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1、混合動力汽車ISG電機(jī)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(jì)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(yán)格?；?合動力汽車（HEV）正是具有低污染、低油耗特點(diǎn)的新一代清潔能源汽車。目前制造成本 最低、最容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的是采用起動機(jī)發(fā)電機(jī)/電動機(jī)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(jī)進(jìn)行改造，比較容易在現(xiàn)有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上 實(shí)現(xiàn)，混合程度小、電機(jī)功率低，尤其適合在轎車上實(shí)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(jī)、牽引

2、電機(jī)、能量管理系統(tǒng)、動 力傳動系統(tǒng)。 ISG-MHV中一般使用較低功率的發(fā)動機(jī)，因?yàn)榧铀俸团榔聲r并不只由發(fā)動機(jī)單獨(dú)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(jī)一起驅(qū)動汽車行駛。發(fā)動機(jī)的額定功率一般在 50 kW左右。 電機(jī)是電氣驅(qū)動系統(tǒng)的核心，電機(jī)的性能、效率直接影響電動汽車的性能。此外， 電機(jī)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(dāng)前成功開發(fā)的ISG-MHV；采用直流永磁無刷電機(jī)，具峰值功率約 為 10?15 kWA 能量管理系統(tǒng)是提高混合動力汽車經(jīng)濟(jì)性、動力性和減少廢氣排放水平的關(guān)鍵，該

3、 系統(tǒng)包括儲能、能量管理和混合動力系統(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(yùn)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(shí)現(xiàn)，如圖 1.1所

4、示。 CAN總線 :蘇曉源； |動力總成| :管界系及： 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 _ U H _ 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(jī)和電機(jī)的布置方式也不盡相同。一種是將電機(jī)直接安裝在內(nèi)燃機(jī)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(jī)和發(fā)電機(jī)，如圖 1.2所示 一種是在發(fā)動機(jī)前端用皮帶傳動機(jī)構(gòu)，將ISG電機(jī)和發(fā)動機(jī)聯(lián)結(jié)起來，并把起動機(jī)同樣 連接在ISG電機(jī)的機(jī)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(jī)與發(fā)動

5、機(jī)曲軸相連型 ISG 1.3 1SC功能分析 ISG-MHV可以實(shí)現(xiàn)自動起停、功率補(bǔ)償及高效大功率電能輸出功能。 1.3.1 自動起停功能 傳統(tǒng)的車用起動機(jī)只將內(nèi)燃機(jī)加速至起動轉(zhuǎn)速 （例如200r/min） , ISG作為電動機(jī) 在短時間內(nèi)（通常加速時間僅為0.1?0.2 s）將內(nèi)燃機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速（例如800r/min）, 然后內(nèi)燃機(jī)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(jī)起動時的燃料 消耗，還改善了排放。自動起停功能的實(shí)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(jī)一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動使內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行，同時ISG 也停止工作，需要起步

6、時，ISG在0.1?0.2 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(jī)處于怠速的情況非常多， 自動起停系統(tǒng)利用電動機(jī)快 速起動的特點(diǎn)避開了內(nèi)燃機(jī)低速起動和長時間怠速，提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性 能。 1.3.2 功率補(bǔ)償功能 內(nèi)燃機(jī)在低速大負(fù)荷時的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能均不佳， 通常情況下內(nèi)燃機(jī)在此 工況下的轉(zhuǎn)矩輸出有限，如果需要內(nèi)燃機(jī)在低速大負(fù)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(jī)，這樣雖然滿足了動力性要求，但犧牲了燃油經(jīng)濟(jì)性。 ISG可以在 內(nèi)燃機(jī)低速大負(fù)荷時工作在電動機(jī)狀態(tài)，提供一部分輔助功率，提高低速時內(nèi)燃機(jī)的動 力性能。例如，當(dāng)內(nèi)燃

7、機(jī)以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時，如果加速踏板的行程大于滿行程的 90% ISG就開始進(jìn)行功率補(bǔ)償，當(dāng)加速踏板達(dá)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(jī)時可以提供6?10 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(jī)通常由內(nèi)燃機(jī)曲軸通過皮帶驅(qū)動，最大輸出功率僅為 1.5?2.5 kW,發(fā) 電機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)車用發(fā)電機(jī)，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

8、皮帶驅(qū)動的汽車附件，如空調(diào)壓縮機(jī)等，都可以由專用的電動機(jī)帶動，并控制電動 機(jī)運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)，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(jìn)行充電，提高燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)和發(fā)電機(jī)之間來回切換狀態(tài)，平衡內(nèi)燃機(jī)曲軸的波動，成為有源飛輪起 到減震器的作用。內(nèi)燃機(jī)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(jī)和電動機(jī)，內(nèi)燃機(jī)附件的布置可以更加靈活。 1.4 控制策略 發(fā)動機(jī)效率在低速時偏低，扭矩也較小，而在中高負(fù)荷時效率較高，負(fù)

