硕士论文-混联型混合动力汽车控制策略优化研究.pdf

重庆大学 硕士学位论文 混联型混合动力汽车控制策略优化研究 姓名：刘文杰 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：舒红 20070507 中文摘要 摘要 能源危机和环境恶化是当今影响全球的两个重大问题，研发节能、低排放的 汽车能够有效缓解能源压力和改善环境质量。混合动力汽车是传统燃油汽车和纯 电动汽车相接合的新车型，具有燃油汽车的动力性能和低油耗、低排放、续驶里 程长等优点，是解决能源短缺和改善环境的有效手段之一，也是目前最切实可行、 可批量生产的节能汽车，已成为当代国际电动汽车开发的热点和潮流之一。而对 于中国这样一个贫油和污染较严重的国家来说开展混合动力汽车研究具有相当重 要的战略意义和现实意义。 本文对混联型混合动力汽车的结构原理和控制优化问题进行了研究。在对行 星齿轮机构功率流分析的基础上，提出了一种混联型混合动力系统结构，并利用 杠杆模拟方法对汽车工作模式进行了分析；根据整车参数和汽车动力性指标，对 发动机，电机I 、电机I I 、主减速器速比及蓄电池进行了参数选择；建立了发动 机、电机、蓄电池和汽车动力传动系统的数学模型。基于发动机效率图、电机I 和电机效率图，建立了混联型混合动力系统综合效率模型。以降低汽车油耗为 目的，对控制策略进行优化计算，而优化目标主要是在蓄电池充傲电时，使混合 动力系统综合效率达到最大。通过优化计算，得到了汽车在不同运行条件下的发 动机优化转矩及转速、电机I 优化转矩及转速、电机I I 优化转矩。并从中得到了 混联型混合动力汽车的优化控制规则。 在A D V I S O R 软件平台上，结合本文研究的混联型混合动力系统，对 A D V I S O R 进行了二次开发，建立了基于行星齿轮机构的混联式混合动力汽车仿 真模型，并对该混合动力系统进行了动力性和燃油经济性仿真计算。在N E D C 循 环工况下百公里油耗与传统的内燃机原型车比较，整车燃油经济性有显著的提高。 结果表明，本文制定的优化控制策略能够实现混合动力汽车的工作模式，达到较 好的节油及控制效果。 关键词：混合动力汽车行星齿轮机构控制策略优化仿真 英文摘要 A B S T R A C T E n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o na r et w om a j o rp r o b l e m sO V e rt h e w o r l d T h ed e s i g no fl o we n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o we m i s s i o n sv e h i c l ec a na b a t et h e p r e s s u r eo f e n e r g ys h o r t a g ea n di m p r o v et h eq u a l i t yo fe n v i r o n m e n t T h eh y b r i de l e c t r i c v e h i c l ep H E V ) i san e w 狮eo fv e h i c l ec o m b i n i n gt h et r a d i t i o n a lf u e lv e h i c l ea n dp u r e e l e c t r i c a lv e h i c l e ，w i t hs u c ha d v a n t a g e sa sl o w 锄e 哩；yc o n s u m p t i o n , l o we m i s s i o n s ， l o n gd r i v ed i s t a n c e , 咖I ti sp r e s e n t l yak i n do fl o wc o n s u m p t i o nv e h i c l et h a ti sm o s t f e a s i b l ea n dc a p a b l eo fm a s sp r o d u c t i o n H E Vh a sb e c o m eo n eo ft h eh o ti s s u e sa n d 仃e n d si nc o n t e m p o r a r yi n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s F o rC h i n a , a c o u n t r yl a c k i n go na n dp o l l u t e ds e r i o u s l y , i t i so fg r e a ts t r a t e g i ca n dr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c et os t u d yH E V T h i s p a p e r s t u d i e st h es t r u c t u r e sa n dc o n t r o l o