混合动力汽车初步研究（精选12篇）
混合动力汽车初步研究 第1篇
环保和节能是当今汽车工业发展的两大主题, 围绕这两大主题各国竞相开展绿色环保汽车的开发, 电动汽车成为主要的解决方案之一。一般地, 电动汽车可分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车3大类。纯电动汽车由于现有动力电池的续驶里程短和成本高, 其应用领域主要限制在小型车辆, 市场化推广进程十分缓慢。燃料电池汽车由于燃料电池技术尚未突破以及由此形成的成本问题, 大批量投入市场也需很长一段时间。在上述背景下, 以传统汽车发动机和电动机为动力源的汽车混合动力汽车应运而生, 成为目前电动汽车中最具有产业化和市场化前景的车型之一。
混合动力汽车分为4种基本结构, 即串联混合动力、并联混合动力、混联混合动力和复合式混合动力。无论采用哪种结构, 都涉及到发动机、电动机、电池、传动系统等部件的匹配问题, 它是混合动力汽车设计中最重要的内容之一。本文将从发动机选型和发动机功率计算两个方面讨论混合动力汽车发动机匹配的相关问题。
1发动机选型
在发动机选型之前, 首先应确定发动机的运行模式。根据驱动系统结构和运行模式的不同, 混合动力汽车发动机的运行模式也是多种多样的。丰田普锐斯 (Toyota Prius) 是目前世界上最成功的商用混合动力汽车, 根据车辆行驶状态的不同, 它的发动机共有5种工作状态:①在起车和低速时, 发动机运行效率低, 停止工作, 电机运行于电动机状态, 单独驱动汽车, 见图1 (a) ;②正常行驶时, 发动机的功率被分为两部分, 一部分功率带动发电机发电, 并通过控制单元驱动电机, 电机运行于电动机状态驱动车轮, 另一部分功率直接驱动车轮, 见图1 (b) , 这样, 可以使发动机运行于最高效率下;③突然加速或爬坡时, 发动机和电机同时工作, 额外的功率由电池来提供, 见图1 (c) ;④减速或制动时, 发动机不工作, 电机运行于发电机状态, 制动能量回馈到电池, 见图1 (d) ;⑤停车时, 如果电池容量不足, 发动机带动发电机给电池充电, 见图1 (e) 。
普锐斯的例子说明, 混合动力汽车发动机的运行模式与传统汽车发动机完全不同。发动机与电驱动系统 (电池、电动机和发电机) 配合运行, 从而使发动机在绝大多数时间运行于最高效率区间, 提高汽车的燃油经济性。因此, 混合动力汽车发动机的选择应考虑所选择的混合动力系统结构、与电驱动系统的混合程度、混合动力系统的控制方式和整车燃油经济性。普锐斯所配置的发动机, 特别考虑了3个方面, 即提高发动机的膨胀比、采用智能可变配气正时系统 (VVT-i) 和提高发动机输出能力。
普通发动机的压缩行程和膨胀行程是一样的, 而普锐斯发动机采用由阿特金森发明、米勒发展的高膨胀比循环, 压缩比和原来的相同, 膨胀行程比压缩行程长, 这样就充分发挥了发动机的爆发压力, 提高了效率。
根据运行条件的变化, 智能可变配气正时系统采用可以极其细微控制吸气管开闭时序的阀门, 在压缩行程时, 将混合气体的一部分通过活塞和汽缸头部的夹击向燃烧室的中心顺势压出, 增强气体的混合度, 快速传播火焰, 使燃烧能够很好地进行, 形成具有斜挤流的篷型燃烧室, 提高了发动机热效率。另外, 铝合金制成的汽缸模块、小型歧管使得发动机具有体积小、重量轻的特点。
普锐斯发动机的最高转速由传统发动机的4 500 r/min提高到5 000 r/min, 从而提高了输出能力。通过减轻运动部件重量、降低活塞环压力和减小气门弹簧负载, 减少了摩擦损失。此外, 发动机转速增加了500 r/min, 使发电机的能力增强, 这样在突然加速和爬坡时, 可以进一步提高燃油效率。
总之, 为了最大限度地提高车辆的性能和燃油经济性, 混合动力汽车的发动机应根据驱动系统结构和运行模式, 在传统发动机基础上进行改进。
2发动机功率计算
发动机功率的计算对混合动力传动系的设计至关重要。发动机功率偏大, 车辆燃油经济性和排放性能就差;发动机功率偏小, 后备功率就小, 电动机只有提供更多的驱动功率, 才能满足一定的车辆行驶性能要求, 这势必引起电动机和电池组容量取值的增大和车辆成本的增加。另外, 电池组数目增多, 在车辆上布置困难, 车重增加, 仅依靠发动机的富裕功率难以维持电池组的额定电量, 限制车辆的续行里程。
对于串联混合动力, 发动机功率的计算可分为2步:①计算发动机功率, 当发动机功率为32.5 kW, 平路最高车速为130 km/h, 5%坡度路面最高车速为78 km/h时, 发动机功率随车速的变化曲线见图2 (a) ;②选择的功率必须大于根据各种车辆循环工况计算得出的平均负载功率, 图2 (b) 给出了城市发动机随工况的变化情况。
发动机功率Pe的计算公式为:
式中: v车速;
ηt 传动效率;
ηm 电机效率;
mν 车的质量;
g 重力加速度;
fγ 轮胎滚动阻力系数;
ρa 空气密度;
CD 空气阻力系数;
Af 迎风面积。
对于并联混合动力, 负载可根据式 (2) 进行计算。平路最高车速通过最高档位确定, 不同坡度最高车速通过档位情况确定, 城市工况时发动机功率随车速的变化曲线见图3 (a) , 功率随工况的变化情况见图3 (b) 。
负载功率Pl计算公式为:
式中:ηe发动机效率;
i 坡度。
发动机最大平均功率Peam计算公式为:
式中:T工况循环周期。
对于混联混合动力和复合式混合动力, 发动机功率的确定也要进行路面负载和循环工况的计算, 不过更为复杂, 因为这两种混合动力系统的结构和控制策略更为多样。
3结论
混合动力汽车的发动机应在传统发动机的基础上进行改进, 才能更大地发挥其优势。混合动力汽车发动机功率的计算以路面负载和循环工况计算为基础, 但需要考虑不同混合动力系统的结构和控制策略。
参考文献
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混合动力汽车发动机匹配的研究 第2篇
混合动力汽车发动机匹配的研究
混合动力汽车是电动汽车中最具市场化前景的车型,发动机匹配是混合动力汽车设计中最重要的.内容之一.从发动机选型和发动机功率计算两个方面讨论了混合动力汽车发动机匹配的相关问题,认为混合动力汽车的发动机应在传统发动机的基础上进行改进,才能更大地发挥混合动力汽车的优势.混合动力汽车发动机功率的计算以路面负载和循环工况计算为基础,但需要考虑不同混合动力系统的结构和控制策略.
作 者：那鹏飞 NA Peng-fei 作者单位：中北大学,山西,太原,030051 刊 名：机械工程与自动化 英文刊名：MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION 年，卷(期)：2010 “”(1) 分类号：U464 关键词：发动机 混合动力汽车 匹配
混合动力汽车初步研究 第3篇
关键词 混合动力汽车 驱动系统 驱动模式
一、前言
自1886年第一辆汽车问世以来，全球的汽车业己走过了100多年的历史，在这漫长的时间里汽车越来越多的进入人们的工作和生活，随之而来的不仅是汽车保有量的急剧增加，还有难以摆脱的灾难。在各种环境污染物中有约43%来自传统能源汽车的排放。随着石油资源日益减少，环境污染越来越严重，传统内燃机汽车发展也遇到了瓶颈，因此开发节能环保的新型汽车成为世界汽车工业的首要任务和发展趋势，这就促使了混合动力电动汽车的出现。
二、混合动力汽车驱动系统的结构及工作模式
混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是指汽车的驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的汽车。汽车的行驶功率依据汽车实际工况由单个驱动系单独或共同提供。混合动力汽车根据其两种动力源混合方式的不同，可以分为三种驱动方式：串联式、并联式和混联式。
（一）串联式驱动系统的连接模式
串联式混合动力汽车的驱动系统将发动机、发电机、蓄电池及电动机串联连接，如图1所示。根据发动机的工况要求可以在不同的驱动模式下工作。
（1）纯电动模式。在混合动力汽车负荷较小或空载的情况下，发动机处于关闭状态，其排放为零；由蓄电池组单独向电动机供电以驱动汽车。（2）纯发动机模式。当混合动力汽车负荷较大，而所需的驱动功率又不超过发动机的最大功率时，由发动机带动电动机驱动汽车，蓄电池组不参与供电。（3）混合驱动模式。混合动力汽车在启动、加速、爬坡等工况下，由发动机带动发电机与蓄电池组同时向电动机供电，混合动力汽车的动力性达到最佳。（4）发动机-蓄电池模式。当混合动力汽车处低速、滑行、减速的工况时，则由蓄电池组驱动电动机，由发动机带动发电机组向电池组充电。
（二）并联式驱动系统的连接模式
并联式混合动力汽车有两套既可以单独驱动车辆，又可以协作共同驱动车辆的驱动系统，不同的系统驱动车辆时具有不同的工作效率区间，如图2所示。
（1）纯电动模式。当混合动力汽车起步或低速行驶时，由电动机单独驱动汽车，使发动机避开低效、高排放的工作区，整车燃油经济性好、排放低。（2）纯发动机模式。当混合动力汽车以高速平稳行驶，或在城市郊区等排放要求不高的地方行驶时，由发动机单独工作，驱动汽车。此时，发动机工作在高效区，燃油经济性好。（3）混合驱动模式。当混合动力汽车急加速或者爬坡时，发动机和电动机同时工作，电动机发出的功率辅助发动机使车辆急加速或者爬坡。这种情况下，汽车的动力性处于最佳状态。混合驱动模式下发动机和蓄电池组带动的电动机同时工作驱动汽车行驶。（4）制动能量回收模式。当汽车减速或制动时，利用电动机反拖作用既可以有效辅助制动，又可以使电动机以发电机模式工作发电，向蓄电池组充电，从而提高能量利用率和燃油经济性，降低排放。
三、混合动力汽车驱动系统的发展
与传统汽车相比，混合动力汽車在保证相同的性能和优势前提下，具有更好的节能和排放性能。混合动力汽车的蓄电池电压和功率等级与纯电动汽车相似，，但容量可以大大减小，因而其成本低于电动汽车。但由于混合动力汽车传动系统总成较为复杂，所以其价格比传统燃油汽车往往高出20%左右。降低成本是提高混合动力汽车竞争能力的努力方向。相信随着混合动力汽车的推广和普及，生产批量提高后，其价格将逐步接近传统汽车。
