【文章內容簡介】 更改與整體布置；（2）動力部件選型與參數(shù)匹配；（3）電氣系統(tǒng)開發(fā)與線束布置；（4）變速器機構與控制器開發(fā)；（5）電動機驅動系統(tǒng)研究開發(fā)；（6）蓄電池管理系統(tǒng)研究開發(fā)；（7）控制策略制定與仿真研究；（8）控制系統(tǒng)軟硬件開發(fā)試制。本文的主要工作在于控制策略的研究與制定，并與硬件開發(fā)組協(xié)作，將經(jīng)過優(yōu)化與仿真驗證的控制策略轉化為可執(zhí)行代碼應用于實車控制器，開發(fā)HEV動力總成控制系統(tǒng)。任何控制策略或控制邏輯的制定都不可能脫離具體的控制對象而單獨存在，也就是說，不可能存在著一個適合于所有車型的通用控制系統(tǒng)。因此在制定和優(yōu)化本文HEV動力系統(tǒng)控制策略時，必然要對整個動力總成系統(tǒng)進行詳細的分析，具體包括:動力總成系統(tǒng)所采用的結構和布置形式、各動力部件的性能參數(shù)和工作特性，以及混合動力汽車的具體運行條件等。下文將針對以上幾點分別展開論述，具體分析本文HEV動力總成系統(tǒng)的結構形式、部件選型、運行條件以及它們對于控制策略制定所產(chǎn)生的影響。 本文HEV動力總成系統(tǒng)的結構形式 可選結構形式分析對于本文混合動力改進型汽車而言，由于原型車為小型乘用車，布置空間較為緊湊，宜采用具并聯(lián)式或混聯(lián)式結構較為合適。 對于混聯(lián)式方案來說，它不僅能夠以串聯(lián)或并聯(lián)方式工作，還能以串并聯(lián)混合的方式工作，具有串聯(lián)和并聯(lián)方式的雙重特點，混聯(lián)方式能充分考慮到各種不同行駛工況下的動力要求，使能量的分配合流動更為合理化，以獲得更加優(yōu)異的燃油經(jīng)濟性和更低的排放水平，無疑是最有發(fā)展前途的一種布置形式。但混聯(lián)式方案對HEV的動力總成控制系統(tǒng)提出了較高的要求，系統(tǒng)結構也較為復雜，此外，考慮到目前國內對于混鏈式混合動力汽車的關鍵技術——行星齒輪動力分配裝置的研究尚不成熟，本文混合動力汽車以并聯(lián)式方案作為重點。在并聯(lián)結構下分別有單軸聯(lián)合式，雙軸聯(lián)合式和單個驅動系聯(lián)合式三種結構形式可供選擇。而單軸聯(lián)合和雙軸聯(lián)合都屬于轉矩合成式結構，在此結構下，發(fā)動機和電動機的轉速相互制約，而轉矩相疊加。對單軸聯(lián)合式而言，發(fā)電機轉速與電動機轉速相同，而在雙軸聯(lián)合的結構形式下，發(fā)動機與電動機則是通過變速器來進行轉矩疊加，兩者的轉速相應于變速器的結構形成一定的比例關系。單軸聯(lián)合并聯(lián)式方案實現(xiàn)了發(fā)動機和電動機的輸出一體化，結構緊湊，提高了系統(tǒng)的綜合效率，但是該方案中所需要的扁平電機的某些元件及電機的控制系統(tǒng)等都需要針對HEV動力總成作特殊設計，開發(fā)成本較高，同時也不利于模快化設計。雙軸式轉矩合成型則是把不同原動機的輸出進行動力合成，因此動力部件可以選用已有的現(xiàn)產(chǎn)品，系統(tǒng)的開發(fā)成本較低，但相對單軸式而言，雙軸式要求的布置空間較大，動力總成系統(tǒng)質量也較大。單個驅動系聯(lián)合式保留了傳統(tǒng)內燃機汽車的全套機械傳動系統(tǒng)，在另外的輪軸上采用電力驅動系統(tǒng)提供動力，兩套驅動系統(tǒng)間沒有機械連接裝置，可以完全獨立的工作，在進行混合驅動時，驅動力通過地面進行合成，因此也被稱為驅動力合成型結構。對于電力驅動系統(tǒng)而言，可以采用驅動電機通過減速器、差速器來驅動車輪的形式，也可以采用輪轂電機的形式，直接將電機安裝在車輪上。這種形式的最大特點在于適合于對傳統(tǒng)內燃機汽車進行混合動力驅動改型，但是由于存在著兩種不同特性的動力系統(tǒng)，因此兩者間的牽引力匹配與控制較為復雜。 