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摘要 混合动力汽车驱动协调控制研究 摘要 混合动力汽车逐渐成为汽车发展的趋势，并已经在在市场上取得了突破性 的成功。本文以基于后轮轮毂电机驱动的四轮驱动混合动力汽车为研究平台， 对混合动力汽车的驱动协调控制展开深入研究。 混合动力汽车整车控制的本质就是对不同能量源和动力元件进行协调控 制。本文重点研究了混合动力系统能量管理策略中的驱动力分配协调控制和混 合动力汽车的驱动动力学协调控制两方面内容。 首先，本文建立了面向混合动力汽车能量管理策略开发的混合动力系统准 动态前向仿真模型，模型着重于分析混合动力系统的能耗和效率特性。该模型 的建立为研究能量管理策略中的驱动力分配控制提供了基础。 文中对整车控制系统进行面向控制对象的功能分解和综合，构建了具有模 式控制层、协调控制层和零部件控制层三个层次的分层模块化的整车控制系统。 以功率法确定了自动变速箱的最佳燃油经济性换档规律，在此基础上将驱动力 全局优化模型转化为驱动力分配瞬时优化模型，然后结合前面建立的混合动力 系统准动态前向仿真模型迭代求解。针对中国城市发展速度快，城市循环工况 变化大的特点，提出了对行驶循环工况模糊自适应的能量管理策略。该行驶循 环工况模糊自适应的能量管理策略根据汽车行驶过程中蓄电池s o c 相关信息的 统计量，动态调整驱动力分配系数等关键参数，在行驶循环工况改变的情况下 仍然能够有效的将蓄电池s o c 控制在最佳工作区域附近。 从驱动动力学协调控制研究的角度出发，建立了前后驱动系统的动态模型。 该动态模型能反映出驱动系统在转矩、转速等状态变量发生剧烈变化时系统的 瞬态特性，并且能够很好的仿真系统在自动变速箱换档这一非连续过程中的动 力学特性。该模型的建立为混合汽车驱动力动力学协调控制研究以及相关的驱 动系统动态特性研究提供了基础。 提出了对过渡过程分动力介入阶段和动力退出阶段两个阶段控制的思想。 摘要 在动力介入阶段，系统的纵向冲击主要来自于自动变速箱的接档冲击。由于自 动变速箱接档过程是一非连续的动力学过程，其动力学特点复杂而无法以简单 的线性模型表述。因此，提出了将前驱动系统的接档冲击作为对整车系统的扰 动来控制的思想，采用儿鲁棒控制方法进行动力介入阶段的动力学协调控制。 仿真结果显示，日。鲁棒控制器不仅能很好抑制整车的纵向冲击，而且对系统参 数的变化具有较好的鲁棒性。 针对电子节气门发动机液力变矩器系统的强非线性特点，提出了 以回归神经网络对该动态系统进行辨识，然后以辨识所得的系统神经网络模型 ( s n n ) 构成前馈控制器，对系统的动力退出阶段进行前馈动力学控制的方法。 从仿真结果来看，s n n 能够较准确的辨识该非线性系统，并具有一定的泛化能 力，s n n 构成的前馈控制器能够大幅度减小混合动力汽车过渡过程的动力退出 阶段的纵向冲击。 最后，在样车上对整车控制策略进行了调试和道路试验。道路试验过程中 车速变化平稳，乘员无明显冲击感。道路试验的结果表明，所设开发的混合动 力系统控制策略良好实现了预期功能。 关键词：混合动力汽车驱动协调控制过渡工况优化行驶循环模糊自适应 日。鲁棒控制回归神经网络 i i 摘要 a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f f u t u r ev e h i c l e s a n dg r e a tb r e a k t h r o u g h sh a v et a k e np l a c ei nt h i sf i e l do nt h em a r k e t b a s e do nt h ep l a t f o r mo ft h e4 w dh e v 、i t ht h er e a l w h e e l sd r i v e nb yo n - w h e e l m o t o r s ，t h ed r i v i n gc o o r d i n a t ec o n t r o lo ft h eh e v i si n t e n s i v e l yr e s e a r c h e di n t h i s s t u d y t h ee s s e n c eo ft h ew h o l ev e h i c l ec o n t r o lf o rt h eh e vi st h ec o o r d i n a t ec o n t r o l o nd i f f e r e n te n e r g ys o u r c e sa n dp o w e re l e m e n t s t h e r ew e r et w oa s p e c t sm a i n l y s t u d i e di nt h i st h e s i s o n ew a st h ed i s t r i b u t i o na n dc o o r d i n a t ec o n t r o lo fd r i v i n gf o r c e i nt h ef i e l do fe