（机械电子工程专业论文）hev多能源动力总成控制系统的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 空气污染与能源短缺是当今社会面临的主要问题之一。对城市而言，空气污染物 大韶分来源于燃油汽车的尾气排放，因此，许多国家对汽车的排放要求越来越严。美国 加利福尼亚州法律要求：2 0 0 3 年零排放汽车( 即纯电动汽车) 在总汽车销量中至少需占 1 0 的比例。但目前零排放汽车仍然有许多难以克服的缺点，如续驶里程短、成本高等。 因此，能节油且减少排放的混合动力电动汽车( 髓v ) 越来越受到人们的关注。 多能源控制器作为h e v 控制系统的关键，主要负责对行驶需求功率的合理分配， 保证h e v 高效运行，使发动机燃油消耗和排放达到最优。围绕着这个目的，根据h e v 动力的特点，本文对h e v 的建模与仿真、多能源控制器软硬件设计、控制策略算法 设计以及多能源控制系统半实物仿真等方面进行了深入研究。 h e v 建模主要参考美国能源部免费软件a d v i s o r 而设计，大部分零部件模型保 持不变，只对相关数据进行局部修改，并且根据本文提出的控制策略对多能源控制模 块进行j ，重新建模，整牟仿真结果体现，本文控制策略的有效性和先进性。 多能源控制器的硬件采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片，由于它功能强大，i o 资源丰富并且支持广泛用于汽车电控的c a n 通讯，因此，非常适合于混合动力电 动汽车的实时控制。软件部分采用模块化分层结构，对每一层编写相关的a p i 函数， 为上层控制策略算法的实现提供了有力支持，实践证明这种软件结构对程序的阅读、 修改和移植都非常方便，控制效果也很理想。 基于能量流规则的自适应控制算法在能量流分析和h e v 运行状态转移规则的基 础上，以名义油耗最小为优化目标，对整车行驶需求功率进行自适应分配。在每种运 行状态下，嵌入控制策略算法，整个运行过程过渡平滑、控制稳定。仿真和实践证明 这种算法能有效降低燃油消耗，减少排放，并兼顾电池s o c ，从而证明了算法的合理 性与可靠性。 h e v 半实物仿真测试平台为h e v 多能源控制器的开发创造了一个良好的软硬件 调试与测试环境，能帮助开发者及早发现软件硬设计的缺陷。减少软硬件开发的周期 和成本。在测试过程中形成的测试结果可以用来对h e v 多能源控制器软硬件进行评 估，对h e v 动力系统的参数配置以及控制策略的选择也有很大的参考意义。 关键词： 混合动力电动汽车多能源控制器控制策略建模与仿真白适应控制 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o n eo ft h em a j o rs o c i a lp r o b l e m si sa i rp o l l u t i o na n de n e r g ys h o r t a g e a sf a ra sc i t i e s a r ec o n c e r n e d ，t h es i n g l el a r g e s tr e m a i n i n gc o n t r i b u t o rt oa i rp o l l u t i o ni st h ee m i s s i o no f f o s s i lf u e lb u r n i n gt r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e s ，s om a n yc o u n t r i e sr e g u l a t er i g o r o u se m i s s i o n r e s t r i c t i o n sc a l i f o r n i ai nu s ah a se n a c t e d l e g i s l a t i o nt h a tr e q u i r e s10 o f a l lv e h i c l e ss o l d i n2 0 0 3t ob e “z e r oe m i s s i o nv e h i c l e ”( z e v ) i np r a c t i c e ，z e vm e a n s p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) h o w e v e r , e l e c t r i cv e h i c l e ss u f f e rf r o mm a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha ss h o r td i s t a n c ei n c o n t i n u o u s l yd r i v i n ga n dh i g hc o s t ，w h i c hm o t i v a t e st h ed e v e l o p m e n to fh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) a sak e yt e c h n o l o g yo f h y