（光学工程专业论文）isg型混合动力汽车控制策略研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y t h er e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g yf o r h e v e q u i p p e dw i t hi s g ( s u p p o a e db yt h en a t i o n a l “8 6 3 p l a n sp r o j e c t ) s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o l o fa u t o m o t i v e e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：z h u a n gj i e s u p e r v i s o r ：p r o f a i m i nd u f e b ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用丁学术活动。 学位论文作者签三二g 詈嘉7 1 0 移年哆月o 二 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 摘要 摘要 能源危机和坏境污染是当前世界面临的两大难题，汽车的燃油消耗及尾气 排放很大程度上加大了上述两个问题的严重性，从而促使我们不得不考虑未来 汽车的发展道路。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 ) 作为一种符合 时代需求的新型汽车，既拥有纯电动汽车的高效和低排放性能又有传统内燃机 汽车的行驶罩程长、燃料补充快速的优点，使得混合动力汽车的研究和丌发成 为当前汽车行业的一大热点。 本文以同济大学与上海华普汽车有限公司共同承担的国家“8 6 3 ”计划“节 能与新能源汽车”重大专项为依托，研究基于超级电容的弱混合动力轿车控制 策略。在认真分析混合动力系统结构的基础上，结合项目的总体方案要求及华 普公司原有车型和相关部件的具体情况，对该型混合动力轿车所用的发动机、 i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) 电机及超级电容进行了选型和建模分析。根据 螫萼i 佰置形式，借鉴其他成熟的电动汽车仿真软件建模方法，采用讵向仿真方 法建立了该型h e v 的s i m u l i n k 模型。 混合动力汽车的控制策略是实现车辆低油耗和低排放的核心。本文深入探 讨了该i s g 型混合动力汽车的转矩分配策略，并通过仿真和实验研究了i s g 电 机带动发动机快速启动，实现了年辆的快速起停功能，从而降低了油耗及排放。 通过搭建的整车仿真模型，对预定的整车控制策略进行了评估和优化，并分析 了车辆在各种工作模式下，整车的能量流动及转矩分配情况。 仿真结果表明，本文建立的混合动力轿车模型及控制策略能很好地模拟预 定的循环工况，较大程度地改善了车辆的燃油经济性，降低了排放，实现了方 案的总体要求。 关键词：混合动力汽车，控制策略，i s g 电机，s i m u l i n k 仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n e r g yc r i s i s a n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r ec u r r e n t l yt w om a j o r c h a l l e n g e sf a c i n gt h ew o r l d ，t h ev e h i c l e f u e lc o n s u m p t i o na n de x h a u s te m i s s i o n sh a v e i n c r e a s e dt h es e v e r i t yo ft h e s ea b o v et w oi s s u e s ，w h i c hp r o m p t e du st oc o n s i d e rt h e d e v e l o p m e n to fr o a dv e h i c l e s a sa n e wt y p ev e h i c l ew h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t so f t h et i m e s ，h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) h a st h eb e n e f i t so fb o t he v ( e l e c t r i cv e h i c l ) a n dt r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e ，w h i c hh a v em a d eh e v t h ef o c u s o fv e h i c l er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t b a s e do nt h en a t i o n a l “8 6 3 ”p l a n sp r o j e c t ，“e n e r g y 。