（动力机械及工程专业论文）混合动力汽车动力系统设计及仿真.pdf

i ， ， 广 二 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y d e s i g na n ds i m u l a t i o no fp o w e r t r a i ni n he v s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fa u t o m o t i v es t u d i e s d i s c i p l i n e ：p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n g 一一 一 t h e r m a lp h y s i c s m a j o r ：p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：l uy u p e i s u p e r v i s o r ：p r o f x us i c h u a n m a r c h ，2 0 0 7 6川3舢3iimi 舢8iiii 洲丫 c ，0 一 ， j ， 1 1 c ， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 莩位论文作者签名：磕玉佩 凋年。弓月如日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在3年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：亏年艨学位论文作者签名：郴佩 。砷年o j 月幻日 川年吗月2 0 日 穗 一 ；i c 一 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：融玉母 叫年吗月加日 f 一 ， 户 罩 ， r 摘要 摘要 随着汽车工业的不断发展，环境和能源已经成为人们所关注的焦点。近几 年来，为了缓解能源危机和环境污染的压力，政府和企业纷纷投入大量的精力 和财力开发新能源汽车。 本课题是源于上海市科委“混合动力轿车动力系统关键技术研究 项目。基 于不同的设计要求，提出轻度混合动力系统和完全混合动力系统两种不同的设 计方案，对其动力系统进行零部件选型设计，开发相应的控制策略，应用模拟 计算仿真软件进行评估，为实车的设计开发奠定基础。 通过对混合动力系统结构形式的分析比较，结合系统成本和性能优化的考 虑，确定系统结构的布置方案。本文的内容主要涵盖了混合动力系统部件的选 型设计、控制策略的设计和控制参数的确定、仿真模型的建立和系统仿真计算 等几大部分。 各个章节的具体内容如下： 第一章从总体上介绍了混合动力汽车国内外的发展历史和现状，深入地解 析了研究和开发混合动力汽车的现实意义。 第二章从系统的角度对混合动力汽车的结构形式作详细的介绍，并对不同 系统结构所对应的控制策略加以研究，明确了能量在系统中的分配模式。与此 同时，也简要地介绍了混合动力系统选型设计的方法，确定了本文所要研究的 轻度混合动力系统和完全混合动力系统的结构形式和布置方案。 第三章是结合项目的设计要求，在理论上对轻度混合动力系统部件的选型 设计进行阐述，主要就发动机、a m t 自动变速箱、i s g 和蓄电池动力部件的设计 提出优化方案。根据轻度混合动力系统的功能实现模式，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，对其相应的控制策略进行研究，利用s t a t e f l o w 实现能量流的合理分 配，最大程度上优化了整车的性能。最后，通过a v lc r u i s e 整车性能模拟软件 和m a t l a bd l l 文件作接口，对所设计的混合动力系统进行仿真评估。 第四章在轻度混合动力系统设计的基础上，根据设计要求，对系统进行改 型设计，使其成为四轮驱动的完全混合动力系统。对系统部件中的发动机、s s g 、 轮毅电机、a m t 自动变速箱和蓄电池进行选型设计，在m a t l a b 环境下开发相应 摘要 分配模式，在a v lc r u i s e 和m a t l a bd l l 环境下 评估理论设计的可靠性。 结，提出了混合动力汽车的发展前景。 