（动力机械及工程专业论文）串联式混合动力公交车控制策略及动力总成参数匹配研究.pdf

武汉理t 大学硕上学位论文 于两芰 当前全球都面临着能源危机和大气污染两大难题，这些问题也促使我们不 得不考虑未来汽车的发展道路。若进一步使用内燃机技术发展汽车工业将会给 能源安全和环境保护造成巨大的压力。如何提高汽车性能来降低能耗和排放是 当今汽车技术研究的重要内容。因此世界各国目前正在研发电动汽车以减少能 源消耗，降低污染物的排放。 混合动力汽车既具有纯电动汽车的高效和低排放性的性能，还具有传统内 燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能，混合动力汽车的研究和丌发成 为当前研究的一个热点。然而由于混合动力汽车可以考虑的方案繁多，逐一开 发试验势必造成资金和时间的浪费，因此有必要采用计算机仿真技术对混合动 力汽车进行研究。 城市循环工况对混合动力城市公交车的排放和燃油经济性影响很大。同时， 混合动力汽车的动力总成结构选型、参数匹配、控制策略和控制算法也必须以 汽车的循环工况为基础。因此本文对国内外车辆行驶工况的评价标准做了介绍， 然后对中国典型城市工况进行了研究。基于混合动力汽车的选型、城市循环工 况的分析，进行了混合动力总成部件参数的匹配研究。建立了动力系统主要部 件的模型，为后续的仿真做好了准备。 然后对整车进行了性能仿真分析。仿真结果表明，所确定的部件参数能够 满足项目开发目标。对串联式混合动力公交车的“恒温器 控制策略和“功率 跟随 控制策略进行了分析比较。然后介绍了一种新的控制模式，即恒s o c 控 制目标的模糊逻辑控制策略，仿真结果表明该模式达到了预定的目标。最后对 参数做了初步的研究，为今后串联式混合动力大客车动力系统的优化设计提供 了理论指导。 关键词：混合动力循环工况控制策略 总成参数匹配 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ew h o l eg l o b ei sf a c i n gt h ep r o b l e m so fe n e r g yc r i s i sa n da i r p o l l u t i o n t h e s ep r o b l e m sp r o p e l u st oc o n s i d e rt h ed e v e l o p m e n to ft h ef u t u r e v e h i c l e i fh u m a nf u r t h e ra d o p ti n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ( i c e ) t e c h n i q u et o d e v e l o pa u t o m o t i v ei n d u s t r y , e n e r g ys e c u r i t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n w i l l a s s u m eh u g ep r e s s u r e h o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l ea n d r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ea m o u n to fp o l l u t i o ni st h ei m p o r t a n tc o n t e n to f t h ea u t o m o t i v et e c h n i q u er e s e a r c ha tp r e s e n t t h e r e f o r e ，m a n yc o u n t r i e sa r en o w r e s e a r c h i n g a n dd e v e l o p i n ge l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) i no r d e rt or e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h ea m o u n to fp o l l u t i o n h a v i n gt h eb e n e f i t so fb o t he va n dt r a d i t i o n a li n t e r n a l c o m b u s t i o nv e h i c l e ， h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) b e c o m e st h ef o c u so fv e h i c l er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t a st h e r ea r em a n yd i f f e r e n tp r o j e c t st oc o n s t r u c tac e r t a i nh e v , i t s w a s t eo fc a p i t a la n dt i m et od e s i g na n dt e s th e vo n eb yo n e i t sn e c e s s a r yt o r e s e a r c hh e vs t r u c t u r ea n dc o