（光学工程专业论文）并联式混合动力汽车能量控制策略研究.pdf

硕士学位论文 摘要 汽车作为目前最为普遍和重要的交通工具之一，方便了人们的生活并且加速 了社会的发展。但是随着汽车保有量的持续上升，汽车所带来的社会问题也相继 凸显，如能源危机和全球变暖，因此新能源汽车便成为当前的研究热点及未来汽 车技术的发展方向。相对而言，混合动力汽车是目前技术最为成熟、最具有市场 前景的新能源汽车之一，其对控制能源危机、实现环境的可持续发展有非常重要 的意义。目前，混合动力汽车已成为国际汽车技术发展的一个热点并取得较大的 成功。 针对混合动力汽车技术的研究热点及发展方向，本文以并联式混合动力汽车 ( 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 ，简称p h e v ) 为研究对象，对其能量控制策略进行研 究。论文的主要研究工作有以下几个方面： 1 、介绍了研究背景及意义、混合动力发展情况及关键技术，着重介绍了混合 动力能量控制策略。 2 、介绍了并联式混合动力汽车结构及运行工况。在此基础上对本田c i v i c h y b r i d 进行实车测试实验，采集发动机转速信号，加速踏板信号，制动踏板信号， 电池电流，电池电压及整车车速六个信号。将测得数据导入m a t l a b 进行能量控制策 略分析。 3 、通过c i v i ch y b r i d 控制策略的学习及对比不同的能量控制策略，最终选定 模糊控制策略作为驱动控制策略( 该策略以驾驶员需求转矩及电池s o c 值作为模糊 输入，发动机实际输出转矩作为模糊输出) ，并制定了再生制动控制策略。 4 、以a d v i s o r 为仿真软件，对其进行二次开发，植入所提策略，通过选定 两个贴近实际的典型循环工况进行仿真分析。 总之，本文的研究具有一定的系统性，不仅对并联混合动力能量控制策略进 行了理论上的探讨，也对现有市场上成功的混合动力汽车的能量控制策略进行了 测试和分析。但未能深入研究并联混合动力总成控制器的实际开发过程，这方面 的研究应该进一步深入下去。 关键词：混合动力；实车测试；控制策略；仿真 并联式混合动力汽车能量控制策略研冗 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tp r e v a l e n ta n di m p o r t a n tt r a i l s p o r t a t i o nm e a n s ，v e h i c l e sm a k e p e o p l e sl i f eb e t t e ra n da c c e l e r a t es o c i a ld e v e l o p m e n t ，a tt h es 锄et i m e ，w i t hv e h i c l e p o p u l a t i o ne x p l o s i o n ，t h e r ea r e a l s os o m es e r i o u sp r o b l e m s ，s u c ha se n e r g yc r i s e s ， g l o b a lw a r m i n g i nt h i s s i t u a t i o n ， n e we n e r g yv e h i c l e sb e c o m ea n i m p o r t a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fv e h i c l et e c l l l l 0 1 0 9 y r e l a t i v e l y ，w i t hm a t u r et e c h n 0 1 0 9 ya n d b r i 曲tm a r k e tf u t u r e ，h e vi st h eb e s ts o l u t i o nf o rt h e s en e we n e r g yv e h i c l e s h e vi s v e r yi m p o r t a n tf o rd e a l i n gw i t he n e r g yc r i s e s ，e n s u r i n ge n v i r o n m e n ta n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，h e vb e c o m e sah o t s p o ti nv e h i c l et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ， a n dh a sa c h i e v e ds u c c e s s t h ew o r l d w i d ed e v e l o p m e n to fh e va n dt h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gh e va r e a n a l y z e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，t h em a i no b j e c to f r e s