动力系统选型设计控制策略 h 冬- 妒 一 一 一 o - ， a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sa r ep a i df o r t h ei s s u eo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t i nt h ep a s tf e wy e a r st h eg o v e r n m e n ta n d a u t o m o t i v em a n u f a c t u r e r sh a v es p e n tal o to fm o n e ya n de n e r g yi nd e v e l o p i n gt h e k i n do fa u t o m o b i l e su s e dw i t hn e we n e r g yi no r d e rt or e l i e v et h ep r e s s u r eo fe n e r g y c r i s i sa n de h v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h i st o p i ci nt h ed i s s e r t a t i o nc o m e sf r o mt h ep r o j e c t “t h e r e s e a r c ho nk e y t e c h n o l o g yo fh e v p o w e r t r a i ns y s t e m ”i ns h a n g h a is c i e n t i f i cc o m m i s s i o na n d “t h e p r o d u c t i o np l a t f o r mo fh e vs y s t e m i ns h a n g h a is i g n i f i c a n t t e c h n i c a l m a n u f a c t u r i n gp r o j e c t b a s e do nt h ed i f f e r e n td e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h et w od i f f e r e n t d e s i g ns c h e m e so fm i l da n d f u l l h y b r i d i z a t i o ns y s t e ma r e p u t f o r w a r di nt h e d i s s e r t a t i o n a m o n gt h e s et w op o w e r t r a i ns y s t e m s t h eo p t i m i z a t i o no ft h ek e y c o m p o n e n t si s m a d ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ed e s i g n e d i n a d d i t i o n ，t h es y s t e m a t i cm o d e l sa r cb u i l ti nt h ee n v i r o n m e n to fs i m u l m i o ns o f t w a r e l 弱tb u tn o tl e a s tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa lea n a l y z e da n de v a l u a t e d ，w h i c hm a k e sa b a s i so nt h ed e v e l o p m e n to fr e a lh e v 1 i lt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h eh e v s t r u c t u r e sa n dc o n s i d e r a t i o nf o r t h ec o s t a n dp e r f o r m a n c et h es c h e m e so fs y s t e m a t i cc o n f i g u r a t i o na lef i x e do n t h em a i n c o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o n a l ed i v i d e di n t os e v e r a lp a r t s ：m a t c hd e s i g no fk e y c o m p o n e n t s i n p o w e r t r a i ns y s t e m o fh e vd e s i g no fc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h e d e t e r m i n a t i o no fc o n t r o lp a r a m e t e r s ，b u i l d i n go fm o d e l sa n ds i m u l a t i