（车辆工程专业论文）混合动力汽车电驱动控制系统研究.pdf

摘要2 0 0 8 - 0 6 - 0 3 遏金动力汽奎电望动控圭! 丕统硒窒 摘要 混合动力汽车融合了内燃机汽车和电动汽车的优点，在不降低动力性的前提下，可大 幅提高燃油经济性及减少汽车排放，是目前清洁汽车研究的主要方向。美、日及欧洲等许 多发达国家投入大量资金和人力进行相关研究，我国也将混合动力汽车作为重点攻关项目， 同时将混合动力汽车的3 大关键零部件电池、电机和控制系统的相关研究列为3 个纵向发 展目标。 电机及控制系统作为混合动力汽车主要的动力源，其性能好环直接影响混合动力汽车 整车的动力性能，因此对其关键技术进行深入研究具有现实意义。本文对混合动力汽车用 电机及其驱动控制系统进行了相应研究，包括永磁无刷直流电机和交流感应电机，具体内 容包括： 首先，对混合动力汽车的工作模式进行了分析，推导了混合动力系统功率流约束条件， 根据混合动力汽车动力学，对s w b 6 1 1 6 混合动力大客车的动力驱动系统进行分析、设计， 根据客观条件和设计要求，确定了电机、电池参数以及对电机驱动控制器的具体要求和实 现策略。 第二，对永磁无刷直流电机工作原理进行了分析，在此基础之上利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了永磁无刷直流电机的数学模型和控制模型，并进行终端滑模控制器的设计和仿 真研究；变结构控制方法的引入有效的改善了无刷直流电机固有的电机转矩脉动大，控制 精度低的问题。为了比较控制方法的有效性，与传统的p i d 控制器和线性滑模控制器进行 了比较，仿真结果说明，所设计非奇异终端滑模控制器效果最佳 第三，对交流感应电机进行了建模和仿真研究，感应电机显著优点是电机设计制造容 易、电机坚固耐用，而且随着现代电力电子技术的发展，大功率电力电子器件的出现，以 及调速方法的不断改进，使得交流调速系统的性能得到了很大改善，因此对交流感应电机 的研究也是目前国际上电动汽车用电机的研究热点。本章建立了三相感应电机在不同坐标 系上的数学模型；之后，基于建立的三相感应电机的数学模型，对矢量控制原理进行了分 析，设计了转子磁场定向的矢量控制系统，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，对三相感 应电动机和转子磁场定向矢量控制系统进行仿真分析。 最后，对混合动力汽车用永磁无刷直流电机驱动系统进行了设计，包括硬件电路设计 和软件开发两部分内容，实现了恒转矩启动和恒功率运行的要求。为了验证所设计系统的 有效性，研制了一个小功率试验平台，该平台以t m s 3 2 0 lf 2 4 0 7 a 为核心器件，基本实现 了混合动力汽车要求的大部分功能。 关键词：混合动力，电动汽车，仿真建模，p w m 控制，c a n 总线，d s p 上海交通大学汽车工程研究院 博士后出站报告2 0 0 8 舶加3 s t u d yo ne l e c t r i c a ld i u v ec o n t r o ls y s t e m f o rh y b r i de l e c t r i c a b s t r a c t a st h ec o m b i n a t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o n ( i c ) v e h i c l e sa n de l e c t r i cv e h i c l e s ，h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v ) c a nl e a dt os i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t si nv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，e n e r g y u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , a n dp o l l u t i n ge m i s s i o n s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l eh a sb e e nt h o u g h ta st h e m o s tp r o m i s i n gr e s e a r c hd i r e c t i o no fa l lc l e a nc a r s m a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e si n c l u d i n gu s a , j a p a na n ds o m ee u r o p ec o u n t r i e sa l em a k i n gg r e a te f f o r t st od e v e l o ph y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s i n o u rc o u n t r y , h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sh a v eb e e nl i s t e da so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o