（车辆工程专业论文）混合动力电动城市客车驱动系统建模与仿真.pdf

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 ，h e v ) 是改进的内燃机汽车 技术与建立在信息技术基础上的纯电动汽车技术相结合的产物，具有纯电动汽车 和传统内燃机汽车的综合优点，是相当长时间内缓解汽车工业能源短缺和环境污 染问题的一个可行的过渡方案。 城市交通拥挤，汽车时走时停，行车速度慢，尾气排放污染严重。城市公交 车一般是在固定道路，固定时间运行，每日运行的总里程大多在3 0 0 k m 左右。在 这种情况下，传统的内燃机油耗高和排放污染大，而混合动力城市客车可以发挥 其优势，降低油耗，改善排放。混合动力驱动系统较传统驱动系统增加了一些设 备，增加了车辆的重量和体积，相对于轿车，这些变化对城市公交大客车的影响 较小。所以，许多专家认为，混合动力技术将首先在城市公交客车上实现产业化。 混合动力城市客车可采用串联或并联方案，分别有其优缺点。本文采用技术 比较成熟的铅酸电池、交流感应电机、电控柴油发动机等组成一个混联布置的混 合驱动系统。文中对驱动系统中所涉及的主要子系统，如电池、电机和发动机等 进行了简要的介绍和分析建模；简要介绍了混合动力仿真软件a d v i s o r 2 0 0 2 ； 较为详细地介绍了所选驱动系统控制策略的控制目标、控制模式以及确定控制策 略时需要考虑的关键问题。文中也介绍了武汉理工大学混合动力课题研究组开发 的混合动力仿真软件b o n d h e v l 0 。 本文的主要工作是提出了一种混联式混合动力城市客车驱动系统的机电偶 合方案，分析了该系统的各种工作模式和动力及能量流，针对汽车的某一运行工 况，以维持电池s o c 平衡为主要目标，设计了该驱动系统的控制策略，基于 a d v i s o r 2 0 0 2 ，建立该驱动系统的仿真模型并进行系统仿真。仿真结果表明，本 文所提出的控制策略和仿真模型能满足该混合动力城市客车驱动系统的设计要 求。 关键词：混合动力城市客车，驱动系统，控制策略，匹配，优化，a d v i s o r 2 0 0 2 a b s t r a o t n o w a d a y s ，t h em o s tf e a s i b l ec o m p r o m i s ei na p p l y i n gac o m b i n a t i o n o fn e wa n d o l dt e c h n o l o g yi sp r o v i d e db yh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e w h i c hp r o v i d e st h eb e n e f i t so f b o t he l e c t r i c ( e v ) a n dt 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 nv e h i c l e ，w h i l em i n i m i z i n gt h e l i m i t a t i o n so fe a c h h y b r i de l e c t r i cv c h i c l ei st h em e s tf e a s i b l es o l u t i o nt os o l v et h e e n e r g ya n dp o l l u t i o np r o b l e m si nl o n gt i m e c i t yp u b l i ct r a n s i ti sv e r yc r o w d e d ，a n ds t o p sf r e q u e n t l y ，h a ss l o wd r i v i n gs p e e d a n de x t r e m e l ys e r i o u sp o l l u t i o n c i t yb u sh a sf i x e dt r a v e l i n gl i n ea n dr e g u l a rl u nt i m e n o r m a l l y ；t h et o t a lc o u r s et h a tt r a n s i tb u sr u n se v e r y d a yi sa r o u n d3 0 0k m sm o s t l y u n d e rt h i sk i n do fc o n d i t i o n ，t h ee m i s s i o na n dt h ef u e le c o n o m yo fc o n v e n t i o n a l t r a n s i tb u sa r eb a d b u th y b r i de l c c t r i cb u s ( 雌b ) c a ni u s td e v e l o pi t sa d v a n t a g e s h e vh a sm o r ec o m p o n e n t st h a nc o n v e n t i o n a lv e h i c l e s oi ti n c r e a s e sw