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论文题目：并联式混合动力电动汽车动力系统的模糊控制策略研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：李欣 指导教师：周春国副教授 签名：查墨垫 签名：虱查f 塾 摘要 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 ，简称h e v ) 是一个集机械、电气、 化学和热力学系统于一体的复杂的高度非线性动念系统，实现整车最佳燃汕经济性并兼顾 整车成本是h e y 控制策略的研究方向。本文以并联式混合动力电动汽车( p a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称p h e v ) 为主要研究对象，以模糊逻辑控制( f u z z yl o g i cc o n t r o l 简称f l c ) 为主要研究方法，通过建立p i t e v 动力系统能量分配的模糊逻辑控制器，并利 用a d v i s o r 2 0 0 2 与m a t l a b s i m u li n k 仿真软件对所建立的汽车模型进行仿真。 本文所做的工作与取得的成果有：1 ) 分析介绍了几种典型结构h e v 的结构原理与控 制策略，为控制策略的选择提供了理论依据。2 ) 以所选用的帕萨特s v w 7 1 8 3 a g i 型小汽车 为原型车，将其改造为并联式混合动力电动汽车，计算并选取了与p h e v 相关的主要参数。 3 ) 介绍了模糊控制理论并设计了一种以模糊控制理论为基础的并联式混合动力电动汽车 模糊逻辑控制策略，将其嵌入仿真软件进行仿真，分析了样车性能，并验证了所选参数， 达到了低油耗、低排放和节能的目的，证实了模糊逻辑控制的可行性与优越性。 本文所设计的模糊逻辑控制器简单实用，通过对比仿真验证了其控制效果优于并联式 电辅助控制策略，并且可以通过修改模糊规则来适应不同的p i t e v 车型。同时得出的相关 结论可以为进一步研究p h e v 驱动系统的优化匹配和整体系统的控制策略提供参考。 关键词：并联式混合动力电动汽车：模糊逻辑控制：仿真 本研究得到陕西省自然科学研究项目“并联式车用混合动力系统的匹配与控制策略研究”基金的 资助，项目编号：2 0 0 3 e 2 2 6 。 a b s t r a c t t i t l e ：f u z z yl o g i cc o n t r o lo fp o w e rs y s t e mf o rt h e p a r a l l e lh y b r l de l c t r l cv e h i c l e m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：x i nk i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f 。c h u n g u oz h o u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：2 ( f 口l j s i g n a t u r e ：一c i 舯3 o2 * o r t h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sac o m p l i c a t e dg r e a tn o n l i n e a r s y s t e mw h i c h c o m b i n e sm e c h a n i c a l ，e l e c t r i c ，c h e m i c a l sa n dt h e r m o d y n a m i c t h ea i mo ft h er e s e a r c ho fh e v i st om a k et h ev e h i c l e so i lc o n s u m p t i o ne c o n o m i c a l l ya n dt oc o n c e r nt h ec o s to ft h ev e h i c l e s a sw e l l i nt h i sp a p e r , t h em a i no b j e c to fr e s e a r c hi sp 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 ) a n dt h em a i nm e t h o do fr e s e a r c hi s f u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y t h ea d v i s o ra n d m a t l a b s i m u l i n ki su s e dt os i m u l a t et h ea u t om o d e lw h i c hi se s t a b l i s h e dp o w e ru n i td i s t r i b u t i n g m o d e lo nf u z z yl o g i cc o