j e e l s m e a n w h i l e 叠st h ek e yc o m p o n e n t s ，t h eb a t t e r y , m o t o ra n di t sc o n t r o ls y s t e ma g ef i s t e da st h et h r e e g o a l sa l s o m o t o ra n de l e c t r i c a ld r i v ec o n t r o ls y s t e m 埘t l lh i g hp e a kp o w e ra n dq u i c kp o w e rr e s p o n s e ， a st h em a i np o w e rs o u r c eo fh e v s ，w i l lr e s u l t si nh i g hv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，s ot h ed e e pr e s e a r c h o nk e yt e c h n o l o g i e so ft h em o t o ra n de l e c t r i c a ld r i v es y s t e mh a ss i g n i f i c a n tm e a n i n g t h ep a p e r g a v eas t u d yo nm o t o ra n di t sd r i v es y s t e m ，i n c l u d i n gb l d c m o t o ra n da cm o t o r t h ep a p e ri s o r g a n i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ew o r km o d e o ft h eh e v sh a sb e e na n a l y z e da n dt h ec o n s t r a i n e dc o n d i t i o n so ft h e p o w e rf l o wi nh y b l i i dd r i v es y s t e mh a v eb e e nd e r i v e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nd y n a m i c so f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ，t h ep a p e rg a v ead e s i g no fd r i v es y s t e mf o rs w b 6 1 1 6h y b r i db u sw h i c h i st a k i n go nb ys h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y , t h ep a r a m e t e r so ft h em o t o ra n db a t t e r i e sa sw e l l 嬲t h ed e s i g nd e m a n d sa n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ed r i v e ns y s t e mb e e na s c e r t a i n e d s e c o n d l y , t h ep a p e rg a v et h ea n a l y s i so np e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c ) ， a n de s t a b l i s h e di t sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o lm o d e l b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n d c o n t r o lm o d e l ，an o n s i n g u l a rt e r m i n a ls l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h ei n t r o d u c i n go f v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r y 啪s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h et o r q u er i p p l ea n dc o n t r o lp r e c i s i o n o fb l d cm o t o r i no r d e rt ov a l i dt h ed e s i g n ，t h ep a p e rc o m p a r et h en o n s i n g u l a rt e r m i n a ls l i d i n g m o d ec o n t r o l l e rw i t ht h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra n dl i n e a rs l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r , t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h en o n - s i n g u l a rt e r m i n a ls l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rh a st h eb e s t p e r f o r m a n c ea m o n g t h et h r e ek i n d sc o n t r o lm e t h o d s t h i r d l y , t h ep a p e rp r e s e n t e dam a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o lm o d e lo fa cm o t o r t h e a d v a n t a g eo fa cm o t o ri se a s ym a k i n ga n dt h es o l i ds t r u c t u r e ，w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r i ct e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yw i t h t h ea p p e a r a n c eo fh i g h p o w e rp o w e re l e c t r i c c o m p o n e n t sa n dt h ec o n s t a n t l yd e v e l o p m e n to fs p e e dr e g u l a t i o nm e t h o d s ，t h ea cm o t o rh a v e m a d el a r g ep r o g r e s so nc o n t r o lp e r f o r m a n c e t h er e s e a r c ho na cm o t o rt r a c t i o ns y s t e mi sa l s oa h o t s p o ta b o u tt h er e s e a r c ho ne l e c t r i cv e h i c l e s i nt h i sc h a p t e r , t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h r e e p h a s ei n d u c t i v em a c h i n ei nd i f f e r e n tr e f e r e n c ef r a m ew a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h em o d e l ，a l l a n a l y s i sa n dd e s i g no fr o t o rf l u xo r i e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sg i v e n t h es i m u l a t i o nr e s u l tb a s e d o nm a t l a b s i m u l i n ks h o w st h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n 一n 一 上海交通大学汽车工程研究院 摘要 2 0 0 8 0 6 0 3 f i n a l l y , a ne l e c t r i c a ld r i v es y s t e mb a s e do nb l d cm o t o rf o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sa r c p r e s e n t e d ，i n c l u d i n gh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g n n ee l e c t r i c a ld r i v es y s t e mc a n r e a l i z e t h eb i gt o r q u es t a r t i n ga n dc o n s t a n tp o w e rr u n n i n g i no r d e rt ov a l i d a t et h ed e s i g n ，as m a l l 。