（计算机应用技术专业论文）混合动力电动车参数匹配及电机控制系统仿真研究.pdf

摘要 汽车工业的发展把能源短缺和环境污染问题推到了日益严重的位置，因此 研究汽车节能、降低排放和替代燃料的新技术成了当今汽车工业的重大发展方 向。尽管电动汽车是解决这类问题的最好方式，然而目前在蓄电池没有取得突破 性进展的情况下，其发展受到了极大的限制。混合动力汽车( r o w ) 是具有低污染 和低油耗特点的新一代清洁汽车，是目前解决这类问题的最佳选择，因而混合动 力汽车的研究成为国际、国内汽车发展的一个引人注目的新热点。 本论文的研究工作是基于本校和深圳炬华公司的混合动力公交车横向科研 课题开展的。本文首先着重分析了混合动力电动客车分别采用串并联布置时的优 缺点，确定采用由技术成熟的铅酸电池、交流感应电机、柴油发动机所组成的串 联布置的驱动型式。此外，简要介绍了论文所要用到的混合动力仿真软件 a d v i s o r 的相关情况。在建立需求分析的基础上，确定采用将发动机工作点限 制在最优工作曲线附近的功率跟随型式的控制策略。并运用仿真技术研究了串联 混合动力总成的元件参数和控制参数对整车的动力型和燃油经济性的影响，比较 系统地阐述了混合动力总成元件参数和控制参数的匹配方法和匹配原则。总的匹 配原则是，在保证串联混合动力城市客车可持续行驶的前提下，使整车的燃油经 济性最佳。以常用的城市客车整车参数为例，完成了串联混合动力总成元件参数 和控制参数的匹配，并对匹配的结果进行了分析。分析表明，所匹配的参数是比 较合理的，在保证电池电量状态平衡的前提下，汽车的燃油经济性在c b db u s 循环和n c w y o r kb u s 循环下相对于传统汽车分别提高了1 9 1 和3 6 9 ，整车 的加速时间只相当于传统城市客车的5 0 - - - 6 0 ，充分体现了混合动力汽车的优 势。 混合动力汽车的关键技术之一电机控制技术对混合动力汽车的发展起 着决定性的作用，它不仅要保证能满足整车的各种行驶工况，而且要提高整车的 动力性和经济性。本文在直接转矩控制系统的基础上提出了一种基于误差等级的 直接转矩控制策略，建立了电机的动态数学模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 平台 下建立了电机的正向仿真模型。最后结合v i s u a lc + + 和m a t l a b 混合编程开发 出电机控制系统正向仿真软件。仿真结果表明，该软件运行正常，对混合动力电 动车电机控制的仿真是有效和实用的。该软件为混合动力电动车正向仿真软件的 开发奠定了基础。 关键词：混合动力，电动车，参数匹配，电机控制，仿真 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yb r i n g sa b o u ti n c r e a s i n g l ys e r i o u s p r o b l e m so fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dt h es c a r c i t yo fo i ls o u r c e ，s oi ti si m p e r i o u st o s e e kf o ran e wt e c h n o l o g yo fs a v i n ge u e r g y , r e d u c i n gt h ee x h a u s te m i s s i o no f a u t o m o b i l ea n dt h er e p l a c e a b l em a t e r i a l t h ee l e c t r i cv e h i c l e 饵v ) i st h eb e s tm e t h o d t os o l v et h e s eb o t hp r o b l e m s ，b u ti t s d e v e l o p m e n ti sc u r r e n t l yl i m i t e db yn o b r e a k t h r o u g hi nb a t t e r ye v o l v e m e n t h a v i n gt h ec h a r a c t e r so fl o wp o l l u t i o na n dl o w o i l - c o n s u m p t i o n , t h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ef f m v ) i sa ni d e a lc h o i c et os o l v et h e s e e x i s t i n gp r o b l e m sa tp r e s e n t t h e r e f o r e , t h ei n v e s t i g a t i o n so nh e vb e c o m en e w h o t s p o ti nt h ef i e l do fi n t e r n a t i o n a la n dn a t i o n a la u t o m o b i l e t h i sp a p e