（模式识别与智能系统专业论文）混合动力电动汽车辅助功率单元控制器设计与实现.pdf

摘要 摘要 环境污染和能源危机已成为影响当今世界发展的两个重大问题。而传统 燃油汽车正是产生这两大闯题的原因之一。传统燃油汽车的使用带来了环境 污染、噪声污染、能源消耗等等的问题。而电动汽车具有污染小、节省能源 的优点，因此电动汽车越来越受到各个国家的重视和研究，但是由于纯电动 汽车具有续驶里程短、造价高等缺点，混合动力电动汽车成为了备受瞩目的 研究方向。特别是串联式混合动力电动汽车在城市交通和场馆的领域应用更 为广泛。 本课题就是以2 0 0 8 年北京奥运会奥运场馆的实际应用为背景，研究中 巴混合动力电动汽车。整体结构采用串联式的结构，具有两个动力源，一个 为永磁发电机和奇瑞公司的发动机组成的发动机发电机组，另一个为北京世 纪千网公司的免维护铅酸蓄电池，并以交流异步电动机作为驱动电机。采用 t i 公司的d s p 2 8 1 2 作为辅助功率单元( a p u ) 控制器的微处理芯片，并设计 模拟量、数字量和速度信号处理电路以及c a n 通信电路。由于汽车内部干 扰严重，硬件上采用隔离和屏蔽处理，软件上采用滤波处理。本文通过对发 动机速度信号和发电机电流的采样，并以电流做外环，发动机转速做为内环 的双闭环控制，通过p i d 控制算法，完成对蓄电池充电，在行车过程中既 能给蓄电池充电又能够在不同路况下结合蓄电池一起给驱动电机提供能量， 同时又能够保证发动机工作在最优工作区，以达到最优的排放和最高的工作 效率。并通过c a n 总线完成a p u 控制器与上位机的通讯功能。通过实验 调试达到了预期控制的目标。 关键词：混合动力电动汽车；辅助功率单元；发动机；发电机；驱动电机； 控制器 北京工业人学工学硕七学位论文 a b s t r a c t r n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de q n e r g yc r i s i sh a v eb e c o m et h et w oi m p o r t a n tp r o b l e mo f t h e w o r l d a n dt h eu s i n go ft r a d i t i o n a lv e h i c l e si so n el s e o no ft h ep r o b l e m t h et r a d i t i o n a l v e h i c l e sm a k em a n yp r o b l e m s , s u c h 越e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n n o i s ep o l l u t i o n , e n e r g y s o u r c e se x p e n d e d b e c a u s et h ee l e c t r i c - v e h i c l eh a sl i t t l ep o l l u t i o na n ds a v e se n e r g ys o u r c e s , m a n yc o u n t r i e sa t t a c hi m p o r t a n c et oe l e c t r i cv e h i c l ea n dr e s e a r c hi t b u tb e c a u s et h es i n g l e e l e c t r i cv e h i c l eh a st h es h o r t c o m i n go fs h o r tc o n t i n u ed i s t a n c e , p e o p l ef i xe y e so nt h e h y b r i d - e l e c t r i cv e h i c l e e s p e c i a l l yt h es e r i e sh y b r i d - e l e c t r i cv e h i c l e sa r ea p p l i e di nt h e f i e l d so f c i t y - b u se n dl i b r a r y t h et e x tr e s e a r c ht h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ew h i c hi sa p p l i e di nt h eb e i j i n go l y m p i c g a m e s2 0 0 8 t h ev e h i c l ei ss e r i e sh y b r i d - e l e c t r i cv e h i c l ea n dh a st w od r i v i n gf o u n t a i n , 佃e i st h ee n g i n ec o m e sf r o mc h e r r yc o m p a n ye n dt h eg e n e r a t o ri sp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r , t h eo t h e ri st h es t o r a g eb a t t e r yw h i c hc o m e sf r o mt h ec o m p a n yo fs h i j i q i a n w a