o n f o re v e r yc h a p t e rt h es p e c i f i cc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts i t u a t i o no fh e vd e v e l o p i n gi na l l o v e rt h ew o r l di ng e n e r a l i na d d i t i o n ，t h es i g n i f i c a n tm e a n i n go fr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to fh e v i sd e e p l yd i s c u s s e d t h es e c o n dc h a p t e rm a k e sa ni n t r o d u c t i o nf o rt h es t r u c t u r et y p e so fh e vs y s t e mi n d e t a i la n dm a k e sar e s e a r c ho nt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rd i f f e r e n t s y s t e m a t i c s t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n te n e r g yd i s t r i b u t i o n m e a n w h i l e ，s o m em a t c h d e s i g n m e t h o d so fk e yc o m p o n e n t sa r ep u tf o r w a r d l a s t l yt h es c h e m e so ft h e i i i 塑塑巡量一一一 。o 。o o 。o 。- _ - - - i _ - _ - i _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ 。- _ _ _ _ - _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ - _ - - _ _ _ - - - _ _ _ - - _ - i _ 一一一一 - s t r u c t u r e t y p e a n dc o n f i g u r a t i o nf o rm i l da n df u l l h y b r i d i z a t i o ns y s t e m a r e d e t e r m i n e d t h et h i r dc h a p t e rt h e o r e t i c a l l yi n t r o d u c e st h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fk e yc o m p o n e n t s i np o w e r t r a i ns y s t e mo fm i l dh e v a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ek e y c o m p o n e n t sm a i n l yi n c l u d ee n g i n e ，a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，i n t e g r a t e d s t a r t e ra n dg e n e r a t o ra n db a t t e r y i nt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n kt h ec o n t r o l s t r a t e g yi sd e s i g n e da n dt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o ni sr e a l i z e di ns t a t e f l o wa c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o no fm i l dh y b r i d i z a t i o ns y s t e m ，w h i c hm a k e sa l l o p t i m i z a t i o no nt h e v e h i c l ei ns o m ee x t e n t t h e nt h es i m u l a t i o no ft h es y