（机械制造及其自动化专业论文）野马混合动力汽车电机及通讯系统的研究.pdf

中文摘要 野马混合动力汽车电机及通讯系统的研究 机械制造及其自动化专业 研究生：王智磊指导教师：李彦 随着汽车工业的发展，燃油消耗以及尾气排放已成为人们生活中日益关注的 焦点之一。为此，针对汽车行业，各国政府纷纷出台相关政策( 如提高排放标 准，提倡电动汽车的发展与使用等) 以期望汽车工业在节能和环保方面有所改 善。我国政府也已将电动汽车的发展列入8 6 3 计划并写入了2 0 0 4 年的汽车产 业发展政策中去。电动汽车的发展已是大势所趋。 广义的电动汽车包括纯电动汽车和混合动力电动汽车，纯电动汽车由于使用 电能工作，无排放无污染，因此最终将代替传统汽车。但由于目前电池价格较高 并且电池技术仍未突破，纯电动汽车的发展倍受制约，在这种情况下，混合动力 电动汽车作为电动汽车的一个重要分支，它的发展被认为是目前最为可行方式。 本课题是野马混合动力电动汽车的丌发与研究，课题束源是四川汽车工业集 团，课题的目的是将该集团生产的野马汽车改装成混合动力电动汽车。本人主要 负责对混合动力电动汽车中的电机驱动系统进行分析，并对电机驱动系统的通讯 问题做了部分研究。 电机驱动系统作为混合动力汽车关键技术之一，这是传统内燃机汽车上所没 有的部分，并且通过分析，混合动力汽车上使用的电机与传统工业电机有着很大 的差异，也与纯电动汽车上使用的电机也有着一定的区别。电机驱动系统的研究 暂时还没有成熟的技术加以借鉴，只能从目前为数不多的成功的混合动力汽车产 品上得到参考和启示。本文对目前常用的几种电机系统进行了分析和比较，并对 兰州环式电机厂的环式电机进行了分析。 混合动力电动汽车从动力组合的角度可以分为串联、并联和混联三种结构， 每一种结构在具备自身独有优点的同时，也有一些不可避免的缺陷( 串联式改装 灵活，控制简单，但汽车动力性能差：混联式能量利用率最高，但动力总成开发 难度大，控制复杂：并联式改装方便，但发动机优化控制难度较大) ，在对这三 种结构形式进行分析和比较的基础上，提出野马汽车的改装方案，并进行可行性 阴”i 夫学硕卜学位论文 分析，最终选择基于兰州环电的i s g 电机辅助动力改装方案，同时给出了此方案 下电机系统的作用以及相应的能量控制策略。 另外，电机驱动系统作为混合动力汽车的组成部分之一，它与其它部分的有 效通讯足必不可少的。本文在最后部分，对电机驱动系统的通讯问题做了一定的 分析，在对c a n 总线技术以及对混合动力汽车的结构原理进行分析的基础上，研 究了基于c a n 总线的野马混合动力汽车控制系统的网络拓扑结构。根据c a n 节点 系统结构框图。完成了c a n 节点硬件的设计和软件的初步调试。并通过实验，模 拟了节点问的通讯，为整车通讯系统的完善打下了良好的基础。 关键词：混合动力汽车电机驱动系统c a n 总线 n 英史摘要 r e s e a r c ho nm o t o rd r i v e np r o p u l s i o ns y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f y e m a h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：w a n gz h il e is u p e r v i s o r ：l iy a n a st h ef a s td e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l ei n d u s t r y , r e s o u r c e se x h a u s t i n ga n d e n v i r o n m e n tp o l l u t i o nh a v eb e c o m et h em o s ts e r i o u sp r o b l e mt h a tp e o p l ec a r ea b o u t i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，m a n yc o u n t r i e sh a v em a p p e do u tt h er e l a t e dp o l i c i e s a n d l a w st o p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) i n o u rc o u n t r y , ”d e v e l o p m e n to fe v ”h a sb e e nr a c k e da st h es p e c i a lk e yp r o j e c to f “8 6 3 ”i n ”t h et e n t h f i v e y e a r “o nn o v e m b e ro f2 0 0 1 ，a n do nj u n eo f2 0 0 4 ，c o u n t e r p a r th a sb e e nw r i t ei n t o t h ep o l i c eo f a u t o m o b i l ei n