混合动力汽车初步研究 第4篇
1 传统汽车制动问题
传统汽车的制动是利用刹车片和刹车碟以及轮胎和地面摩擦, 把汽车的机械能转化为摩擦后的热能, 从而使得汽车速度由高到低直至零停止的过程 (见图1) 。这样的制动方式有以下几个问题[3]: (1) 制动过程中汽车的能量没有得到充分利用, 同时由于制动使得发动机处于怠速状态, 消耗浪费大量的燃料。 (2) 燃料未经充分燃烧会产生大量的有毒气体, 造成环境污染, 同时会造成噪声污染。 (3) 由于摩擦作用, 摩擦块会逐渐被磨损, 缩短制动器的寿命, 同时会造成行驶过程中的安全问题, 需要我们定时检查和维护制动系统。
2 再生制动的原理及其应用[4]
2.1 再生制动的原理
再生制动 (Regenerative Braking) 也称为反馈制动, 是一种将车辆制动时的机械能转化、存储再利用, 并非全部变成无用的热能耗散掉的制动技术, 见图2。和传统摩擦制动相比, 节能效果明显。
2.2 再生制动的应用
目前, 再生制动主要应用于电气化铁路列车、纯电动汽车和混合动力汽车。目前, 使用再生制动的车辆仍然会有传统的摩擦制动系统, 用来提供快速、强劲的制动力。再生制动系统通常可回收利用约30%的制动动能, 其余动能仍变为热能耗散掉[5]。
2.2.1 在电气化铁路列车上应用
制动时把负载的动能转换成电能并返回电源, 电动机制动作用, 同时电动机转变为发电机。具体制动过程为:制动工况下将机车上的牵引电动机切换成发电机, 将机车运行的动能转换成电能, 再将电能反馈到牵引接触网供其它机车重新利用, 而在本机车上获得制动力。目前使用的方法有能量消耗制动法、并联直流母线吸引法和能量回馈制动法3种[6]。
2.2.2 在纯电动汽车上应用
在电动车上的应用, 基本原理是:先将汽车制动或减速时的一部分动能经再生系统转换为电能并储存于蓄电池中, 同时产生一定的负荷阻力使汽车减速制动;当汽车再次启动或加速时, 再生系统又将储存在储能器中的能量转换为汽车行驶所需的驱动能。
2.2.3 在混合动力汽车上应用
在混合动力汽车上应的应用, 其基本原理同在电动车上应用相似, 混合动力汽车回收的制动能量经再生系统将能量转为机械能、液压能、化学能或电能储存在对应的飞轮装置、液压装置、电化学储能装置、蓄电池储能装置、超级电容器储能装置中。
3 常用制动能量回收方法比较[7]
目前再生制动能量回收的方法主要有3种: (1) 机械蓄能法, (2) 液压蓄能法, (3) 蓄电池蓄能法。3种蓄能方法的比较如表1所示。
3.1 机械蓄能法
由图3可知, 机械蓄能法主要是利用飞轮的特性进行蓄能。汽车在制动前的动能相当大, 制动过程中, 将汽车的动能转化为飞轮的高速旋转动能, 从而将能量存储起来。在汽车重新启动或者加速行驶时, 飞轮降低自身旋转速度, 将自身的旋转动能释放给汽车。
3.2 液压蓄能法
由图4可知, 液压蓄能法利用液压蓄能器作为储能元件, 能够回收汽车制动过程中的能量, 并在汽车启动或加速过程中释放能力。汽车中可逆的液压泵/马达为能量转换元件, 能够实现蓄能器中的液压能同汽车的动能间的相互转化。即在汽车制动时, 汽车的动能将泵旋转, 将高压油压入蓄能器中, 这个过程使得汽车的动能转化为了液压能;在汽车启动或者加速时, 高压油输出带动马达工作, 使得高压油的能量转化为汽车的动能。
3.3 蓄电池蓄能
现在的混合动力汽车和电动汽车广泛使用的这种的蓄能方法。该方法将汽车的动能转化为电能进行存储。见图5。利用具有可逆作用的, 实现蓄电池中电能和汽车动能之间的相互转化。在汽车制动时, 发电机/电动机按照发电机的形式工作, 汽车的动能带动发动机将汽车动能转化为蓄电池电能储存。在汽车启动或加速时, 发电机/电动机按照电动机的形式工作, 将蓄电池中的电能转化为汽车的动能。目前, 超级电容器也被应用于一些混合动力汽车中, 将普通蓄电池与超级电容器组合, 实现超级电容器高功率密度和电池高能量密度的优势互补, 实现复合电源系统对外充放电过程中, 超级电容器与电池的功率按电池“最佳”工作状态进行分配, 可以延长电池寿命、降低电池容量、降低电源系统成本。制动动能转化为电能, 在发电机装置有能量耗损, 其能量转化率最高为30%[8]。
4 混合动力汽车的制动能量回收系统[9,10]
4.1 Toyota-Prius车制动能量回收系统
Toyota Prius是丰田汽车公司的一款混合动力轿车。其制动系统由能量回收制动和液压制动两部分组成。系统采用能量回收制动和液压制动二者协调控制, 其原理为在不同路况和工况条件下, 考虑到汽车的稳定性和安全性, 同时考虑蓄电池再生制动能力, 通过整车电子控制单元 (THS-ECU) 使车轮制动扭矩与电动机能量回收制动扭矩间达到优化协调控制。其中能量回收制动由THS-ECU控制, 液压制动由制动控制器 (Brake-ECU) 控制。制动能量回收系统由液压制动器、电动机、逆变器、电控单元组成。其中, 液压制动器包括液压传感器和液压阀;电动机在汽车减速和制动的时候起发电机作;电控单元包括动力蓄电池电控单元, 电机电控单元以及能量回收电控单元。
4.2 Eco-Vehicle车制动能量回收系统
在Eco-Vehicle制动系统中, 压力控制阀单元 (PCVU:Pressure Control Valve Unit) 用于减小液压制动力矩的比例。PCVU中有补偿制动液的耗损的机械装置。在压力出现波动时减小踏板的震动。主缸压力信号直接发送给Eco-Vehicle制动控制器接收, 根据得到的信息, 制动控制器计算将多大能量回收制动力作用汽车上, 并将结果以电信号发送给车辆控制器, 同时车辆控制器将实际参与能量回收制动, 并将结果反馈到制动器。
4.3 Honda insight车制动能量回收系统
2010款Insight混合动力车上使用的是本田第四代IMA (Integrated Motor Assist) 动力系统。其制动能量回收系统采用执行器和电控单元组成一体化模块模式, 包含IMA系统电机控制模块、动力蓄电池监控模块和电机驱动模块。IMA电动在制动、缓慢减速时、通过混合动力整车电控单元发出相应指令使电动机转为发电机再生发电工况, 通过制动能量回收控制系统以电能形式向动力蓄电池充电。其工作过程为:当驾驶员踩下制动踏时, 制动踏板传感器使IMA电控单元激活制动总泵伺服装置、通过动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等发出相应指令, 使得液压机械制动和电机能量回收之间制动力协调均衡以实现能量的回收。
5 再生制动的关键技术问题以及研究展望[4]
5.1 再生制动的关键技术问题
再生制动系统从无到有, 在汽车节能方面是一个重大的突破和进展, 也反映出人类可持续发展观念的增强, 同时通过研究可以发现再生制动系统发展仍要克服以下3个关键技术问题: (1) 制动过程是一个十分短暂的过程, 所以对制动力实现准确控制比较困难, 如何准确、快速、稳定的控制制动力是需要进一步的研究和攻克, 需要更优的制动系统, 更合理的制动策略, 更灵敏的制动响应与反馈; (2) 制动稳定性不仅跟制动系统有关, 它作为汽车的一部分, 需要同汽车其他各电控单元彼此兼容, 特别是与ABS系统、传统制动系统、汽车减振系统以及电机控制系统; (3) 再生制动系统的最大魅力之处在于其能够实现能量回收, 回收部分传统制动系统耗散的能量。如何提高能量的回收效率, 以及采用何种方法、何种装置能高效率的回收制动能量都是需要深入研究和考虑的。同时, 还需考虑到其与整个汽车系统的兼容性和一致性。
5.2 研究展望
(1) 再生制动系统将在越来越多的汽车中出现, 这是一个大趋势。对于前装市场汽车, 再生制动系统能够很好的嵌入在整个汽车系统中。但对于目前已出厂未装配再生制动系统的汽车而言, 如何将后装再生制动系统完美的嵌入到汽车系统中是一个需要研究的问题。
(2) 汽车中采用摩擦制动系统来制动汽车, 摩擦制动是利用摩擦力来实现汽车制动, 这个过程中能量耗散比较巨大, 从制动新技术的角度出发, 考虑增加一套电磁制动系统, 通过电磁制动系统和摩擦制动系统二者协同配合, 从而更好的利用电磁场原理来革新再生制动技术[11]。
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论混合动力汽车的发展 第5篇
毕 业 作 品 题目：系
专年级
学生
学指 导
完成论混合动力汽车的发展部：______汽车工程系___ 业：_ _汽车检测与维修技术_ 班级：2010级博世班 姓名：王茂 号：10310267 教师：贾启阳期：2013年4月
1日
论混合动力汽车的发展
随着社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力电动车辆的发展。混合一、混合动力汽车的概念
动力电动汽车（HEV）将内燃机、电动机与一定容量的蓄电池通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。所以自从90年代以来，全球刮起了研究混合动力的风暴。
二、国外混合动力汽车的发展
（一）日系混合动力汽车的发展
日本丰田率先将混合动力车商品化，于1997年推出Prius，随后的时间里，多家日本汽车公司实现了多款混合动力的商品化。在美国，克林顿政府上台不久，为了开发新一代汽车，由美国政府促进，于1993年9月29日发起了新一代汽车伙伴计划即PNGV，目标是开发低油耗的混合动力汽车。然而该计划最终被废止，没有达到预订的2005年左右推出商品化的混合动力汽车的目标。
