（车辆工程专业论文）集成isg的cvt传动模块在混合动力汽车上的应用.pdf

集成i s g 的c v t 传动模块存混合动力汽车上的应用 摘要 汽车作为目前最为普遍和重要的一种交通工具之一，方便了人们的生活，加 速了社会的发展，与此同时，随着汽车保有量的持续上升，也带来了一些严重的 问题，如能源危机和全球变暖，在此背景下，新能源汽车成为了国际汽车技术发 展的一个重要方向，相对而言，混合动力电动汽车是目前技术最为成熟、最具有 市场前景的一种新能源汽车，为应对能源危机、实现环境的可持续发展有着非常 重要的意义，目前，混合动力电动汽车已经成为了国际汽车技术发展的一个热点， 并且己取得较大的成功。 本文介绍了国内外混合动力电动汽车发展现状，阐述了发展混合动力汽车的 必要性和紧迫性。在分析和对比不同类型混合动力电动汽车的基础上，对一款轻 度混合动力样车汽车，提出了机构紧凑、制造成本较低的基于i s g + c v t 传动模 块的方案。 在分析了i s g 电机( 永磁同步电机) 控制及旋转变压器工作原理的基础上，针 对电机位置传感器旋转变压器专用处理芯片成本高的不足，提出了一种基于 运算放大器的低成本电机转子位置检测方案，设计了电路原理图，经m u l t i s i m l 0 下的电路仿真和参数调整，最终设计出了硬件电路，并成功应用于i s g 电机控制 系统中。 分析了i s g 型轻度混合动力汽车的结构特点、工作原理及控制策略，通过对 混合动力样车进行试验，验证了其在几种典型工况下的性能，经过数据采集系统 采集试验数据，并在m a t l a b 下进行数据分析，对控制策略及传动模块性能进 行了进一步验证。 试验结果表明：集成了i s g 的c v t 传动模块工作可靠，i s g 型轻度混合动力 控制策略合理，混合动力控制单元( h c u ) 能j 下确根据驾驶员的意图和运行工况 进行自动进行模式切换，怠速停机、快速起停、能量回收等功能得到实现，可以 达到提高燃油经济性和排放性的目的；基于运算放大器的位置检测方案在降低成 本的同时，能较精确地检测电机转子位置。 关键词：混合动力电动汽车；无级变速器；集成起动发电机；旋转变压器数字 转换器；怠速停机；快速起停 a bs t r a c t a so n et h em o s tp r e v a l e n ta n di m p o r t a n tt r a n s p o r t a t i o nm e a n s ，v e h i c l e sm a k e p e o p l e ，sl i f eb e t t e ra n da c c e l e r a t e ss o c i a ld e v e l o p m e n t ，a t t h es a m et i m e ，w i t hv e h i c l e p o p u l a t i o ne x p l o s i o n ，t h e r ea r ea l s os o m es e r i o u sp r o b l e m s ，s u c ha s e n e r g yc r i s e s ， g l o b a lw a r m i n g i nt h i ss i t u a t i o n ，n e we n e r g y v e h i c l e sb e c o m ea ni m p o r t a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fv e h i c l et e c h n o l o g y r e l a t i v e l y ，w i t hm a t u r et e c h n o l o g ya n d b r i g h tm a r k e tf u t u r e h e vi st h eb e s ts o l u t i o nf o rt h e s en e we n e r g yv e h i c l e s h e v i s v e r yi m p o r t a n tf o rd e a l i n gw i t he n e r g y d e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，h e vb e c o m e s a n dh a sa c h i e v e ds u c c e s s c r i s e s ，e n s u r i n ge n v i r o n m e n ta n ds u s t a i n a b l e ah o t s p o ti nv e h i c l et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ， t h ew o r l d w i d ed e v e l o p m e n to fh e va n dt h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gh e v i s a n a l y z e di nt h i sp a p