（光学工程专业论文）isg型中度混合动力amt汽车综合控制策略研究.pdf

中文摘要 摘要 装备a m t 的i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ，集成启动发电机) 型中度混合 动力汽车属于单轴并联型结构，与轻度混合动力汽车相比，其电机功率所占总功 率的比重有所增加，分离发动机和电机之间的离合器，电机可以单独驱动车辆， 增加电机的利用率，降低油耗和排放；同时，i s g 电机可以更多的将汽车减速或制 动时的动能转换成电能，储存在蓄电池中，提高能量回收率。这种混合动力系统 结构简单，集成度高，是性能优越的混合动力系统。 机械式自动变速器a m t ( a u t o m a t i cm a n u a lt r a n s m i s s i o n ) 具有传动效率高， 结构紧凑，生产继承性好、成本低等优点，装备a m t 的混合动力汽车可实现自动 换挡，但a m t 换挡时存在动力中断，通常情况下换挡平顺性较差，因此提高a m t 的换挡平顺性，改善换挡品质，也是值得研究的一个重要方向。 本文针对装备a m t 的i s g 型中度混合动力汽车，以提高燃油经济性和改善换 挡平顺性为研究目的，主要开展了如下研究工作： 建立i s g 型中度混合动力汽车动力学模型，分析并推导各个驱动工况下( 纯 电动工况、发动机单独驱动工况、混合驱动工况和轻载充电工况) 的系统效率计 算公式；综合考虑发动机效率、电机效率和电池充放电效率，计算不同工况下的 整车系统效率，以整车系统效率最优为目标，得到了整车各工作模式的高效工作 区域；分析了不同s o c ( s t a t eo fc h a r g e ，电池剩余荷电电量) 阀值下，基于 e c e e u d c 道路循环工况的整车控制策略对整车燃油经济性的影响。 在分析混合动力系统不同工作模式之间切换条件的基础上，确定了影响混 合动力系统能量管理控制策略的三个关键因素：电池电量阀值、发动机充电曲线 和发动机关闭曲线；计算三个关键因素的范围；建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 仿 真平台的仿真模型，以中度混合动力汽车综合油耗最低为优化目标，对上述三个 关键因素进行了优化，从而建立了i s g 型中度混合动力汽车的最佳能量管理控制 策略。 在最佳能量管理控制策略的基础上，建立了油门动态协调控制模型，对i s g 型中度混合动力汽车的油门进行了动态协调控制，确定了节气门开度变化率的限 制值，以限制发动机节气门开度的变化率，避免动态油耗的增加，从而进一步改 善整车的燃油经济性。建立基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台的仿真模型进行仿真 分析，验证了油门动态协调控制的有效性。 以i s g 型中度混合动力系统各个工作模式下的系统效率最高为目标，确定 各工作模式下a m t 汽车的换挡点；针对不同工作模式下的运行特点，建立了相应 重庆大学博士毕业论文 的换挡品质策略：分别采用i s g 电机和或电子节气门参与动力源转速转矩调节控 制，优化a m t 的换挡品质，在提高i s g 型中度混合动力a m t 汽车燃油经济性的 同时，改善a m t 换挡平顺性。 搭建了基于m a n ，a b s i r n l l l i i l k 仿真平台和基于d s p a c e 的混合动力硬件 在环试验系统，分别对该混合动力系统的纯电动、行进间启动发动机、混合驱动 和轻载充电工作模式下的能量管理控制策略进行了试验验证。 关键词。混合动力汽车，系统效率，燃油经济性，能量管理策略，换挡平顺性 l i 英文摘要 a b s t r a c t i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ) t y p em e d i u mh e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) w i t h a m tb e l o n g st os i n g l e - a x l ep a r a l l e lh y b r i dv e h i c l e c o m p a r e dw i t hm i l d 髓v ，t h e p r o p o r t a t i o no fi s gm o t o rp o w e ri nt h ep o w e r t r a i nh a si n c r e a s e d ；t h ev e h i c l ec o u l db e d r i v e nb yt h em o t o ri n d e p e n d e n t l yw h e nt h ec l u t c hi sd i s e n g a g g e d w h i c hi n c r e a s e st h e u t i l i z a t i o no fm o t o ra n dt h e r e f o r et h ef u e lc o n s u m p t i o na n dg a se x h a u s tc o u l db e