（车辆工程专业论文）混合动力汽车驱动系统控制策略的研究.pdf

武汉理工大学硕士论文 摘要 随着资源日益匮乏、环境污染越来越严重、汽车保有量的持续增加以及人们 对环保的重视，特剐是石油价格的走高，混合动力汽车已成为现有技术条件下发 展环保节能车辆的首选，并且已经大规模商品化，但是混合动力汽车的核心技术， 特别是驱动系统的控制策略还有待深入研究。 根据驱动系统的配置和组合方式不同，可将混合动力汽车分为串联式、并联 式和混联式3 种结梅形式。不同的结构形式具备不同的特性，相应的控制策略也 有所不同，适合的道路工况也有所区别，因此可以依据实际情况，选用适合的结 构形式和控制策略以实现较好的燃油经济性与排放性能，进而满足相关法规对车 辆性能的要求。 控制策略可依照驾驶员的意志与行驶工况，将各部件之间的能量流动进行协 调与合理分配，降低油耗与排放。控制策略不但要实现最佳的燃油经济性、降低 排放和不降低整车性能等目标，而且还要兼顾各部件的可靠性、蓄电池寿命和整 体成本等重要因素。 本文首先介绍了混合动力汽车研究现状和应用各种策略的实际车型，然后分 析了各种结构模式的混合动力汽车的工作模式、能量流动以及特性，接着介绍了 控制策略的研究现状，结合实例论述各种控制策略的优缺点。对电动汽车仿真软 件a d v i s o r 作了简要的介绍，说明了其工作原理、各种界面、各部件模型的参数 输入和修改以及软件的设置和使用方法，利用电动汽车仿真软件a d v i s o r 中的原 有整车模型，修改相应的模块和参数后对并联式混合动力汽车的基线控制策略、 实时控制策略和模糊控制策略进行了仿真和分析，结合实例丰田p r i u s 对混联式 混合驱动系统控制策略进行了仿真和分析。 最后，分析了发动机的频繁开启和关闭对混合动力汽车的影响，说明了造成 产生这些影响的原因以及这些影响对车辆性能的损害情况，并提出了针对这些影 响的发动机优化控制策略。 关键词：混合动力，控制策略，驱动模式，能量流动，仿真，优化控制 武汉理工大学硕士论文 a b s tr a c t w i t ht h el a c ko fr e s o u r c ed a yb yd a y , t h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o ns e r i o u sm o r ea n d m o r e ，v e h i c l eh o l d i n g si n c r e a s i n ga n dp e o p l et a k et h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni na v e r yi m p o r t a n tp l a c e ，e s p e c i a l l yt h eo i lp r i c ei n c r e a s i n g , t h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e b e c o m e st h ef i r s tc h o i c eo ft h en e wt e c h n o l o g yv e h i c l eu n d e rc u r r e n t t h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l eh a sa l r e a d yb e e nm e r c h a n d i s ei nl a r g es c a l e ，b u ti t sc o r et e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi t sc o n t r o ls t r a t e g yo f d r i v et r a i nn e e d st os t u d ym o r e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo fc o n f i g u r a t i o na n dc o m b i n a t i o no fd r i v i n gs y s t e m ， h e vi n c l u d e ss e r i e s , p a r a l l e la n dm i x e dt y p e s t h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ef o r mw i t h d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s , t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g yi sa l s od i f f e r e n t ，s oy o uc a n c h o o s ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n , f o rt h es t r u c t u r a lf o r ma n dc o n t r o ls t r a t e g i e s t oa c h i e v eb e t t e