s t e mi sp r o c e e d e di na v l c r u i s e c o m b i n e dw i t hm a t l a bd l lf i l e t h ef o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c e saf u l lh y b r i d i z a t i o ns y s t e mo ff o u r - w h e e ld r i v i n g o nt h e b a s i so ft h ed e s i g no fm i l dh y b r i d i z a t i o ns y s t e m i nt h ep o w e r t r a i ns y s t e mt h ek e y c o m p o n e n t ss u c ha se n g i n e ，s i d e - m o u n t e ds t a r t e ra n dg e n e r a t o r , w h e e l s i d em o t o r ， a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na n db a t t e r ya r ed e s i g n e di n o p t i m i z a t i o n i nt h e e n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n kt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g yi s d e s i g n e da n d i nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa v lc r u i s et h ea n a l y s i so nt h ep e r f o r m a n c eo ff u l l h y b r i d i z a t i o ns y s t e mi sm a d e t h ef i f t hc h a p t e rm a k e sac o n c l u s i o no ft h i sd i s s e r t a t i o na n dm a k e sa ne x p e c t a t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n tf u t u r eo fh e m k e yw o r d s ：m i l dh y b r i d i z a t i o n ，f u l lh y b r i d i z a t i o n ，p o w e r t r a i ns y s t e m ，m a t c hd e s i g n ， c o n t r o ls t r a t e g y 一 产 ， 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 混合动力汽车研究的目的和意义1 1 2 混合动力汽车研究历史和发展现状3 1 3 本文的主要任务和内容5 第2 章混合动力汽车的总体设计8 2 1 混合动力系统的结构形式及控制策略8 2 1 1 串联式混合动力汽车：8 2 1 2 并联式混合动力汽车。一9 2 1 3 混联式混合动力汽车1 1 2 2 本文混合动力系统的结构形式和布置方案1 3 2 3 混合动力系统选型设计的方法1 6 2 4 本章小节1 8 第3 章轻度混合动力汽车动力系统的设计及仿真1 9 3 1 动力系统的设计要求2 0 3 2 轻度混合动力系统设计的理论计算2 0 3 3 动力系统零部件的选型设计2 3 3 3 1 发动机2 3 3 3 2a t m 自动变速箱2 5 3 3 3i s g 2 8 3 3 3 1 满足启动要求的电机性能2 9 3 3 3 2 满足行驶循环要求的l 乜机性能2 9 3 3 3 3 满足制动能量| 口i 收的h 三机性能3 4 3 3 4 蓄电池3 9 v 目录 3 4 控制策略4 2 3 4 1 控制目标及原则4 2 3 4 2 控制策略4 3 3 5 仿真计算4 6 3 6 本章小节5 0 第4 章完全混合动力系统的设计及仿真5 l 4 1 动力系统设计要求5 2 4 2 动力系统零部件选型设计5 2 4 2 1 发动机f 5 3 4 2 2 传动系5 5 4 2 3 轮毂电机，5 7 。