（动力机械及工程专业论文）混合动力汽车控制策略的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车的使用而引起的环境污染和能源短缺问题引起了人们的普遍关注，于 是混合动力电动汽车登上了历史舞台混合动力电动汽车以其独有的特点得以 在这一时期成为非常有前途的产品。而控制策略是整个混合动力系统的核心， 它影响了混合动力系统的结构和选型，决定了整车运行的经济性。笔者希望借 此文提出一些新的观点。 本文对控制策略的分析来自于对在典型城市公交工况下某一特定车型的定 量计算来进行的，之所以选择典型城市公交工况是因为其平均行驶车速低、怠 速时间长、制动频繁、功率需求波动范围大的特点，能够体现混合动力系统的 优势。通过计算可以看出传统汽车在运行时瞬时功率需求和平均功率需求相比 存在巨大矛盾，为了满足最大功率需求选择的发动机经常工作在较低的功率下， 因此效率非常低下，最后提出了功率和能量分开管理的思想。 通过计算可以大致了解混合动力系统的运行状况，并在此基础上可以进行 匹配计算，然后对混合动力的经济性作了全面的分析，指出了混合动力系统的 优势和不足，旨在对混合动力系统的经济性有一个全面的认识。 文章的最后是通过对当前流行的并联式混合动力系统的控制策略的概括和 分析，提出了基于转矩的控制策略，通过仿真可以看到这种控制策略较好地解 决了瞬时功率需求和平均功率需求地矛盾，然后在此基础上提出了可行性的结 构方案并详细阐述了它的工作原理。 关键词：混合动力系统，控制策略，动力系统匹配 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n ds h o r t a g eo ft h ee n e r g yc 剐_ l s e db yt h eu s i n g o fc a r sa r ei n c r e a s i n gc o n c e r n e d , t h ed e v e l o p m e mo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v ) h a st a k e no nf i na c c e l e r a t c c c lp a c e h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sb e c o m eav e r yp r o m i s i n g p r o d u c td u r i n gt h i sp e r i o d c o n t r o ls t r a t e g i e sa r et h ep i t ho f t h ew h o l eh y b r i de l e c t r i c s y s t e m , w h i c hi n f l u e n c et h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m , a n dd e c i d et h ef u e lc o n s u m p t i o n o f v e h i c l e s s o1w a n tt ob r i n gu ps o m e t h i n gn e wt oa d d e dt ot h e m t h i sa r t i c l ed o e ss o m ea n a l y s i sf o rc o n 仃o ls t r a t e g i e s ，b a s i n g0 1 1t h ec a l c u l a t i o n o f a a p p o i n t e d b u s w h i c h i s d r i v i n g o n t y p i c a lc i t y d r i v i n g c o n d i t i o n t h i sc o n d r i o n i s c h o s e nb e c a u s ei th a ss o m ec h a r a c t e rt h a tc a nm a k eh e vt or e p r e s e n ti t sa d v a n t a g e s c o m p l e t e l y t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o n , w oc a ns e et h ec o n f l i c tb e t w e e ni n s t a n t a n e n u s p o w e rr e q u i r e m e n ta n da v e r a g ep o w e rr e q u i r e m e n t , t h e nib r i n gu pt h ei d e at h a t p o w e ra n de n e r g ys h o u l db em a n a g e dd i v i d u a l l y t h o u g ht h ec a l c u l a t i o n , w ec a na s s u m a b l yk n o wh o wh e vw o r k sa n dd o s o m e t h i n ga b o u tm a t c