混和动力汽车结构原理与发展前景研究

1、毕业论文题 目：混和动力汽车结构、原理与发展前景研究学 院： 华信学院机电工程学院专 业： 汽车运用技术班 级： 11级汽车班 学 号：1102020143学生： 薛海锋 指导老师： 梁俊峰 完成日期： 2014年5月10日 - 29 - / 35混和动力汽车结构、原理与发展前景研究装订线摘 要当前，全球能源和环境问题日益突出，有关资料表明，目前已探明的石油储量，如果按照现在的开采速度，仅够人类使用50-60年，近年来油价不断攀升，世界进入一个高油价时期。作为不可再生资源的石油随着汽车业的发展显得捉襟见肘，而传统燃机汽车排放的废气对自然环境的污染也日益困扰着地球人。为此，各国政府和汽车公司纷纷

2、开展新型高效节能汽车的研究与开发，对此设计有很多方案，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车、混合动力汽车等。但以目前的条件和实用性来看，具备商业化运作条件的只有混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,简称HEV）。混合动力汽车（亦称复合动力汽车，英文为Hybrid Power Automobile）是指车上装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。混合动力汽车的问世给人类生活带来了诸多好处，不仅石油耗减少了，环境也得以改善。下面就来对混合动力汽车做一些详细分析介绍。关键词：新能源汽车

3、HEV 结构 原理 发展前景Mixed electric vehicle structure, the principle and the development foreground researchAbstractNonce,Global energy and environment problem increasingly,Relevant data show that,At present its proven oil reserves,If according to the present mining speed,Only enough humans use 50-60 years

4、.In recent years rising oil prices,The world into a period of high oil prices.As a nonrenewable resources with the development of the auto industry oil appears to their knees.While the traditional internal combustion engine air pollution from cars to the natural environment pollution is also increas

5、ingly beset the earth person.For this,Governments and car companies have high efficiency and energy saving for a new car research and development,This design has many schemes.For example,Hydrogen energy vehicles,Fuel cell vehicles,Solar car,Hybrid Electric Vehicle.But with the current conditions 装订线

6、and practical and see,Have the commercialized operation conditions of the only a Hybrid Electric Vehicle(HEV).HEV are equipped with refers to two or more power supply:battery,Fuel cells,Solar cells,Internal combustion engines generator sets.The current composite power car general is to point to inte

7、rnal-combustion engine car generator,Plus the battery cars.HEV to the introduction of the human life brought many benefits, not only reduce the oil consumption, the environment also can be improved.Here is the hybrid electric vehicle do some detailed analysis is introduced.Key words:New energy vehic

8、les HEV StructurePrincipleDevelopment prospect装订线目 录前言1一 题混合动力汽车的定义与分类21.1混合动力汽车的定义21.2混合动力汽车的分类2二 混合动力车的结构和原理72.1串装订线联式混合动力汽车（SHEV）72.2并联式混合动力电动汽车（PHEV）82.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV）10三 混合动力汽车的策略113.1混合动力系统控制策略11装订线3.2混合动力能量管理策略15四 混合动力汽车优缺点分析164.1混合动力汽车的优点分析164.2混合动力汽车的缺点分析17五 混合动力汽车的发展前景185.1混合动力汽车在国外的发展

9、18装订线5.2混合动力汽车的前景235.2.1混合动力汽车的技术235.2.2混合动力汽车面临的问题255.2.3混合动力汽车的市场推广26结语29参考文献29致30前 言地球上的石油资源总有一天会枯竭，若没有信能源或代替能源，到那时汽车将寸步难行，为此，人类一直在寻求新能源或试图找到新的方法以减少对石油资源的依赖。目前新能源汽车有纯电动汽车、燃料电池汽车、燃气汽车和混合动力汽车等。纯电动汽车可以实现零排放，动力性、经济性、安全性和可靠性可以达到或接近普通燃机汽车，能满足一定续驶里程的要求，但作为动力源的蓄电池成本高，寿命短，体积和比重大，充电时间长，所以，目前还没有哪一种蓄电池能完全满足电