p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e s f o r P a r a l l e l S e r i e sH E V B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep o w e rf l o wo ft h ep l a n e t a r yg e a r s t r u c t u r e ，an e wk i n do fs t r u c t u r eo f P a r a l l e l - - S e r i e sH E V si sp r o p o s e da n di t sd r i v i n g m o d e sa r ea n a l y z e dw i mt h el e v e ls i m u l a t i o nm e t h o d a n db a s e do nt h ep a r a m e t e r so f v e h i c l ea n dt a r g e to f d y n a m i cp e r f o r m a n c e , p a r a m e t e r so f e n g i n e ，m o t o r I ，m o t o r l I ，r a t i o o ff i n a ld r i v ea n db a t t e r y8 r ed e t e r m i n e da n dm a t h e m a t i cm o d e so fe n g i n e ，m o t o r I ， m o t o r I I ，b a t t e r ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l ea r ea l s ob u i l t A n dt h eo v e r a l l e f f i c i e n c ym o d e lf o rP a r a l l e l - S e r i e sH E V s i ss e tu p , b a s e do nt h ee n g i n ee f f i c i e n c ym a p ， m o t o re f f i c i e n c ym a p A no p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e dt od e c r e a s et h ef u e l c o n s u m p t i o no fv e h i c l e s T h em a i no p t i m i z a t i o nt a r g e ti st om a x i m i z et h eo v e r a l l e f f i c i e n c yo fH E V sa tt h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gm o d e T h r o u g ht h eo p t i m a l c a l c u l a t i o n ，t h eo p t i m a lt o r q u ea n ds p e e do fe n g i n ea n dm o t o r I ，m o t o r I It o r q u ei n d i f f e r e n td r i v i n gm o d e sa r eo b t a i n e d A n df r o mt h eo p t i m a lr e s u l t s ，t h eo p t i m a lc o n t r o l r u l e sf o rP a r a l l e l - S e r i e sH E V sa r eg a i n e dt o o C o n n e c t e dw i t hP a r a l l e l - - S e r i e sH E Vi nt h i sp a p e r , A D V I S O Ri sr e d e v e l o p e d u n d e rt h eA D V I S O Rs o f l w a r e , a n dt h es i m u l a t i n gm o d e lo f t h eP a r a l l e l - - S e r i e sH E Vi s b u i l tb a s e d0 1 1s t n l c t m 芑o f p l a n e t a r yg e a r , w h i c hi sa p p l i e dt ot h es i m u l a t i o no f d y n a m i c p e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yo ft h i sH E Vs y s t e m T h es i m u l a t i o nr e s u l t so ff