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1、混合動力汽車ISG電機工作特性分析第1章緒論1.1 概述目前世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的兩大難題是環(huán)境污染、石油資源匱乏，環(huán)保 和節(jié)能是21世紀汽車技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，同時各國的排放法規(guī)也日趨嚴格?；?合動力汽車（HEV）正是具有低污染、低油耗特點的新一代清潔能源汽車。目前制造成本 最低、最容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)的是采用起動機發(fā)電機/電動機一體化（ISG）技術(shù)的輕度混合 動力汽車（1SG-MHV）它只需要對內(nèi)燃機進行改造，比較容易在現(xiàn)有傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車上 實現(xiàn)，混合程度小、電機功率低，尤其適合在轎車上實現(xiàn)。1.2 組成結(jié)構(gòu)ISG 型輕度混合動力汽車動力單元主要包括發(fā)動機、牽引電機、能量管理系統(tǒng)、

2、動 力傳動系統(tǒng)。ISG-MHV中一般使用較低功率的發(fā)動機，因為加速和爬坡時并不只由發(fā)動機單獨提 供功率，而是由電動驅(qū)動裝置及能量存儲單元（電池組、儲能飛輪或者超能電容器）與發(fā) 動機一起驅(qū)動汽車行駛。發(fā)動機的額定功率一般在50 kW左右。電機是電氣驅(qū)動系統(tǒng)的核心，電機的性能、效率直接影響電動汽車的性能。此外， 電機的尺寸、重量也影響汽車的整體效率。由于空間布置有限，最好采用扁平形結(jié)構(gòu)， 同時功率不能太大，當前成功開發(fā)的ISG-MHV；采用直流永磁無刷電機，具峰值功率約 為 1015 kWA能量管理系統(tǒng)是提高混合動力汽車經(jīng)濟性、動力性和減少廢氣排放水平的關(guān)鍵，該 系統(tǒng)包括儲能、能量管理和混合動力系

3、統(tǒng)中央控制單元。常用的儲能單元有電化學(xué)電池、 燃料電池、飛輪電池及超大容量電容等。ISG-MHV采用電化學(xué)電池，包括鉛酸電池、 鍥氫電池、銀離子電池和鈉硫電池等，具技術(shù)比較成熟，成本相對較低。動力傳動系統(tǒng)用于均衡、傳遞并調(diào)節(jié)混合動力源的輸出轉(zhuǎn)矩與功率，以滿足整車動 力驅(qū)動的需要。主要包括扭矩或轉(zhuǎn)速合成器、離合器、變速器、傳動軸、驅(qū)動車輪等。上面4個單元都有各自的控制管理器。所有控制子系統(tǒng)通過CAN總線向多能源動力 總成管理系統(tǒng)發(fā)送子系統(tǒng)運行信息，同時接受多能源總成管理系統(tǒng)的控制命令，混合動 力系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)通過多能源總成管理系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖1.1所示。CAN總線:蘇曉源； |動力總成| :管界系

4、及：I I|您G/氟瓶j j電池捐子系統(tǒng)i 12V用電系統(tǒng)J一 U _ UH _h -，一 圖1.1混合動力系統(tǒng)多能源總成管理系統(tǒng)發(fā)動機和電機的布置方式也不盡相同。一種是將電機直接安裝在內(nèi)燃機曲軸輸出端，并且ISG轉(zhuǎn)子要與曲軸周結(jié)，取代飛輪及原有的起動機和發(fā)電機，如圖 1.2所示 一種是在發(fā)動機前端用皮帶傳動機構(gòu)，將ISG電機和發(fā)動機聯(lián)結(jié)起來，并把起動機同樣 連接在ISG電機的機構(gòu)中，節(jié)省了內(nèi)部空間，如圖 1.3所示。圖1.2整車系統(tǒng)方案圖1.3外掛盤式電機與發(fā)動機曲軸相連型ISG1.3 1SC功能分析ISG-MHV可以實現(xiàn)自動起停、功率補償及高效大功率電能輸出功能。1.3.1 自動起停功能傳

5、統(tǒng)的車用起動機只將內(nèi)燃機加速至起動轉(zhuǎn)速 （例如200r/min） , ISG作為電動機 在短時間內(nèi)（通常加速時間僅為0.10.2 s）將內(nèi)燃機加速至怠速轉(zhuǎn)速（例如800r/min）, 然后內(nèi)燃機才開始缸內(nèi)的燃燒過程。高轉(zhuǎn)速電起動過程不僅降低了內(nèi)燃機起動時的燃料 消耗，還改善了排放。自動起停功能的實現(xiàn)過程如下：如果汽車較長時間處于空載狀態(tài)， 例如在路口等紅燈時，內(nèi)燃機一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動使內(nèi)燃機停止運行，同時ISG 也停止工作，需要起步時，ISG在0.10.2 s起短時間內(nèi)完成起動任務(wù)。在城市工況下， 汽車不停地起步和停車以及內(nèi)燃機處于怠速的情況非常多，自動起停系統(tǒng)利用電動機快速起動的特點

6、避開了內(nèi)燃機低速起動和長時間怠速，提高了整車燃油經(jīng)濟性和排放性 能。1.3.2 功率補償功能內(nèi)燃機在低速大負荷時的燃油經(jīng)濟性和排放性能均不佳，通常情況下內(nèi)燃機在此工況下的轉(zhuǎn)矩輸出有限，如果需要內(nèi)燃機在低速大負荷時能夠提供較大的功率就必須選 用更大排量的內(nèi)燃機，這樣雖然滿足了動力性要求，但犧牲了燃油經(jīng)濟性。ISG可以在內(nèi)燃機低速大負荷時工作在電動機狀態(tài)，提供一部分輔助功率，提高低速時內(nèi)燃機的動 力性能。例如，當內(nèi)燃機以較低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，如果加速踏板的行程大于滿行程的90%ISG就開始進行功率補償，當加速踏板達到滿行程時，ISG提供最大瞬時功率。1.3.3 高效大功率電能輸出功能ISG用作發(fā)電機時可

7、以提供610 kW功率輸出，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率 80犯上。普通車用發(fā)電機通常由內(nèi)燃機曲軸通過皮帶驅(qū)動，最大輸出功率僅為1.52.5 kW,發(fā)電機的最大效率為70%而高速時僅為30%無法滿足現(xiàn)代汽車電子產(chǎn)品功率需求。ISG 高效大功率的電能輸出能力遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)車用發(fā)電機，不僅能使電動助力轉(zhuǎn)向、電動制 動以及電子動氣門等需要較大功率供電的新興汽車電子技術(shù)得到充分應(yīng)用，而且原先由齒形皮帶驅(qū)動的汽車附件，如空調(diào)壓縮機等，都可以由專用的電動機帶動，并控制電動 機運行在最佳工況點，提高整車效率。1.3.4 其余功能除了以上3個主要功能以外，ISG還可以將汽車減速或制動時的動能轉(zhuǎn)換成電能， 為車載電池進行充

