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混合动力汽车驱动系统设计及控制镶略优化 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 ) 是传统燃油汽车和纯电动汽车 相结合的新车型，具有燃油汽车的动力性能和较低的排放，是当前解决节能、环 保问题切实可行的过渡方案。 混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能与驱动系统参数的匹配以及 车辆行驶过程中的协调控制密切相关。本文首先分析了混合动力汽车的驱动系统 结构类型和各自的特点，对电力辅助型混合动力汽车的组成及其工作模式进行了 介绍，并在此基础上提出了一种能综合考虑各部件功率和重量的驱动系统设计方 法。通过对驱动系统的部件之间能量流动路线的分析，论文提出了种基于实验 数据的驱动系统部件建模方法，并以n i m h 电池为例验证了该方法的可行性。论 文提出的驱动系统仿真方法，不需要求解复杂的微分方程，计算速度快，根据驱 动系统结构将各单元模型集成，可以对不同行驶循环下车辆的动力性能和燃油经 济性进行仿真计算。论文最后针对电力辅助型混合动力汽车，综合考虑车辆的行 驶性能、燃油经济性以及行驶过程中电池s o c 的大小，建立了最小等效浊耗的优 化实时控制策略。本论文所做的研究将有助于缩短混合动力汽车的设计开发时间， 为其驱动系统的设计和控制策略及整车性能评估提供参考。 关键词：混台动力汽车；驱动系统：仿真；优化；实时控制策略； 硕士学位论文 a b s t r a c t h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e s ( h e v s ) c o m b i n e t h e a d v a n t a g e s o fc o n v e n t i o n a l e n g i n e d r i v e n v e h i c l e sa n d p u r e e l e c t r i c v e h i c l e s ( e v s ) t h i sp r o v i d e s s a t i s f i e d d r i v i n gp e r f o r m a n c ea n dl o w e re x h a u s te m i s s i o n t h u s ，h e vi s af e a s i b l es o l u t i o nt o s o l v et h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p r o b l e m s p e r f o r m a n c e so fh e v s ，i nt e r m so f d r i v i n g ，f u e lc o n s u m p t i o n ，a n de x h a u s t e m i s s i o n ，s t r o n g l yd e p e n d o nt h ec o o r d i n a t i o no ft h ed r i v e t r a i na n dt h e i rc o n t r o l s t r a t e g y i n t h i s p a p e r ，t h ec l a s s i f i c a t i o na n da s s o c i a t e dc h a r a c t e r i s t i c so fh e v sa r e f i r s t l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d a n dt h e n ，t h ec o n f i g u r a t i o na n do p e r a t i o nm o d e so f e l e c t r i ca s s i s tp a r a l l e lh e v sa r ei n t r o d u c e d a d e s i g nm e t h o d o fd r i v e t r a i nf o re l e c t r i c a s s i s tp a r a l l e lh e v sa r ep r e s e n t e d ，i nw h i c hb o t ht h ew e i g h ta n dr a t ep o w e ro ft h e d r i v e t r a i n c o m p o n e n t s a r e c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e d b y a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n de n e r g yf l o wp r i n c i p l e so fi t sd r i v e t r a i n ，am o d e l i n gm e t h o db a s e d o n e x p e r i m e n t a l d a t ai s p r o p o s e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o di sc