基于ADVISOR混合动力汽车驱动系统的研究【毕业论文】【汽车车辆专业】
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摘 要
混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle）是传统燃油汽车和纯电动汽车相结合的新车型。具有燃油汽车的动力性能和较低的排放。是当前解决节能、环境保护问题切实可行的过渡性方案。
本文系统地分析了串联式、并联式以及混联式混合动力汽车动力总成构型的优缺点，在介绍了ISG型混合动力汽车结构及主要特点的基础上，首先通过对各总成选型分析，选择了发动机、电机、电池等部件，并根据性能指标，确定了发动机、电机、电池等部件的参数匹配。
基于证明设计方案的可行性，在MATLAB/Simulink环境下，以ADVISOR为仿真平台，依据系统的结构、控制策略，建立了ISG混合动力汽车的整车仿真模型。利用建立的模型，在ADVISOR仿真软件中输入仿真参数，设计仿真性能，汽车动力性、经济性以及一些重要性能曲线的仿真结果。与同样参数设置的传统燃油汽车仿真结果进行比较，油耗和排放都得到了很好的降低。
关键词：混合动力汽车；节能；ISG；驱动系统；仿真
ABSTRACT
Hybrid Electric Vehicle (HEV) combine the advantages of conventional engine-driven and pure Electric Vehicle (EV). This provides satisfied driving performance and lower exhaust emission. Thus, HEV is a feasible solution to solve the energy crisis and environmental pollution problems.
The different types of HEV configurations can be classified into three basic kinds: series, parallel configuration, or a combination of both. This paper analyses the advantages and disadvantages for series, parallel and parallel-series powertrain for Hybrid Electric powertrain structure, and introduces the structure and main characteristics of ISG-type HEV. The parameters for component such as engine, electric motor and battery are decided by design analysis and development target.
In order to prove the viability of the whole design proposal, under the environment of MATLAB/Simulink, regard as ADVISIR as the simulation platform, Simulation models of ISG-type HEV are constructed based on modification of Advisor’s simulink modules according to the Powertrain Schedule and control strategy. Compared with conventional vehicle of similar dynamic performance. The results of simulation show that it cuts down and fuel consumption.
Keywords: Hybrid Vehicle; Energy Conservation; ISG; Drivetrain; Simulation
第 1 章 绪 论
自1886年，德国诞生了世界上第一辆汽车以来，汽车已经极大的改变了人们的生活，成为重要的运输及代步工具。目前，汽车工业已经成为当今世界最大、最重要的工业部门之一。汽车缩短了人们之间的距离，提高了生活质量。但我们在享受汽车文明的同时，也必须面的汽车带来的负面影响：环境污染和过度能源消耗。目前，世界上空气污染最严重的10个城市7个在中国。上个世纪人们关注的是汽车节能、排放和安全技术，而本世纪初，人们已经更多的将目光转向汽车新能源和环保技术。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。
改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比重仍很小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重。现行的汽车排放标准的限制水平远低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8倍，而碳氢和氮氧化物更高达l0倍。国际上，涌动的混合动力汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。但混合动力汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展混合动力汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。
1.1混合动力汽车的发展历史
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80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90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10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（Hybrid-Electric Vehicle缩写HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机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10％以上，废气排放可改善30％以上。混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式(SHEV）和并联式（PHEV）两种。 串联式动力由发动机、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SHEV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。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机-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－2010”SHEV，其电池采用燃料电池，在城市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-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。 并联式装置的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扭矩，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－发电机组。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PHEV，发动机通过离合器1带动电动－发电机，输出扭力再通过另一边离合器2驱动车辆行驶。静止启动时，电池向电动－发电机供电，此时电动－发电机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，另一方面又带动电动－发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，离合器1脱开，离合器2接合，电池作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，发动机启动离合器1闭合，发动机与电动－发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。 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，混合动力型汽车只是一种过渡产品。
1.2研究的目的和意义
随着传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。由此人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，例如燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle 简称FCV）、纯电动汽车（Electric Vehicle 简称EV）和混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle 简称HEV）。FCV是利用氢、氧在常温下通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。但是FCV目前存在着成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化至少需要十至十五年的时间。EV虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术上并未去得突破性的进展，而且电动汽车依然存在续驶里程短和充电时间长等问题。HEV虽然不能实现零排放，但真对以上FCV、EV所存在的问题，HEV在目前环境更具有更强大的优势，在世界范围内将成为新型汽车开发的热点。
世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此，日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，预测表明到2010年全球混合动力汽车年产可达294万辆。
因石油资源的枯竭、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(863计划)中专门有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车)，北京申报成功2008年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。
1.3国内外发展现状
1.3.1国内的研究现状
随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，混合动力汽车及电动汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府也已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门开列了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。
目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得
- 内容简介：