8、電，提高燃油經(jīng)濟性。ISG取代飛輪的作用，可以通過自身的轉(zhuǎn)動慣 量以及在電動機和發(fā)電機之間來回切換狀態(tài)，平衡內(nèi)燃機曲軸的波動，成為有源飛輪起 到減震器的作用。內(nèi)燃機附件全部采用電動方式驅(qū)動，齒形皮帶及齒輪組可以全部省掉， 同時可以省去傳統(tǒng)的發(fā)電機和電動機，內(nèi)燃機附件的布置可以更加靈活。1.4 控制策略發(fā)動機效率在低速時偏低，扭矩也較小，而在中高負荷時效率較高，負荷再大時效率又會下降，見圖1.4。為了盡量使發(fā)動機在高效率下工作，可以根據(jù)ISG的結(jié)構(gòu)特點制定具體控制策略。起動時，ISG作為電動機狀態(tài)在短時間內(nèi)（通常為0.10.2s）將內(nèi)燃機加速至怠速 轉(zhuǎn)速，然后內(nèi)燃機開始缸內(nèi)燃燒過程，隨后離合器結(jié)

9、合，開始行駛循環(huán)i 0002 00030004 00050006 000N (r/min)圖1.4發(fā)動機特性曲線汽車巡航或以較低速度行駛時，如果此時蓄電池的荷電狀態(tài)值 Bsoc低于其限定的 最大值Bsoctop時，ISG轉(zhuǎn)換至發(fā)電機狀態(tài)，向電池組充電。但若此時蓄電池Bsoc等于 或大于其限定值時，為了延長蓄電池的使用壽命，ISG不能向蓄電池充電。當汽車加速或爬坡時，令I(lǐng)SG工作在電動機工況，提供一部分輔助扭矩；但在 1檔 時，ISG均不助力。當汽車處于怠速空載狀態(tài)時，內(nèi)燃機停止運行，同時 ISG也停止工 作；需起步時，ISG作為電動機在短時間內(nèi)完成起步任務(wù)。當汽車減速或制動時，ISG處于再生制

10、動工況。1.5 國內(nèi)外ISC研究現(xiàn)狀和實際應(yīng)用在混合動力汽車研究領(lǐng)域，日本汽車公司是國際混合動力汽車制造企業(yè)的一個標 桿。上世紀90年代以來，國外所有知名汽車公司均投入巨資開始進行電動汽車和混合 動力汽車實用車型的研發(fā)。從新世紀初開始，在“ 863”計劃的推動下，中國汽車制造 企業(yè)和科研機構(gòu)在混合動力汽車方面也取得了很大的發(fā)展。下面對各國在ISG方面的研究和發(fā)展現(xiàn)狀作一個概括介紹。本田自1999年11月開始在日本推出安裝ISG系統(tǒng)的混合動力轎車Insight。本田 Insight的動力系統(tǒng)包括一臺作為主動力源的 1.0 L稀薄燃燒汽油機（空燃比為26: 1） 和作為輔助動力的10kW勺ISG,

11、 ISG采用了抗熱性強的永磁體，薄型線圈，風(fēng)冷，超薄 型電機的厚度僅為60mm此后，本田共推出了 3款混合動力產(chǎn)品。2001年12月，在主 力車型CIVIC上加載混合動力技術(shù)的 CIVIC Hybrid開始在日本市場銷售。2004年12 月，安裝可變氣缸系統(tǒng)的 V6發(fā)動機和ISG系統(tǒng)的Accord Hybrid開始在北美銷售。2000 年2月，戴克公司在華盛頓的國家博物館推出了其輕度混合型概念車DodgeESX3 ESX3采用先進的共軌式柴油高壓供油系統(tǒng)、變截面渦輪增壓系統(tǒng)和多氣門頂置雙 凸輪軸的直噴式柴油機，并采用鋁合金結(jié)構(gòu)降低重量，達到了最好的燃料經(jīng)濟性。安裝 ISG系統(tǒng)可減少系統(tǒng)重量、優(yōu)

12、化啟動性能、回收制動能量，并通過怠速關(guān)機來降低燃料 消耗和排放，使動力系統(tǒng)的匹配達到最優(yōu)組合。2006 年1月奇瑞汽車有限公司承擔(dān)“ ISG混合動力轎車用汽油發(fā)動機研發(fā)”和 “B-ISG轎車關(guān)鍵技術(shù)與核心零部件研發(fā)”兩個項目順利通過驗收。奇瑞ISG動力系統(tǒng)由“1.3L汽油機+5速手動變速器+10kW電機+144V鍥氫電池”組成，電機采用永磁同步 電機并帶有電機控制系統(tǒng)、逆變器以及DC/DC專換器。最高穩(wěn)定車速180km/h,0100km 加速時間011.3s,加速行駛時車外最大噪聲071dB,在城郊綜合工況下油耗 4.95L/100km。參照聯(lián)邦德國提案，該類型車排放達到歐V標準。奇瑞B(yǎng)-IS

13、G動力系統(tǒng)由“1.6L汽油機+5速手動變速器+2kW電機+12V鉛酸電池”組成，電機采用爪極電機并 帶有電機控制系統(tǒng)。最高穩(wěn)定車速180km/h, 0100km加速時間0 12.8s,在城郊綜合 工況下油耗為6.3 L/100km ,排放達到歐IV標準。長安汽車（集團）有限責(zé)任公司在科技部、重慶市科委、中國兵器裝備集團公司的大 力支持下，聯(lián)合清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、重慶大學(xué)、北航等高校和科研單位共同承擔(dān)“ISG混合動力長安轎車整車項目”，目前也已通過國家級驗收。其油耗已降低了30%排放已達歐田標準。樣車最大時速可達 160km/h,整車成本的增加有效地控制在 30犯 內(nèi)，加速性能與同檔次的汽車

14、相當，續(xù)駛里程大于 500kmi最大爬坡度可達25%吉利華普海尚MA御尚305）在第7屆上海工業(yè)博覽會上登場。這款車是由上海交通 大學(xué)自主知識產(chǎn)權(quán)的混合動力技術(shù)改造開發(fā)的一臺中度混合動力轎車。該車采用發(fā)動機曲軸ISG方案，1.5發(fā)動機曲軸并聯(lián)電動機的一體化設(shè)計， 優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、 成本低，可節(jié)省燃料20流右。1.6 論文選題的意義和研究內(nèi)容1.6.1 論文選題的意義混合動力汽車動力部件的合理選配，在很大程度上影響了整車系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保 方面的潛力發(fā)揮，ISG系統(tǒng)作為一種輕度混合動力系統(tǒng)，具結(jié)構(gòu)特點比較獨特，動力系統(tǒng)的參數(shù)選配與高混合比混合動力汽車有較大差異，具有比較明顯的特點，因此有

15、必要 針對ISG系統(tǒng)的特點進行參數(shù)匹配的研究。另外，ISG混合動力系統(tǒng)部件眾多，協(xié)調(diào)復(fù) 雜，行駛路況和駕駛員操作的隨機性，不同駕駛習(xí)慣和風(fēng)格都給駕駛意圖判斷帶了困難 為了克服這些困難，需要制定合適的控制策略以保證ISG混合動力系統(tǒng)在滿足駕駛需求(動力性、駕駛平穩(wěn)性等)的前提下，合理分配各動力部件的輸出，以求達到良好的整 車性能要求。作為關(guān)鍵技術(shù)之一的控制策略早已成為研究混合動力汽車的重要課題，本 文以ISG系統(tǒng)實用性為突破口，主要研究了 ISG混合動力系統(tǒng)能量分配及控制算法在 實車上的應(yīng)用。1.6.2 論文研究內(nèi)容本論文選題主要就ISG混合動力汽車的參數(shù)匹配、建模與仿真、控制策略的制定 及優(yōu)化