n t r o l s t r a t e g yb yu s i n gc o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y t h ed r i v i n gc y c l eh a sg r e a te f f e c to nf u e le c o n o m yf o rt h eh t b ( h y b r i dt r a n s i t b u s ) ，a tt h es a m et i m e ，t h ep o w e rt r a i nc o n f i g u r a t i o n , p a r a m e t e r sm a t c h i n g , c o n t r o l s t r a t e g ya n dc o n t r o la l g o r i t h mf o rh e v a r eb a s e do nd r i v i n gc y c l e b a s e do nt h e s t u d yo nh e v a n dc i t yd r i v i n gc y c l e ，t h ep a r a m e t e r so fi t sp o w e rt r a i na r em a t c h e d a n dt h em o d e l sf o r t h em a i np o w e rt r a i np a r t sa r ec r e a t e df o rp r e p a r a t i o no f s i m u l a t i o nl a t e r t h e nap e r f o r m a n c es i m u l a t i o no ft h ew h o l ev e h i c l ei sa n a l y z e d t h er e s u l t s s h o w ：t h ep a r t sp a r a m e t e r ss e l e c t e dc a nm e e tt h ed e m a n do ft h ep r o j e c t t h e t h e r m o s t a t a n d “p o w e r - f o l l o w ”c o n t r o ls t r a t e g y a r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a f t e r w a r d an e wc o n t r o lm e t h o di si n t r o d u c e d , n a m e l yf u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y t a r g e t e do nc o n s t a n ts o c t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w saa n t i c i p a t i v ep u r p o s ei s a c h i e v e dt h r o u g ht h i sm o d e l f i n a l l yt h ep a r a m e t e r sa ler e s e a r c h e dp r i m a r i l y , t h u sa t h e o r e t i c a li n s t r u c t i o ni sp r o v i d e df o rt h eo p t i m i z a t i o no fh e vb u sp o w e rt r a i nl a t e r k e y w o r d s ：h e v ，d r i v i n gc y c l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , a s s e m b l yp a r a m e t e rm a t c h i n g l i 独创性l 声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) n 甘廿伽：y 6 ，f p 日期：! ：! 武汉理t 大学顾十学位论文 第1 章绪论 世界生态系统状况在很大程度上决定于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，但随着经济的发展，汽车拥有量急剧升高，还没有能够彻底 解决热机排放问题的具体方案。而在我国显得更加严重，2 0 0 2 年中国轿车产销 量以超过4 0 的增长而被称为“中国轿车元年。2 0 0 2 年我国汽车总产量达到 3 0 0 万辆，2 0 0 3 年总产量达到4 0 0 万辆【l 】。汽车产销量的飞速增长，给我国石 油能源带来巨大的压力，同时也给城市大气环境带来了严重的影响。进入2 1 世 纪，随着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出越来越高的要求。为 了降低汽车的燃油消耗，减少有害的排放生成物，各国相继出台了更严格的排 放法规，汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技术改造，例如代用燃料、 添加剂、催化净化器、多气门结构、稀燃、分层燃烧、电控喷射等。这些技术 的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。