混合动力汽车动力总成系统分析.doc

混合动力汽车动力总成系统分析与控制策略制定作 者 姓 名：李 胜 利指 导 教 师：宋桂秋 副教授学 院 名 称：机械工程与自动化专 业 名 称：机械工程及自动化东 北 大 学2008年6月Hybrid Electric Vehicle Powertrain System Analysis And Control of Strategic Planningby Li ShengliSupervisor: Vice Professor Song GuiqiuNortheastern UniversityJune 2008毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：混合动力汽车动力总成系统分析与控制策略制定设计(论文)的基本内容：。（1）混合动力汽车动力总成总体设计与分析；（2）混合动力汽车动力总成总体控制策略；（3）混合动力汽车动力总成控制方法的比较与分析；（4）混合动力汽车动力总成控制方法及实现；（5）英文资料翻译。毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期 第1周指导教师签字： 2008年3月3日东北大学毕业设计（论文） 摘要摘要随着全球气候的逐步恶化和石油资源的过度开发与消耗，环境保护和节能观念日益深入人心。而传统汽车由于其高能耗和高尾气排放使得内燃机汽车在节能和环保两个方面都不能满足人们的要求，因此人们开始研究节能环保的汽车和替代燃料的新技术，来维持经济的可持续发展。发展节能型、环保型汽车已成为世界各国汽车行业技术创新的重要方向和必然选择。混合动力电动汽车(HEVHybrid Electric Vehicle)是传统燃油汽车和纯电动汽车相结合的新车型，具有燃油汽车的动力性能和较低的排放，是当前解决节能和环保问题切实可行的过渡车型方案，因此研究混合动力汽车对我国汽车行业的可持续发展有重大意义。本文以混合动力改型汽车为研究对象，针对动力总成控制系统的开发，围绕动力总成控制策略的研究、制定，系统深入的展开了研究工作，具体内容有：首先，结合混合动力汽车的总体方案设计，对动力总成系统的机械结构、部件选型以及运行条件进行了分析，明确了动力总成控制系统的结构、功能及开发思路；其次，在分析比较典型并联式动力总成控制策略的基础上，结合本文动力总成系统的具体运行特点，选择确立了合理的控制思路及控制方法，并针对具体的控制要求制定出了可行的控制策略。关键词：混合动力汽车，动力总成系统，控制策略II东北大学毕业设计（论文） Abstract AbstractWith the gradual deterioration of the global climate and the over-exploitation of oil resources and consumption, environmental protection and energy-saving concept increasingly enjoys popular support. The traditional vehicle because of its high energy consumption and high emissions make the internal combustion engine vehicle in energy conservation and environmental protection can not meet the requirements, So people started to study energy conservation and environmental protection and alternative fuel vehicles of the new technology, to maintain the sustainable economic development. Development of energy-saving and environment-friendly cars have become the world automotive industry an important direction of technological innovation and the inevitable choice.Hybrid electric vehicle with fuel vehicle dynamic performance and low emissions is a combination of traditional fuel car with pure electric vehicle. And its a practical model of transition program to solve the current energy conservation and