d u s t r yd e v e l o p m e n t ”a g a i n e vi sn o wb e c o m i n go n eo f t h ed e v e l o p i n gt r e n d so f t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y e l e c t r i cv e h i c l ec a nb ec l a s s i f i e di n t ot w oc a t e g o r i e s p u r e l ye l e c t r i c a lv e h i c l ea n d h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) b e c a u s eo fi t sh i g hc o s ta n dt e c h n i c a lo b s t a c l e so f b a t t e r y , t h ed e v e l o p m e n to fp u r e l ye l e c t r i c a lv e h i c l eh a sn o ta c h i e v e da ne x p e c t a t i o n g o a lp r e s e n t l y i nc o n t r a s t ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，u s i n gac o m b i n a t i o no f a l le n g i n e a n de l e c t r i cm o t o lh a st h ep o t e n t i a lo fi m p r o v i n gf u e l e c o n o m ya n de m i s s i o n sb y o p e r a t i n gt h ee n g i n ei nt h eo p t i n u n le f f c i e n c yr a n g e t h u s ，h e vh a sb e e nc o n s i d e r e d a st h em o s tp r o m i s i n ga l t e r n a t i v et oc o n v e n t i o n a lv e h i c l ei nt h en e x td e c a d e i ti st h e b a c k g r o u n do f t h i sp a p e r t h i sw o r kc o m e sf r o mt h ep r o j e c t ”r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p m e n to fy e m ah e v ”，w h i c hi ss u p p o r t e db ys i c h u a na u t o m o b i l ei n d u s t r yg r o u p t h ea i mo ft h i sp r o j e c t i st om o t i f yy e m ai n t oah y b r i de l e c t r i cv e h i c l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em o t o r d r i v e np r o p u l s i o ns y s t e ma n dd e v e l o p st h ec a nb u sc o m m u n i c a t es y s t e m t h ed r i v i n gm o t o rs y s t e mi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h eh e v ，a n dt h i s n l 阳川大学硕l 学使论文 p a p e ri n t r o d u c e st h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g i e so ft h e f o l l o w i n gf i v em o t o r so ft h ed r i v es y s t e mo nh e v ：d cm o t o la ci n d u c t i o nm o t o r , p e r m a n e n c em a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，b l d cm o t o ra n ds w i t c hm a g n e t i c r e s i s t a n c em o t o r a n dt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h e s ek i n d so ft y p i c