9、荷再大時效 率又會下降，見圖1.4。為了盡量使發(fā)動機(jī)在高效率下工作，可以根據(jù) ISG的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 制定具體控制策略。 起動時，ISG作為電動機(jī)狀態(tài)在短時間內(nèi)（通常為0.1?0.2s）將內(nèi)燃機(jī)加速至怠速 轉(zhuǎn)速，然后內(nèi)燃機(jī)開始缸內(nèi)燃燒過程，隨后離合器結(jié)合，開始行駛循環(huán) i 000 2 000 3000 4 000 5000 6 000 N (r/min) 圖1.4發(fā)動機(jī)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(jī)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

10、池的使用壽命，ISG不能向蓄電池充電。 當(dāng)汽車加速或爬坡時，令I(lǐng)SG工作在電動機(jī)工況，提供一部分輔助扭矩；但在 1檔 時，ISG均不助力。當(dāng)汽車處于怠速空載狀態(tài)時，內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行，同時 ISG也停止工 作；需起步時，ISG作為電動機(jī)在短時間內(nèi)完成起步任務(wù)。當(dāng)汽車減速或制動時， ISG 處于再生制動工況。 1.5 國內(nèi)外ISC研究現(xiàn)狀和實(shí)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(biāo) 桿。上世紀(jì)90年代以來，國外所有知名汽車公司均投入巨資開始進(jìn)行電動汽車和混合 動力汽車實(shí)用車型的研發(fā)。從新世紀(jì)初開始，在“ 863”計(jì)劃的推動下，中國汽車制造 企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)

11、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(jī)（空燃比為26: 1） 和作為輔助動力的10kW勺ISG, ISG采用了抗熱性強(qiáng)的永磁體，薄型線圈，風(fēng)冷，超薄 型電機(jī)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(jī)和ISG系

12、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 Dodge ESX3 ESX3采用先進(jìn)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(jī)，并采用鋁合金結(jié)構(gòu)降低重量，達(dá)到了最好的燃料經(jīng)濟(jì)性。安裝 ISG系統(tǒng)可減少系統(tǒng)重量、優(yōu)化啟動性能、回收制動能量，并通過怠速關(guān)機(jī)來降低燃料 消耗和排放，使動力系統(tǒng)的匹配達(dá)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(jī)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(xiàng)目順利通過驗(yàn)收。奇瑞 ISG動力系統(tǒng) 由“1

13、.3L汽油機(jī)+5速手動變速器+10kW電機(jī)+144V鍥氫電池”組成，電機(jī)采用永磁同步 電機(jī)并帶有電機(jī)控制系統(tǒng)、逆變器以及DC/DC專換器。最高穩(wěn)定車速》180km/h,0?100km 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(dá)到歐 V標(biāo)準(zhǔn)。奇瑞B(yǎng)-ISG動力系統(tǒng) 由“1.6L汽油機(jī)+5速手動變速器+2kW電機(jī)+12V鉛酸電池”組成，電機(jī)采用爪極電機(jī)并 帶有電機(jī)控制系統(tǒng)。最高穩(wěn)定車速》180km/h, 0?100km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(dá)到歐IV

14、標(biāo)準(zhǔn)。 長安汽車（集團(tuán)）有限責(zé)任公司在科技部、重慶市科委、中國兵器裝備集團(tuán)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(xiàng)目”，目前也已通過國家級驗(yàn)收。其油耗已降低了 30% 排放已達(dá)歐田標(biāo)準(zhǔn)。樣車最大時速可達(dá) 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相當(dāng)，續(xù)駛里程大于 500kmi最大爬坡度可達(dá)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(jī) 曲軸ISG方案，1

15、.5發(fā)動機(jī)曲軸并聯(lián)電動機(jī)的一體化設(shè)計(jì)， 優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)比較獨(dú)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(diǎn)，因此有必要 針對ISG系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)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(jī)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

16、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(dá)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(shí)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(shí)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)化等方面進(jìn)行研究，目標(biāo)是為ISG混合動力汽車的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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

17、指標(biāo)和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)， 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(jìn)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(jì)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(diǎn)，并根據(jù) ISG混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，提出適合 的控制算法。對控制策略進(jìn)行了仿真研究，檢驗(yàn)了控制算法的準(zhǔn)確性。

18、(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(jī)輸出特性進(jìn)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(biāo)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(jìn)行臺架性能試驗(yàn)，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(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)，就其動力性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行測試，驗(yàn) 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，環(huán)保意識不斷加強(qiáng)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