n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yo fh y b r i dp o w e r t r a i n t h eo t h e rw a st h e c o o r d i n a t ec o n t r o lo ft h ed r i v i n gd y n a m i c sf o rt h eh e v f i r s t l y , aq u a s i - d y n a m i cf o r w a r ds i m u l a t i o nm o d e lo fh y b r i dp o w e r t r a i nw a s b u i l ti nt h et h e s i s t h i sm o d e lw a so r i e n t e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h e e n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g yf o rt h eh e v i tw a su s e df o rt h ea n a l y s i so ft h ee n e r g yc o n s u m e a n dt h ee f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c s i tw a sa l s ot h eb a s i co ft h er e s e a r c ho nt h ed r i v i n g f o r c ed i s t r i b u t i o nc o n t r o li nt h ee n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y f u n c t i o na n a l y s i sa n ds y n t h e s i so r i e n t e dt ot h ec o n t r o l l e do b j e c t sw a sm a d eo n t h ew h o l ev e h i c l ec o n t r o ls y s t e m t h ew h o l ev e h i c l ec o n t r o ls y s t e mw a sm o d u l a r i z e d t ot h r e el e v e l s t h e y 、v e r em o d ec o n t r o ll e v e l ，c o o r d i n a t ec o n t r o ll e v e la n d c o m p o n e n t sc o n t r o ll e v e l t h eb e s tf u e le c o n o m i cs h i f t i n gr u l eo ft h et r a n s m i s s i o n w a se s t a b l i s h e db yw a yo f “p o w e rm e t h o d ”a c c o r d i n gt ot h i sr u l et h eg l o b a l o p t i m i z a t i o nm o d e l o ft h ed r i v i n gf o r c ew a st r a n s f o r m e dt ot h et r a n s i e n to p t i m i z a t i o n m o d e lo ft h ed r i v i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n t h e ni t e r a t i v ec o m p u t i n gw a sr u nc o m b i n e d w i t ht h eq u a s i d y n a m i cf o r w a r ds i m u l a t i o nm o d e lf o r m e r l yb u i l t s i n c et h ec i t yc y c l e c o n d i t i o ni nc h i n ac h a n g e sr a p i d l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t i e s ，as p e c i a l e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yw a sp r o p o s e d ，w h i c hw a sf u z z ya d a p t i v et od i f f e r e n t d r i v i n gc y c l e s t h i ss t r a t e g ya d j u s t e dd y n a m i c a l l ys