rf u e le c o n o m ya n de m i s s i o np e r 白肌锄c e a n ds a t i s f yt h er e l e v a n t r e g u l a t i o n so nv e h i c l ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s i na c c o r d a n c e 、析mt h ed r i v e ra n dd r i v i n gc o n d i t i o n s , t h ec o n t r o ls t r a t e g y d i s t r i b u t et h ee n e r g yf l o wb e t w e e nt h ev a r i o u sc o m p o n e n t sr e a s o n a b l y , a n do p t i m i z e s t h ee n e r g yo fv e h i c l e s , r e d u c ef 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 dc o m p r o m i s ea n d o p t i m i z e sf u e l c o n s u m p t i o na n d t h ee x h a u s tw i t h o u td a m a g i n gv e h i c l ep e r f o r m a n c e c o n t r o ls t r a t e g yn o to n l yt oa c h i e v et h eb e s tf u e le c o n o m y , e x h a u s ts i t u a t i o na n d v e h i c l ep e r f o r m a n c e ，b u ta l s ot a k et h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m p o n e n t s ，b a t t e r yl i f ea n d o v e r a l lc o s ta n do t h e ri m p o r t a n tf a c t o r si n t oa c c o u n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t a t u so fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l er e s e a r c ha n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fv a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g ym o d e h , a n da n a l y s i so fv a r i o u ss t r u c t u r a l m o d e l so fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l eo p e r a t i o nm o d e ，e n e r g yf l o w sa n dc h a r a c t e r i s t i c s , t h es i t u a t i o no fs t u d yc o n t r o ls t r a t e g i e si sa l s or e d u c e d , t h e ni n t r o d u c e da d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e sw i t he x a m p l e s t h es i m u l a t i o na n a l y z e t op a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei so p e r a t e d ，a n dc h a n g et h em o d u l eo fw h o l ec a r m o d e li na d v i s o rf o rt h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l es i m u l a t i o ns t u d y , a n d a n a l y z et o y o t ap r i u s c o n t r o ls t r a t e g yf o rt h i ss t y l ed r i v es y s t e ms t u d y f i n a l l y , a n a l y s i st h ei m p a c to ft h ef r e q u e n to p e n i n ga n dc b s i n go f t h ee n g i n et o h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s , a n dp r o p o s eo p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g yo fe n g i n ef o rt h e s e e f f e c t s k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t i c ，c o n t r o ls t r a t e g y , d r i v em o d e ，e n e r g yf l o w , s i m u l a t i o n 。