b r i de l e c t r i cs y s t e m ，m u l t i - p o w e rc o n t r o l l e ri si nc h a r g eo f d i s t r i b u t i n g d e m a n d e dm o t i v ep o w e rt oi n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n ea n de l e c t r i cm o t o r r a t i o n a l l y , i no r d e rt og e th i g hs y s t e me f f i c i e n c y , l e s sf u e lc o n s u m p t i o na n dl o we m i s s i o n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ng o a l sa n dh y b r i de l e c t r i c v e h i c l es y s t e mp o w e rc h a r a c t e r , t h e m o d e la n ds i m u l a t i o no f h y b r i de l e c t r i cs y s t e mi ss t u d i e da sw e l la ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e p l a t f o r md e s i g no fm u l t i p o w e rc o n t r o l l e r , c o n t r o ls t r a t e g yd e s i g na n dh a r d w a r ei nl o o p s i m u l a t i o n ( h i l s ) o f h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e s y s t e m t h em o d e la n ds i m u l a t i o no fh e vm a k e sr e f e r e n c ct oa d v i s o r w h i c hi sak i n do f f l e es o f t w a r ed e v e l o p e db yu s d e p a r t m e n to fe n e r g y m o s tm o d e l so fp a r t sa r ea d o p t e d w i t ho n l yp a r a m e t e rc h a n g e d ，e x c e p tf o rm u l t i p o w e rc o n t r o l l e rm o d e l ，w h i c hi sr e b u i l t a c c o r d i n gt ot h en e wc o n t r o ls t r a t e g yd e s c r i b e di nt h et h e s i s t h en e wc o n t r o ls t r a t e g y p r o v e se f f e c t i v ea n d a d v a n c e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) c h i pi s e m p l o y e di nt h eh a r d w a r e p l a t f o r mo fm u l t i - p o w e rc o n t r o l l e r , w h i c hp o s s e s s e sa d v a n c e dp e r f o r m a n c ea n ds u p p l i e s a b o u n d i n gi o r e s o u r c ea n dc a nc o m m u n i c a t i o nw i d e l yu s e di nv e h i c l ee l e c t r i cc o n t r o l u n i t ( e c u ) ，s oi t i sf i tt or e a lt i m ec o n t r o lo fh e v v e r yw e l l m o d u l a r i z e da n dl a y e r e d a r c h i t e c t u r ei sa d o p t e di n 1 ec o n t r o l l e rs o f t w a r e a p if u n c t i o n sa r ed e s i g n e df o re a c hl a y e r ， w h i c hs u p p l yc o n v e n i e n ts e r v i c ef o rt h eu p p e rl a y e r t h i sk i n do fs o f t w a r ea r c h i t