16、等方面進行研究，目標是為ISG混合動力汽車的設(shè)計和試制提供理論依據(jù)。具 體技術(shù)路線和研究內(nèi)容如下：(1)分析ISG混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，確定本文ISG混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。 以預(yù)期的動力性指標和燃油經(jīng)濟性為目標， 通過汽車行駛方程式初選整車動力系統(tǒng)主要 部件的參數(shù)，采取合理的優(yōu)化方法對選擇的參數(shù)進行優(yōu)化匹配，最終確定各參數(shù)。(2)建立ISG混合動力系統(tǒng)各動力部件的模型，最后根據(jù)整車的仿真模型。建模 仿真是汽車動力系統(tǒng)研發(fā)的重要手段。通過仿真分析可靈活調(diào)整設(shè)計方案，合理優(yōu)化參 數(shù)，預(yù)測各種條件下的系統(tǒng)性能，另外通過建模仿真也是整車控制策略研究的必要手段。(3)系統(tǒng)分析基于邏輯規(guī)則的門限控制策

17、略、模糊控制策略和全局及瞬時優(yōu)化控制策略的控制算法及優(yōu)缺點，并根據(jù) ISG混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點，提出適合 的控制算法。對控制策略進行了仿真研究，檢驗了控制算法的準確性。(4)再生制動是混合動力汽車提高能量利用率，增加續(xù)駛里程的重要技術(shù)手段。在對汽車制動動力學(xué)和電機輸出特性進行分析的基礎(chǔ)上，提出合理的再生制動控制策 略，給出控制算法，目標是以滿足汽車制動安全為前提，盡可能回收制動能量。(5)對混合動力系統(tǒng)動力部件進行臺架性能試驗，以獲取建模和控制策略所需的 數(shù)據(jù)。同時對提出的控制策略進行實車道路試驗，就其動力性、經(jīng)濟性等進行測試，驗 證控制策略的有效性。1.7本章總結(jié)隨著石油能源日益緊缺

18、，環(huán)保意識不斷加強以及排放法規(guī)要求不斷提高，傳統(tǒng)汽車 產(chǎn)業(yè)必將迎來新的更大的挑戰(zhàn)。對各種新能源汽車的研發(fā)也是如火如茶，但也面臨著成 本太高、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、推廣困難等問題?；旌蟿恿ζ囀菍Ξ斍八媾R問題的一個很 好的過渡解決方案。其中ISG型的混合動力方式是一個重要的研究方向。ISG混合動力 汽車屬于輕度混合動力汽車，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本 低，適用于對價格較為敏感的經(jīng)濟型車， 特別適合城市某些專用車，對特定行駛工況的燃油消耗量的減少有著突出作用。隨著ISG技術(shù)的不斷完善，相信將來會在越來越多的車輛上應(yīng)用。第2章混合動力汽車ISG電機啟停功能特性分析2.1 概述傳統(tǒng)的車用起動機只將內(nèi)燃機加速至起動轉(zhuǎn)

19、速 （例如200r/min） , ISG作為電動機在 短時間內(nèi)（通常加速時間僅為0.10.2s）將內(nèi)燃機力口速至怠速轉(zhuǎn)速（例如800r/min）,然 后內(nèi)燃機才開始缸內(nèi)的燃燒過程。高轉(zhuǎn)速電起動過程不僅降低了內(nèi)燃機起動時的燃料消 耗，還改善了排放。自動起停功能的實現(xiàn)過程如下：如果汽車較長時間處于空載狀態(tài)， 例如在路口等紅燈時，內(nèi)燃機一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動使內(nèi)燃機停止運行，同時ISG 也停止工作，需要起步時，ISG在0.10.2 s起短時間內(nèi)完成起動任務(wù)。在城市工況下， 汽車不停地起步和停車以及內(nèi)燃機處于怠速的情況非常多，自動起停系統(tǒng)利用電動機快速起動的特點避開了內(nèi)燃機低速起動和長時間怠速，提

20、高了整車燃油經(jīng)濟性和排放性 能。節(jié)能減排是目前汽車技術(shù)重要任務(wù)，快速起停技術(shù)可以是車輛在擁堵或等紅燈時自 動關(guān)閉發(fā)動機，當駕駛員踩下離合器或油門或松開制動踏板時又會自動快速起動發(fā)動 機。相對與混合動力汽車，快速起停技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)怠速停機功能。2.2 ISG電機起停功能特性分析仿真實驗根據(jù)華普弱混合動力轎車 SMA7150勺相關(guān)發(fā)動機和電機參數(shù)，運行仿真后可以得到 發(fā)動機啟動過程轉(zhuǎn)速曲線如圖2.1所示。圖2.1中：曲線1為電機包轉(zhuǎn)速控制帶動發(fā)動 機啟動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速到達 800r - min-1 一時開始點火，因為電機處于恒轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)， 當發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過800r min-1時，電機開始拖曳發(fā)動機從

21、而導(dǎo)致發(fā)動機到達 l200r min-1 目標轉(zhuǎn)速的時間較長，不利于發(fā)動機快速啟動；曲線 2的控制過程為ISG電機包轉(zhuǎn)速控 制將發(fā)動機拖動至點火轉(zhuǎn)速800r min-1,發(fā)動機點火啟動，同時，電機轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制模 式，給發(fā)動機提供轉(zhuǎn)矩補償，補償轉(zhuǎn)矩由40NJ- m按線性遞減至0,發(fā)動機自點火開始對 外輸出轉(zhuǎn)矩，同時電機予以轉(zhuǎn)矩補償，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速升到1400r min1左右，由于電機在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到1200r min-1時退出工作狀態(tài)，發(fā)動機已經(jīng)順利啟動進入自身EMS（engine management system）閉環(huán)控制，從該曲線可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速很快地穩(wěn)定到 預(yù)定的怠速轉(zhuǎn)速附近，發(fā)動機E

22、MS艮據(jù)其運行狀態(tài)，快速進入怠速閉環(huán)控制；曲線 3為 1 發(fā)動機普通后動萬式，由于后動時的加濃噴油，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速升至150r min左右，此啟動加濃過程是發(fā)動機啟動時排放較差的主要因素。從仿真結(jié)果可知，發(fā)動機最優(yōu)的后動方式為曲線2,即由ISG電機通過恒轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動機拖動至點火轉(zhuǎn)速，發(fā)動機開 始點火啟動，電機轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制模式補償發(fā)動機啟動時的轉(zhuǎn)矩波動，使發(fā)動機在很短的 時問內(nèi)進入油耗和排放較低的怠速閉環(huán)控制。時間Fms圖2.1發(fā)動機啟動過程轉(zhuǎn)速曲線2.3 臺架試驗根據(jù)以上分析的發(fā)動機啟動特性，結(jié)合預(yù)定的發(fā)動機啟動控制策略，通過發(fā)動機臺 架試驗進一步分析和研究發(fā)動機的啟動性能。該試驗同樣分為上述

