（车辆工程专业论文）四轮驱动混合动力轮毂电机匹配仿真与控制策略研究.pdf

l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e d t o fll|iiii lli li l l l l l l1 111 1 i l jflll y 18112 7 3 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h em a s t e rd e g r e e s t u d y o nt h ec o n t r o ls t r a t e g ya n d s i m u l a t i o no fi n - w h e e lm o t o r f o rh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e s c h o o l d e p a r t m e n t ：s i n o g e r m a n yi n s t i t u t e d i s c i p l i n e ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：k o n gx i a n g x i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a ng a n g p r o f l il i g u a n g j u n e ，2 0 0 8 l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作：柑毒红 洳肌户 卜 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 姗虢p 可军艺 姚蝴。了日 摘要 摘要 全球石油资源r 益枯竭，原油价格不断上涨，对传统汽车的经济性提出了 极为严峻的挑战。传统内燃机汽车不仅消耗大量资源，而且其尾气排放严重地 污染了周围的环境。2 0 世纪9 0 年代以来，节能和减排成为汽车研究的主题，各 种电动汽车脱颖而出。混合动力电动汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 是在电 动汽车发展过程中出现的一种低油耗、低排放、续驶里程长、价格适中，兼具 纯电动汽车和传统燃油汽车优点的新型汽车，由于在技术、经济和环境等方面 的综合优势，混合动力汽车被认为是目前最切实可行的清洁汽车方案。 本课题源自同济大学和意大利环境与国土海洋部合作的一个混合动力项 目：项目车型为混合动力四轮驱动汽车，为混联式结构。具有发动机及电动机 两套动力系统。两个前轮由发动机驱动，两个后轮由轮毂电机驱动。其中发动 机输出的功率一部分用来直接驱动前轮行驶，一部分通过发电机电动机一体化 电机的发电工况，将动能转换成电能存储至蓄电池。后轮轮毂电机直接由蓄电 池供电。 本文首先介绍了无刷直流电机的工作原理和控制理论，利用m a t l 曲s i m u l i n k 软件建立电机的仿真模型来分析不同电机参数对输出特性的影响，由于转速闭 环时模型输出的转矩脉动比较大，利用转矩闭环和p w m 控制有效的减小了转矩 的脉动。然后根据项目中对汽车动力性要求对发动机和电机匹配选型，并且结 合电机的实验数据验证模型的有效性。本文还详细分析了电机回馈制动的原理， 并且仿真计算了制动效率，提出了以发动机油耗最低为目的的控制策略，最后 结合整车模型，利用a v l 公司的c r u i s e 软件分析轮毂电机的参数对于整车的经 济性和排放性能的影响。 关键词：混合动力汽车，仿真匹配，无刷直流电机，控制策略，转矩闭环 卜 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg l o b a lo i lr e s o u r c ei sb e c o m i n gr a r e ra n dr a r e r , a n dt h eo i lp r i c ei n c r e a s e s c o n t i n u o u s l y , w h i c hh a sag r e a ti m p a c to nt h et r a d i t i o n a lc a r s t h et r a d i t i o n a lc a r s w i t hi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ed e p l e t en o to n l yt h en a t u r a lr e s o u c e s ，a n dt h e yg i v e o u tt h e i rw a s t eg a si n t ot