BJ6113HEV混和动力客车动力系统研究分析与验证正文.docx
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BJ6113HEV混和动力客车动力系统研究分析与验证正文
第一章绪论
1.1选题背景及意义
由于石油的不可再生性，以及国家对汽车排放要求的不断提高，促进了我国各科研院校对电动汽车的研究与开发。
其中混和动力汽车因不需政府做大的基础性投资及与现有内燃机体系有较好的兼容性而最具产业化优势，在“九五、十五”期间的“863电动汽车专项”的推动下，我国混和动力汽车的研究与开发取得了长足的进步，但将这些科研成果转化为产业化商业化产品还须一定的时间，而国外，如美国及日本，混和动汽车已取得了广泛的应用，因此对国外成熟混动力系系作进一步的研究，将有利于我国混和动力汽车的产业化及商品化。
目前国内很多厂家，都在开发混和动力汽车，如一汽、东风、奇瑞等，但其开发大都结合863项目，合作对象大都以科研院校为主。
北汽福田汽车有限公司目前正在开发混和动力客车，并采用并联线路，其合作对象为一家具备成熟技术国外公司，随着双方技术交流不断的深认；各种技术指标、总成及各控制信号的输出与输入已经确认，这为我们对其整个混和动力系作更深一步的研究提供相当大的便利条件的研究基础。
在这次与国外公司的合作开发中，并联式混和动力系统各总成匹配的核心工作由国外公司承担，其主要合作方式为：
按北汽福田的初始输入要求提供相关总成。
其核心的多能源动力总成控制技术及整车集成技术并未作为技术输出，因次本次研究主要目的以研究电机性能与控制、电池性能与管理、发动机最佳工况带确认为基础，从双方确认的各项性能指标为约束，对其整车多能源控制模型作深一步研究与分析。
此次对国外成熟并联混和动力系的研究，是北汽福田汽车有限公司国外技术引进的消化和吸收，为将后来混和动力汽车国产化作了相应的技术辅垫；同时也可
为我国混和动力汽车的产业化、商业化提供一些可参考的数据和方法。
1.2混和动力汽车简介
混合动力电动汽车是指由两种或两种以上的储能器、能量或转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。
混合动力车有多种分类方法，可以按照驱动系结构划分，按照混合度大小分，按照是否依赖电网充电等。
按驱动系结构可分为:
1）串联式混合动力电动汽车（SHEV），如图1.1所示。
它是指发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，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。
2）并联式混合动力电动汽车（PHEV）,如图1.2所示。
它采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车辆。
3）混联式混合动力电动汽车（PSHEV），如图1-3所示。
它在结构上综合了串联式和并联式的特点与串联式相比它增加了机械动力的传递路线，与并联式相比,它增加了电能的传输路线。
图1.2串联式混合动力驱动系结构
图1.1并联式混合动力驱动系结构
图1.3混联式混合动力驱动系结构
B:
蓄电池E:
内嫩机:
F:
油箱;G:
发电机M:
电动机P:
功率转换器:
T:
传动装置（包括制动、离合器和齿轮箱）电力接连;—液流连接;一机械连接
电力接连;—液流连接;一机械连接
按混合度大小，即是按电池在混合动力车辆行驶中的作用可分为轻度混合（Mildhybrid）动力电动车辆（MHEV）和全混合（Fulhybrid）动力电动车辆（FHEV）。
轻度混合动力电动车辆中电池的能量有限，一般不提供纯电动行驶工况，电机不能单独驱动车辆前进;在全混合动力电动车辆中电池可以提供车辆一定的纯电动行使范围，电机可以单独驱动车辆前进。
