（光学工程专业论文）基于42v电源混合动力汽车动力系统的研究.pdf

独创性声明 f i ir e 脚 y 1 8 8 d 岑岑苓。 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 武汉理工大学或其他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： 纽竭篷日期：逸n 2 翌 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：舐桶首 导师( 签盔皇兰每办看勘：缈g 口 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 人类文明向前跃进的同时，新的科学技术也在不断发展，这必然给现代社会 工业的发展带来巨大冲击，在汽车工业领域中现代内燃机汽车的发展也无时无刻 面临着严峻的挑战，节能和环保已经成为当今汽车工业发展的两大主题，经过一 百多年的发展和壮大，现代车辆上已经全面应用了现代高科技技术产品，在逐步 实现机电一体化的同时，也在车辆的安全、性能、节能、环保等方面取得了重大 的进展。车辆电子化、电动化是今后汽车工业发展的必然趋势，为此，大量高新 技术应用在汽车上，伴随而来的是汽车用电量的迅速增长，传统的1 4 v 电源已 逐渐不能满足系统需求，4 2 v 电气系统作为下一代汽车电气系统标准电压己成为 国际上的共识。 本文以并联式混合动力电动汽车为模型，在4 2 v 电源系统背景下，对i s g 型h e v 动力系统进行了总体的设计。在简要分析4 2 v 动力系统理论基础、结构 型式和功能模式的同时，根据车辆整体性能要求，以节能和环保为主要目标，探 讨4 2 v 电气系统对汽车关键部件例如发动机、i s g 、蓄电池及变速器选型参数的 影响等。在综合考虑发动机和i s g 效率特性后，对比研究两种不同控制策略的 特点，最后选用扭矩分离控制策略为控制方案，以保证整个动力系统在高效率状 态下工作。 在m a t ia b s i m u l i l l l 【的环境下，以a d v i s o r 为仿真平台，依据系统的结 构、控制策略和工作模式，对已有模块b di n s i g h t 进行修改，建立了4 2 v 动 力系统发动机、i s g 、蓄电池、变速器以及整车的仿真模型，并选择e c e e u d c 和u d d s 循环工况进行仿真分析，得出4 2 v 混合动汽车动力性、经济性以及一 些重要性能曲线的仿真结果，并与同样参数设置的传统燃油汽车仿真结果进行比 较，得出结论4 2 v 动力系统基本达到预期设计目标。 关键字t4 2 v ；混合动力汽车；动力系统；参数设计；仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h u m a nc i v i l i z a t i o nl e a pf o r w a r da tt h es a m et i m e ，n e wt e c h n o l o g ya n ds c i e n c ei n t h eu n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ，w h i c hn e c e s s a r i l yb r i n g sh u g ei m p a c tt om o d e ms o c i e t y a n dt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y ，t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi c ev e h i c l e sf a c e sas e v e r e c h a l l e n g e e n e r g y - s a v i n g a n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n h a sb e c o m et h em o s t i m p o r t a n tt h e m e si nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y a f t e rah u n d r e dy e a r so fd e v e l o p m e n t a n d g r a n d n e s s ， m o d e m h i g h - t e c ht e c h n o l o g yp r o d u c t s h a v e c