（车辆工程专业论文）混合动力电动汽车多能源动力总成仿真分析与优化.pdf

摘要 摘要 进入2 1 世纪，对传统的内燃机为动力的汽车提出两个重要的问题：全球燃油存储 的限制和因汽车排放导致的不断恶劣的环境污染。混合动力电动汽车( h e v ，h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 是解决上面两个问题比较成功的方法。既能保持电动汽车超低排放 的优点，又能发挥传统内燃机汽车的长处，因此在电池技术瓶颈未被突破的情况下，成 为了2 l 世纪初世界各国汽车界的重要研究课题。 研究混合动力电动汽车，主要是研究车辆的多能源系统，是解决低排放和提高燃油 经济性的重要举措。关键问题是确定其多能源动力总成的硬件配置方案和系统的控制策 略，其中多能源总成的控制问题给驱动系控制工程提出了更高的挑战。 模拟和仿真是评价所设计的新型h e v 传动结构是否达到预定目标的一种方法。正确 调整混合动力电动汽车传动系的主要目的为合理决策发动机的工作特性以及它与能量 存储器间的能量流动。混合动力传动能量流动的最优控制要点在于根据具体的混合动力 传动结构来决定其动态功率分配效率。h e v 通过动力总成总体监控策略，决定车载动力 源的功率流分配并管理储能器中能量储备状态。h e v 的仿真可用于控制策略及系统在典 型循环工况下的性能验证、多能源动力总成的优化匹配等多种目的。 本论文主要内容包括混合动力电动汽车多能源动力总成组成元件建模、制定统一的 可优化的控制策略和建立整车性能仿真模型三部分。文中提出用流变量和势变量来统 对多能源动力总成不同元件的描述，根据威兰氏线性理论建立只与发动机和电机本身特 征参数有关的可缩放的效率特性模型，对能量存储器模型作了理论探讨。本文提出的能 量分配的控制策略以控制油耗最小为目标，将全局变量和全局准则局部优化，建立优化 控制函数，并以充电状态保持型h e v 为例阐述控制策略的具体应用，为了在更大的设计 空间寻优，将控制策略目标函数进一步演绎成相对于h e v 拓扑结构和组件规格尺寸都适 配可调的统模型。再根据车辆动力学原理搭建整车性能仿真平台，仿真平台包括若干 个子模块，可以根据用户需求进行二次开发。实例的仿真分析进一步验证了模型的可行 性和控制策略对能量分配和管理的有效性，以设计一辆米混合动力客车为例，通过 整车模型的仿真分析提出了优化匹配方案，并讨论了多种参数变化给车辆性能带来的影 响。最后与s a e 标准和a d v i s o r 的仿真结果比较分析本论文仿真模型的可行性。 总之，建立可缩放的能量转换器模型和参数化的控制策略约束函数是本论文的研究 重点，开发的h e v 整车仿真模型解决了h e v 多能源系统组件选型、参数优化的问题，并 可进行车辆性能评价以及根据用户要求二次开发。 关键字：混合动力电动汽车；动力总成；仿真；控制策略；匹配优化 a b s t r a c t a b s t r a c t t w oi m p o r t a n ti s s u e sa r ep r o p o s e da b o u tc o n v e n t i o n a lv e h i c l e sp o w e r e d b y i c e ( i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ) w h e ne n t e r i n gi n2 1 “c e n t u r y ：l a c ko fg l o b a l f u e l s t o r a g ea n db a d l ye n v i r o n m e n tp o l l u t i o nb yv e h i c l ee m i s s i o n s o n eo ft h e b e t t e rm e a n st os o l v et h ea b o v ep r o b l e m si sd e v e l o p i n gh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i tc a nn o to n l yk e e pt h eu l t r a l o we m i s s i o n sa d v a n t a g e so fp u r ee 1 e c t r i c v e h i c l e s ，b u ta l s ot a k et h ef u l lu s eo fi c eg o o d q u a l i t i e s 。