一种新型混合动力电动汽车的动力系统设计仿真及电机驱动系统的研究_伤城文章网
合肥工业大学 博士学位论文 一种新型混合动力电动汽车的动力系统设计、仿真及电机驱动 系统的研究 姓名：赵涛 申请学位级别：博士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：王群京
．．鱼！坚些查兰竖主兰竺堡苎一一――一种新型混合动力电动汽车的动力系统设计、仿真及电机 驱动系统的研究摘要混合动力汽车融合了内燃机汽车和电动汽车的优点，是解决能源短缺和改善环境的有 效手段之一，也是当代汽车发展的重要方向，被列入了我国“十五”８６３计划和国家有关 推广计划中、对混合动力汽车关键技术的研究具有非常重要的现实意义。论文在全面分析了混合动力电动汽车的发展现状与趋势的基础上，以一种新型混合动力汽车ＨＦｃ６５００眦Ｖ为研究对象，进行了混合动力系统的控制策略、电机驱动系统等方面的研究。 首先，对并联混合动力汽车的工作模式进行了分析，推导了功率混合动力系统功率流 约束条件，对并联混合动力电动汽车进行了动力学分析，并在汽车布局限制的约束条件下， 对ＨＦＣ６５００ＨＥｖ的动力驱动系统进行了设计，根据客观条件和设计要求，确定了电机、电 池的参数，并根据｝Ⅱｗ的实际运行状态，制定了多能源系统的工作模式。 第二、根据所开发的混合动力电动汽车的实际数据和系统结构，在ＡＤｖＩｓＯＲ平台上，建立了ＨＦＣ６５００既Ｖ的部件和整车模型，在混合控制策略分析的基础上，考虑在市区和高速两种工况循环下，分别对｝玎１ｃ６５００ＨＥＶ进行了电气辅助和模糊燃油最优的控制策略的仿真分析，并和传统的内燃汽车进行了同等条件下的比较分析，仿真结果表明ＨＥＦＣ６５００肛ｖ整车结构合理，采用混合控制比传统的内燃汽车在燃油和排放方面均有有效的改善。 第三、在Ｍａｎａｂ／ｓｉｍｕ“ｎｋ平台上建立了无刷直流电机驱动系统的动态模型，提出无刷 直流电机的模糊自适应．ＰＩ控制，根据偏差和偏差变化率，在线修改Ｈ韵积分时间常数和比例系数，控制州输出信号，获得了很好的控制效果。第四、对开关磁阻电机驱动系统的电动和制动进行了分析，提出了开关磁阻电机驱动 系统仿真建模的新方法，在ＭａｔＩａｂ，Ｓｉｍｌｌｌ．ｍｋ中，建立了独立的功能模块，再进行功能模块 的有机整合．搭建了开关磁阻电机驱动系统的仿真模型。仿真结果表明了该方法的合理性， 有效性，为实际电机驱动系统的设计和调试提供了新的思路和借鉴。 第五、在Ｍａ“ａｂ，ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台上建立了永磁直流电动机的ＰｗＭ驱动系统的动态模型， 考虑到永磁电机对温度的敏感性．建立了动态的温升模型，删时在模型里，引入了温度刘 电机参数的修正。 第六、根据混台动力的工作模式，针对电机电动和回馈制动两种运行状态，提出了取 模ＰＷＭ电流控制策略，在电动运行时，采用ＰＩ调节和受限单极ＰｗＭ控制，在制动过程 中，根据通常的ＰｗＭ控制不能对回馈电流峰值进行有效的控制而可能损坏电池，本文提 出采用电流滞环控制，仿真表明，该控制效果要好于ＰｗＭ控制回馈制动。合肥工业大学博士学位论文第七、以１６位ＤｓＰ、ｃＡＮ总线通讯为技术特征，设计了整车控制系统和电机控制系 统应用。基于ＩＰＭ智能功率模块设计了Ｈ桥ＰｗＭ功率变换器，可以使电机在四象限运行， 根据汽车对ＥＭＣ的严格要求，对驱动系统进行了电磁兼容的设计。 第八、在研究ＣＡＮ总线协议原理和ＳＡＥＪｌ９３９编码定义规则的基础上，为满足混合动 力电动汽车控制策略需要，设计了ＨＦＥｃ６５００ＨＥＶ的总线应用层协议。参照ＳＡＥＪｌ９３９， 在ＣＡＮ２ ０Ｂ的基础上对标准帧的仲裁域进行了重新定义，并提出了具体的实施办法。 晟后，进行了样车安装和调试，完成了稳态下的不同工作模式实验和动态工况下工作 模式的转换实验。在实际实验中，验证了动力系统的匹配情况，考核了系统结构，控制策 略和控制系统，实验表明系统可靠、动力系统匹配合理，控制策略有效。 关键词：混合动力，电动汽车，能量管理，回馈制动，仿真建模，模糊控制，ＰｗＭ控 制， ＣＡＮ总线，智能功率模块（ＩＰＭ）．全！！三些查堂堂主兰竺堡兰．――ａ Ｎｅｗ Ｈｙｂｒｉｄ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｖ毫ｈｉｃｌｅ ａｎｄ ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＥＩｅｃｔｒｉｃａＩ Ｄｒｉｖｅ ＳｙｓｔｅｍＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｃｈｙｂｒｉｄｅＩｅｃ砸ｃａｌｖｅｈｉｃｌｅ（ＨＥＶ） ｃｏｍｂｉｎｅｓｎＩｅｍｅｒｎｓｏｆｔｈｅｃｏｎｗｎｔｉｏｎａＩｔｏｉｎｔｅｍａｌ．ｃｏｍｂｕｓｔｂｎ ｖｅｈｉｄｅｓ ａ１１ｄ ｅｌｅｃ啊ｃ ｖｅｌ“ｃｌｅｓ ａＩｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｌｈｅ ｅ丘ｂｃｄｖｅ ｔｈｅｌｎｅａｎｓａｎｅｖＩａｔｅ １１１ｅｓｈｏｍｇｅｏｆｅｎｅｒ科ｓｏＩⅡ℃ｅｓｗｉｆｈ ｉｍｐｒｏＶｅｎｌｅｎｔｏｆ ｎ垃ｅｎＶＩｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ０１１ｓｌｌｏｗｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｌｌＩ吮ｎｄｓｏｆ ｍｏｄｅｍ ｖｅｈｊｃｌｅｓ ａｎｄ ｈ鹅ｂｅｅｎ 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图３一１７ＨｗＦＥＴ循环电机输出转矩… ………… ……………图３－１８ＨＷＦＥＴ循环电池ＳＯＣ变化曲线囤３－１９ＨｗＦＥＴ循环ＮＯｘ排放曲线…．．……………台肥工业大学博士学位论文图３．２０ ＨⅣＦＥＴ循环下模糊燃油优化控制的电机工作点……… 图３．２ｌ ＨＷＦＥＴ循环下模糊燃油优化的发动机工作点分………图４．１无刷直流电机驱动系统结构图……………………… 图４．２理想状态下无刷直流电机三相反电势波形图…一 图４．３无刷直流电机驱动系统的ｓＩＭＵＬＩＮＫ模型…图４．４一……一……图４．５基于模糊自适应ＰＩ无刷直流电动机嗍控制系统结构图图４．６误差隶属函数分布曲线…………………………图４－７……．．ｓｉｍｌＩｌｉｎｋ下逆变器和电机仿真模型……………………ｋ模糊规则的三维生成曲线………．．……．……………．圈４―８参数可调ＰＩ控制器Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真结构图…………图４－９系统在负载扰动时Ｔ（ｔ）、ｎ（ｔ）波形…………………， 图４．１０系统调速时Ｔ（ｔ）、ｎ（ｔ）波形………………………图４．ｕ开关磁阻电机驱动系统原理图…………………………图４．１２开关磁阻电机非线性磁链特性曲线…………………… 图４－１３ 圈４．１４ 图４．１５ 图４．１６ 图４－１７ 图４．１８ 图４．１９ 图４．２０ 图４．２ｌ ＳＲＭ一相的主电路仿真子模型………．…………………ｓｉⅢｕｌ“【下ｓＲＭ电机仿真模型…………．………………ＳＲＤ系统仿真模型……………………………………… ＣＣＣ控制下的波形……………………………………．ｐ州控制下的波形………．………………………………ＳＩ洲制动时的仿真波形…………………………………．ＳＲＭ相电流…………………………………………… ＳＲＭ合成转矩．………．………………………… ＳＲＭ转速响应曲线…………… ……………．…图４．２２单极模式可逆ＰＷＭ驱动系统ｕ．＞０控制信号波形……．． 图４．２３“．＞０时，～个开关周期的电流回路………………… 图４―２４受限单极模式ＰｗＭ驱动系统“，＞Ｏ时电压、电流波形 图４．