10、动汽车的要求；燃料电池电动汽车的工作原理是使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中与大气中的氧发生化学反应从而产生出电装订线能启动电动机，进而驱动汽车，燃料电池电动汽车可以减少二氧化碳的排放，有利于人类居住，还可以减少人类对石油资源的依赖，虽然燃料电池电动汽车有诸多有点，但还是有许多不完善之处，例如：制造、储存、运输、灌装比较困难，氢气价格过高、建立“加氢站”投资过大等；燃气汽车可以降低排放、减低噪音、提高汽车的动力性和经济性，但是气体液化技术将提高成本，一次充气续驶里程短，燃用天然气或液化气石油气将使发动机功率下降；混合动力电动汽车（HEV）是指汽车使用汽油和电力两种驱动方式，优点在于车辆启动停

11、止时只靠发电机带动，不达到一定速度发动机就不工作，因此便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好、排放低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。采用混合动力后可以按平均需用的功率来确定燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。因为有了电池，可以十分方便地回收制动、下坡、怠速时的能量。在繁华市区，可以关停燃机，由多次单独驱动，实现“零”排放。有了燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。可以利用现有的加油站

12、加油，不必再投资。可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。比较而言，混合动力汽车更适合现阶段的生活需求。一 题混合动力汽车的定义与分类1.1混合动力汽车的定义混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，简称HEV）是指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域工作，从而降低油耗与排放。混合动力汽车就装订线是在纯电动汽车上加装一套燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行

13、驶里程。混合动力汽车的燃油经济性能高，而且行驶性能优越，混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，所以可以降低油耗。简单地说，就是与同样大小的汽车相比，燃油费用更低。而且，辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力，因此，车主在享受更强劲的起步、加速的同时，还能实现较高水平的燃油经济性。1.2混合动力汽车的分类（一）根据混合动力驱动模式，混合动力系统主要分为以下三类：a.串联式混合动力电动汽车（Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV）;b.并联式混合动力电动汽车（Parallel Hybrid Electric Vehic

14、le，PHEV）;c.混联式混合动力电动汽车（Parallel Series Hybrid Electric Vehicle，PSHEV）。一般所说的混合动力汽车是由电动马达作为发动机的辅助动力驱动汽车。其结构特点就是在传统HEV上改装或加装可充电的动力电池，因此，不同类型传统HEV所具备的特点在相应类型的可外接充电式混合动力汽车(Plug-in HEV)上依然具备，所不同的是Plug-in HEV用发动机功率比传统HEV的小，电机和电池功率比传统HEV的大，电池可通过电网进行充电。（1）串联式混合动力系统串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，他们之间用串联方式组成SHEV动力

15、单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，装订线由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转

16、换，机械效率较低。串联式混合动力系统一般由燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。图 1-1 串联型Plug-in HEV动力系统简图如图1-1所示，串联型Plug-in HEV的特点是：发动机带动发电机发电，电能通过电动机控制器直接输送给电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电能实现动力传递，因此

17、更像是电传动汽车。（2）并联式混合动力系统并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工装订线况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。 并联型Plug-in HEV的特点是：并联式布置保留了发动机与其后续传动的机械连接，由电池组-电动机所提供的动力在原驱动系统的某一处和主动力汇合，或者发动机和电动机产生的力完全分开用以驱动不同的驱动桥，即汽车可由发动机和电动机共同驱动或者各自单独驱动。发动机和电机是两个相互独立的系统，即可实

18、现纯电动行驶，又可实现燃机驱动行驶，在功率需求较大时还可以实现全混合动力行驶，在停车状态下可进行外接充电。其结构原理如图1-2所示。图 1-2 并联型Plug-in HEV动力系统简图（3）混联式混合动力系统混联式混合动力系统的特点在于燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况装订线来调节燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。丰田Prius采用的是混联式联结方式。丰田Prius所采用的混合驱动方式，是将发动机、发电机和电动

