【正文】 但是實車實驗耗費時間比較長，成本費用較大，而且道路條件復雜，實際操 作比較困難，本文僅從理論研究的角度出發(fā)，通過整車仿真的方法來分析車輛的動力性和經(jīng)濟。制定了如圖 的驅(qū)動過程流程圖，其中 Pm 為電動機功率， Pe 為發(fā)動機輸出的功率， Pt 為車輛行駛過程中所需的驅(qū)動功率， Pch 是動力電池補充充電功率。根據(jù)城市運行工況的特點把車速的上限設為 VH=80 km/h，車速的下限設為 VL=40 km/h。本文根據(jù)動力電池的 SOC 和車輛的行駛車速把車輛的運行狀態(tài)分為以下九個區(qū)域，每個區(qū)域中注明了相應的驅(qū)動模式，如下圖 所示。在電量保持模式中，發(fā)動機提供整車所需的全部功率，動力電池的 soc 會保持在一個比較穩(wěn)定的值（一般是 左 右），在發(fā)動機的功率富余時，會通過電機向動力電池補充充電。 圖 PHEV 混合驅(qū)動模式運行特性 24 電量保持模式 當車輛運行一段時間或駛過一定里程之后，動力電池的電量會逐漸降低到一個較小的值，此時為了防止電池過度放電和保證車輛行駛所需要的功率，動力電池會停止向電機供電，由發(fā)動機來驅(qū)動，車輛就進入了電量保持階段。插電式混合動力汽車具有外接充電的插口，而且動力電池容量比較大，一般都會選用以電機為主導的控制策略。如果車輛行駛過程中所需要的大部分能量由發(fā)動機來提供，電動機只是用來平衡發(fā)動機運行過程中負載的波動，此時就是以發(fā)動機為主導的控制策略。一般混合動力車輛的電機功率比較大，可以滿足在城市工況下的低速行駛，如果車輛在高速大負荷條件下運轉(zhuǎn)，動力電池通過電動機輸送給驅(qū)動橋的功率可能不能滿足汽車所需的動力性要求，故此種策略適合在短途低速的城市工況條件下使用。如圖 和圖 的左邊部分所示，這 個過程中根據(jù)發(fā)動機是否參與驅(qū)動，又可以分為純電動模式（ AllElectric Mode）和混合驅(qū)動模式（ Blended Mode）。為了使車輛具有理想 的動力性、燃料經(jīng)濟性和排放性能，需要制定比較合理的能量管理策略，平穩(wěn)切換車輛的工作模式，能滿足車輛當前驅(qū)動功率，使動力電池組保持在比較合理的荷電狀態(tài)。 插電式混合動力汽車電池組工作模式分析 插電式混合動力汽車具有外部充電插口，可以在家庭電網(wǎng)或者公共設施站點進行補充充電，比傳統(tǒng)的油電混合動力汽車具有更高的電池容量，能夠具有較長純電動續(xù)駛里程。 基于 AER 的插電式混合動力汽車控制策略 為了充分發(fā)揮混合動力車輛能夠適時補充充電的優(yōu)勢，獲得較好的燃料經(jīng)濟性和排放性能，就要充分發(fā)揮動力電池的潛在功率，使車輛獲得盡可能多的純電動續(xù)駛里程 (AllElectricRang： AER)。 （ 4）自適應控制策略 自適應控制策略是一種基于瞬時優(yōu)化方法的控制策略，可以通過識別外界環(huán)境的變化來調(diào)整控制參數(shù)，自動校正控制動作，從而使能量損失最少，達到理想的控制效果。 （ 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)動機效率的 Map 圖，通過選擇幾個變量參數(shù)如整車驅(qū)動時的需求功率、發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速、動力電池的 SOC 等作為門限值，并根據(jù)預先設定的規(guī)則，來判斷選擇合適的混合動力系統(tǒng)的工作模式，確定發(fā)動機和動力電池組之間的能量分 配關(guān)系，進而使車輛運行在高效區(qū)。這種方法以生物學中的神經(jīng)細胞的網(wǎng)絡傳遞過程為特征，通過信息分布式存儲和數(shù)據(jù)的并行處理來實現(xiàn)控制過程，模擬人的大腦處理信息的方式來進行信息整合處理，具有一定的自學能力 ，因而自適應能力比較好，而且具有很好的非線性逼近能力。模糊控制策略具有很好的魯棒性，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性好，具有很好的應用前景，但就目前的研究水平而言，對于如何確定合理隸屬度函數(shù)、建立科學的模糊規(guī)則尚有待完善，由于控制規(guī)律對于多變系統(tǒng)不能自動調(diào)整，系統(tǒng)動態(tài)性能較差。該控制策略的核心就是模糊控制器，由模糊規(guī)則庫、推理過程、變量模糊化過程和去模糊化過程組成。 插電式混合動力車輛 控制策略概述 隨著國內(nèi)外學者對插電式混合動力車輛研究的日益加深，對其控制策略的研究也逐漸深入，目前比較常用的控制方法主要分為以下幾種：模糊邏輯控制策略、神經(jīng)網(wǎng)絡控制策略、基于規(guī)則 的邏輯門限值控制策略、自適應控制策略。為了使各個部件之間協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，獲得良好的動力性、燃料經(jīng)濟性和排放性能，就需要制定合理的能量控制策略，使能量流、信息流和物質(zhì)流能夠高效協(xié)調(diào)工作，使插電式混合動力汽車的雙動力得到高 效合理的利用，充分發(fā)揮其 零排放低油耗 的獨特優(yōu)勢。 