（车辆工程专业论文）基于cvt的混合动力汽车能量管理与控制策略的研究.pdf

r e s e a r c ho ne n e r g ym a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls t r a t e g yf o rh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ew i t hc v t b y f a n gy i p i n g b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t ia ls a t is f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o uy u n s h a na n ds e n i o re n g i n e e rl i uj i a n x i o n g m a y ，2 0 1 1 m 恰 肼5胂7 70引 蛐册y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 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 律后果由本人承担。 作者签名： 弓坪 1 日期：加7 f 年r 月勿日 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，同意学 校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：2 o l 年j 月力日 ， 、 艰妒飙州阵夕月鼬 之 饼似 ，万匀 ， 孙q 签签 者师 基于c 的混合动力汽车能量管理与控制策略的研究 摘要 能源危机和环境污染是汽车工业所面临的两大难题，混合动力汽车以其低油 耗、低排放的优点成为了世界上新一代环保节能汽车的研究重点。而实现混合动 力汽车能量管理与整车控制策略是混合动力汽车的核心关键技术，通过优化控制 发动机和电机的能量分配，使发动机一直工作在高效区，从而减少油耗、降低排 放和延长电池寿命。 本文以并联式混合动力汽车为主要研究对象，在新型轻度混合动力汽车“五 菱c n l 0 0 的基础上利用m a t l a b s i m u l i n k 建立整车、发动机、电机、无级 变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，c v t ) 、电池的数学模型。 然后分析了几种能量管理控制策略的优缺点，并在原有的控制策略上进行优 化，设计了一种以模糊控制理论为基础，神经网络为辅助的模糊神经网络控制算 法，通过分析其输入变量( 加速踏板的位置值及其变化率、制动踏板的位置值、车 速及其变化率、动力电池的剩余电量值) 与输出变量( 发动机油门开度、电动机状 态和电动机油门开度) 之间的关系，判断汽车所要进入的运行模式，从而进行合理 的能量分配，以减小发动机燃油消耗并保证电池的荷电状态( s t a t eo f c h a r g e ，s o c ) 值的平衡。 最后将建立的整车模型和控制策略嵌入到a d v i s o r 汽车模拟仿真软件中， 并进行仿真实验，通过选用不同的循环工况进行仿真对比，结果表明，模糊神经 网络算法能很好地提高整车燃油经济性，同时也兼顾了电池s o c 的平衡。 总之，本文对并联式混合动力汽车的能量管理与控制策略进行理论研究，虽 然理论仿真结果有很好的效果，但并未深入研究其整车控制器的实际开发，在实 际应用方面还需要进一步的研究。 关键词：混合动力汽车；整车建模；无级变速器；能量管理策略；模糊神经网络 i i 工程硕士学位论文 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 lp o l l u t i o na r et w op r o b l e m sf o ra u t oi n d u s t r yt o f a c e h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，an e wg e n e r a t i o nc a ro f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n de n e r g ye f f i c i e n t ，h a sb e c o m eaw o r l d sr e s e a r c hf o c u s ，w h i c hh a sa d v a n t a g e so f l o wf u e lc o n s u m p t i o na n dl o we m i s s i o n s w h i l et h ev e h i c l ee n e r g ym a n a g e m e n ta n