a s a r e s u l t ，s t u d y i n g h e vb e c o m e sas i g n i f i c a n tr e s e a r c hp r o j e c ta tt h eb e g i n n i n go f2 1 8 c e n t u r yo n t h ec o n d i t i o nt h a tb a t t e r yk e yt e c h n i q u e sc a n n o tb ew o r k e do u ti ns h o r tt i m e s t u d y i n gh e vm u l t i p o w e rd r i v e t r a i ni st h em a i nt a s kf o rh e vr e s e a r c h ，w h i c h i sh e l p f u lt od e c r e a s ee m i s s i o n sa n di m p r o v ef u e le c o n o m y t h ek e y p r o b l e m sa r e s i z i n gf o r t h eh y b r i dp o w e r t r a i nc o m p o n e n t sa n dm a k i n g s y s t e ms u p e r v i s o r y c o n t r o ls t r a t e g y a n dt h ec o n t r o l s t r a t e g i e sg i v et h eh i g h e rc h a l l e n g et ot h e d r i v es y s t e mc o n t r o le n g i n e e r i n g s i m u l a t i o ni saw a yi nt h a tw h e t h e re v a l u a t i n gt h ed e s i g n e dh e vp o w e r t r a i n c o n f i g u r a t i o ng e t st h ed e s t i n e da i m s t h em a i np u r p o s eo fc o r r e c t l ya d j u s t i n g h e vd r i v e t r a i ni st od e c i d e dt h ei c eo p e r a t i n gp o i n t sa n dp o w e rt r a n s f e rb e t w e e n d i f f e r e n te n e r g ys t o r a g e s h e vo p t i m a lc o n t r o lm e a n se m p h a s i z e st od e c i d et h e c o m p o n e n t sw o r k i n ge f f i c i e n c yo fd y n a m i cp o w e rs p l i tb a s e do nt h ea c t u a lh y b r i d p o w e r t r a i nc o n f i g u r a t i o n s p o w e rs p l i ta n de n e r g ys t o r a g es t a t ea r ed e t e r m i n e d b yh e vd r i v es y s t e ms u p e r v i s o r yc o n t r o ls t r a t e g y h e vs i m u l a t o ri su s e dt ok n o w t h eh e vw o r kp r o c e s si ns p e c i a lc o n t r o ls t r a t e g ya n dt e s tt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e i nt y p i c a ld r i v i n gc y c l e ，e t c t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：p o w e r t r a i n c o m p o n e n t sm o d e l i n g ，d e s i g n i n gp o w e r t r a i nc o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n s t r u c t i n g h e vs y s t e ms i m u l a t o r f l o wv a r i a b l ea n de f f o r tv a r i a b l ei su s e dt ou n i f i e d p r e s c r i b et h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t si nd i f f e r e n te n e r g yf i e l d so fh e vd r i v e t r a i n i nt h i sp a p e r i c ea n de m ( e l e c t r i cm o t o r ) m o d e l sb u i l d i n gb a s e do nw i l l a n sl i n e c o n c e p tc a nb e s c a l a b l ea n dc o m p o s a b l ea n do n l yd e p e n do ni t ss e l f s p e c i f i c p