浅析混联式混合动力电动汽车控制策略.doc

桂 林 航 天 工 业 院浅析混联式混合动力电动汽车控制策略摘 要文章以汽车对社会环境、能源利用等相关问题影响为前提，首先通过对混联式混合动力电动汽车的研究与国内外发展现状的简单阐述，然后介绍了混联式混合动力电动汽车结构原理与控制策略，指出控制策略的技术研究是混联式混合动力电动汽车技术开发的核心之一，也是目前混联式混合动力电动汽车设计与研究的关键所在，最后得出混联式混合动力电动汽车在汽车市场巨大发展前景以及它在市场上的广泛应用。关键词 混联式；混合动力；电动汽车；控制策略目 录目 录21 绪论31.1本课题的研究意义31.2国内外研究现状41.2.1 我国混合动力电动汽车研究概况51.2.2 国外混合动力电动汽车研究概况62 混联式混合动力电动汽车的概述82.1 混联式混合动力动力电动汽车概念82.2 混联式混合动力电动汽车的特点82.3 混联式混合动力系统的节能潜力92.4 混联式混合动力电动汽车的排放问题92.5 混联式混合动力电动汽车分类103 混联式混合动力电动汽车结构与工作原理113.1 串联式混合动力电动汽车结构及工作原理113.2 并联式混合动力电动汽车结构及工作原理113.3 混联式混合动力电动汽车结构及工作原理124 混联式混合动力电动汽车控制策略概述144.1 混联式混合动力电动汽车的控制策略144.2 混联式混合动力电动汽车的工作模式及控制系统155 混联式混合动力电动汽车的主要部件及其应用165.1 控制方式165.2 电动机165.2.1 混联式混合动力电动汽车之电动机的发展概况165.2.2 混联式混合动力电动汽车对电动机的基本要求175.2.3 混联式混合动力电动汽车所用电动机的选择策略18 5.2.4 双凸极永磁电动机的简介185.3 混联式混合动力电动汽车车用镍氢动力电池195.3.1混联式混合动力电动汽车对动力电池的要求195.3.2车用动力电池的主要指标195.3.3镍氢动力电池的特点205.4国外主要的镍氢动力电池生产企业及国内现状215.4.1国外主要镍氢动力电池生产企业215.4.2国内镍氢动力电池研发现状22结 语23参考文献24致 谢251 绪论1.1本课题的研究意义 随着全球经济以及汽车工业的发展，汽车保有量也在逐年急剧增加，但汽车数量的增加却是城市大气污染的主要来源，因此世界各国纷纷制定一系列十分严格的排放法规，强制要求生产低油耗小排放的汽车。但是，尽管目前内燃机电控技术和三元催化等排气净化技术广泛应用，能够大幅度的降低汽车的排放以及耗油量，可是能源紧张和排放带来的环境污染问题还是没有从根本上得到解决。为此，全球的汽车制造商都寻找新的解决办法，把主要精力放在研究开发新型节能于污染的绿色汽车。 氢燃料电池动力汽车(fuel cell electric vehicle,简称fcev),燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机做功。氢燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污 染、无二氧化碳排放，是一种新型的环保动力源，另外，由于氢在地球中的蕴藏十分丰富，氢气来源极其广泛，可以说是取之不尽，用之不竭的能源。提取氢的方法非常方便，一是可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行；二是可通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。但是其缺点主要是成本高昂，可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏等因素，所以无法在短期内取代传统动力汽车。在这种情况下，混合动力电动汽车异军突起，是目前新型清洁动力汽车中最具 有产业化和市场化前景的车辆。混合动力电动汽车将两种或更多能量转换技术和一种或更多的能量存储技术集合为一体，使得混合动力电动汽车能够明显减少汽车排放和降低油耗，难能可贵的是可以达到与传统汽车同样的行驶里程，另外混合动力电动汽车燃料补充便利，节能、环保也是混合动力电动汽车的主要特点，表1.1是四种车型的比较。类型燃油消耗续驶里程排放电池寿命加油站 改造成本传统汽车100100100100ev030-500100300-400fcv5hev40-6010040-60300-10000130-160表1.1 四种车型的比较 注：表中数据表示比例关系从表1.1可以看出，ev和fcv都具有零排放的优点，但是燃料电池的比能以及技术发展仍然是制约其市场化的一大瓶颈，所以不能满足市场要求；hev的燃油消耗和排放都比传统汽车低，而且hev对电池的要求不高，并能满足日益严格的汽车尾气排放标准，当前，hev已经是汽车技术领域的一个重要的发展方向。但是，世界范围内更加严格的尾气排放标准的出台使得现有的混合动力电动汽车不能适应新形势的需要，其中大部分都存在着退市的危险，目前我国大部分汽车厂商对这种情况的处理方法基本上都停留在改进现有发动机的基础上，很少把发动机、排气系统和控制策略等因素进行综合考虑，已达到符合国iii标准的目的，所以系统的研究新型混合动力电动汽车就显得尤为重要。1.2国内外研究现状 混合动力电动汽车的研究始于上世界90年代。其中，较早地提出采用大速比变化范围的混合动力电动汽车传动系统设计的研究论文始见于1994年在英国召开的 nternational gearing conference。