e r b a s eo na n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs e v e r a ld i f f e r e n tt y p e so f h e v , p r o p o s e dai s g + c v tt r a n s m i s s i o ns y s t e ms o l u t i o nf o ram i l dh y b r i dv e h i c l e ， w i t hc o m p a c ts t r u c t u r ea n dl o wc o s t o nt h eb a s i so fp m s mc o n t r o ls t r a t e g ya n dp r i n c i p l eo fr e s o l v e r , a i ma tr e d u c i n g c o s to fr d cc h i p s ，p r o p o s e dal o wc o s ts c h e m ef o rr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i n gu s i n g o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t h e nd e s i g n e dt h es c h e m a t i c w i t ht h eh e l po fs i m u l a t i o na n d p a r a m e t e ra d j u s t m e n tu s i n gm u l t i s i m 10 ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sf i n a l l yd e s i g n e da n d a p p l i e di np m s m c o n t r o ls y s t e ms u c c e s s f u l l y t h em a i nf e a t u r e ，p r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h i si s gm i l dh y b r i dv e h i c l e i sa n a l y z e d p e r f o r m a n c e so ft h i sh e v i ns e v e r a lt y p i c a lc o n d i t i o n sa r et e s t e da n dt h e r e l a t e ds i g n a l sw h i c ha r ea n a l y z e di nm a t l a ba r ea c q u i r e db yd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，t h u st h ec o n t r o ls t r a t e g y a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e va r ef u r t h e r i n v e s t i g a t e d t e s ts h o w st h a tt h ec v tt r a n s m i s s i o ns y s t e mi n t e g r a t e dw i t hi s gi sr e l i a b l e t y p i c a lp e r f o r m a n c e so ft h i sh e v , s u c ha si d l i n g s t o p ，s t a r t s t o pa n dr e g e n e r a t i o n b r a k i n ga r er e a l i z e da n dg e te n h a n c e df u e le c o n o m ya s w e l la sr e d u c e de m i s s i o n h c ud e t e c t sd r i v e r ，si n t e n s i o n sa n dr u n n i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h e nc o r r e c t l yf i n i s h e s m o d e - s w i t c h l o wc o s tr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i n gm e t h o db a s e do no p e r a t i o n a la m p l i f i e r p r o v i d e sa c c u r a t er o t o rp o s i t i o n ，m e a n w h i l e ，r e d u