但是传统的内燃机车由于其固 有的燃烧和排放特性，对燃油消耗和排放的解决有一定的局限性。同时复杂的 技术改造直接的后果是使得传统汽车的造价不断上升，利润空间越来越小，长 此以往，不利于汽车工业的发展，也不利于汽车的普及。 在此背景下，各种各样的新型动力汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来 是电动汽车的天下，但是目前的技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的 能量密度与汽油相比要差上百倍，远远未达到人们所期望的数值。专家估计在 未来一段时间内，电动汽车还无法取代燃油发动机汽车，为此采取了一个两全 其美的办法，开发了混合动力汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 。混合动 力汽车是一种新出现的绿色环保汽车，它采用内燃机和电动机作为混合动力源， 这种混合动力的汽车既有燃油发动机动力性好、续驶里程长的优点，又有电动 机无污染和低噪声的好处，可达到发动机和电动机的最佳匹配【2 】。对于传统内燃 机动力汽车，制动能量全部由刹车片摩擦消耗掉；而对于混合动力汽车，在刹 车制动时，通过对电机、刹车系统及动力电池管理系统的协调控制，使电机工 作在发电机状态而产生制动转矩，向动力电池高效率回收制动能量，可显著提 高整车的能量利用率。一般认为这类汽车的燃油经济性可提高1 5 - 4 0 ，废气 排放可降低3 0 一5 0 ，排放指标最好水平能达到目前排放标准指标值的1 0 。 混合动力汽车是目前公认的最具有产业化和市场前景的电动汽车，它具有如下 武汉理t 大学硕十学位论文 主要的优点： 可以大幅度降低汽车的排气污染；可以较大幅度的提高汽车燃油效率；与 纯电动汽车相比，大大降低了对动力电池的过分依赖，避开了目前电动汽车研 发和产业化过程中电池领域的“瓶颈”；使用传统燃料，对基础设施没有提出任 何特别的要求；使用方便，成本提高幅度小。 混合动力汽车既具有内燃机动力性好、反应快和工作时间长等优点，又有 电机无污染和低噪声的特点，可达到电机和发动机的最佳匹配。由于混合动力 系统具有充电功能，因此不需要建设配套的充电基础设施。对于电池的要求， 与纯电动汽车相比也大大降低了。因此混合动力汽车在技术、经济和环境等方 面具有综合优势。 1 1 国内外混合动力汽车的发展现状 国外电动汽车的研究开发已有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发 展是最近十多年，而混合动力汽车的研究开发还不到十年目前，许多国家都制 订了严格的排放法规和节能标准，有些国家提出的目标是低排放或零排放，如美 国加州就有法规规定，到2 0 0 3 年在加州销售的车辆中，1 0 的车辆必须是零排 放车辆。各国的汽车制造企业和相关的研究机构都加大了投入力度，把研究降 低排放的技术和开发绿色环保汽车作为自己的立足之本和生存之道。因此，世 界上各个大的汽车公司都看好混合动力汽车，相继开发出各种混合动力汽车产 品，以便在未来的竞争中处于有利的地位。 作为世界上最先投入批量生产的混合动力轿车，日本丰田公司生产的 “p r i u s ”自1 9 9 7 年问世以来，其创新性受到了全世界的高度评价，目前累计 销量已突破了4 0 万辆，在混合动力汽车领域已经走在了世界的最前列，并带 动了汽车业环保技术的发展。改型后的新“p r i u s 装备了被称为“第二代丰田 混合动力系统 的“t h s i i 。以能够同时提高节能性和动力性的“h y b r i ds y n e r g y d r i v e 为概念开发的“t h s i i 系统，节能效果达到世界最高水平的3 5 5 公 里升，另外在实现低排放的同时，通过改进后的混合动力系统，“p r i u s 独具 魅力的行驶性能飞跃到了一个新的高度。另外，新版“p r i u s ”还采用了以设计 新车型为目标的前卫造型，并以万能款式作为理念，装备了全新的驾驶操作系 统，具有先进的功能，为人们展示了无愧于引领时代的“先驱”( p r i u s 是拉丁 语“先驱”的意思) 这一名称的革新型轿车的深邃内涵。本田i n s i g h t 采用 h o n d a 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，既 2 武汉理工人学硕士学位论文 能进行强有力的加速，又可达到低耗油，同时装备自动怠速停止系统，遇到停 车信号时，发动机会自动停止运转，从而达到低耗油、低排放。采用本田独特 的控制技术，达到了世界最高水平的碰撞安全性能，这是一款充分考虑到环境 和安全并充分体现驾车乐趣的轻便、实用型油电混合动力批量生产汽车。 欧洲在混合动力电动汽车的开发、研制和推广方面也做了大量工作。目前， 德国已有2 0 辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。奥迪公司生产的 混合动力电动汽车d u o 已丌始出租，预计四年内出租约4 0 0 辆。德国汽车工 业将实施新的排放标准和节能指标，不允许百公里油耗超过5 升的轿车上路。 早在1 9 9 7 年1 2 月的电动汽车国际会议上，绝大多数汽车工程师认为，在未 来1 0 年内世界上生产的汽车中至少有4 0 是混合动力汽车。日本丰田汽车公 司宣称到2 0 1 0 年，将生产混合动力汽车1 8 0 万辆。有专家认为，混合动力汽 车的研发，已不再是汽车工业的一次简单的技术革新，而是一次新的汽车工业 革命【3 1 。 我国混合动力汽车的研究起步较晚。