h i n g t h e nia n a l y s et h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so f h y b r i de l e c t r i cs y s t e mg e n e r a l l yf r o me c o n o m ys i d ew i t ht h eg o a lt h a tp e o p l ec a n k n o wi tc o m p l e t e l y a tl a s t ，ib r i n gu pm yo w nc o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c hb a s e0 1 1l o a dt h o u g ht h e a n a l y s i so ft o d a y sc o n t r o ls t r a t e g i e s i t sp r o v e dt h a tt h i sc o n t r o ls t r a t e g i e sc a ns o l v e t h ep o w e rr e q u i r e m e n tp r o b l e m t h e nid e s i g nam o d e lw h i c hc a nw o r kf o l l o w i n g t h a tr u l e s , a n de x p l a i ni t sf u n c t i o ni nt h ee n d k e yw o r d s ：h y b r i d e l e c t r i cs y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g y , m a t c h i n go f p r o p u l s i o ns y s t e m i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意? 签名：鲰日期：2 固：兰纠 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、。送交论文的复印律，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全都或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二崾导师签名：二至牟日期：三出2 7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 混合动力的开发背景 汽车工业可持续发展所面临的两大难题，一是环境污染，二是石油资源匮 乏，因此节能和环保成为当今全球汽车工业发展的两大主题，各国也争相开展 绿色环保汽车电动汽车的研制与开发。然而，由于纯电动汽车上的关键技 术电池技术的制约，使纯电动汽车的性价比远远不能达到推广应用的标准。 其主要障碍包括：电池的能量密度低，从而导致电池组的质量和体积都比较大； 电池组有限的循环寿命和昂贵的价格使得电动汽车的市场前景暗淡。在纯电动 汽车短期内还不能实现产业化的情况下，融合传统汽车( 内燃机汽车) 和电动 汽车优点的混合动力汽车登上了历史舞台。 混合动力汽车( h e v ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 采用发动机和电机作为混合 动力源，既继承了电动车辆作为“绿色汽车”的节约能源和超低排放的优点， 又弥补了电动车辆的续驶里程不足的缺点。混合动力汽车是兼顾了电动汽车和 传统汽车优点的新一代汽车结构型式，具有低油耗低排放的潜力，其动力性接 近于传统汽车，而生产成本低于纯电动汽车，因此，最近几年来对混合动力汽 车的研究开发成为世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个热点。根据统 计资料，混合动力汽车的燃油消耗指标与装备同类型发动机的传统汽车相比平 均降低3 0 - - 4 0 * , 6 ，尾气排放指标平均降低5 0 - - 6 0 。因此，在纯电动汽车技 术取得重大突破之前，混合动力汽车是节能与清洁汽车中最具有产业化和市场 化前景的车型，也成了各国汽车厂商的主要选择。 我国“十五”国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 将电动汽车以重大专 项列入。我国将混合动力电动汽车作为现阶段电动汽车发展的重点和方向。 2 0 0 4 年6 月出台的汽车产业发展政策中指出：汽车产业要结合国家能 源结构调整战略和排放标准的要求，积极开展电动汽车、车用动力电池等新型 动力的研究和产业化，重点发展混合动力电动汽车技术和轿车柴油发动机技术。 国家在科技研究、技术改造、新技术产业化、政策环境等方面采取措施，促进 混合动力电动汽车的生产和使用。 国家8 6 3 电动汽车重大科技专项2 0 0 3 年工作要点指出：加强与国家有关 武汉理工大学硕士学位论文 部委的协调与合作，组织开展电动汽车相关政策研究，为电动汽车示范应用和 走向市场创造良好的外部环境。选择北京、武汉、威海等城市，研究制定电动 汽车运行示范规划。继续推进汕头试验基地建设和示范运行。