s a v i n ga n dt h en e w e n e r g y v e h i c l e ”s h a r e db yt o n g j iu n i v e r s i t ya n dm a p l ea u t o m o b i l ec o - ，l t d ，t h er e s e a r c h o fc o n t r o ls t r a t e g yf o rm i l dh e ve q u i p p e dw i t hu l t r a c a p a c i t o rh a sb e e na n a l y s e d a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h eo v e r a l lp r o j e c ta n dt h er e l a t e dc o m p o n e n t st h em a p l e h a s t h eh y b r i ds y s t e mc o n f i g u r a t i o nh a sb e e na n a l y s e d a n dt h ee n g i n e ，l e g f i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) a n du t r a l c a p a c i t o ro ft h e h e vh i v eb e e nm o d e l e d r e f e r r i n gt ot h es u c c e s s f u is o f t w a r eo fe l e c t r i cv e h i c l es i m u l a t i o n ，af o r w a r d f a c i n g h e vm o d e lb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kh a sb e e nb u i l tt oe v a l u a t et h ec o n t r o ls t r a t e g y c o n t r o ls t r a t e g yo fh e v i st h ek e yp o i n tt oa c h i e v el o wf u e lc o n s u m p t i o na n d 1 0 w e m i s s i o n t o r q u ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g yo ft h i sh e v i si n v e s t i g a t e dd e e p l yi n t h i s p a p er w i t ht h eh e l po ft h ei s gt h eq u i c k l ys t a r t i n gf u n c t i o no fe n g i n e i sr e a l i z e d ， w h i c ha c h i e v e dt h es t o p a n d g oo ft h eh e va n dr e d u c e df u e lc o n s u m p t i o na n d e m i s s i o n s 。t h r o u g ht h ev e h i c l es i m u l a t i o nm o d e l ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h i sv e h i c l e i se v a l u a t e da n do p t i m i z e d t h ee n e r g yf l o wa n dt o r q u ed i s t r i b u t i o na r ea l s oa n a l y z e d i nd i f f e r e n tw o r km o d e s r e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh e v m o d e la n di t s c o n t r o ls t r a t e g yw o r kw e l li nt h e c v c l es i m u l a t i o n t h er e s u l t sb r i n gt h ei m p r o v e m e n to ff u e le c o n o m ya