19、難等問題?；旌蟿恿ζ囀菍Ξ?dāng)前所面臨問題的一個很 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(jià)格較為敏感的經(jīng)濟(jì)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(jī)啟停功能特性分析 2.1 概述 傳統(tǒng)的車用起動機(jī)只將內(nèi)燃機(jī)加速至起動轉(zhuǎn)速 （例如200r/min） , ISG作為電動機(jī)在 短時間內(nèi)（通常加速時間僅為0.1?0.2s）將內(nèi)燃機(jī)力口速至怠速轉(zhuǎn)速（例如800r/mi

20、n）,然 后內(nèi)燃機(jī)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(jī)起動時的燃料消 耗，還改善了排放。自動起停功能的實(shí)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(jī)一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動使內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行，同時ISG 也停止工作，需要起步時，ISG在0.1?0.2 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(jī)處于怠速的情況非常多， 自動起停系統(tǒng)利用電動機(jī)快 速起動的特點(diǎn)避開了內(nèi)燃機(jī)低速起動和長時間怠速，提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)，當(dāng)駕駛員踩下

21、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(jī)。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(jī)功能。 2.2 ISG電機(jī)起停功能特性分析仿真實(shí)驗(yàn) 根據(jù)華普弱混合動力轎車 SMA7150勺相關(guān)發(fā)動機(jī)和電機(jī)參數(shù)，運(yùn)行仿真后可以得到 發(fā)動機(jī)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(jī)包轉(zhuǎn)速控制帶動發(fā)動 機(jī)啟動，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá) 800r - min-1 一時開始點(diǎn)火，因?yàn)殡姍C(jī)處于恒轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)， 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過800r ?min-1時，電機(jī)開始拖曳發(fā)動機(jī)從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)到達(dá) l200r min-1 目標(biāo)轉(zhuǎn)速的時間較長，不利于發(fā)動機(jī)快速啟動；曲線 2的控制過程為ISG電機(jī)包轉(zhuǎn)速控

22、 制將發(fā)動機(jī)拖動至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速800r ? min-1,發(fā)動機(jī)點(diǎn)火啟動，同時，電機(jī)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制模 式，給發(fā)動機(jī)提供轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩由40NJ- m按線性遞減至0,發(fā)動機(jī)自點(diǎn)火開始對 外輸出轉(zhuǎn)矩，同時電機(jī)予以轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升到 1400r ? min1左右，由于 電機(jī)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到 1200r ? min-1時退出工作狀態(tài)，發(fā)動機(jī)已經(jīng)順利啟動進(jìn)入自身 EMS（engine management system）閉環(huán)控制，從該曲線可知，發(fā)動機(jī)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(jī)EMS艮據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)，快速進(jìn)入怠速閉環(huán)控制；曲線 3為 1 發(fā)動機(jī)普通后動萬式，由于后動時的加濃噴油

23、，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升至 150r ? min左右， 此啟動加濃過程是發(fā)動機(jī)啟動時排放較差的主要因素。從仿真結(jié)果可知，發(fā)動機(jī)最優(yōu)的 后動方式為曲線2,即由ISG電機(jī)通過恒轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動機(jī)拖動至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)開 始點(diǎn)火啟動，電機(jī)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制模式補(bǔ)償發(fā)動機(jī)啟動時的轉(zhuǎn)矩波動，使發(fā)動機(jī)在很短的 時問內(nèi)進(jìn)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(jī)啟動過程轉(zhuǎn)速曲線 2.3 臺架試驗(yàn) 根據(jù)以上分析的發(fā)動機(jī)啟動特性，結(jié)合預(yù)定的發(fā)動機(jī)啟動控制策略，通過發(fā)動機(jī)臺 架試驗(yàn)進(jìn)一步分析和研究發(fā)動機(jī)的啟動性能。該試驗(yàn)同樣分為上述 3種情況進(jìn)行對比， 轉(zhuǎn)速曲線如圖2.2所示。

24、 圖2.2中：曲線1為電機(jī)包轉(zhuǎn)速控制方式，無轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償；曲線 2為電機(jī)包轉(zhuǎn)速控制 將發(fā)動機(jī)拖轉(zhuǎn)到噴油轉(zhuǎn)速 800r ? min-1,轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)助力，轉(zhuǎn)矩值為 40NJ- m, 并開始轉(zhuǎn)矩遞減，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)1200r ? min-1時電機(jī)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 ! 1200 R eoo 400 再緩慢下降。 的訓(xùn)皿 圖2.2發(fā)動機(jī)啟動過程轉(zhuǎn)速變化 促使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間提升的原因就是過濃噴油，這個過程油耗高、