北京市，以商业 化运营为目标，以2 0 0 8 年绿色奥运为节点，进行城市区域和公交线路的运行试 点示范，研究制定峰谷电价优惠政策；武汉市，为适应平面交通为主的大交通 量城市特点，进行“一环、二区、多点”电动汽车区域和线路商业化运行试点 示范，探索建立城市间混合动力交通示范；威海市，探讨适合沿海、旅游中小 城市的电动汽车商业化运行方案，同时建立电动汽车的旅游或公务租赁运行体 系。 1 2 混合动力电动汽车是发展趋势 与纯电动车相比，h e v 将电力驱动与辅助动力单元( a u x i l i a r y p o w e r u n i t ， a p v ) 合用到一辆汽车上，它所需的电池容量小，整车总重量减小，汽车价格降 低；a p u 的选用使汽车的续驶里程和动力性能有可能达到常规内燃机汽车水平； a p u 中原动机在燃烧和排放最佳的工况区工作，大幅度地降低了排放和油耗； 借助原动机输出的动力直接带动车内空调、真空助力器、动力转向器等汽车电 器附件，无须再消耗电池组内有限的电能；在某些对汽车排放严格限制的地区( 如 环保示范区、旅游区等) ，可以关闭a p u ，采用纯电力方式行驶，成为零排放的 电动汽车。因此，h e v 作为由燃油汽车向电动汽车过渡的中间产品得到了长足 的发展，它既可满足人们对汽车节能、低污染和动力性的要求，又可以为今后 电动汽车的发展和普及打下基础“1 。 混合动力系统最适合也最有潜力应用于客车( 混合动力客车，h e b ，h y b r i d e l e c t r i cb u s ) 。城市公共交通拥挤，客车时走时停，行车速度侵，燃油浪费大， 污染极其严重。城市客车一般是在固定线路行驶，固定时间运行，每日运行的 总里程大多在l o o k m 左右。在这种情况下，传统的内燃机汽车油耗和排放都很 差，而混合动力电动系统正可以发挥其优势。混合动力电动系统较传统动力系 统增加了很多设备，从而也增加了重量和体积，相对于轿车，这些变化带来的 闯题对客车尤其是大客车的影响较小，从而使得混合动力电动系统在客车上更 容易实现。将混合动力电动系统用于城市客车上而出现的h e b 的最大好处就是 能够提高效率和减少排放。 2 武汉理工大学硕士学位论文 h e b 几乎能够采用普通内燃机客车提高效率的所有措施，而其很多提高效 率的措施，如制动能量回馈、采用电动轮驱动，却很难应用到普通的客车上。 现有的大多数h e b 采用的是串联式混合动力电动系统，其发动机大多数时间工 作在燃油经济性和排放性能较好的区域，因此，h e b 的效率较传统客车高。如 串联式混合动力电动系统可将柴油机的总效率从3 0 增加至近4 0 0 1 。制动能量 回馈是h e b 的一项极其重要的提高效率的措施。重型的混合动力电动系统能够 回收制动过程中的约3 0 的动能在短暂的低速的城市工况循环中，汽车约有5 0 的能量消耗于辅助系统及负载的加速中。由于现在的系统最多能够捕获这些能 量中的5 0 ，也就是说汽车的经济性比原来提高了5 0 ，这样便有2 5 的总能 量被捕获。虽然h e b 的动力链较普通客车复杂，如串联式混合动力电动系统， 从发动机出来的机械能必须先转变为电能，再转变为机械能，也使得能量效率 有所降低，但是其总的燃油经济性较传统客车要提高3 0 6 5 ，在低速频繁停 车的工况中，h e b 的燃油经济性优势更为明显。能够满足环保的要求是h e b 发 展的最大原因。在典型的城市工况循环中，它的各项排放指标均较传统客车好。 对采用柴油机a p u 的串联式h e b 来说，较传统客车的微粒排放下降约5 0 ( 采 用低硫的柴油甚至可以减至c n g 车的水平) ，n o x 减少约3 0 4 0 ，c o 减少 约7 0 。 另外，h e b 噪声低、工作平顺、加速性能好、制动柔顺；大力推广h e b ，： 还可以宣传环保观念，增强民众的环保意识，让民众更切实地了解h e b 的优点。 h e b 的应用范围很广，在学校、公园、商务、城市交通等方面有着广泛的市场， 并有大量的可扩展市场。h e b 在我国有广泛的发展需求，极具发展潜力。 1 3 国内外混合动力发展现状 1 3 1 国外混合动力的发展情况口1 当前，混合动力电动汽车的研究与开发已在世界范围内由点向面地扩展， 发展相当迅速。发达国家的许多研究成果己走出了实验室，并开始进入市场。 其中以日本为例，日本汽车界也已将电动汽车开发重点从纯电动汽车转向 混合动力汽车，其中丰田公司在1 9 9 7 年研制出p r i u s ，而本田公司研制了的轻度 混合动力轿车i n s i g h t ，于1 9 9 8 年1 2 月推向市场，并获得了好评；丰田的 3 武汉理工大学硕士学位论文 c o a s t e r 客车、日野的混合动力客车和货车也己经进入商业化阶段；克莱斯勒 推出l e “道奇无畏e s x ”混合动力车；日产也继本田推出了i n s i g h t 混合动力 轿车后推出了y i n o 混合动力轿车；日本微车巨头铃木公司也在1 9 9 9 年的东京 汽车展上展出了w a g o n 混合动力车。 此外，在欧美国家也在积极地推进混合动力的发展步伐，其中，美国能源部 和美国的三大汽车公司合作，正在推行一项庞大的p n g v 计划一混合动力汽车 计划。政府与三大汽车公司分别签订混合动力汽车开发合同，要在低污染的条 件下制造出每百公里油耗不超过3 升的汽车，经过三年论证的结果表明采用混 合动力技术是切实可行的。 