e a r c hi sp a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( p h e v ) a n dt h em a i nc o n t e n to fr e s e a r c hi se n e r g r yc o n t r o ls t r a t e g ：【t i n c l u d e sf o u ra l s p e c t s ： f i r s t ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft a s k ，s i t u a t i o na n dk e yt e c h n 0 1 0 9 yo f h e va r ei n t r o d u c e d t h ee n e r g r yc o n t r 0 1s t r a t e go fh e vi se m p h a s i z e d se c o n d ，b a s e do ni n t r o d u c i n gt h es t m c t u r ea n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，c i v i c h y b r i di st e s t t e d t h es i g n a lo fr o t a t es p e e do fe n g i n e ，a c c e l e r a t o rp e d a l ，b r a k ep e d a l ， t h ec u r r e n ta n dv o l t a g eo fb a t t e r yi sc o l l e c t e d d a t e sc 0 1 l e c t e di sa n a l y s e di nm a t l a b t h i r d ，f i u z z yl o g i cc o n t r o l ( f l c ) s t r a t e g yi s c h o o s e db y1 e a m i n gt h ec o n t r o l s t r a t e g yo fc i v i ch y b r i da n dc o m p a r i n gd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s ak i n do fp h e v f u z z yl o g i cc o n t r o l ( f l c ) s t r a t e g yi sd e s i g n e d ，b a s i n go nt h eb a t t e r ys o ca n dt h e r e q u i r e dd r i v i n gt o r q u ea sf u z z yi n p u t s ，t h ea c t u a lo u t p u tt o r q u eo fe n g i n ea sf u z z y o u t p u t ac o n t r o ls t r a t e g yf o rr e g e n e r a t i v eb r a k i n gi sa l s om a d e l a s t ，a d v i s o ri sc h o o s e da ss i m u l a t i o ns o r w a r e t h e nt h ec o n t r o ls t r a t e g yw e r e e m b e d d e di nt h ea d v i s o r ，a n dm a d er u i l i l i n gi nt w os e l e c t e dc y c l ew o r k i n g e n v i r o n m e n tw h i c hw e r et y p i c a l i nr e a l i t y i nc o n c l u s i o n ，t h ew o r ki nt h i st h e s i si ss y s t e m a t i c r e s t r i c t e db yc o n d i t i o no f e x p e r i m e n t ，t h es t u d yf o rc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rh e vo n l yc a r r i e so u ti nt h e o r y t h e r e s e a r c hs h o u l dg od e e pi n t ot h ef i e l d k e yw o r d s ：h e v ；t e s t i n gc a r ；c o n t r o ls t r a t e g y ；s i m u l a t i o n i h 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第l 章绪论 在当今社会，汽车已成为人们工作和生活中必不可少的交通工具。