o n f i r m e db y e x p e r i m e n t a l d a t ao fn i m hb a t t e r y t h e p r o p o s e d s i m u l a t i o nm e t h o df o rh e v s d r i v e t r a i nd on o ti n c l u d et h ec o m p l i c a t e dd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sc a l c u l a t i o nb u tw o u l d b ep r a c t i c a lf o re v a l u a t i n gt h ed r i v i n g p e r f o r m a n c ea n df u e lc o n s u m p t i o nq u i c k l yb y i n t e g r a t i n gt h ec o n f i g u r e dc o m p o n e n t so ft h ed r i v e t r a i n f u r t h e r m o r e ，a no p t i m a l r e a l t i m ec o n t r o l s t r a t e g y w i t ht h em i n i m a l e q u i v a l e n t f u e l c o n s u m p t i o n f o rt h e e l e c t r i ca s s i s th e v si s p r o p o s e di n t h e p a p e r ，w h i c hc o n s i d e r st h ev e h i c l ed r i v i n g p e r f o r m a n c e ，f u e lc o n s u m p t i o n ，a n dt h es o co f b a t t e r y t h es t u d y o ft h i sp a p e rw o u l d b e h e l p f u l t or e d u c et h e p e r i o do fd e s i g nf o rh e v sa n ds u p p l yt h er e f e r e n c ef o r d r i v e t r a i nd e s i g n ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dv e h i c l e sp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n 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 ；d r i v e t r a i n ；s i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n r e a l t i m ec o n t r o l s t r a t e g y ； i i 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：鼋l 易易 日期：工心昨彳月，多日 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：一妒年，月，弓日 日期：1 明p 年f 月，铲日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 8 8 6 年，世界上第一辆汽车诞生在德国，一百多年来，汽车已极大地改变了 人们的生活，成为非常重要的代步和运输工具。目前，汽车工业是许多国家的支 柱产业，也是当今世界最大、最重要的工业部门之一。汽车缩短了人们之间的距 离改变了人们的生活方式，提高了生活质量。今后5 0 年，世界人口将由6 0 亿 增加到1 0 0 亿，汽车数量将由7 千万增加到2 亿5 千万。但我们在享受汽车文明 的同时，也必须面对汽车带来的负面影响：环境污染和过度能源消耗。2 0 0 0 年我 国进口石油7 0 0 0 万吨，预计2 0 0 5 年后将超过1 亿吨，相当于科威特一年的总产 量。目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中7 个在中国，国家环保中心预测， 20 l o 年汽车尾气排放将占空气污染源的6 4 。上个世纪末人们关注的是汽车节能、 排放和安全技术，而本世纪初，入们已经更多的将目光转向汽车新能源和环保技 术。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业，将会给燃油的需求和环境保 护造成巨大压力。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各 大汽车公司的当务之急。 1 1 电动汽车的发展历史及其关键技术 1 8 3 4 年，t h o m a sd a v e n p o r t 制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干 电池驱动，只能行驶一小段距离。