o p t i m a lc o n t r o l i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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了谢意。 签名：溢逸扭e l 期：盈趁：笪 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：兹风格签名：缬风稳 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章前言 自1 8 8 6 年第一辆汽车问世以来，全球的汽车业已走过了1 0 0 多年的历史， 在这漫长的时阎里科技和经济迅速发展，汽车也越来越多的进入人们的工作和生 活，随之而来的不仅是汽车保有量的急剧增加，还有难以摆脱的灾难。在各种环 境污染物中有约4 3 来自传统能源汽车的排放，在城市的各种噪声中有约8 2 来自各种车辆。随着石油资源日益减少，环境污染越来越严重，传统内燃机汽车 发展也遇到了瓶颈，因此开发节能环保的新型汽车成为世界汽车工业的首要任务 和发展趋势，而具备商业价值的节能环保的电动汽车一直是世界汽车工业研发的 焦点【n 。 随着人类文明的进步，经济的快速发展和科技的迅猛飞跃，资源被大量而快 速的消耗，尤其是与汽车工业息息相关的石油资源的过快消耗，一方面使人类面 临着资源枯竭的危险，一方面给人类的生活环境带来了极大的灾难。资源的大量 快速消耗加剧了全球的环境污染，而传统的内燃机汽车所排放的尾气是造成环境 污染的重要因素，因此开发具有商业价值的节能环保汽车已成为汽车业一个紧迫 的任务。 全球各汽车制造商为此纷纷推出各自的新型汽车研发方案，例如，用高效电 池作为能量源的纯电动汽车、用燃料电池作为能量源的电动汽车、用发动机和电 机驱动的混合动力汽车。在各种汽车能源代替方案中，已经实际应用并量产、推 向市场的仅有混合动力汽车。 用高效蓄电池驱动的纯电动汽车是最早的电动汽车研发方案，虽然排放方面 是完全的零排放，但是现阶段蓄电池技术的研究还没有突破体积大、容量小等难 题，因此使得纯电动汽车整车质量大，充电时问长，行驶里程短。燃料电池电动 汽车效率高、排放低，并且所用燃料可以再生，已成为世界汽车工业研究的重点， 但是目前燃料电池电动汽车由于燃料电池系统本身的成本太高而使整车成本过 高。目前，具备商业化价值的仅有混合动力汽车一种方案。混合动力汽车是新老 技术相互结合的产物，不仅继承了纯电动汽车与内燃机的优点，而且还继承了纯 电动汽车的效率高、排放低的优势。因此这个方案成为缓解能源日益枯竭、环境 污染日益严重等问题可行性方案i z j 。 与内燃机汽车、纯电动汽车不同，混合动力汽车具有两个动力源，控制策略 的作用就是实现二者之间相互补充与协调。控制策略是混合动力汽车的核心技 武汉理工大学硕士学位论文 术，它根据驾驶员的指令和车辆的行驶工况，协调各部件之间的能量流动、合理 分配动力，降低能源消耗与排放，在不损失整车性能的前提下，实现动力性和经 济性的折中优化。 1 2 混合动力汽车综述 国际电工委员会( i e c ) 电动汽车技术委员会给出了混合动力汽车的定义：具 有至少两种能量转换器提供驱动动力的混合型电动汽车，也可以理解为把发动机 和电机同时应用到一辆车上作为其驱动装置，通过专用的控制系统让两者协调配 合工作，达到最优能量流动与分配、最小燃油消耗与排放目标的新型汽车m 。 1 2 1 混合动力汽车的优点 ( 1 ) 由于有发动机作为动力源之一，较之纯电动汽车电池的数量和质量均可 减少。 ( 2 ) 小功率发动机和电机配合使用以及制动能量的回收可以提高燃油经济 性，并减少排放和降低噪音。 ( 3 ) 动力性较好，行驶里程长。 ( 4 ) 车辆的使用成本较低。 1 2 2 混合动力汽车的缺点 ( 1 ) 发动机、电机和蓄电池组使整车成本较高，实现发动机和电机良好的协 调配合工作较为困难。 ( 2 ) 发动机、电机和蓄电池组的安装占用了较多的空间，并且使整车质量偏 大，有效负载减小。 1 2 3 混合动力汽车的结构形式 根据驱动系统的配置和组合方式不同，可将混合动力汽车分为串联式、并联 式和混联式3 种结构形式。不同的结构形式具备不同的特性。 ( 1 ) 串联式混合动力汽车 串联式是混合动力汽车结构形式中最简单的一种，其结构简图如图1 1 所示 发动机、驱动电动机和发电机共同构成了串联式混合动力电动汽车的驱动总 成。发动机通过机械连接带动发电机发电，发电机所发出的一部分电能使电动机 转动驱动车辆，另一部分用来给蓄电池组充电。关闭发动机，使用电池里的电能 2 武汉理工大学硕士学位论文 驱动电动机来驱动车辆，车辆便可以以零污染的工况行驶。 