a ld r i v i n gs y s t e m i sm a d ei nt h i sp a p e r t h e i rp e r f o r m a n c e sa t ec o m p a r e d ，a n dt h er e s p e c t i v em e r i t sa n d s h o r t c o m i n g sa r ea l s ol i s to u t a n da tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h e c r i c u l a ri n t e g r a t e ds t a t o r g e n e r a t o rt e c h n o l o g yo fl a n z h o uh u a n d i a nt e c h n o l o g i e s l t e c o b e c a u s eo ft h e d i s t i n c t i o n so nt h ec o m p o n e n tp a r t s ，l a y o u tt y p ea n dc o n t r o l s t r a t e g y ，t h ep o w e r t r a i no ft h eh e v sh a v ev a r i o u sk i n d so fs t r u c t u r et y p e s ，b u tt h e r e a r em a i n l yt h r e ep o w e r t r a i ns t r u c t u r e sf o rt h eh e va tp r e s e n t ：s e r i e ss c h e d u l e ，p a r a l l e l s c h e d u l ea n ds e r i e s p a r a l l e lc o m b i n e ds c h e d u l e a n dt h es t r u c t u r e sa n df e a t u r e so ft h e t h r e eh y b r i dp o w e rs y s t e m sa g ea l s oa n a l y z e da n dc o m p a r e di nt h i sp a p e r a f t e r a n a l y z i n gt h r e er e c o n s t r u c tm e t h o d ，t h em e t h o dw h i c hi sb a s e do nc i s ga n ds i m i l a rt o i n s i g h th e vi sc h o s e ni nt h i sp a p e ，a n dt h es t r a t e g yo ft h i sr e c o n s t r u c tm e t h o da l s o h a sb e e ne s t a b l i s h e d a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h eh e kt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sv e r y s i g n i f i c a n t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h e h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ea n dt h ef e a t u r e so fc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) b u s ，t h e n e t w o r kt o p o l o g ya n dt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o do ft h ec a n - - b u sc o n t r o ls y s t e m h a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ec a n b u sn o d eh a s b e e nf i n i s h e dp a r t l y f i n a l l y , t h es i m u l a t i o no nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h en o d eo f t h ec a nb u sh a sb e e nc o n d u c t e db yas i m p l ee x a m i n a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，m o t o rd r i v e np r o p u l s i o ns y s t e m ，c a n b u s i v 1 绪论 1 绪论 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，汽车的普及是人民生活水平提高的具体 表现之一。