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黑龙江工程学院本科生毕业论文第 1 章 绪 论 自1886年，德国诞生了世界上第一辆汽车以来，汽车已经极大的改变了人们的生活，成为重要的运输及代步工具。目前，汽车工业已经成为当今世界最大、最重要的工业部门之一。汽车缩短了人们之间的距离，提高了生活质量。但我们在享受汽车文明的同时，也必须面的汽车带来的负面影响：环境污染和过度能源消耗。目前，世界上空气污染最严重的10个城市7个在中国。上个世纪人们关注的是汽车节能、排放和安全技术，而本世纪初，人们已经更多的将目光转向汽车新能源和环保技术。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比重仍很小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重。现行的汽车排放标准的限制水平远低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8倍，而碳氢和氮氧化物更高达l0倍。国际上，涌动的混合动力汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。但混合动力汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展混合动力汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。1.1 混合动力汽车的发展历史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80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40，在市区还会跌至25，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90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10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（Hybrid-Electric Vehicle缩写HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机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10以上，废气排放可改善30以上。混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式(SHEV）和并联式（PHEV）两种。 串联式动力由发动机、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SHEV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。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机-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2010”SHEV，其电池采用燃料电池，在城市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-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。 并联式装置的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扭矩，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，又称为电动发电机组。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PHEV，发动机通过离合器1带动电动发电机，输出扭力再通过另一边离合器2驱动车辆行驶。静止启动时，电池向电动发电机供电，此时电动发电机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，另一方面又带动电动发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，离合器1脱开，离合器2接合，电池作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，发动机启动离合器1闭合，发动机与电动发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。 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，混合动力型汽车只是一种过渡产品。1.2研究的目的和意义 随着传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。由此人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，例如燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle 简称FCV）、纯电动汽车（Electric Vehicle 简称EV）和混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle 简称HEV）。FCV是利用氢、氧在常温下通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。但是FCV目前存在着成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化至少需要十至十五年的时间。EV虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术上并未去得突破性的进展，而且电动汽车依然存在续驶里程短和充电时间长等问题。HEV虽然不能实现零排放，但真对以上FCV、EV所存在的问题，HEV在目前环境更具有更强大的优势，在世界范围内将成为新型汽车开发的热点。世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此，日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，预测表明到2010年全球混合动力汽车年产可达294万辆。因石油资源的枯竭、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(863计划)中专门有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车)，北京申报成功2008年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。1.3国内外发展现状1.3.1国内的研究现状随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，混合动力汽车及电动汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府也已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门开列了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了重大进展。形成了具有完全自主知识产权的动力系统技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系。混合动力汽车的核心是电池（包括电池管理系统）技术。除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。截止到2009年1月31日，在混合动力车辆技术领域，我国知识产权局受理并公开的中国专利申请为1116件。 在1116件专利申请中，发明为782件（授权为107件）、实用新型为334件。掌握了关键零部件核心技术，自主开发出系列化产品，关键零部件产业化全面跟进。在混合动力汽车的核心电池技术研发方面，我国已自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品，能量密度和功率密度接近国际水平，同时突破了安全技术瓶颈，在世界上首次规模应用于城市公交大客车；自主开发的200kw以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机，电机重量比功率超过1300w/kg，电机系统最高效率达到93；自主开发的燃料电池发动机技术先进，效率超过50%，成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国家之一。与此同时，混合动力汽车关键零部件的产业化全面跟进，生产配套能力显著增强。近来，力神、比亚迪、比克、万向等动力电池企业投入数十亿资金加快产业化建设，上海电驱动、大郡、湘潭电机、南车时代等电机企业加强与上下游企业合作，积极完善产业链建设。在未来2-3年内，预计将形成20亿Ah以上的动力电池和全系列驱动电机生产能力，能够满足100万辆混合动力及电动汽车的配套要求。掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车的开发能力。我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%。同时，各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市。虽然电动汽车具有很多优点，但是它不能取代传统的燃气动力模式，而混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，其发展方向是真正零排放、无污染，不消耗燃油的燃料电池车辆。现在混合动力汽车在欧美国家及日本已形成产业化，而国内还处于起步阶段，没有形成产业化。1.3.2国外的研究现状一日本混合动力汽车的发展：在1997年日本就率先进入混合动力汽车商业生产，现在技术已经完全成熟，进入大批量生产，产销量逐年增加，现在混合动力汽车已经开始成为发展的主流。丰田公司的Pruis 1997年开始投产，1998年成为世界第一个小规模成批生产的汽油电动混合动力车。Pruis混合动力电动轿车是单轴驱动混联式混合电动车辆，以行星齿轮作为动力连接装置。发动机通过单向离合器将动力输出到行星架，行星架按固定比例将扭矩分配到行星架，行星架按固定比例将扭矩分配到中心轮连接的发电机，电动机通过齿轮减速机构进行动力输出。发电机采用永磁同步交流电机，可以工作于电动机状态。另外车辆功率分配装置，借助于控制发电机的发电量来调节动力分配比例。THS传动系统起到类似无级变速器的作用。采用电动机助力驱动的运行状态，利用永磁同步电机低速恒转矩的特性。在车辆启动或加速运行时，使得电动机的优异转矩特性发挥得淋漓尽致。本田公司的混合动力汽车采用内燃机带电机助力（IMA）系统。由1.0LVETC汽油机、60mm厚的环状DC无刷汝铁硼永磁电机、镍氢电池、动力控制单元集成，装于本田Insight两座轿车上，采用手动或自动变速器，每升汽油行驶里程分别为35km或32km。本田Insight混合动力汽车采用了转矩复合的方式，其手动变速车创造了3L汽油行驶105km的好成绩，而装备的CVT的车型也创下了3L汽油行驶96km的好成绩。在这种混合动力系统中，以汽油发动机为主要动力，电动机为辅助动力，动力分配比为9:1。根据阿贡国家实验室的试验结果，本田Insight的燃油消耗比相当于传统轿车减少55%，CO排放量是传统汽油机轿车的020%，HC的排放量是传统汽油机轿车的50%。二美国在混合动力车开发生产中的表现：早在1997年，美国PNGV就根据当时的进展情况，筛选出压燃直喷(CIDI)发动机，混合动力电驱动系统,燃料电池(含储能电池)和轻质材料4项新技术,组织和号召大家重点突破，混合动力技术是重点之一，鉴于直喷柴油机也是一项重点，为了容易达到PNGV80MPG(33.78Km/L)的目标，美国三大汽车公司都发展了柴油机电动机混合动力，而且都按计划于1999年制造出柴油机混合动力轿车。如戴-克公司Dodge ESX3,适度混合动力系统（mild hybrid），福特公司Prodigy，低储能需求(LSR)混合电驱动系统，通用汽车公司Precept，双轴混合电驱动系统等。虽然三家公司都完成了与政府的合作计划,并获得了PNGV的资金补助。但是都没有考虑商业化问题。现在为了实现商业化不得不重新开发市场需要的产品，并安排制造计划，这就比日本公司落后了大约 5年。2000年以来，三大汽车公司总结了低批量生产电动汽车的经验教训，决定实施战略转变，将其混合动力系统装于高耗能和高价格的SUV和轻型载货车上。轻型载货车和SUV这类汽车在美国销售数量极大，所以改善这些车辆的燃料经济性,将对降低总体燃料消耗和CO2的产生更有意义。三欧洲对于混合动力汽车的观点：欧洲的汽车公司认为,虽然汽油机混合动力技术节省汽油，也能降低排放,但相比之下柴油机轿车更好，因为柴油机已经发展成为清洁，平顺，安静的动力。增压器,高压燃料喷射系统已经将柴油机改进得和汽油机一样好,加上清洁低硫的柴油燃料，柴油机轿车已经具有更高的燃料经济性，同时柴油机比汽油电动混合动力更加简单、高效、制造费用较低,也能使制造者获得合理的利润。1.8LTDI柴油机轿车燃油经济性大约是21.1Km/L,价格则低于本田的Civic。所以欧洲汽车公司的主要精力放在发展现代增压直喷柴油机轿车上。在目前美国市场上销售的混合动力汽车主要有三种:本田公司的Insight,丰田公司的Prius,以及本田公司的Civic。混合动力汽车的缺点是结构复杂，不是零排放汽车，可靠性比纯电动汽车低，从长远来看是一种过渡车型。但其驱动系统同时使用燃油发动机和电动机作为汽车的动力源，可以大幅降低油耗，减少污染物排放，同时具有令人满意的行驶里程。因此，近年内混合动力汽车将具有很好的发展前景。混合动力电动汽车，具备了良好的动力性能，良好的燃油经济性，清洁环保，经济实用，其存在只是为了解决纯电动车和燃料电池存在的技术性问题。混合动力电动汽车充分发挥了发动机和电动机的最大优势，提高了燃料经济性和减少了排放。与相同性能传统型汽车相比，HEV在节能和排放上更有优势。与纯电动车相比，其蓄电池容量大大减小，因而其造价成本低于电动汽车。就目前来说，HEV的价格比传统汽车高出二成左右，降低成本，是提高HEV竞争能力的主要方向。同时也要提高汽车行驶过程中的能量再回收效率。随着各国环境立法的日益严厉，HEV性能的日益提高以及其成本的不断降低，HEV的市场份额将逐渐增大。总之，HEV在相当一段时间内前景广阔，将逐渐成为汽车行业的主导产品。