我国在“八五”和“九五期间都有 计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制，在此基础上也进行了混合 动力电动汽车的若干技术领域的开发。但是所开发的混合动力电动汽车大部分 都是串联式的，只是在原有汽车上简单地加载发动机和发电机机组，技术的集 成度较低，缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统，两种动力源只是简单 结合，缺乏统一协调，这与真正意义上的混合动力电动汽车，与国外的先进技 术水平相比还有很大距离。科技部在国家8 6 3 计划中特别设立电动汽车重大专 项，从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车作为我国汽车 科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，集中各方面的力量联 合攻关，决心在电动汽车关键技术取得重大突破。主要的内容包括：电动汽车 ( 包括e v 和h e v ) 的总体设计，先进的电池技术，电动机及控制驱动系统， 整车监控与管理系统、使用环境与配套技术等。 我国政府对汽车排放的要求会越来越严，北京市已经在2 0 0 3 年与国际汽 车排放要求同步，直接采用欧i i i 标准( 不通过欧i i 标准过渡) ，上海、广 州也将一步和国际接轨。在我国大中城市普遍存在着严重的汽车尾气排放污染 问题，其中轿车尾气排放污染为城市尾气排放污染的主要污染源，因而混合动 力轿车具有广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通( 包括出租车) 和城市 之间的混合动力轿车，在我国具有独特的发展条件和广阔的应用前景。 3 武汉理t 大学硕i ：学位论文 1 2 混合动力汽车的分类及特点 目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的动力传动系结构，根 据其驱动系统的配置和组合方式不同，混合动力汽车可分为串联式、并联式和 混联式种构型，现将各自的结构和形式特点介绍如下： 1 2 1 串联式混合动力系统( s h e v ) _ - 飘掀连接 一一一一l l 王气连接 巨船一 图卜1 串联式h e v 动力传动系结构 串联式混合动力电动汽车的驱动系统和纯电动汽车比较类似，它主要是由 发动机、发电机、蓄电池、电动机和控制器等部件以串联方式连接组成。由发 动机带动发电机所产生的电能和电池输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽 车行驶，电力驱动是唯一的驱动模式。只有电动机直接与驱动桥相连接这一点 与纯电动汽车相同，而发动机与发电机直接连接产生电能，来驱动电动机或者 给蓄电池充电。发动机和发电机集成组成一个系统，即辅助动力单元。当发动 机发出的功率超过汽车行驶所需要的功率时，发电机发出的部分电能向电池充 电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程【4 】。 发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的，当汽车 运行工况变化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由控制器 控制发电机向电池充电吸收发电机富余的电能或使电池向电动机放电协助发电 机供电，电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况 进行控制。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。 串联式混合动力电动汽车主要有以下性能特点： ( 1 ) 发动机工作效率高。发动机与驱动桥之间无机械连接，对发动机的转 速无任何要求，发动机的选择范围较大，可选用高速燃气轮机等效率高的原动 4 甲亩 武汉理工人学硕士学位论文 机。这使得混合动力电动汽车发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的运 转状态，使有害排放气体控制在最低范围。 ( 2 ) 结构布置灵活。串联式混合动力电动汽车从总体结构上看，只有发电 机一电动机的电力驱动系统，二者无机械连接，其特点更加趋近于纯电动汽车， 整车的结构布置自由度较大。 ( 3 ) 系统综合效率低。串联式混合动力电动汽车能量转换的中间环节比较 多，造成能耗较大。发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械 能、电池的充电和放电都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低。 ( 4 ) 整车成本较高。对于混合动力汽车，由于需要的电机功率很高，这样 所需要的电池数量增加，带来重量和成本增高。同时，它的三个动力总成发动 机、发电机、电动机也会给系统总布置带来一定的困难。 串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特 点的优越性主要表现在低速、加速等运行工况，所以，串联式混合动力驱动系 统较适合在道路复杂的城市工况和山区公路运行。在环保要求高的市区，汽车 在起步和低速行驶时，可以关闭发动机进入纯电动状态，使汽车达到零排放的 要求。而在汽车高速行驶时，由于其电传动效率低，抵消了发动机油耗低的优 点，因此，串联式混合动力电动汽车更适用于市内低速运行的工况。 