n t r o l l e r t h em a i nt a s ka n da c q u i r er e s u l t e df r o mt h i sp a p e ri n c l u d e ：f i r s t l y , s o m ek i n d so ft y p i c a l m a c l f i n e r ya n dc o n t r o ls t r a t e g yt h a th e vh a sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r , w h i c hc a nh e l pt h e r e s e a r c h e rc h o o s et h er i g h tc o n t r o ls t r a t e g y s e c o n d l y , b a s e do nt h es v w 7 1 8 3 a g ic a lan e w p a r a l l e li sd e s i g n e da n dc h o i c et h em a i np a r a m e t e r s t h i r d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef u z z y l o g i cc o n t r o ls t r a t e g y ，a n dd e s i g nan e wk i n do fp h e vf u z z yl o g i cc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e d f u z z yl o g i ct h e o r y a n dt h e nas i m u l a t i o ni sd o n et os h o wt h ed e wc a r sp e r f o m l a n c e p a r a m e t e r sb yt h ea d v i s o r s o f t t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i ss t r a t e g yi sf e a s i b l e a n ds u p e r i o r t h ea i mo fl o wo i lc o d s u m c 1 0 we x h a u s t i o na n de n e r g ys a v i n gc a nb ea c h i e v e d t h ef u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g yi ss i m p l ea n db e t t e rt h a np a r a l l e le l e c t r i ca i ds f f a t e g yb y t h ec o m p a r i s o no fs i m u l a t i o n a n di tc a d _ c h a n g ei t sr u l e st om e e to t h e rk i n d so fh e v , s oi th a s g r e a tv i t a lf o r c ea n dc a nb eu s e dl a r g es c a l e a tt h es a m et i m et h er e s u l tc a nb et a k e nf o rt i m c o n s u l tf o rt h em o r er e s e a r c h k e y w o r d ：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 ；f u z z yl o g i cc o n t r o l ；s i m u l a t i o n i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：壅缝。7 年午月z 日 学位论文使用授权声明 本人勉在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：扭导师签名：委查l 虱z 。7 年朋z 日 前言 前言 保护人类赖以生存的自然环境，珍惜地球上有限的石油资源，是摆在人类面前亟 待解决的问题之一。随着世界汽车保有量的急剧增长，传统的内燃机动力汽车给环境 带来越来越大的危害。越来越多的人呼吁使用清洁能源包括低排放甚至是零排放的动 力系统来代替传统的动力系统以维护环境。因此人们开始为研制新型动力汽车投入了 大量的人力物力，从目前的科技发展形势来看电动汽车会成为未来汽车发展的主要方 向之一。 电动汽车包括纯电动汽车( e v ，e l e c t r i c a lv e h i c l e ) 、混合电动汽车( h e v ，h y h r i d e l e c t r i c a lv 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 ) 。这三者目前处于不同的发 展阶段，面对不同的挑战。