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混合动力公交车驱动与再生制动系统控制策略研究 摘要 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 ) 一方面融合了传统 汽车成熟的技术和现有的工业基础，另一方面融合了电动汽车节能和环保 的特点，是解决能源短缺和环境污染问题很具市场潜力的车型。考虑到我 国国情，目前应大力推广研发混合动力公交车( h y b r i de l e c t r i cb u s ，h e b ) ， 以进一步提高燃油经济性为现阶段研究的重点。 本文围绕h e v 控制策略的关键技术一能量分配、再生制动等开展深 入研究。首先，采用a d v i s o r 仿真软件建模，通过仿真分析进行总成参 数选择，并以动力系统部件功率最小化为目标进行参数优化设计。然后， 基于a d v i s o r 仿真平台，设计一种在本课题组原控制策略基础上改进的 模糊逻辑驱动控制策略和一种并行制动力分配控制策略，在 m a t l a b s i m u l 矾k 中搭建控制策略仿真模型，并成功导入到a d v i s o r 软件中进行仿真实验分析。最后，通过与原控制策略的仿真比较，验证了 所提出控制策略的有效性及实用性，为整车能量管理系统的硬件设计奠定 了基础。 关键词：混合动力驱动再生制动控制策略a d v i s o r 仿真 s t u d yo nt h ep o w e r t r a i na n dr e g e n e r a t i v e b r a k ec o n t r o ls t r a t e g yo fh y b r i de l e c t i u cb u s a b s t r a c t o no n eh a n d ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei n t r o d u c e st h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e so f a u t o m o b i l ea n de x i s t i n gi n d u s t r i a lb a s e o nt h eo t h e rh a n dh e vi so fc h a r a c t e r i s t i c so f e n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n s o ，i th a sb e c o m eo n eo ft h em o s tp o t e n t i a l m o d e bt os o l v ee n e r g ys h o r t a g e sa n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o ni nt h em a r k e t i nv i e wo f o u rc o u n t r y sc o n d i t i o n s ，w es h o u l dv i g o r o u s l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fh e b ，a n d f u r t h e ri m p r o v ef u e le c o n o m yw h i c hi st h ef o c u so ft h e s t u d y t h e p a p e r u n f o l d sr e s e a r c hw o r ko nt h eh e vc o n t r o l s t r a t e g yk e y t e c h n o l o 州n e r g yd i s t r i b u t i o na n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n g f i r s t l y , u s ea d v i s o r s i m u l a t i o ns o f t w a r et om o d e l s e l e c tp a r a m e t e r sb a s eo nt h es i m u l a t i o n a n a l y s i s ， o p t i m i z ep a r a m e t e r st ot h ea i mo fm i n i m u mp o w e ro fd y n a m i c a ls y s t e m s e c o n d l y , d e p e n do na d v i s o rs i m u l a t i o np l a t f o r m ，d e s i g naf u z z yl o g i cd r i v e nc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h