日本汽车保有量占全球第二位，由于人口密集，国土狭小，石油100％依赖进口。因此，日本对EVHEV的研发十分重视。早在1992年，日本政府宣布将允许投放市场20万辆电动车的计划，但是没有实现；2001年7月，日本开展了“低公害车开发普及行动”，将EVHEV列为重点开发的低公害汽车之列，并制定了专门的政策，以促进EVHEV的普及应用；2002年提出从2005年开始大幅度限制尾气排放，制定了《新长期排放限制》的标准，准备用于2005年以后销售新车的一项排放法规；2002年2月26日，日本中央环境审议会大气环境领域的一个专门委员会（环境大臣的咨询机构）提出了一份将要纳入这项法规的尾气排放标准的咨询提案。这项提案的内容包括将颗粒状物质（PM）含量比现行标准的要求最大削减85%，将氮氧化物（NOx）削减50%等一些内容，该法规的实施将进一步推动EVHEV的发展。按照目前的发展速度，预计在2010年将达到210万辆。
（二）丰田的混合动力汽车的发展
丰田作为日本汽车的龙头老大，是全世界第一台正式批量生产的混合动力车的制造者，自从1997年开始，Prius就开始在日本销售，2000年起便在北美、欧洲及世界各地公开发售。目前，Prius已经在中国上市。到了2001年，丰田
又在日本推出了Estima混合动力小货车、使用弱混合动力的皇冠豪华小轿车和
Dyna混合动力轻型货车。丰田商业化的车型已经达到5款。
2005年11月30日，丰田汽车正式宣布，丰田混合动力汽车累计已经超过
了50万台，到今年十月末，全球已经接近销售了51.3万台。
为了在实现低排放的前提下，提高车辆的动力性，在2003年，丰田汽车把
新一代的混合动力系统Hybrid Synergy Drive引入到了第二代的Prius上面。
在2005年，他把这套系统的使用范围扩展到了对动力性能要求更高的SUV车型
上——雷克萨斯的RX400h（日本名为Harrier Hybrid）和Highlander Hybrid
（日本名为Kluger Hybrid）。
在混合动力车方面，目前本田公司主要销售的两个品牌，一个是1999年推
出的“INSIGHT”，一个是2001年推出的“CIVIC”。本田还在混合动力车的开发
上，通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等追求动力高效化；通过开发新型轻质铝
车身、树脂油箱等谋求车辆的轻型化，使汽车达到每公升汽油可行驶35公里的世界最高水平，并且使汽车尾气排放达到世界最严格要求的标准。
三、欧系的混合动力的发展
（一）环境立法的颁布
混合动力汽车的发展在欧美等西方国家也是有一段历史追溯，1973年OPEC
组织对西方国家石油禁运给美国政府敲响了警钟。1976年卡特总统签署EV/HEV
研究开发和示范法案，授权美国能源部执行和管理EV/HEV研究计划，但是直到
九十年代初电动车的研究在美国才真正开始。1990年10月布什总统签署清洁空
气法严格规定了汽车排放的标准，同月加州政府也有了新的规定，即要求汽车制
造商在加州销售的车辆中百分之二必须是零排放车辆，而当时只有纯电动汽车才
可能达到零排放车辆的要求。
（二）美国混合动力的发展
1991年1月美国先进电池联合会成立，成员包括美国三大汽车制造商(福特、通用和克莱斯勒)以及美国电力研究院、美国能源部，正式开始了政府与企业联
合开发电动汽车的新时期。1992年麻省州和纽约州正式采用了加州零排放车规
定,同年布什总统正式签署能源政策法案，有关EV/HEV研发成为此法案的重要组
成部分。根据此法案，联邦政府将第一笔经费拨给国防部从事EV/HEV的研发和
示范。1993年，美国克林顿政府推出了新一代汽车伙伴计划即PNGV，要求联邦
政府部门从1993到1995大量购买包括EV/HEV的替代燃油车。PNGV制订了
10年开发计划，目标是80mpg(约3L/100km)的低油耗汽车。2002年1月9日，10年计划尚未结束，美国能源部部长斯潘塞·阿伯拉罕在各大汽车公司首脑参
加的会议上宣布，根据总统布什的国家能源计划，降低美国对进口石油依赖性，决定成立一个新的汽车研究项目，叫做自由车(FreedomCAR)，该项目的长期目标
是高效、价廉、无污染。研究先进、高效的燃料电池技术，用氢燃料作动力，不
产生任何污染。改项目继续对电动汽车进行专项研究，但是重点是发展氢燃料电
池电动车。
PNGV概念车的出现，成为混合动力汽车的一个新的发展阶段。按照PNGV的时间表，在1999年以前为浓缩并集中技术目标阶段，1999～2001为生产概念车
阶段，2001～2005年为生产性样车阶段。按照上述开发时间表，经过各参与单
位的6年努力，PNGV的中期目标已经实现。在2000年底特律国际汽车展上福特
和通用汽车公司展示了其柴油复合动力概念车，同年2月22日，戴姆勒克莱斯
勒在华盛顿国家博物馆公布了其PNGV复合动力概念车。PNGV计划在2002年被
终止，原因是80MPG的目标很高，而研制的新车在成本上并未取得很好的成果，不能满足用户在价格上的要求，也就是说，在短时期内不具有市场价值。更重要的是，PNGV仍然局限于用石油作为基本能源。因此要求新项目在这方面有新的突破，将着眼于新一代汽车能源，而不囿于现有技术和当前燃料资源。但是PNGV
起到了全球EV/HEV技术开发领头人的作用，从其建立和执行情况来看，新一代
汽车已经成为跨国汽车公司和工业国家战略发展的重要内容。
混合动力技术的先进性和实现的现实性，节能、环保效果明显，采用混合动
力汽车是现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的方案。但是，由于混合动力
汽车是在牺牲了部分环保利益的基础上，可以满足目前人们对汽车环保的基本要
求，在结构上两套系统电池/电机和内燃机同时安装于本来只装一套系统的汽车
上，不仅加大了汽车本身的重量，也提高了对整体工艺及控制等方面的要求。除
了和纯电动汽车（BEV）一样受目前蓄电池技术的限制之外，混合动力的能量来
源仍然是石油，这决定了混合动力不是电动汽车发展的最终形式。美国PNGV计
划的废止和FreedomCAR计划的重点是发展燃料电池汽车正说明了这一点。
三、国内混合动力汽车的发展
（一）国内比亚迪的飞跃
国内的汽车领域起步相对较晚，随着国内经济的飞速增长，混合动力汽车的设计也得到了相应的发展。比亚迪公司针对混合动力汽车的发展，成功的研制了
全球首个铁电池，可在家中充电，所装备的首款油电双模混合动力汽车将于明年
上市，预计价格不超过15万元。
2007年12月2日，比亚迪股份有限公司董事长兼总裁王传福在深圳会展中
心宣布，全球第一款可以用于汽车充电的铁电池已经在深圳诞生；与此同时，以
铁电池为能源的中国第一款油、电双模混合动力汽车比亚迪F6DM也于昨天下午
开进深圳会展中心，将于第九届高交会期间与深圳人见面。这项在汽车动力方面的重大突破，成为第九届高交会推出的第一颗“重磅炸弹”。
作为新能源在汽车工业上的试验，混合动力车、电动汽车的概念早已提出，福特、通用、丰田等国际汽车巨头多年前就已进行尝试。但是截至目前，国际市
场上价格适中、广受消费者认可的混合动力车凤毛麟角。可以随时充电作为动力的车更是久久不见问世。那是因为他们都没有从根本上解决电池的问题。
传统的电池有一个致命弱点：遇到1500℃以上的高温就会爆炸。这使得电
池迟迟无法成为汽车的能源。据比亚迪公司技术人员介绍，电池重量大约2千克
左右。这块电池的容量、力度都很强，而且安全性远远高于一般电池，比亚迪的铁电池扔到火里烧也不会爆炸。使汽车发生了碰撞、燃烧，它都不会烧起来。
比亚迪汽车采用“双模”动力系统。所谓“双模”，就是一辆车里安装了电动、燃油两套动力系统，就好像双模手机可以同时兼容GSM和CDMA两种制式。如果
电池和油箱都是满的，驾驶者可以任选一种能源模式，如果在行驶过程中，电池
没电了，汽车可以自动转为燃油模式；反之，没油了就会自动转为用电模式。手
机充电通常要一小时以上，汽车电池呢？试验结果显示，这款汽车铁电池如果在比亚迪专门建造的充电站充电，只要10分钟就行。充一次电跑100公里没有问
题。因为专业汽车充电站目前还没有普及，车主也可以把铁电池带回家，放在家
用电源插座上充电，大约9个小时可以充满。
今后比亚迪将与其他企业合作，大量建设汽车充电站。充电站与加油站不同，一是成本低，只要能接上电源安装充电器就行；传统的电池有一个致命弱点：遇
到1500℃以上的高温就会爆炸。这使得电池迟迟无法成为汽车的能源。据比亚
迪公司技术人员介绍，电池重量大约2千克左右。这块电池的容量、力度都很强，而且安全性远远高于一般电池，比亚迪的铁电池扔到火里烧也不会爆炸。使汽车发生了碰撞、燃烧，它都不会烧起来。
但是，目前日本的几大公司的混合动力汽车的热销说明，混合动力汽车是传统汽车时代向氢燃料电池汽车时代的过渡车型技术，虽然不是长远之计，但据估计，仍有20年以上的较长市场周期。可以充分利用现有内燃汽车生产能力，推动传统汽车工业的改造发展。
混合动力汽车初步研究 第6篇
【关键词】混合动力；电动汽车；混合制动
科学技术的迅猛发展不仅为人类带来的更便捷的生活，也带来了许多严重的问题，这其中包括了社会、生态问题。环境日益恶化，资源枯竭正一步步吞噬着人类的文明成果。随着人口的爆炸式增长，资源及能源的开发利用变得进一步紧张起来了，出行的不便就是其中一个很明显的后果。然而传统动力的汽车不仅产生大量二氧化碳、一氧化碳等有害气体，同时还在大量消耗着我们宝贵的能源。为此，新能源成为了热门话题，电动汽车应运而生，前景十分之广阔。其中，混合制动系统是电动汽车的主要构成部分，它既包含传统的机械制动系统，又加入了电机制动的部分，是汽车行业在节约能源上大步前进的一个标志。
一、混合制动系统的工作方式
1、相关原理介绍
传统的汽车制动，是通过燃烧汽油来产生大量热能，高温使得气体的体积迅速膨胀，膨胀的气体顶住气阀并带动其上下运动，从而推动转轮的转动实现制动。待气体冷却一些便被排出内燃机，这就是汽车所产生的废气。而电动机与发电机结构相似，是实现两个互逆过程的同一机械。
2、结构简介
混合制动系统之所以新，是新在多种制动方式上。其依然包含以气体膨胀制动的方式要求的储气缸、空气压缩机等主要部件，不同的是，其后轮转轴上安装有力矩，其转动后使电机工作，达到电机制动的目。除此之外，未燃烧完全的废气可以回收利用。