空氣阻力 wF 用以下公式計算： 2adw uACF ??? （ 312） 車質(zhì)量和路面坡度：爬坡阻力主要取決于汽 ?sinmgFi ? （ 313） 20 的質(zhì)量和加速度： 決于整車動時的慣性力，主要取駛時克服其質(zhì)量加速運加速阻力是汽車加速行 dtdumFj ?? （ 313） 轉(zhuǎn)換為對距離的積分，則有： dsdumuF aj ?? ? (314) 22202 111 riiImr Im tgfw ?? ??? ? (315) 式中： dtdu 為汽車加速度，單位 sm/ ； 為車輪的轉(zhuǎn)動慣量wI ； 為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；fI 其中 ? 車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。在忽略地面?zhèn)认蛄囕嗱?qū)動力的影響時 ，通常把車輛簡化為線性系統(tǒng)，僅僅考慮車輛受到的行駛阻力來建立車輛的縱向行駛方程式： wjift FFFFF ???? （ 310） 式中： tF 驅(qū)動時為牽引力，單位 N ； fF 為滾動阻力，單 位 N ； iF 為爬坡阻力，單位 N ； wF 為空氣阻力，單位 N ； jF 為加速阻力，單位 N 。 同理轉(zhuǎn)換到對距離的積分， soc 表達式為 mas00 u I ( s ) O CS O C Ｑ?? ? (39) 汽車行駛動力學模型 在對汽車進行使用性能分析時離不開對汽車的動力系統(tǒng)進行建模，建模過程中最關(guān)心的是車輛速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和動力系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 可以通過歐姆定律近似求解動力 電池的端電壓： )()( so cRIso cEU b??? （ 36） 其中 內(nèi)阻態(tài)變化的電池電動勢和分別為隨電池的荷電狀和 )()( s o cRs o cE ，它們是關(guān)于 soc 的函數(shù)。電路圖如 所示。 速性能。 動力電池的能量密度是動力電池輸出的能量與所占體積的比值，即單位體積的電池能夠提供的能量。 圖 電機轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速關(guān)系圖 18 電池模型 動力電池作為混合動力汽車的儲能動力源，在車輛純電動運行的過程中發(fā)揮著極其重要的作用，在分析動力電池的性能時首先應該從以下幾個性能指標入手： （ state of charge） 荷電狀態(tài)（ SOC）是指參加反應的電池的容量與電池充滿狀態(tài)時的容量的比值。電機的工作區(qū)域分為兩個部分，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域和恒功率區(qū)域，在轉(zhuǎn)速比較低時如圖所示，電機的輸出的轉(zhuǎn)矩保持定值，當電機轉(zhuǎn)速超過一定的范圍時，電機的轉(zhuǎn)矩逐漸降低，此時電機的輸出功率保持不變，隨轉(zhuǎn)速升高，電機轉(zhuǎn)矩逐漸下降。本文采用永磁無刷電機作為混合動力汽車的驅(qū)動電機，其功率參數(shù)見表 。 為了方便比較，需要把對時間積分的發(fā)動機油耗計算轉(zhuǎn)化為對距離積分的，把式（ 33）帶入（ 32）即有： dsubPss aee?? 01000Q （ 34） 。 表 主要部件的參數(shù) 整車性能參數(shù) 數(shù)值 空載整車質(zhì)量 0m /kg 1625 滿載整車質(zhì)量 m/kg 2125 滾動阻力系數(shù) f 車輪半徑 r/m 空氣阻力系數(shù) dC 車身迎風面積 / 2A/m 發(fā)動機排量 /L 最大功率（ kw） /轉(zhuǎn)速（ r/min） 65/6000 主減速器速比 0i 電機類型 永磁無刷直流電機 電機額定功率 /kw 25 電機峰值功率 /kw 45 動力電池 Liion 電池容量 /( hA? ) 32 電池額定電壓 /v 340 插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)建模 發(fā)動機模型 發(fā)動機采用的是排量為 一款四缸汽油發(fā)動機，由于缺少比較精準的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與油耗的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)汽車理論中的經(jīng)驗公式給出發(fā)動機的燃油消耗量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率之間的關(guān)系，如下所示： 3600Qt ee bP?? （ 31） 式中的 kw單位為發(fā)動機發(fā)出的功率，eP ； )/(b hkwge ?單位為汽油的燃油消耗率， 。 在車輛高速運行時，為了使發(fā)動極轉(zhuǎn)速始終工作在最低燃油消耗區(qū)，發(fā)動機和電動機之間采用轉(zhuǎn)速耦合方式，此時離合器 2C 斷開，中斷了從電動機到齒輪Z2 的動力傳遞，離合器 1C 和 3C 結(jié)合，制動器 B1 和 B2 斷開，此時發(fā)動機發(fā)出的動力經(jīng)過齒輪 Z3 和 Z4 傳到齒圈，電動機輸出的動力經(jīng)過離合器 3C 傳到太陽輪，驅(qū)動車輪與行星架相連，此時構(gòu)成了行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合結(jié)構(gòu)，車輛運行速度是發(fā)動機和電動機轉(zhuǎn)速的線性代數(shù)和。 