汽车工业 水平如何已是衡量一个国家现代化水平的重要参考因素。汽车虽然给国民经济带 来发展，为人类生活带来方便。但也给人类的生存环境带来巨大的灾害。全球8 0 的城市噪声是由交通车辆造成的4 2 的环境污染是来源于燃油汽车的排放i l 】。交 通能源短与环境污染问题是2 1 世纪全球面临的重大挑战和制约汽车工业可持续发 展的症结所在。发展节能型、环保型汽车已成为世界汽车工业技术创新的重要方 向和汽车产业可持续发展的必然选择，研发和推出一系列有商业应用价值的环保、 节能型的电动汽车已经并将在相当长时间内成为世界汽车工业发展的主流和趋 势。 如今已有很多替代传统内燃机汽车的方案，如以高效蓄电池驱动的纯电动汽 车( e v ，e l e c t r i cv e h i c l e ) 、以燃料电池驱动的电动汽车( f e v ，f u e le l e c t r i cv e h i c l e ) 、 以内燃机和电机驱动的混合动力电动汽车( h e v ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 等。单靠 石油是难于支撑汽车化社会，交通能源动力系统转型是一种必然趋势。汽车动力 将逐渐从内燃机转型到混合动力，最终将转型到燃料电池动力。但目前最有实用 价值并已实现商业化运作模式的只有混合动力电动汽车，所以对混合动力汽车的 研究具有重要意义。 1 2 混合动力汽车发展现状 1 2 1 国外混合动力汽车研究及发展现状 早在2 0 世纪初，混合动力汽车就已经出现在汽车市场上，18 9 9 1 9 19 年期间， 美国芝加哥伍斯汽车公司于1 9 1 6 年推出过一款伍得嘶并联式混合动力汽车1 2 j 。6 0 多年后，由于第一次能源危机和环境保持，全球变暖问题的影响，进而提高了对 汽车燃油经济性和减少二氧化碳温室气体排放的关注，人们又重新对混合动力汽 车发生兴趣。自从9 0 年代初以来混合动力汽车的开发得到了日本、美国及西欧等 发达国家的高度重视。一些国家和公司已投入超过1 0 0 亿美元的资金，并且以每年 不少于1 0 亿美元的追加力度继续开发。各国政府对混合动力汽车的发展纷纷给予 了很大的鼓励政策，目前已有多款商品化混合动力汽车问世。其中以日系车为代 表，占领了市场先机，如丰田p r i u s ，本田c i v i c ，i n s i 曲t 等。 日本混合动力车的研究开发早在2 0 世纪9 0 年代初期就已经进行，特别是丰田 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 公司，较早意识到发展混合动力的重要性和紧迫性，很早就开始了对混合动力汽 车的研发，并率先推出了全球第一款量产的混合动力汽车p r i u s ，该车被评为1 9 9 7 年世界1 0 0 项重大科技成果之一【3 j ，目前日本的混合动力汽车技术已处于国际领先 地位。日本的混合动力汽车主要针对轿车，目前已经成功开发了多款车型，以p r i u s 、 c i v i c 和i n s i 曲t 这三款车最为成功。日本各大汽车公司目前占据了全球绝大部分的 混合动力轿车市场，其中丰田公司就占据了全球2 3 以上的混合动力汽车的市场份 额，其长期目标是到2 0 2 0 年，其混合动力汽车在全球的年销量达到1 0 0 万辆。 早在1 9 9 7 年，美国“新一代汽车合作伙伴计划”( p n g v ) 联合了美国商务部、 国防部、运输部、能源部、环保署、国家航空航天局及国家科学基金会等联邦政 府机构、联邦政府机构以及三大汽车公司、美国一些大学和供货商。美国国家研 究理事会负责对p n g v 计划的执行情况进行年度评估【9 1 。美国商务部则代表政府负 责p n g v 计划的组织协调。计划的实施经费由美国联邦政府和三大汽车公司共同负 担，最终的目标是，在基本不改变车型大小、安全性和价格的情况下，制造出每 升汽油至少行驶3 3 公里的汽车。但2 0 0 2 年该计划提前终止，2 0 0 7 年度国际汽车工 程师学会主席理查德沙姆说，“这是一个在技术研究上很成功、但在商业化过程中 很失败的项目，因为价格太高，根本无法实现商业化”。虽然，美国的p n g v 计划 已成历史，但该计划所取得的成就是巨大，加快了美国汽车业的技术革命和产业 化升级【2 1 。 欧洲也正在积极进行混合动力汽车的开发、研制及推广工作，并取得了令 人瞩目的进展。1 9 9 7 年，奥迪公司的第一代量产化混合动力车型“d u o ”就推向了市 场，引发了混合动力汽车研发的新高潮。2 0 0 8 年奥迪a 1 混合动力概念车正式发布， 并将推出混合动力版q 7 。奔驰公司也陆续推出了多款柴油混合动力汽车。除此之 外，欧洲的其他汽车公司也积极参与到混合动力汽车的研发中，不过，目前欧洲 混合动力汽车市场的主力依然是丰田和本田为主，在先进技术转化为大规模商业 化生产的道路上，欧洲汽车公司还需向日本学习【4 1 。 1 2 2 国内混合动力汽车研究及发展现状 我国对混合动力汽车的研究起步比较晚，但政府高度关注节能与新能源汽车 的研发和产业化。国家发改委在汽车产业发展政策中提出“积极开展电动车 辆、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。在政府对混合动力汽车的发展 推出了许多的鼓励政策后，国内汽车厂商和研发机构都加大了对混合动力汽车技 术的投入。