二、混合制动新技术的核心
1、根据建模结果设计控制方案
由于涉及到两种制动的方法，需要汽车的控制系统来有效控制选择合适的制动方式，这就要根据车速、环境、路况等因素分析驾驶人员的意图，存储能量，以实现制动及提高能源的利用率，降低不必要的浪费。
在分析透彻驾驶人员意图后，控制中心要合理分配使驱动轴转动的能源的由来，并合理分配前后两个轴的制动模式。这要求设定一个关于制动力的衡量值，由此标准来设定机械制动和电机制动在何时工作，何时停止，何时协作运行。
目前世界上共有3种相关的混合控制方式。第一种是两种制动方式并存的并行制动，此时无法实现能量的高效利用。第二种是理想行驶状况下的制动控制，其控制方式相对复杂，精确度很难达到。第三种为能量回收率最高控制方式，但其制动效果不够稳定。
2、稳定性与回收率的协调
由于制动的稳定性与能源的回收率二者不能同时达到最优，这就要我们平衡二者关系。因此，引入ABS系统防止由于力矩分配不够合理而引起的刹车片无法顺利弹回，以及使用电机再生制动，使得在汽车平稳运行的前提之下，最大程度的回收利用能源。
三、混合动力电车存在的问题及解决方案
为了达到节能减排的效果，混合動力电车的应用十分广泛，但仍然存在一些棘手的问题。当行驶环境不良时，电车存在性能不佳的问题。大量实验表明：在行驶于大倾斜角度的上坡路段时，此类电车明显行驶困难。这是由于功率普遍低下造成没有充足电流通过电机引起的。另外，车轮高速运转带动转矩转动带来的大量电能是无法全部冲入电机的，功率过高会使其发热，甚至产生危险。
为了解决上述问题，国内外均在研发新型电源。其中具有及其良好的动态性能用以实现大电流充放的电容，以及蓄电池受到了人们的关注。将二者结合形成的复合电源，有效的提升了控制系统的工作年限。
四、混合制动系统的发展前景
根据上述分析可以看出，混合制动系统仍然存在一些问题。世界上的许多研究机构根据不同的驾驶需要，从各种角度切入分析，研发了不同的模型。这些控制方案偏向点不同，各有利弊。在我国也有关于这一课题的研究，今后的发展方向和课题的重点问题依旧会是：控制的精度问题，建模与实际间隐含误差的消除问题，稳定性与回收率之间的制约问题，以及更加合理的分配方案设计问题。
随着时代的飞速发展，人类实现了一个又一个曾经仅存在于梦想中的设计发明。在关键技术还不算成熟的今天，最优制动性能方案的设计与最佳制动能量的设定是不可兼得的。研究此类问题成本高，实验的模型不易寻找，实验场地受限制。尽管困难重重，但能源危机引发的讨论热潮不会就此平息，电动汽车仍然将会是是我们今后研究的重点。
总体来说，混合制动系统的研究依然很热门，前景十分广阔。这方面问题也依旧值得我们继续研究开发。
五、结语
上文论述部分着重分析了能源危机下，混合动力电车的应运而生。分别从其主要结构，即混合动力系统的结构特点，系统工作的基本原理，仿真方式，控制方案的建成，存在的问题及发展方向等方面做出了介绍。在今后的研发中，将进一步把模拟的部分转化为现实操作，切实提高电动汽车制动的可靠性、平稳性，以保证在安全的前提下实现能源的最大化回收与利用。
参考文献
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混合动力汽车初步研究 第7篇
随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧, 以电能为动力, 节能、环保为特色的电动汽车逐渐成为业界关注的焦点。近10多年来, 世界各大汽车产业集团陆续投入巨额资金研发电动汽车技术, 目前均已从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段, 并进一步转向产业化批量生产阶段。但是, 由于现阶段电动汽车关键部件之一的电池存在能量密度低, 寿命短, 价格高等问题, 使电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。在这种环境下, 融合内燃机汽车和电动汽车各自优点的混合动力电动汽车 (HEV) 异军突起, 在世界范围内成为新型汽车开发的热点。
1 HEV的结构及特点
目前国内外研究的HEV有多种结构, 按动力系统布置可分为串联式混合动力汽车 (SHEV) 、并联式混合动力汽车 (PHEV) 、混联式混合动力汽车 (PSHEV) 和复合式混合动力汽车 (CHEV) 。
SHEV的动力系统结构是HEV中最简单的一种 (图1) 。发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能, 该电能可通过功率转换器为蓄电池充电, 或经由电动机和传动装置驱动汽车。SHEV以电动机为主驱动装置, 发动机为辅助动力装置以提高行驶里程。由于发动机与驱动车轮之间没有直接的机械连接, 发动机不受汽车行驶工况影响, 易运行在高效区。但是SHEV的能量转换、传输环节多, 造成能量转换效率低, 使得燃油利用率比较低。
PHEV采用发动机和电动机两套驱动系统 (图2) , 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3种工作模式。在汽车需要大功率输出时, 发动机和电动机联合驱动汽车, 所以此时发动机和电动机的额定功率选较小值就可以达到动力要求。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相比较, PHEV的发动机和电动机的功率较小, 但结构复杂、控制难度大。
PSHEV在结构上综合了SHEV和PHEV的特点, 如图3所示。与SHEV相比, 它增加了机械动力传递路线;与PHEV相比较, 它增加了电能的传递路线。发动机和电动机可选择比较小的功率, 控制策略灵活, 发动机可以比较容易的工作在高效率区域。但是, PSHEV结构复杂, 成本高。
CHEV结构更加复杂, 如图4所示, 一般用于双轴独立系统, 相当于一套完整的串联系统加上一套完整的并联系统, 工作模式更加多样化, 成本最高, 控制系统也最复杂。
2HEV的核心技术研究与发展
汽车的混合动力技术发展与机械、电气、内燃机、能源、计算机、汽车、信息等技术息息相关。HEV作为多种高薪技术的集成, 是典型的高薪技术产品, 集智能化、数字化、轻量化和实用化于一体。其研制和开发的核心技术主要是电池、电动机、电动机控制、电力电子技术、能量管理技术以及车身和底盘设计等, 其中前4项是混合动力汽车的发展瓶颈。
2.1HEV用电池
HEV的成败关键在于电池, 电池也是一直制约混合动力汽车发展的关键因素。HEV在匀速行驶时, 由发动机提供能量, 电池组基本上处于不充不放的状态;汽车行驶需要大功率时 (如加速、爬坡、高速等) , 电池组放电, 释放能量;汽车行驶需要小功率时 (如低速、停车等) , 电池组充电, 积蓄能量。
a) HEV对电池的特殊要求:与EV不同, HEV电池连续工作时间短, 对电池容量要求不高, 而对功率要求较高。另外HEV电池SOC工作范围在50%左右, 波动一般不超过20%。这是因为HEV要求电池留有足够的余量, 以保证车辆制动时可以充分吸收能量, 并不致使电池过充后降低寿命, 甚至破坏电池。HEV和EV用电池的主要性能指标有质量比能量、体积比能量、质量比功率、价格和循环寿命等。
为了确保HEV合理的行驶性能, 对其能源系统有如下要求:高比能量 (确保HEV达到合理的行驶里程) ;高比功率 (确保加速和爬坡性能) ;寿命长、免维护、充电快、效率高 (提高车辆的使用效率和接受制动回输功率的能力) ;尺寸小;安全性高。
b) HEV电池的发展:至今为止, 电动汽车用电池经历了三代的发展, 已取得了突破的进展。第一代是铅酸电池, 主要是阀控铅酸电池 (VRLA) , 由于其比能量高、价格低和放电倍率高, 成为目前唯一大批量生产的电动汽车用电池。第二代是碱性电池, 只要有Ni-Cd, Ni-MH, Na/S, Li-ion和Zn/Air等多种电池, 其比能量和比功率都比铅酸电池高, 大大提高了电动汽车的电动能力和续驶里程, 但是价格比铅酸电池要高。第三代是以燃料电池为主的电池, 燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能, 具有能量转换效率高、比能量高、比功率高、控制反应过程可控、能量转化过程可连续的特点, 因此是理想的汽车用电池, 现正处于研制阶段, 一些关键技术还有待突破。
从目前车用电池的发展来看, 镍氢电池可能是HEV动力能源的首选电池, 它已经规模化生产, 性能稳定, 其质量比、体积比功率、电池寿命和重复充放电次数方面已经达到美国先进电池联合会 (USABC) 性能指标。另外, 一种叫质子交换膜的燃料电池 (PEMFC) 的能量转换效率是普通内燃机热效率的2～3倍;同时它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性, 使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源, 有关专家预言:21世纪燃料电池电动汽车可能成为汽车的主体。其他尚在试验阶段的电池如飞轮电池、太阳能电池, 有着寿命长、环保等优点, 在未来的车用电池中也必将占有一席之地。
c) HEV电池的管理:在电池管理方面, 目前着力于多个电池串、并联使用, 为管理此更新的电池类型, 需要采用嵌入式控制器来监视电池组的工作情况。大型HEV电池组可能包含200个甚至更多的独立电池, 因此对所有电池进行单独监控是不现实的, 而嵌入式处理器的可根据电池技术的多重特性、不同电池组之间的电压以及流入或流出电池组的电流来估计电池的电量状态。当铿电池或镍氢 (Ni-MH) 电池的电量耗尽到低于闭值时, 镍氢电池和铿电池将很快损坏, 不过嵌入式处理器可测定电量状态, 并在电池组或单个电池的电压低于闭值前关断系统。但也不可对铿电池和镍氢电池进行过充电, 以尽量延长电池组的使用寿命。