纯电动汽车是零排放，但是由于蓄电池技术的原因，单位 能量密度不够，使得这类汽车目前只适用于短途的社区交通，并不适合长距离交通的 使用。从长远看燃料电池汽车是电动汽车的主流，但是目前尚处于起步阶段，其研发 费用、使用费用和燃料技术的问题仍然没有解决。目前在市场上最有竞争力并且切实 可行的方案就是混合动力电动汽车。我国“十五”国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计 划) 将电动汽车以重大专项列入，并且将混合动力电动汽车作为现阶段电动汽车发展的 重点和方向。 混合动力汽车研发中的一个非常重要的部分就是能量控制策略的研发。在控制策 路的研发过程中工程科技人员几乎使用了从线性控制到智能控制等所有最新的控制 理论和控制方法。其中模糊逻辑控制由于鲁棒性好，实时性好，具有很强的实用性， 而且能够克服许多其他控制策略的不足之处，因此成为控制策略研发的一个方向。混 合电动汽车是一个集机械、电器、化学和热力学系统于一体的复杂的高度非线性动态 系统，如何有效地协调好各子系统，控制各予系统间的能量流动，并针对不同的行使 工况和驾驶风格，在不降低整车性能的情况下，实现整车的最佳燃油经济性和排放并 兼顾整车的成本是混合动力电动汽车控制策略的研究目标，模糊逻辑控制是经典数理 逻辑与模糊数学相结合的产物。在模仿人的推理和决策方面，模糊逻辑无疑是目前最 成功的技术之一，与经典逻辑相比，它更接近人的思维方式，表达上更接近自然语言 形式。它不需要精确的整车模型，可以方便的处理无法用精确参数表达的控制规则。 它不仅可以优化发动机，同时还可以优化其他组件，实现各组件间的折中，以达到整 车的最优燃油消耗和排放。 本课题就是以帕萨特s v w 7 1 8 3 a g i 型小轿车为原型车，根据分析混合动力电动汽 车的结构形式，将其改装为并联式混合动力电动汽车作为研究对象。分析各种可行的 控制策略，确定了以模糊逻辑控制为主要控制策略的方法。通过虚拟仿真技术，根据 混合度选择控制原财，建立模糊逻辑控制器，将其嵌入a d v i s o r 2 0 0 2 软件中进行仿 真处理，得到仿真结果。在不同循环路况的仿真条件下将模糊逻辑控制与传统的电辅 助控制做以比较，分析两者仿真结果的不同，最终可以看到模糊逻辑控制对于混合动 力电动汽车来讲是非常适合的，为进一步研究混合动力汽车动力系统的控制策略提供 了一种思路。 2 1 绪论 l 绪论 1 1 研究背景、目的及意义 自从1 8 8 5 年德国工程师卡尔本茨发明汽车以来，汽车给人类的迁移方式带来 的巨大的革命，同时令人类在短时间内的远距离旅行成为可能。在汽车问世的1 0 0 多 年的历程中，汽车在人类的日常生活中占据了越来越重要的位置。汽车的保有量也不 断上升，甚至可以这样说，汽车的普及程度和技术水平已经成为衡量一个国家或地区 现代化水平的标志。 汽车工业自身的特点就是资金、技术密集，能够带动上下游相关产业的发展，因 此在许多发达国家，汽车工业都是出于支柱产业的地位。并且因此能够提供大量的就 业机会。对社会经济发展起巨大的推动作用。 中国在现代化进程当中同样无论是从工业需求，还是人民日常生活中都需要大量 的汽车，因此汽车工业也是中国重点发展的工业之一。 汽车在对人类社会的进步产生不可替代的巨大推动作用的同时，也给环保、能源 等带来巨大的挑战，并因此带来一系列的负面效应。首先在生产过程中、使用中以及 报废后都会对环境带来负面的影响。对于生产过程只能通过技术进步来进行削弱对环 境的影响，报废后的回收再利用也是靠技术来改善，对于带来危害最大的使用过程中 负面影响同样也要尽量的减小。传统的汽车是使用内燃机，燃料是石化产品，主要是 石油，因此内燃机燃烧后的产物c 0 2 、硫化物s o ；、氮化物n o i 、氟氯烃等带来温室 效应，臭氧层破坏和酸雨等环境问题。同时汽车在使用过程中所释放出来的未燃烧的 燃油、尾气等带来局部的空气污染，由此而危害人类与植物的生存。汽车行驶时排出 的废气已经成为城市空气主要的污染源。根据1 9 9 5 年北京的统计，机动车一氧化碳 和氮氧化物的排放量已占到了城市总排放的7 6 5 和6 8 4 i l j 。 其次汽车对能源主要是石油产品的需求也越来越大。社会的发展带来能源的巨大 需求，但是石化能源的总量是有限的，因此从人类可持续发展的观点出发，人类应设 法减少对有限石油资源的消耗，并且应积极研究石油资源枯竭后汽车的能源来源。从 图1 1 1 4 1 中可以看到未来几年中世界不同燃料的消耗量，石油始终占有比较大的比率。 同时也可以看出可再生能源在所有能源消耗中所占的比率也在不停的增长，在2 0 3 0 年预期可以占到总能源使用的4 。这正是人们寻求解决能源问题所作出努力的结果。 在图1 - 2 4 1 中显示了世界不同地区能源消耗量及未来需求预测情况，可见在2 0 3 0 年能源的需求约是2 0 0 0 年的1 6 6 倍，而中国在全球的能源消耗中所占的比率也越来 越大。同时中国的能源需求绝对量在2 0 3 0 年将增长为2 0 0 0 年的2 1 2 倍。可见，寻求 新能源以及低能耗技术的研发已经到了近在眉睫的状况了。 在所有能源的消耗中，汽车对能源的需求尤其是石油资源的需求占了很大比例。 因此要提高能源的使用率，改进目前汽车的驱动方式，使可再生能源在汽车驱动中占 3 西安理工大学硕士学位论文 有更大比例或者完全替代石化燃料成为汽车发展的重要方向之一。 