23、3種情況進行對比，轉(zhuǎn)速曲線如圖2.2所示。圖2.2中：曲線1為電機包轉(zhuǎn)速控制方式，無轉(zhuǎn)矩補償；曲線 2為電機包轉(zhuǎn)速控制 將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到噴油轉(zhuǎn)速 800r min-1,轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制，電機助力，轉(zhuǎn)矩值為 40NJ- m, 并開始轉(zhuǎn)矩遞減，當轉(zhuǎn)速到達1200r min-1時電機助力轉(zhuǎn)矩為0；曲線3為傳統(tǒng)啟動方 式。5 65 125 1防 245 JQ5 425 485 陰 665對比3種轉(zhuǎn)速曲線可知：曲線3即傳統(tǒng)啟動方式，轉(zhuǎn)速瞬間超過1400r - min-1,然后 !1200R eoo400再緩慢下降。的訓(xùn)皿圖2.2發(fā)動機啟動過程轉(zhuǎn)速變化促使發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬間提升的原因就是過濃噴油，這個過程油耗高、排

24、放差，這是混 合動力必然要解決的問題。曲線 2中800r min至1000r min有一平臺期，然后迅速 上升至1400r min-1 一左右，維持一段時間后迅速衰減，出現(xiàn)波谷，然后再緩慢上升。 造成“平臺期”的原因是試驗中用手動控制噴油信號，可能出現(xiàn)一些延時。但即使用軟 件控制，也不可避免有幾十 ms的延時。這個延時對啟動控制來說不是很重要。曲線 1 中，轉(zhuǎn)速到達800r min-1后，較長時間才升至1200r min-1左右，即不助力的情況下， 會延長啟動時間。通過對仿真曲線和試驗曲線的對比后發(fā)現(xiàn)曲線 2是所需要的發(fā)動機啟動過程。當然, 如果對電機的補償轉(zhuǎn)矩再做一下優(yōu)化，使得曲線 2中的A

25、段平臺期縮短，則可以使發(fā)動 機啟動時既不缺乏動力性又符合平順性。將噴油轉(zhuǎn)速設(shè)定在800r - min-1左右的原因是當發(fā)動機開始噴油后，EM*U斷直接進入怠速工況的怠速閉環(huán)控制， 這時的噴油量很小， 噴油脈寬只有14ms左右，其噴油脈寬的變化與傳統(tǒng)方式的比較如圖2.3所示。正常自動ISG啟動時|現(xiàn)m*酬M前和10圖2.3發(fā)動機啟動過程噴油脈寬圖2.3可知，發(fā)動機并未出現(xiàn)啟動加濃過程，而發(fā)動機啟動初期排放較差的原因是 由于啟動時的過濃噴油，取消了這一過程，就使得發(fā)動機的排放大幅下降。2.4 本章小結(jié)混合動力汽車ISG電機在混合動力汽車啟動時減少了汽車發(fā)動機加濃噴油的過 程，從而節(jié)省了由于汽車發(fā)動

26、機啟動時加濃噴油過程所浪費的燃油量。第3章ISG混合動力汽車加速扭矩補償特性分析混合動力汽車在節(jié)能減排方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢，成為當前的研究熱點。對于混合動力汽車，為提高燃油經(jīng)濟性和降低排放，一般通過優(yōu)化發(fā)動機穩(wěn)態(tài)策略使發(fā)動機工作 在高效區(qū)，電機起消峰填谷作用。汽車在加速工況時，由于油門踏板突變，此時發(fā)動機 處于瞬態(tài)過程，ECU會立刻加濃噴油來滿足整車動力性要求。而對于廢氣渦輪增壓柴油 機來說，當發(fā)動機處于瞬態(tài)過程時，由于廢氣渦輪增壓器葉輪的慣性造成進氣明顯滯后， 因此在加速過程中會導(dǎo)致排放和燃油消耗的上升。高壓共軌增壓柴油機可以通過發(fā)動機 瞬態(tài)工況優(yōu)化來避免這種加濃噴油現(xiàn)象的發(fā)生，而裝用增壓柴

27、油機的ISG混合動力汽車 在加速過程缺失的動力可用電機助力來彌補， 通過電機助力可以使發(fā)動機盡快達到穩(wěn)態(tài) 工況，縮短過渡工況時間。本研究針對這一問題制定了混合動力汽車加速扭矩補償策略， 并進行了仿真研究。3.1 加速過程扭矩分析共軌燃油系統(tǒng)的工作流程見圖 3.1。對于廢氣渦輪增壓柴油機來說，當發(fā)動機處于 加速工況時，廢氣渦輪增壓器葉輪的慣性造成進氣存在著明顯的滯后性，因此，為保證 加速過程中的燃油經(jīng)濟性和排放性， 在加速過程中就必須相應(yīng)地根據(jù)進氣量對發(fā)動機進 行油量限制，在此過程中 TeTd_req（Td_req為駕駛員扭矩需求，t為實際發(fā)出的扭矩），因 此加速扭矩不足，從而影響了整車的動力性

28、.圖3.1共軌燃油系統(tǒng)的工作流程簡圖3.2 加速扭矩補償策略研究表明，發(fā)動機扭矩變化的時間常數(shù)明顯大于電動機扭矩變化的時間常數(shù)，所以汽車加速時，可以實時采集整車需求扭矩與發(fā)動機的實際輸出扭矩，不足部分可用電機進行動態(tài)補償。扭矩協(xié)調(diào)控制算法為“離合器輸入端需求扭矩一發(fā)動機的實時扭矩+電 動機的扭矩補償”，這就需要實時反饋發(fā)動機的動態(tài)扭矩，可以通過發(fā)動機平均值模型 估算發(fā)動機扭矩來解決，發(fā)動機模型的輸人參數(shù)為發(fā)動機運行過程中通過傳感器實時測 得的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門位置，通過發(fā)動機平均值模型就可以計算發(fā)動機實時發(fā)出的扭矩。動態(tài)扭矩補償控制算法見圖3.2發(fā)動機的發(fā)動機扭用日殛矩*爨傕率世上十班也啊發(fā)動機

29、總車控制器發(fā)動機扭矩f發(fā)動機平均他模出件線低寸I 駕駛員！北的玷 1扭矩需求扭地分扭矩需 *配皴略電機L汽泵工況隊副圖3.2動態(tài)扭矩協(xié)調(diào)策略算法3.3 驅(qū)動扭矩需求Td-rep的確定。Td-rep反映了駕駛員對車輛驅(qū)動扭矩的需求，在車輛行駛過程中，駕駛員的扭矩需求主要是由基于油門位置和轉(zhuǎn)速的駕駛特性MAP圖（見圖3.3）來確定。1（0 20%圖3.3駕駛特性圖E1r逋紀與漏期3.4電機目標扭矩Tm-tar的確定在車輛加速過程中，可以通過電機驅(qū)動助力來彌補整車需求動力，電機的目標扭 矩為當Tm-tar大于Tm-max。（Tm-max為電機的最大輸出扭矩）時，受電機功率限制，期望扭矩超過了電機的驅(qū)

30、動能力，電機無法提供期望驅(qū)動扭矩，此時電機的目標扭矩為(3.(2)T ,vtr當Tm-tar小于等于Tm-max時，電機完全有能力提供所需要的期望扭矩，電機的目標扭 矩為(3.(3)隨著時間t逐漸增加，Tm-tar會逐漸變小，直到滿足邊界條件 Tm-tar小于Td-rep（6為 扭矩補償結(jié)束條件系數(shù)，6=4% ）時，電機便停止扭矩補償。3.5發(fā)動機實時扭矩Te的估算通過在Matlab/simulink環(huán)境下建立發(fā)動機的平均值模型來反饋發(fā)動機的實時扭矩，平均值模型見圖3.4埴氣機通包科回田中 n Wll=* Mi I褐輪機tfltrps動力壞?圖3.4發(fā)動機平均值模型3.5 . 1壓氣機模型采用