4 2 3 1 满足纯电动驱动电机的性能5 7 4 2 3 2 满足行驶循环电机的性能5 9 4 2 3 3 满足制动能网收电机性能6 l 4 2 3 4 根据各种条件确定的轮毂电机性能要求6 3 4 2 4s s g j 6 3 4 2 4 1s s g 发电状态下功率的确定6 4 4 2 4 2s s g 启动功率的确定6 4 4 2 5 蓄电池6 5 4 3 控制策略6 6 4 3 1 制动控制器6 8 4 3 2 燃油经济性和排放控制器6 8 4 3 3 动力控制器6 9 4 4 仿真计算7 0 4 5 本章小节7 3 第5 章总结与展望7 5 5 1 总结7 5 v i r ， 目录 5 2 展望7 7 致谢7 8 参考文献7 9 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 2 v u ， r ， 第1 章绪论 1 1 混合动力汽车研究的目的和意义 随着汽车工业的不断发展和世界能源及排放问题的日益突出，如图1 1 所 示，人们开始将目光聚焦于未来汽车动力发展和能源使用的方向。纵观汽车工 业发展的今天和明天，电动汽车的投入使用，将会在一定程度上缓解能源和环 境的压力。因此，各国都纷纷以政府行为的手段，在经济和政策上大力扶持新 型电动汽车的研究和开发。 图1 1 汽车工业的发展【l l 作为未来新能源发展方向的电动汽车主要包括纯电动汽车( p u r ee l e c t r i c a l v e h i c l e ) 、混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ) 和燃料电池汽车( f u e lc e l l v e h i c l e ) 。纯电动汽车具有无污染、低噪声、结构简单、维修方便等优点，但由 于其有限的行驶里程和较长的充电时间，使其普及和推广具有一定的困难，因 此产业化前景并不佳；燃料电池汽车具有高效率、低排放、低噪声等优点，已 成为世界各大汽车集团激烈竞争的焦点，同时也被列为2 1 世纪改变人类生活的 十大高科技之首，但由于其高额的成本投入，产业化仍需要较长的时间；混合 第1 章绪论 动力汽车是由两种或两种以上的能量源提供动力，既具有纯电动汽车高效率和 低排放的性能，又具有传统内燃机汽车行驶里程长和快速补充燃料的优点。因 此，混合动力汽车是近期、中期汽车发展的重点。但由于混合动力汽车不能彻 底地解决能源和环境污染的问题，它终究是一种过渡产品，以氢为燃料的燃料 电池汽车才是汽车工业远期发展的目标f 2 l 。 研究分析表明，汽车尾气排放，尤其是c 0 2 气体的排放，对全球的温室效 应起到了至关重要的影响。为了进一步控制全球气候变暖，在过去的二十多年 甚至在未来的十多年时间里，c 0 2 的排放将会得到严格的控制，如图1 2 所示是 欧洲对c 0 2 排放量所作的统计和预测。 1 为g ，咖 1 柏叫- 口- 1 2 0 9 k m | j 二 ” 2 0 1 2 图1 2c 0 2 排放的统计和预测【3 】 而就车用发动机本身而言，c 0 2 的排放和燃油消耗之间存在着必然的联系。 为了有效降低c 0 2 的排放，其根本的措施在于首先要降低整车的燃油消耗，提 高燃油效率。但就目前而言，人们对不同燃料和不同结构车型的研究分析表明， 没有一种燃料或一种车型在汽车的排放性能方面是具有绝对优势的。不同燃料 或不同车型的投入使用，只是在很大程度上为了达到某一个具体的目标，若以 降低c 0 2 排放为目的，天然气和混合动力汽车将会被优先投入使用；而若以同 时降低有害气体和c 0 2 气体排放为目标，那么混合动力驱动系统，其包括内燃 机式的混合动力汽车和燃料电池式的混合动力汽车将会成为未来汽车发展的主 流，但从成本和效率方面考虑，内燃机式的混合动力汽车比燃料电池式的混合 动力汽车更具有发展的优势。因此，混合动力系统在整车上的应用，对提高燃 油经济性和降低排放具有实质性的意义。 。 混合动力汽车相比传统发动机汽车，一个很重要的优势在于通过利用制动 2 一 一| 产 f ， 第1 章绪论 能反馈回收，提高能量利用效率，从而在很大程度上降低了发动机的燃油消耗， 对整车的动力性也有明显的改善。与此同时，采用电机和发动机的混合动力系 统，减小了发动机的尺寸，实现了发动机的自动启停功能：在正常行驶工况下， 电机作为助力部件与发动机同时驱动车辆前进，使发动机的运行工况点保持在 一个比较高效的区间，同时进一步提高整车的动力性能。当然，若电机布置于 前后驱动轴或直接分别与车轮相联，在启车阶段可以实现纯电动驱动，而且车 辆的防滑控制和助力控制都可以由电机来实现。在未来，随着排放指标要求越 来越苛刻，这种零排放的纯电动驱动对降低排放具有非常现实的意义。 1 2 混合动力汽车研究历史和发展现状 自1 9 9 5 年起，世界各大汽车生产厂商己将研究的重点转向了混合动力汽车 的研究和开发。日本是混合动力汽车商业化研究最早的国家，预汁在2 0 1 0 年将 达至l j 2 1 0 万辆，美国通用公司将在5 年内销售1 0 0 万辆混合动力汽车1 4 1 。 目前本田和丰田汽车公司是走在混合动力汽车研究发展前沿的汽车公司， 开发的混合动力汽车已达到了实用化水平。