近几年，随着混合动力电动汽车(hev)技术发展，使得混合动力电动汽车有效地克服了传统汽车与纯电动汽车(ev)的缺点并兼顾了两者的优点，在世界范围内已成为新型车辆开发的热点，并且在降低汽车有害排放和燃油消耗方面的潜力已经得到广泛认可。自从1973年爆发了全球性石油危机之后，各国都开始重视节约能源的重要意义，制定混合动力电动汽车燃油经济性法规和加强替代燃料发动机的研究。其中，混合动力电动汽车就是最杰出的代表成果之一。混合动力电动汽车采用了发动机驱动系统和电机系统通过机械传动装置耦合在一起来驱动车辆行驶，使得车辆降低燃料消耗量，同时通过整车控制策略控制发动机、电池和电机在不同工况条件下，处于不同的工作模式，从而尽可能多的工作在各自的高效率区域，甚至还可以控制发动机的起停来取消发动机怠速运转，达到明显节能的目的。 据统计，在占80% 以上的道路条件下，一辆普通汽车仅利用了动力潜能的40%，在走走停停的繁华市区甚至还会降到25%。而混合动力电动汽车既可以发挥内燃机持续工作时间长, 动力性能好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声、能够回收动力的优点，取长补短，使汽车的热效率可提高40%以上，尾气排放可减少30%以上。另一方面，混合动力电动汽车在降低汽车有害排放方面的贡献是显而易见的，然而随着人们对环境保护力度的加大，更严格的汽车尾气排放标准也应运而生。 发达国家混合动力电动汽车技术比较成熟，同时它们还是加快尾气排放标准的制定与颁布。比如在欧洲，根据欧洲议会2006年底表决通过的欧盟委员会的一项规定，从2009年9月1日起，欧盟销售和行驶的民用车辆包括以柴油为燃料的汽车, 都要执行欧洲5号尾气排放标准。此前出厂的载重、工程和农用柴油车，如在欧 盟成员国境内使用，也需加装特殊的尾气过滤装置，以符合欧洲5号排放标准，不过实施日期可延缓一年。此外，从2009至2014年，欧洲汽车尾气排放控制将逐渐过渡到更加严格的欧洲6号标准。我国也在近期出台国iii标准，未达到国iii标准的新车均不能在市场上销售, 也就是说有部分车型正面临着退出汽车市场。从目前的情况看，国外各大汽车生产厂商可能会从混合动力电动汽车发动机、排气系统和控制策略等综合因素进行考虑，从而达到更加严格的排放标准，最终实现汽车产业的升级；国内汽车厂商由于技术和设备等原因，最可能会对原有车用发动机进行改造，已让整车满足国iii标准，或者是更新换代，推出下一代汽车。1.2.1我国混合动力电动汽车研究概况我国是石油资源十分紧缺的国家，我国的石油仅占世界石油资源的2%，从 1993年开始就己成为石油进口国。为应对能源紧缺问题问题，实现社会可持续性发展，我国政府很早就开始重视清洁高效汽车技术的开发。我国在“八五” 和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制。我国自主开发的hev要求节油率达到30%以上，已在几个城市投入示范线路。长安汽车(集团)有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装备集团公司的大力支持下，联合重庆大学承担了isg(integrated starter / generator)型混合动力长安轿车整车匹配项目，并己通过国家级验收。研制的混isg型混合动力轿车sc7130(玲羊)轿车的平台上开发，最高时速可达160km/h,加速性能与同档次的传统汽车相当，续驶里程大于500km,最大爬坡度25%，节油30%。但是由于我国混合动力电动汽车的研究工作起步比较晚，所以和国外的先进技术水平相比还有很大差距。我国的混合动力电动汽车只是在原油汽车上简单地加载发动机和发电机组，由于缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统，其结果 造成两种动力源只是简单结合，缺乏统一协调。加上国iii标准的出台，目前可以知道的是10万元以内的车型里有11个车型未达到国iii标准，并且退市车型以6 万元以下的车型为主；10万元以上车型里共有5个车型未达到国iii标准；mpv 多功能旅行车、suv车型里共有48个车型未达到国iii标准，并且退市车型以10 万元以下的经济型suv为主。国iii标准实施后，上述车型将暂时推出市场，但是其中只有小部分车型会停产，大部分车型还是会经过厂家对发动机的升级后重新回到市场。综上，生产厂商对发动机进行改进势必要增加生产的成本，而厂家会把这些成本加到车价上去，车价的提升必定会带来价格的提升，所以对发动机的升级不是满足国iii标准的最终出路。这种情况造成国内大部分汽车厂商的尴尬局面，所以研究在排放标准的前提下，对混合动力电动汽车进行系统的研究使其具有良好的动力以及燃油经济性能己经到了迫在眉睫的时候了。1.2.2 国外混合动力电动汽车研究概况上世纪九十年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力电动汽车。美国政府于1997年与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司 合作，实施新型汽车合作计划(pngv)，该计划制定的混合动力电动汽车开发的目标是：2002年进行试验性推广，2004年达到全面商业化生产。福特公司开发的“优异2000”概念车试验平台的性能己达到pncv计划的部分目标：每加仑汽油行驶80英里。