31、simulink設(shè)計壓氣機模塊時，輸入量為增壓器的轉(zhuǎn)速和流量，輸出量為空氣 出口的壓力、溫度及壓氣機消耗的扭矩，它們可由下面公式計算：T3 = T 1 + /NR -1,丁曄 = J r-r 咨9眸瓦丁】【方（/號-13*7： 后一上 外（3.1）式中，T2為壓氣機出口溫度，T1為環(huán)境溫度，砰為壓氣機效率，k為氣體比熱容比，Ttqc 為壓氣機消耗的扭矩，nc為壓氣機轉(zhuǎn)速，qmc為增壓器進氣流量，Rg為氣體常數(shù)，Pz為壓氣機出口壓力，P1為環(huán)境大氣壓力，b為增壓比。廢氣渦輪機的模型與壓氣機模型類似。3.5.2 增壓器動力學(xué)模型本模型中，不計摩擦損失和散熱損失，認為渦輪機發(fā)出的扭矩全部用于壓縮空氣

32、，則由牛頓第二定律可得增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動平衡方程(3.2)式中，Jtc為增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，ntc為渦輪機轉(zhuǎn)速。發(fā)動機動力學(xué)模型與增壓器動 力學(xué)模型類似。3.5.3 中冷器模型(3.3)A k (V/(4jt) 4式中，Ttqi為指示扭矩，Hhiv為燃油的低熱值，qf為燃油質(zhì)量流量，F(xiàn)f為平均摩擦力， Vm為活塞平均速度，Ttqf為摩擦扭矩。3.6 仿真結(jié)果圖3.4模型中的信號發(fā)生器用來模擬油門位置的突變過程（即加速過程），階躍信號發(fā)生器ML用來模擬外界負載的變化。仿真初始值的設(shè)置：初始轉(zhuǎn)速為1100r/min,外界負載ML為185.5 N m,油門開度為40%。仿真時油門開度的變化見圖3.5

33、,在仿真 進行2s時，油門開度由40%突變?yōu)?5%并保持到仿真結(jié)束。圖3.6示出有加速扭矩補 償和無加速扭矩補償時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果。在外界負載固定為185. 5N ITI時，仿真進行2 s時，由于油門開度由40%突變?yōu)?5%,此時發(fā)動機從1 100 r/min加速并 最終穩(wěn)定在2338 r/min,從仿真結(jié)果可以看出：沒有加速扭矩補償時，當仿真進行8S時達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，有加速扭矩補償時，仿真時間為 5s時達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，縮短了加速時間。圖3.7示出了加速過程中需求扭矩和發(fā)動機實際扭矩的仿真結(jié)果，在2s時由于油門突變，需求扭矩也相應(yīng)從185. 5N m突變?yōu)?71N m,加速過程中發(fā)動機實際扭矩

34、小 于需求扭矩。圖3.8示出電機補償扭矩的仿真結(jié)果，由于電機扭矩的補償，使得發(fā)動機 實際扭矩與電機扭矩之和滿足了需求扭矩，大大縮短了加速時間。1l4-6時間國去二更圖3.5油門開度變化圖3.7發(fā)動機扭矩仿真結(jié)果需求擔(dān)矩一發(fā)動機扭矩*電機扭矩02 4 - 6時間wo 400 E 漕 量.圖3.8電動機扭矩的仿真結(jié)果-2003.7 本章總結(jié)通過對裝備廢氣渦輪增壓共軌柴油機的ISG混合動力汽車的瞬態(tài)加速扭矩補償控制 策略的研究，可以在滿足整車動力性的同時，改善混合動力車的燃油經(jīng)濟性.通過電機 在加速時進行加速扭矩補償，可以大大縮短加速時間，在滿足經(jīng)濟性和排放性的同時提 高了加速性能；經(jīng)過電機的加速扭

35、矩補償后，發(fā)動機與電機的扭矩輸出可以實時滿足扭 矩需求，在標定駕駛特性MAP圖時就有了更大的靈活性。第4章ISG混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)匹配ISG混合動力系統(tǒng)設(shè)計初期要解決的問題是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇和動力部件的匹配。本課題是以某一原型車的車體為基礎(chǔ)進行的，原車的發(fā)動機被取走，但車身和離合器 和變速器等部件被保留。本章介紹ISG混合動力系統(tǒng)的幾種典型結(jié)構(gòu)，對其主要的性 能特點進行分析，根據(jù)其功能要求，確定本課題的結(jié)構(gòu)組成；以滿足動力性和燃油經(jīng) 濟性目標為前提，利用參數(shù)匹配的基本原理和方法，對確定的ISG混合動力系統(tǒng)進行部件選型和參數(shù)的初步匹配。4.1 ISG混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型ISG 混合動力系

36、統(tǒng)中，ISG電機的功率比發(fā)動機功率要小得多，即整車混合比較 小，而ISG電機的體積也不大，這樣的特點使得 ISG系統(tǒng)布置自由度較大，因此，可 以根據(jù)整車結(jié)構(gòu)的安排需要靈活安排電機的位置，一般不至于對整車的結(jié)構(gòu)安排造成 很大影響。在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同汽車的整體布置結(jié)構(gòu)ISG與發(fā)動機的連接有直接和問接兩種方式。其中的直接方式是指發(fā)動機與 ISG電機同軸，工作時二者的輸出扭矩在同一軸上耦合，經(jīng)過耦合后的總轉(zhuǎn)矩輸入到變速器沿傳動軸傳送到驅(qū)動輪驅(qū)動汽車行 駛。這種聯(lián)接方式中，發(fā)動機和ISG電機之間一般裝有離合器，在必要時用來切斷發(fā) 動機和ISG電機的動力傳輸。直接式結(jié)構(gòu)的主要特點是：結(jié)構(gòu)緊湊、耦合直接

37、，傳動 效率高，但由于電機布置在發(fā)動機和離合器之間，對于改裝車容易受到整車布置結(jié)構(gòu)的限制。直接式ISG混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.1所示圖4.1直接式ISG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖4.2間接式ISG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖間接方式中發(fā)動機與ISG電機一般通過皮帶聯(lián)接，也稱為 BAS (belt-driven alternator starter ),其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.2所示。間接式聯(lián)接多用于傳統(tǒng)汽車的改裝，其主要特點 包括：1、布置靈活，可以根據(jù)原車的空間布置找到合適的電機安裝位置，使其能與發(fā) 動機通過皮帶連接傳輸動力，不需要對原車的結(jié)構(gòu)做大的改動，降低了改裝成本；2、皮帶具有質(zhì)量輕的特點，與齒輪傳動相比，大