1 9 世纪末，许多美国、英国和法国的公司都 开始生产电动汽车，在以蒸汽、电和汽油为动力的汽车竞争初期，电动汽车以其 在行驶性能、续驶里程和低噪声等方面的优势占据主导地位。到1 9 1 2 年，美国已 有3 40 0 0 辆电动汽车注册。但是，1 9 1 1 年k e t t e r i n g 发明了汽车发动机，使得 燃油汽车相对于电动汽车来说更具有吸引力，从此打破了电动汽车在市场的主导 地位，2 0 世纪3 0 年代，电动汽车几乎消失。2 0 世纪7 0 年代的能源危机和石油短 缺使电动汽车重新获得生机。当时，世界上许多国家如美国、英国、法国、德国、 意大利和日本都开始发展电动汽车。这一时期的电动汽车以改装车为主，也不乏 重新设计底盘和车身的新型电动汽车，这样可降低汽车的空气阻力，方便能量储 存系统的布置。这一阶段电动汽车技术获得复苏，为随后的商业化时代奠定了坚 实的基础。但是石油价格在2 0 世纪7 0 年代末下跌，电动汽车的商业化失去了动 力，其发展显著变慢，开始走入低谷。2 0 世纪9 0 年代，燃油汽车排放所引起的 空气污染和温室效应受到重视，电动汽车再次得到发展。1 9 9 0 年，美国加州大气 资源管理局( c a r 8 ) 颁布了一项法规，规定1 9 9 8 年在加州出售的汽车中2 必须 混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化 i 1 1 m ! , m _ _ - _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 墨 是零排放车辆( z e v ) ，到2 0 0 3 年零排救车辆应达到l 瞩受加州法规的影响，美 国其它州以及世界上其它国家开始制定相类似的法规。虽然加州大气资源管理局 的目标没有实现，并根据实际情况傲了调整，但加州法规的颓布促进了电动汽车 的发展。在世界范围内，尤其在美国、日本和欧洲，许多汽车制造商、科研院所 和大学不断研究电动汽车新技术，推动电动汽车技术向前发展，并开始将电动汽 车商业化。通用、日产、福特、戴姆勒一奔驰、丰田、本田等国际知名汽车制造商 先后推出了他们的电动汽车样车，其中丰田公司生产的p r i u s 混合动力汽车还取 得了1 ：错的销售业绩。 电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学 技术等”1 。尽管电源技术至关重要，是制约电动汽车发展最主要的技术障碍，但 车身设计、电力驱动、能量管理和系统的优化也同样重要事实上，将这些领域 技术【：的憝合才是电动汽车技术成功的关键。1 。现代电动汽车工程的主要问题是 要将汽车工程、电气、电子工程以及化学工程领域中最新的技术发展结合到电动 汽车的设计巾来，找到适合于电动汽车的独特的设计方法和制造技术，实现电动 汽车能量的鼓优化利用。 1 2 研究的目的和意义 电动汽车己有三种驱动类型：以高效能蓄电池驱动的电动汽车( e v ) 、以燃科 电池为动力源的电动汽车( f e v ) 和以燃油发动机与电动机混合驱动的混合动力电 动汽车( h e y ) “。电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的， 纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标，但目前纯电动汽车初始 成本高，行驶里程较短。由于高效能蓄电池、燃料电泡及其系统韵发展相对滞后， 影响了纯电动汽车的商业化进程；而燃油发动机和电动机混合驱动的混合动力电 动汽车j e 是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。它 将现有内燃机与一定容量的储能器件( 主要是高性能电池或超级电容器) 通过先 进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗减少污染物排放。国内外普遍认为它 是投资少、选择余地大、易于满足未来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，得到商业市场的响应并迅速发展， 这其中以丰田的p r i u s 和本田的i n s i g h t 为代表”。 电力辅助型混合动力汽车采用并联式结构，电池组容量相对较小( 2 6 k w h ) ，由发动机提供匀速行驶时的平均功率需求，当加速或爬坡需要较大功率 时，由电池和电动机组成的电力辅助部分补充输出驱动功率。混合动力汽车动力 性能、燃料经济性以及废气排放效果的好坏，在很大程度上取决于车辆驱动系统 参数的合理匹配以及车辆行驶过程中对各部件的协调控制。传统燃油汽车的发动 机使用工况多数是偏离其最佳工作区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配，因 此，通过台理匹配混合动力汽车的驱动系统，制定适合于车辆行驶工况的控制策 硕士学位论文 略对于提商汽车行驶效率，降低燃油消耗和尾气排放具有较大的潜力，是一个 值得研究的课题。 对于汽车的动力性能和燃料经济性水平，通常是在进行实车道路试验之后给 予最后评价，这样傲不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及各总成 方案的确定、结构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等具有一定的盲目性- 可能遗漏较优的方案，造成浪费。