r sr e s e a r c ht a s ki sb a s e do r o u rs c h o o la n d s h e n z h e nj u h u a c o r p o r a t i o n sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ep m j e c t a tf i r s t , t h i sp a p e rp a y sm o r ea t t e n t i o nt o a n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( s r m v ) a n dp 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 ( p h e v ) , a n dd e c i d e st oa d o p tt h ec o n f i g u r a t i o ni n s e r i e s ，t h ec o m p o n e n t so ft h ep o w e rt r a i ni n c l u d et h el e a da c i db a t t e r y , a ci n d u c t i o n m o t o ra n dd i e s e le n g i n e m o r e o v e r , t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h es i m u l a t i o ns o f t w a r e o fh e v - - a d v i s o r o nt h eb a s i so fr e q u i r e m e n ta n a l y s i s t h eb e s tw o r k i n ga l ci s d e c i d e da c c o r d i n gt ot h ee f f i c i e n c ya n de m i s s i o no ft h ee n g i n e w i t ha d v i s o ra sa d e s k i o p ，t h ep a p e rs t u d i e st h ei n f l u e n c eo ft h ec o m p o n e n tp a r a m e t e r sa n dc o n t r o l p a r a m e t e r so nt h ef u e le c o n o m ya n de m i s s i o no ft h eh y b r i de l e c t r i ct r a n s i tb u s ( h e t b ) ，b r i n g sf o r w a r dm e t h o do fp a r a m e t e rm a t c h i n ga n de v a l u a t i n gs y s t e mo f h y b r i dc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ew h o l er u l e so fp a r a m e t e r m a t c h i n g , w h i c hi ss a t i s f y i n gt h ep o w e rd e m a n dt od r i v eh e t ba n dt h eb e s tf u e l e c o n o m y a f t e r w a r d , t h ep a p e ra c c o m p l i s h e dt h ep a r a m e t e rm a t c h i n go fs e r i e sh e t b c o m p o n e n t sa n dp o w e rt r a i nc o n t r o ls y s t e m a f t e ra n a l y z i n go nt h e r e s u l to f p a r a m e t e rm a t c h i n g , t h i sc o n c l u s i o n 锄b er e a c h e d t h a tt h ep a r a m e t e r sd e s i g n e da r e f e a s i b l e t h ef u e le c o n o m yo fh e t bi sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a lt r a n s i tb u s , a n dt h e e m i s s i o no fh e t bi sl e s st h a nt h ec o n v e n t i o n a lt r a n s i tb u s ，w h i c hs u f f i c i e n t l y d e m o n s t r a t e st h ea d v a n t a g eo fh e v a sak e yt e c