eo r i g i n a lc o n t r o ls t r a t e g yw h i c h d e s i g n e db yo u rs u b j e c tg r o u p ，a n dd e s i g na p a r a l l e l b r a k ec o n t r o l s t r a t e g y c o n t r o ls t r a t e g y m o d e l sa r ec r e a t e di n m a t l a b s i m u l i n ka n ds u c c e s s f u l l yi m b e d d e di nt h ea d v i s o rt os i m u l a t i o na n d a n a l y s i s l a s t l y ，f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yi sp r o v e dt ob em o r e e f f e c t i v ea n dp r a c t i c a lc o m p a r e dw i t ht h e o r i g i n a lc o n t r o ls t r a t e g y t h a tl a yt h e f o u n d a t i o no ft h eh a r d w a r ed e s i g no fe n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e m k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ；p o w e r - t r a i n ；r e g e n e r a t i v e b r a k e ；c o n t r o ls t r a t e g y ；a d v i s o r ；s i m u l a t i o n n 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他入已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：谐舻 20 0 3 年多月g 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囤p , p 网- 发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 帮淖 导师签名：吴彤噜弘略年步月8 日 广西大掌司n b 掌位论文混合动力公交善玛医动与再生制动系统控制策略研究 1 1 课题来源与论文背景 第一章绪论 “混合动力公交车驱动与再生制动系统控制策略研究”来源于广西科学基金资助项 目( 桂科自0 4 8 1 0 1 0 ) ：混合动力电动汽车动力系统参数匹配与控制策略研究。 世界石油资源正在日趋枯竭，人类生存环境正在日益恶化。据权威统计，目前除了 中东地区的已探明石油储量仍高于其已开采总量外，其他各大陆的开采量均已超过剩余 探明储量i l j 。世界不同地区能源消耗如图1 1 。我国能源消耗逐年增加，尤其是石油资 源的形势非常严峻。我国石油消耗已位居世界第一- 2 1 。截至2 0 0 7 年年底，全国机动车保 有量为1 5 9 8 亿辆，与2 0 0 6 年相比增长1 0 0 2 ，交通运输业的汽车对石油的消费比例 正呈飞速上升的趋势，已占到整个市场的4 0 ，未来5 年还会上升到5 0 1 3 , 4 。我国的 石油1 3 依赖进口，2 0 0 0 年进口量7 0 0 0 万吨，2 0 0 3 年超过一亿吨，2 0 0 7 年进口量近2 亿吨，国家能源安全面临严峻挑战【1 1 2 4 1 。环境保护，节约能源，尤其是节约石油资源， 不但是经济问题，而是关系国家能源安全的政治问题。 面对入类社会不可或缺的汽车等引起的如此严重的能源和环境问题，节能环保的新 能源汽车应运而生。目前，在汽车界所指的新能源汽车一般包括纯电动汽车、混合动力 电动汽车和燃料电池汽车三大主流技术【5 j 。由于电池的能量密度与汽油相比要差上百倍， 因此，完全由蓄电池驱动的纯电动汽车一直仅限于特定范围内应用，市场很小1 6 1 。燃料 电池发动机的寿命短、制造成本居高不下和对工作环境适应性差等缺点制约了其发展【6 】。 因此，燃料电池汽车距离产业化还有很长的路要走。混合动力汽车将发动机、电机和能 量储存装置( 蓄电池等) 组合在一起，通过它们之间的良好匹配和优化控制，可以充分 发挥传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，成功避开了电池技术的瓶颈，成为当今最具 实际开发意义的低能耗、低排放汽车【7 一。 我国经过“八五 、搿九五 、“十五 三个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入 了大量的人力、物力和财力，并取得一系列科研成果，但是，迄今为止，这些科研成果 真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多【7 】。