o m ek e yp a r a m e t e r s ，s u c ha st h e i i i 摘要 d r i v i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n t t h i sa d ju s tw a si nt h el i g h tw i t hr e l a t e d s t a t i s t i c sf r o mt h eb a t t e r ys o c d u r i n gt h er u n n i n gp r o c e s so fv e h i c l e s s ot h eb a t t e r y s o cc a nb ec o n t r o l l e dw i t h i nt h eb e s tw o r k i n ga r e au n d e rd i f f e r e n td r i v i n gc y c l e s i nt e r mo ft h ed r i v i n gd y n a m i c sc o o r d i n a t ec o n t r o l ；ad y n a m i cm o d e lo ff r o n t a n dr e a l d r i v i n gs y s t e mw a sb u i l t t h i sm o d e lc a nr e f l e c tt h et r a n s i e n ts y s t e m c h a r a c t e r i s t i c sw h e ns o m es t a t ev a r i a b l e s ，s u c ha st h et o r q u ea n dt h er o t a t es p e e d ， c h a n g ea c u t e l y i ta l s oc a ns i m u l a t et h es y s t e md y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gt h e d i s c o n t i n u o u sp r o c e s sw h e ns h i f t i n go c c u r s o nt h ew h o l e ，t h i sm o d e ls e t su pt h e f o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho fd r i v i n gd y n a m i c sc o o r d i n a t ec o n t r o la n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v i n gs y s t e m t h et r a n s i e n tp r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t ot w op h a s e st oc o n t r o l ，w h i c ha r et h e p o w e ri n t e r v e n t i o np h a s ea n dt h ep o w e re x i tp h a s e i nt h ep o w e ri n t e r v e n t i o np h a s e ， t h e s y s t e ml o n g i t u d i n a li m p a c tc o m e sf r o mt h ee n g a g e m e n ti m p a c to ft h e t r a n s m i s s i o n d u r i n gs h i f t i n g s i n c et h ee n g a g e m e n to ft h et r a n s m i s s i o ni s a d i s c o n t i n u o u sp r o c e s s ，i t sd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c si s c o m p l e xa n dc a nh a r d l yb e d e s c r i b e db yl i n e a rm o d e l h e r et h ee n g a g e m e n ti m p a c to ft h ef r o n td r i v i n gs y s t e m w a sc o n s i d e r e da st h ed i s t u r b a n c eo ft h ew h o l ev e h i c l es y s t e m t h e h 。