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混合动力轿车控制系统建模与仿真 摘要 随着经济的发展，人们渴求更良好的环境，由此迫切要求降低汽车的排放 为了满足环境与经济的需求，在吸收了传统汽车的优点，工程师们将新的技术应 用到汽车上混合动力电动汽车的研究和发展对于解决环境污染和能源危机能 起到相当大的作用，目前我国的混合动力电动汽车研究处于发展阶段混合动力 电动汽车( h e v ) 具有两种动力源，它是在结合传统内燃机与电机一起工作的汽 车，其控制更为复杂，在充分利用两种动力源之间进行优化分配动力，而使整 个驱动系统的效率提高，所以它的动力源控制策略是h e v 研究的一项关键技术。 本文首先对国内外混合动力汽车的技术发展现状及电动汽车仿真技术进行了论 述，考虑到我国混合动力汽车技术的发展趋势，针对混合动力电动汽车的动力 源控制策略进行研究在总结后向式、前向式以及混合式三种车辆仿真建模方法 的基础上，基于系统构成和工作原理，建立了系统的当量动力学模型，进而得 到系统的数学模型，在此基础上，结合实际需要，在简单介绍了模糊控制理论 的基础知识之后，基于前向仿真方法建立了适用于并联混合动力车辆的驾驶员 模糊控制系统模型，同时对混合动力车辆在起步，加速，巡航，减速，怠速不同运 行模式下的能量流进行了分析，设计了基于优化i c e 曲线控制策略的多能源管 理控制策略。 关键词：混合动力电动汽车，并联，控制策略，模糊逻辑控制，优化i c e 曲线控制 t h em o d e l i n ga n ds i m u l i n a t i o no ft h eh y b r i dv e h i c l e a b s t r a c t t h eg r o w i n ge n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cc o n c e r nh a sl c a dt or e c e n te f f o r t st o p r o d u c em o r ef u e le f f i c i e n ta n dl o w e re m i s s i o nv e h i c l e s t h i sl e a d st oi m p o r t a n t t e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n t os a t i s f yt h e s en e e d s ，t h eh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e c o m b i n e sa d v a n t a g e so ft h ee l e c t r i cv e h i c l ei nt o w na n do ft h et r a d i t i o n a lv e h i c l e h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) h a st w ot y p e so fp o w e rs o u r c e s ，s ot h ec o n t r o li s m o r ec o m p l e x c o n t r o ls t r a t e g yo fi t sp o w e r t r a i ni sak e yt e c h n o l o g yi nh e vs t u d y i nt h i s p a p e rt h e c o n t r o l s t r a t e g y o fh e vp o w e r t r a i ni ss t u d i e dm a i n l yb y s i m u l m i o n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sa l l i m p o r t a n tm e t h o dt or e s o l v et h ep o l l u t i o no fe n v i r o n m e n ta n dt h ee n e r g yc r i s i s b u t a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h er e s e a r c ho nh e vi no u rc o u n t r yi si nt h ed e v e l o p i n g i nt h i s p a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo fh e vt e c h n o l o g ya n de vs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y