一机械连接 - - - - 电力连接 爵卜1 串联式混合动力汽车结构简图 串联式混合动力汽车有如下特点： 结构布局简单。串联式混合动力汽车的驱动系统多为电力连接，布置形式灵 活，且节约空间1 3 j 。 发动机通常处于高效工作区。发动机只是带动发电机发电，与驱动系统其他 部件为机械连接，因此发动机的选择多样，可以选择高效的燃气轮机。由于高效 发动机只负责带动发电机发电，这样通常发动机都处于高效工作区，相应的燃油 经济性高。 整车效率低下。能量的频繁转换带来的能量损失比较多，发电机将发动机的 机械能转换为电能，驱动电机将电能转换为机械能，发电机的一部分电能又由电 池转换为化学能，化学能再经蓄电池组转换为电能然后由驱动电机转换为机械 能，这些能量在转换的每个环节都会有部分损失，因此整车效率低下。 总体成本高。高功率的驱动电机及其所需相应较多的蓄电池数量使得成本明 显提高，整车质量也随之增加，燃油经济性随之降低。能量源的增多也导致系统 布局困难。 通常在低速与加速等工况下，串联式混合动力电动汽车的发动机处于高效工 作区，因而串联式混合动力汽车比较适合运行在道路情况复杂的城市路况和山区 路况。在排放要求较高的市区，串联式混合动力汽车可以在起步与低速时关闭发 动机以蓄电池组作为能量源带动电机驱动车辆，此时排放为零。若在市区以高速 行驶，则因电力传动效率不高而抵消了发动机燃油经济性高的优势，所以串联式 混合动力电动汽车只适合低速运行在市区路况和山区路况。 ( 2 ) 并联式混合动力汽车 并联式混合动力汽车由发动机、电动发电机两大部件总成组成，二者既可 以单独驱动车辆，又可以共同驱动车辆，实现功率的叠加，因此，这可以根据需 要，选择不同的驱动模式。发动机功率、电动发电机功率都约为整车最大驱动 3 武汉理工大学硕士学位论文 功率的o 5 1 倍，其结构如图1 - 2 。 电能匕令机械能+ 控制信号 图1 2 并联式混合动力汽车驱动系统结构简图 因为具备两套驱动系统，并且彼此的工作效率区间不同，所以混合动力汽车 在不同的工况下，具备不同的特点【4 l ： 燃油经济性比串联式高。并联式混合动力汽车的发动机可以通过机械连接 直接驱动车辆，因此能量损失较少，燃油经济性比串联式混合动力汽车的高。 因为发动机与驱动轮之问是机械连接，所以增大了发动机不处于高效工作 区的可能性。 整车质量与成本低。并联式混合动力汽车所用电机和发动机都是高效小功 率的，质量较小，并且电机既可以作为驱动电机又可以作为发电机，所用电池组 数量较少，因而整车质量与成本低。 动力性好。并联式混合动力汽车的发动机和电动机既可以单独驱动车辆又 可以一起驱动车辆，因而动力性好。 ( 3 ) 混联式混合动力汽车 混联式混合动力汽车的结构一般是基于并联式的结构再增加一套发电系统， 如此来自发动机的功率不只可以和来自电动机的功率叠加驱动汽车，还可以给蓄 电池组充电，转化成电能来驱动电机。在混联式混合动力汽车中，具有两种功率 叠加形式：转矩叠加与速度叠加。混联式驱动系统结构简图如图1 3 所示。它的 结构形式和控制方式充分发挥了两种驱动形式各自的优点。它在几种类型的混合 动力电动汽车中最符合混合动力电动汽车的优化思想，能够使发动机、发电机、 电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系 统工作在最优状态。混联式驱动系统在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方 式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。发动机发出的功率一 部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电 4 武汉理工大学硕士学位论文 能由控制器控制，输送给电动机或者电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合 装置传送给驱动桥。控制器根据油门踏板的开度，一方面控制电子油门的开启程 度【4 j ，另一方面确定发动机的动力用于直接驱动汽车部分和用于发电部分之间的 分配比例，准确控制并协调发动机和发电机驱动力，如果蓄电池电量下降，控制 器控制发电机发电为蓄电池充电。混联式混合动力汽车的结构形式和控制方式使 其具备下述特点： 图1 3 混联式混合动力汽车结构简图 行驶里程长。因为燃油经济性高，并且可以自给充电，所以其行驶里程长。 燃油经济性好，排放低。其结构形式和控制方式使发动机经常处于最佳工作 区，所以燃油经济性好，排放低。 具备了这些特点使混联式混合动力系统可以适用于各种路况和车型，因此也 是最适合大规模商业化的一种混合动力系统形式。 1 3 混合动力汽车研究与发展现状 1 3 1 国外的研究和发展状况 迫于资源和环境的压力，世界汽车制造商致力于开发出环保节能型汽车，基 于目前的电池技术水平，混合动力汽车被公认为是最好的过渡方案，在此情况下， 美国于1 9 9 3 年展开了新一代汽车伙伴计划，筹划在2 0 0 4 年推出可以量产的混合 动力汽车。同时，美国能源部与通用、克莱斯勒、福特等三大公司签订了为期6 年的混合动力汽车研发合同。1 9 9 7 年该计划已确定了技术方案，随后该方案为 美国2 1 个联邦实验室和5 0 多所大学采用并研究。