1、北京建筑大學(xué)基于串聯(lián)式混合動(dòng)力的控制策略研究摘要： 混合動(dòng)力汽車的控制策略及結(jié)構(gòu)決定了整車的行駛性能。根據(jù)蓄電池組的荷電狀態(tài)變化情況,對(duì)混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了分類,并對(duì)并聯(lián)型和串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車控制策略研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析,指出混合動(dòng)力汽車的控制策略不十分完善,需要進(jìn)一步優(yōu)化。控制策略不僅僅要實(shí)現(xiàn)整車最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)還要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)排放、蓄電池壽命、駕駛性能、各部件可靠性及整車成本等多方面要求,并針對(duì)混合動(dòng)力汽車各部件的特性和汽車的運(yùn)行工況,使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、蓄電池和傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳匹配,兼顧了上述各方面要求的優(yōu)化控制策略的研究是今后的一個(gè)研究重點(diǎn)。還指出,采用小功率電機(jī)、小

2、排量發(fā)動(dòng)機(jī)配以自動(dòng)無級(jí)變速器的并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車,是獲得較高的燃油經(jīng)濟(jì)性、較小的排放、平穩(wěn)的駕駛性能、較低的制造成本及質(zhì)量的一種比較理想的系統(tǒng)型式。關(guān)鍵詞:混合動(dòng)力汽車;結(jié)構(gòu);控制策略第一章 緒論1.1 引言隨著科技的飛速發(fā)展，混合動(dòng)力汽車已經(jīng)在汽車市場占據(jù)了一席之地，而且在提倡低碳環(huán)保的今天，也越來越被廣大的消費(fèi)者所推崇，如同現(xiàn)今大部分的汽車一樣，混合動(dòng)力汽車也經(jīng)歷了漫長的演變過程，尤其是在科技迅猛發(fā)展今天，人類對(duì)原油的需求與日俱增，油價(jià)也在不停地調(diào)高，低碳環(huán)保和綠色出行已經(jīng)成為當(dāng)今這個(gè)時(shí)代必須的，也是不得不面對(duì)的一個(gè)事實(shí)，近幾十年內(nèi)，隨著全球氣候的逐步惡化，城市空氣污染和石油資源的消耗過度

3、，環(huán)保與節(jié)能已經(jīng)成為這個(gè)世界所面對(duì)的重中之重，世界各國在這期間也在不斷的改進(jìn)自己國家的汽車技術(shù)來適應(yīng)消耗量如此之大的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，全球汽車的工業(yè)的飛速發(fā)展，使得汽車的產(chǎn)量，銷售量和保有量在逐年的增長，因此，為保證汽車工業(yè)能夠維持長期的穩(wěn)定的發(fā)展，現(xiàn)在的人們必須尋求代用燃料或者減少燃油的消耗量，從這個(gè)方面出發(fā)，世界各國的汽車制造商都在大力的開發(fā)節(jié)能汽車或者新能源汽車。現(xiàn)在，發(fā)展節(jié)能型，環(huán)保型汽車已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的風(fēng)向標(biāo)和汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，研發(fā)和推出一系列有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的環(huán)保，節(jié)能HEV會(huì)在以后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)成為世界汽車工業(yè)的趨勢和主流方向。根據(jù)國際機(jī)電委員會(huì)下屬的電力機(jī)動(dòng)車技

4、術(shù)委員會(huì)的提案，混合動(dòng)力汽車是指有兩種或兩種以上的儲(chǔ)能器，能源和轉(zhuǎn)換器作驅(qū)動(dòng)能源，并且其中至少有一種能夠提供電能的車輛被稱作混合動(dòng)力汽車。根據(jù)這個(gè)通用規(guī)定，混合動(dòng)力汽車有多種形式：汽油機(jī)和蓄電池混合，柴油機(jī)和蓄電池混合，蓄電池和燃料電池混合，蓄電池和超大容量電容器混合，蓄電池和飛輪混合，蓄電池和蓄電池混合等等，但是該定義未被所有人所接受一般意義上的混合動(dòng)力汽車就是指既有內(nèi)燃機(jī)又有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛，本文中所指的混合動(dòng)力汽車就是指一般意義上的混合動(dòng)力汽車，這種系統(tǒng)較好的利用了蓄電池比功率大和燃油比能量高的特點(diǎn)，并采用這種系統(tǒng)可以較好的利用現(xiàn)在已有的各類汽車基礎(chǔ)設(shè)施，入燃油供給系統(tǒng)，生產(chǎn)車輛平臺(tái)，易