按照是否依赖电网充电可以分为电量依赖型混合动力车辆和电量维持型混合动力车辆。
电量依赖性混合动力车辆的形式依赖于来自外部电网的电能，当电池能量耗尽时车辆无法继续行驶，只有在重新充电后才能继续行驶。
电量维持型混合动力电动汽车虽然也可利用外界电网的电能，但可以不依赖来自电网的电能，而通过车载内燃机进行电量补充。
1.3不同混和动力汽车的比较
一般情况下我们都采用上述的第一种分类方式对混合动力电动车进行分类区别加以分析，即串联、井联、混联，这三种类型的混合动力电动汽车各有其优缺点，适用于不同的使用范围，这些都是由他们的结构特点及控制策略所决定的。
1.串联式混和动力电动汽车SeriesHybridElectricVehicle（SHEV）是由发动机、发电机和驱动电机三大动力总成组成，发动机、发电机
和驱动电机采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统。
SHEV用发动机一发电机组均衡地发电，电能供应驱动电机和动力电池组，使SHEV的续驶里程得到延长。
实际上SHEV的发动机一发电机组只能看作一种电能供应系统，并不直接参与SHEV的驱动。
这种特殊的结构决定其有以下优势:
1）这种混合型式的最大优势在于其发动机和驱动电机之间无机械联接，发动机工况可以避免受到道路阻力的影响，因而发动机能固定在最高效率和较低排放状态工作，并且结构布置也比较简单;
2）完全由电动机驱动，可以方便地实现制动能量回收;
3）整车的转动惯量小，在加速时车辆的加速阻力小;
4）控制简单、可靠。
其劣势为:
1）能量转换次数多，效率低;
2）根据动力电池的SOC值,发动机经常年于于关闭状态,原底盘的动力力转向,打气泵已无法使用,须增加电动打气泵、电动转向泵、电动空调等附件,且动力电池积积较大，使得布置困难，整车质量较大。
2、并联式混合动力电动汽车ParalelHybridElectricVehicle（PHEV）PHEV是由发动机、电动/发电机或驱动电机采用“并联”的方式组成PHEV的驻动系统。
PHEV的动力系统组成，可大致分为发动机一驱动系统（变速器和驱动桥）-驰动轮等，电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，其组合方式大多采用转矩复合方式进行，即两个动力源的转矩直接或按一定比例叠加，转速相同或有一定速比。
其优势有:
1）能量转换次数少，发动机的能量只有一部分能量通过发电机，电池~电动机驱动车辆;
2）可以根据行驶工况及其他要求选择纯发动机、纯电动、混合动力来驱动车辆;
3）动力部件较串联式少，整车质量轻。
其劣势有:
1）在行驶过程中，发动机的工作状态随车速的变化而波动，其工作稳定性不好，和传统车类似；
2）控制复杂，特别动力合成装置的制造、加工与操作控制等，如某些车辆上两个离合器的操作问题:
3）由于所用电机功率及电池的入力密度均比串联混和动力小，在回馈制动时，制动能量回收效果不如串联工混和动力汽车。
3混联式（串、并联式）混合动力电动汽车PHEV
混联式混合动力电动汽车（PSHEV）是综合了SHEV和PHEV结构特点组成的PSHEV，由发动机、电动/发电机和驱动电机三大动力总成组成.由于电动/发电机必然是装在发动机的输出轴上，才能起发动机飞轮和起动机的作用，也才能保持发动机的稳定运转并进行发电。
因此电动机的动力要与车辆驱动系统相组合。
目前大多采用行星齿轮对其动力源进行速度复合，即发动机的扭矩按一定比例分配到发电机和齿圈上（齿圈上的输出扭矩与驱动电机一起驱动车辆），而发动机的转速与发电机的转速、电动机的转速以及车速满足一定的等式关系。
这种复合式利用了行星轮系的多自由度（2个）使发动机的工作状况随车速的变化影响小，能以最佳工作状态进行工作，而其能量转化效率也较串联式高，并且能较好地实现制动能量回收，被公认为目前较为理想的混合动力型式，其中以百公里油耗达到3L的丰田Prius混合动力轿车为代表。