1 2 2 并联式混合动力系统( p h e v ) 并联式驱动系统结构见图1 - 2 。发动机通过机械传动装置与驱动桥连接， 电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动 或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动 机驱动系统的普通内燃机汽车。电动机起“调峰 作用，即：当汽车运行工况 所需的功率超过了发动机的功率时，电动机从蓄电池取得电能产生电磁力矩， 并向驱动桥提供额外的驱动功率。电动机的运行状态也可以是发电机，主要作用 是向蓄电池充电，以保持蓄电池的荷电状态s o c 平衡。当汽车在低速或变速工 况行驶时，需通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出；而在汽车高速 行驶时，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，由控制器控制电动机协 助驱动。 5 武汉理工大学硕十学位论文 日一母 机械联接 电气连接 图卜2 并联式h e v 动力传动系结构 并联式混合动力电动汽车具有如下性能特点【5 ，6 】： 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机一电能量转换损失，因 此发动机输出能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的 工作范围内运行时，并联式燃油经济性比串联式的高； 由于电动机进行“调峰”作用， 由于有电动机可以作为发电机， 量即可满足使用要求； 发动机的功率也可适当减小； 向蓄电池补充电能，比较小的蓄电池容 由于并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因 此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工况下运 行，因此，发动机的排污比串联式的高。 由于发动机与驱动桥之间直接机械连接，需要通过变速装置来适应汽 车行驶工况的变化，此外，发动机与电动机并联驱动，还需要动力复合装置， 因此，并联式驱动系统其传动机构较为复杂。 综上所述可知，并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况。 而在其它的行驶工况，由于发动机不在其最佳的工作区域内运行，发动机的油 耗和排污指标不如串联式。并联式混合动力电动汽车也可实现零排放控制，在 繁华的市区低速行驶时，可通过关闭发动机和使离合器分离，使汽车以纯电动 方式运行。但这样就需要功率足够大的电动机，所需的蓄电池容量也相应要大。 1 2 3 混联式混合动力汽车 混联式驱动系统如图所示。它的结构形式和控制方式充分发挥了两种驱动 形式各自的优点。它在几种类型的混合动力电动汽车中最符合混合动力电动汽 6 武汉理工大学硕上学位论文 车的优化思想，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配， 从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态。混联式驱动系 统在汽车低速行驶时，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。因此，更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。 母一一机搬联接一一一一电气联接 图卜3 混联式h e v 动力传动系结构 发动机发出的功率一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。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或者电池，电动机 产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。控制器根据油门踏板的开度， 一方面控制电子油门的开启程度，另一方面确定发动机的动力用于直接驱动汽 车部分和用于发电部分之间的分配比例，准确控制并协调发动机和发电机驱动 力，如果蓄电池电量下降，控制器控制发电机发电为蓄电池充电。这样的结构 形式和控制方式，使混联式混合动力电动汽车具有如下性能特点【j 7 】： ( 1 ) 具有较佳的性能。该系统适合各种行驶条件，具有良好的燃油经济性 和排放性能，且不需外界充电，续驶里程与内燃机汽车相当，是最理想的混合 电动方案。 ( 2 ) 混联式混合动力系统可采用小功率的电动机和发电机，减少了电池的数 量。但其控制系统技术含量高，控制元器件价格高，整车价格高。 ( 3 ) 系统结构较为复杂，这给制造带来一定的难度。由于发动机和发电机、 电动机以机械方式连接，机械装置比较复杂，整车布置有一定难度，发动机多 为传统的车用内燃机。 综合上述特点，混联式的动力系统可以适用于各种汽车运行工况，无论是 在城市间道路还是高速公路上行驶，汽车经济性和排放性都得到保证。这种结 构既可以适用于中大型车辆，也可以适用于小型车辆。丰田混合动力车辆被公 7 武汉理工大学硕士学位论文 认为目前最成功的混合动力结构，该车采用的就是混联结构。 1 3 关键技术 ( 1 )电池的能量存储及电池管理系统 电池的良好的充放电性能及电池的s o c 估计是混合动力汽车研究的关键。 由于电池的作用是储存、输出尽可能多的电能，以提高汽车的续驶里程，因此 对混合动力汽车用电池不仅有高的能量密度，而且有高的功率密度【8 】。