1.4混合动力汽车分类混合动力电动汽车的传动系统同时使用燃油发动机和电动机作为动力源，既能利用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。根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，由两种或两种以上的储能器、能源或转化器作为驱动能源，其中至少有一种提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。混合动力车辆的驱动系统从能源输入、原动机到机械能的传递，其组成方式多种多样，具体的结构设计也各不相同。根据驱动系统各部件在汽车上的位置及功能，混合动力汽车可分为以下三种类型：串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车。1.4.1串联式混合动力汽车发动机发电机功率变换器电动机传动变速机构电池道路负载车辆控制器图1.1串联式混合动力汽车示意图串联式混合动力汽车由发动机、发电机、蓄电池和电动机等动力装置以串联连接方式组合而成。如图1.1所示，该系统利用发动机提供电能，牵引电机是唯一的驱动源。图中实线表示功率流的路径，虚线表示控制信号，箭头表示功率流动方向。在后续的公式和图表描述中，T表示扭矩，表示角速度，表示效率；下标cm表示电机，ice表示发动机，w表示车轮，gb表示变速箱。串联式混合动力汽车中的发动机的功能是带动发电机发电，电动机将电能转变为机械能后通过变速机构驱动车轮。发电机同时也能提供部分电能输送到蓄电池，以便必要时由蓄电池为电动机供电。串联式混合动力汽车具有以下特点：1) 控制系统比较简单，特别是发动机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止；2) 发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，有一定节能效果，能减少污染；3) 动力传递过程中，由于存在能量转换中的损失，降低了能量利用率，其综合效率低于燃油汽车；4) 要求每一动力装置的各自功率都等于或接近汽车的最大驱动功率，特别是驱动电动机必须满足汽车行驶的要求。因此整个系统的规模庞大，增加了车辆成本及机构布置难度。1.4.2并联式混合动力汽车并联式混合动力汽车可以利用发动机和电机共同驱动车轮。如图1.2，由于发动机与驱动车轮之间直接相连，所以发动机的运转受到驱动工况的影响。该系统可不需要发电机，因此提高了能量转换效率。发动机动力系统主要用于中、高速的行驶工况；而电动/发电机动力系统用于中、低速的城市路况行驶，在汽车加速和爬坡时配合发动机动力系统驱动车辆，大大提高了汽车的饿加速性能和爬坡性能。发动机车辆控制器功率变换器电池电动机传动变速机构道路负载扭矩耦合装置图1.2 并联式混合动力汽车示意图并联式混合动力汽车具有以下特点：1) 结构简单，特别省去了独立的发电机，两套动力装置可单独或同时驱动，输出总功率可以为两个动力系统的叠加，因而单个动力系统功率可以减少，有利于机构布置；2) 两套动力装置可以直接驱动车轮，因此效率提高，能量损失降低；3) 两套动力装置要根据车辆状态进行切换，动力控制系统及机械切换系统相对复杂；采用电动/发电机可以空载发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程。1.4.3混联式混合动力汽车混联式混合动力汽车综合了串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动/发电机和驱动电机三大动力总成组成，可以根据行驶条件以及串联和并联模式工作。所以，混联系统具有串联系统和并联系统的双重特性，具有以下两种布置形式：1.切换系统发动机车辆控制器功率变换器电池电动机传动变速机构发电机离合器扭矩耦合装置道路负载图1.3混联式混合动力汽车切换系统布置形式采用该布置形式时，利用离合器的断开与结合可使该系统在串联系统和并联系统之间切换，如图1.3，当汽车在城市里行驶时，要求低负载和低排放，可以断开离合器，系统工作在串联模式。而当高速行驶时，有较高的负载要求，串联系统由于发动机的高功率输出而不能有效工作，于是离合器结合，变为并联系统。2.分路系统车辆采用分路系统布置，在任何时候都能作为串联和并联系统同时使用如图1.4，发动机输出的能量经行星轮机构分离后分别流经串联系统（从发动机到发电机）和并联系统（从发动机到驱动轮）。它能通过发电机控制发动机转速，同时通过并联系统保持发动机与驱动轮的机械连接。这种驱动布置形式结构紧凑，具有较高的传动效率。丰田的Prius混合电动轿车就是这种驱动形式的成功典范。发动机车辆控制器功率变换器电池电动机传动变速机构行星齿轮组扭矩耦合装置道路负载发电机图1.4 混联式混合动力汽车分路系统布置形式 第2章 混合动力汽车驱动系统混合动力汽车的驱动系统是所有用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称，包括车载能源、原动机和传动系统三个主要部分。在车辆驱动系中，用于能源存储或用于能源存储并进行能源的初始转化以向原动机直接供能的所有部件总称为车载能源，由能源存储系统或能源存储和转化调节系统组成。例如：传统燃油车辆的车载能源为油箱（能源存储系统），直接为原动机（内燃机）供能；燃料电池车辆的车载能源由氢气罐或储氢金属（能源存储系统）以及燃料电池反应堆（能源转化调节系统）两部分组成。原动机是指在车辆驱动系中把其他形式的能量转化为可以直接驱动车轮转动的机械动能的装置，如普通车辆上的内燃机、纯电动车辆上的电动机等。传动系是指用于传递和调节原动机输出的机械动能，并输送给车辆驱动车轮，实现车辆正常行驶的所有部件。主要包括离合器、减速/变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴以及驱动轮等。2.1驱动系统总体方案混合动力汽车动力传动系各部件特性、参数及控制策略决定了整车的动力性、燃油经济性、排放特性、制造成本及重量。考虑到充电设备的限制以及蓄电池组容量对车重的影响，电力辅助型混合动力汽车装备小容量的蓄电池组，在行驶时电池荷电状态保持在一定范围内变动，不需从外部电网充电，属于电量维持型混合动力汽车。2.1.1 驱动系统结构及主要部件电力辅助型混合动力汽车驱动系统主要包括发动机、发电机、电池组、电动机、功率变换器、扭矩耦合装置、变速器和离合器等部件。配制发电机与否根据车辆的行驶条件而定，如果汽车长时间行驶在交通拥堵的环境，则车辆有可能长时间处于停止状态，需要配置发电机。反之，当车辆的需求驱动功率较小时，可由电动机工作在发电状态向电池充电，省去发电机，简化驱动系统结构。根据发动机和电机扭矩的耦合方式，电力辅助型混合动力汽车的驱动系统有三种布置形式。图2.1中，扭矩在变速器输入轴处进行耦合，采用这种布置方式能通过变速器同时改善发动机和电机的工作点，电机可以用来在较高的转速下快速起动发动机，但是结构较为复杂，变速器的功率要求较大。发 动 机变 速 器电 池电 动 机油 箱离 合器扭 矩 耦 合 装 置差 速 器图2.1 扭矩在变速器输入轴处耦合的驱动系统结构在图2.2中，电动机和发动机的扭矩在变速器输出轴处耦合，变速器只传递发动机的输出功率，所以变速器额定功率可小于第一种布置形式。上述的两种布置形式中，扭矩耦合装置可以采用齿轮传动或带传动来实现。齿轮传动效率高，结构紧凑，美国Wisconsin-Madison大学的UW Future Truck 2000就是采用齿轮传动副耦合发动机和电机的输出扭矩；带传动布置灵活，具有防过载的特点，美国Ohio州立大学的Future Truck 2000、2001和Georgia技术学院的Future Wreck都是带传动装置，在实际中采用较多。发 动 机变 速 器电 池电 动 机油 箱离 合器扭 矩 耦 合 装 置 差 速 器图2.2扭矩在变速器输出轴处耦合的驱动系统结构在图2.3中，驱动系统布置成驱动系联合形式。发动机和电机分别通过各自的传动系驱动车轮。这种结构不需要扭矩耦合装置，但控制复杂，只适合于四轮驱动车辆。考虑到现有的部分发动机和变速器配套设计，在发动机输出轴进行扭矩耦合困难，电力辅助型并联式混合动力汽车驱动系统采用如图2的结构，扭矩通过带传动装置在变速器输出轴处进行扭矩耦合，不配置发电机。扭 矩 耦 合 装 置差 速 器电 池电 动 机变 速 器发动机变速器油箱离合器扭矩耦合装置差速器图2.3扭矩在车轮处耦合的驱动系统结构2.1.2 驱动系统基本控制策略根据设计的驱动系统结构，电力辅助型混合动力汽车一般采用电力辅助式控制策略，即发动机是车辆的主要动力源，电动机作为辅助动力源工作在不同状态。具体描述如下：1) 当车速低于某一设定值时，电动机提供全部驱动扭矩，发动机关闭；2) 如果车辆的需求扭矩大于发动机在当前转速下的最大输出扭矩，则电机提供剩余部分扭矩，满足车辆的动力性能；3) 再生制动时，电机在发电状态，给电池充电贮存能量；4) 在某一速度下，如果发动机单独提供扭矩将工作在低效率区域内，则关闭发动机，由电机提供驱动扭矩；5) 当电池的SOC过低时，发动机除了提供扭矩驱动车辆，还提供部分扭矩给电动机，后者工作在发电状态，为电池补充电能；6) 驾驶员可以通过开关选择纯电动模式或纯发动机模式。2.1.3 混合动力汽车的工作模式发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组1. 发 动 机 单 独 驱 动发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组2.电 机 单 独 驱 动发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组3. 发 动 机 和 电 机 混 合 驱 动发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组4. 减 速 /制 动发 动 机 传 动 装 置电 动 机功 率 转 化 器电 池 组5. 行 驶 时 充 电图2.4 电力辅助型混合动力汽车的工作模式根据行驶路况、电动机和发动机的性能特点以及电池组的SOC大小等情况，电力辅助型混合动力汽车可以工作在以下五种模式：1) 发动机单独驱动；2) 电动机单独驱动；3) 发动机和电动机混合驱动；4) 减速/制动时，电池组通过电机工作在发电状态回收部分车辆的动能；5) 当电池的SOC过低时，由发动机带动发电机在发电状态下向电池充电。2.2 ISG型混合动力汽车主要动力部件选型分析ISG系统的主要部件为发动机、ISG电机和蓄电池。下面根据混合动力电动汽车的工作特性要求对这几个器件进行选型分析。2.2.1发动机选型选择发动机时，要考虑的就是满足汽车要求的发动机尺寸与额定功率问题。在大多数的混合动力汽车设计中，发动机的额定功率将由车辆需求的平均功率决定，与传统的汽车发动机相比，混合动力汽车用发动机是相对较小的。同时开发混合动力汽车的目的是解决节能和环保问题，因此必须围绕这些方面选择所需的发动机。其动力性、经济性和排放是选择发动机的基本内容，图2.5为混合动力汽车用发动机选择的目标。混 合 动 力 汽 车 用 发 动机（节 能、环 保）持 续 运 转 良 好低 油 耗低 排 放低 噪 声小 型 轻 量 化高 效 率高 可 靠 性低 成 本图2.5 HEV发动机的选择目标ISG系统发动机侧重于选用小型化、低油耗、低排放的发动机，并且控制在最佳范围内稳定运转。一般从以下几方面考虑：1) 发动机的动力性作为ISG型混合动力汽车的主要动力源，其动力性决定了整个汽车的行驶动力性。由于电力驱动系统在汽车行驶过程中需要提供最大功率时提供了辅助驱动，发动机的功率可以小于同级别的内燃机汽车。发动机的比质量是指发动机的质量与发动机功率之比Kg/Kw，车辆比质量的增加表示发动机的动力性能提高。2) 发动机的经济性通常用于发动机的比油耗g/KWh来表达发动机的燃油经济性，由于ISG系统中发动机采用了“开关”控制模式，ISG快速起动方式和发动机控制在较狭窄的转速范围内平稳地运转等特有的条件下工作，其比油耗将会低于或接近于发动机的最低比油耗。3) 发动机的环保性HEV存在和发展的基本条件就是它必须属于“趋低污染”和接近“零污染”车辆，选用的发动机排放应达到或低于我国、欧洲。美国等国家所规定的排放限值。表2.1是欧洲排放法规的限值。综合所述，考虑ISG型混合动力汽车侧重于选用小型化、低油耗、低排放的发动机，并且控制在最佳效率范围内稳定运转。一般来说四冲程汽油机和柴油机仍然是首选的发动机。在用于此系统中，往往还要采取以下一些控制方法：全新的理论、先进的结构，以降低发动机的质量，提高燃烧效率；减少泵气阻力和各种运动副的摩擦阻力，降低机械摩擦损失；高效的催化转化，控制发动机工作在一个较窄的高效区域。配置“开关”控制系统，避开发动机低效率的运转工况范围。这些先进技术的使用，在一定程度上提高了发动机的燃油经济性和改善了尾气排放。表2.1 欧洲排放法规限值（g/Km）标准CO（一氧化碳）HCNOxHC+NOx（碳氢化合物和氮氧化合物）PM（微粒，碳烟）欧2.72-0.97（1.36）0.14（0.20）欧汽油机柴油机 -汽油机非直喷柴油机直喷柴油机非直喷柴油机直喷柴油机2.21.0-0.50.70.90.080.10欧汽油机柴油机汽油机柴油机柴油机柴油机2.30.640.20.500.560.05欧1.000.500.100.250.300.0252.2.2电机选择驱动电机在混合动力汽车运行中实现整车起步、电动驱动、爬坡和加速过程中的阻力驱动和制动过程中的能量回收，以提高整车动力性和燃油经济性，并降低尾气排放。