【導(dǎo)讀】活，成為重要的運輸及代步工具。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，也必須面的汽車帶來的負面影響：環(huán)境污染和過度能源消耗。上空氣污染最嚴重的10個城市7個在中國。安全技術(shù)，而本世紀初，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)國產(chǎn)汽車的排放污染比較嚴重。現(xiàn)行的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的限制水平遠。低于發(fā)達國家，如一氧化碳的限值是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的8倍，而碳氫和氮氧化物更高達l0倍。但混合動力汽車與傳統(tǒng)的汽油汽車對比，它不單純是發(fā)動機的簡單替換，其設(shè)計、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。雖然人們普遍認為未來是電動汽車的天下，但是目前的。方式組成SHEV的動力單元系統(tǒng)。負荷小時由電池驅(qū)動電動機帶動車輪轉(zhuǎn)動，負荷大時。步，上海、廣州也將一步和國際接軌。

　　

【正文】 機的動力性還需要滿足純發(fā)動機驅(qū)動時的爬坡要求： 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 ， 傳動效率 T? =，滾動阻力半徑系數(shù) f =。以及動力性指標(biāo)最大車速 maxau ≥ 190 hkm ，在車速 v= hkm 時爬坡度 i≥ 15%，原地起步至100 hkm 的加速時間 t≤ 12s。 綜合上述滿足發(fā)動機單獨驅(qū)動最高車速要求（ 公 式 ）和一檔爬坡能力要求（ 公式 ），計算得到 ，考慮到汽車在混合驅(qū)動工況工作時，發(fā)動機被控制按最小油耗特性運行，加上 12%（ 10%或 8%10%）的功率裕量，以減少對 ISG 的功率需求和提高汽車在純發(fā)動機驅(qū)動時的 動力性能。最后確定的發(fā)動機功率為 ，用以上的結(jié)果為參考，因為 ADVISOR 中特別提供了自動尺寸功能和比例計算功能，具體的參數(shù)選擇還可以依據(jù) ADVISOR 的計算結(jié)果來設(shè)定。 在 ISG 型混合動力汽車 中， ISG 電機的作用是在起動、加速和爬坡時帶動或輔助發(fā)動機工作。在汽車輕載和減速時， ISG 又起到發(fā)電機的作用。整個行駛過程中并不存在純電動工況，所以無需大功率電動機。 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)在滿足整個動力傳動系統(tǒng)節(jié)能目標(biāo)值 的前提下，從經(jīng)濟性和制造成本兩方面均衡考慮。對于ISG 電機的功率選擇我們可以參考其他公司研制的發(fā)動機軸動力組合式 PHEV 的動力匹配，如 Insight 車型和 Prius 車型等。西門子公司生產(chǎn)的啟動 /發(fā)電一體化電機，最高功率達到 8Kw，瞬時超大功率可達到 15Kw。因此對于 ISG 電機的功率選擇在這個范圍內(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 /發(fā)電機）型輕度混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)的布置方案，描述了它的工作原理，部分功率 需求的計算，簡要介紹了論文使用到的混合動力仿真軟件 — ADVISOR 的相關(guān)情況。 33 第 4 章 混合動力汽車控制策略及仿真 混合動力 汽 車的控制策略 混合動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，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)動機作為汽車的主驅(qū)動，電動機驅(qū)動只是用來復(fù)制發(fā)動機的。同時保證電池的 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，電機運行。 2) 當(dāng)汽車所需的扭矩大于發(fā)動機能提供的最大扭矩時，電機提供輔助扭矩。 3) 當(dāng)汽車在給定轉(zhuǎn)速下運行在低效率時，發(fā)動機會關(guān)機，由電機提供所需的轉(zhuǎn)矩。 4) 當(dāng)電池充電狀態(tài)過低時，發(fā)動機會提供額外的轉(zhuǎn)矩給電機，用來給電池發(fā)電。 