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电电混合动力电动汽车的建模与仿真 摘要 在解决汽车排放与能源短缺问题上，电动汽车技术是目前研究的一个热点， 而在电动汽车所包含的纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车中 混合动力电动汽车作为一种过渡车型最易实现商用化，以蓄电池作为主动力源 大容量电容器作为辅助动力源所构成的混合动力电动车又能从根本上解决汽车 排放与能源短缺问题，因此研究电电混合动力电动车具有重要意义。 本论文研究了电一电混合动力电动汽车的工作原理和工作模式，选择了合理 的系统结构，对整车主要部件的参数匹配进行了设计与研究，建立了整车能量 传递模型，对适用于电一电混合动力电动汽车的控制策略进行了研究分析。运用 m a t l a b s i m u l i n k 软件构建了电一电混合动力电动汽车各部件的模型，包括蓄电 池模型、超级电容模型、电动机模型以及车身模型，此外建立了在固定因子功 率分配控制策略与模糊控制策略下的整车仿真模型。通过仿真对比分析选择了 最佳的固定因子功率分配控制策略，然后针对最佳的固定因子功率分配控制策 略以及模糊控制策略在城市六循环行驶工况与美国u d d s 行驶工况下分别进行 了仿真对比分析，结果表明，模糊控制策略在提高车辆的行驶经济性方面更胜 一筹，同时通过仿真分析可以得知模糊控制策略在不同的行驶工况下，对车辆 行驶经济性影响有所不同。本论文对电一电混合动力电动汽车系统结构的确定， 各项性能参数的设计与匹配，能量管理策略的确定等前期的设计工作有重要意 义。 关键词：电动汽车；双能量源；能量分配；控制策略；仿真分析 m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ew i t h b a t t e r y u l t r a c a p a c i t o rd u a le n e r g ys o u r c e a b s t r a c t i nr e s o l v i n gt h ei s s u eo fv e h i c l ee m i s s i o n sa n de n e r g ys h o r t a g e s ，t h ee l e c t r i c v e h i c l et e c h n o l o g yi sah o t s p o ti nt h ec u r r e n ts t u d y o fa l lt h ee l e c t r i cv e h i c l e s c o n t a i np u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ea n df u e l c e l le l e c t r i c v e h i c l e ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ea s at r a n s i t i o n a lm o d e lm o s tl i k e l yt oa c h i e v e c o m m e r c i a l i z a t i o n t h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ew i t hb a t t e r ya st h em a i np o w e r s o u r c eo fp o w e ra n du l t r a c a p a c i t o ra sa na u x i l i a r ys o u r c eo fp o w e rc a n f u n d a m e n t a l l ys o l v et h ep r o b l e mo fv e h i c l ee m i s s i o n sa n de n e r g ys h o r t a g e s ，s ot o s t u d yt h i sk i n do fe l e c t r i cv e h i c l ew i t hb a t t e r ya n du l t r a c a p a c i t o ra st h es o u r c eo f p o w e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rs t u d i e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dw o r k i n gm o d eo ft h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ew i t ht h ee n e r g ys o u r c eo fb a t t e r ya n du l t r a c a p a c i t o r ，s e l e c t sa r e a s o n a b l es y s t e ms t r u c t u r e ，d e s i