5、于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。1.2國內(nèi)外混合動(dòng)力汽車研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 國內(nèi)外混合動(dòng)力汽車的研究現(xiàn)狀混合動(dòng)力汽車自1900年由電動(dòng)車衍生而來以后，相比于電動(dòng)汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)汽車而言，混合動(dòng)力汽車不僅有更好環(huán)境性和更高的能源利用率，還比電動(dòng)汽車有更高的舒適性，更低的成本，更強(qiáng)的操控性，最重要的是他解決了純電動(dòng)車所無法達(dá)到的行駛距離的問題，混合動(dòng)力汽車可以像發(fā)動(dòng)機(jī)汽車一樣行駛足夠長的距離再加油，目前，主流的油電混合汽車主要分為3種：(1)串聯(lián)混合。發(fā)動(dòng)機(jī)可以按照與車輛速度、功率無關(guān)的最佳工況進(jìn)行運(yùn)作，效率很高(比傳統(tǒng)燃油車高30)，排放水平也可以控制到更高水平。(2)并聯(lián)混合。車輛制動(dòng)時(shí)電機(jī)作發(fā)電機(jī)使用，

6、回收制動(dòng)能量并儲(chǔ)存到蓄電池，供車輛起動(dòng)、加速等工況功率補(bǔ)充。主要優(yōu)勢在于容易實(shí)現(xiàn)，即使電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)仍可以繼續(xù)運(yùn)行。(3)串并聯(lián)混。集成了并聯(lián)與串聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造水平要求高，成本較高，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。混合動(dòng)力汽車在各個(gè)國家也有不同的發(fā)展?fàn)顩r：德國Ma g n e t -M o t o r 公司仿照內(nèi)燃-電動(dòng)機(jī)車原理, 開發(fā)了一種柴油-電動(dòng)汽車推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng), 正在慕尼黑進(jìn)行作為公共汽車替代動(dòng)力的試驗(yàn)。這種柴油-電動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是磁動(dòng)力儲(chǔ)存裝置(M D S) , 它用一個(gè)玻璃纖維做成的飛輪儲(chǔ)存能量。在該飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)裝有一個(gè)電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī), 用以吸收和放出能量, 這

7、就是所謂復(fù)式電子永磁馬達(dá)(ME P ) 先進(jìn)技術(shù)。該馬達(dá)的轉(zhuǎn)子是一個(gè)鋼筒, 外圍裝有高級(jí)永久磁鐵, 定子裝有許多相同尺寸的電磁鐵。這種電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生比傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)高2.5倍的扭矩, 發(fā)出較大的功率, . 既可作電動(dòng)機(jī)也可作發(fā)電機(jī)用。同為德國奧迪汽車公司工程部提出一種饒有趣味的電動(dòng)/ 汽油混合動(dòng)力小轎車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在奧迪1 0 系列試驗(yàn)車上。原車采用一臺(tái)五缸2 . 3 l o o k W 的汽油機(jī)作動(dòng)力, 通過一個(gè)5 檔手動(dòng)變速器進(jìn)行前輪驅(qū)動(dòng)。混合動(dòng)力小客車與其不同之處在于后部, 它用一個(gè)直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)后輪, 其電源為鎳鎬電池。本田汽車公司在日本和美國密執(zhí)安的研究發(fā)展部門把開發(fā)汽油一

8、電動(dòng)混合動(dòng)力小客車放在優(yōu)先地位并正在制定開發(fā)計(jì)劃細(xì)節(jié), 預(yù)計(jì)在1991年第三季度能夠確定最終產(chǎn)品方案,1996年將其混合動(dòng)力車輛投放市場。本田公司的混合動(dòng)力汽車, 采用本田恒速發(fā)電機(jī)并裝備有超級(jí)排放控制系統(tǒng)。這是一種專門設(shè)計(jì)用于電動(dòng)車輛的混合動(dòng)力全新模式。在商用領(lǐng)域, 該公司能提供純電動(dòng)型車輛, 而混合動(dòng)力汽車則提供給個(gè)人消費(fèi)者市場作為代步工具。日本日野汽車公司將很快開始生產(chǎn)柴油-電動(dòng)混合動(dòng)力客車。日野公司開發(fā)的這種混合動(dòng)力實(shí)際上就是一臺(tái)普通柴油機(jī)和一個(gè)可逆變的電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)組合系統(tǒng), 稱作混合逆變控制馬達(dá)和減速系統(tǒng)(HIMR) 該客車可利用制動(dòng)能產(chǎn)生電力。當(dāng)客車制動(dòng)時(shí), 電馬達(dá)起發(fā)電機(jī)的作