d c o n t r o ls t r a t e g ya st h ek e yt e c h n i q u e so fh e v , b yo p t i m i z i n gt h ec o n t r o lo ft h ee n e r g y d i s t r i b u t i o no fe n g i n ea n dm o t o r ，k e e pt h ee n g i n e w o r k i n gi n t h eh i g hz o n e ， a c c o r d i n g l yr e d u c i n gf u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s ，a n de x t e n d i n gb a t t e r yl i f e i nt h i sp a p e r , 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 ( p h e v ) i st a r g e t e da st h em a i n o b j e c to fr e s e a r c h ，b a s e do nt h e n e wm i l d h e v ”w u l i n gc n10 0 ”，a n du s i n g m a t l a b s i m u l i n kt oe s t a b l i s hv e h i c l e ，e n g i n e ，m o t o r , c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ( c v t ) a n db a t t e r ym a t h e m a t i c a lm o d e l sa n ds oo n s e v e r a la d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o ls t r a t e g y ，i s a n a l y z e da n do p t i m i z e dt h ed e s i g no ft h eo r i g i n a lc o n t r o ls t r a t e g yb yu s i n gf u z z y n e u r a ln e t w o r kc o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c hi sb a s e do nf u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dn e u r a l n e t w o r k ，b ya n a l y z i n gt h ec o n n e c t i o nb e t w e e ni n p u tv a r i a b l e s ( a c c e l e r a t o rp e d a l p o s i t i o nv a l u ea n dt h er a t eo fc h a n g e ，t h ev a l u eo ft h eb r a k ep e d a lp o s i t i o n ，v e h i c l e s p e e da n dt h er a t e o fc h a n g e ，t h eb a t t e r y sr e m a i n i n gp o w e rv a l u e ) a n do u t p u t v a r i a b l e s ( t h ee n g i n et h r o t t l eo p e n i n g ，m o t o rs t a t e ，a n dm o t o rt h r o t t l e ) ，a n dm a k es u r e w h i c hm o d et h ec a rw i l lr u n ，t h e nd i s t r i b u t e dt h ee n e r g yr e a s o n a b l y ，t or e d u c et h ef u e l c o n s u m p t i o no fe n g i n ea n de n s u r et h eb a l a n c eo fb a t t e r ys t a t eo fc h a r g e ( s o c ) v a l u e f i n a l l y ，t h ev e h i c l ea n dc o n t r o ls t r a t e g ym o d e lw h i c hh a sb e e ne s t a b l i s h e dw i l l b ee m b e d d e