日本丰田汽车公司率先于1 9 9 7 年1 2 月将混合动力汽车p r i u s 投放日本国内市场，其后又在2 0 0 1 年相继推出了混合动 力面包车和皇冠轿车。到2 0 0 2 年底，丰田汽车公司生产的混合动力汽车在日本 国内和海外的累计销量均突破了1 0 万辆【卯，现在已经在全世界2 0 多个国家上市销 售。丰田混合动力系统f i n s ) 电子控制装置的特点是：可分别利用电能、汽油 或两者组合同时工作。根据车速和负荷情况，t h s 可以控制每种能源所提供的功 率比例，以保证汽车按最有效的模式运行。2 0 0 2 年，丰田混合动力面包车投产， 其混合动力系统采用了世界首次批量生产的电动四轮驱动及四轮驱动力n 动力 综合控制系统，它给混合动力汽车的行驶性能带来了革命性的改进。所有这些 都表明丰田公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已 经走在了世界同业前列，计划2 0 1 2 年在其全部汽车产品上采用汽油电力混合动 力发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。 从9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合，并以混合 动力电动汽车为重点对象，由美国能源部牵头，斥巨资组织各大汽车公司和有 关部门积极开展混合动力电动汽车的研究和丌发。1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿与 美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国“新一代汽车合 3 第1 章绪论 作伙伴计划 ( 简称p n g v 计划) ，旨在开发新一代高效节能汽车。迄今己开发出 多种形式的混合动力电动汽车，如f o r d 公司的p r o d i g y j g 合动力电动汽车采用新 型材料，使汽车总质量减少了5 0 ，燃油经济性达到 7 0 m p g ；戴姆勒一克莱斯 勒公司的e s x 3 混合动力汽车，重量减少了4 6 ，燃油经济性达到t 7 2 m p g ：g m 公司的p r e c e p t 混合动力电动汽车总质量减少了4 5 ，采用的是柴油发动机和双轴 并联式驱动系统，是5 人轿车中阻力系数最低的车型，使性能提高了3 5 ，燃油 经济性达到- j 8 0 m p g t 6 1 。p n g v 计划在混合动力汽车的性能仿真、汽车集成动力 模块等技术领域都取得了显著的成就。据统计，2 0 0 6 年，在美国市场上售出混 合动力汽车已经达到2 5 5 万辆，同时美国已有近2 0 个城市在应用混合动力公共汽 车。 。 一 欧洲各大汽车厂商也纷纷推出了混合动力汽车，德国西门子和博世( b o s c h ) 等著名零部件公司也积极与各大汽车公司联手开发混合动力汽车1 7 1 。 在国内，从9 0 年代末期开始了混合动力汽车的研发工作。1 9 9 9 年，清华大 学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客 车。2 0 0 1 年底，国家8 6 3 电动汽车科技攻关项目正式启动，第一批项目中主要是 混合动力汽车。一汽和东风汽车集团联合所在地的高校和研究所，在各自客车 底盘上，研发混合驱动公共汽车和大型客车。此外，东风电动汽车公司还承担 了混合动力轿车的研究开发。十五目标是攻克关键技术、推出新产品，主要研 究内容包括：发动机、电动机、蓄电池等各种单元技术；各系统的电子控制技术 和整车的动力系统优化与控制技术，应节省燃料5 0 ，排放下降8 0 ；制动能量回 收技术，应能回收3 0 铝1 j 动能量【8 i 。 目前东风电动车辆股份有限公司开发出混合动力汽车，其中，e q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车以风神蓝鸟轿车为平台，以满足未来城市公务、出租用车需求 为目标，最大限度利用东风公司现有产品平台及社会资源开发而成，实现产品 系列化、通用化、标准化设计。e q 6 1 1 0 v 型混合动力城市公交车采用混联方案， 专为2 0 0 8 年北京奥运会公交用车而开发。 天津清源电动车辆有限公司开发出混合动力中型客车，其排放达到欧i i i 标 准，燃油经济性提高1 5 以上，适于城市和城际之间的公共交通；深圳明华环保 汽车有限公司开发出混合动力电动轻型客车；第一汽车集团公司、美国电动车( 亚 洲1 公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作推出一款c a 7 1 8 0 a e 混合 动力轿车。 4 一 一 ， ， i 第1 章绪论 国内汽车企业在混合动力汽车上由研发步入生产阶段的态势正逐步呈现。