２５回馈制动时等效电路…………………………………，， 冈４．２６电机温开变化曲线．………… … …观鲤卯强弼∞ 乱观铌硒∞融彤卯ｍ舶舯｛鸯册埘 用ｍｍ图４―２７温度修正的永磁直流电机电机ＰＷＭ控制系统模型… 图４．２８温度修正对电机性能影响……………… …图４―２９电流闭环下的电机特性………国４―３０日本１０工况循环下多运行状态和电流波形 图４．３ｌ永磁直流电机的双模控制系统… 图４―３２回馈制动下电机转速．电流特性．．… …………一一…朋用切堋刀吾雩川鱼！！三些查堂坚主堂堕兰苎图５．１混合动力电动汽车控制系统结构图……． 图５．２整车控制系统结构图……………………圈５．３ ｖＳＣ控制器主控电路原理图…………一．．一一图５．４电机控制系统原理图……………图５。５电流检测与调理曲线…………………图５．６发动机信号实测波形………………… 图５―７ 图５．８ 图５．９ｌⅡⅣ信息结构．………………………．ＨＦＣ６５００ＨＥＶ汽车ＶＳＣ软件主框图．…一ＨＦｃ６５００ＨＥｖ运行状态确定流程图………图５．１０电机驱动系统控制流程图……．．………．图５．１ｌＣＡＮ数据帧格式…．．………………… 图５．１２ＣＡＮ模块结构原理图……………………图５．１３ ２４０７ｃＡＮ总线接口原理图……………．图５．１４ＩＰＭ模块原理圈…………………………． 图５．１５ＩＰＭ驱动接口电路………………………… 图５．１６ＰＷＭ主电路结构………………………． 图５．１７直流电机驱动实验波形……………………嘶踮船暑言盼 ∞叭ｓ：ｇ！肼蛳舯∞鲫Ⅲｍ图５．１８混合动力电动汽车试验样军……………．图５．１９电机驱动系统驱动和电流波形…………… 图５．２０电动运行时发动机曲轴和主传动轴的波形 图５．２ｌ回馈制动运行时电枢电流波形…………．． 图５．２２回馈制动运行时电池充电的电流波形…一 图５．２３回馈制动运行时电枢电流波形………… 图５．２４混合运行电流实测波形……．…．…．图５．２５运行工况循环流程………………………ｍ埘斟埘｛薹｛拿Ⅲ心合肥工业大学博士学位论文表格清单表２－１ 表２―２ ＨＦ６５００ＨＥＶ整车参数………………ＨＦＣ６５００ＨＥＶ混合动力驱动系统元件组成表．．表２．３发动机及传动系参数……………………表２－４永磁直流电机参数……．………………表２―５ 表３－ｌ筋始孙捞ＨＦＣ６５００ＨＥＶ工作模式与控制规则………… ＨＦ６５００ＨＥｖ仿真整车参数…………一…表３．２循环工况统计数据…………………………一表３?３ 表３－４ＢｃＥ＿ＥＵＤＣ循环工况下性能比较．．… ｍⅣ１诅Ｔ循环工况下性能比较………………．弛们艏∞表５－ｌ混合动力电动汽车ＣＡＮ网络地址分配……… 表５－２整车控制器控制命令格式………．………．州肼ｍ ｍ彤表５－３电机状态信息格式………………………表５―４电池状态信息格式……………．…………独创性声明本人声明所呈交的学位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。据我 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，也不包含为获得盒壁工、业左堂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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名盘殇签字日期：占嵋厂年，￡月／己日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金目Ｂ王些太坐有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目Ｂ工些太生一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）――――、学位论文作者签名：叁瑞 签字日期：五诉亿月／己日导师签名：吐０万．３签字日期＊?ｆ年Ｊ｝ 月々≥＾吖，● ＂●曰学位论文作者毕业去向 工作单位 通讯地址电话邮编台肥工业大学博士学位论文致谢本文是在王群京教授的悉心指导和热情关怀下完成的。在我作为合肥工业大学电气学院博士研究生的三年多的学习和研究工作中，导师严谨的治学态度、博学的知识、实事求是的工作态度和丰富的专业知识给我很大的影响，并为我提供参与多个课题的实践机会，使我的科研与 学术水平有了很大的提高，同时，王老师在为人处事方面的教导也使我受益匪浅。值此论文完 成之际，谨向导师致以衷心的感谢和诚挚的敬意。 感谢合肥工业大学电力电子与电力传动专业的全体老师对我的帮助，在课题进行过程中，得到张学老师的大力帮助。感谢安徽大学给我继续学习的机会，感谢电子工程与技术学院领导的一贯支持与帮助。 感谢江淮汽车汽研所的专家给予的支持与指导，尤其感谢李光明工程师、常根林工程师给 予我汽车专业方面的指导及在整车安装方面的配合。 感谢合肥阳光电源的曹仁贤总经理在电机驱动系统方面给予的支持与指导。 感谢合肥工业大学新型传动实验室全体人曼：姜卫东博士、倪有源博士、李争博士、陈板 博士、王智硕士、任涛硕士等，本文的完成和他们的帮助是分不开的，在与他们的每次讨论中， 都有所收获。 感谢我的母亲、妻子张恩旭、女儿赵宁馨，及我的家人，是她们给我极大的支持。 需要感谢的人太多。很遗憾不能一一列出。晟后，感谢所有关心、帮助过我的每一个人。作者：赵涛 ２００５年１０月于合肥工业大学．． ＿＿－＿――＿――――――－＿＿－＿－―＿＿＿＿＿－＿―――――――＿＿＿＿＿－－－＿＿＿＿－―－＿＿－＿――――――――＿＿＿＿＿－－―――苎二兰堑．垒一论．！第一章１．１引言绪１．１．１研究背景与课题来源车辆和自牵引机械用热机的废气排放水平在很大程度上决定了世界生态系统状况。尽管 电子和自动化技术在热机工作过程中的广泛应用，已大大改进了燃油燃烧质量，但随着车辆 数量的急剧增加，热机燃烧排放问题仍没有得到有效的解决ＩＩ Ｊ；另一方面，全球石油储量相 当有限，能源危机日益严峻，为了提高车辆的燃油经济性，保证汽车工业持续发展，必须考 虑推出新一代节能的汽车。与此同时，许多国家也制定了十分严格的排放法规，鼓励汽车生 产厂家设法减少汽车排放，开发零排放和低捧放汽车。 电动汽车（Ｅ１ｗｔｉｃⅥ虹ｃｌｅ简称Ｅｖ）是一种节约石油资源、无污染的理想“零摊放”汽 车，并可加大非石油资源的利用率，无疑是解决上述问题的有效途径，因此受到了广泛的关 注和重视ｐＪ。纯电动汽车发展时间最长，纯电动汽车曾被全球汽车企业广泛看好，从上世纪 ７０年代至今，可以说比其他类型电动汽车的发展时间都长，经验也丰富，但由于一次充电后 的续驶里程短，充电时间长，能源补充不方便，在技术上也难以鼹决废１日电池二次污染、回 收困难的问题，而且电池价格昂贵，商业化进展缓慢等原因，以及由于纯电动汽车的蓄电池 技术还未能获得关键性突破，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡”ｑ，因 而，尽管目前世界先进水平的电动汽车与内燃机汽车性能不相上下，但过高的成本使其难以 商品化。－氢燃料电池动力汽车（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌＥｌｅｃ仃ｉｃⅦｄｃｌｅ，简称ＦｃＥｖ）是目前所能看到的最有可能产业化的终极汽车新动力方案哪．ｆ１…。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转 换龟能的装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机傲功，能源利用效率是普通内燃机 的２倍。氢燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污染、无二氧化碳排放，是一种新 兴的环保动力源。