e i g h ta n d v o l u m e b u ti th a sl e s si n f l u e n c eo f fb i gt r a n s i tb u st i t a no i lc a l s om a n ye x p e r t st h i n k t h eh e bw i l lr e a l i z ei t si n d u s t r i a l i z a t i o nf i r s t l y 弧em i n i s t r yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yo fc h i n ah a sa l s os e tt h ed e v e l o p m e n to fh e va n dh e vc o m p o n e n t sa s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts u b - p r o j e c t si nt h e8 6 3p r o g r a m n om a t e rt h ec o n f i g u r a t i o no ft h eh y b r i dp o w e rt r a i no fh e bi sp a r a l l e lo rs e r i e s ； t h e r ea r ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v 如t a 艄a tt h es a m et i m e 啪i sd e c i d e dt oa d o p tt h e c o n f i g u r a t i o ni ns p h e v ：t h ec o m p o n e n t so ft h ep o w e rt r a i ni n c l u d et h el e a da c i d b a t t e r y ，a ci n d u c t i o nm o t o ra n dd i e s e le n g i n e i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rg i v e sa p r e s e n t a t i o na n da n a l y s eo nt h ep o w e rt r a i ns u b s y s t e m ，s u c ha sb a t t e r y ，m o t o ra n d g e n e r t o r m o r e o v e r , t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h es i m u l a t i o n f t w a r eo fh e v a d s o r 2 0 0 2 1 瞰st h e s i si n t r o d u c e sc o n t r o la i m c o n t r o l m o d e l a n d s i x t y f o u r - d o l i a rq u e s t i o n so ft h ec o n t r o ls t r a t e g y t h es i m u l a t i o n s o f t w a r eo f h e v b o n d h e v l 0e x p l o i t e db yw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yh e vs t u d vi s m e n t i o n e d a ne l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n go ft h ep o w e r t r a i nf o rak i n do fs ph y b r i de l e c t r i c c i t yb u si sp r o p o s e d ，a n a l y s et h i ss y s t e m sa l lk i n d o fw o r km o d ea n dp o w e rf l o w f o r s o m ed r i v ec y c l e , i no r d e rt om a i n t a i nt h eb a t t e r i e s s o c , t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h e p o w e r t r a l ni sd e s i g n e du n d e rad r i v i n gc y c l e as i m u l a t i o nm o d e lb a s e d o n a i ) v i s o r 2 0 0 2i ss e tu pa l s o f r o mt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n , t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n d s i m u l a t i o nm o d e l sc a nm e e tt h en e e do ft h ed e s i g nt a r g e tf o rt h eh y b r i de l e c t r i cc i t y b u sp o w e r t r a l n k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cb u s ，p o w e r t r a i ns y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g y ，o p t i m i z e a d v i s o r 2 0 0 2 l l 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 1 1 1 电动汽车发展历史 电动汽车同内燃机汽车同样历史悠久，早在世界第一辆燃油汽车诞生于1 8 8 6 年之前，1 8 8 1 年在法国巴黎街上就出现了世界上第一台电动汽车。此后电动车曾 盛行一时，但由于电动汽车的蓄电池太重，充电时间长，每一次充电后的行驶里 程太短，同时汽油机技术发展趋于完善，使电动车辆逐渐淘汰。然而在2 0 世纪末， 随着环境的日趋恶劣，排放法规的日益严格，电动汽车的优点便显现出来，同时 控制技术的进步也使电动汽车的实用化成为可能。现代电动汽车决不是百年前旧 技术的重复，它是汽车、电力拖动、电子、智能控制、化学电源、计算机、新能 源、新材料工程技术最新成果的集成产物。 2 0 世纪9 0 年代，环境污染和能源危机加剧直接导致了电动汽车发展的新高 潮。民众的呼声和政府的重视使得越来越严格的汽车尾气摊放标准和鼓励刺激使 用电动汽车的政策法规出台，如最著名的1 9 9 0 年美国加州遥过的空气清洁法案， 极大地刺激了国外电动汽车的发展。电池作为电动汽车商业化的关键受到国外的 高度重视，美国三大汽车公司组建美国先进电池联合体u s a b c ，欧洲、日本也成 立了相应的电池研究组织。而且，诸如超级电容和飞轮这样新的储能装置也被应 用在电动汽车上，以提高电动汽车的能源利用效率。“1 目前，由于电池技术尚未突破，纯电池驱动的具有车速低和续驶历程短等缺 点，而内燃机汽车相对于电动汽车而言其经济性和摊放差等不足，但将两者结合， 共同梅建具有一体式发动机( i g s ) 和电机驱动的电动车驱动系统，即混合动力 驱动系统。 1 1 2 课题研究目的和意义 二十世纪九十年代以来，全球性的石油危机以及环境污染问题使汽车的节能 与环保性能日益得到重视。特别是对于汽车密集、交通拥挤的大城市而言，汽车 频繁起步停车造成内燃机变工况( 特别是低速、怠速) 运行导致排放差、油耗率 高的主要原因。电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e s ，e v ) 是取代传统内燃机汽车、 满足零排放的最终选择，但是由于电池能量密度、充电时问、价格、寿命等原因 武汉理工大学硕士论文 限制了电动汽车的发展。1 9 9 5 年以来，世界各大汽车生产厂商把研究重点转向 实施性强的混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ，h e y ) 通过使用先 进的开发手段，采用不同的布置形式、控制策略，已在短开发周期内实现t t e v 产品化，并初具市场规模。”1 混合动力电动汽车不仅对能源安全和环保有重要意义，而且它集机械、电 气、电子、数字、信息和智能技术于一体，集成了现代高新技术，将会促进我 国汽车工业自主发展。为此，科技部已将混合动力电动汽车的研发列为“十五” 计划及国家8 6 3 重大专项的主要课题之一，从发展我国汽车产业的战略高度， 选择新一代混合动力电动汽车技术作为创新的主攻方向，组织企业、高等院校 和科研机构，联合攻关。在我国尽管轿车正一步一步走向家庭，但无论从现实和 未来发展而言，轨道交通和城市客车仍将是大城市、特大城市居民出行的主要运 载工具，在相当长的时间内，城市公交客车在我国城市公共交通中还占居着重要 地位。对混合动力电动城市客车的研究是不可缺少的重要环节。 研究目的：t t e v 产品开发中最关键的环节是根据不同韵混合动力驱动系统 制定和优化其控制策略。本课题的研究耳的是开发满足某城市工况下的混合城 市大客车驱动系统。围绕整车动力、经济性能需要，进行驱动系统设计；给出 符台实际要求的多能源控制策略；提出机电耦合方案，并进行参数匹配，然后 重点对新型行星齿轮建模，结合挨个驱动系统仿真。 研究意义：目前在美国投入商业运行的某混合电动城市客车，与普通客车 相比，能改善4 0 到6 0 的燃油经济性，并减少5 0 至9 0 的各类排放污染 物，车辆保养成本、噪音及驾乘人员的舒适性得到极大改善。统计显示，在上 海，一辆大型公交车百公里平均油耗约为4 5 升，按每天行驶2 5 0 公里计算，每 天的油耗为1 1 2 升，年油耗高达4 0 吨。如采甩混合动力客车，上海现运营的 1 7 万余辆公交车，每年可节省燃油4 0 0 万吨左右。在环境日益恶化、能源危 机日趋严重的今天，混合动力电动汽车的发展已时不我待。