9、用( 即所謂可再生制動(dòng)) , 把慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能存人蓄電池; 當(dāng)車輛處于高負(fù)荷而需要額外動(dòng)力時(shí), 可用貯存的電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來增大車輛的扭矩。據(jù)說, 日野混合動(dòng)力客車可減少柴油機(jī)炭煙顆粒排放量70%和NOx排放量30%。1.2.2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢當(dāng)今很多國內(nèi)外著名的汽車品牌已經(jīng)研發(fā)出了各具特色的底盤技術(shù)，意在保護(hù)環(huán)境的情況下又能最大化的利用資源，VOLVO卡車公司還對(duì)新能源商用車底盤進(jìn)行了廣泛深刻的研究其FE系列卡車底盤采用并聯(lián)混臺(tái)動(dòng)力技術(shù)即柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)或者單獨(dú)工作：電動(dòng)機(jī)有三個(gè)功能：驅(qū)動(dòng)車輛、車輛制動(dòng)時(shí)作為發(fā)電機(jī)使用和作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)。當(dāng)車輛從靜止開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，

10、電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)則隨著車速的增加而被自動(dòng)激活開始替代電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。當(dāng)車輛在遇到信號(hào)燈或其他原因則停下時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)則在停下之前熄火電動(dòng)機(jī)則起到發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的作用并將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能給電池完電。在爬坡時(shí)電動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可以同時(shí)工作，提供較大的動(dòng)力。在傳統(tǒng)卡車上太多數(shù)外圍設(shè)備如伺服泵、空氣壓縮機(jī)和取力器等均由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；然而在混合動(dòng)力卡車上電動(dòng)供應(yīng)很充足因此，可以使用輕小的電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)這些功能。這樣，可以極大程度提高相關(guān)部件布置的自由性而在組成汽車底盤的制動(dòng)系這一部分中，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車上具有再生制動(dòng)能力的電機(jī), 在回收制動(dòng)能量時(shí)起制動(dòng)作用, 它引人了新型的制動(dòng)器。作為一種新的制動(dòng)器

11、型式, 勢必引起制動(dòng)器型式的變革。電制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)器是基于傳統(tǒng)的制動(dòng)器, 也分為盤式電制動(dòng)器和鼓式電制動(dòng)器, 鼓式電制動(dòng)器由于制動(dòng)熱衰減性大等缺點(diǎn), 將來汽車上會(huì)以盤式電制動(dòng)器為主。電子制動(dòng)首先應(yīng)用到飛機(jī)上, 目前處于向汽車領(lǐng)域應(yīng)用的研究和改進(jìn)階段, 隨著技術(shù)進(jìn)步, 各種問題會(huì)逐步得到解決, 電制動(dòng)系統(tǒng)最終會(huì)取代傳統(tǒng)的以液壓為主的制動(dòng)控制系統(tǒng)以及電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。電制動(dòng)或者線控制動(dòng)是未來制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的方向。電制動(dòng)器和電制動(dòng)控制單元、制動(dòng)力模擬器是其重要組成部分, 反饋制動(dòng)力給制動(dòng)踏板產(chǎn)生制動(dòng)感覺。從結(jié)構(gòu)上,電制動(dòng)具有其它傳統(tǒng)制動(dòng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單, 系統(tǒng)質(zhì)量較傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)降低很多,

12、從而減少了整車質(zhì)量（2）制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短, 提高制動(dòng)性能, 縮短制動(dòng)距離（3）系統(tǒng)中不存在制動(dòng)液, 維護(hù)容易、簡單, 采用電線連接, 系統(tǒng)的耐久性能良好（4）系統(tǒng)總成的制造、裝配、調(diào)試、標(biāo)定更快,易于采用模塊化結(jié)構(gòu)（5）已經(jīng)開發(fā)出具有容錯(cuò)功能的適用于汽車的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議,可以應(yīng)用到電制動(dòng)系統(tǒng)中第二章 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從能源輸入，原動(dòng)機(jī)到機(jī)械能的傳遞，其組成方式多種多樣，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也各不相同。可以根據(jù)動(dòng)力傳遞布置，混合動(dòng)力汽車的用途，混合度大小以及是否依賴電網(wǎng)充電等來進(jìn)行分類，一般情況下，我們都采用第一種分類方式對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車進(jìn)行分類加以分析，根據(jù)動(dòng)力傳

