（载运工具运用工程专业论文）并联混合动力汽车动力系统参数与控制策略设计及仿真.pdf

摘要 随着石油资源的匮乏和大气环境的恶化 人们对节能和环保的呼声越来越 高 为此各种各样的电动汽车 e v 脱颖而出 但是由于电池技术在提高其储能 量方面没有实质性的突破 使得由蓄电池驱动的纯电动汽车的实用性受到了很大 的限制 以氢为燃料的燃料电池汽车可能是未来高效清洁汽车的解决方案之一 但目前离实用还有很大的距离 而融合了传统内燃机 i c e 汽油机或柴油机 汽车和纯电动汽车优点的混合动力电动汽车 脏v 成为了缓解能源和环境危机 的途径 是解决当前节能和环保问题切实可行的过渡方案 混合动力汽车配备了两套动力系统 即传统内燃机和电机一蓄电池系统 理 论和实践证明 设计合理 控制精确的混合动力汽车可以大幅度提高汽车的燃油 经济性和降低汽车的环境污染排放物 同时不牺牲汽车的动力性 但混合动力汽 车的双动力源型式的结构大为复杂 特别是需要一套传统汽车所没有的控制系 统 传统的汽车理论和设计方法不能适用于混合动力汽车 因此 急需发展一套 完备的混合动力汽车的设计和控制方法 以支持混合动力汽车的产品开发 混合动力系统设计有机构参数匹配设计及控制策略设计两大关键性问题 设 计的合理与否直接关系到能否满足混合动力汽车的动力性要求以及改善燃油经 济性和排放性能的目的 本文参照现有常规车型s c 7 1 3 0 整车参数及动力性要求 针对一种并联混合动力汽车 p h v 结构型式 设计了主要机构参数 并考虑了 系统质量组成后对这些参数进行了校正设计 然后介绍了两种p h v 常用的能量分 配控制策略 s o c 最大化控制策略和模糊逻辑控制策略 设计了一种再生制动 控制策略 计算机仿真可缩短产品开发周期 降低开发成本 提高开发效率 本文采用 反向式仿真建模方法建立了并联混合动力系统仿真模型 并在f t p 7 5 城市 f t p 7 5 高速公路 e c e 和u s 0 6 等四个典型循环下对已设计的并联混合动力汽车进行仿 真计算 得出了车辆的加速时间 最大爬坡度 各循环工况下的百公里油耗 发 动机工作点 电池s o c 变化等结果 证明了本文设计的并联混合动力汽车在保证 了动力性的前提下 燃油经济性有明显的提高 同时说明了本文并联混合动力系 统设计的合理性 本文所做的研究对其他结构型式的混合动力系统设计有参考作用 关键词 并联混合动力系统 参数设计 控制策略 建模与仿真 a b s t r a c t w i t ht h ep i n c ho fp e t r o l e u m r e s o u r c e sa n dd e t e r i o r a t i o no f a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t w ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t oe n e r g ys o u r c e s a n de n v i r o n m e n t t h e r e f o r ek i n d so fe l e c t r i cv e h i c l e s e v a r et a l e n t s h o w i n gt h e m s e l v e s b u tt h e r ei s n tm a t e r i a lb r e a k t h r o u g ht oh e i g h t e n t h ee n e r g y s t o r a g eo fb a t t e r yt e c h n o l o g y w h i c hg r e a t l yr e s t r i c t st h e p r a c t i c a b i l i t yo fe l e c t r i cv e h i c l e s d r i v e nb ya c c u m u l a t o r t h ef u e l b a t t e r yv e h i c l eu s i n gh y d r o g e nm a yb eo n eo ft h es o l u t i o n so fi n t e n d i n g c l e a n n e s sv e h i c l e b u tp r e s e n t l y t h e r e sg r e a td i s p a r i t yb e t w e e n u t i li t y t h eh e vs y n c r e t i z i n gt h em e r i t so ft 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 n e n g i n e i c e g a se n g i n ea n dd i e s e le n g i n e v e h i c l eb e c o m et h ea p p r o a c h t oa l l e v i a t ee n e r g ys o u r c e sa n d e n v i r o n m e n tc r i s i sa n df e a s i b l e t r a