di nt h ea d v i s o rw h i c hi st h ev e h i c l es i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n d s i m u l a t i o n t h e nc o m p a r ew i t ht h ed i f f e r e n tc y c l es i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mc a ni m p r o v ev e h i c l ef u e le c o n o m ya n de n s u r et h e b a l a n c eo ft h eb a t t e r ys o c i ns u m m a r y , t os t u d yo fp h e ve n e r g ym a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls t r a t e g yt h e o r y ， t h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eag o o de f f e c t ，b u tn o ti nd e p t hs t u d yo ft h er e a l d e v e l o p m e n to fi t sv e h i c l ec o n t r o l ，t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n sr e q u i r ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ；v e h i c l em o d e l i n g ；c o n t i n u o u sv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ；e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y ；f u z z yn e u r a ln e t w o r k s ! i i 基于c v t 的混合动力汽车能量管理与控制策略的研究 插图索引 图1 1混合动力汽车的分类2 图1 2 混合动力汽车能量转换关系6 图1 3 模糊控制策略基本原理图9 图2 1五菱c n l o o 试验车1 1 图2 2 五菱c n l 0 0 混合动力汽车结构示意图l l 图2 3c n l 0 0 车上用的i s g 电机1 2 图2 4 电机控制器1 2 图2 5 动力电池组1 3 图2 6c n l 0 0 车上用的c v t 1 4 图2 7 台架调试1 4 图2 8电机调试14 图2 9 。原变速器、：。o 。；：1 5 图2 1 0c v t 改装后1 5 图2 1 l 制动踏板改装一15 图2 1 2 纯电动模式能量流动图1 5 图2 1 3 发动机运行模式能量流动图1 6 图2 1 4 混合驱动模式能量流动图1 6 图2 1 5 发动机发电模式能量流动图1 6 图2 1 6 制动能量回收模式能量流动图17 图2 1 7 车辆模型1 9 图2 1 8 发动机输出转矩图2 0 图2 1 9 发动机模型2 0 图2 2 0 电机效率图2 2 图2 2 l 电机效率二维图2 2 图2 2 2c v t 模型2 3 图2 2 3 速比控制模型2 3 图2 2 4 电池和电机工作原理图2 4 图2 2 5 电池模型2 4 图2 2 6 整车模型2 5 图3 1并联电辅助式控制策略2 6 图3 2 前向仿真流程图2 8 图3 3后向仿真流程图2 8 i v 工程硕士学位论文 图4 图4 图4 图4 三角形隶属度函数31 梯形隶属度函数31 高斯隶属度函数31 模糊控制器基本结构j j 3 2 图4 5单个神经元模型结构3 3 图4 6单层感知器_ 3 4 图4 7 三层感知器3 5 图4 8整车控制线路图一3 7 图4 9电机助力发电转矩流程图3 9 图4 1 0 求解e n g i n e x 、m o t o r s t a t e 和m o t o r x 的模糊神经网络结构图4 5 图4 1 1 能量管理程序设计流程图一4 6 图5 1a d v i s o r 运行界面4 7 图5 2整车仿真顶层模块4 8 图5 3n e d c 循环工况仿真结果5 0 图5 41 0 1 5 循环工况仿真结果：j ：5 1 图5 5u d d s 循环工况仿真结果5 2 v 基于c v t 的混合动力汽车能量管理与控制策略的研究 附表索引 表1 1混合动力汽车分类比较- 一2 表2 1i s g 永磁同步电机技术参数1 2 表2 2 动力电池组参数一1 3 表2 3c v t 技术参数1 4 表4 1 运行模式切换条件4 0 表5 1实车基本参数4 8 表5 2 工况参数比较一4 9 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引i v 附表索引v i 第1 章绪论1 1 1 研究目的和意义1 1 2 混合动力汽车的结构及发展概况2 1 2 1 混合动力汽车的结构形式2 1 2 2 国外研究动态：j 。