【文章內容簡介】 第 1 頁 第 1 章 緒論 問題的提出 當今社會汽車已成為人們必不可少的交通工具，汽車工業(yè)已成為一個國家現(xiàn)代化水平的重要標志之一。汽車雖然給人類帶來方便，但也給全球環(huán)境帶來巨大的災害，據(jù)統(tǒng)計，全球 42%的環(huán)境污染是來源于燃油汽車的排放， 80%的城市噪聲是由交通車輛造成的 [1]。面對日 趨嚴重的能源短缺與環(huán)境惡化問題，尋求社會經濟與資源環(huán)境相互促進與協(xié)調發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展模式正在成為世界性潮流。 混合動力汽車（ HEV,hybrid electric vehicle）是清潔汽車中最具有產業(yè)化和市場化前景的車型，它采用發(fā)動機、電機和電池作為混合動力總成，既能體現(xiàn)電動車輛節(jié)約能源和超低排放的優(yōu)點，又彌補了電動車輛續(xù)駛里程不足的缺陷。 在國內 ,由于混合動力汽車起步較晚 ,對混合動力控制策略的研究遠沒有達到成熟的程度 ,大多處于理論研究階段 [2],與國外混合動力汽車控制方面的技術水平有相當大差距。開展混 合動力汽車控制策略研究 ,對掌握混合動力汽車關鍵技術的自主研發(fā)能力 ,促進我國混合動力汽車的產業(yè)化進程有十分重要的意義。為了適應這一形勢的要求，世界各國政府和大的汽車公司均在開發(fā)新型清潔動力汽車。 混合動力汽車簡介 混合動力汽車的概況與分類 國際電工技術委員會電動道路車輛技術分會 1981 年曾給“混合動力汽車”下過一個定義：“混合動力汽車”是指在特定工作條件下，可以從兩種或兩種以上儲能器、能量源或能量轉換器獲取驅動能量，且其中至少有一種可以提供電能的車輛。 目前國內外研究的 HEV 有多種結構，其 分類方法一般有三種：按“混合度”分類、按“動力系統(tǒng)布置”分類以及按蓄電池組的荷電量變化情況分類。 （ 1）按混合度分類 對于并聯(lián)型混合動力汽車，電動機功率與發(fā)動機加蓄電池功率之和的比值稱為混合度，根據(jù)混合度大小，分為重度、輕度和微度混合型。 1）重度混合型 重度混合型混合動力汽車具有怠速停、再生制動，電動機助力，輕載充電和純電動驅動功能。如果所用的電動機功率相對較小，也可稱為中度混合型。 Prius 也屬于重度混合型。 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 第 2 頁 2）輕度混合型 輕度混合型混合動力汽車具有怠速停、再生制動、電動機助力和輕載充電功能，但沒有純 電動驅動功能。相對重度、中度混合型而言，輕度混合型的電動機 /發(fā)電機功率比較小，整車制造成本低，但發(fā)動機在高效區(qū)運行的機會減少，再生制動能量回收能力減小，因此燃油經濟性不如重度和中度混合型。 Insight 屬于輕度混合型。 3）微度混合型 微度混合型混合動力汽車具有怠速停功能，有的汽車還具有再生制動功能。微度混合型結構簡單，改裝成本低，但燃油經濟性不如輕度混合型。 （ 2）按動力系統(tǒng)布置分類， HEV 主要分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型。 1) 串聯(lián)式 串聯(lián)式混合動力汽車 (SHEV Series Hyird Electric Vehicle)：發(fā)動機和發(fā)電機組成發(fā)電機組，通過功率分配將電池組、電動機和發(fā)電機組連接起來，單獨通過電動機來 驅動機車。而電能可以由電池提供，也可以由發(fā)動機驅動發(fā)電機來提供，結構如圖 11。 2) 并聯(lián)式 并聯(lián)式混合動力汽車 (PHEV Parallel Hyird Electric Vehicle)：保留了發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的機械連接，兩個牽引機同時與驅動軸相連，它們既可各自單獨向驅動系統(tǒng)提供動力，又可共同協(xié)調一致的提供動力 ，結構如圖 12。 3)混聯(lián)式 混聯(lián)式混合動力汽車 (Series 一 Parallel Hyird Electric Vehicle)：在結構上綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點。這種結構既包括并聯(lián)式混合結構中的連桿機構，又包括串聯(lián)式混合結構中的電氣聯(lián)動機構?；炻?lián)式 HEV 布置方案綜合了串、并聯(lián)的優(yōu)缺點，具有最優(yōu)綜合性能，但系統(tǒng)組成龐大，傳動系布置困難。混聯(lián)式 HEV 要實現(xiàn)串、并聯(lián)的分支間的合理切換，因此對控制系統(tǒng)和相關控制策略也提出了很高的要求 ，結構如圖 13。 