g n sa n dr e s e a r c h e st h em a t c h i n gp a r a m e t e ro ft h e m a i nc o m p o n e n t so ft h ev e h i c l e ，e s t a b l i s h e st h ee n e r g yt r a n s f e rm o d e lo ft h e v e h i c l e ，r e s e a r c h e sa n da n a l y s e s t h ec o n t r o l s t r a t e g y f o r t h e h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e b u i l d st h ec o m p o n e n t sm o d e lo ft h ev e h i c l eu s i n gt h e s o f t w a r eo f m a t l a b s i m u l i n k ，i n c l u d i n gt h eb a t t e r ym o d e l ，u l t r a c a p a c i t o rm o d e l ，m o t o rm o ，d e l a n db o d ym o d e l a l s ob u i l d st h ew h o l ev e h i c l em o d e lu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e f i x e df a c t o rc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y s e l e c t st h eb e s to n eo f t h ef i x e dc o n t r o ls t r a t e g yt h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs i m u l a t i o n ，t h e n c o m p a r a t i v e l yt oa n a l y s et h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ef i x e df a c t o rs t r a t e g ya n dt h e f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yu n d e rt h eu r b a nd r i v i n gc y c l e6a n dt h ea m e r i c a nu d d s d r i v i n gc y c l e t h er e s u l t ss h o wt h a tf u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi sb e r r e rt oe n h a n c et h e v e h i c l e se c o n o m y ，a l s of u z z yc o n t r o ls t a t e g yh a sd i f f e r e n te c o m o m i ci m p a c tf o rt h e v e h i c l eu n d e rd if f e r e n td r i v i n gc y c l e s t h i sp a p e ri s o fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h e w o r k o ft h e e a r l yd e s i g n ，s u c h a s d e t e r m i n i n g t h es t r u c t u r e o ft h e s y s t e m ，p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dc o n t r o ls t r a t e g yo fe n e r g y k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；d u a l e n e r g ys o u r c e ；e n e r g yd i s t r i b u t i o n ；c o n t r o l s t r a t e g y ；a n a l y s i so fs i m u l a t i o n 插图清单 图2 1 铅酸蓄电池理论模型9 图2 2 铅酸蓄电池阻容模型1 0 图2 4 电动机种类1 4 图3 1 蓄电池一超级电容器混合驱动系统结构1 6 图4 1 蓄电池一超级电容双能量源汽车功率传递模型2 6 图4 2 基于m t la b s i m u li n k 固定因子控制策略仿真模型2 9 图4 3 模糊控制系统基本结构3 0 图4 4 模糊控制原理图3 0 图4 5 模糊控制器类型3 0 图4 6p v f h ( t ) 的论域3 3 图4 7s o c r a t ( t ) 的论域3 4 图4 8 。