（电力电子与电力传动专业论文）混合动力汽车控制策略与动力电池系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r ct w os e r i o u sp r o b l e m st h a tc a n p r e v e n tt h ew o r l df r o md e v e l o p i n gf o r w a r d - r a p i d l y i nt h i sc a s e , h e v s ( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) a t h ek e yt os o l v et h ep r o b l e m s i th a sa d v a n t a g e si nm a n yf i e l d s ， s u c ha st e c h n o l o g y , e c o n o m ya n de n v i r o n m e n t t oi m p r o v eo nt h ec o n t r o ls t r a t e g y d e s i g no fh e v i sa ni m p o r t a n tw a yt oe n h a n c ef u e le f f i c i e n c ya n dr e d u c ep o l l u t i o n e m i s s i o n t h et r a c t i o nb a t t e r yp e r f o r m a n c et e s t i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e ma r ct w o i m p o r t a n tp a r t so f h e v s i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ed r i v e r sr e q u i r e m e n t sa n dt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mb a s e do np a r a l l e ls t r u c t u r ef o rx l 2 0 0 0h e v , f i v eo p e r a t i o nm o d e sa r ed e f m e d a n dm o d ec h a n g i n gf i g u r eo ft h eh e vi sb u i l t i nt h es y s t e m , b a s e do nc o n t r o l r e q u i r e m e n tf o rt h ev e h i c l e ，t h et o r q u em a n a g e m e n ts t r a t e g yo nt h ee n g i n ea n dm o t o r i sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ra n dt h et h r e ep r i n c i p l e sw h i c h i n c l u d ev e h i c l ed r i v ef i r s t ，t r a c t i o nb a t t e r ye n e r g yk e e p i n g ，r e g e n e r a t i v eb r a k ee n e r g y r e u s e b a s e do nt h eh e v , t h ec o n t r o ls y s t e mm o d e li sb u i l ta n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi s s i m u l a t e d i nt h ec o n t r o lo fh e v , t r a d i t i o n a lt r a c k i n gs p e e dt e c h n o l o g yi su s e d a c c o r d i n gt o t h et o r q u em a n a g e m e n ts t r a t e g y , t h et a r g e tt o r q u ei sd i s t r i b u t e dt ot h ee n g i n ea n dt h e m o t o r , a n dt h ei n v e r s et o r q u ec o n t r o li si m p l e m e n t e do ne n g i n ea n dm o t o rb a s e do n m a pt or e s o l v et h ei s s u eo ft h ec o m b i n a t i o nd r i v eo ft h em o t o ra n dt h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e t h u st h es p e e dt r a c k i n gc o n t r o li sa c h i e v e d f o rt h e