在1999年末，本田公司在日本、美国等国陆续开始销售的小型混合动力轿车insight就被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第一名，实现了 35km / l的低油耗和80g / km的低co2排放量。第二名是丰田公司的prius混合动 力汽车。欧洲，最具代表的hev是法国的berlinge,在性价比上能与一般汽车相抗衡， 代表了国际实用先进水平。另外，瑞典沃尔沃公司也开发出了混合动力电动汽 车，时速可达90km。德国公司生产的并联式混合动力电动车duo己小批量生产, 因为德国实施了新的汽车排放标准，所以人们把目光更多的寄托在混合动力电动汽车身上。德国汽车工业也己实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里的油耗超过5升的轿车上路，这也将促使人们更多地把希望寄托在混合动力电 动汽车上。虽然，国外混合动力电动汽车技术成熟、设备先进。但是，欧洲5号排放标准对汽车尾气排放的限制更加严格表现在多方面。以柴油车为例，欧洲4号标准规定, 柴油小客车的氮氧化物排放量为每公里250毫克以下，载重卡车为390毫克以下, 而欧洲5号标准对此的限制分别为180毫克和280毫克。欧洲6号标准则更进一步, 规定柴油小客车氮氧化物的排放量每公里不得超过80毫克，载重卡车不超过125 毫克。也就是说，8年之后，欧盟行驶的各类汽车，氮氧化物排放量将比现在减 少三分之二以上。例如，目前风靡欧洲的suv几乎100%使用柴油燃料，为加强环保，欧盟特地限定这一车型将于2012年提前两年实行欧洲6号排放标准。所以说，为了达到新的标准，各大汽车生产商必需对发动机、排气系统和控制策略等进行改造，以及对燃料进行深入的环保研究，最终实现产业升级。综上所述，从国内外的研究情况可以看出新型汽车尾气排放标准的推出，可以推动汽车产业的再次升级。当前世界汽车产业己经进入成熟发展期，随着世界汽车保有量的越来越大，而减少汽车尾气排放，不仅关系到气候变化，同时也是未来汽车企业增加竞争力的重要手段，谁能占据主动，谁就可能成为行业的领跑者。一旦汽车尾气排放的研究取得突破，必将产生巨大的经济和环保效益。 2 混联式混合动力电动汽车的概述2.1 混联式混合动力动力电动汽车概念汽车己与人们的日常生活和生产密不可分。然而，众多的燃油汽车排放所造成空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使开发低排放，低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，电动汽车成为最主要的选择之一。所谓混合动力电动汽车，是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单 元(apu)，其中apu是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前所釆用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机。将产生动力的部件与电能储存元件与不同的方式结合起来，可以形成不同类型的混合动力电动汽车。简而言之，混合动力电动汽车就是将传统的内燃机、电力驱动装置和储能装置结合在一起,它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。2.2 混联式混合动力电动汽车的特点混联式混合动力电动汽车的结构特点与串联式和并联式混合动力电动汽车比较，混联式混合动力电动汽车的结构特点如下： 1）将串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力电动汽车相结合，具有两者的优点; 2）与串联式混合动力电动汽车相比，增加了机械动力的传递路线; 3）与并联式混合动力电动汽车相比，增加了电能的传输路线。 混联式混合动力电动汽车的优点 1）三个动力总成比串联式混合动力电动汽车三个动力总成的功率、质量和体积小。 2）有多种工作模式，节能最佳，有害气体排放达到“超低污染”。 3）发动机可直接驱动车辆，没有机械能-电能-机械能的转换过程，能量转换的综合效率比内燃机汽车高。 4）电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速大转矩特性，带动车辆起步，可在城市中实现“零污染”行驶。当车辆需最大输出功率时，电动机可给发动机提供辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃料经济性比串联式混合动力电动汽车好。2.3 混联式混合动力系统的节能潜力传统汽车相比混合动力电动汽车耗油的原因主要有以下几种：1 发动机燃油消耗率特性和汽车实际行驶工况的需求不匹配；2 制动能量的消耗（特别是在城市市区行驶)；3 带有液力变矩器的汽车在频繁起停的时候传动效率很低。混合动力电动汽车相比传统ice汽车之所以节油，主要结合上述在以下方面有所改进：1作为动力装置的发动机尺寸有所减小。2通过控制能使发动机工作点尽量靠近或在发动机最优经济区域,提高发动机工作效率，不足动力由电机补充。3在汽车制动时，控制电机以发电机模式工作进行回馈制动，将汽车的动能或势能部分回收。4在频繁起停工况下：汽车停车时，若电池荷电状态处于合理范围，将发动机关闭，节省发动机怠速油耗；在汽车起动时，由电机单独驱动，能避免带有液力变矩器的汽车在起动时的传动效率低的问题。