25、排放差，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(yàn)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(dá)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(yàn)曲線的對比后發(fā)現(xiàn)曲線 2是所需要的發(fā)動機(jī)啟動過程。當(dāng)然, 如果對電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩再做一

26、下優(yōu)化，使得曲線 2中的A段平臺期縮短，則可以使發(fā)動 機(jī)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(dāng)發(fā)動機(jī)開始噴油后，EM*U斷直接進(jìn)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(jī)啟動過程噴油脈寬 圖2.3可知，發(fā)動機(jī)并未出現(xiàn)啟動加濃過程，而發(fā)動機(jī)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(jī)的排放大幅下降。 2.4 本章小結(jié) 混合動力汽車ISG電機(jī)在

27、混合動力汽車啟動時減少了汽車發(fā)動機(jī)加濃噴油的過 程，從而節(jié)省了由于汽車發(fā)動機(jī)啟動時加濃噴油過程所浪費(fèi)的燃油量。 第3章ISG混合動力汽車加速扭矩補(bǔ)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(dāng)前的研究熱點(diǎn)。對于混合 動力汽車，為提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放，一般通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)策略使發(fā)動機(jī)工作 在高效區(qū)，電機(jī)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(jī) 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(jī)來說，當(dāng)發(fā)動機(jī)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(jìn)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。

28、高壓共軌增壓柴油機(jī)可以通過發(fā)動機(jī) 瞬態(tài)工況優(yōu)化來避免這種加濃噴油現(xiàn)象的發(fā)生，而裝用增壓柴油機(jī)的ISG混合動力汽車 在加速過程缺失的動力可用電機(jī)助力來彌補(bǔ)， 通過電機(jī)助力可以使發(fā)動機(jī)盡快達(dá)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(bǔ)償策略， 并進(jìn)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(jī)來說，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于 加速工況時，廢氣渦輪增壓器葉輪的慣性造成進(jìn)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(jì)性和排放性， 在加速過程中就必須相應(yīng)地根據(jù)進(jìn)氣量對發(fā)動機(jī)進(jìn) 行油量限制，在此過程中 Te

29、q（Td_req為駕駛員扭矩需求，t為實(shí)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. 圖3.1共軌燃油系統(tǒng)的工作流程簡圖 3.2 加速扭矩補(bǔ)償策略 研究表明，發(fā)動機(jī)扭矩變化的時間常數(shù)明顯大于電動機(jī)扭矩變化的時間常數(shù)，所以 汽車加速時，可以實(shí)時采集整車需求扭矩與發(fā)動機(jī)的實(shí)際輸出扭矩，不足部分可用電機(jī) 進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)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(jī)的實(shí)時扭矩 +電 動機(jī)的扭矩補(bǔ)償”，這就需要實(shí)時反饋發(fā)動機(jī)的動態(tài)扭矩，可以通過發(fā)動機(jī)平均值模型 估算發(fā)動機(jī)扭矩來解決，發(fā)動機(jī)模型的輸人參數(shù)為發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中通過傳感器實(shí)時測 得的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油門位置，通

30、過發(fā)動機(jī)平均值模型就可以計(jì)算發(fā)動機(jī)實(shí)時發(fā)出的扭 矩。動態(tài)扭矩補(bǔ)償控制算法見圖3.2 發(fā)動機(jī)的 發(fā)動機(jī)扭用 日殛矩—*爨傕率世上十班也啊 發(fā)動機(jī) 總車控制器 發(fā)動機(jī)扭矩f發(fā)動機(jī)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(jī) L汽泵工況隊(duì)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

31、逋紀(jì)與漏期 3.4電機(jī)目標(biāo)扭矩Tm-tar的確定 在車輛加速過程中，可以通過電機(jī)驅(qū)動助力來彌補(bǔ)整車需求動力，電機(jī)的目標(biāo)扭 矩為  當(dāng)Tm-tar大于Tm-max。（Tm-max為電機(jī)的最大輸出扭矩）時，受電機(jī)功率限制，期望扭矩 超過了電機(jī)的驅(qū)動能力，電機(jī)無法提供期望驅(qū)動扭矩，此時電機(jī)的目標(biāo)扭矩為 (3.(2) T ,vtr 當(dāng)Tm-tar小于等于Tm-max時，電機(jī)完全有能力提供所需要的期望扭矩，電機(jī)的目標(biāo)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①Td-rep（6為 扭矩補(bǔ)償結(jié)束條件系數(shù)，6=4%