混合动力汽车驱动电机的类型和性能对整车性能有直接的影响。最初混合动力汽车采用控制性能好和成本低的直流电机，它的优点在于调速较为方便。随着电子技术、机械制造技术及自动控制技术的飞速发展，功率电子元件以及变频器的问世，再加上一些新的控制算法的出现，如滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调速技术日趋成熟，交流电机、永磁电机和开关磁阻电机显示出比直流电机更加优越的性能，正在逐步取代直流电动机。表2.2为HEV所采用的电机的主要类型和基本性能的比较。表2.2 几种电机的基本性能比较项目直流电动机感应电动机永磁电动机开关磁阻电动机功率密度低中高较高过载能力（%）200300-500300300-500峰值效率（%）85-8994-9595-9790负载效率（%）功率因素（%）80-87-90-9282-8595-9790-9378-8660-65恒功率区-1：51：2.251：3转速范围（r/min）可靠性4000-6000一般12000-20000好4000-10000优良可以15000好电动机外型尺寸电动机质量大重中中小轻小轻结构坚固性差好一般优良控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般2.2.3蓄电池选型蓄电池是混合动力汽车中的一个不可缺少的组成部分，混合动力电动汽车需要用蓄电池组作为辅助动力源，一般要用多个单元蓄电池串联达到高电压的要求，在ISG型混合动力汽车中，蓄电池组要求有以下几个特点：i. 能长时间接受制动功率。蓄电池向ISG系统提供电能以及向动力传动系输出功率，并且接收制动再生能量并将其存储起来，能量回收对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义的。ii. 比较高的比功率和比能量，这样使储能装置不致太庞大和过重。iii. 为了降低整车价格，成本亦不能太高。此外，混合动力汽车上的蓄电池需要频繁充放电，因此还要求它具有充放电特性较好、自放电率较低、输出效率较高及使用寿命（及循环充放电的次数）较长等特点。表 2.3 HEV用蓄电池性能指标电池种类电解质比能量（Wh/kg）能量密度(Wh/L)比功率（W/kg）功率密度（W/L）循环寿命(次)USABC铅酸酸性20030-456540040-701201001200改进型铅酸酸性30-508570-100130600-900镍-镉镍-氢钠-硫碱性碱性固态-陶瓷40-5550-8580-12080-11080-220120-160120-150100-600100-250250-300250-800150-310600-1000600-12001100钠-氯化锂锂离子锂聚合物固态-陶瓷固态聚合物有机溶剂80-10055-150100-120130-150130-300220150190-300300-320260-4401000600-1200600锌-空气碱性180-200-200-250-100铝-空气碱性300-350250100-120-1000表2.3是HEV用蓄电池性能指标，其中第一项是美国“先进电池联合体”（United States Advanced Battery Consortium, USABC）提出的蓄电池性能指标。铅酸电池是汽车储能动力源中最为成熟的一种，它的比能量一般为30-40Wh/Kg，比功率一般为150-200W/Kg，循环使用500-700次。它的优点具有可靠性高、原料易得、价格便宜、比功率也较高等等，基本上可以满足混合动力汽车加速和爬坡要求。但常规铅酸电池的比能量低，难以快速充电，使用寿命不够长。另外，过放电和过充电时，铅酸电池的使用寿命将显著缩短深度放电以及环境温度也对电池性能影响很大，限制了它在混合动力汽车上的广泛应用。现在正在研制中的高性能铅酸电池，性能方面有了很大的提高，成本也有所增加，它在汽车上的应用需要更进一步的试验证明。镍氢电池是一种碱性电池，它的正极为镍氧化物，负极为氢载体合金存储的氢，比能量可达70-80Wh/Kg,比功率可达200W/kg以上，并且具有很好的耐过充电特性，良好的使用安全性和充放电效率，更重要的是该电池的反应物中吴溶解析出物。混合动力汽车电池的最大特点为完全充电和非完全放电，电池经常处于放电和充电状态，经常有能量消耗和补充。这些都会对电池寿命造成一定的影响。但实验表明，上述因素对镍氢电池的寿命影响并不大，这也说明混合动力汽车采用镍氢电池是非常合适的，随着电池的技术的发展，镍氢电池的成本也越来越低，使镍氢电池的广泛使用成为可能，通用汽车公司已把它作为今后几年优先考虑的动力电池。锂离子电池能量密度可达100Wh/Kg，功率密度可达到300W/Kg，并且循环使用寿命长，它是美国USABC（1991年美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司，电力研究所与美国能源部组建的电动汽车先进电池联合体）远期目标和电动汽车最终成功的希望。在日本三菱汽车公司的自发电电力轿车型Spacs Wagonh 和卡车型Canter上已得到了应用。美国USABC计划在从2000年到2010年研制出比能量200Wh/Kg，比功率400W/Kg的锂离子电池。但它存在着致命的弱点成本太高，限制了它的应用。钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车电池。它具有相当高的比能量、其质量比能量是常用的铅酸电池的23倍。美国福特汽车公司的Mnivan电动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已被美国先进电池联合体（USMABC）列为中期发展的电动汽车蓄电池。德国ABB公司生产的B240K型钠硫蓄电池，其质量为17.5Kg，比能量达109Wh/Kg。循环使用寿命1200次。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。从综合成本和性能的考虑，本系统采用镍氢（Ni-MH）电池，可以满足系统的基本要求，并且不会对周围环境造成污染，容易维护，能够长时间存放。更重要的是镍氢电池的过充电和过放电性能好，能够带电充电、快速充电，非常适合PHEV蓄电池组的不规则充、放电变化。2.3混合动力汽车各驱动类型的比较将传统的发动机和电动机进行混合，可以得到多种多样不同组合形式的混合动力汽车，它们都有各自的优缺点和试用范围，表2.4对不同型式的混合动力汽车在燃油经济性、尾气排放和控制难以程度等方面作了比较。表2.5对不同型式的混合动力汽车在驱动模式、传动效率、整车布置、适用条件和开发成本等方面进行了比较。表2.4 混合动力汽车类型的比较串联式并联式混联式公路行驶燃油经济性较优优优城市行驶燃油经济性优较优优无路行驶燃油经济性较优优优低排放性能优较优较优成本低较低较低复杂程度简单较复杂复杂控制难易程度简单较复杂复杂表2.5 不同型式混合动力汽车特点结构模式串联式并联式混联式动力总成发动机、发电机、驱动电机发动机、电动/发电机发动机、电动/发动机、驱动电动机驱动模式电动机驱动模式发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-发电机混合驱动模式具有并联的三种驱动模式外加电动机-电动机混合驱动模式传动效率能量转换效率较低传动效率较高传动效率较高制动能量回收能够回收制动能量能够回收制动能量能够回收制动能量整车总布置三大动力总成之间没有机械式连接装置，结构布置自由度较大，但三大动力总成的质量、尺寸都较大，一般用在大型车上发动机驱动系统保持机械式传动系统，发动机与电动机两大动力总成之间被不同的机械装置连接，结构复杂，布置受到一定的限制三大动力总成之间采用机械装置连接，三大动力总成的质量、尺寸都较小。能够在小型车辆上布置，但结构更加紧凑适用条件适用于大型客货车，适应在路况较复杂的城市道路和普通公路上行驶，更加接近电动汽车性能适用于中小型汽车，适应在城市道路和高速公路上行驶，接近普通的内燃机汽车性能适用于各种类型的汽车，适应在各种道路上行驶，更加接近普通的内燃机汽车的性能2.4 混合动力汽车布置形式的确定综合以上分析可以知道，串联和并联方案各有利弊。在决定混合动力汽车选用串联还是并联驱动方式时，必须充分结合混合动力汽车的运行工况的特点和需要达到的侧重目标降低排放还是提高燃油经济性。重点从以下几个方面考虑：1. 并联驱动的燃油经济性比串联好。目前情况下，开发混合动力汽车的直接目的是提高汽车的燃油经济性。所以，根据资料显示，欧美前一阶段所生产和研制的混合动力汽车多采用并联布置方案。2. 并联驱动方案有多种驱动模式，如发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-发电机混合驱动模式，多种的控制模式利于混合动力汽车适应多种路况，提高汽车的燃油经济性。3. 并联方案与串联方案相比较的劣势之一，是结构稍显复杂，制造成本稍高。4. 各自的技术特点决定了串联式混合动力汽车特别适合于在市内低速运行、频繁的加速、减速、停车的复杂工况；而并联混合动力汽车更适于路况简单的城市间公路及高速行驶的车辆。综上所述，本文讨论的混合动力汽车将采用镍氢电池、Honda永磁电机、汽油发动机所组成的并联布置驱动型式。2.5本章小结本章介绍了电力辅助型混合动力汽车驱动系统的组成和三种基本结构形式。给出了ISG型轻度混合动力汽车动力传动系统的布置方案，描述了它的工作原理，介绍了ISG系统器件的选型分析，并为下面的建模仿真提供了基础。第3章 仿真软件ADVISOR介绍及混合动力汽车驱动系统参数选择3.1 混合动力汽车仿真软件ADVISORADVISOR是由美国国家再生能源实验室在1994年11月为配合PNGV项目而开发的基于Matlab/Simulink平台上运行的混合动力汽车仿真软件。经过大量的实验验证，于1998年1月正式命名为ADVISOR向外界发布。本文的仿真分析，以ADVISOR为基本平台，下面简单介绍ADVISOR的相关情况。3.1.1 ADVISOR界面介绍 汽车参数输入界面运行ADVISOR进入的第一个用户界面如图3.1。图中的第一部分中，可以通过m文件的形式指定汽车的类型(如传统汽车、串联型式或并联型式等)，指定汽车的各部件，包括车身、发动机、电池、电动机、后桥、变速箱等参数。图中第二部分是ADVISOR的功能按钮，可以选择继续仿真、推出ADVISOR或者查看其帮助文件。在图中的第三部分中，可以直接对各部件的参数直接进行修改，而不必进入部件总成的m文件。在图中的第四部分中，可以查看到用于仿真的SIMULINK模型。如果有必要，可以通过其内部模块对此模型进行修改。在图中的第五部分，可以利用图表和曲线的形式，查看已经定义完的汽车各总成(发动机、电池等)的特性图，如发动机效率图，最大扭矩图等等。图中的第六部分是定义汽车的结构简图。在此图中点击部件图标，用户可以选择不同的部件类型。仿真设置界面在汽车参数输入界面中点击“continue，将进入仿真设置界面，如图3.2。在此界面中，可以选择汽车仿真的工况循环和需要测试的动力性等指标。具体如下：在图中的第一部分中，可以选择汽车仿真所要运行的工况，循环次数以及SOC校正方式等。在图中的第三部分中可以对仿真过程中某些参数的变化进行跟踪。此部分可以选择需要跟踪的参数。图中的第四部分是功能按钮，包括运行仿真、对当前设置进行保存、帮助、后退等。图3.1 ADVISOR的汽车参数输入界面第五部分的上半部分是所选定的工况循环的车速时间曲线，下半部分的直方图和数据显示选定循环的统计参数，如最高车速、最大加速、循环里程、平均车速、平均加速度和平均减速度等等。仿真结果界面在仿真设置界面点击“RUN”运行仿真，将出现仿真结果界面，如图3.3。在图中第一部分，可以通过下拉菜单选择部件及参数，则第七部分的图形就会显示所选择的参数在仿真过程的变化过程。例如，第七部分的第二个图形表示的就是电池SOC在仿真过程中的变化情况。图中的第二部分，显示仿真得到的整车燃油经济性数值。图中的第三部分，显示仿真得到的各主要尾气排放数量。图中的第四部分，显示仿真得到的整车的动力性指标，加速时间、最高车速等。图中的第五部分为警告信息框，显示仿真过程中的一些警告信息。 图3.2 ADVISOR的仿真设置界面图3.3 ADVISOR的仿真界面图中的第六部分为功能按钮，包括保存、后退、帮助以及退出等等。 3.1.2 ADVISOR的基本功能从上面对界面的简单介绍可以看出，ADVISOR具有以下基本功能：(1)根据工况循环模拟整车的经济性指标和排放指标。(2)根据要求模拟整车的加速性能、最高车速和最大爬坡度等动力性指标。(3)根据工况循环模拟各部件的输入输出扭矩(功率)和转速的时间历程。(4)输入不同的总成参数和控制参数，得到不同的动力性和经济性指标仿真结果，研究比较各种参数对循环油耗和动力性指标的影响。3.1.3 ADVISOR的内部组成模块ADVISOR的内部模块是在SIMULINK平台上建立的元件模块的组合，不同的布置方式有不同的组合。例如，图3.4所示的是并联混合动力汽车的顶层模块图。对顶层模块图的分析得知，整个数据流程形成了完整的闭环，首先由工况循环的车速要求提出对各部件的扭矩和转速要求或者功率要求，控制系统对所要求的功率按照控制策略在发动机一发动机组和电池组按照当前情况和控制策略情况决定所输出的实际功率，此功率决定了其他各个部件的实际扭矩(或者功率)以及转速输出，最终确定实际的车速一时间历程。图3.4 并联混合动力汽车的顶层模块3.2 驱动系统力学分析汽车的动力性主要由三方面的指标来评定，即：1) 汽车的最高车速：uamax指在水平良好的路面（混凝土或沥青）上汽车能达到的最高行驶车速。