（控制理论与控制工程专业论文）混合电动汽车总成控制器及驱动电机的矢量控制研究.pdf

硕士学位涂文 ! ! = 自j _ - _ _ _ _ _ # = = = = ! 自# = = ! ! ! e _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ = = = = = # # ! ! = = = 自自_ _ = = = = = = ! _ | = = ! ! il l _ _ _ _ _ _ _ _ _ = = = 摘要 混合电动汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 是一种新型环保型车辆。本文熬个研 究工作是紧密围绕国家“9 8 5 ”工程项目“汽率先进制造技术科技创新平台”中“基于 c y t 的混合动力汽车电控技术”展开的。 首先阐述和分析了研究新型电动汽车技术的重要意义和紧迫性。详细分析了各种电 动汽车技术豹优缺点，给出了最适合该项丑的溜合动力电动车的蕤车方案，著遴移了所 有部件的安装布置设计。 其次，详缨介绍了混合动力电动车智能控制系统的设计过程。根据功模块划分， 进行了能量总成控制系统的功能需求分析。给出了能量总成控制系统的硬件原理图，并 进霉亍了整车c a n 总线网络设计。同时，采用a v lc r u i s e 软l 牛建立了针对h e v 混合动力 电动汽车的仿真模型。采用模糊算法等智能控制算法，着重研究了对发动机工作状况的 优化控制。针对美国u d c 工况进行了纂于c r u is e m a t l a b 的仿真，仿真结果表明本文提 出控制方法是有效可行的。 最后，针对混合动力电动汽车中驱动电机的非线性、时变性、时滞性、不确定性等 特煮，研究了基于模糊一p i d 的感应电机矢量控制方法。详细叙述了建立该模块亿仿真系 统的过程，仿真结果表明该控制算法在感应电机控制的效果优于传统的p i d 控制算法和 模壤葬法，控制系统有良努的动、静态性能秘鲁捧性能。 关键词：混合电动汽车、c a n 网络、a v lc r u is e 、模糊控制策略、驱动电机、矢量控制、 模糊p i d 控制 混合电动汽车总成控制器及驱动电机矢鬣控制研究 a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l ei san e w - s t y l ev e h i c l ew i t he n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n d e c o n o m i ce n e r g y t h i sp a p e rm a i n l yw o r k so nt h es e c o n dp r o g r a mo ni n n o v a t i o no fv e h i c l e a d v a n c e dd e s i g na n dp r o d u c es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f “9 8 5p r o j e c t a b o u tr e s e a r c ho f h e v e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi nh a n m l u n i v e r s i t y c o m b i n e dw i t har e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gp r o g r a m an e wd e s i g nm e t h o df o ra 硅n d o fp a r a l l e lh y b r i dv e h i c l ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a tf i r s t , t h i sp a p e ra n a l y s e st h em a i n t e c h n o l o g i e so fn e we l e c t r i cv e h i c l e s - p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ( p e v ) ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) a n df u e lc e l lv e h i c l e ( f c v ) t h e ni tp r e s e n t st h em a i nd e s i g no fap a r a l l e lv e h i c l e b a s e do nt h a t ，ac a nb u sn e t w o r ki su s e dt oc o n t r o la l lc o m p o n e n t sa n di t sp r o t o c o lo f a p p l i c a t i o nl a y e ri sa l s od e s i g n e d a ni n t e l l i g e n