a r a m e t e r s b e s i d e s ，t h ee n e r g ys t o r a g ed e v i c em o d e l sa r ea l s od i s c u s s e d t h e p o w e r s p l i ts t r a t e g ya i m sa tm i n i m i z a t i o no ft h ev e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o n f o r s o l v i n gt h ep r o b l e m ，r e p l a c et h eg l o b a lc r i t e r i o nb yal o c a lo n ea n dg i v ea i i a b s t r a c t g e n e r a l f o r m u l a t i o no f o p t i m a l c o n t r o l a p p r o a c h t h e n t h e a l g o r i t h m i s i m p l e m e n t e do nac h a r g e s u s t a i n i n g ，p a r a l l e lh y b r i dd r i v e t r a i n i no r d e rt o s e a r c hf o rt h eo p t i m a lv e h i c l ec o n f i g u r a t i o na n dc o m p o n e n t ss i z i n gi nd e s i g n s p a c es u i t a b l e ，t h ec o n t r o lp o l i c yn e e db es c a l a b i l i t yw i t hr e s p e c tt oc o m p o n e n t s i z e sa n dp o w e r t r i a na r c h i t e c t u r e s a f t e rs c a l a b l em o d e l sf o rt h ee f f i c i e n c y c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o n e n ts i z i n ga n dc o n t r o ls t r a t e g y ，t h eh e vs i m u l a t o r i sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ov e h i c l ed y n a m i c st h e o r y t h es i m u l a t o ri n c l u d e sf i v e s u b m o d u l e s ，w h i c hc a nb ee a s i l yp r o g r a m m e da g a i n t h er a t i o n a l i t yo fs i m u l a t o r a n d v a l i d i t y o f p o w e r s p l i ts t r a t e g y a r et e s t i f i e d t h r o u g hd e s i g n i n g a n l l m - p a s s e n g e re a r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sg i v ea no p t i m a ld r i r e t r a i nm a t c h i n g s c h e m ea n da n a l y s i so fp o w e r t r a i np a r a m e t e r sc h a n g e a tt h ee n d ，d e v e l o p e d s i m u l a t o ri nt h i sp a p e ri sf u r t h e rp r o v e de f f e c t i v et h r o u g hc o m p a r i s o nw i t hs a e s t a n d a r d sa n da d v i s o rs i m u l a t i o nr e s u l t s i nc o n c l u s i o n ，t h ea i mo ft h i sp a p e ri st op r o p o s eag e n e r i ca p p r o a c ht o t h ec o m p o n e n t sa n d s u p e r v i s o r yc o n t r o ls t r a t e g yf o rh y b r i de l e c t r i cd r i v e t r a i n s t h ed e v e l o p e dh e vs i m u l a t o rc a na s s