然而，随着汽车保有量的不断增长，能源桔竭及环境污染问题却同益严 重。因此，研究汽车节能、环保的新技术是当今汽车工业的主要发展方向。 1 1 传统燃油汽车的不足及政策导向 根据调查，当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，如燃油使用率低、 尾气排放污染严重等。统计表明在占8 0 以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用 了动力潜能的4 0 ，而在市区能源使用率则还会跌至2 5 “1 ，更为严重的是由此带 来的尾气排放问题( 根据环境部门统计，大气污染的4 2 以上来源于交通运输。以 北京市为例，传统燃油汽车的尾气排放则占整个大气污染物的7 0 以上) o 。 另一方面，随着国际上能源短缺现象的日益严重以及人们对环保意识的日益加 强，各国政府对汽车尾气的排放标准也日趋严格。提高燃油利用率，解决汽车尾气 排放问题成为发展汽车工业的当务之急。目前，各汽车厂商虽然在传统汽车上使用 新的技术( 如使用燃料直喷技术、采用更先进的催化剂技术等) ，但污染气体排放的 问题只能在一定程度上得到减轻，并没有也不能从根本上得到解决。 很显然，传统燃油汽车的目前发展方式已不能满足当前的要求。在这种情况 下，为了能解决石油消耗以及尾气排放的问题，各国政府以及各厂商除了开始重视 对传统汽车的改进提高传统汽车燃油使用率外，还纷纷将目光转向了绿色交通工 具电动汽车。以我国为例，国家科技部已将电动汽车的发展写入“十五”国家 8 6 3 计划中去。1 ，并且我国政府在2 0 0 4 年6 月1 日发布的汽车产业发展政策中 明文指出“1 ：“国家引导和鼓励发展节能环保型汽车。汽车产业要结合国家能源 结构调整战略和排放标准的要求，积极开展电动汽车等新型动力的研究和产业 化，重点发展混合动力汽车技术。国家在科技研究、技术改造、新技术产业 化、政策环境等方面采取措施，促进混合动力汽车的生产和使用。”这使得电动汽 车在汽车领域再次引起重视。 广义的电动汽车包括两类：一类是指纯电动汽车，这种车的唯一动力源为电动 机；而另一类即是指混合动力汽车，在这种车型上，往往包含有两个动力系统，即 电动机和发动机。 四川大学硕1 学位论丈 1 2 纯电动汽车的不足 纯电动汽车由于不使用发动机，因此可以从本质上解决石油消耗以及尾气排放 污染的问题，但是电动汽车却有着其他方面的缺点和技术方面的难题。 对于电动汽车的储能单元电池，由于目前电池技术尚来突破，电池的能量 密度与石油燃料相差很大，远未达到所需要求。电池技术上的缺陷必然导致如下问 题：电动汽车的一次充电行驶黾程较小，为了能够满足电动汽车的行驶性能，必然 要求在电动汽车上加入足够的电池组束储备能量，这导致电池的体积和重量在整个 汽车中占有很大的比例，也使得纯电动汽车的动力行驶性能无法与传统汽车媲荚。 同时电池价格的居商不下也使得电动汽车的价格难以接受。另外考虑到电池充电技 术的安全性和可靠性问题( 如对电池的充电未加限流装置，则电池组在长时问充电 后，电流过大，在车内有时会产生电池过充电的硫酸气味) 以及电池寿命和电池更 换的问题，更使得客户甚至是汽车生产厂商，在电动汽车面前踌躇难定。 另外，对于纯电动汽车的使用，还需要一定的公共设施的介入，如公共充电站 的建立。而这些公共设施的投资，对于整个政府机构来说无疑是个很大的负担。即 便引入家用式充电设施，由于目前充电电池的充电时间较长的特点，使得纯电动汽 车的使用相对而占并不方便。而电动汽车从电网上获得电能，这对整个电网也会产 生很大的影响，如对电网的谐波冲击和对电网电能需求的挑战等”】。 考惫到电动汽车电池技术以及公共设施等一系列问题，电动汽车距离市场化的 目标仍然有相当长的一段距离，这使得各国政府和各地厂家在攻关电动汽车技术的 同时，也丌始将目光转移向燃油汽车与电动汽车的中间产品混合动力汽车。 1 3 混合动力汽车简介 混合动力汽车，即h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称为h e v 。对于混合动力汽车 的确切定义，根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议：混合动力 汽车是指由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种 能提供电能的车辆称为混合动人电动汽车嘲。根据这个定义，混合动力汽车有很多 种形式，有汽油机和蓄电池混合，柴油机和蓄电池：昆合，蓄电池和燃料电池混合， 蓄电池和超大容量电容器混合，蓄电池和飞轮混合等。但该定义难以被人们所接 受，一般认为混合动力汽车就是既有内燃机又有电动机驱动的车辆。所以在默认情 况下所指的混合动力汽车即是指动力系统为内燃机与电动机相混合的汽车”1 。 2 1 绪论 在混合动力汽车中，通过电机的引入，并通过一定的控制策略和控制模式，使 得电机和发动机的相互配合：在发挥发动机持续工作时间长，动力性能好，比功率大 等优点的同时，也发挥了电机无污染低噪声的特点。