19、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。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，可以在低速下用电池带动汽车工作，在加速时，由两套动力系统一同工作，在驱动汽车行驶的同时又为电池充电，因此非常适合城市走走停停的低速路况。混联式混合动力系统的特点在于燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式的结构结合在一起，从而综合调节燃机与电动机之间的转速关系。另外，汽车在小负荷工作时，电动机/发电机（作为发电机）给蓄电池充电，使蓄电池得

20、以补充电能；在汽车减速或制动时，汽车驱动电动机/发电机（作为电动机）为蓄电池充电（回收汽车减速或制动时的部分能量转变为电能储存）。与并联式混合动力系统相比，混联式混合动力系统可以更加灵活地根据工况来调节燃机的功率输出和电机的运转。唯一的缺点就是价格高，结构复杂。基本上混合动力汽车就是以上说的那些，不过现在也有公司在开发非电动的混合动力车，比如通用公司的氢动力车。混联型Plug-in HEV驱动系统是串联式与并联式的综合，图1-3为一种典型的混联型Plug-in HEV动力系统结构原理图。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送

21、给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力耦合装置传送给驱动桥。混联型Plug-in HEV驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主；停车时，通过车载充电器对其进行外接充电。图 1-3 混联型Plug-in HEV动力系统简图（二）根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类： （1）微混合动力系统这种混合动力系统在传统燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternator Starter Genera

22、tor, 简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合动力系统。 （2）轻混合动力系统代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统）。与微混合动力系统相比，轻混合装订线动力系统除了能够实现用发电机控

23、制发动机的启动和停止，还能够实现：a.在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；b.在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20以下。 （3）中混合动力系统该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提装订线高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30左右，目前技术已经成熟，应用广泛。 （4）完全混合动力系统该系统采用了2

24、72-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。二 混合动力车的结构和原理2.1串联式混合动力汽车（SHEV）串联式混合动力（SHEV）模式由发动机、发电机和驱动电动机三大动力组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统 。（一）串联式混合动力（SHEV）的结构串联式混合动力（SHEV）的结构如下图所示。它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。蓄电池逆变器电动机驱动轴发电机发动机图2-1 串联

25、式简图 （二）串联式混合动力（SHEV）的工作原理在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴与驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助装订线动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。2.2并联

26、式混合动力电动汽车（PHEV）并联式混合动力（PHEV）由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成。发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成PHEV的驱动系统。（一）并联式混合动力（PHEV）的结构并联式混合动力（PHEV）是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。装订线如图2-2所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可以：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。蓄电池逆变器电动机驱动轴发动机耦合器图2-2 并联式简图(并联式混合动力汽车的组成:发动机、电动机/发

27、动机、机械传动系统、驱动电动机、逆装订线变器、蓄电池组)(二）并联式混合动力（PHEV）的工作原理图2-2所示，是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式PHEV，其驱动模式为：（1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；（2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。2.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV）混联式混合动力电动汽车综合SHEV和PHEV结构特点，由发动机、电动-发电机和驱动电动机三大动力总成组成。装订线（一）混联式混合动力电动汽车（PSHEV）的结构PSHEV是综合

28、SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。如图2-3所示。蓄电池逆变器电动机驱动轴发动机行星齿轮机构发电机图2-3 混联式简图混联式混合动力汽车的机构组成：1、发动机 2、电动机/发动机 3、变速器或减速器 4、驱动桥 5、逆变器 6、驱动电动机 7、蓄电池组PSHEV是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行

29、组合。（二）混联式混合动力电动汽车（PSHEV）的工作原理图2-3所示的是一种发动机的动力与驱动电动机的动力在驱动轮处进行组合的方式，装订线其驱动模式为：（1）以发动机驱动为基本驱动模式，带动电动机/发动机，并独立驱动后驱动轮；（2）以驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮； 在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电动机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四轮驱动模式。三 混合动力汽车的策略3.1混合动力系统控制策略因混合动力汽车各个组成部件、布置方式与控制策略的不同，形成了各式各样的结构形式。根据发动机和电机的功率比的混合动力汽车将发动机、电动机和能量储存装置（蓄电池）按某种方式组合在一

