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混合动力汽车动力系统参数选择及匹配研究 摘要 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，提出了一种适合我国国 情的混合动力汽车动力传动系的结构方案。根据q r h e v 的需求分析，确定采 用轻度混合的扭矩合成型并联混合动力结构。在此基础上，分析了整车系统的 基本运行工况，给出了运行工况的功率流，并制定了比较合理的多能源控制策 略。结构方案的完成和控制策略的制定为动力传动系参数选择和合理匹配奠定 了基础。 其次，基于基础性理论分析，在总结相关资料的基础上，提出了混合动力 汽车动力系统的参数设计方法，利用此方法对q r h e v 汽车的动力系统参数进行 匹配分析。以o r h e v 动力传动系参数的设计为例，在仿真软件a d v i s o r 2 0 0 2 平台上验证了参数设计方法的合理性。模拟计算结果表明，本文设计的q r h e v 汽车具有与常规汽车相近的动力性能，但对应于u d d s 和h w f e t 循环工况的百公 里油耗比常规汽车分别降低了2 7 2 和6 9 。 最后，根据混合动力汽车的工作特点提出了动力传动系参数优化匹配问题， 并建立了相应的目标函数和约束方程，然后采用序列二次规划法( s q p ) 来优化目 标函数，求出传动系参数的最优解。 关键词：混合动力汽车控制策略仿真参数匹配 优化 s t u d yo np a r a m e t e r s e l e c t i o na n dm a t c h i n go f h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l ed r i v e t r a i n a b s t r a c t f i r s t l y ，t h i sp 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 f h e v t e c h n o l o g ya n d e 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 g t h e d e v e l o p m e n t c i r c u m s t a n c eo fo u r n a t i o n a lh e v t e c h n o l o g y ，ah e v d 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 e s i t u a t i o no fo u rc o u n t r yi sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t a n a l y s i s o f q r h e v ，al i g h tt o r q u e c o m p o s i n gp a r a l l e lh y b r i dp o w e r t r a i n c o n f i g u r a t i o n i s f i n a l l ya d o p t e d o nt h e b a s i so ft h i s c o n f i g u r a t i o n ，t h i sp a p e r a n a l y z e s f u n d a m e n t a l o p e r a t i n gm o d et r a n s i t i o n so fo v e r a l l v e h i c l e s y s t e ma n d p o w e rd i s t r i b u t i o n ，a n de s t a b l i s h e sr e a s o n a b l ec o n t r o ls t r a t e g y a c c o m p l i s h m e n to f d r i v e t r a i nc o n f i g u r a t i o na n de s t a b l i s h m e n to fc o n t r o ls t r a t e g ye s t a b l i s ht h eb a s i c f o rp a r a m e t e rs e l e c t i o na n dm a t c h i n g s e c o n d l y ，b a s e do nt h eb a s i ct h e o r ya n a l y s i s ，t h em e t h o do fp a r a m e t e rd e s i g n o nh e vd r i v e t r a i ni sp r e s e n t e do nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gc o r r e l a t i v ed a t a ，a n d t h i sp a p e rc a r r i e so nm a t c h i n ga n a l y s i so fq r h e vd r i v e t r a i np a r a m e t e rb ym a k i n g u s eo ft h em e t h o d r a t i o n a l i t yo fm e t h o do fp a r a m e t e rd e s i g ni sv a l i d a t e do nt h e f l a tr o o fo fa d v i s o r 2 0 0 2b ya ne x a m p l eo fq r h e v t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n c a l c u l a t i o ni n d i c a t et h a t q r - h e v h a st h es a m e d y n a m i cp e r f o r m a n c