o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o ni nm o d e mv e h i c l e s w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt oa u t o m o b i l ea n df u n c t i o no fh u m a nn e e d s ，t h ef u t u r eo fh i g h e r e x p e c t a t i o nf o rc a t si n f u e lc o n s u m p t i o n ，e x h a u s te m i s s i o n s ，p o w e ra n dc o m f o r t r e q u i r e m e n t sw i l li n c r e a s i n g l yh i g h a m o n gt h e m ，e l e c t r o n i ca n de l e c t r i cv e h i c l ei s t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ff u t u r ea u t o m o b i l ei n d u s t r y t h e r e f o r e ，al a r g en u m b e ro f h i g h - t e c ha p p l i c a t i o n s i nc a r s ，w i t ht h er a p i dg r o w t ho fe l e c t r i c i t yo fc a r t h e t r a d i t i o n a l1 4 va u t o m o b i l ee l e c t r i c a ls y s t e mo fp o w e rc a n tm e e tt h ed e e d ，a st h en e x t g e n e r a t i o no fa u t o m o b i l ee l e c t r i c a ls y s t e ms t a n d a r d sv o l t a g e s ，4 2 ve l e c t r i c a ls y s t e m h a sb e c o m et h ei n t e r n a t i o n a la g r e e m e n t b a s e do n4 2 v p o w e rs y s t e m ，t h ep a p e rm a k e sab a s i ss t u d yu n d e r t h eb a c k g r o u n d o fp h e vw i t hi s go nt h eo v e r a l lr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l ei n t e g r a l p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，w h i l eb r i e f l ya n a l y z i n gt h e4 2 v t h e o r e t i cf o u n d a t i o n 、 c o n f i g u r a t i o n a n df u n c t i o n ， r e g a r d i n ge n e r g y c o n s e r v a t i o n a n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na st h em a i ng o a l i ta l s od i s c u s s e st h ei n f l u e n c et ok e yp a r t s o f4 2 v e l e c t r i c a ls y s t e m ，s u c ha sv e h i c l ee n g i n e ，i s g ，b a t t e r ya n dv e h i c l e t h e n ，c o n s i d e r i n g t h ee m i n e n c yo ft h ee n g i n ea n di s ga n dc o m p a r i n gt w ok i n d so fc o n t r o ls t r a t e g y ，t h e p a p e rs e l e c t e dt o r q u es p l i tc o n t r o ls t r a t e g