r e d u c e d f u r t h e r , m o r ek i n e t i ce n e r g yi sc o n v e r t e di n t oe l e c t r i ce n e r g yr e c y c l i n gr a t ea s t h r er e c l a i m e de n e r g ys t o r e di nt h eb a t t e r i e s d u et ot h es i m p l es t r u c t u r ea n dh i g l l i n t e g r a t i o nd e g r e eo ft h es y s t e m ，t h i sk i n do fh y b r i ds t r u c t u r ei sah i 曲p e r f o r m a c e h y b r i ds y s t e m t h em e r i t so fa u t o m a t i cm a n u a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) i n c l u d eh i g ht r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y , c o m p a c t e ds t r u c t u r e ，g r e a ts u c c e s s i o na n dl o wc o s to fp r o d u c t i o n a u t o m a t i c s h i f t i n gi s c a r r i e do u t 、析n la m t , b u ti tb r i n g sa b o u tt h es h o r t c o m i n g so fp o w e r i n t e r r u p t i o na n dp o o rs h i f t - f e e l h e n c e ，r e d u c i n gt h es h i f t i n gs h o c ka n ds h o r t e n i n gt h e s h i f t i n gt i m ea r et h ee s s e n t i a lw o r ko f a m td e v e l o p m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , i no r d e rt oi m p r o v et h ef u e le c o n o m ya n ds h i f t i n gq u a l i t yf o r t h ei s gt y p em e d i u mh y b r i dv e h i c l e 、i n la m t , t h em a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w e d ： b a s e do nt h ek i n e t i cm o d e l so ft h ev e h i c l eu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e s ( m o t o ro n l ym o d e ，e n g i n eo n l ym o d e ，m o t o ra s s i s tm o d e ，c h a r g i n gm o d e ) ，t h e o r e t i c f o r m u l af o rt h es y s t e me f f i c i e n c yo ft h em e d i u mh e vw i t ha m ti sa n a l y z e da n d d e d u c e d t h e n , s y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ek e yp a r t s ，s u c ha se n g i n e ， i s gm o t o ra n dt h eb a t t e r y , t h es y s t e me f f i c i e n c yo ft h ev e h i c l ei sc a l c u l a t e di nd i f f e r e n t w o r k i n gm o d e s t h eh i g h l ye f f i c i e n tw o r k i n ga r e a so fd i f f e r e n td r i v i n gm o d e so ft h e h y b r i ds y s t e ma r eo p t i m i z e dt om a x i m i z et h es y s t e me f f i c i e n c y o nt h eb a s i so ft h e g i v e nd r i v i n gc y c l ee c e _ e u d c ，t