图1 - 11 9 7 1 2 0 3 0 年世界不同能源消耗 f i g 1 - 1d i f f e r e n tk i n do fe n e r g yc o n s u m ei n1 9 7 1 - 2 0 0 3 图1 - 22 0 0 0 2 0 3 0 年世界不同地区能源消耗 f i g 1 2d i f f e r e n t a r e ae n e r g yc o n s u m ei n2 0 0 0 - 2 0 3 0 世界各国政府在可再生能源以及高效率利用能源技术上都给予很大的税收以及 政策的支持。比如美国在1 9 9 9 年1 0 月克林顿总统签署清洁空气法，严格规定了汽车 排放的标准。2 0 0 1 年8 月2 日，美国议院代表批准了2 0 0 1 年美国未来能源保证法案。 4 i 绪论 这项立法的目的是使美国到2 0 1 2 年后对外国能源的依赖由5 6 降到4 5 。同时该计 划为鼓励发展和使用电动汽车技术提供了税收优惠和资金支持。使得公司研发以及用 户在使用节能汽车时可以得到优惠以及免税待遇。 中国政府同样支持可再生能源的利用与相关技术的研究。在2 0 0 5 年中国出台了 可再生能源法。明确指出中国政府支持促进可再生能源的开发利用，增加能源供 应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会的可持续发展。法律规 定，国家鼓励各种所有制经济主体参与可再生能源的开发利用，依法保护可再生能源 开发利用者的合法权益。这为可再生能源的使用提供了法律的保障。 从能源的使用与环保的角度看，完全替代石化燃料的全电动汽车是很好的替代， 但是由于现阶段技术水平的限制，尤其是蓄电池与燃料电池技术的限制，使得全电动 汽车并不能够完全替代内燃机汽车，其使用受到了极大的限制。而混合动力电动汽车 是由两种或两种以上的能源提供动力的汽车，是将新技术和老技术结合的最可行的产 物，它同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点，既具有纯电动汽车的高效率和 低排放的性能，还具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能。混合电 动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。 1 2 国内外发展趋势 混合动力电动汽车在1 0 0 多年前就已经出现了。在1 8 9 9 年由f e r d i n a n dp o r s c h e 研制雏形。但是由于受其它技术的约制，加上当时人们对能源与环保意识的原因，使 混合动力汽车并没有得到进一步的发展。直到近年，尤其是1 9 9 0 年后，世界各大汽 车公司都将混合动力汽车列上研发日程。在2 0 0 0 年前后也有多款混合动力汽车面世。 日本丰田汽车公司率先于1 9 9 7 年1 2 月将混合动力型p r i u s 轿车投放本国市场， 2 0 0 0 年初又开始投放北美市场，并将月产由1 0 0 0 辆调升到月产2 0 0 0 辆，三年内销售 了4 5 万辆，产品出现了供不应求局面，初战告捷，震动了全球汽车厂商。该公司董 事长( 社长) 奥田宣称，丰田公司所有的各型汽车均将采用混合动力技术，丰田公司计 划到2 0 0 5 年时，混合动力汽车达到年产3 0 万辆，丰田的产品专家也宣称混合动力技 术并非权益之计，其技术寿命将与传统内燃机一样长。国外专家认为在未来的十年内， 可能有4 0 的汽车均将采用混合动力技术。 在日本，除了丰田公司以外，本田、日产等大公司也不甘落后，分别研制了自己 的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩，本田汽车公司开发的j v 【混合动力电动汽 车概念车，其动力系统为1 升3 缸直喷式v t e c 发动机和电动机，还有一组超级电容 以替代通常使用的蓄电池系统。该车曾在1 9 9 8 年的北京汽车展览会上与中国观众见 面。在此基础上通过进一步的研制开发，1 9 9 9 年末，本田公司在日本、美国、西欧和 泰国等国陆续开始销售小型混合动力轿车“i n s i g h t ”。i n s i g h t 并联式电动汽车装备了本 田公司的i m a ( i n t e r g r a t e dm o t o r a s i s t ) 混合动力系统和无级变速器，是一种新式未来型 跑车，被美国环保总署评为2 0 0 1 年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰田汽 s 西安理工大学硕士学位论文 车公司的p r i u s 混合动力汽车。 在美国以美国能源部牵头，包括运输部和国防部斥巨资组织各大汽车公司积极展 开混合动力汽车的研制工作。1 9 9 3 年当时的美国总统克林顿与美国三大汽车公司共同 提出了“新一代汽车合作伙伴计划”( p n v g ) ，旨在开发新一代高效能汽车。到目前 为止也有多款车型面世。例如f o r d 公司的p r o d i g y ，混合动力电动汽车采用了新型 材料，使重量减轻5 0 ，燃油经济性达到7 0 m p g 。