1 9 9 8 年，三家公司分别展出 了样车，随后便推出了福特p r o d i g y 、通用p r e c e p t 、克莱斯勒d o d g ee s x 3 。在 混合动力汽车开发方面，欧洲也不甘落后，欧洲各大汽车制造商纷纷推出各自的 5 武汉理工大学硕士学位论文 混合动力汽车，法国标致先后推出了多款混合动力汽车。 丰田公司于1 9 9 7 年率先推出世界上首款量产的混合动力汽车普锐斯，并在 两年后出口北美地区与欧洲，普锐斯以其高燃油经济性、低排放、动力性强成为 混合动力汽车的典范。2 0 0 6 年，丰田公司针对北美市场有推出了4 款以现有车 型为蓝本改造而来的混合动力汽车，并且计划最终将混合动力应用于其所有车 型，于2 0 1 2 年达到生产1 0 0 万辆混合动力汽车的目标。本田也推出i n s i g h t 、c i v i c 等混合动力汽车，福特公司推出e s c a p e 混合动力汽车，克莱斯勒、通用、日产 和雪铁龙等公司也加大了混合动力汽车的开发力度。 2 0 0 9 年，各大汽车厂商纷纷推出新一代的混合动力汽车，福特开发出首款 可插式混合动力车，丰田推出新一代普锐斯，本田推出2 0 0 9 款本田i n s i g h t ，通用 推出世界上排量最大的混合动力车2 0 0 9 款凯迪拉克凯雷德，它采用了通用公司 的双模混合动力系统，大大提高了燃油经济性。奔驰公司推出了奔驰s 4 0 0 混合 动力轿车，动力性与内燃机车型相近，但燃油消耗却只有后者的一半。目前，混 合动力汽车以其高燃油经济性、低排放性能而成为人们购买汽车的首选，因此混 合动力汽车的市场化速度很快，大有取代传统汽车的趋势。 1 3 2 国内研究和发展情况 自2 0 世纪8 0 年代之后，在发达国家竞相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重点项且。现在在电动汽车研发水平方 面我国与发达国家有一定差距。我国的第一代具备商业价值的混合动力汽车已于 2 0 0 5 年通过论证和验收。后来，电动汽车的研发又被作为“八五一和“九五一 计划的国家科技攻关项目。1 9 9 6 年，广东汕头国家电动车试验示范基地建成。 另外，国内各大汽车企业也纷纷进行混合动力汽车的开发，。十五一期阿，一汽 集团接受了“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”与 “红旗混合动力轿车的研究开发任务，2 0 0 5 年一汽集匝将丰田混合动力系统 技术应用于自主品牌汽车，开发出具各量产价值的混合动力汽车，成为中国首家 混合动力汽车制造企业。国家混合动力汽车标准也于这一年正式实施。2 0 0 8 年，一汽奔腾、上海通用君越、长安杰勋、东风和北汽福田等混合动力汽车获得 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领先水平的比亚迪 双模电动汽车上市，这款混合动力汽车以性能优越的磷酸锂蓄电池为主要驱动能 量源，电池组电量不足时才开启发动机驱动汽车，具备更好的节能环保性能，其 动力性相当于3 0 l 的发动机动力性能。上汽集团也将在2 0 1 0 年年底上市荣威 7 5 0 混合动力轿车，其最高车速高达2 0 5 k m h ，最大行驶里程达到5 0 0 k m 。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 6 武汉理工大学硕士学位论文 正式上市。我国的混合动力汽车的研究和发展情况形势喜人f 。 1 4 我国发展混合动力汽车的机遇和挑战 在传统汽车技术研发方面，国内远落后于国外发达国家，为赶上发达国家的 汽车技术水平，我国采用了“市场换技术”的方式，通过与国外各汽车企业巨头 合资生产汽车，但是这些国外企业往往对核心技术采取强力的保护措施，使得我 国的汽车企业不但没有赶上发达国家的汽车技术水平，反而失去了自主品牌的研 发机遇和市场。随着中国经济的腾飞，国内汽车市场需求巨大，因此，国内汽车 企业大多都采用引进国外汽车企业已经非常成熟的产品直接组装或稍加改进的 方式生产汽车来满足这个巨大的市场，但是，这样也是国内企业严重依赖这些外 来品牌，削弱了企业对自主品牌的研发意愿和力度，国内企业也就成为国外汽车 巨头的组装车间。混合动力汽车的出现，给中国汽车产业带来了曙光，作为一种 新型汽车，混合动力汽车的技术和市场还处于一个发展的初始阶段，这是振兴中 国汽车产业的一个机遇。 自从世界上首款混合动力汽车丰田普锐斯上市以来，日本和欧美汽车企业在 混合动力技术方面已经基本成熟，并推出了多款技术相当成熟的混合动力汽车， 占据了世界混合动力汽车市场的巨大份额，并且这些汽车企业之间开展相互合作 进一步壮大了技术优势，进而设立短周期内生产大量混合动力汽车的计划。与此 同时，国内企业也纷纷推出自己的混合动力汽车研发计划与产品，但国内企业发 展自主品牌混合动力汽车存在处于优势地位的外企和合资企业的激烈竞争。因 此，混合动力汽车对国内企业来说不只是机遇也是巨大的挑战。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本课题的研究背景和意义，然后介绍了混合动力汽车的结构 类型及其优点和不足，结合国内外情况，说明了混合动力汽车在国内外的研究和 发展现状，指出了国内研究和发展混合动力汽车所面临的机遇和挑战。