e s a s c o n v e n t i o n a lv e h i c l e ，a n df u e lc o n s u m p t i o no fu d d sa n dh w f e td r i v i n gc y c l ei s d e c r e a s e db y2 7 2 a n d6 9 c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lv e h i c l e f i n a l l y ，a c c o r d i n g t ot h e w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c o fh e v ，t h ep r o b l e mo f o p t i m i z a t i o nm a t c h i n go fd r i v e t r a i np a r a m e t e ri sp r e s e n t e d ，a n dt h i sp a p e rb u i l d s t h e c o r r e s p o n d i n go b j e c t i v e f u n c t i o na n dc o n s t r a i n t e q u a t i o n t h eo b j e c t i v e f u n c t i o ni so p t i m i z e db ya d o p t i n gs e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ( s q p ) ，a n d t h e o p t i m a lr e s u l t so fp o w e r t r a i np a r a m e t e r a r es o l v e d k e y w o r d ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e p a r a m e t e rm a t c h i n g c o n t r o ls t r a t e g ys i m u l a t i o n o p t i m i z a t i o n 合肥 工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥 工业大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 揣怒戚硪 会醒参卡气 截耳弋 步讧面牲刚月哟! ，；匐南乒 羰靴知班彳禹】细。 导师：禽i 霹翻蛸博砷嫂 图l 一1 幽1 2 圈1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 剀2 - 5 图26 图27 图2 8 图2 - 9 图2 一1 0 图2 1 1 图2 一1 3 图2 一i4 图2 - ，1 5 图2 1 6 图2 1 7 雷2 一1 8 图2 1 9 图2 1 8 图3 】 圈32 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 圈3 目 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 - 1 0 图3 - 斟3 1 2 插图清单 s h e v 动力系统的结构图一- p h e v 动力传动系结构图- s p h e v 动力系统结构图一 q rl t e v 结构原理图。 静态工况 启动工况 。 正常行驶工况 加速、爬坡工况- 减速、制动工况一 a d v i s o r 仿真软件g u i 界面 a d v i s o r 的仿真数据流程图 模糊控制系统组成框图 - 二维模糊控制嚣 驾驶员模糊控制的模拟框图- 驾驶员模糊控制模型一 速度镳差e 隶属度函数 速度变化率隶属度函数 油门开度变化率隶属度函数 整车s i l f i l l l i n k 模型 多能源管理控制策略s i m u l i n k 模型一 判断加速、巡航和减速工况的s i m u l jn k 模型 控制策略中加速工况的s i m u l i n k 模型 混合动力驱动系归类图示- 混合动力汽车发动机功率的选择- 电机额定转矩与最高转速间的关系曲面图 不同，下汽车功率平衡图。 城市道路循环工况 高速公路循环工况 s q r h e v 在公路工况下的s o c 平衡结果 s q r h e v 在城市工况下的s o c 平衡结果 功率曲线- 一 驱动轮扭矩曲线 发动机扭矩曲线。 电机扭矩曲线 巧6 m l三埔坞掂旧龃躬虬聃筋幻弱”弛卯曲鲫“鹕们钻钙拍舶 图3 一1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 一l o 图4 一1 1 图4 一1 2 图4 一i 3 图4 一1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 电池功率曲线 发动机、电机转速比较曲线 行驶距离“ 油耗比较曲线 r c 电池模型 电阻值见特性曲线 电阻值尼特性曲线- 电阻值r 特性曲线” 电容c 。特性曲线 电容c 特性曲线- 单模块电池开路电压v o c 的特性曲线 单模块电池热量模型 同步电机的功率流一 电机扭矩和效率特性曲线 混合动力q r h e v 汽车动力传动系结构图 混合动力传动系的模拟框图 燃油经济性模拟计算框图 发动机万有特性曲线图 镍氢电池电压特性 镍氢电池电流特性 电池温度特性“ 拍盯盯耶弛弘弘钳驺弱耵船鲋铂 表卜l 表卜2 表l 、3 表2 1 表2 - 2 表2 3 表31 表3 2 表3 3 表3 - 4 表35 衰36 表37 表3 - 8 表3 9 表3 一1 0 表3 1 i 表4 1 表4 2 表格清单 中国电动汽车项旦汇总表 电动汽车仿真软件的基本情况表- 电动汽车仿真软件的功能分析表 驾驶员模糊控制规则- 减速度的隶属度函数表 速度偏差的隶属度函数表 s q r h e v 车辆和行驶参数- ” s q r h e v 基本动力性要求 - 循环工况的基本参数 发动机性能参数 一 电动机性能参数 传动系速比参数 整车动力性仿真结果 s q r - b b v 与常规汽车的油耗仿真比较值 整车参数 动力系统参数 传动系参数 电池热量模型的参数 传动系速比的优化结果 q旧拍外盯蚰儿“北蛆蝎蛆舭蛎盯睢 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆王些太堂 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。 