g m 公司的p r e c e p t 混合动力电动汽 车总质量减少4 5 ，采用柴油发动机和双轴并联系统，由于非常低的风阻系数，使得 性能提高3 5 ，燃油经济性达到8 0 m p g 。p n v f g 计划推行以后，使得h e v 汽车在性 能方针、汽车集成动力机模块等技术领域得到很大的提高。 欧洲也推出了自己的混合动力电动汽车。其中雷诺公司的b e r l i n g e 在性价比上已 经可以与内燃机相抗衡。西门子，博世等汽车零部件厂商也投入巨资进行混合动力汽 车相关产品的研发工作。 在中国“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”重点科技攻关项目，“九五” 期间，东风汽车公司承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设计”的 整车( b f ) 研制工作。在电动汽车关键技术尤其是混合动力电动汽车方面，很多高校也 进行了动力匹配、性能预测等前期工作。科技部已将电动汽车产业化列入“十五”国 家“8 6 3 ”重大科技攻关项目，在“十五”期间国家将投入1 0 亿元来支持电动汽车的 前瞻性研究。经过多年的技术积累，我国在纯电动汽车的整车控制器方面积累了一定 经验，但控制系统的结构和功能还有待于进一步的调整和完善。在双能量源混合动力 电动汽车动力系统的自动控制方面刚刚起步，包括控制算法的研究和控制器的开发， 还未有完整的系统。在混合动力混合方式和控制策略研究、参数匹配方面的研究也刚 刚起步，亟待体系的完善。 1 3 课题来源 本课题来自于陕西省自然科学研究项目“并联式车用混合动力系统的匹配与控制 策略研究”，项目编号：2 0 0 3 e 2 2 6 。 1 4 研究内容、方法与意义 混合动力电动汽车作为当前汽车技术发展的一个重要分支，其技术除了传统内燃 机汽车所要求的技术以外，对蓄电池、电机、功率分汇流等方面都提出了更高的要求。 本文首先是通过分析已有得的混合动力电动汽车的结构，比较各种结构之间的优缺 点，建议对于城市行驶这种工况下，使用并联式结构是比较合理与经济的。然后针对 并联式这种结构的特征，提出使用模糊逻辑控制的方法来对功率流的分配进行控制。 以更好的提高燃油效率，同时减少废气的排放，使得混合动力系统能够运行在最佳的 工作状态。 具体工作为分析并联式混合动力电动汽车的结构特点，根据模糊逻辑控制的理论 6 1 绪论 建立模糊逻辑控制器，然后将其加入a d v i s o r 2 0 0 2 中进行仿真分析，并且将得到的结 果与其他控制策略的结果在不同的循环路况下进行对比分析。 本文研究的意义在于根据混合动力电动汽车的结构特点及使用场合提出使用模 糊逻辑控制方法来对混合动力汽车在运行过程中的功率流动进行控制，使能量的综合 使用率达到最佳，从而达到节省能源与减少废气排放的效果。同时文中所讲述的一些 方法与原理对今后的进一步研究工作也有借鉴意义。 1 5 小结 本章首先介绍了随着科技的发展和时代的进步，特别是近些年来人们环保意识的 加强，对能源的消耗和空气污染提出越来越高的要求。面对汽车工业这个能源特别是 石化能源消耗的大户来讲，提高其能源利用率并减少其排放成为日益重要的课题。 其次说明了混合动力电动汽车正是解决此闯题的有效途径之一，因此世界各个汽 车大国都在该领域投入大量人力物力进行相关技术的研发。 最后介绍了本文根据混合动力电动汽车的特点，提出使用模糊逻辑控制技术对小 型车进行功率流的控制。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 混合动力系统的结构及工作原理 2 1 混合动力系统结构及分类 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在汽车 上。混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e 简称h e 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【2 1 。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 是在传统的发动机汽车上增加蓄电池组作为电能存储装置， 通过电动，发电机将电能转化为机械能。根据h e v 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。如图2 1 【。 ( c )( d ) ( a ) 串联式1 ；( b ) 串联式2 ；( c ) 并联式；( d ) 混联式 图2 - 1 串联式、并联式和混联式混合动力电动汽车组成示意图 f i g 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no fs h e v , p i - i e va n dp s h e v 从动力源的混合程度上看混合动力电动汽车也可分为轻度混合。辅助混合和全面 混合三类。其中轻度混合只是采用低电压低功率的电动机，在内燃机启动时，使用电 动机将内燃机转到较高转速，从而节省燃料。在制动的时候可以通过再生制动方式将 制动能量储存起来。辅助混合电动汽车的特点是采用高电压低功率的电动机，在加速 时可以作为辅助动力使用。全面混合电动汽车的特点是可以单独使用内燃机或者是电 动机进行驱动。这样就对电池提出了更高的要求。 