n dd y n a m i c a l p e r f o r m a n c e f o r t h ev e h i c l e k e yw o r d s ：h e v , c o n t r o ls t r a t e g y , i s gs i m u l i n k i l 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 选题的背景和意义1 1 2 混合动力汽车的分类及特点2 1 3 国内外发展现状- 5 1 3 1 国外的研究及发展动态5 1 3 2 国内的研究及发展动态8 1 4 混合动力汽车控制策略概述lo 1 4 is h e v 控制策略l o 1 4 1p h e v 控制策略11 1 5 本课题的研究内容1 2 第2 章s m a 7 1 5 0 h e v 的总体方案设计13 2 1 动力系统方案设计 l3 2 2 华普p h e v 工作模式17 2 3 本章小结19 第3 章动力部件的分析及选型2 0 3 1 发动机2 0 3 1 1 发动机参数选择2 0 3 1 2 发动机模型分析。2 4 3 2i s g 电机2 5 3 2 1 电机参数选择2 5 3 2 2i s g 电机模型分析3l 3 3 超级电容3 3 3 3 1 超级电容参数选择。3 4 i i i 目录 3 3 2 超级电容模型分析3 7 3 4 本章小结3 9 第4 章华普h e v 控制策略设计4 0 4 1 动力系统布局4 0 4 2 控制策略设计4 0 4 2 1 车辆运行模式分类4 l 4 2 2 车辆运行模式判断。4 l 4 2 3 启动模式：4 2 4 2 4 起步模式4 4 4 2 5 行驶模式4 6 4 2 6 制动模式5 0 4 2 7 驻车发电模式。5 1 4 2 7 停车模式5 2 4 3 模式切换5 2 4 4 各运行模式下的功率平衡5 3 4 5 本章小结5 5 第5 章华普h e v 控制策略的实现5 6 5 1 发动机起动过程分析5 6 5 1 1 发动机启动过程的阻力模型5 6 5 1 2 发动机启动过程总阻力矩6 2 5 1 3 发动机启动约束条件6 3 5 1 4i s g 电机控制模型分析6 3 5 1 5 仿真及台架试验结果。6 6 5 2 驾驶员模型设计i 6 9 5 3 多能源总成控制器设计7 1 5 3 1i s g 电机转矩补偿模式分类7 l 5 3 2i s g 补偿转矩限制7 4 i v 目录 5 4 城区工况仿真计算7 4 5 5 本章小结8 l 第6 章结论与展望8 2 6 1 结论8 2 6 2 进一步工作的方向8 3 致谢8 4 参考文献8 5 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 9 v 第1 章绪论 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 当今世界汽车的保有量已经超过了8 亿辆，每年销售的新车超过6 0 0 0 万辆， 由此导致的能源短缺和环境污染是目前汽车工业发展所面临的两大挑战。有关 资料显示，城市大气中c o 的8 2 、n o x 的4 8 、h c 的5 8 和微粒的8 均 来自汽车排放的废气。按照国家环保中心预测【，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占 空气污染源的6 4 。从2 0 0 0 年起，我国已经开始全面实施新的排放法规，同时， 一系列鼓励用户购买使用低排放车辆的经济政策也已经开始出台。随着时间的 推移，国家排放法规必将会越来越严格。 另一方面，能源是国民经济的基本支撑，是人类赖以生存的基础。能源安 全是国家经济安全的重要方面，它直接影响到国家安全、可持续发展及社会稳 定。我国的石油资源相对较少，从1 9 9 4 年开始，我国就已经是石油进口国，因 此节能早就已经提上了议事日程。有关专家预测，到2 0 1 0 年中国的原油进口量 将超过l 亿吨。随着工业化和城镇化进程的加快，我国石油需求将呈现强劲增 长态势，如不采取积极有效的措施，到2 0 2 0 年，我国对国际石油市场的依存度 将达到5 0 左右。同时，面对日益上涨的燃油价格，提高汽车的燃油经济性成 为用户的最大需求之一。所以，为了解决能源短缺和环境污染这两大难题。开 发新一代的清洁节能型汽车成为时代要求，也是汽车发展的必然趋势【2 】【3 1 。 由于当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占8 0 以 上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的4 0 ，在市区还会跌至2 5 ，更为严重的是排放废气污染环境。