r e q u i r e m e n t s o ft h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , c 8 0 5 1 f 0 2 0 a n d m c 6 8 h c 9 0 8 g z l 6f o r mt h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e ma sc o n t r o lc o r ei nm a j o r - s e r v e r s t r u c r l r c a tt h es a m et i m e ，t h er e l a t e dh a r d w a r e ，s u t t w a r ef o rt h eb a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e ma n dc a nb u sa r cd e s i g n e d m o r e o v e r , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y z i n gt h e c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s so ft r a c t i o nb a t t e r yi nr u n n i n ge l e c t r i cv e h i c l e s ，a e q u i v a l e n te l e c t r i cc i r c u i to fn i m hb a t t e r ya n di t sp a r a m e t e rm o d e la r ep r o p o s e di n d e t a i l a n dam e t h o dt oe s t i m a t es o cd y n a m i c a l l yb a s e do ns t a b l eo p e nv o l t a g ea n d s t a t es p a c ei sa l s op r o p o s e d t h ed i s t r i b u t e dt r a c t i o nb a t t e r yp e r f o r m a n c et e s ts y s t e mi sd e s i g n e dw h i c hi n c l u d e t e m p e r a t u r et e s t e ri n c l u d i n gm e a s u r ep o i n t , v o l t a g et e s t e ri n c l u d i n gm a n yb a t t e r i e s ， c h a r g i n gd e v i c ea n dd i s c h a r g i n gd e v i c eb a s e d o ni n d u s t r i a lc o m p u t e r sa n dr s 4 8 5 t h e l i a b s t r a c t a l g o r i t h m s o fc o n s t a n tc n r r e n td i s c h a r g i n g ，c o n s t a n tr e s i s t a n c ed i s c h a r g i n ga n d c o n s t a n tp o w e rd i s c h a r g i n ga r ed e s i g n e d t r a c t i o nb a t t e r yd i s c h a r g i n gc o n t r o li s r e a l i z e db yc o n t r o l l i n gp o w e rm o s f e tc o n n e c to rb r e a kw h i c hc o n n e c tt ot h e t r a c t i o nb a t t e r y u s i n gp w mi m p u l s em o d u l a t i o nt h e o r yt oa d j u s tt h ed i s c h a r g i n g c u r r e n te n l a r g et h ec u r r e n tr e g u l a t i o nr a n g e a l lt h i sw o r kb u i rt h ee x p e r i m e n t e n v i r o n m e n tt os i m u l a t et h et r a g t i o nb a r e r yw o r k i n gi nt h er u n n i n gh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e s k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , s o ce s t i m a t e ，t r a c t i o n b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，t m c d o nb a t t e r yp e r f o r m a n c e t e s ts y s t e m i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘兰或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：绷 签字日期：巧年抄月f j ，r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼苤茎有关保留、使用学位沦交的规定。 