h ee f f e c t so f t h ev e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g i e so nt h ef u e l e c o n o m ya r ea n a l y z e da td i f f e r e n ts o ct h r e s h o l dv a l u e s o nt h ea n a l y s i so ft h em o d e ss h i f t i n gr u l e s ，t h et h r e ek e yf a c t o r so ft h ec o n t r o l s t r a t e g ya r ed e f i n e d , i n c l u d i n gb a t t e r yp o w e rt h r e s h o l d ，t h ee n g i n ec h a r g i n gc u r v ea n d t h ee n g i n es h u t t i n go f fc u r v e ，a n dt h es c o p eo ft h et h r e ek e yf a c t o r sa r ec a l c u l a t e d s i m u l a t i o nm o d e l so fm e d i u mh e va r ee s t a b l i s h e dt oo p t i m i z et h et h r e ei m p o r t a n t f a c t o r sa tt h et a r g e to fm i n i m i s i n gt h ei n t e g r a t e df u e lc o n s u m p t i o no ft h es y s t e m ，a n d t h eo p t i m i m u mc o n t r o ls t r a t e g yo ft h i sh y b r i ds y s t e mi sp r e s e n t e d i i i 重庆大学博士毕业论文 b a e s e do nt h eo p t i m i z e de n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h r o t t l ed y n a m i cc o o r d i n a t i n gi sp r o p o s e d i no r d e rt oi m p r o v et h ef u e le c o n o m yo f h e vf u r t h e r , t h ee n g i n et h r o t t l em u t a t i o ni sl i m i t e dt oa v o i dt h ed y n a m i cf u e l c o n s u m p t i o n t h em e d i u mh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e sm o d e l sw e r eb u i l tb a s e do n m a t l a b s i m u l i n la n dt h es i m u l a t i n gr e s u l t sv e r i f i e dt h ee f f e c t i v i t t yo ft h ec o n t o a l s t r a t e g yo ft h r o t t l ed y n a m i cc o o r d i n a t i n gc o n t r 0 1 t h ea m te c o n o m i c a ls h i f t i n gr u l ei sd e v e l o p e da i m i n ga tm a x i m i z i n gt h e s y s t e me f f i c i e n c yo ft h eh y b r i ds y s t e ma td i f f e r e n td r i v i n gm o d e s i s gm o t o rc o n t r o l a n d o re l e c t r i ct h r o t t l ec o n t r o la r ea d o p t e dt oi m p r o v ea m ts h i f t i n gq u a l i t ya c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n td r i v i n gm o d e sr e s p e c t i v e l y , w h i c hi m p r o v e st h es h i t t i n g q u a l i t ya n dt h ef u e le c o n o m y t h et e s tr i go fh y b r i ds y s t e m ，w h i c hi sb a s e