32、）時，電機(jī)便停止扭矩補(bǔ)償。 3.5發(fā)動機(jī)實(shí)時扭矩Te的估算 通過在Matlab/simulink環(huán)境下建立發(fā)動機(jī)的平均值模型來反饋發(fā)動機(jī)的實(shí)時扭矩， 平均值模型見圖3.4 埴氣機(jī) 通包科回 ?■田中 ? n ? ■ Wll=* Mi I 褐輪機(jī)tfltrps 動力壞? 圖3.4發(fā)動機(jī)平均值模型 3.5 . 1壓氣機(jī)模型 采用simulink設(shè)計(jì)壓氣機(jī)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(jī)消耗的扭矩，它們可由下面公式計(jì)算： T3 = T] [1 + /[NR -1]], 丁曄 = J ? r-^r ? 咨9眸瓦丁】【方（/號〉

33、-13* 7＜： 后一上 "外 （3.1） 式中，T2為壓氣機(jī)出口溫度，T1為環(huán)境溫度，砰為壓氣機(jī)效率，k為氣體比熱容比，Ttqc 為壓氣機(jī)消耗的扭矩，nc為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，qmc為增壓器進(jìn)氣流量，Rg為氣體常數(shù)，Pz為 壓氣機(jī)出口壓力，P1為環(huán)境大氣壓力， b為增壓比。廢氣渦輪機(jī)的模型與壓氣機(jī)模 型類似。 3.5.2 增壓器動力學(xué)模型 本模型中，不計(jì)摩擦損失和散熱損失，認(rèn)為渦輪機(jī)發(fā)出的扭矩全部用于壓縮空氣， 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(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型與增壓器動 力學(xué)模型類似。 3.5

34、.3 中冷器模型 (3.3) A k <1-e)T2 + Tt △/=( q^n, 戶 3 =%一△2? 式中，T3為中冷器的出口溫度，e為中冷器冷卻效率，Tw為冷卻水的進(jìn)口溫度，△ p 為空氣流過中冷器時的壓力降，△ po為中冷器在設(shè)計(jì)工況下的壓力損失，qmo為中冷器 的設(shè)計(jì)流量，P3為中冷器出口壓力。 3.5.4 發(fā)動機(jī)模型 發(fā)動機(jī)模型，由6個子模型組成：氣缸充氣效率、進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量、指示 熱效率、平均排氣溫度、燃油流量、指示扭矩和摩擦扭矩。 3.5.4.1 充氣效率. 充氣效率可視為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，由臺架試驗(yàn)可以測出部分轉(zhuǎn)速下的充氣效率， 然后根據(jù)最小乘法擬合成

35、整個轉(zhuǎn)速下的充氣效率曲線， 巾=f (n) 3.5.4.2 進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量 qm3 對于4行程的增壓柴油機(jī)來說，其掃氣系數(shù)可近似為1,故可忽略殘余廢氣的影響， 則進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量可按下式計(jì)算： q扁=pi^Vn/l20t pz = pJ&T一 式中，p 3為進(jìn)入氣缸的空氣密度，V為發(fā)動機(jī)氣缸排量，n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3.4) 3.5.4.3 平均排氣溫度T4 很難通過熱力學(xué)第一定律精確計(jì)算平均排氣溫度 發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的燃燒情況比較復(fù)雜， T4, T4主要與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比有關(guān)，因此，在處理 T4時采用了 MAP圖的方式， 以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比為 X, y坐標(biāo)

36、，構(gòu)成三維T4的MAP圖，然后利用三維MAP圖 插值計(jì)算每個工況下的T4。 3.5.4.4 指示熱效率仆 指示熱效率紿是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)，同樣采取三維 MAP圖插值計(jì)算小 3.5.5 供油系統(tǒng)模型 共軌式電控燃油系統(tǒng)是一種壓力一時間式的電控系統(tǒng)， 其噴油量是共軌油壓與噴油 持續(xù)時間的函數(shù)。當(dāng)油壓一定時，噴油量與噴油脈寬近似于線性關(guān)系。本系統(tǒng)采用 4個 MAP來建立供油系統(tǒng)模型，即油量 MAP、共軌油壓MAP、噴油定時MAP和噴油脈寬 MAP。其中，油量MAP由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油門開度確定，共軌油壓 MAP由轉(zhuǎn)速和油量 確定，噴油定時MAP由噴油量和轉(zhuǎn)速確定，噴油脈寬 MAP由

37、共軌油壓和油量確定。 實(shí)際應(yīng)用中，除了 4個MAP還有其他物理量的補(bǔ)償量與限制量。 3.5.6 指示扭矩Ttqi和摩擦扭矩Ttqf 丁峙=* Ff = 75 + (3.5) Tmf = 1 000/>(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(fù)載的變化。仿真初始值的設(shè)置：初始轉(zhuǎn)速為 1100r/min,外 界負(fù)載ML為185.5 N ? m,油門