30、起，有串联式、并联式和混联式三种布置形式。串联式混合动力汽车的控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作，其主要控制策略有恒温器模式、发动机跟踪器控制模式与基于规则型策略（前两者综合）。并联控制策略主要包括：静态逻辑门限值策略、瞬时优化控制策略、全局优化控制策略和模糊逻辑控制策略。其中后三个策略也适用于混联式的控制策略，另外混联式还有两种特有的控制策略：发动机恒定工作点策略和发动机最优工作曲线策略。下面主要对并联式和混联式混合动力汽车典型的控制策略进行分析。（一）静态逻辑门限值策略该策略主要通过设置车速、动力电池的电池荷电状态（SOC）上下限与发动机工作转矩等一组门限参数，限定动力系

31、统各部件的工作区域，并根据车辆实时参数与预先设定的规则调整动力系统各部件的工作状态，以提高车辆整体性能。这种策略的主要依据是工程经验，根据部件的稳态效率MAP图来确定如何进行发动机和电动机之间的动力分配。美国密西根大学Peng Huei等人将混合动力汽车控制分成三种模式，即正常行驶模式、充电模式与制动能量回馈模式。（1）正常行驶模式。用“发动机工作最小功率”曲线和“电动机助力最小功率”曲线将发动机效率划分成三个区域，即：纯电动区域、发动机驱动区域与电动机辅助功率区装订线域。在正常行驶模式下，发动机总是工作在“发动机工作最小功率”和“电动机助力最小功率”之间效率最高的区域。（2）充电模式。对电池

32、能量的管理采用了充电维持策略，即始终保持电池的SOC值位于最高效率区的上下限值之间（设定为55% 60%）。当SOC值小于55% 时，应切换至充电模式（当且仅当SOC值大于60%时充电过程完成），并计算电池的充电功率，该功率同时也作为电动机的目标功率。发动机的目标功率为需求的驱动功率与充电功率之和。充电模式中存在一个特例：当发动机的目标功率小于发动机工作最小功率时，为避免发动机在效率极低的区域工作，仍然依靠电动机提供驱动力。（3）制动能量回馈模式。驾驶员踩下制动踏板，表明了驾驶员对负驱动功率的需求，应进入制动能量回馈模式，吸收混合动力汽车制动时的能量。然而，当制动能量超过可回馈的制动能量时，液

33、压制动系统将提供剩余的制动能量。静态逻辑门限值策略主要依靠工程经验和实验，限定发动机的工作区域和工作方式，达到降低燃油消耗和排放的目的，方法比较简单直观，具有实用价值。但由于主要依靠工程经验设置门限参数，无法保证车辆燃油经济性最优，而且这些静态参数不能适应工况的动态变化，因此无法使整车系统达到最大效率。（二）瞬时优化控制策略该控制策略是在发动机最优工作曲线模式的基础上，对混合动力汽车在特定工况点下整个动力系统的优化目标（如效率损失和名义油耗）进行优化，便可得到瞬时最优工作点，然后基于系统的瞬时最优工作点，对各个状态变量进行动态再分配。瞬时优化策略一般是采用“等效燃油消耗最少”法或“功率损失最小

34、”法，二者原理类似。其中“等效燃油消耗最少”法将电机的等效油耗与发动机的实际油耗之和定义为名义油耗，将电机的能量消耗转换为等效的发动机油耗，得到一类似于发动机万有特性图的电机等效油耗图。在某一个工况瞬时，从保证系统在每个工作时刻的名义油耗最小出发，确定电机的工作围（用电机转矩表示），同时确定发动机的工作点，对每一对工作点计算发动机的实际燃油消耗，以与电机的等效燃油消耗，最后选名义油耗最小的点作为当前工作点，实现对发动机和电机输出转矩的合理控制。为了将排放一同考虑，该策略还可采用多目标优化技术，采用一组权值来协调排放和燃油同时优化存在的矛盾。等效燃油消耗最小方法在每一步长是最优的，但无法保证在整