但它也有其劣势，其系统结构较为复杂，无论在制造上和控制上都带来一定的困难，但正是这种复杂结构带来了控制上的灵活性，可以获得较佳的性能。
图1.4及图1.5为为丰田Prius混合动力系统系统构成及系统原理图
从上述分析中可以看出，这三种类型的混合动力系统各有其优、劣势，适用于不同的工况条件
图1.4Prius混合动力系统系统构成图
1.4本章小结及本次课题的主要研究内容
1．本章介召了课题来源并对不同混和动力汽车作了简单的说明及对比
2本课题的主要研究内容:
1.通过初始动力性经济性约束,确认BJ6113HEV混和动力各总成主要技术参数
2.对PHEV多能源动力总成系统进行系统分析，研究PHEV中发动机、
电机、电池、传动系统等组件的特性，确认发动机最佳工况带；
3、建立电力辅助控制策略的流程图及回馈制动控制策略的流程图
4、建立混和动力总成的动力总成系统模型
5、利用仿真软件，按建立的控制策略进行动力性、经济性计算
6、给出整车测试报告，与计算结果进行对比，以验证控制策略的正确
第二章并联混和动力汽车对比及控制策略及仿真软件简介招
由于BJ6113HEV混和动力车在合作开发之初便确认了采用并联技术路线，本章将对不同并联技术方案作一个初步的学习与简介，同时对并联混和动力客车不同控制策略作了一些对比及分析及对比，另外在后继的控制策略确认过程中，将以仿真结与试验结果为确认依据，故本章也将后继运用的仿真软件作了一简要的论述。
2.1不同并联技术方案简介
图2.1所示并联式混合动力系统示意图。
并联结构的特征是以机械形式进行复合，发动机通过变速装置和驱动桥直接相连，电机可同时用作电动机或发电机以平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作。
根据采用传动轴的不同，并联又有4种结构形式，如图2.2所示。
图2.1并联混合动力系统示意图
图2.2 并联混合动力系统的几种结构
其中转速复合装置类似于差速器，这种结构形式在实际中很难被采用，因为这种结构需要发动机和电动机的输出转矩时刻保持相等；单轴转矩复合式车辆驱动系中机械功率的联合是在发动机曲轴输出端处实现的，变速器为单轴输入，本田Insight属于这种形式；双轴转矩复合式的机械功率的联合是在变速器的输出轴处实现的，发动机和电机采用不同的变速系统，变速器为双端输入；如图4所示，这种结构也可以实现无级变速，但是不能实现发动机输出转矩和电机输出转矩的直接叠加。
2.2并联混和动力控制策略的研究与发展
1.2混合动力汽车何以具有优良的经济与排放性能呢?
在混合动力电动汽车中，控制策略是整车的神经中枢，它与发动机ECU、电机ECU、变速器控制器以及各种传感器和执行器进行通讯，经过控制逻辑运算发出控制指令，从而使汽车运行在一定的运行模式下。
控制策略包括两个层面的控制策略包含两个层次的内容，一方面，控制策略协调整车各部件的工作以满足基本的工况要求。
即对于司机发出的信号能够指挥动力总成各部件以一定的方式配合工作加以满足，不应出现在设计能力范围内的需求无法得以实现的情况。
另一方面，多部件的系统组成和混合动力驱动方式的特点又对控制提出了“优化”的要求。
对于既定的工况要求，一般会有多于一个的满足方式;例如，对于某一驱动功率，可以有多种匹配方式:
这就需要综合考虑控制的方向、结果以及影响，达到一个最佳或较佳的效果。
一般来讲，混合动力单元—发动机是主要的优化对象，我们希望将其控制在从某种角度考虑的工作优化区域;但是兼顾工况要求和优化目标是一件较困难的事情，甚至是相互矛盾的:
对于一个给定的优化区域，工况的不稳定变化和电池等重要部件的状态将可能使控制对象不得不在某些时候偏离这个区域，这样，在综合考虑偏离的程度和频度后，这个区域就可能被重新确定。
这是制定控制策略的难点和关键。