environmental issues.This paper systematically studies the design and development of the control strategies for hybrid electric vehicle. Base on these studies, the paper settles a theoretic foundation for the independent development of the power train control system of the 4WD hybrid electric vehicle. The main works are summarized as following: First, Combined with the system design of the hybrid electric vehicle, the mechanical structure, components sizing and using condition of the HEVs power train are analyzed. The structure, functions and the development method of the power train control system are also in detail discussed; Second, Base on the analyze of the typical control strategies for the parallel hybrid electric vehicle ,the basic control idea and logical are chose. Then the thesis developed a wieldy but feasible control strategy for our 4 WD hybrid electric vehicle according to the concrete control demands.Key Words: hybrid electric vehicle，powertrain system，control strategyIII东北大学毕业设计（论文） Abstract目录 Abstract 目录毕业设计（论文）任务书I摘要IIAbstractIII第1章 绪论1 1.1 课题背景及意义1 1.2 混合动力汽车概述31.2.1 混合动力汽车的概念及特征31.2.2 混合动力汽车的分类4 1.3 HEV动力总成控制系统研发概况61.3.1 HEV动力总成控制策略概述61.3.2 应用于控制系统开发的新技术71.4 论文主要研究内容10第2章 HEV动力总成系统分析与设计112.1本文混合动力汽车的设计要求112.2 HEV动力总成控制系统分析122.2.1 控制系统的功能分析122.2.2 控制系统开发流程132.3 HEV动力总成的设计思路142.4 本文HEV动力总成系统的结构形式152.4.1 可选结构形式分析152.4.2 本文所采用行形式162.5 本文HEV动力系统的部件选型182.6 本章小节21第3章HEV动力总成控制策略的研究与制定223.1 并联式HEV动力总成控制策略的分析比较223.1.1 基于规则的稳态优化控制策略223.1.2 基于实时控制的动态控制策略253.1.3 基于模糊控制的智能控制策略273.1.4不同控制策略间的分析与比较293.2 本文HEV动力总成控制策略的制定303.2.1 混合动力汽车运行模式分析303.2.2 控制思路和控制方法的确定333.3 转矩管理策略的实现343.3.1驱动方式下的策略实现353.3.2 制动方式下的策略实现363.3.3转矩管理策略总流程图403.4 换挡控制策略的制定42第4章 总结与建议44参考文献45致谢46附录：外文翻译资料47东北大学毕业设计（论文） 绪论第1章 绪论1.1 课题背景及意义随着世界经济的飞速发展，人们生活水平日益提高，汽车逐渐成为人类生活的重要交通工具，汽车保有量也急剧增加。然而汽车在为人们带来方便、快捷、舒适的同时，也带来了严重的环境污染和资源的急剧消耗。目前，世界上各种汽车的保有量超过了8.5亿辆，每年新生产的各种汽车约6400万辆，按平均每辆车年消耗10到15桶石油及石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达85至127亿桶，约占世界石油产量的一半。石油资源的开采每年达几十亿吨，经过长期的现代化大规模开采，石油资源日渐枯竭，按科学家预测，地球上的石油资源如果按目前的开采水平，仅仅可以维持60到100年左右。2007年我国进口石油近2亿吨，预计到2020年前后我国的石油进口量有可能超过日本，成为亚太地区第一大石油进口国。