国外大汽车公司投入远比我国 更多的资金和人力，已投入批量生产的电动汽车产品也寥寥无几r 7 1 。预计到2 0 2 5 年，全 球在用车数量将超过1 4 亿辆，能源危机、大气污染和全球气温上升现象是急待解决的 1 广西大掌硕士学位论文s 昆合动力公交车驱动与再生靠u 动系统控制策略研究 问题【9 1 。各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向， 在电池技术尚不成熟的情况下，发展混合动力电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳 途径。 ( 百万t o e ) 2 0 0 02 0 102 0 2 0 2 0 3 0 ( 年) 图i - i 世界不同地区能源消耗【1 0 】 f i g 1 1e n e r g yc o n s u m eo f d i f f e r e n ta r e a 1 2 我国混合动力汽车市场调研情况 1 2 1 我国混合动力轿车市场调研情况【7 , 1 1 , 1 2 1 以节油率最佳的丰田普锐斯( p r i u s ) 混合动力轿车为例，在我国实测它与丰田花冠 ( c o r r o l l a ) 在不同工况下的油耗对比数据结果表明：普锐斯的平均节油率为3 9 6 ，平均 每百公里可节油3 0 7 l 。以9 7 号汽油价格为5 元l 计算，每百公里可节省油费1 5 3 5 元， 行驶2 0 万k r n 也仅省油费3 0 7 万元。目前最低价格的标准版普锐斯售价为2 5 9 8 万元， 这相当于同类传统车售价的2 倍，显然节省的油费还不足以抵消购置混合动力汽车所增 加的费用。据中国汽车工业协会统计，2 0 0 6 年一汽丰田普锐斯销量仅为2 1 5 2 辆，占全 国乘用车总销量的0 0 4 。2 0 0 7 年8 月在丰田中国得到的数据显示，2 0 0 7 年1 7 月， 普锐斯的销量仅达到1 9 9 辆。 考虑到我国用户对汽车售价的敏感性，可以得出结论：在近期，如果没有政府的大 力支持，混合动力轿车在我国不会有很大的市场。 2 广西大掌硕士学位论文混合动力公交车驱动与再生制动系统控制策略研究 1 2 2 我国混合动力公交车市场调研情况 在我国，城市公交车与私人乘用车的情况有很大的不同，具体归纳为以下三点 7 , 1 3 】： ( 1 ) 据统计我国城镇居民日常出门有7 0 是首选乘坐公交车，并且大部分城市政 府都奉行公交车优先的交通政策。我国公交车的年产量和保有量都居世界第一； ( 2 ) 我国城市公交车大多由市政府补助公交企业采购，公交车是否符合节油减排 要求，将是政府需要考虑的一个重要采购原则； ( 3 ) 从技术角度来分析，在城市工况下，公交车频繁起步、加速、制动和停车， 要额外消耗许多燃油。有统计表明：在超过8 0 的道路条件下，传统燃油公交车仅利用 了其动力潜能的3 5 ，在市区还会跌至2 5 。更为严重的是排放废气污染环境，并且近 一半的燃油是被汽车频繁制动所消耗的，这就为混合动力公交车的节油减排留下了相当 大的空间。 正是考虑到以上几点，我国“8 6 3 计划将混合动力城市公交客车作为现阶段电动 汽车的发展重点。一汽集团、东风集团、上汽集团、清华大学等高校以及汽车企业，承 担了“8 6 3 ”和“9 7 3 ”的研究项目，在“十五 期间研究和开发了多种有自主知识产权 和多项技术专利的电动车辆和装备技术【1 4 1 。一汽和东风汽车集团联合所在地的高校和研 究所，在各自客车底盘上研发出一汽解放牌v a 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交客车和东风 e q 6 11 0 h e v 混合动力城市公交客车【l4 1 。笔者调研时有幸在湖南大学参观到x d 6 1 2 0 混 合动力城市公交客车，整车外观如图1 2 。它是由湖南湘潭电机集团有限公司研究开发， 首次采用独特的能量耦合技术，成功实现了发动机与电动发电机两种能量的高效电磁复 合。虽然已取得一系列重大成果，但混合动力公交车的节油率并不理想，一些关键技术 仍需改进和提高。 综上，本文确定以内燃机为柴油机的混合动力城市公交客车为研究对象。 图1 2x d 6 1 2 0 混合动力城市公交客车 f i g 1 2x d 6 1 2 0h e b 3 混合动力公交善玛巨动与再生制动系统控制策略研究 1 3 国外混合动力公交车发展状况【1 3 ，1 5 棚】 随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧，混合动力汽车凭借其节能、环保 的优点逐渐成为世界关注的焦点。1 9 9 0 年，日本汽车厂商使混合动力技术得到快速发展， 由丰田公司和日野公司共同研发的f c h v - b u s 2 公交车是首辆获得日本土地、基础设施 和交通部批准的燃料电池混合动力公交车。2 0 世纪9 0 年代初以来，混合动力客车的开 发也得到欧洲等许多发达国家的高度重视，已取得一些重大成果。