是对每一时刻驱动能量在电机和发动机之间的分配进行优 化，以按照目标综合提高整车的燃油经济性和排放性能，因此其燃油经济性要 优于其它控制策略，现已成为热点研究的问题。但是自适应控制策略过分依赖 于各个部件的性能特性的精确性，并且受电池老化、发动机的动态特性等的影 响，在实际应用中很难达到这一目树1 3 j 。 模糊逻辑控制策略的主要目标是保证发动机工作在高效区，通过对输入输 出参数分别进行模糊化和反模糊化处理，避免了常规控制方法中复杂的查表和 插值计算，能够提高相应速度和控制精度。相比较而言，模糊逻辑控制策略鲁 棒性强、实时性好，具有很强的实用性，而且能够克服许多其它控制策略的不 足之处，如果能够与神经网络相结合，将极具推广应用价值。采用模糊逻辑控 制方法需要采集和运算的资料量非常大，特别是要采集大量的发动机运行资料 计算发动机的最佳油耗点和最佳排放点，并在运行中跟踪两点数值的变化，使 控制系统的软件和硬件相对复杂1 1 4 j 。 1 5 本文的主要研究内容 ( 1 ) 通过分析城市客车的使用环境和工作特点，提出一种中度混合的并联 武汉理工大学硕士学位论文 混合动力城市客车的机电耦合方案； ( 2 ) 根据现有技术和产业资源为该并联混合动力城市客车动力系统制定符 合某城市工况的控制策略； ( 3 ) 以m a t l a b s i m u l i n k 为工作平台，建立所提出的混合动力城市客车动 力系统和制定的控制策略的模型； ( 4 ) 结合m a t l a b 软件和a d v i s o r 2 0 0 2 软件，以最小化各主要部件功率为目 标，对动力系统主要部件的结构参数进行优化；以最小化燃油消耗为目标，对 控制策略进行优化。 ( 5 ) 分析优化结果并对该混合动力城市客车动力系统主要部件的结构和工 作参数进行修改。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章动力系统设计与建模“ 由于城市客车运行在城市工况下，并且一般是在特定线路，固定时间运行， 且每天的行驶里程较为固定，因此行车速度慢，并且频繁处于起步、制动和怠 速状态。在这种情况下，传统的内燃机客车的油耗大，排放高。相反，混合动 力城市客车则可以发挥其优势。 在典型的城市工况循环，混合动力城市客车的各项排放指标均比传统客车 好，油耗降低、噪声小、工作平顺、加速性能好以及制动柔顺等。同时混合动 力城市客车的应用范围广泛，在学校、公园、城市交通等领域都有用武之地， 因此极具发展潜力1 2 5 j 。本章提出了一种适合于某城市工况下中度混合并联混合 动力城市客车动力系统方案。 2 1 动力系统总成及主要部件特性 2 1 1 整车的主要技术参数 根据城市客车的使用环境和汽车相关法规要求，提出本文所设计的中度混 合并联混合动力城市客车整车的主要技术参数如表2 - 1 所示。 表2 - 1 整车的主要技术参数 外部尺寸( 长宽高) ( m m )1 1 4 0 0 幸2 5 4 0 + 3 1 5 0 整车整各质量( k g ) 1 0 5 0 0 最大总质量( k g ) 1 5 5 0 0 轴距( r a m )5 6 5 0 前轮距，后轮距( m m )2 0 2 0 1 8 6 0 座位数( 个)3 6 额定载客数( 人) 7 6 最高：乍速( k m h )乏9 0 最大爬坡度( ) 芑2 0 2 1 2 动力系统布置方案 通过分析第1 章中所阐述并联结构的特点，并与其他结构型式进行比较， 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 确定本文设计的混合动力城市客车动力系统采用并联式结构型式，其布置方案 如图2 - 1 所示。本系统选用了玉柴电控柴油发动机、镍氢电池、三相交流异步 感应电机和机械式自动变速器。其工作模式及能量流向主要有以下几条线路： ( 1 ) 发动机单独驱动：发动机一离合器一自动变速器一驱动桥一车轮； ( 2 ) 电池单独驱动：电池组一电动机一自动变速器一驱动桥一车轮； ( 3 ) 发动机和电池同时驱动：发动机+ 电池一电动机一自动变速器一驱动 桥一车轮； ( 4 ) 发动机驱动，同时为电池组充电：发动机的能量一路经自动变速器一 驱动桥一车轮，另一路经发电机一电池组； ( 5 ) 制动能量回收：车轮一驱动桥一自动变速器一发电机一电池组。 - - - - - 机械连接电连接 图2 - 1 动力系统机电耦合方案 2 1 3 发动机主要技术参数及工作特性 可以应用于混合动力汽车的发动机主要有转子式发动机、燃气轮机、二冲 程发动机、斯特林发动机以及四冲程汽油机、柴油机，目前在混合动力汽车上 面应用广泛的发动机仍然为四冲程汽油机或柴油机。本文设计的并联混合动力 城市客车采用的发动机为四冲程玉柴4 e 1 6 0 3 0 型电控柴油发动机，表2 2 为该 柴油发动机的型号及其主要技术参数，图2 - 2 为该发动机的万有特性图。