由于氢在地球中的蕴藏十分丰富，氮气来源极其广泛，可从多种物质中提 取，是。种可再生的能源资源，取之不尽，用之不竭，可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢：也可通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢气㈣。但由于其成本高昂，可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏等因素，无法在短期内取代传统动力汽车。 在这种背景下，融合内燃虮汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车ｆＨｖｂｆｉｄＥＩｅｃｕ、ｃＶｅｈｉｃｌｅ，简称ＨＥＶ）异军突起，成为新型汽车开发的热点。一方面，混合动力驱动系统为将 来获得生态系统的平衡提供了希望，因为燃料消耗越少，排放凸就越少，并且内燃机稳定的 工况使得对其排放气体的成分易于控制：另一方面，混合动力电动汽车保留了传统汽车的发 动机和燃油供给系统，相对于纯电动汽车，加大了汽车行驶里程。因此，许多国家政府和大 型汽车公司加大了混合动力电动汽车的研究开发工作，并取得了卓有成敬的成果。可以相信，第章绪论第一章１．１引言绪论１１１．１研究背景与课题来源车辆和自牵引机槭用热机的废气排放水平在报大程度上决定了世界生卷系统状况。尽管电子和自动化技术在热机工作过程中的广泛应用．已太太改进了燃浊燃桡质量，但随着牟辆 数量的急剧增加，热机燃烧排放问题仍没有得到有效的解决Ｌ１ Ｊ；另一方面，全球石油储量相 当有限．能源危机日益严峻．为了提高车辆的燃油经济性，保证汽车工业持续发展，必须考 虑推出新一代节能的汽车。与此同时，许多国家也制定了十分严格的排放法规，鼓励汽车生 产厂家设法减少汽车排放，开发零排放和低捧放汽车。 电动汽车ｔＥｌｅｃ怔ｉｃ、轨ｉｃＩｃ简称ＥＶ）是一种节约石油资源、无污染的理想“零排放”汽 车，并可加大非石油资源的利用率，无疑是解决上述问题的有效途径．因此受到了广泛的关 注和重帮酽“。纯电动汽车发展时间最长，纯电动汽车曾被全球汽车企业广泛看好，从上世纪 ７０年代至今，可咀说比其他类型电动汽车的发展时间都长，经验也丰富，但由于一次充电后 的续驶里程短，充电时间长，自Ｂ源补充不方便，在技术上也难以解＿良废旧电池二次污染、回 收困难的问题，而且电池价格昂贵，商业化进展缓慢等原因，以及由于纯电动汽车的蓄电池 技术还未能获得关键性突破，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡ｏｑ，因而ｔ尽臂目前世界先进水平的电动汽车与内燃机汽车性能不相上下，但过高的成本使其难以 商品化。 氢燃料电池动力汽车（Ｆｎｅｌ Ｃｅｌ】Ｅｌｅｃ曲ｃ ｖｃｌＩｉｃＩｅ，简称ＦｃＥｖ）是目前所能看到的最有可能产业化的终极汽车新动力方案㈨”】。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换屯能的装置，萁最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机做功，能源利用兢率是普通内燃机 的２倍。氧燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污染、无二氧化碟排放，是一种新 兴的环保动力源。由于氨在地球中的蕴藏十分丰富，氢气来源极其广泛，可从多种物质中提 取，是Ｊ种可再生的能源资源，取之不尽，用之不竭，可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等 进行重整制氮ｊ也可通过电解东制氢、生物截氢等方范毅取氮气”。。｛目由于其成本高昂，可 靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施键乏等因索，无法在短期内ｌ投代传统动力汽车。 在这种背景下，融台内燃机汽！！三积电动汽车优点的混台动力ｒ也砘汽车（Ｈｖｂｎｄ Ｆｋ北托 ％ｌｔｌｃｌｅ，简称ＨＥＶ）异军穿起，成为新型汽车开发的热点。一方面，混合动山驰动系统为将 来获得生态系统的平衡提供了希望．因为燃料消耗越少，排放也就越少，并且内燃机稳定的 工况使得对其排放气体的成分易于控制：另方面，混合动力电动汽车保留了传统汽车的发 动机和燃油供给系统，相对于纯电动汽车，加大了汽车行驶瞿柙。因此．许多国家政府和大 型汽车公司加大丁混台动力电动汽车的研究开发工作，并取得ｒ卓有成效的成果。可以相信， 型汽车公司加大了混台动力电动汽车的研究开发工作，井取得了直有成效的成果。可以棚信，台肥工业大学博士学位论文在电动汽车的储能部件――电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和 能源问题最具现实意义的途径之一Ｐ“Ｊ。 我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与发展，国家科技部已将其作为“十五”８６３ 重大专项的内容【Ｉ…。本课题就是在种背景下，得到了安徽省“十五“科技攻关重点项目的 资助和江淮汽车集团的支持，开展此项研究工作的。 由于ＨＥｖ中一般包括两个或者两个以上的动力源，如部件选择、布置方式及混合度不 同，可以构成不同的混合动力系统。另一方面，针对混合动力电动汽车的不同的市场定位， 设计目标也不尽相同，因此，ＨＥｖ具有极高的复杂性。其涉及的技术领域包括汽车、现代控 制、电力电子技术、电机和电热化学等。事实上，混合动力系统是由这些技术领域组成的一 个有机结合的系统工程。本文针对ＨＥｖ这一前沿课题，从下列四个方面进行了研究工作： １）混合动力功率分析和混台动力体系设计； ２）混合动力电动汽车的建模和控制策略的仿真分析： ３）混合动力电动汽车用电机的动态建模和控制策略的研究： ４）基于ＤＳＰ和ＣＡＮ总线的整车控制器、电机驱动系统的设计与实现。１．２混合动力电动汽车发展状况 １．２．１国外在混合动力电动汽车方面的研究与开发动态ｍ嘲如果采用燃油发动机的动力进行发电并驱动电动机，这种电动汽车就称为混和动力电动 汽车ａ早在１９０５年，就有人申请了用蓄电池作动力源，驱动电机来改善内燃机车辆加速能力 的专利。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“混台动力电动汽车是指 有两种和两种以上的储能器、能源或转换装置作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的 车辆称为混合动力电动车辆”。自９０年代初，混合动力电动汽车的开发得到了美、日及欧州 等许多发达国家的高度重视，已取得了重大进展。从９０年代开始，美国加强了企业和政府的 台作，以混合动力电动汽车为重点，包括能源部、运输部和国防部，斥巨资鼓励各大汽车公 司和相关部门开展混合动力电动汽车的研究。１９９３年９月美国总统克林顿与通用、福特和克 莱斯勒三大汽车公司总裁提出了“新一代汽车合作伙伴计划”（简称ＰＮＣｖ计划），开发以混合动力电动汽车为核心的新一代节能汽车。１９９７年底美国重新确定的ＰＮｃＶ计划，混合动力电动汽车也是四个重点领域之一。美国 先进项目局（ＡＲＰＡ）于１９９３年订立电动汽车（Ｅｖ）和混合动力电动汽车（ＨＥｖ）项目，出 瓷２５∞万美元，与各州、地方和私人机构共同研究ＥＶ和ＨＥｖ技术。１９９４年ＡＲＰＡ项口投 资己增加到４６００万美元。在１９９８年１月的北美国际汽车展上，通用汽车公司就推出了Ｅｖｌ 型４座混合动力电动汽车ａ福特汽车公司也开发出“福特Ｐ２０００”型５座并联式混台动力电 动汽车，２０００年投放市场：同时，福特公司开发的“优异２０００”概念车实验平台的性能已达 到ＰＮＣＶ计划的部分目标：每加仑汽油行驶８０英里。