目前研制的样车和投入示范运行的车型如表l 一1 所示，其中开发比较成功 的混合动力客车主要有o r i o n 公司的o r i o n 系列h e b ，a v s ( a d v a n c e dv e h i c l e s y s t e m s ) 公司的1 4 0k w 混合动力客车及日野h i m r 客车等硼。 表l 一1 国外混合动力公交客车车型表 车型状态 国家型式最高车速 ( k m h ) n e w f l y e rd e 4 0 l f 产品 9 6 n o v a b u st r a n s i t 产品美国 8 8 h i n oh y b r i dc r u i s i r l g 产品日本并联 1 3 5 ，：，； t o y o t ac o a s t e rh e v 产品日本 串联 8 0 h i n oh y b r i dr o u t eb u s产品日本 并联 8 0 o r i o n v i h e v b u s 产品美国力口拿大串联 l o o i s et h u n d e r v o rt b3 0 h 产品美国串联 8 8 i s et h u n d e r v o l tt b4 0 h 产品美国串联 1 2 2 i v e c o1 2 ma l t r o b u sh y b r i d 产品意大利串联 6 2 i v e c o6 ma l t r o b u sh y b r i d产品意大利6 0 m e c e d e s b e n zo4 0 5n u h产品德国 7 5 e ld o r a d on a t i o n a l 样车美国串联 8 0 a v s 3 0 样车美国串联8 8 ( 最低) a v s 3 5 样车美国串联 8 8 ( 最低) d e no u d s t e nx 9 7 样车荷兰串联 8 0 4 武汉理工大学硕士学位论文 g l l l gu n f i x e dn a m e ( 4 0 一f o o r ) 样车美国串联 h i n o - u n f i x e dn a m e 样车 日本 复合 8 0 n i s s a l 样车日本串联 7 0 d i e s e l - u n i f i x e d ( u d u a 4 6 0 ) m e c e d e s b e n zc i t o 样车德国 n o v a b u s - u n f i x e dn a i v e样车美国 9 0 o l y m b u s ( d e s i g n l i n c ) 样车澳大利亚 8 0 a l l i s o nh y b r i ds h u t t l eb u s演示车 美国 g m4 0 f o o tr t s 演示车美国串联 v 锄h o o la 3 0 b h演示车比利时串联 6 0 a p ss y s t e m sh y b r i dt r a n s i t试验美国 8 0 b 璐 n a s at r a n s i tb u s试验 美国串联 9 5 v o l v ob l o l试验 瑞典 a l t r ah e vb u s 意大利串联 m e c e d e s b e n z04 0 5g n d e德国 n e o p l a nm e t r o l l n e r 德国 6 0 n e o p l a n n 4 1 2 1d e s 德国 s e a n i ad a bs e r v i c eb u s 瑞典 t p ic o m p o s i t eh y b r i db u s 美国 s e a tc i t y b u s 西班牙8 0 1 3 2 国内混合动力的发展情况 在混合动力汽车方面，参与到与混合动力汽车相关的“一纵三横”中的高校、 科研院所和企业已经几十家。此外，还有很多地方支持或自筹资金进行的混合 动力汽车项目。总的来看，整车已经超过二十家，如表1 2 所示。在整车和关 键部件乃至上路示范运行方面都取得了可喜的成果嘲。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - - 2国内混合动力整车相关单位( 为国家8 6 3 资助) 重庆长安混合动力轿车 芜湖奇瑞混合动力轿车 + 长春一汽混合动力大巴混合动力轿车 + 武汉二汽混合动力大巴混合动力轿车 武汉理工大学混合动力大巴 哈尔滨 中强混联混合动力大巴 天津清源混合动力大巴混合动力中巴 博大混合动力大巴 北京北京理工大学 混合动力大巴 北京工业大学混合动力大巴 北京交通大学混合动力垃圾清扫( 运) 车 同济大学混合动力轿车 上海 上汽混合动力大巴 比亚迪混合动力轿车 湘潭 湘电 混合动力大巴 长沙长丰混合动力越野车 深圳五州龙浪合动力大巴 1 明华混合动力中巴 广州华南理工大学混合动力大巴 郑州宇通混合动力大巴 合肥安凯( 与株洲)混合动力大巴 鞍山某公司混合动力汽车 金龙厦门混合动力大巴 1 4 混合动力汽车面临的技术问题 混合动力汽车要实现热能、电能和机械能多能源转化技术，采用先进的控 制策略和控制部件，以及各种机械部件和电器部件合理的配置等诸多方面的问 题都急需解决旧。而且要使混合动力汽车形成产业化，市场化和商品化，降低成 6 武汉理工大学硕士学位论文 本，让广大用户直接体会其带来的种种好处。