n g , a n dt h e d r i v em o t o ri sa ca s y n c h r o n o u sm o t o lu s et h ed s p 2 8 1 2a st h e m i c r op r o c e s s o ro f t h ea u x i l i a r yp o w e ru n i ta n dd e s i g nt h ec o r r e l a t i o nc i r c u i to fi t a n dd e s i g nt h ed i g i t a la n d m m l o gc i r c u i t s ，s i g n a lo fv e l o c i t yc i r c u i ta n dt h ec i r c u i to fc a nc o m m u n i c a t i o n d e s i g n t h ea n t i d a m m i n go f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eb e c a u s eo f t h e j a m m i n go f t h ev e h i c l e s a m p l e t h es i g n a lo fc u r r e n to fg e n e r a t o ra n ds p e e do fe n g i n ei no r d e rt om a k eu pt h et w oc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mw i t ht h ep i da r i t h m e t i c t h ec o n t r o ls y s t e mc a nm a k et h ee l s e a n d t h eg e n e r a t o re l e c t r i c i z et ot h eb a t t e r yo rh e l pt h eb a t t e r yo f f e rt h ee n e r g yt ot h ed r i v em o t o r a st h es a r n et i m e ，t h ea p uc o n t r o l l e rm u s tm a k et h ee o g i n ew o r ki nh i g he f f i c i e n c ya n d l o wl e t t h ea p uc o n t r o l l e rc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h ei l pc o m p u t e rw i t hc a n t h r o u g h m u c he x p e r i m e n t a t i o nt h ea p uc o n t r o l l e rc a nf i n i s ha l lt h ef i m c t i o n 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 ：a u x i l i a r yp o w e ru n i t ：e n g i n e ：g e n e r a t o r ；d r i v e m o t o r ：c o n t r o l l e r 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。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 伽1 ； 本人完全了解北京工业大学有关保留、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 或部分内容，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应遵守此规定) 签名：瑶鲫导师签名： 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着社会的进步和经济的发展，人们对汽车的需求日益提高，导致汽车行业 迅速发展，汽车生产量提高。截至2 0 0 3 年底，我国汽车的保有量己超过23 8 3 万辆，而且每年又以高速度增长。但是随着汽车的大规模使用，汽车的尾气排放 成为很大的污染源，尤其是在一些大城市，汽车的尾气排放已成为城市污染的主 要源头。随着人们环保意识的不断增强，以及人们对提高城市空气质量的强烈愿 望和要求，减少汽车尾气污染物已成为政府和社会各界的一项极为迫切的任务。 同时，汽车的使用也消耗了大量的石油能源，面对全球能源的日益紧张，汽车对 能源的需求也给各个国家带来了很大压力。为了解决环保问题和能源消耗问题， 各个国家开始投入大量资金和技术来开发电动汽车，电动汽车不仅噪音小，无尾 气排放，而且也不用石油作为燃料，因此被人们誉为“绿色汽车”。并且在各个 国家都有很大的突破性研究成果，但是纯电动汽车具有续驶里程短，蓄电池寿命、 充电时间、价格等问题，给电动汽车发展带来阻碍。在这种情况下，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 ) 异军突 起，成为解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。