te n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l l e rw h i c hb a s e do nd s pp r o c e s s o ri s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h es o f t w a r e a v lc r u i s e ，t h em o d e lo f v e h i c l ei se s t a b l i s e d t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sb a s e do nf u z z yl o g i ci st h em o s ti m p o r t a n tp o i n ti nh e vc o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h ee x c e l l e n te f f e c to f o u rc o n t r o ls t r a t e g i e s a tl a s t , t h ea r i t h m e t i co fi n d u c t i o nm o t o ri sd i s c u s s e da i m i n ga tt h en o n l i n e a r i t y , t i m e - v a r i a b i l i t y , u n c e r t a i n t ya n dt i m e l a go fi n d u c t i o nm o t o r if u z z y - h dc o n t r o li sp r o p o s e d , a n di su s e di nt h er e a lc o n t r o l l e r t h ec o n t r o ls y s t e mh a s g o o dd y n a m i ca n ds t a t i cb e h a v i o r sa s w e l la sr o b u s t n e s s k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i e k ；c a nn e t w o r k ；a v lc r u i s e ；f u z z y - l o g i c b a s e ds t r a t e g y ； p r o m o t i o nm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；f u z z yp i de o n t r o l l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈变的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得豹研究成果。除了文中特嗣加以标注弓i 用豹内容终，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 献豹个人和集体，均已在文中数明确方式标明。本入完全意识餮本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：氇舷波 日期：2 卯6 年岁月岔日 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 被查阅积借阅。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，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密。 ( 请在以上栩应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 醴期：础5 年歹月g 目 日期：卸年f 月，2 日 硕士学位论文 第一章绪论 本文整个研究工作是紧密围绕国家“9 8 5 ”工程项目“汽车先进制造技术科技创新 平台”中“基于c v t 的混合动力汽车电控技术”展开的。论文重点研究了能量总成控 制器的设计和关键技术及交流异步电机的矢量控制方法，特别是控制策略的优化问题和 软件平台的设计。本章介绍了项目背景和关于此项研究的国内外情况，阐述了混合动力 电动汽车与其他新型汽车的比较，最后介绍了本论文的结构。 1 1 论文研究背景 2 0 世纪9 0 年代以来，一方面，汽车作为人类最重要的代步和交通工具，正在全球 范围内急剧增长。汽车工业已经成为当今世界最大最重要的工业部门之一，成为世界上 许多国家的支柱产业，在人类经济生活中发挥着举足轻重的作用 1 ”。而另一方面，随 着能源的紧缺与环境的恶化，世界各国对节省燃油与改善环保的呼声曰益高涨，各种各 样的电动汽车脱颖而出。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，专家估计在1 0 年 以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽翠：现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办 法，开发出混合动力装置( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，h e y ) 的汽车。 