本文所采用行形式 基于以上分析，本文采用單個驅動系聯(lián)合的并聯(lián)式結構作為本文HEV動力總成系統(tǒng)的結構形式，即基本保留原有的前置前驅驅動力系統(tǒng)，同時在后軸加裝一套電力驅動系統(tǒng)驅動后輪，形成兩套獨立的動力驅動系統(tǒng)，這樣發(fā)動機與電動機的輸出轉矩將分別作用在前后驅動輪上，以速度協(xié)調作為約束條件進行牽引力合成。所構成的HEV動力總成系統(tǒng)既可以由發(fā)動機驅動前輪行駛，又可以用電機單獨驅動后輪行駛，還可以在混合動力模式下，將兩套動力驅動系統(tǒng)同時投入工作，使其輸出的牽引力在車輪處通過路面合成，從而形成獨特的四輪驅動牽引力和成型混合動力系統(tǒng)。由于該方案蓄電池更多地工作在放電狀態(tài)下，電力驅動系統(tǒng)維持自身電量能力較差，因此在該動力總成系統(tǒng)中加裝一臺發(fā)電機，利用發(fā)動機的一部分功率直接發(fā)電，從而維持蓄電池的最佳電量狀態(tài)，滿足電動機的工作需要。從途中可以看出，原型車前置前驅的結構基本不變，只是在發(fā)動機上連接一臺發(fā)電機，利用發(fā)動機的富余功率帶動發(fā)電機發(fā)電；在后橋主要針對后輪結構進行改動，在左右輪轂中間加入輪轂電機。圖 綜合來講，本文HEV動力總成系統(tǒng)所采用的結構形式具有以下方面的特點：（1）前輪和后輪的驅動系統(tǒng)分別由兩套獨立的動力系統(tǒng)構成，從而形成了既有能源聯(lián)合節(jié)點，又有機械聯(lián)合節(jié)點的牽引力合成型并聯(lián)式動力合成系統(tǒng)。（2）發(fā)電機的使用提高了HEV動力總成系統(tǒng)維持自身電量狀態(tài)的能力，同時也為發(fā)動機工作點的調整優(yōu)化提供力另一條有效途徑；（3）前后車輪可以分別或共同驅動汽車行駛，既可以提高汽車在惡劣路面上的通過能力，又能在道路擁堵時以純電動模式行駛，從而降低汽車的排放與油耗；（4）無需設計復雜的動力合成裝置，簡化了傳動系統(tǒng)的結構，同時降低了動力總成質量；由于輪轂電機的使用，節(jié)省了后部車身空間，降低了總布置難度；（5）混合動力汽車盡可能保留了原型車的機械結構和動力元件，有利于就在用車的改裝。 本文HEV動力系統(tǒng)的部件選型在一定的結構形式下，HEV動力總成系統(tǒng)的部件選型將影響到車輛性能的優(yōu)化極限，同時也將關系到控制策略的設計和制定，因此合理地選擇動力系統(tǒng)各部件是HEV動力總成系統(tǒng)設計的重要組成部分，它對于整車性能、系統(tǒng)效率以及部件壽命等都具有重要影響。對于傳統(tǒng)的單能源驅動汽車而言，動力系統(tǒng)的部件選型將主要從滿足整車的動力性要求出發(fā)，具體而言，就是根據(jù)汽車的最高車速、加速時間以及最大爬坡度等動力學指標來計算確定動力源的性能參數(shù)。而對于多能源驅動汽車來說，達到同樣的動力性要求可能存在著不同的動力配置組合，因此部件的選型還將涉及到不同動力源間能量需求的分配和協(xié)調等問題。在本文的四輪驅動HEV動力總成結構下，存在著工作特性不盡相同的兩套動力系統(tǒng)參與驅動，它們分別是具有高能量密度特性的內燃機驅動系統(tǒng)和高功率密度特性的電力驅動系統(tǒng)。在基本的控制框架內，本文確定內燃機驅動系統(tǒng)作為汽車的主動力源，提供汽車穩(wěn)態(tài)行駛所需的動力。而將電力驅動系統(tǒng)作為輔助動力源，以平衡路面負載，優(yōu)化主動力源工作區(qū)間，同時利用內燃機驅動系統(tǒng)所提供的能量維持蓄電池的電量狀態(tài)在充放電高效區(qū)間內。這樣，在HEV動力總成系統(tǒng)中將由發(fā)動機提供車輛穩(wěn)速行駛的功率，而由電動機提供加、減速以及爬坡時的功率。根據(jù)汽車行駛的功率平衡方程()可分別推算出發(fā)動機與電動機各自所應提供的功率 ()。 () () ()式中，P指車輛行駛時的需求功率， 和分別為發(fā)動機和電動機的需求功率，G為汽車重力，m為汽車質量，f為滾動阻力系數(shù)，u和為車輛行駛速度，單位分別是m/s和km/h, i為坡度，為風阻系數(shù)，A為迎風面積，為汽車質量換算系數(shù)，為傳動系效率。