c e st h e c o s t k e yw o r d s ：h e v ；c v t ；i s g ；r d c ；i d l i n g s t o p ；s t a r t s t o p 硕士学位论文 湖南大学 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：哆钳 f 日期：矽年歹月2 夕日 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：哆年广月2z 日 日期：6 尸年j 、月坍 节 矿莎 l 1名己 弓 1j 彳3 名名签签者师作导 硕士学位论文 第1 章绪论 汽车这项伟大的发明，如今已经渗透到人们生活的方方面面，作为目前最为 重要和最普遍的交通代步工具，它极大地方便了人们的生活，提高了整个社会运 行的效率，日益成为了社会发展过程中不可或缺的一个部分，然而，伴随着汽车 工业的飞速发展，汽车保有量的持续上升，同时也引发了一些严峻的问题如能源 危机、环境污染等等，这些问题不仅直接关系到汽车的可持续发展，更关系到环 境和人类的可持续发展，发展新能源汽车势在必行。越来越多的汽车厂商、研发 单位以及各国政府和相关组织都意识到了这一点，并把许多目光投向了新能源汽 车领域。 1 1 本课题研究背景 汽车的发明到现在已有一百多年，在这一百多年的社会进程中，其扮演着越 来越重要的角色，伴随着社会的进步和人们生活节奏的加快，汽车在一定程度上 已经成为了个人和社会生活的“必需品 ，目前看来，随着社会的加速发展，汽 车作为这个“必需品 ，其使用会越来越普遍，其地位也会越来越重要。在我国， 虽然目前私家轿车还属于高收入人群的消费品，但可以预见的是，在不久的将来， 随着人们生活水平的提高、汽车技术的发展以及成本的下降，私家轿车必将进入 普通家庭。 与汽车工业飞速发展、汽车保有量持续上升相对应的是油价上涨、环境恶化、 和能源危机等问题的日益突出。国际原油期货价格曾经一度突破1 4 7 美元桶，加 油站出现排队加油或限量加油的情况已是屡见不鲜，甚至国外有媒体称，某些石 油产出国的局势动荡和战争也是因争夺石油而引发；汽车尾气中的c 0 2 会造成温 室效应，使得全球变暖，据联合国估计，至u 2 0 2 0 年全球平均温度增幅将达1 3 2 5 ， 至1 j 2 0 7 0 年更是达到2 4 5 1 ；而汽车尾气中的n o x 等还会导致酸雨，造成泥土、 水源酸化，危害植被和水生生物；汽车尾气还严重破坏人体健康，特别是对呼吸 系统，造成支气管炎、肺癌等疾病的发病率升高。美国的资料表明，城市大气污 染量的6 3 来自燃油汽车的尾气排放，8 0 的城市噪声污染来源于城市交通；另 外，由于石油属非可再生资源，目前的原油储存量已经非常有限，英国石油( b p ) 发布的世界能源统计评估( s t a t i s t i c a lr e v i e wo f w o r l de n e r g y ) 称，按照目前的 消费速度，全球己探明储量只够使用4 0 年。与此同时，石油的需求量却与日俱增， 国际能源署发表的报告称，至u 2 0 3 0 年，全球能源需求每年的平均增长率将达到3 集成i s g 的c v t 传动模块在混合动力汽车f ：的应用 左右，其中中国将消耗全球能源供应的2 0 ，仅低于美国目前所占的份额。 对我国而言，石油资源本来就比较稀缺，而近几年，私人购车每年以大于1 0 的速率递增，对石油的需求量越来越大，国家每年需要大量从国外进口，据统计， 2 0 0 7 年，我国汽车燃油消耗约9 5 0 0 万吨，占石油消耗的2 8 ，同年我国进口石油 及产品超过1 8 亿吨，石油对外依存度4 6 ，至1 2 0 2 0 年，汽车消耗的能源将占到石 油总量的5 0 以上，届时石油对外依存度将超过6 0 ；另外，石油还是一种重要 战略物资，石油的稀缺无疑还关系到一个国家的战略安全问题，对石油的依赖， “不仅是个经济问题，也是个政治问题”【l 】。 等等这些，已经引起了全世界的广泛关注，各大汽车厂商和研发机构都在不 遗余力地对现有的汽车进行节能减排的改进和研究，虽然也取得了一定的成效， 但从长远看，对传统的内燃机动力汽车，无论节能减排技术发展进步到什么程度， 显然都不是“汽车可持续发展”的终极解决方案，石油资源总有枯竭的一天，传 统汽车必将随石油( 包括其它化石燃料) 资源的枯竭而走到尽头。 综上所述，找到一条汽车可持续发展道路，发展新能源汽车，减轻或摆脱汽 车对石油的依赖，已不仅仅只是一种技术发展的主观要求，更是客观形势下的必 要，让人欣慰的是，在各个国家和汽车厂商的努力和推动下，新能源汽车技术的 发展目前已经取得了较大的进展。 1 2 新能源汽车方案 新能源汽车指的是除了传统的汽油、柴油动力汽车之外的所有其它能源的汽 车，目前主要有燃料电池电动汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，f c e v ) 、纯电 动汽车( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，p e v ) 和混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ， h e v ) 等。 