3 1 2 3 国内研究动态4 1 3 混合动力汽车关键技术4 1 3 1 动力系统参数匹配5 1 3 2 整车能量管理与动力系统控制5 1 3 3 动力电池及其管理系统6 1 4 混合动力系统与c v t 技术融合的优势7 1 5 混合动力汽车控制策略概述8 1 6 本文主要研究内容1 0 第2 章c n l 0 0 混合动力汽车结构和整车建模1 1 2 1c n l 0 0 混合动力汽车结构1 1 2 2c n l 0 0 混合动力汽车运行模式l5 2 3c n l 0 0 混合动力汽车整车建模1 7 2 3 1 车辆模型的建立1 7 2 3 2 发动机建模1 9 2 3 3 电机建模2 1 2 3 4c v t 建模2 2 2 3 5 电池建模一2 3 2 3 6 整车建模2 5 2 4 本章小结2 5 第3 章并联式混合动力汽车的控制策略2 6 v i l 基于c v t 的混合动力汽车能量管理与控制策略的研究 3 1 并联式混合动力汽车的控制策略2 6 3 1 1 并联电辅助式控制策略一2 6 3 1 2 并联自适应式控制策略2 7 3 1 3 转矩平衡式控制策略2 7 3 2 混合动力汽车仿真方法2 7 3 2 1 前向仿真2 8 3 2 2 后向仿真2 8 3 2 3 混合仿真一2 9 3 3 本章小结2 9 第4 章基于模糊神经网络的混合动力汽车能量管理3 0 4 1 模糊控制基础3 0 4 1 1 模糊控制及发展现状3 0 4 1 2 模糊集合及隶属度函数3 0 4 1 3 模糊控制规则3 1 4 1 4 模糊控制特点及控制器结构：j 3 2 4 2 神经网络概述3 3 4 2 1 神经元模型3 3 4 2 2 感知器3 4 4 2 3 神经网络的特点及分类3 5 4 3 模糊控制与神经网络的结合3 6 4 4 混合动力汽车能量管理的模糊神经网络方法3 7 4 4 1 能量管理系统的控制策略3 7 4 4 2 能量管理系统模糊规则的建立4 1 4 4 3 能量管理系统模糊神经网络的结构4 5 4 4 4 能量管理系统模糊神经网络的程序设计4 6 4 5 本章小结4 6 第5 章基于a d v i s o r 二次开发的整车仿真和分析4 7 5 1 整车建模在a d v i s o r 软件中的分析4 7 5 1 1a d v i s o r 仿真软件介绍一4 7 5 1 2 整车模型在a d v i s o r 中的实现一4 8 5 2 整车仿真结果分析4 9 5 2 1n e d c 工况仿真结果4 9 5 2 21 0 1 5 工况仿真结果5 0 5 2 3u d d s 工况仿真结果5 1 5 - 3 本章小结5 2 v i i i 参考文献5 5 致 谢5 8 i x 工程硕i j 学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 环保和节能是汽车行业可持续健康发展的永恒主题。随着世界汽车行业的快 速发展，全球汽车的保有量正逐年增长，而内燃机排放出的有害气体，以及产生 的噪声给人类生活带来的危害越来越受到人们的关注，加之石油资源的缺乏，人 类越来越需要低排放甚至是零排放和可节省能源的绿色环保汽车。为此，世界 各国政府以及各大汽车制造商都在加大力度开发各种不同类型的电动汽车。 当前，人们所说的电动汽车应包括纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 、混合动 力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 以及燃料电池汽车( f u e le l e c t r i cv e h i c l e ， f e v ) 。从汽车行业发展的历程来看，电动汽车的研究比内燃机汽车要早几年，但 电池和驱动控制技术直没有突破性进展。它的发展远落后于内燃机汽车。电动 汽车以纯电动汽车为研究起点，而纯电动汽车的动力来源只有动力电池，目前对 动力电池的研究还不够成熟，能量密度较低，使电动汽车的动力性和续驶里程都 无法和内燃机汽车的水平相媲美。而且电动汽车的电气设备，如空调、暖风机的 选用必须充分考虑它们的能量消耗对电动汽车续驶里程的影响。再者充电站的建 设需要巨额的投资，电池组价格贵，循环使用寿命有限，若频繁的更换电池组， 用户难以接受其昂贵的成本。因此，在目前情况下电动汽车的致命技术弱点使其 在短期内还不可能实现产业化。而人们把燃料电池技术称为是当前首选的高效、 清洁的发电技术，它具有能量转化效率高、不污染环境、使用寿命长等优势，但 由于目前在氢能的获取和安全性方面技术还不成熟，以及它的成本高和续驶里程 短等关键难题还没取得重大突破。