国务院发展研究中心预测，预计到2010年和2020 年，我国汽车消耗石油为1.38亿吨和2.56亿吨，约占全国石油总消耗量的43%和67，因此能源危机是我们必需面对的重要问题，而可持续发展和环境保护问题也得到了世界性的普遍关注，环保和节能业已成为新世纪汽车发展的主题。电动汽车以电能作为主要动力源，具有清洁、高效等优点，而且能利用煤炭、水力等其它非石油资源，因此得到了世界各国的广泛认可，成为当今环保、节能汽车的主要研究方向。电动汽车总的发展目标是生产出在性能和价格上都能媲美于传统内燃机汽车的交通工具，也就是说，未来的电动汽车必须在续航里程、动力性能、安全性能和无故障行驶等方面达到或超过传统汽车，并且在购买价格和行驶费用等方面具有竞争性，从而才能取代传统内燃机汽车成为下一代的主流交通工具。目前电动汽车有纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车三种发展形式，它们处于不同的发展阶段，具有各自不同的特点。其中纯电动汽车能完全实现无污染和零排放，远景诱人，但受制于当今蓄电池技术的发展水平，仍然存在着续航里程少、价格昂贵、需长时间充电等缺点。从长远来看，氢能源燃料电池无疑是解决以上问题的良好途径，但就目前而言，燃料电池技术还远未成熟，相应的基础设施建设也有待开展，其大规模生产和商业化应用仍需假以时日。在此背景之下，综合了纯电动汽车和内燃机汽车优点的混合动力汽车得到了广泛的发展，成为清洁汽车阵营中不可忽视的力量。混合动力汽车将燃油的高能量密度特性和电能的高功率密度特性相结合，利用两种能量源的特性互补，实现了系统综合性能的改善与提高。与传统内燃机汽车相比，混合动力汽车的排放性和燃油经济性有显著提高，动力性能与续航能力却并无二致，而且还能带来更为舒适的驾乘感受，运行于复杂的城市工况下，其燃油经济性与排放性的优势将更为明显。正因为HEV具有以上优点，促使全球主要国家和公司投入大量科研力量从事HEV的开发。近10年来，美国、欧洲、日本等国政府和跨国公司已投入超过100亿美元的资金，并且以每年不少于10亿美元的力度继续投入。下面具体介绍各国的相关研究情况。在日本，1995年5月日产公司开发出了可以使续驶里程增加一倍的串联式混合动力型微型轿车。丰田公司的Coaster从1997年8月开始销售，至2001年3月末，约售出40辆。丰田公司的Prius从1997年12月开始在国内销售，至2001年8月末，约售出53 ,400辆。在2003年纽约国际车展上，日本丰田公司展出了采用第二代丰田混合动力系统 (Toyota Hybrid System, THS II)的混合动力轿车Prius2004，THS II采用了500V的高压动力电，驱动电动机的最大功率可达50KW。在美国，自1990年以来，由于环境问题以及美国加州“零排放车辆法”的推行，各大汽车厂商更加注重对电动汽车的开发。1993年9月，美国能源部和三大汽车公司牵头成立了“新一代汽车伙伴关系（PNGV）”，美国政府通过PNGV与汽车界达成了多种合作研究、开发协议，并协调政府有关部门，国家实验室和三大汽车公司的人力、物力资源，开展高效节能汽车包括HEV的研究。通用汽车公司于2004年在美国部分州推出了“Silverado”和“GMC Sierra”等简易型混合动力汽车，并将在2006年推出“Saturn VUE Green Line”。同时，它还与戴姆勒克莱斯勒公司合作，计划于2007 年研发出双模式完全混合动力技术系统。福特汽车公司1998年开发出了福特P2000型5座并联式混合动力电动汽车。2003年，福特汽车公司又推出了名为“freestly”的混合动力汽车。在欧洲，大众汽车公司推出Chico牌混合动力电动微型汽车，该轿车在城市行驶平均能量消耗每100km为3.2L。法国雷诺公司研制的VERT和HYMME两款混合动力电动汽车已在法国接受了10000km的运行试验。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃FL6卡车改装的混合动力电动汽车, 最高时速可达90km。在我国，HEV的研究起步较晚，但是近年来得到了政府、企业、高校和科研院所的高度重视。2001年，为维护我国能源安全，改善大气环境，提高我国汽车工业竞争力，力争实现我国汽车工业的跨越式发展，科技部在“十五”国家科技计划中设立电动汽车重大专项，从发展我国汽车产业的战略高度，选择新一代电动汽车技术作为创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构联合攻关。1.2 混合动力汽车概述1.2.1 混合动力汽车的概念及特征根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，HEV的定义为：由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。在汽车行驶过程中，需求功率将依据实际行驶情况由这些驱动系统单独或共同提供。