c o n s i d e r i n gt h ed e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c eo fo u rn a t i o n a lh e v t e c h n o l o g y ，ah e vd r i v e t r a i nc o n f i g u r a t i o nw h i c hi ss u i t a b l et ot h es i t u a t i o no fo u r c o u n t r yi sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s w ei n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo ft h ef u z z y l o g i cs i m p l y ，t h e ns e tt h es i m u l a t i o nm o d e ls u i t a b l ef o rp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c v e h i c l ea c c o r d i n gt ot h ef r o n ts i m u l a t i n gm e t h o d t og e tt h em a t h e m a t i cm o d e lo f o v e r a l ls y s t e m ，a ne q u i v a l e n tw e i g h td y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e d a n do nt h e b a s i so ft h em o d e lm e n t i o n e da b o v e ，t a k i n ga c t u a lr e q u i r e m e n ti n t oc o n s i d e r a t i o n ，a f o r w a r dh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e mm o d e la n dac o m p o s i t eh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m m o d e la r e d e v e l o p e d a f t e ra n a l y s i s t h e e n e r g yf l o wi ne a c hm o d ew h i c h i n c o r p o r a t e st h em o d eo fo p e r a t i o no ft h e v e h i c l ei e ，a c c e l e r a t i o n ，c r u i s e ， d e c e l e r a t i o na n ds oo n ，w ec r e a t ea no p t i m i z e di c ec u r v ec o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：h y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ， l o g i cc o n t r o l ，o p t i m i z e di c ec u r v e p a r a ll e l ，c o n t r o ls t r a t e g y ，f u z z y c o n t r o ls t r a t e g y 插图清单 图1 1 丰田公司未来新车款阵容中追加h y b r i d 车款4 图2 1s h e v 动力系统的结构图1 0 图2 2p h e v 动力传动系结构图1 1 图2 3s p h e v 动力系统结构图1 2 图3 一la d v i s o r 仿真软件g u i 界面1 7 图3 2a d v i s o r 的仿真数据流程图1 7 图3 3 后向仿真方法动力传递路线1 8 图3 4 前向仿真方法动力传递路线1 8 图3 5 混合仿真方法传递路线1 9 图3 6 串联h e v 模型2 0 图3 7 车辆模型图2 0 图3 8 车轮车桥模块图2 2 图3 9 主减速器模块图2 3 图3 一1 0 变速器模块图2 4 图3 1 1 力矩耦合器模块图2 6 图3 一1 2 离合器模块图2 7 图3 1 3 机械装置模块2 8 图3 1 4 发动机模块图2 9 图3 1 5 车辆控制模块图2 9 图3 一1 6 排气系统模块图3 2 图3 1 7 电器设备模块3 3 图3 