混合动力电动汽车是一种将多种能源混合使用的准环保型车辆。而通常所说的混合 动力电动汽车是指将发动机和电机混合使用的汽车。通过控制发动机和电机的能量分配 和流动，实现减少油耗和排放的最终目的。在这种情况下，汽车使用的最终能源仍然是 汽油。但由于采用了优化控制，使发动机一直工作在高效区内，从而实现了环保的目的。 中国的传统汽车产业一直落后于国外发达国家。现阶段，中国的汽车产业基本上是 采用外国先进技术。发展新型环保汽车，这给中国汽车行业立足于世界汽车行业提供了 一个非常好的契机。中国目前非常重视这项被称为2 1 世纪科技研究之重的产业，争取 能利用这个契机使自己在汽车领域占有一席之地。因此，对混合电动汽车的研究是完全 必要和迫切的。 1 2 混合动力电动汽车发展现状 1 2 1 国外研究情况 日本丰田汽车公司和本田汽车公司是目前两家批量生产和销售混合动力车的汽车 制造商。美国f o r de s c a p e 也已投入市场。据统计，丰田和本田生产的混合动力车光是 在美国市场2 0 0 5 年就销售5 8 万辆。美国和日本的汽车企业已经开始了在混合动力车市 场的竞争，预计三五年后整个市场将达到1 0 0 万辆级的规模。 混合电动汽车总成控制器及驱动电机矢量控制研究 a 丰田e s t i m a 混合动力车b 福特e s c a p e 混合动力车 图1 1 两款混合动力车电动汽车 在混合动力汽车的研制和生产方厢处于领先地位的丰田公司，推出了新式面包牮 “天尊”( e s t i m a ) t h s 。c ( 如图1 1 a 所示) 。该车应用了世界上第一个电动四轮驱动系统， 前驱动动力采爝并联系统，由1 台电喷汽油桃、2 个差这器、行星齿轮、动力切换装置 和双离合器组成。其中，电动机发电机额定电压、功率、扭矩分别为2 1 0 v 、1 3 k w 和 i i o n m 。，匿本电装公司为天尊t h s c 卷9 造了集成式皮带驱动的发动寥u 发魄极o s g ) ， 后轮先全由电机驱动，电机的额定电压、功率、扭矩分别是2 1 6 v 、1 8 k w 和1 0 8 n - 肌。 翻本在下述方瑟做了深入的工作。蕾先改进了p r i u s 轿车，该车于1 9 9 7 年开始生 产，批量投放市场，是全球最先商品化的混合动力轿车。经过改进后，车的性能指标又 有提瘫，其孛燃油经济蛙大幅度提裹，百公里油耗4 5 l ，节、瀵5 0 ；c 0 2 刳 放降低5 0 ， c o 、h c 和n o x 达欧洲号排放标准。该车的尖端技术主要体现在以下几个方面：装 备了稀燃技术的汽油发动机，发动机的效率大有提高；装备了带行星齿轮机构的动力耦 合器；整车优化的控制系统及能量再生系统；高效的电池及电动机。其次，改进了 e s t i m a 混合动力车，该车比p r u i s 车更大，除继承了p r u i s 车的优点外，还采用了 c v t 无级变速箱，工况切换更加平稳，同时增加了后轮驱动，使英加速性熊及越野糕能 更好。该混合动力系统还可装备到小轻中巴车上，具有非常好的应用前景。丰田还推出 了c r o w n 皇冠轻度沤合魂力车，该轻度混合动力轿车豹特点是在传统汽车上不改变底 盘传动系统，仪在发动机增加了i s g 取代了传动的发电机，同时配置了电池和电控系统。 其i s g 功率较大，取淤了发动视豹怠速工况，并箕有能量再生功能，节油可达1 5 ，排 放指标也得到改善。该种类型混合动力车具有相对成本较低、容易改制的特点。归纳起 来，混合动力车具有以下显著特点：燃油经济性能提高1 倍，c 0 2 排放量是汽油机的一 半；c o 、h c 和n o x 的排放优于欧标准和加州s u l e v 标准；能源管理系统使车辆加 速平稳、动力强劲、响应更快；不用担心充电，使用便利；车辆制动和减速时，可发电 存储能量，用于车辆启动和加速；迸一步减少c 0 2 的排放，当车辆准备停车时，鲁动关 闭发动机。 除日本的汽车公司以外，美国能源部也对混合动力电动汽车技术投入了大量的人力 2 硕士学位论文 物力。美国能源部与美国的三大汽车公镯子1 9 9 3 年签订了混合动力电动汽车的开发合 同。其中，通用汽车公司投入1 4 8 亿美元，福特投入1 3 8 亿美元，克莱斯勒投入8 4 8 0 万美元，启动了下一代汽车合作伙伴( p n g v ) 项努。各大汽车公瓣都接出了奏己豹混合 动力电动汽车概念车，例如通用的p r e c e p t 、福特的e s c a p e ( 如图1 1 b 所泳1 、克莱斯勒 的邀奇d u r a n g o 等 5 1 。 在欧洲，各大汽车厂商也争先恐质地推出本公司研制的h e v ，如标致雪铁龙集团 ( p s ap e u g e o tc i t r o e n ) 旗下豹法国标致耱法国譬铁龙分别推出了柴、渣发动机配套使用马 达和镍氢充电电池的混合动力车“3 0 7c ch y b r i d e h d i ”和“c 4h y b r i d eh d i ”；瑞典的 沃尔沃集团还推出了配备“i - s a m ”混合动力系统的大型概念卡车等。 