圖 11 串聯(lián)式驅動系統(tǒng)結構圖 發(fā)電機 發(fā)動機 電動機 車輪 電池組 車輪 機械連接 電氣連接 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 第 3 頁 圖 12 并聯(lián)式驅動系統(tǒng)結構圖 圖 13 混聯(lián)式驅動系統(tǒng)結構圖 （ 3）按蓄電池組的荷電量變化情況分類 1）荷電維持型 荷電維持型混合動力汽車在跑完一個循環(huán)行駛工況后，蓄電池組的 SOC 值與開始時相等。荷電維持型混合動力汽車采用車載充電，不需要車外充電器。這種類型的混合動力汽車包括串聯(lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型。 2）荷電消耗型 荷電消耗型混合動力汽車具有純電動行程，其蓄電池的電量隨著汽車的運行而逐漸消耗掉。蓄電池組由車外充電器充電，充分利用了熱效率高 達４５％的電力。由于蓄電池的充放電損失減少，這種類型車的能量經濟性比較好。這種類型的混合動力汽車也包括串聯(lián)型和并聯(lián)型。 混合動力汽車的關鍵技術 混合動力汽車是以先進控制技術為紐帶的傳統(tǒng)燃油汽車與純電動汽車的結合，其發(fā)動機 電動機 車輪 電池組 車輪 機械連接 電氣連接 發(fā)電機 發(fā)動機 電動機 車輪 電池組 車輪 機械連接 電氣連接 發(fā)電機 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 第 4 頁 技術涵蓋面廣，是涉及到機械、電力、電子、計算機控制等多種學科的高科技產品。混合動力汽車的關鍵技術大致包括車身及結構設計、動力電池及其管理系統(tǒng)、電驅動系統(tǒng)、能量管理策略、動力系統(tǒng)參數(shù)匹配等 [3]。 車身及結構設計 混合動力汽車車身設計有兩種基本方法：一種是改裝，另一種是專 門設計制造。目前，現(xiàn)代混合動力汽車大部分是為特定目的而設計的，這種特定設計的混合動力汽車與改裝車相比有一定的優(yōu)勢，它允許工程師靈活地調整和整合各子系統(tǒng)，使之能有效地工作。在設計混合動力汽車時，對影響整車整體性能 (如續(xù)駛里程、爬坡能力、加速能力以及最高車速 )的參數(shù)需要進一步改進，比如減輕整車的質量、降低風阻系數(shù)和減小滾動阻力等。對于混合動力汽車來說，除了傳統(tǒng)燃油汽車的相關結構外，整車的組成，更重要的是發(fā)動機、電機、儲能裝置的布置形式，在很大程度上決定了混合動力汽車的控制方式和性能指標。 動力電 池及其管理系統(tǒng) 動力電池是混合動力汽車的基本儲能單元之一，其性能直接影響到驅動電機的性能，從而影響整車性能?；旌蟿恿ζ嚿系膭恿﹄姵仄涫褂脿顩r不同于純電動汽車，在工作時，動力電池常處于非周期性的充放電循環(huán)中，要求電池的充放電速率和效率高，因此混合動力汽車動力電池不僅需要高的能量密度 (W/kg)，而且有高的功率密度(W/kg)。 混合電動汽車上常用的動力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鏗離子電池三大類。鉛酸電池價格便宜，但其能量密度低、比能量低、循環(huán)壽命短，有被其它兩類電池取代的趨勢。雖然目前混合動力汽車動力電 池以鎳氫電池居多，但隨著鏗離子電池性能的進一步改進，成本逐步降低，同時大功率理離子電池的安全問題得到較好解決，長遠來看，使用鏗離子電池作為混合動力汽車乃至純電動汽車動力電池將是未來趨勢。 混合動力汽車動力電池的壽命、充放電效率、內阻等都要受電池放電深度、充放電電流的大小及具體的汽車行駛工況等諸多因素的影響。電池管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對動力電池組的狀態(tài)監(jiān)控及管理，是混合動力汽車的重要研究內容之一。電池管理系統(tǒng)的功能主要包括： （ 1）準確地計算電池荷電狀態(tài) (state of charge)； （ 2）實時監(jiān)控電池單體 /模塊的電壓、電流和溫度等參數(shù)，診斷電池狀態(tài)； （ 3）能夠對電池組進行熱管理，包括需要時加熱或冷卻電池組； （ 4）能夠監(jiān)控并校正電池組內單體或模塊電池的不均勻狀態(tài)。 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 第 5 頁 電驅動系統(tǒng) 電驅動系統(tǒng)的主要任務是把電能轉換為機械能，使汽車能克服阻力運行。另外，混合動力汽車的驅動電機的運行工況也相當復雜，包括高轉矩、低轉速和恒功率、高轉速等。因此，驅動電機需要通過完善的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)與汽車運行工況的合理匹配，以滿足對電機驅動系統(tǒng)的以下要求： （ 1）恒功率輸出和高功率密度； （ 2）在汽車起步和爬坡時具有低速一高 轉矩的輸出特性； （ 3）具有較大的轉速范圍足以覆蓋恒轉矩和恒功率區(qū)； （ 4）快速的轉矩響應特征： （ 5）在轉矩 /轉速特性的較寬范圍內具有高的效率； （ 6）再生制動時的能量回收效率高； （ 7）能在不同的工作條件下可靠地工作。 