n s i t i o n a lp r o j e c tt os o l v et h ep r o b l e mo fc u r r e n te n e r g ys o u r c e sa n d e n vi r o n m e n t t h e 唧e q u i p st w os e t so fp o w e rs y s t e m n a m e l yt r a d i t i o n a li c ea n d e l e c t r i c a le n g i n e a c c u m u l a t o rs y s t e m b yt h e o r ya n dp r a c t i c e w e c a n p r o v et h ed e s i g ni nr e a s o n a c c u r a t ec o n t r o lh e vc a nn o to n l yg r e a t l y i m p r o v et h ef u e lc o n s u m p t i o n a n dr e d u c ee x h a u s to fm o t o r s b u ta l s od o n t i m m o l a t ed y n a m i c a lq u a l i t y w h e r e a st h ed o u b l e p o w e rs o u r c es t r u c t u r eo f h e vi st o oc o m p l e x e s p e c i a l l yn e e d s as e to fc o n t r o ls y s t e mt h e t r a d i t i o n a lv e h i c l ed o e s n th a v e t h et r a d i t i o n a la u t ot h e o r ya n dd e s i g n w a y sa r en o tt h es a m ew i t ht h eh e v c o n s e q u e n t l y i t sn e c e s s a r yt o d e v e l o pas u i to fs e l f c o n t a i n e dd e s i g na n dc o n t r o lm e t h o d so fh e yt o s u p p o r tt h ep r o d u c t sd e v el o po fh e v t h eh y b r i dd r i v es y s t e md e s i g ni n c l u d e s t w op i v o t a lp r o b l e m s s t r u c t u r ep a r a m e t e rm a t c h i n gd e s i g na n dc o n t r o ls t r a t e g yd e s i g n t h e r a t i o n a l i t yo fd e s i g nr e l a t e sw h e t h e rc a ns a t i s f yt h e d e m a n d so ft h e d y n a m i c a lq u a l i t ya n di m p r o v et h ef u e lc o n s u m p t i o na n de x h a u s t r e f e r r i n g t ot h ef u l l v e h i c l ep a r a m e t e ra n dr e q u e s to fd y n a m i c a lq u a l i t yo ft h e e x i s t i n gg e n e r a lv e h i c l es c 7 1 3 0a n da i m i n ga tas t r u c t u r et y p eo fp h v d e s i g n st h em a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dr e v i s e st h e s ep a r a m e t e r sa f t e r c o n s i d e r i n gt h ec o m p o s i n go fs y s t e m sm a s s a n dt h e nd e s i g n st w og e n e r a l k i n d so fc o n t r o ls t r a t e g i e so fe n e r g yd is t r i b u t e t h em a xs o co fb a t t e r y s t r a t e g ya n dt h ef u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y a n dp r o v i d e sac o n t r o l s t r a t e g yo fr e g e n e r a t i o no fp h