因此电池 技术研究的关键是寻找合适的能够存储高能量的电极材料，并且此类材料能够 稳定地经受住无数次循环，可以反复使用。另外，电池技术的研究还包括以下 几个方面：一是电池设计和制造方面的改进，以降低电池的使用成本、改善电 池的性能和提高使用寿命，并进行电池充放电动态特性的研究；二是研究电池 内部结构的连接、检测及评价。 电池是混合动力汽车的主要部件，对电池的状态监控及管理是混合动力汽 车的重要研究内容之一。由于s o c 是整车动力分配的依据，因此对电池的有效 管理及精确的s o c 估计将为混合动力汽车的动力分配及能量管理奠定必要的基 础。另外，电池的成本在整车中占有较大的比重，精确的s 0 ( 3 估计和状态监控 可以防止电池的过充电和过放电、延长电池的使用寿命、可相应的降低车辆的 使用成本。因而，电池管理系统研究是混合动力汽车的重要研究内容之一。 ( 2 ) 混合动力控制单元 在混合动力汽车上，热力发动机和电机成为混合动力单元。在并联混合动 力汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时由于电机可以提供驱动转 矩，因而混合动力单元可以采用尺寸更小、效率更高的热力发动机；在串联混 合动力汽车上，发动机驱动发电机发电以产生电能，发动机与车辆传动系统没 有直接的机械连接，因此混合动力单元也可以采用小型高效的发动机，其运行 工况可固定于较小的高功率区。 当前，混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。在燃料的 使用方面也发生了很大变化，除了柴油、汽油外，还有天然气、液化气、酒精 等代用燃料。要提高混合动力单元的燃料经济性、对混合动力单元必然提出更 多要求。对汽油机采用电喷技术、增压技术、可变定时进气系统、多气门技术 以及稀薄燃烧技术等是必然的要求。对柴油机采用多气门技术、电控技术、增 压技术、可变定时进气技术、可变涡流进气技术、直喷技术等。混合动力汽车 的主要目标是降低排放，所以排放是混合动力系统研究的重点。目前对热力发 武汉理工大学硕十学位论文 动机的研究主要集中于：燃烧系统的优化，通过观察燃料与空气混合物的点燃 和燃烧过程，发现形成氮氧化合物的机理，从而改进燃烧系统；尾气处理技术， 主要研究高效的尾气处理技术；三是代用燃料的研究。 ( 3 ) 电机及其驱动控制 电机驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运行。 电动汽车的驱动电机的运行工况同样是相当复杂的，包括高转矩、低转速和恒 功率、高转速等。驱动电机与汽车运行工况的匹配是通过完善的控制系统来实 现的。电动汽车要求电机驱动控制系统满足如下要求【9 】：恒功率输出和高功率密 度；在汽车起步和爬坡时具有低速高转矩的输出特性；具有较大的转速范 围足以覆盖恒转矩和恒功率区；快速的转矩响应特征；在转矩转速特性的较宽 范围内具有高的效率；再生制动时的能量回收效率高；能在不同的工作条件下 可靠地工作。2 0 世纪6 0 一- - 8 0 年代初，电动汽车大多采用直流串励有刷电机。 由于有电刷的限制，转速不能太高，因而电机重而大，效率较低，故障率高。 8 0 年代后期和9 0 年代，由于电子技术的飞速进步，滑差控制、矢量控制、直 接转矩控制等交流电机的调控技术日趋成熟，交流电机驱动系统在电动汽车中 已成为主流。交流电机驱动系统有交流异步电机驱动系统和交流同步电机( 或称 稀土永磁无刷电机) 驱动系统两种。近年来，开关磁阻电机驱动系统开始在电动 汽车中应用。开关磁阻式电机具有效率高、动态响应好、高启动转矩和低启动 功率等特点，但在降低噪声和转速波动、电机模型和控制技术等方面还需进一 步探索。目前电动汽车所用的电动机总体上向大功率、高转速、高效率和小型 化方向发展。国外己研制出功率密度越过1 k w k g ，额定点的效率大于9 0 的小 型电动机，电机满足低速大扭矩和高速恒功率的牵引控制要求。其控制器也能 实现较高的效率。而我国在电机与电控系统方面也取得一些成果：华中科技大 学开发的全数字化开关磁阻电机、中船7 1 2 所开发的永磁无刷电机、中国科学 院北京三环通用电气公司开发出电动汽车专用的7 5 k w 轮毂电机、哈工大开发 的e v 9 6 1 6 8 k w 多态轮毂电机，都是我国电动汽车驱动电机技术的重大突破。 ( 4 ) 控制系统 这里的控制系统是指汽车动力总成集中控制系统，它是整车正常行驶的核 心单元。传统内燃汽车的控制系统包括发动机的空燃比( 或喷油量) 控制、点 火控制和怠速控制，以及变速器的档位变换和换档感觉控制等。混合动力汽车 的控制还需要根据转速、负荷及车速等信息和相关设备的状态确定发动机与电 动机的功率分配策略，即当汽车的负荷给定后，首先要确定发动机与电动机输 9 武汉理工人学硕士学位论文 出功率的比例，以保证满足汽车动力性、经济性、排放性等性能指标的要求。 为了满足混合动力汽车的包括驾驶性等的要求，需要设计与混合动力系统相适 应的控制系统和控制策略。 由于各种混合动力电动汽车结构上的差异，因而需要不同的控制策略来调 节和控制功率流在不同元件间的流动，其目的是为了达到以下四个主要目标： 一最佳的燃油经济性 一最低的排放 一最低的系统成本 一最好的驱动性能 混合动力电动汽车控制策略的设计主要考虑以下几点： a ，优化发动机的工作点：基于最佳燃油经济性、最低排放或者二者选其一， 根据发动机的转矩转速特性曲线确定最优工作点； b ，优化发动机的工作曲线：如果发动机需要发出不同的功率，相应的最优 工作点就构成了发动机的最优工作曲线： c ，优化发动机的工作区：在转矩转速特性曲线上，发动机有一个首选的 工作区，在此工作区内，燃油效率最高； d ，最小的发动机动态波动：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； e ，限制发动机最低转速：当发动机低速运行时，燃油效率很低，因而当发 动机转速低于某一下限值时，应关闭发动机； f ，减少发动机的开关次数：频繁地开关发动机，引起油耗和排放增加： g ，合适的蓄电池荷电状态：蓄电池的容量须保持在适当的水平，以便在汽 车加速时提供足够的功率，在汽车制动或下坡时能回收能量。