2.2HEV电机驱动系统
电机驱动系统是电动汽车的原动机, 是心脏, 是HEV的关键核心技术之一。电机驱动系统是由电动机和驱动控制器两部分组成。
电动机是一种将电能转化为机械能的装置, 为满足整车动力性能的需要, 对电动机的具体要求为:1) 瞬时功率大、功率密度高、过载能力强;2) 效率高;3) 运行速度范围要广, 高、低速综合效率也要高。电动机在低速区具有恒转矩特性, 在高速区具有恒功率特性, 其转矩和功率控制特性如图5所示;4) 结构简单牢固, 耐冲击、颠簸、运行可靠, 免维护, 低成本等。驱动控制器是将电池的电能转换为适于电动机运行的另外一种电能变换控制装置。通过这种变换和控制使电动机处于上述要求的运行最佳工作状态, 以满足HEV实际行驶工况的需要。驱动控制系统结构简单, 控制精度高, 动态响应好, 系统可靠性高, 成本低等。
用于HEV的电机必须要具有良好的可控性和容错能力以及具有低噪声、高效率的特点, 同时具有对电压波动不敏感等性能。用于HEV的电机类型有交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。其中交流感应电机较具有代表性, 但这种电机很难解决其功率和效率之间的矛盾, 因此需要能够适用于HEV的具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机的先进电机来替代目前使用的交流感应电机。同时对电机的控制方法和冷却系统也应有深入的研究。
2.3HEV中电力电子技术的应用
a) HEV常用的电力电子技术装置:丰田新一代混合动力系统Prius THSII的电力电子技术在HEV中的应用如图6所示。该整车电器驱动系统主要采用用AtkinSon循环的高效发动机、永磁交流同步电动机、发电机、动力分配装置、高性能镍金属氢化物 (Ni-MH) 电池、控制管理单元以及各相关逆变器和DC-DC变换器等部件组成。
b) HEV对电力电子技术的要求:受各方面运行条件的限制, 要求HEV用电力电子技术机装置应具有成本低、体积小、比功率大。易于安装的特点。此外, 以下的技术细节必须得到重点考虑:
1) 电力电子装置密封问题:各种车用电力电子装置必须要进行有效的密封, 以耐受温度和振动的影响, 并能防止各种汽车液体的侵入。
2) 电磁兼容/电磁干扰 (EMC/EMI) 问题:HEV是一个相对狭小的空间, 里面包含有各种控制芯片和弱电回路, 因此在进行车载电力电子装置设计时, 为了消除将来的事故隐患, 必须要很好的研究并解决EMC/EMI问题。
3) 直流母线电压利用问题:HEV储能系统的电压是可变的, 电压的大小取决于汽车实际负载的大小、运行工况 (电动还是发电) 以及电机是否弱磁运行等等, 典型的母线电压波动范围是标称值的-30%～+25%。因此如何在汽车工况频繁变化的情况下, 充分利用直流母线电压, 成为了控制策略设计者所需要解决的问题。
4) 电力电子装置控制问题:“高开关频率”和“高采样率”目前被普遍应用于HEV的电力电子装置和交流传动系统中, 客观上, “双高”需要高精度的编码器和解算器, 因此这就意味着电机中出现宽的温度梯度和饱和状态时, 如何降低参数敏感度, 以满足控制要求。
5) 软开关技术在HEV中的应用:目前, HEV普遍采用PWM控制的电压源型逆变器。长时间以来, 正弦波逆变器主要的工作模式是SPWM或SVPWM, 在这种工作模式下, 逆变器开关管工作在“硬开关”状态。它存在开、关损耗大、过高的的dv/dt和di/dt带来传导和辐射电磁干扰等问题, 这些问题已经引起人们的充分重视, 做了大量的研究, 研究的重心就是如何实现功率开关器件的“软开关”。现阶段, 研究较为活跃的有电感换向SPWM软开关技术、电感换能式三相软开关技术新型半桥电流源串联谐振软开关技术等等。
6) HEV用逆变器的通态损耗分析:目前, 逆变器中的主流器件仍是IGBT和快恢复二极管, 这些器件在运行时都会产生损耗, 主要由通态损耗和开关损耗组成。随着器件开关特性的优化, 通态损耗占变换器损耗的比重越来越大, 特别是软开关技术的应用使得开关损耗大大减小, 通态损耗从而成为主要的功率损耗源。因此, 通态损耗的精确计算是HEV用逆变器系统热设计的一个重要的环节。
3 总结
阐述了混合动力汽车的基本结构, 分析了电池技术、电力电子技术等核心技术在HEV中的应用, 并提出了急需解决的问题。
随着电池技术、电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展, 数字化交流驱动系统在商业化电动汽车中得到广泛应用;而开发研制采用交流电机驱动系统的HEV, 已经汽车工业可持续发展的重要途径之一。随着人类对生存环境要求的提高, 合理利用能源意识的增强, 作为一种污染小和高效率的现代化交通工具, HEV将得到全面的发展和应用。
参考文献
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混合动力汽车初步研究 第8篇
再生制动是一种使用在电动汽车上特有的制动技术,在减速制动时,将驱动电动机运行在发电状态,依靠车轮的反向拖动产生电能和车轮制动力矩,从而在减缓车速的同时将部分动能转化为电能回馈给蓄电池以对其充电,实现了能量的回馈[1]。
再生制动系统的研究是混合动力电动汽车开发过程中的重要环节之一,而其性能则主要依赖于该系统的控制策略。制动能量回收控制策略需根据车辆的动力学结构设计,设计的目标是在保证汽车制动时方向稳定性和满足驾驶员制动要求的基础上最大程度地回收车辆的制动能量[1]。
2 汽车制动过程动力学分析
在提出再生制动系统控制策略前有必要对汽车制动过程进行动力学分析。忽略空气阻力、滚动阻力、惯性阻力等,汽车制动过程主要受地面制动力FX b、地面附着力FZφ和制动器制动力Tμ的影响。三者关系为:
力情形。地面作用于前、后轮法向反作用力为:
汽车制动过程中,前、后轮同时抱死可以避免后轴侧滑,同时前转向轮只有在最大制动强度下才使汽车失去转向能力,附着条件利用情况较好。因此理想前、后轮制动器制动力分配曲线I满足如下关系[2]:
由于I曲线在实际制动过程中难以实现,为了使实际制动力分配曲线更接近于I曲线,两轴汽车通常采用多段线性分配法,根据制动强度的变化范围来确定前、后制动器制动力的比值,如图3中β线。
3 再生制动系统理论分析
混合动力汽车制动系统要保证制动的安全可靠,还要起到能量回收的作用,是再生制动和液压制动的组合。由前轮摩擦制动力、后轮机摩擦动力和电机再生制动力三部分组成。这三部分制动力如何分配是再生制动系统研究的关键[1]。
3.1 再生制动约束条件
在制动过程中,并不是所有的动能和制动能量都可以回收。一般情况下,再生制动的约束条件主要有以下几个方面:
(1)驱动轮的限制。在混合动力汽车上只有由电机驱动的车轮上的制动能量能够沿与之相连接的驱动轴传送到能量存储系统实现回收,而非驱动轮上的制动只能由机械制动实现[1]。
(2)蓄电池S O C值的限制。是否能对制动能量进行回收取决于蓄电池的SOC值,若制动时S O C值过高,为保护蓄电池,延长使用寿命,不能进行制动能量回收。
(3)电机发电能力的限制。需求的再生制动转矩不能超过电机在当前转速下所能提供的最大制动转矩。当制动强度很大时,电机再生制动往往不能满足制动需求。
(4)循环工况的影响。不同路况下回收制动能量的比例是不同的,一般是路况制动越频繁,回收能量比例越大。
3.2 并行制动力分配策略的基本思想
如何在尽量对原有制动系统改动小的情况下,从驱动轮分离出再生制动力。本文提出了一种分配控制策略——并行制动。所谓并行制动力分配策略是指在制动强度较小时,仅电制动工作;当制动强度较大时,驱动轴的制动力由电制动与机械制动共同承担;当紧急制动时,整车制动力仅由机械制动提供。其控制逻辑框图如图2。
其中在复合制动模式下,为了尽可能多的回收能量,应在满足联合国欧洲经济委员会制定的ECE制动法规的前提下[2],并根据工况特点,尽可能多地把制动力分配在前驱动轮。并行制动分配算法如图3。
由上图算法可以计算出前轮再生制动系数、前轮摩擦制动系数和后轮摩擦制动系数,结果如图4。
以上计算是出于最大化回收制动能量的考虑,把前、后轮制动力初值分配设定在复合制动边界线上。然而电机所能提供制动力有限,这样可以把前轮上不能由电机提供的制动力再按β线分配到前、后轮摩擦制动,可以使前、后轮制动力分配尽量靠近I曲线,进一步保证了车辆制动的稳定性。
4 ADVISOR中控制策略的实现
制动力系数确定之后就可以根据ADVISOR里制动力控制模块的输入输出在MATLAB/SIMULINK环境下搭建自己的控制策略模块。图5为根据后向路径所搭建的制动控制模块,图6为根据前向路径所搭建的制动控制模块。这是由于ADVISOR采用的是前向路径与后向路径相混合的仿真方法[3]。同一种信号存在路径性质不同,故其数学模有所不同。
5 仿真结果比较
现以某混合动力客车为例在C Y C＿E C E＿E U D C＿L O W和CYC＿NurebergR36两种典型工况下进行仿真,在其它仿真参数均一致的前提下,与原ADVISOR制动力分配策略进行仿真比较。表(1)列出选用车型的主要仿真参数。仿真工况如图7、8,仿真结果如图9～11。
5 结论
本文设计的再生制动系统不论在经济性、排放还是效率方面相比ADVISOR再生制动系统均有一定改善和提高。尤其在平均车速不高、制动相对频繁的城市公交工况优势明显,可实现电池在循环前后的充放电平衡。该系统特点是无需整车制动控制器,摩擦制动系仍可按原变化关系变化,仅需一个电机控制器根据车速与制动强度来控制再生制动力大小,因而结构简单,技术可行,仿真效果良好,非常适合目前开发电动车采用。
参考文献
[1]过学迅,张靖.混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真[J].武汉理工大学学报.2005,27(1):116-120.