1 8 电力总线模块图3 4 图3 1 9 电机与控制器模块3 5 图3 2 0 蓄电池系统模块图3 6 图4 一l 模糊控制系统组成框图3 7 图4 2 二维模糊控制器3 8 图4 3 驾驶员模糊控制的模拟框图4 0 图4 4 驾驶员模糊控制模型4 0 图4 5 速度偏差e 隶属度函数4 l 图4 6 速度变化率隶属度函数4 l 图4 7 油门开度变化率隶属度函数4 2 图4 8 驾驶员模糊控制模型隶属度函数编辑4 2 图4 9 驾驶员模糊控制模型规则观测4 3 图4 1 0 驾驶员模糊控制模型输出曲面观测4 4 图4 1 i 驾驶员制动模糊控制模型隶属度函数编辑4 5 图4 1 2 驾驶员制动模糊控制模型规则观测4 5 图4 一1 3 驾驶员制动模糊控制模型输出曲线观测4 6 图4 1 4 驾驶员模糊控制模型4 6 图4 1 5 蓝线为优化的i c e 曲线4 7 图4 一1 6 基于s t a t e f l o w 优化i c e 曲线控制规则描述4 8 图4 一1 7 整车s i m u l i n k 模型5 0 图4 1 8 多能源管理控制策略s i m u l i n k 模型5 0 图4 1 9 优化i c e 曲线控制的s i m u l i n k 模型5 0 图5 1 图象数据化示意图5 3 图5 2 图象数据化界面5 5 图5 3 数据化结果显示5 5 图5 4 数据化结果显示5 5 图5 5 图象数据化界面5 6 图5 6 图象数据化结果显示5 6 图5 7 电机效率图数据化结果显示5 6 图5 8 放电内阻图象数据提取界面5 7 图5 9 放电内阻图象数据提取结果显示5 7 图5 1 0 电池开路电压与s o c 的函数图象数据提取5 7 图5 1 1 电池开路电压与s o c 的函数图象数据提取结果显示5 8 图5 1 2 发动机万有特性图与电机效率图5 9 图5 1 3c y ce c e工况下的一组数据60_eudc 图5 1 4n 1 c c 下的一组数据6 0 表格清单 表1 1 电动汽车仿真软件的基本情况表8 表1 2 电动汽车仿真软件的功能分析表8 表4 1 驾驶员模糊控制规则4 2 表4 2 减速度的隶属度函数表4 4 表4 3 速度偏差的隶属度函数表4 4 表5 1 发动机外特性拟合系数5 4 表5 2 发动机万有特性曲面拟合系数5 5 表5 3 整车参数5 8 表5 4 仿真结果5 9 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴王些盔堂 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。 签字日期：卜幻年乃月fz 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罡王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金目巴王些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 彬嗣芗 导师签名： 签字日期：7 年万月2 日签字日期：。辟3 - - n 耻日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： ：，吵7 字旧登a 掣不 作汐 史f 位学 致谢 本论文是在我尊敬的导师一一钱立军教授的悉心指导下完成的，在此论文 完成之际，对他在我的研究生学习阶段给予的学习和生活上的关心和帮助表示 我衷心的感谢。在我的整个研究生学习期间，钱老师在学习上对我严格要求， 不断督促我的进步，对我的个性的缺点及时指正，帮助我成长。我从导师这里 不仅学到了丰富的科学知识，更重要的是学到了一份锲而不舍的钻研精神、一 份对事业对生活的态度，所有这些都将是我人生路上的宝贵财富。对此，我再 一次向钱老师表示诚挚的谢意。 在课题研究和软件学习过程中，得到刘关铎、余武铉、徐飞、葛雄飞等硕 士研究生的帮助，对课题的完成起到了积极作用，在此深表感谢。 同时要感谢4 1 7 实验室的所有同学在我的论文完成期间所给予的支持与鼓 励。 最后，感谢我的家人们对我精神上和物质上的支持。他们的支持和鼓励使 我前进动力的源泉 作者：陈志鹏 2 0 0 8 年4 月 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题是环境污染和石油资源 匮乏，环保和节能是2 1 世纪汽车技术的一个重要发展方向。为了保证汽车工业 能够维持长期稳定发展，必须寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，因此世界 上许多著名的汽车制造厂商都在大力开发节能汽车。由于汽车排放的二氧化碳 对气候有很大的影响，减少燃油消耗量有助于减少二氧化碳的排放量，利于防 止气候暖化现象；除此之外，由于汽车排放物中还含有氮氧化合物、一氧化碳、 未燃碳氢化合物和颗粒排放物等有害物质，对人类的生态环境产生不利的影响， 降低汽车有害排放物已成为迫在眉睫的问题，为此各国的排放法规日趋严格， 新的法律法规不断出台。 