随着HEV汽车技术的不断发展，控制策略的研究日益得到各国政府以及世界各大汽车公司的重视，包括日本丰田公司的Prius、本田的Insight车都有一套相对独立的控制策略，综合各种控制思想，有以下几种典型的控制策略:
1.电力辅助控制策略
电力辅助（Electricasist）控制策略是并联式混合动力电动汽车较为普遍采用的一种控制策略。
其主要思想是:
将热力发动机作为汽车的主驱动源，电力驱动系统作为辅助驱动源，电动机对发动机的输出转矩起“消峰填谷“的作用，同时将电池的SOC值保证在一定范围内。
这里，较为关键的是发动机的优化工作区域的确定。
电力辅助策略将实现高燃油经济性作为主要优化目标。
我们知道，高燃油经济性区域接近于发动机的高负荷率区域，但优化区域的确定还应综合考虑电机的工作能力和电池的充放电能力，使控制结果能够满足工况的能量需求。
电力辅助控制策略以经济性能和荷电状态值为控制目标，在满足动力性能的基础上可以获得较好的经济性能，但其控制效果比较粗糙，其性能不能达到“最优”，另外没有考虑排放性能。
2.全域管理控制策略
全域管理控制策略的主要思想是:
在某一工况下，计算满足工况需求的发动机/电机的任一扭矩组合所对应的能量消耗，求其最小值对应的发动机、电机的扭矩作为优化计算的输出。
按照此方法对所有工况点进行计算，将计算结果保存并制取与汽车行驶工况相对应的最优发动机、电机扭矩MAP,并将电机、发动机的MAP储存在汽车的控制器中，进行实时的查寻、调用（9]。
此策略考虑到了保持电池电量平衡的问题，解决方法是通过当前SOC值与目标SOC值的差值对电机的MAP进行修正（增加或减少相应的扭矩）。
可以通过用一个非线性的惩罚函数来解决这一问题。
在SOC目标值附近，补偿系数比较小，在SOC值上、下限值附近，补偿系数比较大，这样可以增大充、放电力度，使SOC值迅速回到目标值附近[9]在样车上试验，全域管理控制策略具有极好的燃油经济性能（其燃油效率是传统汽车的1.5倍），电池电量也保持在合理的范围内。
在制取电机的最优MAP图时，可以采用离线的方法，减少了在实际控制中的实时计算量，因此降低了控制器对硬件的要求，有利于降低成本。
但只考虑了经济性目标，而没考虑排放等性能指标。
3.自适应控制策略
美国能源部（DOE）的可再生能源实验室（NREL）研究和发展了一种新的控制策略:
自适应（Adaptive）控制策略，这种控制策略考虑了影响燃油经济J性和排放特性的发动机的动态工作状况。
按照并联式混合动力电动汽车的工作特点，发动机与电动机以机械祸合方式承担整车的驱动功率。
因而，汽车工况所需要的转矩可以表示为发动机转矩和电动机转矩之和。
这样，当一个转矩值确定时，另一个也就相应得到确定自适应控制策略就是对于每时刻的工况需求分别计算所有可能的电机工作点产生的总油耗、总Nox.HC.CO、总PM（微粒）的排放量，将数值代入一个定义了不同权值的函数，求得使这个函数值最小的工作点作为控制的输出。
自适应控制策略具有实时选择发动机、电机工作状态最优点的功能，综合考虑了经济性能和排放性能，但自适应控制策略寻优过程的计算量大，对硬件的要求比较高。
2.3仿真技术在混合动力电动汽车控制系统开发中的应用
对于混合动力电动汽车的开发而言，控制策略的制定应经过反复的推敲和验证，因为它的优劣将直接关系到整车性能的好坏，而计算机仿真技术则是制定、优化和验证控制策略必不可少的有力工具。
通过建立组件模型，开发者可以迅速的测试自己的构想，综合评测系统性能，并在此基础上快速设计出更多的解决方案以满足更高的技术要求。
I.混合动力电动汽车仿真软件的介绍目前国外的HEV专用仿真分析软件多数是研究机构和高校为科研课题而开发的。
这些软件主要包括美国国家可再生能源试验室（NREL）开发的ADVISOR（ADvancedVehicleSimulatOR）和AVL公司开发的汽车仿真软件CRUISE.