f c e v 是利用燃料电池( f u e lc e l l ) 将燃料和氧化剂中的化学能不断地转化成 电能，从而驱动汽车，燃料电池( f u e lc e l l ) ，和通常所说的电池( b a t t e r y ) 相 比，不论是结构还是原理上与普通的电池都不一样，其活性物存储在电池外部， 只要不断供应燃料和氧化剂就可以不断发电，理论上其容量是无限的【2 1 ，它更像 是一个“发电站 而不是一个储能的“电池 。燃料电池因可以直接将燃料的化 学能转为电能，能量转化率高，而且有害气体排放少，因此f c e v 理论上是一个非 常理想的新能源汽车发展方向，但是f c e v 目前存在着成本、技术和基础设施建设 等问题，离产业化还有一定的距离。 纯电动汽车( p e v ) 虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动 力电池技术并未取得突破性的进展，还没有令人满意的高能量密度、功率密度同 时还具有高性价比的动力电池，目前p e v 还存在续航里程短、充电时间长、体积 大、价格高等问题，使得它的应用受到很大的限制。虽然现在也有不少p e v 的产 2 硕十学位论文 品，但主要集中在特殊应用场合，如小区、校园、景区内的专用车，同时还有少 数公交车采用了纯电动，但大规模的应用纯电动汽车，尤其是在轿车领域还比较 少。 混合动力电动汽车( h e v ) ，根据国际电工委员会电动汽车技术委员会对其 的定义：具有一种以上的能量转换器提供驱动动力的混合型电动汽车。混合动力 汽车中最常见一种的就是油电混合动力，即由传动的内燃机和电机提供动力，驱 动汽车行驶，虽然不能实现零排放，但混合动力汽车由于有了两路动力源，既继 承了石油燃料高比能量和高比功率的长处，弥补了纯电动汽车续驶里程短的不足， 又发扬了纯电动汽车作为“绿色汽车 的节能和低排放的特点，还能在制动时进 行制动能量回收，进一步降低了油耗，成为目前公认的最为可行的新能源汽车方 案。 特别是基于无级变速器( c v t ) 的混合动力汽车，由于c v t 可以连续改变速 比，使得汽车在任意行驶工况下，都可以按驾驶员的操作意图实现发动机和电机 工作点与变速器的最佳匹配( 最佳经济匹配或最佳动力匹配) ，从而可降低排放， 提高整车的燃油经济性、动力性、操纵性以及乘坐舒适性，不仅如此，由于电机 的介入，根据控制策略进行能量分配，理论上可以在更大范围内调节发动机的工 作点，尽可能使其工作在高效区间或者相对高效区间( 低油耗或低排放) ，对整 车行驶的需求扭矩，可以通过控制策略在发动机和电动机之间分配，若此时发动 机提供的功率( 或扭矩) 不足而不能满足汽车行驶，可以由电机补充不足的功率 ( 或扭矩) ；若电池的电量偏低，可以由发动机在其高效区运行，在满足汽车正 常行驶的前提下，同时提供一部分功率用来发电，保证电力电池的s o c 值处于适 当的范围内。 c v t 控制单元t c u 可以根据发动机特性、汽车行驶工况、驾驶员意图以及混 合动力控制策略等自动调节速比，进一步提高了整车的自动化水平，更好的进行 动力分配和控制策略的实施，从而可以使整车综合性能达到最佳，目前，c v t 已 成为混合动力汽车最为理想的传动方案，已开发出的比较成功的混合动力车型大 都采用了基于c v t 的传动方案，j t l l p r i u s 、e s t i m a 等等，见表1 1 。 表1 1目前流行混合动力汽车变速器配置方案 根据资料统计，根据不同的路况，混合动力电动汽车的燃油消耗指标较同类 3 集成i s g 的c v t 传动模块在混合动力汽车f ：的应用 型发动机的传统汽车相比平均降低3 0 一4 0 ，尾气排放指标平均降低5 0 6 0 t 3 1 ， 成为目前清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型之一，已成为全球新能源 汽车开发的热点。 1 3混合动力汽车的分类 混合动力汽车有多种分类方法。从能量来源的不同，可分为：“汽油+ 电 、 “柴油+ 电”等多种混合动力；从混合度不同又可分为：弱混合动力( m i l dh y b r i d 、 轻度混合动力) 、中度混合动力、重度混合动力( f u l lh y b r i d 、强混合动力) ， 以及插电混合动力p l u g i nh y b r i d ；而从整车动力传动系统的不同，还可分为三类： 即串联混合动力、并联混合动力以及混联混合动力；此外，目前还有相关研究人 员在进行液压混合动力等其它相关研究【4 1 。本文中所提到的混合动力汽车如无特 别说明均指“汽油+ 电”形式的混合动力电动汽车。 1 3 1 串联混合动力 串联混合动力，见图1 1 ，其发动机( 内燃机) 不直接驱动汽车，而是用来驱 动发电机发电，电能通过逆变器( 电机控制器) 输送到电机，或者向电池充电， 电机是汽车的唯一动力源，电池实际上起到平衡发动机发电机输出功率和电动机 输入功率的作用，当发电机的发电功率大于电动机的输入功率时( 如减速滑行、低 速行驶或短时停车等) ，发电功率可以部分或全部用来给电池充电；而当发电功率 低于电动机输入功率时( 如加速、上坡等) ，不足部分功率可以由电池提供f 5 1 。 