下面就几个主要方面的问题进行 讨论： 第一、储能装置( 电池) 的选择及其控制系统的要求 要达到与传统汽车相似的动力性，车载电池必须具备高比能量和比功率； 而且要适应由道路和环境的不断变化，在频繁充放电的情况下要具有高的循环 充放电次数；对于其管理系统，要建立起与行驶工况相吻合的电池能量管理系 统。 把车载电池直接应用于汽车的动力驱动是一项新技术，对于现阶段储能设 备，如铅酸电池、镍氢电池、锂电池等，不但要考虑电池的寿命、充放电效率、 内阻对电池外特性的影响，而且还要考虑电池的放电深度、充放电电流在实际 工况下对混合动力汽车的影响。 建立起完善的电池控制系统，减少各电池单元之间的不平衡性，制造与之 相适应的电池热能控制系统及测试方法和控制装置。所以开发使用先进的蓄电 池具有急切的现实意义。 第二、整车控制器和控制策略的要求 整车控制包括动力分配、能量管理、排放控制、再生制动等一系列控制过 程，它们直接关系到整车的经济性、动力性和排放性。对于整车控制策略是以 数学建模的方式，把控制过程模块化。而且优化控制策略，建立精确的数学模 型，对整车各项参数进行匹配。 模型的建立需要通过台架试验和道路试验的检验。台架试验是把载入控制 策略的控制器应用到试验台架上，在台架上完成简单工况的试验。然后再把完 善后的控制器应用到实车上，进行道路试验。在道路试验中，对于各种工况进 行实时仿真。 对于控制器而言，要求具有高工作能力，高数据吞吐量，低工作电压，低 功耗；高效率、执行快速的指令系统；多寄存器，方便的程序指令；丰富的外 设装置。满足复杂工况条件的要求。 第三、制定和完善混合动力汽车相关标准和法规 由于混合动力汽车处于刚刚起步的阶段，与国外相应的技术比较，还很不 成熟。必须建立全面的评定标准，为混合动力汽车的市场化奠定基础。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 课题研究内容及意义 目前国内外研究混合动力的有很多家，其中研究混合动力城市客车的也为 数不少，但是经济性能还是没有到达所期望的，这样使得开发成本和实际效果 有一定的差距，要想解决这个问题，就要研制出技术成熟且更加节能的混合动 力城市客车。本课题也是应中通所需要的混联式混合动力城市客车的要求下， 所做的是先期整车动力系统方案。本文的内容包括： ( 1 ) 概述三种混合动力电动汽车的动力总成的结构； ( 2 ) 设想自己的应用于城市公交客车的混联式结构； ( 3 ) 城市客车工况下的动力性计算； ( 4 客车动力总成的匹配计算； ( 5 ) 混合动力汽车经济性的定性分析与比较； ( 6 ) 混合动力的控制策略的研究。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力汽车的驱动方式和工作原理 2 1 混合动力电动汽车的驱动类型 国际电子技术委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o - t e c h n i c a lc o m m i s s i o n , i e c ) 对混 合动力车辆的定义为：“在特定的工作条件下，可以从两种或两种以上的能量存 储器、能量在源或能量转化器中获取驱动能量的汽车啊。其中至少一种存储器或 转化器要安装汽车上。混合动力电动汽车( 眦v ) 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。串联式混合动力车辆只有一种能量转化器可以提 供驱动力，并联式混合动力车辆则不止一种能量转化器提供驱动力。” 现在大部分的h e v 是在传统的发动机汽车上增加蓄电池组作为电能存储 装置，通过电动机将电能转化为机械能。根据h e v 零部件的种类、数量和连接 关系可以将h e v 的动力系统分为三种基本结构类型：串联式、并联式和混联式。 2 2 串联式混合动力电动汽车的结构模型 机械能 电能 图2 - 1 串联式混合动力电动汽车动力流程图 9 = 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 串联式混合动力电动汽车的结构和工作原理 串联式混合动力电动汽车动力总成由发动机、发电机和驱动电机三大主要 部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱 动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的 行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动 力电动汽车在零污染状态下行驶。 在串联式混合动力电动汽车上，由发动机带动发电机所产生的电能和电池 输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶，电力驱动是唯一的驱动方式。 动力流程图如图2 1 所示。发动机与发电机直接连接产生电能，来驱动电动机或 者给蓄电池充电。汽车行驶时的驱动力由电动机来输出，它将发动机一发电机 组发出的电能或者储存在蓄电池中的电能转化为车轮上的机械能。当蓄电池的 荷电状态( s o c ，s t a t eo fc h a r g e ) 在一个预定高值以下时，发动机可以对蓄电池 进行充电。发动机与驱动系统并没有机械地连接在一起，这种方式可以很大程 度地减少发动机所受到的车辆的瞬态工况的影响。使得发动机能够很好地工作 在燃油经济性较高的区域。 