r o b u s t c o n t r o lw a sa d o p t e df o rt h ed y n a m i c sc o o r d i n a t ec o n t r o li nt h ep o w e ri n t e r v e n t i o n p h a s e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh 。r o b u s tc o n t r o lc a nr e s t r a i nt h ev e h i c l e l o n g i t u d i n a li m p a c ta n di sr o b u s tt ot h ec h a n g eo ft h es y s t e mv a r i a b l e s c o n s i d e r i n gt h es t r o n gn o n l i n e a rf e a t u r eo ft h es y s t e mc o m p o s e do ft h e e l e c t r o n i c t h r o r l e ，e n g i n ea n dh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r , t h er e c u r r e n tn e u r a l n e t w o r kw a sa p p l i e dt oi d e n t i f yt h ed y n a m i cs y s t e m t h e nt h ei d e n t i f i e ds n n c o n s t i t u t e dt h ef e e df o r w a r dc o n t r o lt oo p e r a t et h ef e e df o r w a r dd y n a m i c sc o n t r o li n t h ep o w e re x i tp h a s e t h er e s u l t sm a k ec l e a rt h a tt h es n nc a ni d e n t i f yt h i sn o n l i n e a r s y s t e mq u i t ec o r r e c t l ya n d i tt a k e so ns o m ea b i l i t yo f g e n e r a l i z a t i o n t h ef e e df o r w a r d c o n t r o lc o m p o s e do fs n nc a nl a r g e l yd e c r e a s et h el o n g i t u d i n a li m p a c ti nt h ep o w e r e x i tp h a s ed u r i n gt r a n s i e n tp r o c e s s l a s t l y , t h ew h o l ev e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g yw a sd e b u g g e dt h r o u g hr o a dt e s to nt h e p r o t o t y p e i nt h er o a dt e s t ，t h ev e h i c l er u ns m o o t h l ya n dt h ep a s s e n g e r sf e l tn o i v 摘要 o b v i o u si m p a c t t h er o a dt e s tp r o v e dt h a tt h i sc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h eh y b r i ds y s t e m c a nw e l lr e a l i z et h ee x p e c t e df u n c t i o n s k e yw o r d s ：h e v , d r i v i n gc o o r d i n a t ec o n t r o l ，t r a n s i e n tp r o c e s s ，o p t i m i z a t i o n ， f u z z ya d a p t a t i o no fd r i v i n gc y c l e ，h 。r o b u s tc o n t r o l ，r e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k s v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在? 年解密后适用 本授权书。 指导教师躲么勺 瓣7 肿目 歹 始汩 他9 锄 月 签罗 者 u l 作 匀 ? 萨 论 矿 位 7 撇 矿 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 州年 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义与课题的来源 能源与环保是人类发展面临的主要问题，也是世界汽车工业面临的两大核 心问题。 