１９９８年１月，克莱斯勒汽车公司宣布第一章绪论开发出道奇无畏ＥＳＸ２串联式混合动力电动汽车，２００３年投放市场。１９９７年由美Ｉ虱宇航局 （ＮＡｓＡ）Ｌｅ耐ｓ中心、俄亥俄州政府和工业界、大学等９个单位合作，开发出串联式电动一喷气涡轮混合动力大客车，２０００年投放市场。在第３２届东京汽车展上，日本汽车公司推出了６款混合动力电动汽车。１９９５年５月日 产公司开发出串联式混合动力型微型轿车，同年９月日产公司又开发出可以批量生产的并联 式混合动力电动汽车。日本富士重工将研制微型（６６０ｃｃ以下）混台动力型汽车作为主攻目 标。该公司已经制造出了试验样车，采用了两种储能系统：双层电容器和锰钾离子电池。可 以依据不同的行驶状态．切换使用两种电池；另外，又在车的顶棚装有太阳能吸收板．停车 时可以充电。本田公司开发了以一组超级电容以替代通常使用的蓄电池系统的Ｊｖｘ混合动力 电动汽车，其动力系统为ｌ公升３缸直喷式发动机和电动机。日野汽车制造公司也于１９９７ 年开发出了柴油机一电动机并联式混合动力的客车。三菱电机公司也开发出串联式混合动力 电动卡车，采用两个ＡＣ感应电机和ｌ ８升的发动机。令人瞩目的是丰田公司开发的Ｐｒｉｕｓ型 ５座并联式混合动力电动汽车，该车型于１９９７年１２月推向市场，据统计１９９８年在日本国内 销售达１２０００辆。Ｐｒｉｍ创造性地采用两套动力系统混联方式，采用精密的机械装置实现丁动 力系统的连接和能源的传递。另外丰田的Ｃｏａｓｔｅｒ串联式混合动力电动客车也已进入商业化 阶段。法国雷诺公司研制的ＶＥＲ：ｒ和ＨＹ啪两款混合动力电动汽车已通过了１００００ｋｍ的运ｋ行试验。并于１９９８年研制出电动（汽油）两用车―ＮＥ）汀，已试制出样车。这种两用车前部 装有一台汽油发动机、两台７ ｗ电动机装在两个后轮上。当时速在４０★∞以下时，由电动机驱动；达到４０ｋｍ以上时，由汽油发动机驱动，同时可为蓄电池充电，最大时速达１４２ｋｍ： 若再加速，此时电瓶会提供辅助动力，最高时速可达１６９ｌ∞。瑞典沃尔沃公司已在沃尔沃ＦＬ６ 卡车的基础上，开发了混合动力电动汽车，时速可达９０ｋｍ。德国公司生产的并联式混合动 力电动车ＤＩｌｏ己小批量生产，现在德国己开始出售，预计４年内可售出５００辆。德国汽车工 业已实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里油耗超过５升的轿车上路，也促使人们 更多地把希望寄托在混合动力电动汽车上。１．２．２我国在混合动力电动汽车领域的研究与开发动态我Ｉ虱在“十五”将混台动力电动汽车作为重点攻关项目。明确了我国的电动汽车发展重 点：燃料电池汽车发展居首位，第二为混合动力电动汽车．兼顾纯电动汽车的基本原则㈣。 明确提出“三横三纵”的研发稚局。“三横”是指纯电动汽车、混合动力汽车｛１１燃糊电池汽。☆二 的雅车：“三纵”是指电池、电机和控制系统的关键零部件。并且对各具体项目采取丁不同的 研发导向、时间安排、投资策略、推广及产业化措施，体现有所为、有所不为的原则。清华 大学于１９９５年就开始对混合动力电动汽车关键技术和系统及理论方面作ｊ’ｒＩ：多工作。目前， 国内已有几个单位试制出混合动力电动汽车的样车，如广州市电车公司开发了混合动力公共 汽车：华南理工大学与广东云山汽车厂合作开发了混合动力中巴汽车，还包括：１匕京理工大学，台肥工业大学博士学位论文重庆大学及二汽等汽车制造厂家也在进行ＨＥｖ研究和开发。现在基本上还在样车试验阶段， 离真正具有高水平的产品化的ｍⅣ还有段距离。 国内汽车界有关未来汽车技术发展的路线己基本达成共识；中近期应主要发展油电混合 动力汽车，以降低油耗和排放；远期则主要发展氢动力汽车。目前，国内已经介入混合动力 汽车研究的主要有一汽、上汽、东风、长安、奇瑞、吉利和比亚迪等厂家。随着《国家混合 动力汽车标准》的正式实施，将进一步促进混合动力电动汽车在我国的迅速发展。包括混合 动力在内，新能源已成为推动汽车产业未来发展的重要动力，快速启动新能源战略，并 迅速找准自己在这新一轮角逐中的战略地位，是中国汽车企业参与汽车产业国际化竞争 的必然选择。１．２．３世界混合动力电动汽车的发展趋势当前，混合动力电动汽车的发展相当迅速，发达国家的许多研究成果已进入市场，如丰田的Ｐ山ｓ和本田的Ｉ∞ｉｇｈｔ混合动力电动汽车已经形成一定批量生产，福特汽车计划２０１０年以前将在福特一半以上的汽车上应用混合动力。许多发展中国家也开始筹集资金，开始 了混合动力电动汽车的研究。据专家研究，混合动力电动汽车的生命周期至少有３０年，若考 虑使用清洁燃料，其前景则更为广阔。 总的来说，混合动力电动汽车的研究和开发仍处于起步阶段，其关键技术（如电池系统、 传动总成系统等）还有待改进和刨新，成本价格有待降低，性能也有待提高，这样才能满足 替代传统燃油汽车的技术与市场要求。１．３混合动力电动汽车的关键技术混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、 高效率的功率电予设备和燃料经济性高、排放低的发动机。所面临的关键性技术和需要解决 的问题包括以下几个方面。１．３．１车身设计ＥＶ和既Ｖ汽车设计有两种基本方法。一种是改装，另一种是专门设计制造【”。由于采用了现有燃油汽车的底盘、发动机以及车身，对于试验和小批量生产而言，改装是一种经济 可行的方法。但是这种方法会造成自重较大、车身质心分布不均衡、重心位置较高等缺点， 会影响车辆的行驶的动力性。 现代混合动力电动汽车都是为特殊目的专门设计的，这种特定设计的混合动力电动汽车 较之改装车更具有优势ｎ在设计混合动力电动汽车时，对影响整车整体性能（如续驶里程、 爬坡能力、加速能力和最高车速）的参数需要进一步改进，比如减轻整车质量，降低风阻系 数和减小滚动阻力等。汽车的质量直接影响整车性能，特别是续驶里程和爬坡能力，坷采用第一章绪论铝合金材料制作车身底盘来减轻自重。车身风阻系数越低，汽车行驶时的空气阻力越小，因 而可以大大提高汽车在公路上续驶里程。采用流线型的车头和车尾、隐藏式和平坦式的车身 底部可减小空气阻力。当汽车以中低速行驶时，采用滚动阻力系数小的轮胎可以有效的减小 汽车的滚动阻力，也有利于延长汽车在市区内行驶的续驶里程。１．３．２发动机及传动系统发动机是混合动力电动汽车的主要动力源（又称混合动力单元ＨＰＵ），要求热效率高、燃 油经济型好、排放低，它采用了电喷、增压、可变定时进气系统、多气门和稀薄燃烧等多种 技术。在混舍动力电动汽车中，必须考虑传动系统。良好的传动系统不仅能使发动机发挥最 大效率，还能保障与电机的配合，根据控制策略进行合理的功率分配。例如本田的Ｐｒｉｕｓ轿 车上运用了行星齿轮和无极变速器（ＣｖＴ）技术，能根据路况负载大小和发动机扭矩自动调 节减速比，以达到良好的动态性能，无需多档手动变速，类似于电机的无极调速性能。由于 混合动力电动汽车的动力可以同时来自内燃机和电动机，与传统汽车发动机相比，其作用发 生了变化。在并联混合动力汽车上，内燃机通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分 负载功率，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更商的内燃机；在串联混合动力 汽车上，混合动力单元驱动ｌ台发电机产生电能，由于汽车的行使与发动机没有直接的联系， 因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于功率较小的高效 率区【１２．１＂。１．３．３电机及其驱动控制电机及其驱动控制的主要目的是实现电能和机械能的互相转换，要求电机驱动系统应具 有（１）较高的转矩／重量比：（２）宽调速范围、宽高效率区以及良好的转矩控制特性：（３）电磁 辐射尽量小；（４）成本低ｐ”。最早开发的ＨＥＶ常采用通用型电机，并且借用了内燃机汽车的传动系的一些总成和零部件来组成ＨＥＶ的驱动系统。