e c t u r e p r o v e dg o o dr e a d i n g ，m o d i f i c a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n ，a n dc o n t r o le f f e c ti sa l s ov e r yg o o d t h ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ne n e r g yf l o wa n a l y s i sa n dh e vs t a t ed i v e r s i o nf o m m l a d i s t r i b u t e sd e m a n d e dm o t i v ep o w e ra d a p t i v e l yf o rm i n i m u mm e a nf u e lc o n s u m p t i o n ，i n e a c hh e v r u n n i n gs t a t e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yi se m b e d d e d t h ev e h i c l er u n n i n gs t a t es h i f t s i i 华中科技大学硕士学位论文 s m o o t h l ya n dr h ns t a b l y t h e v e h i c l ec o n t r o l l e db yt h es t r a t e g yc o n s u m e sl e s sf u e la n d e m i t sl e s se m i s s i o n ，a n dt h es o c ( s t a t eo f c h a r g e ) o fb a t t e r y i sa l s oc o n t r o l l e dw e l l ，w h i c h p r o v e db yt h er e s u l t s o fs i m u l a t i o na n dt e s t a c c o r d i n g l y , t h ec o n t r o l s t r a t e g yp r o v e d r a t i o n a la n dc r e d i b l e h e vh a r d w a r ei n l o o p s i m u l a t i o np l a t f o r m s u p p l i e s ag o o dd e b u g g i n gt o o la n da c o n v e n i e n tt e s te n v i r o n m e n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fh e v m u l t i - p o w e r c o n t r o l l e r t h eh i l s p l a t f o r mc a nh e l pd e v e l o p e rf i n dp r o b l e m so ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，m a dr e d u c et h e d e v e l o p i n gp e r i o da n dc o s t t h et e s t r e s u l tc a nb eu s e dt oe v a l u a t et h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fh e v m u l t i - p o w e r c o n t r o l l e r i ta l s or e b o u n d st ot h ep a r a m e t e r c o n f i g u r a t i o no f h e v p o w e r t r a i ns y s t e ma n dt h es e l e c t i o no fc o n t r o l s t r a t e g y k e y w o r d s ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e m o d e la n ds i m u l a t i o n m u l t i p o w e rc o n t r o l l e r c o n t r o ls t r a t e g y a d a p t i v ec o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：南1 毪丈 。一。中年叶月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校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版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：s j 受1 支 ? 