p o w e r b u ) cm o t o rd r i v es y s t e mi sd e s i g n e d , w h i c hh a ss e l e c t e dt h ed s po ft m s 3 2 0 u 砣4 0 7a st h e c o r oc h i p t h es m a l i p o w e rb l d cm o t o rd r i v es y s t e mi sc o n t a i nm o s to ft h ef u n c t i o n sr e q u i r e d b yt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ；e l e c t r i cv e h i c l e s ；m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ；p w mc o n t r o l ； c a nb u s ；d s p ； 上海交通大学汽车工程研究院 - i i i 第一章绪论 1 1课题研究的背景 第一章绪论_ 帚一早珀了匕 汽车在给人类带来无数便利的同时，也伴随带来了众多不利影响。目前世界汽车保有量 约8 亿辆，预计到2 0 1 0 年全球汽车保有量将达到1 0 亿辆。2 0 0 3 全球5 7 的石油消费在交 通领域，预计到2 0 2 0 年交通用油占全球石油总消耗的6 2 以上。在汽车保有量高和使用集 中的大城市，汽车噪声和尾气排放对城市环境己造成严重污染，对生态环境构成严重威胁。 因此从节约资源，保护环境，降低汽车污染物的排放量，以绿色环保汽车代替燃油汽车也 是社会可持续发展战略的需要，成为世界共同关注的问题1 4 - 5 1 1 7 i 。 电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ) 是一种节约石油资源、减少污染甚至无污染的理想清洁汽车， 无疑是解决上述问题的有效途径，因此受到了广泛的关注和重视。上世纪7 0 年代，以美国、 日本为代表的国家加快了电动汽车的研究和开发，电动汽车也由最初问世时的单一全电池 供电的纯电动汽车发展成为现在的三大类：纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车i l j 1 6 l o 其中纯电动汽车发展时间最长，经验也丰富，纯电动汽车的缺点是一次充电续驶里程 短、蓄电池充电时间长、成本高、而且存在废旧电池的二次污染回收问题，这些瓶颈问题 抑制了其发展的步伐，使其市场化推广进程十分缓慢，尚需漫长过程。 燃料电池汽车是目前所能看到的最有可能产业化的终极汽车新动力方案，燃料电池是 一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及 燃烧和热机做功，能源利用效率是普通内燃机的2 倍。氢燃料电池动力系统不仅高效、低 噪音，而且无污染、无二氧化碳排放，是一种新兴的环保动力源。由于氢在地球中的蕴藏 十分丰富，氢气来源极其广泛，可从多种物质中提取，是一种可再生的能源资源，可通过 石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢：也可通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢 气。但由于燃料电池技术尚未突破以及由此形成的成本问题及可靠性和运行寿命较低等问 题，大批量投入市场也需很长一段时间。 在上述背景下，以发动机和电动机为动力源的汽车混合动力汽车( h v b r i de l e c t r i c v e h i c l e ) 应运而生，成为新型汽车开发的热点1 2 4 】【8 】。混合动力汽车被认为是目前电动汽车 中最具有产业化和市场化前景的车型之一混合动力汽车在不降低动力性的前提下，可大 幅提高燃油经济性及减少汽车排放，因此，许多国家政府和大型汽车公司加大了混合动力 电动汽车的研究开发工作，并取得了卓有成效的成果。可以相信，在蓄电池技术没有根本 性突破之前，使用混合动力电动汽车是解决能源与排放问题的最具有现实意义的途径之一。 我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，国家发展改革委员会发布的汽车 产业发展政策明确提出：“国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车。汽车产业要结合 上海交通大学汽车工程研究院 博士后出站报告 国家能源结构调整战略和排放标准的要求，积极开展电动汽车、车用动力电池等新型动力 的研究和产业化，重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术。国家在科技研究、 技术改造、新技术产业化、政策环境等方面采取措施，促进混合动力汽车的生产和使用 。 国家科技部制定的“十一五汽车创新工程 中，也明确提出将混合动力汽车及其产业化推 广作为十一五汽车工业的重要发展方向之一，同时将混合动力汽车的3 大关键零部件电池、 电机和控制系统的相关研究列为3 个纵向发展目标。 本课题就是基于这样的一个研究背景。当前，电动汽车的发展水平离商品化还有相当 距离，有相当多的问题需要进一步研究解决，主要有：高性能动力电池系统的开发；高性能驱 动系统( 包括多种电动机系统及内燃机系统) 的研制i 强3 5 j ：整车性能优化及集成管理单元的开 发等) i l o l ，在当前车载蓄电池技术未能突破的情况下，电动汽车电驱动系统是实现电动汽 车基本性能和解决上述制约问题的关键【1 删，这要求电动汽车电驱动系统应具有尽可能高的 转矩密度、良好的转矩控制能力、高可靠性及在宽车速范围内的高效率【冽：同时，电动汽 车电驱动系统还应保证在满足车辆动力学性能的前提下，使动力蓄电池放电电流最小。电 动汽车电驱动功能的实现涉及电机、电力电子、微处理器、蓄电池、控制理论等多学科技 术领域，是赶超世界汽车先进水平的核心技术。因此，对电动汽车电驱动系统的研究开发 具有重要的社会意义和工程实际意义。