【正文】 PHEV 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制策略 對(duì)插電式混合動(dòng)力車輛的驅(qū)動(dòng)控制策略的研究主要是確定車輛主要是由動(dòng)力電池還是發(fā)動(dòng)機(jī)為車輛提供動(dòng)力。本文就是通過(guò)對(duì)車速的蓄電池的荷電狀態(tài)的適時(shí)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(dòng)續(xù)駛里程。 可得到對(duì)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(dòng)輪上的需求轉(zhuǎn)矩為 rdsdumumguACmg frFT aadtr ??????? ) i o s( 2 ??? (317) 把傳動(dòng)效率和傳動(dòng)系的速比考慮之后，可以得到需要發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系得到車速 ga iirnu? (320) 21 第四章 插電式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略研究 插電式混合動(dòng)力汽車既有傳統(tǒng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、驅(qū)動(dòng)橋，又有電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、動(dòng)力電池組和動(dòng)力耦合部件組成，是一個(gè)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(gè)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在電機(jī)反向制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩的變化與驅(qū)動(dòng)時(shí)相同 [21]。 15 第三章 PHEV 的動(dòng)力耦合系統(tǒng)分析與建模 插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)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(dòng)機(jī)的油耗計(jì)算模型基本一 致，但是插電式混合動(dòng)力汽車還有動(dòng)力電池組的放電模型，電機(jī)的工作模型，對(duì)動(dòng)力耦合裝置各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，是計(jì)算整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)，是進(jìn)行仿真的前提?？梢钥闯霭l(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，作為輸入端口；發(fā)電機(jī) 1MG 與太陽(yáng)輪相連，作為控制端口；齒圈輸出并與電動(dòng)機(jī) MG2 通過(guò)齒輪以固定速比連接，作為輸出端口。結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力源組成可知，端口 1 與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，端口 2與電動(dòng)機(jī)相連，端口 3 則與驅(qū)動(dòng)輪相連。動(dòng)力耦合裝置就是把混合動(dòng)力汽車的兩條或者多條獨(dú)立的動(dòng)力傳遞系 9 輸出的動(dòng)力進(jìn)行耦合疊加的所有部件的總稱。汽車緩慢加速時(shí)，若發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，則動(dòng)力僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)提供；如果所需加速功率較小，則采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)系與動(dòng)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(shí)能夠滿足車輛動(dòng)力性的要求 ，得到盡可能低的燃料經(jīng)濟(jì)性。作為純電動(dòng)汽車的前期產(chǎn)品，插電式混合動(dòng)力汽車在中國(guó)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)。豐田公司的 Prius 是全球銷量最高的混合動(dòng)力汽車，該公司在 Prius 車型的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了插電式混合動(dòng)力汽車?；旌蟿?dòng)力汽車則具有較好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，還能有效的解決傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)帶來(lái)的能耗和排放問(wèn)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。 在能源問(wèn)題中最為突出的是車用能源供應(yīng)體系對(duì)石化燃料的高度依賴。對(duì)本人實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)中做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中以明確的方式注明。中國(guó)的石油資源相對(duì)比較貧乏，從 1993 年起中國(guó)的石油已經(jīng)不能滿足本國(guó)的消費(fèi)需求，首度成為石油凈進(jìn)口國(guó)，此后石油的對(duì)外依存度以很快的速度逐年增加。 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(dòng)汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)，集節(jié)能環(huán)保于一身。本田公司開(kāi)發(fā)的 Insight 混合動(dòng)力汽車燃油效率很高，燃油經(jīng)濟(jì)性可達(dá) km/L3026 。 20xx 年比亞迪推出了全新的插電式混合動(dòng)力汽車秦，該車 混合動(dòng)力模式下零到百公里加速時(shí)間僅為 秒，運(yùn)行最高車速可達(dá) km/h185 ，節(jié)油效果顯著，百公里油耗在 3L 以內(nèi)。 插電式混合動(dòng)力汽車按照動(dòng)力傳動(dòng)的路線以及發(fā)動(dòng)機(jī)和車載電源之間能量耦合的方式不同可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式，下文具體介紹幾種形式的插電式混合動(dòng)力汽車的工作原理和特點(diǎn)。并聯(lián)式 PHEV 的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)機(jī)械聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)橋直接相聯(lián)接，在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋的聯(lián)軸器間有電磁離合器可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力，能量利用效率較高。 