2 2 不同形式混合动力系统的对比 串联、并联与混联这三种混合动力系统的组成方式是随着科技、技术的发展而 逐步发展起来的。由于其组合形式的不同因此各有优缺点，其中串联式与并联式是传 8 2 混合动力系统的结构及工作原理 统的混合动力电动汽车动力系统的组成方式，而混联式是近些年来出现的同时具有串 并联特征的混合动力电动汽车，其特点是能够提供更多的工作模式。下面分别说明三 种连接方式。 2 2 1 串联式混合动力汽车( s h e v ) s h e v ( s e r i e s h y b r i d v e h i c l e ) 是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成， 发动机、发电机和驱动电动机采用”串联”的方式组成s h e v 的驱动系统。s h e v 用发 动机一发电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使s h e v 的行驶里 程得到延长。实际上s h e v 的发动机一发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机 并不直接参与s h e v 的驱动。 如图2 2 为s h e v 不同工作状况下能量转移状况： 一 t t t t b 一蓄电池；e 一内燃机；f 一油箱；g 一发电机；m 电动机： p 一功率转换器；t 一传动装置( 包括制动、离合器和齿轮箱) ； 一电力连接；一液流连接；一机械连接； 图2 - 2 串联式h e v 的工作模式【2 】 f i g2 - 2w o r k i n gm o d e lo fs h e v s h e v 的发动机，可采用四冲程内燃机、二冲程内燃机、转子发动机和燃气轮机。 发动机、发电机组，发动机的转速控制在一定范围内，不受s h e v 运行工况的影响， 经常保持在低能耗、高效率和低污染的状态下运转。 s h e v 驱动系统的结构比较简单，动力电池组、发动机一发电机组和驱动电动机 在底盘上的布置有较大的自由度，控制系统也比较简单，因为只有唯一的电动机驱动 模式，其特点是动力特性更加趋近于e v 。发动机输出的机械能首先通过发电机转化 为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱 动车轮。因此要达到长距离的使用s h e v 必须装置在一个大功率的发动机发电机 组，再用驱动电动机来驱动车辆。发动机、发电机和驱动电动机的功率都要求等于或 9 西安理工大学硕士学位论文 接近于s h e v 的最大驱动功率。其优点是在城市中行驶时，可只使用电池组的电能驱 动，实现“零污染”。不足之处在于，在热能一电能一机械能之间的转换过程中，总效 率低于内燃机汽车。三大动力总成的体积较大，质量也较重，还有庞大的动力电池组， 使得在中小型汽车上布置有一定的困难，一般适合大型客车采用。 2 2 2 并联式混合动力电动汽车( p h e v ) p h e v ( p a r a l l e lh y b r i de l e c t d c v e h i c l e ) 是由发动机、电动，发电机或驱动电动机两大 动力总成组成，发动机、电动发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成p h e v 的 驱动系统。从p h e v 的动力系统组成，可大致分为发动机一驱动系统( 变速器和驱动桥) 一驱动轮等，电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，可以：在发动机输出轴处进 行组合；在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合；在驱动轮处进行组合。因此，p h e v 的驱动力组合有以下不同的组合模式： a 发动机轴动力组合式p h e v 发动机轴动力组合式p h e v 只有发动机 和电动，发电机两大动力设备，发动机和电动 发电机的动力在发动机输出轴上进行组合，然 后通过由离合器、变速器、驱动桥和半轴组成 的传统的驱动系统带动车轮行驶，称为发动机 轴动力组合式p h e v 。 b 动力组合器动力组合式p h e v 动力组合器动力组合式p h e v 只有发动 机和驱动电动机两大动力设备，发动机和驱 动电动机的动力在动力组合器上进行组合， 然后通过差速器和半轴带动车轮行驶。由于 发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上 进行组合，称为动力组合器动力组合式 p h e v 。 c 驱动轮动力组合式p h e v 驱动轮动力组合式p h e v 的发动机通 过离合器、变速器和驱动桥独立驱动 p h e v 的后驱动轮( 前轮) ，驱动电动机通 1 0 图2 - 3 发动机轴动力组合式p h e v f i g2 - 3e n g i n ed r i v ec o m b i n a t i o n 一倒 一 啦匦 匦蛔 圈2 4 动力组合器动力组合式p h e v f i g 2 4p o w e rc o m b i n a t i o n 2 混合动力系统的结构及工作原理 过减速器独立地驱动p h e v 前驱动轮( 后 轮) 。