环境问题造成的酸雨、光化学污染、厄尔尼诺现象的等灾害以及世界范围 的能源危机和油价的节节攀升都促使各国家、地区和各大汽车公司致力于研究 开发节能与新能源汽车。以氢为燃料的燃料电池电动汽车是汽车远期发展的目 标。作为向纯电动汽车转型的过渡产品，混合动力汽车是近期、中期汽车发展 的重点。 混合动力汽车装备有两套动力装置：发动机和电动机。混合动力技术本质 上是利用电力驱动来平衡和改善发动机的工况，通过减少发动机怠速工况、调 整发动机工作在高效区以及制动能回收提高燃油经济性、减少污染物排放。混 合动力汽车的最终能量来源依然是发动机对燃油的能量转化，所以它可以利用 既有的加油站或者加气站进行燃料补充，没有基础设施建设的投入问题。它在 续驶里程、动力性等基本性能方面都不亚于甚至超过传统发动机汽车。正因为 此，混合动力汽车得到了迅速的发展。 国外大汽车公司在混合动力汽车研发方面起步早，取得了显著的成果，日 本汽车公司尤其显得突出。上世纪七十年代，受石油危机影响，一些大汽车公 司开始研发电动汽车和混合动力汽车。丰田汽车公司在1 9 7 7 年推出了其第一辆 混合动力原型车t o y o t as p o r t8 0 0 。此后随着世界能源供应形势的好转，混合 动力汽车的开发工作一度波澜不兴，到1 9 9 7 年，丰田公司再度连续推出c o a s t e r 混合动力客车和p r i u s 混合动力轿车两辆商品化样车，其中p r i u s 于2 0 0 0 年开 始投放日本本土、北美和欧盟市场。紧随其后的日本本田汽车公司和日产汽车 公司也于1 9 9 9 年分别推出了c i v i c 和t i n o 混合动力轿车，c i v i c 在本世纪初进 入市场。日本汽车公司以众多的产品遥遥领先，丰田、本田等公司已经决定在 他们下一代主力车型上全方位装备混合动力技术。欧洲、美国公司正在奋起直 追，美国福特公司在推出的翼虎e s c a p e 的基础上，还将推出m a r i n e r 、f u s i o n 、 第1 章绪论 m il a n 、m a z d at r i b u t e 四款混合动力系统；通用、戴克、大众、雪铁龙、雷诺、 宝马、日产、现代、三菱等世界各大汽车公司也在同步开展数十款混合动力汽 车的开发，并即将推向市场。 从全球来看，混合动力汽车的发展已经渡过了量产的起步阶段，进入初期 的快速增长阶段，产量逐年快速递增，总销量所占比重也迅速攀升。2 0 0 4 年全 美注册的新混合动力汽车总数为8 万3 1 5 3 辆，比2 0 0 3 年增加8 1 。2 0 0 4 年， 丰田的混合动力车在全球的销量比2 0 0 3 年提高了2 5 倍，达到1 3 5 万辆；2 0 0 5 年2 月，丰田混合动力车p r i u s 销量甚至上升了1 2 0 。“丰田的下一个目标是， 混合动力车的年销量达到1 0 0 万辆。”0 5 年2 月2 2 日，丰田社长张富士夫在日 本东京如是说。当天，丰田推出了h a r r i e r 和k l u g e r 两款s u v 混合动力车型。 至此，丰田的混合动力车达到了9 个车种。今年预计在全球销售3 0 万辆混合动 力车。可见混合动力汽车正在进入高速增长的快车道。 在中国，近年来汽车业迅猛发展，导致的能源消耗和环境污染问题十分严 峻。2 0 0 0 年全国汽车产量超过2 0 0 万辆，2 0 0 1 年达2 3 7 万辆，2 0 0 2 年超过3 0 0 万辆，到2 0 0 4 年汽车产量超过5 0 0 万辆，居世界第三位n 2 3 。2 0 0 0 年交通领域 所占的石油消耗的比重为2 4 6 ( 5 5 0 9 4 万吨) ，到2 0 1 0 年预计会达到4 3 ( 1 6 8 0 0 万吨) ，到2 0 2 0 年预计达到5 7 ( 2 5 6 0 0 万吨) 。而与之相应的，1 9 9 3 年起，我国成为石油的净输入国，2 0 0 0 年进口石油7 0 0 0 万吨，占总需求量的3 0 ，2 0 0 3 年进口原油9 1 1 2 万吨，成品油2 8 2 4 万吨，同比增长超过3 0 。预计2 0 1 0 年进口石油需求量1 亿5 千万吨，2 0 2 0 年进口石油需求量将达到2 亿2 千万吨 n 一一3 。环境污染方面，机动车尾气污染对大气污染的“贡献”分别为：一氧化 碳6 0 ，氮氧化合物5 0 ，碳氢化合物3 0 。国家环保中心预测，到2 0 1 0 年， 汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 【l 一】。 出于国家可持续发展战略和中国汽车工业发展战略的考量，中国在“十五” 国家8 6 3 计划中设立了“电动汽车重大专项 ，分设混合动力汽车、纯电动汽车 和燃料电池汽车三个主攻方向。在8 6 3 电动汽车重大专项的支持下，我国混合 动力汽车的研究开发取得一定技术突破，但尚未实现产业化。一汽、东风、长 安、奇瑞等汽车集团都已经开发出混合动力汽车样车。国内一些高校，如北京 理工大学、清华大学、上海交通大学、同济大学、华南理工大学等也在进行混 合动力技术的研究工作。 