i s tq u i c k l yt os e a r c hf o rt h eo p t i m a lv e h i c l e c o n f i g u r a t i o n a n ds i z i n gf o rp o w e r t r a i nc o m p o n e n t s i na d d i t i o n ，t h es i m u l a t o r c a ne v a l u a t ev e h i c l ed r i v a b i l i t ya n di sc o m p o s a b l e k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ：p o w e r t r a i n ；s i m u l a t i o mc o n t r o l s t r a t e g y ；o p t i m a ls i z i n gf o rp o w e r t r a i nc o m p o n e n t s i 华南理工大学 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： 抱心啤 日期：伽由? 年b 月1 b 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。本人授权华南理工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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙。乡年多月f 凋 日期：p 哆年多月j 胡 第一章绪论 第一章绪论 世界生态系统状况在很大程度上决定于车辆和发动机的废气排放水平。虽然通过采 用电子技术和对发动机工作过程的自动控制，可大大改进燃料的燃烧品质，但随着车辆 数量的急剧增加，还没有能够彻底解决热机排放问题的具体方案。而且不断增加的由车 辆排放的c 0 2 气体已对大气组成成分造成了负面影响，引起了世界范围内的气候变化。 目前，混合动力驱动系统越来越引起人们的重视，逐渐成为一种发展趋势，并且混 合动力驱动系统为将来获得生态系统的平衡提供了希望，因为燃油越少，排放就越少， 并且发动机稳定的工况使得对其排放气体的成分易于控制，而这正是混合动力驱动系统 所具有的。 h e v 是混合动力电动车英文( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ) 的缩写，指将传统汽车 的发动机和纯电动汽车的电池一电机系统结合起来，期望获得更优的车辆性能，既可以 通过快速补充能源延长同类电动汽车的续驶里程，同时保持电动汽车的能源环保性能。 h e v 实际的效益就是提高燃油经济性，降低排放。 如果要获得与普通车辆相近的牵引特性，当然就要供给驱动车轮相近的能量。而在 混合动力驱动系统中，由于降低了主能源( 由内燃机燃烧主燃料获得) 的输出功率，为 达到能量平衡，采用了辅助能源( 补偿能量差值) ，比如牵引蓄电池，用于在车辆行驶 过程中存储能量和过载工况下与发动机协同工作，提供驱动能量。 在研究和开发混合动力电动汽车，选择部件和最佳结构时，需要设计和制造者能够 很快地缩小研究范围，找到技术的突破口。系统仿真通过建立有效的计算机模型，使得 在技术方案的选择阶段能够对各个候选子系统进行替换研究，从而简化了原先需要准备 各种规格的候选子系统的工作。在技术方案选择阶段，系统分析依靠高效的建模工具 计算机，能够通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真从而找到最佳的方案。计算机模 型为每个候选予系统提供了详细规格和设计参数，从而方便了设计者的工作，而且还有 助于为样车的制造和试验提供工程目标。 1 1 h e y 的研究背景 当前，环境与可持续发展已经成为整个世界关注的焦点。汽车排放被认为是一个主 要的集中污染源，尤其是在城市。虽然汽车史上也曾经出现过电动汽车、代用燃料汽车 等，但由于技术和成本等原因，内燃机汽车仍保持其主导地位。于是，人们开始考虑可 选择的汽车驱动系统，并且已成为可实现的产品，混合动力电动汽车就是这种新型驱动 系统的产物。混合动力驱动系统集成传统内燃机车和电动汽车的驱动系统，具有比传统 汽车更高的燃油经济性和更低的排放，以及在规定范围实现零排放( 纯电动模式) 又克服 华南理工大学工学硕士学位论文 了电动汽车续驶里程短的缺点。所以，混合动力电动汽车又被称为“准绿色”清洁汽车。 由于目前科学技术的迅猛发展，牵引电机及其控制技术发展到了相对较高的水平， 已具备批量生产和使用的能力，但由于电池的制约，运行里程低和循环使用寿命低、价 格高以及充电时间长，给电动车的普及带来不小的困难。混合动力电动车( h e v ) 最初是 为弥补电动车续驶里程不足且又能减少汽车排放污染的一个折中方案，认为是在高性能 和价格合理的蓄电池推出之前的过渡品。但随着对混合动力电动车的研究，人们发现它 也许是一个综合利用能源，使燃油机、电动机均工作在最佳状态，从而达到最佳性能的 一种车辆。对于更远的未来，交通工具是什么现在还很难预料。但对目前及不远的未来， 混合动力电动车与燃油车、电动车在相当长的阶段都会共存，并各占一席之地。 