根据统计资料，混合动 力电动汽车的燃油消耗指标与装备同类型发动机的传统汽车相比而言平均降低 3 0 _ 4 嘶，尾气排放指标平均降低5 0 - 6 附阳。因此，成为了研究的热门，并取 得了很多的成就。特别是在日本，日本的综合能源调查会在清沽能源汽车普及 计划中设定的目标是：到2 0 1 0 年，生产混合动力电动汽车( 哑v ) 1 8 0 万辆，高 性能电动汽车( e 1 ，) 2 4 万辆、天然气( c n g ) 汽车1 0 0 万辆，其中混合动力电动 汽车占到的比例是5 6 。在我国，政府也对h e y 的发展给予了足够的重视，国家 科技部在“十五”规划中制定的战略目标是，争取在发展e v 、呱v 的电池、能量 管理系统、驱动控制等关键技术上基本保持与世晃同步，并且目前把混合动力电 动汽车的开发列为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的重大研究课题之一i 刀。 混合动力电动汽车在一辆汽车上同时配备了电力驱动系统和辅助功率单元 ( a u x i l i a r yp o w e ru n i t ，简称a p u ) 嗍，其中a p u 是燃烧某种燃料的原动机或有 北京1 = 业大学工学硕士学位论文 原动机驱动的发电机组，目前h e v 所采用的原动机一般有柴油机、汽油机或燃气 轮机。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量存储装置( 蓄电池) 组合在一 起，他们之间良好的匹配和优化控制，可以充分发为内燃机汽车和电动汽车的优 点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车 9 1 。 1 2 混合动力电动汽车发展现状 1 2 1 国外主要国家发展情况 作为一项新技术，9 0 年代以来，混合动力电动汽车的开发得到了日本、美 国、西欧等许多发达国家和地区的高度重视，并且取得了一些重大的成果和进展。 在第3 2 届东京汽车展上，日本各大汽车公司推出6 款混合动力电动汽车， 说明日本汽车界将重点从纯电动汽车转向混合动力电动汽车。1 9 9 5 年5 月日产 公司开发出了可以使续驶里程增加一倍的串联式混合动力微型轿车。同年9 月日 产公司又开发出使燃料费降低一半，并且可以批量生产的并联方式混合动力型汽 车系统。日野汽车制造公司也于1 9 9 7 年1 2 月1 8 日开发出了柴油机电动并联式 混合型系统的客车。三菱电机公司也开发出轻型串联时混合动力电动卡车，采用 两个a c 感应电机和1 8 升的发动机。值得注目的是丰田汽车公司率先于1 9 9 7 年1 2 月将混合动力p r i u s 轿车投放到本国市场，2 0 0 0 年又开始投放北美市场， 并将月产由1 0 0 0 辆提高到每月产20 0 0 辆，三年内销售了4 5 万辆。据估计1 9 9 8 年在日本的国内销售达1 2 0 0 0 辆。p r i m 混合动力电动汽车在成本方面也取得了 令人振奋的进展。p r i u s 混联式混合动力电动汽车开拓了混合动力电动汽车技术 与应用领域的新天地，创造性的首次采用了两套动力系统混联的方式，采用高精 度的机械装置实现了动力系统的连接和能源的传递。另外丰田的c o a s t 串联式混 合动力电动客车也已进入商业化阶段【l o l 。 欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制以及推广方面的工作。 法国雷诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力电动汽车已经在法国接受 1 00 0 0 k i n 的运行试验。并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车，取名为n e x t ， 样车已向公众展出。这种电动汽油两用车前部装有一台汽油发动机；两台7 k w 电动机装在两个后轮上。当时速在4 0 k m 以下时，由电动机驱动；达到4 0 k m 以 第1 章绪论 上时由汽油发动机驱动，同时可为电瓶充电，最大时速达到1 4 2 k i n ；若再加速， 此时电瓶会提供辅助动力，最高时速可达1 6 9 k i n 。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电动汽车，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，德国公司生产的串联时混合动力 电动汽车d u o 已有小批量生产，现在德国已开始出租，预计4 年内租出5 0 0 辆。 最近，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，这也使得人们把更多的希望寄托在混合动力电动汽车上i 1 1 】。 在美国，9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之问的技术合作与联合，并以 混合动力电动汽车为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组 织各大汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。1 9 9 3 年9 月 美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国 “新一代汽车合作伙伴计划”( 简称p h ig v 计划) ，旨在开发新一代高效节能汽 车。