動(dòng)力耦合系統(tǒng)的功能 插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力耦合系統(tǒng)在耦合方式上雖然存在比較大的差別，但它們?cè)谲囕v上發(fā)揮的主要作用大抵相同，主要概括有以下功能： （ 1） 動(dòng)力合成功能，將不同動(dòng)力源輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率進(jìn)行組合再分配，提供車 輛所需的動(dòng)力。轉(zhuǎn)矩耦合裝置根據(jù)耦合部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有兩軸式和單軸式兩種： ，也可稱為齒輪耦合式，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別從兩根軸輸入，一般采用固定速比的齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的耦合，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大多混合動(dòng)力客車采用這種方式。 圖 行星齒輪 機(jī)構(gòu) 首先鎖定行星架，即 03?? ，此時(shí)從太陽(yáng)輪到齒圈的傳動(dòng)比可表示為： 122121 i zz?? ?? （ 26） 13 1? 和 2? 分別是太陽(yáng)輪和齒圈的角速度， 1z 和 2z 分別是太陽(yáng)輪和齒圈的齒數(shù)，定義逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎撬俣确较颍蛱?yáng)輪和齒圈具有不同的旋轉(zhuǎn)方向，故傳動(dòng)比為負(fù)。 在低速運(yùn)行時(shí)，要求車輛采用轉(zhuǎn)矩耦合方式來(lái)滿足起步加速以及爬坡等大轉(zhuǎn)矩工況要求，此時(shí)斷開(kāi)離合器 3C ，結(jié)合制動(dòng)器 B1 ，太陽(yáng)輪被鎖止，從電動(dòng)機(jī)到太陽(yáng)輪之間的動(dòng)力傳遞中斷，離合器 1C 和 2C 結(jié)合，制動(dòng)器 B2 斷開(kāi)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)離合器 2C 傳遞到齒輪 Z2 ，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩通過(guò) Z1 和 Z2 疊加 后，經(jīng)過(guò)離合器 1C 、齒輪 Z4 、齒圈、行星架傳遞給驅(qū)動(dòng)車輪。 速性能。該控制策略的核心就是模糊控制器，由模糊規(guī)則庫(kù)、推理過(guò)程、變量模糊化過(guò)程和去模糊化過(guò)程組成。如圖 和圖 的左邊部分所示，這 個(gè)過(guò)程中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)是否參與驅(qū)動(dòng)，又可以分為純電動(dòng)模式（ AllElectric Mode）和混合驅(qū)動(dòng)模式（ Blended Mode）。制定了如圖 的驅(qū)動(dòng)過(guò)程流程圖，其中 Pm 為電動(dòng)機(jī)功率， Pe 為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率， Pt 為車輛行駛過(guò)程中所需的驅(qū)動(dòng)功率， Pch 是動(dòng)力電池補(bǔ)充充電功率。插電式混合動(dòng)力汽車具有外接充電的插口，而且動(dòng)力電池容量比較大，一般都會(huì)選用以電機(jī)為主導(dǎo)的控制策略。 （ 3）基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略 邏輯門限值控制策略是一種基于確定邏輯規(guī)則的控制方法，主要思想是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的 Map 圖，通過(guò)選擇幾個(gè)變量參數(shù)如整車驅(qū)動(dòng)時(shí)的需求功率、發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速、動(dòng)力電池的 SOC 等作為門限值，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，來(lái)判斷選擇合適的混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式，確定發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池組之間的能量分 配關(guān)系，進(jìn)而使車輛運(yùn)行在高效區(qū)。 同理轉(zhuǎn)換到對(duì)距離的積分， soc 表達(dá)式為 mas00 u I ( s ) O CS O C Ｑ?? ? (39) 汽車行駛動(dòng)力學(xué)模型 在對(duì)汽車進(jìn)行使用性能分析時(shí)離不開(kāi)對(duì)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模，建模過(guò)程中最關(guān)心的是車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和動(dòng)力系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 為了方便比較，需要把對(duì)時(shí)間積分的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗計(jì)算轉(zhuǎn)化為對(duì)距離積分的，把式（ 33）帶入（ 32）即有： dsubPss aee?? 01000Q （ 34） 。還可以通過(guò)連續(xù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)車速的無(wú)極變化，因此采用轉(zhuǎn)速耦合裝置的混合動(dòng)力汽車不需要安裝無(wú)級(jí)變速器就可以實(shí)現(xiàn)整車的無(wú)級(jí)變速。 （ a） (b) 圖 轉(zhuǎn)速耦合原理簡(jiǎn)圖 行星齒輪機(jī)構(gòu)通常是由一個(gè)太陽(yáng)輪、一個(gè)結(jié)合齒圈、一個(gè)行星架和若干行星輪組成的輪系結(jié)構(gòu)，其中太陽(yáng)輪、齒圈和行星架可以看做動(dòng)力耦裝置的三個(gè)端口組件，根據(jù)行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合原理，轉(zhuǎn)速耦合裝置的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可表示為： 2231133 ii ??? ?? （ 24） 根據(jù)功率守恒原理，同時(shí)得出它們之間的轉(zhuǎn)矩 關(guān)系如下： 1331221 i Ti TT ?? （ 25） 式中 13i 、 23i 為轉(zhuǎn)速耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是與結(jié)構(gòu)和幾何形狀設(shè)計(jì)相關(guān)的常數(shù)。 動(dòng)力耦合系統(tǒng)的分類 動(dòng)力耦合裝置根據(jù)能量源耦合方式的不同可以分為電電耦合裝置和機(jī)電耦合裝置，一般串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車采用的是電電耦合，并聯(lián)結(jié)構(gòu)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車中，采用的是機(jī)電耦合結(jié)構(gòu)。 