2 0 世纪9 0 年代以来，世界各国对改善环 保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是 电动汽车的天下，但是目前的电池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差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在l o 年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车( 除非燃料电池技术有重大突破) 。 现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置 ( h y b r i d e l e c t r i c v e h i c e l ，缩写h e v ) 的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机 第1 章绪论 与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型 燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一 部分动力由电池电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作 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，二者“并 肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高1 0 以上，废气排放可改善3 0 以上。 1 2 混合动力汽车的分类及特点 混合动力汽车按照能量合成的的形式主要分为串联式( s h e v ) 、并联式 ( p h e v ) 和混联式三种【4 】【5 】【6 】。 串联式混合动力汽车的动力源由发动机、发电机和电动机三部分动力总成 组成，它们之间用串联的方式组成s h e v 的动力单元系统。负荷小时由电池驱 动电动机带动车轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当 电动车处于如启动、加速、爬坡的工况时，发动机一电动机组和电池组共同向 电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动 电动机，由发动机一发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工 况下，最终都要由电动机来驱动车轮。例如福特“新能级- - 2 0 1 0 ”s h e v ，其电池 采用燃料电池，在市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机，电动机通过减速器 ( 变速器) 和驱动桥驱动车轮，达到了“零排放”要求。当高速及爬坡时，则由发 动机一电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。串联式结构适用 于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定 运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了 怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它 的缺点是能量几经转换，机械效率较低。 2 第1 章绪论 ”机械能”- - 电能 图1 1 串联式结构图 蓄电池 逆变器 电动机 车轮 并联式混合动力汽车是通过将发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽 车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供转矩， 在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作电动机又可 以作发电机使用，又称为电动一发电机( i s g , 。i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) 组。 由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置 更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。例如大众汽车公司的高尔 夫p h e v ，发动机通过前离合器( 布置于发动机与i s g 之间) 带动i s g ，输出扭 力再通过另一边后离合器( 布置于i s g 与变速箱之间) 驱动车辆行驶。静止启 动时，电池向i s g 供电，此时i s g 就是发动机的起动机。发动机启动后，发动 机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动i s g 发电向电池充 电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，前离合器脱开，后离 合器接合，电池做为唯一能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。 