特授权盘盗盘芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索。并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：砌习佗 导师签名： 撕移 签字r 期：矽p r 年fp 月f y r签字 1 期：2 亏年乞f j ，z 第一章绪论 第一章绪论 能源危机和环境污染是当今世界可持续发展面临的两大根本问题。随着经济 的发展，汽车拥有量急剧升高，这两大问题日益突出，而在我国显得更加严重。 2 0 0 2 年中国轿车产销量以超过4 0 的增长而被称为“中国轿车元年”2 0 0 2 年我 国汽车总产量达到3 0 0 万辆，2 0 0 3 年总产量达到4 0 0 万辆。汽车产销量的飞速 增长，给我国石油能源带来巨大的压力，同时也给城市大气环境带来了严重的影 响。 进入2 l 世纪，随着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出越来越 高的要求。为了降低汽车的燃油消耗，减少有害的排放生成物，各国相继出台了 更严格的排放法规，汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技术改造，例如 代用燃料、添加剂、催化净化器、多气门结构、稀燃、分层燃烧、电控喷射等。 这些技术的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。但是传统的内燃机车由 于其固有的燃烧和排放特性，对燃油消耗和排放的解决有一定的局限性。同时复 杂的技术改造直接的后果是使得传统汽车的造价不断上升，利润空间越来越小， 长此以往，不利于汽车工业的发展，也不利于汽车的普及。 在此背景下，各种各样的新型动力汽车脱颖而出。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 密度与汽油相比要差上百倍，远远未达到人们所期望的数值。专家估计在未来一 段时间内，电动汽车还无法取代燃油发动机汽车，为此采取了一个两全其美的办 法，开发了混合动力汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 。 混合动力汽车是一种新出现的绿色环保汽车，它采用内燃机和电动机作为混 合动力源。这种混合动力的汽车既有燃油发动机动力性好、续驶里程长的优点， 又有电动机无污染和低噪声的好处，可达到发动机和电动机的最佳匹配。对于传 统内燃机动力汽车，制动能量全部由刹车片摩擦消耗掉；而对于混合动力汽车， 在刹车制动时，通过对电机、刹车系统及动力电池管理系统的协调控制，使电机 工作在发电机状态而产生制动转矩，向动力电池高效率回收制动能量，可显著提 高整车的能量利用率。一般认为这类汽车的燃油经济性可提高1 5 一4 0 ，废气排 放可降低3 0 - 5 0 ，排放指标最好水平能达到目d 口排放标准指标值的l o 。 混合动力汽车是目前公认的最具有产业化和市场前景的电动汽车，它具有如 下主要的优点： 第一章绪论 夺可以较大幅度的提高汽车燃油效率； 夺与纯电动汽车相比，大大降低了对动力电池的过分依赖，避丌了目前电 动汽车研发和产业化过程中电池领域的“瓶颈”； 使用传统燃料，对基础设施没有提出任何特别的要求： 夺使用方便，成本提高幅度小。 混合动力汽车既具有内燃机动力性好、反应快和工作时间长等优点，又有电 机无污染和低噪声的特点，可达到电机和发动机的最佳匹配。由于混合动力系统 具有充电功能，因此不需要建设配套的充电基础设施“。对于电池的要求，与纯 电动汽车相比也大大降低了。因此混合动力汽车在技术、经济和环境等方面具有 综合优势。 1 1 国内外混合动力汽车的发展状况 国外电动汽车的研究开发已有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发展 是最近十多年，而混合动力汽车的研究开发还不到十年目i ； f ，许多国家都制订了 严格的排放法规和节能标准，有些国家提出的目标是低排放或零排放o ，如美国 加州就有法规舰定，到2 0 0 3 年在加州销售的车辆中，1 0 的车辆必须是零排放车 辆。各国的汽车制造企业和相关的研究机构都加大了投入力度，把研究降低排放 的技术和开发绿色环保汽车作为自己的立足之本和生存之道。因此，世界上各个 大的汽车公司都看好混合动力汽车，相继开发出各种混合动力汽车产品，以便在 未来的竞争中处于有利的地位。 、 作为世界上最先投入批量生产的混合动力轿车，日本丰田公司生产的 “p r i u s ”自1 9 9 7 年问世以来，其创新性受到了全世界的高度评价，目前累计销 量已突破了4 0 万辆，在混合动力汽车领域已经走在了世界的最盼列，并带动了 汽车业环保技术的发展。改型后的新“p r i u s ”装备了被称为“第二代丰田混合 动力系统”的“t h s i i ”。