38、大降低了動力總成的質(zhì)量。但皮帶彈性較 大，影響了發(fā)動機和電機間的動力傳輸效率，造成一定的能量損失。上面簡單介紹了 ISG混合動力系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)及其特點，具體結(jié)構(gòu)方式的選定還 需要考慮經(jīng)濟性要求等因素?？紤]到本課題整車的布置空間較大，衡量各種因素，最 后確定使用直接聯(lián)接的結(jié)構(gòu)方式。電機直接連接到發(fā)動機曲軸輸出端，電機轉(zhuǎn)子與發(fā) 動機曲軸周結(jié)，取代了發(fā)動機飛輪和原有的起動機與發(fā)電機。4.2 動力總成的選型課題中需要選擇的動力部件是與整車性能關(guān)系最大的發(fā)動機、ISG電機和動力電池三大部件。本節(jié)主要根據(jù)ISG混合動力汽車的工作特性要求對動力元件的選型方案 進行分析。動力部件的選型與ISG混合動力汽車控制

39、策略有很大的關(guān)系，關(guān)于控制策略，本 文將在以后的章節(jié)里專門討論，這里不再深入探討。發(fā)動機是混合動力汽車的關(guān)鍵零 部件。與傳統(tǒng)汽車不同的是，混合動力汽車用發(fā)動機不要求過高的比功率和很好的動 態(tài)響應(yīng)特性，在設(shè)計和匹配時，可以按最高熱效率的原則進行，從而可以進一步提高 發(fā)動機效率。在并聯(lián)式混合動力汽車中通常采用由發(fā)動機提供車輛行駛平均動力，動 力電池組一電機系統(tǒng)提供輔助動力的控制策略。在這樣的控制策略下，汽車行駛的大 部分時間里由發(fā)動機為汽車提供主要行駛動力，能夠承擔(dān)主要驅(qū)動力?；旌蟿恿ζ?中發(fā)動機處于頻繁的 開關(guān)”狀態(tài)，因此要求發(fā)動機的控制策略比較成熟并容易改進。另外在選擇發(fā)動機時還要考慮發(fā)動機

40、的噪聲和振動、可靠性、使用壽命、維護成本、 運行成本以及安全性能等因素。發(fā)動機的種類多種多樣，根據(jù)目前的資料，應(yīng)用于混合動力汽車的發(fā)動機主要有： 汽油機、柴油機、轉(zhuǎn)子式發(fā)動機、燃氣輪機、斯特林發(fā)動機等。這幾種發(fā)動機各有優(yōu) 缺點，作為HEV的車載動力源，雖然都有一定的應(yīng)用價值，但是從內(nèi)燃機的發(fā)展歷 程看，汽油機和柴油機的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而且應(yīng)用范圍最廣，在采用了先進的制 造工藝和先進的電子控制技術(shù)以后，其熱效率、機械性能、排放性能、尺寸及成本等 綜合性能較高，因此在目前成熟的 HEV中大多仍采用這兩種發(fā)動機。當然汽油機和 柴油機由于在性能、尺寸和成本等方面的不同，適用的具體車型也有一定的區(qū)別。

41、鑒 于此，本文選擇四沖程柴油發(fā)動機作為ISG混合動力系統(tǒng)的主動力源。ISG混合動力汽車中的電機作為輔助動力源為汽車提供輔助動力，應(yīng)同時能夠?qū)崿F(xiàn)雙向控制，不僅能為汽車提供輔助動力，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機的功能，把多余的 能量及時回收為動力電池充電儲備能量。電機驅(qū)動系統(tǒng)要具有高扭矩密度、寬調(diào)速范 圍和高可靠性，除此之外還希望具有質(zhì)量輕、成本低、電輻射小等特點。由于 ISG混 合動力汽車中的電源功率十分有限，因此電機的扭矩-轉(zhuǎn)速特性應(yīng)根據(jù)汽車起動、爬坡、 加速和恒速行駛等不同階段分為恒扭矩區(qū)和恒功率區(qū)。在某些行駛工況下（如城市工 況）汽車頻繁起停工作區(qū)域?qū)?，?qū)動電機經(jīng)常運行于低速大扭矩工況，因此電機系

42、統(tǒng) 不但在額定運行時效率要高，并且要有盡可能寬的高效率區(qū)。目前在混合動力汽車中 使用的電機主要有直流電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機等。其中 永磁同步電機與其他類型的電機相比具有更高的扭矩密度、功率密度和效率，更適合 于混合動力汽車的應(yīng)用，具有極好的應(yīng)用前景。在選擇電機時還應(yīng)考慮ISG系統(tǒng)的如下2個特點：1、ISG電機直接安裝在發(fā)動機曲軸動力輸出端， 取代飛輪的作用，擬選用的ISG 電機外形尺寸與普通電機相比應(yīng)該具有較大的徑向尺寸和較小的軸向尺寸，以增加發(fā) 動機的轉(zhuǎn)動慣量并使得系統(tǒng)軸向布置更加緊湊。2、ISG電機轉(zhuǎn)子要與發(fā)動機曲軸周結(jié)，待選電機轉(zhuǎn)子不宜采用勵磁繞組，因為 如果徑向

43、尺寸較大，勵磁繞組在較大離心力的作用下容易松脫，因此電機轉(zhuǎn)子必須為 永磁體?？紤]到ISG電機的以上特點，本課題在選擇電機時選擇了永磁同步電機，其幾 何形狀為軸向小徑向大的圓盤形狀。動力電池是混合動力汽車的基本組成單元，其性能直接影響到驅(qū)動電機的性能， 從而影響整車的燃油經(jīng)濟性和排放?；旌蟿恿ζ噷恿﹄姵氐男阅芤笈c純電動汽 車有很大不同，在純電動汽車中，電池數(shù)量多，重量能占整車總重量的30%40% ,因而對電池的功率密度要求較為寬松；而混合動力汽車的電池體積和容量都要小得 多，一般只有純電動汽車電池的1/151/20 ,因而電池工作負荷大，對功率密度要求 較高。所以通常把動力電池分為電動汽車

44、用的高能量電池和混合動力汽車用的高功率 電池兩類，以滿足各自對電池的不同要求。車用動力電池在混合動力汽車上應(yīng)用的最大 特點為非完全充電和非完全放電，電池經(jīng)常處于充電或放電狀態(tài)，即經(jīng)常有能量的 消耗和補充，這會對電池的壽命造成一定的影響。圖 2.3給出了鉛酸電池（Pb-AGM 和Pb-flooded）、鋰離子電池（Li-lon）、鍥氫電池（NiMH）三種電池SOC與循環(huán)次數(shù) 的關(guān)系趨向。從圖中可以看出，在這三種常用的電池中，鍥氫電池的壽命是最長，電 池非完全充放電對鍥氫電池的壽命影響不大。鍥氫電池還具有很好的耐過充電特性和 良好的使用安全性，具充電效率幾乎達到 100%,有利于混合動力汽車的再生

45、制動。 與鋰離子電池相比，鍥氫電池生命周期內(nèi)能量成本也偏低（表 2.1）;相比鉛酸電池， 鍥氫電池具有更高的比能量和比功率，以及接收大電流變化的能力。因此選用鍥氫電 池作為儲能裝置，可以更好地回收制動能量，提高峰值功率，改善瞬態(tài)輸出特性，進 一步提高混合動力汽車的機動性?；阱洑潆姵氐闹T多優(yōu)點，本課題最終選用鍥氫電 池作為動力電池圖4.3各種電池的壽命曲線表4.1電池性能比較噌池炎中能量密度 (Whig)循升次數(shù)d 80% DOD能.屏商他(Wh-c cleskg)成本生0周期內(nèi)能試成本 (1000 Wh-cyclesl/kgNiMH 40403000%1.000.417Li-Ion65250