13、遞布置即根據(jù)其部件的種類，數(shù)量和連接關(guān)系可以將HEV的動(dòng)力系統(tǒng)分為三種基本結(jié)構(gòu)類型：串聯(lián)式，并聯(lián)式和混聯(lián)式三種，各自驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如下。2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（SHEV）圖2.1為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的典型結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其電能通過帶您冬季控制系統(tǒng)直接輸送到電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁力矩驅(qū)動(dòng)汽車。在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋之間通過電傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，因此更像是電傳動(dòng)汽車。由于斷開了發(fā)動(dòng)機(jī)與后續(xù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)與外界負(fù)載沒有直接聯(lián)系，可以在一個(gè)特定工況區(qū)域內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定地運(yùn)行。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中最簡單的一種，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能首先通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化后的電能一部

14、分用來給蓄電池充電，另一部分經(jīng)由電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪。和燃油車比較，它是一種發(fā)動(dòng)機(jī)輔助型的電動(dòng)車，主要是為了增加車輛的行駛里程，偶遇在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械連接裝置中沒有離合器，因而它有一定的靈活性。盡管其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，但它需要三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置：發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。如果串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)師考慮爬長坡，未提供最大功率，三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸就會(huì)較大，如果用作短途運(yùn)行，如當(dāng)通勤車用或只是用于購物，相應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)-發(fā)電機(jī)裝置應(yīng)采用低功率的。2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PHEV）圖2.2為并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車與串聯(lián)式混合動(dòng)力電供汽車不同的是采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩套

15、相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪，沒有串聯(lián)式SHEV動(dòng)力傳動(dòng)系中的發(fā)電機(jī)，因此更像傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系。發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通常通過不同的的離合器來驅(qū)動(dòng)車輪，可以采用發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電力單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或者發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電及混合驅(qū)動(dòng)三種工作模式驅(qū)動(dòng)。從概念上講，它是電力輔助型的燃油車，目的是為了降低排放和燃油消耗。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率大于驅(qū)動(dòng)車輛所需的功率或者再生制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將多余的能量充入電池。這種結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車只需兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，即發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。而且，在蓄電池放完電之前，如果要得到相同的性能，并聯(lián)式比串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的體積要小。即使在長途行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可以達(dá)到最大

16、而電動(dòng)機(jī)的功率只需發(fā)出50%即可。2.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PSHEV）圖2.3為混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)形態(tài)，這種結(jié)構(gòu)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三個(gè)動(dòng)力總成組成。與串聯(lián)式相比，它增加了機(jī)械動(dòng)力的傳遞路線，與并聯(lián)式相比，它增加了電力的傳輸路線。混聯(lián)式結(jié)構(gòu)能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行更多的組合。同時(shí)具有串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，從而在結(jié)構(gòu)上能夠保證在更復(fù)雜的工況下是系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，因此更容易實(shí)現(xiàn)低排放和低油耗目標(biāo)。但是其系統(tǒng)過于復(fù)雜，部件性能要求高，造價(jià)高，從而導(dǎo)致了其可靠性難以保證，實(shí)際加工困難，市場化舉步維艱。不過，隨著控制技術(shù)和制造技術(shù)的

17、發(fā)展，一些現(xiàn)代混合動(dòng)力電動(dòng)汽車更傾向于選擇這種結(jié)構(gòu)。第三章 三種混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)及對(duì)比不同形式的混合動(dòng)力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)。下面就對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。3.1 串聯(lián)式（SHEV）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)3.1.1 SHEV的優(yōu)點(diǎn)（1）SHEV只有驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特點(diǎn)更加趨近于EV。從總體結(jié)構(gòu)上來看，比較簡單易于控制，三大動(dòng)力總成之間沒有機(jī)械聯(lián)系，在電動(dòng)汽車上布置起來，有較大的自由度，可以獨(dú)立地布置。（2）SHEV的發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組中的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不受汽車行駛工況的影響，能夠保持在穩(wěn)定、高效、低污染的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和較低的排放指標(biāo)