学位论文作者签字：勘扬签字日期：衙j 月f 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些盔堂有关保留、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 鳢王墼盍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) 学位论文作者签名：乞c 知知 签字日期：州痒1 月f 铂 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢客坤 签字目期：d 噶年五月i 争日 电话 邮编 致谢 本论文是在我尊敬的导师一一钱立军副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。另外我还要感谢张翔博士后，张博士后那严谨求实的科学态 度使我受益非浅、终生难忘。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。 在论文和课题的工作过程中，得到了马恒永教授、范迪彬副教授、王其东 教授、张炳力副教授等教研室老师的各方面的指点和帮助。另外还得到了奇瑞 汽车有限公司有关技术人员的帮助，在此一并表示感谢。 感谢袭著永、刘立强、谷叶水、邹海滨、顾勤林、王远、李先锋、徐杨等 同学在我的论文完成期间所给予的帮助。 最后，感谢我的家人，感谢他们对我精神上和物质上的支持。 作者：吴伟岸 2 0 0 5 年3 月 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 随着全球汽车工业的发展，汽车的产量、销售量和保有量在逐年增加，因 此对石油资源的需求，对生态环境的影响也越来越大。但是，作为现行汽车能 源的石油资源的储量却是有限的，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。与此同时，由于汽车排放的二氧化碳对气候暖化有 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 汽车有害排放物己成为迫在眉睫的问题。为此，各国制定了一系列十分严格的 排放法规，要求汽车生产厂家设法减少汽车排放，开发无污染和超低污染汽车。 纯电动汽车用蓄电池作为动力源驱动，使用中可以实现零排放，但目前电 动汽车存在的最大缺点是每次充电行驶里程不够长，主要是由于电池的能量密 度不够高以及其他方面都还未达到实用化程度”“。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 d e 1 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。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。4 “”“1 。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。 混合动力电动汽车将发动机、电机、能量储存器( 蓄电池等) 结合在一起， 它们之问的合理匹配和合理的制定多能源控制策略，可以充分发挥内燃机和纯 电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油 耗车。与内燃机和纯电动汽车相比较而言，混合动力电动汽车具有如下一些优 点7 ： ( 1 ) 由于发动机可作为车载动力发电，电池的数量和质量可减少，因此汽 车自身重量可以减少。并且可使电池保持在良好的工作状态，不发生过充和过 放，延长其使用寿命，降低成本。 ( 2 ) 打破了纯电动汽车续驶里程的限制，其续驶里程和动力性可以与传统 的内燃机相媲美。 ( 3 ) 能量储存器的引入，可使发动机在最佳工况区域稳定运行，避免或减 少了发动机变工况下的不良运行，这样就使得发动机的油耗和排放大大的降低。 ( 4 ) 在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零 排放。 ( 5 ) 可通过电机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过电机 回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低了汽车的能量消耗和排污。 ( 6 ) 可以利用现有的加油站等基础设施。不需另行投资建设。 混合动力电动汽车虽然没有完全实现零排放，但是它所能达到的动力性能、 燃油经济性和排放指标是缓解汽车需求与环境污染及石油短缺矛盾日益尖锐的 理想途径。 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迸展。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。儿”1 。 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 。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 ：1 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 计划的实旌，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。 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 l 型4 座混合动力 电动汽车。