当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动前离合器闭合，发动机与i s g 组成 复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。并联式混合动力汽车更接近传统的汽车 驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。 3 图1 2 并联式结构图 混联式混合动力汽车则包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动 机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两 种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电 机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是 控制方便，缺点是结构比较复杂。丰田的p r i u s 属于以电机为主的形式。 图1 3 混联式结构图 蓄电池 逆交嚣 电动机 车轮 混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。由于构 造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车是一种符合时 4 第1 章绪论 代需求的过渡产品。 1 3 国内外发展现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，世界各大汽车公司通过先进的开发手段，已相继 推出了采用不同布置形式和控制策略的h e v 产品。我国的相关科研机构及汽车 生产企业也不甘落后，在混合动力汽车领域开展了深入的研究并已取得了可喜 的成绩。1 7 】【8 】 1 3 1 国外的研究及发展动态 1 日本 日本在混合动力车的研发上走在世界的前列【9 】，日本丰田公司在混合动力车 方面先行一步，1 9 9 7 年，丰田公司以低于2 万美元的价格向国内市场推出了世 界上第一款批量生产的混合动力轿车p r i u s 。随着p r i u s 的潜能为社会广泛认同， 各种减免购车税和其它鼓励购买的政策相继出台，丰田不但成功地将p r i u s 推向 市场，同时也使得混合动力技术深入人心。2 0 0 0 年，新款p r i u s 在北美和欧洲市 场同时上市，并得到了各地政府的大力支持。目前丰田推出的p r i u s 混合动力轿 车已经投放在欧洲、日本和美国等各大主要汽车市场。作为环保车，新一代的 p r i u s 的耗油量将比一般汽车少一半，而它所排出的废气将只是一般汽车的1 5 。 丰田公司计划在2 0 1 0 年左右，其所有车型都将应用混合动力技术。截至2 0 0 7 年p r i u s 销量已经突破百万辆。 除了丰田公司外，本田和日产也分别推出了各自的商品化混合动力汽车 i n s i g h t 和t i n o 。日本本田公司于9 9 年1 1 月推出自己的混合动力系统“本田i m a 系统和混合动力车i n s a g h t 之后【l o l ，2 0 0 0 年6 月决定将混合动力系统装备于主 力车型c i v i c 和雅阁车上。经过一年的努力，于2 0 0 1 年9 月，本田发表了改进 型的混合动力系统“本田i m a 系统”，并将其装备在l 芝月份开始出售的“c i v i c 混合动力车 上。采用高性能发动机加辅助电机，无级变速系统的有机的组合， 实现了每升燃料消耗行走2 9 5 k m 的世界最高纪录，打破了丰田公司p r i u s 每升 燃耗行走2 9 k m 的纪录。 2 美国 5 第1 章绪论 通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了以“混合动力汽车”为重 点目标的美国p n g v ( p a r t n e r s h i pf o ran e w g e n e r a t i o nv e h i c l e ) “新一代汽车使 用计划”。在该计划的指导下，美国三大汽车公司都已经在混合动力汽车领域投 入了巨额资金，到目前为止都已经向市场推出了各自的h e v 。 截止目前通用汽车已经推出了混合动力版的凯迪拉克凯雷德s u v ，雪佛兰 v o l t ，土星a u r ag r e e nl i n e 等混合动力车型。在随选排量技术( a c t i v ef u e l m a n a g e m e n t ) 的支持下，通用公司的双模式混合动力系统将能节省至少2 5 的燃 油。该轻型混合动力系统实质上是一套电控可调变速箱。作为混合动力技术和 顶极传动技术的完美结合，它结构精巧，其电机系统大小只有普通单模式混合 动力系统的一半左右；而且极大提高了汽车的性能。它利用现有的传动系统， 配有两套电动马达，可以在两种混合动力运行模式之间实现自如切换，无论在 市区还是在高速公路上，都能以更经济、有效的方式源源不断输出动力，在保 持车辆高性能的同时进一步优化燃油经济性。