du p o nt h em a t l a b s i m u l i n k p l a t f o r ma n dt h ed s p a c eh a r d w a r e i n - t h e l o o pi s s e tu p t h ee n e r g ym a n a g e m e n t c o n t r o ls t r a t e g i e so fm e d i u mh y b r i dv e h i c l eu n d e rt h ep u r em o t o rd r i v i n gm o d e ，t h e m o d eo fm o t o rs t a r t i n ge n g i n ei nd r i v i n g ，l i g h tl o a d - c h a r g i n gm o d e ，a n dh y b r i dd r i v i n g m o d ea r ev a l i d a t e db ye x p e r i m e n t sr e s p e c t i v e l y h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，s y s t e me f f i c i e n c y , f u e le c o n o m y , e n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g y , 蛳r i n gq u a l i t y i v l 绪论 l 绪论 1 1 课题的来源及意义 本课题是国家高技术研究发展计划“8 6 3 项目 i s g 型长安中混合动力系统 技术平台研究开发、( i s g 型混合动力长安轿车整车匹配的组成部分。 汽车的诞生改变了世界，它经历了从欧洲的手工生产到美国的自动化生产、 再到日本的精益生产。它促进了世界经济的发展，改善了人们的生活，汽车在给 国民经济带来发展，给人类带来方便的同时，也给全球环境带来严重的两大问题， 即能源和环保。这是可持续交通的两大挑战，也是2 1 世纪汽车革命的方向【l 】。全 球4 2 的环境污染是来源于燃油汽车的排放，8 0 的城市噪声是由交通车辆造成 的。尽管纯电动汽车( e v ) 被认为是达到零排放的交通工具，但是由于电池的能 量密度、寿命、价格和使用方便性还不尽人意，使得纯电动汽车的性价比无法与 传统内燃机汽车抗衡【2 】。鉴于此，混合动力汽车既具有纯电动汽车作为“绿色汽车 的高效节能的优点，符合“低能耗、低污染、低排放 的“低碳经济”要求，同 时又克服了纯电动汽车续驶里程不足的缺点，对动力电池的比能量要求较低，从 而可以大幅度降低电池组的重量和成本，实现低能耗低污染的新型汽车，在现实 阶段是清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的类型。 尾气排放加剧了 全球气候变暖 有害物排放使城 市大气污染加重 燃油消耗导致世界 石油资源日益枯竭 图1 1 汽车带来的环境问题和能源危机 f i g1 1e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa n de n e r g yc r i s i sc a u s e db yv e h i c l e 近年来我国汽车保有量快速增加，已经从2 0 0 1 年我国的汽车保有量1 8 0 0 万 辆，达到2 0 0 8 年我国汽车保有量6 4 6 7 万辆，工信部预计2 0 2 0 年，中国汽车保有 量将超两亿辆，带来了汽车燃料消耗的持续增加，加速了我国燃油消耗总量的上 升以及石油对外依存度的上升。保护人类赖以生存的自然环境，珍惜地球有限的 重庆大学博士毕业论文 石油资源，是摆在人类面前迫切需要解决的两个重要难题。我国在“十五 期间 已初步建立起燃气汽车产业化平台，制定了部分标准，在“十五一期间“电动汽 车重大专项 三纵三横布局的基础上。十一五 进一步实施了节能与新能源汽车 的重大专项1 3 j 。 本课题研究对象是装备有电控机械式自动变速器的i s g 型中度混合动力汽车。 电控机械式自动变速器a m t ( a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 是在不改变原 车变速箱主体和干式离合器结构的基础上，加装电子控制单元( e c u ) ，通过执行 机构对发动机、离合器、变速器进行操纵，实现起步和换档过程自动化的装置。 虽然手动变速器( m t ) 传动效率高，生产制造简单，但是它依赖驾驶员换挡操作 的熟练程度，且不能通过自动调节变速器的速比，来实现对动力系统性能的优化， 因此限制了混合动力汽车提高燃油经济性的潜能。液力机械自动变速器( a t ) 由 液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传动和齿轮的不同组合来 达到变速变矩的作用。它能实现档位之间的平稳连接，操作容易，驾乘舒适性好， 但是a t 对速度变化反应较慢、传动效率低、变矩范围有限、机构复杂等缺点，在 生产和成本控制上存在一定的技术难题。