上汽 股份与德国大众双方已计划在上海大众生产的途安轿车基础上，联合开发一款 混合动力轿车，计划2008 年小批量投产，为2008 年北京奥运会生产5 oo 辆混合动力轿车，并预计在2ol0 年上海世博会前实现规模投产。 混合动力汽车要进入实用化阶段，需要具备高比能量和高比功率的能量存 储装置，低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的发动机， 所面临的关键性技术和需要解决的问题包括以下几个方面：一是发动机与电机 最优耦合功率分配比的控制和实现、功率分配装置及其与变速器一体化的设计。 混合动力汽车发动机频繁起动、关闭，使驱动系统和附件的电能管理变得复杂， 因此需要先进的检测和控制系统，现有的以热力发动机为主的混合动力单元在 将燃油转化为有用功的同时，需要提高转化效率，同时还要满足严格的排放标 准；二是电池性能的提高。作为能量存储装置的蓄电池系统要具有较高的比功 率，以满足汽车加速和爬坡时对大功率的要求，同时，要有较高的比能量、较 长的使用寿命和低廉的制造成本；三是减小电力电子器件尺寸、减轻质量和降 低制造成本。混合动力汽车的产业化发展，依赖于上述电动汽车配套的一次或 二次动力电池技术进步或突破，也有赖于传统发动机技术的提高，更重要的是 完善驱动系统、控制系统的系统集成。 1 3 本文的主要任务和内容 双动力源的混合动力结构使系统具有高度的复杂性，也正是这种复杂性为混 合动力系统提供了更大的设计和控制自由度，为提高车辆燃油经济性和排放性 能提供了优化的空间。图1 3 所示为混合动力系统开发的一般流程，从图中可以 看出，与开发传统内燃机汽车相类似，混合动力系统的开发也必须经历多次重 复的设计、优化和试验过程。 5 第1 章绪论 图1 3 混合动力汽车的开发流程 为了优化车辆的燃油经济性和排放性能，混合动力汽车动力系统的控制要 点在于根据具体的系统结构来决定其动态的功率分配。因此，混合动力系统设 计的主要内容包括： ( 1 ) 系统结构及布置形式的确定不同的结构与布置形式具有不同的特点， 应该根据具体车辆特征以及设计要求确定采用的具体结构形式； ( 2 ) 动力系统部件的选型设计根据车辆选用的混合动力系统结构形式和具 体的使用条件对混合动力系统部件提出要求，然后根据可选择范围确定具体选用 的动力系统部件； ( 3 ) 控制策略的设计和控制参数的确定。 混合动力系统结构与布置形式主要与目标车型的几何尺寸及技术条件相 关，动力系统部件选型及控制策略的制定则与车辆的设计使用条件有密切的联 系。传统汽车的系统参数设计主要包括发动机选型、传动变速系统参数设计等， 控制策略则一般指换档策略的设计，这些设计参数是相互影响和相互约束的。 混合动力系统不仅包括这些传统动力部件，而且包括蓄电池、电动机、发电机 等电力驱动部件，其控制策略不仅包括各种工况下传统变速系统的换档规律设 计，而且包括各种情况下功率分配比例的设计，因此选型的过程要复杂得多。 也正因为如此，其性能表现对车辆具体的使用条件比传统汽车具有更多的依赖 性。 混合动力汽车燃油经济性能和排放性能的提高是通过实施良好的控制策略 获得的，然而混合动力系统属于既有连续环节又有时间离散环节的采样控制系 6 摹 一 统，系统的瞬时最优化结果不一 结果又不一定具有可实施性能， 程中应更多地加入计算机仿真方面的内容，而实际上其中的静态、动态的分析 和控制策略开发两个环节一般都通过建立仿真模型进行计算分析。 本文结合同济大学承担的上海市科委“混合动力轿车动力系统关键技术研 究 的进行，尝试以一种系统的方式对混合动力汽车动力系统的开发设计进行 研究。针对不同的设计要求，开发设计两种不同结构型式的混合动力系统 轻度混合动力系统和完全混合动力系统。其内容主要涵盖了动力系统部件的选 型设计、控制策略的设计和控制参数的确定、仿真模型的建立和系统仿真计算 等几大部分。本文的研究结果将可以用于指导混合动力系统部件的选型、控制 策略参数的优化等工作，并可以对混合动力汽车的性能进行预测。 7 第2 章混合动力汽车的总体设计 2 章混合动力汽车的总体设计 2 1 混合动力系统的结构形式及控制策略 根据国际电子技术委员会的定义：混合动力汽车是指从两种或两种以上的 能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车，而其中至少有一个 能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能1 9 。由这样的定义，就产生了各 式各样的混合动力汽车类型，有发动机和蓄电池的混合动力汽车、蓄电池和燃 料电池的混合动力汽车、蓄电池和电容的混合动力汽车、蓄电池和飞轮的混合 动力汽车以及蓄电池和蓄电池的混合动力汽车。 而现代大部分的混合动力汽车是在传统发动机汽车的基础上，增加蓄电池 组作为电能存储装置，通过电动发电机将电能转化为机械能。根据混合动力系 统零部件的布置方式，可将其分为三种基本的结构类型串联式、并联式和 混联式。 