通用汽车旗下的的新型混合动力 汽车土星a u r ag r e e nl i n e ，起售价仅为2 2 ，6 9 5 美元。此款h e v 配备了先进的电 动机和2 4 升四缸发动机以及四速自动变速器。a u r ag r e e nl i n e 的e p a 官方油 耗仅为城市8 4 5 【1 0 0 l 洲，高速公路为6 7 6 l 10 0 k m ，相比于普通版的a u r ax e 车型油耗降低3 0 ( 依驾驶条件而定) 。 福特则计划大力拓展混合动力汽车产品线，在未来三年中，基于在去年成 功上市的油电混合动力车e s c a p eh y b r i d 的基础，再推出四款混合动力汽车。福 特集团旗下新增加的混合动力汽车产品将包括： ( 1 ) m e r c u r ym a r i n e rh y b r i d ，生产日期提前，将于年内实现销售； 9 ( 2 ) 福特f u s i o nh ：y b r i d 三年内产品上市； ( 3 ) m e r c u r ym i l a nh y b r i d 三年内产品上市； ( 4 ) 成立m a z d at r i b u t eh y b r i d s 试验车队，两年内实现全面生产。 以上所提的五款汽车产品均为完全混合动力汽车，在诸如市内堵车或因交 通信号灯而发生的低速行使和停车情况下，汽油发动机将具有自动停止、汽车 在纯电动模式下工作，较大程度地提升了燃油经济性。 克莱斯勒汽车公司已在2 0 0 7 年增产2 5 万辆灵活燃料车，以汽油或者e 8 5 为燃料，到加0 8 年产量争取达到5 0 万辆。车型则包括克莱斯勒a s p e n 、吉普指 挥官、大切诺基、道奇的d a k o t a 、公羊和d u r a n g o 等，而小货车将装备3 3 l v 6 发动机，s e b r i n g 车型则安装2 7 l v 6 发动机。自1 9 9 8 年起，克莱斯勒已制造了 6 第1 章绪论 1 5 0 万辆混合动力汽车。 3 欧洲 欧洲各大汽车厂商也纷纷推出了混合动力汽车。标致雪铁龙集团将于2 0 1 0 年前后正式向市场推出柴油一电力混合动力车，其车型将是雪铁龙c 4 或该车的 替代产品。出于减少燃油消耗和保护环境的双重考虑，标致雪铁龙汽车集团首 款上市的混合动力车将是柴油一电力混合动力车，当车速降至时速5 0 公里以下 时，柴油发动机自动熄火，改由电动机为汽车提供驱动力。 德国大众在第2 l 届国际电池、混合动力及燃料电池车论坛暨展示会上，进 行了正在开发的柴油混合动力车“g o l f t d ih ：y b r i d ”的行驶演示。该公司混合动力 车的特点是：单电机配套使用发动机，可进行起动及能量回收等所有条件下的 行驶。配套使用的发动机无论是汽油机型还是柴油机型均可使用，此次展示的 车辆采用的是附带3 缸涡轮的1 4 l 排量柴油发动机。动力系统采用在发动机和 6 速自动m t “d s g ( 直接转档变速箱) 之间，夹配附带离合器的电机的布局。 位于发动机和电机之间的离合器是一种利用油压控制来工作的干式离合器，根 据需要断开该离合器，便可进行无需发动机而仅靠电机驱动的行驶。电机的输 出功率为1 5 k w ，结合发动机8 5 k w ( 11 4 h p ) 的输出功率，可实现1 9 0 k m h 以上 的最高时速，以及l1 秒左右的0 1 0 0 k m h 加速。实际上，发动机与电机相结合 的最大转矩在2 5 0 0 r p m 时为3 0 0 n m ，比一般情况下附带过给器的1 9 l 柴油发动 机不足2 5 0 n m 的转矩有了大幅提高。蓄电池采用镍氢电池，输出功率为1 4 4 v ， 电池容量为0 9 k w h 。行驶时，在仅靠电机起动、深踩油门，以及利用发动机起 动两种行驶模间进行转换。在最大转矩达到5 0 n m 左右时，可仅凭电机行驶。 另外，当松开油门减速时，发动机便会立即停止，转换成能量回收模式。车辆 发动机及电机的工作情况可通过设置在中控台中央的显示器来了解。 戴姆勒克莱斯勒的概念车油电混合动力的“s 级”奔驰。在s 级v 8 柴油发动 机车上配备了2 0 0 4 年底特律车展上展出的使用2 台电机的油电混合动力装置。 该公司称该油电混合装置为“p 1 2 ”，在发动机与变速器之间配备了2 台电机及离 合器。由于使用2 台电机，车辆起动时由发动机一侧的电机进行发电，由变速 器一侧的电机进行驱动。在提速阶段与离合器联动，因此能够实现高级车特有 的平稳行驶性能。 德国博世( b o s c h ) 日前宣布将加强面向混合动力车的产品开发。该公司宣 第1 章绪论 布开发的混合动力装置大体分为3 种，其中构造最简单的就是具有无空转功能 的“m i c r o h y b r i d ( 微型混合动力装置) ”。另外，还将量产“s m a r t e l e c t r o n i c s t a r t s t o ps y s t e m ( s e s ，智能电子起动停止系统) ”。 