如g ，r ( t ) 的论域3 4 图4 9k 附( t ) 的论域3 4 图4 1 0r 阴、s o c b a t 输入与k 朋，输出之间关系3 5 图4 一l1 尸v 明、战) c k 输入与k 朋r 输出之间关系3 5 图4 1 2 基于m a t l a b s i m u l i n k 的模糊控制策略功率分配模型3 5 图5 一l 基于固定因子控制策略的整车系统仿真模型3 8 图5 2 基于模糊控制策略的整车系统仿真模型3 8 图5 3 车身仿真模型3 8 图5 4 电动机仿真模型3 9 图5 5 电池等效电路3 9 图5 6 蓄电池仿真模型4 1 图5 7 蓄电池端电压和内阻模块4 l 图5 8 蓄电池功率限制模块4 2 图5 9 蓄电池工作电压和电流计算模块4 2 图5 1 0 蓄电池s o c 计算模块4 2 图5 1 l 蓄电池仿真结束模块4 3 图5 1 2 超级电容的内阻模型4 3 图5 13 超级电容内阻模块4 3 图5 一1 4 超级电容端电压和电流计算模块4 4 图5 15 超级电容s o c 计算模块4 4 图5 16 城市六循环工况4 6 图5 一1 7 美国u d d s 城市循环工况4 6 图5 1 8 采用方案l 、2 、3 蓄电池与超级电容的s o c 变化4 7 图5 1 9 采用方案4 、5 、6 蓄电池与超级电容的s o c 变化4 7 图5 2 0 采用方案7 、8 、9 蓄电池与超级电容的s o c 变化4 8 图5 2 1 最佳固定因子分配策略方案6 下能量消耗率随行驶时间的变化4 8 图5 2 2 最佳固定因子分配策略方案6 下能量消耗率随行驶路程的变化4 9 图5 2 3 模糊控制策略下蓄电池与超级电容s o c 的变化4 9 图5 2 4 模糊控制策略下能量消耗率随行驶路程的变化4 9 图5 2 5 模糊控制策略下能量消耗率随行驶时间的变化4 9 图5 2 6 固定因子控制策略蓄电池与超级电容的s o c 变化5 0 图5 2 7 固定因子控制策略车辆的百公里能量消耗率随时间的变化曲线5 0 图5 2 8 固定因子控制策略车辆的百公里能量消耗率随路程的变化曲线5 0 图5 2 9 模糊控制策略蓄电池与超级电容的s o c 变化5 1 图5 3 0 模糊控制策略车辆的百公里能量消耗率随时间的变化曲线5 l 图5 3 l 模糊控制策略车辆的百公里能量消耗率随路程的变化曲线5 1 插表清单 表2 1 蓄电池分类8 表2 2 超级电容与蓄电池的特点比较1 2 表2 3 不同类型电动机的优缺点及应用1 4 表3 一l 某传统车辆m p v 的整车技术参数2 2 表3 2 电一电混合动力电动汽车的整车的技术参数2 2 表3 3 参数小结2 5 表4 1 电一电混合动力电动汽车的工作模式2 7 表4 2 模糊控制规则表3 4 表5 一l 蓄电池开路电压表4 0 表5 2 九种功率分配策略调整方案4 6 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： 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，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 佥蟹些厶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2 1 2 作的i - q 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。 学位论文作者签字：稍牌字日期：乙。年午月冲日 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 佥目巴兰些盍堂有关保留、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 金旦巴王些太堂 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) 一虢前磷 签字日期：b f 口年午月叶日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 孔。炎 签字日期：弘肜年钇月毕日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在尊敬的导师孙骏副教授的悉心指导和帮助下完成的。从论文的 选题、课题的研究，论文的撰写，每一步都倾注着孙老师的大量心血。三年来， 孙老师给予了我很多耐心的指导和帮助，使我受益匪浅。孙老师严谨求实的科 学态度，渊博的专业知识，忘我的工作热情以及对工作一丝不苟的态度，永远 是我学习的榜样，在此，特向我的导师孙老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 同时，感谢机汽学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理论基 础，并创造了许多必要条件和学习机会。 感谢父母在生活上和精神上的大力支持。 