h n o l o g y , t h em o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n d e v e l o p i n gt h eh y b r i dv e h i c l e i te n s u r e st h a ti tn o to n l yc a nm e e tw i t ha l lk i n d so f m o d e so ft h ev e h i c l e , b u ta l s oc a ni m p r o v ef u e le c o n o m ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，ac o n t r o ls t r a t e g yo ft h eg r a d e o fc r t 0 r sf o ri n d u c t i o nm o t o rh a sb e e np r o p o s e d , a n dt h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d a l o ft h em o t o ra n dt h em o t o r sf o r w a r ds i m u l a t i o nm o d a lb a s e do nm 觚a b s i m u l i n k d e s k t o p a r eb u i l t a tl a s t , t h i s p a p e rd e v e l o p sm o t o rc o n t r o ls y s t e m sf o r w a r d s i m u l a t i o ns o f t w a r ei nc o m b i n m i o nw i t h s u a lc + + a n dm 棚a b t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h i ss o f t w a r el u l l sw e l lo nt h es 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 e s m o t o rc o n t r 0 1 a n dt h i ss o f t w a r ep u t sab a s i s0 1 1t h ed e v e l o p m e n to ff o r w a r d s i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e k e yw o r d s ：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 , m o t o rc o n t r o ls i m u l a t i o n h 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。 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：整导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 混合动力汽车概述 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称i 玎j 、，) l l 是电动汽车的一种 类型，是清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。它采用内燃机和电动机 作为混合动力源，集中了两者的优点。既继承了电动车辆作为“绿色汽车”节能 和低排放的优点，从而显著改善了整车的排放性能和燃油经济性：又发扬了石油 燃料高比能量和比功率的长处，弥补了电动车辆续驶里程短的不足。达到两种车 辆优点的折衷统一。与传统汽车相比，整车综合控制系统将根据车辆的运行工况， 控制发动机和电机都工作在最佳效率区，同时保证电池中的电能储备始终保持一 定水平，无须停车充电或频繁更换电池。 据国外样车及产品的统计资料，这种配备整车综合控制系统的混合动力车辆 与同类的内燃机汽车相比，燃油消耗降低3 0 4 0 ，尾气排放指标降低5 0 6 0 。同时在配套设施方面，不需要像燃气汽车和电动汽车那样投入巨资进行加 气站和充电站建设。因此，在电动汽车技术取得重大突破之前，混合动力汽车成 了各国的主要选择。在日本和美国等发达国家，政府部门、各大汽车公司和相关 零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车的研制开发。目前，混合动力汽车产品 在美国和日本已经批量上市。有关专家一致认为，今后十年混合动力汽车技术将 取得重大进展，产品将大批量上市【2 l 。 1 2 混合动力汽车开发的背景 随着世界人口和经济的增长，对能源的需求量也不断增多。一方面是石化能 源的不可再生，一方面是消耗量的不断增大。以目前的发展速度，根据国际上通 行的能源预测，地球上的石油、天然气和煤能供人类开采的年限，分别只有4 0 年、6 0 年和2 2 0 年。