第2 种混合动力装置是“m i l d h y b r i d ( 中型混合动力装置) ”，配备功率约为 2 5 k w 的电机，电机在以发动机动力为主的情况下，为超车加速等操作提供辅助 动力。另外，还设想将燃效提高大约3 0 ，除其它措施外，还将通过减少发动 机本身的体积来实现这一数值。 第3 种装置为“s t r o n g h y b r i d ( 大型混合动力装置) ”，配备功率超过5 0 k w 的电机，由于配套使用的是最大转矩约为3 5 0 n m 的电机，所以可以完成仅凭内 燃机构无法实现的加速。另外，通过增加离合器，还可切断发动机驱动力、仅 凭电机行驶。不过，在燃效提高方面，与m i c r o h y b r i d 相同，均为3 0 。 c 1 3 2 国内的研究及发展动态 我国混合动力汽车的研究起步较晚。九十年代中期，汽车企业及有关专家 开始对混合动力汽车技术表示出极大关注，并着手研制开发样车，例如厦门金 龙汽车公司与清华大学合作，研制了串联式混合动力中巴。目前投入此项研制 工作的产、学、研单位已不下十余家，但大都规模较小，经费短缺，技术水平 较低，方案大多雷同，甚至重复。9 9 年以后，一汽集团和东风集团也不约而同 地着手研制混合动力汽车，目前处于研制开发阶段。 2 0 0 1 年，国务院科教领导小组将电动汽车确定为“十五”国家1 2 个重大科 技专项之一，在1 2 个专项国家财政拨款总投入6 0 亿元的经费预算中，划出8 8 亿元支持电动车专项，并于2 0 0 1 年1 0 月首批予以启动。国家财政拨款加上地 方和企业配套资金，电动汽车专项总投入达2 0 多亿元。2 0 0 2 年1 月，电动汽车 重大专项第一批课题正式启动，共有5 个整车课题，分别为：东风电动车辆股 份有限公司( 武汉) 的混合动力轿车和混合动力大巴，一汽的混合动力大巴， 上海的燃料电池轿车，以及北京的燃料电池大巴，另有两个整车培育课题，分 别是上海奇瑞的混合动力轿车和重庆长安的混合动力轿车。 “十五”8 6 3 计划要实现混合动力电动汽车的批量生产，国家科技部和电动 汽车重大专项总体组委托中国国际工程咨询公司负责本专项的监理，实施对项 目的过程管理，确保实现产业化目标。截至2 0 0 2 年7 月，随着电动汽车重大专 8 第l 章绪论 项的实施，已形成了6 家产学研结合、金融机构介入的新型股份制企业，包括 上海燃料电池汽车动力系统有限公司、东风电动车辆股份有限公司、北京时光 科技有限公司、奇瑞电动汽车股份有限公司、天津清源电动车辆有限公司、大 连新源动力股份有限公司，这将成为中国电动汽车研发的中坚力量。 包括承担8 6 3 项目的企业在内，国内各主要汽车公司都在积极开展混合动 力技术的研究工作。东风汽车公司把混合动力汽车作为公司的战略项目，投入 了大量人力物力进行自主开发。一汽集团在混合动力汽车的开发上，走的是引 进国外技术的道路，它与丰田汽车公司在长春合作生产的p r i u s 已经下线。奇瑞 汽车公司和重庆长安汽车公司也在积极开展混合动力轿车的研究，并争取到了 国家8 6 3 培养课题的资助。 目前东风电动车辆股份有限公司已经开发出混合动力汽车。其中， e q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车以风神蓝鸟轿车为平台，以满足未来城市公务、出 租用车需求为目标，最大限度利用东风公司现有产品平台及社会资源开发而成， 实现产品系列化、通用化、标准化设计。主要技术参数：最高车速1 6 0 k m h ，锂离 子电池。e q 6 11 0 v 型混合动力城市公交车采用混联方案，专为2 0 0 8 年北京奥运 会公交用车而开发。主要性能参数：采用东风康明斯6 b t a 型柴油机( 最大转矩 4 8 8 n m ，额定转速2 2 0 0 r m i n ；中科院电工所研制的交流电机，纯电池电动运行 最高车速3l k m h ：最大功率2 7 k w ；发动机和电机混合驱动最高车速7 2 k m h 。 值得一提的是，同济大学汽车学院于2 0 0 1 年承担了上海市重点学科项目“混 合动力汽车的核心技术研究 ，并承担了国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项的研究 内容，同济大学汽车学院所研制的“登峰一号”、“登程一号 混合动力轿车都 展示了雄厚的技术研发实力，其中的多项自主开发的专利技术都达到了国际领 先水准。同济大学近几年来在电动汽车、多能源管理系统、四轮驱动、混合动 力等领域投入了大量的人力、物力，取得了一定的成果，为混合动力车的成功 研制奠定了良好的基础。目前上海华普汽车有限公司正与同济大学展开合作， 进行拥有自主知识产权和品牌的混合动力汽车开发。0 7 年1 1 月的上海工博会上， 华普汽车首次展示了混合动力样车。预计到明年6 月，完成产业化工程分析及 研究；到2 0 0 8 年，将呈献小批量试制和生产的混合动力轿车，争取在2 0 0 8 年 北京奥运会和2 0 1 0 年上海世博会上，能推出节能、安全、环保的产业化混合动 力轿车。 总之，目前国内外各大汽车公司纷纷加强对混合动力汽车的开发与研制， 9 第1 章绪论 谁最先掌握了技术谁就会在激烈的竞争中占得先机。