这无疑给我国混合动力汽车产业带来了巨大的信心。 目前国内多家企业及相关科研单位都在进行混合动力汽车的研究开发。如一 硕士学位论文 汽集团自主研发的c a 6 1 1 0 h e v 性能样车、比亚迪的f 3 d m 、长安汽车公司的杰勋 混合动力轿车、奇瑞的a 5 混合动力、东风混合动力客车等、上汽也在混合动力汽 车技术研发上投入重金，其中比亚迪f 3 d m 混合动力、东风混合动力客车、长安i s g 混合动力轿车等车型开始进入产业化生产与发展阶段。表1 1 为目前国内开发的部 分混合动力汽车及其参数5 1 。 表1 1 国内开发的部分混合动力汽车及其参数 但是就目前实际情况而言，我国混合动力汽车研究水平与国外先进技术还存 有一定差距，但是，随着对混合动力汽车及其相关技术的投入越来越多，相信在 不久的将来，我国的混合动力汽车发展将走向一个新的台阶，逐步缩小与国际先 进水平的差距。 1 3 混合动力汽车的分类 混合动力汽车有不同的分类方法。从混合度不同又可分为：轻度混合动力、 中度混合动力、重度混合动力，以及插电混合动力( p l u g i nh y b r i d ) ；而从整车 动力传动系统的不同，还可分为三类：串联式混合动力汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e s h e v ) 、并联式混合动力汽车( p a r a l l e lh v b r i de l e c t r i cv e h i c l e p h e v ) 、 混联式混合动力汽车( p a r a l l e l s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e p s h e v ) 【引。与传统 汽车以及纯电动汽车相比，其基本构造如图1 1 所示。 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 传统汽车 荔劈装拿 珏葚圈燃 卜搿豆 混联混合 动力汽车 曙量电肌 目发。枞 串擘7 县拿纯电动汽车 动力汽车 。差建墨 卜囱黼 图1 1 混合动力汽车分类示意图 三类混合动力它们在结构，功能，燃油经济性，排放控制，适用： 况，维护 成本等方面各有优劣。三种动力系统的比较可参见表1 2 【6 1 。 表1 2 三种动力系统对比 1 4 混合动力研究的关键技术 混合动力汽车是以先进控制技术为纽带的传统内燃机汽车与纯电动汽车的结 合，具有内燃机汽车和纯电动汽车两者的优点，并克服了它们的缺点。其技术涵 盖面非常广，涉及到机械、电子、控制等多个学科。混合动力汽车的关键技术大 致包括动力电池及其管理系统、电驱动系统、动力系统参数匹配、能量控制策略 等。 硕士学位论文 1 4 1 动力电池及其管理系统 动力电池是混合动力汽车的重要储能单元之一，其性能直接影响到驱动电机 的工作情况，从而影响到整车的动力性和经济性。混合动力汽车上的动力电池常 处于非周期性的充放电循环中，对电池的充放电速率和效率有较高要求。 目前而言，混合电动汽车上常用的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂 离子电池三大类。铅酸电池价格便宜，但能量密度低、比功率和比能量不稳定、 循环寿命短，有被其它两类电池取代的趋势。目前混合动力汽车动力电池以镍氢 电池居多，其优点为高比功率、很长的循环寿命、快速充电能力。但随着锂离子 电池性能的进一步改进，成本的降低，从长远来看，锂离子电池将是混合动力汽 车的未来选择趋势。 混合动力汽车动力电池的充放电效率、内阻、使用寿命等都要受电池放电深 度、温度、充放电电流的大小及具体的行驶工况等诸多因素的影响。电池管理系 统可以实现对动力电池组的状态进行监控和管理，其主要功能包括【8 】： ( 1 ) 实时监控电池的电流、电压和温度等参数； ( 2 ) 准确地计算电池s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 值； ( 3 ) 能够对电池组进行热管理，控制其温度在合理的范围内； ( 4 ) 能够监控失效的电池并将其短路。 1 4 2 电驱动系统 电驱动系统是电动汽车和混合动力电动汽车的核心部分，这此系统由电动机、 功率变换器、和电子控制器构成。在助力时，电动机将电能转换成机械能推动车 辆。在降速或要求制动时，将机械能转化为电能对车载储能装置充电。功率变换 器用来对电机提供特定的电流和电压。电子控制器根据驾车要求，调整电动机的 运行，以产生特定的转矩和转速。 驱动电机需要通过完善的控制系统来实现与复杂多变路况的匹配，以满足对 电机的以下要求： ( 1 ) 频繁地起动和停车； ( 2 ) 高变化率的加速度减速度； ( 3 ) 非常宽的运行速度范围： ( 4 ) 低速高转矩的输出特性； ( 5 ) 在转速和转矩较宽范围内具有高的效率。 1 4 3 动力系统参数匹配 合理匹配混合动力系统的各个部件的参数是提高混合动力汽车动力性、经济 性、排放性等车辆性能的关键，是组成性能最优的混合动力系统的一个重要内容， 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 它主要包括合理的选择和匹配发动机功率、电机功率、变速器参数、动力电池容 量和数量等【1 0 1 2 ，2 5 1 。