2) 汽车的加速时间t，表示汽车的加速能力。3) 汽车能爬的最大坡度imax：汽车的上坡能力是用满载（或某一载质量）时汽车在良好良好路面上的最大爬坡度imax表示的。确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。汽车的行驶方程式为： （3.1）式中：为驱动力；为行驶阻力之和。行驶阻力有滚动阻力、空气阻力和坡度阻力。现在分别研究驱动力和这些行驶阻力，并最后把这一行驶方程式加以具体化。（一）汽车的驱动力图3.5 汽车驱动力汽车发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上。如图3.5所示，此时作用于驱动轮上的转矩产生对地面的圆周力，地面对驱动轮的反作用力（方向与相反），即是驱动汽车的外力，其数值为： 式中：为作用于驱动轮上的转矩； r为车轮半径。若表示发动机转矩，表示变速的传动比，表示主减速器的传动比，表示传动系的机械效率，则有：因此驱动力为： （3.2）（二）汽车的行驶阻力1) 滚动阻力车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力及相应的轮胎和支撑路面的变形。轮胎与支撑面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬路面（混凝土路、沥青路）上滚动时，轮胎的变形是主要的。此时由于轮胎有内部摩擦超升弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它做的功不能全部回收，这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶。本文中假设车辆在干燥、平直路面上沿平直行驶，且仅考虑由车轮滚动产生的阻力，即车轮的滚动阻力。通常用来表示。为了便于进行车辆的动力性能分析，引进滚动阻力系数f，可以等效的表示为： （3.3）式中，G为车辆的法向载荷（即车辆所受的重力）单位为N； f为滚动阻力系数：与路面种类、行驶车速及轮胎的构造、材料、气压等有关；2）空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力，记为。在汽车行驶范围内，空气阻力的数值通常都总结与气流相对速度的动压力成正比例的形式，即式中：为空气阻力系数，一般讲应是雷诺数的函数，在车速较高、动压力较高较高而相应的气体粘性摩擦较小时，将不随而变化；为空气密度，一般；A为迎风面积，即车辆行驶方向的投影面积，单位为；为相对速度，无风时车辆的行驶速度，单位为（）。本文只讨论无风条件下汽车的运动，即为汽车的行驶速度。如果以、A以计，则空气阻力（）为 （3.4）3）坡度阻力当汽车上破行驶时（图3.6），汽车重力沿坡道的分力表现为汽车的坡度阻力，即 （3.5）式中：为作用于车辆上的重力，单位为，为车辆质量，为重力加速度；为坡道与水平线所成的锐角。图 3.6 汽车的坡度阻力4）加速阻力汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时，不仅平移质量产生惯性力，旋转质量也产生惯性力偶矩。为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，对于固定传动比的汽车，常以系数作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数，因而汽车加速时的阻力（N）可以写作 （3.6）式中：为汽车的旋转质量换算洗漱，1； 为汽车质量（kg）； 为行驶加速度（）。主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关，根据公式推导式中：为车轮的转动惯量（）； 为飞轮的转动惯量（）； 、分别为等效于车轮和飞轮引入的换算因子。在传统的燃油汽车中，0.030.05。在纯电动汽车动力系统中采用蓄电池为储能元件，而不采用飞轮，因此=0。（三）汽车的功率平衡 汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力互相平衡，发动机功率和汽车行驶的阻力功率也总是平衡的。就是说，在汽车行驶的每一瞬间，发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力所消耗的功率。汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率、空气阻力功率、坡度阻力功率及加速阻力功率。将汽车行驶方程式两边乘以行驶车速，并经单位换算整理出汽车功率平衡方程式（式中功率单位为KW）如下： （3.7）3.3 各部件功率需求的计算混合动力电动汽车动力系统主要参数包括发动机功率、电动机功率和电池组容量。它们对整车的动力性、燃油经济性和排放性能有着显著影响。目前大多数混合动力电动汽车采用小排量发动机配大功率电机、电池组或中排量发动机配中功率电机、电池组方案。基于ISG的混合动力电动汽车目标是降低油耗利排放，为了减小整车的质量和制造成本，根据上面的选型分析，本系统选用小功率电机和电池组配以中排量发动机，发动机的功率要满足一定的动力性指标。根据前面的汽车动力性分析，发动机的功率要满足纯发动机驱动时，最高车速所对应的功率需求可以由公式（3.7）推出： (3.8)式中：为发动机的最大功率 为发动机驱动时候汽车坐高的速度又根据ISG型控制上要求汽车挂一档时电机不助力，所以发动机的动力性还需要满足纯发动机驱动时的爬坡要求：=（+） （3.9）根据整车的参数整车质量=1150（含电机和电池组的质量），空气阻力系数=0.25，迎风面积A=1.9，传动效率=0.9，滚动阻力半径系数=0.01。以及动力性指标最大车速190，在车速v=88.5时爬坡度i15%，原地起步至100的加速时间t12s。综合上述满足发动机单独驱动最高车速要求（公式 3.8）和一档爬坡能力要求（公式 3.9），计算得到54.16Kw，考虑到汽车在混合驱动工况工作时，发动机被控制按最小油耗特性运行，加上12%（10%或8%-10%）的功率裕量，以减少对ISG的功率需求和提高汽车在纯发动机驱动时的动力性能。最后确定的发动机功率为60.66Kw，用以上的结果为参考，因为ADVISOR中特别提供了自动尺寸功能和比例计算功能，具体的参数选择还可以依据ADVISOR的计算结果来设定。在ISG型混合动力汽车中，ISG电机的作用是在起动、加速和爬坡时带动或辅助发动机工作。在汽车轻载和减速时，ISG又起到发电机的作用。整个行驶过程中并不存在纯电动工况，所以无需大功率电动机。ISG功率越大所需电池组数目也就越多，这样不但增加了整车的重量，而且增加了整车的制造成本。ISG功率的取值应在满足整个动力传动系统节能目标值的前提下，从经济性和制造成本两方面均衡考虑。对于ISG电机的功率选择我们可以参考其他公司研制的发动机轴动力组合式PHEV的动力匹配，如Insight车型和Prius车型等。西门子公司生产的启动/发电一体化电机，最高功率达到8Kw，瞬时超大功率可达到15Kw。因此对于ISG电机的功率选择在这个范围内比较合适。3.4 本章小结本章给出了本文所研究的ISG（Integrated Starter Generator 即集成一体化起动/发电机）型轻度混合动力汽车动力传动系统的布置方案，描述了它的工作原理，部分功率需求的计算，简要介绍了论文使用到的混合动力仿真软件ADVISOR的相关情况。第4章 混合动力汽车控制策略及仿真4.1 混合动力汽车的控制策略混合动力汽车采用的控制策略决定了它的性能，采用不同的控制策略可以得到不同的燃油消耗、排放和电池的SOC状态值。其主要目的是在保证汽车性能的前提下降低汽车的燃油消耗和排放，同时还要兼顾电池的寿命问题。基于这些目标，根据不同的侧重点，可以适用于本文所述的控制策略主要有以下几种：1. 电气辅助式控制策略（Electric Assist Control Strategy）这种控制策略主要是将发动机作为汽车的主驱动，电动机驱动只是用来复制发动机的。同时保证电池的SOC在一定范围之内，电气辅助式控制策略描述：1) 当汽车在所允许的最低速度之下行驶时，电机运行。2) 当汽车所需的扭矩大于发动机能提供的最大扭矩时，电机提供辅助扭矩。3) 当汽车在给定转速下运行在低效率时，发动机会关机，由电机提供所需的转矩。4) 当电池充电状态过低时，发动机会提供额外的转矩给电机，用来给电池发电。5) 制动能量再生时，电机给电池充电。当蓄电池SOC状态值大于允许的最低SOC状态值时，若车速小于设定的最小车速的时候，此时发动机不工作，汽车行驶所需的扭矩全部由电动机提供，汽车在纯电动状态下工作，实现“零油耗”和“零排放”；当车速大于设定的最小车速时，若此时的扭矩比规定的发动机扭矩小，也由电动机提供，这是为了保证发动机在低速和怠速的情况下不工作，以减少油耗和排放。当电池SOC状态在允许范围内的时候，发动机总是运行在高效范围内，可以改善汽车的燃油经济性和尾气排放。当电池SOC状态小于允许的最低SOC状态时，电动机不工作，若所需要的扭矩小于发动机的最小扭矩时，发动机实际提供的扭矩是它的最小扭矩，多余的部分用来给电池充电，以保证电池SOC状态不至于过低。当所需要的扭矩大于发动机的最小扭矩时，发动机实际提供的扭矩是需要提供的扭矩加上充电扭矩的值。2. SOC扭矩平衡控制策略（Electric Assist Control Strategy BAL）这种控制策略的思想是根据电池SOC的状态以及需求的扭矩之间产生一个修正的扭矩，使电池的SOC状态维持在制定的最高状态和最低状态中间，同时保证发动机的工作点维持在高效范围内。它的基本思想和电气辅助控制策略的基本思想大致相同，不同之处在于控制发动机世纪发出多少转矩，电气辅助控制策略在需要发动机提供扭矩的基本上将发动机的扭矩再提高一些，来满足充电的需要，而SOC扭矩平衡式控制策略是根据现在的SOC状态和扭矩比来对发动机进行修正。3. 自适应控制策略（Adaptive Control Strategy）自适应控制策略也称为实时控制策略，通过规定了5个数值（能源消耗，HC，CO，和永磁电机的输出转矩）的相互协调，并且标准化了平均时间燃油经济性和排放性能，确定了全面的影响功能。自适应控制策略有如下的特点：1) 发动机，排气消耗，电动机以及电池组的即时效率都包括在汽车的优化之中。2) 自适应控制策略根据它的行车条件调节，举例来说就是发动机，电动机和电池的温度，可以利用的再生制动的数量，汽车行驶时的再生能量的计算。3) 这里可以事先规定燃油经济性和排放目标。4) 对每个要求目标（例如一个给定速度），自适应控制策略从电动机和发动机合成的扭矩所可能的全部边界上确定一个最佳的工作点。5) 整体性能是由每一定量的汽油行驶的公里数和排放叠加的结果。4. 扭矩分离控制策略（Torque Split Control Strategy） 下面介绍本田Insight 的扭矩分离策略，此策略是根据车速和从离合器传递过来的扭矩需求，计算出电动机应该输出的辅助扭矩，剩余的扭矩则由发动机提供，与电气辅助控制策略的不同之处是汽车没有纯电动工况，所以发动机在大多数情况下开启。根据有关资料的描述并参考当今成型的发动机轴动力组合式PHEV所采用的能量管理策略可知，目前可应用于轻型混合动力汽车相对成熟的整车控制策略是电气辅助式控制策略和转矩分离控制策略。具体到轻度混合动力系统下：控制策略流程如下：开始计算Tr制动？第一档？SOCSOCmin混合动力驱动模式制动模式发动机单独驱动模式电池充电模式NYYNNNYY图 4.1 扭矩分离控制策略流程图图4.1 中，为离合器所需求的转矩，为电动机运转要求输出的最小扭矩，为电池充电状态的最小值。4.2 参数的输入4.2.1 整车参数的设定根据第二章主要动力部件的选型，第三章计算发动机功率时需要的几个参数，ADVISOR仿真软件中所选的仿真车辆整体参数设置如表 4.1 所示。表 4.1整车参数列表整车参数参数值重力加速度（）9.81整车质量（）1150空气密度（）1.2空气阻力系数025迎风面积（）2.0重心高度0.6轴距（）2.4滚动阻力系数0.01传动效率0.94.2.2 部件参数设定根据上述的整车参数以及第三章所要求的动力性指标，最大车速190，在车速=88.5时爬坡度15%，原地起步至100的加速时间12s。由于经过自动尺寸计算后的结果与部件功率需求计算的结果大致相同，为了保证混合动力汽车的动力性要求，具体部件参数如下： 图 4.2 发动机万有特性曲线图计算结果发动机功率为54.16kw，综合考虑到汽车单独驱动最高车速要求和爬坡能力要求，在混合驱动工况工作时，发动机被控制在最小油耗下运行。因此要加12%的功率裕量，最终确定发动机的功率为60.66kw，为了减少HEV加速时对电动机功率需求和保证汽车在纯发动机驱动工况时整车的动力性能，最后发动机选择Saturn 1.9L （63KW）SOHC SI Engine，最大功率为63kw（5500rpm），峰值扭矩为145Nm（2000rpm），发动机万有特性如图4.2 所示。电动机采用ADVISOR 里的Honda永磁电机，各项数据均以49kw的原始电机按比例缩小。蓄电池NI-MH电池，一个模组共有6个单元电池，每个单元电池电压为1.2V，容量为6.5Ah。4.3 选择测试的设置4.3.1选择测试循环工况汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油消耗量能使汽车行驶的里程来衡量。在我国及欧洲，燃油经济性指标的单位为，其数值愈大，汽车燃油经济性愈差。美国MPG即每加仑燃油能行驶的英里数。