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力汽车的工作模式及原理 2 1 串联式混合动力汽车的工作模式及原理 发动机、电动机和发电机是串联式混合动力汽车的三大总成。发动机输出动力供 给发电机发电，发电机向电动机供电或者给蓄电池组充电，蓄电池组也可提供电 动机参与驱动车辆所需的电能。蓄电池组经控制器串连在发动机和电动机之i 可， 平衡功率，如果驱动车辆所需功率小于发电机的发电功率，那么控制器指令发电 机给蓄电池组充电；蓄电池通过控制器串接在发动机与电动机之阎，起功率平衡 作用，即当发电机的发电功率大于电动机所需功率时( 如减速。滑行，低速行驶 或短暂停车 ，控制器控制发电机向电池充电；而当发电机发出功率低于电动机 功率时( 如起步、加速、高速行驶、爬坡) ，电池就提供电能给电动机【5 j 。 串联式混合动力汽车驱动系统的工作模式分为： ( 1 ) 纯电动模式。在车辆负荷较小或者空载的情况下，蓄电池组单独向电动机供 电以驱动车辆，此时，发动机处于关闭状态，排放为零。其能量流动如图2 1 所示。 图2 - i 串联式混合动力汽车纯电动模式能量流动简图 ( 2 ) 纯发动机模式。车辆负荷较大，而车辆所需的驱动功率又不超过发动机的最 大功率时，发动机带动电机驱动车辆。此情况下的能量流动如图2 2 。 图2 - 2 串联式混合动力汽车纯发动机模式能量流动简图 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 混合驱动模式。车辆在启动、加速、爬坡等工况下，发动机带动发电机向电 动机供电，蓄电池组同时向电动机供电，此时，混合动力汽车的动力性达到 最佳，其能量流动如图2 3 所示。 图2 3 串联式混合动力汽车混合驱动模式能量流动简图 2 2 并联式混合动力汽车的工作模式及原理 与串联式混合动力汽车不同，并联式混合动力汽车具有两套既可以分别单独 驱动车辆，又可以协作共同驱动车辆的驱动系统，不同的系统驱动车辆时，具有 不同盼工作效率区间，在此情况下，并联式混合动力汽车的工作模式及能量流动 就有多种不同的形式【6 o ( 1 ) 纯电动模式。当车辆起步或者低速行驶时，关闭发动机，电动机具 各低转速大扭矩的特点，此时用动态特性好的电动机单独驱动汽车，能够使 发动机避开低效、高排放的工作区，因而使整车燃油经济性好、排放低。纯 电动工作模式下，能量流动如图2 - 4 。 图2 - 4 并联式混合动力汽车纯电动模式能量流动简图 ( 2 纯发动机工作模式。当车辆以高速平稳运行时，或者行驶在城市郊区等排放 要求不高的地方，可由发动机单独工作驱动车辆，在此情况下，发动机工作 在高效区，燃油经济性好，此时的能量流动如图2 - 5 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 并联式混合动力汽车纯发动机模式能量流动简图 ( 3 ) 混合驱动工作模式。当车辆急加速或者爬坡时，发动机和电机均处于工作状 态，电动机发出的功率辅助发动机使车辆急加速或者爬坡。这种情况下，汽 车的动力性处于最佳状态，此时，其能量流动如图2 6 所示。 图2 - 6 并联式混合动力汽车混合驱动模式能量流动简图 ( 4 ) 制动能量回收工作模式。当汽车减速或者制动时，利用电动机反拖作用既可 以有效辅助制动，又可以使电动机以发电机模式工作发电，然后给蓄电池组 充电，这样就可以提高能量利用率，进而提高燃油经济性，降低排放。此种 工作模式下的能量流动如图2 7 。 图2 7 并联式混合动力汽车制动能量网收模式能量流动简图 2 3 混联式混合动力汽车的工作模式及原理 混联式混合动力汽车的结构般是在并联式混合动力汽车结构的基础上，额 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 外加装套发电机构，于是发动机就可以与电动机实现功率叠加，共同驱动车辆， 而且发动机的额外功率还可以转化成电能给蓄电池组充电，这样就可以给电动机 供电驱动车辆。混联式混合动力汽车集成了并联式和串联式的优点，可以更灵活 的控制能量流动。混联式混合动力汽车的结构决定了其工作模式的多样性嘲： ( 1 纯电动工作模式。车辆起步或者低速行驶时，车速低于设定值，发动机不开 启，汽车由电动机单独驱动，此时的汽车的排放为零，等同于纯电动车。这 种工作模式下的能量流动如图2 - 8 所示。 图2 8 混联式混合动力汽车纯电动模式能量流动简图 ( 2 ) 发动机+ 发电机+ 充电工作模式。此模式下，行星齿轮机构将发动机功率分作 两部分，一部分直接传递给变速器，另一部分用来带动发电机发电，这些电 能直接供给电动机驱动车辆或者给蓄电池组充电。此工作模式下的能量流动 图2 9 混联式混合动力汽车发电机、发动机和充电模式能量流动简图 ( 3 ) 混合驱动工作模式。车辆在加速或者爬坡的工况下，发动机照常工作，发电 机和蓄电池组同时供给电动机电能，电动机与发动机一起驱动车辆。混合动 力汽车在以混合驱动模式行驶时，动力性相对较好，而燃油经济性相对纯电 动模式来说要差。混联式混合动力汽车在以混合驱动模式工作时的下的能量 武汉理工大学硕士学位论文 流动如图2 - 1 0 所示。 图2 1 0 混联式混合动力汽车混合驱动模式能量流动简图 ( 4 制动能量回收工作模式。与并联式混合动力汽车相似，当混联式混合动力 汽车减速或者制动时，利用电机的反拖作用既可以有效辅助制动，又可以使 电动机以发电机模式工作发电，然后给蓄电池组充电，这样就可以提高能量 利用率，进而提高燃油经济性，降低排放。