世界能源短缺常常引起国家冲突和战争，温室气体排放导致 了大量气候性灾难，环境污染直接影响人类的生存质量，能源和环境问题促使各 国研究开发新能源和节能、环保产品。 交通工具的能量消耗量占世界总能源消费的4 0 ，汽车的能源消耗量约占 1 4 ，面对节能和环保的巨大压力，伴随高新技术的发展，世界各国纷纷开发新 能源汽车、节能环保型汽车中国年产汽车近6 0 0 万辆，已经是世界第二汽车生 产大国，并且年增长速度达到了2 5 以上。据国务院发展研究中心产业部预测， 到2 0 1 0 和2 0 2 0 年，我国汽车的燃油需求分别为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，为当年全国 石油总需求的4 3 和5 7 ，汽车将要“吃”掉一半左右的自产、进口石油。目前， 武汉理工大学硕士学位论文 我国的石油对外依存度已经超过3 0 ，据预测，我国新增的石油需求将越来越多地 依赖进口，能源缺口越来越大。因此，中国汽车能源应该纳入国家安全战略高度 来考虑，为此，国家在“九五”、“十五”规划都安排了“8 6 3 ”电动车项目，“十 一五”计划安排了“8 6 3 ”节能与新能源汽车项目。 在一十五”期间，“8 6 3 ”电动汽车重大专项以燃料电池汽车、混合动力电动 汽车、纯电动汽车三种车型为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机、 动力蓄电池三种共性技术为“三横”的“三纵三横”组织模式，建立了布局合理、 机制灵活的研发体系。在2 0 0 5 年末，。8 6 3 ”电动汽车重大专项全部验收合格，对 电动汽车的研究取得了阶段性成果，三种类型的电动汽车的优缺点和技术经济特 性比较1 3 j 如下表1 1 、表1 2 所示： 表1 。1电动汽车优缺点一览表 优点缺点 1 不消耗石油资源1 价格高 2 零排放2 续驶里程少 纯电动汽车e v3 平稳、低噪声、震动3 车身重量重 小4 电池寿命短 4 操作简单 5 制动摩擦小 1 能量转换高( 是普通1 生产成本高，是普通汽车 汽车的2 3 倍)的1 0 倍以上 2 污染小 2 总体安全性差 燃料电池电动车f c3 噪声低3 瞬时响应特性差 4 运动部件少4 大批量生产技术不成熟 5 寿命短 6 重量重 1 基础设施不改变 1 成本稍高，是传统汽车的 混合动力电动汽车2 技术性能相对成熟1 3 倍 h e v3 污染小2 电池的耐用性、使用寿命 4 噪声低有待提高 5 操作简单 2 武汉理工大学硕士学位论文 表1 2e v 、h e v 、f c 与传统汽车技术经济特性的比较 传统汽车 纯电动汽车燃料电池电动混合动力电动 e v车f c汽车h e v 气体排放 1 0 0o4 6 6 0 燃油消耗1 0 0 0 o4 0 6 0 续驶里程中很短 短长 电池寿命1 2 年 5 年 5 年 加油站改造 l o o1 0 00 成本1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 01 3 0 性能 1 0 05 05 09 0 技术成熟度成熟成熟不成熟成熟 经过比较，混合动力汽车在现阶段最具优势，其次是纯电动汽车，最后是燃 料电池汽车。 1 3 混合动力汽车的种类和特点 1 3 1 混合动力汽车的种类 混合动力汽车有多种分类方法，可以按照驱动系结构划分，按照混合度大小 划分，按照是否依赖电网充电划分等i 。 按驱动系结构可分为： 串联式混合动力电动汽车( s r l e v ) ，如图1 1 所示。它是指发动机输出的机械 能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用于给蓄电池充电，另一部 分经由电动机和传动装置驱动车轮。 并联式混合动力电动汽车( p 既v ) ，如图1 2 所示。它采用发动机和电动机两 套独立的驱动系统通过扭矩耦合的方式驱动车辆。 混联式混合动力电动汽车( e s m ! v ) ，如图1 3 所示。它在结构上综合了串联 式和并联式的特点，可以将车辆的动力以两种形式灵活的传递给车轮。 3 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 串联式 串建 最 图1 - 2 并联式 图1 3 混联式 按混合度大小，即是按电池在混合动力车辆行驶中的作用可分为轻度混合 ( m i l dh y b r i d ) 动力电动车辆( m i - i e v ) 和全混合( f u l lh y b r i d ) 动力电动车辆( f r i e v ) 。 轻度混合动力电动车辆中电池的能量有限，一般不提供纯电动行驶工况，电机不 能单独驱动车辆前进；在全混合动力电动车辆中电池可以提供车辆一定的纯电动 行驶范围，电机可以单独驱动车辆前进。 按照是否依赖电网充电可以分为电量依赖( r e c h a r g ed e p e n d e n c e ) 型混合动力 车辆和电量维持( r e c h a r g ei n d e p e n d e n c e ) 型混合动力车辆。电量依赖性混合动力 车辆的形式依赖于来自外部电网的电能，当电池能量耗尽时车辆无法继续行驶， 只有在重新充电后才能继续行驶。