。4 午年叶目z 8i i 指导教 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景与来源 1 1 1 课题背景 随着经济的发展，汽车保有量的不断增加，能源短缺与城市大气污染等问题变得 日益突出，而城市大气污染物主要来源于汽车的尾气排放( 1 1 。据环保部门的研究结果： 在北京市，汽车尾气排放对大气污染物中c o 、h c 、n o 的分担率分别为6 3 4 、7 3 5 和4 6 ；在上海市中心地区，汽车尾气排放对大气中c o 、h c 和n o 的分担率分 别为8 6 、9 6 和5 6 1 2 】。为了保持2 l 世纪的交通可持续发展，我们必须开发清洁、 高效、智能的交通车辆。目前，世界各国都在开发环保汽车，包括纯电动汽车e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) 、混合动力电动汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 和燃料电池汽车 f c v ( f u e lc e l lv e h i c l e ) ，这三种类型的汽车与传统汽车的优缺点比较如下口1 。 表1 1 四种车型比较 类型燃油消耗续驶里程排放电池寿命加油站改造成本 传统汽车 1 0 01 0 01 0 01 0 0 e v03 0 5 003 0 0 l o o o 次l o o3 0 0 4 0 0 h e v 4 0 6 0l o o4 0 6 0 5 年o1 3 0 1 6 0 f c v 1 5 0 0 0 效率 8 5 9 2 9 0 9 5 8 5 9 3 易操作性 好好好 结构的坚固性 好一般 好 尺寸及质量 中，中小，轻小。轻 成本 低高 低于感应电机 控制器成本 高 高一般 3 华中科技大学硕士学位论文 电机功率密度高容易控制，调速性能好，质量和体积小，比较适合于混合动力电动轿 车。丌关磁阻电机结构简单调速控制容易，适合于高速运行，但噪声和转矩脉动大， 目前主要应用于混合动力电动大巴。 计算机控制：主要有两个方面，一方面是集成电路的发展，高性能的微处理器( 包 括d s p ) ，为实现高速、实时、高精度控制提供了保证；另一方面是自适应，模糊控 制和神经网络等算法的理论研究已经相当成熟并已经开始应用到实际控制算法里面。 混合动力电动汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置， 低成本、高效率的功率电子设备和燃油经济性高、排放低的发动机，需要解决的关键 性技术问题包括以下几个方面【7 j ： ( 1 ) 混合动力电动汽车发动机频繁起动和关闭，使驱动系统和附件( 如空调和动 力转向等1 的能量管理变得复杂。因此需要先进的检测和控制系统；现有的以热力发动 机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时，需要提高转化效率，同时还要 满足严格的排放标准。 ( 2 ) 电池要具有较高的比功率，以满足汽车加速和爬坡时对大功率的需求，能量 存储装置必须采用热能控制管理，要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造 成本。 ( 3 ) 必须减小电力电子器件的尺寸，减轻质量和降低制造成本。 ( 4 ) 需要建立更先进的驱动系统数学模型( 包括静态的和动态的) ，这是计算机仿 真和分析的基础。 ( 5 ) 制定完善的混合动力电动汽车相关标准和法规，为混合动力电动汽车的市场 化奠定基础。 12 1 国外混合动力电动汽车发展概况 混合动力电动汽车在发达国家已经日益成熟，有些国家已经进入实用阶段，如美 国和日本。1 9 9 7 年1 0 月，全球首辆商业性混合动力电动汽车“p r i u s ”由曰本丰田公 司研制成功。同年，美国政府与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司合作，实施 新型汽车合作计j a j ( p n g v ) ，该计划制定的混合动力电动汽车开发的目标是：2 0 0 2 年 进行试验性推广，2 0 0 4 年达至4 全面商业化生产。在2 0 0 0 年的北美国际汽车展上，三 大公司分别展出了自行研制的混合动力轿车：通用p r e c e p t ，福特p r o d i g y ，戴姆勒一 克莱斯勒d o d g e e s x 3 。 4 华中科技大学硕士学位论文 p r e c e p t 是通用汽车公司展出的一款具有先进技术的环保车，直接归属p n g v ( p a r t n e r s h i p f o r a n e w g e n e r a t i o n o f v e h i c l e s ) 项目。它是一种全功能、油电双能源驱 动的五人座家用轿车，设计百公里油耗为3 5 3 l ，燃油效率是使用一般燃料的同类车 型的三倍。 p r o d i g y 燃油经济性高，百公里油耗为3 3 l 。p r o d i g y 采用了最先进的空气动力学 设计原理，从而大大的降低了车身的空气阻力，动力系统采用了1 2 l 四缸柴油发动 机和镍金属复合电池，整车质量仅1 0 8 3 k g ，比当前的家用轿车轻大约4 5 0k g 。 