2.4 混联式混合动力电动汽车的排放问题在控制排放方面，混合动力电动汽车有若干优点，降低排排放的主要途径如下。 （a）纯电动汽车模式运行混合动力电动汽车一般设计成具有纯电动运行模式。这种混合动力电动汽车在进入车辆和人口密集的城市中心时，可以关闭其发动机以纯电动方式工作，达到零排放，到了郊区时可重新启动发动机。这种车辆还可以在晚上或停车时利用电网的电充电，类似与纯电动汽车的情况。 （b）降低发发动机排放混合动力电动汽车可采用电动起步，当车速达到预定值或车辆负荷达到预定水平时才启动发动机，尽量使发动机工作在远离排放差的区域；采用功率小的发动机意味着混合动力车辆比起传统车辆来，在常见负荷下，可在较高的额定功率下工作，效率更高、污染最小；动力电池的功率缓冲能力可使发动机缩短冷启动时间，从而减少整车冷启动是的排放。混合动力电动汽车还可以在停车、滑行、低负荷、制动或蓄电池soc到最大值时关掉发动机，取消发动机怠速，而当需要发动机输出力矩时重新启动，这样可以取消怠速时的排放，降低整车排放污染。2.5 混联式混合动力电动汽车分类 混合动力电动汽车是指采用两种动力源作为动力装置的汽车，hev至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。因混合动力电动汽车各个组成部件、布置方式及控制策略的不同，而形成了各式各样的结构型式，混合动力电动汽车的分类方法也有多种方式。根据动力源的数量及动力传递方式的不同，分为串联型、并联型和混联型；根据行驶前后蓄电池组的荷电状态(soc)变化情况，混合动力电动汽车可分为电量维持型和电量消耗型两种；根据发动机运行模式的不同，分为发动机开关模式和发动机连续运行模式；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单轴式和双轴式。 3 混联式混合动力电动汽车结构与工作原理 根据动力源的数量及动力传递方式的不同，混合动力电动汽车分为串联型、并联型和混联型3种典型结构，不同结构实施不同控制策略。控制策略的制定是混合动力电动汽车开发的关键，因为其直接影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能。控制策略研究作为电动汽车的关键技术之一受到了普遍重视。本章主要以介绍混联式电动汽车结构与工作原理为主。3.1 串联式混合动力电动汽车结构及工作原理 串联式混合动力电动汽车结构原理串联式混合动力电动汽车最简单，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和动力传动装置驱动车轮结构（见图3-1)。图3-1 串联式混合动力电动汽车结构原理3.2 并联式混合动力电动汽车结构及工作原理（1）并联式混合动力电动汽车结构 并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立驱动系统，可以采用发动机驱动、电力驱动或混合驱动3种工作模式。从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。国内外对并联式的混合动力电动汽车精力投入较其它两种形式要多，并且出现了多种并联式混合动力电动汽车控制策略。（2）并联式混合动力电动汽车的原理 并联式混合动力电动汽车发展迅速，它的一般原理结构（见图3-2），动力复合装置采用行星轮系。目前也有将发动机和电机直接同轴串联的新结构出现，它通过磁场叠加原理完成动力复合，省略了机械动力复合装置。 图3-2 并联式混合动力电动汽车结构原理 3.3 混联式混合动力电动汽车结构及工作原理 （1）混联式混合动力电动汽车结构混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，能使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。种可能的设计方式是将串联式和并联式的所有部件用一离合器连接起来，使车辆在某种情况下以串联式工作，在另一种情况下则以并联式工作。根据不同的驱动条件来选择具有优势的驱动方式。但这种布置方式将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件，导致整车的尺寸增大和复杂程度增加。（2）混联式混合动力电动汽车结构原理混联式结构最能体现混合动力系统的最优化思想，同时也是最复杂、型式最多样和研究难度最大的结构。下面就以丰田2005年最新推出的lexus rx400h为例，介绍混联式混合动力电动汽车结构和控制策略特点。丰田lexus rx400h混合动力车驱动系的结构（见图3-3）。图3-3 丰田lexus rx400h混合动力系统结构原理 该车包含了4个动力源：发动机、发电机、前轮驱动电动机和后轮驱动电动机，前3个动力源通过行星齿轮连接起来构成多能源的藕合驱动。在此基础上，双轴式驱动系统增加了后轮驱动电动机，与前驱动轴相比，后驱动轴只少了一种发动机、电动机动力复合驱动模式。 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，它的结构形式和控制方式充分 发挥了两种驱动形式各自的优点。能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。