这个数值愈大，燃油经济性愈好。等速百公里燃油消耗量曲线是常用的一种评价汽车燃油经济性的指标。在额定载荷在，以最高挡在良好水平路面上测得的燃油消耗量曲线并没有全面反映汽车的实际运行状况，特别是在失去行驶中频繁出现的加速、减速、怠速驻车等行驶工况，这些会使车辆的能量消耗发生变化，给设计计算带来一定的困难。为了模拟研究混合动力电动汽车的驱动力和功率在行驶过程中的动态变化的基本情况，采用了各种统计循环工况，来规范车辆在行驶过程中的动态响应，因此各国都制定了一些典型的循环行驶实验工况来模拟实际汽车运行状况，并以其百公里油耗来评定相应行驶工况的燃油经济性。在ADVISOR中的循环工况由逐秒计算的车速曲线组成。评价整车性能的循环工况主要有以下三种，如图 4.3 所示，分别是ECE-EUDC（Economic Commission for EuropeEurope Urban Dynamometer Cycle）、UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）和HWFET（High Way Fuel Economy Test）。表 4.2 是三种循环工况的数据统计。图 4.3 三种典型的道路循环工况表 4.2 三种循环工况的数据统计 循环名称特征数据 ECE-EUDCUDDSHWFET循环周期（S）12251369765行驶距离（km）10.9311.9916.51最大速度（）12091.2596.4平均速度（）32.131.5177.58最大加速度（）1.061.481.43最大减速度（）-1.39-1.48-1.48平均加速度（）0.540.50.19平均减速度（）-0.79-0.58-0.22怠速时间（s）3392596停车次数131714.3.2 选择性能测试性能测试的主要目的是确定混合动力系统是否能满足动力性能设计要求，本系统的动力性能指标在二、三章中基本确定利用ADVISOR 主要进行加速度性能测试和爬坡性能测试。（1）加速度性能测试混合动力电动汽车的加速度，是指车辆在良好、平坦的路面上，克服滚动阻力和空气阻力之后，并假设爬坡度为零，原动机的后备功率全部用来提高车辆的速度。加速性能对汽车的平均行驶速度有很大的影响，通常用车辆的速度从0或某一低速加速到某一更高的速度所需要的时间，用于衡量混合动力汽车的加速性能。如图 4.4所示，ADVISOR可以仿真3组从初速度加速到末速度所需要的最短时间、某一时间段内车辆行驶的最大距离、行驶某一段距离所需要的最短时间、最大加速度和最大速度。设置结果如下：1) 设置换挡延迟时间为0.2s.2) 设置电力驱动系统和辅助动力单元同时进行驱动，设置电池组的SOC初始值为0.7.3) 设置加速测试时整车重量为1150kg.4) 设置3组测试目标，分别是0100、60100、0150车辆运行的最短时间和车辆的最大速度。图 4.4加速性能测试设置（2）爬坡度性能测试混合动力电动汽车的爬坡能力，是指车辆在良好、平坦的路面上，克服滚动阻力和空气阻力后，并假设加速度为零，原动机的后备功率在稳定车速条件下全部用来爬坡，克服坡度阻力时所能爬上的坡度。如图4.5 所示，ADVISOR中爬坡性能测试设置主要保括：1) 按爬坡性能要求设置基本参数，如平均速度、爬坡车速、持续时间、变速器档位等。2) 设置动力系统，第一档位时选择发动机单独提供动力。3) 设置爬坡时整车质量，可以使用当前质量，也可以手动输入测试质量。4) 设置其它的约束条件，如最大最小坡度、初始坡度、速度误差、坡度误差等。图 4.5 爬坡性能测试设置4.4 仿真结果分析4.4.1 三种典型循环工况下仿真结果表 4.3 三种典型循环工况下仿真结果 循环工况燃油经济性（）最高车速（）加速性能（）爬坡性能排放（）0-100（）60-100（）0-150（）坡度（/85.5）HCCOECE-EUDC6.9156.8105.321.915.5%0.2731.3020.119UDDS6.2156.8105.321.915.5%0.2641.230.145HWFET5.3156.8105.321.915.5%0.2120.9470.172在三种循环工况下仿真结果如上表 4.3 所示，下面的图4.6、7、8分别为ECE-EUDC、UDDS和HWFET循环工况下电池SOC，发动机排放曲线，发动机有效转速。图 4.6 ECE-EUDC循环仿真结果曲线图 4.7 UDDS循环仿真结果图4.8 HWFET循环仿真结果曲线1.能量消耗状况在UDDS循环工况下进行PHEV动力系统整车的仿真，能量消耗情况，能量消耗示意图和能量再生示意图如图4.9图4.10和图4.11所示。图4.9 能量消耗情况图图4.10 能量消耗示意图图4.11 能量再生示意图2. 驱动系统主要部件仿真结果分析 电机图4.12为电机的输出特性图，由图4.13电机效率图可知其工作效率在80%左右。图4.12 电机的输出特性图图4.13 电机效率图 蓄电池图4.14和图4.15反映了蓄电池的充电效率和放电效率，从图中可以看出，两种状态下电池的效率都比较高。图4.14 电池的充电效率图图4.15 电池的放电效率图4.4.2 和传统汽车比较仿真结果在ADVISOR中选择传统燃油汽车模型，将整车参数和部件参数都设置成与混合动力汽车相同值，在UDDS循环路况下进行燃油经济性、排放性及动力性的仿真实验，比较仿真结果见表4.4 所示。表 4.4 比较仿真结果型式燃油经济性（）最高车速（）加速性能（）爬坡性能（坡度/85.5）排放（）0-100（）60-100（）0-150（）HCCO传统型7.7157.111.66.528.715%05011.8610.273混合型6.2156.8105.321.915.5%0.2641.230.145图4.16 传统汽车UDDS循环仿真结果1.传统汽车的能量消耗情况在UDDS循环工况下进行传统汽车动力系统整车的仿真，能量消耗情况，能量消耗示意图和能量再生示意图如图4.17图4.18和图4.19所示。图4.17 能量消耗情况图图4.18 能量消耗示意图图4.19能量再生示意图由图 4.16我们可以看到，传统型汽车的发动机一直处于开启的状态，而混合动力汽车的发动机在汽车处于长期怠速的驻车工况时，发动机自动关闭。这样便达到了节能和环保的目的。从上面的仿真的结果，可以得出如下结论：i. 与传统汽车相比，混合动力汽车对整车的动力性改变不大，但是对提高燃油经济性和降低汽车排放起到了明显的作用。特别是在城市循环工况和夏天电器负载较大时，效果更加明显。ii. 与传统模式汽车相比，此系统发动机运行过程中低转速工况减少，明显提高发动机经济性和降低排放。iii. ISG电机按照汽车运行要求提供辅助动力或制动能量回收作用显著。iv. 系统中电池SOC值降低的较为缓慢，不至于使电池过放电或过充电，延长了电池的寿命。4.5 本章小结本章介绍了基于MATLAB下的ADVISOR混合动力汽车仿真方法。利用ADVISOR分别在ECE-EUDC、UDDS和HWFET三种循环路况下进行仿真，验证了混合动力汽车模型、采用的控制策略和动力匹配的合理性、高效性。结 论混合动力汽车融合了传统燃油汽车和电动汽车的优点，是当今具有实际开发意义的低排放和低油耗汽车。近年来引起了各大汽车公司的广泛关注，得到商业市场的响应并迅速发展。混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能与驱动系统参数的匹配以及车辆行驶过程中的协调控制密切相关。本文首先分析了混合动力汽车的驱动系统结构类型和各自的特点，对电力辅助型混合动力汽车的组成和工作模式进行了介绍。电力辅助型混合动力汽车在结构上属于并联式，发动机是车辆的主要动力，电动机作为辅助动力源可以工作在电动或发电状态，能提高车辆的燃油经济性，降低排放。汽油发动机仍将是近期混合动力汽车的首选方案交流感应电动机具有成本低、可靠性高及免维护等优点，在电动汽车驱动电机领域应用广泛；Ni-MH电池被称为环保绿色电池，其能量密度高、环保性能好、可快速充电且放电曲线平坦，是目前人们看好的电动汽车用电池。本论文的主要工作及取得的进展如下：1.首先介绍了混合动力汽车的三种基本形式：串联式、并联式和混联式，并分别介绍它们的驱动系统结构，后来找对它们的性能特点进行了总结与比较。可以得出这样的结论：传统的发动机与电动机组成的多种多样不同形式的混合动力汽车它们都有各自的优缺点和适用范围。2.研究了ISG型轻度混合动力汽动力系统的布置方案，描述了它的工作原理，介绍了ISG系统器件的选型分析，部件的功率计算。3.介绍了基于MATLAB下的ADVISOR混合动力汽车仿真方法、原理，并利用此仿真系统进行了混合动力汽车的多项性能仿真研究。开始介绍了ADVISOR的仿真界面和使用方法，随后进行了车辆参数的输入和仿真设置。利用ADVISOR分别在ECE-EUDC、UDDS和HWFET三种循环路况下进行仿真，验证了混合动力汽车模型、采用的控制策略和动力匹配的合理性、高效性。参考文献1孙逢春，张承宁，祝嘉光，电动汽车21世纪的重要交通工具，北京：北京理工大学出版社，1997，3-1. 2陈春泉，孙逢春，祝嘉光，现代电动车技术，北京：北京理工大学出版社，2002， 1-253徐卫国，混合动力汽车的发展状况及前景初探，汽车科技，2001，6：7-10. 4陈晓东，何仁，混合动力电动汽车仿真软件研究与开发J.交通工程学报.2002，（01）. 5王冬,田光宇,陈全世.混合动力电动汽车动力系统选型策略分析J.汽车工业研究.2001.（02）.6孙逢春，何洪文，混合动力车辆的归类方法研究，北京理工大学学报，2002，22：40-44 .7Catherime Anderson, and Erim Petter, The Effects of APU Characteristics on the Design of Hybrid Control Strategies for Hybrid Electric Vehicles. SAE 950493,1995. 8麻友良,陈全世.混合动力电动汽车的发展J.公路交通科技.2001，（01）. 9吴伟岸.混合动力汽车动力系统参数选择及匹配研究D.合肥工业大学.2005. 10孙龙林.最小化混合动力传动系统的初步探讨J.江苏理工大学学报.2001，（02）. 11张翔,赵韩,钱立军,张炳力.电动汽车仿真软件ADVISOR的应用J.交通科技与经济.2004，（03）.12冯樱.浅析混合动力电动汽车的布置与特性 J.重型汽车.2001，（01）. 13李槟,陈全世.混合动力电动汽车中电池特性的研究J.汽车技术.1999，（10）.14威鲁麦特（德），车辆动力学：模拟及其方法，北京：北京：北京理工大学出版社，1998，90-101.15吴伟岸.混合动力汽车动力系统参数选择及匹配研究D.合肥工业大学.2005. 16袭著永.混合动力电动汽车控制策略的仿真研究及优化D.合肥工业大学.2005. 17张翔，赵韩，钱立军，张炳力，电动汽车仿真软件ADVISOR的应用J ，交通科技与经济，2004年第3期.18刘唯信.汽车设计M.北京:清华出版社,1996. 19余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社,2006.20 K B Wipke, M R Cuddy, S B Burch. ADVISOR2.1: A User Friendly Advanced Powertrain Simulation Using a Combined Backward/Forward ApproachM.NRFAJJA-540-26839,1999.21初亮。混合动力总成的控制算法和参数匹配研究D.吉林大学.2002.22HEN Xiao-dong, GAO Shi-jie, Challenges that are faced the development of Chinese HEVJ.Auto Industry Research,2001,15(6):16-20.23Xiaoling He,Batery Modeling for HEV Simulation Model Development,SAE2001.01.24Bimal K Bose, Modem Power Electronics and AC DriveM. 北京：机械航天出版社，2004年.25 张立伟，胡广燕，游小杰，郑琼林，混合动力电动汽车中电力电子技术应用综述J.变频器世界，2006，（10）.26邵海岳，混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化，湖南大学硕士学位论文，2004.5.27Allan Cooper, Lead-Acid Batteries for Hybrid Electric Vehicle Applications-Is there a Future June 2003.28麻友良，陈全世，混合动力汽车的发展，公路交通科技，2001，18：77-80.29C. C. Chen. The State of the Art of Electric and Hybrid Vehicles. In: Proc of the IEEE, Vol. 90, No. 2, 2002.30 麻友良，陈全世,混合动力电动汽车的结构与特性分析，汽车研究与开发，2000，4：20-22.31舒红，秦大同，胡建军，混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势，重庆大学学报，2001，11：28-31.致 谢四年的大学时光转瞬已经接近了尾声，在这四年的学习中，得到了各位老师、同学、朋友及家人的帮助和支持。