h ea i ra sw e l l ，w h i c hp o l l u t e so u re n v i r o n m e n t s i n c e19 9 0 s l e s so i lc o n s u m p t i o na n dl o we m i s s i o nh a v eb e e nt h em a i np u r p o s e s ，a n dm a n yk i n d s o fe l e c t r i cv e h i c l e sw e r eb r o u g h to n t ot h em a r k t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) w h i c hi n c o r p o r a t e st h ea d v a n t a g e so fb o t ht h eb a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l ea n dt h e c o n v e n t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e ，e m e r g e di nt h e d e v e l o p m e n to f e l e c t r i cv e h i c l e sa san e w t y p eo fa u t o m o b i l eo fh i g hf u e le f f i c i e n c y , l o we m i s s i o n s ， l o n gd r i v i n gr a n g e ，a n da f f o r d a b l ep r i c e b e c a u s eo ft h eo v e r a l ls u p e r i o r i t yi nt e r m s o ft e c h n o l o g y , e c o n o m i c sa n de n v i r o n m e n t ，t h eh e vi sr e g a r d e da st h em o s t p r a c t i c a l s o l u t i o nf o rc l e a nv e h i c l e sa tp r e s e n t t h e h y b r i dc a rp r o j e c tc o o p e r a t e db e t w e e nt o n g i iu n i v e r s i t ya n dt h ei t a l i a nm i n i s t r y f o rt h ee n v i r o n m e n t ，l a n da n ds e ai sa sf o l l o w e d ：t h e4 w h e e l d r i v ec a ri sa s e r i e s p a r a l l e lh e v , w h o s ef r o n tw h e e l sa r ed r i v e nb yi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ， w h i l et h er e a rb yi n w h e e lm o t o r s t h ep o w e r p r o d u c e db yt h ee n g i n ei st r a n s f e r r e dt o t h ef r o n ta x l e ，a n di tc a na l s oc h a r g et h eb a t t e r y t h eb a t t e r yw i l ld r i v et h ei n - w h e e l m o t o r s ，w h e nh e va c c e l e r a t e so rr u n so nt h er a m p i s gw o r k so n l ya st h ee n g i n e s t a r t e r a tf i r s tt h i sp a p e rl i s t st h ep r i n c i p l ea n db a s i cc o n t r o lt h e o r yo ft h eb r u s h l e s sd c m o t o r u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt h ed cm o t o r m o d e lc a ns h o wt h eo u t p u tm e c h a n