u e l e c o n o m yi n d i c a t et h a tt h ef u e le c o n o m yo fP S H E Vi si m p r o v e do b v i o u s l yi nN E D C c y c l em o d e c o m p a r e dw i t ht h ep r o t o t y p ec a rw i t ht r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e , a n ds h o wt h a tt h eo p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g yu s e di nt h i sp a p e rc a ni m p l e m e n tt h e m 重庆大学硕士学位论文 o p e r a t i o nm o d e so f P S H E V a n dg e tg o o df u e le c o n o m ya n dc o n t r o le f f e c t K e y w o r d s ：H y b r i dE l e c t r i cV e h i c l eP l a n e t a r yg e a rs t r u c t u r eC o n t r o ls t r a t e g y O p t i m i z a t i o nS i m u l a t i o n I V 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含为获得重庞太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：翔文杰签字日期：2 缈7 年月J t 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( V ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：刘支l 氐 签字日期：乃p 年6 月毕E t 导师签名：舒乇z 签字日期：乒叩年歹晔E l 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 混合动力电动汽车( H y b r i dE l e c t r i cV e h i d e ) ，是介于内燃机汽车和电动汽车之 间的一种车型，它是一种内燃机汽车向纯电动汽车( E v ) 过渡”的车辆，同时也是一 种“独立”型车辆。混合动力汽车将存在一个较长的历史时期，并且在2 l 世纪的运 载车辆中占有重要的地位。在混合动力汽车上采用了发动机驱动系统，同时还采 用了电动机驱动系统。发动机与电动机共同组成混合动力系统来驱动车辆行驶， 使车辆的燃料消耗量和所排放的废气中有害气体大量地降低。目前，要求混合动 力轿车( 相当于普通轿车和中级轿车) 的燃料消耗量为3L 1 0 0 k m 左右，废气中所排 放的有害气体达到馏低污染”的排放要求，是2 1 世纪初期混合动力汽车的努力目 标【l 】o 1 2 混合动力汽车研究背景及发展现状 1 2 1 研究背景 内燃机汽车经过1 2 0 年的发展和壮大，逐步实现了机电一体化和全面应用现代 高科技，其性能已达到很高的程度了，在安全、环保、节能和廉价等方面取得了重大 的进展。但是内燃机汽车的发展也正在面临严峻的挑战。 首先，内燃机汽车对大气环境造成的环境污染最为严重，尽管开发了多种多 样新型代用燃料来降低汽车排放对大气的污染，但因为汽车的保有量很大，所以 汽车每天所产生的废气对大气的污染仍然十分严重。 其次，汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油的制成品，全球汽车保有量的逐年 上涨使能源问题逐渐成为制约汽车可持续发展的重要因素。进入9 0 年代以后，人 类根据目前已探明的世界石油总储量估计，全世界的石油资源仅能供人类充分使 用4 0 年左右，而对我国，形势则更为严峻，到2 0 2 0 年前后，石油进口量有可能 超过3 亿吨，而成为世界第一大油品进口卧2 J 。 西方发达国家很早就考虑用电动汽车取代内燃机汽车。电动汽车的动力源是 蓄电池，通过控制电动机的电压和电流，用功率变换器把蓄电池的直流电转换成 不同的直流电或交流电，就能够使电动汽车以不同的速度在任何一种路面上行驶。 整个行驶过程中没有排气污染，是满足零排放要求最好的汽车。除此之外，电动 汽车还具有低噪音、能源多样性等优点，所以人们对于电动汽车寄予希望。但由 于电动汽车电池技术迟迟没有得到解决，客观上限制了电动汽车的发展，因此电 动汽车离市场化的目标仍然有相当长的一段距离。 由于电动汽车存在上述问题，现在很多国家都把精力转向了混合动力汽车的 重庆大学硕士学位论文 研发。混合动力汽车是介于内燃机和电动汽车之间的一种车型，它继承了电动汽 车低排放的优点，又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传 统内燃机汽车的排放性能和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程，对于中国 这样一个贫油和污染较严重的国家来说具有相当重要的战略意义和现实意义【3 卅。 