38、開度為40%。仿真時油門開度的變化見圖3.5,在仿真 進(jìn)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(bǔ) 償和無加速扭矩補(bǔ)償時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果。在外界負(fù)載固定為 185. 5N ? ITI時， 仿真進(jìn)行2 s時，由于油門開度由40%突變?yōu)?5%,此時發(fā)動機(jī)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(bǔ)償時，當(dāng)仿真進(jìn)行 8S 時達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，有加速扭矩補(bǔ)償時，仿真時間為 5s時達(dá)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(jī)實(shí)際扭矩的仿真結(jié)果， 在2s時由于油門 突變，需求扭

39、矩也相應(yīng)從185. 5N ? m突變?yōu)?71N ? m,加速過程中發(fā)動機(jī)實(shí)際扭矩小 于需求扭矩。圖3.8示出電機(jī)補(bǔ)償扭矩的仿真結(jié)果，由于電機(jī)扭矩的補(bǔ)償，使得發(fā)動機(jī) 實(shí)際扭矩與電機(jī)扭矩之和滿足了需求扭矩，大大縮短了加速時間。 1 ? l 4- 6 時間 國去二更 圖3.5油門開度變化 圖3.7發(fā)動機(jī)扭矩仿真結(jié)果 ■■■需求擔(dān)矩 一發(fā)動機(jī)扭矩 ???*?電機(jī)扭矩 0 2 ~ 4 " - 6 時間 wo 400 E ■ 漕 量. 圖3.8電動機(jī)扭矩的仿真結(jié)果 -200 3.7 本章總結(jié) 通過對裝備廢氣渦輪增壓共軌柴油機(jī)的ISG混合動力汽車的瞬態(tài)加

40、速扭矩補(bǔ)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(jì)性.通過電機(jī) 在加速時進(jìn)行加速扭矩補(bǔ)償，可以大大縮短加速時間，在滿足經(jīng)濟(jì)性和排放性的同時提 高了加速性能；經(jīng)過電機(jī)的加速扭矩補(bǔ)償后，發(fā)動機(jī)與電機(jī)的扭矩輸出可以實(shí)時滿足扭 矩需求，在標(biāo)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(jì)與參數(shù)匹配 ISG混合動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行的，原車的發(fā)動機(jī)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(diǎn)進(jìn)行分析，

41、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(jì)性目標(biāo)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(jìn)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 混合動力系統(tǒng)中，ISG電機(jī)的功率比發(fā)動機(jī)功率要小得多，即整車混合比較 小，而ISG電機(jī)的體積也不大，這樣的特點(diǎn)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)與 ISG電機(jī)同軸，工作時二

42、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(jī)和ISG電機(jī)之間一般裝有離合器，在必要時用來切斷發(fā) 動機(jī)和ISG電機(jī)的動力傳輸。直接式結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、耦合直接，傳動 效率高，但由于電機(jī)布置在發(fā)動機(jī)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(jī)與ISG電機(jī)一般通過皮帶聯(lián)接，也稱為 BAS (belt-driven alternator starter ),其

43、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(diǎn) 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(jī)安裝位置，使其能與發(fā) 動機(jī)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(diǎn)，與齒輪傳動相比，大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(jī)和電機(jī)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(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)方式的選定還 需要考慮經(jīng)濟(jì)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(jī)直接連接到發(fā)動機(jī)曲軸輸出端，電機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā) 動

44、機(jī)曲軸周結(jié)，取代了發(fā)動機(jī)飛輪和原有的起動機(jī)與發(fā)電機(jī)。 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(jī)、 ISG電機(jī)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(jìn)行分析。 動力部件的選型與ISG混合動力汽車控制策略有很大的關(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(jī)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(jī)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(jì)和匹配時，可以按最高熱效率的原則進(jìn)行，從而可以進(jìn)一步提高 發(fā)動機(jī)效率。在并聯(lián)式混合動力汽車中通常采用由發(fā)

45、動機(jī)提供車輛行駛平均動力，動 力電池組一電機(jī)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(jī)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(jī)處于頻繁的 開關(guān)”狀態(tài)，因此要求發(fā)動機(jī)的控制策略比較成熟并容易改進(jìn)。 另外在選擇發(fā)動機(jī)時還要考慮發(fā)動機(jī)的噪聲和振動、可靠性、使用壽命、維護(hù)成本、 運(yùn)行成本以及安全性能等因素。 發(fā)動機(jī)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(jī)主要有： 汽油機(jī)、柴油機(jī)、轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)等。這幾種發(fā)動機(jī)各有優(yōu) 缺點(diǎn)，作為HEV的車載動力源，雖然都有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是從內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷 程看