但是与此同时，国外汽车公司也正在加紧在中国推进其混合动力汽车拓展 2 第1 章绪论 战略，抢占中国市场，以保持其在混合动力汽车方面的先行优势。2 0 0 4 年底， 丰田公司宣布将与一汽集团合作在中国生产p r i u s 混合动力汽车。所以国内必 须加快混合动力汽车的研究开发和产业化进程。目前，混合动力汽车仍处于发 展初期，各种标准法规都尚不健全，但是混合动力汽车市场潜力巨大，从现在 起到混合动力汽车全面进入市场是一段黄金时间，抓住这稍纵即逝的有利时机 深入解决混合动力汽车的关键技术问题，使其实用化乃至产业化是摆在我国汽 车工业科技工作者面前的重要课题，对实现我国汽车工业的可持续发展具有重 要的战略意义。 本课题源于上海市科委“混合动力汽车核心技术研究 项目和上海市科教 兴市重大产业科技攻关项目“混合动力汽车系统平台产业化 项目。课题针对 基于后轮轮毂电机驱动的四轮驱动混合动力汽车平台进行研究，对混合动力汽 车关键技术中的能量管理策略中的驱动力分配控制、过渡状态的驱动力动力学 控制等驱动协调控制问题展开深入的研究与分析。 1 。2 国内外研究现状 1 2 1 混合动力汽车开发情况 在对电动汽车的开发遇到技术瓶颈之后，国外的一些大汽车集团开始试图 将传统发动机技术和电驱动技术融合。至今，各大汽车公司均有自己的混合动 力原型样车或者混合动力汽车产品。日本汽车公司在混合动力汽车技术方面占 有领先优势，率先进入市场的也是日本汽车公司的产品。日本三大汽车公司丰 田、本田和日产在2 0 0 0 年前后先后推出了p r i u s ，c i v i c 和t i n o 三款混合动力 轿车。三款车型的参数对比见表1 1 。 表1 1 首批走向市场的日本混合动力轿车技术参数对比哺1 车型 t o y o t a - p r i u s n is s a n - t i n oh o n d a c i v i c 发动机排量1 5 l1 8 l 1 4 l 额定功率5 3 k w 4 5 0 0r p m 7 3 k w 5 2 0 0 r p m6 3 k w 5 7 0 0 r p m 最大扭矩 1 15 n m 4 2 0 0 r p m 1 4 1 n m 4 0 0 0 r p m 118 n m 3 3 0 0 r p m 第l 章绪论 电机类型永磁 三相同步永磁 电机功率 3 3 k w 10 4 0 5 6 0 0 r p m1 7 k w1o k w 4 0 0 0 r p m 电池类型镍氢电池6 a h 锂离子电池3 6 a h镍氢电池6 0a h 电池电压2 7 3 6 v ( 2 2 8 c e i ls 1 2 0 。2 0 0 v ( 4 8 c e l l s x1 4 4 v ( 1 2 0c e l l s x 1 2 v )2 5 - 4 1 v ) 1 2 v ) 长宽高4 3 1 0 x1 6 9 5 x1 4 9 0 m m4 2 7 0 x1 7 6 0 x1 6 1 0 m m 4 4 4 0 x1 7 1 5 x1 4 3 0 m m 整锯重最 1 2 5 4 k g 1 5 0 0k g1 2 4 4 轴距2 5 5 0 m m2 5 3 5 m m2 6 1 9 m m 前轮距 1 4 7 5 7 m m1 5 3 5 m m 1 4 7 l m m j f 焉轮距 1 4 8 0 8 m m 1 5 1 0 m m1 4 7 l m m 最高车速1 6 9 k m h1 6 6 7 k m h1 6 3 k m h 这三款车中，c i v i c 和t i n o 的电机功率与发动机功率相比较都不大，是弱 混合动力汽车；p r i u s 则可以看作是强混合动力汽车。c i v i c 是继承i n s i g h t 技 术的启动发电复用电机( i s g ) 并联式混合动力方案，t i n o 在采用启动发电复 用电机的同时还在c v t 的传动系与发动机之间并联了一个驱动电机，p r i u s 采用 的是行星齿轮功率汇流装置的混联式方案，既有驱动电机也有发电机。三款车 型中，丰用的p r i u s 技术最为完善，取得了巨大的成功。在1 9 9 9 年p r i u s 首度 投放市场之后，丰田公司又接着推出了2 0 0 3p r i u s 和2 0 0 4p r i u s 。每一款都相 比前面有不小的进步( 表1 2 ) 。2 0 0 4p r i u s 驱动电机功率增加到5 0 k w ，从丰田 p r i u s 的发展来看是一个随着技术的成熟和进步，混合程度不断加强的过程。 2 0 0 4p r i h s 在日本城市循环工况】0 1 5 下燃油经济性提升了近一倍，其中怠速关 闭发动机占2 5 ，制动能量回收占2 5 ，改善发动机工况占5 0 h 1 。 表1 2p r i u s 的发展以及与其它类型汽车的效率对比( 北美市场) 1 2 0 0 3 年轿车 19 9 9p r j u s2 0 0 3p r i u s2 0 0 4p r i u s燃料电池 平均水平轿车 燃料开采效率 7 9 7 9 7 9 7 9 5 8 ( 天然 气制氢) 汽车燃油效率18 2 7 3 1 3 7 5 0 综合效率1 4 2 1 2 4 2 9 2 9 4 第1 章绪论 最近，丰田又宣布将在北美生产佳美改型的混合动力轿车，预计2 0 0 6 年投 产。 