i c a l c h a r a c t e r s ，a n dh o we a c hp a r a m e t e ri m p a c t st h em o t o r d u et ot h eh i g hf l u c t u a t i o no f t h et o r q u eo u t p u t ，t o r q u e ，t o r q u e - l o o pw i t hp w mc o n t r o li sa p p l i e di nt h es i m u l a t i o n ， w h i c hc a l lr e d u c et h ef l u c t u a t i o n b a s e do nt h ek i n e t i cr e q u i r e m e n t s ，t h er i g h te n g i n e s h o u l db ec h o s e n ，a n dt h ei n w h e e lm o t o ra sw e l l t h er e s u l t sf r o mt h es i m u l a t i o n w i l lb ec o m p a r e dw i t ht h ed a t af r o mi n w h e e lm o t o re x p e r i m e n t ，i no r d e rt om a k e s u r ew h e t h e rt h em o d e lr u n sp r o p e r l y t h e nt h e p r i n c i p l eo ff e e d b a c kb r a k ei s e x p l a i n e d ，a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yf o c u s e so nt h el o w e s to i lc o n s u m p t i o no ft h e i i 卜 目录 目录 源和污染1 力汽车的发展概况4 的分类6 递方式分类。6 分类8 汽车研究的需要解决的问题1 0 系统1o 驱动系统基本构成1 0 驱动系统特点11 1 4 3 国内外典型轮毂电机驱动系统1 2 1 4 4 电机形式及比较1 4 1 5 轮毂电机研究的热点问题1 6 1 6 本文主要工作16 第2 章直流电机原理和结构分析l8 2 1 直流电机基本结构1 8 2 2 直流电动机的原理：。2 1 2 2 1 直流电机的励磁方式2 2 2 2 2 直流电动机的功率平衡原理2 3 2 2 3 直流电机的可逆性2 4 2 3 无刷直流电机2 5 2 3 1 无刷直流电动机原理2 6 2 3 2 无刷直流电动机的换相2 7 2 3 3 无刷直流电动机的导通方式2 8 目录 2 3 4 无刷直流电动机的调速2 9 第3 章永磁无刷直流电机的建模和仿真3 2 3 1 永磁无刷直流电动机的数学模型：3 2 3 2 基于m a t l a b 的永磁无刷直流电机( b l d c m ) 的建模3 4 3 2 1b l d c m 本体建模3 6 3 2 2 速度控制模块p i 控制器。3 7 3 2 3 电压逆变模块3 7 3 2 4 霍尔信号模块( h a l l ) 和解码器模块( d e c o d e r ) 的使用3 8 3 3 转速闭环控制的电机仿真结果4 0 3 4 转矩闭环控制的电机仿真4 2 3 4 1 转矩脉动引起的原因以及抑制方法4 2 3 4 2 转矩闭环控制的电机仿真结果4 4 第4 章电机匹配设计和选型4 6 4 1 引言4 6 4 2 发动机选型4 7 4 3 电机选型5 0 4 4 无刷直流电机的机械特性仿真计算5 2 4 4 1 无刷直流电机的自然机械特性5 2 4 4 2 无刷直流电机的人为机械特性5 4 4 5 无刷直流电机实验与仿真结果对比5 9 第5 章直流无刷电机制动能量回收6 3 5 1 电气制动方式6 3 5 1 1 能耗制动6 3 5 i 2 电源反接制动6 4 5 1 3 回馈制动6 5 5 2 回馈制动电机运行过程。6 5 5 3 制动方式比较6 7 一 i i 目录 5 4 回馈制动的模拟仿真6 8 5 5 回馈制动的能量转换6 9 5 6 无刷直流电机制动实验与仿真结果比较7 0 第6 章整车控制策略及仿真结果7 3 6 1 控制策略7 3 6 2 能量管理策略原理7 4 6 3 混合动力系统工作模式分析7 5 6 4 基于负荷平衡的转矩分配控制。7 7 6 4 1 请求转矩的识别7 7 6 4 2 负荷平衡控制7 8 6 5 控制策略的编写。