【導(dǎo)讀】活，成為重要的運(yùn)輸及代步工具。目前，汽車工業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)今世界最大、最重要的。汽車縮短了人們之間的距離，提高了生活質(zhì)量。明的同時(shí)，也必須面的汽車帶來的負(fù)面影響：環(huán)境污染和過度能源消耗。上空氣污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市7個(gè)在中國(guó)。安全技術(shù)，而本世紀(jì)初，人們已經(jīng)更多的將目光轉(zhuǎn)向汽車新能源和環(huán)保技術(shù)。發(fā)更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新型汽車，成為各大汽車公司的當(dāng)務(wù)之急。小，尤其是大多數(shù)國(guó)產(chǎn)汽車的排放污染比較嚴(yán)重?，F(xiàn)行的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的限制水平遠(yuǎn)。低于發(fā)達(dá)國(guó)家，如一氧化碳的限值是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的8倍，而碳?xì)浜偷趸锔哌_(dá)l0倍。但混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)的汽油汽車對(duì)比，它不單純是發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單替換，其設(shè)計(jì)、加工、材料以及電氣、控制系統(tǒng)都要相應(yīng)地做出改變，使整車參數(shù)合理匹配。雖然人們普遍認(rèn)為未來是電動(dòng)汽車的天下，但是目前的。方式組成SHEV的動(dòng)力單元系統(tǒng)。負(fù)荷小時(shí)由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)荷大時(shí)。步，上海、廣州也將一步和國(guó)際接軌。

　　

【正文】 機(jī)的動(dòng)力性還需要滿足純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的爬坡要求： eP =T?1 （ 3600cos?aGfu + 3600sin?aGu + 761403aDAuC ） （ ） 根據(jù)整車的參數(shù) 整車質(zhì)量 m =1150 kg （含電機(jī)和電池組的質(zhì)量），空氣阻力系數(shù)DC =，迎風(fēng)面積 A= 2m ， 傳動(dòng)效率 T? =，滾動(dòng)阻力半徑系數(shù) f =。以及動(dòng)力性指標(biāo)最大車速 maxau ≥ 190 hkm ，在車速 v= hkm 時(shí)爬坡度 i≥ 15%，原地起步至100 hkm 的加速時(shí)間 t≤ 12s。 綜合上述滿足發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)最高車速要求（ 公 式 ）和一檔爬坡能力要求（ 公式 ），計(jì)算得到 ，考慮到汽車在混合驅(qū)動(dòng)工況工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被控制按最小油耗特性運(yùn)行，加上 12%（ 10%或 8%10%）的功率裕量，以減少對(duì) ISG 的功率需求和提高汽車在純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的 動(dòng)力性能。最后確定的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為 ，用以上的結(jié)果為參考，因?yàn)?ADVISOR 中特別提供了自動(dòng)尺寸功能和比例計(jì)算功能，具體的參數(shù)選擇還可以依據(jù) ADVISOR 的計(jì)算結(jié)果來設(shè)定。 在 ISG 型混合動(dòng)力汽車 中， ISG 電機(jī)的作用是在起動(dòng)、加速和爬坡時(shí)帶動(dòng)或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作。在汽車輕載和減速時(shí)， ISG 又起到發(fā)電機(jī)的作用。整個(gè)行駛過程中并不存在純電動(dòng)工況，所以無(wú)需大功率電動(dòng)機(jī)。 ISG 功率越大所需電池組數(shù)目也就越多，這樣不但增加了整車的重量，而且增加了整車的制造成本。 ISG 功率的取值應(yīng)在滿足整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能目標(biāo)值 的前提下，從經(jīng)濟(jì)性和制造成本兩方面均衡考慮。對(duì)于ISG 電機(jī)的功率選擇我們可以參考其他公司研制的發(fā)動(dòng)機(jī)軸動(dòng)力組合式 PHEV 的動(dòng)力匹配，如 Insight 車型和 Prius 車型等。西門子公司生產(chǎn)的啟動(dòng) /發(fā)電一體化電機(jī)，最高功率達(dá)到 8Kw，瞬時(shí)超大功率可達(dá)到 15Kw。因此對(duì)于 ISG 電機(jī)的功率選擇在這個(gè)范圍內(nèi)比較合適。 本章小結(jié) 本章給出了本文所研究的 ISG（ Integrated Starter Generator 即集成一體化起動(dòng) /發(fā)電機(jī)）型輕度混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的布置方案，描述了它的工作原理，部分功率 需求的計(jì)算，簡(jiǎn)要介紹了論文使用到的混合動(dòng)力仿真軟件 — ADVISOR 的相關(guān)情況。 33 第 4 章 混合動(dòng)力汽車控制策略及仿真 混合動(dòng)力 汽 車的控制策略 混合動(dòng)力汽車采用的控制策略決定了它的性能，采用不同的控制策略可以得到不同的燃油消耗、排放和電池的 SOC 狀態(tài)值。