1 2 2 国内研究情况 由于在传统汽车工业镶域中重已经落后于其继发达国家，羁疵在汽车领域出现凝的 契机之际，我国相当黧视，希望能在新兴汽车研究中占有一席之地。 2 0 0 1 年，国家科技邦启动了电动汽车重大科技专瑗。从技术上来谖，我国电动汽车 研究与国外处于相近的起跑线。由清华大学带队研制出了七辆1 6 座电动轻型客车。“九 五”期间，东风汽车公司承担劳完成了因家重大科技攻关项曩奄动轿车概念车设计”的 整苇研制工作。国家“十五”8 6 3 计划期间，电动汽车的研发有了巨大的进步，开发了 纯电动、混合电动和燃料电池的公交车及轿车。国家已迸一步加大力度，从制定我国的 燃油经济性标准和时间表、尾气排放标准和时间袁，调整燃油税政策，扶助电动汽车的 基础设施等方面来促进我国电动汽车的研发。 1 3 其他新型电动汽车的发展现状及比较 电动汽车( 琶v ) 概念的内涵缀广泛，它包括主要种类有蓍电浊电动汽车或纯电动汽车 ( b e v ) 、混合动力电动汽车( h e y ) 和燃料电池电动汽车( f c e v ) 。涉及到很多学科，内容 广泛两且复杂，莫核心技术包疆底盘和车身技术、驱动技术和麓源技零“3 。 目前，鬻电池电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车因其具有各自的特 点蕊处于不同的发展阶段与发展趋势。 1 3 1 发展现状 3 1 。1 缝魍动汽车及箕发袋瑾状 纯电动汽车( b e v ) ：纯电动汽车就是纯粹采用电能来驱动的汽车。用电动机取代发 动撬，用化学宅洼来提供能源给电机。纯电动汽车由于消耗电能，实现了零尾气排放， 是真正的绿色环保汽车。纯电动汽车又称为蓄电池电动汽车。 鹭前在美国，因为纯电动汽车的馀格太高帮行驶里程未能满怒使甭者的需求，葳此 滟合电动汽车总成控制器及驱动电机矢量控制研究 诸如e v l ，c h r y s l e r e p i c 等已相继停产，然露美国国家实验室还继续迸行纯电动汽车的 先进驱动系统、先进电池及管理系统的深入研究。另外小型、低速、特种用途的纯电动 汽车晓在不瞬发展。在匿本，纯电动汽举与智能交通系统( i t s ) 酶缀合己成为耳蔫电动汽 车技术水平下实用化和商业化的新途径。 1 。3 1 。2 燃睾萼电池车及英发展趋势 燃料电池车f c v ( f u e lc e l lv e h i c l e ) ：所谓燃料电池汽车就是指将燃料的化学能囊接 转化为电能，然后通过电机驱动的汽车 9 1 。燃料壤逋有多稀类嗣，最有望用于电动汽车 的是质子交换膜燃料电池。其工作原理烧：将氢送到负极，经催化剂作用，氢原子中的电 子被分离出来，在正极l 殁弓| 下，在外电路形成彀流，失去邀子的氨离子可穿过质子交换 膜( 电解质) 在正极与氧及电子结合为水，氧可从空气中获得。只要不断供给氢气和带走 永，燃料电池就可不断供给电熊。 目前，燃料电池汽车前景仍被各国肴好。韩国现代集团在s a n t af e 型车的基础上开 发了燃料电漶汽车。j 趱：外，h o n d a 的f c x 、n i s s a n 的x t e r r a 等都是比较成功的燃料 电池汽车。 以上两穗耨型汽车连同混合动力魄动汽车在耨兴的环保汽车中由于其可实施性逐 步成为主流的研究对象。他们都以节能和环保为主要设计思想和设计目标，但又各有各 的优点，在控制思想、技术难度和可实施性上都有所不同。 1 3 2 新型汽车比较 ，混合动力电动汽擎与纯电动汽车栩琵：纯电动汽车由于全部采用电力驱动，因此对 动力电池的要求很高，而现在蒋电池的技术发展有限，电池多容黛小，体积大，充电时 间长，不足以满足远距离于亍驶和装车的需要。j 两且，大规模使用e v ，必然需要重新建 立充电站等配套措施，所以目前纯电动汽车的发展受到了一定的局限。混合动力电动汽 车在排放方面不及纯电动汽车，但综合分析，混合动力电动汽车具有明显的优点。与纯 电动汽车相比：混合动力电动汽车降低了对电池能量密度和容量的需求，减轻了电溉部 分的质量，有利于提黼汽车的质量利用系数；辅助动力的应用使动力性、续驶里程以及 成员的舒适性都褥到保证：另外，萁无需建设充电设施，易于推广应用。 混合动力电动汽车与燃料电池车相比：由于燃料电池是将化学能直接转化为电能， 其效率可高达6 0 以上，并且余热回收，效率可达8 0 ，其转换效率为肉燃祝的2 3 倍。它本身不排放有害物质，仪生成清洁的水。早年靠高压储氢瓶供给压缩氢气或液化 氢气，或用储氢台金德存氢气。但其锗氢量不多，所以行程有限；另外它的成本太藉和 氢氧燃料系统供应是也是一主要问题。煦然开发了从甲醇或汽油经重整器不断供给氢气 网，但燃料魄池技术的安全饿和价格都有特迸步改善。燃料电池电动汽车具有作为未 来主流汽车的潜力，其技术尚处于研发阶段。 4 硕士学位论文 魏外，混合动力f 巷动汽车鞠纯电动汽车在军事上也有独特豹优点，进入战速露以纯 电动汽车方式运行，隐蔽性强，因为宁静、不发热，敌人不能用探热器搜索，而且动力 性强，可设计藏四轮驱动越野窜。其具体对比风表1 1 。 