5) 制動能量再生時，電機給電池充電。 當(dāng)蓄電池 SOC 狀態(tài)值大于允許的最低 SOC 狀態(tài)值時，若車速小于設(shè)定的最小車速的時 候，此時發(fā)動機不工作，汽車行駛所需的扭矩全部由電動機提供，汽車在純電動狀態(tài)下工作，實現(xiàn)“零油耗”和“零排放”；當(dāng)車速大于設(shè)定的最小車速時，若此時的扭矩比規(guī)定的發(fā)動機扭矩小，也由電動機提供，這是為了保證發(fā)動機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)的時候，發(fā)動機總是運行在高效范圍內(nèi)，可以改善汽車的燃油經(jīng)濟性和尾氣排放。 當(dāng)電池 SOC 狀態(tài)小于允許的最低 SOC 狀態(tài)時，電動機不工作，若所需要的扭矩小于發(fā)動機的最小扭矩時，發(fā)動機實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)動機的最小扭矩時，發(fā)動機實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，同時保證發(fā)動機 34 的工作點維持在高效范圍內(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)動機世紀發(fā)出多少轉(zhuǎn)矩，電氣輔助控制策略在需要發(fā) 動機提供扭矩的基本上將發(fā)動機的扭矩再提高一些，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)和扭矩比來對發(fā)動機進行修正。 3. 自適應(yīng)控制策略（ Adaptive Control Strategy） 自適應(yīng)控制策略也稱為實時控制策略，通過規(guī)定了 5 個數(shù)值（能源消耗， HC， CO，xNO 和永磁電機的輸出轉(zhuǎn)矩）的相互協(xié)調(diào)，并且標(biāo)準(zhǔn)化了平均時間燃油經(jīng)濟性和排放性能，確定了全面的影響功能。自適應(yīng)控制策略有如下的特點： 1) 發(fā)動機，排氣消耗，電動機以及電池組的即時效率都包括 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)動機，電動機和電池的溫度，可以利用的再生制動的數(shù)量，汽車行駛時的再生能量的計算。 3) 這里可以事先規(guī)定燃油經(jīng)濟性和排放目標(biāo)。 4) 對每個要求目標(biāo)（例如一個給定速度），自適應(yīng)控制策略從電動機和發(fā)動機合成的扭矩所可能的全部邊界上確定一個最佳的工作點。 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，計算出電動機應(yīng)該輸出的輔助扭矩，剩余的扭矩則由發(fā)動機提供，與電氣輔助控制策略的不同之處是汽車沒有純電動工況，所以發(fā)動機在大多數(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)動機軸動力組合式 PHEV所采用的能量管理策略可知，目前可應(yīng)用于輕型混合動力汽車相對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 為電動機運轉(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)第二章主要動力部件的選型，第三章計算發(fā)動機功率時需要的幾個參數(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 計算 Tr 制動？ 第一檔？ miner TT? SOC＜ SOCmin 混合動力驅(qū)動模式 制動模式 發(fā)動機單獨驅(qū)動模式 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 ） 滾動阻力系數(shù) 傳動效率 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力性指標(biāo)，最大車速 maxau ≥ 190 hkm ，在車速 v = hkm 時爬坡度 i ≥ 15%，原地起步至 100 hkm 的加速時間 t ≤ 12s。由于經(jīng)過自動尺寸計算后的結(jié)果與部件功率需求計算的結(jié)果大致相同，為了保證混合動力汽車的動力性要求，具體部件參數(shù)如下： 圖 發(fā)動機萬有特性曲線圖 計算結(jié) 果發(fā)動機功率為 ，綜合考慮到汽車單獨驅(qū)動最高車速要求和爬坡能力要求，在混合驅(qū)動工況工作時，發(fā)動機被控制在最小油耗下運行。