其基本原理是采用适当的燃料转换装置(如汽油机、柴油机等)、储能装置和电动机作为混合动力源，在动力总成控制系统的管理和优化下，通过不同动力源间的协调配合，使它们能尽可能的在高效率、低能耗区域工作，从而提高整个动力总成系统的能量利用效率。 相比纯电动汽车，混合动力汽车继承了传统内燃机汽车在动力性能、续航能力等方面的优势，同时又具有制动能回收与再生利用以及超低排放行驶等纯电动汽车的优点;而相比传统内燃机汽车，在混合动力汽车中由于电动机的协同工作，发动机能较多的工作在排放和油耗较低的工况区域，从而避免了在不利工况下运行所带来的高油耗和高排放。从混合动力汽车的典型工作过程来看(如图1.1所示)，其具体特征可归结为以下四点:(1)动力总成控制系统能根据汽车的不同行驶工况，控制发动机和电动机在优化的工作区间内运行，同时维持储能装置中的能量在一定水平内，避免了汽车的外部充电;(2)汽车爬坡或急加速行驶时，由电动机提供额外的输出功率，与发动机共同驱动汽车行驶；(3)汽车起步、怠速或低速行驶时，发动机关闭，由电动机单独驱动汽车，实现整车的零排放运行;(4)汽车减速制动时，电动机以发电状态运行，回收部分制动能量，并以电能的形式重新存储在储能装置中，实现能量的再生利用。图1.1混合动力汽车的典型工作过程1.2.2 混合动力汽车的分类目前国内外研究的HEV有多种结构，其分类方法一般有两种：按混合度分类和按动力系统布置分类。混合度是指电动机功率与发动机功率的比值。根据混合度，HEV可分为：弱混合和强混合两类。两者均具有怠速停车、再生制动和电动机辅助功率功能。除此之外，强混合还具有纯电动行驶功能。通常混合度越高，燃油经济性越高，排放越低。本田Civic的混合度为15.9%，是弱混合的典型车型；丰田Prius2001的混合度为62.3%，是强混合的典型车型。按动力系统布置分类，HEV可分为：串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle，简称SHEV)、并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle，简称PHEV)和混联式混合动力汽车(Split Hybrid Electric Vehicle，简称PSHEV)。下面分别对以上几种HEV作简单介绍。（1）串联式混合动力系统6如图1.2所示，串联式混合动力系统由发动机、发电机和电动机三大部件组成，其中发动机仅用于发电，汽车行驶的全部驱动力完全来自于电动机。串联式结构的最大特点是发动机与驱动桥间没有直接的机械连接，因此其工作状态能不 图1.2串联式布置结构图受汽车行驶工况的影响，可以始终在最佳工作区间内稳定运行，而使整车获得良好的经济性能和排放性能。此外，发动机受行驶路况影响较小，易运行在高效区。但是SHEV的能量转换、传输的环节多，造成能量转换效率比较低；而且，为满足爬坡等需要大功率的路况，发动机、发电机和电动机的额定功率都要求比较大。典型的SHEV有丰田公司的Coaster等。（2）并联式混合动力系统如图1.3所示，并联式混合动力系统采用发动机和电动机两套驱动系统。可采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或发动机和电动机联合驱动三种工作模式。它以发动机作为主动力装置，电动机作为辅助动力装置，目的是为了降低排放和燃油消耗。在汽车需要大功率输出（如爬坡、加速等）时，发动机和电动机联合驱动汽车，故发动机和电动机的额定功率选 图 1.3式布置结构较小值，就可达到动力性要求。在汽车减速或刹车时，电动机工作在发电状态，向蓄电池充电，即再生制动。与SHEV相比，PHEV的发动机和电动机的功率较小，但结构比较复杂，同时控制难度增加。典型PHEV有：日野公司的HIMR型大客车、本田公司的Insight轿车等。（3）混联式混合动力系统 如图1.4所示，混联式混合动力系统比较接近于并联式布置，不同之处是混联式结构中增加了一套发电机结构。这样发动机发出的功率不仅可以与电动机发出的功率联合后直接驱动汽车，还可以转化为电能储存在电池中，进而驱动电动机。混联式混合动力结构结合了串联式与并联式结构的图1.4混联式布置结构图优点，在能量流动的控制上具有更大的灵活性，可实现油耗和排放的最佳设计目标。在混联式混合动力系统中，一般采用具有两个自由度的行星齿轮机构作为动力分配装置，通过该装置实现多个部件的转速合成，同时保持各个部件间的转矩成一定比例关系。图1.5所示为日本丰田公司THS（Toyota Hybrid System）混合动力系统中分配装置的结构示意图，在此结构下，发动机与行星轮架相连，通过行星齿轮将动力传递给外圈的齿圈和内圈的太阳轮，齿圈通过链传动与电动机和传动轴相连，而太阳轮与发电机相连。动力分配装置将发动机一部分转矩直接传递到驱动轴上，将另一部分转矩传送到发电机上。图 1.5丰田THS混合动力系统及其行星齿轮动力分配装置示意图1.3 HEV动力总成控制系统研发概况HEV动力总成系统是电力、机械、化学以及热力元件的总成，是一个复杂的多输入、多输出非线性系统，具有不同的工作模式，需要复杂填密的多能源动力总成控制系统来对其进行综合控制。