v c o m p u t e r s i m u l a t i o nc a l l s h o r t e n d e v e l o p m e n tc y c l e r e d u c e d e v e l o p m e n tc o s ta n di m p r o v ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y t h ep a p e ra d o p t st h e r e v e r s et y p em o d e l i n gm e t h o d st ob u ii dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fp h v a n d c a r r i e so u ts i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fd e s i g n e dp h vm o d e lb a s e do nt h e f o l l o w i n gf o u rt y p i c a lc y c l e f t p 7 5c i t y f t p 7 5f r e e w a y e c ea n du s 0 6 a c q u i r e st h er e s u l t so fa c c e l e r a t i o nt i m eo fv e h i c l e m a xg r a d e o i l c o n s u m ep e rh u n d r e dk il o m e t e ro fe a c hc i r c u l a rw o r k i n gc o n d i t i o n p o i n t s o fe n g i n e c h a n g eo fb a t t e r ys o c w h i c hp r o v e st h ef u e lc o n s u m p t i o no f t h ed e s i g n e dp h vo ft h i sp a p e rh a so b v i o u sa d v a n c e m e n t b a s e do ne n s u r i n g d y n a m i c a lq u a li t y a n dp r o v e st h er a t i o n a l i t yo ft h ep hs y s t e md e s i g n t h es t u d yo ft h isp a p e rh a sr e f e r e n c e de f f e c to no t h e rs t r u c t u r et y p e d e s i g no fh y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m k e y w o r d s p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cd r i v et r a i n p a r a m e t e r sm a t c h i n g d e s i g n c o n t r o ls t r a t e g y m o d e li n ga n ds i m u l a t i o n 重庆交通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 是本人在导师的指导下 独立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 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 黼 日期 年q qf 彦e t 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权 重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密西在上年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密口 请在以上方框内打 学位论文作者签名 砂昝 指剥雠 咖y 亏 日期 珈占年妒月 8e t日期 扣 年y 月lg 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目提出的背景及意义 高速发展的汽车工业和世界上巨大的汽车保有量已经并将继续导致一系列 严重的社会和人类生存问题 日益恶化的空气质量 全球变暖和石油资源的短缺 等等已经成为人类生存的主要威胁 越来越严格的排放限制和油耗法规正激励着 更安全 清洁和高效的汽车的发展 目前 人们基本上已经有一个共识 就是纯 电动汽车 混合动力汽车和燃料电池汽车技术是解决这些问题最有效的途径 1 当前普遍使用的传统内燃机汽车存在种种弊病 统计表明 汽车公路行使的 效率 即车轮上的输出能量与燃料的含能量的比值 平均约为1 5 市区行驶不 足1 0 更为严重的是排放废气污染环境 乜12 0 世纪9 0 年代以来 世界各国对 