（机械设计及理论专业论文）混合动力电动汽车动力系统测控技术研究.pdf

摘要 摘要 研究混合动力电动汽车，主要是研究车辆的多能源动力系统，冈其 是解决低排放和提高燃油经济性的重要举措。关键问题是确定其多能源 动力总成的硬件配置方案和系统的控制策略，其中多能源总成的控制问 题给驱动系统控制工程提出了更高的挑战。混合动力能量流动的最优控 制要点在于根据具体的混合动力传动结构来决定其动态功率分配功率。 i l e v 通过动力总成总体监控策略，决定车载动力源的功率流分配并管理储 能器中能量储备状态。h e v 的仿真可用于控制策略及系统在典型循环工况 下的性能验证、多能源动力总成的优化匹配等多种目的。 本论文提出了与基于通讯网络的分散式的混合动力汽车动力测控系 统不同的集中测控方式，该方式是由乇控计算机直接负责整个动力系统 中的澳4 控、数据采集和处理、检测结果的评价等功能。具体来说，主控 计算机直接控制发动机、电动机以及实时监测电池状态。该方式具有结 构简单、成本低的优点。通过理论与仿真分析，以及实验研究验证了该 系统的可行性和有效性。 关键词：混合动力电动汽车测控系统控制策略 华南理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t s t u d y i n g h e vm u l t i p o w e rd r i v e rt r a i ni st h em a i nt a s kf o rh e v r e s e a r c h ，w h i c hi sh e l p f u lt od e c r e a s ee m i s s i o n sa n di m p r o v ef u e le c o n o m y t h e k e yp r o b l e m s a r e s i z i n g f o r t h e h y b r i dp o w e r t r a i nc o m p o n e n t s a n d m a k i n gs y s t e ms u p e r v i s o r yc o n t r o ls t r a t e g y a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sg i v e t h eh i g h e rc h a l l e n g et ot h ed r i v es y s t e mc o n t r o le n g i n e e r i n g h e vo p t i m a l c o n t r o lm e a n se m p h a s i z e st od e c i d et h e c o m p o n e n t sw or k i n ge f f i c i e n c yo f d y n a m i cp o w e rs p l i tb a s e do nt h e a c t u a lh y b r i dp o w e r t r a i nc o n f i g u r a t i o n s p o w e rs p l i ta n de n e r g ys t o r a g es t a t ea r ed e t e r m i n e db yh e vd r i v es y s t e m s u p er v i s o r yc o n t r o ls t r a t e g y h e vs i m u l a t o ri s u s e dt ok n o wt h eh e vw o r k p r o c e s s i n s p e c i a l c o n t r o l s t r a t e g y a n dt e s tt h ev e h i c l e p e r f o r m a n c e i n t y p i c a ld r i v i n gc y c l e ，e t c t h e p a p e rb r i n g sf o r w a r d ac e n t r a l i z e dc o n t r o lm o d e ，w h i c hi sd i f f e r e n t f r o md e c e n t r a l i z e dc o n t r o lm o d eb a s e do nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i nt h i s m o d e ，t h em a i nc o m p u t e rd i r e c t l yt a k e sc h a r g eo fc o n t r o li n w h o l es y s t e m ， c o l l e c t i o no fd a t aa n de v a l u a t i o no fc h e c k i n gr e s u l t s ，e t c p a r t i c u l a r l y ，t h e m a i n c o m p u t e r c o n t r o l s e n g i n e a n de l e c t r o m o t o r d i r e c t l y a n d i n s p e c t