7 9 6 6 仿真软件c r u i s e 简介8 2 6 7 整车仿真结果8 4 6 7 1 传统内燃机汽车的仿真结果8 4 6 7 2 整车使用2 2 k w 轮毂电机的仿真结果8 7 6 7 3 整车使用7 2 k w 轮毂电机的仿真结果9 0 6 7 4 不同功率电机的匹配效果9 2 6 8 本章小结9 3 第7 章全文总结和展望9 5 致谢：9 7 参考文献9 8 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果1 0 2 i i i 第1 章引言 第1 章引言 1 8 8 6 年德国人本茨和戴姆勒发明了世界上第一辆汽车，但是他们手工打造的汽 车只能被当时极少数的富人所拥有。1 9 0 8 年美国人福特引进了流水线生产汽车，不 同的车间罩生产出的各个部件送到连续运转的主传送带上，大大缩短了制造汽车的 时间，使得汽车的成本大幅度降低，拥有一部汽车再也不是贵族们的专利。现在已 经进入了汽车大众化的发展阶段，越来越多的普通家庭拥有了汽车。汽车缩短了城 市间的距离，提高了人的移动力，增加了人与人之间交流的机会，汽车改变了我们 的生活。汽车文明带来了出行现代化和丰富的物质文明，汽车成为整个二十世纪地 平线上最显著的人文标志。 1 1 课题背景：能源和污染 国际油价大幅上涨，对世界经济造成了较大影响。世界银行行长指出，国际市 场原油价格每桶上涨1 0 美元并持续一年，世界经济增长率就会减少o 5 个百分点， 其中发展中国家减少o 7 5 个百分点。纵观2 0 0 2 年以来原油价格大幅走高，需求的 快速增长和炼油产能的不足被认为是最主要的几个方面。追踪牛市上涨的主线，石 油作为一种资源的概念得到充分发掘，在资源稀缺性大旗号召下，原油价格不断飚 升，最终在2 0 0 7 年底突破了每桶1 0 0 美元，到2 0 0 8 年3 月更是达到了每桶1 1 5 美 元的历史新高，见图1 1 。 图1 1 纽约商业交易所1 9 9 4 年至2 0 0 8 年3 月的原油价格走势 第1 章引言 石油作为一种不可再生的能源，随着世界经济对其依赖性的不断增强，石油开 采量不断加大，世界石油储量逐渐减少。世界上探明的可供工业开采的石油储量约 为1 5 0 0 亿吨，按照目前年消耗石油3 0 亿吨计算，平均开采年限为5 0 年【l 】。在全球 石油探明储量没有大幅度增加的前提下，石油资源必然逐渐减少。因此，从理论上 讲，随着石油资源的枯竭，石油价格必然趋于上升趋势。 原油的上涨直接导致汽油和柴油价格的飚升，目前9 3 号汽油的价格已经从两年 前的3 6 6 元上涨到5 1 7 元，这直接影响到驾车成本。除了价格因素，资源因素也已 经开始显现，许多加油站前排起了车队，“每辆车限量加油”使得需要长途驾驶的司 机不得不频繁地找加油站，给出行带来了极大的不便。 汽油主要由碳和氢组成，汽油正常燃烧时生成二氧化碳、水蒸气和过量的氧等 物质。但由于燃料中含有其他杂质和添加剂，且燃料常常不能完全燃烧，常排出一 些有害物质。研究表明，汽车尾气成分非常复杂，有1 0 0 种以上，其主要污染物包 括一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物，这些物质随着汽车尾气排入大气中，威胁 着人类的健康【2 】。 表1 1 汽车尾气排放物及其对人体的危害 污染物对人的影响和危害 一氧化碳( c o )削弱血红蛋白向人体各组织输送氧的能力，影响神经中 枢系统，严重时会中毒死亡 碳氢化合物( h c )碳氢化合物包括各种烃类化合物，进入人体后会使人体 产生慢性中毒，有些化合物会直接刺激人的眼、鼻和呼 吸系统，使其功能减弱 氮氧化物( n o x )氮氧化物污染的危害和一氧化碳相类似，并且污染比一 氧化碳更为严重，同时会刺激眼、鼻粘膜，麻痹嗅觉 颗粒物( p m )颗粒物吸入人体后，不但易引发呼吸道和肺部疾病，颗 粒物还携带各种致癌物质 近年来，机动车废气排放已成为城市大气污染的重要来源之一。从二十世纪六 十年代末开始，各国不断的推出越来越严格的排放法规，经过多年的努力，取得了 一些成绩，但是远远没有彻底解决问题，每年经由汽车排入大气的污染物高达数亿 吨。中国城市大气污染现象尤其严重，全世界十大污染城市中中国占了八个。 2 第l 章引言 表1 2 城市人，亏染中机动车的分担率【3 】 污染物美国北京 上海 一氧化碳( c o ) 6 6 6 3 8 6 碳氢化合物( h c )3 1 7 4 9 6 氮氧化物( n o x ) 4 3 3 7 5 6 颗粒物( p m ) 2 0 不详不详 综上所述，考虑到传统汽车排放尾气对于环境的污染以及消耗大量石油等不可 再生资源，随着环保和节能的呼声同益高涨，研究绿色而且环保的汽车刻不容缓。 我国经济和社会发展第十个五年计划纲要中，明确要求“推进电动汽车、混合动力 汽车的研究和开发，加快代用燃料汽车的推广和使用，促进汽车工业实现跨越式发 展”。这是“十五”期间国家对汽车工业的发展提出的节能和环保的总体要求。