46、，汽油機(jī)和柴油機(jī)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(jìn)的制 造工藝和先進(jìn)的電子控制技術(shù)以后，其熱效率、機(jī)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(jī)。當(dāng)然汽油機(jī)和 柴油機(jī)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。鑒 于此，本文選擇四沖程柴油發(fā)動機(jī)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(jī)作為輔助動力源為汽車提供輔助動力， 應(yīng)同時能夠?qū)? 現(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(jī)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)要具有高扭矩密度、寬調(diào)速范

47、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(diǎn)。由于 ISG混 合動力汽車中的電源功率十分有限，因此電機(jī)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)挘?qū)動電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行于低速大扭矩工況，因此電機(jī)系統(tǒng) 不但在額定運(yùn)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(jī)主要有直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。其中 永磁同步電機(jī)與其他類型的電機(jī)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(jī)時還應(yīng)考

48、慮 ISG系統(tǒng)的如 下2個特點(diǎn)： 1、ISG電機(jī)直接安裝在發(fā)動機(jī)曲軸動力輸出端， 取代飛輪的作用，擬選用的ISG 電機(jī)外形尺寸與普通電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動慣量并使得系統(tǒng)軸向布置更加緊湊。 2、ISG電機(jī)轉(zhuǎn)子要與發(fā)動機(jī)曲軸周結(jié)，待選電機(jī)轉(zhuǎn)子不宜采用勵磁繞組，因?yàn)?如果徑向尺寸較大，勵磁繞組在較大離心力的作用下容易松脫，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子必須為 永磁體。 考慮到ISG電機(jī)的以上特點(diǎn)，本課題在選擇電機(jī)時選擇了永磁同步電機(jī)，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(jī)的性能， 從而影響整車的燃油

49、經(jīng)濟(jì)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?cái)?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1/15?1/20 ,因而電池工作負(fù)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(diǎn)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(bǔ)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

50、（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(dá)到 100%,有利于混合動力汽車的再生制動。 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(jìn) 一步提高混合動力汽

51、車的機(jī)動性。基于鍥氫電池的諸多優(yōu)點(diǎn)，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/kg NiMH 40 40 3000 % 1.00 0.417 Li-Ion 65 2500 1 JO 120 0r60 4.3 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(jī)和 ISG電機(jī)功率、電池的容量等。在汽

52、 車設(shè)計(jì)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(dá)到的動力性指 標(biāo)通過汽車行駛方程式對汽車參數(shù)進(jìn)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(xiàng)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)Co 0.35 機(jī)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0 14 313, 2.330, 1 436,

53、1 000，0 838) 設(shè)計(jì)的ISG混合動力汽車要求達(dá)到的性能指標(biāo)為： 汽車的最高車速要求大于130 km/h ;汽車由靜止?fàn)顟B(tài)以最大加強(qiáng)速度 (包括選擇 (4.3) 合適的換檔時機(jī)）力口速至100km/h需要的加速時間小于27s；汽車能夠達(dá)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(biāo)中前三條是動力性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì) 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(xiàng)指標(biāo)是汽車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在設(shè)計(jì)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)

54、參數(shù)一般方法是根據(jù)汽車行駛方程式進(jìn)行初選，混合動力汽車在整 體外觀上與內(nèi)燃機(jī)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(jìn)行選擇，將式 2.1轉(zhuǎn)化為功率平衡為: =(制爐 cosq + mg sin a + 21

55、.15 c . V 1 + oma) *— 3600 5 (4.2) 式中：“T為動力系統(tǒng)的傳動效率。 4.3.1 發(fā)動機(jī)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(jī)和電機(jī)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(diǎn)，發(fā) 動機(jī)是主要動力源，提供主要驅(qū)動力，而電機(jī)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(jī)功率滿足汽車在平坦

56、路面上 以一定的經(jīng)濟(jì)巡航車速勻速行駛的需求，電機(jī)功率滿足加速和爬坡的額外功率需求 按照此原則，由汽車行駛方程式求得的發(fā)動機(jī)功率為： CdAv2 v _1 21.15 ’3600 在計(jì)算發(fā)動機(jī)功率時，所取的巡航經(jīng)濟(jì)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(jì)巡航車速不等于最大車速，因?yàn)閷?shí)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(jì) 巡航車速取值太小，則發(fā)動機(jī)功率將偏小，也不符合實(shí)際汽車的情況，因?yàn)槠囋谛旭?時，除了行駛阻力功率以外，還應(yīng)當(dāng)加上附件功率（特別是有空調(diào)時） 、1%~2%的爬坡 功率裕量和1