18、。（3）SHEV以動(dòng)力電池組為基本能源來驅(qū)動(dòng)，使SHEV在城市中，實(shí)現(xiàn)“零污染”狀態(tài)的行駛。發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能向動(dòng)力電池組充電，用于補(bǔ)充動(dòng)力電池組的電能，或直接供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，大大地延長SHEV續(xù)駛歷程。（4）可以采取電動(dòng)機(jī)集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。3.1.2 SHEV的不足（1）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率必須能夠克服汽車在行駛過程中的最大阻力，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率要求較大，外形尺寸較大，質(zhì)量也較重。由于不是經(jīng)常在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此效率較低，由于外形尺寸大，質(zhì)量也較大，在中小型車上的布置有一定困難，但較適合在大型客車上采用。（2）發(fā)電機(jī)將機(jī)械能量轉(zhuǎn)變成電能、電動(dòng)機(jī)將定能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能、電池的充電

19、和放電都有能量損失，因此發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量利用率較低，這是其固有弱點(diǎn)。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池之間的匹配要求嚴(yán)格，應(yīng)能自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組，以避免動(dòng)力電池組過度放電，這就需要更大的電池容量。3.2 并聯(lián)式（PHEV）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)3.2.1 PHEV的優(yōu)點(diǎn)（1）基本驅(qū)動(dòng)模式是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能可直接輸出到汽車驅(qū)動(dòng)橋，沒有機(jī)械能-電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程，與串聯(lián)式相比，能量綜合效率較高。（2）由于在車輛需要最大輸出功率時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以向汽車提供額外的輔助動(dòng)力，因此發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以選擇的較小，使汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性提高。（3）具有發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力總成，其中每

20、個(gè)動(dòng)力總成的功率設(shè)計(jì)為車輛驅(qū)動(dòng)功率的50%-100%，因此，質(zhì)量和體積要小得多。3.2.2 PHEV的不足（1）由于基本驅(qū)動(dòng)模式使發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，故需要配備與內(nèi)燃機(jī)汽車相同的傳動(dòng)系統(tǒng)，在總布置上基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同，動(dòng)力性能接近內(nèi)燃機(jī)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體的排放高于串聯(lián)式。（2）.發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式需要裝置離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)器等轉(zhuǎn)動(dòng)總成，另外還有驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池組，以及動(dòng)力組合器等裝置，因此使動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，布置和控制也更加困難。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛驅(qū)動(dòng)輪間有直接的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不可避免地受到汽車具體行駛工況的影響，要維持發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作區(qū)工作，則控制系統(tǒng)和控制策略較復(fù)雜。3.3

21、 混聯(lián)式（PSHEV）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)3.3.1 PSHEV的優(yōu)點(diǎn)（1）發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不受汽車行駛狀況的影響，總能在最高效率下工作或自動(dòng)關(guān)閉，是汽車在任何時(shí)候都可實(shí)現(xiàn)低排放及超低油耗，達(dá)到環(huán)保和節(jié)能的效果。（2）車輛的最大輸出功率相當(dāng)于三個(gè)動(dòng)力裝置共同組成混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率之和，因此發(fā)動(dòng)機(jī)排量可減少，電動(dòng)機(jī)功率可降低，其體積減少，而加速性能很好。（3）配有專用電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，所以對(duì)電池的依賴較少。3.3.2 PSHEV的不足控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，部件性能要求高，造價(jià)高，從而導(dǎo)致了其可靠性難以保證，設(shè)計(jì)加工困難。3.4 三種混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)比通過對(duì)上述不同結(jié)構(gòu)形

22、式的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，可以得出：SHEV有利于降低排放，但現(xiàn)有技術(shù)條件下降低油耗作用不明顯；PSHEV可以使油耗和排放都得到顯著降低，目前的開發(fā)重點(diǎn)是高效率、易控制的動(dòng)力復(fù)合裝置，PSHEV在理論上容易實(shí)現(xiàn)最低的燃油經(jīng)濟(jì)性和低排放，但由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，開發(fā)難度較大，所以成本高。從上述對(duì)三種結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的介紹，分析可以看出，這三種類型的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)。各自的技術(shù)特點(diǎn)決定其適應(yīng)于不同的工況。3.5 串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的確定不同形式的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)。各自的技術(shù)特點(diǎn)決定了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車更適合于路況簡單的城市間公路及高速行駛的車輛；而