此种工作模式下的能量流动如图 2 - il 。 图2 i1 混联式混合动力汽车制动能量回收模式能量流动简图 2 4 本章小结 本章对串联式、并联式、混联式混合动力汽车的工作模式与工作原理作了简 要的说明，并简要分析了这三种结构模式的混合动力汽车的能量流动途径，并指 明各种工作模式里各部件之间的工作状况关系以及其必要性。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章混合驱动系统控制策略的研究状况 作为混合动力汽车技术的关键与核心，控制策略依据各种工况下驱动车辆的 要求，决定发动机、电机和蓄电池组的功率和能量输出及分配，以在最低的整车 成本的前提下达到动力性、燃油经济性和排放的最佳目标。 3 1 串联式混合驱动系统控制策略的研究状况 串联式混合动力汽车的发动机只是驱动发电机发电，产生的电能供给蓄电池 组充电或者驱动电动机，因此，发动机的工作与车辆的行驶工况没有直接的关系， 所以串联式混合驱动系统控制策略的目标就是让发动机工作在最佳效率和捧放 区，一些优化了的策略是在此基础上综合考虑驱动系统的总体效率。现有的串联 式混合驱动系统的控制策略主要有恒温器控制与功率控制等两种策略m 。 ( 1 ) 恒温器控制策略。 给蓄电池设定一个表明应该充电时的s o c 门限值，如果蓄电池的s o c 值下降至 这个门限值，那么开启发动机，并使发动机恒功率工作在油耗最低和排放最低工 作区，此时发动机除带动发电机发电，一部分电能供电动机驱动车辆，其余部分 给蓄电池组充电，直到蓄电池s o c 值高过门限值，此时发动机停止工作，蓄电池 组提供电能给电动机以驱动车辆。这种控制策略对于蓄电池组的功率要求很高， 并且频繁的能量转换也会带来发动机功率损失。 ( 2 功率跟随式控制策略。 该控制策略下，发动机的开关以及功率输出情况都由蓄电池组的荷电状态 s o c 值与负荷情况决定，这样做是为了满足车辆的功率需要。当车辆所需功率小 于发动机的输出功率时，使发动机保持在最小输出功率工作状态；当s o c 值高于 蓄电池s o c 门限值时，车辆的功率需要不大于蓄电池组容量却超过发动机的最大 输出功率，就使发动机保持最大输出功率工作状态。这也就是说发动机的功率时 刻跟随车辆需要功率而变化。此控制策略下，蓄电池的能量转化不再频繁，能量 损失也就明显降低，但也使发动机的工作区问变大，无法保持在最佳工作区，从 而影响了发动机的燃油经济性与排放。 这两种模式比较而言，恒温器控制策略，发动机通常在最佳油耗点左右工作， 功率跟随式控制策略，发动机一般在最佳经济性左右工作，通过比较可以得知恒 温器式控制策略下的发动机具有较高的平均效率，而功率跟随式控制策略下的发 动机具有更好的动力性与燃油经济性，因此可以将这两种控制策略有机结合使 用，令发动机与蓄电池都工作在高效工作区。例如，车辆处于加速工况时，在满 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 足驱动功率需求的前提下，尽量使车辆对蓄电池的峰值功率需求下降，达到延长 蓄电池的使用寿命的目的，可以采用功率跟随式控制策略；在车辆驱动功率需求 较低时，发动机会处于低效工作区，采用恒温器式控制策略即可使发动机避免处 于低效工作区，从而提高燃油经济性。 这两种控制策略中，蓄电池的荷电状态s o c 值是一个关键因素，如何准确估 算这个值，以及怎样去评价蓄电池的高效工作区是车辆控制策略准确实施的首要 条件。 3 2 并联式混合驱动系统控制策略的研究状况 与串联式相同，并联式混合动力汽车的控锘i j 策略也处于不成熟的阶段，优化 的空间依然很大。并联式混合动力汽车的控帛4 策略多是以车速与驱动车轮的平均 功率以及加速踏板的位置等为参数，根据特定的法则令电动机与发动机输出一定 的功率来驱动车辆。并联式结构比串联式复杂，因此并联式混合动力汽车的控制 策略相应也较为复杂，主要有下述几种【s 】： ( 1 ) 以车速为主要控制参数的控制策略。顾名思义，此控制策略是以车辆的 速度为控制参数，把车辆的工作模式分为发动机和电动机混合驱动、电动机单独 驱动、发动机单独驱动等三种形式。设定一个车速值v o ，如果汽车速度v 。 v o ，则电动机关闭，发动机启动单独驱 动车辆；当车辆处于爬坡、急加速等较大负荷的工况时，单独由电动机或者发动 机驱动车辆已不合时宜，此时电动机与发动机共同驱动车辆。这种控制策略的优 点就是利用电动机低速扭矩大的特点，使发动机保持在高效工作区工作。此控制 策略中的速度值不但可以设为一个定值，也可以设为与蓄电池放电深度相关的一 个函数。由此，美国的博尔特等人设计出另一种以车速为控制参数的控制策略， 若车速v 。较小时，电动机单独驱动车辆；若车速v ： v o ，就采取发动机与电动机 共同驱动车辆的模式。此模式下，发动机节气门开度固定提供车轮所需的静态驱 动功率，电动机则提供车轮所需的动态驱动功率。提高决定着发动机开启与否的 设定车速，这样就能减少发动机的开启时问，使发动机处于关闭状态的时间延长， 进而大幅减少发动机的排放。此控制策略对电机和蓄电池有较大的功率要求，较 大功率的电机和蓄电池会增大汽车的质量和成本。此策略的另一个缺点就是车速 较低时发动机不开启，这就影响到了蓄电池组的核电状态s o c 值，所以此策略中 还需对蓄电池的s o c 值进行监控，若s o c 值降到设定的门限值，则直接开启发动机。 ( 2 ) 以功率为控制参数的控制策略。给驱动轮设定一个功率固定值p o ，车辆行 驶时，如果驱动轮的平均功率p u p 0 ，那么就关闭电动机，开启发动机，由发动机单独驱动车辆；如果驱动轮的平 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 均功率需求超过发动机的最大功率，则开启电动机，协助发动机共同驱动车辆。 与以速度为控制参数的控制策略相同，以功率为控制参数的控制策略也有发 动机与电动机联合驱动车辆的混合动力行驶工况。当车辆所需驱动功率较高时发 动机与电动机就会联合驱动车辆，而此时车辆的控制策略有：电动机与发动机所 发出的功率随加速踏板的位置而改变，从而满足驱动车辆的功率需要；发动机工 作在具有较大功率的低油耗工作区，电动机提供功率辅助驱动车辆；发动机在电 动机功率达到最高值时启动等三种模式。这两种策略相对简单易行，但部件之阃 的匹配无法保障达到最佳，也就不能实现整车效率最大，因而需要将控制策略优 化。 目前混合动力汽车控制研究中用到的控制策略有基线控制、模糊控翩、实时 最优控制等。第五章中将详细比较分析这三种策略。 3 3 混联式混合驱动系统控制策略的研究状况 混联式混合动力汽车的结构比串联式和并联式都要复杂，因而其控制策略也 相应较为复杂，现有的控制策略主要有以下几种【9 j ： ( 1 ) 发动机恒定工作的控制策略。以发动机为主动力源是混联式混合动力汽 车控制策略的特点，为使车辆获得足够的驱动功率，蓄电池组和电动机辅助发动 机驱动车辆。为使发动机工作在最佳工作区，就要保证发动机转速不受车速变化 的影响，而行星齿轮机构就成功的解决了这个问题。发动机转速不受车速变化的 影响，那么发动机就可以提供不变的输出转矩，电动机贝i j 提供剩余的转矩。也就 是电动机提供驱动车辆所需功率的动态部分，这样就能保障发动机不必频繁进行 调节，从而提高了发动机的效率。 ( 2 ) 发动机最佳工作曲线控制策略。为实现对整车和发动机的控制，把发动 机的万有特性曲线进行动态调整，跟随驱动条件决定的发动机最佳工作曲线，这 就是发动机最佳工作曲线控制策略的思想。该控制策略中，发动机始终工作在最 佳油耗曲线上，当转矩或者功率升至设定的极限值时，发动机开启。发动机工作 点只有在蓄电池组无法满足发电机电流需要或者蓄电池在限制内无法满足电动 机驱动电流需求的情况下才会调整。详细的分析该策略，汽车在车速或者功率达 到设定值时，工作模式由纯电动换成发动机作为主动力源的混合驱动工作模式， 此工作模式下，发动机一般在最优曲线上工作，电动机负责补充发动机输出功率 和车辆需求功率之间的差值，辅助发动机驱动车辆，如果蓄电池s o c 值过低或 者过高以及电动机的最大补充功率小于车辆所需功率，那么发动机的就无法在最 二佳工作曲线上工作，会发生偏离。为了保证蓄电池的工作寿命与效率，混合动力 汽车都将蓄电池的s o c 值控制在一定的范围内，也是控制策略里一个重要的规 15 武汉理工大学硕士学位论文 则。对于s o c 值的控制一般有s o c 门限值与工作模式切换点等两种方式。s o c 门限值将s o c 值的变化控制在一定的范围内，当s o c 值到达门限值时，发电机 向蓄电池组充电或者发电机停止向蓄电池组充电，这样就可以保证蓄电池的工作 寿命；工作模式切换点根据s o c 值的大小，实时变动从纯电动工作模式到混合 驱动工作模式时的切换点，如果s o c 值偏低，那么就降低纯电动工作模式的时 间，如果s o c 值偏高，那么就增加纯电动工作模式的使用时间。这两种s o c 值 的控制方式和发动机最佳工作曲线控制策略共同形成了混联式混合动力汽车的 发动机最佳工作曲线控制策略。 ( 3 册时优化控制策略。该控制策略是依据发动机最佳工作曲线控制策略的 基本思想，优化混合动力汽车一定工况下整体驱动系统的优化目标，再根据优化 得到的驱动系统的瞬时最佳工作点，动态分配所有的状态变量参数。名义油耗一 般是瞬时优化控制策略的控制目标，瞬时优化控制策略中将电动机的能量损失转 化为发动机盼燃油消耗，就可以形成电动机能量损耗图，与电动机的能量损失对 等的转化了的电动机的等效燃油消耗与发动机的实际燃油消耗相加就是名义油 耗。该控伟i j 策略下，驱动系统以名义油耗最小为控制日标，动态选择传动比与分 配转矩。另外，优化控制混合驱动系统瞬时功率损失的瞬时优化控制策略中，除 油耗曲线外，蓄电池的s o c 值也是发动机工作点设定的影响因烈1 0 i 。 ( 4 ) 全局优化控制策略。该控制策略的计算方法是预定某个特定驾驶循环或 者蓄电池和发动机的状态，再依据现状，计算实现目标状态的最优路线。全局优 化控制策略已经设定的驾驶循环下最优控制理论将电动机和发动机的动力输出 进行动态分配，进而实现使油耗等目标的最佳。由于全局优化算法需要进行大量 数据的计算，实现起来比较困难，因此必须改进以便应用至i j 混合动力汽车的控私 上，改进的方法是把全局优化的控制目标分成局部优化目标。目前较好的最优控 制理论主要是变分法、动态规划法与极小值原理等。贝尔曼动态规划理论是当今 混合动力汽车普遍采用的最优控制方法。贝尔曼动态规划是将控制对象的一个过 程按照时间先后划分成几个阶段，将复杂的决策分化成很多段，接着由最末一段 逆向递推到第一段，这样就能得到最优的策略。对于混合动力汽车来说，用状态 方程说明系统发展，电池s o c 值作为状