在混合动力驱动模式时发动机与驱 动电动机共同组成4 轮驱动模式驱动 p h e v 的前驱动轮和后驱动轮。由于在发 动机与驱动电动机混合驱动时，发动机和 驱动电动机的动力( 牵引力) 在驱动轮上 组合，因 此成为驱动轮动力组合式p h e v 。 图2 - 6 为p h e v 在不同工况下的能量转移情况 图2 - 5 驱动轮动力组合式p h e v f i g 2 5d r i v ec o m b i n a t i o n b 一蓄电池；e 一内燃机；f 一油箱；g 一发电机；m 一电动机； p 一功率转换器；t 一传动装置( 包括制动、离合器和齿轮箱) ： 一电力连接；一液流连接；一机械连接； 图2 - 6 并联式h e v 的工作模式嘲 f g 2 - 6w o r k i n gm o d e lo fp h e v 虽然p h e v 有不同的结构模型，但都是以发动机为主要驱动模式。发动机控制在 低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定地运转。发动机直接带动p h e v 的驱动系 统驱动p h e v 行驶，采用传动效率高的机械传动系统，没有s h e v 在热能一电能一机 械能的转换过程中的能量损耗。 p h e v 的发动机和电动机两大动力总成都是驱动动力装置，在p h e v 上可以实现 发动机驱动模式，电动机驱动模式和发动机一电动机混合驱动模式等三种驱动模式。 发动机和电动机有各自的功率，可以是p h e v 的最大驱动功率的0 5 1 倍，两大动力 总成的功率可以叠加，因此可以采用较小功率的发动机和电动机，使得整个动力总成 的尺寸较小，质量较轻，造价也较低，可以应用在中小型p h e v 上。由于是以发动机 驱动模式为主要驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于内燃机汽车。 1 1 西安理工大学硕士学位论文 2 2 3 混联式混合动力电动汽车( p s h e 混联式混合动力电动汽车s p l i th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( p s h e v ) 是综合s h e v 和 p h e v 结构特点组成的p s h e v ，由发动机、电动发电机和驱动电动机三大动力总成 组成。由于电动发电机必然是装在发动机的输出轴上，才能起发动机飞轮和起动机的 作用，也才能保持发动机稳定运转并进行发电。因此电动机的动力要与车辆驱动系统 相组合，只有：在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合；在驱动轮处进行组合。因此， p s h e v 的驱动力组合有以下不同的组合模式： a 动力组合器动力组合式p s h e v 动力组合器动力组合式p s h e v 有发动机、电动发电机和驱动电动机三大动力总 成，在发动机的输出轴上，装有一个电动发电机，电动发电机一般只用于快速起动 发动机和发电。发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合，然后通过差速 器和半轴带动车轮行驶。由于发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合， 称为动力组合器组合式p s h e v 。 b 驱动轮动力组合式p s h e v 驱动轮动力组合式p s h e v 有发动机、电动发电机和驱动电动机三大动力总成， 在发动机的输出轴上，装有一个电动发电机，电动发电机一般只用于快速起动发动 机和发电。发动机通过离合器、变速器和驱动桥独立驱动p s h e v 的后驱动轮( 前轮) ， 驱动电动机通过减速器独立地驱动p s h e v 前驱动轮( 后轮) 。在混合动力驱动模式时 发动机与驱动电动机共同组成4 轮驱动模式驱动p h e v 的前驱动轮和后驱动轮。由于 在发动机与驱动电动机混合驱动时，发动机和驱动电动机的动力( 牵引力) 在驱动轮 上组合，因此称为驱动轮动力组合式p s h e v 。如图2 7 所示。 图2 - 7 一种混联式结构图 f i g 2 7o n eo fc o n f i g u r a t i o no fp s h e v 图2 8 为p s h e v 在不同工况下的能量转移情况。 p s h e v 兼有s h e v 和p h e v 的优点，可以组合成更多种形式的混合驱动的驱动 模式，发动机、电动发电机和驱动电动机的功率可以是p s h e v 总功率的1 3 1 倍， 车辆的整备质量可以降低，而且性能更加完善，经济性更好，在动力性能方面接近和 2 混合动力系统的结构及工作原理 一一 一一 一一 ， b 一蓄电池；e 一内燃机；f 一油箱；g 一发电机：m 一电动机； p 一功率转换器；t 一传动装置( 包括制动、离合器和齿轮箱) ； 一电力连接；一液流连接：= = 机械连接； 图2 4 t 混联式h e v 的工作模式【2 l f i g 2 8w o r k i n gm o d e lo fp s h e v 达到内燃机汽车的水平，有害气体的排放更少，达到“超低污染”的标准要求。 这三种组合方式的主要优缺点可以参见表2 1 【。 