46、01 JO1200r604.3 ISG混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的確定本文需要確定的動力系統(tǒng)參數(shù)包括：發(fā)動機和ISG電機功率、電池的容量等。在汽車設(shè)計初期，確定動力系統(tǒng)參數(shù)的方法是：根據(jù)現(xiàn)有的整車參數(shù)和預(yù)期達到的動力性指 標通過汽車行駛方程式對汽車參數(shù)進行初步選定，然后綜合考慮其他因素最后確定整車的參數(shù)。本文原車型保留的整車技術(shù)參數(shù)如表2.2所示：表4.2原車的整車技術(shù)參數(shù)項目數(shù)值滿載總質(zhì)it初2B5O迎風(fēng)血積/ (tn2)3.2186滾劭阻力系數(shù)人0.015滾動阻力系數(shù)力0 020空氣町力系數(shù)Co0.35機械傳動效率仃0.90車輪滾動半衿4m)0 3B5主減速器速比五3.727變速箱速比014

47、 313, 2.330, 1 436, 1 000，0 838)設(shè)計的ISG混合動力汽車要求達到的性能指標為：汽車的最高車速要求大于130 km/h ;汽車由靜止狀態(tài)以最大加強速度 (包括選擇(4.3)合適的換檔時機）力口速至100km/h需要的加速時間小于27s；汽車能夠達到的最大爬坡 度大于60% ;汽車以90km/h的速度行駛的油耗小于13.0L/100km。上面所列的性能指標中前三條是動力性能指標，是設(shè)計ISG混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的主要依據(jù)，而第四項指標是汽車的經(jīng)濟性指標，在設(shè)計初期可首先不加考慮， 而在以后的參數(shù)優(yōu)化中作為優(yōu)化的約束條件。CM產(chǎn)21.15汽車動力系統(tǒng)參數(shù)一般方法是

48、根據(jù)汽車行駛方程式進行初選，混合動力汽車在整 體外觀上與內(nèi)燃機汽車是相同的，輪胎與地面相互作用的力學(xué)過程也沒有本質(zhì)的區(qū)別， 汽車行駛方程為46:(4.1)A為汽=己 + K + 乙 + F, = mgf cos a + mg sin a +式中：m為整車質(zhì)量kg; f為滾動阻力系數(shù)；a為坡道角；CD為空氣阻力系數(shù)車迎風(fēng)面積m2; 6為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；g為重力加速度，m/s2 ; a為汽車加速度，m/s2旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)：動力部件參數(shù)匹配需要對其功率進行選擇，將式2.1轉(zhuǎn)化為功率平衡為:=(制爐 cosq + mg sin a +21.15c . V 1+ oma)*3600 5(4.2)式中

49、：“T為動力系統(tǒng)的傳動效率。4.3.1 發(fā)動機參數(shù)的確定由汽車行駛方程式，根據(jù)汽車行駛阻力大小能夠確定汽車驅(qū)動力或驅(qū)動功率參 數(shù)。但是由于待定的ISG混合動力汽車屬于雙能源系統(tǒng)，發(fā)動機和電機兩個動力源均 能輸出驅(qū)動動力，如何分配二者的驅(qū)動力大小，使整個系統(tǒng)匹配最佳目前沒有很確定 的方法，一般方法是根據(jù)整車結(jié)構(gòu)預(yù)估二者功率。根據(jù) ISG混合動力系統(tǒng)的特點，發(fā) 動機是主要動力源，提供主要驅(qū)動力，而電機是輔助動力源，只是在必要時提供輔助 驅(qū)動力。由此可以確定二者功率參數(shù)的匹配原則：發(fā)動機功率滿足汽車在平坦路面上 以一定的經(jīng)濟巡航車速勻速行駛的需求，電機功率滿足加速和爬坡的額外功率需求 按照此原則，由

50、汽車行駛方程式求得的發(fā)動機功率為：CdAv2 v _1 21.15 3600在計算發(fā)動機功率時，所取的巡航經(jīng)濟車速應(yīng)該依據(jù)汽車的動力性能要求而定。一般來說，經(jīng)濟巡航車速不等于最大車速，因為實際上汽車很少以最高車速行駛，尤 其在我國更是如此。我國城市車輛的平均行駛車速僅在20 30 km/h之間。但如果經(jīng)濟巡航車速取值太小，則發(fā)動機功率將偏小，也不符合實際汽車的情況，因為汽車在行駛 時，除了行駛阻力功率以外，還應(yīng)當加上附件功率（特別是有空調(diào)時）、1%2%的爬坡功率裕量和10% （經(jīng)驗值）的充電功率裕量。也就是說，將經(jīng)濟巡航車速簡單確定為 一個數(shù)值來計算發(fā)動機的功率大小是不合理的。綜合考慮汽車在行

51、駛過程中的行駛阻力 功率加上空調(diào)、坡度和充電裕量，巡航功率P實際是一個功率帶。應(yīng)保證這一功率帶穿 越發(fā)動機萬有特性圖上經(jīng)濟性較好的區(qū)域。圖4.4為某一發(fā)動機的萬有特性及巡航功率 帶示意圖。圖4.4發(fā)動機萬有特性及巡航功率帶示意圖從圖4.4中可以看出，在對發(fā)動機進行參數(shù)匹配時，通過設(shè)置功率帶可以更好的 反應(yīng)發(fā)動機的工作區(qū)間，這樣對于提高整車的燃油經(jīng)濟性是有利的。本文在選擇系統(tǒng)的巡航經(jīng)濟車速時，考慮到整車系統(tǒng)的特點和預(yù)期的行駛功率， 初步確定巡航經(jīng)濟車速為整車要求的最高車速。因為接著還有對發(fā)動機參數(shù)進行優(yōu)化 選擇，在設(shè)計初期按最高車速確定發(fā)動機的功率參數(shù)合理的。4.3.2 ISG電機參數(shù)的確定IS

52、G混合動力汽車由發(fā)動機承擔(dān)主要的驅(qū)動功率，加上整車的結(jié)構(gòu)考慮，不需要 大功率的電機。一般來說，隨著電機功率的增大，汽車的經(jīng)濟性也會隨著提高。但是 隨著ISG電機功率的增大，所需電池組數(shù)目也必須增多。這樣既增加了整車重量，也 增加了整車的制造成本。ISG電機功率的取值應(yīng)在滿足整車節(jié)能目標值的前提下，從 經(jīng)濟性和制造成本兩方面均衡考慮。在確定ISG電機參數(shù)時需要考慮以下幾個因素49：在汽車加速和爬坡時助力、確 保發(fā)動機起動、與發(fā)動機轉(zhuǎn)速匹配和與電池充放電匹配。具體來說，ISG系統(tǒng)要求電機能夠短時間（一般不超過 0.4s ）起動發(fā)動機點火，因此要求電機必須具有低速大轉(zhuǎn) 矩的特性以提供啟動轉(zhuǎn)矩克服發(fā)動