混合动力电动汽车计划是1 9 9 7 年底美国重新确定的p ng v 计划4 个重点领域 一。此外美国先进项目局( a r p a ) 于1 9 9 3 年订立电动汽车( e v ) 和混合动力电动汽 车( r m v ) 项目，出资25 0 0 万美元，与各州、地方和私人投资以不低于1 ：l 的资 金比例研究e v 和h e v 技术。1 9 9 4 年a r p a 项目投资已增加到4 6 0 0 万美元。 1 9 9 3 年和1 9 9 6 年，美国能源部分别与通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽 车公司签定了总额达31 6 1 亿美元的混合动力电动汽车系统开发合同，并许下诺 言：“至2 0 1 0 年，一定要使混合动力电动汽车成为美国公路上司空见惯的车辆”。 随着p ng v 计划的实旋，美国三大汽车公司进行了一系列的整车技术开发和研制 工作。通用汽车公司同时致力于串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力的研 制。在1 9 9 8 年1 月的底特律北美国际汽车展上，通用汽车公司推出了e v l 型4 座混 合动力电动汽车。福特汽车公司已开发出福特p 2 0 0 0 型5 座并联式混合动力电动汽 车，并在2 0 0 0 年投放市场；福特新开发出的“优异2 0 1 0 ”概念车实验平台的性能 已达到了p ng v 计划的部分目标：每加仑汽油行驶8 0 英里。1 9 9 8 年1 月，克莱斯 勒汽车公司宣布开发出道奇无畏e s x 2 串联式混合动力电动汽车，并在2 0 0 3 年投 放市场。1 9 9 7 年由美国宇航局( n a s a ) l e w i s 中心、俄亥俄州政府和工业界、大 学等9 个单位合作，开发出串联式电动。喷气涡轮混合动力大客车，在2 0 0 0 年投 放市场1 2 】【1 3 1 。 1 2 2 国内混合动力电动汽车发展情况 我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关 和整车研制，在此基础上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。清 华大学在混合动力电动汽车关键技术和系统及理论方面作了许多工作，1 9 9 5 年 就开始这方面的研究。到目前为止国内已有几个单位试制出了混合动力电动汽车 的样车，如广州市电车公司开发了混合动力公共汽车；华南理工大学与广东云山 汽车厂也合作开发了一种中巴混合动力电动汽车。但是从技术水平上看，国内 目前还处于探索的初级阶段。以上所开发的混合动力电动汽车都是串联式的，只 是在原有的电动汽车上简单地加载发动机和发电机机组，技术的集成度较低， 缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统，两种动力源还只是简单结合觖乏 统一协调，这与真正意义上的混合动力电动汽车，与国外的先进技术水平相比还 有一定的距离。 1 3 混合动力电动汽车的发展趋势 在能源和环保的压力下，世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由 于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商 品化，而混合动力电动汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术 和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此日本、 美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力电动汽车产品。预测表明 到2 0 1 0 年全球混合动力电动汽车年产可达2 9 4 万辆。从国内市场来看，由于经 济的持续快速增长，城市规模不断扩大，各大城市政府己纷纷将推广使用清洁燃 料汽车作为净化空气、改善环境的一项重要措施，特别是北京申办2 0 0 8 年奥运 会成功，更为洁净型城市汽车提供了极佳的市场机遇。随着石油资源的枯竭、人 们环保意识的提高，电动汽车及混合动力电动汽车将成为新世纪前几十年汽车发 展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府已经在国家高 技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中专门有电动汽车重大专项( 包括燃料电池整车、 混合动力整车和纯电动车) ，北京申报成功2 0 0 8 年奥运会后，我国政府对汽车 排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要 第l 章绪论 求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。在我国大中城市都普遍存在着十分严 重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染 源之一，因此混合动力电动汽车有着广阔的市场空问，特别是开发用于城市交通 ( 如出租车) 和城市之间的混合动力电动汽车在我国有着得天独厚的发展条件和 广阔的应用前景。 混合动力电动汽车相对于电动汽车和代用燃料汽车的优势使其具有良好的 商业前景。据专家研究，混合动力电动汽车的生命周期至少有3 0 年，若考虑使 用清洁燃料，其前景则更为广阔。