本课题针对混合动力电动汽车的动力系统进行设计 和分析，并对电机及其控制系统的关键技术进行理论及实际应用研究，背景是上海交通大 学正在进行的混合动力客车和轿车项目。 1 2 混合动力电动汽车发展状况 1 2 1 国外在混合动力电动汽车方面的研究与开发动态 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，混合动力电动汽车定义为： 有两种和两种以上的储能器、能源或转换装置作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能 的车辆成为混合动力电动车辆。根据这个通用定义，混合动力电动汽车有很多可能的混合 动力组合形式，但通常意义上的混合动力电动汽车是专指那些既有内燃机又有电动机驱动 的车辆。自9 0 年代初，混合动力电动汽车的开发得到了美、日及欧洲等许多发达国家的高 度重视，并已取得了重大的发展。 从9 0 年代开始，美国加强了企业和政府的合作，以混合动力电动汽车为重点，包括能 源部、运输部和国防部，斥巨资鼓励各大汽车公司和相关部门开展混合动力电动汽车的研 究。1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿与通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁提出了“新一 代汽车合作伙伴计划 ( 简称p n c v ) ，开发以混合动力电动汽车为核心的新一代节能汽车。 1 9 9 7 年底美国重新确定的p n c v 计划，混合动力电动汽车也是四个重点领域之一。美国先 进项目局( a r p a ) 于1 9 9 3 年订立电动汽车( e v ) 和混合动力电动汽车( h e v ) 项目，出 资2 5 0 0 万美元，与各州、地方和私人机构共同研究e v 和h e v 技术。1 9 9 4 年a r p a 项目 投资已增加到4 6 0 0 万美元。在1 9 9 8 年1 月的北美国际汽车展上，通用汽车公司就推出了 上海交通大学汽车工程研究院 第一幸堵诗 e v l 型4 座混合动力电动汽车。福特汽车公司也开发出“福特p 2 0 0 0 ”型5 座并联时混合 动力电动汽车，2 0 0 0 年投放市场：同时，福特公司丌发的“优异2 0 0 0 ”概念车实验平台的 性能己达到p n c v 计划的部分目标：每加仑汽油行驶8 0 1 u n 。1 9 9 8 年一月，克莱斯勒汽车 公司宣布开发出道奇无畏e s x 2 串联式混合动力电动汽车，2 0 0 3 年投放市场。1 9 9 7 年由美 国宇航局l e w i s 中心、俄亥俄州政府和工业界、大学等9 个单位合作，开发出串联式电动一 喷气涡轮混合动力大客车2 0 0 0 年投放市场。 另外，在2 0 0 7 年1 月7 日举行的“2 0 0 7 年北美国际车展( 通称：底特律车展”， 通用和福特两犬汽车公司分别展示了两款采用p h e v ( p l u gi nh y b r i dv e h i c l e ) 平台技术 的概念车吸引了无数眼球，同时也引起了各方的重视。 通用汽车展示的插电式混合动力车( p l u g i nh y b r i dv e h i c l e ) 的概念车为“2 0 0 7 c h e v r o l e tv o l tc o n c e p t ”，如图卜l 所示。该车配备通用定位于新一代驰动系统的、称 为“e - f l e x ”的混合动力系统该系统通过接入家用电源为配备的充电电池充电t 充电后 可仅凭充电电池作为电动汽车行驶。另外，在充电电池的剩余电量用完后，并不是切换至 发动机行驶模式，而是通过发动机旋转发电机，利用由此产生的电力为充电电池充电，继 续用马达行驶，从而形成了串联方式的插电式混合动力车。v o l tc o n c e p t 的电源采用锂离 子充电电池，容量在1 6 k w h 以上，充电1 次可作为电动汽车行驶约4 0 英里( 约6 5 k m ) ，如 果v o l tc o n c e p t 达到实用水平每年便可削减5 0 0 加仑( 1 9 0 0 l ) 汽油和4 4 0 0 k g = 氧化碳。 对于作为新一代驱动系统的e - f l e x ，通用汽车还有其它一些设想，比如今后对发动机采取 柴油化措施，以支持生物柴油燃料以及配备燃料电池系统柬取代发动机等。 图l12 0 0 7c h e v r o lc tv o l tc o n c c p l 的结构图 美国福特汽车展示的概念车为“a i r s t r e a m c o n c e p t ”，立l j 圈1 2 所示。是采用以燃料 电池取代发动机的串联式混合动力车。该车配备称为“h y s e r i e sd r i y e ”的新型驱动系统， 这种驱动系统是由以氢为燃料的燃料电池、电压为3 3 6 v 的锂离子充电电池以及行驶马达组 合而成的。如果预先使用1 l o v 或2 2 0 v 的家用电源对该车配备的充电电池进行充电，则该 车可作为电动汽车行驶约4 0 k m 。而且当电池余量降至约4 0 以下时即开始通过燃料电 池进行充电，借助这一电能可一边对充电电池充电，一边行驶约4 4 8 k m 。因此，如果充满 j 海交遗太擘汽车i 程研究r 博后女站报告 氢燃料，并且通过家用电源将充电电池充满电，则无需补充燃料而可行驶约4 8 8 k m 。 p l u g l nh 丫日r l d 避 囊- - 、。