近年来，对于HEV动力总成控制系统的研究业已成为清洁能源汽车技术发展和产业化进程中的热点与难点，其研究内容主要包括控制软件以及硬件模块的设计与开发。目前，对于控制软件的研究主要体现为控制策略的制定与优化;而硬件模块的开发则主要体现在提高可靠性和电磁兼容性等方面。1.3.1 HEV动力总成控制策略概述控制策略是HEV动力总成控制系统的神经中枢，是实现整车多能源动力协调管理的关键，其优劣将直接关系到整车性能的好坏，它主要包括两个层面的内容:首先，协调动力总成各部件的工作以满足汽车的行驶功率需求，即根据驾驶员的操作指令以及动力总成的工作状态，基于所制定的控制逻辑，指挥动力总成各部件在一定模式下协同工作，并在行驶条件发生改变时，通过一定的控制时序，实现不同运行模式间的动态平顺切换；其次，多能源部件的系统构成以及混合动力的驱动方式则对控制策略提出了更高的优化要求，因为在既定的工作模式下，动力总成内的能量流动和分配存在着多种可能，所以需要综合权衡混合动力汽车的所有控制目标，基于一定的控制算法，寻取最优的能量分配和混合驱动形式。随着混合动力汽车技术的发展，对于控制策略的研究也在不断地深入和完善，但其基本的控制思路并未发生根本改变，只是在实现方式和具体算法上各有不同。一般来说，HEV的控制策略都体现了以下几点内容，它们也决定了混合动力汽车的主要工作特征。 停车起动策略 即当汽车长时间驻车时使发动机停止工作，当汽车需要再次起步时起动发动机，发动机起动的具体时刻根据蓄电池状态、驾驶转矩需求等因素确定;最经济发动机工作曲线策略 即要求当发动机处于工作状态时，其工作点始终位于相应功率要求的最低油耗点附近;发动机固定工作点策略即使发动机在工作时状态比较稳定，尽可能不受汽车行驶状态和路面负载变化的影响;制动能回收策略即在车辆减速或制动时，尽可能多的将车辆的动能转化为电能存储到蓄电池中。1.3.2 应用于控制系统开发的新技术对于控制系统的开发而言，控制策略的制定以及控制软件的开发需要经过反复的推敲和验证，为缩短开发时间，降低开发成本，大量最新的计算机技术被应用到控制系统开发进程中，其中主要包括计算机建模与仿真(Modeling and Simulation)、快速控制原型(Rapid Prototyping)以及硬件在环仿真技术(Hardware in the Loop Simulation)等。(1)计算机建模与仿真在控制系统开发初期，为使开发者能迅速验证自身构想，综合评测系统性能，并在此基础上快速设计完善的解决方案，计算机仿真技术得到了广泛的应用，HEV专用仿真分析软件也应运而生，其中最为著名的是美国可再生能源试验室(NREL)开发的Advisor( Advanced Vehicle Simulator)以及Argonne国家试验室(ANL)开发的PSAT (Power train System Analysis Toolkit)等。Advisor和PSAT都是基于Matlab/Simulink的HEV专用仿真软件，通过友好的图形化界面以及通用的部件模块库，使开发者能方便、直观的进行诸如部件选型、参数设计、性能估算以及策略验证等研究工作。不同之处在于二者所采用的建模思路有所区别，分别是后向式建模方法(backward looking modeling)以及前向式建模方法(forward looking modeling).所谓前向式建模，指仿真中采用与实际能量流动相同的方向进行能量计算，驱动能量从各动力源流向传动系统和车轮，并通过整车动力学模型计算得到实际车速。而后向式建模则正好向反，仿真中以循环工况车速作为输入，通过整车动力学模型反算轮边需求转矩，再逐级反推至各动力源，即根据需求转矩及转速输入来计算发动机、电动机、蓄电池等部件的运行参数。两种建模思路各具特点，具体来说:采用前向式建模思路由于能量流动方向与实际流动方向相同，仿真模型中所设计的控制策略可利用诸如RTW(Real TimeWorkshop), DSPACE等自动代码生成工具转化为实车控制单元的控制算法，因而前向式模型与控制器开发的关系更为密切，但通常仿真模型也更为复杂;而采用后向式建模思路则可避免过于细致的组件建模，模型求解速度较快，可方便的调整控制参数，从而能全面分析模拟汽车在不同循环工况以及不同控制参数下的动力性能、经济性能及排放性能等，常用于开发初期部件选型、参数优化以及整体性能评估等工作。(2)快速控制原型与硬件在环测试与传统的直线式开发模式不同，现代汽车电子控制系统开发通常采用并行开发模式，即设计、实施、试验和生产准备同时进行。随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助控制系统设计(CACSD: Computer-Aided Control System Design)技术在汽车领域日益得到广泛应用。