【正文】 用 T 型結(jié)構(gòu)，長 米，布置于車體中部和后排座椅下。最具代表的車型是通用汽車公司在 20xx 年的底特律車展上發(fā)布的 Volt 概 念車。 PHEV 能夠很好發(fā)揮傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)m(xù)駛里程遠(yuǎn)和電動汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)，集節(jié)能環(huán)保于一身。表 詳細(xì)比較了混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車發(fā)展中的優(yōu)勢與不足 [4]。汽車尾氣對大氣環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，成為大氣環(huán)境污染中最為棘手和亟待解決的問題之一 [2]。據(jù)國家環(huán)境部門統(tǒng)計， 20xx 年，我國機(jī)動車排放污染物總量高達(dá) 億噸，在這當(dāng)中，汽車排放的污染物總量最多。中國的石油資源相對比較貧乏，從 1993 年起中國的石油已經(jīng)不能滿足本國的消費(fèi)需求，首度成為石油凈進(jìn)口國，此后石油的對外依存度以很快的速度逐年增加。目前，石油成為全世界依賴度最深的能源，而汽車運(yùn)行材料幾乎全部依賴于石油的煉制品。相比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，此種動力耦合裝置的插電式混合動力汽車具有很好的節(jié)能效果，其動力性也能很好的滿足人們?nèi)粘Ｊ褂玫男枰?。本文把動力耦合裝置簡化為一個三端口、兩自由度的控制模型，通過鎖止行星齒輪機(jī)構(gòu)的不同組件來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)和動力電池之間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率耦合。對本人實(shí)驗或設(shè)計中做出重要貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中以明確的方式注明。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的作品成果。動力電池與發(fā)動機(jī)之間的耦合控制直接關(guān)系到整車性能的好壞。首先通過積分變化建立了動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；然后在 matlab/simulink中搭建了各個子模塊的控制模型，采用前向仿真的方式在 CRUISE中搭建了整車仿真平臺，把控制模型和整車模塊進(jìn)行對接；最后對在 NEDC 和 FTP75 循環(huán)工況下得到了整車的動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果。 在能源問題中最為突出的是車用能源供應(yīng)體系對石化燃料的高度依賴。隨著全世界汽車保有量的持續(xù)高速增長，汽車上日益增多的能源消費(fèi)與有限的石油資源供應(yīng)之間的矛盾日趨突出。 環(huán)境污染方面最為突出的影響是由汽車尾氣排放而引起的大氣污染。此外，能夠造成溫室效應(yīng)的二氧化碳?xì)怏w排放中，有百分之二十五是來自于汽車尾氣，我國的二氧化碳排放量已居全球第二位?；旌蟿恿ζ噭t具有較好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，還能有效的解決傳動內(nèi)燃機(jī)帶來的能耗和排放問題，因此得到各大汽車廠商的青睞，得到快速的推廣和應(yīng)用。插電式混合動力車輛可以僅在動力電池驅(qū)動時行駛較長的里程，在動力電池能量不足時，發(fā)動機(jī)開始啟動，切換到傳統(tǒng)的混合動力模式下工作，因此它可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)零排放，而且還可以利用外部公用電網(wǎng)設(shè)施對車載動力電池組進(jìn)行充電，減少燃油的消耗，降低車輛使用成本 [5]。這項計劃大約為期三年（ 20xx~20xx 年），先后投入了 3000 萬美元用以 PHEV 的研發(fā)，而且在不同地區(qū)進(jìn)行了實(shí)車道路運(yùn)行試驗，不斷提高改進(jìn)電池性能，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在純電動模式下行駛 40mile 的目標(biāo)。純電動行駛里程約為 64km。豐田公司的 Prius 是全球銷量最高的混合動力汽車，該公司在 Prius 車型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了插電式混合動力汽車。 