表1 1 蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车 和燃料电池电动汽车的特征 电动汽车类型蓄电池电动汽车混合动力电动汽车燃料电池电动汽车 电械驱动 驱动方式电机驱动电机驱动 内燃机 薷电池 蓄电池 能量系统 超缀电容器 燃料电池 超级电容嚣 内燃机发电单元 氢气 能源和基础设 加油站 电网充电设施甲醇或汽油 施 电网充电设施( 可选) 乙醇 零排放或超低排放 零捧放 很低排放 能源效率高 依赖原油续驶里程长依赖原油 主要特点续驶里程短：1 0 0 2 0 0 k m依赖原油( 如用原油提炼氢氧) 襁期成本嵩 。 结构复杂续驶量程较长 有销售有销售成本离 研发中 燃料电池 蓄电淹和蓄电池管理充电 多能源管理、优化控翻 主要问题燃料处瑾器 设施 蓄电池评估和管理 燃料系统 由上面的分析可知，对新趔汽车的产业化宓现而言，混合动力电动汽车是最有前景 和可能性的。混合动力电动汽车不需要另建配套设藏，使用和普通燃油汽车一样，弗且 其对电池容擞的要求不高，所以是最容易实现产业化、最容易为大家所接受的一种新型 汽车。 混合电动汽车总成控制器及驱动电机矢量控制研究 1 4 本文的主要研究工作和创新 本文整个研究工作是紧密围绕国家“9 8 5 ”工程项目“汽车先进制造技术科技创新 平台”中“基于c v t 的混合动力汽车电控技术”展开的。 本文研究的是单轴并联型混合动力电动汽车，属于国内首创。它最大程度的降低了 硬件成本，为成功实现产业化奠定了基础。本文主要研究基于c a n 网络的单轴式并联 型混合动力电动汽车的动态运行和能量总成控制器的开发。 采用模糊控制等智能控制方法，对混合动力电动汽车这个复杂的控制对象进行控 制，以实现最优的控制策略达到预期的控制目标。用先进的c r u i s e 仿真软件建立混合动 力电动汽车模型，并对控制策略进行仿真分析。 采用先进的d s p 处理器，比一般的处理器要稳定快速。在能源总成控制器的软件 开发方面，开发出能量总成智能控制系统软件平台，作为软件开发的通用平台，提高软 件开发效率，缩短软件研发周期，并使能源总成控制系统不只针对某一特定车型，可方 便的扩展到其它车型和其它控制场合。 本文研究的智能控制系统是基于c a n 现场总线的，多主的总线结构从很大程度上 提高了控制系统的实时性和整车系统的抗干扰能力，实现了整车各单元的全数字控制。 研究紧密结合国家“9 8 5 ”工程项目“汽车先进制造技术科技创新平台”中“基于 c v t 的混合动力汽车电控技术”的前期设计、调试工作展开。 论文的创新点： l 、采用先进的单轴式并联型混合动力驱动方式，通过先进算法控制来实现并联式 驱动，而避免采用算法简单却成本很高的串联驱动方式。 2 、在混合动力模式下，系统根据司机的不同需求，智能调节电机和发动机的工作 状态，实现能量控制的最优化。 3 、系统在刹车时进行制动能量回收，大幅节约能源，减少电耗和油耗。 4 、本系统在中低速、怠速时采用纯电动驱动方式，去掉尾气最为严重的环节，大 大减少汽车尾气排放量。 5 、采用了基于c a n 总线的控制方式，多主的总线结构从很大程度上提高控制系统 的实时性和整车系统的抗干扰能力，实现整车各单元的全数字控制。 6 、系统基于d s p 和嵌入式实时操作系统，最大程度上实现控制的实时性和准确性。 7 、混合动力电动其中中基于模糊一p i d 的感应电机矢量控制方法。 6 硕士学位论文 1 5 本论文的结构 本文的结构安排如下： 第一章：绪论。在这一章中，简要地介绍了论文的研究背景及混合动力电动汽车的 发展现状，对几种新型汽车进行比较，综合各自的优缺点得出结论。 第二章：混合动力电动汽车的动力系统选型分析。这一章中详细讨论了混合动力电 动汽车的动力系统选型的重要性和结构分类。阐述了混合电动汽车动力系统选型的影响 因素和原则，根据实际项目的可行性，作出了适合当前情况且有发展潜力的车型设计。 第三章：能量总成控制系统的设计。在这一章中，进行了能量总成控制系统的功能 需求分析，根据功能进行了模块划分。详细设计了能量总成控制系统的硬件原理图和软 件流程，并进行了整车的c a n 网络详细设计。 第四章：基于模糊控制策略h e v 动态性能研究。这一章中，详细介绍了如何采用 先进的a v lc r u i s e 软件进行整车仿真。并且将模糊控制策略嵌入仿真模型中。仿真结果 表明控制策略达到了预期设计目标。 第五章：基于模糊p i d 的交流异步电机矢量控制。在整个仿真模型中，采用模块化 设计。仿真结果表明，该控制方法能使感应电机运转具有良好的动、静态特性，能满足 混合动力电动车对电机的要求。 混合电动汽车总成控制器及驱动电机矢量控制研究 第二章混合电动汽车的整车结构选型及分析 2 1 动力系统选型在混合电动汽车开发中的重要性 动力系统选型在h e v 的开发中处于重要地位。h e v 与传统汽车及e v 最大的差别 是它们的动力系统，动力系统是h e v 开发工作的一个核心和难点。不同的h e v 差别最 大的地方也是动力系统，h e v 正是根据动力系统的结构进行类型划分的。动力系统的 结构决定着部件的数量、种类以及系统的控制策略：动力系统结构上的差异导致不同 h e v 的适用条件和使用要求各不相同：同样，开发工作的难度也相差很大。可以说， 动力系统结构型式的选择决定了h e v 研究开发的重点和方向，关系着开发的进度和产 品的水平，是h e v 开发中首要的和关键的一步。因此，研究开发时必须在深入调研、 仔细分析和权衡利弊的基础上，对动力系统的结构类型作出慎重的选择。 