1、ADVISOR是基于MATLABISimulink仿真环境的HEV专用仿真软件，它很好地体现了模块化的软件工程思想，能够方便、直观地实现以下功能:
分析能量在HEV各部件之间的分配;比较不同试验循环标准下的油耗、排放情况;优化传动比从而减少燃油消耗等。
研究人员能够通过设置一定的控制策略函数，模拟扭矩、转速和功率在各个组件间的传递，预测汽车在各种循环工况下的动力性能、经济性能、排放性能以及各组件的平均效率。
ADVISOR中的组件模型主要基于大量的经验数据，从而避免了过于细致的组件建模，同时“屏蔽”掉了许多外界参数的影响，具有较高的可信性和鲁棒性[24]。
因此，ADVISOR先后被福特、通用、克莱斯勒及一些研究机构选为HEV的辅助开发工具。
但ADVISOR只能用于控制策略的研究，不用于控制器的设计开发[24]。
由于它是采用能量逆向建模的思路，因此其控制策略不能直接移植到控制单元中，不能用于硬件在环仿真。
而必须使用正向能量仿真模型才可以达到上述目的。
而且现有的ADVISOR版本其模型结构是固定的，不能进行改变，因此对其功能进行进一步开发有困难。
AVLCRUISE是用于仿真研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的高级仿真分析软件[42]。
可以用于车辆开发过程中的动力传动系的匹配、车辆性能预测等。
能够对混合动力车和电动汽车进行建模仿真和性能模拟。
软件提供了多种计算模式，可以对整车动态和静态的性能进行模拟分析。
AVLCRUISE软件一种高度灵活的建模仿真工具，它可以布置结构多变的混合动力车。
组件库由电动机、内燃机、电池组以及动力传动系的连接组件模型组成，该软件把任意布置型式车辆的机械系统、电气系统和控制系统融合在一个模型之中。
并为MATLAB/Simulink,C/C+与FORTRAN中开发的控制系统提供了接口。
2.Matlab/Simulink,stateflow仿真软件的简要介绍
Matlab中的Simulink工具箱是一个功能非常强的仿真开发系统，它将不同的元件、计算环节、控制环节等进行了封装，并可以将一段程序封装为具有输入、输出接口的模块，很好的体现了模块化的的编程思想通过基于Matlab/Simulink仿真语言的可视化编程，可以方便的实现各组件的编程以及系统结构与能量管理策略的设计与优化。
stateflow也是matlab软件的一个功能强大的工具箱，这个工具箱定义了一系列的事件和规则，用一种通用的语言在各个事件间进行通讯和状态转换，是实现控制算法的强有力的工具。
第三章BJ6113HEV并联混和动力客车简介及各总成及参数的选择
3.1BJ6113HEV混和动力客车设计目标及动力性经济性约束
为保证此次联合开的的BJ6113HEV并联式混和动力客车的动力性、经济性各项指标的先进行与可行性。
在综合研究国内各家生产的已有车型后，在联合开发之初，便对整车各项技术参数及动力性、经济性指标作出明确的规定，以便按初始约束进行相关总成的选择与初性参数的确定。
1、整车主要技术参数
车型
BJ6113HEV
车长（mm）
11400
车宽（mm）
2250
车高（mm）
3140（至冷凝器）
轴距（mm）
5650
前悬（mm）
2550
后悬（mm）
3200
轮距前/后（mm）
2020/1860
接近角/离去角（°）
8/8
座位数
37-43+1
整备质量（kg）
10400
厂定最大总质量（kg）
15800
2、整车动力性经济性指标
▲最高车速（额定总质量下）：
≥95km/h
▲起步换挡从0-50km/h加速时间：
≤25S
▲燃油经济性指标：
与传统客车相比，（质量参数、外形参数，动力性能相当的前提下）百公时燃油消耗量降低25%。
值得一提的是，由于当时《中国典型城市公交循环》路面谱的标准尚未出台，以什么工况作为测试标准是一个较为困难的问题，最后双方最后确认，以我国城市十五工况循环、美国曼哈顿公交车工况作为共同约束。