而在人口众多，对 城市客车作为交通工具依赖性较强的中国，研究与开发符合自己城市的混合动 力城市客车尤为重要。眦v 驱动系统参数的选取对车辆动力性、燃油经济性和 排放性能都有显著的影响。直接使用物理样机进行试验研究具有盲目性，利用 计算机仿真模拟分析，对汽车动力性、经济性进行预测，可以找到驱动系统对 整车整体性能有影响的参数，并进行优化设计，有助于缩短混合动力电动汽车 开发设计周期，为驱动系统的设计、控制策略及整车性能评估提供参考。 1 1 3 国内外发展现状及趋势 混合动力电动汽车技术在汽车工业发达国家日益成熟，有些已经进入实际 2 武汉理工大学硕十论文 产业化阶段，并制定了相关的产业化计划： 美国的p n g v 与f r e e d o m c a r 计划 p n g v ( t h ep a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s “开发新一 代汽车合作计划”) ，是1 9 9 3 年由克林顿政府与美国汽车研究理事会( u s c a r ) 所设立的旨在提高美国汽车工业在国际上的综合竞争力，减少美国对进口国外 石油的依赖程度的一项汽车研究与开发计划。研究的目标是要开发燃料经济性 相当于1 9 9 4 年家庭轿车( 如c o n c o r d t a u r u s l u m i n a 等) 的三倍( 长期目标) ， 同时价格相当、燃料效率有革命性的提高，没有环境污染，满足和超过安全和 排放要求的经济可行的汽车。p n g v 计划在2 0 0 0 年生产出概念车( c o n c e p t ) ， 在2 0 0 4 年生产出原型车( p r o t o t y p e ) 。 参加p n g v 计划的联邦政府成员包括商业部( d 0 c 作为领导部门) 、国防部 ( d o d ) 、能源部( d o e ) 、内务部( d o i ) 、交通部( d 0 r r ) 、环境保护署( e p a ) 及国 家航空航天管理局( n a s a ) ，还有国家科学基金会( n s f ) 。其他的参与者包括当 时的美国三大家汽车公司( 通用、福特和克莱斯特) ，以及一些工业供应商、大 学、商业研究开发院等。三大汽车公司与商业部组成领导委员会，三大汽车公 司与七个政府部门的代表组成下设的技术委员会，技术委员会有十个技术工作 组，分别负责一个技术子系统。每个技术工作组的成员来自工业界和国家实验 室，一般都是由工业界代表任主席。1 9 9 7 年，研究计划紧缩了起初的一些研究 项目，三大家汽车公司均将柴油与电的混合动力汽车开发作为新的实现p n g v 目 标的车型。2 0 0 0 年，三大汽车公司都展出了他们采用轻质材料车身的混合动力 概念车，通用汽车公司的p r e c e p t ，福特的p r o d i g y ，戴姆勒克莱斯勒公司的 e s x 3 。它们基本都达到了燃料经济性目标，但没有实现成本目标。实践认为， p n g v 在初期的时间安排和研究内容上存在不足，它是针对一些比较具体的研究 与开发目标( 如燃料经济性) 而制定的一个宏大计划，技术指标的商业化成分 太重，实施过程中导致各方面在技术上均采取了保守手段，三大公司的概念车 都不约而同地采用了比较成熟的柴油与电混合的驱动技术。另外，计划也引起 欧洲与日本等国家的高度关注和效仿。 2 0 0 2 年1 月，美国政府代表在底特律汽车展上宣布了替代p n g v 的新的计 划，重新命名为f r e e d o mc o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ( f r e e d o m c a r ) 。 该计划补充和修正了p n g v 计划，定下了四个主要研究与开发目标： 1 ) 实质性地降低成本并使电驱动系统具有1 5 年的寿命； 2 ) 与现有燃料车比较，应有两到三倍燃料效率的先进内燃机技术且较低的 成本和排放： 3 ) 提高电能储存系统的寿命和降低价格； 武汉理工大学硕士论文 4 ) 提高材料及制造技术，保证承载能力下使车身结构重量减少5 0 ，并提 高材料再利用率。 该计划的重点是降低各种技术应用成本，开发车型不仅面向原所指的中型 私家轿车，而且要面向所有轿车和轻型卡车，开发时间也向后延伸了1 0 年。2 0 0 3 年1 月布什总统又发布了一个氢燃料开发计划( p r e s i d e n t sh y d r o g e nf u e l i n i t i a t i v e ) ，增加7 2 亿美元资金，用以资助氢作为运输能源的研究与开发。 新的研究计划补充了f r e e d o m c a r 计划，瞄准了更为长期的目标： 1 ) 强调氢燃料系统的耐久性、能源效率和使用成本； 2 ) 强调氢能对汽车工业和对环境( 低排放标准) 的影响， 3 ) 强调燃料的高效和等同于汽油的价格，以及氢燃料在车上贮存的能量密 度及成本。 构成新的f r e e d o m c a r 计划的战略重点为： 1 ) 发展可负担得起的氢燃料电池汽车技术及相应的氢基础设旌； 2 ) 继续支持可降低燃油消耗率和减少环境污染技术的开发： 3 ) 发展可用于多种车辆的燃料电池技术，而不只是限于某一种汽车。 