福特汽车公司正在加紧其混合动力汽车商品化的进程。1 9 9 9 年福特的 p r o d i g y 弱混合动力汽车出现在上海国际汽车展览会上n 羽，该车的显著特点是仅 采用了4 a h 的小镍氢蓄电池，整车整备质量只有1 0 8 3 k g 。p r o d i g y 是i s g 并联 形式的弱混合动力汽车，i s g 功率为8 k w 。2 0 0 4 底，福特将其e s c a p es u v 推向 市场，混联式的e s c a p e 装备有一台2 8 k w 的发电机和一台6 5 k w 的驱动电机，采 用镍氢电池组。2 0 0 5 年福特宣布将于7 月1 1 日开始预售其第二款混合动力汽车 m e r c u r ym a r i n e r 。福特还计划在2 0 0 8 年推出其新车f u s i o n 和m i l a n 的混合动 力版。 通用1 9 9 8 年推出g e n 2s t i r l i n g 混合动力轿车，另一款四轮驱动的混合动 力轿车p r e c e p t 使用了1 3 l 、4 4 k w 的柴油机，并同时在前轮装备了l o k w 的i s g 后轮装备了2 5 k w 的驱动电机。但是与日本公司不同，通用侧重于皮卡、s u v 等 混合动力动力车型的开发。通用的2 0 0 5g m cs i e r r a 并联式混合动力皮卡( p h t ) 装配了一台5 3 升的v o r t e cv - 8 发动机，具有与传统卡车相同的强大动力。通 用汽车还宣布将在2 0 0 7 年末在其最受欢迎的两款全尺寸s u v 一雪佛兰t a h o e 以 及g m cy u k o n 上首次应用混合动力系统。 戴姆勒一克莱斯勒公司的c i t a d e l 为四轮驱动并联式混合动力汽车n 2 1 。 3 5 l 、1 8 9 k w 的前置汽油机驱动后轮，同时前面还有一个5 2 k w 的集中电机驱动 前轮，两套动力系统独立工作，通过路面耦合。此外，戴姆勒一克莱斯勒公司 的皮卡和s u v 同样也有装备混合动力系统的样车，并准备将l i b e r t ys u v 混合 动力汽车推向市场。值得注意的是，为了对抗日本汽车公司在混合动力方面的 巨大优势，2 0 0 4 年1 2 月1 4 日，通用汽车公司与戴姆勒一克莱斯勒汽车公司对 外宣布，双方将在开发混合动力技术领域携手，共同开发混合动力系统平台。 国内自主研发的混合动力汽车尚未走向市场，但是一汽和东风研发的混合 动力轿车和混合动力客车都已经在进行商业化示范运行。重庆长安公司成功开 发了i s g 弱混合动力轿车，并在国内率先开展混合动力专用发动机开发。华南 理工大学的混合动力轿车采用了自主研发的新型的功率汇流机构n 3 一们。吉林工 业大学研究开发了4 w d 轻型越野混合动力汽车。北京客车厂与北京理工大学等 单位合作研制了混合动力公交客车。同济大学开发了前轮发动机+ s s g ，后轮轮 毂电机驱动的地面耦合的混联式混合动力汽车。 第l 章绪论 1 2 2 混合动力汽车技术研究动态 1 2 2 1 概述 经过二十多年的发展，在混合动力汽车的基础理论方面已经比较成熟。华 沙大学的a n t o n is z u m a n o w s k i 详细总结了混合动力汽车的各种结构形式，详细 阐述了混合动力汽车主要零部件的建模方法，并对不同结构形式的混合动力汽 车进行了仿真对比n 副。 从结构形式上混合动力汽车可分为串联式、并联式和混联式三种口j 矗1 钔。串 联式结构中发动机、发电机和电动机三大动力部件串行布置，发动机和路面状 态完全分离，可获得近似电动汽车的特性；串联式混合动力系统控制简单，但 是整个动力系统尺寸、重量都较大，多用于中型、大型客车。并联式结构中发 动机和电动机动力并行输出，均可直接参与驱动车轮；电动机四象限运行，既 可作为驱动电机也可作为发电机：由于两动力元件可同时输出动力，整个动力 系统的尺寸、重量较串联式小，但是控制策略复杂。混联式结构是并联式结构 的延伸，在并联式结构之上再添加一发电机，使系统更加灵活，可获得更好的 性能，但也提高了控制的复杂度。 汽车公司在混合动力汽车开发的方案阶段先根据目标车型、性能要求、公 司的技术优势、合作伙伴及零配件供货体系等各方面综合考虑确定要开发的混 合动力的结构形式和混合程度，随后即开始对整车及动力总成进行优化匹配与 设计n 6 2 2 ，选择和确定各主要动力总成部件的参数，如发动机功率、电机转速范 围和功率、蓄电池类型和容量等。动力总成与整车的匹配适当与否直接影响整 车的性能。 目前，在汽车的开发过程中全面应用虚拟设计的技术手段，以缩短研发周 期、节约资金和人力物力。在混合动力汽车的整车匹配设计以及控制策略的开 放中也大量采用了仿真的手段脚1 们，配合“v - c y c l e 的开发流程，完成从功 能定义一 快速原型一 目标代码生成一 硬件在环仿真一 实车标定、试验这样 一条产品快速开发之路。