混合动力电动车一经提出就得到了世界各国广泛的认可。传统汽车工业尤其对其表 现出了极大的热情，认为是对传统汽车的发展，而不像纯电动车那样属于变化太大的实 用车型。美国通用、福特、日本丰田、意大利的菲亚特等均已推出自己的混合动力电动 车。混合动力电动汽车作为一种新技术，在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用 阶段。1 9 9 7 年1 0 月，全球酋辆商业性混合动力型汽车“p r i u s ”由日本丰田公司研制成 功。同年，美国政府与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司三大车商合作，实施新 型汽车合作计划( p n g v ) ，制定了混合动力电动汽车开发计划，目标是2 0 0 4 年全面商业 化生产。美国“关切的科学家公会”目前公布一份研究报告说，目前全美驾驶混合动力 车的大约有5 万人。报告预测，美国在1 0 年之内将使混合动力轿车达到每升汽油行驶 9 6 公里的水平，并且该车将得到普及。 进入2 0 世纪9 0 年代，中国对汽车节能和排放的问题也日益重视，发展电动汽车成 为国家汽车工业科技发展的战略之一。继“八五”国家组织对电动汽车关键技术的研究 后，中国将混合动力电动汽车列入了“十五”计划，主要研究内容有发动机、电动机、 蓄电池等各种单元技术；各系统的电子控制技术和整车的动力系统优化与控制技术，实 现节省燃料5 0 ，排放下降8 0 ；制动能量回收技术，应能回收制动能量的3 0 ，这揭开 了中国发展混合动力电动汽车序幕。2 0 0 1 年，中国将电动汽车的研究与商业化开发( 包 括混合动力电动汽车) 列入了国家8 6 3 重大项目。 1 2 研究方法计算机仿真 1 2 1 系统仿真的基本概念 系统就是一些具有特定功能的、相互间以一定规律联系着的物体所组成的一个总 体。建立系统概念的目的在于深入认识并掌握系统的运动规律，不仅能定性地了解系统， 还定量地分析、综合系统，以便能更准确地解决工程、现代社会和自然界中种种复杂问 题。定量分析、综合系统的最有效的方法是模型法。 第一章绪论 数学模型按建立方法的不同可分为机理模型、统计模型和混合模型。机理模型采用 演绎法，运用已知定律，用推理方法建立数学模型：统计模型采用归纳法，它根据大量 实测或观察数据，运用统计的规律估计系统的模型；混合模型是理论上的逻辑推理和实 验观测数据的统计分析相结合的模型。按所描述的系统运动性质和运用的数学工具特征 可将数学模型分类为线性、非线性、时变、定常、连续、离散、集中参数、分布参数、 确定、随机等系统模型。 建立系统数学模型的目的是对系统进行定性分析、定量分析、优化处理，预测系统 行为，并为系统提供设计、管理、控制的资料。 “仿真”一词对应的英文通常是s i m u l a t i o n ，它的另一个曾用译名是“模拟”。系 统仿真的基本定义是：设计一个实际系统的模型，对它进行实验，以便理解及评价系统 的各种运行策略，其基础是建立在系统的数学模型上，并以计算机为工具对系统进行实 验研究的一种方法。仿真，就是模仿真实事物，也就是用一个模型来模仿真实系统。既 然是模仿，两者不可能完全等同，但是最基本的内容应该相同，即模型至少必须反映系 统的主要特征。 随着现代工业的发展，科学研究的深入与计算机软、硬件的发展，仿真技术已成为 分析、综合各类系统，特别是大系统的一种有效研究方法和有力的研究工具。 1 2 2 计算机仿真技术 根据仿真所遵循的基本原理的含义，连续系统仿真大致可分为两大类： 物理仿真：主要是运用几何相似、环境相似条件，构成物理模型。 数字仿真：运用性能相似，构成数学模型，在计算机上进行实验研究。 由于现代工业和科学技术的发展，单一的物理仿真和数字仿真往往不能满足其研究 目的的要求，而物理仿真和数字仿真的结合称为半物理仿真，有时也称为半实物仿真， 则可满足其要求。在现代科学研究中，数字仿真运用越来越普遍。 数字仿真的前提是系统的数学模型，数字仿真的工具是数字计算机，而其主要内容 是数值计算方法、仿真程序和仿真语言以及上抓操作。通常将计算机称为仿真的硬件工 具，而各仿真计算方法和仿真程序称为仿真软件。数字仿真的过程一般有如下五步： 1 描述问题，建立数学模型。对待研究的真实系统进行调查研究，建立能够描述 问题的数学模型。如有可能，还应给出评估系统有关性能的准则。 2 准备仿真模型。 3 画出实现仿真模型的流程图，并用通用语言或仿真语言编成计算机程序。 4 验证或认可模型。目的是验证仿真和数学模型是否符合要求。若仿真结果与数 学模型所得到的结果基本一致或误差在容许范围内，则可确认仿其模型可用。 5 运行仿真模型，在不同初始条件和参数下实验系统的响应或预测系统对各种决 华南理工大学工学硕士学位论文 策变量的响应。 从以上仿真过程可以看到，这里涉及三个具体的部分，一是实际系统，二是数学模 型，三是计算机。并且有两次模型化，第一次是将实际系统变成数学模型，第二次是将 数学模型变成仿真模型。通常将一次模型化的技术称为系统辨识技术；而将二次模型化、 仿真模型编程、校核统称为仿真技术。二者所采用的研究方法虽有较大的差别，但又有 十分密切的联系。验证和确认模型的过程实际上也就是不断修改模型使之更符合实际的 过程，因而从某种意义上讲，仿真也是建模过程的继续。 