混合动力汽车是最有希望的高科技汽车，相信在2 1 世纪不远的未来，混合动力汽 车将具备可以和现存的汽油车相抗衡的市场规模。因此开展混合动力汽车的研究 具有十分重要而深远的意义。 1 2 2 国内外发展现状 国外发展现状 在美国，9 0 年代开始美国政府就加强了政府和企业之间的技术合作与联合， 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。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 N G V 计划4 个重点领域之一【5 】。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，2 0 0 0 年已投放市场；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 N G 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【6 J 。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，现已投放市场。 在第3 2 届东京汽车展上，日本各大汽车公司共推出6 款混合动力汽车，这说明日 本汽车界将重点从纯电动汽车转向混合动力汽车。值得瞩目的是丰田公司开发的 P r i u s 型5 座混联式混合动力电动汽车，开创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，采用高度精密的机械装 置实现了动力系统的连接和能源的传递【_ M 】。第一代P r i u s 每升汽油的行驶距离是 2 8 k r a , C 0 2 C O ，H C 和N O ；的排量跟普通轿车相比较减少了很多。经过几年的不断 改良，第二代P d u s 在日本l O 1 5 工况下燃油经济性达到了3 5 7 I _ 1 0 0 k m ，废气排放 量也得到了进一步减少，C O 、N O 。和H C 的排放水平仅相当于日本现行法规的1 1 0 ， c 0 2 的排量相当于普通汽车的1 2 。商业上，P r i u s 也取得了巨大的成功，P r i u s 于1 9 9 7 年1 2 月推向市场，一面市就受到市场的好评，致使丰田公司不得不改变原有生产计 划，将原目标月产1 0 0 0 辆的计划改为月产2 0 0 0 辆，2 0 0 0 年底，P d u s 的海外销量超过了 5 万辆，成为全球首部实现量产，也是销量最大的混合动力汽车。 欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、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 两款混合动力电动汽车己在法国接受了 2 1 绪论 1 0 0 0 0 k m 的运行试验。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。德国公司生产的并联式混合动力电动车D u o 已小批量生产，现在德 国己开始出租，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，这也促使人们更多地把希望 寄托在混合动力汽车上【9 】。 国内发展现状 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， 如清华大学设计、广东南海粤海汽车改装厂生产的6 4 6 0 H E V ；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混合 动力中巴汽车等。随着2 0 0 8 年奥运会的临近，混和动力中巴汽车将会小批量生产 1 0 l 。长安汽车集团联合清华大学、重庆大学等科研院所承担了国家“8 6 3 ”重大专项 课题，在“陆风风尚 M P V 的基础上开发了长安c v 9 混合动力汽车，它采用了I S G 型 轻度混合方案，拥有1 5 6 项专利，是一款具有完全知识产权的国产混合动力乘用车。 目前已经进入产业化技术研究阶段，将于2 0 0 8 年实现产业化。2 0 0 5 年1 2 月3 日，东 风自主研发的混合动力客车上市，并随后进入了国家发改委发布的2 0 0 6 年第5 号新 产品公告，具备了国家产品生产销售资格，该车在使用过程中，不需外接电源充 电，与燃油客车相比，整车动力性相当，可以节油3 0 ，降低排放3 0 。另外，上 汽集团、奇瑞汽车、比亚迪等国内汽车厂家也在混合动力汽车研发方面取得重要 成就，相应的混合动力样车都到达了一定的水平。 但是从技术水平上看。国内目前还处于混合动力汽车的产业化开发阶段【“J 。与 国外的先进技术水平相比还有很大距离。因此国内必须集中资金和技术，对混合 动力系统及其管理系统重点攻关，以赶超国际电动汽车的发展水平。 