2 2 混合电动汽车动力系统的分类 混合动力电动汽车的定义有很多种，其中国际电子技术委员会( i n t e m a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，m c ) 对混合动力电动汽车的定义为：“在特定工作条件下， 可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。其 中至少一种存储器或转化器要安装在汽车上。混合动力电动汽车( h e v ) 至少一种存储器、 能量源或能量转化器可以传递电能。”混合动力表示有多种动力参与汽车驱动，一般指 的是燃油发动机和电机这两种动力。本文所说的混合动力电动汽车( h e v ) 均指这种混合 燃油发动机和电机两种动力来驱动的汽车 7 h 1 6 。 混合电动汽车开发的实质是通过部件工况的改善和效率的提高来实现整个系统性 能的优化，是基于系统结构概念上的创新，所以混合电动汽车被认为是体现系统最优化 思想的杰作。混合动力电动汽车传统上被分为两类：串联式和并联式。由于近年来出现 的一些混合动力电动汽车兼有串连式和并联式的特征，其分类又扩展成3 种：串联式、 并联式和混联式。最近推出的一些混合动力电动车不能归纳到以上3 类之中。因此，混 合动力电动车的最新分类为如下4 种：串连式、并联式、混联式( 串并联式) 、综合式。 其中，动力输出功率通过电力形式进行复合的称为串联型混合动力电动汽车( s e r i a l h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) ；动力输出功率通过机械方式进行复合的称为并联型混 和动力汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) ；而以上两种复合方式都有的称为混 联型混合动力电动汽车( s e r i e s p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s p h e v ) ；不能归纳到以 上三类之中的混合动力电动车称为综合型混合动力电动车( c o m p l e xh y b r i de l e c t r i c v e h i o c l e ，c h e v ) 。这几种不同类型的动力系统各有各的特点和能量流动方式。同样，各 种不同类型的混合动力电动汽车的控制难度和成本也同样有所区别。要获得更好的控制 硕士学位论文 结果，透常需要纣出更多的成本。 2 2 1 串联型混合电动汽车动力系统 2 。2 。1 i 串联鳖动力系统结祷 串联式动力系统的结构型式较为单一，典型结构如图2 1 所示。串联式的主要特征 是内燃视，发电机提毛咚的电能和蓄电港提供的奄能是以电能形式一起叠加供给电机遴两 驱动车轮运转，以满足车辆的动力需要。 其中所用的原动机一般为蒿效内燃桃、燃气轮机或考赫特秫发动机。辅助动力单元 由原动机和发电机组成，两者可做成一体，发电机发出的电通过控制器输送到电池或电 动机，由电动机透过燮速机构进行动力稔出。 为了在汽车启动、加速时能提供更大的功率，有些串联型结构中还使用了飞轮电池、 越级电容等功率密度较大静储黪装置，他们在能量匿l | 殳时也发挥黧要作用 。发动撬只 用来发电，发电机负责提供电能给电动机，只有电动机用以直接驱动汽车。同时，发电 机发出豹部分毫能存储到蓄电池里，在蠢需求的黠候，蓄电池也阍时给电动机供电来实 现更大的功率输出。从总体结构上来看，串联型混合动力电动汽车易于控制，更接近电 动汽车。 网2 1 串联型动力系统框图 2 2 1 2 串联型动力系统的特点 采用该种动力系统由于原动机与外界负载没有直接联系，可以在最佳工况点附近工 作，因此可以实现高效率和低排放。当汽车的功率需求较小时，发动机燃烧燃料提供能 量给发电机发电，发电机将电量提供给电动机用以驱动车辆，多余的能量则通过给电池 充电存储起来；当汽车的功率蒲求较大时，不仅发动机通过发电机给电动机提供能童， 而且电池也绦电动机提供能量来驱动。这样可以实现比仪有同样发动机的传统车辆更好 豹动力性能；翱动时龟动辊充当发电极使用，将酲毅麓墩储存在龟浊中。可以看出，串 联式的结构和工作原理都比较简单。 串联型混合动力电动汽车特别适合于城市工况。因为城市工况中经常有频繁的起 步、停车、加速和低速工况，这些工况对发动机而言都属于效率很低、排放很差的工况， 丽串联式混合动力电动汽车可以杰整个过程中像涯发动橇工作于娥佳工况点，避免了发 9 混合电动汽车总成控制器及驱动电机矢量控钢研究 动机的频繁的启停。发动机保持稳定、离效、低污染的运行状态，将有害气体的排放控 带9 在最低的范围内，豳此，串联型混合动力电动汽车的撵放很好，成功实现了低排赦输 出。其次，串联型混合动力电动汽车的结构和 ：作原理都比较简单，控制系统的设计也 相对要箍单一些。存缀好的动力性能，楚最接近电动汽车的混合动力电动汽车。 串联式在降低排放方面的效果显著，但其燃油经济性还有待提高。这题因为虽然原 动机豹工况得弱改善，但是经过发电枫、控制器和电动机这几级功率递减，整个动力系 统效率很难提高。另外，串联型驱动系统由三大部件组成，各部件功率较大、外形较大、 质量也较大，因此安装布置有很大的难度。 综合上述特点，可得出结论：串联型动力系统比较适用于中大型汽车上，特别是城 市公交车。