韩国现代集团生产的c l i c k 型混合动力轿车采用了当今国际先进的i s g 并联结构、 发动机、i s g c v t 一体化设计，结构紧凑。为四轮驱动，另外还有一台电机驱动后轮， 具有很高的燃油经济性和动力性，最高车速可以达到1 8 8 k m h ，0 到1 0 0 k m h 加速时 间为1 0 9 s ，油耗比同类c l i c k 车低4 0 。 混合动力电动汽车领域以商业化推广获得较快进展为特色。到2 0 0 2 年，仅日本在 美国销售的混合动力电动汽车p r i u s 、i n s i g h t 和c i v i c 已经分别快速增长至2 8 0 0 0 、1 2 0 0 0 和1 4 0 0 0 辆。丰田p n u s 采用了1 5 l 发动机和2 7 3 6 v 的金属氢化物镍电池组，出于 其高性能和更好地节省燃料等优点，深受用户的青睐。它于1 9 9 7 年投放日本市场， 是全球最先商品化的混合动力轿车。2 0 0 0 年改进型的p f i u s 投放北美和欧洲市场，截 至2 0 0 2 年8 月，在世界2 0 多个国家的总销售量已经突破了l o 万辆。改进后的p f i u s 性能指标有很大提高，其中百公里油耗4 5 l ，节油5 0 ，c 0 2 排放降低5 0 ，c o 、 h c 和n o x 的排放达到欧洲4 号排放标准。 西欧各国对混合动力电动汽车的开发也很重视，影响较大的是奥迪公司的d u o 混合动力电动车，该车以奥迪a 4 为基本车型，与传统汽车公用一个生产线生产，于 1 9 9 7 年秋上市，首批生产5 0 0 辆。 1 2 2 国内混合动力电动汽车发展概况 “十五”国家8 6 3 计划设置了电动汽车重大专项，从2 0 0 1 年开始，采取产学研相 结合的方式，投资8 8 亿元用于支持电动汽车的研究、开发和产业化。在混合动力电 动汽车方面，目前已经通过了两轮研发，进入了整车试验阶段。 在国家的支持以及混合动力良好的市场前景推动下，全国很多汽车生产企业和高 校联合开展了混合动力电动汽车的研究和开发工作，在电机驱动、整车仿真、试验、 电池技术等方面都取得了很大的进步，也积累了许多宝贵的经验。 华中科技大学硕士学位论文 深圳明华环保汽车有限公司于2 0 0 1 年4 月推出了并联式混合动力电动汽车 m h 6 7 2 0 ，引起社会各界关注。该车采用的发动机为8 7 k w ，电池为3 1 2v ，充电次数 大于5 0 0 次，异步交流电机平均功率为3 6k w ，满载最高车速9 0k i n h ，最大爬坡度 为3 3 ，续驶程可达1 0 8 0 k m ，纯电机驱动时为1 0 0 k m ，百公里等速油耗为7 6 9l ， 乘客数2 2 人l ”。 在湖北，混合动力电动汽车已开发出试验车。其中，东风电动车辆股份有限公司 去年完成了第一辆混合动力客车样车；2 0 0 2 年7 月，由武汉公用客车厂、武汉理工大 学和武汉经开投资公司研制的第一辆混合动力客车正式下线，即将投入小批量生产。 据了解，按照计划，东风公司在未来两三年内将组织生产3 0 台多种混合动力电动大 客车，其中2 0 台提供北京市作运营试验，1 0 台留武汉作运营试验，并将2 0 辆富康和 风神轿车改装成纯电动及混合动力电动轿车，在武汉市进行城市和近郊营运试验，力 争2 0 0 5 年能投入小批量生产，2 0 0 8 年能够为北京奥运会服务，实现产业化。2 0 0 1 年， 由东风电动车辆股份有限公司牵头申报的e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交客车开发、 e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车开发两个混合动力整车，以及由华中科技大学等单位申报 的7 个零部件开发项目，己被列入“十五”国家8 6 3 计划电动汽车重大专项首批项目 正式启动。武汉市作为混合动力电动汽车示范运营城市，已有三辆5 1 0 公交车改装成 混合动力电动汽车，并投入试运行。 上汽集团奇瑞汽车有限公司专门成立了清洁汽车项目组，投入了大量的资金和人 力进行混合动力电动汽车的研究和开发工作，目前也已有样车通过了科技部专家组的 验收。奇瑞公司还制定了混合动力电动汽车产业化的初步计划，预计在2 0 0 6 年实现 混合动力轿车的小批量生产。 2 0 0 2 年底，长安公司研制的i s g 型混合动力轿车的两辆样车试制和测试已经完成， 该混合动力电动轿车是在s c 7 1 3 0 型轿车平台上研发的，有手动档、自动档两种车型。 一汽投入了大量的资金在原有的汽车底盘基础上进行混合动力电动汽车的研制和开 发工作，目前已经完成两轮样车开发。 种种迹象显示，混合动力电动汽车的产业化已初见端倪，为期不远了。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 混合动力电动汽车技术研究现状 1 3 1 系统结构和参数的匹配 混合动力电动汽车以并联和混联式结构为主。参数的选择与车辆设计指标和系统 结构有关。以下是几种典型h e v 的系统结构和主要参数。 