[2]余志生.汽车理论[M].第3版.北京:机械工业出版社.2000.
混合动力汽车初步研究 第9篇
1混合动力控制系统
实现混合动力车共有三个关键因素:能够对汽车运行状态详细监控的系统;分析监控系统所获取的信息, 并发出相应的控制命令[3];相比一般电子系统, 混合动力车电子控制系统工作在车内非常恶劣的环境, 电磁干扰、振动、灰尘等都会造成技术上的瓶颈[4], 如图1所示。
本文对混合动力车进行了研究, 系统地分析了混合动力车的各个重要组成部分的核心技术, 提出一种经济实用的混合动力车的控制系统的设计实例。该系统采用了先进的计算机技术和总线技术, 集智能控制、信号采集、数据处理和通信于一体, 控制实时性好, 实现了整车控制智能化和多传感器之间的有效融合。
2动力控制策略系统
混合动力电动汽车由发动机和蓄电池共同提供动力, 发动机和电动机可进行不同组合得到不同的驱动方案, 如: 串联、 并联及混联。整车性能的好坏不仅与发动机和电动机等部件有关, 还与其控制策略和优化方法有关。按照能源组合的方式, 混合动力电动汽车可按动力驱动方式分为串联式混合动力电动汽车 (SHEV ) 和并联式混合动力电动汽车 (PHEV ) [5]。本文研究对象是SHEV。SHEV 的特点适合城市行驶中频繁起动、 加速和低速运行工况, 可使发动机在最佳工况点附近稳定运转, 通过调整蓄电池和电动机的输出来达到调整车速的目的, 从而提高在复杂工况下行驶的车辆的燃油经济性, 同时降低排放[6]。在电池的荷电状态 (SOC) 较高时还可以关闭发动机, 只利用电机进行功率输出, 使发动机避免在怠速和低速工况下运行, 提高发动机的效率, 减少有害物质的排放[7]。 SHEV 的结构如图2所示。
混合动力车需根据不同的行车状况, 以及动力电池的实时参数来决定其相应的控制策略。“动力控制策略系统”分析和处理来自运行状况监控系统的数据, 判断此时的电动机应该处于发动机工作模式、动力电池工作模式, 或者是协同工作模式, 然后发出相应的控制命令。研究表明, 好的系统控制策略应是使发动机工作在其最大负荷的50%～65%, 同时需要兼顾汽车的动力性[8]。
策略控制的一个重要依据是动力电池的SOC值, 当SOC值处于正常工作区 (30%～75%) , 动力电池放电电流处于20～65 A范围内, 如果此时驾驶员对汽车加速的要求低于30%, 可采用动力电池驱动车辆。当驾驶员对加速的要求为30%～65%, 可利用此时发动机释放的多余能量给动力电池充电。当驾驶员对加速的要求为65%～80%, 由发动机独立驱动汽车, 直到其最大输出功率。当加速要求大于80%, 可由发动机和动力电池同时驱动车辆。
另外, 需考虑到动力电池安全性和寿命, 当其SOC值变化超出了上述范围, 需及时合理地发出相应的控制命令。当SOC大于80%时, 动力电池强制放电, 控制系统需改变此时的动力混合度的比例, 提高动力电池的占总输出功率的比例, 此时不再收回发动机产生的富裕能量。当SOC小于20%, 动力电池进入强制充电模式, 此时由发动机的输出功率的一部分要用于动力电池充电, 汽车此时完全由发动机驱动[9]。
3运行状况监控系统
“运行状况的监控系统”具备采集动力电池的电流、电压、温度, 以及车辆的刹车信号、离合器压力信号、行车速度等, 准确地获取这些信号是实现混合动力驱动汽车的关键所在。图3是“运行装况监控系统”的一个结构框图。 该系统采用两片TLE4275和一片LM2577作为系统的供电模块, 输入电压为6～18 V, 可满足车辆启动和特殊情况下导致的蓄电池输出电压不稳定而导致的监控系统瘫痪。
3.1 信号通道
处理器系统将采集到的各种信号进行处理后, 送至上层的动力策略控制系统, 并且上层的控制信号也要传送至底层。本系统采用两路CAN收发器完成这一任务。采用CAN总线技术, 不仅组网自由, 扩展性强, 实时性好, 可靠性高, 而且具有自诊断和监控能力, 它是一种十分有效的通信方式[10]。CAN总线具有以下特点:
(1) 无破坏性地基于优先权竞争的总线仲裁;
(2) 可借助接收滤波的多地址帧传送;
(3) 具有错误检测与出错帧自动重发送功能;
(4) 数据传送方式可分为数据广播式和远程数据请求式。
另外, 系统还具有一路RS 232收发器, 主要用于设计过程中的调试和产品生产过程中的质量检查。
3.2 电池电压和温度的测量
动力电池电压的测量方式取决于动力电池的具体情况, 本系统采用镍氢电池, 可分为12组电池, 每一组电池包括10节小电池, 每节电池电压1.2 V, 所以每组电压为12 V, 总电压为144 V。为确保测量系统适用于不同的工作状况, 尤其是考虑到充电时电池电压会适当上升, 特殊情况时电压可能达到20 V, 因此设计的测量范围应为0～20 V。
温度的测量采用数字温度传感器DS1860, 这种传感器可以采用多路传感器, 共一条数据线和一条电源线以及一条地线, 具备操作简单, 占用输入口少的优点。
3.3 充放电电流测量
动力电池充放电的大电流的测量可采用两种方式, 最常见的就是采用霍尔传感器。因此选择合适的霍尔传感器是精确测量电路的关键。霍尔传感器的磁场灵敏度或者称磁场的开起点要与电机型号和结构相匹配。不同的电机型号和不同的电机设计结构转子磁场有不同的磁场分布和磁场分布涨落。如果霍尔传感器的磁灵敏度太高或者太低, 由于转子磁钢和磁钢缝隙磁场分布的不规则涨落, 会导致位置传感器给出错误的信号。
此外, 还要考虑霍尔传感器芯片的抗静电能力, 霍尔传感器芯片的抗浪涌电压或抗浪涌电流能力。本文研究的系统采用型号为UGN3503UA的霍尔传感器。
在测量电路的设计中需注意的是该传感器的输出为毫安级电流, 因此必须选择合适的输入电阻将其转化为电压信号, 并采用精度较高的放大、采样电路。表1是本系统的一次实验结果。
4结语
燃油成本的提高和人们环保意识的增强, 使混合动力不再是高成本的代名词。目前国内尚无自主产权的混合动力车型上市, 因此本文对混合动力车的研究不仅为国内同行的研究工作提供了一些经验, 还具有打破国外技术垄断的作用, 且混合动力车因具备经济实用的特点, 相信混合动力的使用市场将会越来越大, 应用前景也会越来越广阔。
摘要：对混合动力汽车的“动力控制策略”和“运行状况的监控系统”进行了研究, 重点分析了实现混合动力驱动车辆的关键技术, 并给出一种新型混合动力汽车控制系统的设计方法。该系统汇集了先进的电子技术于汽车领域中, 因此具备精确的检测功能, 满足了混合动力车高效节能的油电混合驱动控制系统的要求, 同时增强了控制系统的稳定性和可靠性。
关键词：混合动力汽车,动力控制,霍尔传感器,控制策略
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混合动力汽车初步研究 第10篇
关键词：混合动力汽车,现状,发展趋势
所谓的混合动力汽车,是指动力来源的方式不止一种,通常要意义上讲,我们所谓的混合动力是采用汽油驱动和电力驱动两种并用的方式。汽车控制策略,是指对汽车整体,以及运行安全性的考虑。 兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一代混合动力汽车,有着极大的发展前景, 由于新一代的混合动力汽车耗油低而且排放量少,但是动力功能与传统汽车差异不大,生产成本却低于纯电动汽车,所以, 近几年对混合动力汽车的研究和开发成为汽车相关行业的一个热点。
1现状分析
目前,混合动力汽车主要有两种控制策略:串联式混合动力汽车的控制策略和并联式混合动力汽车的控制策略,以下, 均为笔者从各方面了解到的现阶段混合动力汽车的控制策略。
1.1串联式
汽车行驶状况与否和串联式发动机无直接关系, 所以,在控制策略上,我们要求是让发动机最佳状态工作,而且排放区顺畅。现阶段,该种形式的混合动力汽车, 即串联式控制策略有发动机跟踪器控制模式和恒温器控制模式两种,下面简单阐述一下:
1)发动机跟踪器控制模式。这种跟踪器的工作原理与传统的汽车运行有相同之处,就是发动机的功率随着车轮功率的变化而改变。值得注意的是,使用发动机跟踪器控制模式可能导致蓄电池工作循环消失。
2)恒温器控制模式。当蓄电池降到低门限值的时候,此时启动发动机,在最低消耗油量的前提下运行,此时的动力按恒定功率输出, 该功率分别应用于车轮驱动和蓄电池充电两个方面。相反,在蓄电池升到高门限值的时候,发动机就会关闭, 此时由电机来驱动车轮运行。
1.2并联式
并联式混合动力汽车的控制策略主要有以下几种:
1)以车速为参数。顾名思义,该种策略采用车速的快慢最为判断控制策略的前置。简单的说,当汽车的速度低于我们所设置的额定速度时,电动机就自动开启,补充功率;与此类似的是,如果车速过高,我们就自动关闭电动机,降低功率输出;还有一种情况,那就是车辆负载较多, 我们就让电动机和发动机同时输出功率, 以满足运货的需求。
2)以功率为参数。这种控制模式的一句是车轮的功率。当车轮的功率较低,且低于额定值时,由电动机单独驱动车轮; 当车轮功率高于设定的时候,关闭电动机,由发动机单独供给功率,这种情况下发动机最好在变速器换挡期间启动, 这样驾驶起来会更加平稳。
3)优化技术。该种策略的重点是在于让发动机和电动机同时在最佳效率工作, 做到了既省电又省油。将该种方式运用于瞬时控制的时候, 但它并没有考虑汽车驾驶循环工况的影响及发动机排放问题,所以较为片面。
4)按照成本和燃油为指标。简单地说就是注重成本及燃油消耗,用成本和燃油消耗作为控制目标的一种控制策略。这种控制策略的电动机通常只在汽车急加速的情况下开启,起到辅助发动机的作用。 这种策略的弊端在于发动基本上一直处于运行之中,无法真正消除低负荷时的排放问题。