感谢蒋伟龙、熊小根等全体3 班同学对我研究工作的帮助、关心和鼓励。 作者：郝东辉 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 内燃机车，尤其是汽车自诞生一百多年以来为人类的文明发展做出了巨大 贡献，已经成为人们生产和生活中不可缺少的交通工具；汽车工业也已经成为 大多数工业国的支柱产业，因为汽车工业的发展能够带动整串产业链的发展， 包括石油化工、钢铁冶金、有色金属材料、橡胶工业、电子工业、纺织工业、 机器制造业等的发展，并能促进城市的市政建设以及与汽车有关的第三产业的 发展。在我国随着国民经济的健康稳定持续发展，人民生活水平的逐步提高， 汽车必将越来越多的进入千家万户。 然而，全世界大量汽车的使用，已经产生并正在继续引发严重的环境与人 类生存的问题。汽车尾气中会产生大量的氧化氮化合物( n o ，) 、一氧化碳( c o ) 和未完全燃烧的碳氢化合物( h c ) ，所有这些物质对周围环境造成破坏对人的 健康形成严重威胁。氮氧化合物中的二氧化氮( n o ，) 造成酸雨，导致森林破坏， 对由大理石建造的历史遗迹产生剥蚀作用；一氧化碳( c o ) 对人和动物而言一 旦被吸入则意味着中毒，最初会使人眩晕，但能迅速导致人死亡：未完全燃烧 的碳氢化合物( h c ) 与空气中的n o 相互作用会产生臭氧及其它生成物，臭氧无 色但非常危险，当其侵入生命体的表层时，能引发生命体早熟或致死，每年被 污染城市中都会有因高臭氧峰值而导致的死亡报告。近年来由于二氧化碳的大 量排放引发“温室效应 导致全球变暖的问题也越来越受到专家学者等世人的 关注，据统计资料表明运输工具是二氧化碳排放的主要来源，随着世界上各种 汽车保有量的增加使得这一问题更加严重 1 1 。石油资源是不可再生资源，汽车 每年对石油的消耗约占世界石油产量的一半，随着每年石油资源的大量消耗， 石油资源将日渐枯竭，若按照目前的石油消耗水平，据科学家预测石油资源仅 仅可以维持6 0 1 0 0 年，2 1 世纪以来因石油短缺价格上涨对世界经济的发展已 产生巨大影响，人类必将面临石油资源日益短缺的危机和挑战! 为了节约能源减少排放，世界各国制定和颁布了越来越多严格的排放法规， 尽管燃油汽车在技术上采用了很多技术使其向高效节能低排放性上转化，然而 难以从根本上解决汽车排放与能源短缺问题。这使得电动汽车技术成为人们研 究的热点。而在电动汽车所包含的纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池 电动汽车中混合动力汽车作为一种过渡车型最易实现商用化，以蓄电池作为主 动力源大容量电容器作为辅助动力源所构成的混合动力电动车又能从根本上解 决汽车排放与能源短缺问题，因此研究电电混合动力电动车具有重要意义。 采用计算机仿真技术可缩短研发时间。通过建立系统的数学模型和仿真模 型并对其实际工作状况进行仿真分析，能够很好的预测系统将来的工作性能， 从而不但可以灵活的修改设计方案，优化设计参数，而且可以降低研发费用， 节约开发周期。 1 2 电动汽车发展综述 1 8 3 4 年，苏格兰人德文博特( t h o m a sd a v e n p o r t ) 制造了第一辆电动三轮 车，它由一组不可充电的干电池驱动，但只能行驶一小段距离。1 8 8 1 年，在法 国巴黎街上出现了世界上第一辆可充电电池为动力的电动汽车，它是法国工程 师乔伍( g u s t a v et r o u v e ) 制造的以铅酸电池为动力的电动汽车f 2 j 。 到目前为止，电动汽车的发展共经历了三次发展浪潮。第一次浪潮： 1 8 8 5 1 9 1 5 年期间电动汽车进入早期发展的黄金时代。在1 9 1 2 年电动汽车的早 期商业生产达到高峰，当时美国就有3 0 0 多家企业，后来，由于电动汽车存在 续驶里程短、充电时间长等缺点，在当时的条件下不能很好解决，故动力性较 好内燃机技术迅猛发展，1 9 世界末2 0 世纪初发现了大量的油田，使得内燃机 车取代了电动汽车。第二次浪潮：直到2 0 世纪7 0 年代，由于两次石油危机和 中东战争以及地球的生态环境的不断恶化，节能和环保成为汽车发展的两大主 题。降低燃油消耗、开发零排放或低排放的汽车成为当时各国汽车工业共同研 究的课题。第三次浪潮：2 0 世纪8 0 年代初美国加利福尼亚州立法强制推行零 排放政策，世界上很快兴起了一场电动汽车的研究开发热潮，世界经济强以及 各个著名汽车公司都开始加强电动汽车的研究，也都取得很大成就【3 】。 1 2 1 混合动力电动汽车国内外发展现状 按照驱动能源的不同电动汽车主要分为纯电动汽车、混合动力电动汽车以 及燃料电池电动汽车三大类1 4 1 。单纯以动力电池作为动力源的纯电动汽车是一 种可以实现“零排放 的汽车。但由于受到电池技术的制约，其动力性和续驶 里程无法与燃油汽车相比，难以达到实用化商业化的程度。以氢气为燃料的燃 料电池汽车虽然是电动汽车商业化的一个希望，但由于燃料电池不可逆，单纯 使用燃料电池作为动力源，燃料电池电动汽车在制动和减速时无法实现能量回 收，另外氢气的制取存储运输、燃料电池汽车的启动也是有待解决的问题。 