因为串联式混合动力电动汽车能使发动机能够经常保持在稳定、高效、低 污染的运转状态，所以能够使有害排放气体控制在最低范围。串联式混合动力 电动汽车从总体结构上看，比较简单、易于控制，只有发电机一电动机的电力 驱动系统，其特点更加趋近于电动汽车。但是三大部件总成在电动汽车上布置 起来，有较大的自由度，但各自的功率较大，外形较大，质量也较大，在中小 型电动汽车上布置有一定的困难，因此较常见用于大型公交客车。由于串联式 混合动力汽车的能量经过了较多级的转化，能量损失较大，使得最终的总的能 量利用效率并不高。总的说来，串联式混合动力的驱动模式接近于纯电动汽车。 2 2 2w g 6 1 2 0 h d 的结构和工作原理嗍 w g 6 1 2 0 h d 是串联式混合动力汽车的典型范例。w g 6 1 2 0 i - d 尺寸参数为 1 1 5 0 0 2 5 0 0 3 2 0 0 m m ，座位数3 5 、站位数2 5 ，总乘客数6 0 人。底盘为 e q 6 1 1 0 0 r c - 1 0 1 城市客车专用底盘。w g 6 1 2 0 h d 的主能源系统由一台柴油发动 机和一台发电机组成的发电机组构成，发动机输出轴与发电机输入轴机械连接， 主能源系统的功能为通过发动机带动发电机旋转，将燃油的热能转化为电能， l o 武汉理工大学硕士学位论文 仅向车辆提供电能作为动力源。辅助能源系统由2 5 节蓄电池串连的蓄电池组构 成。由于蓄电池同时具有储存和释放电能的功能，故蓄电池组既可以储存发电 机组所发出的电能，又可以向车辆驱动系统提供电能。 _ 一lf1f | | ll -i| 腻禺卢鲸，内 匕考甲甘17 i 刊 _ t i m li 、lli 、l 囤同ih i 同目 内辊h 发电帆琦搴转投元h 鬟动电概卜叫事辘驱赣装置 。，- _ - r 。，+ - 一十l 一 、- ， i t 量目tt 目t l 电撼 图2 - 2w g 6 1 2 0 h d 的动力总成布置及工作原理简图 l 一蓄电池2 一驱动电机3 一驱动电机控制器4 一减速箱 5 一发电机6 一发电机控制器7 一发动机8 一车载充电机 驱动系统由两台串联的电动机及其控制单元和减速机构构成，驱动系统将 主能源系统和辅助能源系统所提供的电能转化为机械能，通过减速机构与常规 车辆相同的传动轴、主减速器驱动车辆行驶，且可利用制动能量进行发电，实 现能量回收制动。 2 3 并联式混合动力电动汽车的结构模型 2 3 1 并联式混合动力电动汽车的结构和工作原理 并联式混合动力电动汽车主要由发动机、电动发电机两大部件总成组成， 有多种组合型式，可以根据使用要求选用。两大动力总成的功率可以互相叠加， 发动机功率和电动发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的o 5 1 倍，因 武汉理工大学硕士学位论文 此，可以采用小功率的发动机与电动发电机，使得整个动力系统的装配尺寸、 质量都较小，造价也更低，行程也可以比串联式混合动力电动汽车的长一些， 其特点更加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混 合动力电动汽车上。 电能 图2 3 并联式混合动力电动汽车动力流程图 并联式驱动系统的典型动力流程图如图2 3 所示，发动机和电动机通过某 种变速装置同时与驱动桥直接相连接。电动机可以用来平衡发动机所受的载荷， 使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在满负荷( 中等转速) 下燃油经济 性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时，传统车辆的发动机的燃油经济性 比较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可以增加发动机的负荷使电动机 作为发电机，给蓄电池充电以备后用( 即一边驱动汽车，一边充电) 。由于并联式 混合动力电动汽车在稳定的高速下发动机具有比较高的效率和相对较小的质 量，所以它在高速公路上行驶具有比较好的燃油经济性“”。 2 3 1 1 驱动力结合式并联混合动力电动汽车结构模型和驱动模式( 见图2 - 4 ，a ) 驱动力结合式并联混合动力电动汽车保存了内燃机汽车的全套机械传动系 统，采用一个小功率的发动机，单独地驱动电动汽车的前轮。另外再装置一套 武汉理工大学硕士学位论文 电动机驱动系统单独地驱动电动汽车的后轮，可以在电动汽车起动、爬坡或加 速时增加混合动力电动汽车的牵引力，也可以独立驱动电动汽车。在发动机传 动系统与电动机传动系统之问没有任何机械装置互相连锬n 1 1 另外，还有采用双驱动电动机单独驱动混合动力电动汽车的前轮和后轮( 两 轮驱动) ，或者共同驱动混合动力电动汽车的前轮和后轮( 四轮驱动) 的牵引力结 合式并联混合动力电动汽车。 发动机一变速器组成的驱动系统与电动机组成的驱动系统，是各自独立的， 没有机械式的连锁装置，两套驱动系统在混合动力驱动时的牵引力是互相结合 的。 驱动力结合式并联混合动力电动汽车能够用普通内燃机汽车进行改装，两 套动力系统互不牵连，能够充分发挥各自的特性，提高电动汽车的动力性能。 但是驱动力结合式并联混合动力电动汽车有两套动力总成和传动系统，使得它 的结构变得十分复杂，体积和质量大大的增加。两套动力系统之间的牵引力的 匹配与控制也十分复杂o 。 