利用CACSD软件，汽车工程师不仅可以利用更为直观的图形化方法进行诸如动力总成建模，控制策略设计以及离线仿真分析等研究工作，还可以进行快速控制原型以及硬件在环测试，实现将己验证控制策略向产品型控制器开发的快速转换。所谓快速控制原型是指:在控制系统开发初期，快速的建立控制对象和控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线与在线的仿真和试验，以验证控制系统软、硬件方案的可行性，这个过程就是快速控制原型。其开发模型如图1.6所示， 目的在于:(1)采用统一计算机软硬件系统，消除模拟与试验系统中控制算法的差别;(2)采用实时硬件闭环模拟系统，以消除系统与道路车辆系统之间的差图1.6快速控制原型的开发模型采用快速控制原型技术，有利于提高研发速度、缩短研发时间、尽快发现设计中的问题并加以解决，非常适合并行研发，并且可以在费用和性能之间进行折衷。通过将快速控制原型硬件系统与被控对象相连，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。同时可利用旁路（By pass)技术将原型电控单元(ECU: Electronic Control Unit)或控制器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。硬件在环测试又被称为半实物仿真，是在实时仿真车辆动力学模型基础上，通过接口数据交换硬件设备实现被测试车辆控制单元与虚拟车辆系统的共同工作，以而实现脱离实际车辆的闭环测试。根据模拟和试验中车辆与控制器采用软硬件的不同，可以形成三种配置:(1) 实时车辆模型(软件)输入输出界面 实时控制器模型(软件)(2) 实际车辆(硬件) 输入输出界面实时控制器模型(软件)(3) 实时车辆模型(软件)输入输出界面实际控制器(硬件)硬件在环测试技术属于系统仿真领域中的技术，当新型控制系统设计结束，并制成产品型控制器后，需要在闭环条件下对其进行详细测试。但由于种种原因如:极限测试、失效测试等，使测试常常难以进行。此外，开发过程中有时为了缩短开发周期，甚至希望在控制器运行环境不存在的情况下(如:控制对象与控制器并行开发)对其进行测试。为解决这些问题，通常采用硬件在环测试技术，采用实时数字模型来模拟控制器的外环境，来进行整个系统的测试。硬件在环测试开发模型如下图1.7所示:图1.7硬件在环技术开发模型需要指出的是，快速控制原型和硬件在环测试在控制系统研发中侧重点不同，快速控制原型强调控制算法的计算模拟环境与真实环境的相似性，而硬件在环测试则更侧重于硬件接口、实时性及其与实际环境的相似性。在实际研发中，往往是把快速控制原型和硬件在环测试两者结合起来，以便进一步的提高研发效率。1.4 论文主要研究内容本论文以混合动力汽车的动力总成控制系统为研究对象，围绕控制策略的制定与优化以及控制系统的开发与设计两个关键还节开展研究工作，主要研究内容有：（1）针对混合动力汽车的设计要求，分析四轮驱动混合动力汽车的机械结构、部件选型以及运行条件，确立本文控制系统开发的流程与方法。（2）对HEV动力总成系统进行系统分析，研究动力总成中发动机、电动机和蓄电池等组件的工作特性（3）对并联式混合动力汽车的基本控制策略进行分析与研究，在详细分析四轮驱动混合动力汽车各种运行模式的基础上，研究多能源动力总成控制系统的控制策略。- 78 -东北大学毕业设计（论文） 第2章 HEV动力总成系统分析与设计第2章 HEV动力总成系统分析与设计2.1本文混合动力汽车的设计要求本文以东风雪铁龙公司生产的爱丽舍SX 16V自动挡轿车作为原型车进行混合动力改装，通过具体车型的开发实践，重点对HEV动力总成控制系统的开发展开深入研究。根据现有技术水平对混合动力改进型汽车提出以下具体要求：（1）最高时速达180km/h，0100km/h加速时间小于12.5s，各种车速下加速性能基本保持不变；（2）相比原型车，混合动力改进型汽车燃油经济性能提高20%-30%；（3）尽可能保持原有汽车结构与零部件不变，以利于车的改造与维修；（4）按照低速市区循环行驶时，混合动力改进型汽车的纯电动续驶里程大于6km，且动力性能基本满足行驶循环要求；表2.1爱丽舍SX 轿车技术性能表参数名称参数值尺寸及质量长/宽/高4305/1707/1413 mm轴距2540 mm轮距前轮1423mm后轮1424mm最小离地间隙130mm整备质量1115总质量1490性能参数驱动型式前置发动机前轮驱动最高速度180km/h加速性能12.5s(0-100km/h)耗油量6.1L/100km(90km/h等速)排放标准欧洲号发动机参数型式横置直列4缸16气门电喷汽油机排量1587ml最大功率78kw/5750rpm最大转矩142Nm/4000rpm压缩比9.6:1底盘参数变速器AL4自动变速箱悬挂系统（前）麦弗逊式悬架/（后）纵后摆臂悬架制动形式（前轮）通风盘式（后轮）鼓式轮距规格铝合金14寸车圈轮胎型号185/60 R142.2 HEV动力总成控制系统分析对于混合动力汽车来说，动力总成控制系统常常专指整车控制器，与传统单一能源动力总成系统相比，HEV动力总成系统对于整车控制提出了更高的要求，无论是对于动力总成内能量流动的管理还是对各动力部件的控制都需要从整车优化的角度出发，只有这样，混合动力汽车在燃油经济性和排放性能上的优势才能成为现实，否则混合驱动只会流于形式。