通过二者协同合作，取长补 短，使得发动机的主要工作在经济区间，尽量少的或者尽可能的避开低效工作区 域，提高能量使用率。在节约了能源的同时也减少了尾气排放的污染。混合动力汽 车是当今最具实际丌发意义的低排放和低油耗车。 相对于传统内燃机汽车和纯电动汽车而言，混合动力汽车具有如下优点： ( 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。并且也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。并且相对于传统汽车而占，由于能量储存器蓄电池的引 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。 ( 2 ) 打破了纯电动汽车续驶里程的限制，混合动力汽车的续驶黾程和动力性可以 与传统的内燃机相媲美。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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只益尖锐的理想途径。 1 4 混合动力技术在国内外的发展现状 近几年，混合动力汽车异军突起，这种汽车被认为是传统汽车与纯电动汽车 ( e v ) 之间的折衷方案与过渡产物。在世界范围内这种汽车已成为新型车辆开发的 热点，它在解决环保和能源方面的潜力已经得到广泛的认可。 混合动力汽车技术在很早的时候就已在国外企业政府中得到重视。以日本为 例，h e v 技术在上世纪9 0 年代初期就已被使用到汽车产品中去。早在1 9 9 4 年日产 公司便推出载重车和大客车的h e v 产品。而丰田公司作为走在h e v 最前沿的汽车公 司，也是世界上最早开始进行h e v 研究的汽车公司之一，它在1 9 9 7 年1 0 月成功的 研制了世界上第一款商业性的混合动力汽车p r i u s ，并在随后的几年，对p r i u s 进 阴川大学坝 学位论史 行不断改良，不断推出p r i u s 系列的新型产品。除了在丰田公司，h e v 技术在世界 的其他汽车厂家也受到了重视，如美国福特公司也在市场上推出了其经典的混合动 力车型e s c a p e ，闩本本f 开也相继推出了i n s i g h t 、c i v i c 以及a c c o r d 等；昆合动力车 型。随着各国各汽车厂家对混合动力的热衷，目前混合动力的产品也r 益# 富，除 了上述的几种车型外，还有丰田e s t i m a 、丰田c o a s t e r 、丰田h v m 4 、日产t i l i o 、 通用s e r i e s 、日野r a n g e r 、菲亚特t e m p r a 、福特e s c a p e ( 爱仕) s u v 、福特 p r o d i g y 家庭概念车、克莱斯勒d o d g ee s x 3 、通用p r e c e p t 、雪铁龙x s a r ( 萨拉) 等。混合动力汽车技术在美国和日本等国家已经日益成熟，已经进入实用阶段。 在国外汽车厂家和各地政府纷纷热衷混合动力技术的同时，我国也丌始这方面 的研究，将混合动力技术列入了8 6 3 计划，并写入了汽车产业发展政策中去，同 时在电动汽车的研究领域投资了2 0 多亿的资会。国内众多高校也加入了研究的行 列，如清华大学、北京理工、武汉理工、重庆大学等。另外，全国的汽车企业也部 开始重视混合动力技术，如东风汽车公司控股的电动车辆有限公司在2 0 0 1 年一举中 标国家“8 6 3 ”两个项目：混合动力大客车混和动力轿车研发。奇瑞汽车也以推出 了四款h e y 的产品。对于混合动力的相关技术，如混合动力汽车用电机，在国内也 有了很好的发展( 如兰州环式电机公司的环式电机技术，包头永磁电机厂的永磁电 机技术，重庆电机厂e v h e v 电机产品，东风电动汽车以及西北工业大学的e v h e v 用电机专利等) 。 但纵观目前国内的发展，我国的电动汽车暂时还停留在研究的阶段，技术成熟 并能形成产品走向市场的还比较少。同时，电动汽车的开发和研究还存在一定的问 题：国内研制的样车大多数以铅酸电池为能源，电动机动力驱动的纯电动汽车，并 且，我国的电动汽车的研制主要还是分布在轿车和客车的领域。而国外目前主要进 行混合动力及燃料电池电动汽车的研究，并且相关的研究遍饰轿车、客车和货车等 所有的汽车领域。从当前国内外的混合动力汽车研究开发现状柬看，我国尚与国际 先进水平有较大的差距。因此，国内必须集中资金和技术，对混合动力系统、燃料 电池及其管理系统重点攻关，以赶超国际电动汽车的发展水平。 1 5 课题来源 本课题足四j l i 汽车工业集团资助项目“野马混合动力汽车的研究与开发”的子 课题：“野马混合动力汽车电机及通讯系统的研究”。 1 6 本文的主要内容 ( 1 ) 本文对混合动力汽车技术进行分析，对混合动力汽车常用的三种动力组合 摸式进行了比较，并对混合动力汽车的关键技术之一的电机及其驱动系统，进行较 为详细的分析。为汽车的改装提供依据。 ( 2 ) 通过对原有车型的分析，提出一系列改装方案并进行可行性分析。