【4 】 电动汽车是以自载电池为电源，依靠大功率电动机提供动力的新型交通工具。 电动汽车具有清洁无污染、动力源多样化、能量转换效率高、结构简单、使用维修 方便等优点，被称为“2 1 世纪的绿色环保汽车”。按照动力源的不同，目前一般把 电动汽车分为纯电动汽车( e v ：e l e c t r i cv e h i c l e ) 、混合式电动汽车( h e v ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 和燃料电池电动汽车三大类( f c e v ：f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) ；【5 】 纯电动汽车的唯一动力源是蓄电池，它最大的优点是能做到在各种工况下零排 放行驶，噪音小，但是在蓄电池的生产制造过程中仍然有一定的污染；缺点是目前 开发的蓄电池单位重量储存的能量不能完全满足汽车的功能指标的要求，如何提高 电池能量密度还是要解决的问题。此外纯电动汽车的续航里程受到电池容量的制约， 目前一般一次充电只能行驶1 0 0 公里，这在重视移动性的今天显然是不能让人满意 的。 燃料电池是化学能转化为电能的能量转换装置，通过氢氧的化学反应产生动力。 它的能量转换效率是传统内燃机的2 到3 倍，排放出来的是水，不污染环境，燃料 电池工作本身没有噪声，没有振动，其电极不参与化学反应只是用来导电，所以没 有损耗，寿命长。但是需要提高车用燃料电池单位质量( 或体积) 电流密度及功率， 提高车辆所必需的快速起动和动力响应的能力。并且氢气的贮存和安全问题目前是 困扰着众多科研人员难题。燃料电池汽车是未来的发展方向，但是对于传统车的改 动非常大，其产业化还有待时日。【6 。8 j 混合动力汽车是传统汽车工业向电动汽车转变中的一个过渡产品。国际电工委 员会( i e c ) 电动汽车技术委员会将混合动力汽车定义为有一种以上能量转换器提供 3 第l 章引言 驱动动力的混合型电动汽车。也可简单定义为将电力驱动和辅助动力单元；( a u x i l i a r y p o w e ru n i t ，a p u ) 合用到一辆车上。混合动力汽车采用适当的燃料转换装置( 如内燃 机1 、储能装置和电动机作为混合动力源，在严密的控制策略控制下，使燃料转换装 置、储能装置和电机在驱动工况下尽可能工作在高效率、低排放区域，在汽车制动 工况下，通过发电机或电机工作象限的调整回收部分制动能量，从而大大改善汽车 在不同工况行驶时的燃油经济性能、尾气排放性能及其他使用性能。p 。1 l 】 混合动力汽车结合了传统内燃机汽车和电动汽车的优点，续航里程不受限制， 而且对于传统汽车的改动并不大，产业化生产的投入相比燃料电池汽车也少得多。 1 2 国内外混合动力汽车的发展概况 目前，日本丰田汽车公司是走在混合动力汽车产业化最前沿的汽车公司，开发 的混合动力汽车已达到大批量商品化。1 9 9 7 年，丰田公司推出了世界上第一款批量 生产的混合动力汽车p r i u s ，其后又在2 0 0 1 年相继推出了“e s t i m a ”混合动力面 包车和“皇冠( c r o w n ) 轿车。到2 0 0 2 年底，丰田汽车公司生产的混合动力汽车 在日本国内和海外的累计销量均突破了1 0 万辆，现在已经在全世界2 0 多个国家上 市销售。p r i u s 混合动力系统( t h s ) 电子控制装置的特点是：可分别利用电能、汽 油或两者组合同时工作。根据车速和负荷情况，t h s 可以控制每种能源所提供的功 率比例，以保证汽车按最有效的模式运行。2 0 0 2 年，丰田“e s t i m a ”混合动力面 包车投产，其混合动力系统采用了世界首次批量生产的电动四轮驱动及四轮驱动力 制动力综合控制系统，它给混合动力汽车的行驶性能带来了革命性的改进。 图1 - 2p r i u s 的混合动力系统( t h s ) 4 第l 章引言 美国1 9 9 3 年9 月启动新一代汽车协作伙伴关系( p n g v ) ，计划2 0 0 4 年推出 能用于投产的样车。当年，美国能源部与三大汽车公司签订了混合动力汽车开发合 同，进行了为期6 年的研制开发工作。1 9 9 7 年，p n g v 计划已完成了新一代汽车的 技术选择，经过充分酝酿，认真筛选，确定了轻质材料、混合动力、高性能发动机 ( 四冲程直燃式发动机) 和燃料电池( p e m 燃料电池) 为p n g v 的技术主要方向。 在美国4 7 个州的2 1 个联邦实验室和5 1 所大学中，有1 2 0 0 多个p n g v 的研究专案 正在进行中，p n g v 计划已使美国全国形成了一个汽车技术创新的国家行动。经过 多年努力，三大汽车公司于1 9 9 8 年北美国际汽车展上分别展出了样车。