机械无级自动变速器( c v t ) 的速比是 一系列连续变化的值，并且结构简单，体积小，依靠主从动轮和金属带来实现速 比的无级变化，但是由于带传动的承载能力有限，其应用受到限制，再加上生产 成本高、制造工艺复杂，因此市场占有率约在2 以下【4 】。双离合器自动变速器 ( d c t ) 可在手动变速器基础上，通过对双离合器和手动变速器的结构改造，实 现自动变速功能，消除了换挡时的动力中断，提高了汽车的燃油经济性，改善了 换挡平顺性。但是与a m t 比较，生产成本较高。a m t 的操作便捷、省油和低成 本等方面优势明显，且其经济性、技术性都符合中国汽车市场需求，在中低端轿 车、客车、货车上都有广泛的应用前景1 3 州。 中度混合动力汽车是在轻度混合动力汽车基础上，增加电机的额定功率，通 过在发动机和电动机之间增加一个离合器，从而在行驶工况中增加纯电动工况， 加大电机的使用率，制动的时候可以通过分离发动机和电动机之间的离合器，从 而更大化的回收汽车动能，提高燃油经济性。采用机械自动变速传动，综合考虑 发动机、电机、蓄电池及变速系统的性能，按照经济性、动力性和排放性能最佳 的原则，合理分配动力源转矩和功率，实现燃油消耗最低化。通过控制发动机与 电机的协调工作，既可保证混合动力a m t 汽车燃油经济性、动力性要求，又可保 证换挡平顺性的要求。制动时，通过离合器的分离和合理调整档位，提高制动过 程中的能量回收率，降低油耗。根据国内的现实条件，在混合动力车辆传动系统 中采用机械自动变速方式是一种非常适合国情的选择。而中度混合动力系统优良 的节油率和相对合理的成本，有利于混合动力汽车产业化的发展，因此开展中度 2 1 绪论 混合动力a m t 系统的研究，不仅有重要的学术研究意义，而且具有广阔的工程应 用前景。 1 2 混合动力汽车的研究现状 1 2 1 混合动力汽车发展现状 混合动力汽车的分类 根据混合动力系统动力源的数量及动力传递方式的不同，混合动力汽车分为 串联型、并联型和混联型混合动力汽车( 图1 2 所示) 。 串联型混合动力汽车( s e r i e sh e v ) 的动力总成由发动机、发电机和电动机三 个部分组成。发动机直接带动发电机工作，将机械能转换为电能，或者对电池充 电，电池驱动电动机，又将电能转换为机械能，由电动机驱动车辆行驶。由于能 量多次转换，因此串联型结构的混合动力汽车的动力传动系统的综合效率较低， 但其优点是发动机不受行驶条件的影响，可以控制发动机稳定工作在其最佳经济 区域或低排放区域，因此，串联型混合动力汽车具有低油耗、低排放的特点誓串 联型结构的混合动力汽车适用于市内频繁起步、加速、和低速运行的路况，使复 杂工况下系统的性能有所提高。通常应用于大型客车。 并联型混合动力汽车( p a r a l l e lh e v ) 的发动机和电机可以独立驱动车辆行驶， 也可以联合驱动汽车，因此可以应付各种复杂的工况。发动机与车辆驱动轮通过 机械连接，和串联型结构的混合动力汽车相比，减少了多次能量转换的损失，系 统效率较高，但是发动机运行工况受到汽车行驶工况的影响。要维持发动机工作 在最佳工作区，则需要复杂的控制系统和控制策略来完成，因此其控制策略的选 择制定就显得更为重要。电机既能以电动机方式辅助发动机驱动车辆，又能以发 电机方式回收制动能量，因此省掉了单独的发电机，节省了布置空间，减小了发 动机的功率和电池的容量，并联型混合动力汽车适合于应用在轿车上。 混联型混合动力汽车( s e r i e s p a r a l l e l 腿v ) 包括两条能量传递路线：一是机 械能传递路线，发动机输出机械能通过机械链接直接驱动车轮；二是电能传递路 线，发动机输出的机械能通过发电机转换成电能，再由电动机将电能转换为动能 驱动车轮。以丰田p r i u s 为代表，串联分支和并联分支可同时处于工作状态，中间 由行星齿轮传动机构对动力源输出进行合理分配，此结构一方面通过发电机对串 联分支实施控制，另一方面通过并联分支维持发动机与驱动轮间的机械连接，以 实现对发动机的控制。混联型混合动力汽车的布置方案综合了串并联两种布置方 案的优缺点，其综合性能较好，但系统组成较复杂，传动系布置困难，同时仍然 存在机械能和电能的反复转换问题，其效率低于传统汽车。此外，如何实现系统 中串、并联分支间的合理切换，对控制系统和相关能量管理控制策略也提出了很 重庆大学博士毕业论文 高的要求。 ( a ) 串联型( b ) 并联型 ( c ) 串并混联型 图1 2 混合动力汽车分类 f i g1 2c a t e g o r i e so f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l 根据蓄电池组的荷电状态s o c ( s t a t e - o f - c h a r g e ) 的变化情况，分为荷电消耗 型和荷电维持型混合动力汽车。前者具有纯电动汽车的特点，蓄电池组的荷电状 态( s o c ) 随着混合动力汽车的运行而逐渐被消耗。通常这类型混合动力汽车蓄 电池组容量较大，可以提供较长的纯电动续驶里程，而发动机排量较小，仅在蓄 电池组已不足以提供驱动力或者汽车在大功率行驶( 加速或者爬坡) 的情况下才 工作，这减小了蓄电池充放电带来的损失，因此荷电消耗型混合动力汽车的燃油 经济性比较好，荷电消耗型并联混合动力车的效率比串联型混合动力汽车的高 1 8 4 【5 】。