以能够同时提高节能性和动力性的“h y b r i ds y n e r g y d r i v e ”为概念j 于发的“t h s i i ”系统，节能效果达到世界最高水平的3 5 5 公罩 升，另外在实现低排放的同时，通过改进后的混合动力系统，“p r i u s ”独具魅 力的行驶性能飞跃到了一个新的高度。另外，新版“p r i j s ”还采用了以设计新 车型为目标的前卫造型，并以万能款式作为理念，装备了全新的驾驶操作系统， 具有先进的功能，为人们展示了无愧于引领时代的“先驱”( p r i u s 是拉丁语“先 驱”的意思) 这一名称的革新型轿车的深邃内涵。 本田i n s i g h t 采用h o n d a 独特的混合动力系统，将发动机作为主要动力，电 机作为辅助动力，既能进行强有力的加速，又可达到低耗油，同时装备自动怠速 2 第一章绪论 停止系统，遇到停车信号时，发动机会自动停止运转，从而达到低耗油、低排放。 采用本田独特的控制技术，达到了世界最高水平的碰撞安全性能，这是一款充分 考虑到环境和安全并充分体现驾车乐趣的轻便、实用型油电混合动力批量生产 汽车。 欧洲在混合动力电动汽车的开发、研制和推广方面也做了大量工作。目前， 德国已有2 0 辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。奥迪公司生产的混 合动力电动汽车d u o 已开始出租，预计四年内出租约4 0 0 辆。德国汽车工业将实 施新的排放标准和节能指标，不允许百公里油耗超过5 升的轿车上路。 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。闩本丰网汽车公司 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 口 a 我国混合动力汽车的研究起步较晚。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，在此基础上也进行了混合动力 电动汽车的若干技术领域的开发。但是所开发的混合动力电动汽车大部分都是串 联式的，只是在原有汽车上简单地加载发动机和发电机机组，技术的集成度较低， 缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统，两种动力源只是简单结合，缺乏统 一协调，这与真正意义上的混合动力电动汽车，与国外的先进技术水平相比还有 很大距离。 科技部在国家8 6 3 计划中特别设立电动汽车重大专项，从国家汽车产业发展 战略的高度出发，选择新一代电动汽车作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织 企业、高等院校和科研机构，集中各方面的力量联合攻关，决心在电动汽车关键 技术取得重大突破。主要的内容包括：电动汽车( 包括e v 和h e v ) 的总体设 计，先进的电池技术，电动机及控制驱动系统，整车监控与管理系统、使用环境 与配套技术等。 我国政府对汽车排放的要求会越来越严，北京市已经在2 0 0 3 年与国际汽车排放 要求同步，直接采用欧i i i 标准( 不通过欧l i 标准过渡) ，上海、广州也将一步 和国际接轨。在我国大中城市普遍存在着严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿 车尾气排放污染为城市尾气排放污染的主要污染源，因而混合动力轿车具有广阔 的市场空| b j ，特别是开发用于城市交通( 包括出租车) 和城市之1 日j 的混合动力轿 车，在我国具有独特的发展条件和广阔的应用| j i 景。 第一章绪论 1 2 混合动力汽车的类型及特点 混合动力汽车( h e v ) 是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动 系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据车辆的实际行驶状态由单个驱动系单独 或共同提供。混合动力汽车的基本组成单元由牵引电机( t r a c t i o nm o t o r ) 及 控制系统e c u 、动力电池( p o w e rb a t t e r y y 及管理系统e c u 、燃油发动机及控制 系统e c u 等组成。任意设计的h e v 是不能达到上述要求的，必须要求设计者对 h e v 进行整体性能及参数匹配研究，包括驱动部分的布置形式、各部件的参数选 择、功率在燃油发动机和动力电池之间的分配等嘲。 根据h e v 零部件的种类、数量及联结工作方式，可以将混合动力汽车分为三 种基本类型：串联型混合动力汽车s h e v ( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 、 并联型混合动力汽车p h e v ( 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 ) 、混联型混合 动力汽车s p h e v ( s e r i e s p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ) 。c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线是德国b o s c h 公司为解决现代汽车工业中众多的控制与测试 仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。