混合动力汽车有两套动力转换系统，分主动力源和辅助动力源，其组合有 多种形式：蓄电池( 或超级电容) 和燃油机( 汽油机或柴油机) 混合；蓄 电池( 或燃料电池) 和超级电容混合；蓄电池( 或燃料电池) 和超高速飞轮 混合；蓄电池和燃料电池混合；蓄电池和蓄电池混合等。 蓄电池和发动机混合动力汽车目前在技术上取得了重大进展，国外各大公 司开发了多种成熟的混合动力车型。德国的奥迪公司、宝马公司、奔驰公司， 美国的克莱斯勒公司、福特公司、通用公司，日本的本田公司、三菱公司、尼 桑公司、丰田公司，以及意大利的菲亚特公司，瑞典的沃尔沃公司，法国的标 志公司，都成功的将混合驱动系统运用于电动汽车的开发。1 9 9 7 年日本丰田公 2 司等率先推出p r u i s 牌混合驱动电动车，日本本田公司推出i n s i g h t 和c v i c i 两 款混合动力电动车，在经济性和排放性上取得了良好的成绩。美国的三大汽车 公司在1 9 9 8 年按期推出了三款混合动力轿车，通用的p r e c e p t ，福特的p r o d i g y 克莱斯勒的d o d g ye x s 3 ，德国大众公司推出a u d id u o 。 不过，此种混合电动汽车受到发动机的束缚，难以从根本上解决汽车排放 与能源短缺问题。在众多混合驱动系统方案中使用超级电容作为蓄电池或燃料 电池系统的辅助动力源，和蓄电池或燃料电池联合工作，组成混合驱动系统方 案备受人们关注，被认为是解决问题的最佳组合之一，采用这种方案有如下优 点： ( 1 ) 充分利用了电动汽车各种车载动力源的优点，实现了电动汽车对能量 和功率要求的分离，即电动汽车可同时使用蓄电池燃料电池高比能量的能源和 使用超级电容高比功率的能源。 ( 2 ) 超级电容器在“充电一放电 的过程实现电能一电能场一电能的转换， 整个过程没有任何化学反应，不需要高速旋转的飞轮，没有任何噪声，也不存 在对周边环境的污染，结构简单、质量轻、体积小、使用寿命长，是一种更加 理想的储能器。 ( 3 ) 超级电容器能够实现快速充放电，能够发挥负载均衡作用，降低电池 的放电电流从而可提高电池的可利用能量、使用寿命。同时超级电容可以迅速 高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能。由于超级电容的载荷均衡和能量回 收作用，车辆的行驶历程得到极大地提高。 在超级电容和蓄电池组成的混合驱动系统的研发上，f i a t ( 菲亚特) 电动 车使用铅酸电池和超级电容组成蓄电池一超级电容混合驱动系统并进行了测试， 在不改变整个储能系统总质量的前提下，测试结果表明，对郊区和市区行驶工 况可分别节能4 0 和2 0 。后来日本c h o g o k u 电力公司和丰田工地研发中心合作 在m a z d ab o n g of r i n d e e 上安装了阀控铅酸电池和p a n a s o n i c ( 1 6 0 0 f ，2 3 v ) 超级电容组成混合驱动系统，进行了性能测试。此外瑞士h t al u c e r n e 研发了 “l e i c h t h y b r i di 后来命名为蓝色天使及“l e i c h t h y b r idi i 。在美国，加里 福尼亚燃料电池合作伙伴采用了超级电容和燃料电池混合驱动系统联合驱动一 个6 0 k w 的牵引电机，研发了h o n d af c x - v 3 客车，它能恢复全部再生功率且可 以几乎无限制的反复储存能量到电容器中。 我国也是研制电动汽车较早的国家，上世纪2 0 年代在我国上海就出现了蓄 电池电动汽车，但电动汽车的真正发展却是在近些年。在“八五”和“九五” 期间国家科委已经将电动汽车项目正式列入国家重点攻关计划。“十五期间”国 家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力，实现我国汽车 工业跨越式发展的战略高度考虑，设立“电动汽车重大科技专项”，2 0 0 1 年1 0 月2 日，中国“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项可行性研究报告在科技部组织召开 的论证会上获得与会专家的一致通过。这标志着对中国汽车产业发展具有重大 战略意义的电动汽车专项正式启动。到目前为止这一重大科技专项已经取得了 不少成果，包括已研发出具有我国自主产权的纯电动轿车和客车，混合动力轿 车和客车，燃料电池轿车和客车的实用化样车，并分别按照相关的规程初步完 成道路试验和可靠性工况试验，性能指标不断提高。 1 2 2 混合动力电动汽车国内外研究手段 室内台架模拟试验、室外道路实车试验( 包括道路试验和试验场试验) 和 计算机仿真试验是目前国内外混合动力电动车研发常采用的手段【5 】。 汽车室内台架模拟试验一般是在实验室内的底盘测功机上直接进行试验和 台架模拟试验两种形式。主要是通过模拟汽车行驶时作用在发动机或电机输出 轴上的实际负载，再现汽车行驶中的起步、换挡、变速、制动等过程，理论上 可以达到与室外道路实车试验完全相同的效果，可以灵活地进行汽车的动力性、 能耗与续驶里程、制动能量回收等试验的研究。 室外实车试验包括道路行驶试验和试验场试验，它是指在实际使用的道路 或专门的试验场地上对汽车进行的各种操作来观察和检验汽车的运动状况，是 探讨汽车运动特性和检验汽车性能最直接最准确的方法。 