荷电维持型的混合动力汽车具有一定的纯电动续驶里程，它的特点是蓄 电池组的s o c 值在汽车跑完一个工况道路循环的前后保持基本不变。美国可再生 能源国家实验室( n a t i o n a lr e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y ) 的研究表明，荷电维持 型的并联型混合动力汽车比串联型混合动力汽车的燃油经济性高6 6 1 。这种类 型的结构通常设计为串联型或并联型系统的混合动力汽车。 根据发动机和电机的功率比的不同，分为里程延长型、动力辅助型和双模式 型混合动力汽车；根据发动机运行模式的不同，分为发动机开关模式和发动机连 4 零 蛊 1 绪论 续运行模式混合动力汽车；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单 轴式和双轴式混合动力汽车等等。 根据混合度 t i t 8 9 1 的不同，又可分为轻度混合动力汽车、中度混合动力汽车和 重度混合动力汽车。混合度日是指电机心功率占动力源总功率的比重，对于并联式 混合动力汽车其混合度定义如下式： d h = = 尘l _ x 1 0 0 ( 1 1 ) 己+ 式中：发动机功率； 己电机功率。 一般说来，轻度混合动力汽车是指4 , 1 , 于3 0 的混合动力汽车，中度混合动力 汽车是指臃3 0 - 5 0 的混合动力汽车，重度混合动力汽车的硼0 大于5 0 。轻度 混合动力汽车以发动机为主要动力源，选用较小功率的驱动电机作为辅助动力源， 电机助力范围有限，因此，所需电池的能量也较低。该混合方式成本最低，但只 能适当提高燃油经济性和改善排放。中度混合动力汽车所采用电机的功率比轻度 混合方式中的电机功率大，虽然电池的能量仍然较低，但蓄电池组提供的电功率 却高2 0 - 4 0 k w ，制造成本要比轻度混合方式高。与轻度混合方式相比，中度混合方 式在改善燃油经济性和排放方面的潜力更大。重度混合动力汽车不仅要求车载电 池电机有较大的功率，而且要求有较高的能量密度，它以电机为主要动力源，发 动机为辅助动力源。与轻度和中度混合方式相比，重度混合动力汽车可明显改善 燃油经济性和尾气排放，但是由于高能量电池组的成本较高，导致整车制造成本 非常高。由于大功率电机以及高能量电池组在轿车上的布置都十分困难，这类方 式更适合于大中型客车。 随着全球对能源环境意识的增强和清洁能源汽车的逐步发展，混合动力汽车 需要不断提高它的能量利用率，以获得更高的节油率。 国外混合动力汽车发展状况 日本是混合动力汽车开发最早的国家，在当今市场上的混合动力汽车主要分 为两类，分别以丰田p r i u s 为代表的混联式混合动力汽车和以本田的i n s i g h t 为代表 的并联式混合动力汽车。1 9 9 7 年日本丰田公司全球率先批量生产销售的装有丰田 t h s ( t o y o t oh y b r i ds y s t e m ) 系统的第一代混合动力轿车p r i u s ，采用混联式混合 动力结构，如图1 3 所示，通过行星齿轮系把发动机、电机等主要动力部件连接起 来，采用电机无级调速系统，使混合动力系统达到了低油耗、低排放的目标，驾 驶性能也得到了很好的改善。2 0 0 1 年丰田公司将t h s c 混合动力系统装于四轮驱 动的e s t i m ah v 多用途车，传动系由2 4 l 汽油机、电动机、c v t 变速箱和四轮驱 重庆大学博士毕业论文 动系统组成，并采用了电子控制的制动，燃料效率是常规的2 倍，排放比2 0 1 0 年 日本法规降低7 5 嘣瑚。2 0 0 3 年丰田公司开发了新一代混合动力系统t h si i ，结构 上在电机和发电机之间增加了一个新开发的可变电压系统，大大减少了能量传递 过程中的损失，电机发电机的电源电压比过去提高了约2 倍，提高了电机的输出 功率，更有效的配合发动机工作，提高燃油经济性，t h s 的再生制动系统增加 了减速行车状态下的能量回收功能，在更低的车速时也能将能量加以回收【l 。 图1 3 丰田p r i u s 结构 f i g1 3s t r u c t u r eo f t o y o t ap r i u s 1 9 9 7 年本田( h o n d a ) 公司开发出第一代i m a ( i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t ) 系统， 1 9 9 9 年底搭载i m a 系统的i n s i g h t 在美国正式上市。它以1 o l 的3 缸汽油机为主 要动力，以l o k w 交流同步电动机为辅助动力，电池组采用2 0 个串联的镍氢电池， 总电压为1 4 4 v 。电机和发动机曲轴同轴连接，如图1 4 所示，启动时，电机发挥 低速大转矩的特点，避免发动机怠速工作，达到巡航车速后，发动机单独驱动； 图1 4 本田i n s i g h t 结构 f i g1 4s t r u c t u r eo fh o n d ai n s i g h t 加速时，电机助力；减速时，电机以发电机工作，对电池充电，回收制动动能， 翟 1 绪论 城市工况百公里油耗仅为2 9 l ，创下了汽油机汽车的世界最低记录。