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 i g 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e s x 2 串联式混合动力电动汽车。 2 ( 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。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 。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。另外丰田的c o a s t 串联式混合动力电动客车也已进入商业化阶段。 ( 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 腻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。 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。在此期间，清华大学汽车自主开发 研究的电动汽车从1 9 9 9 年4 月已在清华园投入试运行。北京理工大学研制的电 动公交车已在北京示范运行。东风公司与华中科技大学、武汉理工大学已经完 成了多辆电动中巴、电动轿车的研制，并组建了电动车公司。北京市电车公司 与美国西屋公司合作研制出了三相交流感应电祝驱动的电动大客车 3 y w 6 1 2 0 d d 。华南理工大学和广东云山汽车厂研制的风冷励磁直流电机驱动的 电动轻型客车e v 6 6 0 0 和e v 6 7 0 0 已在广东汕头南澳岛试验运行。国防科大机 电工程学院研制的电动车车重3t ，时速为4 0 6 0k m h ，续驶里程为1 5 0k m 等。 特别值彳导一提的是，为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入w t o 后我国汽车工业的竞争力，2 0 0 1 年9 月，科技部在“十五”期间的国家“8 6 3 ” 计划中，特别设立了电动汽车重大专项。专项将从国家汽车产业发展战略的高 度出发，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企 业、高等院校和科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式，联合进行攻关。 计划在“十五”期间，促进我国符合市场经济发展要求的研发体系、机制和 人才队伍的形成，以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车 关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占 新一代电动汽车制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。 目前我国电动汽车的研制主要分布在轿车和客车领域，而在国外电动汽车 的研制包括了轿车、客车和货车等所有的汽车领域。以下按照分类对国内的电 动汽车项目进行汇总。 表卜l 中国电动汽车项目汇总表 汽车类型电动汽车类型产品名称主要研制单位 夏利纯电动轿车天津一汽 神龙富康东风汽车公司 奇瑞纯电动轿车q r上海交通大学 国家电动汽车试验中心和 纯电动轿车奇瑞纯电动轿车z c 7 0 5 0 a 安徽兆成电动车辆公司 u 2 0 0 1 电动轿车香港大学 爱迪生e v l 0 0 型爱迪生汽车技术研究所 比亚迪电动汽车比亚迪汽车公司 轿车 红旗牌混合动力轿车长春一汽 e q 7 2 0 0 h e v东风汽车公司 混合动力轿车奇瑞混合动力轿车奇瑞汽车公司 i s g 混合动力轿车长安汽车公司 爱迪生混合动力轿车爱迪生汽车技术研究所 春晖一号上海汽车公司 燃料电池轿车超越一号上海汽车公司 风凰燃料电池轿车上海汽车公司 纯电动豪华旅游车北京理工大学 纯电动客车 纯电动低地板公交车北京理工大学 客车解放牌混合动力城市客车长春一汽 混合动力客车 e q 6 1 】0 h e v 公交车东风汽车公司 燃料电池客车燃料电池城市客车清华大学 4 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 l 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 3 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，可分为串 联式混合动力电动汽车( s e r i e sh y b r i de l e e t r i cv e h i c l e ，简称s h e v ) 、并联 混合动力电动汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称p h e v ) 和混联式 混合动力电动汽车( s p l i th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称s p h e v ) 三种”“2 “”1 。 1 3 1 串联式h e v 动力传动系 串联式h e v 驱动系统的结构如图卜1 所示。s h e v 是由发动机、发电机和驱 动电机三大动力总成组成，发动机一发电机和电机采用“串联”的方式组成s h e v 的驱动系统。其最大特点是主动力源不再与后续的驱动系统( 变速装置、后桥至 后轮) 有直接的机械连接，主动力源的动力通过一台发电机全部转化为电能，任 何情况下汽车行驶所需的动力都由电动机提供。串联式布置结构简单明了，实 际的实现形式大致相同，所不同的只是主动力源和载荷调节装置形式不同。 图1 1s h e v 动力系统的结构图 由于断开了主动力源与后续驱动系统的机械连接，主动力源的工作状态与 整车的速度和加速度之间已无直接的关系，汽车这一特定负载对其动力源在负 荷特性、速度特性和响应特性上的要求得到了回避。首先是热机可以有新的选 择，而不再仅仅是局限于传统的往复活塞式内燃机，目前被列入考虑对象的就 有燃气轮机和斯特林发动机( 热气机) ；其次是热机的工作范围可以自由选定， 而不再需要考虑提供宽广的工作区。 1 3 2 并联式h e v 动力传动系 并联式h e v 驱动系统的结构如图1 2 所示。