23、混聯(lián)式結(jié)構(gòu)由于其系統(tǒng)過于復(fù)雜，部件性能要求高，造價(jià)也高，在研究，開發(fā)和應(yīng)用中都受到很大的限制；串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車特別適合于在市內(nèi)低速運(yùn)行，頻繁的加速，減速，停車的復(fù)雜工況，在這種工況下串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮了其發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件穩(wěn)定，制動(dòng)能量回收效果好，工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢。本文選擇串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其主要原因表現(xiàn)在以下方面：（1）串聯(lián)式結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況不受路況的影響，不會(huì)隨著車速的變化而產(chǎn)生波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定工作在某一較小的區(qū)間，經(jīng)濟(jì)性，排放性能較好，適應(yīng)于城市交通。 （2）串聯(lián)式方案實(shí)現(xiàn)了車載能源的多樣化選擇，能滿足車輛特殊的使用要求，比如零排放行駛，再生制動(dòng)能量回收等，這使它更適合于在

24、排放要求極為嚴(yán)格的中心市區(qū)內(nèi)運(yùn)行。（3）串聯(lián)式方案具有排放低，布置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便等優(yōu)勢尤其適用于市內(nèi)常見的頻繁起步加速工況和低速運(yùn)行工況。 （4）采用串聯(lián)方案后，電動(dòng)機(jī)功率比采用并聯(lián)式要大，更有利于較多的回饋制動(dòng)能量。 （5）串聯(lián)式方案只有電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪這一驅(qū)動(dòng)形式，電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)絕佳的扭矩特性使得以串聯(lián)式布置的混合動(dòng)力汽車具有很好的加速性能。 （6）串聯(lián)式方案中的發(fā)動(dòng)機(jī)能在最佳工作區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在低速，加速等運(yùn)行工況，而在高，中速行駛時(shí)，由于其電傳動(dòng)效率較低，抵消了發(fā)動(dòng)機(jī)油耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車更適合用于市區(qū)內(nèi)低速運(yùn)行。因?yàn)樵诜比A的市區(qū)中，汽車的起步和

25、低速時(shí)可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，只利用蓄電池組進(jìn)行功率輸出，使汽車達(dá)到零排放的要求。所以在低速且走/停轉(zhuǎn)換次數(shù)多的短途運(yùn)輸車上宜采取串聯(lián)式結(jié)構(gòu)。基于上述對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的分析，可知混合動(dòng)力汽車是一個(gè)組成部件多，驅(qū)動(dòng)布置形式多樣的復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械加工能力，大中城市汽車排放污染嚴(yán)重的問題和我國國情，并結(jié)合短途運(yùn)輸車的發(fā)展需要，我認(rèn)為應(yīng)該選擇串聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式是較為可行的方案。第四章 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車總成控制策略控制策略是混合動(dòng)力汽車的核心，是混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮最佳性能的關(guān)鍵，它根據(jù)汽車行駛過程中對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的能量需求，動(dòng)態(tài)分配發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)系統(tǒng)的輸出功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量工作在最優(yōu)工作區(qū)，當(dāng)車輛的需求功率

26、較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須將多余的能量輸入蓄電池儲(chǔ)存起來；在車輛的需求功率較大時(shí)，再將蓄電池的電能釋放出來。在目前的技術(shù)條件下，蓄電池的充放電效率都不高，特別是頻繁的充放電過程造成了很多不必要的能量的損失。所以合理的控制策略特別重要，其不但可以優(yōu)化能量流動(dòng)，而且能夠在很大程度上改善 SHEV的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性以及續(xù)駛里程。SHEV控制策略按性質(zhì)可分為被動(dòng)型和主動(dòng)型兩大類，被動(dòng)型能量管理策略是在保證蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)各自工作于其最佳工作區(qū)域的條件下被動(dòng)地滿足車輛功率需求的一種控制模式，這種控制模式以提高能量流動(dòng)效率為主要目的。而主動(dòng)型能量管理策略在注重提高汽車系統(tǒng)內(nèi)部能量流動(dòng)效率的同時(shí)，可根據(jù)行車

27、環(huán)境主動(dòng)減小車輛功率需求4.1 被動(dòng)能量管理策略4.1.1 恒溫器型（開關(guān)型）控制策略恒溫器型（Thermostat）控制策略的特征為：發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)后即恒定地工作于效率最高點(diǎn)，為使蓄電池組工作于充放電性能良好的工作區(qū)，預(yù)先設(shè)定了其充電狀態(tài)SOC的最大值SOCmax與最小值SOCmin。當(dāng)蓄電池SOC SOCmin時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并進(jìn)入設(shè)定的工作點(diǎn)（最低油耗或最低排放）工作，輸出功率的一部分滿足車輛驅(qū)動(dòng)功率需求，另一部分功率向蓄電池充電。而當(dāng)蓄電池SOC SOCmax時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由蓄電池單獨(dú)向電動(dòng)機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輛。恒溫器型控制策略的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒充分，排放低。缺點(diǎn)是動(dòng)力蓄電池必須滿足驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