c a n 协议已成为国际标准 化组织i s o 的1 1 8 9 8 和1 1 5 1 9 标准，现在它逐步发展成为用于工业部门控制和通 信的现场总线。与其它的现场总线相比，c a n 具有低成本、易开发以及抗干扰性 能好等优点，传输速率最高为i m b p s ，最大传输距离为l o k m ( 5 k b p s ) ，同时由于 c a n 废除了传统的站地址编码，使网络上的节点理论上为无穷大。c a n 的诸多优 点使它j 午最近几年得到广泛应用，世界上很多著名的汽车制造商都采用c a n 总线 来实现汽车内部控制系统及各检测和执行机构间的数据通信。同时，各种基于 c a n 的高层协议的开发使得c a n 总线的功能更强，应用范围更广，不仅在汽车工 业、过程控制、数控机床和纺织机械等领域广泛应用，而且也在向医疗、电力、 海运电子设备等方面发展。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与 一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 其特点可概括如下w ： 1 ) c a n 为多主工作方式，网络上任意节点均可在任意时刻主动的向网络上的 其它节点发送消息，不分主从，通信方式灵活，并且无需站地址等节点消息，利 用这一特点可方便的构成多机备份系统。 2 ) c a n 采用非破坏仲裁技术，肖多个节点同时向总线发送消息时，优先权较 低的消息会主动退出发送，而最高优先级的消息可不受影响的继续传输数据，从 而大大节省了总线仲裁时间。 3 ) c a n 的每帧消息都有c r c 校验及其它检错措施，数掘出错率低，从而使通 4 第一章绪论 信更加可靠。c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，使总线上其 它节点的操作不受影响。 4 ) c a n 总线支持新节点的在线接入，在应用层协议编码上也留有定的保留 位为将来扩充提供支持。 1 2 1 串联型混合动力汽车s h e v 1 2 1 1s h e v 的结构特点 串联型混合动力系统的示意图见1 - l 。发动机带动发电机发电。其电能通过 电机控制器直接输送到电动机，由电机产生电磁转矩驱动汽车。在发动机和驱动 桥之间通过电能实现动力传递，因此更象是电传动汽车。电池通过控制器串接在 发电机和电动机之间、其功能相当于电动机和发动机之闯的“水库”，起功率平 衡作用，即当发电机的功率大于电动机的功率时( 如汽车减速滑行、低速行驶或 短时停车等工况) ，控制器控制发电机向电池充电，而当发电机的功率小于电动 机的功率时( 如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况) ，电池向电动机提供 额外的电能。 1 2 1 2s w 的性能特点 发动机的功率是以汽车以某一速度稳定行驶时所需的功率选定的。当汽车运 行工况变化时，电动机所需的驱动功率与发动机的输出功率不一致时，由控制器 控制发电机向电池充电( 吸收发电机富余的电能) 或使电池向电动机供电( 辅助 酗卜is h e v 动力系统简图 发电机供电) ，电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化 情况进行控制。这样的结构形式和控制方式，使串联式混合动力汽车具有如f 特 点： 第一章绪论 发动机的工作状况不受汽车行驶工况的影响，始终在最佳的工作区内稳 定运行。因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标。 由于有电池功率进行驱动功率的“调峰”，发动机的功率只须满足汽车 在某一稳定工况行驶所需的功率。因此可以选择较小功率的发动机。 发动机与驱动桥之间没有机械连接，因此对发动机的转速无任何要求。 发动机的选择范围较大，如可选择高速燃气轮机等效率高的原动机。 发动机与电动机之间没有机械连接，整车的结构布置自由度较大。 发动机的输出要全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，需要功率足 够大的发电机和电动机。 要起到良好的功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，需要 较大容量的电池。 发电机将机械能转交为电能，电动机将电能转化为机械能，滇池的充电 和放电都有能量损失，因此发动机的能量利用率较低。 串联型混合动力汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行的优越性主 要表现在低速、加速等工况，而在汽车中高速行驶时，由于其电传动效率低，抵 消了发动机油耗低的优点，因此串联型混合动力汽车更适合在市内，低速运行的 工况；在繁华的市区，汽车在起步和低速运行时，还可以关闭发动机，只利用电 池输出功率，使汽车达到零排放的要求。 1 2 2 并联型混合动力汽车p h e v 1 2 2 1p h e v 的结构特点 并联型混合动力汽车的结构示意图见图卜2 ，图中a 、b 、c 分别为不同结构 的并联型混合动力系统。发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动机也通过 复合装置与驱动桥连接，汽车可由电动机和发动机共同驱动或各自单独驱动。并 联式混合动力汽车更像是附加了个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。