在这些特性参数中，最为重要的是发动机与电机功率的确定， 因为在确定了发动机和电机功率后，其它特性参数都可以按传统汽车的设计方法 来进行确定，电池参数可依据电机参数来进行选择，因此混合动力系统元件特性 参数设计的核心问题是两动力源功率的合理选择。 目前，采用仿真软件进行计算机仿真是进行混合动力系统参数匹配的一个重 要手段，可以有效的减短开发周期、降低开发成本。 1 4 4 能量控制策略 混合动力汽车的性能与其采用的能量管理策略密切相关，能量管理策略是传 统燃油汽车与纯电动汽车完美结合的纽带，它设置在车辆控制器中，并给出各组 件的运行指令。车辆控制器根据驾驶员的操作指令，如加速踏板、制动踏板等， 以及来自驱动系和所有组件的反馈，在满足车辆动力性能的前提下，最优的分配 电机、发动机、动力电池等部件的功率输出，应用特定的运行模式做出决策。 1 5 并联式混合动力汽车能量控制策略研究现状 早期的混合动力汽车能量控制策略，绝大部分是以整车速度为主要控制参数 【1 3 1 5 】。基于速度的能量控制策略由于其在设计上面简单，易于理解，技术门槛低， 因此在混合动力汽车开发初期得到了广泛的研究和应用。 基于速度的能量控制策略中，车速是最重要的控制参数，当车速低于设定值 时，驱动电机单独带动车辆运动，发动机停止工作；当车速高于设定值时，驱动 功率小的电机停止工作，由驱动功率较大发动机驱动车辆：当驾驶员有急加速意 图时，则发动机和电机同时工作，进行混合驱动。这种策略利用了电机低速工况 下大转矩的特点，避免了发动机在低负荷及怠速情况下运行，提高了燃油的经济 性及排放性。但是，基于车速的能量控制策略存在一个明显缺点：有时即使车速 很高，对功率的需求也可能很低( 比如在匀速行驶时) ，此时发动机的在低负荷条 件下工作，效率比较低。因此，现在的能量控制策略都是属于基于转矩的控制。 目前基于转矩的并联式混合动力汽车能量控制策略主要有以下四种【1 5 q 8 】： ( 1 ) 逻辑门限策略 该策略通过设置车速、动力电池s o c 上下限等参数来，限定发动机和电机在 较高效率区间工作，并根据车辆实时参数及路况实际情况调整动力系统各部件的 工作状态，以提高整车的动力性、经济性、排放性。由于其实现简单，所以目前 在并联式混合动力实车开发中应用较为广泛。但由于门限参数主要是依靠工程经 验来设置的，很难保证车辆燃油经济性及排放性最优，而且这些设定的参数不能 适应工况的动态变化。 6 硕：= 学位论文 ( 2 ) 瞬时优化能量控制策略 针对逻辑门限策略的上述缺点，一些学者提出了瞬时优化能量控制策略 【1 6 18 1 。瞬时优化策略也就是所谓的“等效燃油消耗最少”法，将发动机的实际油耗 和电机的等效油耗定义为名义油耗，也就是说将电机的能量消耗转换为等效的发 动机油耗，得到一张类似于发动机万有特性图的电机等效油耗图。在某一个工况 瞬时，从保证系统在每个工作时刻的名义油耗最小出发，确定电机和发动机的工 作点，对每一对工作点计算出发动机的实际燃油消耗和电机的等效燃油消耗之和， 选定名义油耗最小的点作为当前工作点，实现对发动机、电机的合理控制，从而 实现燃油经济性及排放性最佳1 2 。 ( 3 ) 全局最优能量控制策略 由优化理论可知，瞬时最小值之和并不等于和的最小值，因此瞬时优化模式 并不能导致全局最优的控制策略。全局最优能量控制策略是应用最优化方法开发 出来的混合动力系统能量分配策略。目前主要有b e l l m a n 动态规划理论的能量控制 策略、基于古典变分法的能量控制策略和基于多目标数学规划方法的能量控制策 略三种。研究最为成熟的是基于b e l l m a l l 动态规划理论的能量控制策略，该方法首 先在约束条件下建立状态方程，然后求出满足性能指标的最优解。同时为了满足 电池荷电状态平衡，采用迭代方法计算其拉格朗日系数，可以得到满足荷电状态 平衡的约束条件最优解。全局优化方法的优点是理论上可以找到真正意义上的最 优解，突出的缺点是计算必须以确定的行驶循环为基础，所以该方法只能用于特 定的驾驶循环，即必须预先精确知道车辆的需求功率，因而不能用于在线控制m 引。 ( 4 ) 模糊能量管理策略 模糊能量管理策略控制策略基于模糊控制方法来决策混合动力系统的工作模 式和功率分配，将“专家 的知识以规则的形式输入模糊控制器中，模糊控制器 将电池s o c 、需求功率转矩等输入量模糊化，基于设定的控制规则来完成决策， 以实现对混合动力系统的合理控制，从而提高车辆整体性能。由于混合动力汽车 动力传动系统具有较强非线性和时变的特点，用线性系统控制方法难于实现理想 的控制效果。而模糊控制具有无需建模和对时变系统适应能力强的特点，使得控 制的自由度大大增加，可以方便地实现不同影响因素的整合【l 巩3 0 j 。 1 6 论文主要研究内容 本文主要研究内容：通对一款成熟并联混合动力产品一c i v i ch y b r i d 进行实车 测试分析其能量策略。在学习和分析的基础上，制定了自己的能量控制策略。以 a d v i s o r 为仿真软件，通过对a d v i s o r 的二次开发，把所设计模型及策略植入整 车仿真平台上进行仿真分析。主要工作及章节安排如下。 7 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 第一章介绍了混合动力在国内外发展现状及其关键技术，特别的介绍了并联 式混合动力汽车能量控制策略研究现状。 