因此，在目前情况下燃料电池汽车的商业化条 件还没有满足，各大汽车厂商需要努力攻关，解决许多技术上的难题，才能降低 商业成本，尽早实现产业化。与纯电动汽车和内燃机汽车相比，混合动力汽车将 发动机、电机和动力电池有机的组合在一起，通过先进的控制系统使两种动力装 置协调配合，实现能量最佳分配和优化控制，既可以充分发挥电动汽车和内燃机 汽车的优势，又能避免各自的不足，是目前最具实际开发意义的新型清洁汽车， 它具有高性能、低能耗和低排放等特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势。 科学研究表明，如果混合动力汽车动力参数匹配得好，可节油5 0 ，排放降低8 0 。 此外，由于混合动力汽车可以不需要外部电源充电，从而节省了大量的充电设备 投资【2 j 。国内外普遍认为它是投资少、选择余地大、容易满足未来排放标准和节 能目标且市场接受度高的主流清洁车型，是目前实现产业化的最佳产品。 基于c v 丁的混合动力汽车能量管理与控制策略的研究 1 2 混合动力汽车的结构及发展概况 1 2 1 混合动力汽车的结构形式 混合动力汽车的分类方法有很多，一般常见的是按动力传动系统布置形式以 及按混合度来进行分类。按传动系统布置形式，可以分成串联式、并联式和混联 式3 1 ，其结构示意图如图1 1 ，三种动力系统的性能比较见表1 1 。 传 动 装 置 油留u 倍孙扣 l ! ! 广 竺竺型 传 动 装 置 传 动 装 置 ( a ) g 联式( b ) 并联式( c ) 混联式 液流连接电连接一机械连接 图1 1 混合动力汽车的分类 表1 1 混合动力汽车分类比较 近年来，随着混合动力技术的发展，除了以上三种结构以外，越来越多其他 型式的混合驱动系统正在被开发出来。按混合度来分类，混合动力汽车可分为弱 混、中混和强混。一般而言，弱混可实现怠速停机、快速启动发动机、再生制动 和电机助力功能，而强混除了上述功能以外还可实现纯电动行驶功能。 2 工程硕i ：学位论文 1 2 2 国外研究动态 近年来，美国、德国、日本等汽车工业强国先后宣布了关于推动包括混合动 力汽车在内的新能源汽车产业发展的国家计划。美国奥巴马政府采取绿色新政， 计划到2 0 1 5 年插电式混合动力汽车要达到1 0 0 万辆。日本则把发展新能源汽车作 为“低碳革命 的核心内容，并计划到2 0 2 0 年包括混合动力汽车在内的“下一代 汽车 要达到13 5 0 万辆，为了完成这一目标，日本到2 0 2 0 年计划开发出至少3 8 款混合动力汽车、17 款纯电动汽车。德国政府在2 0 0 8 年1 1 月提出了在未来1 0 年内插电式混合动力汽车和纯电动汽车要达到lo o 万辆，并宣布该计划的实施， 标志着德国将进入新能源汽车时代1 4 】。 动力电池成为各国政府在电动汽车领域支持的重中之重。美国总统奥巴马0 9 年8 月宣布安排2 4 亿美元支持插电式混合动力汽车的研发与产业化，其中2 0 亿 美元用来支持先进动力电池的研发和产业化。日本政府提出“谁控制了电池，谁就 控制了电动汽车”，并组织实施国家专项计划，在2 0 11 年以前将投入4 0 0 多亿日 元用于先进动力电池技术研究，2 0 10 年左右新型锂电泄将规模应用于下一代新能 源汽车。德国从今年起启动了一项4 2 亿欧元的车用锂电池开发计划，几乎所有 德国汽车和能源巨头均携资加入。国家的大量投入，充分调动了企业的积极性， 目前国际主要汽车制造商不断加强与电池企业的合作【5 】，以动力电池突破为核心 目标的强强联合与产业联盟不断涌现，动力电池技术研发和产业化进程明显加快。 从1 9 9 5 年起，包括日本丰田与美国三大汽车公司在内的世界各大汽车生产厂 商陆续投入混合动力汽车的研究开发。经过多年发展，混合动力汽车在商用化、 产业化进程上的发展已经较为迅速。特别是2 0 0 4 年全球各大汽车制造商继续加大 环保车型的开发力度，混合动力车型成为各大公司的战略重点，逐渐突破了小型 车的限制越来越多的应用在中大型车上，技术竞争愈演愈烈。2 0 0 9 年世界汽车市 场混合动力汽车销量估计已经超过7 0 万辆，据预测，2 0 1 0 年将达1 0 0 万辆，2 0 1 5 年将在世界汽车市场占1 5 ，2 0 2 0 年占2 5 。 在美国，美国三大汽车公司通用、福特和戴姆勒一克莱斯勒在2 0 0 4 年就组建 了生产混合动力汽车和燃料电池汽车所用电池联合开发公司u s a b c ，投资 4 6 0 万美元开发新一代环保型双动力汽车所需的高性能锂聚合物电池。2 0 0 5 年9 月，通用汽车、戴姆勒克莱斯勒集团与宝马集团签署了关于构建全球合作联盟， 来共同开发混合动力推进系统的合作备忘录，共享各自在混合动力推进系统方面 的先进技术以及丰富的科技资源，并把发展“双模 混合动力系统作为首要目标。 2 0 0 9 年美国混合动力汽车销量达到2 9 0 3 万辆，占美国汽车市场份额达2 8 虽 然份额还较小，但却从2 0 0 5 年的1 2 开始呈逐年上升之势。