其主要目的是在保證汽車性能的前提下降低汽車的燃油消耗和排放，同時(shí)還要兼顧電池的壽命問題?；谶@些目標(biāo)，根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)，可以適用于本文所述的控制策略主要有以下幾種： 1. 電氣輔助式控制策略（ Electric Assist Control Strategy） 這種控制策略主要是將發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的主驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)只是用來復(fù)制發(fā)動(dòng)機(jī)的。同時(shí)保證電池的 SOC 在一定范圍之內(nèi)，電氣輔助式控制策略描述： 1) 當(dāng)汽車在所允許的最低速度之下行駛時(shí)，電機(jī)運(yùn)行。 2) 當(dāng)汽車所需的扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)能提供的最大扭矩時(shí)，電機(jī)提供輔助扭矩。 3) 當(dāng)汽車在給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行在低效率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)關(guān)機(jī)，由電機(jī)提供所需的轉(zhuǎn)矩。 4) 當(dāng)電池充電狀態(tài)過低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)提供額外的轉(zhuǎn)矩給電機(jī)，用來給電池發(fā)電。 5) 制動(dòng)能量再生時(shí)，電機(jī)給電池充電。 當(dāng)蓄電池 SOC 狀態(tài)值大于允許的最低 SOC 狀態(tài)值時(shí)，若車速小于設(shè)定的最小車速的時(shí) 候，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，汽車行駛所需的扭矩全部由電動(dòng)機(jī)提供，汽車在純電動(dòng)狀態(tài)下工作，實(shí)現(xiàn)“零油耗”和“零排放”；當(dāng)車速大于設(shè)定的最小車速時(shí)，若此時(shí)的扭矩比規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩小，也由電動(dòng)機(jī)提供，這是為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在低速和怠速的情況下不工作，以減少油耗和排放。當(dāng)電池 SOC 狀態(tài)在允許范圍內(nèi)的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)總是運(yùn)行在高效范圍內(nèi)，可以改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放。 當(dāng)電池 SOC 狀態(tài)小于允許的最低 SOC 狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)不工作，若所需要的扭矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)的最小扭矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際提供的扭矩是它的最小扭矩，多余的部分用來給電池充電， 以保證電池 SOC 狀態(tài)不至于過低。當(dāng)所需要的扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最小扭矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際提供的扭矩是需要提供的扭矩加上充電扭矩的值。 2. SOC 扭矩平衡控制策略（ Electric Assist Control Strategy BAL） 這種控制策略的思想是根據(jù)電池 SOC 的狀態(tài)以及需求的扭矩之間產(chǎn)生一個(gè)修正的扭矩，使電池的 SOC 狀態(tài)維持在制定的最高狀態(tài)和最低狀態(tài)中間，同時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī) 34 的工作點(diǎn)維持在高效范圍內(nèi)。它的基本思想和電氣輔助控制策略的基本思想大致相同，不同之處在于控制發(fā)動(dòng)機(jī)世紀(jì)發(fā)出多少轉(zhuǎn)矩，電氣輔助控制策略在需要發(fā) 動(dòng)機(jī)提供扭矩的基本上將發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩再提高一些，來滿足充電的需要，而 SOC 扭矩平衡式控制策略是根據(jù)現(xiàn)在的 SOC 狀態(tài)和扭矩比來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行修正。 3. 自適應(yīng)控制策略（ Adaptive Control Strategy） 自適應(yīng)控制策略也稱為實(shí)時(shí)控制策略，通過規(guī)定了 5 個(gè)數(shù)值（能源消耗， HC， CO，xNO 和永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩）的相互協(xié)調(diào)，并且標(biāo)準(zhǔn)化了平均時(shí)間燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，確定了全面的影響功能。自適應(yīng)控制策略有如下的特點(diǎn)： 1) 發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣消耗，電動(dòng)機(jī)以及電池組的即時(shí)效率都包括 在汽車的優(yōu)化之中。 