s b a t t e r y s t a t ei nr e a lt i m e t h i sm o d ei sp r o v i d e dw i t hs i m p l ec o n f i g u r a t i o n a n dl o wc o s t b yt h e o r e t i ca n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t s t u d y ，t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h es y s t e mi s t e s t e da n dv e r i f i e d k e yw o r d ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；m e a s u r e m e n tc o n t r o ls y s t e m ；c o n t r o l s t r a t e g y 华南理工大学 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_ _ r 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：之毅 r日期：岫吖年( ) 月】7 曰 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。本人授权华南理_ i ：_ = 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 t j 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 去毅 舌如泛 一1 日期：p 年1 7 月j 7 1 1 日期：y 年占月，夕，e 第一章绪论 第一章绪论 世界生态系统状况在很大程度上决定与车辆和自牵引机械用热机的 废气排放水平。虽然通过采用电子技术和对发动机工作过程的自动控制， 可大大改进燃料的燃烧品质，但随着车辆数量的急剧增加，还没有能够 彻底解决热机排放问题的具体方案。尤其值得一提的是不断增加的车辆 和工作热机排放的c o 。气体对大气组成成分造成了负面影响，引起了世界 范围内的气候变化。 日前，混合动力驱动系统越来越引起人们的重视，组建成为种发 展趋势，并且混合动力驱动系统为将来获得生态系统的平衡提供了希望， 因为燃油越少、排放就越少，并且内燃机稳定的工况使得对其排放气体 的成分易于控制，而这币是混合动力驱动系统所具有的。 h e v 是混合动力电动车英文( h y b r i de 1 e c t r jcv e h ic l e s ) 的缩写， 指将传统汽车的发动机和纯电动汽车的电池一电机系统结合起来，期望获 得更优的车辆性能，既可以通过快速补充能源延长同类电动汽车的续驶 里程，同时保持电动汽车的能源环保性能。 混合动力电动汽车的确切定义是什么呢? 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，混合动力电动汽车是指由两种和两种 以j 二的储能器、能源、或转换器作驱动链源，其中至少有一种能提供电 能的车辆称为混合动力电动汽车。根据这个通用的定义，混合动力电动 汽车有很多种形式，有汽油机和蓄电池混合，柴油机和蓄电池混合，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，蓄电池和蓄电池混合等。但该定义并未被人们所接受， 般认为混 合动力电动汽车就是既有内燃机又有电动机驱动的车辆。为避免混淆， 专家们没有采用多种能源混合而是用内燃机和蓄电池混合的动力来代表 混合动力电动汽车，他们把燃料电池和蓄电池的混合动力称为燃料电池 电动车，而把蓄电池和电容器的混合称为超大容量电容器辅助动力电动 车等等“1 。 1 1 研究的目的和意义 十世纪九十年代以来，全球性的石油危机以及大气污染使汽车的 华南理t 大学硕士学位论文 宵能1 j 环保性能日益得到重视。特别对于汽车密集、交通拥挤的大城市 而苦，汽车频繁起停造成的内燃机变工况( 特别是低速、怠速) 运行是 造成尾气排放严重、耗油率高的主要原因。环境保护呼声的高涨和石油 储量f ：i 益短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。经过对 各种新燃料，新能源和新动力的探索，电动汽车成为最主要的选择之一。 电动汽车包括纯电动汽车( e ve le c t r i cv e h ic l e ) 、混合电动汽车和燃 料电池汽车( f c vf u e 】c e l lv e h i c le ) 三种形式。纯电动汽车在发展 中受到了电池技术的制约，有限的行驶里程和较长的充电时间使得它们 的普及非常困难，产业化前景并不看好。燃料电池汽车具有极高的效率、 低排放、低噪音，其甲醇燃料有广泛的来源，并具有可再生等重大优势， 已成为世界各火汽车集团新世纪激烈竞争的焦点，被喻为2 l 世纪改变人 类牛活的十大高科技之首，但产业化仍需要较长的时间。混合动力电动 汽车是将新技术和老技术结合的最可行的产物，它同时具有纯电动汽车 和传统内燃机汽车的优点，既具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能， 还具有传统内燃机汽车的行驶罩程长和快速补充燃料的性能。