无疑日本的公司已经远远 的走在前面，欧美各大汽车公司也加强该技术引进与合作，纷纷推出自己的混 合动气样车。国内各企业也不甘落后，根据自身特点和国内在一些领域的优势， 也加强研制适合中国国情且具有自主知识产权的混合动力汽车，以应对未来国 外汽车公司的挑战。然而我们在很多关键技术方面仍然有很大的差距，为了缩 短这些差距，我们需要加大投资力度，集中精力进行研究与开发，早日把我们 的优势和技术转化为生产力，以推动汽车产业和社会的进步。 1 4 混合动力汽车控制策略概述 混合动力汽车的开发初衷就是节约能源和降低排放，在这两个大前提下， 保证车辆具有不逊于传统车辆的动力性、舒适性及安全性等。由于混合动力汽 车拥有两个以上的动力源，因此为了达到降低能耗与排放的目的，就要合理控 制整车的能量消耗及能量在两个动力源之间的流动情况及各部件之间的优化和 匹配，这就牵涉到混合动力汽车酊控制策略，它通常也是h e v 关键技术的核心 之一。控制策略的任务就是要针对各部件的性能及车辆运行工况，实现能量在 发动机和电机之间的合理分配，使整车效率达到最高从而使得车辆的燃油经济 性及排放性能最佳。 1 4 1s h e v 控制策略 s h e v 的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因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、发动机及发电机的总体效率。目前比较流行 的s h e v 有以下两种控制模式【n 】。 恒温控制器模式 当蓄电池荷电状态( s t a t eo f c h a r g e ，简称s o c ) 降低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。当蓄电池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。在这种模式下蓄电池组要满足所 有瞬时功率的要求，其过渡循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带来的 1 0 第l 章绪论 好处。这种模式优化的对象是发动机而不是蓄电池。 发动机功率跟随模式 此模式下，发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化，这与传统车相似。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域内运行，而且发动机 的功率快速而动态地变化，这些都损害了发动机的效率和排放性能( 尤其在低 负荷区) 。对此的解决办法一般是采用自动无级变速器，通过速比调节控制发动 机按最小油耗益线运行，这样同时减少了h c 和c o 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。 1 4 1p h e v 控制策略 并联式混合动力汽车的控制策略通常是根据电池的s o c 、驾驶员的踏板信 号、车速和整车需求功率等参数，按照一定的规则使发动机和电机输出相应的 转矩( 或功率) ，以满足车辆的行驶需求。 电力辅助型控制策略 该模式下，发动机作为主要动力源，电机和电源提供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。发动机工作点处于最优的工作范围， 提供稳定的转矩输出，而剩余的转矩则由电机提供。该策略从发动机的稳态特 性出发，综合电池s o c 值及电机的转矩补偿情况来决定发动机实际工作状态。 自适应控制策略 该模式主要是以燃油经济性为目标的优化控制策略，它将电池输出功率转 化为等效的燃油量，建立了基于有效燃油消耗率的优化模型，以发动机燃油消 耗量最小为目标函数，得到随车速、电池s o c 和所需功率而变化的控制量( 如 变速箱速比、电机转矩和发动机节气门开度等) 。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，从而达到最佳燃油经济性。这种方法可以 用于实时控制，并且可以加入权重系数来引入排放的影响，从而可以综合考虑 燃油经济性和排放。 模糊控制策略 该模式主要是通过模糊理论将相关参数模糊化，并根据成熟的控制规则制 第l 苹绪论 定相应的控制量的变化规律。比如通过驾驶员模型将踏板需求模糊化，同时考 虑电池s o c 状态及车辆运行工况等参数，对转矩在发动机和电机之间的分配值 进行模糊控制，其主要目的是提高车辆的燃油经济性、降低排放同时增加控制 系统的鲁棒性。目前较为流行的研究方向是模糊控制结合神经网络的自学习功 能，提高车辆的自动控制能力。 1 5 本课题的研究内容 本课题来源于同济大学与上海华普汽车有限公司联合研发的混合动力轿车 项目( 国家8 6 3 计划) ，要求是以该公司的海尚3 0 5 型轿车为基础设计出一款， 符合市场需求，低成本、高可靠性的混合动力轿车。 二 上海华普汽车有限公司从2 0 0 6 年伊始着手弱混合动力轿车s m a 7 1 5 0 h e v 的研发工作，目前已经完成