表1 4 典型混合动力电动汽车结构及参数【8 1 车型结构发动机电机电池变速器车身 1 0 k w 三缸汽油机： 4 6 5 n m ，l s g 镍氢， 五档手 轻质材料， h o n d a 并联 1 o l 5 0 k w ，1 4 4 v ， c d - - 0 2 5 ；整车空 i n s i g h t一体化永磁同步动变速 9 l n 6 5 a h 载8 6 2 k g 电机 3 0 k w 永磁同步 四缸汽油机；电机两个，一个镍氢传统车身， t o y o t a 混联 1 5 l ，4 3 k w ，用于驱动和能量 3 0 8 v c v tc 庐0 3 ；整车空 p u s 1 0 2 n m回馈；另一个发 6 5 a h 载1 1 9 6 k g 电 四缸汽油机：1 7 k w ，一个用于 n i s s a n 混联 1 7 8 l 7 4 k w ，驱动和能量回锂离子c v t t i n o 1 4 1 n m馈：另一个发电 并联式结构比混联式结构要简单得多，自由度少，因此控制起来相对容易一些。 混联式结构在控制时，除了对驱动转矩的控制有严格要求，同时也对速度调节控制有 严格要求，这种转矩和速度的双重控制增加了控制器和控制策略的复杂度，而且混联 式结构要求更加精密的传动系统，这对制造技术也提出了比较高的要求。另外并联式 结构的成本相对较低，因此通常一般选用并联式结构，当并联式结构的性能指标不能 满足设计要求时，才选用混联式结构。 发动机和电机、电池等参数的匹配与整车动力性有关，也与主要行驶的路况有关。 因此，需要根据计算机仿真结果来选择不同的部件参数。在满足目标工况行驶需求功 率的同时，必须考虑发动机的调节范围和电机高效率运行区域，因为在一定的转速下， 发动机输出转矩的调节范围与电机的外特性相关，多能源控制策略根据需求功率对发 动机和电机功率进行分配时，需要将发动机工作点从低效运行区转移到高效运行区， 同时电机在相应负载下应具有较高的运行效率。 华中科技大学硕士学位论文 i 3 2 建模与仿真 在研究和开发混合动力电动汽车的部件和选择最佳结构时，需要设计和制造者能 够很快缩小研究范围，找到技术突破口。在系统选择上，可依靠高效的建模工具，通 过交替使用候选的予系统进行仿真分析，从而找到最佳的方案。计算机仿真模型为每 个候选子系统提供了详细规格和设计参数，有助于设计者为设计和制造样车制定工程 目标和计划。 目前，国外用于混合动力电动汽车的仿真软件很多，如s i m p l e v 、v e l p h 等， 各大汽车生产厂家也有自己的仿真软件。 s i m p l e v 是由i d a h o 美国国家工程实验室为实现纯电动汽车和串联式混合动力电 动汽车建模与分析而设计的计算机仿真软件，具有交互式、菜单驱动的界面，方便选 择特定车型、部件和标准循环工况。采用前向仿真方式，首先计算标准循环工况需求 的行驶功率，并根据传动系统效率和各能量转化部件的效率计算总的需求功率，在每 一时间步长内，根据确定好的功率分配算法控制发动机和电机的运行，并可以输出该 步长内的仿真结果，以预测整车的燃油经济性和排放【9 l 。 v e 1 口h 是由t e x a sa & mu n i v e r s i t y 开发的基于m a t l a b s i m u l i n k 的混合动力电 动汽车仿真软件，能对部件和整车参数以及控制策略进行修改，各部件封装成子模块， 模块之间采用连线直接连接，操作方便而灵活，可以对各种结构的混合动力电动汽车 进行仿真，能仿真不同的控制策略，并计算燃油经济性以进行比较，但排放以及尾气 处理部分的功能仍然有待扩充和完善【l 。 在众多的汽车仿真软件中，a d v i s o r 是专门为美国能源部p n g v 计划而开发的 汽车仿真软件。a d v i s o r 可通过简单的物理模型和经过性能测试的各总成去建立实 际或想象中的汽车，其主要功能在于能够对还未制造的汽车进行性能预测，即能够提 供制造一辆汽车需要确定的性能参数，包括加速和爬坡性能、燃油消耗以及排放性能 等。 目前，国内还没有较成熟的混合动力电动汽车仿真软件，因此，这也是我国汽车工 业应该7 1 起足够重视得一个方面。在仿真技术的研究与软件开发中，应该遵循的目标 是： ( 1 ) 精确，即能够使不同结构的动力传动系统间的比较具有意义。 ( 2 ) 快速，即能快速进行汽车分析和空间研究设计，例如对多维变量参数的研究 华中科技大学硕士学位论文 和优化等。 ( 3 ) 灵活，即能对不同控制策略和结构组成的汽车进行评价。 ( 4 ) 共享，即能够与潜在的合作者共享，推动混合动力电动汽车的发展并促进公 众的了解。 ( 5 ) 实用，即能针对各种车型建模，如传统汽车、电动汽车、串联式和并联式混 合动力电动汽车等。 ( 6 ) 使用方便，即使用者对汽车建模没有经验也能快速掌握。 1 3 3 控制策略 在混合动力电动汽车各部件的配置确定下来之后，控制策略的选型和优化是实现 混合动力电动汽车低油耗、低排放目标的关键所在。控制策略包括车辆状态识别和状 态转移的控制，在满足汽车的动力性和驾驶平稳性的前提下，根据运行工况和各能量 转换部件运行情况，实现能量在发动机、电机之间合理分配、使整车动力系统效率达 到最优，从而获得最佳的燃油经济性和较低的排放。 并联式混合动力电动汽车控制策略根据选定的主要参数和优化目标的不同，主要 分为如下几种： ( 1 ) 以车速为主要参数的控制策叫“】：在满足需求功率的前提下，根据车速大小 对电机和发动机功率进行简单的分配。