2 3 1 2 转矩结合式并联混合动力电动汽车结构模型和驱动模式( 见图2 - 4 ，b 、c ) 转矩结合并联混合动力电动汽车的发动机通过传动系统直接驱动混合动力 电动汽车，并直接( 单轴式) 或间接( 双轴式) 带动电动发电机转动向电池充电，电 池也可以向电动发电机提供电能，此时电动发电机转换成电动机，可以用来启 动发动机或驱动混合动力电动汽车“”。 转矩结合式并联混合动力电动汽车的发动机直接通过传动系统来驱动电动 汽车，组成发动机驱动模式，电池向电动发电机提供电能，启动发动机或驱动 混合动力电动汽车，组成电力驱动模式。采用发动机驱动模式或电力驱动模式 时，都通过同一根传动轴来输出动力，发动机输出的转矩与电动发电机输出的 转矩互相叠加。转矩结合式并联混合动力电动汽车只有发动机和电动发电机两 个动力总成，电动发电机兼有发电机和电动机的功能。 转矩结合式并联混合动力电动汽车是以发动机驱动模式为主要驱动模式，其 特点更加趋近于内燃机汽车，两个动力总成可以根据各自转矩的特点，对总的 输出转矩进行最佳分配，它的结构较简单，总质量较小，便于在小型汽车上布 置，使用维修方便。 2 3 1 3 转速结合式并联混合动力电动汽车结构模型和驱动模式( 见图2 - 4 ，d ) 电动汽车的发动机通过离合器和一个“动力耦合器”来驱动电动汽车，电 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 动机也是通过“动力耦合器”来驱动电动汽车。可以利用普通内燃机汽车的大 部分传动系统的总成，电动机只需通过“动力耦合器”与传动系统连接，结构 简单，改制容易，维修方便。但是对耦合器的要求较高“”。 铡出占置 2 3 2 本田i n s i g h t 的结构和工作原理 电动机发电机 图2 5 本田i n s i g h t 动力系统 本田i n s i g h t 是并联式混合动力汽车的典型范例。本田i n s i g h t 混合电动车辆 系统为单轴驱动转矩结合式并联混合动力系统，如图2 5 。本田h s i g h t 采用了本 田公司独特的混合动力系统“集成电机辅助动力系统”( i m a ，i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 该动力源由1 o l 的3 缸汽油发动机和超薄交流同步电动机集成而成，发动 机最大功率为5 l k w 5 7 0 0 r p m ，最大输出转矩为9 2 n m 4 8 0 0 r p m ，电动机额定功 率为1 0 k w 3 0 0 0 r p m ，最大输出转矩为4 9 n m 1 8 5 0 r p m ，电池组采用2 0 个串联的镍 氢电池( n i - m h ) ，总电压为1 4 4 v 。发动机是混合动力的主要动力源，电动机作 为辅助动力源，构成一个低混合度的混合动力系统“”。电动机和发电机集成在 一起，与发动机曲轴相联。在这种混合动力系统中，以汽油发动机为主要动力， 电动机为辅助动力，动力分配比为9 ：1 。在启动和加速时，电动机工作，发挥电 动枫低速大转矩的优点。在到达巡航车速后，由发动机单独驱动。减速时，电动 机作为发电机对电池充电。这套系统结构不是很复杂，成本低，质量小，结构 紧凑；由于电动机只在启动和加速等少数工况工作，又避免了发动机控制上的 缺点，再加上精心设计的极端稀薄燃烧发动机，使得动力性和经济性都取得较 佳的性能。 本田l n s i g h t 动力系统为低混合度混合动力系统，采用以成本和燃油经济性 为目标的控制策略，主要以发动机驱动模式驱动汽车，电动机在汽车加速时工 作，以蓄电池提供的电动能为辅助能源，辅助发动机向车轮提供加速行驶所需 的功率，因而该混合动力系统只要求装备小功率电动机和小容量的蓄电池组， 使蓄电池组的成本和质量得到最大程度减少“”。一般行驶工况下汽车行驶所需 的动力由- - d 排量发动机单独提供，当蓄电池组的荷电状态( s o c 。s t a t eo f c h a r g i n g ) 到达其设定的下限值时，向蓄电池充电。 本田i n s i g h t 型混合动力汽车采用了转矩复合的方式，其手动五档变速车创 造了3 l 汽油行驶1 0 5 k i n 的纪录( 日本法规1 0 1 5 工况) ，而装备c v t 的车型也 创下了3 l 汽油行驶9 6 k i n 的好成绩。 2 4 混联式混合动力电动汽车的结构模型 混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式混合动力电动汽车的结构 组成，主要由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机可以基 本保持稳定、高效、节能的运转，发电机和电池供给驱动电动机电能以驱动电 动汽车行驶。相对于串联式而言，混联式混合动力系统可以实现发动机动力直 接输出，提高了能量的利用效率；相对于并联式而言，混联式混合动力系统的 发动机和传动系统没有固定的机械连接，这种结构使得发动机可以独立工作， 武汉理工大学硕士学位论文 不受外界工况的影响，获得较高的经济性和排放性能“”。 串联式和并联式两种混合系统均有各自的优缺点，混联式混合动力系统结 合了两种结构的优点，在能量流的控制上有更大的灵活性，可以实现油耗和排 放的最佳设计目标。 2 4 1 丰田p r i u s 的结构和工作原理 图2 - 6 丰田p r i u s 混合动力汽车驱动系统 图2 6 为丰田公司p f i u s 的驱动系统结构示意简图。