若蓄电池的容量 过高，应关闭发动机或使之怠速运转； h ，安全的蓄电池电压：在放电、发电机充电或制动回收充电时，蓄电池的 电压挥发生很大变化，应避免蓄电池电压过低或过高，否则蓄电池会产生永久 性破损，因而蓄电池管理很关键； i ，分工适当：在驱动循环中，发动机和蓄电池应合理分担汽车所需功率； j ，在某些城市或地区混合动力电动汽车以纯电动模式工作效率最高，这种 转变可以通过手动或自动来实现。 1 0 武汉理工大学硕上学位论文 1 4 典型的混合动力汽车控制策略 1 4 1 串联式混合动力汽车控制策略 由于串联式混合动力汽车的行驶工况和发动机没有直接联系，因此控制策 略的主要目标是使发动机工作在最佳效率区和排放区。此外，为了优化控制策 略，还必须考虑电池、电传动系统、发电机和发动机的总体效率。以下介绍串 联式混合动力汽车的两种控制模式【l o 】： ( 1 ) 虬叵温器控制模式 当电池剩余电量s o c 降到设定的低门限时发动机启动，在最低油耗( 或排 放点) 按恒功率输出，一部分功率用于驱动车轮，另一部分给电池充电。而当s o c 上升到高门限时，发动机关闭，由电机驱动车辆行驶。在这种模式中，电池要 满足所有瞬时功率的需求，电池充放电循环引起的功率损失可能会减少发动机 优化所带来的好处，这种模式对发动机有利，而对电池不利。 ( 2 ) 发动机跟踪器控制模式 发动机的功率紧紧跟随车轮驱动功率的需求，这与传统的汽车运行相类似。 采用这种控制策略，电池的工作循环将消失，与充放电有关的功率损失被减少 到最低程度。但发动机必须在从低到高的整个负荷区内运行，而且发动机的功 率快速而动态变化，严重的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 i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) ，通过调节c v t 速比，控制发动机按最小油耗曲线运行，这样 同时减小了h c 和c 0 的排放量。 上述模式可结合起来使用，其目的是充分利用发动机和电池的高效区，使 其达到整体效率最高。例如，当汽车加速时，为了满足汽车车轮驱动功率需求， 降低对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 汽车车轮的功率需求较低时，为了避免发动机在低效率区域工作，可以采用恒 温器控制模式，以提高整车系统的效率。 1 4 2 并联混合动力汽车控制策略 并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，还要进一步优化。一般的 控制策略主要根据电池的s o c 、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的功率 等需求，按照一定的算法使发动机和电动机输出相应的转矩( 或功率) ，以满足 武汉理t 大学硕十学位论文 驱动轮的力矩需求【l l , 1 2 。 ( 1 ) 以车速为主要参数的控制策略 这是最早也是最常用的一种控制策略。它利用车速大小作为控制的依据： 当汽车行驶速度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，电机停止工作，由发动机驱动车轮；当车轮负荷较大时( 如加速、 爬坡) 或以较高车速行使时，由发动机和电机共同驱动车轮。这种控制策略利 用了电机低速大转矩的工作特性，避免了发动机的低负荷及怠速工况。当车速 较高有助于发动机有效工作时，发动机启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，发动机启动的车速可设定为一定值。对这种 混合动力汽车，设定车速越低，汽车一次充电的续驶里程越长。 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。车在低速行驶 时，由电机单独驱动车轮行使；当车速高于所设定的车速时，则采用混合驱动。 此时，发动机保持在恒定的节气门开度运行，由电机提供车轮所需的动态功率。 通过提高发动机启动时的设定车速并保持电池的s o c 在驾驶循环前后基本不变， 可以减少发动机的工作时间。这种策略可以减少汽车的排放，但是电机和电池 的功率较大，增加了整车的质量和成本。采用这种控制策略的汽车，需要监视 电池的s o c ，当s o c 降低到某一设定值时，无论此时车速多低，发动机将启动， 同时一部分发动机功率通过电机给电池充电。 ( 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，汽车由电机单独驱动；当车轮所需功率 高于此设定值时，此时有利于发动机有效工作，因而启动发动机，电机则停止 运行。发动机启动的最佳时机是在换档期间，这有助于获得平稳的驾驶性能。 一旦车轮所需的功率超过发动机提供的功率时，电机启动并辅助发动机提供额 外的功率。 在上述两种控制策略中，都存在发动机和电机共同工作的工况。