2 0 0 3 年，美国俄勒冈 州的波特兰市，t r i m e t 公司开始将标准长度的串联式混合动力客车投入运营。同年1 2 月，英国e n e c o 公司成功地研制出一辆串联式混合动力城市公交客车，并破纪录地完成 了从s u s s e x 到p r e s t o n 的3 0 0 英里不间断的行驶。自美国2 0 0 4 年第一辆混合动力公交车 在西雅图投入运营以来，柴油一电力混合动力公交车在美国其他城市越来越受欢迎，使 用也越来越普遍。目前研究开发最具代表性的就是在纽约投入示范运行的o r i o nb u sv i 客车、n o v ab u s 客车、日野h i m r 客车、a v sh y b r i db u s 客车，以及在西雅图测试运 行的f l y e r - i s e 客车等等。 图1 - 3f c h v - b u s 2 与f l y e r - i s e f i g 1 3f c h v - b u s 2a n df l y e r - i s e 1 4 混合动力系统分类及特点 混合动力电动汽车是指具备两个以上动力源、而其中有一个可以释放电能的汽车。 由于混合动力汽车结构复杂，分类方式也就多种多样。目前业内通常按照驱动系统结构 布置的不同，将混合动力汽车分为串联式、并联式以及混联式【2 0 1 。各自的结构和形式特 点介绍如下1 2 0 - 2 2 1 ： ( 1 ) 串联式( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s 髓v ) 混合动力汽车主要结构特点是 发动机和发电机组成发电机组，通过功率分配装置将电池组、电动机和发电机组连接起 来，由电动机驱动汽车行驶。其结构示意图如图1 4 。 4 混合动力公交善竭匠动与再生制动蜀瀛控制策略研究 ( 2 ) 并联式( p a r a l l e l h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ，p h e v ) 混合动力汽车保留了发动机 和传动系统的机械连接，由电池组一电动机所提供的动力在原驱动系统的某一处和主动 力汇合，或者与发动机产生的力完全分开用以驱动不同的驱动桥，即汽车可由发动机和 电动机共同驱动或者各自单独驱动。其结构示意图如图1 5 。 ( 3 ) 混联式( s e r i e s p a r a l l e lc o m b i n e dh e v ，s p h e v ) 混合动力汽车在结构上综合 了串联式和并联式的特点。s p h e v 布置方案综合了串、并联两种布置方案的优缺点， 具有最优综合性能。但系统组成庞大，传动系布置困难。s p h e v 要实现串、并联分支 间的合理切换，因此对控制系统和相关控制策略也提出了很高的要求。其结构示意图如 图1 6 。 图1 4 串联式混合动力结构示意图【2 3 】 f i g 1 - 4t h ec o n f i g u r a t i o no fs h e v 图1 5 并联式混合动力结构示意图【2 3 1 f i g 1 5t h ec o n f i g u r a t i o no f p h e v w h l * l 图1 - 6 混联式混合动力结构示意图瞄】 f i g 1 - 6t h ec o n f i g u r a t i o no fs p h e v 三种布置方式各有其特点【8 】：混联式开发难度大，开发成本高，一般不用在大型客 车上；并联式的燃油经济性高于串联式。因此，针对本文所确定的研究对象，以燃油消 耗和成本为前提，选择并联混合动力布置方式较为合适。 5 广西大掌硕士掌位论文混合动力公交耳玛医动与再生制动系统控制策略研究 1 5 并联式混合动力系统工作模式 本文研究对象确定为并联式混合动力系统，图1 7 给出了并联式混合动力汽车四种 工作模式。 ( a ) 启动力口速( b ) 低速行驶 y厂 毒 l 一 圜 童 t l _ - _ o i l j貔一 摄芰豳飞润隧。 ( c ) 一般行驶( d ) 减速制动 e 一一发动机；卜电动机；n 一蓄电池 图1 7 并联混合动力系统工作模式 f i g 1 7p a t t e mo f p a r a l l e lh y b r i ds y s t e m ( a ) 车辆启动或节气门全开加速时，发动机和电动机同时工作，共同分担驱动车 辆所需的动力； ( b ) 车辆低速行驶时，车辆在纯电动模式下工作，仅由电动机工作提供车辆行驶 所需动力； ( c ) 车辆一般行驶时，电动机关闭，由发动机工作提供车辆行驶所需动力。并且 当车辆轻载时发动机可以给蓄电池充电； ( d ) 车辆减速制动时，电动机以发电机模式工作，即通过功率转换装置给蓄电池 充电，实现再生制动。 1 6 混合动力控制策略研发中需要解决的关键问题 为了进一步节油减排，提高整车性能，混合动力控制策略的研究是解决问题的关键， 也是目前混合动力汽车技术开发的核心之一【2 4 1 。目前控制策略( 尤其并联式混合动力汽 6 广。