2 0 0 6 年装备 第四代i m a 混合动力系统的c i v i c 混合动力轿车配备了1 3 l 的i - v t e c 四缸发动 机和高功率的永磁同步电机以及无级变速器( c v t ) ，包括启动加速、助力加速、 车载充电等六种工作模式，实现了超低油耗，制动时最大化回收能量，提高燃油 经济性【1 2 1 。 2 0 0 0 年福特汽车公司开发的p r o d i g y 混合动力概念车，采用低储能需求( l s r ) 的混合电驱动系统，集成“启动一发电机 系统、镍氢电池组和全铝1 2 l 直喷柴 油机，功率达到7 4 h p ( 1 h p = o 7 4 6 k w ) ，效率提高了3 5 ，整车质量降低了3 0 ， 百公里油耗为3 3 l ! b j 。德国大众公司开发了单轴并联型混合动力汽车t o u r a n 系列， 在结构上，发动机和电机之间通过离合器连接，通过对离合器的控制来实现动力 切换。低速时，以纯电动模式运行：高速时，发动机提供主要的动力，电机起辅 助作用，优化发动机工作点；制动时，电机以发电机工作，回收制动能量。 国内混合动力汽车发展现状 上个世纪9 0 年代末开始，国内各大汽车厂、高校和研究所开始了对混合动力 汽车的研发工作。1 9 9 9 年清华大学与厦门金龙合作成功研制国内第一辆混合动力 轻型客车【m j 。2 0 0 1 年底国家正式启动“8 6 3 电动汽车重大科技攻关项目，北京理 工承担国家“十五”8 6 3 电动汽车专项“纯电动客车项目 ，进行混合动力大客车 研究。该客车采用串联方式，把3 0 k w 的发动机和2 0 k w 的发电机集成在一起，发 动机产生的动力全部用于发电，蓄电池作为能量存储单元，发动机的输出功率根 据汽车运行状况和电池s o c 值来确赳1 5 】。 耖 东风电动汽车公司承担了e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车、e q 7 2 0 0 h e v 混 合动力轿车国家项目，其中e q 7 2 0 0 h e v 完成了产品系列化、通用化、标准化设计。 北京嘉捷博大电动车有限公司和常州客车厂合作开发了我国第一辆以燃气涡轮机 为动力机的混合动力电动客车，排放低于欧v 标准1 1 6 】。 一汽自主研发的混合动力客车是双轴并联结构，装配全电控欧发动机，配 备自主开发的机械式自动变速器( a m t ) 和交流感应电机、镍氢动力电池组及管 理系统。整车控制系统通过c a n 总线实现对发动机、a m t 、电机和电池等部件的 控制，以及模式切换和能量分配等功能，保证了纯电动起步、怠速起停、行车充 电、电机助力、再生制动等6 种工作模式之间的切换平稳性。在城市工况下比传 统客车节油3 8 ，温室气体排放降低3 0 ，达到欧标准，并具有欧潜能1 1 7 】。 长安首款混合动力汽车是长安集团与清华大学、重庆大学等合作全新开发的 一款轻度混合动力汽车。该车采用油电混合，汽车行驶时，发动机在最佳经济区 工作，电机作为辅助动力源起到“削峰填谷 的作用，遇到红绿灯、下坡等路况 可以有效节能。是目前国内首款实现批量生产的自主开发的混合动力汽车，获得 7 重庆大学博士毕业论文 发明专利十多项。据测试，该款车油耗比传统车降低2 0 左右，最高车速为 1 6 0 k m h ，续驶里程大于5 0 0 公里，尾气排放达到了欧i i i 标准【墙】。 中度混合动力汽车发展现状 随着环保节能的呼声越来越高，环境和能源对混合动力汽车的节油率提出了 更高的要求。混合动力汽车的燃油经济性和混合度呈近似线性递增的关系 7 1 ，因此 增加混合动力汽车的混合度，可以提高混合动力汽车的节油率。中度混合动力汽 车加大了电机在动力系统中所占的功率比重，使得混合动力汽车增加了纯电动工 作模式，制动和减速时能更多的回收制动能量，因此它的燃油节省率得到了更大 的提高。 目前国内外对中度混合动力车也展开了相关研究，戴姆勒克莱斯勒公司研发 的中度混合动力集装箱卡车，采用4 4 k w 电机协调发动机、变速器工作方案，工 作模式包括纯电动驱动，发动机单独驱动和混合驱动。起步时由电机提供功率， 发动机在需要的时候提供辅助功率驱动车辆，再生制动时，通过电机对蓄电池充 电，回收制动能量，仿真分析结果表明燃油经济性得到极大的改掣1 9 1 。 密西根大学的c c l i i l 和 e a t o n 公司的j a s o n “u 合作研 发的中度混合动力汽车配备 4 3 l 发动机、4 4 k w 电机、 3 4 0 v 锂电池和e t o n 公司的6 速a m t 变速箱。如图1 5 所 示，发动机和电机之间通过自 动离合器( a c ) 连接，断开 离合器可实现纯电动驱动工 况。针对中度混合动力卡车建 立整车模型和系统动态模型， 图1 5e a t o n 公司开发的中度混合动力汽车 f i g1 5m e d i u mh e vd e v e l o p e db ye a t o n 获得最优控制方法，使得燃油经济性最大化。采用快速建模控制方法和控制运算 修正法则，提出了基于规则的模糊逻辑的能量管理策略，试验结果表明混合动力 卡车样车燃油经济性提高了4 5 2 0 。 在国内，长安集团与清华大学、重庆大学等高校合作，进行了中度混合动力 轿车的开发，搭建了a m t 中度混合动力试验台，完成了中度混合动力系统纯电动、 电动机启动发动机、发动机单独驱动、轻载充电和混合驱动等模式的台架试验【2 1 1 。 