28、瞬時(shí)功率的需要，其放電電流波動(dòng)較大，經(jīng)常出現(xiàn)大電流放電的情況，且蓄電池充放電頻繁，對(duì)蓄電池使用壽命均有不利影響。其次，雖然輔助動(dòng)力單元(Auxiliary PowerUnit ，APU)可以在最優(yōu)效率點(diǎn)工作，但由于多了能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，加上發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗，因而有可能抵消由發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)工作效率最高所帶來的好處，使得系統(tǒng)總體的損失功率變大，能量轉(zhuǎn)換效率趨低。這種能量管理策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有利而對(duì)動(dòng)力電池不利。圖 4-1中 1 部分的功能是當(dāng) SOC 達(dá)到低限 cs_lo_soc 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開；2 部分表示的功能是如果發(fā)動(dòng)機(jī)前一狀態(tài)是開的，那么發(fā)動(dòng)機(jī)就保持開的狀態(tài)，直到電池 SOC 達(dá)到高的限值 c

29、s_hi_soc。到達(dá)最高限后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。3 部分的功能是使發(fā)動(dòng)機(jī)在控制文件預(yù)先確定的最佳效率下的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩處工作。4.1.2 功率跟隨型控制策略功率跟隨型（Power-Follower）控制策略由輔助動(dòng)力單元APU全程跟蹤車輛功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)總保持運(yùn)轉(zhuǎn)，這與傳統(tǒng)汽車的行駛相似。功率跟隨型能量管理策略的優(yōu)點(diǎn)是蓄電池容量被減小到最小程度，因而蓄電池重量相對(duì)恒溫器型策略來說減輕了許多，從而在很大程度上減小了汽車行駛阻力，此外由于蓄電池充放電次數(shù)減少而使得系統(tǒng)內(nèi)部功率損失相應(yīng)減少。缺點(diǎn)是APU必須滿足續(xù)駛里程內(nèi)的所有功率要求且要做出快速響應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須在從低到高的整個(gè)負(fù)荷區(qū)范圍內(nèi)運(yùn)行，這些都損害了發(fā)

30、動(dòng)機(jī)的效率和排放性能(尤其在低負(fù)荷區(qū))。因此，該控制策略對(duì)蓄電池有利而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不利。4.2 主動(dòng)型能量管理策略4.2.1 線路適應(yīng)型控制策略路線適應(yīng)型控制策略基于城市公交車加減速頻繁、路線固定，站點(diǎn)、站距、停車時(shí)間均已知的特點(diǎn)，在恒溫器型或功率跟隨器型控制策略的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)子控制策略：Adviser子控制策略，Adapter子控制策略。Adviser根據(jù)行車路線數(shù)據(jù)幫助駕駛員發(fā)出當(dāng)前工況下的最佳加速踏板請(qǐng)求；Adapter僅根據(jù)車輛停靠站點(diǎn)信息控制車輛進(jìn)站前的速度，以使再生制動(dòng)能量回收增加。路線適應(yīng)性控制策略挖掘了混合動(dòng)力車在城市公交中使用的潛力，但沒考慮交通干擾、意外停車等因素。路線適應(yīng)型

31、控制策略特別適合城市公交車。4.2.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化控制策略動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法是R.Bellman提出的主要用于求解多級(jí)決策問題的方法，并成功地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路徑查找、線性時(shí)不變離散系統(tǒng)的優(yōu)化等問題。其主要針對(duì)多階段決策過程的尋優(yōu)問題，是求解最優(yōu)控制問題的有效數(shù)學(xué)方法之一。動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化控制策略以汽車在給定的駕駛循環(huán)工況下最小油耗為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)串聯(lián)式HEV的能量流動(dòng)特點(diǎn)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，按照時(shí)間順序把整個(gè)循環(huán)工況下的功率與效率以一定的時(shí)間間隔分成若干個(gè)時(shí)間片段，然后從最后一段狀態(tài)開始逆向遞推到初始段狀態(tài)為止，最后求出整個(gè)循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出功率序列。該方法只能用于特定的駕駛循環(huán)，必須預(yù)先精確知