电动机 起“调峰”作用，即：当汽车运行工况的功率超过了发动机的输出功率时，电动 机从电池获得能量产生电磁转矩，并向驱动桥提供额外的功率。有的并联式混合 动力汽车也有发电机，但其主要作用实现电池充电，以保持电池的剩余电鼍 ( s o c ) ，既当屯池放电越多，其s o c 较低时，控制器可控制发动机驱动发电机向 电池充电，使电池的s o c 恢复到漫定值，以保证混合驱动方式一f 的续驶单程。 6 第一章绪论 ( a ) 变速箱后置的的并联型混合动力系统 ( b ) 变速箱前置的的并联型混合动力系统 1 2 2 ，2p h e v 的性能特点 ( c ) 双轴并联型混合动力系统 图1 - 2 并联型混合动力汽车简图 并联式混合动力汽车的发动机功率也是以汽车以某一速度稳定行驶时所需 的功率选定的，当汽车在低速或变工况行驶时，须通过加速踏板和变速器束调节 发动机的功率输出：而在高速行驶时，发动机的输出功率低于汽车行驶时所需的 功率时，由控制器控制电动机协助助力驱动。这样的结构形式和控制方式，使并 联式混合动力汽车具有如下特点： 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机一电能量转换损失，吲此 7 第一章绪论 发动机输出能量的利用率较高，当汽车的行驶工况是发动机在其最佳的 工作范围运行时，其燃油经济性比串联式的高。 由电动机进行“凋峰”时，发动机的功率可适当减小。 当电机作为辅助驱动系统时，功率也可适当减小。 由于有发动机补充电能，比较小的电池容量既可满足使用要求。 如果装备发电机，发电机的功率也可较小。 由于并联式驱动系统的发动机的运行状况受汽车的行驶工况的影响，因 此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在不良工况 下运行，因此发动机的排污比串联式的高。 由于发动机和驱动桥之间无直接的机械连接，需要通过变速装置来适应 汽车行驶工况的变化。 发动机和电机并联驱动，还需要复合装置。因此，并联式混合动力系统 其传动机构相对比较复杂。 并联式结构中，发动机和电机是相互独立的，低速小功率运行时可以关 闭发动机，利用电动机进行驱动；在中高速平稳运行工况，可以只利用 发动机进行驱动：高速运行或加速时，可以利用动力复合装置对发动机 和电机的输出动力进行叠加。 并联式混合驱动系统适合在中高速稳定工况行驶，丽在其他的行驶工况，由 于发动机不在最佳的工作区域运行，发动机的油耗和排污指标不如串联。并联式 混合动力汽车也可实现零排放控制。在繁华的市区低速运行时，可通过关闭发动 机和使离合器分离，也可使汽车以纯电动方式运行。但这样需要功率足够大的电 机，所需的电池容量也相对大；在市郊和城间运行时，汽车经常处于中高速平稳 运行状态，而且对排放没有苛刻要求，并联式驱动系统可以关闭电机驱动部分。 只使用发动机进行驱动。因而，并联式结构适用于市郊和城阿工况，在开发市郊 和城阃交通工具时并联式结构应受到重视。 1 2 3 混联型混合动力汽车s p h e v 混联式驱动系统是串联式和并联式的总和，图卜3 是一种典型的混联式混合 动力系统( 丰田p r i u s ) 。发动机的输出功率一部分通过传动系统传输给驱动桥， 另一部分则驱动发电机发电。发动机发出的电能由控制器控制，输送给电机或电 池，电机产生的转矩通过动力复合装置传给驱动桥。混联式驱动系统在汽车低速 行驶时，主要以串联方式工作，而在高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主a 混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了并联式和串联式的优点。 使电机、发动机、发电机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在复 第一章绪论 杂的工况下是系统工作在最优状态，因此更容易实现油耗和排放的控制目标。 与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求 更高目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。图1 - 3 是丰田公司p r i u s 汽车的驱动系统结构示意图，它的驱动系统被公认为使目前最 成功的结构之一州。 幽1 - 3 丰田公司p r i u s 汽乍的驱动系统结构示意幽 1 3 典型的混合动力汽车控制策略 1 3 1 串联混合动力汽车控制策略。 由于串联式混合动力汽车的行驶工况和发动机没有直接联系，因此控制策略 的主要目标是使发动机工作在最佳效率区和排放区。此外，为了优化控制策略t j g , g , 须考虑电池、电传动系统、发电机和发动机的总体效率。以下介绍串联式混 合动力汽车的两种控制模式： l _ 3 1 1 “恒温器”控制模式 当电池剩余电量s o c 降到设定的低j 限时发动机启动，在最低油耗( 或排放 点) 按恒功率输出，一部分功率用于驱动车轮，另一部分给电池充电。而当s o c 上升到高门限时，发动机关闭，由电机驱动车辆行驶。在这种模式中，电池要满 足所有瞬时功率的需求，电池充放电循环引起的功率损失可能会减少发动机优化 所带来的好处，这种模式对发电机有利，而对电池不利。 9 第一章绪论 1 3 i 2 发动机跟踪器控制模式 发动机的功率紧紧跟随车轮驱动功率的需求，这与传统的汽车运行相类似。 