现代髓ｖ上已逐步采用机电集成化驱 动系统和机电一体化驱动系统来驱动电动汽车，职Ｖ电机驱动系统的结构变得更加紧凑，传动效率大大地提高，控制也更加方便，ＨＥＶ的电机驱动系统正在向大功率、高转速、高效率、 小型化和专用化方向发展。图ｌ－ｌ为ＨＥＶ驱动电机的分类吐包括直流电机、永磁无刷电机、 感应电机、开关磁阻电等应用较多的几种电机。 直流电机通常采用功率管斩波控制实现剥电机转速的调节，具有良好的调速性能、控制 简单等优点ａ但是由于需要换向器和电刷进行换向，限制了其转速的进一步提高（最高转速 （６０００ｒｐｎｐ８０００ｒｐｍ），此外还有效率较低，结构复杂体积大、重量大等缺点。近年来，永磁栩 料在电机的广泛应用，采用稀土永磁的电机由于取消了电励磁，充分利用了径向空间，懂体 积大大减小，效率提高，同时在结构方面的改进，提高了可靠性，因此，永磁直流电机仍是 目前开发电动汽车和混合动力电动汽车的一个选择。！鱼！！三些查兰壁主兰垡堡兰――图１．１｝Ⅲｖ驱动电机的分类交流感应电机驱动系统是９０年代发展起来的，有结构简单、制造容易、价格低和坚固 耐用等特点，较适用于混合动力电动汽车Ⅲｊ，其控制可采用磁场定向矢量控制和直接转矩控 制。矢量控制具有类似直流电机的优良的动、静态特性，但控制技术比较复杂，控制器成本 比较高。系统强调电磁转矩瓦与转子磁链坼的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器， 实行连续控制，可获得较宽的调速范围，但按转子磁链砰定向受电动机转子参数变化的影 响，降低了系统的鲁棒性。并且控制技术比较复杂，控制器成本比较高，对电机参数变化比 较敏感。此外，采用矢量控制的混合动力电动汽车感应电动机在轻载及有限的恒功率工作区 域内运行时效率较低。直接转矩控制直接在电机定子坐标上计算磁链和转矩的大小，实行％ 与蚝砰．砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链， 不受转子参数变化的影响：但不可避受地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。 按照电机电枢中感应反电势的波形，永磁同步电机（ＰＭＳＭ）和无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ） 是永磁电机两种常见的基本形式。前者采用正弦波反电势形式，后者则采用方波（或者梯形 波）反电势形式。无刷直流电机结构简单、控制方便、成本较低是混合动力电动汽车中最有前途的电机【ｌｑ，它的效率、转矩厘量比都很高，并且具有直流电机类似的调速性能，但是转矩脉动的消除和位置检测技术还需要进一步完善。 开关磁阻电机结构简单，其定子和转子均为凸极结构，在在定子上安装励磁绕组，因此 具有效率、转矩，重量比高，可靠性高、启动性能好，控制装置也比较简单㈣，主要缺点为但 转矩脉动大、噪声大，并且在控制时需要获得转子位置信息。实际上，开关磁阻电机驱动系 统在混合动力汽车上的应用的较少。但随着电力电子技术、计算机技术的发展，及对其研究 的深入开关磁阻电机驱动系统以其特有的性能和｛｝；！ｌ造优势，将会有很好的应用前景。 驱动控制系统包括控制器、功率变换器和传感器等。控制器多采用ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａＩｓｉｇｎａｌＰｍｃｅｓｓｏｒ）作为主控制芯片：功率变换器一般用ＩＧＢＴ模块（包括集成的ＩＰＭ模块㈣和ＩｎＪ） 以及ＰｗＭ控制技术”ｌ【“１；软开关技术由于其开关损耗低及开关电应力（表现为过电压、过电 流毛刺）小等特点。在ＥＶ和ＨＥｖ的应用也引起了关注，但枢对丁硬开关技术，其电路复杂、 需要的元件也多，增加了控制成本，在混合动力电驱动系统中采用软开关技术的实际应用较 少。因此，目前ＨＥＶ中多采用ＰｗＭ硬开关技术刚。为了减少谐波，多电平技术也应用于兰二兰些笙．――．―――――――三ＨＥｖ的电机驱动系统中…。传感器用于采集转子位置，提供同步或者换相信号，一般采用霍 尔元件、光电编码器，目前无位置传感器技术的应用与研究也引起较多的关注…１ａ电机控制策略的选择也是影响混合动力电动汽车性能的一个重要因素。在低速低功率场 合，可以选择开环控制。但是，如果为丁达到较好的动态性能，则要选择闭环或者双闭环控 制方法。现在，最大效率控制、变结构控制、神经网络控制、以及模糊控制等先进控制技术 也已经开始在混合动力电动汽车的控制中有所运用。１．３．４电池及电池管理系统动力电池是混合动力电动汽车的关键部件，对整车动力性、燃油经济性等方面都有重大 的影响。混合动力电动汽车上的电池使用状况不同于电动汽车，在工作中电池处于非周期性 的充放电循环，要求电池的充放电速率和效率高，因此，混合动力电动汽车用电池不仅需要 高能量密度（ｗ．１ｌ／ｋｇ），而且还需要高功率密度（ｗ／ｋｇ）。目前已研究开发的电池有铅酸电池、 镍镉电池、镍氢电池、钠―硫电池、锂离子电池等十几种，铅酸蓄电池则是较为成熟的一种 电池，具有可靠性高、价格低等优点，但其能量密度低，性能很难提高。近年来，开发出的 锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池还不具备良好的实用价值。燃料电弛是最有应用前景的电 池，但其电极材料和重复应用问题也还没很好的解决。目前在混合动力电动汽车中应用较多 的电池有下面三种： １）铅酸电池的比能量一般为超过３０ｑＯＷｈ／ｋｇ，比功率为１５０七００Ｗ／ｋｇ，循环使用寿 命―般为５００￣７００次。具有可靠性高、价格低的特点，但由于能量密度较低，在过充电和过 放电时，使用寿命缩短，深度放电及环境温度变化对电磁性能影响较大。新研究开发的胶体 电池、阀控电池等，在比能量、比功率、快速充电性能等方面均比普通铅酸电池有较大的提 高田】。因此，在各国混合动力电动汽车中都有较多的应用，也是我国目前开发混合动力电动 汽车的首选电池。铅酸电池目前需要解决的是进一步提高其比能量和比功率、电池的均匀性 锌问题，但铅酸电池性能提高的潜力有限，因此，最终将搜其它电池取代。 ２）镍氢电池的正极为镍氧化物，负极为氢载体舍金所存储的氢，具有很好的耐过充电 特性，相比铅酸电池有比能量和比功率高（是普通铅酸电池的２倍）、循环寿命长（在８０％的放 电深度下，具有１０００次的循环寿命）、无污染等优点，因此倍受各国关注。在欧美各国新研 制的混合动力电动车中，多以镍氢电池为动力源【２５】。镍氢电池目前需解决的问题是进一步降 低价格，在国内则需研制开发能适用于混合动力车用的大型镍氢电池。 ３）目前，镪离子电池能达到的指标为：比能量超过１００Ｗｈ／ｋ叠，比功率火于２００ｗ／妇， 循环寿命为１２００次（１００％的放电深度）。作为动力电池由于充放电过程的控制问题还有待解 决，其价格又高，因此，目前尚不能在混台动力电动汽车上推广使用，但随着这些问题的解 决，锂离子电池是未来最有希望的动力电池【２５ｌ。 混合动力电动汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻等都要受电池放电深度、充放电电 流的大小及具体的汽车行驶工况等诸多囚素的影响。这其中的物理、化学机理较为复杂，目合肥工业大学博士学位论文前国内还局限于电池恒流放电特性或仅考虑了放电过程的变流放电特性研究，这些对建立一 个符合混合动力电动汽车电池实际使用状况的能量管理模型是远远不够的。研究考虑诸多影 响因索的电池充放电动态特性，以便建立一个符合电池实际使用环境的电池能量管理系统， 并为载荷均衡控制装置提供可靠的控制参数，是目前混合动力电动汽车研究开发中必须解决 的问题。国际电工学会（ＩＥＣ）在１９９５年制定的电池管理系统标准中给出了电池管理系统的 主要功能，其中关键技术包括电池状态估计，能量管理。电池状态估计包括ｓｏｃ（ｓｔａｔＧｏｆｃｈａｒ铲）和ｓＯＨ（ｓｔａ【ｅ ｏｆ ｈｅａｌｍ）两个方面．