混合电动 汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。但随着对混合 动力电动车的研究，人们发现它也许是一个综合利用能源，是燃油机、 电动机均工作在最佳状态，从而达到最佳性能的一种车辆。对于更远的 未来，交通工具是什么现在还很难预料。但对目前及不远的未来，混合 动力电动车与燃油车、电动车在相当长的阶段都会共存，并各占一席之 地。 混合动力总成测控系统的测控方法，是生产混合动力电动汽车的关 键技术。就单，二技术而言，混合动力总成测控系统的研究与开发成果， 将提升内燃机及其控制技术，电机及其驱动控制技术，以及电池能量管 理和控制技术。混合动力总成测控系统的优化研究将大大提高电动汽车 的燃油经济性、排放性能和动力性，同时促进电动车更快进入市场。 1 2 国内外发展现状和趋势 混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产 q ：的- 种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能器件( 丰要是高 性能电池或超级电容器) 通过先进控制系统柏组合，可以大幅度降低油 耗，减少污染物排放。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满 足排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大 汽车公司的关注。9 0 年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开 2 第一章绪论 始研制混合动力型汽车”“”。 同本丰闭汽车公司率先于1 9 9 7 年1 2 月将混合动力型p r iu s 轿车投 放本国市场，2 0 0 0 年初又开始投放北美市场，并将月产由l0 0 0 辆调升到 月，“2 0 0 0 辆，三年内销售了4 5 万辆，产品出现了供不应求局面，初战 告捷，震动了全球汽车厂商。该公司社长奥田宣称，丰田公司所有的各 型汽车均将采用混合动力技术，丰田公司计划到2 0 0 5 年时，混合动力汽 车达到年产3 0 万辆，丰田的产品专家也宣称混合动力技术井非权益之计， 其技术寿命将与传统内燃机一样长。国外专家认为在未来的十年内，可 能有4 0 的汽车均将要用混合动力技术。 在r _ 本，除了丰田公司以外，本田、日产等大公司也不甘落后，分 别研制了自己的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩，其中本田公司已 投产i n s ig h t 混合动力汽车，被美国环保总署评为2 0 0 1 年美国十大节能 汽车的第。名，第二名则为丰f ；l = 汽车公司的p r iu s 混合动力汽车。 美国能源部与三大汽车公司于19 9 3 年鉴订了混合动力汽车开发合 同，其中通用汽车公司投入l ，4 8 亿美元，福特投入1 3 8 亿美无，克莱 斯勒投入8 4 8 0 力美元，进行为期5 年的研制开发工作，启动f 一代汽车 合作伙伴( p n g v ) 项目，迄今已开发出多种形式的混合动力电动汽车， 例如克莱斯勒的e s x 3 、福特的p r o d ig y2 0 0 0 、通用的p r e c e p t 和o e n 2 等，这几款车均接近或实现了3 升百公里目标。p n g v 项目在h e v 性能仿 真、汽车集成动力模块等技术领域取得了显著成就。门本丰田公司开发 的p r i u s 和本田公司开发的ir l s i g hl 两种混合动力电动汽车已开始小批 量投放市场。为适应美国市场的需求，丰团公司已推出第二代p r j u s ，2 0 0 0 年11 月底前已售出5 万辆，动力更强劲。本田i i si g h t 在美国市场上去 年也已售出3 5 0 0 辆，供不应求。f = 1 产公司也于去年推出t i l 2 0 混合动力 车，在日本国内市场匕销售了1 0 0 多辆。 欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽 车，就连法国p s a 集团也似乎忘i 己了它曾引以为自豪的1 9 9 5 年建成的世 界卜第一条电动汽车专用生产线，而先后推出了贝灵格型和x s a r a 型混 合动力电动汽车。甚至德国的b o s c h 等著名的零部件公司也积极与大汽 车公司联手开发混合动力电动汽车技术。最近欧洲六大汽车公司联合就 混合动力电动汽车技术进行了研讨和综合评述，认为其技术成果有望使 混合动力电动汽车的成本接近于传统汽车，使用户买得起，生产厂商也 有利可图。专家普遍评价：混合动力电动汽车是本世纪初汽车产业界的 一场革命，只有混合动力电动汽车才能满足新吐纪之初对汽车的环保与 节能要求。 3 华南理t = 大学硕士学位论文 国内对混合动力电动汽车的研究起步不久，在“九五”期间进行了混 合动力电动汽车的若干关键技术研究，现已试制出一些混合动力电动汽 车。在“九五”科技攻关计划的推动下，我国开发出多种电控发动机， 在电机控制方面取得了重大突破。电池管理系统的研究取得一定的进展。 在传统发动机动力系统控制方面，如发动机与自动手动变速器构成的动 力系统的控制，国内已有一定的研发基础。在纯电动汽车的整车控制器 方面积累了定经验，但控制系统的结构和功能还有待于进一步的调整 和完善。