ya st h em a i nc o n t r o ls t r a t e g y u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fm a t l _ a b s i m u l i n k ，r e g a r da d v i s o r a st h es i m u l a t i o n p l a t f o r m ，b a s e do nt h es y s t e m a t i cs t r u c t u r e ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ew o r k i n gp a t t e r n ， w em o d i f yt h eb d i n s i g h tm o d e lt h e nw o r k i n gm o d eo ft h e4 2 vp o w e rs y s t e m s u c ha se n g i n e ，i s g ，b a t t e r ya n dv e h i c l e t h e n ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n df u e l e c o n o m yo nt h ee c e e u d ca n du d d sd r i v i n gc y c l e a r es i m u l a t e db ya d v i s o r s o f t w a r e c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lv e h i c l eo f s i m i l a rd y n a m i t ep e r f o r m a n c e ， t h ef u e le c o n o m ya n de m i s s i o no ft h e4 2 vp o w e rn e ts y s t e ma c h e dt h ea n t i c i p a t e d d e s i g no b j e c t k e yw o r d ：4 2 v ；h e v ；p o w e rs y s t e m ；p a r a m e t e rd e s i g n ；s i m u l a t i o n h l 。i i 。1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 汽车工业面临的新挑战。1 1 1 24 2 v 电源系统的发展1 1 1 34 2 v 电源系统下混合动力电动汽车的优势3 1 1 4i s g 相关技术的发展状况3 1 2 课题的国内外研究概况4 1 3 课题主要研究内容5 第2 章h f v 结构模式与控制策略的选取7 2 1h e v 的结构模式7 2 1 1 串联式混合动力电动汽车。7 2 1 2 并联式混合动力电动汽车8 2 1 3 混联式混合动力电动汽车1 0 2 2 不同形式h e v 性能比较1 1 2 3 混合动力汽车优点与混合度分类1 2 2 4 汽车控制策略的选择1 2 2 4 1 电力辅助控制策略。1 3 2 4 2 扭矩分离控制策略1 3 2 5 本章小结1 5 第3 章蓄电池及d c d c 变换器的设计1 6 3 1 汽车4 2 v 电气系统结构实现方案1 6 3 2 蓄电池的选择1 7 3 2 1 各种蓄电池性能与比较1 8 3 2 24 2 v 动力系统对蓄电池的影响1 8 3 2 3 蓄电池参数设计1 9 3 3汽车d c d c 变换器种类2 0 3 4 双向d c d c 变换器2 1 3 5d c d c 变换器技术现状。2 4 3 5 1 变换器的集成度与小型高频化2 4 3 5 2d c d c 变换器的技术改进2 4 3 6 本章小结2 5 第4 章l s g 电机及其控制系统的设计2 6 4 1 弓i 言2 6 4 2i s g 型h e v 工作原理。