在确定 了i s g 电机辅助动力方案后，重点对方案中使用的兰州环式电机进行了分析，并给 出了此方案相应的能量控制策略。 ( 3 ) 为了解决混合动力汽车上电机驱动系统的通讯问题，在本文的后面部分还 x c c a n , 黻在混合动力汽车上的应用进行了分析，结合了野马混合动力汽车的结构特 点，研究了将野马汽车改装成混合动力汽车时，c a n 总线技术的具体应用。同时根据 c a n 节点系统结构框图，在c 心节点的硬件设计完成的基础上，完成了节点问通讯过 程的初步调试。 2h e v 及电机驱动系统分析 2h e v 及电机驱动系统分析 2 1h e v 结构类型和特点： h e v 的本质是将发动机、电动机和能量存储单元按照一定的方式组合，并通过相 应的控制模式对之进行协调控制。根据发动机和电动机工作的组合方式，可将混合 动力汽车分为串连、并联和混联三种结构，这三种结构的动力系统结构图如下所 示。 一堑 执) 审联式 t ( c ) 糙腹式 ? 并联式 b ：电池( h t t e r y b ：疑趵帆蚝i m ) g ：笈电机( 蛐& t o r i ：逛壹嚣“舯群t e r ) 韭：主宅机t o r ， 苫：估砖蕞，包散离台器、变速器和璐鞠轿) 薯：车轮( 耻e e l ) 一电气连接c 双晦 = = = 执摊连接双融) 图2 13 种混合动力汽车的动力系统结构 2 1 1 串连式 串联方式是混合驱动结构形式中最简单的一种。串连型的混合动力结构如图2 一 l a 所示。从结构图中可以看出，串联式混合动力是由发动机、发电机和驱动电机三 大动力总成组成。其最大的特点是发动机不再与后续的驱动系统( 变速装置、驱动 轴等) 有直接的机械联系。发动机的睢一功能是带动发电机发电，电能通过逆变器 给电池充电或直接供给电动机驱动汽车。驱动电机为最终驱动装置，发动机作为辅 助动力装置以延长汽车的续驶黾程。 串联式的优点是结构简单，控制策略容易，并且由于发动机与驱动系统没有机 械连接，因此串联式汽车在动力系统的布置方面比较灵活，开发难度较小。串联方 6 ， 锢 。 t 一 ， l i j 四川大学坝t 。学位论丈 式的另一优点是可以去掉传统的离合器和变速器，传动结构简化，车身重量减轻。 发动机受行驶工况的影响小，容易控制在高效区稳定工作，同时对于发动机的选 择。也更加自由。另外，串联式混合动力与纯电动汽车在结构上和原理上更为接 近，这使得串联式混合动力汽车可充分利用电动车现有的技术，节约资金入力和物 力，容易在短时间内实现商业化和产业化，这也是串联式混合动力的最大优势。 但串联式在能量转化时，需要经过化学能一电能一机械能这样一个过程，传输 环节多导致整体效率降低。此外，串联结构上的部件( 发动机、发电机和驱动电 机) 都需要配备较大的后备功率以满足动力性要求，蓄电池的重量也难以减轻，且 由于电池技术的原因，串联式混合动力汽车在动力性能上与传统汽车还有较大的差 距。 串联式混合动力汽车的优越性主要表现在低速、加速等运行工况，而在汽车 中、高速行驶时，能量利效率低。因此，串联式混合动力汽车不适合在高速公路上 运行，更适用于在市内低速运行的工况。目前串联的方式大多见于公交车上。串联 式部分产品见表2 一i 。 表2 1h e y 产品动力组合方式表 车犁形式车氆形式 丰田c o a s t e r串联日野h l j o并联 宙诺v e r t串联d cd o d g ee s x 3并联 本田c i v i c并联丰田p r i u s混联 本田i n s i g h t并联福特e s c a p e混联 福特p r o d i g y并联 通用p r e c e p t 混联 宙诺h y m e “并联日产t i n o混联 2 2 2 并联式 并联式的动力组合方式，由发动机、起动发电机或驱动电机两大动力总成组 成。其中由于发动机与起动发电机组成的方式轻度并联式的结构，改装和控制较为 方便，较为常见。并联式的动力系统结构如图2 1 b 所示： 由图可以看出，在并联式的混合动力结构中，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，与串联式结构不同，并联式结构中 发动机仍然与驱动桥直接相连，发动机可以单独驱动汽车行驶。 7 2 h e v 及电机驱动系统分析 在串联式中，由于电机的主要工作模式是作为电动机，单独驱动汽车行驶，使 得能量转换环节太多，导致了汽车燃油的整体利用率的降低，这是串联式系统不可 避免的缺点。而在并联式中，通过对电机工作模式的设置，使得电机很少会或者不 会单独驱动汽车，避免了能量转换环节的增加，从根本上避免了串联式上出现的缺 点。并联式结构的混合动力汽车，其电机的主要作用如下：汽车起动时，电机作为 起动电机，快速起动发动机，减少发动机起动的时间，提高燃油消耗率；电池能量 不足时，作为发电机工作，将发动机的机械能转化为电池的化学能；能量回收时， 做发电机使用；汽车上坡加速时，做电动机使用，提供辅助动力。由此可见，为汽 车行驶提供主要动力，已不再是并联式电机的任务。基于电机的主要工作模式，一 般将并联式上的电机称为起动发电机。 由于发动机可以直接传动机构驱动车轮，这一点与传统汽车的驱动系统比较相 近，因此并联式应用相对比较广泛。 