预计美美混和动力 汽车的销量2 0 1 3 年将达到8 7 2 万辆，市场占有率将达到5 。 3 摹于c v t 的混合动力汽车能量管理j 控制策略的研究 在日本，19 9 7 年，日本丰田推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车， 其后又在2 0 0 1 年相继推出了混合动力面包车和皇冠轿车，运用了先进的混合动力 系统( t h s ) 电子控制装置与电动四轮驱动及四轮驱动力制动力综合控制系统，在 普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面处于世界前沿。以丰田 为代表的日系企业，正是在1 0 多年前的精确判断，才最终以混合动力这种过度的 新能源技术傲力如今的世界汽车市场。丰田普锐斯轿车2 0 0 9 年的销量达2 0 8 9 万 辆，同比增长达2 9 0 ，成为包含微型车在内的新车销量排行榜榜首。 1 2 3 国内研究动态 自2 0 世纪8 0 年代之后，在发达国家相互投巨资研发电动汽车的同时，我国 的“8 6 3 计划也将电动汽车的研发列为国家重点项目。在电动汽车研发技术方 面我国与其他发达国家有一定的差距。我国第一代具有商业价值的混合动力汽车 已经在2 0 0 5 年通过论证和验收。之后，电动汽车的开发又被作为“八五 和“九 五计划的国家科技攻关项目1 6 。l9 9 6 年，广东汕头国家电动汽车试验示范基地 建成。另外，国内外各大汽车公司也纷纷进行混合动力汽车的开发，在“十五” 期间，一汽集团承担了“8 6 3 计划中的重点项目“解放牌混合动力城市客车研究 开发 和“红旗混合动力轿车的研究开发 的任务，到2 0 0 5 年，一汽集团将丰田 混合动力系统技术应用在自主品牌汽车上，开发出了具有产业化价值的混合动力 汽车，成为国内首家制造混合动力汽车的企业【7 】。国家混合动力汽车标准也在 这一年正式实施。2 0 0 8 年，一汽奔腾、长安杰勋、上海通用君越、北汽福田以及 东风等混合动力汽车获得了发改委新车项目批准。同年，比亚迪公司自主研发的 具备世界先进水平的比亚迪双模电动汽车上市，该车以性能优越的磷酸锂动力电 池为主要驱动能量来源，当电池组电量不足时才开启发动机驱动汽车，具有更好 的节能环保性能，其动力性能相当于3 0 l 的发动机动力性能。2 0 0 9 年1 月，奇 瑞公司推出的国内首款应用b s g 技术的混合动力汽车奇瑞a 5 b s g 上市。上汽集 团推出的荣威7 5 0 混合动力轿车也于2 0 1 0 年年底上市，其最高车速可达2 0 5 k m h ， 最大行驶里程达5 0 0 k m 。作为中国无级变速器的带头企业，湖南江麓容大车辆传 动股份有限公司也和国内各大汽车企业合作研究混合动力汽车，并采用了先进的 无级变速器，我国的混合动力汽车的研究和发展情况形势喜人【8 】 1 3 混合动力汽车关键技术 混合动力汽车是以先进的控制技术为纽带的纯电动汽车和内燃机汽车的完美 结合，其技术涉及面广，涵盖了机电一体化、电化学、控制工程、汽车电子和车 辆工程等学科。混合动力汽车的许多技术和电动汽车可以相通，如电驱动系统、 整车控制系统、动力电池及其管理系统等，即使是作为一种过渡性的车型，它也 4 = 程硕j 二学位论文 具有非常重要的研发价值。 混合动力汽车要进入实用化，需要解决很多技术问题。比如控制策略的设计、 混合动力系统的优化、能量存储装置的改进、动力传动系统的匹配设计和建立更 先进的驱动系统数学模型等等。下面就几项关键技术在混合动力系统中的应用作 初步分析。 1 3 1 动力系统参数匹配 混合动力汽车动力系统参数匹配( 也称之为硬件参数设计、动力系统总成参 数设计) ，是指在系统构型与类型选择的基础上，对系统部件参数进行合理匹配设 计和优化的一系列过程。其主要任务是合理确定各部分动力元件如发动机、电机、 电池的功率和容量等特性参数【9 j 。与传统汽车不同，混合动力汽车结构复杂，内 部能量流动繁杂，因此，建立一套切实可行的特性参数匹配设计理论，成了混合 动力汽车动力系统参数匹配问题的关键。 如何合理设计混合动力汽车动力系统元件特性参数一直是国内外研究的重要 内容，并且是混合动力汽车研究首先要解决的关键问题之一。在这些特性参数中， 最为重要的是混合度以及发动机和电机功率的确定，因为确定了发动机功率后， 其它特性参数，如发动机最高转速、最大转矩和机械传动系参数等都可以根据内 燃机汽车的设计方法来进行研究和确定，而电池参数则可按电机参数来进行选择， 因此混合动力汽车动力系统部件特性参数设计的核心问题就是两个动力源之间功 率的合理设计。在此，计算机仿真是进行混合动力系统参数匹配的一个重要手段。 1 3 2 整车能量管理与动力系统控制 混合动力汽车兼具内燃机汽车和纯电动汽车的优点，是两者的完美结合，而 这个纽带就是整车控制系统，其主要功能是进行整车能量管理和整车系统的控制。 