圖 混聯(lián)式 PHEV 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 混聯(lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力耦合裝置的驅(qū)動(dòng)模式的控制策略是：在汽車低速小功率行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn) 行耦合輸出動(dòng)力，充分消耗動(dòng)力電池儲(chǔ)存的能量，從而獲得較好的排放性能；當(dāng)汽車高速大功率行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)則采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為車輛提供足夠的功率，獲得較好的動(dòng)力性。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最末端只有一條能量提供路線，如果電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，車輛將不能正常運(yùn)行。 動(dòng)力總成是混合動(dòng)力汽車最為核心的總成部件，它是汽車上用來(lái)存儲(chǔ)、傳遞和轉(zhuǎn)化能量并且為車輛提供符合驅(qū)動(dòng)要求功率的所有裝置或機(jī)構(gòu)的總稱，具體包括車載能源、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和其他輔助裝置四個(gè)部分。大眾汽車公司與德國(guó)政府制 4 定了共同開(kāi)發(fā)插電式混合動(dòng)力汽 車的新能源合作計(jì)劃， 20xx 年大眾公司成功研發(fā)出第六代高爾夫插電式概念車。 3 圖 美國(guó)插電式混合動(dòng)力汽車 Volt 雪佛蘭 Volt 電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電池之間采用的是串聯(lián)的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力不是直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛前行，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力用來(lái)為動(dòng)力電池發(fā)電，動(dòng)力電池通過(guò)線控傳動(dòng)技術(shù)帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)。目前，汽車尾氣排放已成為影響各城市大氣污染程度的關(guān)鍵因素之一。為了驗(yàn)證此種耦合裝置對(duì)提高整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的效果，進(jìn)行了整車仿真分析。在此基礎(chǔ)上，提出了一種由行星齒輪組件和齒輪副組合而成的動(dòng)力耦合裝置，它能夠?qū)崿F(xiàn)不同耦合方式間的自由切換。隨著人民生活條件的改善，道路的服務(wù)水平不斷提高，隨之而來(lái)的是汽車總量的迅速增加，汽車尾氣排放量將會(huì)急劇增多。通用汽車公司在 20xx 年 9 月發(fā)布了的雪佛蘭 4 座插電式混合動(dòng)力汽車 Volt 的量產(chǎn)車型，在 20xx 年下半年該系列車型在美國(guó)底特律的整車工廠生產(chǎn)發(fā)售 [6]。瑞典的沃爾沃汽車公司開(kāi)發(fā)了一款插電式混合動(dòng)力卡車，該車型是基于沃爾沃 FL6 改裝而成的，最高車速達(dá) km/h90 。本文采用已被廣泛接受的傳統(tǒng) HEV概念： “混合動(dòng)力汽車” 是指以 “油電” 混合作為能源組合方式，整車采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的汽車。 在串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)中需要將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及蓄電池等幾大部件總成裝配在車身底盤上，雖然它們之間大都是采用電氣連接，在布置時(shí)可以不考慮彼此間位置的影響，但各個(gè)子部件的額定功率相對(duì)較大，使得整體的外形尺寸和整車質(zhì)量也隨之增大，所需的布置空間就比較大，因此，在中小型汽車上布置存在一定困難。當(dāng)蓄電池具有較高的電量且滿足整車行駛所 8 需求的功率時(shí)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷和燃油消耗低效率區(qū)域，混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)以純電動(dòng)工作模式工作，關(guān)閉車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力電池給電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)車輪前行；當(dāng)車輛需求功率增加或者蓄電池能量偏低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作，若發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率滿足汽車行駛所需功率且蓄電池不需要充電時(shí)，此時(shí)僅有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功 率分為兩部分，一部分通過(guò)行星齒輪直接輸出給驅(qū)動(dòng)輪，另一部 分經(jīng)過(guò)行星齒輪、發(fā)電機(jī)、逆變器和電動(dòng)機(jī)后供驅(qū)動(dòng)輪使用；當(dāng)汽車需要更大的功率時(shí)，整車工作在混合動(dòng)力模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池同時(shí)供能；若蓄電池能量不足或者發(fā)動(dòng)機(jī)提供的能量富裕時(shí)，實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)向蓄電池強(qiáng)制充電工作模式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力分為三部分，一部分通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)直接輸送給驅(qū)動(dòng)車輪，一部分經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)、逆變器和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化后平衡車輛負(fù)載，一部分經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)、逆變器轉(zhuǎn)化之后為蓄電池充電。 （ 4）輔助功能，動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該能夠緩沖 起步時(shí)路面對(duì)車輛的沖擊，保證車輛在低速行駛時(shí)的平順性，同時(shí)還可以利用電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)特性，在不增加倒檔齒輪的前提下實(shí)現(xiàn)倒車 [16]。端口 1連接發(fā)動(dòng)機(jī)，只能單向輸入，端口 2 和端口 3 分別連接電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車輪，既能 11 輸入又能輸出，但二者不能同時(shí)輸入。因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以保持固定的轉(zhuǎn)速范圍在最低油耗曲線附近工作，通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)滿足車輛行駛過(guò)程中車速的波動(dòng)。對(duì)單位時(shí)間的燃油消耗進(jìn)行積分可以得