ｓＯｃ是能量控制策略中重要的参数之一，ＳＯＣ不同，相同运行状态下的工作模式将不同，常用的Ｓ０ｃ估计方法是密度法、开路电压法、恒电 流电压法及ＡＨ计量结合效率补偿的方法，目前优化滤波、模糊逻辑，神经网络也开始在ｓｏｃ估计中得到应用口¨”ｌ。１．３．５多能源控制策略与整车管理多能源控制策略是腰Ｖ的核心技术，多能源控制策略完成对车辆工作模式的切换和功率分配控制。根据不同的工况要求，通过对各部件工作运行点的控制，达到系统优化的目标 ㈣‘ｍｌ。由于混台动力系统有多种方案，控制策略侧重点也有所不同，优化目标和方法也不 尽相同。目前，在多能源控制策略方面已取得不少成果，出现电气辅助控制，比例分配及功 率损失最小控制策略。随着控制理论及计算机技术的发展，自适应控制【２２】、神经网络鲫、模 糊控制哪ｌ也在混合动力系统控制簟略中得到应用。在文献１３５】中提出的油耗和排放最优控制 为一实时控制策略，同时考虑发动机的油耗和排放，在每个控制周期，根据油耗和排放最小 的原则对电机和发动机的转矩进行分配。目前控制策路（尤其并联型混合动力车）还不十分 成熟。由于并联混合动力汽车运行模式比串联型的复杂，控制策略不仅仅要实现整车最佳的 燃油经济性，同时还要考虑适应汽车各种运行工况，兼顾发动机排放、电池寿命、驾驶性能、 各部件可靠性以及成本等多方面要求，并针对汽车各部件的特性进行综台控制。兼顾上述各 方面要求的控制策略的研究，是今后的一个工作重点和难点。混合动力电动汽车能量控制策 略的优化还不十分成熟，而且目前还多限于理论研究。对控制策略进行优化是目前的一个 发展方向。 混合动力电动汽车工况变化复杂，能流较多，为了保证车辆的可靠运行，有必要进行整 车管理与控制ａ混合动力电动汽车一般采用主从式多控制单元形式，以整车控制器作主控单元，从控制单元包括电机，发电机控制器、蓄电池控制器、内燃机控制器和车身其他电气设备控制器，主从控制单元一般采用ｃＡＮ总线连接９“。主控制单元主要功能为： １）根据预先决定好的运行策略，决定车辆的控制模式ｉ ２）根据路况和驾驶员的需求，确定混合动力源之间合理的功率分配： ３）刹车和减速时，根据车速来控制能量向蓄电泡回馈。从控制单元负责监控其体的单 元动作，并向主控制单元提供相应的安全和故障诊断服务。第一章绪论１．３．６混合动力电动汽车的仿真技术在研究和开发混合动力汽车的部件和选择最佳结构时，需要设计和制造者能够尽快缩小 研究范围，减少研发周期和成本，找到技术的切入点。在技术方案选择阶段，进行系统选择 时，采用计算机技术，对混合系统和各都件进行建模及仿真，通过其性能和特性的分析，进 行系统评估是必不可少的～个环节。通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真，从而找到最 佳的方案。计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格积设计参数，从而方便了设计者的 工作，而且还有助于为设计和制造样车制定工程目标和计划１］¨＿【”ｌ。在仿真技术的研究与软 件开发中，应该遵循的目标，～是精确，即能够使不同结构的动力传动系统间的比较具有意 义：二是快速，即能快速进行汽车分析和空间研究设计，例如对多维变量参数的研究和优化 等：三是灵活，即能对不同控制策略和结构组成的汽车进行评价：四是共享，即能够与潜在 的合作者共享，并推动混合动力电动汽车的发展和促进公众的了解；五是实用，即能针对各 种车型建模，例如，包括传统汽车、电动汽车、串联式和并联式混合动力电动汽车等；六是 使用方便，却使用者对汽车建模没有经验也能快速掌握。 目前，国外用于混合动力汽车的仿真软件很多脚Ｊ。 如美国能源部Ｉｄａｈｏ国家实验室开发的ｓＩＭＰＬＥⅣ，美国ＡｅｆｏⅥⅫ１ｍｅ日ｔ公司开发的ＣａｆＳｉｍｕ，Ａ【ｇｏｎ∞ｒ国家实验时开发的ＭＡ融，ＥＬＪ以及Ｄ１】ｄｌａｎ加大学开发的ＪＡⅫＳ和Ｔｅｘ越Ａ＆Ｍｃ大学开发的ＥＬＰ一删等。在众多的汽车仿真软件中，Ａ】）ｖｌｓ０Ｒ（ＡｄｖａＩ脚Ⅵ舳ｄｅ Ｓｉｍｕｌａ妇）是美国国家再生能源实验室畔Ｌ）专门为美国能源部∞ＯＥ）管理混台动力电动汽车计划（ⅢＧｖ）而开发的混合动力汽车的物理模型和经过性能测试的各部件总成去建立实际的或想象中的汽车。其主要功能在于能仿真软件。同ＥＬＰＨ一样，ＡＤⅥＳＯＲ也是在Ｍａｌｌａｂ届ｉｍＩｌＩ砒ｃ平台上开发而成，可通过简单够对还未制造的汽车进行性能预测，即能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数包括加速 性和爬坡性能，燃料经济性以及排放性能等，如文献【２６】中基于ＡＤⅥＳＯＲ分析结合电池与 超级电容进一步提高吸收峰值能量的能力。目前，我国还没有成熟的整车仿真软件，多数是 在ＡＤⅥｓＯＲ或者其他软件平台进行的＝次应用开发，如文献【ｌ ７】基于ＡＤⅥｓＯＲ软件的双 轴驱动混合动力电动汽车性能仿真模块开发，或者对部件或子系统进行建模仿真，如文献【１５】 就是基于Ｍａｎａｂ，ＳｉⅢｔｄｉｎｋ平台对混合动力汽车的传动系进行建模仿真。１．４本文的主要内容和创新点 １．４．１本文的主要内容本论文以理论模型和仿真分析、整车动力结构设计和样车试验相结合．主要工作重点 １）ＨＦＣ６５００ＨＥＶ并联混合动力电动汽车动力系统设讨：２） ３）ＨＦＣ６５００ＨＥＶ整车性能仿真分析； 电机动态建模和控制策略的研究ｅ合肥工业大学博士学位论文４）攘车控制系统和电机驱动系统的设计及样车运行试验。 本文共分六章，图１．２为全文的结构。第一章 绪论 第二章 混合动力系统的分析与设计 ＨＥｖ能量分配与控制 的研究 第三章 ＨＦＣ６５００ＨＥＶ整车建模与性能仿真分析第四章混合动力电动汽车 整车控制系统与电机 驱动系统研究 第五章ＨＦＣ６５００ＨＥＶ 整车控制与电机驱动系统的设计与实现 第六章 总结与展望图１．２全文结构圈电机驱动系统动态建模与控制的研究第一章，主要阐述了本文的课题来源及意义，对有关文献进行了综述，讨论了混合电动 汽车的发展现状及关键技术。 第二章，根据混台动力体系对混合动力电动汽车进行分类，主要对并联混合动力汽车的 工作模式进行分析，推导功率混合动力驱动系统功率流约束条件，对并联混合动力电动汽车 进行了动力学分析，在汽车布局限制的约束条件下，对ＨＦＣ６５００ＨＥｖ的动力驱动系统进行了设计，并根据ＨＥｖ的运行状态，制定了ＨＦＣ６５００髓ｖ的工作模式和控制规则。第三章，研究混合动力电动汽车的建模方法，建立单元结构和ＨＦＣ６５００ＨＥｖ整车模型。 对混合动力的控制策略进行分析，采用电气辅助控制策略和模糊优化控制策略，对 ＨＦＣ６５００ＨＥＶ进行城市和高速公路两种工况的仿真测试并进行了性能评估。 第四章，基于ＭａＩＩａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台建立了永磁直流电动机的ＰｗＭ驱动系统的动态数学 模型，包括动态温升模型，对温度引起的参数变化进行了修正。根据混合动力的工作模式， 提出了双模式ＰｗＭ电流控制策略。并对永磁无刷直流电机刊开关磁阻电机进行了动态建模和分析。第五章，以ＤＳＰ为控制内核，设计了整车控制系统和电机控制系统，并采用ＩＰＭ研制 了ＰｗＭ功率变换器，在研究ＣＡＮ总线协议和ｓＡＥＪｌ９３９编码定义规则的基础上，参照ＳＡＥＪ Ｌ９３９，对标准帧进行了定义，设计了混合动力控制系统的ＣＡＮ通讯协议。第一章绪论１．４．２本文的创新点１】在整车布局的约束下，提出了电机后置的单轴式并联混合动力体系。采用双端轴伸直 流永磁电机直接与主传动轴联结，电机输出转矩直接作用到主传动轴上。采用全桥功率电路， 电机可以四象限运行，满足了车辆前进和倒车的需要。 ２）在永磁直流电动机的Ｐ、珊ｔ驱动系统的动态模型中，考虑到电机的动态损耗，建立了 电机动态的温升模型，同时在模型里引入温度对电机输出转速和转矩的影响的修正。