纯电动汽车用蓄电池作为动力源驱动，使用中可以提供高能量功效，允许 多样化的能源，使负载和动力均等化以及实现零排放等优点，但目前电动汽车 存在的缺点影响纯电动汽车的商品化，其较短的行使距离与较高的生产成本以 及由于电池的能量密度不够高以及其他方面都还未达到实用化程度。混合动力 汽车是普通发动机和电动机的结合，是在实现纯电动汽车之前的一个中间解决 方法。混合动力汽车可以将纯电动汽车的行驶距离增加2 - 4 倍，并且提供快速 的补给燃料。油电混合动力汽车只需要对普通汽车能源供应下部结构做一点改 变就可以了。与纯电动汽车和传统内燃机汽车相比较而言，以内燃机和电机为 动力源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 ，简称h e v ) 具有高性能、 低油耗、低排放和续驶里程长的特点等方面的综合优势。它继承了电动汽车低 排放的优点，又发扬了石油燃料比能量和比功率高的长处，显著改善了传统内 燃机汽车的排放和燃油经济性。鉴于此，许多国家和汽车生产厂家将混合动力 系统作为减少燃油消耗和降低排放的首选技术，而且混合动力汽车技术在许多 方面取得了很大进展，国外开发了许多成熟的混合动力汽车车型，并有部分车 型已经进入批量生产以及投放欧美和日本市场。实践表明，混合动力系统可以 满足2 1 世纪初减少燃油消耗和降低排放的目标要求。因此，我国也将该领域的 研究列入了“十五”、“国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 和“科技奥 运、人文奥运和绿色奥运”的重点课题乜3 】【们。 1 2 混合动力汽车国内外的发展概况 作为一项新的技术，9 0 年代初以来，混合动力电动汽车的开发得到了美、 日及西欧等许多发达国家的高度重视，并已取得了一些重大的成果和进展。下 面具体介绍一下当前世界各国研制混合动力汽车的技术发展状况 1 2 1 国外发展概况 ( 1 ) 美国 9 0 年代开始，美国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。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 n g 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 n g v 计划4 个重点领域之 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( h e v ) 项目，出资2 5 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 公司签订了总额达3 6 1 亿美元的混合动力电动汽车系统开发合同。随着p n g v 计划的实施，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。 2 0 0 5 年通用汽车公司和戴姆勒一克莱斯勒公司表示，双方将合作开发油电 混合动力车。根据双方达成的协议，通用汽车公司主要负责为后驱、四驱卡车 和运动多功能车( s u v ) 以及前驱轿车设计开发混合动力引擎，戴一克公司则主要 负责为后驱豪华型轿车设计混合动力引擎。通用汽车公司副总裁汤姆斯蒂芬 斯在一份声明中表示，研制开发的新型混合动力引擎将首先用于通用旗下的雪 佛兰t a h o e 和吉姆希y u k o n 两款车型，以及戴一克公司生产的道奇d u r a g o n 运 动多功能车上。戴姆勒展出的$ 4 0 0b l u e h y b r i d 混合动力车型，宣布将在2 0 0 9 年实现量产。 通用汽车公司同时致力于串联式和并联式混合动力汽车的研制。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 i 型4 座混合动力 电动汽车。雪佛兰v o l t 于2 0 0 7 年1 月在底特律国际车展上亮相。汽车动力全 部由锂电池提供，车上搭载的一部一升三缸涡轮增压发动机并不为汽车提供动 力，只负责在行进中为锂电池充电。此外，车主还可以通过家里的电源插头为 电池充电。锂电池一次充电可以行使40 英里。通用汽车第二代混合动力系统 基于原有的轻度混合动力技术。该混合动力系统目前已经在土星v u e 、土星a u r a 以及雪佛兰m a li b u 等通用汽车旗下明星车型上得到了应用，并获得了业界和消 费者的充分认可。 福特汽车公司在2 0 0 0 年北美国际车展上推出了其开发的p r o d ig y 混合动力 家庭概念车，该车采用福特p 2 0 0 0 l s r 混合动力系统、1 2 l 4 缸柴油发动机和镍 金属复合电池，整车质量仅1 0 8 3 k g ，比当前的家用轿车轻约4 5 0 k g 。