1 3 混合动力电动汽车分类及特点 由于混合动力汽车采用两种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形式。根据动力传递方式不 同，混合动力汽车主要有三种结构：串联型，并联型，混联型。其中串联型与电 动汽车的结构非常相似，其设计比较简单，但是，其能源转换的次数比较多，造 成能源损耗较多；并联型，传动效率很高，但是有部分能量不能实现回收，因此， 适合在高速公路行驶；混联型能够最佳的利用能源，但是结构比较复杂，而且造 3 重庆大学硕士学位论文 价比较高，其代表有丰田公司推出的P d u s 混联型混合动力汽车和华沙工业大学安 东尼教授等人提出的基于行星齿轮机构的混联式结构 1 2 - 1 3 】。 1 3 1 串联式混合动力系统( S H E V ) 串联式驱动系统的典型结构与基本组成部件如图1 1 所示。发动机直接带动发 电机发电，电能通过控制器输送到蓄电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动 汽车。为了在汽车起动、加速时能提供更大的功率，一些串联式结构中还带有超 级电容等功率密度较大的蓄能装置，在回收制动能量时它们也发挥重要作用。 串联式混合动力电动汽车的发动机能够经常保持稳定、高效、低污染的运行状 态，使有害排放气体控制在最低范围。串联式结构适用于市内常见的频繁起步、 加速和低速运行工况，可以使发动机在最佳工况点附近稳定运行，通过调整蓄电 池和电动机的输出来达到调整车速的目的，从而使复杂工况下系统的性能有所提 高D 4 。在蓄电池S O C 较高时还可以关闭发动机，只利用蓄电池进行功率输出，使 发动机避免了怠速和低速运行工况，提高了发动机的效率，减少了有害物排放。 但是串联式结构的燃油经济性还有待提高。这是因为虽然发动机的工况得到改善， 但是发动机一发电机驱动电动机系统中的热能一电能一机械能的能量转换过程中， 能量损失较大，虽然整个驱动系统排放较低，而效率没有根本性的提高，很难实 现3 L 1 0 0 k m 的目标。这种系统主要用于城市大客车，在轿车中很少见。 r l B a t t e r yl L 一 图1 1 串联式H E V 动力传动系结构 F i g1 1S t r u c t u r e o f p o w e r t r a i n f o rs e r i e s H E V 1 3 2 并联式混合动力系统( P H E V ) 并联式驱动系统结构见图1 2 。发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动 机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自 单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系 统的普通内燃机汽车。电动机起“调峰”作用，即：当汽车运行工况所需的功率超过 了发动机的功率时，电动机从蓄电池取得电能产生电磁力矩，并向驱动桥提供额 4 I 绪论 外的驱动功率。电动机的运行状态也可以是发电机，主要作用是向蓄电池充电，以 保持蓄电池的荷电状态S O C 平衡。 当汽车在低速或变速工况行驶时。需通过加速踏板和变速器来调节发动机的 功率输出；而在汽车高速行驶时，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，由 控制器控制电动机协助驱动。并联式混合动力电动汽车具有如下性能特点E 1 5 - 1 6 l ： 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机一电能量转换损失，因此发 动机输出能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范 围内运行时，并联式燃油经济性比串联式的高； 由于电动机进行“调峰”作用，发动机的功率也可适当减小； 由于有电动机可以作为发电机，向蓄电池补充电能，比较小的蓄电池容量 即可满足使用要求； 由于并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此在 汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工况下运行，因此， 发动机的排污比串联式的高。 由于发动机与驱动桥之间直接机械连接，需要通过变速装置来适应汽车行 驶 工况的变化，此外，发动机与电动机并联驱动，还需要动力复合装置，因此， 并联式驱动系统其传动机构较为复杂。 综上所述可知，并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况。 而在其它的行驶工况，由于发动机不在其最佳的工作区域内运行，发动机的油耗 和排污指标不如串联式。并联式混合动力电动汽车也可实现零排放控制，在繁华的 市区低速行驶时，可通过关闭发动机和使离合器分离，使汽车以纯电动方式运行。 但这样就需要功率足够大的电动机，所需的蓄电池容量也相应要大。 