： 誊霉窆墨= 量毫苎燕 攀缓 图卜2m r s t r e a mc o n c e p t 的结构图 日本方面，在第3 2 届东京汽车展上，日本汽车公司推出了6 款混合动力电动汽车。1 9 9 5 年5 月日产公司开发出串联式混合动力型微型轿车，同年9 月日本汽车又开发出可以批量 生产的并鞋式混合动力电动汽车。日本富士重工将研制微型( 6 6 0 c c 以下) 混合动力型汽 车作为主攻目标。该公司已研制出了试验样车，采用了两种储能系统；双层电容器和锰钾 离子电池，可以根据不同的行驶状态，切换使用两种电池；另外又在车的顶棚装有太阳能 吸收板，停车时可以充电。本田公司开发了以一组超级电容替代通常使用的蓄电池系统的 j v x 混合动力电动汽车，其动力系统为一公升3 缸直喷式发动机和电动机。同野汽车制造 公司也于1 9 9 7 年开发出了柴油机电动机并联式混合动力的客车。三菱电机公司也开发出 串联式混合动力电动卡车，采用两个a c 感应电机和1 8 升的发动机令人瞩目的是丰田公 司开发的p r i u s 型5 座井联式混合动力电动汽车该车型于1 9 9 7 年1 2 月推向市场，据统计 1 9 9 8 年在日本国内销售量达1 2 0 0 0 辆。p d u s 创造性地采用两套动力系统混联方式，采用精 密的机械装置实现了动力系统的连接和能源的传递。另外丰田的c o a s t e r 串联式混合动力电 动客车也己进入商业化阶段。 法国雷诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力电动汽车已通过了1 0 0 0 0 1 锄的运 行试验。并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车n e x t 。这种两用车前部装有一台汽油发 动机、两台7 r m 电动机装在两个后轮上。当时速低于4 0 1 a n 时，由电动机驱动，4 0 k m 以上 时，由汽油发动机，同时为蓄电池充电，最大时速达1 4 2 k m h ，若再加速，此时蓄电池会 提供辅助动力，最高时速可选1 6 9 k i n 。瑞典沃尔沃公司也在沃尔沃f l 6 卡车的基础上，开 发了混合动力电动汽车，时速可达9 0 1 m a 。德国公司生产的并联时混合动力电动汽车d u o 己小批量生产，现在德国已开始出售，预计4 年内可售出5 0 0 辆德国汽车工业已实旌新 的捧放标准和节能要求，已经不允许百公里油耗超过5 升的轿车上路，也促使人们把更多 希望寄托于混合动力电动汽车上。国际上主要汽车生产厂家上市或目口将上市的混合动力汽 上海盘遗t 季汽车i 杜研览 第一幸绪论 车如表1 - 1 所示： 表1 - 1 世界主要汽车厂商昌上市或即将上市的混合动力汽车 研制开发厂家车型上市时间 丰田汽车 p r i u s 轿车一代1 9 9 7 丰田汽车p r i u s 轿车二代 2 0 0 3 丰田汽车 h i g h l a n d e r 陆地巡洋舰 2 0 0 5 丰田汽车雷克萨斯l 4 0 0 h 2 0 0 5 本田汽车 i n s i g h t2 座轿车 1 9 9 9 本田汽车c i v i c 轿车 2 0 0 2 本田汽车 a c c o r d h y b i r d 雅阁混合动力 2 0 0 5 三菱汽车h e v 无阶梯公共汽车 2 0 0 3 日产汽车未知 通用汽车雪佛兰s i l v e r a d o 2 0 0 5 通用汽车g m c - s i e r r a 皮卡2 0 0 5 通用汽车s a t u r n 甩多功能运动型轿车舢 通用汽车 通用c h e v y e q u i n o x 商务车 2 0 0 6 通用汽车雪佛兰t a h o e 2 0 0 7 通用汽车吉姆希y u k o n 2 0 0 7 戴姆勒克莱斯勒 道奇d u r a n g o 运动多功能车 2 0 0 8 戴姆勒克莱斯勒 d o d g e r a m 重型卡车 2 1 ) 0 5 戴姆勒克莱斯勒梅赛德斯奔驰s 级 2 0 0 6 福特汽车m a r i n e r 混合动力汽车 2 0 0 5 福特汽车 e s c a p e 多功能越野车 2 0 0 5 韩国现代汽车混合动力c l i c k2 0 0 4 法国雷诺公司 k a n g o o 未知 1 2 2 国内在混合动力电动汽车方面的研究与开发动态 我国在“十一五挣期间将混合动力电动汽车作为重点攻关项目，明确了我国的电动汽 车的发展重点：燃料电池汽车发展居首位，混合动力电动汽车次之，同时兼顾纯电动汽车 的基本原则。明确提出“三横三纵 的研发布局。“三横 指纯电动汽车、混合动力汽车和 燃料电池汽车的整车：“三纵力指电池、电机和驱动控制系统的关键零部件。 在国家8 6 3 计划的支持下，我国东风、一汽两大汽车集团自2 0 0 2 年甚至更早就已开始开 发混合动力客车和轿车，到2 0 0 4 年均已完成了功能样车试制，现在正在进行小批量生产， 在控制、混联机电耦合结构方案等方面完成了众多的技术创新。东风集团下属的东风电动 车辆股份有限公司在2 0 0 5 年底率先实现了混合动力客车的商品销售和混合动力轿车的示范 运营。 其他如上汽、长安、奇瑞、比亚迪等汽车公司也都在积极实施各自的电动车研发及产 业化计划。通用汽车中国公司( g e n e r a lm o t o r sc h i n a ) 2 0 0 4 年宣布，将与上海汽车集团 ( s a i c ) 携手，首次在中国开展混合动力公共汽车领域的合作。