西大学司n b 掌位论文溟台崎殄力公交釉e 动与再生制动系统控制策_ 夸研究 车) 还不十分成熟，对控制策略进行改进是目前的一个发展方向。混合动力控制策略研 发中需要解决的关键问题主要包括两个方面： ( 1 ) 驱动控制策略。混合动力汽车具备良好的动力性和燃油经济性，是一种清洁 环保型汽车。为了达到节能环保要求，需要采用先进的驱动控制策略，合理分配混合动 力源。先进的驱动控制策略不仅要实现整车最佳的燃油经济性，而且要考虑电池寿命、 电机效率、驾驶性能以及各部件可靠性等多方面要求。 ( 2 ) 再生制动控制策略。混合动力汽车再生制动系统可以很好的节省汽车制动减 速和下坡过程中的能量损耗。为了提高汽车行驶过程中的能量再生利用效率，同时满足 汽车再生制动要求，加强混合动力汽车制动稳定性，建立可行有效的再生制动系统是研 究的关键。 1 7 混合动力汽车发展前景与趋势【1 2 朋l 在能源和环保的压力下，世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域。但是由于技术 和经济上存在的各种困难，纯电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混 合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策 略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放。因此，日本、美国等多家汽车公司已经 和正向市场推出各种混合动力汽车产品。世界主要地区汽车销售量及混合动力汽车销售 量预测表明到2 0 1 0 年全球混合动力汽车年产可达2 9 4 万辆，正逐渐成为汽车行业的主 导产品。 有“汽车消费风向标 之称的美国 j d p o w e r 汽车调查机构。在一次对未来购 车计划的调查显示，近6 成美国消费者会选 e 8 5 燃料 择混合动力，如图1 8 。本次调查结果是结 合车辆的油耗、空气污染、温室效应、气体 排放等综合因素做出的。这项调查的公布， 既表现了该机构对环境保护的重视。也真实 7 么沁 弋 混合动力 柴油发动机 反映了“消费者的声音 。节能环保车已必图1 8j d p o w e r 机构对未来购车计划的调查结果 然成为未来汽车消费的大趋势。 f i g , 1 - 8i n v e s t i g a t i o no f f u t u r ep u r c h a s e c a rb yj d p o w e r 7 广西大掌硕士掌位嵌叩 混合动力公交j 竭巨动与再生制动系统控制策略研究 从国内市场来看，由于经济的持续快速增长，城市规模不断扩大，各大城市政府已 纷纷将推广使用清洁燃料汽车作为净化空气、改善环境的一项重要措施。今年即将召开 的北京奥运会与2 0 1 0 年上海世界博览会给混合电动车带来了契机。为了保证奥运会期 间良好的大气环境，奥运会召开前后，几百辆混合动力汽车在靠近奥运场馆的周边行驶， 最大限度地减少汽车尾气排放。 总的来说，混合动力电动汽车技术虽然仍处于起步阶段，其关键技术( 如能量分配、 再生制动等) 还有待提高，但是国内外专家已普遍达成共识：混合动力电动汽车即将在 整个汽车工业上掀起一场新的革命，逐渐成为汽车行业的主导产品。考虑到我国国情， 目前仍应大力推广研发混合动力公交客车，进一步降低制造成本，减少油耗和排放。因 此，进行控制策略的研究是现阶段工作的重点和难点。 1 8 本文研究的主要内容 经过对我国混合动力汽车的研究现状和关键技术的分析，考虑现有的技术条件，本 文将主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 设计一种并联混合动力汽车主要部件的选择方法，通过计算确定初步匹配方 案。 ( 2 ) 以动力系统部件功率最小化为目标进行参数优化设计。 ( 3 ) 对动力系统主要部件工作特性进行研究。 ( 4 ) 在本课题组原设计的模糊逻辑驱动控制策略基础上，设计一种改进的模糊逻 辑驱动控制策略。 ( 5 ) 为解决前、后轮摩擦制动力和再生制动力分配问题，设计一种前、后轮制动 力比例分配下的再生制动控制策略。 ( 6 ) 在m a t i ，a b s m 仍l 咖( 中建立控制策略仿真模型，嵌入到a d v i s o r 软件中 进行仿真比较分析实验。 8 广西大学硕士学位论文 混合动力公交j 竭巨动与再生制动系统控制策略研究 2 1 引言 第二章动力系统参数优化匹配与特性研究 并联混合动力车辆的动力系统涉及多种能源的混合，并且包括不同储能装置与能源 转换装置之间的协调工作。它已不同于传统意义上的汽车，也不同于纯电动汽车，而是 涉及内燃机、电池、电机之间的协调工作，是一个复杂的系统1 2 9 。混合动力电动车辆中 发动机、电池、电机等参数的匹配直接影响整车的动力性、经济性、排放性能以及车辆 的成本。本文将参数匹配过程分为初步设计、参数优化和性能校核三个阶段，具体的设 计流程如图2 1 。 