现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算技术的发展密切相联系的。控 制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛运用，而计算机的出现以及计算技术的 发展，则为仿真技术提供了强有力的手段和工具。建立一个系统的数学模型并使其能在 计算机上运行和实验，既经济又灵便。因此，计算机仿真越来越在仿真技术中占重要地 位。 1 3 h e v 的研究意义 1 3 1 开发h e v 的必要性 开发h e v 是为了弥补电动汽车蓄电池技术的不足，因为蓄电池只能提供短程车辆需 求的能量，如果加上发动机带动发电机随车直接给蓄电池必要时补充能量，这样就可以 使车辆长时间运行。以前研究的新型能源动力总成偏重纯电动方向，是因为相信只要研 制开发更优性能更高充电效率的蓄电池，运用工业充电可以实现人们期望的零排放目 标。这种观念的自然结论就是，如果有更好的蓄电池，我们就不需要混合动力了。但经 过2 0 多年的研究表明，混合动力仍然占据中心位置，纯电动汽车只限于狭窄的应用范 围，如校园、旅游景点等，因为一次充电的续驶里程还很有限，而重新补充能量的时间 又很长。 根据环保的要求，社会要求开发更高效率的汽车；随着城市空气污染指数的日益升 高，社会对开发环保汽车的呼声越来越高。虽然h e v 由于还有发动机存在的原因不能做 到完全的零污染，但通过控制发动机在高效率范围内工作，h e v 可以有效降低造成环境 污染的排放物。 在市场上已投放运用的混合动力电动汽车已经证明可以将排放降低1 3 甚至1 2 ， 相信新模型的开发将进一步降低排放。 1 3 2h e v 的优缺点 1 h e v 的优点 1 ) h e v 再生制动性能既可减少能量损失，又可以回收减速和停车过程的部分能量； 4 第一章绪论 2 ) 选配发动机容量时，不需要按最大负荷，能满足平均负荷即可，这样减少发动机 重量； 3 ) h e v 与等效能力的纯发动机比较，燃油经济性明显提高，同时排放降低； 4 ) h e v 至少具有两个动力源，所以h e v 减少了对燃油的依赖性： 5 ) 相对于纯电动车而言，h e v 可以做到与传统汽车相当的重量，保持动力性； 6 ) 另外，h e y 在销售价格上也是比较有竞争力的，例如美国政府鼓励消费混合动力 汽车或电动汽车，相关的消费成本其实更低。 2 h e w 的缺点 但混合动力驱动系统也具有缺点。一般电池组需要使用外界能源进行“预充电”或 “周期充电”，而目前的能量体系并没有考虑到这一点，相应地，就需要附加的基础设 施建设，或扩大原有电站规模，使之能够燃烧更多的燃料或建设一些新的电站来满足对 商用电量日益增加的需求。 由于使用了能量存储器，质量大、造价高成了混合动力驱动系统的又一个缺点；另 外，使用结构复杂的传动系统并实现能量的自动合理的分配也提高了整个系统的造价。 如何获得良好的解决方案是个值得探讨研究的问题。 1 3 3 h e v 的发展前景 h e y 的研究是当前世界交通技术发展的前端技术。根据不同国家的燃油状况，空气 污染状况和交通路况，h e v 还有很大的研究空间，开发替代能源，进一步降低燃油消耗。 现在的汽车制造商正在制造一些性能可靠，安全性高，成本较低的h e y ，因为这三 个因素是消费者最关注的。将发动机和电机联合运用，既可以保持续驶里程，又可以减 少燃油，降低排放，收到社会和人们的欢迎。h o n d a 开发的i n s i g h t 轿车一箱汽油可以 运行7 0 0 英里，h o n d a 的c i v i c 一箱汽油可以运行6 5 0 英里，t o y o t a 的p r i u s 可以行驶 5 0 0 英里。对于驾驶者而言，在驾驶性能和舒适感上，h e v 可以提供与传统汽车相似甚 至更优越的性能。更重要的是，h e v 是当前消费者选择环保型汽车最实用可行的选择。 h e v 是当前汽车领域课题研究的热点，而且在美国已逐步被公众接受。h e v 是否能 在汽车市场上普遍运用，让公众接纳，现在主要的问题不是其技术本身，而是生产这个 复杂混合动力系统的经济价值。因为在这个复杂系统内，一些最好的储能和能量功率转 换元件都属于新技术，是非标准件，在市场上还没有专业化开发生产，所以h e v 想占据 未来的汽车市场，必须为h e v 可能带来的各种社会影响负责。任何新技术的应用要让消 费者快速接受都会受到阻力。但时间能证明一切，h o n d a 的i n s i g h t 和c i v i c 的出现已 经受到美国公民的极大关注，同样，t o y o t a 的p r i u s 在市场的销售业绩直线上升。h e y 有广阔的市场应用前景。 华南理工大学工学硕士学位论文 1 4 国内外同类研究现状 国外早在1 9 7 0 年就开始研究对h e v 的建模和仿真。目前，国外用于混合动力电动 汽车的仿真软件很多，主要有：美国能源部i d a h o 国家实验室开发的s i m p l e v ( s i m p l e e l e c t r i cv e h i c l es i m u l a t i o n ) ，a r g o n n e 国家实验室开发的m a r v e l 和p s a t ，t e x a sa & m 大学开发的v - e l p h ，国家能源回收实验室开发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 ) ， 以及o h i o 州立大学开发的o s u h e v s i m 。