上海的产学研各界，在市 上海交通大学汽车工程研究院 博士后出站报告 科委的倡导和大力支持下，通过2 年的努力，也取得了阶段性的成果：2 0 0 4 年，由市科委立 项支持，上汽集团汽车工程研究院牵头，联合上海交大、申沃客车有限公司等单位，历时 年开发了“申新动l 号 混合动力大客车样车：2 0 0 5 年1 2 月，上汽集团完成了双龙混合 动力s u v 的研制，与原型车相比，在燃油经济性、续驶里程、排放和动力性等方面都有了明 显的改善。可以看出，同国外电动汽车水平相比，我国尽管有一定的差距，但远小于内燃 机汽车与国外的差距。国内主要汽车生产厂家上市或即将上市的混合动力汽车如表i 2 所 示： 表l - 2 国内各大汽车厂商混合动力汽车生产计划 研制开发厂家生产计划 一汽丰田国产p r i m 下线 一汽自主研发的混合动力公交车下线 东风自主研发的混合动力公交车下线 长安c m 9 样车问世。预计2 0 0 8 年量产 上海大众混合动力途安将在2 0 0 8 年小批量投产 比亚迪推出混合动力版的福莱尔 上汽与美国通用签署有关高效节能与环保清洁汽 上海通用 车项目意见书 华普海尚3 0 5 样车问世，计划在2 0 0 8 年实现量产 奇瑞推出b s g i s g 的混合动力样车 1 2 3 发展趋势 能源基金会中国可持续能源项目主任、执行副主席欧道格先生认为，中国在清洁能源 研究与应用方面的步伐非常快，如果在混合动力技术和政策方面给予支持，会有更多的客 车企业愿意投入到这个市场中来，这将对改善中国城市环境起到重大作用。 h e v 在近2 0 3 0 年内会有很好的发展前景，我们可以从两方面来理解：一，混合动力作 为一种技术，在不远的将来会成为燃料电池替换内燃机的重要的过渡技术，这对燃料电池 混合动力车( f c h v ) 的开发将会起到非常重要的作用，因此，混合动力技术就不仅仅是一种 提升品牌知名度和技术实力的需要；二。h e v 可能具有很好的商业前景，它也许会成为百 年汽车史上的又一个里程碑，从而开创世界汽车工业的新篇章。 混合动力技术相对比较成熟，节能和环保效果明显，因此，混合动力汽车得到快速发 展。在各国优惠政策的鼓励下，混合动力汽车逐步进入商业化推广应用阶段。从目前的混 合动力汽车技术发展趋势来看，表现出明显的模块化、总成化和平台化趋势。关键零部件 向总成化趋势发展，比如混合动力系统中的驱动电机和变速箱的一体化设计，发动机和电 机的总成化以及控制系统的集成化等，使混合动力系统更趋于紧凑，可靠性更高。 混合动力系统的模块化趋势，逐步推进了汽车动力的电气化。随着电功率的比例逐步 提高，混合程度不断提高，混合动力汽车从只具备自动启停、怠速关机功能的“微混合 、 上海交通大学汽车工程研究院 第一章绪论 以并联式混合动力发动机为主体的轻混合一和以混联式为特征的“强混合 ，最终将使用 混联式“全混合一方式。 1 3 混合动力电动汽车的关键技术 混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、 高效率的功率电子控制、转换设备和燃料经济性高、排放低的发动机。所面临的关键性技 术和需要解决的问题包括：车身设计、发动机及传动系统、电机及其驱动控制、电池及电 池管理系统、多能源控制策略与整车管理等几个方面。 1 3 1 车身、底盘设计 e v 和h e v 汽车设计有两种基本方法，一种是改装，另一种是专门设计制造。由于采 用了现有燃油汽车的底盘、发动机以及车身，对于试验和小批量生产而言，改装是一种经 济可行的方法，但是这种方法会造成自重较大、车身质心分布不均衡、重心位置较高等缺 点，会影响车辆的行驶的动力性。专门设计制造的车身较之改装车具有很多优势。在设计 混合动力电动汽车时，对影响整车整体性能的参数需要进一步改进，比如减轻整车质量， 降低风阻系数和减小滚动阻力等。可采用新型、轻型材料如铝合金材料等制作车身底盘来 减轻自重。采用流线型的车头和车尾、隐藏式和平坦式的车身底部可减小空气阻力车身设 计相关的关键技术与关键工艺有：车身造型及蒙皮轻量化设计、车身分缝位置及公差设计、 车身骨架轻量化稳健设计、车身内饰优化设计、车身强度分析等。 1 3 2 发动机及传动系统 发动机是混合动力电动汽车的主要动力源，要求热效率高、燃油经济型好、排放低， 在混合动力电动汽车中，必须考虑传动系统，良好的传动系统不仅能使发动机发挥最大效 率，还能保障与电机的配合，根据控制策略进行合理的功率分配。由于混合动力电动汽车 的动力可以同时来自内燃机和电动机，与传统汽车发动机相比，其作用发生了变化。在并 联混合动力汽车上，内燃机通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分负载功率，因 而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的内燃机；在串联混合动力汽车上，混 合动力单元驱动发电机产生电能，由于汽车的行使与发动机没有直接的联系，因此混合动 力单元也能够采用小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于功率较小的高效率区。 1 3 3 电机及其驱动控制 电机及其驱动控制系统是电动汽车的心脏，是提高电动汽车的驱动性能、行驶里程及 可靠性的根本保证。尤其是在目前蓄电池技术未取得突破的背景下，电驱动系统是保证电 动汽车续行里程、使之实用化的关键【”j 。 