奇瑞汽车公司推出a 5i s g 型中度混合动力汽车是并联型结构，以发动机为整 车主要动力源，电机起到“补峰平谷 的作用，配备5 速手动变速器( m t ) 。根 据不同的路况条件和驾驶员意图，发动机与电机的转矩在变速器前以不同的匹配 田 l 绪论 方式进行耦合以实现最优的驱动效率，在加速时，电机助力，避免发动机在低效 率区工作，在减速和制动时实施能量回收，通过电机发电并储存于蓄电池中瞄】。 华晨汽车推出的尊驰2 0 0 7 版中度混合动力系统，采用并联i s g 结构，配备了 1 8 t 涡轮增压汽油发动机，集成c a n 总线和汽车电子智能化技术，油耗比同排量 汽车节省3 5 左右，在城市路况下，尊驰混合动力系统的怠速停机、加速助力、 能量回馈等功能充分发挥节油优势，体现出兼具动力性及燃油经济性的特点【2 3 1 。 上海交通大学和上海华普汽车有限公司合作开发的海尚3 0 5 中度混合动力汽 车，采用代表国际领先水平的发动机曲轴i s g 方案，具有结构紧凑，可靠性高等 优点，配备m r 4 7 9 q a 电喷汽油机、永磁磁阻同步电机和2 8 8 v 镍氢动力电池， 同时，柔性动力总成可与m t 、a m t 、c v t 、a t 等多种变速器总成配套使用。该 方案可显著提高整车的燃油经济性，降低整车排放，与原车型相比，城市工况燃 油经济性提高了2 0 以上【2 4 】。 总之，全球汽车工业正面临着金融危机和能源环境问题的巨大挑战，发展新 能源汽车，实现汽车动力系统的新能源化，推动传统汽车产业的战略转型，在国 际上已经形成广泛共识。在这种形势下，美国、日本、欧洲等发达国家和地区， 不约而同地将新能源为代表的低碳产业作为国家战略选择，都希望通过新能源产 业与传统汽车产业的结合，破解汽车工业能源环境制约，培育新型战略性产业， 提升产业核心竞争力，发展低碳经济，实现新一轮经济增长。在太阳能、风能等 替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来 越受到人们的关注。：j ， 1 2 2 混合动力能量管理策略研究现状 混合动力汽车具有两个或两个以上的动力源，是传统内燃机汽车与电动汽车 的组合。但这种组合并非是“1 + 1 这种简单的加法算式，这种多动力源的组合方 式增加了系统设计的灵活性，在整车能量管理策略的协调控制下，动力源与其他 部件相互配合，可以进行多种优化组合，形成动力系统不同的工作模式，以适应 不同的行驶工况。混合动力汽车继承了纯电动汽车低排放的优点，又发扬了石油 燃料比能量和比功率高的长处，获得了传统汽车无法得到的优化控制目标( 最佳 的燃油经济性、最佳的排放性能等) 。 同时，混合动力多动力源的特点又增加了系统的复杂性，如何实现多动力源 的匹配，如何协调不同工作模式之间的切换，成为混合动力汽车研究领域的一个 难点，它是混合动力汽车的关键技术之一。为了解决由混合动力系统多动力源所 引起的工作模式切换问题，以及能量流的优化控制问题，通过制定合理的能量控 制策略( e n e r g yc o n t r o ls t r a t e g y ) 来控制动力源之间能量流的协调和分配。混合动 力电动汽车能量管理系统主要功能是监测车辆的能量状态、控制能量的流动、优 9 重庆大学博士毕业论文 化能量利用率，从而提高车辆的动力性、经济性和安全性。能量管理系统监控车 辆能量的释放和存储过程，进行能量优先级分配和满足各种性能要求的能量最小 化控制。 混合动力汽车的研究目的是为了降低汽车对石油等资源的过度使用，同时降 低汽车的尾气排放，以达到缓解全球气候恶化和降低油耗的目的。因此针对混合 动力系统各个动力源的布置方式的不同，在满足整车动力性、安全性的基础上， 制定不同的控制策略，实现能量在动力源部件之间的合理分配，使得混合动力系 统整车系统效率达到最高，获得整车最大燃油经济性、最低的排放和平稳的驾驶 性。因此，控制策略是能量管理系统的核心，是实现混合动力汽车低油耗、低排 放等目标的关键所在。 在能量管理策略方面，最具代表性的是混合动力的先驱丰g i p r i u s 和本田i n s i g h t 所采用的控制策略【2 5 l ，它的重点是对汽车起步、加速、巡航、制动等工作模式下 动力源的输出动力进行匹配，但在发动机和电动机共同驱动时，限制了电机输出 转矩的大小，或是使电机与发动机提供的转矩按照一定的比例关系变化，因此这 两种策略并没有实现实时优化。 目前，国内外有关混合动力能量管理策略的研究可以分为以下四类：基于规 则的逻辑门限的能量管理策略、基于实时优化的能量管理策略、基于智能控制的 能量管理策略和基于全局优化的能量管理策略。 基于规则的逻辑门限的能量管理策略 基于规则的逻辑门限控制策略算法比较简单，它的核心思想是以发动机为优 化对象，利用电机的“削峰填谷 的作用，确保发动机工作在高能效、低排放区 域，以此来降低发动机油耗和排放。 c a r a t o z z o l op 等 2 6 1 从混合动力汽车整体系统( j i o n ts y s t e m ) 考虑的工作模式的 切换和混合动力结构的约束条件，制定基于规则的逻辑门限能量管理策略，提出 以应用为目的混合动力汽车控制策