2未来发展前景与趋势
2.1优化控制策略是现今世界的另一个大的发展趋势。当前,我们的混合动力汽车控制策略研究还处于初级阶段,显得不够成熟。我们知道,并联式控制比串联式控制的模式更难, 主要是因为在实施控制策略的过程中,还要兼顾燃油经济性、 汽车的运行工况以及发动机各方面性能与成本等各种因素,这就无疑加大了复杂的程度。因此,就当前的情况来看,对当前的控制策略进行系统的优化是重中之重。
2.2笔者认为,并联型混合动力汽车中采用小功率电机和小容量蓄电池组是一种很有发展前景的控制策略。因为它不仅可以很好地降低制造成本,而且还能减少混合动力汽车的自重, 性价比相对较高,可以说是一种比较理想的系统型式。 当然在此系统中要特别注意一个问题,那就是如何有效地获得整车最佳燃油经济性。
2.3控制系统模块化。通过功能模块的发展与组合逐步推进汽车动力的电气化。将各种模块将的协调性加强,做到“一动而动全身”,同时保证各个模块的相互独立,在一种控制模块瘫痪时,不会影响行车整体的安全性。
3结束语
保时捷混合动力超级汽车 第11篇
2009年3月，保时捷918 Spyder首次在日内瓦国际车展(GenevaMotor Show)上亮相，展示保时捷在电池驱动的混合动力车方面的研究成果。抢眼的样式结合最“绿色”的特征：零排放的“电动”模式一次充电可行使16英里(约25.7千米)。考虑到某些欧洲城市可能会制定收取以排放为基础的准入费或者交通拥堵费，918 spyder将只提供给那些兼顾超级跑车性能和环保理念的少数富裕买家。
3.6升V8汽油发动机的输出功率为500马力(每分钟的最高转速为惊人的9000转，分)通过7速直接换挡变速器驱动后轮。发动机和传动系统之间的电动机在需要时提供额外的扭矩。至于前面，一对电动机(每个前轮一个)驱动所有轮胎。加在一起后，三个电动机为500马力的汽油发动机又增加了218马力。电动机由5.1千瓦时的锂离子电池组驱动。
在大多数高性能汽车中，司机都可以选择不同的驾驶模式，软件可以有不同的设置，操控发动机、动力分配和稳定控制系统。“混合动力跑车”模式能让司机在需要时增加额外的电驱动，在转弯或超车的时候加速。在传说中的纽伯格林(Ntirburgring)赛道上，保时捷的模拟测试表明918 Spyder比其上一款超级跑车卡雷拉GT(Carrera GT)速度更快。
918 Spyder预计售价约为60万美元，是特斯拉汽车2010 Roadster10.9万美元的好几倍。不过保时捷也正在测试其入门级跑车博克思特(Boxster)的全电动模式。IHSAutomotive顾问公司的行业分析师丽贝卡·琳德兰德(Rebecca Lindland)表示，保时捷的高性能混合动力车，包括奥迪和梅赛德斯一奔驰的混合动力车对新的电动汽车制造商来说将是一个挑战。
“这给特斯拉(Tesla)和菲克斯(Fisker)带来了巨大的压力。”琳德兰德说，“他们是拥有良好设备和众多资源的汽车制造商，突然间跑来分特斯拉的一杯羹。”
琳德兰德表示，918 Spyder这样的车表明了之前持怀疑态度的汽车制造商是怎样热衷于应对越来越严格的二氧化碳排放限制及燃油效率的要求。
J.D. Power andAssociates的动力传动系预测部经理麦克·奥莫托索(Mike Omotoso)表示，保时捷918 Spyder所用的一些技术可能最终将用于保时捷生产的其他车型上；也有可能用于大众公司(拥有保时捷的控股权)的车型上。奥莫托索指出Spyder可能是第一款轮毂电机驱动电动汽车产品。“这种设计的挑战在于每一个车轮都要集成冷却系统和刹车系统。”他表示。
尽管它很强大，但保时捷表示，根据欧洲试验循环，918 Spyder的水平相当于每加仑78英里(约125.5千米)。美国环保署正在检测雪佛兰2011款增程型电动汽车，但是其实质性的挑战在于提供关于汽车燃油消耗的有用信息，关键在于它是如何被使用的。
混合动力汽车初步研究 第12篇
根据并联混合动力系统中电动机输出动力与汽车驱动系统的组合位置的不同,并联混合动力传动系统可分为单轴联合式、双轴联合式和单驱动系联合式等3种基本形式,这3种基本形式的动力传动系统都能实现发动机驱动、纯电动以及发动机/电动机联合驱动这3种驱动模式。此外,在特定情况下混合动力系统还可以实现驱动状态下的行车充电模式以及减速制动状态下的再生制动(能量回馈)模式[1,2]。根据路况,并联混合动力汽车在工作过程中选择其工作模式并进行能量分配,完成工作模式的切换。
按照时间尺度和系统响应特性,可以将混合动力汽车的控制问题分为两类[3]:①在稳态和动态过程中多个动力源的转矩分配(也可以是功率分配)与效率优化问题,主要根据两动力源的稳态特性进行控制,属于能量管理的研究范畴;②状态切换过程中动力源间的相互配合问题,属于动态控制的研究范畴,这一问题还涉及发动机转矩的实时反馈。
多年来,虽然对并联混合动力汽车的能量管理研究较多,但都主要集中在并联混合动力系统稳态过程中多个动力源的能量分配和效率优化方面[4,5,6,7,8],对控制策略中涉及混合动力系统工作模式切换过程中的转矩动态控制的研究相对较少。事实上,在状态切换过程这一很短的时间内,发动机和电动机的油门开度发生急剧变化,此时发动机转矩等输出由于其响应滞后于油门开度的变化而呈现动态特性,动态特性相对稳态特性有较大滞后,使输出转矩不足或出现超调;电动机则能迅速响应油门开度的变化而呈现出与稳态时几乎相同的动态特性[9]。这样,如果仍然根据稳态特性进行能量分配,势必因为发动机稳态特性和动态的差别而造成总需求转矩在状态切换前后出现较大波动,影响整车的舒适性。可见,在状态切换过程中,对发动机和电动机进行动态协调控制是必须的。
动态协调控制的关键在于控制切换过程中总需求转矩(即发动机和电动机转矩之和)的波动幅度,控制方法主要是以发动机的实时转矩反馈为基础,利用电机的快速响应特性进行转矩补偿,达到总需求转矩不产生大的波动从而提高舒适性的目的。日本丰田公司的Prius混合动力汽车利用其特有的动力分配机构很好地解决了发动机和电动机的动态协调控制问题,但该技术只适用于具备动力分配机构的混合动力系统,不具普适性[10]。为此,需要提出新的具有较大范围适应性的动态控制策略。
1 混合动力汽车的运行状态分析及控制算法的提出
以图1所示单轴并联混合动力结构为本文控制算法的研究对象。在该混合动力结构中,电动机与发动机共轴,由此决定了电动机的三种工作状态:空转、驱动及制动。其控制也相对简单,只是对电子油门的开和关进行控制,控制比较迅速。而要过渡到发动机工作或发动机关闭状态,则存在发动机的启动、调速和停机问题,在发动机启动和停机过程中还存在离合器接合与分离的问题,在此将这一问题统称为发动机的调速。相应地,混合动力系统动态控制算法中应包含发动机的调速控制。
表1为图1所示结构可能的5种运行状态。根据道路负载的大小,混合动力系统的运行状态可能在纯电动、发动机驱动、行车充电、联合驱动、能量回馈5种目标状态间相互切换。在任一运行状态下,混合动力系统的多能源总成控制器根据驾驶员的加速踏板开度确定出整车的需求转矩,并将这一需求转矩合理地分配给发动机和电动机,在此 表1 并联混合动力系统运行状态
称之为预分配。
以整车运行状态从纯电动切换到发动机驱动为例分析状态切换过程。切换前,假设电动机的输出转矩为60Nm,切换时电动机的目标转矩需要由60Nm快速变为0,发动机目标转矩需要由0很快达到电动机切换前的转矩60Nm,这样才不至于引起总目标转矩的波动。在这一切换过程中,发动机为了及时达到目标转矩,其节气门开度会在很短时间内快速增大到发动机目标转矩对应的节气门开度。由此可知,发动机在节气门开度变化过程中,输出转矩实际上不可能快速达到目标转矩,这样会引起状态切换过程中总目标转矩产生波动,进而造成整车的冲击,影响舒适性。与发动机存在响应滞后不同,电动机能很快响应电子油门,输出其目标转矩,如果在切换过程中能由电动机将发动机稳态转矩与动态转矩差值补偿到总目标转矩中去,则总的目标转矩可保持稳定。由此可见,在状态切换阶段,首先需要对发动机和电动机进行转矩预分配,确定两者的目标转矩,然后根据发动机和电动机的动态特性,对状态切换过程中出现的发动机转矩与预分配转矩的偏差进行适当的补偿。由此,补偿控制也就被包括在混合动力系统动态控制算法中。
综上所述,并联混合动力系统动态控制算法包括两方面的内容,即发动机、电动机目标转矩的预分配和动态切换过程中的补偿控制。补偿控制算法中,必须首先知道发动机的动态输出转矩,才能算出电动机需补偿的转矩,这正是上述发动机转矩估计问题。归结起来,并联混合动力系统动态控制算法可概括为“转矩预分配+发动机调速+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制”。其中,由于发动机调速控制只在部分工况下发生,故一般工况下动态控制基本的算法是“转矩预分配+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制”。发动机调速控制因发动机频域特性较为复杂,仿真很难达到预期效果,需进行大量调速试验研究,故本文不涉及发动机的调速仿真。
2 转矩预分配策略
转矩预分配策略属于混合动力系统的能量管理范畴。动态控制算法是以转矩波动不大为控制目标的,因此需要对发动机的转矩、电动机的转矩及总的需求转矩等进行识别。
转矩预分配研究主要包括两部分:①确定总需求转矩;②确定各工作模式下的目标转矩。鉴于逻辑门限控制策略的可靠性及较强的实现性,本文利用发动机与电动机的稳态效率脉谱(MAP)、挡位及蓄电池荷电状态(SOC)等来制订转矩预分配策略。