一种可能的设计方式是将串联式和并联式的所有部件用一个离合器连接起来，使车辆在某种情况下以串联式工作，在另一种情况下则以并联式工作。根据不同的驱动条件来选择具有优势的那一种驱动方式。但是这种布置方式将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件，导致整车的尺寸增大和复杂程度增加。驱动系统是将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。这种机构有两个自由度，可以自由的控制两个不同的速度(例如：发动机的转速与差速器输入的转速)。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。但其对控制系统的要求很高。4 混联式混合动力电动汽车控制策略概述4.1 混联式混合动力电动汽车的控制策略 混联式混合动力电动车在结构上集成了串联与并联系统，其制方法在同样也可充分利用它们各种控制方法的优点。混联式由于其结构的复杂其控制系统也非常复杂。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，贝u越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是对其控制系统进行简化，才能达成控制的目的。 传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力。自从zadeh发展出模糊数学之后，对于不明确系统的控制有极大的贡献，自70年代后，便有一些实用的模糊控制器相继的完成，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步。模糊控制是把模糊数学理论应用于自动控制领域，从而产生的控制方法称为模糊控制方法，模糊控制有其优点，主要表现为： 1无需预先知道被控对象的精确数学模型； 2 容易学习和掌握模糊逻辑控制方法(规则由人的经验总结出来、以条件语句表示)； 3有利于人机对话和系统知识处理(以人的语言形式表示控制知识)。 在混联混合动力系统中的控制中需要加入模糊控制器才能使混联混合动力的节能优势发挥充分。 1)起动时，由电池组分别向车辆前驱动轴、后驱动轴电动机供电直到发动机可以较高效率工作时，起动发动机并用于驱动车辆前轴； 2)轻载时，发动机关闭，车辆前驱动轴由电池组、电动机系统驱动； 3)正常行驶时，由发动机直接驱动车辆前驱动轴； 4)全节气门开度加速时，发动机和两个电动机同时工作用于提供车辆驱动行驶功率； 5)减速制动时，电动机以发电机模式工作，实现再生制动； 6)电池组充电模式，在车辆正常行驶过程中，当电池组电量偏低时，应对电池组进行补充充电； 7)四轮驱动，若前驱动轴出现打滑时，与该驱动轴相连的电动机以发电机模式工作，吸收发动机的部分输出能量，并转化为电能输出到与后驱动轴相连的电动机，由电池组实现功率流之间的分配调整。4.2 混联式混合动力电动汽车的工作模式及控制系统混联式混合电动车的工作模式设计为准备启动工况、起步工况、发动机微加速工况、低载荷巡航工况、节气门全开工况、减速工况和倒车工况。在各种工况中模糊理论通过各系统组成的共同控制实现节能，下面介绍各部分的控制: 混合动力系统ecu的控制根据请求扭矩、再生制动和hv蓄电池的充电状态控制发动机、电动机和发电机。具体工作状态有单位、加速踏板踩下角度和车速来确定。混合动力系统ecu监控hv蓄电池的充电状态和温度。发电机和电动机以对这些项目实施最有控制。发动机ecu的控制 发动机ecu接收hv ecu发送的目标发动机转速和所需的发动机动力，来控制etcs-i系统、燃油喷射量、点火正时和wt-i系统。变频器的控制 根据hvecu提供的信号，变频器将hv蓄电池的直流电转换为交流电来驱动发电机、电动机，同样也可进行逆向过程。此外，变频器将发电机的交流电提供给电动机。电动机和发电机的控制发电机由发动机带动旋转，产生高压，操作电动机并为hv蓄电池充电。另外它作为启动机启动发动机；由发电机或hv蓄电池供电驱动，产生车辆动力；制动时或加速踏板未被踩下时它产生电能为hv蓄电池再次充电（再生制动）；速度传感器检测到发电机、电动机的转速和位置并将信号输入到hv ecu；电动机上的温度传感器检测温度，并将温度信号发送到hv ecu。蓄电池ecu的控制 蓄电池ecu实施监视控制，监视hv蓄电池和冷却扇控制的状态，使hv蓄电池保持在预定的温度。这样，对这些组件实施最优控制。电动机驱动模式的控制仪表板上的ev模式开关被驾驶员手动打开时, 如果所需条件满足，则hv ecu使车辆只由电动机驱动运行。第5章 混联式混合动力电动汽车的应用 5.1控制方式目前市面上混合动力电动汽车最常见的两种动力源是内燃机和电动机。一般情况下，内燃机是前轮的驱动源，而电动机是两个后轮的驱动源。车内的电脑会根据不断变化着的交通条件所需的动力情况，随时作出反应，不需驾车人预先指令，即自动地选择最为理想的驱动模式；或是由两台电动机进行后轮驱动；或是由一台内燃机进行前轮驱动；或是内燃机和电动机同时驱动。当从静止状态起步时，车上的电脑会首先选择电动驱动模式，这是因为内燃机在汽车起步后的第一公里期间内，所用燃料的80都被作为废气排掉了，既浪费燃料又污染环境。当车速到每小时40公里时，电脑会自动选择内燃机驱动模式，同时内燃机在工作时也对蓄电池组进行充电。如果驾驶员突然实施紧急加速，电脑则会启动电动机来协助内燃机进行联合驱动。而当低速行驶时，或者电脑判定蓄电池组的能量不足时，也会启动内燃机工作。