在双能量源混合动力电动汽车动力系统的自动控制方面刚刚起 步，包括控制算法的研究和控制器的开发，还未有完整的系统。在混合 动力混合方式和控制策略研究、参数匹配方面的研究也刚刚起步，亟待 体系的完善。 由于h e v 中一般包括两个t 相偶合的动力源，并月具有多种不同的运 行模式，所以双能源动力总成测控是混合电动汽车能量管理中最为复杂， 也是近年来电动车技术发展和产业化进程中的重要研究丌发方向。 1 3 课题来源 本课题来源于广州市科技局重大科技项目“混和动力电动大客车的 研制”，同时全面参照执行国家8 6 3 电动汽车重大专项的相关技术、经济 指标要求和水平。本课题研究的直接应用目标是给新型的混合动力电动 大客车建立整车运行传感和控制体系，实现各个系统协调的最优组合匹 配和最优控制，从而使混和动力电动汽车不仅具有纯电动汽车的高效率 和低排放的性能，而且具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃 料的性能。 1 4 研究内容 1 介绍测控系统总体设计思想，分析了混合动力车的结构形式，接着提 h h e v 动力系统测控的必要性及测控所要达到的目标，在对已有的动 力测控系统分析的基础上提出了本论文集中测控系统的总体设计。 2 对h e v 动力测控系统的设计灵魂一控制策略进行了理论分析。包括建立 了发动机、电动机以及能源系统的数学模型，并提出基于燃油消耗最 小、电机效率最高的控制策略，建立了优化控制函数。 3 对所提出的控制策略进行仿真分析。仿真得小发动机、电动机的全工 况最优l ：作点以及力矩、功率分配情况，对电池荷电状态及发动机油 4 第一章绪论 耗、电机效率的仿真结果进行了分析。 4 介绍控制器的设计。首先建立了h e v 整车的数学模型，再对p i d 控制 器和模糊p i d 控制器的设计过程进行了详尽的论述，并得出阶约响应 曲线验证控制器的可行性。 5 实验研究及结果分析。包括硬件设计和软件设计部分，实验验证测控 系统的可行性、基于所设讣控制器的车速闭环控制系统和电池监控系 统的正确性。 华南理上人学硕十学位论文 第二章h e y 动力测控系统总体设计 2 1 混合动力电动汽车的基本结构及特点 混合动力电动汽车在辆汽车上同时配备电力骀动系统和辅助动力 单元( a u x i l i 8 r yp o w e ru n i t ，简称a p u ) ，其中a p u 是燃烧某种燃料的 原动机或山原动机驱动的发电机组，目前h e v 所采j i = j 的原动机一般为柴 油机、汽油机或燃气轮机。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量 储存装置( 蓄电池) 按某种方式组在一起，有串联式、并联式和混联式三 种布置形式”。 2 1 1 串联式混合动力电动汽车的结构及特点 网 i 一 一电气连接_ 柳械连接 图2 一i 串联式混合动力电动汽车结构示意图 f ig u r e2 1s e f jesh e v 串联式混合动力电动汽车结构示意图如图2 一l ，串联式混合动力电动 汽车由发动机、发电机和驱动电机三大主要部件总成组成。发动机仅仅 用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发 电机发出的部分电能向电池充电，来延氏混合动力电动汽车的行驶罩程。 另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电 动汽车在零污染状态下行驶。 2 1 2 并联式混合动力电动汽车的结构及特点 并联式混合动力电动汽车丰要由发动机、电动发电机两大部件总成 细成，有多种组合型式，可以根据使用要求选用。两大动力总成的功率 可以匾相叠加，发动机功率和电动发电机功率约为电动汽车所需最大驱 6 第二章h e v 动力测控系统总体设计 动功率的0 5 1 倍，因此，可以采用小功率的发动机与电动发电机， 使得整个动力系统的装配尺寸。质量都较小，造价也更低，行程也可以 比串联式混合动力电动汽车的长一些，其特点更加趋近于内燃机汽车。 并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混合动力电动汽车上。 囤一囤 一一电气连接机械连接 图2 2 并联式混合动力电动汽车结构示意图 f jg u f e22p a r a l le lh e v 并联式驱动系统的典型结构示意图如图22 所示，发动机和电动机通 过某种变速装置同时与驱动桥直接相连接。电动机可以用来平衡发动机 所受的载荷，使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在满负荷 ( 中等转速) 下燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载衙下工作时， 传统车辆的发动机的燃油经济性比较差，而并联式混合动力汽车的发动 机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车，或者增加发动机的负荷 使电动机作为发电机，给蓄电池充电以备后用( 即一边驱动汽车，一边 充电) 。冉f 并联式混合动力电动汽车在稳定的高速下发动机具有比较高 的效率和相对较小的质量，所以它在高速路上行驶具有比较好的燃油经 济性。 