电量维持型混合动力电动汽车虽然也可利用外 界电网的电能，但可以不依赖来自电网的电能，而通过车载内燃机进行电量补充。 一般情况下我们都采用上述的第一种分类方式对混合动力电动车进行分类 区别加以分析，这三种类型的混合动力电动汽车各有其优缺点，一般而言，他们 适用于不同的使用范围，如串联式适合于城市内的公共交通、并联式适合于城际 间的交通运输、混联式则在轿车上应用比较成功等等，这些都是由他们的结构特 4 武汉理工大学硕士学位论文 点及控制策略所决定的。 ( 1 ) 串联式混合动力电动汽车s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv c h i c l c ( s v ) 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、发电机 和驱动电机采用“串联”的方式组成s h e v 的驱动系统。s h e v 用发动机一发电 机组均衡地发电，电能供应驱动电机和动力电池组，使s h e v 的续驶里程得到延 长。实际上s h e v 的发动机一发电机组只能看作一种电能供应系统，并不直接参 与s h e v 的驱动。 ( 2 ) 并联式混合动力电动汽车p a r a l l e lh y b f i de l e c t r i cv c h i c l c ( p m w ) 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”的方式组成p h e v 的驱动系统。p h e v 的动力 系统组成，可大致分为发动机一驱动系统( 变速器和驱动桥) 一驱动轮等，电动 机的动力要与车辆驱动系统相组合，其组合方式大多采用转矩复合方式进行，即 两个动力源的转矩直接或按一定比例叠加，转速相同或有一定速比。 ( 3 ) 混联式( 串、并联式) 混合动力电动汽车p s h e v 混联式混合动力电动汽车( p s m j v ) 是综合了s 艇v 和p h e v 结构特点组成的 p s h e v ，由发动机、电动，发电机和驱动电机三大动力总成组成。由于电动发电 机必然是装在发动机的输出轴上，才能起发动机飞轮和起动机的作用，也才能保 持发动机的稳定运转并进行发电。因此电动机的动力要与车辆驱动系统相组合。 目前大多采用行星齿轮对其动力源进行速度复合，即发动机的扭矩按一定比例分 配到发电机和齿圈上( 齿圈上的输出扭矩与驱动电机一起驱动车辆) ，而发动机 的转速与发电机的转速、电动机的转速以及车速满足一定的等式关系。这种复合 式利用了行星轮系的多自由度( 2 个) 使发动机的工作状况随车速的变化影响小， 能以最佳工作状态进行工作，而其能量转化效率也较串联式高，并且能较好地实 现制动能量回收，被公认为目前较为理想的混合动力型式，其中以百公里油耗达 到3 l 的丰田p r i u s 混合动力轿车为代表。 以上三种混合形式各有其优缺点，表1 3 将它们做了对比： 表1 3 不同混合动力形式优缺点对比 优点缺点 其发动机和驱动电机之间无机械联接，发动机工况可以避能量转换次 由 免受到道路阻力的影响，因而发动机能固定在最高效率和数多，效率低； 较低排放状态工作，并且结构布置也比较简单。 动力部件 联 可以方便地实现制动能量回收。 式整车的转动惯量小，在加速时车辆的加速阻力小。 多，整车质量 控制简单，可靠。 较大。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 3 不同混合动力形式优缺点对比( 续) 优点缺点 并 能量转换次数少，发动机的能量只有一在行驶过程中，发动机的工作 联 部分能量通过发电机一电池一电动机驱状态随车速的变化而波动，其 动车辆。 。 工作稳定性不好。 式 可以根据行驶工况及其他要求选择纯发控制复杂，特别动力合成装置 动机、纯电动、混合动力来驱动车辆。的制造、加工与操作控制等。 动力部件较串联式少，整车质量轻。制动能量回收效果不好。 混 控制上的灵活性。 系统结构较为复杂，无论在 联 可以获得较佳的性能。 制造上和控制上都带来一定的 式困难。 1 3 2 混合动力汽车的特点 混合动力汽车主要是通过提高发动机的负荷率，使其工作在经济区域以提高 发动机的效率，来达到节能环保的目的。 目前的车辆发动机的热效率的最大值是3 0 - - 4 0 。但是，在怠速以及低负 荷的情况下，熟效率则是零或接近于零；在减速时，动能则转换成热能散失。实 验显示，在日本城区1 0 1 5 工况循环中，热效率减少到约1 5 。 混合动力汽车主要通过以下一些方法来获得较高的效率i 卅。 ( 1 ) 怠速时，发动机熄火。传统的车辆即使在怠速时依然要消耗能量。在日 本城区1 0 一1 5 工况循环中，怠速时的能量消耗大概占到总能量消耗的1 0 1 5 。 当遇到堵车时这种状况就显得更加严重。因此，混合动力汽车在怠速时熄灭发动 机，这样就克服了发动机在怠速时油耗较大和排放很差的缺点。 ( 2 ) 回收减速时的刹车能量。混合动力汽车可以利用电机部分回收减速时的 刹车能量，将其储存在电池中以供将来的使用。 ( 3 ) 减少发动机在低热效率区的工作机会，而尽可能在高热效率区工作。混 合动力汽车在匀速行驶时可以通过电机对电池组进行充电，以提高发动机的负荷 率来保证发动机在最佳燃油经济区工作。 