在此基础 上，现已按期推出三款混合动力轿车通用p r e c e p t 、福特p r o d i g y 、克莱斯勒d o d g e e s x 3 ，三款车均接近或实现了百公里油耗3 升的目标。其中，通用汽车公司的p r e c e p t 是目前唯一达到“新一代汽车伙伴计划 油耗要求的车型。据统计，美国市场上售 出混合动力汽车接近7 万辆，2 0 0 2 年美国的混合动力汽车市场规模达到3 5 0 0 0 辆。 美国已有近2 0 个城市在试用混合动力公共汽车，欧洲各大汽车厂商也纷纷推出了混毒 合动力汽车。法国b e 集团先后推出了贝灵格型和萨拉型混合动力汽车。 1 2 - 1 4 】 1 9 9 9 年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆 混合动力轻型客车。2 0 0 1 年底，国家“8 6 3 ”电动汽车科技攻关项目正式启动，第 一批项目中主要是混合动力汽车。一汽和东风汽车集团联合所在地高校和研究所， 在各自客车底盘上，研发混合驱动公共汽车和大型客车。目前，混合动力汽车主要 研发成果如下：东风电动车辆股份有限公司开发出混合动力汽车。其中，e q 7 2 0 0 h e v # 型混合动力轿车以风神蓝鸟轿车为平台，以满足未来城市公务、出租用车需求为目 标，最大限度地利用东风公司现有产品平台及社会资源开发而成，实现产品系列化、 通用化、标准化设计。主要技术参数：最高车速1 6 0 k m h ；锂离子电池。e q 6 1 1 0 h e v 型混合动力城市公交车采用混联方案，专为2 0 0 8 年北京奥运会公交用车而开发。主 要性能参数：采用东风汽车公司生产的康明斯6 b t a 型柴油机、中科院电工所研制 的交流电机，纯电池电动运行最高车速3 l k m h ，最大功率2 7 k w ，最大电流1 1 9 a ； 发动机和电机混合驱动；最高车速7 2 k m h 。 天津清源电动车辆有限公司开发出混合动力中型客车。其主要技术特点：使用 燃油和电力双能源，同时兼顾了传统汽车的方便性和电动汽车的环保性能；排放达 到欧i i i 标准，燃油经济性提高1 5 以上；适于城市和城际之间的公共交通。 第一汽车集团公司、美国电动车( 亚洲) 公司、汕头国家电动汽车试验示范区 三方共同合作推出一款混合动力轿车红旗c a 7 1 8 0 a e 。该款串联式的混合动力 5 第1 章引言 轿车属中高档轿车，1 3 k w 汽油机，1 5 k w 直流电机，1 4 4 v ( 1 0 5 a h ) 铅酸电池，最 高车速可达13 5 k m h 。 奇瑞与英国纽卡斯尔大学进行混合动力项目合作，奇瑞开发的并联式混合动力 汽车已在2 0 0 6 年北京车展上亮相。 i s - 1 7 1 3 混合动力汽车的分类 混合动力汽车是采用两种动力源作为动力装置的汽车。因混合动力汽车各个组 成部件、布置方式及控制策略的不同，而形成了各式各样的结构型式。混合动力汽车 的分类方法也有多种方式。 1 8 - 1 9 】 1 3 1 按动力传递方式分类 根据动力源的数量及动力传递方式的不同，分为串联型、并联型和混联型。 表1 - 3 串联型、并联型和混联型各自的优缺点 串联式 特点内燃机与驱动桥无机械连接 驱动电机从蓄电池或内燃机发电机组获得电能 内燃机发电机组和驱动电机( 再生制动时) 均可为蓄电池充电 优点结构简单，无需离合器和复杂的变速器 内燃机一直可以工作在最优的区域 低速和低负荷工况，车辆起停，城市工况效果理想 易向燃料电池技术过渡 缺点能量传递链长，效率低 高负荷工况时效率比传统车辆低 需要非常大的蓄电池和电机 并联式 特点内燃机、驱动电机与驱动桥之问机械连接 优点驱动电机可以驱动车辆并为蓄电池充电，可以不需要单独的发电机 车辆在任何负荷时效率比传统车辆高 可以使用传统车辆的变速器 电池、驱动电机和内燃机可以最小化 缺点两套驱动系统成本高 6 第l 章引言 混联式 特点内燃机、驱动电机与驱动桥之间机械连接 同时包含串联式和并联式的结构 优点内燃机可以与驱动桥脱开以单独驱动发电机( 串联式) 内燃机可以在接近最优的区域工作并驱动汽车 兼具并联式和串联式的优点 缺点控制复杂 图1 3 串联式h e v 驱动系统结构图【2 0 1 图l _ 4 并联式胍v 驱动系统结构图【2 0 】 7 第l 章引言 图1 5 混联式h e v 驱动系统结构图似u j 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其原理如图1 5 所示，发动机发出 的一部分功率通过机械传动输送给驱动桥，而另一部分则驱动发电机发电。发电机 发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给 驱动桥。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。