如果在设计阶段，根据有关设计参数和驱动系 统控制策略，利用计算机仿真模拟对汽车动力性和燃料经济性进行预测，可以考 察驭动系统参数是如何影响汽车动力性和燃油经济性，并对其进行优化设计。此 外，按预定的程序模拟各利彳亍驶工况，包括瞬变的非稳定工况，能全面地预测汽 车张：多种： 况下的动力性能和燃油经济性。 本论文对电力辅助型混合动力汽车的研究将有助于缩短混合动力汽车的设计 刀：发时问为其驱动系统的设计和控制策略及整车性能评估提供参考。 1 3 国内外发展现状与趋势 国内外普遍认为混合动力电动汽车结合了燃油汽车和纯电动汽车的优点，设 计灵活，易于满足未来排放标准和节能目标。因此，日本、美国、欧洲各大汽车 公司和相关的研究机构都开展了有关混合动力汽车的研究。混合动力汽车技术在 汽车工业发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段【4 1 。在目前美国市场上 销售的混合动力汽车主要有三种：本硐公司的if i s i g h t ，丰田公司的p r i u s ，以及 本田公司的c i v i c 。三种车型的技术参数见表1 1 。 表1 1在美销售混合动力汽车技术参数 本田i n s i g h t 丰田p r i u s本田c i v i c 燃油经济性( 英里a n 仑) ( 城市循环，道路循环) 5 7 5 65 2 4 54 6 5 1 油箱容积( 加仑)l o 。61 1 8 1 3 2 o 一6 0 英里小时的加速性能 1 2 ，o1 2 6 9l o 9 ( 秒) 风阻系数 0 ，2 5o 2 9o 3 4 整备质量( 磅)19 6 427 6 5 27 3 2 载客量 255 长度( 英寸)1 5 5 11 6 9 6 1 7 4 8 宽度( 英寸)6 6 ，6 76 6 77 7 5 货箱容积( 立方英尺)1 6 31 1 8 1 0 1 价格( 美元) 2 12 8 02 0 4 5 01 95 5 0 混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化 日本丰田汽车公司是目前走在最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行 混合动力汽车研究的汽车公司之。丰田公司1 9 9 7 年1 2 月宣布将混合动力电动 轿车p r i u s 投入小批量商业化生产。该车采用汽油发动枫和电动机混合驱动，发 动机是新型汽油发动机，电池组为2 5 0 个串联的镍氢电池。其百公里油耗为 3 4 l ，比原汽油车减少了一半，c o ：排量也相应减少了一半，c o 、h c 、n o 。仅为 现行法规允许值的l o 。目前，p r iu s 在海内外的销量己超过数万辆，成为全球首 部实现量产、也是销量最大的混合动力汽车。本田汽车公司独立研制丌发的 i n s l g h t 混合动力汽车，也已经实现了最产。t n s i g h t 采用本田独特的混合动力系 统将发动机作为主要动力，电机作为辅助动力，加上车身由质量轻的铝压材和 树脂材组合而成，具有到目前为至世界最低的油耗( 每升汽油可行驶3 5 k i n ) 和最 洁净的排放( 每行驶l k m 仅排放8 0 9 c o ：) 。2 0 0 2 年4 月本田公司又在美困市场上 投放了c iv i c 混合动力汽车。 于“新一代汽车伙 睾合作”( r h op m t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o do f v e h ic l e s ，p n g v ) 计划的推动，美国三大汽车公司福特、通用和克莱斯勒对各种 驱动单元技术及其不同的组织方式进行上百种方案的筛选、比较认为采用混合 动力驱动是实现中级轿车百公里3 l 油耗的可行方案，因此混合动力汽车受到更大 的关注。福特汽车公司在2 0 0 0 年北美国际车展上推出了其开发的p r o d i g y 混合动 力家庭概念车，该车采用i 2 l 4 缸柴油发动机和镍金属复合电池，整车质量仅 1 0 8 3 k g ，百公里油耗仅3 3 l 。福特公司预计，未来1 0 年内，混合动力汽车将占 汽车市场的1 0 一2 0 。美国克菜斯勒汽车公司1 9 9 8 年2 月在底特律展出了第二 代道奇无畏e s x 2 型混合动力电动轿车，该车装用i 5 0 0 c c 排量的直喷柴油机，装 备铅酸电池，配有单独的发电机，采用交流感应电机驱动，百公里油耗降至3 4 l 。 2 0 0 0 年广l 内瓦车展上，雪铁龙公司推出并联式混合动力轿车x s a r a ，表明了 他们在这一领域的世界领先水平。x s a r a 配备一个5 5 k w 的汽油内燃发动机和一个 2 5 k w 的电动机，功率蓄电池额定输出电压为1 6 8 7 。x s a r a 的燃油消耗量及排放量 较普通车降低3 5 ，一次行程可高达t 0 0 0 k m 。其他几个大汽车公司，如通用、雷 诺、日产等，也都推出了各自的混合动力汽车。 国内是在2 0 世纪8 0 年代后期开始电动汽车研究的。1 9 9 9 年4 月6 日由科技 部、环保总局、国家计委、国家经贸委和国家机械局等十多个都委联合召开“空 气净化工程一清洁车辆行动”会议，提出通过电动车辆、混合动力车辆技术的攻 关和推广应用，从根本上治理机动车辆排放污染，依靠科技进步。建立新型清洁 车辆j “业。“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技项目，在清华大学的组 织卜_ ，研制了1 6 座电动轻型客车，现于清华大学校园内运营。