一般设定一个车速门限值( 如1 2 k n g h ) ，当车 速低于该门限值时，由电机驱动；当车速高于该门限值时，主要由发动机驱动，如果 需求的功率大于发动机的最大输出功率时，电机助力。制动时采用回馈发电回收制动 能量，由于没有消除发动机的怠速和低负荷率运行的问题，排放和油耗都没有太大的 降低。如果低速纯电动运行消耗的电量大于制动回馈电量，电池s o c 会下降很快， 需要通过外部充电设备对电池进行充电，因此需要选用大容量的电池，增加了整车成 本和重量。该控制策略主要解决了低速行驶和制动回馈能量回收的问题，没有对能量 分配等进行优化。 ( 2 ) 以功率为主要参数的控制策略【1 1 l ：设定一个功率门限值，当车轮需求驱动功 率低于该门限值时，由电机单独驱动；当车轮需求功率高于该门限值时，由发动机单 独驱动，当需求功率继续增加到发动机最大输出功率以上时，电机助力。以满足行驶 功率需求。当电池电量低时，如果驱动需求功率不高于发动机最大输出功率，电机发 电，增加发动机负荷，从而调节发动机工作点在负荷率比较高的区域运行，电机发电 华中科技大学硕士学位论文 功率根据行驶需求功率和发动机最大输出功率之间的差值按比例调节，比例系数与电 池s o c 有关。这种方式能使发动机一直工作在比较高的负荷率。但是低速时的低效 率和能量分配的优化仍然没有解决，没有充分发挥混合动力系统节油的潜力。 ( 3 ) 以燃油经济性为优化目标的控制策略【1 2 1 3 , 1 4 , ”】：将整车的燃油消耗由发动机 燃油消耗和电池电量的等效燃油消耗两部分组成。其中电池电量的等效油耗通过发动 机燃油消耗率以及电池的充电效率来计算。采用模糊控制、神经网络或者自适应等优 化算法，考虑电池s o c ，合理分配发动机和电机的功率，从而达到最小的整车瞬时燃 油消耗率，获得最优的燃油经济性。 ( 4 ) 以燃油经济性和排放为优化目标的控制策略 1 6 l ：根据发动机可调节范围，将 瞬时可能的燃油消耗和四种主要的尾气排放物质( h c 、c o 、n o x 、p m ) 的排放量根 据不同的参考值调节n o ，1 之间，对于电机的能量消耗还需要根据电池s o c 大小按 一定的比例系数进行修正，根据用户定义的权重对各个变量进行加权平均，在可选择 的区域内选择结果最小的点，并根据该点对应的发动机功率和行驶需求功率合理分配 电机和发动机的功率，从而获得满意的燃油消耗和排放。通过调节各个变量的权重可 以实现不同的设计目标和要求，是一种自适应的控制算法。 在国内，混合动力控制策略仍然处于研究阶段。在理论研究方面有了很大进步， 从而产生了一些比较成熟的想法，并在a d v i s o r 基础上，通过修改控制策略部分进 行了仿真，但在算法实现以及实物验证方面还有待完善。 1 3 4 硬件实现及半实物仿真系统 多能源控制器硬件一般由四部分组成：微处理器、输入信号调节器、输出信号执 行器和通讯接口【“l 。微处理器一般选用d s p 系列，如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，或m p c 系 列，如m p c 5 5 5 等芯片。它们具有如下共同特点：具有高速运算能力、5 v i os y s t e m 、 支持c a n2 0 a 与c a n 2 0 b 协议的c a n 控制模块、多通道定时系统、多路a d 转换、 运算速度快、工作温度范围广等。丰富的i o 资源、多路a 仍转换装置以及c a n 控 制模块解决了多能源控制器f o 接口和c a n 通信的问题，高速高精的运算能力为多 能源控制器的精确实时控制提供了保证，较大的工作温度范围让控制嚣能够适应不同 的工作环境。输入信号调节器包括：电热调节电路、模拟输入电路、数字输入电路。 输出信号执行器包括：模拟电压输出电路、模拟电流输出电路和功率输出电路。通讯 接口包括支持r s 2 3 2 协议的串行通讯接口和支持汽车用的c a n 通讯接口【1 7 1 o 华中科技大学硕士学位论文 由于混合电动汽车信号多而复杂，为了降低汽车布线的复杂性并提高汽车控制和 运行的可靠性，c a n 总线己广泛应用于混合动力电动汽车和传统汽车。控制器局域 网( c a n ) 是德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交 换而开发的一种通信协议。在国外，尤其是欧洲，c a n 总线已经成为必须采用的装 置，奔驰、宝马、大众以及雷诺汽车都将c a n 总线作为电子控制器联网的手段。c a n 总线具有实时、快速、可靠、简单、成本低的特点，最高速率达到1 m b p s ，传输距离 在4 0 m 以上，能满足h e v 实对控制和网络布置的要求i l 8 。 