57、0% （經(jīng)驗(yàn)值）的充電功率裕量。也就是說，將經(jīng)濟(jì)巡航車速簡單確定為 一個數(shù)值來計(jì)算發(fā)動機(jī)的功率大小是不合理的。綜合考慮汽車在行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(shí)際是一個功率帶。應(yīng)保證這一功率帶穿 越發(fā)動機(jī)萬有特性圖上經(jīng)濟(jì)性較好的區(qū)域。圖4.4為某一發(fā)動機(jī)的萬有特性及巡航功率 帶示意圖。 圖4.4發(fā)動機(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)的工作區(qū)間，這樣對于提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性是有利的。 本文在選擇系統(tǒng)的巡航經(jīng)濟(jì)車速時，考慮到整車系統(tǒng)的特點(diǎn)和預(yù)期的行駛功率， 初步確定巡航經(jīng)濟(jì)車速

58、為整車要求的最高車速。因?yàn)榻又€有對發(fā)動機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 選擇，在設(shè)計(jì)初期按最高車速確定發(fā)動機(jī)的功率參數(shù)合理的。 4.3.2 ISG電機(jī)參數(shù)的確定 ISG混合動力汽車由發(fā)動機(jī)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(jī)。一般來說，隨著電機(jī)功率的增大，汽車的經(jīng)濟(jì)性也會隨著提高。但是 隨著ISG電機(jī)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(jī)功率的取值應(yīng)在滿足整車節(jié)能目標(biāo)值的前提下，從 經(jīng)濟(jì)性和制造成本兩方面均衡考慮。 在確定ISG電機(jī)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(jī)起動、與發(fā)動

59、機(jī)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(jī)能夠短時間（一般不超過 0.4s ）起動發(fā)動機(jī)點(diǎn)火，因此要求電機(jī)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)動機(jī)起動阻力矩；功率補(bǔ)償要求在汽車加速或爬坡需 要大功率時電機(jī)能夠提供一部分功率，彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)功率的不足，因此要求電機(jī)具有較 大的峰值功率；另外，由于ISG電機(jī)需要與發(fā)動機(jī)在同軸上耦合，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也需與 發(fā)動機(jī)匹配。根據(jù)ISG電機(jī)工作條件，需要確定的ISG電機(jī)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(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tm_max主要用于滿足汽車的爬坡度要求，計(jì)算如下： mgf cos a + mg si

60、n a + > — ： (4.6) (4.4) 確定ISG電機(jī)的額定功率主要考慮的因素有：當(dāng)發(fā)動機(jī)工作狀況很差時，電機(jī)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。 由于在實(shí)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(jī)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(jì)算的電機(jī)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(jī)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

61、機(jī)額定功率為: ? . v I 吃皿=〃喧 ?— * 3600 5 ISG電機(jī)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(jī)與發(fā)動機(jī)在同軸上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩合成，工作時電機(jī)與發(fā)動 機(jī)之間轉(zhuǎn)速比為1, ISG電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)等于或大于（主要考慮 ISG電機(jī)的功率儲 備）發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速，即： (4.8) 式中：nm_max、ne_max分別為電機(jī)和發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速。 適用于電動汽車的電動機(jī)外特性為：在額定轉(zhuǎn)速 nr以下，電動機(jī)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(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱為 電機(jī)擴(kuò)

62、大恒功率區(qū)系數(shù)P [50]。對電機(jī)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(jī)額定轉(zhuǎn)矩越高?？紤]到 ISG電機(jī)在低速時需要大 轉(zhuǎn)矩起動發(fā)動機(jī)，因此 B值可以取的大一些。但是隨著值的增大，對電機(jī)支撐要求也 隨之增大。另外，大轉(zhuǎn)矩需要較大的電機(jī)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)考慮選定的發(fā)動機(jī)起動所要求的電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和電子設(shè) 備損耗來最終確定電機(jī)的B值大小。就目前來看，擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)B 一般選擇在4~6 之間。確定了 B值后，電機(jī)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(jī)功

63、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(jī)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(yàn)值，取值范圍是 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(jì)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

64、內(nèi)外混合動力汽車的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，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(jì)的動力部件參數(shù)進(jìn)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(dāng)?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(jī)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

65、較低，因此實(shí)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(dá)到的動力性指標(biāo)，初步確定了各部件的參數(shù)， 具體如下： 發(fā)動機(jī)功率92kW; ISG電機(jī)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(jī)、電機(jī)、電池功率等相關(guān)主要參數(shù)值，但是 僅僅根據(jù)這個結(jié)果選擇發(fā)動機(jī)、電機(jī)、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(jì)性 的最佳匹配參數(shù)。實(shí)際上

66、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(jì) 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(jì)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(jì)。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(jìn)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(fèi)時費(fèi)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(jì)方法降低仿真 次數(shù)。本文根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)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