在组织上，f r e e d o m c a r 计划改由美国能源部领导，由汽车制造协会协调， 几大汽车公司、大学及国家实验室参加，与p n g v 计划最大的不同是燃料供应商 参与了f r e e d o m c a r 计划。f r e e d o m c a r 计划比较集中予风险较高的实用技术研 究，着眼于美国国内可再生能源开发氢燃料电池，提出以不损害用户自由使用 汽车、自由选择汽车的积极性，不增加汽车的使用成本为目的，研究有市场而 没有排放污染的全功能轿车和卡车，同时保证使用安全性、灵活性和用户汽车 选购的自主性。从2 0 0 3 年美国能源部的有关研发资助结果看，原计划内容资 助比例的总体水平还是比较稳定的，但2 0 0 4 年，主要资助就转到了( 增加了3 0 ) 氢燃料、燃料电池及其车辆技术上来。主要研究内容包括电推进系统、车辆系 统、材料技术，氢能源( 不仅限于车用) 的生产、供应和贮存技术等，也含有 氢能源的安全、法规和标准、人员的培调和教育等。 除了美国能源部外，还有一些政府部门也被卷入氢能源及燃料电池的研究 与开发，包括美国国家汽车中心( n a c ) ，坦克车辆研究与开发工程中心( t a r d e c ) ， 国防部，交通部，环保署。例如：运输部通过国家汽车中心，向乔治敦大学 ( g e o r g e t o w nu n i v e r s i t y ) 每年资助5 百万美元用于燃料电池巴士运营示范。 欧盟的合作计划 出于提高欧盟各国的科学技术水平，增强欧盟各国工业的竞争力，充分调 动欧盟各国的科学技术力量，减少各国科研计划的重复，有效地利用欧盟各田 的人力和物力资源，欧盟制订了一些统一的高新技术研究计划。目前，t 引u 动 4 武汉理工大学硕士论文 汽车及其能源相关的主要发展计划有两个：由欧盟委员会组织实施的f p ( f r a m e w o r kp r o g r a m m e 科技匡架计划) 系列计划，以及欧盟燃料电池研究发 展示范( r & d d ) 计划。 1 ) f p 系列计划是一个欧盟中长期科技发展计划，它研究国际前沿和预竞争 科技难点，多国参与，涉及多领域，投资大，研究水平高。f p 5 ( 1 9 9 8 2 0 0 2 年，实际从1 9 9 9 年初开始执行) 的“能源、环境和可持续发展”子项中，对燃 料电池的各项技术进行了广泛的研究。目前，欧盟f p 6 ( 2 0 0 2 2 0 0 6 年，实际从 2 0 0 3 年初开始执行) 总投资是1 7 5 亿欧元，占欧盟各国公共研究预算的6 。七 个优先主题领域中的第六项为“可持续发展，全球变化和生态系统”，预计投资 2 1 2 亿欧元，其中，可持续能源系统：清洁能源，节能，发动机替代燃料，燃 料电池，新的能源载体、运输、储存，可再生能源等为8 1 亿欧元；可持续的 交通：环境友好的交通系统和模式，先进的设计和生产技术，安全等为6 1 亿 欧元；全球气候变化和生态系统：温室气体排放的影响和机制，水循环，生物 多样性，自然灾害，土地管理，气候模拟和预测等为7 亿欧元。f p 6 中有6 亿 欧元是用于开展国际优先领域及专项研究。 2 ) 欧盟燃料电池研究发展示范( r d d ) 计划( 1 9 9 8 - - 2 0 0 5 年) 欧盟委员会认为：燃料电池代表着富有前景的清洁高效的能量转换技术， 但仍不能与现有的传统技术竞争。解决其技术和可靠性问题依需要更多的研发 和示范工作，同时还应把生产成本降低到可接受的程度。在许多应用领域，燃 料电池技术还是一个长期的选择。基于这一技术可实现的能量节约和能量清洁 转化，对各行业的长远影响以及在全球市场范围内提高竞争力的必要性，一个 统一的欧盟燃料电池科研发展示范计划在欧洲的一些城市实施。该计划将车用 燃料电池列为优先发展目标。 欧盟燃料电池巴士示范计划：2 0 0 3 年底有3 0 辆燃料电池大巴在欧洲不同 环境下的八国l o 个城市开始营运。主要开展两大项目：欧洲清洁城市运输 ( c l e a nu r b a nt r a n s p o r tf o re u r o p e 简称c u t e ) 和欧洲生态城市运输系统 ( e c o l o g i c a lc i t yt r a n s p o r ts y s t e m 简称e c t s ) ，其中，仅c u t e 项曩欧盟提 供财政资助有1 8 5 0 万欧元。 还有欧洲电动汽车城市运输系统( e l c i d i s ) 计划：此项计划的主要目的是 使用电动车辆进行城市运输，从而评估该城市运输系统的效率和环境影响。欧 洲的鹿特丹、颠德哥尔摩、厄尔兰根德、米兰、斯塔万格以及拉罗谢尔等六个 城市共使用6 3 辆纯电动汽车和混合动力汽车进行此项评估工作。e l c i d i s 计划 的目的不仅是推动电动汽车在物流领域的应用，而且要达到通过重组物流体系 结构实现减少城市中心交通量的只的。 5 武汉理t 大学硕士论文 f 1 本的开发计划 日本人口密集，国土狭小，汽车保有量占全球第二位，石油几乎1 0 0 依 靠进口，因此，日本政府十分注意电动汽车的研发，特别是在开发混合动力电 动汽车方面处于全球领先地位。主要的研究与开发计划： 1 ) 低公害车开发普及行动计划 2 0 0 1 年5 月，在首相倡导下，实施政府低公害引用促进对策，同时以此作 为契机加快减轻汽车对环境的不良影响，制定并积极推进“低公害车开发普及 行动计划”。