回一 日 图1 2 并联式H E V 动力传动系结构 F i g1 2S t r u c t u r e o f p o w e r t r a i n f o r p a r a l l e l H E V 重庆大学硕士学位论文 1 3 3 混联式混合动力系统( P S H E V ) 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构见图1 3 。P S H E V 通常是在 P H E V 基础上增加一套发电机，这样发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给 驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。通过发电机对发动机进行调速，使发动机运 行在高效率、低排放的工作区域。而发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动 机或蓄电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动 系统的一般控制策略是：汽车在城市低速行驶时，发挥电动机低速一大转矩的特 性，实现“零污染”的行驶；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主；当汽 车加速或爬坡时，蓄电池向驱动电动机供电，进一步增加汽车的综合性能，制动 时驱动电动机转换成发电机把制动能量回收。混联式驱动系统的结构形式和控制 方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进 行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状 态，因此更容易实现低排放和低油耗的控制目标。与串联式相比，对蓄电池依赖较 少，能量之间相互转换较少，燃油经济性更高；与并联式相比。发动机的运行工况 受行驶工况的影响较小。目前的混联式结构一般以行星齿轮机构作为动力复合装 置的基本构架，以丰田的P r i u s 和华沙工业大学的行星齿轮混合动力系统为代表， 前者被认为目前最成功的混联式混合动力结构【1 7 - l s l 。由于丰田公司的P r i u s 在市场 上取得的成功，因此现在许多著名的汽车厂商也将研发的重心转向了混联式混合 动力电动汽车上。 图1 3 混联式H E V 动力传动系结构 F i g1 3 $ 咖c t t a e o f s e r i e s - - p a r a l l e l p o w e r t r a i n f o r H E V 6 1 绪论 1 4 混联式混合动力电动汽车研究现状 1 4 1 混联式混合动力系统研究现状 丰田P r i u s 混联式混合动力系统 图1 4 是丰田公司P r i u s 的驱动系统结构示意简图，它被认为是目前最成功的混 合动力结构之一。在此结构中，发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传递给 齿圈和太阳轮，齿圈与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置 将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将另一小部分转矩传给发电机，发电 机发出的电能根据指令给蓄电池充电或用于电动机以增加驱动力；制动时，电动 机作为发电机，将汽车的动能转化为电能对蓄电池进行充电1 1 9 - 2 0 。这种结构可以 通过调节发电机转速使发动机转速稳定地运行在低油耗、低排放的工作区域里。 丰田的这种混联型混合动力系统有非常灵活的控制策略，充分利用行星齿轮的特 点和通过不同制动器和离合器的作用，实现对混合动力能量流的最优控制。 闰1 4P r i u s 结构 F i g1 4S t r u c t u r eo f P S H E V o f P r i u s 下面对P r i u s 的运行模式与控制策略进行简要分析【2 1 - 2 5 1 ： 1 ) 起步模式 起步时，视起步功率要求分两种情况：车速低于设定值且S O C 高于目标设 定值时，发动机不工作，直接由蓄电池向电动机提供电能，驱动汽车行驶，此时 起步加速度不大；若轻踩加速踏板，发动机输出功率，此时发电机向电动机提供 电能或同时向蓄电池充电，电机此时处于低速大转矩区，提供大部分起步转矩。 2 ) 加速或爬坡模式 在加速或爬坡时，控制系统根据加速踏板的深度和电池的S O C 状态，确定发 动机的输出功率和电动机的输出力矩。此时发动机提高转速增大输出功率，发电 7 重庆大学硕士学位论文 机正传发电，蓄电池给电动机供电，输出辅助功率，以满足驱动功率需求。 3 ) 巡航模式 汽车在稳定的中低速巡航时，消耗的功率不大，发动机负荷也不大转速不高。 为了提高发动机的负荷，维持发动机运行在相对较高的转速范围内，要求发电机 正转发电。发动机输出功率的一部分驱动汽车，另一部分驱动发电机给电池充电 以提高发动机的负荷。而汽车在高速巡航时，电动机的转速比较大，为了让发动 机工作在相对较低的转速范围内，这时发电机反转作电动机。电动机作为发电机， 其产生的电能向发电机供电。 4 ) 滑行模式 在一定车速下，松开加速踏板，进入滑行模式，发动机不提供驱动功率。