图2 1 混合动力汽车参数匹配设计流程 f i g 2 ld e s i g nf l o wo f h e yp a r a m e t e r sm a t c h i n g 9 混爸j 叻力公交善请区动与再生制动系统控制策略研究 2 2 混合动力公交车开发目标与原车型主要参数 根据目前我国城市公交车运行状况，以及城市道路设计有关规定，按照“8 6 3 计 划对混合动力城市客车的技术性能指标要求，拟定了本文混合动力公交车开发目标 陬1 4 t ，见表2 1 。本文研究对象是以厦门金龙x m q 6 1 0 3 g f 2 城市公交客车为原型进行改 造设计。设计中基本保留了原车型的主要技术参数，见表2 2 。 表2 - 1 混合动力公交车开发目标 t a b 2 1e x p l o i t a t i o ng o a l so f h e b 最高车速( k m h ) l o o 动力性指标 0 - - - 6 0 k m h 加速时间( s ) l o 经济性指标 相比传统车型降低油耗( )3 0 以上 表2 - 2 原车型主要参数【3 1 1 t a b 2 2m a i np a r a m e t e r so fo r i g i n a lv e h i c l e 型号： x m q 6 1 0 3 g f 2 外形尺寸长宽x 高( m m ) ： 10 3 0 0 2 4 7 0 319 0 最大总质量( k g ) 1 2 6 0 0 座位数 1 0 - - 4 1 ( 额定载客，含驾驶员5 8 人) 底盘型号 k l q 6 1 0 g r f 2 轴距( m m ) 5 0 0 0 最小离地间隙( m m ) 1 5 8 最高车速( k m h )8 9 最大爬坡度( ) 2 5 制动距离( 满载、3 0 k i n h ) ( m )s l o 发动机型号 玉柴y c 6 j 2 1 0 2 0 ( 欧i i ) 最大功率转速 k w ( p s ) r p m 1 5 5 ( 2 1 0 ) 2 5 0 0 最大扭矩转速( n m r p m ) 7 1 0 1 4 0 0 - - 1 6 0 0 排量( m 1 )6 4 9 4 2 3 动力系统选型及参数匹配 2 3 1 发动机功率选择 混合动力汽车发动机最大输出功率p 删瞳( k w ) 的取值一般依据车辆匀速行驶时的 1 0 混舌啊劳力公交毒鹤巨动与再生制动系统控制策略研究 功率要求，即满足下式p 2 1 ： e e l n m x 去c 珂+ 等，y ( 2 1 ) 式中：v 为车速( k i n h ) ；m 为汽车质量( k g ) ；g 为重力加速度( m s 2 ) ；f 为滚动阻力 系数；q 为风阻系数；a 为迎风面积( m 2 ) ；，7 ，为传动效率。其中v 的具体取值应依据 所设计车辆的动力性能要求而定，若取v 为最高车速，显然发动机的功率取值偏大， 因为实际上车辆很少以最高车速行驶。若取v 为平均车速，由于我国城市公交客车 的平均行驶车速仅在2 0 - 3 0 k m h ，则发动机的功率值偏小。结合我国车辆和路况的实际 情况，确定v 的取值要求为a v a v 一按照2 l 式计算并加上相应的功率裕量和 附件功率需求( 不包含空调) ，可选取最大功率为l o o k w 柴油发动机。 2 3 2 电动机功率匹配 在并联混合动力汽车上，电动机主要作为功率均衡装置，即提供峰值功率，因此其 最大功率p 。一与发动机最大功率p 。一之和应满足混合动力汽车行驶最大负荷的功率 要求a 麟，即： p e 一 p v 雌一p c 嘣 ( 2 2 ) 根据原车型行驶最大负荷的功率要求，及已初步确定的发动机最大功率，则可计算 出电动机的最小峰值功率。根据混合动力汽车起动、加速对电动机的功率需要和保证其 。在某些特定区域零排放行驶的纯电动机驱动工况时整车的动力性能，加上相应的功率裕 量，可选取最大功率为6 5 k w 的交流感应电机。 2 3 3 电池组参数选择 电池组参数主要包括电池的类型、容量和数量。 对于混合动力汽车，电池容量越大，汽车的储能能力越强，以纯电动状态行驶的距 离越长。但电池容量选择并非越大越好，电池容量大，质量和体积也就越大，反而影响 车辆的动力性和整车布置。因此，我们选择必须根据现有市场上的产品，并借鉴国内外 j - - 西大掌司e 士掌位论文镯 合动力公交j 竭巨动与再生制动习| 统控制策略习院 同类汽车产品选择的电池规格来确定电池容量。目前几种电动汽车车用电池都能基本满 足要求【3 3 l 。为降低整车开发成本、增加混合动力汽车实用性，选取美国电源公司的容量 为8 5 a h 的铅酸电池，其特性数据如表2 3 。 电池的数量应该从功率需求和纯电动行驶里程两个方面来确定f 3 3 1 。 表2 38 5 a h 铅酸电池特性数据 卫出2 3d a t ao f8 5 a hp bc h a r a c t e r i s t i c 荷电状态开路电压 内阻 s o c v o c ( v ) r o ( o h m ) x1 0 弓 0 o1 1 4 0 64 5 7 0 11 1 7 32 6 8 6 0 21 1 9 0 42 2 2 6 o 31 2 0 9 61 9 7 0 o 41 2 2 1 6i 8 4 3 o 51 2 3 8 41 7 4 7 0 61 2 4 9 21 7 l l o 7 1 2 6 3 61 6 8 5 0 81 2 7 51 6 9 7 0 91 2 9 1 81 7 5 6 1 o1 2 9 9 1 7 6 9 ( 1 ) 功率需求方面。