在当前电动汽车的成本和电池等技术难以取得 重大突破的时期，开发混合动力电动汽车有利于解决环境、能源等可持续发展战 略所需解决的紧迫问题。 目前，国内外的专家达成共识：混合动力电动汽车的使用不只是电动汽车的 一个过渡阶段，而是汽车工业即将面临的一场新的革命。众所周知，燃料电池虽 然是电动汽车商业化和产业化的一个希望，但是由于燃料电池不可逆，如果单纯 使用燃料电池作为动力源，在制动和减速时无法实现能量回收，另外燃料电池汽 车起动也是一个有待解决的难题。因此，燃料电池同样需要与电池组成混合动力 系统。基于以上分析，混合动力电动汽车的商业化和产业化发展是必然的趋势n 4 1 。 1 4 课题内容与意义 本课题以奥运场馆的实际应用为背景，研究串联式混合动力电动汽车的辅助 功率控制。根据发动机的工作效率特性，通过对发电机电流以及发动机的转速的 控制，来达到给蓄电池合理充电，以及汽车运行在不同的路况下即能给蓄电池充 电又能保证发动机发电机组和蓄电池组共同给驱动电机提供能量。同时使发动机 工作最优，减少排放，利用率最高。主要包括： ( 1 ) 串联式混合动力电动汽车的辅助功率控制的整体设计 ( 2 ) a p u 控制器的硬件系统设计与实现 ( 3 ) a p u 控制器的软件系统设计与实现 ( 4 ) 系统的通信设计 ( 5 ) 整体系统的调试 为响应2 0 0 8 年北京。绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的号召，北京工业大 北京工业大学工学硕士学位论文 学整合本校电子信息与控制工程学院、环境与能源工程学院、机电学院、计算机 学院和城市建筑规划学院工业设计系，实行跨学科联合，成立“北京工业大学电 动车技术研究中心”，并与远望创新科技( 北京) 有限公司电池事业部、北京世纪 于网电池技术有限公司、北京市京华客车有限责任公司紧密合作，进行电动汽车 技术的研究与开发。课题得到了北京市的大力支持，是北京市教委“电动汽车技 术研究与开发”及“c a n o p e n ”现场总线与电动汽车综合监控系统科研基金项目。 本课题通过对串联式混合动力电动汽车辅助功率单元的控制系统的研究，对于解 决串联式混合动力电动汽车的能量流动控制，提高串联式混合动力电动汽车的能 量利用率，更好的提高发动机的效率具有重要意思。同时，合适的算法延长蓄电 池的使用寿命，提高汽车的续驶里程也有很重要的意义。 第2 章混合动力电动汽车结构 2 1 混合动力电动汽车的基本结构 根据混合动力电动汽车动力系统的连接方式可以分为三种类型：串联式混 合动力电动汽车( s e r i e ss c h e d u l eh y b d d c l e c t r i cv e h i c l e ，又称s h e v ) 、并联式 混合动力电动汽车( p a r a l l e ls c h e d u l eh y b r i d - e l e c t r i cv e h i c l e ，又称v i - m v ) 、混联 式混合动力电动汽车( s e r i e s - p a r a l l e lc o m b i n e ds c h e d u l eh y b r i d - e l e c t r i c 临c l c ， 又称s p h e v ) ”】。这种三种类型在控制系统、对蓄电池要求、能量传递效率、 内燃机工作效率、环境污染等方面有各自的特点。 2 1 1 串联式混合动力电动汽车 串联式混合动力电动汽车由内燃机、发电机、蓄电池和电动机等动力装置 以串联的方式连接。在这种系统中，车轮的驱动力全部直接来自驱动电动机。 内燃机在相对稳定的状态下高效运转。其输出的机械能由发电机转换成电能。 通过电子控制器，由电动机再转换成机械能以驱动车轮，还可以将部分电能输 入蓄电池储存。串联式混合动力电动汽车结构如图2 - 1 所示。 图2 1 串联式混合动力电动汽车结构 f i g u r e 2 1t h es m l c t m o f s c d a lh y b r i d - e l e c 伍cv e h i c l e 串联式混合动力电动汽车控制系统结构较简单，由于串联式混合动力电动汽 车动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工 况对发动机进行控制的优点，适用于常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可 使发动机稳定于高效率区或低排放区附近工作。串联式混合动力电动汽车对蓄电 北京工业大学工学硕士学位论文 池要求较高，要求蓄电池容量大，因此会增加整车的重量。串联式混合动力电动 汽车动力传动系统理论上的综合效率较低，是因为发动机输出的机械能由发电机 转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经两次能量转换， 中间必然会伴随着能量的损失。但是，在串联式混合动力电动汽车中发动机总在 最佳的工况下工作，具有较高的燃料经济性，而且对环境污染小。在串联式混合 动力电动汽车中发动机仅用于增加电动车辆的续驶里程，而用于驱动汽车的绝大 部分能量来源于蓄电池，使整个系统能量转化损失较小 1 6 1 。 2 1 2 并联式混合动力电动汽车 并联式混合动力电动汽车，这种系统更接近传统意义上的燃油汽车。此系 统的发动机和电动机是并列连接到驱动桥上的。车辆行时，由控制系统根据具 体的情况决定电动机和发动机单独驱动或是共同驱动以满足车辆行驶的需要。 并联式混合动力电动汽车结构如图2 2 所示。 