2 6 4 3i s g 的选犁要求2 7 4 4 永磁同步电机的建模及矢量控制原理2 8 4 4 1 永磁同步电机模型2 8 4 4 2 永磁同步电机矢量控制原理3 0 4 5i s g 参数设计3 1 n l 武汉理工大学硕士学位论文 4 5 1电机性能参数设计3 l 4 5 2 电机的计算机辅助设计3 2 4 6i s g 控制器设计3 4 4 6 1 最小系统的设计3 4 4 6 2 功率驱动电路的设计3 5 4 6 3 保护电路设计3 6 4 6 4电源电路的设计3 8 4 7 本章小结3 9 第5 章h e v 动力系统建模与仿真分析4 0 5 1 j ；i 言4 i ) 5 2f i e v 动力系统参数设计4 0 5 2 1 整车基本参数和设计要求4 0 5 2 2 发动机的选取与参数设计4 1 5 2 3 传动比的选择4 2 5 2 4 动力系统参数的确定4 3 5 34 2 v 电气系统h e v 整车仿真模型4 4 5 4 零部件仿真模型的建立4 5 5 4 1 发动机建模4 5 5 4 2i s g 建模4 8 5 4 3 蓄电池建模4 9 5 4 4 变速器的建模5 0 5 5 并联混合动力汽车仿真与性能分析5 2 5 5 1p h e v 在不同控制策略下性能比较5 2 5 5 2p h e v 性能测试仿真分析5 3 5 5 3 与传统燃油车仿真对比分析5 7 5 6 本章小结5 8 第6 章全文总结和工作展望5 9 6 1 全文工作结论5 9 6 2 未来工作展望5 9 参考文献6 1 j l | 【谢6 ：； 附录：攻读硕士学位期间发表的论文“ i v 工业的发展带来巨大冲击，在汽车工业领域中现代内燃机汽车的发展也无时无刻 面临着严峻的挑战，节能和环保已经成为当今汽车工业发展的两大主题，经过一 百多年的发展和壮大，现代车辆上已经全面应用了现代高科技技术产品，在逐步 实现机电一体化的同时，也在车辆的安全、性能、节能、环保等方面取得了重大 的进展，为什么汽车电子化被如此广泛应用呢，为什么电动汽车成为各汽车公司 争相研究的对象，同时又受到人类如此大的青睐昵? 首先，如果按照目前能源量的消耗水平估计计算，全球的石油资源仅能维持 6 0 1 0 0 年左右，人类可以使用的石油资源正在日益枯竭；虽然世界各国都制定 了严厉的法规来限制汽车尾气排放对环境造成的污染，但是传统内燃机汽车随着 其保有量的增加，所产生的有害物质对我们赖以生存的地球造成的污染还是越来 越严重。据我国国务院发展研究中心估计，有一组数据这么显示：以现在不变的 燃油消耗速度计算，到2 0 1 5 年汽车的石油消耗将占国内石油总需求的4 3 ，而 我国石油消耗的6 4 要依赖进口，到2 0 2 5 年上述比率将分别增至5 9 和7 8 ， 而2 0 1 5 年以后我国汽车尾气排放在各大城市大气污染中的分担率将达7 5 以上 l ，我国汽车尾气排放已成为各大城市污染物的第一大污染源。因此电动汽车以 其在各方面的优势引起了人们的重视，受到了越来越多汽车公司的青睐，众多公 司围绕着节能和环保这两大主题竞相开展绿色环保汽车的开发。 根据车辆上应用的动力源的种类，可将电动汽车分为三大类，分别为纯电动 汽车( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，p e 、燃料电池电动汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ， v c v ) 、混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) ，其中混合动力电动汽 车具有纯电动汽车和传统内燃机汽车两者的优点，是一种过渡型车辆，就目前科 技发展来看，它是最能解决能源问题和环境污染问题且最切实可行的车型，也是 目前电动汽车中最具有市场化和产业化的车型之一。 1 1 24 2 v 电源系统的发展 汽车电源的发展经历了从最初的6 v 电源，到现在的1 2 v ( 1 4 v ) 电源系统，之 武汉理工大学硕士学位论文 所以最初只需要6 v 电源系统是因为当时的汽车功率较小，主要是起动系统需要 电源支持。从2 0 世纪5 0 年代开始，随着科学技术的发展，汽车发动机也开始更新 换代，发动机压缩比的不断提高，也要求起动机的功率相应地随之增加，电源系 统已经不能满足需要，由于当时汽车上的电器附件较少，因此1 2 v ( 1 4 电源系 统就远远能满足功率需求并逐渐取代原先的6 v 电源系统，此后1 2 v ( 1 4 v ) 电源系 统就一直沿用了5 0 多年。 然而，随着汽车上大量的高新技术的应用，汽车在性能、安全、节能方面发 展的同时需要的电器装置、系统也愈来愈多，传统的机械装置逐渐被电子装置取 代，相对应的各种汽车电子控制系统也不断出现，汽车的电气系统变得日益复杂， 汽车总的电能消耗量也不断增加，由于人类多年一直沿用的1 2 v ( 1 4 电源的极 限功率在3 k w 左右，已经变得开始慢慢不能满足汽车上电子装备所需要提供的功 率，1 2 v ( 1 4 v ) 电源系统严重制约了汽车电器的发展，较低功率的电源系统也慢 慢开始给汽车工业的发展带来一定的负面影响；因此为了使车辆上能够广泛使用 电气系统，提高车辆可负荷容量成为必然选择，即由原先的3 k w 提高至更高。 但是这种直接的方法又受到以下多方面的制约：根据经验公式p = u i ，电压 固定不变，如果提高系统负载功率，将直接导致电流增加。