电池组的容量必须满足电 动机最大输出功率的需求，因此，电池数量可按下 式计算 3 4 , 3 5 ： 2 面和p m m i a g 汇 2 3 一 其中为电池块数；丸一为电动机最大输出功率 ( k w ) ；为电池开路电压( v ) ；为电池放 电内阻( o h m ) ；，7 。为电机及控制器工作效率。由 表2 3 可以看出，电池荷电状态( s o c ) 在0 5 - 0 8 之间放电内阻最低，这是我们所期望的电池工作范 围。后文的控制策略参数的设定也将控制电池在该区域工作。由于，在计算单个电池模 块输出的最大功率时，应选择电池s o c 在最差的情况下，因此计算时，和应选 择s o c = o 5 时所对应的值。 ( 2 ) 纯电动行驶里程方面。电池数量按纯电动行驶下能量需求来确定【蚓： 甩妇 鳖( 2 - 4 ) 7 k 1 1 ：l u w 竺d d l c 其中7 7 聊为电动机将电能转变为机械能的转换效率，7 。为机械传动效率；c 为电池 容量( a h ) ；q n o d d 为单个电池输出电压( v ) ；矽。为车辆在纯电动模式下以某恒定车 速行驶一定距离所消耗的能量( k w h ) 。本文按3 0 k m h 行驶5 0 k i n 计算。 最后两方面比较，取较大的。经计算确定电池个数为2 5 。如果考虑某个城市有 更高的零排放续驶里程要求，可以适当增加容量。 1 2 广西大掌硕士掌位论文混合动力公交耳冯医动与再生制动勇0 宛控制策_ 备研究 2 3 4 传动系参数选择 传动系参数主要包括主减速器速比和变速器。 对于并联混合动力汽车，为了获得良好的加速和爬坡性能，尽量选取较大的主减速 t zi 。，并同时满足车辆最高车速的要求，即【3 2 1 ： 瓦o 3 7 7 n , 一r ( 2 5 ) m 口雌 式中：i o 为主减速器速比；刀。一为发动机最高转速( r m i n ) ；r 为车轮滚动半径( m ) ； u a 一为最高车速( k m h ) 。本文中7 e 蛳= 4 2 5 0 ，甜。懈= 1 0 0 ，计算后取主减速器速比为8 0 。 在保证汽车动力性的基础上，为了尽量提高汽车的燃油经济性，混合动力汽车宜采 用多档变速器。本文变速器选用5 档手动变速器，变速器的1 档传动比应满足以下条件 【3 2 】： ”堕号恚产 协6 ， 式中口雠为最大爬坡度( ) ；瓦嘣为发动机最大输出扭矩( n m ) ；聊脚为h e b 的总质量( k g ) 。根据已知条件计算得。耋5 1 6 3 1 。结合5 档变速器的产品系列，并考 虑在原有车型基础上充分利用已有资源，仍选用j s 5 7 5 05 档机械变速器，取= 6 5 4 ， 各档间传动比为6 5 43 7 82 1 6 81 4 4 21 0 0 0 。 至此，已经完成了动力系统主要部件的选型及参数匹配，考虑到整车性能及成本的 因素，有必要对已选参数进行优化设计，优选最佳配置。 2 4 动力系统参数的优化设计 系统参数的优化研究已经成为现代汽车设计的一个重要环节，其主要思想是借助计 算机工具，以重要的动力系统参数为设计变量，确定目标函数及约束函数，建立系统匹 配的数学模型，结合可靠的汽车仿真工具软件，选择优化算法进行求解，得到一组最优 解或近似最优解来指导汽车后续设计，从而达到系统最佳匹配，并满足一定的动力性要 求。 1 3 广西大掌硕士掌位论文混舌哨劳力公交善碣区动与再生触动系统控制策略研究 优化算法是最直观和传统的参数识别方法之一。经过不断的发展涌现了大量的优化 技术，例如：梯度方法、罚函数法及单纯形方法等f 3 6 l 。h e v 的系统优化是一个多变量 多目标的非线性约束优化问题，往往难于计算。本文动力系统参数优化利用a d v i s o r 中自动尺寸( a u t o - s i z e ) 功能，利用m a t l a b 优化工具箱中的f m i n c o n 函数进行优 化。车辆加速性能和爬坡能力作为约束条件，以动力系统部件功率最小化为目标，优化 变量主要包括发动机功率、电动机功率。 根据城市道路设计的有关规定，并参照开发目标，选取车辆加速性能和爬坡性能约 束条件为：0 6 0 k m h 加速时间- - t 0 8 ) ，为保护蓄电池，延长电池使用寿命，不能进行制动能量回收。 ( 4 ) 电机发电能力的限制。需求的再生制动转矩不能超过电机在当前转速下所能 提供的最大制动转矩。当制动强度较大时，电机再生制动往往不能满足制动需求。 ( 5 ) 循环工况的影响，不同路况下回收制动能量的比例是不同的，一般是路况制 动越频繁，回收能量比例越大。 4 3 2a d v i s o r 再生制动控制策略 图4 - 6 给出了a d v i s o r 制动力分配方案，基本原理是由检测到的汽车速度查表得 到前轮电机再生制动分配系数和前轮摩擦制动分配系数。控制算法如图4 。7 所示，前轮 制动力分配完毕后，剩余的制动力由后轮的摩擦制动提供。 