图2 - 2 并联式混合动力电动汽车结构 f i g m e 2 - 2t h es l r u c t u r eo f p a r a l l e lh y b r i d - e l e c l r i cv e h i c l e 在并联式动力汽车动力传动系统中，发动机与电动机可分别独立地向汽车驱 动轮提供动力，没有串联式混合动力电动汽车动力传动系中的发电机，因此更像 传统的汽车动力传动系统。由于发动机与车辆驱动轮问有直接的机械连接，发动 机运行工况不可避免地受到汽车具体行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作 区工作，则控制系统和控制策略较复杂。并联式混合动力电动汽车的主要能源还 是主要来自于内燃机，因此对蓄电池的容量要求相对于串联式的来说小一些，对 于电池的峰值功率要求较低，从而可以减少整体汽车的重量。在这种结构中，内 燃机在较大的范围内工作，效率低下。而且这种结构的混合动力电动汽车噪声较 大，污染也要比串联式结构大l 堋。 2 1 3 混联式混合动力电动汽车 混联式混合动力电动汽车，这种系统包括两条能量传递路线，一是机械能 传递路线，内燃机输出的机械能可通过机械装置直接驱动车轮。二是电能传递 路线。发动机输出的机械能通过发电机转换为电能由电机驱动车轮。同时，电 池连接到发电机与电动机之间，可接受充电或提供辅助动力。混联式h e y 布置 方案综合了串、并联两种布置方案的优缺点，具有最佳的综合性能，但系统组成 庞大，传动系布置困难。另外，实现串、并联分支之间合理的切换对控制系统和 相关控制策略的设计也提出了更高的要求【埔l 。混联式混合动力电动汽车有开关 式结构( s w i t c h i n g ) 和分路式结构( s p l i t ) ，如图2 - 3 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 开关式结构( s w i t c h i n g ) 分路式结构( s p l i t ) 图2 - 3 混联式混合动力电动汽车结构 f i g u r e 2 3s e r i e s - p a r a l l e lc o m b i n e dh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l c 2 2 整体结构设计 在这三种方式中，混联式结构虽然效率较高，污染小，但是系统结构最为 复杂，较多应用在轿车领域，一般不应用在中型和大型混合动力客车上。大中 型混合动力电动客车一般采用串联式结构和并联式结构。串联式混合动力电动 汽车的结构最为简单，而且对环境的污染较小，适合于城市行驶中频繁起动、 第2 章混合动力电动汽车结构 加速和低速运行工况。串联式结构可使发动机在最佳工况点附近稳定运转，并 通过调整蓄电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，从而提高在复杂工况 下行驶的车辆的燃油经济性，同时降低排放。串联式结构中，在电池的荷电状 态( s o c ) 较高时还可以关闭发动机，只利用电机进行功率输出，使发动机避免 在怠速和低速工况下运行，提高发动机的效率，减少有害物质的排放。而并联 式结构虽然提高了整车系统的效率，优化了发动机的工作特性，但是不能彻底 解决路面负载变化度发动机工作特性的影响，因此排放依然很大，比串联式结 构污染大。并联式结构比较适合于行驶工况变化比较平稳的郊区车辆或高速公 路行驶车辆。本课题中的混合动力电动汽车是以奥运场馆为实际的应用背景， 对于混合动力电动汽车的要求是能够频繁启动、污染小、既能够运行在纯电动 状态又能够运行在混合动力的模式。因此，综合多种因素，本课题中的混合动 力电动汽车采用的是串联式的混合动力电动汽车结构如图2 3 所示，其中包括 发动机发电机组、蓄电池、驱动电机的串联式的结构和a p u 控制器。 图2 - 3 辅助功率单元整体结构 f i g u r e 2 - 3t h ew h o l es t r u c t e r eo f a u x u i a r yp o w e ru n i t l l 北京_ t 业大学丁学硕士学位论文 除了混合动力电动汽车的结构采用串联式的结构以外，汽车的外形参数、 重量以及其他的性能指标的确定，对于整体汽车的控制，a p u 控制器的设计也 具有重要的意义。本车的具体参数指标如表2 1 所示。 表2 - 1 混合动力电动汽车参数 c h a r t2 - 1t h ep a r a m e t e ro f t h eh e v 项目参数 长宽高，m m 5 9 9 7 x1 9 9 5 x 2 6 8 5 轴距n u n 3 2 0 0 轮距 m前轮1 4 6 0 后轮 1 4 7 0 车门一级他搬离地被m m蓦4 0 0 总质量k g 三4 5 0 0 最高车速，( k m h ) - - 9 0 最小转弯直径，m薹1 3 6 最大爬坡度肠 量2 0 整车性能参数 5 0 k m h 加速时间，s 耋1 5 排放限值 欧 接近角。 叁1 9 离去角。 妻1 3 最小离地间隙，m m1 9 5 2 2 1 发动机参数的选取 各个部分的参数选取，对于发动机来说，发动机功率的选择与匹配对混合 动力系统的设计至关重要。发动机功率的选择必须满足车辆的动力性需求，而 且发动机的工作范围要控制在经济区。从这个角度看：发动机输出功率不能太 大。功率越大，车辆燃油经济性和排放性能越差。如果发动机功率偏小，车辆 动力性不足，会导致蓄电池亏电，工作状况恶化，从而损坏蓄电池。