另外，各大汽车生产厂家也有各自的仿真软件。 s i m p l e v 一个简单的电动汽车模拟软件，2 0 版本只用来模拟电动汽车和串联混 合动力汽车。给定一个车辆工况，计算工况的功率需求，在模型中取各组件平均效率。 s i m p l e v 能估算车辆燃油经济性，排放以及其他相关变量。但是，它不能模拟传统汽车 和并联混合动力汽车性能，因此用来设计h e v 收到限制，由于其仿真程序代码的限制， 即使改变串联h e v 的控制策略也很困难。 m a r v e l 可以分析传统汽车，纯电动车和混和动力车性能，并加入了电池组模型。 此软件用p l 1 程序语言编写，需要i b m 兼容机才能运行。其优点是开发了详细的电池 组模型，可以以车辆运行周期成本为目标选择合适的电池组和发动机；其缺点是没有考 虑制动能量回收，而且模型不能估算燃油经济性，最高车速，最大加速度等车辆其他性 能参数。 v e l p h 可以模拟纯电动、串并联混合动力车辆的性能，程序用m a t l a b s i m u l i n k 代码编写，组件参数方便修改，可以模拟多种不同的混合动力拓扑结构。而且模拟结果 可以计算燃油经济性，最高车速，最大加速度和一些相关性能参数。但此软件只为t e x a s a & m 大学自己开发研究应用。 a d v i s o r 这是一个免费软件，功能与v - e l p h 相似，也是在m a t l a b s i m u l i n k 环 境下开发的，主要功能在于能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数：加速和爬坡性 能、燃油经济性、排放性能等，它的优点是方便的图形用户界面，具有驾驶员模型，是 个闭环系统；缺点是其控制策略简单，不能实时应用。但其仿真的基础是需要大量组成 元件性能数据，由其目前提供的数据库还不能满足我们开发项目的需求。a d v i s o r 是专 门为帮助美国能源部( d o e ) 管理混合动力电动汽车计划( p n g v ) 而开发的混合动力电动汽 车仿真软件。a d v i s o r 通过简单的物理模型，采用经过性能测试的各总成去建立实际的 或想象的汽车模型。 p s a t 这是m a t l a b s i m u l i n k 环境下在由a r g o n n e 国家实验室开发的比m a r v e l 完善的仿真软件，其从外形到功能都与a d v i s o r 相似，而且在控制策略方面有更多选择， 但其不是公开软件，不能用来进行我们的项目研究；即使它的试用版在普通p c 机上运 行速度很慢。 o s u h e v s i m 一在a d v i s o r 基础上，o h i o 州立大学解决了a d v i s o r 组成元件数据源 的问题，其对能量源元件效率特性做了一些理论的近似研究，开发了规格参数适配可调 6 第一章绪论 模型，而且在控制策略方面提出与a d v i s o r 不同的仿真模型。不过，对其了解只来自于 其发表论文，其庞大的仿真系统单机无法完成，不可为我们所用。 以上软件有些是基于组件模块为基准构成的仿真系统，组件性能参数的变化动态地 反应了实际车辆运行的状态。这种仿真方法需要确定每一个组件模型，比较复杂但对组 件和系统的优化设计有利，可以通过优化搭配组件产生整体性能最优的车辆。而且这样 的仿真系统对设计实时应用的控制系统有帮助，明确系统每一个主要组成元件的性能要 求有利于精确控制。这种以组件为基础的系统仿真方法是混合动力电动汽车优化设计、 优化控制所必不可少的工具，已得到广泛运用。 在计算机技术比较发达的今天，建立数学模型并利用计算机对实际情况进行仿真分 析，不仅便于灵活地调整设计方案，优化设计参数，而且可以降低科研费用，缩短开发 周期。在中国，基本上还没有较系统和成熟的混合动力电动汽车仿真软件，考虑到对混 合动力电动汽车缺少优化设计的经验，所以不少h e v 研究开发单位采用了a d v i s o r 这类 免费软件作为开发工具，取得了切实可行的成效。但由于缺乏对仿真软件内核的掌握， 限制了深层次的应用，妨碍了取得高水平的h e v 研发成果。因此，建立基于系统模型和 仿真技术的先进开发手段和工具，也是中国混合动力电动汽车研究的一个重要发展方 向。 1 5 课题来源 本课题来源于广州市重点科技攻关项目“混合动力电动大客车的开发”，同时全面 参照执行国家8 6 3 电动汽车重大专项的相关技术、经济指标要求和水平。本课题研究的 直接应用目标是给新型h e v 客车多能源动力总成提供优化的匹配方案和控制策略，在保 持动力性基础上，提高燃油经济性，降低排放，向世界汽车先进技术靠拢。本课题的研 究除了直接为先进的h e v 的研究开发服务之外，在学术上和实用价值上也瞄准了高于目 前国内同类研究水平的目标。 