当汽车减速时，电脑会对内燃机起到制动作用，判定利用其制动能量对蓄电池组充电。此外电脑还操纵着例如制动装置、防车轮抱死和方向控制等其他功能。在前后轮之间，内燃机和电动机或是交替的、或是相继的、或是同时的，不断变化着的驱动方式，使得汽车始终保持其动力潜能的最大发挥，大大减少了燃料消耗和废气排放。 5.2电动机在hev上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻hev的总质量。因此，一般电动发电机只是在hev发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。电动发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率的作用。电动发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。在hev下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。因此，hev有了电动机的辅助作用，就可以使hev达到节能和“超低污染”的要求。电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。但hev所采用的电动机种类少，功率覆盖面也较小。目前主要采用的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机，不管是电机本身还是它们的控制装置，成本都比较高，但随着电动机的电子计算机控制和机电一体化的加速发展，很多新技术正逐步运用到混合动力电动汽车（hev）的电动机上，一旦形成大规模批量生产，所用电机乃至整车的成本都会得到大大降低。5.2.1混联式混合动力电动汽车之电动机的发展概况蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后，19世纪末到20世纪上半叶电机又引起了第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，是生产和消费从工业化向自动化，智能化时代转变；推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。21世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然，汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力，然而，汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。显然，加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业，将会使这两大全球问题继续恶化。于是，电动车（包括纯电动车，混合动力电动汽车，燃料电池电动车）概念的提出，将会是未来世界汽车工业发展的新方向，不过就当今世界科技水平来说，混合动力电动汽车的研究与开发相比其它两种形式更具有现实意义，应该作为这一新方向的第一步。20世纪80年代前，几乎所有的电动车驱动电机均为直流电机，但随着电动车（混合动力电动汽车）性能的提高，其在高负载下转速的限制，体积大等缺点逐渐暴露，取而代之的是交流异步电机，永磁电机，开关磁阻电机以及新型的双凸极永磁电机，而上述电机在用于混合动力电动汽车上所表现出来的性能也是一个比一个优越。目前，双凸极永磁电机的机理和设计控制理论还有待于进一步的研究与完善，不过它作为混合动力电动汽车的电动机有着潜在的巨大优势。5.2.2混合动力电动汽车对电动机的基本要求1.从日本汽车公司开发电动汽车的研究和实践认为，在采用大功率的电动机来驱动hev时，与采用小功率的电动机比较，具有电阻小，效率高，比能耗低，动力性能好等优点。但在目前的条件下，各种电池的比能量较小，理所当然地采用小功率的电动机，因而出现电阻大，效率低，比能耗高，动力性能差等问题。 2.混合动力电动汽车的电动机应具有较大范围内的调速性能，能够根据驾驶员对加速踏板和对制动踏板的控制，由中央控制器控制电动机与发动机之间动力的协调。以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，使它们达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制效果。 3.混合动力电动汽车应具有最优化的能量利用，电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时实现能量回收并反馈回蓄电池，这点在内燃机汽车上是不能实现的。4.电动机的质量，各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小，因此，大功率的高速电动机具有高性能，质量小等优点，在混合动力电动汽车得到了广泛地应用。另外，还要求电动机及控制装置在运转时的噪声要低。5.各种电动机的电压，可以达到120500v，对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。除此之外，还要求电动机可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。