混合动力公交写玛区动与再生制动勇：统控制策嵋阔f 究 图4 - 6a d v i s o r 制动力分配方案 f i g 4 - 6p r o j e c to f b r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o ni na d v i s o r 图4 7a d v i s o r 制动力分配方案控制算法 f i g 4 - 7c o n t r o la l g o r i t h mo fb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o ni na d v i s o r a d v i s o r 提供了一种简单有效的制动力分配方案，但它也有很多不足。首先，由 于制动力随车速变化，不便于对再生制动系统进行稳定性分析，无法判别是否满足e c e 制动法规要求；其次不能反映电池的限制，当电池s o c 过高时回收能量将带来充电安 全性问题；再有不能很好的发挥再生制动系统的潜力，回收能量不够充分。 因此，有必要提出一种高效并切实可行的控制策略。 4 3 3 并行制动力分配控制策略设计思想 如何在尽量对原有制动系统改动小的情况下，从整车所承担的制动力中分离出电制 动力、前轮摩擦制动力和后轮摩擦制动力，本文提出了一种分配控制策略并行制动。 3 3 广西大学硕士掌位论文 ， 混合动力公交霹冯巨动与再生制动舞茂控制策略研究 所谓并行制动力分配策略是指在制动强度较小时，仅电制动工作【体5 6 1 ；当制动强度较大 时，驱动轴的制动力由电制动与机械制动共同承担；当紧急制动时，出于安全考虑，整 车制动力仅由机械制动提供。其控制逻辑框图如下图4 - 8 。 当前s 0 ( 3 值 总制动力 s o c 区皇 再生制动模式 不可回收 量刁兰。嘲卜笋 制动力1 0 0 j ii”一一 电机最大再 生制动力 车轮处最大lf 2 再生制动力i i 较大 主 复合制动 摩擦制动 传统制动模式 按1 3 线分配 前轮摩擦 制动力x 再生制动f 1 前轮再生制动力：f l 后轮摩擦 制动力y ，l 剩余制动力 f 1 - f 2 图舢8 并行制动力分配策略控制逻辑 f i g 4 8c o n t r o ll o g i co f t h ep a r a l l e lb r a k es t r a t e g y 并行制动力分配策略控制逻辑的输入量为总制动力、电机最大再生力和蓄电池s o c 值。其中总制动力由制动踏板力传感器得到；电机的最大再生制动力由存储在芯片中的 电机特性曲线和电机转速信号通过查表得到；当前s o c 通过蓄电池电子控制单元得到。 逻辑框图的输出量为前轮再生制动力、前轮摩擦制动力和后轮摩擦制动力。这三个量分 别输送到电机控制单元、前轮摩擦制动力调节装置和后轮摩擦制动力调节装置。 其中在复合制动模式下，为了尽可能多的回收能量，应在满足e c e 制动法规的前 提下，并根据城市公交客车工况特点，应尽可能多的把制动力分配在前轮。并行制动策 混合动力公交写码巨动与再生制动系统控制策备研究 略具体的制动力分配关系如图4 - 9 。 、 z 、一， 长 蒋 ：， 螗 宴 怛 图4 - 9 并行制动策略制动力分配关系 f 噜4 9b r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o nr e l a t i o no f p a r a l l e lb r a k ec o n t r o ls t r a t e g y 图4 9 中a b c d 为复合制动模式前、后轮制动力分配边界线。o e d 为传统制动模 式前、后轮制动力分配线，即p 线。 当制动强度小于0 1 时，只有电制动工作，达到尽可能多的回收能量目标，并与传 统燃油车发动机制动感觉一致；当制动强度在0 1 至0 7 之间时，采用机电复合制动， 这样即满足了整车制动需求，又回收了一定的能量；当制动强度大于o 7 ，视为紧急制 动，为确保制动安全性，避免瞬时大电流充电，仅摩擦制动起作用。 该分配策略的最大特点是：摩擦制动系仍是按传统制动力分配关系变化，仅需一个 电机控制器根据电机转速与制动强度来控制再生制动力大小。 4 3 4 制动力系数的确定 制动力系数包括：前轮再生制动系数、前轮摩擦制动系数和后轮摩擦制动系数。计 算公式分别如下： 3 5 广西大掌硕士掌位论文 混合动力公交j 鸿医动与再生制动系统控能l 策- 备研究 4 3 4 1 传统制动模式f 制动力系数的确定 根据图4 9 各个曲线之间的关系，通过计算可得到： f ，o e 线方程：2 = o 4 5 3 5 f p l ( o z o 4 ) i l e d 线方程：吒2 - 0 1 8 7 6 f , , l + 9 2 2 0 ( o 4 z 1 o ) i a b 线方程：2 = o 0 6 9 8 f 1 8 7 9 4 8 ( o 1 豕卸5 ) lb d 线方程：2 ：2 7 1 0 2 f p l 一1 5 8 5 4 0 ( o 5 z = 0 7 ) 车轮未抱死时有： i + 2 = g z 联立式4 1 4 、4 - 1 5 、4 1 8