混合动力汽车的性能提高主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 经济性得到明显改善。主要通过优化发动机的运行范围，采用发动机自 动关机系统及制动能量回收系统来实现。 ( 2 ) 排放性能有所提高。主要是因为怠速时关闭了发动机减少甚至消除了发 动机在低热效率区工作的机会。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 加速性能有所提高。主要是通过全力加速时电机的辅助工作来实现的。 i 4 混合动力汽车的发展 世界经济的发展是伴随着汽车工业的发展而发展的，汽车的产生和发展极大 的影响了人们的生活和社会生产方式。然而，在享用汽车给我们带来便利的同时， 随之引发而来了许多负面影响，如汽车尾气造成的空气质量下降、石油资源的匮 乏和环境的日益恶化等。由于汽车保有量呈几何级数增长，严重的环境污染不断 受到人们的关注。尤其在一些大城市，随着一系列光化学污染等环境污染时间的 发生，各个国家政府开始注重环境保护，这使得一些著名的汽车公司转向研究和 开发电动汽车。早在2 0 世纪7 0 年代，世界发达国家就投入巨资进行电动汽车商业 化开发和应用。 针对汽车工业发展所引发的社会问题，必须研制开发更节能、更环保和使用 替代能源的先进技术。然而，新技术必须满足以下几个方面的要求同： ( 1 ) 经济方面的要求：减少能源消耗，降低成本，提高可靠性； ( 2 ) 环境方面的要求：减少或杜绝有害物质的排放； ( 3 ) 技术方面的要求：减少体积重量，降低阻力，提高整车及零部件性能， 提高舒适性、安全性和机动性。 在混合动力汽车、纯电动汽车和太阳能汽车等先进技术比较之下，纯电动汽 车和太阳能汽车技术以其能量密度低，体积和质量较大，导致续驶里程低与动力 性较差，而且其价格昂贵，配套设施投资巨大，还无法满足推广和应用的要求 而混合动力汽车以其成本相对较低，且易于改进等优点，使其成为具有实用价值 的新技术。 当前，混合动力电动汽车的研究与开发己在世界范围内由点向面地扩展，发 展相当迅速。发达国家的许多研究成果已走出了实验室，并开始进入市场。许多 发展中国家也开始筹集资金，组织科研力量进行可行性论证和关键技术的攻关。 日本丰田汽车公司是世界上最早开始研究混合动力汽车( 眦v ) 的公司之一。 早在1 9 9 7 年1 0 月，丰田公司推出了自己设计的混合动力车p 刚u s ( 先驱 者) 。采用的是阿特金森循环式发动机、驱动用镍氢电池和电动无级变速系统。 第一代“p r i u s ”每升汽油的行驶距离达到2 8 k i n ，c 0 2 排放量比普通汽车减少 5 0 ，c o 、h c 和n o x 的排放量仅为普通轿车的1 0 。而且美国和日本等各大 汽车公司都大力进行混合动力汽车的研制开发，其市场化和产品化必将成为一种 趋势，成为新一代汽车技术的代表。 美国能源部和美国的三大汽车公司合作，正在推行一项庞大的新一代汽车合 作计划( p a r t n e r s h i pf o rn e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s 缩写为p n g v 计划1 ，基于这个计 7 武汉理工大学硕士学位论文 划，政府与三大汽车公司分别签订混合动力汽车开发合同，要在低污染的条件下 制造出每百公里油耗不超过3 升的汽车，经过三年论证的结果表明采用混合动力 技术是切实可行的。通用汽车公司采用混合动力系统在通用较小的s u v 车型上推 广，混合动力系统使每辆汽车的平均成本增n 1 5 0 0 美元；福特公司也己经开发出 两款混合动力车型。 日本汽车界也已将电动汽车开发重点从纯电动汽车转向混合动力汽车，继丰 田公司在1 9 9 7 年研制出p r i u s 之后，本田公司也研制了了轻度混合动力轿车 l i g h t ，于1 9 9 8 年1 2 月推向市场，并获得了好评；丰田的c o a s t e r 客车、日野 的混合动力客车和货车也己经进入商业化阶段：克莱斯勒推出l e “道奇无畏 e s x ”混合动力车；日产也继本田推出i n s i g h t 混合动力轿车后推出了y i n o 混合 动力轿车；日本微车巨头铃木公司也在1 9 9 9 年的东京汽车展上展出了w a g o n 混 合动力车。 欧洲在混合动力汽车的开发、研制和推广方面作了大量投入。目前，德国已 有2 0 辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。欧洲六大汽车公司联合就混 合动力汽车技术、性能等进行了综合评价，认为其技术成果可望使混合动力汽车 成本接近于一辆传统汽车，使客户买得起、卖家可盈利。其对市场的调查也表明， 大多数顾客在燃油汽车、混合动力汽车和纯电动汽车三者之间更愿意选择混合动 力汽车。最近，德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将在部分地区 限制百公里油耗超过5 升的轿车行驶，也将促使人们把希望寄托在混合动力汽车 的开发上。 在国外混合动力汽车研究如火如荼的开展的同时，我国也不甘示弱，并制定 了相应的促进政策。我国。