2 0 0 1 年1 1 月t 国家科技部将电动汽车纳入国家“十五”规划，列入“8 6 3 ”的重大专项。该专项 分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三大类整车项目及电机、 硕士学位论文 电池、多能源管理系统及其它辅助系统的开发研究。一汽集团在2 0 0 1 年北京国际 清洁车展上推出一款混合动力轿车一红旗c a 7 1 8 0 a e ，最高车速可达1 3 5 k m h ，参 加该项目研究的有一汽汽车研究所、美国电动车( 亚洲) 公司、汕头国家电动汽 车试验示范区。深圳明华环保汽车有限公司也于2 0 0 1 年4 月推出了并联式混合动 力汽车m h 6 7 2 0 ，该车装备8 7 k w 发动机，异步交流电机平均功率为3 6 k w ，满载最 高车速1 3 5 k m h 。长丰汽车有限公司改装的c f a 6 4 7 0 一h e v 混合动力汽车采用现有 c f a 6 4 7 0 车的底盘，原有的四缸发动机和变速箱不变，加装一个电动机驱动系统， 取消分动箱，由发动机驱动后轮，电机通过减速箱和传动轴独立驱动前桥。此外， 湖北东风电动汽车开发公司也开展了电动汽车和混合动力汽车的研究。 混合动力汽车的缺点是结构复杂，不是零排放汽车，可靠性比纯电动汽车低， 从长远来看是一种过渡车型。但其驱动系统同时使用燃油发动机和电动机作为汽 车的动力源，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放，同时具有令人满意的行驶 里程。因此，近年内混合动力汽车将具有很好的发展前景。 1 4 本文的研究内容 本论文将以电力辅助型并联式混合动力汽车为研究对象，主要针对以下问题 进行研究讨论： ( 1 ) 混合动力汽车驱动系统设计和匹配的理论研究。探讨特定用途的并联式 混合动力汽车动力性能指标的确定方法，发动机、蓄电池、电机和变速箱等动力 部件的合理选择，以及整个驱动系统的匹配； ( 2 ) 混合动力汽车驱动系统主要部件的特性分析与建模。建立整车的动力 学模型，分析发动机、蓄电池、电机和变速箱等动力部件的特性，建立适合分析 计算的数学模型； ( 3 ) 混合动力汽车驱动系统控制策略优化。综合考虑车辆的行驶性能、燃油 经济性和电池荷电状态，建立优化的实时控制策略； ( 4 ) 混合动力汽车性能仿真。在车辆的动力学模型的基础上，以m a t l a b 6 1 为软件平台，开发并联式混合动力汽车性能仿真程序，并利用该程序对所研究的 原型车进行性能仿真。 混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化 第2 章电力辅助型混合动力汽车介绍 统计表明，在8 0 以上的道路条件下，普通燃油发动机汽车仅利用了动力潜 能的4 0 ，在市区还会跌至2 5 【4j 。混合动力电动汽车的传动系统同时使用燃油 发动机和电动机作为动力源，既能利用发动机持续工作时间长，动力性好的优点， 又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。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，由两种或两种以上的储能器、能源或转化器作为驱动能源 其中罕! 争有一种提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。 2 1 混合动力汽车的分类 混合动力车辆的驱动系统从能源输入、原动机到机械能的传递，其组成方式 多种多样，具体的结构设计也各不相同。根据驱动系统各部件在汽车上的位簧及 功能，混合动力汽车可分为以下三种类型：串联式混合动力汽车、并联式混合动 力汽车和混联式混合动力汽车。 2 1 1 串联式混合动力汽车 图2 1 串联式混合动力汽车示意图 打，出， 串联式混合动力汽车由发动机、发电机、蓄电池和电动机等动力装置以串联 连接方式组合而成。如图2 1 所示，该系统利用发动机提供电能，牵引电机是唯 一的驱动源。图中实线表示功率流的路径，虚线表示控制信号，箭头表示功率流 动方向。在后续的公式和图表描述中，表示扭矩，u 表示角速度，目表示效率； 下标。册表示电机，1 c 8 表示发动机，一表示车轮，和表示变速箱。串联式混合动 力汽车中发动机的功能是带动发电机发电，电动机将电能转变为机械能后通过变 一 亨 一一 硕士学位论文 速机构驱动车轮。发电机同时也能提供部分电能输送到蓄电池，以便必要时由蓄 电池为电动机供电。串联式混合动力汽车具有以下特点： ( 1 ) 控制系统比较简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电 状态决定发电或停止； ( 2 ) 发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，有一定节能效果， 能减少污染： ( 3 ) 动力传递过程中，由于存在能量转换中的损失，降低了能量利用率， 其综合效率低j 二燃油汽车： f 4 ) 要求每动力装置的各自功率都等于或接近汽车的最大驱动功率，特 别是驱动电动机必须满足汽车行驶的需求。因此整个系统的规模庞大，增加了车 辆成本及机构布黄难度。 2 1 2 并联式混合动力汽车 并联式混合动力汽车可以利用发动机和电机共同驱动车轮。如图2 2 ，由于 发动机与驱动车轮之间直接相连，所以发动机的运转受到驱动工况的影响。