这种结构最大的优点就是发动机与汽车不存在直接的扭矩联系，从而可以尽可能 在其最优工作区间工作，提高发动机的效率，最大程度降低排放。但是由于能量 要经过一系列转换过程：发动机- 发电机_ 逆变器( 电机控制器) _ 电动机，中 间转化环节较多，而转化效率不可能达到1 0 0 ，在转换的过程中造成能量损失， 可能导致总效率反而降低。这就需要综合考虑发动机、电机、逆变器等各个单元 的效率特性，从中找到最优的方案。 1 3 2 并联混合动力 并联混合动力，见图1 2 ，与串联混合动力不同，其汽车的动力源有两个：发 动机和电机，两者可以同时出力驱动汽车，根据控制策略，也可以由发动机或电 动机单独驱动汽车，运行在纯发动机工况或纯电动工况，并联混合动力很像一个 加了电机驱动模块的普通内燃机动力汽车。 并联混合动力系统同串联混合动力系统的布置比较起来，其结构相对复杂， 实现形式也趋多样化。一般来说，并联式混合动力系统的控制策略是，当汽车在 低速等小功率工况行驶时，通过控制发动机转速来调节发动机功率，而在汽车加 4 硕士学位论宜 速或高速行驶，发动的功率不足以满足汽车行驶所需功率时，由控制器控制电动 机协助驱动。当然，能量分配策略还要考虑到动力电池容量和电机功率，或者说 要考虑到混合度，对强混的并联混合动力汽车，电机工作更频繁，出力更多，而 对并联结构，控制策略如何来进行能量分配才能达到整车性能最优变得比较复杂。 一嘶p e b 帆州耕一d 堆炉- 蛐p o 岍 围1 1 串联混台动力机构筒圈圉1 2 并联混合动力机构筒田 l3 3 混联混合动力 混联混合动力的结构如图1 3 ，它类似串联和并联的混合体，既能实现发动机、 电机的分别单独驱动或共同驱动汽车，若s o c 值较低，也可以把发动机输出的扭 矩分出一部分带动发电机向电池充电。一般来说，当正常起步或某一速度区间( 电 机的高效区) 行驶时或者处于强制纯电动模式( e v ) 时，可以运行在纯电动模式， 实现最大程度的节油；而急加速、上坡、高速行驶时，可以运行于混合驱动模式， 电机给发动机助力，而发动机运行在相对高效区；若电池的电量不足，则由发动 机发出功率驱动汽车，同时带动发电机发电；汽车制动时，由电机进行制动能量 回收。 杂 d n , m r e k 曲t p 口 时 圈l 3 混联混合动力结构筒圈 对混联混合动力，其结构比较复杂，并且涉及的工况较多，控制策略最为复 集成i s 0 的c v t 传动模块在混台动力汽车上的应用 13 4 同轴并联混合动力 以上是从传动系统结构的角度对不同类型混合动力进行的分析，目前混合动 力结构还有一种流行的结构方案，那就是同轴并联，也叫单轴并联，汽车中加入 了一个1 s g 电机( i n t e g r a t e ds t a a e r g e n e r a t o r ) ，并且发动机输出轴和i s g 电机的 转子同轴，i s g i 女代了传统发动机上起动电机和发电机的位置，结构筒图见图1 4 。 圈1 4 同轴并联混台动力 i s g 型混合动力目前应用比较广泛，特别在轻度、中度混合动力汽车中- 也 有外挂电机的方寨，即b s g ( b e l t d r i v e ns t a n e “g e n e r a t o r ) 方案，但外挂b s g 电 机存在占用空间大，皮带可靠性低等问题，现在的混合动力汽车的i s g 大都采取 同轴并联的这种连接方式，结构紧凑，可靠性高，如本田c i v i c 混合动力就采用了 同轴并联方式，能够报方便实现纯电动、助力、驻车发电、制动能量回收及快速 起停( s t a r t s t o p ) 等功能。需要指出的是c i v l c 混合动力在纯电动和制动能量回收 时，利用气门控制技术，其发动机停止工作并且进、排气门一直保持全开，这样 曲轴转动而发动机缸内就没有压缩相当于“空转”，不会给电机带来发动机制 动的效果。 1 4混合动力汽车发展状况及趋势 1 4 1 国际上混合动力汽车研究及发展动态 世界各大汽车公司和零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车的研制开发以 及关键技术研究，近1 0 年来，美国、日本、欧洲的一些国家和跨国公司已投入超 过1 0 0 亿美元的资金，并且以每年不少于1 0 亿美元的力度继续开发。各国政府对混 合动力汽车的发展也都给予了一定的鼓励政策，目前已有多款商品化混合动力汽 车问世。许多国外汽车公司推出了各自的混合动力汽车，有的已经实现量产，其 中以日系车为代表，抢先占领了部分市场，如丰 p d u s ，本田c i v i c 等等。 日本混合动力车的研究开发早在2 0 世纪9 0 年代初期就已经进行，尤其是丰田 公司，前瞻性地意识到发展混合动力的重要性和紧迫性，很早就开始了对混合动 硕士学位论文 力汽车的研发，并率先推出了全球第一款量产的混合动力汽车p r i u s ，该车被评为 1 9 9 7 年世界1 0 0 项重大科技成果之一【6 】，目前日本的混合动力汽车技术已成为国际 上的领跑者。