它充分发挥了串联式和并联式的优点，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 下仍能使系统在最优状态下工作，所以更容易达到控制排放和油耗的目的，因此是 最具影响力的h e v 。 1 6 j 1 3 2 按混合度分类 除了按照动力系统的布置方式进行分类之外，按照混合度( d e g r e eo f h y b r i d i z a t i o n ) 分类在混合动力汽车研究领域也被广泛地采用。根据“混合度”分类， 混合动力汽车可以分为弱混合( m i c r oh e v ) 、中度混合( m i l dh e v ) 和完全混合( f u l l h e v ) 。混合度计算公式如下： 日：土1 0 0 ( 1 1 ) 己+ 其中，己和分别是电机和内燃机的最大功率。 弱混合技术中，电功率足以在内燃机停机后实现起动，但是只能在很小的程度 上回收制动能。弱混合技术附加成本相对比较低，未来有比较好的实用性，比如本 田的c i v i c 混合动力轿车，其混合度为1 5 9 。如果要很好地实现制动能回收，则电 功率必须在1 0 到1 5 千瓦的范围内，也就是通常意义上的中度混合。这个功率范围 可以满足大部分的减速要求，回收大部分的制动能，进一步提高功率可以回收更多 8 不好，效果不明显。 。但是从节能角度来 。如果在低功率运行 模式下关闭内燃机，并对车辆实现电力驱动，则可以继续降低油耗4 ，这就是完 全混合，比如丰田p r i u s 2 0 0 1 型混合动力轿车混合度为6 2 3 ，参见图1 - 6 。因此电 功率等级要比中度混合高，需要达到3 0 到5 0 k w ，附加成本也随之上升。由于电功 率比较大，所以相应需要的内燃机的功率就比较小，内燃机的尺寸可以选取比较紧 凑型的。完全混合技术是为了实现整车功率的提升。 2 1 - 2 2 】 图卜6 混合度分类示意 我国的各大汽车生产厂商都在积极地研究混合动力汽车，一汽、东风、长安、 奇瑞等公司开发了的汽车都有不同的混合度，详见表1 4 。 表1 _ 4 国内混合动力车型和混合度 厂家车型及参数混合度混合形式 东风e q 7 2 0 0 h e v ，b s ga n dt r a c t i o nm o t o rw i t ha m t ,完全混合并联 3 3 6 v8 a hn i l 混联 一汽c a 7 2 0 0 h e v , a m t , 3 3 6 v8 a hn i m h完全混合并联 上汽 h e v , t r a c t i o nm o t o r完全混合并联 混联 i s g 中度混合并联 长安 c v 9h e v , i s gc v t t r a n s m i s s i o n ，14 4 vn i - m h中度混合并联 奇瑞 c h e r yb s g h e v弱混合并联 9 第1 章引言 c h e wi s gh e v中度混合 并联 华普 m a p l em b ，i s gd o u b l ec l u t c h ，4 2 vs u p e r中度混合 并联 c a p a c i t o r 华晨中华h e v , i s g1 4 4 v8 a hn i m h中度混合 并联 1 3 3 混合动力汽车研究的需要解决的问题瞠卜2 钔 ( 1 ) 动力分配装置和能量管理系统的研究，这两项是各种运行状态的控制管理枢纽， 技术难度大，精度高。混合动力汽车发动机频繁起动、关闭，使驱动系统和附件( 如 空调和动力转向等) 的电能管理变得复杂，因此需要先进的检测和控制系统；现有 的以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时，需要提高转化 效率，同时还要满足严格的排放标准。 ( 2 ) 由于车况的改变，电池必须经受不同电流的充放电循环作用，要求电池不但应 具备较高的能量密度，而且要求较高的功率密度及充放电效率和较长的使用寿命。 能量存储装置要具有较高的比功率，以满足汽车加速和爬坡时对大功率的需要；同 时，能量存储装置必须采用热能控制管理，要有较高的比能量、较长的使用寿命和 低廉的制造成本。 ( 3 ) 混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。 ( 4 ) 需要建立更先进的驱动系统数学模型( 包括静态和动态的) ，这是计算机仿真分 析的基础。 1 4 轮毂电机驱动系统 1 4 1 轮毂电机驱动系统基本构成 轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮毂 电机动力系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子型和外转子型。 