行动计划包括现处于实用阶段的低公害车的普及和燃料电池等下 一代无公害车的开发。处于实用阶段的低公害车是指环境负荷较小、政府致力 普及的、对环境破坏性小的汽车。燃料电池车等下一代低公害车的普及目标为： 现处于实用阶段的低公害车，在2 0 1 0 年之前尽快普及到1 0 0 0 万辆以上；燃料 电池车在2 0 1 0 年内普及5 万辆。 2 ) 专项研究计划 ( 1 )燃料电池汽车等用锂电池技术开发。研究内容包括：实现燃料电池 汽车获得更高效率的同时，为促进蓄电池技术的发展，开发具有最 高能量效率的高功率、长寿命锂电池。 ( 2 )氢能利用技术开发。开发内容包括：为加快氨能在整个社会的应用， 进行氯能利用综合性的调查、研究，同时实施储氢罐、供氢站等氢 气制造、输送、储藏、利用等相关技术开发。 ( 3 )质子交换膜燃料电浊系统的验证研究。研究内容包括：为了获得环 境性能、能源综合效率等数据，以及开展技术课题等所必需的基础 情报，进行包括氢气供给在内的燃料电池汽车的公路实际行驶试 验，固定式燃料电泡系统在实际使用条件下的验证试验。 ( 4 )质子交换膜燃料电池系统的普及基础事业。以奠定质子交换膜燃料 电池实用化及普及阶段必需的安全性、可靠性等标准、技术要求等 普及基础为目的，确立通过评价试验收集各种数据、评价试验方法、 标准、技术要求等。 ( 5 )质子交换膜燃料电池系统的技术开发。以汽车用、家用、业务用质 子交换膜燃料电池的实用化为目标，开发构成燃料电池的各要素技 术、原材料技术等( 膜、触媒、隔板等) ，同时开发系统化技术、 批量生产技术、低成本化技术等。 ( 6 )氢气安全利用等基础技术开发费补助会。在普及燃料电池的初级阶 段，为了确立安全、低价的氢气制造、利用相关的技术，确立能够 获得验证氢气安全性必要数据等安全技术，开发氢气燃料供给设施 武汉理工大学硕士论文 必要的压缩机等相关设施。 中国的电动汽车发展计划 1 ) 国家8 6 3 电动汽车专项计划 从上世纪9 0 年代初，我国开始将电动汽车的研究与开发，产业化列入国家 科技发展计划。2 0 0 1 年，国家科技部启动了十五高新技术发展的电动汽车重大 专项。专项国家计划投入资金8 8 亿人民币，同时要求地方政府和参与单位1 ：1 匹配。专项的主要任务是： ( 1 ) 集中优势力量，实现重点突破 整车集成技术：坚持整车牵头，实现系统集成在整车技术上；混合动力汽 车尤其是混合动力客车要求做好产业化准备工作；纯电动汽车的研发要为小批 量生产和商业化示范运行打好基础；注重自有知识产权硬件与软件平台的建设。 动力电池技术：提高动力电池( 镍氢电池和锂离子电池) 的总体性能；加 强新型材料及其制各工艺和电池生产工艺的研究；推动动力蓄电池产品规格的 标准化、规范化。 驱动电机技术：加大电动汽车电机研发力度。 燃料电池技术：近期与长远目标相结合，开展燃料电池发动机系统集成技 术攻关；高度重视燃料电池发动机系统集成技术；启动燃料电池用空气压缩机 和氢源技术研究课题。 ( 2 ) 建立创新平台，推动持续创新 贯彻三大战略，加强人才、专利和标准工作；建立公共技术测试平台；加 强开发环境建设，提高检测和试验能力。 ( 3 ) 加强政策研究，启动示范工作 做好产业化政策研究：加强与国家有关部委的协调与合作，加强国际政策 交流合作；启动电动汽车试点示范：前期选择北京、武汉、威海等城市作为电 动汽车运行示范区，研究制定电动汽车运行示范规划；抓好全球环境基金示范 项目。 ( 4 ) 突出管理创新，做好服务工作 强化专项管理平台：推动体制创新和技术创新；完善专项服务功能。 2 ) 汽车产业发展政策 2 0 0 4 年新的国家汽车产业发展政策中明确提出：国家引导和鼓励发展 节能环保型小排量汽车。积极开展电动汽车、车用动力电池等新型动力的研究 和产业化，重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术，促进混合动力 汽车的生产和使用。国家支持研究开发醇燃料、天然气、混合燃料、氧燃料等 新型车用燃料，鼓励汽车生产企业丌发生产新型燃料汽车。 武汉理工大学硕十论文 现阶段电动汽车动力学仿真软件：国外用于混合动力电动汽车的仿真软件 很多，如a d v i s o r 、p s a t 、j a n u s 、s i m p l e v 、c a r s i m 、h v e c 、c s m h e v 、v e l p h 等，另外，各大汽车生产厂家也有各自的仿真软件。” 上述软件都是针对欧美国家实际而开发的，在我国使用需要对混合电动汽 车驱动系统中各部件类型、特性及参数都要修改，开发自己的整车模型。对软 件进行二次开发尤其重要，特别是针对我们使用的新型行星齿轮建模，制定适 合实际城市工况的多能源控制策略，对机电耦合方案进行反复试验仿真，使其 达到预定目标。“1 1 2 本文研究的主要内容 本文研究目标： ( 1 ) 以m a t l a b 为工作平台，建立混合动力电动城市客车驱动系统模型， 使其能嵌入到a d v i s o r 2 0 0 2 仿真软件； ( 2 ) 依据实车部件参数数据，得到仿真结果，纠正多能源控制策略，使控 制策略达到实际使用要求； ( 3 ) 根据其他类似车辆数据资源，对机电耦合方案进行参数匹配，使驱动 系统满足经济性、动力性要求。 研究内容：建立符合特定城市工况下的混合动力城市大客车驱动系统模型。 