由 于存在滚动阻力和空气阻力，车速逐渐下降。在整个滑行的过程中，只要S O C 不 超过系统规定的上限值，电动机作为发电机，向蓄电池充电。 5 ) 制动模式 在制动过程中，电动机作为发电机发电，把汽车的动能转化为电能，储存到 蓄电池里。当制动踏板较深时，电动机提供部分的制动力，剩余的制动力由液压 制动系统提供。 该混合动力系统的功能在实际中要比上面讲述的细致、复杂得多。而且丰田 P r i u s 用的发动机是针对混合动力系统的工作特点精心设计的，该发动机通过减少 燃烧室容积、提高压缩比、延迟进气门的关闭、降低气缸压力，以消除增加压缩 比带来的爆震；采用更小、更轻的零部件，以减轻发动机的整体质量。再加上使 用混合系统让发动机始终工作在高负荷工况，避免了效率较低的低负荷工况，这 些措施使发动机的平均效率上升5 0 左右。 总之丰m P r i u s 的混合动力系统结构无论在制造上和控制上都是较为复杂的， 但却带来了控制上的灵活性，以获得较佳的性能。 华沙工业大学的混联式混合动力系统 如图1 5 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B 2 。发动机与 太阳轮相联，两者之间有离合器c l 和轴制动器B l 。行星架与驱动桥上的差速器相 联。在城市行驶时，这时电机作为发电机对蓄电池充电，以提高发动机的负荷； 在郊区行驶时，与传统的发动机汽车一样。此时电机关闭，齿圈被制动器B 2 , i J 动， 行星齿轮自由度也减少到一个；制动时，离合器c 1 分离，制动器B l 对太阳轮制动， 电机作为发电机将汽车动能转化为电能对蓄电池充科2 6 - 2 7 。 这种结构也可以实现无级调速，却无法实现发动机转矩与电机转矩的直接叠 3 1 绪论 加。但是输出转矩却大于发动机或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K l 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。但性能较差一些。 班 图1 5 华沙工业大学混联结构 F i g1 5S t r u c t u r eo f P S H E Vo f W a r s a wU n i v e n i t y 1 4 2 混联式混合动力汽车控制策略 混联式混合动力汽车由于结构相对比较复杂，为了让发动机、电机等各部件 相互协调工作，就需要有良好的控制策略，其基本思路通常有两种：一是直接法， 即直接将优化目标( 如油耗等) 表示为系统状态、控制变量的函数；而是间接法，即 最小损失法，从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手，得到整个系统的能量 损失。损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量，如发动机 转矩、转速、蓄电池的放电电流等 2 8 - 2 9 1 。从这两种基本思路出发，可以得到许多 具体的控制策略，下面作一下简要的介绍。 发动机恒定工作点模式 这种策略策略采用发动机作为主要动力源，电机和蓄电池通过提供附加转矩 的形式进行功率调峰，使系统获得足够的瞬时功率。由于采用了行星齿轮机构使 发动机转速可以不随车速变化，这样使发动机工作在最优工作点，提供恒定的转 矩输出，而剩余的转矩则由电机提供。这样电动机来负责动态部分，避免了发动 机动态调节带来的损失。而且与发动机相比，电机的控制也更为灵敏，容易实现。 发动机最优工作曲线模式 这种策略从静态条件下的发动机万有特性出发，经过动态校正后，跟踪由驱 动条件决定的发动机最优工作曲线，从而实现对发动机及整车的控制。在这种控 制策略下，让发动机工作在万有特性图中最佳油耗线上。发动机在高于某个转矩 重庆大学硕士学位论文 或功率限值后才会打开。发动机关闭后，离合器可以脱开( 避免损失) 或接合( 工况 变化复杂时，发动机启动更为容易) 。只有当发电机电流需求超出蓄电池的接受能 力或者当电机驱动电流超出电机或蓄电池的允许限值时，才调整发动机的工作点。 瞬时优化模式 在发动机最优工作曲线模式思想的基础上，对混合动力汽车的特定工况点下 整个动力系统的优化目标( 如效率损失、等效油耗) 进行优化，便可得到瞬时最优工 作点，然后基于系统的瞬时最优工作点，对各个状态变量进行动态再分配。通常 的瞬时优化策略采用等效油耗作为控制目标，这种控制策略要求将电机的能量损 耗转换为等效的发动机油耗。瞬时油耗模式从保证系统在每个工作时刻的油耗最 小出发，动态进行转矩分配。 全局优化模式 由优化理论可知，瞬时最小值之和并不等于和的最小值，因此瞬时优化模式并 不能导致全局最优的控制策略。全局优化模式实现了真正意义上的最优化，但实 现这种控制策略的算法往往比较复杂，计算量也很大，在实际车辆的实对控制中 很难得到应用。通常的作法是把应用全局优化算法得到的控制策略作为参考，再 与其它的控制策略，如发动机最优工作曲线模式等相接合，再保证可靠性和实际 可能性的前提下进行优化控制。 1 5 本文的研究目的和主要研究内容 本文结合重庆大学机械工程学院基础预研项目“混联型混合动力汽车结构及 能量管理策略”进行研究。