第二章介绍了并联式混合动力汽车结构及运行工况。 第三章对本田c i v i ch y b r i d 进行工况测试及控制策略进行分析。 第四章在对c i v i ch y b r i d 控制策略学习分析的基础上，设计了模糊能量控制策 略作为驱动时的能量控制策略，并制定了再生制动策略。 第五章对动力元件进行建模及选型，为仿真做好准备。 第六章以a d v i s o r 为仿真软件，将汽车的仿真模型及策略植入a d v i s o r 进行 仿真分析。 第七章对全文进行总结与展望。 硕士学位论文 第2 章并联式混合动力汽车结构及运行工况 2 1 并联式混合动力汽车结构 并联式混合动力有内燃机和电机两套驱动系统。它们可分开工作，也可一起 协调工作，共同驱动。所以并联式混合动力汽车可以在比较复杂的工况下使用， 应用范围比较广。并联式结构由于电机的数量种类，传动系统的类型，部件的数 量( 如离合器的数量) 和位置关系( 如电机与离合器的位置关系) 的差别，具有 明显的多样性。结构上可分为两种形式，即双轴式和单轴式。 2 1 1 双轴并联混合动力总成 双轴式混合动力总成的主要结构特点是发动机和电机通过齿轮系进行动力复 合，两部件轴线空间平行。双轴式并联混合动力系统结核十分的复杂，基本结构 布置方案如图2 1 所示。 图2 1 双轴并联混合动力总成基本结构及布置方案简图 双轴并联混合动力总成的部件组成及工作原理【扣8 ，2 0 】： ( 1 ) 发动机及控制单元：包括发动机、控制执行器、和控制单元三部分。控制 单元向执行器发出控制指令，控制发动机的工作状态。 ( 2 ) 加速踏板和制动踏板：通过加速踏板及制动踏板开度可以得知驾驶员的驾 驶意图，通过转换装置将踏板开度转换为电量信号输入主控制系统。 ( 3 ) 电机及控制单元：包括电机、逆变器和控制单元。控制单元向逆变器发出 控制指令，控制电机的工作状态( 电动状态或发电状态) 和输出特性，使电机按 9 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 照控制指令提供要求的扭矩及功率。 ( 4 ) 电池及控制单元：包括电池、电池管理系统。电池管理系统负责电池的均 衡充电或放电，过充电或过放电保护，采集并运算处理得到电池的电量状态信号。 ( 5 ) 动力分配装置：是一对常啮合齿轮，具有固定的速比，如图2 2 所示。运 行过程中，在离合器接合的条件下，发动机的转速与动力分配装置输出端转速相 同。 图2 2 双轴并联动力分配装置结构简图 ( 6 ) 离合器及控制单元：包括离合器、控制单元和控制执行器。控制单元向执 行器发出控制指令，控制离合器的工作状态( 分离或接合) ，使离合器按照控制 指令进行接合或分离。 ( 7 ) 变速器：可配备手动变速器或自动变速器。 。 ( 8 ) 制动系统及控制单元：包括制动器、控制单元和控制执行器。控制单元向 执行器发出控制指令，控制制动器的工作状态，使机械制动系统按控制指令提供 要求的制动扭矩。 2 1 2 单轴并联混合动力总成 单轴式混合动力总成的主要结构特点是发动机和电机同轴联接在一起，两个 部件的轴线相同，其基本结构和布置方案如图2 3 所示。单轴式并联混合动力总成 的部件组成及工作原理与双轴式并联混合动力总成一样，单轴式并联混合动力总 成也是由8 个主要部件组成动力总控制系统、加速踏板和制动踏板、发动机 及控制单元、电池及控制单元、电机及控制单元、离合器及控制单元、变速器、 制动系统及控制单元。单轴式并联式混合动力的主要部件的结构和功能与双轴式 几乎一致，这里不再赘述。两者在结构型式上最大的差别是发动机和电机的相对 布置位置不同，单轴式混合动力的发动机和电机在位置上是同轴的，而双轴式混 合动力的发动机和电机在位置上是不同轴的。 1 0 硕士学位论文 图2 3 单轴并联混合动力总成的基本结构及布置方案简图 2 2 并联式混合动力运行工况 并联式混合动力汽车在实际的道路上运行十分复杂，主要包括：起步、加速、 巡航、减速、制动、上坡、下坡、倒车、停车等。并联式混合动力汽车有内燃机 和电机两套驱动系统。由于发动机和电机的高效工作区域并不相同，为了发挥并 联式混合动力系统的优势，汽车应根据不同运行工况，采取与之相适应的工作模 式，以提高车辆整体动力性、经济性及排放性。在图2 1 所示的并联式混合动力汽 车动力系统中，根据不同的工况要求和能量分配方案可将并联式混合动力汽车工 作模式分为为六种基本模式：怠速停车模式、纯电动模式、纯发动机模式、混合 驱动模式、行车充电模式和再生制动模式【5 】。 = - 日 j 、 ， 、一 崩 讣 甘饲i l ) 图2 4 并联式混合动力运行模式 ( 1 ) 纯电动模式 当并联式混合动力汽车处于低速、轻载等工况且电池的s o c 较高时，若以发 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 动机作为驱动动力源，则发动机不仅燃油效率较低，并且排放性能很差。因此， 在这种情况下，发动机停止工作，由电池提供能量驱动电机带动整车运动。但当 电池的s o c 较低时，为了延长电池寿命，应当切换到行车充电模式。 ( 2 ) 纯发动机模式 在车辆中高速行驶且中等负荷时，车辆克服行车阻力所需的动力并不是很大 且电池的s o c 并不是很低。