３）在对直流电机删控制特性的分析基础上，提出了双模电流控制策略，在电动运行工况下，采用电流ＰＩ调节的单极受限控制方式，减少了开关损耗和电机的发热：在制动过程 中，采用电流滞环控制，避免了单极受限控制方式的不可控回路使得制动过程失控，导致电 流过流、冲击和振荡等情况的发生。 ４）对混合动力电动汽车用开关磁阻电机驱动系统的电动和制动状态进行了分析，提出 了开关磁阻电机驱动系统仿真建模的新方法，在ＭａⅡａｂ，ｓｉｍｕｌｉｎｋ中，建立独立的功能模块， 再进行功能模块的有机组台。根据给定，模型可以在电动、制动状态平滑切换，能真实的反 映电机的动态工作特性，和模拟电机的工作行为，为实际电机驱动系统的设计和调试提供了 奠定了理论基础，为进一步控制簸略的研究建立了平台。合肥工业大学博士学位论文参考文献［１】ＡｎＩｏｎｉｓｚｕｍｎｏｗｓｂ原著，陈清泉，孙逢春编译，混合电动车辆基础【ｈｑ，北京理工大学出版社，２００Ｉ。［２】陈全世，仇斌，谢起成，燃料电池电动汽车叫】，清华大学出版社，２００５年５月。【３】陈清泉，孙逢春，祝嘉光，现代电动汽车技术【Ｍ】，北京理工大学出版社，北京，２００２年。 【４１ Ｍｉｃ｝旧ｌ Ｃ ｗｅｌｌ啊，，Ｗｈａｔ～Ｎｅｗ ｗｉｕＩ ＨｙｂｄｄＥｋ研ｃｖｅｈｉｃｌｅｓ【Ｍ】，匝ＥＥ ｐｏ．１Ⅳｅｒ＆ｅｌ圯ｒ酣ｎｍｇａｚ沁，Ｎｏｖ，Ｄｃｃ．２００４，ｐｐ３４０９［５１Ｇｍ啦ｅ仕０，Ｊ．Ｖｈ Ｍ诗ｒｌｏ，“ＥＩｃｃ耐ｃ ａｎｄ ｅｌｅｃ啊ｃ ｈｙｂｒｉｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｃｌｌｎｏｌｏｇｙ ｓｕｒｖ可’［Ｒ】＠２０００ａ１ｋ Ｉｎｓｉｔ毗ｉｏｎｏｆ Ｅ１ｅｃ仃ｉｃａＬ Ｅｆｌｇｉｎｅｅｒｓ，Ｐｒｉ毗ｅｄ ａｎｄ ｐｕｂｌｉｓｈｄｂｙ岫ＩＥＥ，ｐｐｌ―ｌｌ Ｅｈ打０ｎｊｃｓ Ｔｋｌｕｌｏｌｏｇｙ６竹［６】Ｔｋ呦ｓＭ ＪａｌＩＩＩｓ，Ⅵａｄｍｉｒ Ｂｌ勰ｋ０，Ｒｅｃｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｓ．ｍ Ｐａｗｅｒｈｄｕｓｍａｌ ａｎｄ Ｔｒ∞硒ｎ Ｍ踮ｌ＿Ｌｉｌｌｅ Ｄｒｉｗｓ叨，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆⅡｌｃ ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ ８９Ｎｏ．６，ＪＵ岖２００ｌ，即９６４－９７５． 网ｃｈ孤Ｃ Ｃ，１ｋＥｌ∞ｈＤｎｉｃｓ ａｎｄｐａｓｔ呷ｅｎｔａｎｄｆｈｔ哪ｏｆ ｅｌ鲥ｒｉｃｖｅｂｉｃｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ四，ⅢＥＥ，ＰｏｗｃｆＤ帆Ｓｙｓｔ。Ｉｍ，１９９９，ｌ，ｐｐ．１ｌ－１３．ｔＩ如ｒｉｄ ｖｅｈｉｃｋｓ，【Ｊ】Ｐｒｏｃｅ。ｄ抽ｇ ｏｆ砸ＥＥ，２００２，９０（２），【８】Ｃｈ姐ＣＣ，Ｔｈｅ Ｓ协１嚣ｏｆ也ｅ ａｒｔ ｏｆｅｌｅｃ晡ｃ ａＩＩｄｐｐ．１－２９．［９１ Ｆ１０ｙｄ Ａ．ｗｙｃｚａｌｅｋ，Ｈｙｂｍ Ｅ蛔扛ｉｃ ＶｅｈｉｃＩｅｓ－Ｙｅ缸２０００ ｓ协抛ｓ田，Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＥｌｅ谢ｏｎｉｃＭ８９ａ蕊，ＩＥＥＥ Ｖｏｌｌ６，Ｉｓｓｕｅ ３，Ｍ面吐２００ｌ ｐｐｊｌ５?２５【１０】胡安生，汽车新动力的发展趋势阴，２００５年第７期《汽车情报》。 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２００４ ｐｐ．８９―９２【３ ｌ】Ｌｅｏｎ Ｍ．ＴＯＩｂｅ＾Ｊ０ｈｎ ＣＩＩｉ船ｓｏｌＩ＇ＫｅｉｍＭｃｋ雠ｉｅ’盈ｏｎｇＤｕ，ＥｌｉｍｉｒＬａ６０ｎ ｏｆ Ｈａ兀Ⅱ０ｎｉｃｓ ｉｎａＭｕｌ如ｖｅｌｃｏ“ｖｅｎｅｒｆｏｒ｝玎ⅣＡｐｐＩｉｃａ石ｏＩＩｓ【Ｃ】，０―７８０３?７４９２４，０２０２００２ ＩＥＥＥ，ｐｐｌ３５－１４２． Ｅ删苫ｙ Ｍ蛐ａｇ锄ｅｎｔＡｇ州ｔ ｆｏｒａ【３２］Ｒｅ黯Ｌａｎｇａｒｉ，Ｊｏｎｇ―Ｓｅｏｂ Ｗｂｎ，ｈｌｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｌｌｉｃｌｅ ＰａｎＰａｒａｌｌｅｌ屿，ｂｒｉｄ Ｉｄｅ血ｎｃａｂｏｎＩ：Ｓｙｓｔｅｍ虹蛐ｔｅｃｔＩｌｒｅ卸ｄ Ｄｅｓ蜘ｏｆ血ｅＴｒａＩｌｓＤｒｉｖｍｇ ｓｉｔｌｌａｔ－ｏｎＰｒｏｃｅｓｓ【Ｊ】，ＩＥＥＥ（３３】ＺｈａｏｏｎⅦｌｌｉｃｕｌａｒ埘ｍｏＩｏｇｙ，ｖｏｌ ５４Ｎｏ．３．ｍａｙ ２００５，ｐｐ９２５－９３４ｏｎＨ。Ｈｇ―ｗｅｉ√Ｃ融ｌ氏ｎｇ，Ｚａｌｌｇ Ｘｔｌｅ，Ｂａ强ｉⅡＤａ．ＹｏⅡ，聃缸喀Ｑｈ喀－Ｎｉ孤，Ｒ￡ｓｅａｒｃｌｌＥｌｃｃ―ｃ、，ｅ｝血ｌｅＭｕｍ一∞蠲酣｝Ｉｙｂｒｉｄｐｏｗｅｒ呱ｈＣｏｎｈ叼ｌｌ盯ＢａｓｅｄｏｎＣＡＮＮｅｔｗｏｒｋ【Ｃ１ｐ一７８０３―８１２５－４／０３０２００３【３４］Ｓ．Ｄｅｌｐｍｔ，Ｊ．Ｌａｕｂ盯，Ｔ．ＭＩＥＥＥ’ｐｐ９３８―９４１．Ｇｌｌｅ吼，ａｎｄＪ．ＲｊｍａＩ】］【，Ｃ∞仃ｏｌ ０ｆａｐ盯ａＵｅｌ ｌｌｙｂｒｉｄｐａｗ呻ａｉｎ：ｏ砸ｍａｌ ｃｏｎ吣ｌ【刀，髓ＥＴｒａ璐０ｎｖｔ洫№ｈｎ０１．，ｖｏＩ．５３，ｎｏ．３，Ｍａｙ ２００４，ｐｐ．８７２．８８ｌ，【３５】％Ⅻｅ｝Ｌ ＪｏｈｌＩｓｏｎ，Ｋｅ曲Ｂ．Ｗｊｐｋｅ趿ｄＤ“ｄ Ｊ．脚ｓｅＩＩ，脏ＶＣｏｎ州Ｓ仃ａ衄ｆｏｒＲｅａｌ．Ｔｉｍｅ ０ｐ血ｉｚ枷∞０ｆ Ｆ啪Ｉ Ｅｃ∞ｏｍｙ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏ地【Ｒ】，。２０００ ＳｏｃｉｅＩｙ ｏｆ ＡｌＩｃｏｍ砸ｖｅＥｎｇｉｎｅｅ￥．Ｉｎｃ，２０００?Ｏｌ－１５４【３６］ＫａｆｅｌＩＬ．Ｂｕｄ鹎№ｔＩＤｄａｄＥｈ鞠ｎｉａｎｄＰｒｅｙｓ酗曲ａ甘ｋＡ ＭａＩｌａ＿ｂ－Ｂ船ｅｄＳｉｍｕｌ商ｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ ｆｏｒＥＩ。ｃ咄姐ｄＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃ臼曲ⅧｃｌｅＭ砌啦ａｎｄＤｅｓｉｇｎ明．Ｉ髓Ｅ Ｔｒ删ｏｎＨｙｂ越Ｅｌｅｃ研ｃ ｖ出ｃｌｅｓ―ｓｙＳｔｅｍｓ，Ｖｏｌ ３，Ｎ０ 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并联式、混联式和复台式混合动力电动汽车…５】．【８】ｔ”１＿㈣。并联ＨＥＶ、混联及复合ＨＥｖ的主要应用对象是小型轿车、ＭＰｖ及ＳＵｖ等小型汽车。它们主要是为了更充分发挥汽车的燃油经济性。２．２．１串联式混合动力电动汽车串联式是混合动力电动汽车中最为简单的～种，图２－ｌ为串联式动力系统图。其主要 特点是采用电动机直接驱动车轮，电动机的电能来自于蓄电池组和发电机。转化后的电能 一部分用于给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。和传统汽车相比， 它是一种发动机辅助型的电动车，主要是增加车辆行驶里程。串联式’混合动力电动汽车需 要三个传动装置：发动机、发电机和电动机。发电机和电动机之间采用柔性连接（即为电气 连接，面｛｝机铖连接），使发动机不受汽车行驶工况的影蛹，可以工作在最高效率和较低排 放状态，故可选用功率较小的发动机，但电动机应该满足汽车的功率需要。！！宣！！三些奎兰坚主堂些堡苎――差速器＋驱 动 轮一机械连接；…¨电气连接图２―１串联式混合动力系统串联式ＨＥｖ结构简单，对控制技术要求不高，适合于市内低速运行。尤其对发电机 的控制只需要根据蓄电池的ＳＯＣ来决定是否发电或者停止，发动机基本上在最佳工况下运 行，效率高，同时排放也显著降低。