聿圈的c o a s t e r 、沃尔沃的“e c c ”，福特“新熊级2 0 1 0 ”，三菱“太空( s p a c e ) ” 旅行车都是串联型混合动力电动汽车的成功范例【5 】，其结构值得借鉴。 2 2 2 共联型混合毫动汽寒动力系统 2 2 2 1 并联跫动力系统的结构 并联式缩构的实质是在传统汽车中加装一套电力驱动装置，其驱动系统主要由发动 机、电机和变速箱等组成。发动机和电机都可以独立驱动汽车，是两套相互独立又相互 关联的驱动系统。因此，著联缀混合动力电动汽车的驱动模式更加灵活，可以适焉于更 广的范围，特别适用于一些比较复杂的工况。 由于电机的数量和种类的不同、变速装置类型的多样、离合器的使雳数量以及电机 与离台器的位置不同的差别，并联式结构具有明最的多样性。从复合模式来分，可分为 转矩复合型、转速复合型和牵弓l 力复合塑【n 】；按结构分，可分为单辜銮式、双辘式和分路 式。下面主要讨论按结构划分的单轴式、双轴式和分路式混合动力电动汽车动力系统。 1 擎轴式共载型动力系统 图2 2 单轴式并联型混合动力电动汽车驱动系统框图 单轴结构的并联黧混合动力电动汽车的驱动机构结构如图2 2 所示。发动机通过主 传动轴与变速箱相连，电动机转矩则通过齿轮与内燃机的转矩在变速器前进行复合，传 到驱动轴上的功率是两者豹和。擎鞫式缩构豹速度、转短关系如下： 1 0 硕士学位论文 l t = ( + k l ) 刁 1 h 。： 。：h 。k ( 2 1 ) 式中，瓦、瓦、t 分别为发动机、电动机和变速箱输入转矩。胛。、n 。、栉，分 别为发动机转速、电动机转速和变速箱输入轴转速。 2 双轴式并联型动力系统 双轴结构的并联型混合动力电动汽车的驱动机构结构如图2 3 所示。 图2 3 双轴式并联型混合动力电动汽车驱动系统框图 双轴式并联型驱动系统有两套机械的变速箱，分别用来与发动机和电机相连。他们 通过各自的变速箱之后，经齿轮系进行复合。因此，他们之间的转速比例关系是可调的。 3 分路式并联型动力系统 分路结构的并联型混合动力电动汽车的驱动机构结构如图2 4 所示。 图2 4 分路式并联型混合动力电动汽车驱动系统框图 分路式结构的并联型驱动系统的发动机和电机各成一套动力系统，与双轴式不同的 是，它们各自驱动前轮或后轮，通过转速来复合。有的分路式并联型驱动系统的电机直 接驱动前轮或者后轮，没有单独的变速箱和离合器。 2 2 2 2 并联型动力系统的特点 并联型混合动力电动汽车动力系统结构的多样性就决定了其控制的灵活性。在并联 型动力系统中，发动机和电机是相互独立的，可自由控制他们的出力：在低速小功率运 行时何以关闭发动机，利用电动机进行驱动：在中高速平稳运行工况时，可以只利用发 动机进行驱动，此时发动机富余的功率还可以通过动力复合装置和电机转换为电能，对 电池进行充电；在高速运行或加速时，可以利用动力复合装置对原动机和电动机的输出 动力叠加。在市郊和城问运行时，汽车经常处于中高速平稳运行状态，而且对排放没有 混合电动汽车总或控制器及驱动电机矢餐控制研究 苛刻要求，并联式动力系统可以关闭效率较低、需经常对电池进行管理的电驱动部分， 从而使系统具有更好的经济性。由于并联型动力系统的缩构相对独立，因此控制算法丰 富多彩。采用不同的控制算法，可以实现不同的控制结果。对不同动力系统结构的并联 型漏莘口动力汽车，总的控制总愆是一致的，但还楚有很多细节豹不同的。 与串联式结构相比，并联式可以选择更小的原动机和电动机。由于原动机直接对驱 动辘进行驱动，没有过多的功率递减，故效率有傈证。目前，并联式结构的研究重点是 开发适用的变速装置和动力复合装置，降低电驱动部分及整车的质量。为了实现对动力 系统的最优控割，龛动变速装麓是 常必要的，葜重要作用是根据系统工侔模式保持原 动机和电动机转速间特定的比例关系。 并联型混合动力电动汽车穗缀逶合城市工况。它霜电动驱动的方式来代替发动枧效 率搬低、排放很差的工况，只让发动机保持稳定、高效、节能的送行状态。另外它还可 以适矮子更多复杂的王提。其次，因为并联型动力系统可以将发动枫和电极这两个郝件 的功率复合起来。所以在部件选型的时候，可以选择功率小一点的。功率小的部件的体 积邋常会要小一些，安装和布置都要容易些。同时价格低也可以降低成本，是较容易实 现产业化豹车种。并联型动力系统不像串联型动力系统那样能量流动要经过好几次转 换，所以，并联型混合动力电动汽车比串联型混合动力电动汽车的燃油经济性要好很多。 另外，并联型混合动力电动汽车的尾气摊放也很小，是种准绿色环保汽车。 但并联式结构给控制算法的实现提高了难度，控制器的集中控制增多，不像串联型 驱动系统的控制较为分散和成熟。另外，由于采用两套独立的驱动系统，所以它们的复 合装置很重要，并且开发难度也很大，这些复合装置对整车的质量有很大的影响。 并联型动力系统适用于小型的汽车上。大众的“高尔夫”、克莱斯勒“道奇- 秃畏 e s x 2 ( 第二代) ”、福特“l s r ”、尼桑的c v t 混合车等都是并联型混合动力电动汽车的 代表。 2 2 3 混联型混合电动汽车动力系统 2 2 3 1 混联式( 串并联式) 复合动力电动汽车( p s h e v ) 结构模型和驱动模式 混联式复合动力电动汽车综合了串联式和并联式复合动力电动汽车的结构组成，主 要由发动机、发电机和驱动电机三大动力总成组成。发动机基本保持稳定、高效、带能 的运转，发电机和电池供给驱动电动机电能以驱动电动汽车行驶。