计算机仿真试验按照根据仿真过程中控制信号与能量流的传递路径不同， 分为前向仿真与后向仿真。前向仿真则是在试车系统组装前，通过对已选定的 部件进行详细设计和动态模拟，在寻求并优化与之相匹配的整车控制策略的原 则指导下，适当改进相应部件的设计参数，以达到整车性能满足设计要求的目 的。后向仿真一般被用于初期的系统预估，即对所需开发的电动汽车整车结构 及相应的控制策略做初步的筛选与评估。 三种电动汽车的研究手段相比较，采用计算机仿真具有良好的可控性、无 破坏性、安全性( 不受环境制约) 可重复性和经济性、费用低、周期短等特点， 成为一种快速开发的基本手段。 国外对混合动力电动汽车的仿真研究早在上世纪7 0 年代就已开始，并陆续 产生了一些仿真程序，主要有以下几种【4 】： ( 1 ) s i m p l e v 美国能源部爱达荷国家工程实验室基于d o s 环境歼发了s i m p l e v 3 1 版 本，主要用来对传统汽车、纯电动汽车、串联和并联式混合动力电动汽车性能 的仿真。此软件以循环行驶工况作为汽车仿真模型的输入，然后计算出汽车在 此行驶工况下所需要的功率( 考虑各个零部件的工作效率) 。 ( 2 ) p s a t p s a t ( p n g vs y s t e ma n a l y s i st o o l k i t ，p s a t ) 系统分析工具包软件是美国 a r g o n n e 国家实验室( a r g o n n en a t i o n a ll a b o r a t o r y ，简称a n l ) 在美国福特、 通用和戴姆勒一克莱斯三大汽车公司的指导和资助下开发的。此软件采用前向仿 真算法，这种算法比后向仿真精确，但仿真速度比采用后向仿真的软件仿真速 度慢很多。 ( 3 ) a d v i s o r a d v i s o r 是由美国国家可再生能源实验室基于m a t l a b s i m u l i n k 开发的仿 真软件，它的图形可以使用户很方便地改变汽车的模型参数，而不需要修改 s i m u l i n k 代码。纯电动汽车、串联式或并联式混合动力电动汽车以及传统的内 燃机汽车均可用该软件仿真。此外用户可自己定制循环工况，它的仿真结果可 包括燃油经济性、排放、加速性能和爬坡度等。 ( 4 ) a m e s i m a m e s i m ( a d b a n c e dm o d e l i n ge n v i r o n m e nf o rs i m u l a t i o no fe n i n e e r i n g s y s t e m ) 是法国i m a g i n e 公司开发的用于工程系统建模，仿真和动态性能分 析的软件。在汽车仿真方面，它不仅能进行传统燃油车的仿真分析，同时该软 件也能完成纯电动、混合电动汽车的仿真。它与s i m u l i n k 、a d a m s 、s i m p a c k 等多种仿真软件具有接口，能联合完成复杂系统的仿真。 就目前而言，国内基本上还没有较系统和成熟的h e v 软件。大部分关于 h e v 建模与仿真方面的文章是在参考a d v i s o r 内部成熟的动力系统模型基础上 基于m a t l a b s i m u l i n k 平台进行开发和研究。 1 3 电动汽车的关键技术 电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、信息技术、电子技术和化 学技术等。不仅电源技术至关重要，而且车身技术、电力驱动、能量管理系统 和系统的优化也同样重要，事实上所有这些领域技术上的整合才是电动汽车技 术成功的关键 6 1 。 ( 1 ) 车身设计 电动汽车的生产有两种方法：一是改装，二是专门设计制造。改装电动汽 车就是将内燃机汽车中原来安装发动机以及相关部件的部位由电动机和电池取 代，采用现有内燃机汽车的底盘，这种方法简便经济，适合小批量生产。专门 设计电动汽车就是根据特定的需要特定的目的而设计，它允许工程师灵活的调 整和整合各子系统，使车辆更有效率。 ( 2 ) 电力驱动 电力驱动系统由电气系统、变速装置和车轮组成，其主要任务是把电能转 换为机械能，以此来驱动电动汽车行驶。电力驱动系统的关键是电气系统，电 气系统由电动机、功率转换器和电子控制器组成。通过电子控制能容易地获得 电动机的高转矩、低转速和恒功率、高转速范围等，因此可以灵活设计电动汽 车驱动系统。 ( 3 ) 能源系统 能源系统是电动汽车的关键系统涉及到车辆续驶里程及成本价格，目前还 没有_ 种蓄电池能够同时满足高比能量、高比功率和价格的要求。为了解决一 种能源系统不能同时满足高比能量与高比功率这个问题，可采用多种能源系统 相互配合共同提供动力的办法。对于拥有两个能量源的能量系统，可采用一个 具有高比能量特点的能量源与个具有高比功率特点的能量源协调工作共同提 供动力。 ( 4 ) 能量管理系统 能量管理系统的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量，增加行驶里 程。能量管理系统的功能是实现以下功能：优化系统的能量分配，预测电动汽 车电源的剩余能量，再生制动时合理地调整再生能量。