在此谨向关心过我的人们致以深深的谢意。本次毕业设计是在王国田老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。有幸成为王老师指导下的学生，让我无比荣幸。王老师的知识很渊博，在多个学科的方面的造诣都很高。他严谨的治学态度、求实认真的工作作风、敏锐的洞察力和平易近人的品质给我留下了深刻的印象。老师废寝忘食的工作精神，以及言传身教，我将永志不忘，必将激励我在今后的工作学习中不断奋发进取！在这里我像王国田老师致以最深的敬意和谢意。在课题研究期间，还得到许多老师，同学的帮助。在这里，对他们表示衷心的感谢。感谢汽车与交通工程学院的老师们在这四年的时光里，对我的谆谆教导，是我深深地体会到亲人般的温暖。多年在外的求学，离不开家人的支持和帮助，借此机会向一直关爱我的父母表示深深的谢意。最后，诚挚的感谢在百忙中审阅本文和为我毕业设计答辩的各位老师！附 录ADVISOR Documentation3.1 ADVISOR file structure3.1.1 File interactions & data flowThe above schematic represents data flow in the ADVISOR file system. The four main agent types are: u Input Scripts define variables in the workspace and/or call other input scripts. An example is MC_PM32.M. u Block Diagrams are Simulink files containing the equations used to compute outputs such as fuel use from inputs such as an engine map. They are the models. One example is BD_PAR.MDL. u Output Scripts post process the model outputs by querying the workspace. These may include plotting routines or error checking routines. chkoutputs.m is an example. u Control Scripts may both develop inputs and process outputs. Examples include the ADVISOR GUI and optimization routines. 3.1.2 File locationsThe main ADVISOR directory (e.g. c:ADVISOR or c:Program FilesADVISOR) contains several sub directories. Among these are the data, GUI, and models directories that contain the corresponding files. 3.1.3 File naming conventionsAll model and data files use a prefix followed by an underscore (_) that is the same as the prefix used for (nearly all of) the variables it defines, which in turn is in pointy brackets () at the end of the Simulink block in which those variables are used. Here are ADVISORs component file types: ACC_*.M Accessory load files CYC_*.M Driving cycle files, which define variables starting with cyc_, used in the block labeled ESS_*.M Energy storage system data files, which likewise define variables starting with ess_, used in the block labeled EX_*.M Exhaust after treatment files (such as catalysts) FC_*.M Fuel converter data files TX_*.M Transmission data files (these include gearbox-gb and final drive-fd variables) GC_*.M Generator/controller data files MC_*.M Motor/controller data files PTC_*.M Powertrain control data files, which define engine control, clutch control, and hybrid control strategy variables starting with vc_ and cs_, used in blocks labeled and TC_*.M Torque coupler data files VEH_*.M Vehicle data files WH_*.M Wheel/axle data filesIn addition to the above component data files, there is one other type that use prefixes: BD_*.MDL Simulink block diagrams (models)All filenames that include prefixes are entirely in capital letters to avoid confusion with variable names, which are entirely in lower-case letters. 3.1.4 Adding files to ADVISORThe easiest way to add a particular kind of file to ADVISOR is to modify an existing file of that kind and save it with a new file name, entirely in capital letters, in the appropriate ADVISOR directory. This will ensure that all variables necessary to fully define the particular component will be included in your new file. For adding vehicle component or drive cycle files, clicking the pushbutton in the graphical user interface brings up a window to guide the process. 3.1.5 Inspecting input filesComponent files and nearly all other files in ADVISOR are text files (the exceptions are mat files, which contain Matlab-specific data), and can be viewed and edited in any text editor. A fixed pitch font helps. We recommend using the Matlab editor/debugger packaged with Matlab 5.3. Additionally, text files can be viewed in the Matlab command window by entering type filename at the MATLAB command line. 3.1.6 Deleting files from ADVISORs databaseFiles can be removed from ADVISOR by either deleting them using your operating system or by entering the following at the Matlab command line: !rm filename Deleting files via the operating system is preferable, especially on PC and Macintosh platforms, where deleted files will be preserved in Trash or the Recycle Bin. 3.2 Drivetrain model descriptionsADVISOR has six different vehicle types and two specific vehicle choices, as listed below. Each of these has a different drivetrain. There is also an option to use a custom drivetrain. Conventional Drivetrain: The conventional vehicle represents a typical passenger car. It uses only a fuel converter for motive power. The default gearbox is a 5 speed. The conventional accessories are a constant mechanical power load.Series Drivetrain: The series vehicle components include a fuel converter, a generator, batteries, and a motor. The fuel converter does not drive the vehicle shaft directly. Instead, it converts mechanical energy directly into electrical energy via the generator. All torque used to move the vehicle comes from the motor. The default gearbox is a one speed. The default control strategy is a series power follower. The hybrid accessories are a constant electrical power load.Parallel Drivetrain: The parallel vehicle components include an engine, batteries, and a motor. Is is named parallel because both the motor and the engine can apply torque to move the vehicle. The motor can act in reverse as a generator for braking and to charge the batteries. The default control strategy is an electric assist. The default gearbox is a 5 speed. The hybrid accessories are a constant electrical power load.Parallel Starter/Alternator: The parallel starter/alternator vehicle components include an engine, batteries, and a motor. It is named parallel starter/alternator because the motor behaves like the starter and the alternator of a conventional vehicle. It allows for engine shutdown and restart and for minimal electric assist. It is a parallel design because both the motor and the engine can apply