2) 自適應(yīng)控制策略根據(jù)它的行車條件調(diào)節(jié)，舉例來說就是發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)和電池的溫度，可以利用的再生制動(dòng)的數(shù)量，汽車行駛時(shí)的再生能量的計(jì)算。 3) 這里可以事先規(guī)定燃油經(jīng)濟(jì)性和排放目標(biāo)。 4) 對(duì)每個(gè)要求目標(biāo)（例如一個(gè)給定速度），自適應(yīng)控制策略從電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)合成的扭矩所可能的全部邊界上確定一個(gè)最佳的工作點(diǎn)。 5) 整體性能是由每一定量的汽油行駛的公里數(shù)和排放疊加的結(jié)果。 4. 扭矩分離控制策略（ Torque Split Control Strategy） 下面介紹本田 Insight 的扭矩分離策略，此策略是根據(jù)車速和 從離合器傳遞過來的扭矩需求，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)應(yīng)該輸出的輔助扭矩，剩余的扭矩則由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，與電氣輔助控制策略的不同之處是汽車沒有純電動(dòng)工況，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在大多數(shù)情況下開啟。 根據(jù)有關(guān)資料的描述并參考當(dāng)今成型的發(fā)動(dòng)機(jī)軸動(dòng)力組合式 PHEV所采用的能量管理策略可知，目前可應(yīng)用于輕型混合動(dòng)力汽車相對(duì)成熟的整車控制策略是電氣輔助式控制策略和轉(zhuǎn)矩分離控制策略。 具體到輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)下：控制策略流程如下： 35 圖 扭矩分離控制策略流程圖 圖 中， rT 為離合器所需求的轉(zhuǎn)矩， mineT 為電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求輸出的最小扭矩，minSOC 為電池充電狀態(tài)的最小值。 參數(shù)的輸入 整車參數(shù)的設(shè)定 根據(jù)第二章主要?jiǎng)恿Σ考倪x型，第三章計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)需要的幾個(gè)參數(shù)，ADVISOR 仿真軟件中所選的仿真車輛整體參數(shù)設(shè)置如表 所示。 開始 計(jì)算 Tr 制動(dòng)？ 第一檔？ miner TT? SOC＜ SOCmin 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式 制動(dòng)模式 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式 電池充電模式 N Y Y N N N Y Y 36 表 整車參數(shù)列表 整車參數(shù) 參數(shù)值 重力加速度（2sm） 整車質(zhì)量（ kg ） 1150 空氣密度（3mkg） 空氣阻力系數(shù) 0． 25 迎風(fēng)面積（ 2m ） 重心高度 軸距（ m ） 滾動(dòng)阻力系數(shù) 傳動(dòng)效率 部件參數(shù)設(shè)定 根據(jù)上述的整車參數(shù)以及第三章所要求的動(dòng)力性指標(biāo)，最大車速 maxau ≥ 190 hkm ，在車速 v = hkm 時(shí)爬坡度 i ≥ 15%，原地起步至 100 hkm 的加速時(shí)間 t ≤ 12s。由于經(jīng)過自動(dòng)尺寸計(jì)算后的結(jié)果與部件功率需求計(jì)算的結(jié)果大致相同，為了保證混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性要求，具體部件參數(shù)如下： 圖 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線圖 計(jì)算結(jié) 果發(fā)動(dòng)機(jī)功率為 ，綜合考慮到汽車單獨(dú)驅(qū)動(dòng)最高車速要求和爬坡能力要求，在混合驅(qū)動(dòng)工況工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被控制在最小油耗下運(yùn)行。因此要加 12% 37 的功率裕量，最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為 ，為了減少 HEV加速時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)功率需求和保證汽車在純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工況時(shí)整車的動(dòng)力性能，最后發(fā)動(dòng)機(jī)選擇 Saturn （ 63KW） SOHC SI Engine，最大功率為 63kw（ 5500rpm） ，峰值扭矩為 145Nm（ 2020rpm） ，發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性如圖 所示。 電動(dòng)機(jī)采用 ADVISOR 里的 Honda 永 磁電機(jī)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均以 49kw 的原始電機(jī)按比例縮小。 蓄電池 NIMH 電池，一個(gè)模組共有 6 個(gè)單元電池，每個(gè)單元電池電壓為 ，容量為 。 選擇測(cè)試的設(shè)置 選擇測(cè)試循環(huán)工況 汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性常用一定運(yùn)行工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油消耗量能使汽車行駛的里程來衡量。