并联式的优点在于，发动机与驱动桥直接相连，使得改装方便的同时还能保证 汽车的动力性能，并且由于能量传输环节减少，使得能量使用率相对于串联式而言 有所提高。发动机仍作为动力源之一或是主要的动力源，因此，并联式结构中可以 选择比较小的发动机和电动机，电池的容量和质量也得到控制。并联式的动力系统 普遍使用在轿车中。并联式的部分产品参见表2 1 。 保持内燃机与驱动系统的机械连接，并不意味着内燃机失去了工作点优化的可 能，但是在这种布置形式中，发动机作为唯一的主动力源，电机的工作状态受行驶 工况的影响大，不容易控制在高效区稳定工作，对发动机工作状态的优化相对困 难，对能量管理系统也提出了更高的要求。控制策略比较复杂，这是并联式最主要 的缺点。另外，也正是因为发动机是主动力源，这使得并联式汽车在尾气排放和噪 音控制方面不及串联式。 2 1 3 混联式 串联式和并联式布置在性能上各有优缺点。串联式布置断丌了发动机和驱动系 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， 能量整体利用率难以提高。并联式布置保留了由发动机直接驱动的传统驱动系统， 整车的动力性能得到了保证，但其对发动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。 p q 川大学顺i + 学位论史 结合串联式和并联式两种却霄的优点，克服它们的不足之处，混联式的动力组 成方式便很自然的产生。 混联式的结构的动力系统结构模型参见图2 一l c 。如图所示，它将串联和并联两 种方式进行了组合，在这种系统中，发动机的功率一部分功率通过机械传动部分输 送给驱动桥驱动汽车行驶，而另外一部分则可以用来驱动发电机发电，发出的电能 经过控制器的判断，或送给电池组，为电池组充电，或送给电机，直接产生动力驱 动电机。这种动力系统组合方式能够使发动机、发电机以及电动机产生更多的优化 匹配，从而可以很好的实现燃油的经济性以及尾气的低排放的性能。 混联式驱动系统对电池的依赖较小，兼具了串联式和并联式二者的优点，从结 构上保证了系统在不同工况下，都能处于最优的工作状态，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的还要复杂，对动力复合机 械装置和动力控制系统的要求也更高，相应的开发成本、开发难度也最大。丌发难 度大，主要体现在两个方面：能量管理与控制系统和传动系统总成，这是影响混联 式混合动力汽车商业化和产业化进程的决定性因素”j 。传动系统总成是指连接发动 机发电机电动机包含离合器功能在内集变速传动操作的机电一体化的总成系统，是 混合动力电动车的关键技术之一，也是混合动力汽车技术水平的主要标致。丰田的 p r i u s 通过灵巧而精密的机械装置，将发动机发电机和电动机很好的组合在一起， 这是我国目前还暂时达不到的。能量管理与控制系统的技术难点是如何通过计算机 控制，根据车辆行驶状态的变化，实现机械和电力两种动力系统的最佳配合转换， 实现电池运行状态优化，从而使燃料经济型和尾气排放以及汽车的其他性能都达到 所要求的最佳状态。 混联式的部分产品参见表2 一l 。 串联、并联和混联三种动力组合方式的大致比较”1 ，可参见表2 - 2 。 9 ! 坚三壁皇墨翌望墨堡坌塑 表2 - - 2 三种能量组合方式比较 垃缓力或 肆鹱戒辫戢或就驭矗 露秘辩，篾辔$ t ，磐麓趣机，越碴。瓠喧缸疏机，屯也t 毡 妫七蘑陵 嚣 帆鬻曲l t t i谚l 战 发琏h l 雹 瑚彩砷琏辫寿式 一黢地择为强娩虬 裔鍪种逸弹疗戎 遗棒萍。簪 功懿 矗醴机功 功霉轻夫 功母鹱小，巾l 窜联 擘 砖事鞍小 裳端机! 职戆i 纷柯甜f tj阼为 饕谚句簿，赣 敏葫机虢t 转 。凳 件板卷羁翻辘磊豹磅麟豹1 佧最榭太， 舡鞭j 随瓣黔獬慰 捧被零避存鹊锛韶镇。玉 镦虢辨漪特教零翰链 垃转溉毒魏 麓鞠税单姥磐确粒 豫鞠机币羧雅砖，电 踅砖撬，电巍霉谚 静破碗霞电鞔豁嘲貔单矬舒确气墙冁 降# 魁戢单撬舡确 魄挑豁姥蹲 铃罐 斯分j 柠铷泵境盹锻虢母 曲乃抬蕊承境蹙挪啦力p 翊糸畦甏t 捧麓袭缱凝切鞭最虢棚群艇壤辅换羲境麓羚毓 | 簪制蓐藏弱缆 杂 链锾馋罐缱囊辑鞔臻孳够，链 旃力热接番建啦传 动鞫 。比枣躐式钶娩夔利澍罐皴巍 教枣鬣蜒化霉短 鬯盔嚣罐罄叫蹬聿 一尢动矗忽嫒2 栅 发曲橇蛳础采橇糍走磷勺嚣娃之燃 没俞辍蠛建琏攮飙捣稚艟裳俘确最缝， 絮碉帆糍残龟缓辘 髅粤慧体 悔南餐朝r 嘲嘘轮擞劝救屯确树之嚣。叶太确勺砖碰的 毛。伽筹龋张礁黪、喊谤枣随懿麟械授龋鼙，_ t 、t 群敬心 耗餮 k 寸藤鞍 。誓祭牟蓠建攘越表鲢目艇能够覆嘻、擎酶如 t 币翘丧馨。锻冉采镗如鬻蹙铷一定嚣，吼铀均靶链祭， ，、犁孳镪l 震粥 扩戮链 錾羲孛，霹鬯啉赋湾 竹4 二港器承软繇嚣电砖嚣馨誊鼯绱鸯 缝逸，增虢r 龟母柏廖联式瓣l3 。辩藩 龟地 捌电德孵壤鞭鞭套 茂聋酌霉镌戳技榭龟游 l q 麟缀功譬蛰 盔瓴攀墩辍嘎 掌太崩奶慧j 蔑勰攀 绣，：动力意唆功聿 一九硝七嚣暖鬻餐 建价 ，骥鳙中，薅肄箍 垂，域凝秘。