對于蓄電池的功率需求需要從三個方面進行分析:(1)混合驅動行駛時滿足電動機正常工作的功率需求 （）式中 ，分別是蓄電池的放電效率和電動機的輸出效率。(2) 滿足車輛制動能回收及發(fā)電機充電時的功率需求 （）此時蓄電池的最大充電功率受到自身最大充電電流的限制，其值為，是發(fā)電機的發(fā)電功率，和分別是蓄電池的充電電流和充電效率。（3）滿足純電動行駛時車輛行駛的全部功率需求=() ()此時發(fā)動機關閉，汽車行駛的全部能量將由蓄電池來提供。以上從功率需求的角度簡要分析了發(fā)動機、電動機以及蓄電池的選型思路，選型方案的基本特點為：(1) 以較小功率電機配合較大功率發(fā)動機。(2) 發(fā)動機為主動力源，電機為輔助動力源。(3) 電力驅動系統(tǒng)采用輪轂電機+鋰離子電池形式。(4) 電力驅動系統(tǒng)具有純電動行駛和制動能回收等功能。(5) 蓄電池無需外部充電，動力總成系統(tǒng)自身能維持電量均衡。對于此種類型的HEV動力系統(tǒng)，所設計的控制策略應著重針對發(fā)動機的工作區(qū)間進行調整和優(yōu)化，通過電機輔助、取消怠速等手段來提高發(fā)動機的工作效率，同時盡可能多的回收制動能，并維持蓄電池在充放電高效區(qū)間。最終本文HEV動力總成系統(tǒng)采用的動力部件包括:雪鐵龍16V電噴汽油發(fā)動機、直流發(fā)電機、鋰離子動力電池，傳動系則仍采用原型車的AL4自動變速器。:參數(shù)名稱參數(shù)值整車參數(shù)整備質量1315kg(在原型車基礎上添加電機及電池質量估算而來) 滿載質量1690kg軸 距2540mm車輪半徑289mm迎風面積2風阻系數(shù)(估值)滾阻系數(shù)(估值)發(fā)動機參數(shù)形式及類別汽油、電噴、四缸排 量1587m1壓 縮 比:1最大功率78kw/5750rpm最大轉矩142Nm/4000rpm油 耗依據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線(整車單位提供)輪轂電機參數(shù)型 式直流電機額定功率(單個電機，下同)額定轉矩43Nm峰值功率峰值轉矩136Nm驅動轉矩與效率 依據(jù)電機特性曲線(電機開發(fā)單位提供)制動轉矩與效率對稱于驅動特性曲線蓄電池參數(shù)型 式鋰離子動力電池單節(jié)電池電壓4V單電池容量15Ah電池節(jié)數(shù)30電池組電壓120V充放電特性依據(jù)蓄電池特性曲線 (蓄電池開發(fā)單位提供)傳動系統(tǒng)變速器AL4四檔自動變速器各檔速比(14檔),1，主減速比 本章小節(jié)HEV動力總成控制系統(tǒng)是根據(jù)整車設計要求確定的動力總成系統(tǒng)來設計的，因此本章以四輪驅動混合動力汽車的動力總成系統(tǒng)作為研究對象，對HEV動力總成及其控制系統(tǒng)進行了綜合分析，具體內容包括:(1) 明確了本文混合動力汽車的設計要求。(2) 分析了控制系統(tǒng)的結構和功能，闡明了具體的開發(fā)思路。(3) 對HEV動力總成系統(tǒng)的結構形式進行了分析設計。(4) 對HEV動力總成系統(tǒng)的部件選型及其特點進行了分析。本章對HEV動力總成系統(tǒng)的總體分析為下一步控制策略的研究和動力系統(tǒng)的建模奠定了良好的基礎。東北大學畢業(yè)設計（論文） 第3章HEV動力總成控制策略的研究與制定第3章HEV動力總成控制策略的研究與制定控制策略是一系列控制邏輯與控制算法的組合，體現(xiàn)了特定的控制思路和控制方法。對于HEV動力總成控制系統(tǒng)來說，控制策略將決定整車及各動力部件在不斷變換的行駛工況和駕駛指令下的工作狀態(tài)，是整個控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，其優(yōu)劣將決定整個控制系統(tǒng)的先進程度，進而對混合動力汽車的綜合性能產(chǎn)生決定性的影響。本章的主要任務即是針對本文HEV動力系統(tǒng)設計合理可行的整車控制策略，為下一步控制系統(tǒng)的建模及仿真提供充分的理論依據(jù)。