35、个运行区间最优，而且需要大量的浮点运算和比较精确的车辆模型，计算量大，实现困难。瞬时控制策略应考虑以下四个方面问题：（1）汽车整车性能优化应考虑发动机、电机和蓄电池组的瞬态效率；（2）汽车实时最优控制应结合实际运行状态，如发动机等关键总成温度以与制动时能量回收装订线量；（3）用户可自定义燃油经济性和排放目标；（4）任意一个给定速度下发动机的工作点，由控制器根据控制目标寻求发动机-电机最佳能量组合来决定发动机的最优工作点。根据对并联混合动力汽车动力性、经济性和排放性能的折中，建立实时控制的目标函数。Min( f )=+ +式中：wi对应量的权系数，i=16，通过调整权重来改变各参数的影响程度。由

36、优化理论可知，瞬时最小值之和并不等于和的最小值，因此瞬时优化模式并不能导致全局最优的控制策略。全局优化模式才能实现真正意义上的最优化。（三）全局优化控制策略全局最优能量管理策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合动力系统能量分配策略，目前主要有基于多目标数学规划方法的能量管理策略，基于古典变分法的能量管理策略和基于Bellman动态规划理论的能量管理策略三种。研究最为成熟的是基于Bellman动态规划理论的能量管理策略，该方法首先建立空间状态方程，然后计算在约束条件下满足性能指标的最优解。对于一般的控制对象，该方法通常按照时间顺序把一个过程分为若干段，把一个复杂的决策问题（包括连续变量

37、和离散变量的取值序列）转化为一系列单段（某一时间段）决策问题，然后从最后一段状态开始逆向递推到初始段状态为止，最后就可以求解出完整的最优策略（即输入控制量的最优值序列）。当这个原理应用于混合动力汽车时，可假设系统发展用状态方程来描述，状态变量是SOC，每一节点代表每一时刻（横轴）对应的SOC值（纵轴），如图3-1所示。假设初始（t=0）SOC 是A，而装订线终止SOC是E，连线上的数字代表了从一点到另一点的燃油消耗量。应用此原理可以得出最优的途径（从A到E）是：A B C D E。图 3-1 贝尔曼（Bellman）动态规划全局优化原理在实际混合动力系统的仿真优化中，Bellman过程这样来实

38、现：首先通过离散SOC来建立Bellman过程的节点，SOC离散精度可以选择为1%，时间步长可以确定为1s。然后计算各SOC节点之间连线的权重，这个权重对应于实现SOC变化而需要的发动机油耗。只要那些从初始SOC节点可以到达或可以由此出发达到终点SOC的节点都要被考虑。在循环工况中计算各连线权重，保留最优解，实现电机和发动机的功率要求和传动比的全局最优化。仿真结果显示，在某种工况循环下，通常全局优化比瞬时优化降低油耗5%20%。全局优化模式实现了真正意义上的最优化，但实现这种策略的算法往往都比较复杂，计算量也很大，在车辆的实时控制中很难得到应用。通常的作法是把应用全局优化算法得到的能量管理策略

39、作为参考，以帮助总结和提炼出能用于在线控制的能量管理策略，如与逻辑门限策略等相结合，在保证可靠性和实际可能性的前提下进行优化控制。（四）模糊逻辑控制策略该策略基于模糊控制方法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配，将“专家”的知识以规则的形式输入模糊控制器中，模糊控制器将车速、电池SOC和需求功率/转矩等输入量模糊化，基于设定的控制规则来完成决策，以实现对混合动力系统的合理控制，从而提高车辆整体性能。模糊逻辑控制策略目标与瞬时优化控制策略类似，但与瞬时控制策装订线略相比，模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点。模糊逻辑控制策略用于电动汽车驱动系统的控制原理，如图3-2所示。在控制过程中，微机经中断