因此，整车控制器对于HEV动力总成系统来说尤为重要，一般都需要针对具体的车型进行全新开发。但从广义上讲，动力总成控制系统还应包括各个部件控制器，它们与整车控制器及驾驶员共同组成了汽车的闭环行驶控制系统，其中，驾驶员的各项操作指令位于这个控制系统的顶层， 中间层为整车控制器，而底层则为各个部件控制器。在本文的HEV动力总成系统中，整车控制器被称为车辆管理系统(VMS: Vehicle Management System),各个部件控制器分别是:发动机电控单元(ECU: Electronic Control Unit)、电机控制器(MC: Motor Control)、自动变速器控制器(TCU: Transmission Control Unit)以及蓄电池管理系统(BMS:Battery Management System),整个行驶控制系统框图如图2.2所示:图2.1混合动力汽车行驶控制系统框图2.2.1 控制系统的功能分析本课题HEV的设计要求是以爱丽舍SX 16V自动档轿车作为原型车进行型，以提高整车的燃油经济性为首要目标，同时要求混合动力系统的改型要尽可能保留原车机械结构、以利于在用车改造。对于本文HEV动力总成系统而言，其控制系统首先应具备的功能是能根据汽车当前的运行状态以及驾驶员的操作指令确定合理的整车运行模式，使汽车在行驶过程中满足人们对其动力性和经济性的要求;其次是在一定的运行模式下，按照预定的优化目标对动力系统内的能量流动进行规划控制，确定发动机和电动机各自的期望输出以及其他动力部件的工作状态，并向各部件控制器发出相应控制指令。由于本文HEV动力总成系统中采用了带闭锁功能的自动变速器，因此不同运行模式下对自动变速器换档和闭锁时刻的决策也是控制系统的重要控制内容之一，同时在换档过程中，自动变速器与发动机及其他部件的协调配合也需要在整车控制器的统一指挥下，按照一定的控制逻辑和控制时序来进行，以保证动力输出的平稳和连续。由此可见，运行模式确定、需求转矩分配、档位速比确定是本文HEV动力总成控制系统(指VMS而言)所要实现的主要功能，其中，运行模式确定和需求转矩分配共同构成了混合动力汽车的基本能量管理策略，由于需求转矩的正负两相性，能量管理策略将不仅涉及到驱动力的合理分配，而且还包含汽车制动时再生制动比例的确定等问题。至于档位速比确定以及换挡品质控制等则体现了控制策略对于转矩传递以及转矩中断/结合过程的优化控制，属于更深层次的问题。除此之外，汽车的起步控制、蓄电池充放电管理，强电系统的电流/电压控制以及整车故障处理等也是动力总成控制系统需要考虑的问题，需要在控制策略的制定以及硬件设计上全面的加以考虑。2.2.2 控制系统开发流程在实车开发中，通常采用计算机仿真+实车验证(Simulation with Vehicle Application)的方法来设计开发HEV动力总成控制系统，即首先建立一个能准确描述动力总成系统及其部件主要特征与动态效应的仿真模型(为了使模型更为精确，通常需要考虑各种瞬态过程，如时间延迟等)，然后在所建立的模型基础上，开发针对动力总成系统的控制逻辑与控制算法，最后借助快速控制原型等现代控制系统开发工具将所开发的控制策略应用于实车验证，并最终将经优化和验证的控制策略转化为可用于控制器编程的嵌入式代码，整个开发过程中最为关键的两点在于:（1）在允许的误差范围内，所建立的模型是否能真实的反映被控对象的工作特征 ， 即模型的正确性和精确性问题;（2）控制器模型中所体现的控制逻辑与控制算法是否能精确的应用于实际控制器，即图形化仿真转化为控制器代码的精确度。为此，本文在设计方法上选用Matlab作为设计、建模、仿真及编程实现的统一开发平台，利用其所提供的种种功能强大的工具包进行控制策略设计、动力系统建模、离线/实时仿真分析以及可执行代码生成等研究工作。采用这样的开发方法能使工程师全神贯注于控制方案的构思而不必再在琐碎的杂务上花费过多时间，从而大大缩短开发周期。2.3 HEV动力总成的设计思路多能源、多动力源的结构使得HEV动力总成系统具有高度的复杂性，也正是这种复杂性为HEV动力总成系统提供了充分的设计和控制自由度，给汽车燃油经济性和排放性能的提高带来了更大的优化空间。就设计内容而言，HEV动力总成的研发范围涵盖到机械结构、总体布置、部件选型、参数匹配、控制策略以及硬件开发等诸多内容。总的来说，可从以下三个方面进行概括，这三个方面的内容以及各自所牵涉到的设计参数相互影响、互为制约，因此在整个设计过程中需要全面考虑、整体分析，以期获得最佳的综合性能。