在我國(guó)及歐洲，燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的單位為kmL100 ，其數(shù)值愈大，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性愈差。美國(guó) MPG 即每加侖燃油能行駛的英里數(shù)。這個(gè)數(shù)值愈大，燃油經(jīng)濟(jì)性愈好。等速百公里燃油消耗量曲線是 常用的一種評(píng)價(jià)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。 在額定載荷在，以最高擋在良好水平路面上測(cè)得的燃油消耗量曲線并沒有全面反映汽車的實(shí)際運(yùn)行狀況，特別是在失去行駛中頻繁出現(xiàn)的加速、減速、怠速駐車等行駛工況，這些會(huì)使車輛的能量消耗發(fā)生變化，給設(shè)計(jì)計(jì)算帶來一定的困難。為了模擬研究混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力和功率在行駛過程中的動(dòng)態(tài)變化的基本情況，采用了各種統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況，來規(guī)范車輛在行駛過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此各國(guó)都制定了一些典型的循環(huán)行駛實(shí)驗(yàn)工況來模擬實(shí)際汽車運(yùn)行狀況，并以其百公里油耗來評(píng)定相應(yīng)行駛工況的燃油經(jīng)濟(jì)性。在 ADVISOR 中的循環(huán)工況由逐秒計(jì)算的車速曲線組成。 評(píng)價(jià)整車性能的循環(huán)工況主要有以下三種， 如圖 所示， 分別是 ECEEUDC（ Economic Commission for Europe—Europe Urban Dynamometer Cycle）、 UDDS（ Urban Dynamometer Driving Schedule） 和 HWFET（ High Way Fuel Economy Test） 。表 是三種循環(huán)工況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。 38 圖 三種典型的道路循環(huán)工況 39 表 三種循環(huán)工 況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 循環(huán)名稱 特征數(shù)據(jù) ECEEUDC UDDS HWFET 循環(huán)周期（ S） 1225 1369 765 行駛距離（ km） 1 16.51 最 大 速 度（ hkm ） 120 9 96.4 平 均 速 度（ hkm ） 3 77.58 最大加速度（2sm） 1.48 3 最大減速度（2sm） 1.48 平均加速度（2sm） 0.5 9 平均減速度（2sm） 0.22 怠速時(shí)間（ s） 339 259 6 停車次數(shù) 13 17 1 選擇性能測(cè)試 性能測(cè)試的主要目的是確定混合動(dòng)力系統(tǒng)是否能滿足動(dòng)力性能設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)的動(dòng)力性能指標(biāo)在二、三章中基本確定利用 ADVISOR 主要進(jìn)行加速度性能測(cè)試和爬坡性能 測(cè)試。 （ 1） 加速度性能測(cè)試 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的加速度，是指車輛在良好、平坦的路面上，克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力之后，并假設(shè)爬坡度為零，原動(dòng)機(jī)的后備功率全部用來提高車輛的速度。加 40 速性能對(duì)汽車的平均行駛速度有很大的影響，通常用車輛的速度從 0 或某一低速加速到某一更高的速度所需要的時(shí)間，用于衡量混合動(dòng)力汽車的加速性能。 如圖 所示，ADVISOR 可以仿真 3 組從初速度加速到末速度所需要的最短時(shí)間、某一時(shí)間段內(nèi)車輛行駛的最大距離、行駛某一段距離所需要的最短時(shí)間、最大加速度和最大速度。設(shè)置結(jié)果如下： 1) 設(shè)置換擋延遲時(shí)間為 . 2) 設(shè)置電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力單元同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，設(shè)置電池組的 SOC 初始值為 . 3) 設(shè)置加速測(cè)試時(shí)整車重量為 1150kg. 4) 設(shè)置 3 組測(cè)試目標(biāo)，分別是 0~100 hkm 、 60~100 hkm 、 0~150 hkm 車輛運(yùn)行的最短時(shí)間和車輛的最大速度。 41 圖 加速性能測(cè)試設(shè)置 （ 2） 爬坡度性能測(cè)試 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的爬坡能力，是指車輛在良好、平坦的路面上，克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力后，并假設(shè) 加速度為零，原動(dòng)機(jī)的后備功率在穩(wěn)定車速條件下全部用來爬坡，克服坡度阻力時(shí)所能爬上的坡度。 如圖 所示， ADVISOR 中爬坡性能測(cè)試設(shè)置主要保括： 1) 按爬坡性能要求設(shè)置基本參數(shù)，如平均速度、爬坡車速、持續(xù)時(shí)間、變速器檔位等。 2) 設(shè)置動(dòng)力系統(tǒng)，第一檔位時(shí)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供動(dòng)力。 3) 設(shè)置爬坡時(shí)整車質(zhì)量，可以使用當(dāng)前質(zhì)量，也可以手動(dòng)輸入測(cè)試質(zhì)量。 42 4) 設(shè)置其它的約