例如，功率由原先的 3 k w 提高至1 1 0 k w 不变，汽车电源系统采用原先1 4 v 电压时，电流将高达7 1 4 a ，只 有使用截面积更大的导线和电缆，才能承受电流的增加，而采用4 2 v 电压时，电 流则只有2 3 8 a ；另外，提高交流发电机的输出功率，将导致交流发电机的体积 增加，就会过多得占用车内的使用空间，且增加了车辆的总重量，汽车的总体效 率也会降低，就会消耗更多的燃油。为此，在保持汽车电流基本不变的情况下， 采取提高汽车电源系统的电压来提升系统整体使用功率的方法。 所以3 6 v ( 4 2 v ) 电源系统得到了应用与发展，采用3 6 v ( 4 2 v ) 车用电源，可提 供功率达至u 1 0 k w ，4 2 v 电源系统能够提供的电流强度并不会特别大，所以仍可采 用较为传统的电路连接方式，线路上的功率损耗也相对较小，却可以提供足够的 电力来运行目前所有的汽车电气设备，满足车辆系统基本要求。根据目前的安全 法规，任何超过6 0 v 电压的系统，都必须在导线及其连接处采取特殊的绝缘措施， 人体的安全电压是在5 0 v 以内，4 2 v 电压满足安全法规的要求。在3 6 v ( 4 2 v ) 电源 系统中，3 6 v 是蓄电池的电压，4 2 v 是发电机工作时汽车电源的电压，其具体充 电模式分三步【2 1 ：首先采用一定电流将蓄电池组充电至最大电压约为4 3 2 v ，该 过程可充入8 0 以上的能量；其次对蓄电池组进行恒定电压充电，该过程后可充 入9 8 的能量，这时充电电流逐步减小；最后一步我们称之为浮充过程，即充电 电压恒定而充电电流几乎为零，3 6 v 蓄电池组的浮充电压一般在4 0 7 5 4 1 8 v 之间， 该过程与1 2 v ( 1 4 v ) 电源系统的道理是一样的，即1 4 v 为车辆的实际的电源系统电 2 武汉理工大学硕士学位论文 压，1 2 v 为其动力电池的额定电压，1 2 v 蓄电池在浮充状态下表现为1 4 v 的电压， 即需要原汽车1 2 v 蓄电池配上1 4 v 的交流发电机，而使用3 6 v ( 4 2 v ) 电源，即汽车 是以3 6 v 蓄电池为基础，配上相应的4 2 v 交流发电机，当汽车发动机停止运转时， 汽车电源系统的电压是3 6 v 。 1 1 3 4 2 v 电源系统下混合动力电动汽车的优势 采用4 2 v 电源系统可以大大提高汽车的电源系统容量，为混合动力汽车的发 展拓开了新的道路，下面将从节能和环保两方面分析混合动力电动汽车的优势如 下： 1 采用4 2 v 电源系统，发动机与电动机协调配合组成混合动力系统来共同驱 动车辆行驶，在低速时汽车的动力源可以由电源直接驱动电动机来实现，即可以 在车辆怠速的时候断开发动机，这时的汽车动力源是由电源直接驱动的电动机， 可以完全避免怠速工况，大大降低了其运行时给城市造成的环境污染，电动机的 辅助驱动能够使发动机更加节能； 2 采用4 2 v 电源系统为车辆电气设备的结构改进提供了更大的可能性，例如 减少了发动机的部件数量，新的电源系统甚至可以直接驱动一些附件，这样不仅 减少了发动机空转消耗，还提高了发动机能源利用效率，从而能以更有效的方式 将燃油的能量转换为机械能。 所以在4 2 v 电源系统的基础上使用混合动力系统驱动，不但节能和环保得到 了一定程度的改善，且车辆在保持续驶里程长、机动性强等传统燃油汽车的特点 的基础上，还提高了发动机的工作效率，为我们带来更好的驾驶舒适性和更好的 燃油经济性。 综上所述，在城市交通污染日益严重的今天，基于4 2 v 电源系统的技术平台 下混合动力汽车的发展成为解决能源问题和排放问题最具现实意义的途径之一， 混合动力汽车的发展无疑是社会的一个福音，所以其性能价格比将明显优于传统 车辆，将在2 1 世纪的汽车工业发展中占有重要的地位。 1 1 4i s g 相关技术的发展状况 使用汽车4 2 v 电源有利于采用集成一体化的起动发电机，t ! l j i s g ( i n t e g r a t e d s t a r t e rg e n e r a t o r ) ，也有的简称为i s a ( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o r ) 1 4 j ，i s g 是将传 统汽车中的起动机和发电机合二为一，i s g 的应用能实现发动机快速启动与关闭 功能，能提供辅助驱动力，制动回收能量，降低车辆的尾气排放、减少污染和改 善燃油经济性等作用，是推动电动汽车部件发展的必然方向，是国际公认的未来 汽车。