32、道車輛的需求功率，因而不能用于在線控制，常用于離線優(yōu)化，以幫助總結(jié)和提煉出能用于在線控制的能量管理策略。4.2.3 負(fù)荷預(yù)測型控制策略負(fù)荷預(yù)測型控制策略基于APU輸出功率要比車輛驅(qū)動(dòng)功率隨時(shí)間變化平穩(wěn)得多這一事實(shí)，在恒溫器型或功率跟隨型策略的基礎(chǔ)上添加一個(gè)車輛負(fù)荷預(yù)測器。預(yù)測器根據(jù)車輛運(yùn)行工況預(yù)測車輛需要的驅(qū)動(dòng)功率，通過車輛已耗功率的記錄測算出驅(qū)動(dòng)功率的一些平均值和它的波動(dòng)范圍，再利用路面坡度、交通情況等信息，來預(yù)測出車輛下一個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷。利用該預(yù)測值、蓄電池的SOC狀態(tài)決定采用哪一種工作模式。負(fù)荷預(yù)測型控制策略的最大特征是：提供了一種根據(jù)在線所預(yù)測的驅(qū)動(dòng)功率參與系統(tǒng)能量管理。達(dá)到油耗最低、排

33、放最低的目的，可操作性強(qiáng)。缺點(diǎn)是所預(yù)測的驅(qū)動(dòng)功率由于是由已耗功率推測得出的，與車輛功率的即時(shí)需求值是有差異的。4.3 串聯(lián)式混合動(dòng)力控制策略的選擇通過上述分析比較可以看出，兩種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，恒溫器控制策略中由于發(fā)動(dòng)機(jī)不需要跟蹤路面負(fù)荷的瞬態(tài)變化而恒定工作，因此有利于降低 HEV 排放；功率跟隨控制策略中發(fā)動(dòng)機(jī)沿著燃油經(jīng)濟(jì)性較好的曲線跟蹤路面功率的需求，因此有利于提高HEV 的燃油經(jīng)濟(jì)性。為了實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力城市客運(yùn)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)，必須采用合理的控制策略對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制。具體來說就是兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的效率，實(shí)現(xiàn)整車效率最優(yōu)。也就是說，優(yōu)化的控制策略對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的特性高度依賴。本文選擇

34、的控制策略是把上述兩種模式結(jié)合起來，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的高效率區(qū)，使其達(dá)到整體效率最高。發(fā)動(dòng)機(jī)在 SOC 較低或負(fù)載功率較大時(shí)均會(huì)啟動(dòng)；當(dāng)負(fù)載功率較小且 SOC 高于預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被關(guān)閉；在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)停之間設(shè)定了一定范圍的狀態(tài)保持區(qū)域，這樣可以避免頻繁關(guān)停。 發(fā)動(dòng)機(jī)一旦起動(dòng)便在相對(duì)經(jīng)濟(jì)的區(qū)域內(nèi)對(duì)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率進(jìn)行跟蹤，當(dāng)負(fù)載功率大于或小于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)域所能輸出的功率時(shí)，電池組可以通過充放電對(duì)該功率差額進(jìn)行緩沖和補(bǔ)償。例如，當(dāng)汽車加速和爬坡時(shí)，為了滿足車輪驅(qū)動(dòng)功率要求，降低對(duì)蓄電池峰值功率要求，延長其工作壽命，可采用發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨模式；當(dāng)汽車車輪功率要求低時(shí)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)低效率工況的發(fā)生，可以采用恒溫器模式，以提高整車系統(tǒng)的效率。通過上面對(duì)兩種控制策略的詳細(xì)介紹，不難看出恒溫器控制策略也可以在功率跟隨控制策略中實(shí)現(xiàn)，在本文設(shè)計(jì)的控制策略中，就采用了這樣方法，使得恒溫器控制策略在功率跟隨控制策略中體現(xiàn)出來，把兩種控制策略結(jié)合起來，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。具體就是把恒溫器式控制策略嵌入到功率跟隨控制策略中，其控制策略框圖如圖 4-3所示。 其總體的原則如下： （1）當(dāng)電池組的 SOC 值很高，并足以滿足汽車行駛時(shí)的路面功率需求時(shí)，就由電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。 （2）當(dāng)汽車行駛時(shí)的路面功率需求較大，電池的組不能單獨(dú)滿足其要求，或者電池組的 SOC 值較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)都要開啟