节约能源和改善环保的呼声日益高涨 各种各样的电动汽车脱颖而出 但由于电 池的能量密度与汽油相比差了上百倍 专家称如果燃料电池技术不能实现重大突 破 电动汽车还无法取代传统内燃机汽车 混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的 一种新的车型 它将现有内燃机与一定容量的储能元件 主要是高性能电池或超 级电容器 通过先进控制系统相组合 可以大幅度降低油耗 减少污染物排放 国外普遍认为它是投资少 选择余地大 易于满足未来排放标准和节能目标 市 场接受度高的主流清洁车型 各大汽车公司都正在加紧混合动力汽车研究的投 入 3 1 混合动力汽车配备了两套动力系统 即传统内燃机 汽油机或柴油机 和电 机一蓄电池系统 理论和实践证明 设计合理 控制精确的混合动力汽车可以大 幅度提高汽车的燃油经济性和降低汽车的环境污染排放物 同时不牺牲汽车的动 力性 由于混合动力汽车远比传统汽车结构复杂 特别是需要一套传统汽车所没有 的控制系统 因此传统的汽车理论和设计方法不能适用于混合动力汽车 而急需 发展一套新的混合动力汽车的设计和控制方法 以支持混合动力汽车的产品开 发 本项目正是在这一背景下提出的 以合理设计混合动力系统机构参数及控制 策略为目的 寻找系统设计和控制的方法 混合动力系统设计包括发动机和电机的最高转速 功率和扭矩 电池的功率 及容量 以及传动系统的档位数及各档的传动比等参数的设计 系统控制策略则 控制汽车行驶需求功率在两套动力系统之间合理分配 1 它们的设计正确与否 都会对车辆的动力性 燃油经济性和排放均有显著影响 第一章绪论 2 随着计算机技术的飞速发展 计算机仿真技术在汽车产品的开发中扮演着越 来越重要的角色 计算机仿真能大量地节省产品开发时间 缩短开发周期 降低 开发成本 5 l 1 因此在当今开发混合动力汽车产品 计算机仿真已成为了必不 可少的工具 混合动力系统主要有串联式 s e r i e s 并联式 p a r a l l e l 混联式 s e r i e s p a r a l l e l 和复合式 c o m p l e x 四种典型结构型式 本文将以一款现有常规车 型s c 7 1 3 0 作为参照 设计一并联式混合动力汽车 p h v 在保证不削弱动力性 的前提下 确定上述机构参数 并制定混合动力系统能量分配控制策略 建立计 算机仿真模型 并对初步设计好的混合动力汽车进行仿真计算 从计算得出的动 力性 百公里油耗及s o c 变化情况等结果判断设计的效果 并与原车型计算结果 作比较 使得在满足动力性的前提下 燃油经济性和排放比传统内燃机汽车有明 显改善 1 2 混合动力汽车概述 1 2 1 混合动力系统的概念 一般地 对任何汽车的动力系统都有如下要求 1 为汽车提供足够的动力来 满足汽车行驶性能的要求 2 携带足够的能量来满足汽车行驶里程的要求 3 高 效率 4 污染物排放低 拓宽一点 汽车可以有两种及以上的动力源和能量转换 装置 比如 汽油 或柴油 发动机系统 氢一燃料电池一电机系统 蓄电池一 电机系统等等 一个具有两种或更多种动力源和动力转换装置的汽车叫做混合动 力汽车 混合动力汽车上装有电动系统 电能转换装置 便称为h e v 传统内燃机 i c e 汽车具有良好的性能 内燃机有较宽的工作区域等优点 但它也有耗油高 对空气的污染大的缺点 纯电动汽车 e v 在很多方面却优 于传统的i c e 汽车 比如说有较高的能量利用效率 对环境无污染等 但在性 能方面 特别是它的一次充电续驶里程 由于其电池容量有限 e v 比传统的i c e 汽车逊色不少 而混合动力汽车 髓v 综合了e v 和传统的i c e 汽车的优点 一方面能比传统i c e 汽车节油 另一方面能保证车辆的性能 1 2 2 混合动力汽车节油原理 传统i c e 汽车相比混合动力汽车耗油的原因主要有以下几种 1 发动机燃 油消耗率特性和汽车实际行驶工况的需求不匹配 2 制动能量的消耗 特别是在 城市市区行驶 3 带有液力变矩器的汽车在频繁起停的时候传动效率很低 1 1 第一章绪论 3 混合动力汽车相比传统i c e 汽车之所以节油 主要结合上述在以下方面有 所改进 1 作为动力装置的发动机尺寸有所减小 2 通过控制能使发动机工作点尽量靠近或在发动机最优经济区域 提高发动 机工作效率 不足动力由电机补充 如图1 1 所示 3 在汽车制动时 控制电机以发电机模式工作进行回馈制动 将汽车的动能 或势能部分回收 4 在频繁起停工况下 汽车停车时 若电池荷电状态 s 0 c 处于合理范围 将发动机关闭 节省发动机怠速油耗 在汽车起动时 由电机单独驱动 能避免 带有液力变矩器的汽车在起动时的传动效率低的问题 享 皇 擗 辞 最k 毒域 外特性功率型战 i 一泛 一 节 一 勉 一 呱 乏么骝 发动 虬工作只劢缨嘎 妒 商 一 黝7 彳j 二二 土磁影 琶 疆麟翟身乏旮智确隐 玉 鱼 曩 r 4 x 目e q 一 一 二 j i l 5 0 010 0 015 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 0 5 0 0 05 5 0 0 转速 r p m 图i i 混合动力汽车调节发动机工作点节油原理图 1 3 混合动力汽车的发展概述 国外 混合动力汽车 这个概念几乎在出现汽车的时候就有了 