本田公司也 是日本研發(fā)量產(chǎn)銷售混合動力汽車最早的汽車制造商之一。 歐洲各大汽車公司也十分重視插電式混合動力汽車的研發(fā)。奔馳汽車公司在 20xx 年法蘭克福車展上推出了 500SVersion 插電式混合動力，該車純電動行駛里程可達(dá) km30 。作為純電動汽車的前期產(chǎn)品，插電式混合動力汽車在中國的研發(fā)處于剛剛起步階段，各大整車廠家都在積極進(jìn)行技術(shù)探索和產(chǎn)品引進(jìn)。此外，比亞迪還推出了 DM3F 雙模電動車，該車使用比亞迪自主研發(fā)的鐵電池，這種電池的原材料廣泛、無污染、可回收，其耐熱性、抗壓性都已達(dá)到國家要求的使用標(biāo)準(zhǔn)，而且電池循環(huán)充電能力非常好，在 20xx 次充放電之后電池容量還能保持 %80 以上，在實(shí)際使用過程中可達(dá)到 4000 次左右。 5 第二章 混合動力汽車的分類和動力耦合原理 混合動力汽車的概念和動力總成 國際電氣工程協(xié)會對 “混合動力車輛” 的定義為：以兩種或兩種以上儲能機(jī)構(gòu)或者能量轉(zhuǎn)換裝置作為動力源，至少有一種動力源通過電能進(jìn)行驅(qū)動行駛的車輛 [13]。 （ 1） 車載能源一般是指汽車上用于存儲其他形式的能 量或把其他形式的能量進(jìn)行初始轉(zhuǎn)化進(jìn)而向動力裝置提供最初機(jī)械能的部件或者總成。傳動系與動力裝置配合工作，保證汽車能夠行駛在不同的工況條件下，同時能夠滿足車輛動力性的要求 ，得到盡可能低的燃料經(jīng)濟(jì)性。一般情況下，在動力電池組經(jīng)過電網(wǎng)完成充電后，汽車在行駛時首先在 純電動模式下工作，直至動力電池組電量達(dá)到所規(guī)定的極限時，發(fā)動機(jī)開始運(yùn)行，整車自動切換到傳統(tǒng)的混合動力驅(qū)動模式，而此時動力電池組保持在一個較低電量的狀態(tài)，直至經(jīng)過下一次電網(wǎng)充電。 圖 串聯(lián)式 PHEV 的結(jié)構(gòu)簡圖 由此可以看出發(fā)動機(jī)不直接驅(qū)動車輪，而是用來帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，和蓄電池一起來帶動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或?qū)π铍姵剡M(jìn)行補(bǔ)充充電，車輛的直接驅(qū)動機(jī)構(gòu)是電動機(jī)，能夠很好地匹配驅(qū)動系統(tǒng)。同時在 電動機(jī)—發(fā)電機(jī)—發(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中能量傳遞鏈較長，在 機(jī)械能—電能—熱能 的相互轉(zhuǎn)換過程中，能量損失比較大。汽車緩慢加速時，若發(fā)動機(jī)啟動，則動力僅靠發(fā)動機(jī)提供；如果所需加速功率較小，則采用純電動驅(qū)動。 圖 并聯(lián)式 PHEV 的結(jié)構(gòu)簡圖 由于并聯(lián)式 PHEV 主要由發(fā)動機(jī)、蓄電池 電動機(jī)兩大總成組成，兩大動力總成可以進(jìn)行功率疊加，當(dāng)發(fā)動機(jī)與電動機(jī)的功率比較低時仍能滿足要求，因此可以大大縮減動力系統(tǒng)裝配所需的空間，降低了的整備質(zhì)量，使整車生產(chǎn)成本大幅降低。 混聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式混合動力汽車 混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動力系統(tǒng)同時具備了并聯(lián)式動力系統(tǒng)的機(jī)電耦合以及串聯(lián)式混合 動力的電電耦合的特點(diǎn)?；炻?lián)式混合動力結(jié)構(gòu)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)作為動力分配裝置，這種機(jī)構(gòu)有兩個自由度，可以自由的控制兩個動力源，車輛并不是單純的串聯(lián)結(jié)構(gòu)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而是兩種驅(qū)動形式并存。動力耦合裝置就是把混合動力汽車的兩條或者多條獨(dú)立的動力傳遞系 9 輸出的動力進(jìn)行耦合疊加的所有部件的總稱。本田汽車公司的 Insight 混合動力汽車搭載的 ）（ A s s is t e dM ot o r I nt e gr a t e dI M A 混合動力系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)矩耦合的形式，把發(fā)動機(jī)和電動機(jī)提供的扭矩進(jìn)行疊加后輸出。 （ 3）模式切換簡單方便，過程平順無沖擊。