5.2.3混合动力电动汽车所用电动机的选择策略在确定混合动力电动汽车所采用的电动机时，首先应采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的现成的电动机。一般情况下，电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力。在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。有足够的动力性能来克服整车的各种阻力，保证具有良好的起动，加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。现在混合动力电动汽车上，主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电机的转速可以达到1000012000万r/min，在高速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。 5.2.4双凸极永磁电动机的简介传统的开关磁阻电机（srm）虽然可靠性较高，结构简单，单位体积功率与异步电动机相当或略高一些，而且在宽广的调速范围内都具有相当高的效率，但是，从能量转换的观点看，sr电机在定子绕组的一个开关周期中，最多只有半个周期得到利用，电机实际运行时，为避免在电感下降区产生制动力矩，绕组电流的关断角不得不较多地提前于最大电感位置，半个周期都未能得到充分利用。因此，sr电机仅获得“一半的利用率”，由此产生了换流问题和相对材料利用率低问题。可以预见，如果能利用定子绕组整个开关周期，在电感下降区也能产生正向转矩，sr电机的单位体积功率必将大大提高，但传统结构的sr电机是难以实现的。如果在sr电机中用永磁材料预先建立一个磁场，通过控制定子绕组的电流方向，使永磁体产生的磁场和绕组电流产生的磁场相互作用，就能实现在电感下降区产生正向转矩的设想。我国稀土材料的储存量为世界第一，钕铁硼等高性能稀土永磁材料在电机领域中已得到广泛应用，大大提高了电机性能，但在sr电机上的实践才刚刚开始。 双凸极永磁电动机(doublysalientpermanentmagnetmotor,简称dspm)，是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在90年代刚刚出现的一种新型的机电一体化可控交流调速系统。该系统由双凸极永磁电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成。电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似,呈双凸极结构,但它在转子(或定子)上放有永磁体,从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。dspm系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大,可实现各种特殊要求的转矩/转速特性,功率因数接近于1、效率高，是电工学科近年来继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向。dspm电机作为一种应用前景看好的交流调速系统,是由美国著名电机专家t.a.lipo等人于1992年首先提出的,并进行了初步的理论和实验研究,此后欧美一些国家也相继开展了对dspm电机及其控制系统的研制工作,目前国际上对dspm电机的研究仅停留在初步理论和样机实验阶段。关于dspm电机仍有大量的基础理论问题,包括电机参数计算、模型建立、分析方法、控制策略等有待深入探讨。 5.3 混合动力电动汽车车用镍氢动力电池随着人类环保意识的不断增强，石油资源逐年减少，油价逐步攀升，降低汽车污染和节约能源已成为世界各国政府面临的严峻问题。蓄电池技术和氢气的制取、运输、储存、成本等严重制约了电动汽车和燃料电池汽车的发展，因而混合动力电动汽车应运而生。在混合动力电动汽车中，由于采用了高功率的能源储存装置（蓄电池、超级电容等）能向汽车提供瞬时的能量而可减小发动机尺寸，提高效率，降低排放和燃油消耗，且可在进行制动和减速时回收能量。铅酸电池质量重，不能快充深放，循环寿命短；锂离子电池具有大电流性能差，价格高和安全性问题，目前还不适于混合动力电动汽车的发展。镍氢电池具有高比功率、电流充放电大、无污染、安全性能好等特点，广泛应用在混合动力电动汽车上。 5.3.1混合动力电动汽车对动力电池的要求动力电池一般指具有较高的容量和输出功率的能力，可用作电动车辆驱动电源的电池。一般情况下，混合动力电动汽车车用动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中，电压、电流可能有较大的变化。针对这种使用特点，混合动力系统对电池有以下特别要求：（1） 大功率充放电能力：质量比功率和体积比功率是衡量蓄电池快速充放电能力的指标，相对于比能量要求，混合动力电动汽车对比功率要求更高。（2） 充放电效率：动力电池中能量的循环必须经过充电-放电-充电的循环，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。（3） 相对稳定性：动力电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定，使其在动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数。 