能量管理策略 作為一種新型的多能量源交通工具，混合動力汽車的性能與其采用的能量管理策略密切相關，能量管理策略是傳統(tǒng)燃油汽車與純電動汽車完美結合的紐帶，是混合動力汽車成敗的最終決定性因素。 能量管理策略根據(jù)駕駛員的操作，如加速踏板、制動踏板等，判斷駕駛員的意圖，在滿足車輛動 力性能的前提下，最優(yōu)的分配電機、發(fā)動機、動力電池等部件的功率輸出，實現(xiàn)能量的最優(yōu)分配，提高車輛的燃油經濟性和排放性能。由于混合動力汽車中電池不需要外部充電，能量管理策略還應考慮動力電池的荷電狀態(tài)平衡，以延長電池壽命，降低車輛維護成本。 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配 合理匹配混合動力系統(tǒng)的各個部件的參數(shù)是提高混合動力汽車動力性、燃油經濟性、尾氣排放性等車輛性能的關鍵，是組成性能最優(yōu)的混合動力系統(tǒng)的一個重要內容，它主要包括合理的選擇和匹配發(fā)動機功率、電機功率、動力電池容量和數(shù)量、變速器參數(shù)等。由于動力系統(tǒng)的組 合方案有多種，并且參數(shù)設計具有較大的自由度，目前，采用各種優(yōu)化算法結合電動汽車專用仿真軟件進行計算機仿真是進行混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的一個重要手段。 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 第 6 頁 并聯(lián)混合動力汽車控制策略概述 并聯(lián)混合動力汽車控制策略的重要性 并聯(lián)混合動力汽車控制策略需要解決的主要問題就是如何實現(xiàn)需求轉矩在發(fā)動機和電機之間的最優(yōu)分配，具體來講就是控制策略接收踏板信號和各傳感器信號，通過一定的控制規(guī)則給發(fā)動機和電機分配扭矩，規(guī)定發(fā)動機和電機的工作點，滿足動力性能的要求下提高燃油經濟性和降低排放。 并聯(lián)混合動力汽車控制策略要 在發(fā)動機和電機之間合理的分配需求扭矩，規(guī)定發(fā)動機和電機的工作狀態(tài)和工作點，使整車燃油經濟性和排放性能達到最佳。并聯(lián)混合動力汽車各動力總成參數(shù)確定下來之后，控制策略的制定是決定汽車油耗和排放的關鍵所在，另外控制策略也是自主知識產權的重要標志，控制策略的開發(fā)與研究在混合動力汽車發(fā)展過程中至關重要?？刂撇呗灾嘘P鍵部分就是控制目標和控制目標實現(xiàn)的手段，控制目標就是控制策略的意圖，手段則是目前所說的控制策略。本文主要針對不同的目標和控制手段進行詳細的分析介紹，從而為并聯(lián)混合動力汽車建立合適的控制策略。 并聯(lián)混合動力汽車控制策略研究現(xiàn)狀 早期的控制策略由于技術的限制大多是基于速度的控制。在這種控制策略中，將發(fā)動機啟動的設定車速設計為一個定值，依據(jù)瞬時工況車速判定整車的工作模式：當車速低于設定值時，發(fā)動機關閉，由電機單獨工作；當車速高于設定值時，發(fā)動機單獨工作；當車輪負荷比較大時 (如汽車急加速、爬陡坡或以較高車速爬坡 )，則由發(fā)動機和電機聯(lián)合驅動車輪。 基于速度的控制策略，由于其簡單，易于被控制工程師理解，技術門檻較低，因而在混合動力汽車開發(fā)初期得到了較為廣泛的研究和應用。但同時也有其明顯的缺點：控制參數(shù)單一， 動態(tài)特性差，沒有充分利用混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢，通常整車的燃油經濟性不是最優(yōu)，而且還沒有考慮排放，特別是有時車速即便很高，但對驅動力的要求可能很低，比如在高速滑行或勻速行駛時，此時發(fā)動機的工作負荷較低，效率不高。 近年來，隨著混合動力汽車的快速發(fā)展，不斷地有新的控制策略的提出，混合動力汽車控制策略的種類變得紛繁復雜，如圖 14，但總體上最常用、最有效的有四種，邏輯門限值控制策略、模糊邏輯控制策略、自適應控制策略和神經網絡控制策略 [4]，下面分別對這幾種控制策略作簡要的介紹。 邏輯門限值控制策略 邏輯門限值控制策略也被稱為簡單的基于規(guī)則的控制策略，其基本思想是優(yōu)先保 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 第 7 頁 證發(fā)動機在較高效率區(qū)間內工作，在該區(qū)間以外（當發(fā)動機轉矩或轉速較小時）利用電機替代發(fā)動機工作，而電機的能量來源是回收部分制動能量和發(fā)動機發(fā)電為電池充電。基于規(guī)則的控制策略是一種簡單易行、應用廣泛的混合動力