根據(jù)各個部件之間轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的量化關(guān)系，動力耦合裝置可以分為轉(zhuǎn)速耦合、轉(zhuǎn)矩耦合和功率耦合三種，以下具體介紹此三種耦合裝置的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)。結(jié)合混合動力系統(tǒng)的動力源組成可知，端口 1 與發(fā)動機(jī)相連，端口 2與電動機(jī)相連，端口 3 則與驅(qū)動輪相連。而角速度 1? 、 2? 存在固定的數(shù)量關(guān)系，不能獨(dú)立控制。 2 轉(zhuǎn)速耦合式 混合動力的動力源也可以通過轉(zhuǎn)速關(guān)系進(jìn)行耦合，如圖 所示。 根據(jù)式（ 24）、（ 25）可知，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)提供的角速度 1? 、 2? 之間沒有固定的數(shù)量關(guān)系，可以分別獨(dú)立控制，從而使得發(fā)動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速不受車速和車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩的制約?？梢钥闯霭l(fā)動機(jī)與行星架相連，作為輸入端口；發(fā)電機(jī) 1MG 與太陽輪相連，作為控制端口；齒圈輸出并與電動機(jī) MG2 通過齒輪以固定速比連接，作為輸出端口。 行星齒輪機(jī)構(gòu)如圖 ，是一個三端口、兩自由度的裝置，通過對鎖止其中任何一個部件都可以得到其他兩個元件之間的傳動關(guān)系。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度的影響，不易實(shí)現(xiàn)精確的控制，但是可以通過控制電機(jī)的勵磁電流來比較精確的控制電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)動機(jī)在最低油耗 14 曲線附近工作，而且轉(zhuǎn)矩耦合裝置結(jié)構(gòu)簡單，采用齒輪傳動，傳動效率高，無需額外設(shè)計的耦合機(jī)構(gòu)，便于在原車基礎(chǔ)上改裝，易于批量生產(chǎn)。 采用功率耦合裝置的混合動力電動汽車中，可以自由調(diào)節(jié)控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，車輛所處工況變化時對整車性能的影響很小。 15 第三章 PHEV 的動力耦合系統(tǒng)分析與建模 插電式混合動力汽車的動力系統(tǒng)的和傳統(tǒng)汽車的數(shù)學(xué)模型在很大程度相似，比如發(fā)動機(jī)的油耗計算模型基本一 致，但是插電式混合動力汽車還有動力電池組的放電模型，電機(jī)的工作模型，對動力耦合裝置各個子系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，是計算整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)，是進(jìn)行仿真的前提。通過下圖來具體說明轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合交替控制的實(shí)現(xiàn)原理和方式。 圖 整車動力 耦合裝置結(jié)構(gòu)簡圖 16 插電式混合動力車輛性能參數(shù) 為了方便進(jìn)行下文的建模和仿真計算，通過查找豐田 Prius 的一些車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于缺少系統(tǒng)的實(shí)驗數(shù)據(jù)和完整的車身結(jié)構(gòu)參數(shù)，這里簡要給 出一些參數(shù)，如下表所示 [20]。為起始位置，單位 m:s 0 電機(jī)模型 永磁無刷電機(jī)利用電子換相，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組安裝在定子上，具有很好的導(dǎo)熱性能，結(jié)構(gòu)比較簡單，可以節(jié)省布置的空間，不容易發(fā)生失步、振蕩等問題，是目前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)。在電機(jī)反向制動時，轉(zhuǎn)矩的變化與驅(qū)動時相同 [21]。一般的鉛酸電池和鎳鎘蓄電池的能量密度為 80 LhW /? 。 圖 動力 電池工作時電路圖 蓄電池的輸出功率為 1000/UIP be ?? （ 35） eP 為輸出功率，單位 kw ； bI 為回路電流，單位 A ； U 為電池端電壓，單位 V 。汽車動力學(xué)建模涉及到一系列復(fù)雜的非線性方程，本文只研究控制策略的設(shè)計及動力性和經(jīng)濟(jì)性評價，所以車輛動力學(xué)模型只涉及到縱向動力學(xué)模型，并不涉及車輛振動和行駛的操縱穩(wěn)定性。 