因此要加 12% 37 的功率裕量，最終確定發(fā)動機的功率為 ，為了減少 HEV加速時對電動機功率需求和保證汽車在純發(fā)動機驅(qū)動工況時整車的動力性能，最后發(fā)動機選擇 Saturn （ 63KW） SOHC SI Engine，最大功率為 63kw（ 5500rpm） ，峰值扭矩為 145Nm（ 2020rpm） ，發(fā)動機萬有特性如圖 所示。 電動機采用 ADVISOR 里的 Honda 永 磁電機，各項數(shù)據(jù)均以 49kw 的原始電機按比例縮小。 蓄電池 NIMH 電池，一個模組共有 6 個單元電池，每個單元電池電壓為 ，容量為 。 選擇測試的設(shè)置 選擇測試循環(huán)工況 汽車的燃油經(jīng)濟性常用一定運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。在我國及歐洲，燃油經(jīng)濟性指標(biāo)的單位為kmL100 ，其數(shù)值愈大，汽車燃油經(jīng)濟性愈差。美國 MPG 即每加侖燃油能行駛的英里數(shù)。這個數(shù)值愈大，燃油經(jīng)濟性愈好。等速百公里燃油消耗量曲線是 常用的一種評價汽車燃油經(jīng)濟性的指標(biāo)。 在額定載荷在，以最高擋在良好水平路面上測得的燃油消耗量曲線并沒有全面反映汽車的實際運行狀況，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，這些會使車輛的能量消耗發(fā)生變化，給設(shè)計計算帶來一定的困難。為了模擬研究混合動力電動汽車的驅(qū)動力和功率在行駛過程中的動態(tài)變化的基本情況，采用了各種統(tǒng)計循環(huán)工況，來規(guī)范車輛在行駛過程中的動態(tài)響應(yīng)，因此各國都制定了一些典型的循環(huán)行駛實驗工況來模擬實際汽車運行狀況，并以其百公里油耗來評定相應(yīng)行駛工況的燃油經(jīng)濟性。在 ADVISOR 中的循環(huán)工況由逐秒計算的車速曲線組成。 評價整車性能的循環(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。 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 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 怠速時間（ s） 339 259 6 停車次數(shù) 13 17 1 選擇性能測試 性能測試的主要目的是確定混合動力系統(tǒng)是否能滿足動力性能設(shè)計要求，本系統(tǒng)的動力性能指標(biāo)在二、三章中基本確定利用 ADVISOR 主要進行加速度性能測試和爬坡性能 測試。 （ 1） 加速度性能測試 混合動力電動汽車的加速度，是指車輛在良好、平坦的路面上，克服滾動阻力和空氣阻力之后，并假設(shè)爬坡度為零，原動機的后備功率全部用來提高車輛的速度。加 40 速性能對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間，用于衡量混合動力汽車的加速性能。 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間、某一時間段內(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)置換擋延遲時間為 . 2) 設(shè)置電力驅(qū)動系統(tǒng)和輔助動力單元同時進行驅(qū)動，設(shè)置電池組的 SOC 初始值為 . 3) 設(shè)置加速測試時整車重量為 1150kg. 4) 設(shè)置 3 組測試目標(biāo)，分別是 0~100 hkm 、 60~100 hkm 、 0~150 hkm 車輛運行的最短時間和車輛的最大速度。 41 圖 加速性能測試設(shè)置 （ 2） 爬坡度性能測試 混合動力電動汽車的爬坡能力，是指車輛在良好、平坦的路面上，克服滾動阻力和空氣阻力后，并假設(shè) 加速度為零，原動機的后備功率在穩(wěn)定車速條件下全部用來爬坡，克服坡度阻力時所能爬上的坡度。 如圖 所示， ADVISOR 中爬坡性能測試設(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)時間、變速器檔位等。 2) 設(shè)置動力系統(tǒng)，第一檔位時選擇發(fā)動機單獨提供動力。 3) 設(shè)置爬坡時整車質(zhì)量，可以使用當(dāng)前質(zhì)量，也可以手動輸入測試質(zhì)量。 42 4) 設(shè)置其它的約