40、采样获取电动汽车行驶工况值，然后将其量与给定值比较得到误差信号E（在此取单位反馈），再取E作为模糊控制器的一个输入量，把E的精确量转化为模糊量，E 量可用相应的模糊语言表示。至此，就得到了E的模糊语言集合的一个子集e（模糊向量），再由e和模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策得到模糊控制量u: =e0R图 3-2 模糊逻辑控制原理图为了对被控制的量施加精确的控制，还需要将模糊量转换为精确量。得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，即电动机控制器，对驱动电机进行第一步控制，然后等待第二次采样，进行第二步控制，这样循环下去，就实现了对被控制对象的模糊控制，完成驱动控

41、制的要求。基于模糊逻辑的策略可以表达难以精确定量表达的规则，方便地实现不同影响因素（功率需求、SOC和电机效率等）的折中，鲁棒性好。模糊逻辑控制增加了模糊决策因素和逻辑思维，是比较符合人的思维逻辑的控制算法之一，在混合动力汽车能量管理策略中应用是比较合适的。3.2混合动力能量管理策略混合动力汽车具有两个以上的动力源，因此为了解决混合动力汽车多动力源所引起的模式切换和功率分配，需要引入一个能量管理系统对系统的能量流动进行合理的分配。管理模式应该遵循选定的能量管理策略并对其进行优化，以实现混合动力汽车要达到的目标，一般来说，应该达到的几个主要设定目标是：（1） 使燃油经济性；（2）使排放最低；（3

42、）为了保持整车价格能够被市场接受，使装订线启动系统成本最小化；（4）在实现上述三点同时，维持或者提高整车的性能。通常来说，混合动力汽车动力系统的结构从某种程度上决定了可以采用哪种控制策略，但仍然有一些可以广泛应用于各种结构的控制策略。（一）电动机辅助控制策略电动机辅助控制策略（Electric Assisted Control Strategy）。电动机辅助的能力控制策略采用发动机作为主动力源，电动机和蓄电池协助提供峰值功率。这种控制策略容易对发动机运行工况进行优化。与发动机相比，电动机响应快、控制灵敏，容易实现不同的控制方法。这种控制策略在大多数并联式混合动力系统中采用。（二）优化ICE曲线

43、控制策略优化ICE曲线控制策略（Optimum ICE Curve Control Strategy）。优化ICE曲线控制策略从静态条件下的发动机万有特性出发，将一定发动机转速和一定负荷下发动机的最低燃油消耗点连成一条线，也就是静态条件下发动机的最佳工作曲线。在这种模式下，发动机在需求功率或转矩高于某个限值时才会工作。同时，只有在极限情况下（如当需求功率超过了蓄电池的最大功率调节能力时），才会调整发动机的工作点。这种控制策略借鉴了传统汽车的控制经验，侧重于发动机局部最优。四 混合动力汽车优缺点分析4.1混合动力汽车的优点分析在所有的节能环保型汽车技术当中，混合动力技术被公认为是目前最可行、最现

44、实的节能技术，而混合动力汽车也是目前世界上唯一能实现量产的节能环保型汽车，这是混合动力汽车的最大优势所在。具体体现在：（1）排放性能良好。一般车辆在怠速、启动时造成的污染最厉害，因为此时发动机负荷大、汽油燃烧不充分；而在怠速状态的混合动力车发动机并不工作，因此不会有排放。混合动力车在启动时只有电动机工作，也克服了过多排放问题，使得发动机能保持良好的工作状态，实现了燃油效率提高，在很大程度上减少了尾气排放。（2）动力性能佳。混合动力汽车可根据不同车况来选择发动机、发电机和蓄电池之装订线间的任意组合，能形成适合车况的动力输出。当混合动力车达到一定速度时，车辆的发动机、电动机同时工作，这个时候排量为