p h e v 是由发动机、电动发电 机或驱动电机两大动力总成组成，发动机、电动发电机或驱动电机采用“并联” 5 的方式组成p h e v 驱动系统。并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式 驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供 扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电机既可以作电动机 又可以作发电机使用，又称为电动一发电机组。由于没有单独的发电机，发动 机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统， 得到比较广泛的应用。 图卜2p h e v 动力传动系结构图 在并联式布置中，由于主动力源依然保持了和驱动系统的机械连接，因而 主动力源一般依然选用传统的往复活塞式内燃机，整车的动力性能容易得到保 证。保持内燃机和驱动系统的机械连接并不意味着内燃机就失去了工作点优化 的可能，只是在这种布置形式中，对内燃机工作状态的优化相对困难，对能量 管理系统提出了更高的要求。 1 3 3 混联式h e v 动力传动系 串联式和并联式布置在性能上各有优缺点。串联式布置断开了热机和驱动 系统的机械连接，为主动力源的选用提供了广阔的空间，但其能量的转换过于 频繁，必须解决转换过程中的能量损失问题。并联式布置保留了由内燃机直接 驱动的传统驱动系统，整车的动力性能得到了保证，但其对热机工作点的优化 相对困难，燃油经济性和排放性能的提高对能量管理系统提出了更高的要求。 结合串联式和并联式两种布置的优点，克服它们的不足之处，混联式的布 置方案自然产生了。这种比串联式和并联式布置都更为复杂的布置既保留了内 燃机和驱动系统的机械连接，也能提供并联的驱动路线。一般的混联式布置如 图5 所示。这是一种集成的混合动力系统，它既有传统的内燃机和其后续的驱 动系统，也有发电机和电动机等能量转换装置，整车的工作模式由一个复杂的 能量管理系统来控制。 6 车轮 图卜3s p h e v 动力系统结构图 混联式驱动系统对电池的依赖小，兼具串联式和并联式的优点，从结构上 保证了在不同的工况下使系统工作在最优状态，也更容易实现排放和油耗的控 制目标。然而，混联式的动力复合形式比并联式更加复杂，对动力复合机械装 置和动力控制系统的要求也更高。 1 4 混合动力汽车的多能源控制策略 混合动力电动汽车具有两个以上的动力源，因此必须专门设计个控制系 统对能量流动进行合理的分配。为了实现低油耗和低排放的性能目标，对系统 结构和部件匹配优化是十分重要的。在混合动力汽车各部件的配置确定下来之 后，如何优化控制策略是实现混合动力汽车低油耗低排放目标的关键所在。在 满足汽车的动力性和其他基本技术性能以及成本等要求的前提下，针对各部件 的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在发动机、电机之间的合理而 有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性和最低的排 放。 1 4 1 串联式h e v 控制策略 由于串联型混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此控 制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。此外，为了优化控 制策略，还必须考虑合并在一起的电池、电传动系统、发动机和发电机的总体 效率。以下介绍串联型混合动力汽车的两种基本的控制模式“。 ( 1 ) 恒温器控制模式 当蓄电池荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ，简称s o c ) 降到设定的低门限值时， 发动机启动，在最低油耗( 或排放) 点按恒功率输出，部分功率用于满足车轮 驱动功率要求，另一部分功率向蓄电池充电。而当蓄电池组s o c 上升到所设定 的高门限值时，发动机关闭，由电机驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足 所有瞬时功率的要求，蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少发动机优 化所带来的好处。这种模式对发动机比较有利而对蓄电池不利。 ( 2 ) 发动机跟踪器控制模式 发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化，这与传统的汽车运行相似。采用 这种控制策略，蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组损失被减少 到最低程度。但发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行，而且发动机 的功率快速丽动态地变化，这些都损害了发动机的效率和排放性能( 尤其在低负 荷区) 。解决的办法是采用自动无级变速器c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) ，通过调节c v t 速比，控制发动机沿最小油耗曲线运行，这样同 时减少了h c 和c o 的排放量。 上述两种控制模式可以结合起来使用，其目的是充分利用发动机和电池的 高效率区，使其达到整体效率最高。例如，当汽车加速时，为了满足车轮驱动 功率要求，降低对蓄电池的峰值功率要求，延长其工作寿命，可采用发动机跟 踪模式；而当汽车车轮功率要求低时，为了避免发动机低效率工况的发生，可 以采用恒温器模式，以提高整车系统的效率。 1 4 2 并联式h e v 控制策略 并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，需要进一步优化。般的 控制策略通常是根据电池的s o c 、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的平 均功率等参数，按照一定的规则使发动机和电动机输出相应的转矩( 或功率) ， 以满足驱动轮驱动力矩的要求。 ( 1 ) 以车速为主要参数的控制策略 这是最早也是最常采用的一种控制策略，它利用车速大小作为控制的依据。 当汽车车速低于所设定的车速时，由电机单独驱动车轮；当车速高于所设定的 车速时，电机停止驱动，而由发动机驱动车轮；当车轮负荷比较大时( 如汽车急 加速、爬陡坡或以较高车速爬坡时) ，则由发动机和电动机联合驱动车轮。这种 策略利用了电动机低速大转矩的作用，避免了发动机的怠速及低负荷工况。当 车速较高有助于发动机有效工作时，发动机的启动可避免纯电动高速行驶时电 池的快速放电损失。在这种控制策略中，发动机启动的设定车速可以设计为一 个定值。对于荷电消耗型混合动力汽车，设定车速愈低，汽车一次充电的续驶 里程愈长。也有将设定车速设计为蓄电池组放电深度的函数。 美国k l - b u l t e r 等人提出了另一种基于速度的控制策略。汽车在低速行 驶时，也是由电机单独驱动车轮；但当车速高于所设定的车速时，则采用了混 合驱动。此时，发动机保持在一个恒定的节气门开度运行，而由电机提供车轮 所需的动态功率。通过提高发动机启动的设定车速并保持蓄电池组的s o c 在驾 驶循环前后不变，可以减少发动机工作的时间。这种控制策略有利于减少汽车 的排放，但电机及蓄电池组的功率较大，增加了整车自重和成本。 对于采用上述控制策略的荷电维持型混合动力汽车，还需要监视蓄电池组 的s o c ，当s o c 降到某一设定值以下时，无论此时车速多低，发动机将启动， 8 同时一部分发动机功率通过发动机向蓄电池组充电。 ( 2 ) 以功率为主要参数的控制策略 当车轮平均功率低于某设定值时。汽车由电动机单独驱动；当车轮平均功 率高于该设定值时；此时有利于发动机有效工作；因而发动机被启动：电动机 则停止运行。发动机启动的最佳时机是在变速器换挡期间：这有助于获得平稳 的驾驶性能。一旦车轮平均功率超过发动机所能提供的功率时，电动机启动， 辅助发动机提供额外的功率。在上述两种控制策略中，都存在发动机和电动机 联合驱动的混合动力工况。这种工况一般出现在车轮平均功率很高的时侯( 如急 加速或以较高车速爬坡) ，其控制策略有以下几种模式： 当加速踏板踩下时，发动机和电动机的功率按照一定比例同时增加， 以满足驾驶员的高功率需求； 电动机功率一直增加到其最大值，然后启动发动机以提供补充动力； 发动机被控制在有较高功率的低油耗区稳定运行，而由电动机来提供 所需的补充功率。 上述两种控制策略都比较简单，但不能保证各部件得到了最佳匹配，无法 获得整车系统的最大效率，因此优化技术被引入控制策略研究中。 ( 3 ) 采用优化技术的控制策略“”“” 法国学者s e b a s t i e l ld a l p a r t 和g i l 2 0p a g a n e l l i 等人研究了带机械有级式 变速器的并联型混合动力汽车在混合动力工况时的能量分配优化问题，建立了 以电机转矩和变速器档位为优化变量、以给定循环工况下发动机油耗最小为目 标的有约束优化计算模型。该优化计算结果虽然不能用于实时控制，但对于推 导汽车实时控制策略“7 1 是有益的。为了使发动机工作在最佳效率区，在混合动 力汽车上装备c v t 成为目前的一种发展趋势。 ( 4 ) 以成本和燃油经济性为目标的控制策略 采用这种控制策略的混合动力汽车装备了小功率电机和小容量的蓄电池 组，使蓄电池组的成本和质量减少到最小程度。在这种策略中，电动机一般仅 仅只在汽车急加速时才启动，辅助发动机向车轮提供加速所需的功率。而汽车 的一般行驶工况则由一个小排量的发动机单独驱动，并在蓄电池组s o c 下降到 一定程度时为其充电，这进一步提高了发动机的负荷率。当汽车减速时，蓄屯 池组吸收制动能量而充电。这种控制策略存在的一个缺陷是，由于发动机几乎 一直处于工作运行状态，虽然避免了发动机开关控制引起的发动机效率下降问 题，但无法消除发动机在低负荷时的排放问题。这种汽车在加速时的控制策略 有以下几种模式： 当汽车原地起步时，由发动机单独驱动汽车起步，或者由电动机单独 驱动汽车起步，然后在汽车的速度增加到一定值时，发动机启动，提供加速所 需的补充动力。 9 率。 当汽车快速起步或急加速时，发动机和电动机联合向车轮提供驱动功 1 5 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，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，其它部是美国的大学、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1 2 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 ( as i m p l e i d a h o 国家工程实 e l e c t r i cv e h i c l e 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 公 a p p l e c a r s i m2 5 4 1 9 9 5 司m a c h i n t o s h l a w r e n g l ： h v e c ( ah y b r i dv e h i c l e l i v e r m o r e 国家实1 9 9 5 e v a l u a t i o nc o d e ) 验室 c o l o r a d o 矿业学 c s m h e vw i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k 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 国家实验 m a r v e li b m p cp l i 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 国家实验 p s a t5 iw i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 室 o p a l r t 技术公 h e v s j mw i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 刮 e v s l m香港大学w i n d o