百公里油 耗仅3 3 l 。在2 0 0 1 年北美国际车展上，福特又推出爱仕( e s c a p e ) 混合动力s u v 概念车，获得广泛关注。1 9 9 8 年1 月，克莱斯勒汽车公司宣布开发出道奇无畏 2 e s x 2 串联式混合动力电动汽车。2 0 0 7 年7 月，福特联手拥有美国最大最先进的 电动汽车车队的电力公司爱迪生国际，共同探索普及插电式混合动力车、减少 燃油气体排放以及提高国家电网成本效益的新方法。 ( 2 ) 日本 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。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型微型轿车。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。日产已经宣布选定位于美国田纳西州的工厂作为混合动力车的生产 工厂，计划2 0 0 7 年销售5 万辆a l t i m a 混合动力车在美国洛杉矶车展上，日 产也隆重展出了这款2 5 升排量的四缸油电混合型轿车根据日产汽车的混合 动力汽车计划，日产将开发一款百公里耗油3 升的汽车，并于2 0 1 0 年左右推出 一款混合动力车。同时，r 产还宣布成立一家新的子公司，负责为该车使用的 锂离子电池进行开发、生产和推广。 本田公司开发的i n s i g h t 混合动力汽车于2 0 0 0 年1 0 月上市，是发动机主 动型混合动力系统，由一个三缸发动机( 5 0 k w ，5 7 0 0 r m i n ) 和一个永磁同步电动 机( 1 0 k w ，3 0 0 0 r m i n ) 共同驱动。i n s i g h t 是燃油效率最高的混合动力汽车，燃 油经济性为2 6 3 0 k m l 。本田技研将在数年内，至少再推出三款全新的油电混 合动力市售新车，目前在北美汽车市场仅有包括i n s i g h t 、雅阁h y b i r d 与思域 h y b r i d 等油电混合动力车款。 值得瞩目的是丰田公司开发的p r i u s 型5 座并联式混合动力电动汽车。 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，据估 计1 9 9 8 年在日本国内销售达1 2 0 0 0 辆。p r i u s 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，创造性地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。自1 9 9 7 年在日 本上市以及2 0 0 0 年登陆北美、欧洲等海外市场以来，普锐斯混合动力车在全球 共售出7 5 7 3 万辆，占丰田混合动力车总销量的七成以上。在2 0 0 7 年五月宣布 h y b r i d 诞生十年总计销售i 0 0 万辆的同时，t o y o t a 更要扩大展开h y b r i d 的研 发生产计划，预计包含h y b r i d 专用车在内，总计有1 5 款左右搭载h y b r i d 系统 的产品会在2 0 10 年前后诞生，且原厂的目标为年销售1 0 0 万辆以上，如果以目 前年产量9 2 4 万辆的比例，每十辆新车就有一辆是具备h y b r i d 系统，因此除了 t o y o t a 品牌，l e x u s 也在现有或未来新车款阵容中追加h y b r i d 车款。 车名 u “。”“。_ - ”“- * p _ “h h c r o w n 1 p h 盯d s i 专用房车 i_*_1_-_h_-_h_h_-_-_h_h_ n o l k v o x y s u p r 垢继车 r v 4 厂丽磊”厂磊磊 卜2 0 0 8 生i z z 丁厂i “磊一百i r 1 二藩i 厂i ) 磊i i 卜磊厂石i i 一 厂i 厂i i 厂i - 而r 厂i 厂i i i 一 厂i 厂i 磊i 一 厂= _ 厂i 厂五菥赢_ r p r i u s 衍q = m i = ”r 一i ：_ t _ 磊i z j i 厂i 一厂i 厂石面磊一 厂一i = 厂i 厂i i i 一 厂i 磊- 一厂i 厂磊磊i 一 厂ii 一厂二_ 厂i 磊i 一 图l 一1 丰田公司未来新车款阵容中追加h y b r i d 车款 ( 3 ) 欧洲 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已在法国接受了 1 0 0 0 0 k m 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 车已经向公众展出。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 上时由汽油发动机驱动，同时可为电瓶充电，最大时速达1 4 2 k m ；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 m 。