电动汽车运行于较宽的负载和速度范围及不同的路况下，其驱动用电动机的运行工况 非常恶劣，不仅表现在路面、气候及大幅度变化的交通状况，更重要的是由于电动汽车靠 蓄电池这种有限能量电源供电，而蓄电池的电压变化范围大，特别是当电压降至临界时的 实际容量受到极大的限制，上述因素严重影响着电动汽车用电动机系统的整体性能。电动 上海交通大学汽车工程研究院一7 一 博士后出站报告 汽车用电动机系统的开发必须综合考虑上述因素，保证系统性能优异、高效和可靠 电动汽车用电机及其驱动系统应具有( 1 ) 较高的转矩重量比；( 2 ) 宽调速范围、宽高效率 区以及良好的转矩控制特性；( 3 ) 电磁辐射尽量小；( 4 ) 成本低。最早开发的h e v 常采用通 用型电机，并且借用了内燃机汽车的传动系的一些总成和零部件来组成h e v 的驱动系统。 现代h e v 上已逐步采用机电集成化驱动系统和机电一体化驱动系统来驱动电动汽车，h e v 电机驱动系统的结构变得更加紧凑，传动效率大大地提高，控制也更加方便，h e v 的电机 驱动系统正在向大功率、高转速、高效率、小型化和专用化方向发展。 目前，h e v 用驱动电机有【删：有刷直流电机【1 7 1 、永磁直流无刷电机、永磁同步电机、 交流感应电机、开关磁阻电机 1 5 - 1 6 1 1 3 s ! 等几种应用较多的电机如图1 3 所示。 有刷直流电机通常采用功率管斩波控制实现对电机转速的调节，具有良好的调速性能、 控制简单等优点。但是由于需要换向器和电刷进行换向，增加了不安全因素，限制了其应 范围，而且由于效率较低，结构复杂体积大、重量大等缺点，处于被淘汰的地位。 图1 - 3 电动汽车用驱动电机的分类 交流感应电机驱动系统具有结构简单、制造容易、价格低和坚固耐用等特点，较适用 于混合动力电动汽车，其控制可采用磁场定向矢量控制和直接转矩控制【1 8 1 3 7 1 。美国和欧洲 的汽车公司在电动汽车用交流感应电机及其驱动控制系统方面的研究工作比较深入，技术 比较成熟。交流感应电机矢量控制具有类似直流电机的优良的动、静态特性，但控制技术 比较复杂，控制器成本比较高。系统强调电磁转矩瓦与转子磁链f ，的解耦，有利于分别设 计转速与磁链调节器，实行连续控制，可获得较宽的调速范围，但按转子磁链定向受电动 机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性并且控制技术比较复杂，控制器成本比较 高，对电机参数变化比较敏感。此外，采用矢量控制的混合动力电动汽车感应电动机在轻 载及有限的恒功率工作区域内运行时效率较低。直接转矩控制直接在电机定子坐标上计算 磁链和转矩的大小，实行疋与，。的砰砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构：控 制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响：但不可避免地产生转矩脉动，低速 性能较差。调速范围受到限制。 近年来，永磁材料在电机的广泛应用，采用稀土永磁的电机由于取消了电励磁，充分 利用了径向空间，使体积大大减小，效率提高，同时在结构方面的改进，提高了可靠性， 因此，永磁同步电机仍是目前开发电动汽车和混合动力电动汽车的一个选择【2 8 】1 3 9 1 。按照电 上海交通大学汽车工程研究院 第一幸绪论 机电枢中感应反电势的波形，永磁同步电机( p m s m ) 和无刷直流电机( b l d c m ) 是永磁电机 两种常见的基本形式。前者采用正弦波反电势形式，后者则采用方波( 或者梯形波) 反电势形 式。b l d c m 的特点是结构简单、控制方便、成本较低。它的效率、转矩重量比都很高， 并且具有直流电机类似的调速性能，但是转矩脉动的消除和位置检测技术还需要进一步完 善。适用于有减速系统和对车速要求不高的电动汽车应用环境。p m s m 控制系统具有高效、 高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁 路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用 价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视，并已在日本得到了普遍应用，是最具竞争 力的电动汽车驱动电机系统国内目前在p m s m 系列电机方面的研究开发还比较落后，仅 中科院电工所、哈尔滨工业大学、沈阳工业大学等少数几家单位在进行相关研究。 在感应电机系统与永磁电机系统应用于电动汽车的选择上，国外一些公司进行了有益 的探索美国g m 公司与u n i q u em o b i l i t y 公司、德国西门子公司、日本丰田公司等对相同 功率的感应电机系统和永磁同步电机系统进行了实验比较，得到的结论是：永磁同步电机系 统具有更高的效率( 尤其是低速下) 和功率密度，但价格较贵。对于最大功率为1 0 0 k w 的两 种电机，分别采用转差控制和相位超前控制时，永磁同步电机系统在重量减少4 k g 的情况 下，最大功率时的效率比感应电机系统高1 0 个百分点。而对于2 5 k w 的两种电机比较结果 是永磁电机的价格贵。而日本富士公司己提出适于大规模生产的永磁电机装配后充磁技术， 认为永磁电机的价格不久就可以降至与感应电机竞争的水平上来。 电动汽车可以采用如下几种传动方式：与传统燃油汽车相同；省略减速器；进一步省 略差速器；电动机同轴驱动车轮( 轴驱) ：将电动机直接装在车轮内即( 轮驱) 。不同的电 传动方式，对电机系统的性能指标要求不同，控制的