混合动力汽车仿真建模有一些成熟的软件，如a d v i s o r 等1 ，相当一部分混合动力的仿真研究是在这些成熟的仿真软件上或者是对其 进行扩展后进行的乜r 矧。 1 2 2 2 混合动力汽车协调控制理论研究动态 6 第1 章绪论 混合动力汽车的控制策略是混合动力汽车技术的核心部分。混合动力系统 的控制在本质上是一个对不同能量源和动力元件进行协调控制的问题。串联式 混合动力汽车只有一个动力输出元件，即由电动机驱动汽车，所以它的协调控 制主要是对发动机一发电机组和蓄电池这两个能量源进行能量分配的协调控 制，称为能量管理控制。通常能量管理控制策略以提高汽车的燃油经济性为主 要控制目标。并联式和混联式混合动力汽车较串联式结构更为复杂，它们有两 个动力元件可以并行驱动汽车，因此除了能量管理策略之外，并联式和混联式 混合动力汽车还必须对动力元件进行动力学协调控制，以保证两个动力元件在 耦合工作过程中的驱动动力学性能。能量管理控制和动力学协调控制两者是密 不可分的，它们互相联系、互为补充，统一于整车协调控制策略之中。 在公开发表的文献中对混合动力汽车的协调控制策略的研究主要集中于能 量管理策略上口r 翮1 。串联式混合动力汽车的能量管理策略比较简单，一般采用发 动机恒定工作点能量管理策略啪4 0 1 。这种能量管理策略中发动机将始终恒定的工 作最优的油耗或排放点；功率的调节由电机来完成，而且由于电机的调节灵敏 度比发动机要好，所以其动态性能还可优于传统发动机驱动形式，有近似于电 动车的输出特性。 并联和混联式混合动力汽车的能量管理策略h r 懿1 主要有三类： 专基于规则的逻辑门限能量管理策略n 3 。4 副； 吟基于优化算法的能量管理策略h 7 勘： 睁智能能量管理策略陆r 矧。 1 ) 基于规则的逻辑门限能量管理策略 这种能量管理策略中按照一定的逻辑门限规则通过改变和调节发动机、发 电机、电动机的工作状态，将发动机的工作范围控制在一定的区域内。该区域 为万有特性中最佳的油耗( 排放) 曲线附近区域。基于规则的逻辑f - j 限能量管 理策略很适合用在这种模式切换的控制系统中，结构简单实用性强，很多基于 优化算法的能量管理策略和智能能量管理策略都是以基于规则的逻辑门限能量 管理策略为基础的。 2 ) 基于优化算法的能量管理策略 基于优化算法的能量管理策略有两种，瞬时优化能量管理策略h7 删和全局优 化能量管理策略h 9 的1 。瞬时优化能量管理策略的思想是，对应混合动力车各个特 定的工况点都可以对整个动力系统的当量油耗或效率损失进行优化，以对各个 7 第1 章绪论 状态变量进行动态分配。将电动机的能量损耗转换为发动机的油耗，整个系统 的油耗之和为系统的当量油耗。瞬时优化能量管理策略的目标便是瞬时的当量 油耗最小或者是瞬时效率最高。 瞬时优化并不能导致全局最优。采用全局优化能量管理策略可以实现真正 意义上的最优化。全局优化是依据汽车一定时间内的行驶历程，通过在整个行 驶历程中各个控制状态变量中的寻优，达到对该行驶历程的燃油经济性最佳。 因全局优化是针对特定的路况和行驶循环进行的，由于实际路况的不可知性， 全局最优能量管理策略实际无法做到最优。 3 ) 智能能量管理策略 智能能量管理策略是指采用诸如模糊控制、人工神经网络控制等人工智能 控制技术的能量管理策略陆4 。飞训。它主要依托于从上面一些能量管理策略使用中所 获取的专家知识同时本身可以具备一定的自学习功能。通过对专家知识的综合 以及在仿真或实际运行过程中的自学习，智能控制可以获得与以上控制方法同 样甚至更好的控制效果，同时智能控制还有具有传统控制无法企及的优点，如 鲁棒性强、具有自学习能力等。智能控制正越来越多的应用于混合动力汽车控 制领域。 混合动力汽车动力学协调控制方面研究公开发表的极少，文献 6 1 对混合 动力汽车的协调控制进行了初步的研究。文献 6 1 提出了综合转矩管理策略和 协调控制算法的控制策略，在能量管理策略之外进一步考虑了各动力元件相互 切换时过渡状态的控制问题。 混合动力汽车的制动系统同时存在两种制动方式：再生制动( 又称为回馈 制动) 和摩擦制动( 通常为液压动力) ，故除上述驱动协调控制之外，也存在制 动协调控制问题。通常制动协调控制的目标是在保证制动动力学性能的前提下 使能量回收最大化阳2 副，进一步的，在紧急工况下通过制动动力学协调控制还可 实现制动防抱死的动力学功能。 1 2 2 3 基于轮毂电机驱动的混合动力汽车研究动态 轮毂电机应用于电动汽车的研究在日本开展较早，东京大学于上世纪九十 年代后期开发了“u o te l e c t r i cm a r c h ”系列四轮电动轮驱动的电动汽车，并 进行了一系列研究相1 。采用轮毂电机驱动省略了从减速器到半轴的一系列机械 传动部分，驱动效率显著提升。轮毂电机结构紧凑，便于整车空间布置，利于 8 第1 章绪论 形成平台化的集成动力系统的底盘。由于这些显著的优点，轮毂电机得到了很 大的发展。2 0 0 1 年日本庆应大学开发了八轮轮毂电机驱动的电动大轿车k a z ， 2 0 0 2 年北美汽车展上通用汽车公司推出了四轮轮边驱动底盘一体化线控的概念 车a u t o n o m y ，2 0 0 4 年东京国际汽车展上丰田汽车公