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。2 0 0 7 年法兰克福车展，我们也开始发现混合动 力技术在欧洲厂家上的关注度越来越高。奔驰f 7 0 0 、m l 4 5 0 混合动力车以及混 合动力版本的s m a r t 、欧宝c o r s a 混合动力车、标致3 0 8 混合动力h d i 概念车 等最新混合动力车型纷纷亮相。此外，奔驰首次展示的混合动力版本的s m a r t 确定将在今年底投入欧洲市场，这可能是欧洲厂家推出的市场化混合动力的第 4 一款车型。 1 2 2 国内研究发展概况 国内从7 0 年代开始进行电动车研究，研究工作时断时续。1 9 9 2 年电动车 第一次列入国家重大科技攻关项目。国家科委、计委、国防科工委及经贸委等 对电动车及与之配套的关键技术攻关进行了重点资助。1 9 9 6 年，国家科委把电 动车列入“九五国家重大产业工程项目。 ( 1 ) 国内部分混合动力客车项目 一汽的混合动力研究始自“十五 期间。2 0 0 2 年，一汽向国家8 6 3 计划申 报了“混合动力客车”和“混合动力轿车 项目。一汽混合动力客车装配一汽 大柴全电控欧i i i 发动机和自主开发的机械式自动变速器，通过车载网络系统协 调各总成的工作，实现了纯电动起步、发动机起停、纯电动驱动、混合驱动、 发动机单独驱动、再生制动等各种工作模式。在城市工况下，该混合动力客车 可比传统客车节油3 8 ，温室气体排放降低3 0 ，具有欧排放标准的潜能。该 项目在整车集成技术、整车控制技术、电机和电池关键部件及整车试验能力方 面取得了重大突破，获得了1 0 余项国家专利。目前，一汽混合动力客车正在长 春的两条公交线路进行示范运营，并将在威海市进行示范运行 东风混合动力城市公交车采用了自主开发的1 1 米电动城市客车专用底盘， 装载康明斯电控柴油发动机、风冷式开关磁阻电机和高性能镍氢电池，用户在 使用中不需外接电源进行充电。该车尾气排放可满足欧i i i 标准，与燃油客车相 比，可减少温室气体排放3 0 ，降低油耗3 0 。东风汽车公司的电动汽车研发始 于“八五期间，通过与多家科研院所合作，先后研制开发出中国第一辆具有 自主知识产权的燃料电池电动客车、第一辆纯电动轿车概念车、纯电动客车和 混合动力公交车。2 0 0 1 年成立东风电动车公司。东风汽车公司自主研发的1 2 辆混合动力电动公交车，已投入武汉5 9 9 路专线运营。这条全长2 5 公里的公交 专线是国内首条绿色公交专线 中通生产的混合动力客车利用了清华大学、北京理工大学等院校的研究成 果，匹配优化了动力电池、电机及其控制器、低排放发动机、整车控制器等核 心部件。该车因采用混合动力电传驱动、制动能量回收、自动变速、c a n 网络 自动控制技术，实现了“纯电动模式、混合动力模式 运行，提高了能源利用 率和整车的舒适性。经过专家论证，此混合电动客车在匹配方面获得较大突破， 性能稳定，节油在3 0 以上。目前，该项目已被列为山东省“十一五重大专 项，计划投资1 8 6 亿元进行电动客车产品研发、生产工艺改造、产品研发和市 场推广应用。预计中通将投入2 0 辆电动客车，在济南、青岛、威海、烟台等城 市进行试运行。 r 在2 0 0 6 年北京城市车辆展示会亮相的福田欧v1 1 米混合动力客车，采用 美国伊顿混合动力传动系统，整个开发工作在福田欧v 技术中心和美国伊顿公 司研发中心同时进行。欧v 混合动力客车保留了传统客车的传动方式，整车结 构变化小，使司机易懂、操作方便；柴油机和电动机采用并联方式，能量转换 效率较高，较之传统客车可省油2 5 ，加速时间可缩短2 5 ，排放可达到欧i i i 标 准，并具备满足欧标准的潜力。此外，该车配套电池采用进口锂离子电池， 重量轻、污染少、寿命长，使用期内不用更换。2 0 0 7 年1 0 月1 2 号广州一汽巴 士采购的3 0 辆此型客车将于2 0 0 8 年1 月初在广州正式投入运营 ( 2 ) 国内部分混合动力轿车项目 2 0 0 7 年1 2 月1 3 日，长安汽车集团在重庆举办了以“节能中国科技长安 为主题的混合动力轿车杰勋下线仪式。长安杰勋h e v 完整解决了中度混合技术 方案中有关整车控制、动力控制、电源控制、电池控制的技术难题，在技术集 成上有了突破性的创新；除了传统汽车所具备的功能，优秀地实现了怠速起停、 动能助力、制动能量回收等三大混动的标志性功能；更为突出的是在此基础上， 长安杰勋h e v 还将“i t s 主动安全预警系统”在整车上进行了完美的集成，大 大提升了产品安全性能。 2 0 0 7 年1 0 月吉利汽车宣布，未来五年内，吉利将开发五款混合动力车， 其中包括轻度混合动力电动汽车、弱混合动力电动汽车、中度混合动力电动汽 车、f c i c 全混合动力电动汽车，双电机和双行星排动力总成全混合动力汽车。 