动力总成系统结构及布置形式的确定不同的结构与布置形式具有不同特点，应该根据具体的车辆结构特征以及设计要求确定所采用的结构与布置形式;动力总成系统的部件选型和参数匹配根据确定的动力总成系统结构形式和具体的使用条件对动力总成系统各部件提出要求，确定合理的部件性能参数和系统控制参数;动力总成控制系统的设计与开发根据控制目标以及对各种控制策略的分析比较，确立合理可行的控制策略，再依照现代控制系统的开发流程设计实际的动力总成控制单元。与传统的内燃机动力总成系统相似，HEV动力总成系统的研发同样需要经历多次反复的设计优化试验过程。而现代计算机CAD/CAE/CAM与仿真技术的大量应用以及并行开发思路的全面推广正使得这一过程大为缩短，项目开发也在不断走向科学化和高效化。在本文HEV动力总成系统的研发过程中，整个项目被分为若干子项目同时进行，其中主要包括:（1）机械结构更改与整体布置；（2）动力部件选型与参数匹配；（3）电气系统开发与线束布置；（4）变速器机构与控制器开发；（5）电动机驱动系统研究开发；（6）蓄电池管理系统研究开发；（7）控制策略制定与仿真研究；（8）控制系统软硬件开发试制。本文的主要工作在于控制策略的研究与制定，并与硬件开发组协作，将经过优化与仿真验证的控制策略转化为可执行代码应用于实车控制器，开发HEV动力总成控制系统。任何控制策略或控制逻辑的制定都不可能脱离具体的控制对象而单独存在，也就是说，不可能存在着一个适合于所有车型的通用控制系统。因此在制定和优化本文HEV动力系统控制策略时，必然要对整个动力总成系统进行详细的分析，具体包括:动力总成系统所采用的结构和布置形式、各动力部件的性能参数和工作特性，以及混合动力汽车的具体运行条件等。下文将针对以上几点分别展开论述，具体分析本文HEV动力总成系统的结构形式、部件选型、运行条件以及它们对于控制策略制定所产生的影响。2.4 本文HEV动力总成系统的结构形式2.4.1 可选结构形式分析对于本文混合动力改进型汽车而言，由于原型车为小型乘用车，布置空间较为紧凑，宜采用具并联式或混联式结构较为合适。对于混联式方案来说，它不仅能够以串联或并联方式工作，还能以串并联混合的方式工作，具有串联和并联方式的双重特点，混联方式能充分考虑到各种不同行驶工况下的动力要求，使能量的分配合流动更为合理化，以获得更加优异的燃油经济性和更低的排放水平，无疑是最有发展前途的一种布置形式。但混联式方案对HEV的动力总成控制系统提出了较高的要求，系统结构也较为复杂，此外，考虑到目前国内对于混链式混合动力汽车的关键技术行星齿轮动力分配装置的研究尚不成熟，本文混合动力汽车以并联式方案作为重点。在并联结构下分别有单轴联合式，双轴联合式和单个驱动系联合式三种结构形式可供选择。而单轴联合和双轴联合都属于转矩合成式结构，在此结构下，发动机和电动机的转速相互制约，而转矩相叠加。对单轴联合式而言，发电机转速与电动机转速相同，而在双轴联合的结构形式下，发动机与电动机则是通过变速器来进行转矩叠加，两者的转速相应于变速器的结构形成一定的比例关系。单轴联合并联式方案实现了发动机和电动机的输出一体化，结构紧凑，提高了系统的综合效率，但是该方案中所需要的扁平电机的某些元件及电机的控制系统等都需要针对HEV动力总成作特殊设计，开发成本较高，同时也不利于模快化设计。双轴式转矩合成型则是把不同原动机的输出进行动力合成，因此动力部件可以选用已有的现产品，系统的开发成本较低，但相对单轴式而言，双轴式要求的布置空间较大，动力总成系统质量也较大。单个驱动系联合式保留了传统内燃机汽车的全套机械传动系统，在另外的轮轴上采用电力驱动系统提供动力，两套驱动系统间没有机械连接装置，可以完全独立的工作，在进行混合驱动时，驱动力通过地面进行合成，因此也被称为驱动力合成型结构。对于电力驱动系统而言，可以采用驱动电机通过减速器、差速器来驱动车轮的形式，也可以采用轮毂电机的形式，直接将电机安装在车轮上。这种形式的最大特点在于适合于对传统内燃机汽车进行混合动力驱动改型，但是由于存在着两种不同特性的动力系统，因此两者间的牵引力匹配与控制较为复杂。2.4.2 本文所采用行形式基于以上分析，本文采用单个驱动系联合的并联式结构作为本文HEV动力总成系统的结构形式，即基本保留原有的前置前驱驱动力系统，同时在后轴加装一套电力驱动系统驱动后轮，形成两套独立的动力驱动系统，这样发动机与电动机的输出转矩将分别作用在前后驱动轮上，以速度协调作为约束条件进行牵引力合成。所构成的HEV动力总成系统既可以由发动机驱动前轮行驶，又可以用电机单独驱动后轮行驶，还可以在混合动力模式下，将两套动力驱动系统同时投入工作，使其输出的牵引力在车轮处通过路面合成，从而形成独特的四轮驱动牵引力和成型混合动力系统。由于该方案蓄电池更多地工作在放电状态下，电力驱动系统维持自身电量能力较差，因此在该动力总成系统中加装一台发电机，利用发动机的一部分功率直接发电，从而维持蓄电池的最佳电量状态，满足电动机的工作需要。基于上述考虑本文确定了如图2.3所示的结构形式。从途中可以看出，原型车前置前驱的结构基本不变，只是在发动机上连接一台发电机，利用发动机的富余功率带动发电机发电；在后桥主要针对后轮结构进行改动，在左右轮毂中间加入轮毂电机。图 2.2四轮驱动混合动力汽车动力总成结构图综合来讲，本文HEV动力总成