45、15的混合动力车发挥出的动力相当于20排量的普通轿车，尤其是在爬坡、转弯、加速时，更是体现出良好的动力性能。（3）耗油量低。根据丰田公司的测试，普锐斯在城市路况下行驶比同等排量的花冠轿车节油444，在市郊行驶节油297。该车平均油耗为41100km，比平均油耗在7 1100kin左右的花冠每年节省大约2556元(按每年行驶20000km、93号汽油426形l计)。尤其在大中城市，交通拥堵现象严重，汽车起步停车频繁，混台动力车的能量转化优势将体现得更为明显。4.2混合动力汽车的缺点分析由于混合动力汽车仍需要燃烧汽油，因此无法从根本上摆脱对石油的依赖和彻底解决环保问题，也因此混合动力汽车没有太大的

46、市场号召力。和许多新技术一样，混合动力系统的生产成本比燃发动机系统的成本更高。混合动力车需要配置普通汽车并不需要的昂贵配件，例如庞大笨重的电池组、电力发动机以与精密的电子控制模板。因此加载了混合动力系统的车型要比同级别车型贵20-30(如丰田混合动力车的价格比同级别汽油车贵4500美元左右)。这就妨碍了该类汽车的普与。在高速公路上表现不佳。据美国2006年进行的一项对比测试显示，在同一高速混合路况中行驶5000kin，柴油车和混合动力车在燃油经济性方面几乎是完全一样的。其原因是，混合动力虽然在城市路况中具有优势，但在高速路上，仍需全凭汽油发动机驱动，并且由于加载了几百公斤的电池与电动机，反而更

47、多耗费些汽油H1。五 混合动力汽车的发展前景5.1混合动力汽车在国外的发展就目前的形势来看，混合动力电动车拥有的特点是混合动力电动汽车具备了良好的动力性能、良好的燃油经济性、清洁环保、经济实用，但为了达到提高车辆的动力性、经济性和环保性, 就需要采用当代最先进的燃机技术深入分析低油耗特性； 选择比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的电机, 研究它的低速大转矩、效率和再生制动能量回馈性能； 经过周密分析和试验研究特性, 最佳选择各自高性能区段的组合与叠加。另一方面，混合动力汽车成本过高绝对是目前混合动力电动汽车推广应用的主要难点, 这是因为混合动力汽车除了以往的动力装置外, 至少还必须安装电池

48、, 其成本不可能降至普通汽车的水准。因此, 混合动力汽车技术发展的首要难题是降低成本, 这也是今后有待解决装订线的最大课题, 特别是必须降低动力电池、电机驱动系统、电子控制系统等的成本。还有，要提高汽车行驶过程中的能量再生利用效率，.就得从汽车制造阶段着手, 设计改进汽车动力系统, 满足汽车再生制动回收要求，加强混合动力电动汽车的可靠性, 解决动力电池的使用寿命和可靠性问题, 是混合动力电动汽车推广应用的前提。但是在国际能源紧缺，混合动力可以很好的节省汽车行进过程中减速、下坡过程的能量消耗，同时其排量低、污染小，也是未来汽车发展的必然趋势（一）国外混合动力汽车的发展情况从目前世界围的整个形势来

49、看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在发展混合动力汽车方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。1997年12月，日本丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车“普锐斯(PRIUS)”，该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲。普锐斯在达成高水平的燃油经济性和环保性能的前提下，实现了出色的动力性和舒适性。“PRIUS”的正式量产上市标志以混合动力汽车为代表的新一轮汽车研发竞争的开始。为保持领先地位，丰田公司加大了对混合动力车的投入，2005年，丰田投资1000万美元在

50、美国肯塔基州工厂改造设备和训练员工。以生产混合动力车。2006年，丰田汽车公司在美国市场上推出了4款从现有车型改造成的混合动力汽车，这些混合动力汽车的外形、操控以与车的设备和普通车完全一样。丰田的目标是最终将推出旗下几乎所有车型的混合动力版，并在2012年把混合动力汽车的产量提高到100万辆。丰田公司预测，在未来的10年，其在美国的全部轿车销量中，混合动力车型将占有25的市场份额。本本田公司推出“Insight”、“CIVIC”等混合动力汽车。福特公司紧随其后，推出了“ESCAPE”混合动力汽车，戴克、通用、雪铁龙、日产等公司也纷纷加快了混合动力技术的产业化开发。通用、戴克、宝马三家公司在混合