日本的混合动力汽车主要针对轿车，目前已经成功开发了许多车型， 如p r i u s 、c i v i c 和i n s i g h t 等，大部分都采用了c v t 作为变速器，e t 本各大汽车公司 目前拥有全球大部分的混合动力轿车市场份额，其中丰田公司产品就占据了全球 2 3 以上的混合动力汽车的市场份额，其长期目标是到2 0 2 0 年，混合动力汽车在全 球的年销量达到1 0 0 万辆。 早在1 9 9 7 年，美国“新一代汽车合作伙伴计划 ( p n g v ) 联合了美国商务 部、国防部、能源部、运输部、环保署、国家航空航天局及国家科学基金会等7 个联邦政府机构，以及三大汽车厂、美国一些大学和系统供货商，计划的实施经 费由美国联邦政府和三大汽车公司共同负担，最终的目标是，在基本不改变车体 大小、安全性和售价的情况下，制造出每加仑汽油至少行驶8 0 英里的汽车。但2 0 0 2 年该计划提前终止，2 0 0 7 年度国际汽车工程师学会主席理查德沙姆说，“这是一 个在技术研究上很成功、但在商业化过程中很失败的项目，因为价格太高，根本 无法实现商业化 。现在为了实现产业化不得不重新开发市场需要的产品，并安 排制造计划，这就比日本公司落后了大约5 年。现在通用、克莱斯勒、福特等汽车 厂商重新把目光投向混合动力汽车，他们主要开发针对重型车的混合动力产品， 如城市客车、混合动力皮卡车( 如雪佛兰s i l v e r a d o ) 、混合动力s u v ( 塑1 1 e s c a p es u v ， l i b e r t ys u v ) ，但目前美国的混合动力轿车市场大部分还是被日系车占领。 在欧洲，柴油技术曾经一直是他们的研究重点，但现在对混合动力的研究也 有所看重，欧洲的客车和卡车生产商己将目光聚焦在混合动力技术上，他们认为 混合动力是距市场最近的节能减排解决方案，或者说混合动力客车和卡车增加的 成本最少，能够最先达到量产目标。2 0 0 8 年9 月底，第6 2 届汉诺威国际商用车展上， 德国奔驰、瑞典沃尔沃等都展出了自己的混合动力车型。其中奔驰用于长途运输 的混合动力卡车a x o r 备受关注，根据不同的路况和驾驶习惯，可以达到节油 4 1 0 的效果。 1 4 2 国内混合动力汽车研究发展动态 我国对混合动力汽车的研究起步比较晚，但近年来也已经进行了不少相关研 究，国内汽车厂商和研发机构都加大了对混合动力汽车技术的投入，特别是政府 对混合动力汽车的发展也推出了许多的鼓励政策，这无疑给了广大厂商和研发机 构巨大的信心。在科技部组织召开的“十五 国家8 6 3 计划电动汽车重大专项可行 性研究论证会上，与会专家同意通过专项可行性研究报告，这标志着对我国汽车 产业发展具有重大战略意义的电动汽车专项正式启动。国家发改委2 0 0 8 年发布的 第2 9 号公告中就批准了一批混合动力汽车，包括一汽集团和上海通用各一款混合 7 集成i s g 的c v t 传动模块在混合动力汽车l ：的应用 动力轿车，以及东风、长安、北汽福田的四款混合动力客车。财政部、科技部推 行“十城千辆 节能和新能源车计划，准备用三到四年的时间，每年发展10 个城 市，每个城市推出1 0 0 0 辆新能源汽车开展示范运行，将至少推广使用6 万辆的节能 与新能源汽车。这一举措无疑为中国新能源汽车、混合动力汽车的产业化发展提 供了强大的政策和资金支持。 目前国内多家企业及相关科研单位都在进行混合动力汽车的研发。如长安汽 车公司的杰勋h e v 混合动力轿车、比亚迪的f 3 d m 、奇瑞的a 5 混合动力、东风混 合动力客车等，其中东风混合动力客车、长安i s g 混合动力轿车、比亚迪f 3 d m 混 合动力等车型开始进入产业化生产与发展阶段。 长安杰勋h e v 采用的动力系统由永磁电机与传统小排量汽油发动机组成，采 用起动机发电机一体化o s g ) 技术，构成高性能、高效率的并联式驱动系统，该 车在实现油耗降低2 0 的同时，排放限值全面达到国标准，同时动力性能未受 影响，最高时速可达1 6 0 k m h 。奇瑞的a 5i s g b s g 混合动力车，作为中国自主品 牌第一款登上发改委目录的新能源车，在城市路况可节省燃油约1 0 1 5 ，减少 二氧化碳排放约1 2 ，而成本仅增加2 5 一3 0 。比亚迪汽车，作为国内成长迅速 的一家公司，依靠其在整车开发，特别是电池技术上独特优势，在对混合动力汽 车研发上投入巨资，于2 0 0 8 年底推出了其自主研发的f 3 d m 混合动力汽车。 表1 2国内开发的部分混合动力汽车及其参数 在不久前的2 0 0 8 年北京奥运会期间，已经有包括长安、奇瑞、一汽、东风等 多家单位自主研发的混合动力汽车成功投入试运行，效果良好。表1 2 为目前国内 开发的部分混合动力汽车及其参数【7 1 。 硕十学位论文 总体来看，我国混合动力汽车研究水平与国外还存有一定差距，与传统内燃 机汽车相比，电动汽车在国内仍然处于产业化初期准备阶段，与之相关的高新技 术与关键零部件还依赖于配套供应商的支持，尚未形成新的工业体系，但是，对 混合动力汽车及其相关技术已经有越来越多的投入，相信在近几年内，我国的混 合动力汽车发展将走向一个新的台阶，逐步缩小与国际先进水平的差距，掌握相 关核心技术和关键零部件的生产工艺，在这一汽车新领域取得突破。 