i s g 技术作为混合动力汽车的一项关键技术，除了具有更大功率和更高效 3 武汉理工大学硕士学位论文 率之外，还具备混合动力技术的一般优点【5 】，具体如下： 1 高效率性，在系统中i s g 与发动机主轴直接相连共同驱动汽车，i s g 取代 了原有发动机飞轮，同时也必然省掉了部分传动部件，整个系统结构紧凑，大大 减少了汽车的内部空间，使i s g 系统具有很高的效率。 2 i s g 一体电机同时具备电动机与发电机的两者功能，能够快速起、停控 制，功率大，具有突出的节油效果，动力辅助性强，能量再生利用等优点，该技 术的应用这样可以使发动机模块化和简单化。 3 在发动机工作时，i s g 在电动与发电状态之间不断切换，其能通过自身 的转动惯量来平衡发动机工作时曲轴带来的的震动与波动，i s g 的使用不仅减少 了车辆的振动，也较低了车内噪声，同时也增加了汽车的运行时的舒适性【6 1 。 4 i s g 型混合动力电动汽车是一种应用开发潜力较大的混合动力汽车，特 别适合于中小排量的中低档汽车车型的改造，已成为当今混合动力汽车开发中的 重要车型。 1 2 课题的国内外研究概况 i s g 概念被提出后，作为一项崭新的技术，国外诸多汽车公司就开始对4 2 v 供电系统下的i s g 型混合动力汽车进行广泛、深入的研究，众望所归其在节能、 排气污染、操作灵活简单等各方面也都表现出优异的性能。 美国、日本、欧洲等许多发达国家对这种新型混合动力电动汽车的研发给予 了高度的重视，现已有多家公司开始量产i s g ，并已取得了一些重大的成果和进 展【7 l f 剐，i s g 的广泛应用也使混合动力汽车动力性能变得更好，截至2 0 0 5 年，全 球共销售的混合动力轿车5 5 万辆多，而其中日本丰田汽车是世界上第一家成功 地将4 2 v 系统应用在汽车上的公司，该车( 丰田皇冠) 采用的混合动力系统被称为 t h s m ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m m i l d ) ，电机就是采用皮带连接起动发电机( i s g ) 的 结构。市场研究公司a u t o m o t i v et e c h n o l o g yr e s e a r c hg r o u p 和a b ir e s e a r c h 在共 同发布的未来汽车使用率的研究报告中指出，即使未来全球的油价像目前一样， 2 0 1 5 年欧洲市场出售的所有轿车中1 0 一1 6 也将会是混合动力电动汽车，如果 油价还不断攀升的话，那么未来路面上行驶的汽车将大部分是电动汽车；另外一 家市场研究公司b o o z a l l e nh a m i l t o n 对关于未来汽车工业的发展直接给出了更 大胆的推测：2 0 1 5 年混合动力电动汽车将会占据整个汽车市场的8 0 【9 1 ，综上 可知混合动力技术已经开始慢慢进入新的工业化生产阶段和商业化推广阶段。 与此同时，我国也积极的开展了对混合动力汽车的研究，也纷纷加入研发 h e v 的浪潮，2 0 0 5 年随着国家混合动力汽车标准的颁发，我国混合动力汽 车的研发开始正式进入实施阶段，我国的各大汽车厂如长春一汽、东风二汽、上 4 武汉理工大学硕士学位论文 海汽车集团、比亚迪、长安等都在积极研发相关的混合动力汽车，新世纪的第一 个五年计划，电动汽车的发展就被我国科技部列为国家8 6 3 重大科技项目，国家 也将要投入约1 0 亿元来全面支持电动汽车各个关键领域的全面发展与研究，目 前我国电动汽车作为重点科技攻关项目也取得了一定的成果，例如，二汽东风汽 车公司成功完成了“混合动力电动汽车 的整车研制工作，研发的混合动力客车 在武汉地区开始试运行；长安汽车( 集团) 有限责任公司在在国家的支持下，开展 了对混合动力长安轿车i s g 型整车匹配工作，并达到了项目的设计要求，且通 过国家级验收1 1 0 j 。 1 3 课题主要研究内容 动力系统中各个部件的选型与参数设计在混合动力汽车的整车能量分配和 整车性能测试中影响甚大，因而对各部件建立合理准确的仿真模型分析也尤为重 要，在已有的资料分析和众多科研人员研究的基础上，论文对在4 2 v 电源系统 的背景下通用混合动力系统部件的选型与参数给出了一个简单的设计，主要章节 内容安排如下： 1 混合动力电动汽车结构模式与特点 主要介绍目前混合动力汽车的三种基本结构模式，并对其系统结构和性能特 点进行总结与比较，及其各自的优缺点与适用范围，并在此基础上分析论文采用 何种功率等级。基于对各种h e v 特性的了解，不同的结构模式在驱动系统、能 源系统、控制策略等方面都有着巨大的影响，论文选择并联式驱动系统轻度混合 模式结构。 2 蓄电池的选取及d c d c 变换器设计 对于4 2 v 汽车电源来讲，蓄电池的具体特性要求和汽车应该具有的功能密 切相关，所以蓄电池也是其关键设备之一。