可得到對距離積分的的汽車行駛方程式： dsdumumguACmg fF aadt i o s 2 ??? ???? (316) 汽車驅(qū)動輪上的需求轉(zhuǎn)矩為 rdsdumumguACmg frFT aadtr ??????? ) i o s( 2 ??? (317) 把傳動效率和傳動系的速比考慮之后，可以得到需要發(fā)動機(jī)或者電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩 為： tgrt iiTT ?0? (318) 把上式帶入即有： tgaadt iirdsdumumguACm gfT????02 ) i os( ????? (319) ：與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為根據(jù)傳動關(guān)系得到車速 ga iirnu? (320) 21 第四章 插電式混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制策略研究 插電式混合動力汽車既有傳統(tǒng)車輛的發(fā)動機(jī)、變速器、驅(qū)動橋，又有電動機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、動力電池組和動力耦合部件組成，是一個集中了機(jī)械、電氣、液力、化學(xué)和熱力學(xué)經(jīng)典應(yīng)用復(fù)合而成的一個非線性動態(tài)系統(tǒng)。 （ 1）模糊邏輯控制策略 模糊邏輯控制是一種類似于模擬人工智能的控制方法，可以按照人的思維方式制定控制規(guī)則，使系統(tǒng)按照既定的控制規(guī)則去運(yùn)行。 （ 2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種新興的控制方法，它是把仿生學(xué)與數(shù)學(xué)、控制理論以及計算機(jī)相互結(jié)合的一種智能控制策略。該控制策略簡單有效，開發(fā)周期短，實(shí)用性強(qiáng)，同時可以結(jié)合其他先進(jìn)的控制算法，因而得到廣泛地應(yīng)用，但是在制定規(guī)則的時 22 主要依靠設(shè)計人員的工程經(jīng)驗，沒有充分考慮各個具體部件的動態(tài)變化情況，系統(tǒng)無法達(dá)到最優(yōu)的效果。本文就是通過對車速的蓄電池的荷電狀態(tài)的適時控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)加速踏板，鎖止行星齒輪機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到車輛在轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合的交替控制，實(shí)現(xiàn)最佳的純電動續(xù)駛里程。 電量消耗模式 在動力電池完成一個充電周期之后，動力電池電量充足，可以提供很大的驅(qū)動力矩，此時插電式混合動力車輛可以僅靠動力電池組驅(qū)動或在發(fā)動機(jī)和動力電池組共同驅(qū)動下工作，在這個過程中動力電池的電量不斷消耗，一直下降到動力電池組能夠保持額定壽命的允許值時，動力電池才停止向電動機(jī)供電，這種工作模式即為電量消耗模式。 23 圖 PHEV 純電動模式運(yùn)行特性 在混合驅(qū)動 模式中，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)都參與驅(qū)動車輛。如圖 所示，動力電池的電量SOC 也處于下降的狀態(tài)，但是由于發(fā)動機(jī)輔助作用，下降的速度比純電動模式下慢，因此當(dāng) SOC 下降到規(guī)定值時的 行駛里程也比純電動模式多。 PHEV 動力驅(qū)動控制策略 對插電式混合動力車輛的驅(qū)動控制策略的研究主要是確定車輛主要是由動力電池還是發(fā)動機(jī)為車輛提供動力。 圖 PHEV 驅(qū)動模式圖 實(shí)際運(yùn)行工作中，需要對車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，為了使插電式混合動力車輛的優(yōu)勢充分發(fā)揮，盡可能的提高車輛的燃料經(jīng)濟(jì)性和排放性能，對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行了界定分析，通過萬有特性曲線找到了發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，在工作的過程中盡可能使發(fā)動機(jī)工作在最低燃油消耗點(diǎn)附近，本文通過插值法得到發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍是 20xxr/min~4000r/min