只不过在最初的 时候 研究混合动力汽车的目的并不是降低燃油消耗 而是为了寻求一个更好的 汽车动力性 n 1 真正取得突飞猛进的发展是最近十来年时间 目前 许多国家都 制订了严格的汽车排放法规和节能标准 在纯电动汽车不能很快实现市场化的情 第一章绪论 4 况下 世界上各大汽车公司都对混合动力汽车加大了投入力度 相继开发出各种 混合动力汽车产品 例如日产公司的t i n o 混合动力轿车 本田公司的i n s i g h t 混 合动力轿车 通用公司的p r e c e p t l 3 混合动力轿车 福特公司的p r o d i g y 混合动 力轿车 戴母勒一克莱斯勒公司的e s x 3 1 5 混合动力轿车 还有丰田公司在1 9 9 7 年推出的王牌车型p r i u s 混合动力轿车 目前全球销量已经接近年3 0 万辆 在混 合动力大客车方面 较为典型的有日本三菱的h e v 无阶梯公共汽车 美国的 d e 4 0 l f 和o r i o n 混合动力大客车都有较好的性能价格比 都已经在2 0 0 2 年推 向市场 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l o 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 5 1 国内 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 在此基础上也开展了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发 清华 大学 华南理工大学 广州电车公司等单位分别试制了混合动力样车 但从技术 水平上看 国内目前还处于探索的初级阶段 与国外的先进水平相比还有很大差 距 随着石油资源的枯竭 人们环保意识的提高 电动汽车及混合动力汽车将 成为新世纪前几十年汽车发展的主流 这一点也是我国汽车界所有业内人士的共 识 我国政府已经在国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 中专门列有电动汽车 重大专项 包括燃料电池整车 混合动力汽车车和纯电动车 总经费8 8 亿 其中混合动力汽车的开发目标是 5 年内实现产业化 1 我国的几大汽车集团近几年都开展了混合动力汽车的研究开发工作 一 汽 集团和 二汽 集团于2 0 0 2 年1 月就分别启动了混合动力客车和混合动力轿车 的开发研究 中国 一汽 集团公司在2 0 0 4 年9 月与丰田汽车公司就推动混合 动力汽车在中国市场的发展与普及事宜达成合作协议 双方将在今年内 共同进 行p r i u s 的生产 旨在通过合作 学习和借鉴丰田先进技术和成熟经验 加快中 国混合动力汽车开发和产业化进程 东风汽车公司也加紧了自己的步伐 目前 东风混合动力城市公交车和轿车 已完成样车开发 工业化生产平台搭建 销售服务网络建设等产业化准备工作也 已全面展开 拥有自主知识产权的东风混合动力城市公交车和混合动力轿车年内 将实现产业化 上汽集团也于今年8 月与上海交通大学 同济大学在上海举行仪式 共同签 第一章绪论 5 署新能源汽车战略合作协议 规定双方将全力合作加快替代能源 混合动力 燃 料电池等车型的研发 计划到2 0 0 8 年北京奥运会和2 0 1 0 年上海世博会时 使上 汽自主品牌混合动力轿车等新能源汽车实现规模批量生产 长安集团也早在2 0 0 2 年就联合数家科研院校 进行混合动力技术的研发 该项目被列入国家8 6 3 计划 并于去年1 1 月通过国家科技部第二阶段的认证 准备进入量产 还有国内的奇瑞等汽车公司同样打算在混合动力车上树立起自主 品牌 奇瑞计划会在2 0 0 7 年展出首款自主研发的混合动力轿车 1 4 本论文的主要研究内容及研究方法 本研究从系统入手 对混合动力系统各部件参数进行设计 制订系统的控制 策略 设计混合动力汽车仿真计算程序 对已设计好的各部件参数和总成及机构 控制策略 利用编制好的仿真程序进行仿真 并在此基础上分析上述参数和控制 策略设计的合理性 归纳起来 主要有以下几方面内容 1 确定出并联式混合动力汽车动力系统的布置方案 并对该动力系统的特点 及功能进行分析 2 针对要研究的具体车型 提出具体设计的动力性能指标 3 设计并联混合动力系统机构参数 包括发动机和电机的功率 扭矩 最高 转速 电池的功率及需要的储存能量 传动系统的档位数及各档的传动比等 4 制定混合动力系统能量分配的控制策略 控制将行驶总功率分配给发动机 和电机 且尽可能使发动机工作在最优经济区域 同时保证电池在一个完整的汽 车行使循环工况内保持能量平衡 5 建立混合动力系统仿真模型 并对以上设计的系统进行仿真计算 预测其 动力性能及燃油消耗 分析并联混合动力系统参数及控制策略设计的合理性 第二章混合动力系统概述及元件选型 6 第二章混合动力系统概述及元件选型 2 1 混合动力系统的工作模式 混合动力汽车动力系统是一多动力源系统 但一般不超过两种 太多则系统 的结构会过分复杂 为了回收传统i c e 汽车在制动时以摩擦热形式消耗的部分 能量 混合动力系统一般都带有双向能量转换装置 图2 1 所示为一种混合动力 系统的示意图和功率流的不同路线 驱动功率流 一一 动力系统2 充电功率流 图2 1 混合动力系统概念示意图 