53、機起動阻力矩；功率補償要求在汽車加速或爬坡需 要大功率時電機能夠提供一部分功率，彌補發(fā)動機功率的不足，因此要求電機具有較 大的峰值功率；另外，由于ISG電機需要與發(fā)動機在同軸上耦合，電機的轉(zhuǎn)速也需與 發(fā)動機匹配。根據(jù)ISG電機工作條件，需要確定的ISG電機的參數(shù)包括：額定功率、 最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速。ISG電機的最大轉(zhuǎn)矩Tm_max主要用于滿足汽車的爬坡度要求，計算如下：mgf cos a + mg sin a + ：(4.6)(4.4)確定ISG電機的額定功率主要考慮的因素有：當發(fā)動機工作狀況很差時，電機可 以短時間驅(qū)動汽車行駛，另外汽車加速時和爬坡時需要提供輔助功率驅(qū)動汽車行駛。

54、由于在實際駕駛過程中，駕駛員一般不會在爬坡的時候加速，因此汽車很少同時出現(xiàn) 加速和爬坡兩種工況，這樣在估算 ISG電機額定功率的時候可以分別估算，最后取二 者之間的最大值作為估算值。這樣計算的電機功率值一般較大，能夠包含純電動驅(qū)動 的功率需求，根據(jù)汽車加速確定的電機額定功率為:2 所 na 一(4.5)吟叩 3600 %根據(jù)汽車爬坡確定的電機額定功率為:. v I吃皿=喧*3600 5ISG電機的額定功率為:(4.7)匕_ = max（片叩，冬叫）ISG混合動力系統(tǒng)中，ISG電機與發(fā)動機在同軸上進行轉(zhuǎn)矩合成，工作時電機與發(fā)動機之間轉(zhuǎn)速比為1, ISG電機的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)等于或大于（主要考慮 ISG

55、電機的功率儲 備）發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速，即：(4.8)式中：nm_max、ne_max分別為電機和發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速。適用于電動汽車的電動機外特性為：在額定轉(zhuǎn)速nr以下，電動機以恒轉(zhuǎn)矩模式工作，額定轉(zhuǎn)速nr以上，以恒功率模式工作。電機的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱為 電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)P 50。對電機參數(shù)影響很大，在最大轉(zhuǎn)速確定的基礎(chǔ)上，隨B 值增大，額定轉(zhuǎn)速越低，對應(yīng)的電機額定轉(zhuǎn)矩越高?？紤]到 ISG電機在低速時需要大 轉(zhuǎn)矩起動發(fā)動機，因此 B值可以取的大一些。但是隨著值的增大，對電機支撐要求也隨之增大。另外，大轉(zhuǎn)矩需要較大的電機電流和電子設(shè)備，增加了功率變換器矽鋼片 的尺寸和損耗，所以必須協(xié)調(diào)考慮

56、選定的發(fā)動機起動所要求的電機最大轉(zhuǎn)矩和電子設(shè)備損耗來最終確定電機的B值大小。就目前來看，擴大恒功率區(qū)系數(shù)B 一般選擇在46 之間。確定了 B值后，電機額定轉(zhuǎn)速為：(4.9)4.3.3 電池參數(shù)的確定ISG 混合動力系統(tǒng)中，由于ISG電機功率較小，相應(yīng)電池的容量也可以較小，但由于電池充放電很頻繁，因此對電池充放電性能要求較高。電池參數(shù)的選擇包括電壓 等級和電池容量的選擇。在電機控制中通常采用IGBT做為功率變換器（逆變器）中的通斷開關(guān)，電池最大 充電電壓為51-52:(4.10)式中：Unax_IGBT為逆變器暫態(tài)的最大過電壓；爐為逆變器暫態(tài)的最大過電壓與充電直流 電壓之比，這是一個經(jīng)驗值，取值

57、范圍是 1.5到2。這樣由電池充電上限電壓和額定電 壓之間的比值”可計算出電池額定電壓 U為：(4.11)電壓等級過高對系統(tǒng)的絕緣要求也大大提高，同時電池組串聯(lián)的單體數(shù)量增多, 對電池一致性要求也增加。根據(jù)國內(nèi)外混合動力汽車的開發(fā)經(jīng)驗，目前開發(fā)的混合動 力汽車電壓等級一般都在400V以下電池組容量的選擇應(yīng)視具體混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置、工作模式和控制策略而 定。但確定方法比較復(fù)雜，首先應(yīng)選定一種具有代表性的汽車行駛循環(huán)工況，對所設(shè) 計的動力部件參數(shù)進行動態(tài)模擬，電池組的容量應(yīng)使電池組的荷電狀態(tài)值SOC在整個動態(tài)變化過程中處于適當?shù)姆秶畠?nèi)。對電池組容量的初步選擇可只以功率需求確 定，對于ISG

58、汽車來說，電池組的主要作用還是作為一種能量調(diào)節(jié)裝置，因此其容量 大小應(yīng)滿足汽車行駛過程中的ISG電機的最大峰值功率需求（P m_max ）。由于電池組 在提供峰值功率的狀態(tài)下，其放電效率（“d ）比較低，因此實際電池組的容量應(yīng)按能 提供Pm_max /qd的功率選取。根據(jù)上述參數(shù)匹配方法，根據(jù)要求達到的動力性指標，初步確定了各部件的參數(shù)， 具體如下：發(fā)動機功率92kW; ISG電機額定轉(zhuǎn)速1700rpm、額定功率16kW;最大轉(zhuǎn)速大于 4000rpm ;電池額定電壓大于 280V,電池容量8Ah 。4.4 動力系統(tǒng)部件參數(shù)的優(yōu)化根據(jù)2.3節(jié)的方法，能夠得到發(fā)動機、電機、電池功率等相關(guān)主要參數(shù)值

59、，但是 僅僅根據(jù)這個結(jié)果選擇發(fā)動機、電機、電池等參數(shù)，只能得到滿足混合動力汽車動力 性能要求的匹配參數(shù)，而按照動力性能要求得到的匹配參數(shù)未必就是汽車燃油經(jīng)濟性 的最佳匹配參數(shù)。實際上對于混合動力汽車這種復(fù)雜的動力系統(tǒng)，影響汽車燃油經(jīng)濟 性的因素很多，并且各種因素往往交織在一起，必須分析清楚各部件參數(shù)在怎樣的組 合下才能使整車燃油經(jīng)濟性最優(yōu)，這也是本文 ISG混合動力部件系統(tǒng)參數(shù)匹配的主要 目的。本節(jié)將在2.3節(jié)動力部件參數(shù)初步匹配的基礎(chǔ)上，探討 ISG混合動力動力系統(tǒng) 參數(shù)優(yōu)化的問題，通過優(yōu)化，最終確定整車的各動力部件參數(shù)。目前，動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化一般借助于仿真設(shè)計。通過設(shè)置不同參數(shù)組合，借助于 仿真模型，對仿真結(jié)果進行分析確定最終的參數(shù)。不過如果參數(shù)組合很多，這種方法往往費時費力，很難找到最佳結(jié)果，需要尋求一種更簡便、直觀的設(shè)計方法降低仿真 次數(shù)。本文根據(jù)正交試驗設(shè)計原理，采用正交優(yōu)化方法對ISG混合動力汽車動力部件參數(shù)進行優(yōu)化，縮短了優(yōu)化時間，大大提高了優(yōu)化效率。特別需要說明的是，動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和控制策略優(yōu)化是一個交互的過程，本文 為介紹方便，將這兩部分內(nèi)容分別敘述，而本章中的動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，也是基于一 定的控制策略進行。本節(jié)對動力系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化采用了基于規(guī)則的邏輯門限控制策 略，控制策略的具體內(nèi)容將在第 4章給出。另外，仿真是在