据介绍，轻度混合动力电动汽车是基于目前上海华普的s a m 7 1 5 1 车型，采用一 种快速启动电机系统，实现超轻度混合动力电动汽车功能。该快速启动电机系 统与传统车启动电机相比能够输出更大的功率和产生更高的转速。弱混合动力 电动汽车是目前吉利正在开发的一款4 2 v 低电压并联i s g 轻度混合动力系统电 动汽车，是国内第一款采用超级电容的混合动力系统电动汽车。中度混合动力 电动汽车将在吉利金刚原型车的基础上开发，届时中度混合动力版的金刚可以 实现纯电动功能。f c i c 混合动力电动车会在吉利目前开发的中高级轿车平台 上产生，目前正处于研发当中，这将是一款中级轿车，整车质量约为1 3 3 0 k g ， 是一款可以产业化的混合动力汽车。 奇瑞汽车是中国国内最早启动混合动力车研发项目的企业之一。早在1 9 9 9 年，奇瑞就开始了对清洁能源汽车的混合动力轿车、纯电动轿车以及替代燃料 汽车的研发与探索，进行了相关的开发与实验，并于2 0 0 1 年成立了奇瑞清洁能 源项目组。次年奇瑞联合合肥工业大学、华中科技大学等8 家单位申请并承担 “十五”8 6 3 计划中的“奇瑞混合动力轿车 课题，且顺利通过了科技部8 6 3 计划能源技术领域办公室和8 6 3 计划电动汽车总体专家组的联合验收，0 7 年1 0 月，搭载奇瑞a 5 的i s g 车在安徽芜湖下线，投入到2 4 小时出租车整车试验。 目前，奇瑞i s g 和b s g 技术已申请了1 4 4 项专利。搭载于奇瑞a 5 的i s g 车混 合动力系统由“1 3 l 汽油机+ 5 速手动变速器+ l o k w 电机+ 1 4 4 v 镍氢电 6 池 组成，电机采用永磁同步电机并带有电机控制系统、逆变器以及d c d c 转 换器。发动机采用奇瑞公司开发的双可变正时气门技术( d o u b l ev v t ) ，并通过 d o u b l ev v t 技术以实现m i l l e r 循环，大幅改善了整车燃油经济性，并显著 降低排放。测试数据显示，与同排量车相比，b s g a 5 轿车的城市工况可提升 1 0 一1 5 左右，二氧化碳的排放量减少1 2 左右；i s g a 5 轿车的城市工况可提升 2 5 一3 0 ，二氧化碳的排放量减少1 2 左右。 从当前国内外的混合动力汽车研究开发现状来看，我国尚与国际先进水平 有较大的差距。为了掌握2 1 世纪汽车工业发展的主动权，我们应抓住当前混合 动力汽车发展的契机，研究与开发混合动力汽车，以缩小与国际先进水平的差 距。 1 2 3 各国政府对混合动力车的优惠政策 美国：政府为了鼓励消费者购买环保节能产品，给以一定的税收优惠，如普 锐斯在美国可获得联邦税务局税收3 0 0 0 到5 0 0 0 美元的补贴。 英国：对一辆混合动力车进入伦敦市区，将免收5 英镑进入市区的费用， 可见，英国政策对新能源汽车的支持是非常大的。 日本：1 9 9 7 年丰田公司开始销售混合动力汽车，每台汽车6 0 万日元，买 一台车政府给予消费者2 0 万日元补贴。油价上涨到7 0 美元后，混合动力汽车 的优势开始显现。 法国：政府给予每一辆电动混合汽车1 5 万法郎的补贴，其中1 万法郎给 制造厂，50 0 0 法郎( 含税) 给购买电动汽车的私人或公司企业( 地方行政机关和 其团体除外) ： 对于购置电动混合汽车的地方机构和地方团体，由环境保护和 能源控制署补助80 0 0 法国法郎( 不含税) 。 1 3 电动汽车的仿真技术 国外早在上世纪七十年代，美国、日本、英国和法国等国家都研制出多种 电动汽车仿真软件，它们中大多数软件由于功能单一，仿真效果差，已经被淘 汰。本文将近十年内主要的电动汽车仿真软件的基本情况介绍与对比如下( 见 表卜2 和表卜3 ，其中空白栏表示资料不全。在表1 - 3 的车型栏中，c v 表示传 统内燃机汽车，e v 表示纯电动汽车，h e v 表示混合动力汽车，s h e v 表示串联混 合动力汽车，p h e v 表示并联混合动力汽车，f c v 表示燃料电池汽车) ，这些软件 除香港大学研制的e v s i m 外，其它都是美国的大学、研究机构和公司研制的软 件。目前国内已经有少数大学和研究机构在进行电动汽车仿真的研究，但是没 有成熟的软件产品出现。随着我国“十五 电动汽车重大专项的启动，我国 在这一领域的研究将开始起步。 