如果只是单纯为了实现电压的升高， 将传统的蓄电池串联起来，技术上容易实现，但无疑无论在车辆本身还是能源利 用都造成了诸多浪费；如果再考虑汽车功能的多少，那么选取何种蓄电池、数目、 组合方式及蓄电池的诸多参数等都将详细分析，论文主要论述模拟的混合动力汽 车选取何种蓄电池及其主要参数的设计、d c d c 变换器的技术现状和4 2 v 电源 系统所使用的新型双向d c d c 变换器的工作原理。 3 混合动力电动汽车i s g 参数选取与控制器的简单设计 4 2 v 电气系统中起动机发电机0 s g ) 是混合动力汽车动力系统的关键，论文 根据i s g 混合动力系统的结构形式和整车性能要求，提出一种利用电机的计算 机辅助设计准确计算出电动机结构与额定参数的方法；最后，根据电机整体要求 选择合适的控制芯片，简单设计i s g 电机控制器的一些主要模块，如电源模块、 5 武汉理工大学硕士学位论文 保护电路模块等，论文选取永磁同步电机为研究对象，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主要控 制芯片。 4 混合动力电动汽车动力系统其它模块建模与仿真 混合动力汽车的关键是选择合适的动力系统结构形式，论文参照a d v i s o r 模型库中的b di n s i g h t 模块的结构形式，在m 棚a b _ a d s o r 建模环境中 修改主要数据，建立混合动力电动汽车动力系统总体模型并分别对发动机、i s g 电机、变速器、蓄电池建立相应的仿真分析模型。 5 混合动力电动汽车控制策略研究及仿真 在混合动力电动汽车上，目前应用较为广泛的几种控制策略有自适应控制策 略、电辅助式控制策略、扭矩分离式控制策略等，都以辅助动力源为基础。论文 选择并联式混合动力电动汽车为模拟车型研究了不同控制策略下的控制逻辑，并 具体介绍了扭矩分离式控制策略和电气辅助式控制策略的优缺点，最后选择扭矩 分离式控制策略为整车模型采取的控制策略，并分别对混合动力电动汽车在不同 路况下仿真，对比分析车辆的运行性能等特点。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章h e m 结构模式与控制策略的选取 2 1h e v 的结构模式 如果一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元( a u x i l i a r yp o w e r u n i t ，a p u ) ，那么这种车辆被称为混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) t 1 1 】， 其中a p u 是燃烧某种燃料的原动机或者是由原动机驱动的发电机。而国际电工 技术委员会( 正c ) 对混合动力电动汽车的定义1 1 2 j 是指“在在特定的工作条件下， 汽车的驱动能量可以从两种或两种以上的能量源中获取，且该汽车上至少安装有 一种能量存储器或能量转换器”，混合动力电动汽车所采用的原动机一般为汽油 机、柴油机、燃气轮机，其电能存储装置一般为蓄电池组。 根据其组合方式的不同目前的混合动力汽车动力系统有三种基本结构模式 【1 3 】，分别为串联式、并联式、混联式，并分别对应三种不同结构模式的车辆： 串联式混合动力电动汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s m 三v ) 、并联式混合动力 电动汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 、混联式混合动力电动汽车 ( p a r a l l e l s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p s h e v ) 。串联式混合动力电动车辆可以提 供驱动力的只有一种能量源或能量转换器，并联式混合动力电动车辆则有多种能 量源或能量转化器同时提供驱动力，混联式混合动力电动汽车则至少有一种能量 存储器、能量源或能量转化器可以传递电能，下文将具体介绍相关结构模式的车 型。 2 1 1串联式混合动力电动汽车 串联式混合动力电动汽车主要是由发动机、驱动电动机和发电机三大动力总 成以“串联 方式组成见图2 1 ，它们之间没有机械联系，在车辆的整体布置上， 有较大的自由度。串联式混合动力汽车的工作原理是首先发电机发电，将电能输 送到电动机，电动机再驱动汽车行驶，因为发动机不直接参与s h e v 的驱动， 而s h e v 的发动机与发电机组只是车辆上的一种电能供应系统，所以车辆的行 驶是靠发电机和蓄电池共同提供电能驱动的。 