能量管理系统如同电动 汽车的大脑，同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点，它能智能地利用 优先的车载能量。 ( 5 ) 系统优化 电动汽车是一个涉及多学科多领域的的复合系统，要想使得整个系统更有 效的，就只能通过不断对系统的优化，已达到良好的效果。计算机仿真是常用 的一种方法。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文研究的内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 分析研究以蓄电池为主动力源、大容量电容器为辅助电源的电电混 合动力电动车的结构和工作原理，开展整车主要部件的匹配与设计研究； ( 2 ) 建立电动汽车整车、传动系、电机、蓄电池和电容器等主要部件的模 型，开展动力源功率分配控制策略的研究。 ( 3 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 对电电混合动力电动车在典型工况下的动力 性及经济性主要参数进行仿真，分析动力源功率分配控制策略及主要部件参数 对整车性能的影响。 6 第二章电动汽车核心部件的分析 电动汽车主要由电力驱动及控制系统、驱动力传动机械系统、以及车身、 底盘及其其它电器设备组成 7 1 。其中电力驱动及其控制系统是电动汽车的核心， 主要由电源、电机和控制装置组成，也是与传统内燃机驱动汽车最大的不同之 处。 ( 1 ) 能源系统 电动汽车能源系统的主要任务是提供驱动电能，是整车的动力来源，能量 源的性能直接制约着电动汽车的发展。电动汽车通常要求能量源具有高比能量 和高比功率的特点以满足车辆行驶的动力性与行驶历程，与此同时还要求能量 源具有与车辆使用寿命相当的循环使用寿命，效率高，具有良好的性价比以及 免维护的特性。目前可用于电动汽车的能量源有多种类型，主要有蓄电池、燃 料电池、超级电容、超高速飞轮。其中蓄电池是目前和近期的主要选择，超级 电容由于充放电迅速、效率高以及高比功率的特点也引起了足够重视。 ( 2 ) 驱动系统 电动汽车驱动系统的主要作用是将来自能源系统的电能经过电机转化为机 械能，再通过传动装置驱动车轮。目前电动汽车采用的电机主要有交流电机、 永磁无刷电机和开关磁阻电机等。电动机除了作为电动汽车的驱动装置，一般 还要求有在汽车制动过程中有回收制动能量的功用，这有利于电动汽车的节能 与增加续驶里程( 8 j 。 2 1 蓄电池 2 1 1 电动汽车对动力电池的要求 汽车的运行工况复杂多变，作为电动汽车动力源的动力电池有着与普通电 池不同的要求 9 1 ： ( 1 ) 燃料储存、处理和输送方便，能够利用现有的燃油加油系统。 ( 2 ) 功率密度高，使电动汽车具有良好的加速性能和爬坡性； ( 3 ) 价格低，经济性好： ( 4 ) 环境适应性强，能在一定湿度下正常工作，抗振动冲击性能好； ( 5 ) 循环次数高，使用寿命长； ( 6 ) 维修方便，保养费用低； ( 7 ) 安全性好，能够有效防止因泄露或短路引起的起火或爆炸； ( 8 ) 环保性能好，无二次污染，并有可再生利用性： ( 9 ) 能够快速启动和运行，可靠性高； ( 1 0 ) 体积小重量轻、储存能量密度高，使电动汽车一次充电续驶里程长： 2 1 2 蓄电池的种类 按照电极与电解液的不同，目前应用于电动汽车的蓄电池分为五个种类， 如下表： 表2 一l 蓄电池分类 分类 子类 铅酸电池 v r l a 常温锂电池l i p 0 1 y m e r l i i o n 钠电池 n a s n a n i c l2 金属空气电池a i a v i r z n a i r n i - c d n i f e 镍基电池 n i - z n n i - m h ( 1 ) 铅酸电池 以酸性水溶液为电解质的蓄电池成为酸蓄电池 i o l 。由于酸电池的电极是以 铅及其氧化物为材料，故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池比能量低，但价格低 廉，所以通常情况下常被使用，铅酸蓄电池的比能量约为3 0 4 0 w h k g ，比功 率约为1 0 0 一1 5 0 w k g 。铅酸蓄电池的特点是开路电压高，放电电压平稳，充电 效率高、能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。 ( 2 ) 镍镉电池 同铅酸蓄电池相比较，镍镉蓄电池的比能量大，在低温时的放电特性以及 快速充放电特性都很优越，但缺点是造价高，长时间处于过充电状态会缩短其 使用寿命，而且其在高温时的性能低下，还会产生自放电现象，此外由于镍一 镉电池具有记忆性，在其充分放电之后，要注意必须对其进行充电。世界上的 镉资源不是很丰富，而且镉的使用会产生对环境的污染，这些都是需要我们正 视的问题。 ( 3 ) 镍氢电池 镍氢蓄电池和镍镉蓄电池大体上具有相同的结构，但是它使用储氢合金取 代了镉负电极。它除了具有高比能量的特点外，其它特征和镍镉蓄电池大体相 同。由于镍氢蓄电池在充电时容易发热，所以有必要对各单体电池进行有效的 温度管理。镍氢蓄电池循环使用寿命比其它的蓄电池要多10 0 0 多次，但缺点是 初期投资较大。 ( 4 ) 钠硫电池 钠硫蓄电池在温度高达3 5 0 。