表l l 电动汽车仿真软件的基本情况表 软件名称开发单位系统平台开发软件年代 s i m p l e v3 0 ( a i d a h o 国家工程 s i m p l ee l e c t r i cv e h i c l e 实验室 d o s q b a s i c 1 9 9 5 s i m u l a t i o np r o g r a m ) a e r o v i r o n m e n t a p p l e 1 9 9 5 c a r s i m2 5 4 公司 m a c h i n t o s h h v e c ( ah y b r i d l a w r e n c e v e h i c l ee v a l u a t i o nl i v e r m o r e 国家1 9 9 5 c o d e )实验室 c o l o r a d o 矿业学 c s mh e vw i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k1 9 9 6 校 v - e l p h ( v e r s a t i l e e l e c t r i c a l l y p e a k i n g t e x a s a & m 大学w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k1 9 9 7 h y b r i d ) a r g o n n e 国家实 i b mp cp l 1m a r v e l 验室 可再生能源实验 a d v i s o r2 0 0 2w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 2 室 a r g o n n e 国家实 p s a t5 1 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 验室 o p a l r t 技术公 h e v s i m w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k 2 0 0 3 司 e v s i m 香港大学 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 2 表l 一2电动汽车仿真软件的功能分析表 开放性和通g u i 界仿真 软件名称 仿真车型功能特色 用性面效果 可定义部件模型的 s i m p l e v c v , e v , s ( p ) h e v在源代码中交互式 参数，选择道路循 3 0 环，以图表的形式报 修改控制方菜单界好 汽车、客车和货车法很困难。面。 告仿真结果。 c a r s i m 与s i m p l e v 相似 2 5 4 设计了燃料电池、飞 轮、氢燃料和压缩天结构固定，柔菜单界 h v e c e s h e v 然气等上面软件不性差。面 具有的模型。 具有上面软件不具易于改变模 c s mh e vh e v 友好 差 有的参数分析功能。型结构。 易于改变车辆的配易于改变部 置；可视化的模型；件、燃料和控 v - e i p he s h e p h e v 模型之间采用标准 制方法的类 的数据流通讯。型。 具有精确的电池模 m a r v e l c e 杉h e v 型和优化设计功能。 8 c v , e v , s ( p ) h e v , 模型较完善，功能易于改变模 a d v i s o r f c v 2 0 0 2 多，采用后向仿真算型和控制方友好好 汽车、客车和货车 法。法 c v , ev s ( p ) h ev 模型较完善，功能 f c v 多，采用前向仿真算 易于改变模 p s a t5 1 型和控制方友好 好 法。具有实时仿真和 汽车、客车和货车 快速原型功能。 法 具有实时仿真和快对软、硬件具 h e v s i mh e v 速原型功能，虚拟现有开放和可好 实的模型设计方式。扩展的结构 综合了软、硬件的可 视化环境，具有设计 交互式 e v s i m 汽车、客车和货车菜单界 和优化功能，智能虚 拟现实系统。 面。 以上十种软件中，影响力最大和最具代表性的软件是由美国能源部组织， 联合美国国内多家汽车制造商、大学和研究机构研制的电动汽车仿真软件 a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) 。它是目前在世界范围内用户数量最 多，功能较完善和开放源程序的软件。 1 4 本课题研究的主要内容 课题来源于“奇瑞m 1 混合动力轿车整车产品开发和产业化 实现混合动 力系统平台移植整车性能分析，并行控制策略整车集成与测试。基于以上考虑， 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 首先根据设计目标的需求分析与对仿真方法的研究，基于模糊控制建 立驾驶员输入模型，通过现代控制理论，使其能适应电动汽车的操作要求。 ( 2 ) 在现有的电动汽车仿真软件a d v i s o r 上进行模型的修改设计，建立混合 动力系统性能仿真的模型。 ( 3 ) 根据所制定的控制策略，搭建整车控制策略模型，在完成对混合动力 系统参数选取后，对h e v 的匹配仿真结果进行分析。 9 第二章混合动力汽车的结构与控制策略分析 2 1 混合动力汽车动力传动系的基本结构 混合动力电动汽车有不同的结构形式，根据动力传动系的机械连接结构进 行分类，最主要的分类依据是判断内燃机是否与驱动轮由机械连接