串联式混合动力汽车是将发动机产生的能量通过发电机产生电能用于给电 池充电，然后将电池的能量通过电机实现纯电动驱动；并联式混合动力汽车是 将发动机和电机产生的能量通过变速箱共同驱动车辆前进；而混联式混合动力 汽车是集串联式和并联式混合动力汽车特点于身【1 0 l 。 2 1 1 串联式混合动力汽车 图2 1 所示是串联式混合动力系统的布置方式。串联式混合动力汽车是最 简单的混合动力系统类型，将发动机的能量输出通过发电机转化为电能，这部 分电能输出用于给电池充电，再由电池输出电能提供给电机，电机通过传动系 驱动车轮。从这个概念意义上来说，串联式混合动力汽车是以发动机驱动电机， 再由电机驱动车辆的混合模式，其目的在于提高发动机的工作效率，而且在整 个动力系统中，由于没有离合器的存在，从而易于实现发动机和发电机组的合 理布置。虽然就整个动力系统本身而言，其结构简单，而且易于实现，但整个 系统还是由三种驱动部件组成发动机、发电机和电动机。 在串联式混合动力系统中，电机是其主要的动力源，用于驱动整车，其能 8 叠 | 一 ， 第2 章混合动力汽车的总体设计 量主要来源于蓄电池组。像这种布置方式，就发动机而言，可以实现最佳工况 点工作，提高发动机的燃油经济性和排放性能，与实际的运行工况完全分隔开 来。在串联式系统中，根据车辆的功率需求，重新对发动机进行改型设计，使 其满足辅助能量源的功率要求，从而减小发动机的大小尺寸。这种布置方式的 特点在于可以有效地实现制动能反馈回收，但由于存在着能量的转换机械 能转化为电能又由电能转化为机械能，整车效率比较低，这也是串联式混合动 力汽车最致命的缺点；其次，在行驶过程中，发动机无法根据道路工况提供驱 动力，在动力性方面是不够理想的，再加上额外增加的发电机重量，使整车的 动力性相对比较差。 图2 1 串联式混合动力系统【l l 】 在串联式混合动力系统中，能量流的控制主要由四种运行状态组成。起车、 恒速和加速运行过程中，发动机输出能量通过发电机用于给电池充电，然后电 池输出电能驱动电机运行，通过传动系，驱动车辆前进；在低负荷情况下，发 动机的输出能量高于车轮实际所需要的能量，因此产生的能量一部分用于给电 池充电，使其电量状态在一定的变化范围之内；在制动或减速过程中，电机作 为发电机，将车轮的动能转化为电能给电池充电；在整车处于静止状态下，发 动机也可以通过发电机给电池充电。丰田的c o a s t e r 混合动力汽车就是应用了这 样的能量控制策略。 2 1 2 并联式混合动力汽车 9 第2 章混合动力汽车的总体设计 图2 2 所示是并联式混合动力系统的布置方式。与串联式混合动力系统不 同的是并联式混合动力系统将发动机和电机输出的能量同时用于驱动整车。根 据工况条件和控制策略的要求，可以实现发动机单独驱动、电机单独驱动或两 者同时驱动的模式。从这个概念意义上说，并联式混合动力汽车是将发动机作 为主要的能量源，电机辅助驱动，在一定程度上可以改善整车的动力性、经济 性和排放性能。在制动过程中，或当发动机输出的能量大于整车所需的能量时， 电机作为发电机用于给电池充电。与串联式混合动力系统相比，并联式混合动 力系统只需要两种驱动部件发动机和电机，同时在达到相同动力性能的条 件下，可以选择尺寸较小的发动机和电机组合。 图2 2 并联式混合动力系统【1 1 j 根据电机的布置方式，并联式混合动力系统有两种不同的布置结构变 速箱之前和变速箱之后。变速箱之前的电机布置方式，可以实现电机自动启停 发动机，取代传统发动机上的启动机。这种布置方式的优点在于：在独立于车 速的情况下，使电机输出最大的启动扭矩，从而满足发动机的启动要求，同时 电机还可以实现单独驱动、助力或发电的功能。其缺点在于：由于电机的输出 或输入功率都要经过变速箱，而变速箱本身的效率，降低了电机的功率输出以 及减少了反馈的能量。 变速箱之后的电机布置方式，可以实现电动助力、纯电动驱动和制动能回 收的功能。对于单一电机，可以将其置于前轴或后轴，而对双电机系统，可以 将其直接与车轮相连或者置于i i i f 后轴上。这种布置方式的优点在于：电机将动 力直接有效地传给车轮；在纯电动模式下，实现变速箱的空档工作，在车速达 1 0 ， 一 ， 第2 章混合动力汽车的总体设计 到预定车速时，发动机输出驱动能量，驱动整车前行；在正常行驶或换档过程 中，电机提供整车所需求的必要扭矩，维持车辆的运行状态。这种电机布置方 式，可以利用电机助力，在最大程度上减轻对发动机动力的依赖性，同时提高 整车的驾驶性能。但是，此种布置方式的缺点在于无法有效地利用电机来启动 发动机。 无论以上哪种电机布置方式，在并联式混合动力系统中，发动机的功率是 为了满足持续功率的要求。在最大功率需求条件下，由电机助力与发动机伺时 输出能量驱动整车前行。电机的功率输出作为辅助能量驱动整车的正常运行， 在一定程度上降低了发动机负荷变化的频率。通过电机助力，使变速箱保持在 固定的档位，从而减少了发动机转速的变化频率，这样可以有效地提高整车的 排放性能。在稳定的转速条件下，并联式混合动力系统的总效率高于串联式系 统中发动机的效率。