s h e v 结构简单，对控制技术要求不高，主要以动力电池组为基本能源来驱 动，由于汽车并不是一直在满负荷状态下工作，驱动电动机的功率又要必须能够 克服s h e v 在行驶过程中的最大阻力，因此装置的发动机与发电机组要有较大 功率，动力电池组的容量也要大，容量增大体积必然增大，因此使得串联式混合 动力汽车三大动力总成外形尺寸都比较庞大，其动力总成质量也较重，如此在中 7 图2 1 串联式混合动力电动汽车结构模型简图 我们根据能量源功率消耗值的不同，把串联式混合动力汽车分为两种基本类 型1 1 4 l ，第一种为电力主动型s h e v ，其发动机功率占整个系统功率百分比较少， 在系统运行中发动机没有多余的功率来维持蓄电池组的荷电状态，蓄电池能量在 不断消耗，还需外界能源给其补充电能，因此也叫电量消耗型s h e v ；第二种为 发动机主动型s h e v ，其发动机功率占整个系统功率百分比较大，在车辆运行整 个过程中，蓄电池组s o c 值基本可以维持不变，蓄电池容量选择较小消耗也较 小，其基本不需要外界补充电能，因此也叫电量维持型s h e v 。 2 1 2 并联式混合动力电动汽车 并联式混合动力电动汽车是由发动机、驱动电动机或起动发电机两大动力 总成以“并联”的方式组成，p h e v 工作原理是汽车起动时，首先由电动机驱动 车辆运行，当汽车速度达到发动机转速后，p h e v 就会像传统燃油汽车一样单独 由发动机驱动，结构中发动机驱动为主要驱动模式，电动机是p h e v 的辅助动 力，即p h e v 是发动机和电动机共同驱动或单独驱动车辆行驶，其动力性能也 最接近内燃机汽车。 p h e v 与传统内燃机汽车的传统系统基本一样，结构较复杂，在车辆整体布 置上也基本与内燃机汽车相同，p h e v 发动机工况受汽车行驶工况的影响，如果 使用i s g ，不仅能够有效的调节发动机的输出功率，使得输出功率更加贴近于实 际所需，还能使发动机基本稳定在高效率、低污染的状态下工作，因此i s g 型 p h e v 的发动机功率可以选择较小，燃料经济性也较高于串联式混合动力电动汽 车，该系统质量轻，适用于小型轿车，适合在稳定行驶工况下工作。 根据电机的动力设备与车辆驱动系统组合方式的不同，把p h e v 的驱动力 组分为三种组合模式，分别见图2 2 2 4 ，具体详见表2 1 。 8 1 发动机；2 动力组合器：3 - 电流转换器；4 驱动电动机；5 蓄电池组；6 变速器；7 - 驱动桥 图2 3 动力组合器动力p h e v 结构模型简图 一 机饭连接 一 电气连接 1 发动机：3 电流转换器：4 驱动电动机；5 蓄电池组；6 变速器：7 驱动桥 图2 4 驱动轮动力组合式p h e v 结构模型简图 表2 - 1 并联式混合动力汽车三种动力组合式 组合模式发动机轴动力组合式 动力组合器组合式驱动轮组合式 动力设备发动机和l s g发动机和驱动电动机发动机和驱动电动机 组合位置动力在发动机轴上组合动力在动力组合器上 通过离合器、变速器 和驱动桥独立地驱动 传统的驱动系统带动车差速器和半轴带动车p 胍v 后驱动轮，驱动 驱动系统 轮行驶 轮行驶 电动机通过减速器独 立地驱动p h e v 前驱 动轮。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 混联式混合动力电动汽车 混联式混合动力电动汽车综合了串联式h e v 和并联式h e v 的结构特点， 由发动机、驱动电动机、起动发电机三部分动力总成组成。混联式混合动力汽 车的工作原理也是综合串联式与并联式两者的工作模式，即有一部分直接由发动 机驱动，另一部分则由发电机发电，再由电动机通过动力复合装置传送给驱动轮 驱动，当车辆低速行驶时，混联式驱动系统主要以串联方式工作；当车辆进入高 速稳定行驶状态时，混联式驱动系统则以并联方式工作，因此与其他结构模式不 同的是，在p s h e v 上需要配备两套驱动系统，其动力系统结构更为复杂，总布 置也更加困难，需装配的多能源动力总成控制系统也更加复杂，只有这样车辆才 能达到高的经济性和低排放性的控制目标。混联式混合动力电动汽车的驱动力组 合有两种不同的组合模式，动力组合器动力组合式p s h e v 见图2 5 和驱动轮动 力组合式p s h e v 见图2 6 ，具体详见表2 2 。 1 发动机；2 电动发电机；3 电流转换器；4 驱动电动机： 5 蓄电池组；6 变速器；7 驱动桥；8 动力组合器 图2 5 动力组合器动力组合式p s h e v 结构模型简图 1 发动机；2 - 电动发电机；3 - 电流转换器；4 - 驱动电动机； 5 蓄电池组；6 变速器；7 驱动桥 图2 6 驱动轮动力组合式p s 脏v 结构模型简图 1 0 电气连接 一 电气连接 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 混联式混合动力汽车两种组合模式 组合模式动力组合器动力组合式 驱动轮动力组合式 动力设备