如增大蓄 电池组容量，又会导致汽车重量与成本的增加。取巡航车速圪。= 8 0 k m h ，根 据表2 1 和汽车功率平衡方程，对应在经济区内的发动机最大功率只为1 1 9 】； 第2 章混合动力电动汽车结构 = 丢( 等+ 篇吃) = 丽1 ( 堡! 塑：竺：翌：里：竺! 玉8 0 + 0 6 * ( 0 7 8 * 1 9 9 5 * 2 6 8 5 ) + 8 0 3 1 ( 2 1 ) 7 6 1 4 0 7 = 3 8 0 3 k w g ：汽车重量仉：传动效率c 0 ：风阻系数厂：滚动阻力系数：迎风面积 为留出一定余量选择发动机功率为4 5 k w 。 2 2 2 驱动电机的选择 电动汽车通过电机控制器驱动电机，电机将电能转换为机械能来驱动汽车。 电动汽车对驱动控制系统的基本要求如下： ( 1 ) 足够大的起动转矩，以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启， 停的要求，通常电机的过载系数应达3 q 。 ( 2 ) 电机的调速范围大，般在2 5 - - 1 0 0 最大转速范围内，近似有小转矩、 恒功率的输出特性，满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶路况的要求。 ( 3 ) 比功率大，以最大功率计时，一般应j 盘( ( 1 - 1 2 5 ) k w k g 。 ( 4 ) 具有良好的效率特性，在较宽的转速，转矩范围内，获得最优的效率，提 高一次充电后的持续行驶里程，一般要求在典型的驾驶循环区，获得 8 5 - 9 3 的效率。 ( 5 ) 再生制动时的能量回收率高。 ( 6 ) 快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制 动转矩；在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。 ( 7 ) 具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地工作。 ( 8 ) 单位功率系统成本低，目前电气驱动系统的成本约为$ 1 0 & w ，其目标要 达到$ 蚀w 。 ( 9 ) 维护简单，工作噪声低。 本课题中采用交流异步电动机作为驱动电机，交流电机体积小、质量轻、 效率高、调速范围宽、可靠性高、价格便宜、维修简单方便，在电动汽车上得 到了广泛应用。感应交流电机在电动汽车上应用时，完成车辆的起动、加速和 恒速运行，当电动汽车减速或制动时，电机处在发电制动状态，给电池充电， 北京工业大学工学硕士学位论文 实现机械能到电能的转换。在电动汽车上，由功率半导体器件构成的p w m 功 率逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电 例。 2 2 3 蓄电池选择 为了满足电动汽车的需要，实现电动化的汽车蓄电池必须具有高起动性， 大容量性能，免维护特性，高可靠性，高耐久性的特点。串联式混合动力电动 汽车对于蓄电池的大功率充放电的能力、充放电效率、使用寿命、电池容量都 有较高的要求。 因为在汽车制动或者下坡等状况下，蓄电池要在短时间内接受大量能量反 馈，同时汽车处于上坡或者负载加大状况下，蓄电池要在短时间内提供出较大的 能量。所以串联式混合动力电动汽车要求蓄电池具有大功率充放电的能力。在串 联式混合动力电动汽车中能量经历蓄电池充电到放电的能量循环，因此对于蓄电 池的充放电效率有较高的要求。串联式混合动力电动汽车要频繁的启动，因此要 求蓄电池具有更长的使用寿命。对于电池的容量，如配置较多数量的蓄电池，则 总容量提高，可从充电机处得到较多电能；同时单节电池平摊电流变小，总放电 能力大为增加，所以车辆可在高速、重载、长续行驶工况下，实现纯电动运行模 式。但是同时车重过大，多出的电池导致制造、维护与更换成本剧增，并要有大 功率充电机支持。如配置较少数量的蓄电池，那么车辆纯电动运行里程与能力都 将受到较大限制，但汽车重量减轻，成本降低。综合这些因素的考虑，课题选择 的铅酸免维护蓄电池，采用2 8 节1 2 v 一1 3 5 v 电池串联的方式作为整车的蓄电池。 2 3 本章小结 本章介绍了混合动力电动汽车的三种基本的结构以及三种结构的基本特 点，进而提出本文中混合动力电动汽车在奥运场馆的背景下采用的其中一种串 联式的结构。并对本文的串联式混合动力电动汽车辅助功率控制部分包括发动 机发电机组、驱动电机、蓄电池以及他们的具体的特性和选型作了详细的论述。 这对于把握整车的结构和实现的控制目标具有更清楚的了解。 第3 章 p u 控制器方案设计 在串联式混合动力电动汽车中有两组动力源，一个是蓄电池，另一个是发动 机发电机组。汽车可以运行在纯电动状态，完全由蓄电池提供能量。也可以工作 在混合动力状态下，由蓄电池和发动机发电机组共同提供能量。在第二种状态下， 蓄电池相当于“蓄水池”，当汽车运行在上坡的路况或者负载加大的情况下，驱 动电机需要较大的能量，这部分能量由蓄电池来提供。而当汽车处于下坡或者制 动的情况下时，反馈的能量也回馈给蓄电池。而发动机发电机组则是在发动机工 作效率较高和排放小的工作区间内工作。在正常的路况下，既能达到给蓄电池充 电的目的又能给驱动电机提供能量的目的。 3 1 串联式混合动力电动汽车基本控制方法 在串联式混合动力电动汽车中能量流动频繁，能量在驱动电机和蓄电池之间 是双向流动的。因此对于串联式结构的混合动力电动汽车，减少能量流动损失， 提高能量利用率也是控制方法的考虑的重要指标。串联式混合动力电动汽车的能 量流动如图3 1 所示。 