这些工况 出现在车轮需求功率较高的时候( 急加速或以较高车速爬坡时) ，控制策略有以 下几种模式： a ：加速踏板踩下时，发动机和电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；b ：电机功率一直增加到最大值，然后启动发动机以补充 动力；c ：发动机被控制在有较高功率的低油耗区稳定运行，而由电机提供所需 的补充功率。 上述两种控制策略都比较简单，但不能保证各部件的最佳匹配，无法获得 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 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 ) 以成本和燃油经济性为主要目标的控制策略 采用这种控制策略的混合动力汽车装备了小功率的电机和小容量的电池是 电池的成本和质量被减小到最小程度。在这种策略中，电机一般在汽车急加速 时才启动，辅助发动机向车轮提供加速所需的功率。而汽车的一般行驶工况则 有一个小排量的发动机单独驱动，并在电池的s o c 下降到一定值时为其充电， 这进一步提高了发动机的负荷率，当汽车减速时，电池吸收制动能量而充电。 这种控制策略存在的一个缺陷是：由于发动机一直处于工作状态，虽然避免了 发动机开关控制引起的发动机效率下降问题，但无法消除发动机在低负荷时的 排放问题。此类混合动力汽车在加速时的控制策略有以下几种模式： a ：当汽车原地起步时，由发动机单独驱动汽车，或者由电机单独驱动汽 车起步，然后在汽车的速度达到一定值时，发动机启动，提供加速所需的 动力； b ：当汽车快速起步或急加速时，发动机和电机联合向车轮提供驱动功率。 ( 4 ) 采用优化技术的控制策略 德国学者u l r i h z o e l c h 等人对带有c v t 的并联式混合动力汽车做了研究， 以汽车对给定一个循环工况中发动机友好最小为目标函数，建立了包括c v t 、 电动效率在内的优化计算模型，利用动态优化技术对发动机、电机( 发电机) 所分配的转矩和c v t 速比进行了计算，并由此确定了电机所需的额定功率。该 优化方法只能用于特定的驾驶循环工况，不能用于实际的车辆控制。k m 公司的 c h u n h o k i m 等人以燃油经济性为目标的优化控制策略与上述策略相比，实质是将 发动机和电机控制在效率区工作，从而达到最佳的燃油经济性。这种方法可用 于汽车的实时控制，但是没有考虑汽车驾驶循环工况的影响及发动机的排放问 题。 1 4 3 混联式混合动力汽车的控制策略 混联式混合动力汽车的控制策略通常有两种：一是直接法，即将优化目标 ( 如油耗等) 表示为系统状态变量、控制变量等的函数；二是间接法，即最小 损失法，从计算当前驱动条件下个部件的效率入手，得到整个系统的能量( 功 率) 损失：损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量，如 发动机的转矩、转速，电池的放电电流等；驱动参数常用驱动轴的转矩和转速 表示【l3 。从这两种思路出发，可以得到许多的具体控制策略，下面作简要地介 武汉理工大学硕上学位论文 绍和分析。 ( 1 ) 发动机恒定工作点模式 这种策略采用发动机作为主要动力源，电机和电池通过附加转矩的形式进 行功率调峰，使系统获得足够的瞬时功率。由于采用了行星齿轮传动机构使发 动机转速不随车速变化，这样使发动机工作在最优的工作点，提供恒定的转矩 输出，而剩余的转矩由电机提供。由电机来负责动态部分，避免了发动机动态 调节带来的损失。而且与发动机相比，电机的控制也更为灵敏，容易实现。 ( 2 ) 发动机最优工作曲线模式 这种策略从静态条件下的发动机万有特性出发，经过动态校正后，跟踪由 驱动条件决定的发动机最优工作曲线，从而实现对发动机及整车的控制。在这 种策略下，使发动机工作在万有特性的最佳油耗线上。发动机在高于某个转矩 或功率限值后才会打开。发动机关闭后，离合器可以脱开( 避免损失) 或接合 ( 工况变化复杂时，发动机启动更为容易) 。只有当发电机电流超出电池的接受 能力，或电机的驱动电流需求超出电机或电池的接受能力时，才调整发动机的 工作点。 芎 至 毒 竣 羹 露 铺 发动机转速n t ( k r m i n “i 图卜4 发动机最优工作曲线 1 5 本文主要研究内容 通过上述分析可以看出，电动汽车作为一种新型能源汽车，是解决未来汽 车环境污染和能源问题的重要研究方向。混合动力汽车采用内燃机和电动机作 1 4 武汉理t 大学硕十学位论文 为动力源，是电动汽车中最具产业化前景的车型。混合动力汽车整车控制策略 开发和总成参数匹配技术，是混合动力汽车的核心技术之一。 本文将该项技术作为研究方向，包括如下三个方面的研究内容： 1 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，建立了动力系统部件模型；应用该模型 和真实的汽车行驶循环工况进行仿真，对城市公交客车整车控制策略和总成参 数匹配方案进行研究。 2 汽车行驶循环工况是混合动力汽车整车控制策略和总成参数匹配的分析 基础，也是混合动力汽车整车性能评价的基准。本文研究了中国典型城市公交 工况，为整车控制策略和总成参数匹配的研究工作提供了可靠依据。 3 对已开发车型w g 6 1 2 0 h d 做了经济性和动力性仿真分析，比较了三种控 制模式下各自的特点，指出模糊控制是较理想的控制方式，并提出了动力系统 优化的方法。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章城市公交循环工况分析 2 1 研究和开发城市公交循环工况的意义 城市公交客车循环工况对混合动力城市客车的排放和燃油经济性影响很 大。同时，混合动力汽车的动力总成结构选型、参数匹配、控制策略和控制算 法也必须以合理的、符合汽车实际行驶工况的循环工况为基础