1 4 3 混合动力汽车发展前景 随着油价的上涨和人们环保意识的增强和相关法规的日益严格，加上政府的 推动，市场对混合动力汽车的需求将越来越大，尤其是混合动力汽车技术的不断 成熟、成本的不断降低，混合动力汽车将成为未来一段时间汽车市场的主导产品， 目前国际市场上混合动力汽车销售表现良好，其中美国是混合动力汽车的主要市 场之一，美国的混合动力汽车销售情况见表1 3 。 表1 3 美国历年混合动力汽车销售总量 美国市场2 0 0 8 年混合动力车平均月销量前三甲的是：占5 0 6 丰田p r i u s ，占 1 4 7 的丰田凯美瑞混合动力版和占1o 的本田c i v i c 。丰田汽车是美国混合动力 车市场最大的赢家，如果将同样采用丰田技术的日产和福特包括在内，丰田开发 的t h s 全混合动力技术占据了8 5 8 8 的美国混合动力车市场销量，这与丰田一直 致力于混合动力技术的开发不无关系，迄今为止，国际上最为成功的商品化混合 动力汽车车型就是丰田的p r i u s ，从1 9 9 7 年推出第一代后，目前累计全球销量己突 破1 0 0 万辆，历经十余年，丰田现在又将推出第三代p r i u s ，仅从这一款车型的成 功就足以看出混合动力汽车巨大的市场前景。 据预测，到2 0 15 年，混合动力车在全球的轿车销量将达到5 5 0 万辆 ( h y b r i d i z a t i o no fa u t o m o t i v et r a n s p o r t a t i o ni b m2 0 0 8 ) ，见图1 5 。 9 集成i s g 的c v t 传动模块存混合动力汽车上的应用 口2 0 ，c y 2 啊= t 埘hl t 属1 c t 刀11 1口2 口zc t 2 1 3 1 jc y 嚣n c t 棚1 摹 图1 5 混合动力市场预测 我国目前的家用轿车的普及率还比较低，而混合动力汽车市场也一直低迷。 尽管如此，我国汽车销售的总量还是相当大的，据中国汽车工业协会发布的最新 统计显示，2 0 0 8 年中国汽车产销分别达到9 3 4 5 1 万辆和9 3 8 0 5 万辆，同比增长分 别为5 2 1 和6 7 0 。其中，乘用车销量达到6 7 5 5 6 万辆，同比增长7 2 7 。我国 汽车市场潜力巨大，特别是混合动力轿车，目前我国还没有完全成熟的自主研发 产品，而国外混合动力汽车因为价格原因，在我国的销量还很少。 我国急需在混合动力关键技术方面取得突破，面对如此广阔的国内市场，其 产生的经济效益、社会效益将会非常可观，不仅如此，还能在一定程度上扭转我 国汽车工业落后的局面，至少在混合动力汽车领域占有一席之地。有专家称，在 电动汽车这一新的领域我们与国外处于相对相近的起跑线，技术水平与产业化的 差距相对较小，如果说在传统内燃机汽车方面我国落后于国外先进水平2 0 年左右 的话，那么在电动汽车领域只有四五年的差距。因此，把大力发展新一代汽车实 现产业化作为促进我国汽车工业实现跨越式发展的战略性举措，就有可能在世界 汽车工业新一轮竞争中占领制高点，取得有利地位，提高我国汽车工业的国际竞 争力。 1 5本论文主要研究内容 本文简要论述了当今汽车发展的大背景，分析了当今汽车发展面临的问题， 指出了发展新能源汽车、混合动力汽车的必要性和紧迫性，并对混合动力汽车的 发展现状及其发展情景作了简要介绍和分析。 以长丰汽车在m 1 a 车型上开发的一款混合动力样车为基础，介绍了一种 i s g + c v t 的混合动力传动模块的构造、功能和特点，并对动力模块中的永磁同步 电机控制作了详细介绍，针对应用于永磁同步电机的关键传感器旋转变压器 1 0 眦 骶 雠 叫 懈 傩 胍 舢 朋 觚 姗 觚 b s 3 2 ， 硕十学位论文 ( r e s o l v e r ) 的专用信号处理芯片的高成本，提出了基于运算放大器硬件电路结 合t ic 2 0 0 0d s p 芯片软件处理的一种低成本、高精度位置检测方案，并通过 m u l t i s i m1 0 软件对硬件设计进行前期功能仿真和电路参数调整，然后根据仿真结 果设计出合理的硬件电路并进行了实验验证，缩短了开发周期，节省了硬件设计、 调试成本。 分析了该混合动力方案的控制策略，对该轻度混合i s g 型混合动力汽车的助 力、发电、快速起停( s t a r t s t o p ) 、怠速停机( i d l i n g s t o p ) 以及能量回收 ( r e g e n e r a t i o n ) 等典型工作模式进行了实车试验，通过采集试验数据并分析，对 该传动模块的功能及控制策略的实现进行了进一步验证。 集成i s g 的c v t 传动模块在混台动力汽车上的应用 第2 章i s g + c v t 的混合动力传动模块 变速器是汽车特别是传动系统的一个关键零部件，直接影响整车的动力性、 燃油经济性以及驾驶的平顺性。 i s g + c v t 的混合动力传动模块( c v t 变速器中集成了i s g 电机) 实现了c v t 和i s g 电机的完美结合，该传动模块不仅像传统的变速器一样承担着传递扭矩的 任务，同时还是扭矩耦合的机构，发动机和电机的扭矩在此处得到耦合并传往车 轮( 驱动时) ，而混合动力汽车的模式切换也通过控制传动模块内i s g 电机以及 行星轮系的工作而得到实现。 