图1 7 所示为两种型式轮毂电机的结构简图。 通常内转子型轮毂电机动力系统一般采用高转速范围低转矩特性的电动机。为 了满足行驶动力学的要求，需要匹配相应的行星齿轮减速机构；相反外转子型电动 机的轮毂电机则采用与车轮转速范围相当的低转速高转矩特性电动机，无需匹配减 速机构，由电动机外转子直接驱动车轮。轮毂电机动力系统由于电机电制动容量较 小，不能满足整车制动效能的要求，通常需要附加机械制动系统。轮毂电机系统中 1 0 第l 章引言 的制动器可以根据结构采用鼓式或盘式制动器。由于电动机电制动容量的存在，往 往可以使制动器的设计容量适当减小。大多数的轮毂电机系统采用风冷方式，也有 采用水冷对电机进行散热降温，但结构比较复杂。 1 轮胎2 轮辋3 制动器4 定子绕组5 永磁体6 转子7 电机控制器8 减速齿轮9 轴承 图卜7 轮毂电机结构示意 1 4 2 轮毂电机驱动系统特点 轮毂电机与车轮集成在一起，布置灵活，可以方便的实现前轮驱动、后轮驱动 或者四轮驱动车。在动力源配置、底盘结构等方面有其独特的技术特征和优势，具 体体现在以下几方面： ( 1 ) 动力传递由硬连接改为软连接形式，省略了传统汽车所需的机械式操纵换 档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结构简洁， 有效可利用空间大； ( 2 ) 可以方便的通过电子线控技术，实现各轮毂电机从零到最大速度的无级变 速，以及各车轮之间的差速； ( 3 ) 各轮毂电机的驱动力直接独立可控，使其动力学控制更为灵活、方便，能 合理地控制各轮毂电机的驱动力，从而提高恶劣路面条件下的行驶性能； ( 4 ) 容易实现各轮毂电机的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，提高能 源利用效率。采用四轮驱动方式时，可以最大限度的回收制动能量； ( 5 ) 底架结构大为简化，可使整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加。 若采用动力平台方式，将动力平台嵌入不同的车身造型，方便的实现产品多样化和 第1 章引言 系列化，缩短新车型的开发周期，降低开发成本。 1 4 3 国内外典型轮毂电机驱动系统 日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的 十几年中，一直以基于轮毂电机的全轮驱动电动汽车为研究对象，至今已试制了五 种不同型式的样车。其中，1 9 9 1 年与东京电力公司共同开发的电动汽车i z a ，采用 n i c d 电池为动力源，采用四个额定功率为6 8 k w ，峰值功率达到2 5 k w 的外转子 式永磁同步轮毂电机驱动，最高时速可达1 7 6 k m h 。1 9 9 6 年，该小组联合日本国家 环境研究所研制了采用轮毂电机驱动的后轮驱动电动汽车e c o ，轮毂电机驱动系统 选用永磁直流无刷电动机，额定功率为6 8 k w ，峰值功率为2 0 k w ，并配合速比为1 ： 5 的行星齿轮减速机构。轮毂电机采用机械制动与电机再生制动相结合的方式，机 械制动力矩由鼓式制动器提供，制动力分配规律的基本原则是不损害制动效能的前 提下，尽可能多的回收制动能量，有效延长了续驶里程。2 0 0 1 年，最新推出了以锂 电池为动力源，采用8 个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动大轿车k a z ( 见 图1 8 ) ，最高时速达到3 1 l k m h 。k a z 的轮毂电机系统中采用高转速的高性能内转 子型电动机，其峰值功率可达5 5 k w ，提高了k a z 的极限加速能力，使其0 1 0 0 k m h 加速时间仅8 秒。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求，k a z 的轮毂电 机系统匹配了一个传动比为4 5 8 8 的行星齿轮减速机构。k a z 的前后轮没有采用相 同型式的制动器，而是前轮采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。图1 8 为k a z 的前、后轮毂电机系统的结构图。2 0 0 3 年日本丰田汽车公司在东京车展上推出的燃 料电池概念车f i n e - n 也采用了轮毂电机驱动技术。 图1 - 8 磁虼一体化轮毂电机系统 1 2 第l 章引言 法国t m 4 公司设计制造的一体化轮毂电机结构如图1 - 9 。它采用外转子式永磁 电动机，将电动机转子外壳直接与轮辋相固结，将电动机外壳作为车轮轮辋的组成 部分，而且电动机转子与鼓式制动器的制动鼓集成在一起，实现电机转子、轮辋以 及制动器三个回转运动物体的集成i 大大减轻一体化轮毂电机系统质量，集成化程 度相当高。该一体化轮毂电机系统的永磁