整车控制系统如同混合动力汽车的大脑，指挥各个系统的协调工作，使效率、动 力性和排放达到最优，同时也兼顾汽车行驶的平稳性。 整车控制系统根据驾驶员的操作，如加速踏板、制动踏板、换挡杆的操作等， 判断驾驶员的意图，在满足行驶需求的基础上，最优的分配发动机、电机和动力 电池等部件的功率输出，实现能量流动的最优管理，使燃油发挥最大的作用。目 前大部分混合动力汽车都不需要外接充电器充电，因此，和内燃机汽车一样，混 合动力汽车的能量全部来自发动机的燃油燃烧所释放的热能，电机驱动所需要的 电能是燃油的热能在汽车行驶中转换为电能后储存在动力电池中的【l 。能量管理 策略的目标，就是使燃油能量转换效率尽可能高。 整车的能量管理必须通过有效地协调控制动力系统的工作才能更好的实现， 此外，能量管理还需考虑车上其它电气附件和机械附件的能量消耗，主要是空调、 制动助力等系统的能量消耗，以全局考虑整车的能量使用，其能量转换关系如图 基于c v t 的混合动力汽车能量管理j 挣制策略的研究 1 2 所示。 图1 2 混合动力汽车能量转换关系 混合动力汽车节能和低排放取决于动力系统总成的控制策略，根据不同的动 力驱动系统制定和优化控制策略，仍然是混合动力汽车研发的核心问题j 。混合 动力汽车根据其开发目的、环境要求和价格的不同，可采用串联、并联或混联型 式，其动力混合的轻重程度也各有所异，因而控制策略也就各有所长。 混合动力系统的协调工作依赖于优化控制的实现，控制系统的开发是混合动 力汽车的关键技术。混合动力汽车的发动机和电机要互相配合运行，而通过运行 工况控制它们适时的启动和关闭，并要使发动机一直工作在低油耗区域，这种控 制过程相当复杂，因此需要采用技术成熟的动力复合装置和控制策略来实现发动 机和电机功率的合理分配，以实现低油耗和良好的动力性目标。控制系统首先根 据采集到的车速和负荷等数据，计算出相应需求的输出功率，再计算以最高效率 为基点的分配到发动机与电机上的功率值，即实现发动机和电机的最优功率分配 比。然后，根据功率分配比，给出发动机和电机的控制参数。 1 3 3 动力电池及其管理系统 动力电池是混合动力汽车的基本组成部件，其性能直接影响到电机驱动的性 能，从而影响到整车燃油经济性和排放。混合动力汽车对动力电池的性能要求和 纯电动汽车有很大的差异，在纯电动汽车中，电池数量很多，其重量占整车总重 量的3 5 左右，因而对电池的功率密度要求较低；而混合动力汽车的动力电池体 积和容量相对较小，一般只有纯电动汽车电池的1 15 l 右，因此动力电池工作负 荷大，对功率密度要求较高。所以通常把动力电池分为纯电动汽车用的高能量电 池和混合动力汽车用的高功率电池，以满足它们对电池的不同要求。此外，轻度 混合动力汽车动力电池的荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ，s o c ) t 作区间较小，对循环 使用寿命的要求远高于纯电动汽车电池。 目前混合动力汽车常用的动力电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。 6 丁程硕十学位论文 铅酸电池价格最便宜，但能量密度低，将会被其它两类电池所取代1 1 2 】。锂离子电 池性能最好，但随着功率的增大，成本也会急剧增加，同时大功率锂离子电池存 在安全隐患，因此常用于手机、笔记本电脑，而在汽车上用的相对较少。从目前 电池研究的情况分析，混合动力汽车动力电池的主流还是镍氢电池，而锂离子电 池将是未来的发展方向。 动力电池管理系统就是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，估测动 力电池的剩余电量，同时对动力电池的充放电进行保护，并使动力电池工作在最 佳状态。动力电池管理系统的功能主要包括： ( 1 ) 动态监测动力电池的工作状态，即实时采集动力电池中各电池组的端电压 和温度、充放电电流以及动力电池总电压等。 ( 2 ) 估测动力电池的s o c 状态，随时预报混合动力汽车动力电池的剩余电量， 使动力电池的s o c 值工作范围控制在3 0 7 0 。 ( 3 ) 动力电池故障的早期预测和报警，当动力电池电量过低，需要充电时，应 及时报警，以防止动力电池过放电，从而缩短动力电池的使用寿命。当电池组的 温度过高，出现异常时；应及时报警，以保证动力电池正常工作。 ( 4 ) 电池组的热平衡管理。 ( 5 ) 汽车高压绝缘性能的预测报警。 ( 6 ) 整车进行数据通讯。 1 4 混合动力系统与c v t 技术融合的优势 由于无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，c v t ) 能实现传动比的连 续变化，可以得到与发动机特性理想匹配、协调工作，达到节能、环保、舒适的 目的，可以控制发动机的转速在最小的范围内变化，而使车速在较宽的范围内变 化，使发动机处于经济转速区域内运转，从而可降低排放，在变速过程中不存在 动力中断，从而显著的提高