不足之处在于：由于能量传递为机械能一电能一机械 能，效率较低，降低了能量的利用率；同时，正因为能量流为串联方式，对系统每一动力 装置的各自功率都有较大的要求，特别是驱动电机必须满足汽车行驶要求。因此整个系绕庞大，增加了汽车成本及体积。丰田（Ｔｏｙｏｔａ）的Ｃｏｓｔｅｒ、日产的Ｓ皿ｖ和法国雷诺的Ｅｓｐａｃｅ 的概念车都是串联式混合动力电动汽车的代表车型。串联髓ｖ主要应用在城市客车、大型货车及军车等方面。这主要是由于对于大型汽车，不必担心电池容量选择过大，从而得 整车重量增加而影响汽车的动力性能；另一方面，太容量的电池组可以回收更多的再生制 动能量，充分发挥了ＨＥｖ的能量利用率高的特点。２．２．２并联式混合动力电动汽车并联式ＨＥｖ的发动机和电动机以机械能叠加的方式实现驱动，图２．２为并联式动力系 统图。发动机与电机分属两套系统，既可共同驱动又可单独驱动。发动机发出的机械能可 直接通过传动系驱动汽车，电机也可产生驱动力矩来驱动汽车。这里的电机既可以作电动 机又可以作发电机使用。即汽车处于制动状态时，电机作为发电机使用：而在其余状态下， 则作为电动机使用。发动机与后续驱动系统直接连接，能源利用率较高。并联式ＨＥｖ适 合于高速公路上稳定行驶的工况。相比串联式ＨＥｖ，结构相对复杂，需要动力复合装置对 两动力进行叠加，不需要发电机，实现形式较多，控制技术、结构设计与制造要求高。从 概念上讲，它属于电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放与燃油消耗。与串联式混台 动力电动汽车相比，它只需要两个驱动装置一发动机和电机，而且，在蓄电池放完电之前， 如果要获得相同的动力性能，并联式比串联式ＨＥｖ的发动机和电动机体积都要小。其代 表车型有本田（Ｈｏｎｄａ）的Ｉｎｓｉ曲ｔ混合动力电动汽车。第二蕈混合动力系统的分析与设计１７差囤一。动力合成装置：一机械连接；…－?电气连接圉２－２并联式混台动力系统速 器＋驱动轮按照混合比系数的大小变化，就并联混合动力电动汽车来说，动力驱动系统有三种基 本类型，如图２－３所示。即续驶里程延伸型、双模式型和劝力型。续驶里程延伸型ＰＨＥｖ 的设计思想为在普通Ｅｖ上增加一附加的车载能源并及时为蓄电池补充电能或者承担部分 的车辆行驶功率．减少蓄电池的能量消耗，延长汽车的续驶里程。通常，续驶里程型的ＨＥｖ 都装备一个较大容量的蓄电池；助力型ＨＥＶ是普通内燃机增加了电传动系统以优化发动机的工作特性，提高车辆的燃油经济性和降低排放，具有良好的节能潜力；双模式型删综合了前面两种类型的特点，可以零排放的形式行驶很长的距离，但成本比较高，系统结 构也较复杂。图２－３并联混合动力系统驱动系门类２．２．３混联式混合动力电动汽车 混联式是串联式和并联式动力系统的综合，通过计算扒：炙州控制工作过程．实现发动 机和电动机的优化耦合，在结构上保证系统可工作于更复杂的工况下，克服ｒ串联式的能 量损失和并联式的热机工作点优化问题。但系统更为复杂，刘动力复合装置要求更高。目 前一股以行星齿轮作为动力复合装置的基本架构，在此结构中，发动机与行星架相联，通台肥工业大学博士学位论文过行星齿轮将动力传给外圈的齿圈和内圈的太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联、太阳 轮与发电机相联。动力分配装置将发动机的一部分转矩直接传递到传动轴。将另一部分传 给发电机，发电机根据指令可以将该电给电池组，或者用与驱动电动机以增加驱动力。混 联式混合动力电动汽车在结构上综合了串联式和并联式特点，但其结构复杂，成本高。不 过，随着控制技术和制造技术的发展，一些现代混合动力电动汽车更加倾向于选择这种结 构。混联式混合动力电动汽车兼具有串联式和并联式的特点，因而有很多种控制方式。基 本可以分为发动机主动型和电力主动型。运行时，前者主要是发动机起作用，后者主要是 电动机起作用。该系统的代表车为丰田的Ｐｒｉｕｓ。差 速 器＋驱 动 轮Ｏ动力合成装置ｔ一机械连接；２．２．４复合式混合动力电动汽车…－?电气连接圈２－４混联式混合动力系统复合式混合动力电动汽车结构与混联式混合动力电动汽车相似，因为它们都有起发电 机和电动机作用的电机。二者的主要区别就在于复合式中的电动机允许功率流双向流动， 而混联式的发电机只允许功率流单向流动。双向流动使功率流可以有更多的运行模式，这 对于采用三个驱动力装置的混联式混合动力电动汽车是不可能达到的。复合式混合动力电 动汽车同样存在结构复杂、成本高的缺点。差 速 器＋差 速 器＋前 驱 动 轮后 驱 动 轮０动力合成装置：一一‘电气连接：一机械连接图２―５丰田Ｈｖ．Ｍ４混合动力驱动系统第二章混合动力系统的分析与设计复合式混合动力电动汽车的发展主要集中于双轴驱动混合动力系统，在这种系统中ｔ 前轴和后轴独立驱动，前轮和后轮之间没有任何驱动轴或转换器连接，这样可以减轻驱动 系统的质量，增加车辆装配的灵活性，而且同时回收四个车轮的制动动能可以大大提高车 辆的燃油利用率和燃油经济性。丰田（Ｔｏｙｏｔａ）ＴＨｓ．ｃ和Ｈｖ．Ｍ４是该动力系统的的代表。如图２．５所示。２．３并联混合动力电动汽车的功率流分析正确调整混合动力电动汽车传动系的主要目的为了合理决策发动机（主动力源Ｐｆｉｍｅ Ｓ０１｜ｒｃｅ，简称ｐＳ）的工作特性以及它与能量储存器（功率源或辅助能量源，ＳｅｃｏｎｄＳｏｌｌｒｃｅ，简称ｓｓ）之间的能量流动。功率的合理分配主要取决于传动装置的结构和功率源Ｓｓ的瞬 时工作效率特性。混合动力系统结构设计的一个重要问题就是如何对它们的能量效率做出 评估。混合动力系统多种多样，单独测试部件的效率并不能对整个系统的效率做出正确地 评估。混合动力电动汽车在工作过程中，经常发生能量叠加，必须明确混合动力系统的能 流叠加方式和分配规律。２．３．１混合动力驱动系统功率的分析１２ｌ图２．６给出了并联式混合动力传 动系统的功率流向示意图，该图充分 考虑了功率分配函数Ａ（ｆ）和效率函主动力源 辅助能量源最（０坑（ｒ）叩：（ｆ）坑∞数叩（ｆ）以及功率函数Ｐ（ｆ）。从图中可以看出，对混合动力驱动系统来说， 功率流按能量转换、能量传递、牵引 这一路径进行流动。发动机将燃油箱 转换成机械能，发动机输出能量有两 条路径：一是经过变速结构将能量传 递到驱动轮，由驱动轮牵引车辆：另一条是遁过电机转换为电能，再由电 池转换为化学能。功率流的大小和方只（ｆ）五（ｆ） 礓（ｆ）编Ｏ）玩（ｆ）．．变速器．弓（ｆ）＜：二～ｊ匕二＝咯（ｆ）驱动轮 图２―６混合动力传动系功率流幽向，取决于功率分配函数Ａ（ｆ）和混合 动力系统的工作模式。图中Ｒ（ｆ）一主动力源；Ｐｓ输出功率：只Ｏ）一辅助能量ｓｓ输出功率：幺（，）一ｓｓ吸收功率：ＢＧ）一牵引功率；ＰＲ（ｆ）～车轮嘲馈功率：玎ｌ―ＰＳ输出功率效率；吼一ｓｓ输出功！！鱼！！三些查兰坚主兰垡笙茎一――ｆＡ（ｆ）ＰＩ（ｆ）十尸２（‘）＝ｏＩＡ（ｆ）只（ｆ）＋Ｐ２（ｆ）＞ｏ，斥（７）＞ｏ ，＆Ｏ）＝ｏ ，尸２（。）＞ｏ，率效率：戎一ｓｓ吸收功率效率；％一电机电动运行时的效率：７７ ３一电机发电运行时的效率。为了避免混合传动系统的功率同时双向流，，对控制过程作出如下约束：（２Ⅲｆ（１一五（ｆ））只（７）＝ｏｌ（１一五（ｆ））Ｐｌ（ｆ）＞ｏ（２－２）Ｐｚ（ｆ）＝ｏ式（２．１）说明当再生制动发生时（斥Ｏ）＞ｏ），主动力源和辅助动力源不得向外提供 能量，式（２―２）说明当辅助动力源向外提供能量时（只（ｆ）＞ｏ），主动力源不得向辅助动力源提供能量。这两个条件在一起约束了主动力源和辅助动力源的能流交换。混合动力传动系统能量评估的基础是根据外界负载状况（只（ｆ））的变化来动态的决定其各个部件的效率。２．３．２并联式混合动力电动汽车的功率平衡 图２－７给出了双源混合动力传动的结构框图。图２－８给出了一简单循环中车速ｖ（ｆ）与 功率Ｐ（Ｄ的时间函数。刁２巧（，Ｐｓ一主动力源：ｓｓ一辅助动力源；Ｍ一电动机：Ｒ一车轮：Ｔ一传动系图２―７菇联式混合动力系统传动结构框图结合图２?３给出的并赋式混合动力电