十五”国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 将混 合动力电动汽车以重大专项列入；建设部2 0 0 4 年3 月6 日颁布关于优先发展城市 公共交通的意见，提出“争取用5 年左右的时间基本确立公共交通在城市交通中 的主体地位”；国家发展和改革委员会2 0 0 4 年6 月1 日颁布汽车产业发展政策 指出：“要结合国家能源结构调整战略和排放标准的要求，积极开展电动汽车、 车用动力电池等新型动力的研究和产业化，重点发展混合动力汽车技术”，“促进 混合动力汽车的生产和使用”。国家发展和改革委员会2 0 0 4 年1 1 月2 5 号颁布的节 能中长期专项规划指出：“坚持把节能作为转变经济增长方式的重要内容”，“实 施清洁汽车行动计划，发展混合动力汽车”，“研究鼓励混合动力汽车、纯电动汽 车的生产和消费政策”。 当前，东风、一汽、上汽、奇瑞、长安和比亚迪等厂家都在研发自己的混合 动力产品。由东风电动车辆股份有限公司研发的东风混合动力公交车，2 0 0 5 年7 月2 7 1 t 完成最终产品的定型样车试验并通过验收，成为中国第一代混合动力汽车 8 武汉理工大学硕士学位论文 商品车。此外，采用混合动力技术的长安c v 9 已经下线，奇瑞已于2 0 0 6 年底推出 混合动力轿车。 目前国内外专家基本上达成共识：混合动力电动汽车的使用不仅仅只是电动 汽车的一个过渡阶段，而是汽车工业即将面临的一场新的革命。基于以上分析， 混合动力电动汽车的商业化和产业化发展是必然的趋势。总体来说，混合动力电 动汽车的研究和开发仍处于起步阶段，其关键技术( 如电池管理系统、传动系统 总成) 还有待改进和创新，成本价格有待降低，性能也有待提高，这样才能满足 取代传统燃油汽车的技术与市场要求闭。 1 5 混合动力汽车电机驱动控制系统 交流电机驱动控制系统是混合动力汽车的一项关键技术之一，其性能的好坏 将直接影响整车性能。目前国际上和国内在常规领域中较为流行的和在电动汽车 上使用的控制系统有矢量控制、直接转矩控制、模糊直接转矩控制三种。它们各 有千秋： 1 5 1 矢量控制系统 1 9 7 1 年由德国西门子公司的e b l a s c h k e 提出的异步电机矢量控制技术是基于 坐标变换的一种技术，将电机的定，转子电压、电流、磁势、磁链瞬时值所产生 的效应用空间矢量来表示，以转子磁链矢量为参考坐标，通过三相到两相坐标转 换，实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦。因此便可以进行独立的控制和调 节，把这两个分量作为被控参数，异步电机就具有和直流电机一样优良的转矩、 转速调节特性。 。 转予磁场定向的矢量控制系统是2 0 年来实际应用最为广泛的高性能交流调 速系统，在电动车和混合动力汽车的交流驱动系统中的应用也是最成熟的，起动 态性能好，调速范围宽，但控制性能受电机参数变化的影响很大是其主要缺点。 1 5 2 直接转矩控制系统 直接转矩控制是由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年提出的具有控制 手段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点，比较适合混合 动力汽车和电动车的控制【6 j 。它摈弃了矢量控制中解耦的思想，将转子磁通定向 更换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹 角，从而达到控制转矩的目的。根据s p w m 控制方式和磁场加速理论，当气隙磁 通维持恒值而旋转速度可调时，所有其它矢量包括转矩均为转差的函数，这样通 9 武汉理工大学硕士学位论文 过适当选择6 个空间非零电压矢量和作用时间，并通过适当加入一个或多个空间 零矢量来调节气隙磁通的运动轨迹和速度，就能控制转矩。 由于定子磁通定向，而且直接通过控制转矩差和定子磁通差就能确定电压矢 量，不需要进行坐标转换，控制系统及计算过程大大简化。 由于为了实现转矩的快速响应，直接转矩系统采用了两点式( b a n g - b a n g ) 控制，由此而产生了转矩脉动，限制了系统的调速范围，这是其缺点之一；再者 由于系统未能彻底摆脱电机参数的影响，尤其是在低速时定子电阻的影响相当 大。 图1 - 4 直接转矩控制系统原理 i 5 3 模糊直接转矩控制系统 直接转矩控制系统依据转矩误差、定子磁链幅值误差及磁链位置角来选择逆 变器的开关状态，但控制器无法区分电机定子磁链和电磁转矩误差的等级，以及 引起误差变化的一些不确定性因素等，而模糊控制器可以很好地解决存在不准确 或不确定信息的控制问题，它对电磁转矩和定子磁链的误差进行了模糊化处理， 将误差分成了不同的等级，利用模糊决策来选择逆变器的开关状态，整个系统由 定子磁链和电磁转矩观测器、模糊化界面、模糊控制器和非模糊化界面等四个主 要部分组成，用模糊控制器取代了传统的转矩、磁链控制器，提高了转矩指令突 变时的响应速度；抑制了转矩响应纹波；提高了电源电压利用率。但引入了模糊 转矩控制器运算量有较大的增加，限制了它在工程上的广泛应用问。 