并联式驱动系统有两条能量传输路线，可以同时使用电动机和发动 机作为动力源来驱动汽车，如果其中的一条驱动线路出了问题，另一1 个 仍然可以驱动汽车。这种设训。方式可以使其以纯电动汽车，或低排放汽 车的状态运行，但是此时不能提供全部的动力能源。 另外，根据对原动机输出的机械功率( 功率= 扭矩转速) 进行合成 的方式不同，对并联式混合动力驱动系还可进一步分类： 扭矩合成式( 连接部件为无级变速器、带传动、啮合齿轮传动等) ； 功率合成式( 行星轮系传动等) ； 牵引力合成式( 4 轮驱动，前后轮分别与不同的单个驱动系相连) 。 7 华南理t 大学硕士学位论文 2 1 3 混联式混合动力电动汽车的结构及特点 一一电气连接机械连接 图23 混联式混合动力电动汽车结构示意图 f i g u r o2 3s e r ies p a r a l le 1 1 1 e v 混联式混合动力电动汽车结构示意图如图2 3 ，混联式驱动系统的特 点是：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。发动机发出的功率部分通过机 械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能 l h 控制器控制，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。 2 2h e v 测控概述 2 2 1 h e v 系统测控的必要性 混合动力电动汽车的动力系统具有两个或两个以e 的车载动力源， 根据动力发生和电能储存子系统的组成方式不同，可形成不同的h e v 设 计方案。i l f , v 需要一个动力控制策略( 或总体监控) ，以控制卜述车载动 力源的功率流分配和保持储能器中适当的能量储各。这个在常规汽车中 所不具备的附加功能，使得各子系统能适时地以最佳方式共同协调工作， 达到诸如高燃油经济性、低排放等多个设计目标。此外，一般还希望控 制策略( 通过用户界面等) 对用户是透明的。 2 2 2i i e v 动力总成的控制目标 由于各种混合动力电动汽车结构上的差异，因而需要彳i 同的控制策 8 第二章动力测控系统总体设计 略来调节和控制功率流从不同元件的流进和流出，采用小同控制策略的 目的是为了达到不同的目标，其主要目标主要有以下四个”- ： 最佳的燃油经济性 最低的排放 最低的系统成本 最佳的驱动性能 设计混合动力电动汽车的控制策略主要应考虑以下几点： 优化发动机的工作点一一基于最佳燃油经济性、最佳排放或者二者 选其一，根据发动机的转矩一转速特性曲线确定最优工作点； 最小的发动机动态波动一应控制发动机的工作转速以避免波动， 从而使发动机的动态波动达到最小； 限制发动机最低转速一一当发动机低速运行时，燃油效率很低，因 而当发动机转速低于某一值时，应切断发动机的工作； 减少发动机的开关次数一一频繁的开关发动机，引起油耗和排放 增加，因而应使发动机的开关次数降低到最少： 合适的蓄电池荷电状态一一蓄电池的容量须保持在适当的水半，以 便在汽车加速时能提供足够的功率，在汽车制动或卜- 坡时能问收能量。 若蓄电池的容量过高，应切断发动机的工作； 安全的蓄电池电压一一在放电、发电机充电或再生制动时，蓄电池 的电压会发生很大变化，应避免蓄电池电压过低或过高，否则，蓄电池 会产生永久性损坏； 分下适当一一在驱动循环中，发动机和蓄电池应合理分担汽车所需 功率； 地域选择一一在某些城市或地区混合动力电动汽车应以纯电动的 模式工作，这种转变可以通过手动或自动来控制。 在控制策略被指定和实施之前，h e v 上只是一些通过电器和机械方式 连接起来的硬件，并不“知道”在什么时候该做什么。控制策略给这些 硬件赋予了智能，使它们构成个有机的系统并协调工作。然而，控制 策略的实施要求与每个硬件有控制连接，这些连接可以是机械的、电气 ( 电子) 的等不同形式。 机械控制：包括机械控制的离合器、与加速踏板连接的油门、仪表 盘上的按钮以及其他由驾驶员在车内以机械方式操纵控制的元件。 电气( 电子) 控制：根据当今常规车辆上车载电子计算机用量不断 增加的趋势，h e v 控制策略的实施无疑应以电控方式占主导地位，并且主 要是通过微机上运行的程序软件而彳i 是继电器或其他机电系统来实现其 9 竺里翌三奎耋堡兰堡丝兰 功能，这些计算机系统的输入包括诸如总成或零件部件温度、电池组电 压、变流和充放电的深度等反映整车状况的多种数据，也包括诸如制动、 加速等反映司机意图的各种标准信号。 2 3 h e v 测控系统分析与总体设计 2 3 1 总体性能要求及结构选型 ( 1 ) 混合动力电动客车整车指标及性能要求 整车尺、r ：1 1 0 m 木2 5 0 m * 2 9 0 n l 整车质量：整各约1 1 0 吨、满载约14 o 吨： 最高车速9 0 k m h ； 满载时，最大爬坡度2 0 ； 空载时，加速度要求：0 加速到6 0 k m h 不超过2 0 s ，匀加速度为 ( ) 8 3 3 3 m s2 ： 满载时，能以最大车速6 0 k m h 长时间持续稳定运行； 车载电池组无需从外界电源充电； 混合动力电动大客车主要在城区使用，最多在城区和城间运行。 根据汽车理论，对整车动力指标进行功率需求的初步估算，计算参数如 表2 一l 中所列，取其整个传动系平均效率为0 8 8 由公式只= 去c 絮等+ 飞g i s i n 矿a v 。+ 篙+ 器筝得， 巡航功率要求5 1 83 1 9 k w ； 最高车速功率要求8 9 3 2 l8 k w ； 爬坡性能功率要求2 0 6 9 2 6 6 k w ，车速为1 8 k m h ： 以匀加速度的极限功率要求2 4 3 1 3 2 4 k w 。 ( 2 ) 混合动力电动客车动力系统结构及参数 设计混合动力电动客车的第步就足确定底盘动力总成的结构，可 供我们选择的基本配置方案就是串联和并联两种方式，混联可以认为是 以上两种方式的优化方案。 本设计的控制目标为油耗最小，在城市工况，串联可使发动机在最 佳：i ：况点附近稳定运转，排放较小，但要达到同等性能的串联和并联结 构，串联的发动机、电机功率匹配要求远大于并联，不仅增加制造成本 和自熏，而且油耗大；在传统汽车上，并联式的结构更方便，只需要加 1 0 第二章f i e v 动力测控系统总体设计 表2 1 车辆的特征参数 t a b l e2lv e h jc 1ec h a i a c te r i s t icsp a r a m e t e r s 满载质量 14 0 0 0 k g 滚动阻力系数 0 0 15 车轮滚动半径 0 5 m 风阻系数 0 5 5 迎风面积 7 2 5旋转质量换算系数1 15 变速器平均效率 o 9 4主减速器平均效率o 9 2 一个电机，增加一个总成监控系统；串联至少加一个发电机和一个电动 机，而且能量的转变过程增多，整个驱动系的工作效率更低； 从控制角度讲，串联式只需要对发动机和电机单独控制，可优化范 围小：而并联式可通过不同的控制方式优化动力总成性能。 从整车效率、动力性能、续驶罩程等方面综合考虑，并联式混合动 力电动汽车更适合于城市运行工况。 综合考虑车辆经济性和动力性，根据实际情况，发动机选用依维柯4 缸、直喷、废气涡轮增压柴油机，排量2 8 升，最大功率9 2 k w 。电机选 择6 5 k w 的交流感应电机。选择主减速比为6 16 6 ，数据由广州骏威客车 厂提供。机电耦合比取定值2 0 ，本论文中发动机的最大转速将在3 5 0 0 转左右，电机最高转速即在7 0 0 0 转左右。初步选定电池组容量6 0 a h ，工 作电压3 8 4 v 。s o c 初始值取o 7 ，设置最小限制值0 5 ，最大限制值0 8 。 2 3 2h e v 测控系统分析 现有的测控系统一般都是基于通讯网络的，典型的混合动力电动汽 车动力系统测控框图如图2 4 所示。 它主要由主控计算机、通讯模块、发动机电子控制单元( e 1 e c t r o n l c c o n tr 0 1u n i t ，简称e c u ) 、电动机e c u 和电能源管理e c u 组成。 测控1 作原理是：各信号采集控制模块负责管理汽车内多种传感器 信号采集和对数据进行处理，然后通过c a n 总线将采样信息送到整车控 制单元( 简称上位机) ，或者接受由上位机发来的控制指令，执行控制量 输出，对车内各执行机构进行控制。而上位机则依据各分节点采集的信 息，综合后作出控制决策，向分节点发出控制指令。整个监控系统的主 控机与系统各个被监控对象( 节点) 通过c a n 总线网络方式进行通讯， 各个节点通过c a n 控制器发送数据到总线，或者向总线申请数据，是多 主工作方式。 总的来说它是一种基于通讯网络的测控系统，但混合动力汽车是多 一一 兰里矍三查兰望圭耋堡篁兰 图2 4 典型的动力系统测控示意图 f i g u r e 2 4 t y p ed y n a m i c a l s y s t e mc o n t r 0 1s k e tc hm a p 能源动力总成系统，如发动机的定时、注油控制、加速、刹车控制、电 机的控制、电池s 0 c ( s t a t eo fc b a r g e ) 的监测、电池的充放电等，这些控 制需检测和交换大量数据，同时在某一瞬时至少要对两个动力单元进行 测控，而通讯方式总线一旦被占领，其他控制信号只有等总线空闲时爿 能传送。基于以上分析，采用通讯方式的测控系统，在可靠性、实时性 方面受到定的影响。因此本论文提出相对于上述分散测控系统的集中 测控方式。 2 3 3h e v 测控系统总体设计 混合动力电动汽车对信号采集和控制模块的基本要求是：有快速强 大的计算能力：硬件系统有较高的抗干扰能力和集成度；能实现纵向的 控制和驱动。 本系统采用集中式测控方式。集中式测控方式是由主控计算机直接 负责整个测控系统中的设备控制、数据采集和处理、检测结果评价等功 能。而不足由主拧计算机与各控制部件的e c u 进行通讯，再由e c u 具体 负责各部件如何工作。相对于分散测控方式，该方式具有可靠和实时性 的特点。h e v 动力测控原理框图如图2 5 所示”“。 在测控过程中的每一时刻，将给定车速( 即循环试验标准) 与实际车 速孝h 比较，求出差值，通过司机模型( 例如一个p i d 控制器) 将该差值转 变为整车的加速踏板命令甜或制动踏板命令，该命令与电池的充电电量 s ( ) c 等反馈参数一起被输入动力总成控制单7 ip c u ( p o w e r t r a i nc o n t r o l u n it ) ，经过控制运算，向发动机和电机发出“油门”命令信号，发动机 为节气门丌度口。，电机为电压命令【，。，控制传动系统的换档，然后通过发 塞三童! ! 坠垫垄型芝垂竺垒竺堡竺 图2 5h e v 动力系统测控原理图 f i g u r e 2 5 d y n a i i l ic a ls ys t e mc 0 n tr o lp r in c i p le m a p 动机、电机以及传动系统的模型，计算动力总成各部件的性能参数，同 时计算出电池s o c 的变化值，最后根据汽车动力学计算出实际车速“，并 将该车速反馈给司机模型及p c u 。 