丰田p r i u s 采用了特有 的丰田混合动力系统( t h s ，t o y o t ah y b r i ds y s t e m ) 。t h s 是p r i u s 的核心，它 结合了汽油机与电动机两种动力系统，通过串一并混联式的动力组合方式，根 据车速和负荷要求，实现两种车载能源所提供的功率比，保证汽车按最有效的 工作模式运行。 丰田公司p r i u s 的驱动系统被公认为目前最成功的混合动力结构之一“”。在 此结构中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传给外圈的齿圈和内圈的 太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装 置将发动机一部分转矩( 大约为7 0 煳直接传递到驱动轴上，将另一部分转矩传送 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 到发电机上。发电机发出的电将根据指令或用于给电池组充电，或用于驱动电 动机以增加驱动力。在驱动轴转速不变时，通过调节发电机，使发动机转速可 以变化，而不像转矩复合结构那样，发动机转速受驱动条件的制约。此外发动 机、发电机的转矩与作用在齿圈上转矩是成一定比例的，传到驱动轴上的转矩 是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩( 为负时代表制动能量回收) 的矢量 和。这种结构可以有非常灵活的控制策略，因此可以实现对混合动力能量流的 最优控制。 通过不同制动器和离合器的作用，这套行星差速机构可以实现下面的功能 1 9 j ： ( 1 ) 启动及低速工况：从静止起步到车速低于一定的车速，如3 0 k m h 时，发 动机不启动，行星系统只有一个自由度，车辆由驱动电机驱动，为纯电动工况。 ( 2 ) 正常行驶工况：此时发动机功率通过行星系统分为二条路线，一条是通过 齿圈直接传到变速器，另一条是驱动发电机发电，给电池充电或者通过电动机 驱动。 ( 3 ) 加速爬坡工况：此时发动机的工作情况与正常行驶工况一样，而电动机不 仅由发电机提供能量，还要从电池获得能量，此时系统工作在混合模式。 ( 4 ) 减速制动工况：在踩下制动踏板后，齿圈轴反拖电机轴旋转，电机作为发 电机发电，向蓄电池充电，同时产生制动转矩。 ( 5 ) 充电模式：在需要时发动机可以仅驱动发电机向蓄电池充电。 2 4 2 混联式混合动力动力总成 丰田p r i u s 采用行星齿轮使得整体结构紧凑，适用于在轿车上布置，但是其 行星齿轮结构加工成本太高。对于公交客车而言，由于布置空间相对较大，要 实现混联式混合动力系统，并不用如此麻烦。以下是设想的混联式混合动力汽 车动力总成( 如图2 - 7 ) ： 武汉理工大学硕士学位论文 膏舍墨 臣至三蒌】堕 - 臣垂三酬卜l j 夏至互至至】_ _ f 至母输出刭后桥 图2 7 混联式混合动力系统动力总成 这个离合器设置在此意义非常重大，它功能虽小但作用很大，因为它是动 力耦合的关键部件。它与普通离合器不同就在于它必须有既可以常开又可以常 闭的属性。其实将现有的离合器稍加改造就可以达到如此目的。 以上结构最大的优点在于不需要对变速器本身进行修改。如果去掉一个电 机就成为并联模式，如果将离合器完全断开，就能实现串联模式，因此这种结 构是混联的典型模式啪1 。 ( 1 ) 启动 由于发动机在启动和低速状态下耗油量大，排放高，因此应将离合器至于 断开的状态，完全切断发动机与输出轴的机械联系，由发电机拖动发动机启动， 完全由电动机输出动力。 ( 2 ) 换档 本来由于加入了电动机转子的惯量使得整个换档过程变得困难，但是由于 我们提出了有源同步的思想使得整个过程变得容易起来。普通的变速器要达到 同步通常使用的是同步器。同步器的原理就是使用摩擦力使两边的速度达到相 同，是被动同步。提供产生摩擦力的正压力，手动档靠的是人手的推力，自动 档靠的是气动或液动。而有源同步不使用摩擦力，而是使用其他的动力源使两 边的速度达到相同，是主动同步。 在以上结构中有源同步的动力源是电动机。换档前，首先由控制器发出换 档信号，进入换档状态。当然，我们还是需要同步器，同步器起的作用不再是 同步，而是挂档。此时，同步器脱档至空档状态，电动机不再起输出动力的作 用，而是进入换档模式，跟踪输出轴的速度，使两边速度达到同步，再合上档 位，此后电动机才进入正棠的输出动力的状态。由于在整个换档过程中，起同 步作用的主要是电动机，挂档只需要很小的力，因此很容易由电子控制，实现 自动变速。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 动力耦合 当需要大负荷输出时，发动机和电动机同时输出。这是一个动力耦合的过 程，此过程不能与换档过程同时进行，只有当挂上档位以后，才能实旌动力耦 合。耦合前，控制器发送耦合信号，进入耦合状态。电动机进入断电状态，空 转，然后慢慢合上离合器。当离合器合上以后，电动机才能加电输出转矩。整 个过程起始时间驾驶员很难掌握，因此此离合器必须用电子控制。 ( 4 ) 动力耦合时的换档 在动力耦合时是不提倡换档的。必须换档时，先断开离合器，等电动机通 过( 2 ) 的步骤换上档位以后，再依照( 3 ) 的步骤合上离合器。 此外，在换档过程中，动