3 并联混合动力汽车发动机的转矩估计
如前所述,动态协调控制的方法主要以发动机的实时转矩反馈为基础,利用电动机的快速响应特性对发动机进行转矩补偿,达到总需求转矩不产生大的波动的目的。实现这一控制的前提是混合动力控制系统能实时反馈发动机的转矩。一般的发动机本身不提供发动机的转矩反馈,为达到混合动力系统动态控制的目的,必须对发动机进行稳态和动态转矩估计。
发动机的转矩估计方法目前主要有三种:基于发动机平均值模型、基于发动机曲轴瞬时转速波动和基于神经网络的转矩估计算法[3]。本研究通过AVL动态实验台测试了发动机的稳态特性和动态特性,并利用BP神经网络工具实现了对发动机稳态和动态转矩特性的估计。
图2、图3所示分别为经训练得到的发动机稳态转矩估计网络和油门开度变化率在dα/dt=100%s-1时的动态转矩估计网络。
4 电动机转矩补偿控制策略
在并联混合动力系统中,转矩预分配策略按照汽车驾驶员的转矩需求预先确定发动机和电动机的目标转矩,以使汽车按照驾驶员意图运行。在并联混合动力系统工作模式不断变化的过程中,可能引起发动机和电动机目标转矩的突变,造成动力源动力输出不足或超调,同时可能引起传动系统动力传递不平稳,需要进行电动机补偿控制。当并联混合动力系统工作模式发生切换时,可以充分利用电动机对转矩控制指令迅速响应的特性来调节发动机对其目标转矩的响应程度。这样就构成了并联混合动力系统转矩动态控制策略的基本结构,如图4所示。
由于发动机目标转矩Te是按照当前状态下发动机稳态效率MAP图确定的,因此目标转矩是发动机在当前状态下的稳态转矩,也就是说分配给发动机的转矩是多能源控制总成预分配的转矩。根据该转矩,多能源总成控制器给发动机油门控制器发送指令,通过控制发动机节气门开度来输出转矩,这一节气门开度指令是由节气门开度计算模块计算确定的。根据预分配转矩,节气门开度模块计算出当前状态下发动机需开启的节气门开度;发动机转矩估计模型根据这一节气门开度估计出当前状态下发动机实际输出的转矩。若发动机在当前状态下为稳态,则输出转矩为稳态转矩(即目标转矩Te);若发动机在当前状态下为动态,则对应输出转矩为动态转矩Te_d。稳态和动态是根据发动机节气门开度变化率的大小来判断的,一般情况下,节气门开度变化率小于25%s-1时即认为是稳态,否则为动态。
为了满足总需求转矩即变速器输入端转矩Treq的需求,此时需要电动机输出剩余的转矩需求,即对电动机的实际需求转矩应该为Tm_d:
Tm_d=Treq-Te_d (1)
这样就可以充分利用电动机对转矩响应迅速且任何状态下零排放的特点,来保证并联混合动力系统中的发动机在当前状态下效率最优而排放较低,并且弥补发动机转矩响应延迟导致的转矩输出不足或超调的缺点。
5 动态控制基本算法仿真
根据算法研究的需要,本文应用MATLAB/Simulink编制了整车仿真模型,并在此基础上进行了定工况和全工况仿真研究。
5.1 定工况仿真
在定工况过程中,并联混合动力系统的运行状态是预先设定的,即发动机和电动机的运行状态给定,不需要经过转矩预分配策略对两者的转矩进行确定。对采用转矩动态控制策略和不采用转矩动态控制策略的有关仿真结果进行对比,考察转矩动态控制策略在特定运行状态时的控制效果。定工况研究就是为了在特定工况中具体考察并联混合动力系统转矩输出的情况。本文仅以发动机驱动切换为纯电动的过程为例进行说明,假设切换前后传动系统传动比为1,驾驶员对动力系统的需求总转矩维持在45Nm,则切换前后发动机和电动机的转矩变化情况如表2所示。
图5、图6所示分别为发动机驱动模式向纯电动模式切换过程中不采用动态控制算法和采用动态控制算法得到的结果。如图所示,t=8s时混合动力系统工作模式发生了切换。比较图5、图6可看出,不采用动态控制算法时,动力系统的实际输出总转矩在状态切换瞬间出现了很大的波动(图5a),进而使得加速度出现了大的波动(图5c),这样势必影响整车舒适性;而采用动态控制算法时,尽管动力系统实际输出总转矩在切换瞬间也出现波动,但波动很小(图6a),加速度也波动不大(图6c),整车舒适性较好。
没有转矩动态控制时(图5),在系统发出状态切换指令后,电动机即刻停机,输出转矩由45Nm骤减到0(图5b),同时要求发动机能及时输出同样的目标转矩45Nm,但由于发动机对节气门信号响应滞后,
(c)整车加速度
(c)整车加速度
导致发动机实际输出转矩不能跟踪其目标转矩45Nm,动力系统实际输出的总转矩不能满足驾驶员的转矩需求,出现驱动转矩不足的现象,汽车加速度也随之急剧减小而产生较大的冲击,影响汽车动力传递的平稳性。
采用转矩动态控制时(图6),系统接到切换指令后,发动机接到45Nm的目标转矩指令,但发动机实际输出转矩不能即刻达到45Nm,只能由0逐渐增大到45Nm;另一方面,电动机的输出转矩也没有直接由45Nm减到0,而是利用其对控制指令响应的迅速性,根据发动机转矩输出情况,逐渐递减到0(图6b),从而保证了发动机和电动机转矩之和(即动力系统实际输出的总转矩)能够较好满足驾驶员转矩的需求,使得在工作模式发生切换的过程中汽车加速度变化比较平稳。可见,在并联混合动力系统定工况工作模式切换过程中转矩动态控制策略较好地保证了并联混合动力系统对动力性的要求,同时也可以保证动力传递平稳。
5.2 全工况仿真
全工况仿真是指对驾驶员模块中输入踏板行程参数后,随踏板行程、车速以及蓄电池SOC值等参数的变化,并联混合动力系统经历若干个连续状态变化的过程进行仿真。在全工况仿真过程中,发动机、电动机目标转矩按照混合动力系统转矩管理策略确定,并相应地确定混合动力系统的运行模式;转矩动态控制策略应能保证在混合动力系统工作模式发生切换的过程中,发动机和电动机输出转矩之和(即变速器输入转矩)满足驾驶员对转矩的需求,并保证转矩传递平稳。全工况仿真包括加速过程和减速过程,本文仅以加速过程的全工况仿真进行说明。图7和图8分别示出了不采用转矩动态控制策略和采用转矩动态控制策略时的仿真结果。驾驶员加速踏板的行程在第2s时以30%s-1的变化率增大,在5.33s时行程达到最大。随着踏板行程的持续增大,混合动力汽车的工作状态在4.67s时由纯电动切换为发动机和电动机共同驱动。
由图7a、图8a可看出,除变速器换挡期间发动机和电动机转速有差别外,其他期间转速曲线差别不大,这是因并联混合动力耦合系统转速存在1∶1的关系,使发动机和电动机转速相等。
图7b和图8b、图7c和图8c反映了车速和整车加速度的变化情况。由于采用了转矩动态控制,在并联混合动力系统工作模式发生切换的第4.67s时刻,图8b的车速曲线比图7b的车速曲线相应部分平滑。这是由于在混合动力系统工作模式切换时,电动机输出转矩有效地弥补了发动机转矩输出的不足,因而使得图8c中的汽车加速度曲线在第4.67s时较图7c的汽车加速度曲线相应部分振荡幅度小得多。
(e)需求总转矩与实际输出总转矩
图7d中,电动机首先启动,提供系统所需转矩,在第4.67s时由于电动机提供的转矩不能满足系统的转矩需求,因此发动机启动,参与提供驾驶员的需求转矩,混合动力系统的工作模式由纯电动切换为联合驱动,此后混合动力系统一直工作于联合驱动的状态。由于发动机对转矩需求信号响应的滞后,因此发动机输出的转矩变化较慢,但电动机输出转矩迅速按照整车控制策略的分配规则迅速减小。图8d中,由于运用了转矩动态控制策略,因此发动机输出转矩增大较慢;由于发动机参与提供系统所需转矩,电动机输出转矩有所减小,但由于电动机此时输出的转矩中还有应该包含发动机转矩输出的不足部分,因此电动机转矩输出减小速度较慢,这样在满足驾驶员转矩需求的前提下,同时也保证了转矩输出的平稳。
(e)需求总转矩与实际输出总转矩
由图7e、图8e可以看出,除去换挡引起的转矩波动以及工作模式切换引起的转矩波动外,两转矩曲线吻合较好,即并联混合动力系统能够较好地满足驾驶员需求转矩。在混合动力系统工作模式发生切换的第4.67s时刻,不采用动态控制策略时实际输出总转矩波动较大(图7e),而采用动态控制策略后,其实际输出总转矩变化平稳(图8e),达到了动态控制的目的。
6 结论
发动机稳态特性和动态特性存在较大差异,使得并联混合动力电动汽车在状态切换过程中,因发动机实际输出转矩与预分配的目标转矩存在差异而影响整车舒适性。为此,本文对混合动力系统状态切换过程进行分析,以切换过程中总需求转矩不发生大的波动为目标,利用电动机响应快的特点,提出了并联混合动力系统“转矩预分配+发动机调速+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制”的动态控制算法。为验证算法的有效性,搭建了整车仿真平台,并分别进行了采用动态转矩控制算法和不采用动态转矩控制算法的定工况和全工况仿真。仿真结果表明,上述动态控制算法能有力地解决并联混合动力汽车在状态切换过程中转矩波动大的问题,大大提高了状态切换过程中整车的舒适性。
摘要：并联混合动力汽车在发动机和电动机工作过程中,需要根据路况进行能量分配和工作模式切换。以并联混合动力汽车在状态切换过程中总转矩不发生大的波动为控制目标,提出“转矩预分配+发动机调速+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制”的动态控制策略。以MATLAB为仿真平台,搭建了基于整车动态控制的仿真模型,对上述基本控制算法进行了定工况和全工况仿真验证。结果表明,在各种状态切换过程中,动态控制算法能有效控制混合动力系统的转矩波动,保证动力传递的平稳性。
关键词：并联混合动力电动汽车,动态控制,控制策略,转矩补偿
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