其结构示意图如图2 5 所示，与其纯两种方式的混和动力汽车相比，混联方式发动机的逸择有多种形式，箕功 率比较小，排放介于并联与混联之间。发动机传动系统之间的传动效率较高，能够实现 髓量回收适用于各耱类型豹汽车，适应在各种道路主行驶，其性能更魏接遥予普逶的内 燃机汽车“。 硕士学位论文 图2 5 混联型动力驱动系统结构图 2 2 3 2 混联型动力系统的特点 混联型的混合动力汽车可以使发动机可以经常保持在离效率，低排放的平稳工况下 工作。车辆可以以发动机，电动机多种合成方式驱动；能够实现快速启动和起步。发动 机在较窄的功率一转速范围内保持低污染、高效率和经济性的运转。在市区运行时发动 耄睡i 直接带动电动发毫枫发电，主要 美彀力驱动模式来驱动电动汽车，使得转速合成挺湿 联式复合动力电动汽车更加接近“电动汽车”的运行状态，在郊外或高速公路上行驶时 又磷戳充分发挥发动穰驱动模式的效髓。总体终橡缀复杂，质量大，维修不便。虫予它 有多种驱动模式，对控制系统的功能和精度等有更高的要求，也增加了制造成本。 丰田的“p r i u s ”就是混联穗混合动力电动车豹最典烈代表。北外堰特公司也接班了 采用混联结构的混合动力电动车。 2 。2 。4 综翕型混会电动汽车动力系统 综合型混合电动汽车( c o m p l e xh e v ) ，从其名称可知其具有一复杂结构，无法归纳 至4 以上3 类之中。由予发电桃穰电动飙均为电机，因此其结构类似于混联裁混合电动汽 车，如图2 6 所示。关键区别在于综合性混合电动汽车中电动机的双向能量流，而混联 型混合电动汽车中发电机为单向能量流【1 6 1 。 闺2 5 综合型动力驱动系统结构图 该双向能量流允许混合动力电动举有更多的工作模式，特别是三推进工作模式r 发 动机和两电桃) ，该工作模式是无法在混联型浞合动力电动车中实现的。类似于混联型 混合动力电动车，综合性混合电动汽车结构复杂且造价高昂，目前只有新推出的很少的 尼萃申双鞋推进混合动力电动车中采羯我结构。 混合电动汽车总成控制器及驱动电机矢鬃控制研究 2 3 选型策略 2 3 1 影响选型的因素 2 3 1 1 性簸要求 车辆性能是一个基本要求，混合电动汽车之间的性能差异十分明显，在选型时必须 考虑不弱的使月条传和出动力系统结掐弓| 发的馁能差异。妇果对经济整蠢特别的要求， 串联式就不是合适的选择；如果要求加速性能突出，那么有必要选择配有峰值功率调节 器豹结梅型式。另外也要充分考虑使用条件，因为多数动力系统蹲工况比较敏感，不同 工况性能有4 定差别，只有在特定的工况下才能获得更低的油耗和排放。 2 + 3 2 技术基础 技术基础包括两方面：一方面是自身研究爿：发的条件和力量；另一方丽还包括工业 基础，因为对一些常见的动力系统豹郝 牛，我国豹产品水乎还不熬满足需要或滏无法生 产。进行产品开发，如果技术条件无法保证，就难以实现预定开发目标。 2 3 1 3 持续开发惶 选择的混合动力牟结构类型应该有进一步完善的空间。产品性能是一个不断完善的 过程，开发工俸不可能一步至4 位，需要进行不断豹完善。 2 3 。1 4 成本和维护费用控制 不同类激的动力系统对部传的种类、数量和性能要求差别缀大，所以不同的动力系 统结构成本相差较大。选型时，使用和维护费用也应给予关注，结构越复杂，故障率越 赢，使用和维护费爰也越高。价格帮使裾维护费用豹控制直接影响虱混合亳动汽车的产 业化，影响到资金的良性运转，也就难以促进技术水平的提高和车辆性能的改善。 2 3 。2 选型分李厅 根据上述选型的影响因豢，我们可知混合动力电动汽车的可选结构多种多样。怎样 选择车鍪帮遥合车登的驱动系统结构都是混合渤力电动汽车开发的重要闻趣。 2 3 2 1 车型的选择 车型的选择，特别是底盘的选择怒混合动力电动汽车开发的首要问题。对混合动力 电动汽车开发而言，通常选择一种现脊的燃油车型，在其基础上进行改装和开发。这样 作的目的蔻节约研发成本，尽可能多的剩用现有的成熟技术。南京菲亚特合资公司是跃 进汽车集团与意大利菲亚特汽车公司共同组建的大型合资企业，其推出了具有当今国际 先进水平的1 7 8 平台车型派力奥、西耳b 那、周末风，在家用轿车方甏有着褥天独厚 的熬车关键技术和雄厚的技术研发实力。其中西耶那是一款经济勰家用轿车。选择此车 作为砑发平念，理由妇下： 1 4 硕士学位论文 第一，由于该集团的车型处于同一汽车平台，区别不大，因此不同的车型对研发的 影响并不明显。采用西耶那车型的好处是它成本最低，可以最大程度的节约开发成本。 第二，这种车型的技术掌握成熟，有过改装经验。对底盘和其他部件的改动要方便。第 三，有该车升级到其他车型较为容易。第四，该车造型典雅时尚，内部空间宽大舒适， 采用全球统一的高质量标准打造，能够充分满足世界不同地区不同市场的需要。为该车 长远目标产业化做好准备。 2 3 2 2 动力系统结构的选择 混合电动汽车的动力系统选型主要是协调性能先进性、技术复杂性和成本及维护费 用之间的关系。对于家用经济型轿车用车而言，其运行工况比较单一。对于复杂崎岖山 路和野外长时间运行，不是该车主要考虑的工况。因此，并联型混合电动汽车和混联型 混合动力电动汽车都是很好的选择。 目前，国内的生产厂家的技术水平有限，混联型和综合型混合动力电动汽车中的复 合装置对工艺水平要求很高，估计短时间内难以实现。所以，并联型混合动力电动汽车 是最适合国内中小车型的驱动系统结构。 因为考虑主要适应城市工况，仍然保留轿车前轮驱动的特点。这样