图3 - 1 串联式结构能量流动 f i g u r e3 - 1t h ea i 甜斟f l u x i o no f s e r i a lh y b r i d - e l e c t r i cv e h i c l e 当前串联式混合动力电动汽车的控制策略有恒温器控制器策略、功率跟随模 式、基本控制规则策略、动态规划法能量优化法、路线适应性策略。其中最为常 用的还是恒温器控制策略和功率跟随策略【2 l l 。 ( 1 ) 恒温器控制方法 串联式混合动力系统中，发动机与外界负载没有直接联系，可以在最佳工作 点附近工作，在降低车辆排放和实现系统高效方面具有优势，尤其适用于城市中 北京工业大学工学硕：t 学位论文 常见的频繁启动和低速运行状况。为保证车辆具有较好的燃油经济性和良好的捧 放，采用“t h e r m o s t a t 即恒温器控制策略。这种控制策略的优势是发动机可以一 直工作在某一高效区域或低排放区，劣势是蓄电池瞬时充放电电流会很大。对蓄 电池的性能和寿命有较大影响，并且会导致蓄电池的充放电损失大，整车的能量 转化效率低。 控制逻辑： a ) 车辆以纯电动模式启动； ”当电池组荷电状态$ o c = 瓤) c 二时，发动机处于“关”状态，车辆行驶 完全有电池组驱动。 c ) 当电池组荷电状态8 0 c = ) c 衄时，发动机处于“开”状态，此时要最大 限度的直接利用发电机组的输出功率以提高整个系统的综合效率； d ) 当电池组和电状态s o c 介于& 配二和s o c m 之间时，发动机的“开”、 。关”状态取决于具体的车辆电池的充，放电过程 2 2 2 3 1 。 ( 2 ) 功率跟随模式洲 在这种控制策略中由发动机全程跟踪车辆功率需求。只有在蓄电池的 8 0 c = s o c m 且仅由蓄电池提供的功率能满足车辆需求时，发动机才停机或怠 速运行。这种策略的优点是对蓄电池的性能和寿命有利，蓄电池容量被减小到最 小程度，因而蓄电池重量相对恒温器策略来说减轻了许多，从而在很大程度上 减小了汽车行驶阻力；此外由于蓄电池充放电次数减少而使得系统内部损失减 少。缺点是发动机必须在从低到高的较大负荷区内运行，使得发动机效率和排放 不如恒温器策略，难以体现出混合动力电动汽车的节能、环保优势。 ( 3 ) 基本规则控制型圈 综合恒温器控制策略和功率跟随模式两种规则的优点，根据发动机负荷特性 图设定了高效率工作区，根据蓄电池的充放电特性设定蓄电池高效率的荷电量范 围制定某种规则的控制方法。 ( 4 ) 动态规划法能量优化法嗍 这种方法以汽车在给定的驾驶循环工况下最小油耗为优化目标，根据串联式 混合动力的功率流动特点建立适当的数学模型，按照时间顺序把整个循环工况下 第3 章a p u 控制器方篥设计 的功率与效率以一定的时间间隔分成若干个时间片断，然后从最后一段状态开始 逆向递推到初始段状态为止，最后求出整个循环工况下发动机最优输出功率序 列，该方法只能用于必须预先精确知道车辆的需求功率的驾驶循环。 ( 5 ) 路线适应性策略【2 7 】 这种控制策略适于城市公交车加减速频繁路线固定，并且站点、站距、停车 时间都预先知道的情况，在能量管理的基本控制策略( 开关型或功率跟随型策略) 基础上增加两个控制子策略，根据行车路线数据( 整个路线速度曲线，站点位置， 实际车速等) 帮助驾驶员发出当前工况下的最佳加速踏板请求。 3 2 蓄电池充电方法介绍 蓄电池在串联式混合动力电动汽车中最重要的部分，在对蓄电池的类型和容 量选定以后，对于蓄电池的特性以及充电方法也要考虑。因为无论在汽车处于静 止状态还是运行状态，都会有给蓄电池充电的过程，了解蓄电池的充电方法，对 于提高蓄电池的寿命，维护蓄电池具有重要的意义。对于蓄电池有基本的三种充 电方法，恒流充电方法、恒压充电方法和恒流递减充电方法。 ( 1 ) 恒流充电 在蓄电池进行实验和使用过程中，大部分用恒流的方法进行充电。在充电过 程中随着蓄电池电压的变化要调整电流使之恒定。这种维持电流恒定的方法，其 操作简单方便，易于做到，这种方法特别适合于由多数电池串联的电池组，落后 的电池的容量易于恢复，最好用于小电流的长时间的充电模式。 ( 2 ) 恒压充电 此法是对每支单体电池以某一恒定电压进行充电。因此充电初期电流相当 大，随着充电进行，电流逐渐减小，再充电终期只有很小的电流通过，这样在充 电过程中就不必调整电流。此方法比较简单，其缺点是：在充电初期，如果蓄电 池放电深度过深，充电电流很大，电池可能因过流而受到损伤。若充电电压选择 过低，后期充电电流又过小，充电时间长，不适宜串联数量较多的电池组充电。 蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程对落后电池实现完全充电很难。 ( 3 ) 恒流递减 在蓄电池在电量小的情况下可以使用较大的电流进行充电，这样可以比较迅 北京工业大学工学硕上学位论文 速的给蓄电池充电，但是当蓄电池电量升高时，如果还采用大电流充电虽然会加 快充电时间，但是会损害蓄电池的寿命，对电池不利，因此要减小充电电流，就 要采等级的方法，逐级减少充电电流嗍。 3 3 控制策略设计 本课题中，发动机发电机组起到给蓄电池充电，并和蓄电池一起为驱动电机 提供能量的作用，这样达到延长续驶历程的目的。但同时应该尽量的减少排放， 因此在发动机发电机组工作过程中，应该是发动机工作在自身的高效工作区间 内，并且使得发动机的排放处于最优状态。根据发动机的本身的万有特性如图 3 - 2 所示和排放特性如图3 3 ，来合理的控制发动机的转速控制，从而控制发电 机的发电嗍【3 0 j 【3 1 1