图2 5 中的循环试验标准是针对不同的车型和路况预先确定的测试 行驶规范( 即速度一时间函数) 。根据每一时刻的车速要求，通过控制策 略的运算选择具体的运行模式，由此确定发动机、电机的运行工况点以 及电池的充放电功率和s o c 的变化值，从而实现对h e v 动力系统的优化 控制。 以原理框图作基础，整车具体的测控方案如图2 6 ，测控目标包括发 动机、电动机、电池三大子系统，整个监控策略由计算机卜软件实现。 卤盘函申 幸 谣 出一 图2 6 整车动力系统测控方案框图 f ? ig u r e26 o y n a m i c a ls y s t e c o n t r 0 1p r 0 3 e c tm a p 华南理工人学硕士学位论文 本章小结 本章是t t e v 动力系统的测控方案总体设计。首先分析了现有的基于 通讯网络的测控系统，它是通过主控计算机、通讯模块、发动机e c u 、电 动机e c u 和电能源管理e c u 组成，来对发动机、电池、电机等进行测控， 它们之间通过c a n 总线组成无主方式的通信网络。在比较町靠性和实时 性等方面之后，提出了本论文测控方案的设计思想，集中式测控方式是 由主控计算机直接负责整个测控系统中的对象控制、数据采集和处理、 测控结果分析等工作。最后给出了h e v 整车动力系统测控方案框图。 1 4 第三章h e v 动力系统控制策略理论分析 第三章h e v 动力系统控制策略理论分析 在内燃机汽车中，汽车动力系统的控制主要由驾驶员通过加速踏板 直接调节发动机的油门开度来实现。而电动汽车则不同，对于纯电动汽 车，加速踏板控制的是电动机的电压，对于混合动力电动汽车，有至少 两个动力源：发动机和电动机。加速踏板控制电动机还是发动机，或者 两者等比例控制? 这j e 是目前混合动力电动车动力系统控制策略研究的 重点。 3 1h e v 控制策略比较研究 在混合动力汽车各部件的配置确定下来之后，如何优化控制策略是 实现混合动力汽车低油耗低排放目标的关键所在。在满足汽车的动力性 和其他基本技术性能以及成本等要求的前提下，针对各部件的特性及汽 车的运行 ：况，控制策略要实现能量在发动机、电机之间的合理而有效 分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性、最低的 排放以及平稳的驾驶性能“。 3 1 1 串联型混合动力汽车的控制策略 出于串联型混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系， 冈此控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。此外， 为了优化控制策略，还必须考虑合并在一起的电池、电传动系统、发动 机和发电机的总体效率。以下介绍串联型混合动力汽车的两种基本的控 制模式。 ( 1 ) 恒温器控制模式 当蓄电池s o c 降到设定的低门限值时，发动机启动，在最低油耗( 或 排放) 点按恒功率输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部 分功率向蓄电池充电。而当蓄电池组s o c 上升到所设定的高门限值时，发 动机关闭，由电机驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率 的要求，蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带 来的好处。这种模式对发动机比较有利而对蓄电池不利。 ( 2 ) 发动机跟踪器控制模式 ： 竺童塑当奎兰堡圭耋堡丝兰 发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化，这与传统的汽车运行相似。 采用这种控制策略，蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组损 失被减少到最低程度。但发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运 行，而且发动机的功率快速而动念地变化，这些都损害了发动机的效率和 排放性能( 尤其在低负荷区) 。解决的办法是采用自动无级变速器 c v t ( c o n t in u o i l s lyv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) ，通过调节c v t 速比，控制发 动机沿最小油耗曲线运行，这样同时减少了h c 和c 0 的排放量。 上述两种控制模式可以结合起来使用，其目的是充分利用发动机和 电池的高效率区，使其达到整体效率最高。例如，当汽车加速时，为了满足 车轮驱动功率要求，降低对蓄电池的峰值功率要求，延长其工作寿命，可 采用发动机跟踪模式；而当汽车车轮功率要求低时，为了避免发动机低 效率工况的发生，可以采用恒温器模式以提高整车系统的效率。 3 1 2 并联混合动力汽车的控制策略 并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，需要进一步优化。 一般的控制策略通常是根据电池的s o c 、驾驶员的加速踏板位置、车速和 驱动轮的平均功率等参数，按照一定的规则使发动机和电动机输出相应 的转矩( 或功率) ，以满足驱动轮驱动力矩的要求。 ( 1 ) 以车速为主要参数的控制策略 这是最早也是最常采用的一种控制策略，它利用车速火小作为控制 的依据。当汽车车速低于所设定的车速时，由电机单独驱动车轮；当车速 高于所设定的车速时，电机停止驱动，而由发动机驱动车轮；当车轮负 荷比较大时( 如汽车急加速、爬陡坡或以较高车速爬坡时) ，则由发动机 和电动机联合驱动车轮。这种策略利用了电动机低速大转矩的作用，避 免了发动机的怠速及低负荷工况。当车速较高有助于发动机有效工作时， 发动机的肩动可避免纯电动高速行驶时电池的快速放电损失。在这种控 制策略中，发动机启动的设定车速可以设计为一个定值。对于荷电消耗 型混合动力汽车，设定车速愈低，汽车一次充电的续驶里程愈长。也有将 设定车速设计为蓄电池组放电深度的函数。 美国k l b u l t e r 等人提出了另一种基于速度的控制策略。汽车在低 速行驶时，也是由电机单独驱动车轮：但当车速高于所设定的车速时，则 采用了混合驱动。此时，发动机保持在一个恒定的节气门丌度运行，而 由电机提供车轮所需的动态功率。通过提高发动机启动的设定车速并保 持蓄电池组的s o c 在驾驶循环前后不变，可以减少发动机工作的时阿。这 1 6 第三章h e v 动力系统控制策略理论分析 种控制策略有利于减少汽车的排放，但电机及蓄电池组的功率较大，增 加了整车自重和成本。 对：于二采用上述控制策略的荷电维持型混合动力汽车，还需要监视蓄 电池组的s o c ，当s o c 降到某一设定值以下时，无论此时车速多低，发动 机将启动，同时部分发动机功率通过发动机向蓄电池组充电。 ( 2 ) 以功率为主要参数的控制策略 当车轮平均功率低于某设定值时，汽车由电动机单独驱动；当车轮 平均功率高于该设定值时，此时有利于发动机有效工作，因而发动机被 肩动，电动机则停止运行。发动机启动的最佳时机是在变速器换挡期间， 这有助十获得平稳的驾驶性能。一旦车轮平均功率超过发动机所能提供 的功率时，电动机启动，辅助发动机提供额外的功率。 在上述两种控制策略中，都存在发动机和电动机联合驱动的混合动 力- l 况。这种工况一般出现在车轮平均功率很高的时候( 如急加速或以较 高车速爬坡) ，其控制策略有以f 几种模式： 当加速踏板踩f 时，发动机和电动机的功率按照一定比例同时增 加，以满足驾驶员的高功率需求； 电动机功率一直增加到其最大值，然后启动发动机以提供补充动 力： 发动机被控制在有较高功率的低油耗区稳定运行，而由电动机来提 供所需的补充功率。 t 述两种控制策略都比较简单，但不毹保证各部件得到了最佳匹配， 无法获得整车系统的最大效率，因此优化技术被引入控制策略研究中。 ( 3 ) 采用优化技术的控制策略 法国学者s e b a s t i e nd z l p r a t 和g i l 3 0p a g a n e l l i 等人研究了带机械 有级式变速器的并联型混合动力汽车在混合动力工况时的能量分配优化 问题，建立了以电机转矩和变速器档位为优化变量、以给定循环工况下 发动机油耗最小为目标的有约束优化计算模型。该优化计算结果虽然不 能用于实时控制，但对于推导汽车实时控制策略是有益的”“。 为了使发动机工作在最佳效率区，在混合动力汽车上装备c v t 成为 目前的，种发展趋势。德国学者u i r c hz o e lc h 等人对带有i l c v t 的并 联型混合动力汽车作了研究，以汽车在一个给定驾驶循环工况中发动机 油耗最小为目标函数，建立了包括c v t 、电机效率在内的优化计算模型， 利用动态优化技术对发动机、电动机( 发电机) 所应分配的转矩和c v t 速 比进行了计算，并由此确定满足最小燃油量所需要的电机额定功率。该 优化方法只能用于特定的驾驶循环，不能用于汽车的实时控制。k i a 汽车 1 7 华南理工大学硕士学位论文 公司的c h u n h ok i i l l 等人提出以燃油经济性为h 标的优化控制策略，该方 法将电池输出功率转化为等效的燃油量，建赢了基于有效燃油消耗率的 优化模型，以发动机燃油消耗景最小为目标函数，得到随车速、电池组 s o c 和所需功率而变化的控制量( c v t 速比、电动机转矩、发动机节气门) 。 这种控制策略的实质就是将发动机和电机控制在最佳效率区工作，从而 达到最佳的燃油经济性。这种方法可以用于汽车的实时控制，但没有考 虑汽车驾驶循环工况的影响及发动机排放问题。 ( 4 ) 以成本和燃油经济性为目标的控制策略 采用这种控制策略的混合动力汽车装备了小功率电机和小容量的蓄 电池组，使蓄电池组的成本和质量减少到最小程度。在这种策略中，电 动机一般仅仅只在汽车急加速时才启动，辅助发动机向车轮提供加速所 需的功率。而汽车的般行驶工况则由一个小排量的发动机单独驱动， 并在蓄电池组s o c 下降到一定程度时为其充电，这进一步提高了发动机 的负荷率。当汽车减速时，蓄电池组吸收制动能量而充电。这种控制策 略存在的一个缺陷是，由于发动机几乎一直处于工作运行状态，虽然避 免了发动机开关控制引起的发动机效率f 降问题，但无法消除发动机在 低负荷时的排放问题“。 这种汽车在加速时的控制策略有以下几种模式： 当汽车原地起步时，由电动机单独驱动汽车起步，然后在汽车的 速度增加到一定值时，发动机启动，提供加速所需的补充动力。 当汽车快速起步或急加速时，发动机和电动机联合向车轮提供驱 动功率。 克莱斯勒的“道奇无艮”、e s x 本田“i i 1