論文將首先針對不同類型的并聯(lián)式HEV動力總成控制策略進行分析比較，然后根據(jù)本文HEV動力總成系統(tǒng)的具體運行特點來選擇確立合理的控制思路及控制方法，進而針對不同的控制目標制定出可行的動力總成控制策略。 并聯(lián)式HEV動力總成控制策略的分析比較在并聯(lián)式HEV動力總成系統(tǒng)中，發(fā)動機與電動機間存在著復雜的動為耦合和分離過程，如何合理的分配行駛動力需求、確保發(fā)動機、電動機及蓄電池等動力部件能盡可能工作在各自的高效區(qū)間，從而提高整個動力總成系統(tǒng)對于能量的利用效率是并聯(lián)式HEV動力總成控制策略需要首先解決的重點問題。根據(jù)具體控制思路和控制方法的不同，并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略可歸為三種類型，分別是基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的控制策略、基于實時控制的動態(tài)優(yōu)化控制策略以及基于模糊控制的智能控制策略。 基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制策略(Static Optimization Control Strategy)在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制策略中，發(fā)動機將作為汽車驅動轉矩的主要來源，電動機作為汽車行駛需求轉矩的補充。當蓄電池的SOC狀態(tài)低于所設定的下限時，控制策略將把系統(tǒng)切換到一個充電模式來給蓄電池充電。在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制策略中，電動機輸出功率一般被轉化為等效的燃油消耗量，以方便計算和評價總的燃油消耗量。 在忽略運行中的電動機和蓄電池對發(fā)動機的影響的情況下，控制策略基于一系列預先設定的控制參數(shù)，對發(fā)動機和電動機的穩(wěn)態(tài)運行點做出決策，以實現(xiàn)發(fā)動機的最佳燃油經(jīng)濟性，從而達到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。具體來說，穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制策略將發(fā)動機能量消耗的最小化作為主要控制目標，同時保證蓄電池的SOC狀態(tài)維持在一定的范圍內，但該控制策略不考慮排放或行使過程中電動機及蓄電池的影響?？刂撇呗灾泄灿?個獨立的控制參數(shù)，依據(jù)類型不同，可將其分為三類，分別是:電量狀態(tài)控制參數(shù)、速度控制參數(shù)和轉矩控制參數(shù)。表 參數(shù)名稱參數(shù)說明SOC上限值（soc_hi）蓄電池的電量狀態(tài)上限值SOC下限值（soc_low）蓄電池的電量狀態(tài)下限值純電動車速（）純電動行駛時的最高車速發(fā)動機停機轉矩系數(shù)（）SOC SOC_low時，發(fā)動機停機轉矩系數(shù)與當前轉速下發(fā)動機最大轉矩相乘得到發(fā)動機停機轉矩門限值: （SOC SOC_low）如果＜，發(fā)動機將被停機發(fā)動機最下轉矩系數(shù)（）SOC＜SOC_low時,發(fā)動機最小轉矩系數(shù)與當前轉速下發(fā)動機最大轉矩相乘得到發(fā)動機最小轉矩門限值： （SOCSOC_low）如果,發(fā)動機將工作在該轉矩曲線上，并利用富余轉矩通過發(fā)電機給蓄電池充電。蓄電池充電轉矩（）由式確定發(fā)動機運行時，維持電池最佳電量狀態(tài)所需的附加轉矩值其中，發(fā)動機停機轉矩系數(shù)、發(fā)動機最小轉矩系數(shù)和蓄電充電轉矩是轉矩控制參數(shù)，用于控制策略對于發(fā)動機運行工況點的決策。圖中符號“☆”和“●”分別代表了發(fā)動機的期望輸出轉矩，和汽車行駛時發(fā)動機的需求轉矩，從中可以看出控制策略確定發(fā)動機運行工況的基本過程，具體可從以下三個方面進行描述:（1）