torque to move the vehicle. The major difference between the parallel starter/alternator design and the basic parallel design is the location of the clutch. The clutch is positioned between the gearbox and torque coupler in the parallel starter/alternator design while it is located between the torque coupler and the engine in the basic parallel design. This means that if the vehicle is moving and the clutch is engage both the engine and motor shafts must be rotating. The motor can act in reverse as a generator for braking and to charge the batteries. The default control strategy is an electric assist . The default gearbox is a 5 speed. The hybrid accessories are a constant electrical power load.Custom:The above figure represents a conventional vehicles drivetrain using components from ADVISOR. Note that most blocks have two inputs and two outputs. Each block passes and transforms a torque and speed request, and each block also passes an achievable or actual torque and speed. The top arrows, feeding left-to-right, are the torque and speed requests. The drive cycle requests or requires a given speed. Each block between the driving cycle and the torque provider, in this case the ICE, then computes its required input given its required output. It does this by applying losses, speed reductions or multiplications, and its performance limits. At the end of the line, the ICE fuel converter uses its required torque output and speed to determine how much torque it can actually deliver and its maximum speed. Then passing information back to the left, each component determines its actual output given its actual input, using losses computed during the input requirement pass described above. Finally, the vehicle block computes the vehicles actual speed given the tractive force and speed limit it receives, and uses this speed to compute acceleration for the next time step. And so the cycle continues throughout the duration of the driving cycle. The following describe the torque, speed, and power transformations performed by the drivetrain component models that connected to each other as explained above to build a vehicle model. In addition, the somewhat trickier blocks that perform solely control functions are documented below. 3.2.3 TransmissionTorque couplerTorque coupler block diagramRole of subsystem in vehicle Physically, a torque coupler is a three-sprocket belt or chain drive whereby two torque sources combine their torques to provide to a drivetrain component such as the gearbox or final drive. The torque coupler block diagram processes a torque and speed request from the downstream drivetrain component and apportions requests of the two feeder torque sources. Description of modeling approach The effects of torque loss and a gear ratio between the second of the torque input devices and the output are modeled here. The torque loss is a constant whenever the torque coupler is spinning. The torque coupler first requests the sum of necessary output torque and torque coupler loss from the first torque source. Using the actual/available torque of the first source, it requests the balance of the second torque source. The speeds of the two torque providers are in constant proportion to the torque coupler output speed: the first input speed equals the output speed, and the second input speed is greater by a factor tc_mc_to_fc_ratio. GearboxGearbox block diagram Role of subsystem in vehicle The gearbox of a multi-speed transmission houses gears of different gear ratios that are used to transmit torque from the engine or tractive motor to the final drive and on to the wheels. It thereby allows a number of discrete speed reduction and torque multiplication factors. Inclusion of a gearbox is critical to the drivetrain of conventional and parallel hybrid vehicles, and generally less important for series hybrids. Description of modeling approach The gearbox model in ADVISOR usually communicates physics (torque, speed, and power) information to and from the final drive submodel and engine, torque converter, and/or motor model. Control information as might be sensed or commanded by a CPU in the vehicle, such as gear number, is passed to and from the transmission control submodel. Effects on torque and speed in the gearbox include: torque multiplication and speed reduction via the gear ratio, torque loss due to the acceleration of rotational inertia, and torque loss due to the friction of the turning gears. These effects are modeled empirically. Data files such as /data/transmission/TX_5SPD.M are required to supply necessary physical parameters. The equations represented by the Simulink block diagram in the picture corresponding to the link above are as follows. Equations used in subsystem TORQUE AND SPEED REQUIRED (torque reqd into gearbox) = (torque reqd out of gearbox) / (current gear ratio) +(torque reqd to accelerate rotational inertia) + (torque loss due to friction), where (torque reqd out of gearbox) is a Simulink input (#1, in the top left of the above figure) (current gear ratio) is computed from (current gear number), which is provided by the gearbox controller interface block, using the look-up vector gb_ratio (torque reqd to accelerate rotational inertia) = gb_inertia * d(speed reqd into gearbox)/dt (torque loss at transmission input due to friction) = function of torque at output-side of gearbox, angular speed at output side of gearbox, gear (e.g., 1st, 2nd, etc.)-this is implemented with a lookup-table(speed reqd into gearbox) = (speed reqd out of gearbox) * (current gear ratio) TORQUE AND SPEED AVAILABLE (torque avail. at output side of gearbox) = (torque avail. at input side of gearbox) * (output side power) / (input side power)required - (torque reqd to accelerate rotational
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