混合动力系统可通过不同的工作模式来向汽车提供驱动力 该混合动力系统 主要有以下几种工作模式 动力系统1 单独驱动 动力系统2 单独驱动 动力系统1 和动力系统2 同时驱动 动力系统2 回收能量 再生制动 动力系统2 从动力系统1 得到能量 动力系统2 从动力系统1 得到能量同时回收制动能量 动力系统1 单独驱动并为动力系统2 提供能量 动力系统l 为动力系统2 提供能量 动力系统2 单独驱动 动力系统1 驱动 动力系统2 回收能量 混合动力汽车可变的工作模式就比单一的驱动系统有更大的灵活性 采用合 第二章混合动力系统概述及元件选型 7 适的布置型式并给予其适当的控制策略 使其在不同的工况有对应的工作模式 就能使动力性 经济性和排放都得到优化 针对上述混合动力系统 有不同的结构布置型式 如下述 2 2 混合动力系统的结构型式 图2 1 所示给出了简单的混合动力汽车的结构布置型式 各元件之间用线条 连接表示能量流的路径和控制路线 h e v 结构型式可分为4 种 串联式 s e r i e s h y b r i d 并联式 p a r a l l e lh y b r i d 混联式 s e r i e s p a r a l l e lh y b r i d 和 复合式 c o m p l e xh y b r i d 图2 2 图2 2 所示的油箱一内燃机和电池一电机 就可以作为主要动力和辅助动力的例子 当然 内燃机也可由其它的动力源来代 替 如燃料电池 同样 蓄电池也可由超级电容或飞轮或是复合电源来替代 传动 机构 眄邛 唯 传动 机构 阿h 悉卧再砰 i 兰竺卜 一空竺竺i 传动 机构 b 传动 机构 d 一电气连接 流体连接 机械连接 图2 2 混合动力汽车的结构型式分类 2 2 1 串联混合动力驱动系统 串联混合动力系统是由两个动力源加上一个驱动电机构成的 最常见的串联 混合动力系统如图2 3 所示 油箱为单向动力源 发动机 发电机组是单向能量 转换装置 发电机的输出端通过一个整流器与电能传输线连接 蓄电池组为双向 能量源 通过一个d c d c 转换器与能量传输线连接 电能传输线也和驱动电机控 制器相连接 控制器能控制驱动电机以电动机或发电机两种模式工作 这种驱动 系统需要一个充电器为蓄电池充电 第二章混合动力系统概述及元件选型8 串联混合动力系统的工作模式有以下几种 1 纯电动模式 发动机关闭 由电池向电机提供能量驱动汽车行驶 2 纯发动机模式 驱动电机所需电能直接由发电机 发电机提供 电池既不 充电也不放电 驱动电机仅起传递力的作用 3 混合模式 发电机 发电机和电池同时向驱动电机提供电能 4 发动机驱动 电池充电模式 发电机 发电机既为电池充电也驱动电机提 供电能 5 制动能量回收模式 发电机 发电机关闭 驱动电机以发电机模式工作 为电池充电 6 电池充电模式 驱动电机不工作 发电机 发电机为电池充电 7 混合充电模式 发电机 发电机为电池充电 同时驱动电机以发电机模式 工作为电池充电 图2 3 串联混合动力系统的结构型式 电 串联混合动力汽车有以下优点 1 发动机到驱动轮没有直接的机械连接 它的转速不受汽车行驶速度的限 制 所以能始终工作在如图1 1 所示的最佳经济区域 能获得很高的燃油效率 另外 和驱动轮之间没有直接的机械连接就可以选用高转速的发动机 如燃气轮 机和斯特灵发动机 2 电机有比较理想的外特性 传动系采用结构简单的单一速比机构就能满足 动力性要求 可用两个小型电机分开驱动车轮 以代替一个驱动电机和差速器机 构 控制两小型电机能实现差速和驱动防滑的双重功能 甚至可用四个小型电机 分别驱动四个车轮 结构更简单 动力性能更好 第二章混合动力系统概述及元件选型 9 3 控制策略简单 串联混合动力系统也有它的不足 主要表现在以下方面 1 能量两次传递 发动机 发电机 驱动电机 总体效率低 能量损 失大 2 加了一个发电机 增加了车重 3 驱动电机是单一的驱动装置 对其尺寸要求大 2 2 2 并联混合动力驱动系统 对于并联混合动力驱动系统 发动机向驱动轮提供动力的方式与传统i c e 汽车类似 而电机则通过机械耦合装置提供辅助动力 如图2 4 所示 图2 4 并联混合动力系统的结构型式 2 2 2 1 扭矩耦合式并联混合动力系统 图2 4 所示的机械耦合有扭矩耦合和转速耦合两种方式 如果是扭矩耦合 发动机和电机扭矩可以相加共同驱动车轮 也可以将发动机的扭矩一分为二驱动 车轮和驱动发电机发电 图2 5 给出了一个扭矩耦合装置的概念示意图 其中有 两个输入 发动机和电机的扭矩和转速 一个输出 输出给传动机构的扭矩和 转速 j 如1 e i n l 扭矩 t o c 2 k o i n 2 耦合器 图2 5 扭矩耦合装置示意图 第二章混合动力系统概述及元件选型 1 0 如果忽略能量损失 输出扭矩和转速可以表示为 乙 白t y 1 1 k 2 瓦2 2 1 譬 譬 2 2 k ik 2 其中k l 和髟z 为扭矩耦合器的速比常数 并联混合动力系统有很多种扭矩耦合型式 主要主要分为 单轴耦合 双轴 耦合和驱动轮耦合 不论是哪种耦合方式 为达到不同的驱动要求 传动机构都 可以装在不同的位置 变速齿轮也可以有所不同 1 双轴耦合结构 如图2 6 所示 在上面用了两个传动机构 一个装在发动机和扭矩耦合器之 间 另一个在电机和扭矩耦合器之间 除了这种结构 还可以将传动机构布置在 扭矩耦合器与驱动轴之间 