2 1 传动模块结构及特点 混合动力传动模块针对轻度混合的混合动力汽车，在传统的c v t 内部集成一 个盘式i s g 电机，该i s g 电机属于永磁同步电机( p m s m ) ，具有体积小、功率密 度高等特点，特别是其发电效率高，非常适合制动能量回收，目前永磁同步电机 ( p m s m ) 已经成为混合动力汽车用电机的首选。i s g 电机转子与发动机输出轴 在空间上同轴，并通过行星机构连接。i s g 电机取代原发动机的飞轮、起动电机 和发电机的位置，既可以作为电动机输出扭矩也可以作为发电机对动力电池进行 充电，其定子则嵌入设计到c v t 的壳体上，盘式i s g 电机与c v t 紧密连接在一 起。混合动力传动模块总成见图2 1 。 一 图2 1 混合动力传动模块 对于混合动力汽车，特别是在原有的非混合动力车型上搭载混合动力( 如 c i v i c 混合动力版) ，由于受到原有空间的限制以及对整车布置上的一些考虑，要 在原车上可靠、合理地完成发动机、传动模块的连接、安装，传动模块在机械机 构上紧凑性就显得尤为重要。传动模块与发动机的装配见图2 2 。 图2 2 发动机、传动模块装配三维田 混合动力传动模块相比传统的c v t ，由于加入了电机，在其结构设计时需要 考虑到更多的因素。首先，由于在空间结构上芨动机和c v t 之间加入了一个i s g 电机，发动机和c v t 之间的轴向距离加大，对机械精度有更高要求，另外还必须 考虑到电机转子的动平衡问题，轴向距离加大可能会导致电机转子的跳动，从而 造成机械部件的损伤，特别是永磁同步电机的气隙非常窄，定、转子之间的同轴 度要求非常高；其次，i s g 电机工作时电压很高，动力模块必须保证电机运行的 安全性，在电机的三相高压电接口设计上要做好绝缘措藏，并且接口应该在朝上 的位置，已达到更好的防水、绝缘效果；再次，电机传感器旋转变压器 ( r e s o l v o r ) 的安装和走线也要考虑到减小电磁干扰的影响，因为传感器的输入 输出均为模拟量( 正、余弦信号) ，信号的精确程度直接影响到位置检测的精度， 所以必须采用有屏蔽层的双绞线，减少外界对信号的干扰。 另外，混合动力传动模块离合器也提出了更高的要求，因为混合动力汽车中 模式切换非常频繁，湿式离合器片间的滑磨增加，对离合器的寿命及其控制技术 是一大挑战。 2 2 传动模块i s g 电机选型 电动车用电机主要有直流电动( d c m ) 、感应电机( i m ) 、永磁同步电机( p m s m ) 和开关磁阻电机( s r m ) 。对于电动汽车的驱动电机，人们所期望的优点有： 1 ) 小型轻量化； 2 )易实现转速超过1 0 0 0 0 r m i n 的高转速； 3 )高速低转矩时运行效率高； 4 )低速时有高转矩，以及有较宽的调速范围； 5 ) 高可靠性： 6 ) 制造成本低： 7 )控制装置的简单化。 集成i s g 的c v t 传动模块在混合动力汽车l ：的应用 感应电机( i m ) 在一定程度上满足这些条件，但相比永磁电机，其效率还是略 逊些，从感应电机的结构原理可知，其运行过程中不可避免存在铜耗，另外在 对异步电机的磁场定向控制或直接转矩控制等控制方法中，其磁链的计算计算和 估计有一定难度。除此之外，异步电机在能量回收时的效率也相对较低。 在早期开发的电动车上较多采用d c m 。d c m 的优点是控制简单、调速特性 优良、技术成熟，但由于d c m 的效率低、质量大、可靠性较差以及噪音大，并 且工作电流大，易产生火花，造成强电磁干扰，其电刷和换向器需经常维护和更 换，不适合高速运转等缺点，近年来在电动汽车上的应用相对较少。 开关磁阻电机( s r m ) 转子结构简单、机械强度高，并且原材料价格低、制作 成本低，但是其转子、电子都存在凸极性，一般情况下振动和转矩脉动都比较大， 噪声也很大，这使得它的应用受到了一定限制。 目前，永磁同步电机( p m s m ) 在电动汽车上的应用最广，是电动汽车用电机 的主流，有广阔的应用前景，如丰田普瑞斯、本田c i v i c 等，都采用了永磁电机 同步电机，其突出优点是体积小、质量轻( 其比质量为0 5 1 0 k g k w ) 、效率和 控制精度高、基本免维护、调速范围广，特别是永磁电机在发电性能方面的优势 是其它电机无法比拟的，这也是它在电动汽车上被广泛应用的一个重要原因。 对电动汽车所用电机的选择，还要综合考虑汽车的使用环境( 路况) 、制造 成本、技术积累等因素，不同的设计可能会基于不同的考虑，从而选择不同的电 机。对电动汽车主要使用的电机的特征调查结果见表3 1 【8 1 。 表3 1 电动汽车专用电机的特征 由该表我们可以发现，相对更适用于电动车应用的有异步电机和永磁同步电 机。在美国，应用异步电机比较多，这被认为和路况有很大关系，在美国，高速 公路有相当规模，除了大城市外，汽车一般以一定高速持续行驶，所以能够实现 高速运转而在高速时有较高效率的异步电机得到了广泛应用；此外由技术积累以 及电机自身的价格有关系；在日本，供应采用稀土磁铁的公司比较多，这也许是 一方面原因，同时，汽车大多以中低速行驶，因此，采用加减速时效率较高的永 磁同步电机