该系 统可不需要发电机，因此提高了能量转化效率。发动机动力系统主要用于中、高 速的行驶工况；而电动发电机动力系统用于中、低速的城市路况行驶，在汽车加 速和爬坡时配合发动机动力系统驱动车辆，大大提高了汽车的加速性能和爬坡性 能。 1 e i h 图2 2 并联式混合动力汽车示意图 并联式混合动力汽车具有以下特点： ( i ) 结构简单，特别是省去了独立的发电机，两套动力装置可单独或同时驱 动，输出总功率可以为两个动力系统的叠加，因而单个动力系统功率可以减小， 有利了二机构布嚣； ( 2 ) 两套动力装置可直接驱动车轮，因此效率提高，能量损失降低； ( 3 ) 两套动力装置要根据车辆状态进行切换，动力控制系统及机械切换系统 相对复杂： 混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化 ( 4 ) 采用电动发电机可以空载发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电 池续行里程。 在并联式混合动力车辆驱动系中，联接部件用于完成传动系组成部件间的联 合。根据具体的联接部件位置，并联混合动力车辆具有单轴联合式、双轴联合式 和单个驱动系联合式三种基本的布置方案b 1 。单轴联合式是指车辆驱动系中机械 动能的联合是在原动机输出轴处实现的，齿轮箱的输入轴为单轴，发动机的输出 轴通过离合器后与电动机的转子轴直接相连；双轴联合式是指车辆驱动系中机械 动能的联合是在齿轮箱中实现的，齿轮箱r 减速变速器) 具有两个或多个输入轴， 仅有- 个输出轴；单个驱动系联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在车辆 驱动轮处通过路面实现的，它具有两套或多套独立的驱动系。单个驱动系联合式 驱动系在充分利用车辆的地面附着力方面具有优势，通过合理地控制，可大大改 善车辆的驱动性能，但系统组成比较庞大，控制复杂。 2 1 3 混联式混合动力汽车 淝联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式的结构特点，山发动机、电 动发电机和驱动电动机三大动力总成组成，可以根据行驶条件以串联和并联模式 工作。所以，混联系统具有串联系统和并联系统的双重特性，具有以下两种布箕 形式： 2 1 3 1 切换系统 7 0 脚一 图2 3 混联式混合动力汽车切换系统布置形式 采用该种布置形式时，利用离合器的断开与结合可使该系统在串联系统和并 联系统之问切换。如图2 3 ，当汽车在城市里行驶时，要求低负载和低排放，可 断开离合器，系统工作在串联模式。而当高速行驶时，有较高的负载要求，串联 系统由于发动机的高功率输出而不能有效工作，于是离合器结合，变为著联系统。 硕士学位论文 2 1 3 z 分路系统 图2 ，4 混联式混台动力汽车分路系统布置形式 车辆采用分路系统布蔑形式，在任何时候都能作为串联和并联系统同时使用。 如图2 4 ，发动机输出的能量经行星轮机构分离后分别流经串联系统( 从发动机 到发电机) 和并联系统( 从发动机到驱动轮) 。它能通过发电机控制发动机转速， 同时通过并联系统保持发动机与驱动轮的机械连接。这种驱动布置形式结构紧凑， 具有较高的传动效率。丰田的p r i u s 混合电动轿车就是这种驱动形式的成功典范。 2 1 4 混合动力汽车的其它分类方法 根据行驶前后蓄电池组的荷电状态( s t a t eo f c h a r g e ，s o c ) 变化情况，混合 动力汽车可分为电量维持型和电量消耗型两种。前者蓄电池组容量较小，在行驶 时电池荷电状态保持在一定范围内变动，电池组不需从外部电网充电：后者蓄电 浊组容量较大，在行驶一定的里程后，电池需要从外部电网充电。此外，根据驱 动系中组成部件功率间的分配比例，混合动力汽车还可以分为里程延长型、双模 式型和助力型三种f 6 】。里程延长型混合动力车辆装备较大容量的电池组和小型的 附加车载能源( 如发动机发电机组) 或小功率的原动机( 如内燃机) ，其混合比较大， 适用于对排放严格限制的市区车辆。助力型混合动力车辆的是在普通内燃机车辆 上增加电传动系统，以优化内燃机的工作点，提高车辆的经济性和降低排放。双 模式型混合动力车辆综合了上述两种类型车辆的特点，可以零排放模式行驶较长 的距离。 2 2 电力辅助型混合动力汽车的结构与特点 混合动力汽车设计的最主要的问题是根据车辆的性能要求和行驶情况，合理 的设计驱动系统的结构形式，匹配驱动系统各部件的参数以及在车辆行驶过程采 混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化 用有效的算法对各部件的协调控制【 1 。混合动力汽车动力传动系各部件特性、参 数匹配及控制策略决定了整车的动力性、燃油经济性、排放特性、制造成本及重 量，串联式混合动力汽车比较简单，易于控制，其特点更加趋近于纯电动汽车， 适合城市行驶中频繁起动、加速和低速运行工况；混联式混合动力汽车结构复杂， 技术难度大，但能充分发挥混合驱动的优势；对于并联式的动力系统，发动机和 电动机两大动力总成都是驱动动力装置，在行驶时可以实现发动机驱动模式，电 动机驱动模式和发动机一电动机混合驱动模式等多种工作方式。由于发动机和发 电机两大动力总成的功率可以叠加，因此可采用较小功率的发动机和电动机，使 得整个动力总成的尺寸较小，质量较轻，造价也较低。适合应用在中小型车辆上。 