表2 - 1 三种组合方式特点 t a b 2 1t h ec h a r a c t e ro ft h r e ek i n d so fw o r k i n gm o d e l 堪接方式 串联式并联式混联式 项目 控制系统结构比较 动力控制系统及机械 简单，对电池要求 切换系统相对较复杂，机械传动系统及控制 动力控制系统较高，容量大，电 总容量比串联式小，对系统最为复杂，对电池 动机是唯一的驱动 蓄电池的峰值功率要的依赖小，驱动模式复 求较低，有多种驱动模杂 模式 式 动力传递过程中存 动力直接传到车轮上， 在能量转换的损 能量传递效率 中间环节少，比串联式较高 失，降低了能量利 用率 有较高的能量效率 发动机的工作不受汽 内燃机总在最佳工动力主要来源于内燃车行驶工况的影响，总 内燃机工作效率况下工作，具有较机，内燃机工作范围是在最高效率状态下 高的燃料经济性大，效率较低运转使汽车实现低排 放和超低油耗 西安理工大学硕士学位论文 续表 接方式 串联式并联式 混联式 项目 环境污染 污染小污染较大，噪声大介于串、并联之间 每一动力装置的功 发动机和电动机均较 率均等于汽车要求 小，动力系统可根据不 的总功率，设备规结构简单，省去了发电 同工况选用不同的动 模较庞大，增加了机，适用于小型车辆， 力驱动方式，充分利用 其他两套动力装置的优点， 车辆的成本及机构性能接近于普通内燃 适用于各种类型车辆， 布置的难度，适用机汽车，制造成本低 更加接近普通的内燃 于大型车辆，性能 机汽车性能，制造成本 接近电动汽车 较高 从上表可以看到三种形式的混合动力电动汽车各自有各自的优缺点，对于城市应 用来说，并联式结构相对简单，造价低于混联式结构，因此较适合目前选用。 2 3 小结 本章系统的介绍了目前世界上所存在的三种混合动力电动汽车的结构，并比较了 不同结构之间的优缺点。据此提出对于小型车来说在目前的技术条件下并联式是比较 好的一种选择。 1 4 西安理工大擘硕士学位论文 3 混合动力电动汽车动力系统功率控制策略 功率控制策略就是用来根据不同的路况及由此产生的功率需求，同时考虑到发动 机、电动机和蓄电池的运行状况来控制发动机、电动机和蓄电池之间的功率流动。 由于混合动力电动汽车的结构不同，因此针对不同的动力组合方式有不同的控制 策略来调节和控制功率流的流动方向与大小，这样做的目的主要是为了达到最佳的燃 油经济性、最低的排放、最低的系统成本与最佳的驱动性能。控制策略的制定是混合 动力电动汽车开发的关键，因为其影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能。 因此在制定控制策略的时候就应该考虑以下几点： 1 ) 优化发动机的工作点。根据发动机的转矩一转速特性曲线确定最优工作点。 2 1 优化发动机的工作曲线。根据发动机的最优工作点确定。 3 ) 优化发动机的工作区域。在转矩一转速特性曲线上，有一个首选工作区，在此 区域内燃油效率最高。 4 ) 最小的发动机动态波动。控制发动机的工作转速，使发动机动态波动最小。 5 ) 限制发动机最低转速。因为发动机在低转速的时候燃油经济性最差，因此在使 用内燃机的时候应尽快将转速提高到经济区域，或者在转速过低时关闭发动机，使用 电动机。 6 ) 减少发动机的开关次数。因为频繁的启动停止发动机会加大油耗与排放。 7 ) 蓄电池荷电状态( s t o r a g eo fc e l l ) 。蓄电池的s o c 值必须在一个合适的区域，这 样有利于延长蓄电池的使用寿命，同时可以保证在加速时提供足够的功率，并且在制 动时能够回收能量。如果蓄电池的s o c 值过高，则应切断发动机，而使用电动机。 8 ) 分工适当。在行驶的过程中发动机和蓄电池应合理分担汽车所需功率，在某 些地段可以进行选择使用电动机模式或者是发动机模式。 3 1 串联式混合动力电动汽车控制策略 从串联式的结构图3 - 1 7 1 上可以看出，连接简单，因此串联式混合动力电动汽车的 控制策略也相对简单。发动机输出的机械能传递给发电机，首先转变成电能，通过逆 变器，根据需要一部分给蓄电池充电，一部分传递给电动机驱动车辆行驶。从图2 2 可以看出串联式混合动力电动汽车在工作过程中功率流的运动方向，车辆启动、正常 行驶或加速行驶时，发动机通过发电机和蓄电池一起输出电能并传递给功率转换器驱 动电动机，然后通过机械传动装置驱动车轮；车辆轻载时，发动机发出的功率大于车 辆所需功率，多余的能量通过发电机给蓄电池充电直到s o c 值达到预定要求；车辆制 动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率转换器给蓄电池充电。 西安理工大学硕士学位论文 一机械连接一电气连接+ 控制信号 图3 - 1 串联式混合动力电动汽车结构原理图 f i g - 3 - ic o n s t r u c t o rp r i n c i p l eo fs h e v s h e v 的控制策略一般分为以下两种：发动机开关控制策略和发动机功率跟随控 制策略p j 。 a 串联式发动机开关控制策略 这种策略的特点就是发动机所发的能量传给发电机，发电机将动能转化为电能存 储入蓄电池，然后蓄电池将电能传给电动机驱动车辆行驶。其最大好处就是保证发动 机始终工作在最优工作区间，使其在效率最高的转速一扭矩点上运行。这样可以减少 燃油的消耗，并保持较好的排放。但是对于蓄电池来说要保证其