采用着这种控制策略，电池的工作循环将消失，与充放电有关的功率损失被减少 到最低程度。但发动机必须在从低到高的整个负荷区内运行，而且发动机的功率 快速而动态变化，严重的损害了发动机的效率和排放性能( 尤其在低负荷区) 解决的办法是采用自动无级变速器c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 。 通过调节c v t 速比，控制发动机按最小油耗曲线运行，这样同时减小了h c 和 c o 的排放量。上述模式可结合起来使用，其目的是充分利用发动机和电池的高 效区，使其达到整体效率最高。例如，当汽车加速时。为了满足汽车车轮驱动功 率需求，降低对电池的峰值功率要求，延长其工作寿命，可采用发动机跟踪模式； 而当汽车车轮的功率需求较低时，为了避免发动机在低效率区域工作，可以采用 恒温器控制模式，以提高整车系统的效率。 1 3 2 并联混合动力汽车控制策略“n “ 并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，还要进一步优化。一般的控 制策略主要根据电池的s o c 、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的功率等 需求，按照一定的算法使发动机和电动机输出相应的转矩( 或功率) ，以满足驱 动轮的力矩需求。 1 3 2 1 以车速为主要参数的控制策略 这是最早也是最常用的一种控制策略。它利用车速大小作为控制的依据：当 汽车行驶速度低于所设定的车速时，由电机单独驱动车轮；当车速高于所设定的 车速时，电机停止工作，由发动机驱动车轮；当车轮负荷较大时( 如加速、爬坡 获以较高车速行使时，由发动机和电机共同驱动车轮。这种控制策略利用了电机 低速大转矩的工作特性，避免了发动机的低负荷及怠速工况。当车速较高有助于 发动机有效工作时，发动机启动可避免纯电动高速行驶时电池的快速放电损失， 在这种控制策略中，发动机启动的车速可设定为一定值。对这种混合动力汽车， 设定车速越低，汽车一次充电的续驶里程越长。 美国k l b u t e r 等人提出了另一种基于速度的控制策略“”。车在低速行驶 时，由电机单独驱动车轮行使；当车速高于所设定的车速时，则采用混合驱动。 此时，发动机保持在恒定的节气门开度运行，由电机提供车轮所需的动态功率。 通过提高发动机启动时的设定车速并保持电池的s o c 在驾驶循环i 狰后基本不变， 可以减少发动机的工作时间。这种策略可以减少汽车的排放，但是电机和电池的 功率较大，增加了整车的质量和成本。采用这种控制策略的汽车，需要见识电池 l o 第一章绪论 的s 0 c ，当s o c 降低到某一设定值时，无论此时车速多低，发动机将启动，同时 一部分发动机功率通过电机给电池充电。 1 3 2 2 以功率为主要参数的控制策略 当车轮平均功率低于某设定值时。汽车由电机单独驱动；当车轮所需功率高 于此设定值时，此时有利于发动机有效工作，因而启动发动机，电机则停止运行。 发动机启动的最佳时机是在换档期间，这有助于获得平稳的驾驶性能一旦车轮 所需的功率超过发动机提供的功率时，电机启动并辅助发动机提供额外的功率 在上述两种控制策略中，都存在发动机和电机共同工作的工况。这些工况出 现在车轮需求功率较高的时候( 急加速或以较高车速爬坡时) ，控制策略有以下 几种模式： ( 1 ) 加速踏板踩下时，发动机和电机的功率按照一定比例同时增加，以满 足驾驶员的高功率需求；( 2 ) 电机功率一直增加到最大值，然后启动发动机以补 充动力；( 3 ) 发动机被控制在有较高功率的低油耗区稳定运行，而由电机提供所 需的补充功率。 上述两种控制策略都比较简单，但不能保证各部件的最佳匹配，无法获得整 车系统的最大效率，一次优化技术被引入控制策略研究中。 1 3 2 3 以成本和燃油经济性为主要目标的控制策略 采用这种控制策略的混合动力汽车装备了小功率的电机和小容量的电池是 电池的成本和质量被减小到最小程度。在这种策略中，电机一般在汽车急加速时 才启动，辅助发动机向车轮提供加速所需的功率。而汽车的一般行驶工况则有一 个小排量的发动机单独驱动，并在电池的s 0 c 下降到一定值时为其充电，这进一 步提高了发动机的负荷率，当汽车减速时，电池吸收制动能量而充电。这种控制 策略存在的一个缺陷是：由于发动机一直处于工作状态，虽然避免了发动机开关 控制引起的发动机效率下降问题，但无法消除发动机在低负荷时的排放问题。 此类混合动力汽车在加速时的控制策略有以下几种模式： ( 1 ) 当汽车原地起步时，由发动机单独驱动汽车，或者由电机单独驱动汽 车起步，然后在汽车的速度达到一定值时，发动机启动，提供加速所需的动力； ( 2 ) 当汽车快速起步或急加速时，发动机和电机联合向车轮提供驱动功率。 第一章绪论 发动机与电机动力比例( ) 发动机( 发动机+ 电机) 幽卜4 混合动力系统混合度与燃油经济性 克莱斯勒的“道奇无畏e s x ”、本田“i n s i g h t ”都采用了这种控制策略，这 类汽车被称为“轻度混合动力汽车”( 根据发动机和电池输出的功率比值，混合 动力系统又可分成弱混合、强混合和中度混合，见图1 - 4 ) 。这类汽车没有或者 只有少量纯电动工况，但整车成本和质量都大为降低，并且燃油经济性也能达到 较好的程度，排放也有比较大的改善。但为了满足今后更为严格的排放标准，发 动机的排量还要进一步降低。本田的“i n s i g h t ”和尼桑的“t i n o ”混合动力汽 车装备了c v t ，迸一步改善了整车的燃油经济性和排放性能。 