2 2 1 传统燃油汽车中发动机的工作情况 传统的燃油汽车在设计时，为保证其加速和爬坡性能，发动机的最大功率选 定约为车辆以l o o k m h 在平路上行驶时需求功率的1 0 倍，或者是在6 坡度上以 1 0 0 k m h 行驶时需求功率的3 4 倍f b j 。这样造成了发动机的工作点大部分不是处 在最佳工作区，使汽车的效率较低，排放污染严重。另外，发动机的转速和扭矩 特性不符合车辆的行驶要求，需要装备复杂的变速器。 ； 佳墨堡l- 冲7 少 安。t 庸越，拶眵 、 ， 。盔篱寨霉囊 | ，一卜，影 鬈虿。 f r 盖遗疆转逮m ) 图2 5 传统燃油汽车上发动机的工作区域 如图2 5 ，发动机的最佳工作区如图中的粗实线所示。在此区域内，发动机 油耗较小，排放也较低。但是由发动机单独提供动力时，发动机的工作点大部分 时间不是在最佳工作区内。 2 2 2 电力辅助型混合动力汽车驱动系统 如2 1 2 节所述，并联式混合驱动系统可改善发动机的工作点，提高整车的 效率，降低排放水平。目前大多数设计采用的是小排量发动机配大功率电机、电 池组或中排量发动机配中功率电机、电池组的结构方式。由于电池组容量大，导 致整车自重较大，整车制造成本及使用费用昂贵。 硕士学位论文 电力辅助型混合动力汽车电池组容量相对较小( 2 6 k w h ) ，由发动机的提 供匀速行驶时的平均功率需求，当加速或爬坡需要大功率时，不足的功率部分由 电池和电动机组成的电力辅助部分来补充。当负荷较小时，发动机还可提供富余 的功率通过电机给电池充电。由于发动机可持续工作，电池在放电后又可以不断 补充电量，故其行驶里程和普通汽车一样。而且发动机处于油耗低、污染少的工 况下工作，能提高车辆的燃油经济性，降低排放。 电力辅助型混合动力汽车驱动系统功率传递路线示意图如图2 6 所示。图中 箭头表示能量流动方向。般情况下，发动机输出功率p ，经扭矩耦合装置后输 出 驱动车辆：需求功率很大时，电力辅助系统提供辅助功率n ；在减速制动 曰寸电力辅助系统能回收部分能量存贮在电池组中，故岛和p 。能双向流动：对 于电量维持型混合力汽车，其电力辅助系统不需要从电网充电，除了通过再生制 动回收能量外，还可以由发动机在道路负载较小时提供附加功率p 2 给电池充电。 图2 6 电力辅助型混合动力汽车驱动系统功率传递路线 通过以上的分析可知，电力辅助型混合动力电动汽车具有以下优点： ( 1 ) 发动机只需提供车辆匀速行驶时的平均功率需求，故可以降低发动机的 额定功率，优化其工作区域。两套动力装置可直接驱动车轮，能量损失降低，因 此整车效率提高； ( 2 ) 电力辅助系统可以在制动、下坡和怠速时回收能量； ( 3 ) 在繁华市区，可关闭发动机，由电机单独驱动车辆，减少行车噪声实 现“零”排放： ( 4 ) 在车辆低速行驶或起步时，由电机提供动力，避免发动机工作在效率低 的区域； ( 5 ) 因为装备了发动机，可以方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电 动汽车遇到的难题； ( 6 ) 可d j 发动机向电池充电。不需要辅助的专用充电设施。 电力辅助型混合动力汽车发动机和电机的扭矩耦合有三种形式：1 、在发动机 输出轴处进行藕合；2 、在变速器输出轴处( 包括驱动桥) 进行耦合；3 、在驱动 混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化 - - t j _ t e 日z _ j ! i _ - _ j j | j l t 日_ e _ _ - - _ _ e = e l e 日_ i l 口l t _ _ _ 目_ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ _ _ e _ _ - _ - _ _ 日_ - - _ _ _ _ _ i l l ! ： 轮处进行耦台。采用其中的哪一种主要依赖于发动机和电动机的特点、车辆的性 能要求和驱动系统布置时物理空间上实现的方便性。 2 2 3 电力辅助型混合动力汽车的工作模式 暑翻日一暑翻 发动机单独驱动 2 电机单独驱动 詈翻曰一喜翻 3 发动机和电机摇音驱动 4 减速，制动 5 行驶时充电 图2 7 电力辅助型混合动力汽车的工作模式 根据行驶路况、电动机和发动机的性能特点以及电池组的s o c 大小等情况， 电力辅助型混合动力汽车可以工作在以下五种模式： ( 1 ) 发动机单独驱动： ( 2 ) 电机单独驱动： ( 3 ) 发动机和电动机混合驱动； ( 4 ) 减速制动时，电池组通过电机工作在发电状态回收部分车辆的动能； ( 6 ) 当电池的s o c 过低时，由发动机带动电机工作在发电状态向电池充电 驱动系统以何种模式工作以及在混合驱动时发动机与电机分别提供多大的扭 矩山车辆控制器依据控制策略( c o n t r o ls t r a t c g y ) 的算法来决定。 2 3 电力辅助型混合动力汽车发展所需解决的问题 1 2 混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化 - - t j _ t e 日z _ j ! i _ - _ j j | j l t 日_ e _ _ - - _ _ e = e l e 日_ i l 口l t _ _ _ 目_ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ _ _ e _ _ - _ - _ _ 日_ - - _ _ _ _ _ i l l ! ： 轮处进行耦台。