制定和优化多能源控制策略，对驱动系统进行计算机仿真分析。 8 武汉理工大学硕士论文 第2 章混合动力车辆驱动方式及控制策略 典型的混合动力电动汽车( 既v ) 驱动系统包括一台内燃机和至少一台电 机，同时有多个动力源给车辆分配动力，这样给车辆动力控制方式带来了很大的 灵活性。混合动力电动汽车( h e v ) 是指以蓄电池与辅助动力单元( a u x i l i a r y p o w e ru n i t ，简称a p u ) 共同作为动力源的汽车。其中a p u 是燃烧某种燃料原动 机或由原动机驱动的发电机组，目前h e v 的原动机为柴油机、汽油机或燃汽轮 机。从理论上讲，内燃机的热效率在低速时偏低，扭矩也较小，而在中高负荷 时效率较高，而负荷再大时效率又会下降。如果车辆在低速时采用电动机驱动， 在高负荷时，让发动机仍工作在中等负荷高效率区，不足的功率由电动机提供， 就可以提高车辆燃油经济性，h e v 就是采用了这种原理。较之传统燃油汽车和 电动汽车，h e v 增加了动力系统部件的种类和组合方式，并根据使用工况对部 件的工作方式进行了优化组合，使各部件，尤其是作为主动力源的原动机能够 在最优工况下工作。 混合动力电动汽车能量管理系统主要功能是监测车辆能量状态、控制能量 的流动、优化能量利用率，从而提高车辆的动力性、经济性和安全性。能量管理 系统监控车辆能置的释放和存储过程。进行能量优先级分配和满足各种性能要 求的能景最小化控制。涉及的车辆系统有驱动系统，动力辅助系统，仪表系统和常 用的低压电气系统。混合动力电动汽车应根据车辆布置方式的不同丽具体制定 相应的能量管理策略。目前不同而有效的能量管理策略是混合动力电动汽车 ( h e y ) 取得最佳燃油经济性、降低排放和保持良好动力性的关键。控制策略是 混合动力轿车的灵魂，它根据汽车行驶过程中对动力系统的能量需求，动态分 配发动机和电机系统的输出功率，使发动机尽量工作在最优工作区，从而达到 降低能耗，改善排放的目的。通过仿真方法来辅助设计控制策略是当前混合动 力电动汽车的开发趋势。它可阻减少实验次数，加快开发进度。旧 2 。1 混合动力车辆驱动方式分类 目前混合动力电动汽车根据驱动系统配置和组合方式不同，动力驱动方式 主要分为串联式、并联式和以丰田p r i u s 为代表的混联式结构。“1 2 1 1 串联式混合动力驱动系统 串联式混合动力电动汽车出发动机、发电机和驱动电机三大1 i 要部件组成。 9 武汉理t 大学硕士论文 其中发动机只用于发电，发电机产生的电能通过能量控制单元一部分或全给电 动机，一部分或全给电池组；最后由电动机驱动汽车行驶。如图2 - 1 示串联式 混合动力电动汽车驱动系统。 线 图2 - 1 串联式混合动力电动汽车驱动系统 在不同工况和不同条件下，根据不同的控髓策略，能量有不同的流动方式： 串联式最常见的结构型式如图2 - 2 ，2 - 3 ，2 - 4 所示。湖 典型串联驱动系统结构型式1 ，如图2 2 所示，其能量流动有如下几条路 图2 - 2 典型串联驱动系统结构型式1 ( 1 ) 电池一电动机一驱动轮：在电池s o c ( s t a t eo f c h a r g e ；电池荷电状态) s o c 。条件下，电池组放电单独驱动车辆，为纯电动驱动模式。 ( 2 ) 发动机一发电机一电池一电动机一驱动轮：此时发动机即给电池充f 1 义 驱动车辆。 武汉理工大学硕士论文 ( 3 ) 发动机一发电机一电动机一驱动轮：此时由发动机单独提供能量驱动车 辆，纯发动机驱动模式。 ( 4 ) 驱动轮一电动机( 发电机) 一电池( 制动能量回馈) 。此时，电机回收能量， 给电池充电。 典型串联驱动系统结构型式2 ，如图2 3 所示，其能量流动有如下几条路 线：9 3 图2 - 3 典型串联驱动系统结构型式2 ( 1 ) 电池一电动机一驱动轮；在电池s o c ( s t a t eo fc h a r g e ；电池荷屯状 态) s o c 。条件下，电池组放电单独驱动车辆，为纯电动驱动模式。 ( 2 ) 发动机一发电机一电动机一驱动轮；此时由发动机单独提供能量驱动车 辆，纯发动机驱动模式。 ( 3 ) 驱动轮一电动机( 发电机) 一电池( 制动能量回馈) 。此时，电机回收能量， 给电池充电。 由上分析看出串联式混合动力电动汽车的特征能量流动为：发动机一电动 机一一驱动轮。 串联式结构的特点适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可 以使原动机在最佳工况点附近稳定运转，通过调整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。在电池s o c 较高时 还可以关闭原动机，只利用电池进行功率输出，使原动机避免了怠速和低速运 行工况，提高了原动机的效率，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。这是因为虽然原动机的工况得 到改善，但是原动机作的功，通过发电机、电池、控制器和电动机，在电能与 机械能的转化过程中有效率损失，所以整个驱动系统排放较低，而效率没有根 本性的提高，难实现低油耗的目标。其主要特点有：发动机不直接与动力传动 系统相连，可保持在高效率区稳定工作；电动机随负荷的变化调速转矩和转速 输出：电动机所需电能直接来源于发电机或蓄电池。