半实物仿真系统主要有两种，一种是基于x p c 的半实物仿真系统，它支持很多常 用的输入输出接口卡，可以将实际受控对象通过接口卡与计算机连接起来进行仿真分 析，并能实时观察控制效果，而且成本较低；另外种基于d s p a c e ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g a n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g ) 的实时控制技术，它是最早支持用 m a t l a b s i m u l i n k 直接进行硬件控制与仿真的解决方案，代表当前国际上这方面的最 高水平，比较通用的板卡是d s1 1 0 3 卡，该卡基于m p c 3 3 3 ，具有3 6 路a d 转换器， 8 路d a 转换器并配有数字输出，并集成了一个以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 ad s p 为 核心的输入输出子系统，可以满足特殊的输入输出控制要求，集成了c a n 控制器 能适应汽车和自动化方面的应用。d s p a c e 系统还提供了强大的c o n t r o ld e s k 软件， 允许用户实时调整控制器参数和运行环境，并提供各种各样的参数显示方式，使用非 常方便【2 0 】。 1 4 本文的研究内容 h e v 具有高度的复杂性，正是这种复杂性为混合动力系统提供了更大的设计和控 制自由度以及减少燃油消耗和改善排放的可能性。图1 2 为h e v 系统的集成过程。 从图中可以看出h e v 系统设计的关键是h e v 系统结构的选择、系统参数的确定和整 车能量管理策略的制定，提高系统集成的相关技术是提高混舍动力系统研究水平和整 车性能的基本前提【2 ”。 1 l 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 2h e v 系统集成过程 本文的研究内容正是根据h e v 系统集成过程而展开的，主要包括：( 1 ) h e v 零 部件准静态建模及h e v 系统仿真分析；( 2 ) 基于能量流规则的自适应控制策略算法 的研究；( 3 ) 多能源动力总成控制系统的软硬件平台设计：( 4 ) 半实物仿真试验和整 车试验对h e v 控制策略及h e v 多能源动力总成控制器的验证。 1 5 本章小结 能量短缺、空气污染和日益严格的汽车尾气排放标准是促进混合动力电动汽车研 制的主要源动力，由于混合动力电动汽车相比传统汽车能有效降低燃油消耗并减少排 放，同时对动力电池的要求也不高，因此受到了广泛关注。很多国家政府和主要汽车 生产厂家纷纷投入大量资金进行混合动力电动汽车的研制和开发。目前，日本、美国， 混合动力电动汽车已进入商品化阶段，而国内仍然处于研究阶段，但已经取得了很多 研究成果，已有混合动力电动汽车投入试运行。混合动力电动汽车技术是一项系统集 成技术，体现了汽车、化学电池、电机驱动等一系列领域的综合实力，因此混合动力 电动汽车的开发是一项系统工程。沿着混合动力系统的集成过程，在系统参数配置、 仿真与建模、控制策略选择以及半实物仿真等混合动力电动汽车关键技术方面均取得 了一系列的技术成果。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 h e v 多能源动力总成的建模与仿真 多能源动力总成的仿真在h e v 系统集成过程中起着非常重要的作用，主要用于验 证多能源动力总成系统的选型配置并对选型配置提出合理化的建议：同时，还可以选 用不同的控制策略对整车的燃油经济性、排放、动力性进行仿真分析，为控制策略的 选择和优化提供指导。 根据仿真中信息流动的方向不同，混合动力汽车建模与仿真技术可分为后向式建 模与仿真和前向式建模与仿真两种【2 2 j 。后向式建模与仿真从系统的需求出发，通过仿 真得到为满足车速要求，动力系统各部件必须提供和可以得到的转矩、转速、功率等， 仿真信息沿轮胎、变速器，到电机和发动机等。后向式建模与仿真不考虑驾驶员的意 图以及动力系统的动态过程，计算步长较大( 一般为l s ) ，计算速度快，可以通过反 复计算以达到系统最高性能，适用于混合动力汽车性能的预估和评价 2 3 l 。前向式建模 与仿真根据电机和发动机实际输出转矩、转速以及车辆动力学模型计算车辆实际运行 车速。多能源动力总成的仿真采用前向和后向数据流相结合的仿真方法。 混合动力电动汽车零部件的建模方法有两种，一种是基于零部件理论模型，采用 大量微分方程和滑模控制方法等建立的仿真模型，建模难度大，仿真过程缓慢，只适 合于单个模型的瞬态分析，不适合h e v 复杂系统的仿真分析：另一种是结合实验数 据和简化的物理模型，采用直线插补计算等方法建立的准线性模型，即除了简化的物 理模型采用解析法外，发动机、电机、电池等组件的比较复杂的动态性能部分主要利 用其m a p 数据进行描述，从而解决了目前理论模型难以全面、准确描述发动机、电 机和电池工作过程以及仿真速度的问题。本文的混合动力电动汽车组件的建模采用第 二种方法口4 ，2 5 】。 2 1 并联式混合动力电动汽车系统结构 图2 - 1 是一种并联式混合动力电动汽车系统结构简图，图中粗实线为机械连接 虚线为电气连接和控制信号流。 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 一种并联式混合动力系统结构简图 多能源控制器随着工况的变化按预定的控制策略确定整车运行状态，并调节发动 机和电机工作点，将输出转矩通过转矩耦合器叠加后输出给传动系统，从而控制整车 的运行。 2 2 整车模型 h e v 仿真模型如图2 - 2 所示，采用双向数据流进行仿真，一条为需求分析数据流， 另外一条为实际运行数据流，整车实际运行情况尽可能逼近循环工况。主要包括的模 块有：循环工况、整车模型、变速箱、转矩耦合器、