在这种情况下主要由发动机提供动力。此时，发动机 可工作于较高的效率区域且排放性也较好。 ( 3 ) 混合驱动模式 在急加速或爬坡等大负荷情况下，当车辆所需的动力超过发动机工作能力或 不在发动机高效区时，这时驱动电机以电动机的形式工作对发动机进行助力。若 此时电池的s o c 值比较低，为了保护电池，只能由发动机单独驱动。 ( 4 ) 行车充电模式 在车辆正常行驶等中低负荷时，若这时电池的s o c 较低，发动机除了要提供 驱动车辆所需的动力外，还要提供额外的功率对电池充电。 ( 5 ) 再生制动模式 当并联式混合动力汽车减速制动时，发动机关新生，电机在保证制动安全的 前提下尽可能多地回收再生制动能量，剩余的能量由机械制动系统消耗掉。 ( 6 ) 怠速停车模式 在怠速停车模式中，并联式混合动力通常关闭发动机和电机，但如果这时电 池s o c 较低，需要开启发动机和电机，控制发动机带动电机为电池充电。 2 3 本章小结 本章首先介绍了并联式混合动力的结构单轴式和双轴式，并简要介绍了 其动力组成部件及工作原理。然后介绍了并联式混合动力的运行工况。 1 2 硕士学位论文 第3 章本田c i v i ch y b r i d 实车工况测试及策略分析 对于混合动力能量控制策略的研究，对实车进行路跑实验不失为一种好方法。 既可了解当今成熟的控制策略，也可为自己制定控制策略提供借鉴作用。日本的 混合动力技术一直走在国际前列。本课题就是以c i v i ch y b r i d 为测试对象。对其策 略进行分析。本田公司长期致力于各项节能环保技术和新能源的研究与开发，于 1 9 9 9 首次推出了第一代混合动力汽车h o n d ai n s i 曲t ，之后又陆续推出了第二代的 c i v i ch y b r i d ，第三代的a c c o r dh y b r i d 和第四代的c i v i ch y b r i d 。本章测试的东风本 田c i v i ch v b r i d 如图3 1 所示。 图3 1c i v i ch y b r i d 实车图 3 1 本田c i v i ch v b r i d 基本构成及性能参数 新一代c i v i ch y b r i d 是属于本田公司第四代混合动力车型。是一款单轴式并联 混合动力汽车，其系统由动力传动系统和智能动力控制单元两大部分组成。如图 3 2 所示。本田公司采用了并联方式对发动机与电动机进行混合，由于发动机作为 主动力源，而把电机作为辅助动力源，因此本田公司把这技术称为综合电机辅助 系统i m a ( i n t e g r a t e dm o t o ra s s i s t ) 。i m a 动力传动系统主要由发动机，电池，电 动机和无级变速器c v t 组成。2 0 0 6 款本田思域( c i v i c ) 轿车第4 代i m a 系统的主要部 件包括：1 个1 3l 四缸汽油机、1 个高功率的超薄永磁同步电动机、1 个无级变速器 ( c v t ) 和1 个智能动力单元( i p u ：i n t e l l i g e n tp o w e ru n i t ) 。i p u 由1 个动力控制单元 ( p c u ：p o w e rc o n t r o lu n i t ) 、1 组高性能镍氢电池和一个制冷单元组成。如图3 3 所 示，其主要性能参数如表3 1 所示1 7 】。 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 图3 2c i v i ch y b r i d 系统基本组成图3 3i m a 动力传动系统的基本组成 表3 1 本田c i v i ch y b r i d 车型的主要性能参数 3 2 信号的采集 本章对c i v i ch y b r i d 控制策略进行测试分析，共测试六个信号，分别是发动 机转速信号、加速踏板信号、制动踏板信号、电池电流、电池电压及整车车速。 其采集示意图如图3 4 所示。 1 4 硕。 ：学位论文 ( 1 ) 发动机转速信号采集 发动机转速测试仪是一种应用电磁感应原理，采用夹式传感器，信号取自点 火线圈初级线圈，由相应电路及单片机处理。主要用于测量四行程汽油发动机转 速。因该转速测量仪信号取自点火线圈的初级线圈，克服次级线圈不通不点火引 起的严重误测。 ( 2 ) 加速踏板及制动踏板信号采集 加速踏板及制动踏板信号都是电压信号，通过外接导线的方式将其电压的模 似信号采集到，并送到信号采集仪里。 ( 3 ) 电池电流信号采集 根据并联式混合动力的结构特点，只要测出蓄电池两端的电流，而该电流即 流向控制器两端的电流。电流传感器选型为b j l e m 公司霍尔式电流传感器，把 电流传感器的输出电压信号输送到信号采集仪里。 ( 4 ) 电池电压信号采集 电池电压信号是从蓄电池正负两端引线接到电压传感器上，再通过电压传感 器输送到信号采集仪上。 ( 5 ) 车速信号采集 本章中车速信号，是通过固定在车上的g p s 来测量的，同样把测到的信号输送 给信号采集仪。 图3 4 信号采集示意图 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 图3 5 信号采集结果 对实车进行测试，每0 2 秒取一个信号，共采集2 8 3 3 8 个点的信号，所测的信号 如图3 5 所示。