通过对混联型混合动力系统的结构原理研究，提出混 联型混合动力系统结构组成。综合考虑发动机效率、电机效率、蓄电池S O C 等因 素，对驱动工况下的混合动力汽车控制策略进行研究，提出整车的优化控制策略， 最终实现提高整车燃油经济性的目的。借助A D V I S O R 仿真软件，进行必要的二 次开发，对驱动工况下的混联型混合动力汽车控制策略进行仿真研究。其主要研 究内容包括： 对行星齿轮动力复合装置进行结构功能分析，通过变速比和力学分析，建 立行星齿轮机构的转速和转矩方程；建立行星齿轮功率分流和汇流时所需满足的 关系； 在分析国外混联型混合动力系统结构的基础上，确定一种新型的混联型混 合动力系统的结构型式，并进行混合动力系统的各种工作模式分析；综合考虑汽 车的基本控制策略、动力性能和成本目标，合理设计发动机功率、电动机发电机 功率、蓄电池功率和容量等特性参数； 建立整车动力传动系统的数学模型，包括发动机、电机、蓄电池和汽车动 l O 1 绪论 力传动系统数学模型； 针对混联型混合动力汽车的各部件效率特性和汽车驱动工况，以最大程度 降低系统燃油消耗为主要目标，研究获得整车系统最佳控制策略的优化计算方法， 使发动机，电动机，发电机，蓄电池和传动系统实现最佳匹配，获得最大的整车 效率； 建立混联型混合动力系统仿真模型，对混联型混合动力汽车进行燃油经济 性仿真分析。 2 行星齿轮机构功率流分析 2 行星齿轮机构功率流分析 2 1 行星齿轮机构转速、转矩和功率流分析 图2 1 行星齿轮机构 F i g2 1S t r u c t u r eo f p l a n e t a r yg e a r 1 ：太阳轮 2 ：行星轮 3 ：齿圈 H ：行星架 本文中使用的是N G W 行星负号机构( 负号机构是指行星架不动时，太阳轮与 齿圈方向相反；N 代表内啮合：G 代表公用齿轮；W 代表外啮合) ，其特点：效 率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，轴向尺寸小， 可用于各种工作条件，在机械传动中应用最广( 图2 1 ) 。行星机构有两个自由度， 需要有两个主动件，才能有确定的运动，它的功能特点是可以将两个运动合成为 一个运动或一个运动分解为两个运动。因此行星齿轮作为混合动力汽车的功率分 流装置时，可以实现多个部件转速的复合，而各个部件间的转矩保持一定的比例 关系。通过不同离合器和制动器的作用，可以实现单自由度、固定传动比的传动， 而且可以通过自由度的改变克服不必要的转矩损失。 2 1 1 行星齿轮机构转速、转矩关系式 行星齿轮机构转速关系： 由机械原理可知，行星齿轮转速为【3 0 】： 瑶= n l - - g H = 一垒 玛一，珞毛 令p = 毛，毛，因此转速关系式为： ( 1 + P ) 玎胃= 以l 户4 - 行3( 2 1 ) 式中：太阳轮l 与齿圈齿轮3 相对于行星架H 的传动比；啊太阳 重庆大学硕士学位论文 轮1 转速，r m i r a 一齿圈齿轮3 转速，r m i r a 行星架H 转速，r m i n ； 2 1 太阳轮l 齿数：乃齿圈齿轮3 齿数。 在这里注意的是若已知两个转速方向相反，则代入式( 2 1 ) 求解时，必须一个代 正值，一个代负值，第三个转速的方向则根据计算的结果的正负号来确定。 行星齿轮机构转矩关系 R 飞 严瞄、l 7 l7 ( IN 恍 彳 、 R I 么 众 J f ，迭垒 二- 一 习 图2 2 行星齿轮受力分析 F i g2 2A n a l y s i so f f o r c eo f p l a n e t a r yg e a r 当轮系匀速运转在不计摩擦的条件下，根据力的平衡条件有： 五+ 毛+ = 0( 2 2 ) 式中：五、五和分别为：太阳轮1 、齿圈齿轮3 和行星架H 上的转矩，N m 。 式( 2 2 ) 说明三个转矩之一必然等于其余两个转矩之和的负值。 行星轮2 上无力矩输出，兀= 0 ，设太阳轮l 、行星轮2 和齿圈齿轮3 的节圆 半径分别为吖、呓和弓；基圆半径分别为、吒：和r b ，；啮合角均为口；作用在行 星轮2 上的作用力分别为R 3 2 、置2 和置。2 ，在忽略惯性力和重力的条件下，根据力 的平衡条件有： 玛2 嘞一置2 r b 2 - - 0 ( 2 3 ) 根据式( 2 3 ) 可得到： 如= 马： R s 22 墨2C O S O ! + R 3 2C O S O r = 2 R t 2C O S O ： 则作用在太阳轮1 、齿圈齿轮3 和行星架H 上的转矩分别为 互= R t 2 r b l( 顺时针) 正= 墨：r b ，( 顺时针) = R s ：( 彳+ 巧)( 逆时针) 由上式可得： 1 4 2 行星齿轮机构功率流分析 善= 麓= 钿r b _ L l = 乏Z L = 一孑1 = p 亿 乃是：钿2 3 、。 因为： 一：三直 2 所以： 王：二生：鱼 ( 2 5 ) 瑶孥“+ 巧) 一 又因为： c o s 巧= r b I 、巧c o s 口= r b 3 、R H 2 = 置2c O S t z 7 + 玛2 C O S t z 7 = 2 蜀2C O $ t Z 代入式( 2 5 ) 得： 罢= 案焉= 焘r b2 素5