采用其中的哪一种主要依赖于发动机和电动机的特点、车辆的性 能要求和驱动系统布置时物理空间上实现的方便性。 2 2 3 电力辅助型混合动力汽车的工作模式 暑翻日一暑翻 发动机单独驱动 2 电机单独驱动 詈翻曰一喜翻 3 发动机和电机摇音驱动 4 减速，制动 5 行驶时充电 图2 7 电力辅助型混合动力汽车的工作模式 根据行驶路况、电动机和发动机的性能特点以及电池组的s o c 大小等情况， 电力辅助型混合动力汽车可以工作在以下五种模式： ( 1 ) 发动机单独驱动： ( 2 ) 电机单独驱动： ( 3 ) 发动机和电动机混合驱动； ( 4 ) 减速制动时，电池组通过电机工作在发电状态回收部分车辆的动能； ( 6 ) 当电池的s o c 过低时，由发动机带动电机工作在发电状态向电池充电 驱动系统以何种模式工作以及在混合驱动时发动机与电机分别提供多大的扭 矩山车辆控制器依据控制策略( c o n t r o ls t r a t c g y ) 的算法来决定。 2 3 电力辅助型混合动力汽车发展所需解决的问题 1 2 硕士学位论文 与传统的燃油汽车和纯电动汽车相比，混合动力汽车驱动系统的结构及主要 部件的工作条件具有明显的不同。燃油汽车的发动机功率必须按最大功率来选取， 而对于电力辅助型混合动力汽车，其发动机只要提供平均功率，工作效率高于燃 油汽车；纯电动汽车的电机和电池的功率必须满足车辆性能的要求，电池组的容 量要满足行驶里程要求，电力辅助型混合动力汽车的辅助驱动系统只提供峰值功 率，行驶里程与容量无关。归纳起来，以下技术问题在发展电力辅助型混合动力 汽车需重点解决。 2 3 1 电池及电池管理系统( b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 混合动力汽车上的电池其使用状况不同于电动汽车，在工作中电池处于非周 期性的充放电循环中，这就要求电池有较高的充放电速率和效率。因此，电力辅 助型混合动力汽车用电池在需要高能量密度( w h kg ) 的同时，更重要的是要 具有高的功率密度( w kg ) ，以便在加速和爬坡时能提供较大的峰值功率。电池 的性能和寿命与电池的充放电历史、电池工作温度等因素密切相关，过充电和过 放电严重影响电池性能甚至造成电池损坏。所以，通过电池管理系统对电池工作 过程和工作环境的监控，提供准确的电池剩余电量预测，对充分利用电池能效， 延长电池使用寿命具有重要意义。研究与开发高性能、低成本、长寿命的电池及 其管理系统，仍然是发展混合动力电动汽车的关键问题之一i 9 1 。 2 3 2 电机及控制系统 混合动力电动汽车上使用的电动机有直流电机、永磁无刷电机、感应电机、 开关磁阻电机等。研究开发体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机，对混 合动力电动汽车进步提高动力性和经济性极为重要。当车辆下坡行驶或制动减 速时，电动机应能工作于发电机状态，将制动时的机械能转化成电能，并存储到 蓄电池中。 2 3 3 驱动系统控制策略 驱动系统的控制策略要能通过实时分析汽车的行驶状况、发动机和电机的扭 矩特性以及电池s o c 大小等信息，决定电力辅助型混合动力汽车的工作模式，确 定发动机与电动机的工作点。 2 4 本章小结 奉章介绍了混合动力汽车不同的分类方法，并重点介绍了串联式、并联式和 混联式三种混合动力汽车的驱动系统结构和特点。电力辅助型混合动力汽车在结 构上属于并联式，发动机是车辆的主要动力源，电动机作为辅助动力源可阱工作 在不同的状态。其行驶里程和传统燃油汽车一样，只与油箱大小有关，在结构上 混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化 也与燃油汽车相差不大，可以通过适当的改造实现。由于发动机处于油耗低、污 染少的优化工况下工作，能明显提高车辆的燃油经济性，降低排放。 硕士学位论文 第3 章电力辅助型混合动力汽车驱动系统设计 混合动力汽车的驱动系统是所有用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件 的总称，包括车载能源、原动机和传动系统三个主要部分【5 j 。 在车辆驱动系中，用于能源存储或用于能源存储并进行能源的初始转化以向 原动机盲接供能的所有部件总称为车载能源，由能源存储系统或能源存储和转化 调节系统组成。例如：传统燃油车辆的车载能源为油箱( 能源存储系统) ，直接为 原动机( 内燃机) 供能：燃料电池车辆的车载能源由氢气罐或储氢金属( 能源存 储系统) 以及燃料电池反应堆( 能源转化调节系统) 两部分组成。 原动机是指在车辆驱动系中把其他形式的能量转化为可以直接驱动车轮转动 的机械动能的装罱，如普通车辆上的内燃机、纯电动车辆上的电动机等。 传动系是指用于传递和调节原动机输出的机械动能，并输送给车辆驱动车轮， 实现车辆正常行驶的所有部件。主要包括离合器、减速变速器、传动轴、主减速 器、差速器、半轴以及驱动轮等。 3 1 驱动系统总体方案 混合动力汽车动力传动系各部件特性、参数匹配及控制策略决定了整车的动 力性、燃油经济性、排放特性、制造成本及重量。考虑到充电设备的限制以及蓄 电池组容量对车重的影响，电力辅助型混合动力汽车装备小容量的蓄电池组，在 行驶时电池荷电状态保持在一定范围内变动，不需从外部电网充电，属于电量维 持型混合动力汽车n “。 3 1 1 驱动系统结构及主要部件 电力辅助型混合动力汽车驱动系统主要包括发动机、发电机、电池组、电动 机、功率变换器、扭矩耦合装置、变速器和离合器等部件“”。配置发电机与否