发动机的工作区域稳定， 所以排放性能好、能量效率较高。不足之处是系统的负载能力完全墩决于电动 1 1 武汉理工大学硕士论文 机额定功率的大小，而且电动机的转速不能太低或太高，否则效率很低。“。 2 1 2 并联式混合动力驱动系统 并联式结构有内燃机和电动机两套驱动系统它们可分开工作也可一起协调 工作，共同驱动。所以并联式混合动力电动汽车可以在比较复杂的工况下使用， 应用范围比较广。并联式结构由于电机的数量和种类的不同、传动系统的类型、 部件的数量( 如离合器的数量) 和位置关系( 如电机与离合器的位罨关系) 的 差别，具有明显的多样性。结构上可划分为两种形式，单轴式和双轴式。图2 4 所示典型并联式混合动力电动汽车驱动系统。 减 器 图2 - 4 并联式混合动力电动汽车驱动系统 单轴式并联混合动力电动汽车驱动系统： 图2 5 中发动机和电动机的驱动力在变速器输入轴处耦合，能量流动主要 有如下几条路线： ( 1 )电池一电动机一变速器一主减速器一驱动轮： ( 2 )发动机一变速器一主减速器一驱动轮： ( 3 ) 驱动轮一主减速器一变速器一电动机( 发电机) 一电池( 制动回馈) 。 图2 5 单轴式并联混合动力电动汽车驱动系统l 武汉理工人学硕士论文 图2 - 6 中发动机和电动机的驱动力在变速器输出轴后主减速器前耦合，能量 流动主要有如下几条路线：“1 1 ( 1 ) 电池一电动机一主减速器一驱动轮： ( 2 ) 发动机一变速器一主减速器一驱动轮； ( 3 ) 驱动轮一主减速器一电动机( 发电机) 一电池( 制动能量回馈) 。 图2 - 6 单轴式并联混合动力电动汽车驱动系统2 双轴式并联混合动力电动汽车驱动系统； 图2 7 双轴式并联混合动力电动汽车驱动系统，此时发动机和电动机的驱 动力各自驱动两个驱动轴。 图2 7 双轴式并联混合动力电动汽车驱动系统 由上分析看出并联混合动力电动汽车驱动系统的特征能量流动为：发动机 一驱动轮；发动机一电动机一一驱动轮。 并联式结构中发动机和电动机是相互独立的。低速小功率运行时可以关闭 发动机，利用电动机进行驱动；在中高速平稳运行工况，可以只利用发动机进行 驱动；高速运行或加速时，可以利用动力复合装置对原动机和电动机的输出动力 进行叠加。在市郊和城间运行时，汽车经常处于中高速平稳运行状态，而且对排 放没有苛刻要求，并联式驱动系统可以关闭效率较低、需经常对电池进行管理的 电驱动部分只使用原动机进行驱动，从而使系统具有更好的燃油经济性。鉴于并 联式结构适用于市郊和城闻工况，在开发市郊和城闻交通工具时并联式结构应 受到重视。该系统的主要特点是：发动机与电动机联合驱动，动力强劲；对控 制系统的要求较高；与串联系统相比，不需要发电机，当汽车制动时，电动机 发挥发电机的作用，可回收制动能量。n ” 武汉理工大学碗士论文 2 1 3 混联式混合动力驱动系统 混联结构的驱动系统是串联和并联系统的结合，它的能量流路径包含了串 联与并联的各种组合，因此控制系统要求更为复杂。丰田生产的p r i u s 车型是 典型的混联结构，它的优良性能是混合动力车辆的典范，其商业化程度很高， 是非常值得我们研究的范例。图2 - 8 为混联式混合动力电动汽车代表p r i u s 驱 动系统。图2 - 9 为p r i u s 驱动系统的结构简图。 图2 - 8p r i u s 驱动系统 减 器 图2 - 9p r i u s 驱动系统的结构简图 1 4 武汉理工大学硕士论文 混联式混合动力电动汽车驱动系统有两种结构型式，动力分配式和开关式。 ( 1 ) 动力分配式：p r i u s 驱动系统为动力分配式。借助行星齿轮发动机发出 的动力可以直接传给驱动轮，同时也可以带动发电机发电，由电动机驱动驱动 轮。其能量流动是串联式和并联式的结合。 ( 2 ) 开关式：如果离合器分离，则工作于串联式，若离合器结合，则工作于并 联式。 目前，混联式结构的研究重点是开发高性能动力复合装置、优化控制策略和 降低整车成本。虽然混联式在理论上最容易实现性能最优，但它也存在明显的不 足，即系统过于复杂，以及由此导致的可靠性难以保证；部件性能要求高，及设计 加工困难重重；造价高等缺点。 2 2 混合动力电动汽车控制策略 混合动力电动汽车有两种车载动力源，两者之间必须相互协调工作，需要有 良好的控制策略，对两者的工作状况和功率输出进行控制。控制策略的基本思路 通常有两种：一是直接法即直接将优化目标( 如油耗等) 表示为系统状态变量、控 制变量等的函数：二是间接法，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( 功率) 损失。” 2 2 1 串联式混合动力电动汽车控镧策略 由于串联式混合动力电动汽车驱动系统的自有优缺点决定了它的控制策略。 串联型混合动力汽车的发动机与驱动车轮没有机械连接，因此发动机能够相对独 立于汽车的行驶工况工作。所以控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和 排放区工作。此外，为了优化控制策略，还必须考虑合并在一起的电池、电传动 系统、发动机和发电机的总体效率。 发动机开关控制策略： 采用发动机开关式策略的串联式混合动力电动汽车电机的电能全由电池提 供，发电机发出的电能不驱动电机，而是全用于向电池充电。 这种策略发动机处于经济稳定点运行，燃烧充分，排放低