1 3 2 4 采用优化技术的控制策略 德国学者u l r i h z o e l c h 等人对带有c v t 的并联式混合动力汽车做了研究，以 汽车对给定一个循环工况中发动机友好最小为目标函数，建立了包括c v t 、电动 效率在内的优化计算模型，利用动态优化技术对发动机、电机( 发电机) 所分配 的转矩和c v t 速比进行了计算，并由此确定了电机所需的额定功率。该优化方法 只能用于特定的驾驶循环工况，不能用于实际的车辆控制。j ( l 公司的c h u n h o k i m 等人以燃油经济性为目标的优化控制策略与上述策略相比，实质是将发动机和电 机控制在效率区工作，从而达到最佳的燃油经济性。这种方法可用于汽车的实时 控制，但是没有考虑汽车驾驶循环工况的影响及发动机的排放问题。 1 3 3 混联式混合动力汽车的控制策略1 ” 混联式混合动力汽车的控制策略通常有两种：一是真接法，即将优化目标( 如 1 2 第一章绪论 油耗等) 表示为系统状态变量、控制变量等的函数；二是间接法，即最小损失法， 从计算当i i 仃驱动条件下个部件的效率入手，得到整个系统的能量( 功率) 损失： 损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量，如发动机的转 矩、转速，电池的放电电流等；驱动参数常用驱动轴的转矩和转速表示。从这两 种思路出发，可以得到许多的具体控制策略，下面作简要地介绍和分析。 1 3 3 1 发动机恒定工作点模式 这种策略采用发动机作为主要动力源，电机和电池通过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。由于采用了行星齿轮传动机构使发动机 转速不随车速变化，这样使发动机工作在最优的工作点，提供恒定的转矩输出， 而剩余的转矩由电机提供。由电机来负责动态部分，避免了发动机动态调节带来 的损失。而且与发动机相比，电机的控制也更为灵敏，容易实现。 1 3 3 2 发动机最优工作曲线模式 这种策略从静态条件下的发动机万有特性出发，经过动态校正后，跟踪由驱 动条件决定的发动机最优工作曲线，从而实现对发动机及整车的控制。在这种策 略下，使发动机工作在万有特性的最佳油耗线上。发动机在高于某个转矩或功率 限值后才会打开。发动机关闭后，离合器可以脱开( 避免损失) 或接合( 工况变 化复杂时，发动机启动更为容易) 。只有当发电机电流超出电池的接受能力，或 电机的驱动电流需求超出电机或电池的接受能力时，才调整发动机的工作点。 1 4 混合动力汽车的关键技术 1 4 1 电池的能量存储及电池管理系统 电池的良好的充放电性能及电池的s o c 估计是混合动力汽车研究的关键。 由于电池的作用是储存、输出尽可能多的电能，以提高汽车的续驶里程，因此对 混合动力汽车用电池不仅有高的能量密度，而且有高的功率密度 1 6 - 2 2 因此电 池技术研究的关键是寻找合适的能够存储高能量的电极材料，并且此类材料能够 稳定地经受住无数次循环，可以反复使用。另外，电池技术的研究还包括以下几 个方面：一是电池设计和制造方面的改进，以降低电池的使用成本、改善电池的 性能和提高使用寿命，并进行电池充放电动态特性的研究；二是研究电池内部结 构的连接、检测及评价。 电池包是混合动力汽车的主要部件，对电池的状态监控及管理是混合动力汽 车的重要研究内容之一【2 甜。由于s o c 是整车动力分配的依据，因此对电池的有 第一章绪论 效管理及精确的s o c 估计将为混合动力汽车的动力分配及能量管理奠定必要的 基础。另外，电池的成本在整车中占有较大的比重，精确的s o c 估计和状念监 控可以防止电池的过充电和过放电、延长电池的使用寿命、可相应的降低车辆的 使用成本。因而，电池管理系统研究是混合动力汽车的重要研究内容之一。 1 4 2 混合动力控制单元 2 3 2 5 1 在混合动力汽车上，热力发动机和电机成为混合动力单元。在并联混合动力 汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时由于电机可以提供驱动转矩， 因而混合动力单元可以采用尺寸更小、效率更高的热力发动机；在串联混合动力 汽车上，发动机驱动发电机发电以产生电能，发动机与车辆传动系统没有直接的 机械连接，因此混合动力单元也可以采用小型高效的发动机，其运行工况可固定 于较小的高功率区。 当前，混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。在燃料的使 用方面也发生了很大变化，除了柴油、汽油外，还有天然气、液化气、酒精等代 用燃料。要提高混合动力单元的燃料经济性、对混合动力单元必然提出更多要求。 对汽油机采用电喷技术、增压技术、可变定时进气系统、多气门技术以及稀薄燃 烧技术等是必然的要求。对柴油机采用多气门技术、电控技术、增压技术、可变 定时进气技术、可变涡流进气技术、直喷技术等。混合动力汽车的主要目标是降 低排放，所以排放是混合动力系统研究的重点。目前对热力发动机的研究主要集 中于：燃烧系统的优化，通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧过程，发现形 成氮氧化合物的机理，从而改进燃烧系统；尾气处理技术，主要研究高效的尾气 处理技术；三是代用燃料的研究。 1 4 3 电机及其驱动控制 电机驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运航 电动汽车的驱动电机的运行工况同样是相当复杂的，包括高转矩、低转速