5.3.2车用动力电池的主要指标评价混合动力电动汽车车用动力电池技术的指标主要有以下几点： （1）质量比功率（w/kg）：电池的质量比功率代表每千克质量的电池能提供的功率。它的大小决定电池所能输出的最大功率，标志着汽车的加速性能和最高车速，对电动汽车的动力性能等有直接影响。在混合动力电动汽车中，电池的比功率是最关键的因素，因为电池的电耗尽后可以在内燃机工况下重新进行充电。 （2）质量比能量（wh/kg）：标志着纯电动模式下的续驶能力。（3）循环次数：动力电池的工作是一个不断充电-放电-充电-放电的循环过程，每充电和放电一次，动力电池中的化学物质就要发生一次可逆性的化学反应。随着充电和放电次数的增加，动力电池中的化学活性物质会发生老化，逐渐削弱其化学功能，降低动力电池的充电和放电的效率，最后部分或完全丧失其充电和放电功能。动力电池的工作循环次数是衡量动力电池寿命的重要指标，对动力电池的使用有直接影响。 （4）成本：电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比功率的动力电池成本较高。 5.3.3镍氢动力电池的特点目前，世界上已开发的主要动力蓄电池性能如表5-1所示。 表5-1当前混合动力电动汽车车用动力电池性能镍氢电池的正极采用金属氢氧化镍，负极使用锡氢合金。镍氢动力电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优异特性。与铅酸电池相比，镍氢电池具有比能量高、重量轻、体积小、循环寿命长的特点；与镍镐电池相比，其比能量是镍镉电池的两倍。另一大优点就是镍氢电池不含有镉、铅这类有毒金属，其中一些金属还有较高的回收价值，可称为绿色能源。镍氢电池的主要特点： （1）质量比功率高：目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350wh/kg。 （2）循环次数多：目前应用在电动车上的镍氢动力电池，80%放电深度（dod）循环可以达1000次以上，为铅酸电池的3倍以上。100%dod循环寿命也在500次以上。在混合动力电动汽车中可使用5年以上。 （3）无污染：不含铅、镉等对人体有害的金属，为21世纪“绿色环保电源”。 （4）耐过充过放。 （5）无记忆效应。 （6）使用温度范围宽：正常使用温度范围了-3055；贮存温度范围-4070。 （7）安全、可靠：短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性、可靠性试验无爆炸、燃烧现象。 5.4 国外主要的镍氢动力电池生产企业及国内现状 5.4.1国外主要镍氢动力电池生产企业 （1）松下电能有限公司（peve） peve（panasonic evenergyco.，ltd）是松下和丰田的合资公司。目前采用松下电池的商业化混合动力电动汽车有丰田的prius,alphard,estima,本田的civic,insight等。松下最新的方形电池采用新的电极材料，降低了内阻和内压，使可靠性和寿命得到提高，其技术特征：a.比功率达到1350w/kg；b.采用新的电极材料使内阻显着降低；c.采用新的电池联接结构；d.寿命有显着的提高；e.电池箱尺寸减少15，重量减少25。 （2）cobasys cobasys是chevrontexacotechnologyventure（美国第二大能源公司）和ecd（energyconversiondevices）的合资公司。ecd全资控股ovonic,ovonic拥有很多关于镍氢电池方面的专利，全世界生产镍氢电池的企业须得到它的许可才能生产销售cobasys不仅只是技术的研发，而且把研发的技术推广到产业化的水平。cobasys专门为混合动力电动汽车开发8.8ah的series1000电池模块。其基本参数见表5.1。表5.1series1000电池模块的基本参数 （3）vartavarta是美国江森自控（jci,johnsoncontrolsinc.）控股的企业，江森自控是世界上最大的汽车电池制造商之一，varta总部在德国汉诺威。该公司为混合动力车用镍氢电池开发的主要产品有圆形模块5.5ah，8ah,12ah；方形模块7ah,25aho其中方形模块优于市场上同类产品：内阻低、质量比功率高（1300w/kg）、质量比能量高、低温性能好。 5.4.2国内镍氢动力电池研发现状国内镍氢动力电池的主要生产厂家有：春兰（集团）公司、天津和平海湾、中山中炬森莱、神舟、科技、沈阳三普。它们经过“863”的积累，技术都有所进步。虽然单体电池的技术指标与国外的相差不是很大，但一致性和循环寿命比国外差，特别是集成后各项指标相差较大。国内动力电池研发机构及生产企业还存在资金不足的问题，其原因主要是动力电池还没形成产业，其生产工艺大部分还是手工作业；汽车整车厂对动力电池的要求很高，但需求量不大，两者相互制约。结 语 进入21世纪，节能环保才是汽车永恒的目标。汽车发展将是我国经济发展的重要项目，相信它的发展将给我们带来不一样的收获，特别是混联式混合动力电动汽车。它将是新能源汽车发展的主流，是未来汽车发展得方向，所以混联式混合动力电动汽车的应用是必然的。从目前的发展来看，混联式混合动力电动汽车在现有的妓术基础上已经达到了提高燃料经济性和减少排放的目的，因而极具发展前景。混联式混合动力电动汽车中电机、电池和控制器的效率仍然影晌节油率的提高，电池的可控性和一致性合需要