1 6 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 客观评价混合动力城市客车采用各种驱动型式的优劣，然后确定动力总 成的结构方案； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 系统研究串联混合动力总成的控制策略，为离线仿真打下基础； ( 3 ) 提出串联混合动力总成参数和控制参数的匹配方法和大体原则，并结合 a d v i s o r 的仿真结果，对混合动力公交客车各参数进行匹配； ( 4 ) 在直接转矩控制系统的基础上提出误差等级直接转矩控制策略，使其更 为可靠、快速、准确地控制驱动电机，满足混合动力电动车的各种行驶工况。应 用m 棚a b s i n l u l i n l 【建立电机的正向仿真模型； ( 5 ) 根据以上的控制策略和所建立的模型，开发基于v i s u a lc + + 和m a t l a b 混合 编程的电机控制系统正向仿真软件。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力电动车仿真软件 2 1 国内外混合动力汽车仿真软件介绍及比较 2 1 1 开发仿真软件的必要性 在研究和开发混合动力汽车时，要考虑的问题很多，如选择部件、确定最 佳结构、合理制定和优化整车控制策略等等。这些问题需要设计者和制造者能够 很快且有效地缩小研究范围，找到技术的突破口。 在技术方案确定之前，对混合动力汽车各子系统以及整车建立合理有效的计 算机模型，这些模型为每个侯选的子系统提供了详细规格和设计参数，从而简化 了原先需要准备各种规格的侯选子系统的工作。 在技术方案选择阶段，系统的选择可依靠高效的建模工具计算机，交替 使用侯选的子系统对实际情况进行模拟仿真，通过一系列仿真结果的分析，就可 找到最佳的技术方案。 由此可见，混合动力汽车仿真技术可灵活地调整设计方案，合理优化设计参 数，这样不仅方便设计者的工作，降低科研经费，缩短研发周期，而且还有助于 为混合动力样车的制造和试验提供工程目标。 2 1 2 国内外常见混合动力汽车仿真软件的介绍 国外早在1 9 7 0 年就开始研究对混合动力汽车的建模和仿真。表2 1 列出了当 前电动汽车用仿真软件总体情况【8 】。 表2 1 当前电动汽车用仿真软件的总体情况 开放性 软件名称使用范围开发者开发软仿真方法 和通用 g u i 界 件 型 面 纯电动在源代 车、串联i d a h o 美码中修交互式 式混合动 国国家工 q b a s i e逆向仿真 改控制菜单界 s 姗u b v 程实验室 方法很 回 力车 困难 纯电动 l a w r e n c e 车、串联 l i v e r m o r e 结构固菜单界 h v e c 式混合动 美国国家 c 逆向仿真 定，柔性 面 力车 实验室 差 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - l 当前电动汽车用仿真软件的总体情况( 续) 易于改 变部件、 串、并联 t e x a sm a t l a b s 燃料和 v - e l p h 混合动力 a & mi m u l i n k 逆向仿真 控制方 友好 奎 u n i v e r s i t y 法的类 型 纯电动易于改 车、混合美国能源变模型 动力车、可回收试 m a t l a b ，s 和控制 a d v l s o r 验室 i m u l i n k 逆向仿真 方法 友好 燃料电池 车及常规( n m s l ) 车辆 纯电动易于改 车、混合变模型 动力车、 肌公司 c 正向仿真 和控制 友好 c r u i s e 燃料电池方法 垄 纯电动易于改 车、混合 u s a c a r 变模型 动力车、 ，n a s a 、m a t l a b s 和控制 p s t e p a 和 i m u l i n k 正向仿真 方法 友好 燃料电池 车及常规 d o e 车辆 开放性交互式 h e v s i m 混合动力o p a t r t m a t l a b s 和可扩菜单界 车技术公司 i m u l i n k 展性面 大部分电动汽车用仿真软件开发集中在美国。开发方式主要有一次开发和基 于m a t l a b s i m u l i n k - - - - 次开发两种方式。大部分软件采用逆向仿真，即根据路面 循环工况计算各部件工况。p s a t 采用正向仿真，即根据驾驶员行为或循环工况 调节部件使得车辆各部件跟随路面循环工况。其中，a d v i s o r 、p s a t 、c r u i s e 拥有数量较多的用户。尤其a d v i s o r 的用户群更为广泛，这是由于该软件各版 本提供了免费下载。p s 栅有少量用户，因为目前该软件专利版只对p n g v 成员 提供，非专利版对少数机构有选择的提供 9 1 。 按软件的开发方式和复杂程度可以把电动汽车用仿真软件归纳为三类。 第一类是功能较少、一次开发的电动汽车用仿真软件，特点为算法简单，功 能单一，只能解决特定的车型。其典型代表是s 1 m p l e v 程序和h v e c 。 第二类是基于m a t l a b 软件进行二次开发的仿真软件，该类软件以 武汉理工大学硕士学位论文 m a t l a b 软件为开发平台，实行了可视化和交互式操作。由于m a t l a b 突出的 数值分析和程序处理能力，使这类软件具备了非凡的数值处理和可编程功能。这 类软件的典型代表是a d s o r 和p s a t 。 第三类是专用的电动汽车仿真软件，该类软件专门