从图中可以看出，在整个采集过程中电压信号稳定为1 5 8 v 左右，所 以在后面信号分析时不分析电压信号，分析电流、车速、制动踏板、加速踏板、 及发动机转速信号。 3 3 本田c i v i ch v b r i d 工况分析 c i v i ch y b r i d 汽车主要由发动机提供车辆行驶所需的能量，电机一般只作为 辅助动力源，在加速或爬坡等工况时进行助力，在减速或制动时进行能量回收， 并在一定条件下实现发动机的快速起停功能，通过关闭发动机来达到节能减排的 目的，有限地进行纯电动行驶。对镍氢电池，以维持电池电量为目标，结合镍氢 电池的s o c 调节电机的工作状态，使镍氢电池s o c 保持在高效区。所以c i v i c h y b r i d 混合动力汽车的控制策略主要通过几种典型工况来反映。 3 3 1 发动机快速起停工况 发动机通过快速起停功能，不仅可以使发动机快速达到高效区，也可以使汽 车在运行时( 如松加速踏板、制动减速等) 及时自动地切断发动机的燃油供应( 停 机) 而达到节能减排的效果，另外还有一个重要的功能即怠速停机。在汽车工况 排放测试中，怠速排放c o 和h c 通常占总排放量的7 0 左右，在怠速工况下的耗油 量约占总油耗的3 0 。怠速转速越高，燃油消耗越多。虽低速运转稳定，但排放性 能变差。 从起动过程来看，电机快速响应的扭矩能在很短时间内将发动机带到较高转 1 6 硕士学位论文 速，从而有效的改善发动机起动过程的性能。所以发动机快速起停是c i v i ch y b r i d 节油的一个重要途径。通过检测加速踏板、制动踏板的变化，来判断驾驶员的意 图，当汽车以较高车速行驶时，若检测到加速踏板松开并超过一定时间，则关闭 发动机，而检测加速踏板踩下一定开度时，电机将快速启动发动机( 注：发动机 转速是通过测试点火线圈点火信号得到的，本章相关图片中发动机转速为o 时发 动机停止工作，但这时发动机可以空转，电流为正代表电机发电，反之代表电机 驱动，下同) ，并产生扭矩在很短时间内将发动机带到较高转速。 如图3 6 所示，在信号采集的2 1 5 0 秒到2 1 9 0 秒区间内，多次出现发动机快速 起停，这区间车速稳定在4 0 k m h 附近，当加速踏板松开并超过一定时间时，发动 机会快速的关闭，当检测到加速踏板踩下一定程度时，电机快速启动带动发动机 工作。一般是加速踏板快速被踩下一定程度，整车控制器就阅读到了驾驶员有加 速的意图，就会启动电机带动发动机工作。加速踏板松开一定程度并超过一定时 间，整车控制器就判断出驾驶员有减速的意图，就立马关闭发动机。这种控制方 法在节能减排上有很好的效果。 图3 6 快速起停工况 3 3 2 纯发动机驱动工况 c i v i ch y b r i d 不论是电机的功率还是镍氢电池的容量都相对较小，所以电机 只是辅助性地实现对发动机工况的调节或发动机输出扭矩( 功率) 的补充，主要 的动力源仍是发动机。所以在整个信号采集的过程中，纯发动机驱动工况比较常 1 7 并联式混合动力汽车能量控制策略研究 出现。当发动机工作在较高效区时且车速并不是很高时，同时加速踏板踩入程度 没有什么急骤变化时，也就是说稳速行驶时，这时一般都会是纯发动机工况的， 这种情况在交通情况良好时常出现。如图3 7 所示。 时同，s 图3 7 纯发动机工况 3 3 3 电动助力工况 上文已讲c i v i ch y b r i d 的电机功率和镍氢电池的容量都相对较小，所以说从 整车动力上讲，电机只是辅助性地实现对发动机工况的调节或发动机输出扭矩( 功 率) 的补充，发动机是主要的动力源。 对于混合动力而言，其动力电池中的能量绝大部分是从发动机带动电机发电 获取的，这一部分电能，从石油的化学能到经过一系列转化变成动力电池中的电 能，最后由电机把电能转化为机械能，即使发电时发电机处于高效率区间，但从 发动机的机械能最终到电机的助力，总体能量转化的效率难以达到很高，只有电 机在其作为电动机效率特别高的区间工作，才可能达到最终的总体能量优化。这 也一定程度上决定了电机只能有限介入驱动汽车，故电机的纯电动工况很少出现， 其只能达到减排而并未达到节能效果。大部分情况下电机只在在快速加速、上坡 等大负荷工况下进行电动助力，如图3 8 所示，在6 0 0 秒到6 3 0 秒这个过程中，发 动机在电机的带动下在很短时间内高速运转起来，由于加速踏板被踩踏程度很深 且很急，判断出驾驶员有快速加速的意图。电机在响应驾驶员的意图，快速提供 很大的助力。由于电机的低速区为恒扭矩区，可以在低速区发出较大扭矩，因此 1 8 硕士学位论文 可以较好的弥补了发动机低速扭矩较小的不足，急加速时电机和发动机可以一起 出力，有效改善了混合动力汽车的加速起步性能。如图3 8 所示，急加速起步，电 机电流急剧增大，车速快速平稳上升。放松加速踏板或者有放松的趋势时，电机 提供的助力马上有减小的趋势。当再次快速踩死加速踏板时又会出现很大的电机 助力，在这个过程中整车很快从静止变到车速为1 0 0 k 州h 。在6 3 0 秒后松开加速踏 板，由于这时车速很快，出现了行车充电的，且充电程度与车速成正比，当车速 低于5 0 k 州h 时，充电的程度就很弱了。 时同，s 图3 8 电动助力工况 3 3 4 纯电动工况 由于c i v i ch y b