初期的控制策略均以此为仿真基础，而试制车辆完成即将投入试验时，标准《重型混合动力电动汽车能量消耗量测试方法》已颁布，其中规定采用2次重复的中国典型城市公交循环（BC-CTC－BusCycleforChinaTypicalCity）作为试验测试的行驶循环。
这使得最后测试结果与当初仿真结果有一定的差距，最后通过改变动动机上下限的方法，才取得较好的结果。
3.2BJ6113HEV并联技术方案简介
伊顿公司并联系统采用直接并联混合动力结构，其结构如图3.1示：
3.1直接并联混和动力结构图
这种结构在自动离合器的输出和自动变速箱的输入之间加入一个电动马达/发电机。
这种结构所需电池组少，重量轻，可以实现回收制动能量，储存在电池或其他储能装置中。
电动机可以和发动机同时驱动提高汽车性能；在特定车速下可以使发动机运转在最高效的范围，或者采用纯电动驱动模式。
另行这种结构还可通过电机直接启动发动,由于与启动机相比,电机的功率大在提高,可以迅速启动,这为怠速停机工况提供了便利的休件;这种结构还提供一定程度的冗余，可以在一个系统有故障时，另外一个系统仍能单独工作，可靠性高。
3.3发动机、变速箱、主减速比及电机电池的选择
3.3.1发动机选型
混合动力汽车动力传动装置参数（包括发动机功率、电动机功率、传动系速比等）,对车辆的动力性!
燃油经济性和排放性能有显著影响。
发动机功率的选择对并联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,限制了车辆的续行里程"由于并联混合动力汽车通常都采用由发动机提供车辆平均行驶功
率,由电动机提供峰值功率的控制策略,因此其功率值的选择主要应考虑车辆匀速行驶时的功率需求,通常按下式初选发动机最大功率：
Pe=（Mg*f*Vmid/3600+Cd*A*Vmid3/76140）/ηt
M（汽车厂定最大总质量）:
（15800kg）
g（重力加速度）:
9.8m/S2
f（路面滚动阻力系数）：
0.015
Vmid（车辆功率计算车速）
Cd（风阻系数）:
0.65
A（迎风面积）:
6.73m2
ηt（传动系效率）:
0.87
Vmid的具体取值应依据所设计车辆的动力性能要求而定，取Vmid=Vmax（最高车速km/h）,显然发动机的功率偏大,因为实际上车辆很少以最高车速行驶,尤其在我国更是如此，据文献指出,我国城市车
辆的平均行驶车速va仅在20-30km/h之间,取Vmid=Vmin,则发动机的功率将偏小；因此结合我国车辆和路况实际现状,的取值为：
Vmin≤Vmid≤Vmax。
如取Vmid=80km/h,则计算得到的发动机功率为92.6kW,发动机附件消耗功率为10kW，空调功率为15kW，实际功率发动总功率应为117.6kw，如取Vmid=90km/h，则计算得到的发动机功率为115kW，加上空调及发动附件损耗25kw，则实际功率发动总功率应为140kw。
混和动力客车由于有了电机辅助驱动，因此在发动机选型时应取功率下限，由国内现的资源看符合条件的发动机有美国康明斯公司的ISBE170（3.9L）ISBE180（3.9L）ISBE185（5.9L）三种,考虑此次混和动力开发是11.5米与12米同时开发,两种系列车最好共用一动力系统平台,以方便今后的采购与生产,且四缸机使用在12米客车上，发动缸机负荷较大，故最终选定ISBE185作为BJ6113HEV混和动力客车的动力源。
该发动机额定功率135kw/2500rpm，额定扭矩700N.m/1500rpm,其万有特性曲线见图5.2。
3.3.2电机选型
为了满足汽车动力性要求，选择的电机与发动机合成功率应与原型车发动机相当。
选型内容包括：
电机类型、电机功率选择等。
1、电机类型的选型
现代电动汽车用电机有交流感应电机、永磁无刷电机、开关磁阻电机等。
交流感应电机（IM）高效、高功率密度，能有效地再生能量回馈，适用于变工
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