c 后，在高温的情况下才能工作，其比能量高 达i o o w h k g ，而且它的制造原料廉价并容易获得。这种蓄电池在电动汽车上使 用，必须配备有维持其高温的保暖瓶，还要考虑蓄电池在损坏情况下的安全对 策，而且发生火灾的情况下，蓄电池工作就被终止 1 q 。 ( 5 ) 金属空气电池 金属空气电池的比能量较高，大约9 0 2 0 0 w h k g ，但比功率较小，大约为 6 0 8 0 w k g ，运用到电动汽车上，将会影响车辆的加速性能，同时也将不能实 现车辆的制动能量的回收。 ( 6 ) 锂离子电池 锂离子蓄电池比能量很高，容易出现火灾危险，此外还存在各单体电池的 均衡电压控制和锂资源匮乏等许多尚未解决的问题。目前对于锂离子蓄电池已 有比能量达1 3 0 w h k g ，比功率达8 0 0 w k g 等记录 2 1 3 铅酸蓄电池的理论模型 近年来，随着对电动汽车建模仿真研究的深入，电动汽车用蓄电池的仿真 模型也出现了多种，比较有代表性的如内阻模型、阻容模型、神经网络模型等。 下面对几种常用的电池模型进行介绍。 ( 1 ) 内阻模型 内阻模型将电池看成一个理想电压源和一个电阻串联的等效电路1 1 2 ，如图 2 - 1 所示： i v 图2 1 铅酸蓄电池理论模型 图中，e g e , 源r o t 为电池电动势；电池内阻r i n t ，电池内阻尺i n t 由极化内阻r ， 和欧姆内阻尺。组成，它的电阻值随着荷电状态s o c 和充放电的状态而发生变 化，具体计算公式如下 1 3 1 1 4 】： 欧姆内阻r 。= o 1 9 6 0 0 2 4 8 s o c + 0 0 1 5 4 s o c 2 ( 2 1 ) 放电和充电时极化内阻足的变化很大，用公式表示如下： 充电时： r 肭a r g 。= 0 0 2 3 5 + 0 0 0 4 6 xs i n 1 2 5xt i x ( s o c 一0 4 ) 】：( 2 2 ) 放电时： 尺m b 曲。f g 。= 0 0 0 9 xs o c 一0 0 0 4 2 0 8 s o c 1 ； r r d t s c h 。f g e = 0 0 0 2 5 s o c + 0 0 0 1 0 4 s o c 0 8 ： 尺删嘲。= 一0 0 0 4 5 s o c + 0 0 0 3 8 s o c 0 4 ； 电流i 由下式推出：，：垦蔓二莽 9 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 当所需的功率是正值时即需要驱动汽车，电流方向如图2 - 1 所示；当所需 的功率是负值时即汽车制动反馈能量，电流方向和图中所示的相反n 5 】， 电压矿= v o c r ，；通过以上方程，可以计算出蓄电池的荷电状态s o c 1 6 1 ： s o c = 童鱼壕蒜铲 7 ， ( 2 ) 阻容模型 阻容模型由s a l t2 - c a p 模型演化而来1 1 7 1 ，将蓄电池模型等效为三个电阻和 两个电容组成的混联电路，如图：电容c b 较大，代表电池存储电荷的充裕的容 量；电容c c 较小，代表极化效应。阻容模型s a f t2 - c a p 一样可以反映阻抗效果。 较之内阻模型，阻容模型更能精确的反映电池在充放电时的动态特性。 图2 2 铅酸蓄电池阻容模型 c b ( r 。+ r 。) cb ( r 。+ r 。) ll c c ( 月。+ r 。)c c ( 尺。+ r 。)慷 + f 二窑卜8 ) l ；： + l 一型l 【，】 ( z 一8 j【c c ( 尺。+ 只。) - j 州彘彘酗+ 卜燕” 式中，一电容c h 的端电压，i 环，一电容e 的端电压： ，一电池组电流； 坛一电池组开路端电压； 足、足、r 一分别为等效电路中对应的电阻； c he 一分别为等效电路中对应的电容。 由状态方程可知，阻容模型是二阶模型，包含两个不能直接测量的状态量： 。和。即使在实验室条件下，。和。也不能直接测到。因而阻容模型状态 观测器设计困难，不便为控制策略采用。且等效电路中电容和电阻的参数测定 困难，数据处理复杂。上述都使阻容模型的广泛应用受到限制。 ( 3 ) 神经网络模型 仿照生物神经网络，人工神经网络是由许多简单的并行工作的处理单元组 成的系统，其功能取决于网络的结构，连接强度以及各单元的处理方式。神经 网络具有高度的并行结构和并行的处理能力，具有任意非线性映射能力，可以 1 0 拟合高度非线性数据，通过训练进行学习能够自适应样本数据，有较好的耐故 障能力和较快的总体处理能力f 埔】。 由于神经网络的众多优点，将其应用在高度非线性的电动汽车蓄电池的建 模仿真中，便出现了神经网络模型。神经网络的特点是在形成模型前必须用训 练样本对其进行训练，因此神经网络模型只有在处理训练样本范围内的数据有 很好的效果，这使其在电池建模中的应用受到限制。 2 2 超级电容 2 2 1 超级电容的原理及分类 超级电容是近期发展起来的一种新型储能元件，不同于普通的电容，它具 有很高的放电功率以及强大的电荷储存能力。超级电容可以分为两类f 1 9 】： ( 1 ) 法拉第准电容 法拉第准电容在充放电过程中在电极表面发生沉淀或氧化还原过程，其电 极中包含二维或准二维材料，法拉第准电容的储能方式是发生电化学反应而不 是物理储能，其拥