强坷以 鬟槲蹙铋的静秘黎 利嘲转缱汽鼙避“ 境h 劝力霉酿虢缝 衍辘枣惩篱臻攀擎鞴蹙壤蹙 娌鹱，瞳竹姨豢敲瞳 褊麓建瞧蕾鼓钮 2 2h e v 的关键技术 混合动力汽车是以先进控制技术为纽带的传统内燃机汽车与纯电动汽车的结合， 其技术涵盖面广，涉及机电工程、电力电子、电化学、控制工程、汽车电子和车辆 工程等学科。目前，公认的混合动力汽车的关键技术可以大致分为整车系统集成关 键技术与关键零部件技术两大类。 整车系统集成关键技术包括：整车能量管理与控制系统“”3 、动力系统参数匹配 1 6 - 1 s 、再生制动系统“”1 以及车用数据总线的应用”等。 l o 四川人学颂 学位论史 关键零部件技术主要包括混合动力汽车用发动机、电机及其控制技术和动力电 池及其管理系统技术等。 1 ) 能量管理与控制系统 混合动力汽车有两套驱动系统：发动机和电动机。如何通过先进的能量管理与控 制系统把两者高度的协调起来，实现最优组合是混合动力汽车成败的关键。能最管 理与控制系统的任务便是完成能量的优化传递，它通过一定的控制策略，最优的分 配电机、发动机、电池等动力部件的功率输出，以达到效率、排放和动力性的最 优。 目前混合动力电动车的技术难点就是能量管理系统控制策略的编制，即编制何种 控制策略，使得能量管理系统可以根据车辆行驶速度和功率需求的变化，实现机械 和电力两种动力系统的最佳转换和紧密配合，电池运行状态的优化，从而使燃料经 济性和尾气排放以及汽车的其他性能都达到所要求的最佳状态。 对于管理系统的控制策略，目前已经有很多科研机构和公司已经展开了这方面的 工作，如美国可再生能源实验室( n r e l ) 便开发出一系列的控制策略。但目前混合 动力控制系统的研究还处于不成熟阶段，各种控制策略的效果还有待实验的验证。 2 ) 动力系统参数匹配 混合动力系统的参数匹配是混合动力汽车设计的一个重要内容，它包括合理的选 择和匹配发动机功率、动力电池容量和电机的功率等，以确定车辆的混合度，组成 性能最优的混合驱动系统。 3 ) 再生制动系统 能量再生制动是混合动力汽车提高燃油经济性的重要途径，由于制动关系到行车 安全，如何在最大限度回收制动时的车辆动能和保证安全的制动距离之问取得平 衡，如何将晕擦制动和能量回收制动这两套制动系统安全而合理的结合在一起是再 生制动系统需要解决的难题之一。 4 ) 车用数据总线 混合动力汽车上在控制方面有着如下的特点：所需控制的对象多而分散、各被控 单元之间数据交换更频繁、对数据交换的可靠性和实时性要求高等。因此，有必要 在混合动力汽车上引入一种高效而简洁且性能可靠的通讯体系。目前的解决办法是 将数据总线技术引入汽车控制系统。纵观现在的数据总线技术，用的较多且技术较 为成熟的，当数c a n 总线通讯系统。 2h e v 及电机驱动系统分析 5 ) 发动机 发动机依然是混合动力汽车的关键零部件之一，与传统发动机不同，混合动力汽 车上的发动机有着如下的特点：工作不受车辆行驶工况的影响，重量轻、体积小。 它不要求像传统汽车发动机那样要具有良好的响应特性及宽广的转速运行范围，也 不要求既应兼顾最大转矩又要求具有最大转速的特性。因此，混合动力汽车发动机 具有较高的效率和燃料经济性。其生产成本相对传统发动机有所下降。 当i ； 混合动力汽车所采用的发动机仍然以汽油机和柴油机为主，由于混合动力汽 车对发动机的特殊要求，a l k i n s o n ( 如丰田p r i u s ) 高膨胀比发动机、涡轮增压发动 机以及新一代陶瓷发动机都可以应用于混合动力汽车。 6 ) 电机及其控制技术 如同发动机是传统汽车的心脏一样，电机是电动汽车的心脏，对于混合动力汽车 而言，电机的重要性与发动机等同，甚至更为重要。与其他电机不同，混合动力汽 车上所使用的电机除了做电动机外，还要承担发电机的角色( 作为电动机，它要为汽 车的行驶提供动力，作为发电机，它负责将发动机的机械能转化成电能的同时还兼 有能量回收的功能) ，因此，要求电动机同样要具有高效的发电功能以及能在在电动 和发电两种状态之间能够很好切换的能力，这对电机的制造和控制也提出了新的挑 战。 一个好的电机驱动和控制系统，是混合动力汽车实现低油耗低排放和优良动力性 能的关键所在。 对于混合动力汽车上使用的驱动电机，这是在传统汽车中所没有的，所以需要重 新开发设计。在开发的同时，要考虑到电机系统的综合性能、成本和维修性能。对于 混合动力汽车上使用的电机而言，它需要具有如下的一些性能，即良好的可控性和 容错能力，以及低噪声、高效率，同时具有对电压波动不敏感等性能。目前在电动汽 车上应用的电机主要有永磁电机、开关磁阻电机和交流感应电机。 对于驱动电机而占，电机本身与电机控制器是密不可分的，电机本身只有在电机 控制器的控制下才能正常工作。 电机控制器技术主要包括大功率电子器件、转换器、微处理器以及电机控制算 法。大功率电子器件有m o s f e t ，i g b t 、c o m f e t 、m c t 、s i t 、g t o 、b j t 等，高性能的 电力电子器件仍处于研究中。转换器技术随着功率器件的发展而发展，可分为d c d c 直流斩波器和d c a c 逆变器，分别用于直流和交流电机。电机控制用的微处理器主 2 四川i 大学硕 学位论文 要有单片机和d s p 芯片。关于控制方法，当前常规电机驱动领域的控制方法如变压变 频( v w f ) 控制、磁场定向控制( f o c ) ( 也称为矢量控制) 、模型参考