51、动力技术发展方面结成了技术联盟，携手发展双模混合动力技术，并在2005年的北美车展上引入了一款结合了V8柴油发动机和最新一代混合动力装订线驱动系统的S级轿车。通用汽车公司在2006年底特律北美国际汽车展上发布了两款全新混合动力SUV：2007年土星Vue Green Line混合动力车和2008雪佛兰Tahoe双模式混合动力车。自1995年起，世界各大汽车生产厂商已将研究的重点转向了混合动力汽车的研究开发。日本丰田汽车公司开发了Prius牌混合动力轿车，本田公司开发了Insight牌混合动力轿车。美国三大汽车公司均开发了包括轿车、面包车、货车在的混合动力汽车，如通用汽车公司推出的Precept

52、，福特汽车公司的Escape和Prodigy，戴-克汽车公司的Citadel、ESX3等。目前，混合动力汽车技术与市场均看好。日本国拥有的混合动力电动汽车己超过7万辆，预计在2010年将达到210万辆。日本丰田汽车公司计划到2005年生产30万辆混合动力汽车。2003年初，美国Finance Times曾报道，一旦发生石油危机，美国通用公司计划将在5年销售100万辆混合动力汽车，并已决定在2003年销售12种混合动力汽车。目前，日本丰田汽车公司是走在混合动力汽车研发最前沿的汽车公司，开发的混合动力汽车已达到实用化水平。1997年，丰田推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车Prius，其后又在

53、2001年相继推出了ESTIMA混合动力面包车和 皇冠(CROWN)轿车。到2002年底，丰田汽车公司生产的混合动力汽车在日本国和海外的累计销量均突破了10万辆，现在已经在全世界20多个国家上市销售。著名的Prius为4门5座3厢式串联式混合动力轿车，采用了横向直列4缸16气门双顶置凸轮轴电喷汽油机(1.5升、最大功率 53千瓦)、驱动用镍氢电池和电动无级变速系统，标准配置有双安全气囊、电动门窗、中置数字液显仪表板、行驶电脑显示屏、自动空调、音响等。丰田Prius混合动力系统(THS)电子控制装置的特点是，可分别利用电能、汽油或两者组合同时工作。根据车速和负荷情况，THS可以控制每种能源所提供

54、的功率比例，以保证汽车按最有效的模式运行。在车辆的行驶过程中，乘客对THS的转换是感觉不到的。THS系统的关键部分是功率分流装置。该装置利用一套行星齿轮组将发动机功率直接传递到车的前轮和发电机上。电控式变速器将汽油机、发电机和电动机的功率输出加以混合， 从而达到汽车加速和减速的需要。2002年，丰田ESTIMA混合动力面包车投产，其混合动力系统采用了世界首次批量生产的电动4轮驱动与4轮驱动力/制动力综合控制系统，它给混合动力汽车的行驶性能带来了革命性的改进。所有这些都表明丰田公司在普与混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界同业前列。丰田汽车公司计划20l2年在其全部汽车产

55、品上采用汽油装订线电力混合动力发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。美国1993年9月启动新一代汽车伙伴计划，其时间表为：1997年完成技术选择，2000年推出概念车，2004年推出能用于投产的式样车。当年，美国能源部与三大汽车公司签订了混合动力汽车开发合同，其用汽车公司投入1.48亿美元，福特投入1.38亿美元，克莱斯勒投入8480万美元，进行为期6年的研制开发工作。 1997年，PNGV计划已完成了新一代汽车的技术选择，经过充分酝酿，认真筛选，确定了轻质材料、混合动力、高性能引擎(四冲程直燃式引擎)和燃料电池(PEM燃料电池)为PNGV的技术主要方向。在美国47个州的21个联邦实验室，51所大学中，有1200多个PNGV的研