1 6 研究内容 1 6 1 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容是对混合动力电动汽车( h e v ) 的关键总成多能源动力 总成进行研究，包括： 1 _ 建立不同能域中储能、能量转换、功率调节变换等元件统一的描述形式和子模型， 进而建立h e v 多能源动力总成和整体的数学模型。 2 建立以油耗、排放等为最小化的目标函数，以储能器荷电状态( s o c ) 、车辆运行工 况等为约束条件的约束方程。 华南理工大学工学硕士学位论文 3 基于车辆系统动力学原理，利用上述模型、目标函数和约束方程搭建计算机仿真平 台，通过仿真分析，对h e v 多能源动力总成各元件的功率容量、尺寸参数等进行优 化，提出最佳匹配方案。 4 通过上述仿真平台，研究h e v 多能源动力总成的优化控制，提出实用先进的控制策 略，实现该总成瞬时功率的优化分配。 1 6 2 本论文结构 本论文主要包括七个部分： 1 第一章绪论，阐述了开发混合动力电动汽车h e v 的研究背景、理论研究方法、研究 意义和研究内容，同时对国内外同类研究作出比较； 2 第二章主要描述h e v 组成元件建模的统一“语言”，列出动力总成不同能域主要元件 的详细数学模型； 3 第三章探索能量分配与管理策略数学模型，在动力总成组成元件参数化适配可调统 一模型的基础上寻找控制策略统一的优化解决方案，控制策略反映了h e v 多能源动 力总成各元件协调工作机理。 4 第四章由数学模型转换成仿真模型，以车辆动力学理论为基础，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立h e v 性能仿真平台，完成第二第三章的综合应用。 5 第五章阐述开发的仿真模型在h e v 整车开发上的实际应用，根据一辆1 4 吨l l 米客 车的性能要求，在仿真平台上通过改变功率容量，结构参数等寻找其最优匹配方案。 最后对创建的h e v 性能仿真系统通过与国外标准及公开软件比较评价其可行性。 6 第六章初步探讨一种以充电状态保持型、并联式混合动力电动汽车结构为基础发展 而成的双电机混联驱动系统的机电耦合方案及其控制策略分析。 7 最后总结课题研究成果，突出研究的重点，对需要改进的以及深入完善开发提出自 己的建议。 第二章h e v 多能源动力总成构成及建模 第二章h e v 多能源动力总成构成及建模 混和动力车辆的驱动系统无论是在能源输入还是在机械能的传递和输出方面都具 有多种方案，驱动系统的设计有了较多的自由度，因而，具体的驱动系结构方案也多种 多样，对这些结构进行归类和评价并应用于指导混合动力电动汽车的研制与开发很重 要。 2 1 h e v 动力总成的基本结构 2 1 1 h e v 相关的基本概念 驱动系：所有的用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称，包括车载能源、 原动机和传动系三部分；对h e v 而言，在本论文中又称“多能源动力总成”。 车载能源：在车辆驱动系中，用于能源存储和进行能源的初始转化以向原动机直接 供能的所有部件的总称，由能源存储系统或能源存储和转化调节系统组成。比如，对内 燃机车辆，它的车载能源为油箱( 能源存储系统) ，直接为原动机( 内燃机) 供能。对 燃料电池车辆，他的车载能源由氢气罐或储氢金属( 能源存储系统) 以及燃料电池反应 堆( 能源转化调节系统) 两部分组成； 原动机：原动机是指用于把其他形式的能量转化为机械动能的装置，比如发动机、 电动机等； 传动系：在车辆驱动系中，用于传递机械动能的所有部件的总称，包括车轮、差速 器、减速变速器等； 混合动力电动汽车：混合动力电动汽车是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的 单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率需求由单个驱动系单独或共同提供； 串联混合动力电动汽车：串联混合是混合动力电动汽车的一种基本结构，其单个驱 动系间的联合是车载能源环节的联合，也即非机械动能的联合并同时向原动机供能，其 具体特点是：( 1 ) 能源混合；( 2 ) 单一的原动机传动系；( 3 ) 车载能源由两个以上的能 源联合组成； 并联混合动力电动汽车：并联混合也是混合动力电动汽车的一种基本结构，其单个 驱动系间的联合是车辆传动系的联合，即机械动能的联合并输出到驱动轮，用于满足车 辆的行驶要求，具体特点是：( 1 ) 传动系的混合；( 2 ) 整车驱动由两个或多个传动系联 合完成；( 3 ) 每个传动系必须与至少一个的车载能源联接；( 4 ) 原动机一定包括电动机； 混联混合动力电动汽车：混联混合是串联和并联混合电动车辆的结合结构。既有车 9 华南理工大学工学硕士学位论文 载能源的联合，也有传动系的联合；工作模式可以为串联结构，也可以为并联结构，有 时是串联和并联结构共同驱动车轮。 联接部件：联接部件是指用于联接或组合两个( 或多个) 传动系( 或车载能源) ， 使之成为混合动力电动汽车驱动系的部件总成。 2 1 2 混合动力电动汽车的分类 按照上述定义，若联接部件用于完成车载能源的联合则为串联混合动力电动汽车驱 动系，若联接部件用于完成传动系问的联合则为并联混合动力电动汽车驱动系。也就是 说，混合动力电动汽车的基本结构是：串联结构和并联结构。下面根据具体的联接部件 位置，对混合动力