图2 6 双轴扭矩耦合结构 传动机构在前 2 单轴耦合结构 这种结构用电机转子作为扭矩耦合器 即在式2 1 和2 2 中k 1 6 2 1 结 构简单且紧凑 如图2 7 所示 传动机构可以布置在电机后面 同样可以布置在 发动机和电机之间 前一种布置比较适合电机较小的情况 即轻度混合动力系统 后一种布置适合于大功率电机且能大范围恒功率输出的情况 对于这种系统 当 汽车停止的时候 由于电机与驱动轮刚性连接 发动机不能驱动电机为电池充电 第二章混合动力系统概述及元件选型 图2 7 单轴扭矩耦合结构 传动机构在后 3 驱动轮耦合结构 如图2 8 其中一根车轴由发动机驱动 另一根由电机驱动 发动机和电机 的输出扭矩在汽车底盘和路面之间得以组合 它的工作规律与双轴组合式并联混 合动力系统相似 图2 8 驱动轮扭矩耦合式并联混合动力系统 2 2 2 2 转速耦合式并联混合动力系统 两种动力装置的动力耦合也能通过它们的转速耦合来实现 耦合之后的转速和扭矩可以表示为 国喇 忌l 缈加l k 2 国跏2 乙 等 等 如图2 9 所示 2 3 2 4 第二章混合动力系统概述及元件选型 1 2 其中屯和七z 为设计时选择的常数 i n 1 u 1 i n l 转速 丁山川 o u t l 舱 n 施 耦合器 图2 9 转速耦合装置不恿图 行星齿轮机构是一种典型的转速耦合装置 和扭矩耦合装置一样 转速耦合 装置也可以用来构成不同的混合动力系统 如图2 1 0 所示 对于该系统 发动 机经过离合器和传动机构把动力传输给太阳轮 电机则与行星齿轮齿环连接提供 动力 利用锁止器l 和锁止器2 控制太阳轮和行星齿轮齿环的运行状态 可使该 系统不同的工作模式 1 混合驱动 锁止器1 和2 松开 太阳轮和行星齿轮齿环都能旋转 发动 机和电机都向驱动轮提供正向转速和扭矩 2 发动机单独驱动 锁止器2 把行星齿轮齿环和车架固定 锁止器1 松开 就只有发动机向驱动轮提供动力 3 电机单独驱动 锁止器1 把太阳轮与车架固定 此时发动机关闭或离合 器松开 锁止器2 松开 仅有电机向驱动轮提供动力 4 制动回收能量 锁止器1 锁住太阳轮 发动机关闭或离合器松开 控制 电机以发电机模式工作 反向扭矩 汽车动能可被电机系统吸收 5 发动机为电池充电 控制器控制电机为发电机模式 吸收发动机的能量为 电池充电 转速耦合装置的混合动力系统主要优点就在于两种动力系统的转速没被彼 此约束 这个特点对于采用斯特灵发动机和燃气轮机的混合动力汽车很重要 因 为斯特灵发动机和燃气轮机的效率受转速的影响很明显 而受扭矩的影响不大 图2 1 0 行星齿轮机构转速耦合式混合动力系统 第二章混合动力系统概述及元件选型 1 3 2 2 2 3 扭矩和转速组合式并联混合动力系统 把扭矩组合式和转速组合式结合在一起 便可构成可选择的扭矩和转速组合 式的混合动力系统 如图2 1 l 所示 图2 1 1 行星齿轮机构转矩转速耦合可选择式混合动力系统 扭矩组合工作模式 锁止器2 将行星齿轮机构的行星齿轮齿环与车架固定 并且离合器l 和3 都接合 离合器2 分离 发动机和电机的动力经扭矩组合器组 合后输出到驱动轮上 发动机和电机的输出扭矩是独立的 它们的转速有固定的 比例关系 式2 1 和2 2 转速组合工作模式 离合器1 接合 离合器2 和3 分离 锁止器1 和锁止器 2 松开 与驱动轮连接的行星齿轮架的转速就为发动机和电机转速的耦合 而发 动机 电机输出扭矩和驱动轮上的扭矩则是成固定比例关系 式2 3 和2 4 有了两种模式的可选择性 两种动力系统就能更好地选择他们的工作方式和 工作区域 进而就能得到一个更好的性能 例如 在汽车低速行驶时 选择扭矩 组合式的工作模式就比较适合加速和爬坡的要求 在汽车高速行驶时 选择转速 组合式的工作模式就能使发动机工作在经济区域 还有一个很成功的例子就是丰田公司开发的t o y o t ap r i u s 混合动力汽车 它也采用了扭矩和转速组合式混合动力系统 如图2 1 2 所示 发动机通过一个 行星齿轮机构 转速耦合装置 连接了一个小功率发电机 发动机转速被行星齿 轮机构一分为二 一部分通过太阳轮传输给小功率发电机 另一部分通过行星齿 轮齿环和一个固定轴式齿轮机构 扭矩耦合器 传输给驱动轮 一个大功率电机 也连接在这个齿轮机构上而构成了扭矩耦合式的并联驱动系统 在汽车低速行驶 时 小功率发电机正向转动 吸收一部分发动机能量 当汽车行驶速度增加并且 第二章混合动力系统概述及元件选型 1 4 发动机运行在一个指定转速下 电机转速降为零 该转速称为同步转速 在这个 转速下 锁止器就将电机的转子和定子固定 动力系统就成为了一个并联的动力 系统 当汽车高速行驶 为了避免发动机转速过高而使油耗增加 小功率电机就 反向转动 电机模式 向驱动系统提供动力 采用行星齿轮机构和小功率电机来 调节发动机转速使其工作在经济区域能使发动机具有很高的燃油消耗率 图2 1 2 行星齿轮机构复合式混合动力系统 丰田p r i u s 2 3 混合动力驱动系统的元件选型 混合动力系统的主要动力元件为 发动机 电机 储能元件及传动机构等 主要根据混合动力汽车工作特性的要求来选择合适的类型 2 3 1 发动机选型 考虑了混合动力汽车工作特性因素并总结了目前各国在混合动力汽车研究 中选用的发动机方案 可应用于混合动力汽车的发动机主要有 转子发动机 燃 气轮机 二冲程发动机 