在低速運行時，要求車輛采用轉(zhuǎn)矩耦合方式來滿足起步加速以及爬坡等大轉(zhuǎn)矩工況要求，此時斷開離合器 3C ，結(jié)合制動器 B1 ，太陽輪被鎖止，從電動機到太陽輪之間的動力傳遞中斷，離合器 1C 和 2C 結(jié)合，制動器 B2 斷開，此時電動機輸出的轉(zhuǎn)矩通過離合器 2C 傳遞到齒輪 Z2 ，發(fā)動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩通過 Z1 和 Z2 疊加 后，經(jīng)過離合器 1C 、齒輪 Z4 、齒圈、行星架傳遞給驅(qū)動車輪。為探究混合動力汽車的 動力耦合方式及其工作方式具有很好的研究價值。為了能夠很好的對不同工況的動力性和經(jīng)濟性進行縱向比較，本文通過微積分變換，把基于對時間所求的評價指標轉(zhuǎn)化為基于距離的評價指標。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的耦合系統(tǒng)相比，功率耦合系統(tǒng)在對發(fā)動機最佳工作點的標定和整車性能的提高方面都更具優(yōu)越性。因此可以通過不斷調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動機工作在油耗最低點附近，但電動機的頻繁調(diào)整不但使車輛的舒適性降低，還會使經(jīng)濟性有所 下降，所以通常的做法是將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速限定在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)，通過調(diào)整電動機的電流來平衡車輛的負載波動，從而使經(jīng)濟性能大大提高。還可以通過連續(xù)調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)車速的無極變化，因此采用轉(zhuǎn)速耦合裝置的混合動力汽車不需要安裝無級變速器就可以實現(xiàn)整車的無級變速。 采用轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)的混合動力電動汽車，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和電動機轉(zhuǎn)矩具有線性約束關(guān)系，不能單獨調(diào)節(jié)控制，發(fā) 動機的轉(zhuǎn)速可以自由調(diào)節(jié)。當固定不同的部件時，行星齒輪機構(gòu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性如下表所示： 表 行星齒輪各部件轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性 鎖定部件 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 太陽輪 212123 1 Ti iT ??? 112123 i1 i ?? ?? 齒圈 1123 1 TiT ）（ ??? 1123 i1 1 ?? ?? 行星架 2121 1TiT? 2121 i ?? ? 本 章小結(jié) 在采用轉(zhuǎn)矩耦合裝置的混合動力電動汽車中，可以調(diào)節(jié)控制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，但發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速具有固定的線性關(guān)系，不可以單獨控制。 圖 行星齒輪 機構(gòu) 首先鎖定行星架，即 03?? ，此時從太陽輪到齒圈的傳動比可表示為： 122121 i zz?? ?? （ 26） 13 1? 和 2? 分別是太陽輪和齒圈的角速度， 1z 和 2z 分別是太陽輪和齒圈的齒數(shù)，定義逆時針方向為正角速度方向，因太陽輪和齒圈具有不同的旋轉(zhuǎn)方向，故傳動比為負。 在車輛高速運行時，為了控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速始終工作在經(jīng)濟區(qū)域，此時齒圈與電動機 MG2 脫離嚙合，直接與驅(qū)動橋相連，發(fā)電機 1MG 工作在電動機狀態(tài)，1MG 和發(fā)動機構(gòu)成單行星排的轉(zhuǎn)速耦合裝置，通過不斷調(diào)節(jié) 1MG 的電磁轉(zhuǎn)矩進而平衡車輛運行中載荷的波動，使發(fā)動機保持在經(jīng)濟、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)區(qū)域 [1719]。該裝置實際上可以看作是單行星排的轉(zhuǎn)速耦合裝置與雙軸式齒輪轉(zhuǎn)矩耦合裝置集成而得到的。 12 （ a)結(jié)構(gòu)簡圖 (b)模型簡圖 圖 豐田 THSⅡ結(jié)構(gòu)原理簡圖 如圖 為豐田 Prius 的 THS II 系統(tǒng)的功率 耦合裝置簡圖，即單行星排功率耦合裝置。而發(fā)動機和電動機的轉(zhuǎn)矩 1T 、 2T 存在