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 玉柴4 e 1 6 0 - 3 0 柴油发动机主要参数 型号 4 e 1 6 0 - 3 0 型式四冲程直列四缸、水冷、涡轮增压、电控柴油发动机 排量( l ) 4 2 6 额定功率转速( k w ( r m i n ) ) 11 8 2 5 0 0 最大转矩转速( n m ( r m i n ) ) 6 0 0 1 2 0 0 1 6 0 0 压缩比 1 7 5 ：1 图2 - 2 玉柴4 e 1 6 0 - 3 0 柴油发动机万有特性 2 1 4 电机主要技术参数及工作特性 电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动机，最早基本是采用了控制 性能最好和成本较低的直流电动机。随着电机技术、机械制造技术、电力电子 技术和自动控制技术的不断发展，交流电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁 阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能，在电动汽车上，这些电动机逐 步取代了直流电动机。表2 - 3 为现代电动汽车所采用的各种电动机的基本性能 比较1 2 。目前交流三相感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机以及它们的 控制装置，成本还比较高，形成批量生产以后，这些电动机和单元控制装置的 价格会迅速降低，将能够满足经济效益的要求，并使电动汽车整车价格降低1 2 0 j 。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 3 现代电动汽车驱动电机的基本性能比较 项目直流电机交流感应电机 永磁式电机开关磁阻电机 功率密度低中高较高 峰值效率( ) 8 5 8 99 4 - 9 59 5 - 9 7 1 5 0 0 0 ( r m i n ) 可靠性 一般好优秀好 结构的坚固性差好一般优秀 外形尺寸大中小小 质量 重中轻轻 成本( 美元k w ) 1 08 - 1 0l o - 1 58 - 1 0 控制操作性能 最好好好好 控制器成本低 高高一般 根据以上比较和混合动力城市客车的运行特点，交流感应电机的综合性能 较好，尤其是峰值效率较高、转速范围较大和质量较轻。因此本文所设计的动 力系统选择三相交流异步感应电机，其主要技术参数如表2 4 所示，电机的转 矩外特性和功率外特性分别如图2 - 3 和图2 - 4 所示，电机发电效率和电机电动 效率分别如图2 5 和图2 6 所示。 表2 - 4 三相交流异步感应电机主要技术参数 电机型式 ：相夺流异彤威府中棚 持续功率最大功率( k w ) 4 0 8 0 基速最高转速( r m i n ) 3 6 0 0 5 0 0 0 控制特性矢量控制，基速以下恒转矩，基速以上恒功率 电压( v ) 3 1 2 3 2 4 由图2 - 3 和2 - 4 我们可以看到，三相异步交流感应电机在基速以下恒转矩 输出，基速以上恒功率输出。该特性近似于活塞式内燃机的外特性曲线，对混 合动力汽车来说是较为理想的运行特性i z 5 j 。 由图2 - 5 和2 - 6 我们可以看到，该三相异步交流感应电机的效率要比发动 机的效率高的多，最大效率高达9 0 ，最低效率也有7 0 。该三相异步交流感应 电机的在中等转速、中高负荷的条件下，其效率相对较副引。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 i m 、 墨，* 。， 电”转敛。 器 图2 - 3 电机转矩外特性 上 v * 霄 蛩“。 妊 转速( r m 曲 图2 - 4 电机功率外特性 i ij 电机转矩( 图2 - 5 电机发电效率 图2 - 6 电机电动效率 2 15 电池主要技术参数及工作特性 目前，铅酸电池储能系统技术成熟且成本低廉，但能量密度和功率密度较 低、使用寿命较短等缺点不适合应用到并联混合动力汽车中。镍氢电池储能 系统成本较高，但能量密度和功率密度较高、使用寿命较长，国外研究表明实 现批量生产后的使用成本可以接近铅酸电池，锂离子电池储能系统成本和镍氢 电池相当，能量密度和功率密度也较高但目前国内短期内无法保证其安全性 能i 圳。 因此本文所设计的动力系统选用春兰镍氢电池作为其储能系统，其主要技 术参数如表2 - 5 所示。春兰镍氢车用电池是国内较为成熟的镍氢电池，是我国 电动汽车开发过程中的重点研究项目之一。目前春兰镍氢电池已被北京奥运节 能客车、一汽混合动力客车和东风混合动力客车等所采用。 羹 。，、孙 (|酱卧籁晕删 0 武汉理上人学硕+ 学位论文