斯特灵发动机以及四冲程汽 柴油机等 1 转子式发动机 转子式发动机具有尺寸小 重量轻 暖机迅速和扭矩一转速曲线平坦等优点 特别适用于混合动力汽车 在混合动力汽车上的使用主要问题是排放 特别是在 开关模式中的排放问题 另外其最小燃油消耗率也相对较高 达到3 0 0 一 3 6 0 9 k w h 但是对于一些混合动力汽车设计来讲还是可以满足其性能要求的 比 第二章混合动力系统概述及元件选型 1 5 如在x a 1 0 0 混合动力汽车上就采用了此种发动机 2 燃气轮机 由于燃气轮机自身瞬态响应时间长而不适用于汽车传动系 但在串联混合动 力汽车上 由于发动机仅驱动发电机并可在一个小的速度范围内工作 因此燃气 轮机的缺点就不成问题了 而且采用燃气轮机还会具有一些优点 比如 尺寸小 维护成本低 噪音和振动小 热效率高 可采用多种燃料并且设计简单 另外 燃气轮机是外燃机 其排放具有低水平 而且通过使用后处理器或者采用催化燃 烧室还可达到准零排放水平 3 二冲程发动机 一般认为 具有低燃油消耗率和低排放的二冲程发动机系统相对来讲结构复 杂 不过在混合动力汽车上却较容易实现 原因在于混合动力汽车发动机运转于 一个相对较狭窄的扭矩一转速范围 大多数的水冷二冲程摩托车发动机均可用于 串联混合动力汽车 它们并不存在封装问题 但高负荷工况的n o x 排放是一个潜 在的问题 而且通常所研究的小型摩托车发动机所满足的排放 噪声 冷却及油 耗参数与轿车发动机的要求有很大差别 因此要想充分发挥二冲程发动机的潜能 还要做大量艰苦的研究工作 7 4 斯特灵发动机 斯特灵发动机由于具有高的热效率 低排放和低噪音性能使其可用于混合动 力汽车 但由于斯特灵发动机为外燃机 因此具有功率密度低以及需要大的散热 装置等缺点 而且斯特灵发动机还没有在汽车工业应用的先例 由美国能源部发 起的限期发动机研究工作表明 斯特灵发动机动态性能差 难于与普通车辆传动 系相匹配 而对于串联混合动力汽车来说却不成问题 因此此种发动机也可能在 混合动力汽车上应用 5 四冲程汽油机和柴油机 一般认为四冲程发动机的重量和尺寸要比先前讨论的四种发动机要大 特别 是那些涡轮增压柴油机 但近些年来 随着每缸三和四气门技术的发展以及低密 度材料的使用 汽油机的比功率有了明显的提高 如不采用传统的较大尺寸的发 动机 而是采用两缸或者至多三缸汽油发动机就可以改善混合动力汽车发动机的 性能 目前 一台小型的四冲程汽油机与一台特种发动机之间的尺寸与重量方面 的差别与过去相比明显地减少了 而且 四冲程发动机的控制方法也已经非常成 熟了 所以目前大部分的混合动力汽车还是采用技术成熟的四冲程发动机 8 1 综上所述 以封装为着眼点 在混合动力汽车的发动机选型中 特种发动机 是最具有吸引力的发动机类型 但特种发动机的排放控制技术没有四冲程汽油机 成熟 而且 二冲程发动机与燃气轮机还存在油耗问题 另外 所有的发动机都 第二章混合动力系统概述及元件选型1 6 存在着可靠性问题以及开关模式下的寿命问题 总之 就目前技术现状而言 对 于特种发动机都还有大量的研究改进工作要做 这将是一个长期而艰辛的历程 因而对于近期混合动力汽车而言 沿用技术成熟的先进的四冲程发动机并作适当 的改进不失为实际而简捷的方案 2 3 2 电机选型 在混合动力汽车上 电机的选用原则为 高性能 低自重和小尺寸 在 较宽的转速范围内有较高的效率 电磁辐射尽量小 成本低 维护方便 另外 对电机的选用还应综合考虑其控制系统的特点 要求尽可能实现双向控制 对制动能量可以回收 目前混合动力汽车使用的电动驱动系统主要有直流电机驱 动系统和交流电机驱动系统两种 直流电机的优点是机械性能好 调速方便而且性能好 通常采用晶体管斩波 器宽脉冲调制方法实现对电机转速的调节 由于直流电机驱动系统具有成本低 易于平滑调速 控制器简单 技术成熟等优点 曾在电动汽车上得到广泛应用 但由于直流电机在运行过程中需要电刷和换向器换向限制了电机转速的进一步 提高 最高转速6 0 0 0 8 0 0 0 r m i n 另外 电机本身效率较低 结构复杂且体 积大 重量大 价格高 维护不方便决定了它必然会被其它先进的电机比如交流 电机所取代 混合动力汽车用交流电机驱动系统主要有采用异步电机的驱动系统和永磁 电机的驱动系统 也有部分电机采用了开关磁阻电机组成的交流驱动系统 交流异步电机驱动系统主要选用三相鼠笼异步电机 该电机结构简单 坚固 耐用 成本低廉 转速极限极高 采用先进的控制技术 其动态性能可与直流电 机调速相媲美 随着电力电子技术 控制理论的发展以及感应电机变频调速技术 日趋成熟 阻碍使用交流异步电机的控制技术已不存在 永磁电机驱动系统主要选用永磁无刷同步电机 该电机没有激磁铜耗 效率 较高 最大效率可达9 5 功率因数高 体积小 功率密度大 其主要不足是 永磁材料昂贵 制造工艺复杂 性能受温度影响较大 大功率输出困难 开关磁阻电机驱动系统中的开关磁阻电机结构十分简单 成本较低 可靠性 高 起动性能好 调速性能好 控制装置也比较简单 主要缺点为转矩脉动大 噪声大 必须使用位置监测器 按照定子的凸极数来确定逆变器和电机的引出线 等 实际上 开关磁阻电机驱动系统目前只被少数公司使用 但开关磁阻电机由 于其性能特点和制造优势 随着技术的成熟也有着较好的应用前景 总之 考虑到技术发展趋势和性能要求 驱动系统成了混合动力汽车的主要 选择 其中异