混合动力汽车

作业混合动力汽车的类型特点关键零部件的选型（发动机电机电池）动力匹配原理及能量控制策略

混合动力汽车类型

从能量流到混合动力系统输出轴的流经路线，可将混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式和复合联接式四种。

1.串联式(SHEV)驱动系统的典型结构与基本组成部件如下所示，主要由发动机、发电机和电动机组成，原动机一般为高效内燃机。发动机直接驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。电池在发动机输出和电动机需求功率间起到调峰调谷的作用。为了满足汽车在起动、加速时的大功率需求，在串联式结构中还有加超级电容等功率密度较大的蓄能装置，在制动能量回收时也起到快速回收能量的作用。

图表1串联式

2.并联式(PHEV)的布置如下所示，其特点是动力系有两种动力源——发动

机和电动机。当汽车加速、爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动系提供动力；一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。并联式HEV 能设置成用发动机在高速公路行驶模式，加速时由电动机提供额外动力。

图表2并联式

3.混联式(SPHEV)如下所示，这种布置形式包含了串联式和并联式的特点，

即功率流既可以象串联式流动，又可象并联式流动。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。根据助力装置不同，它又可分为发动机为主和电机为主两种。在发动机为主形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源，日产公司(Nissan)Tino属于这种情况。在电机为主形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源，Toyota Prius HEV就属于这种情况。这种结构的优点是控制灵

活方便，缺点是结构相对复杂。

图表3混联式

4.复合联接式(CHEV)的布置形式的混合动力汽车结构相对复杂，主要出现在双轴驱动的HEV中。在这种联结形式中，HEV前轴和后轴之间没有传动轴连接，它们分别由动力部件驱动，从而实现四轮驱动，如图卜5所示，。它的动力系统由一个完整的前述混合动力系统和独立的轮毂电机组成。根据布置位置不同，复合式分为两种。一种是前轴由混动系统驱动，后轴由电机驱动型，丰田公司的Prius THS-C采用的就是这种形式；另一种是前轴由电机驱动，后轴由混动系统驱动，通用公司的Precept HEV采用这种形式。这种四轮驱动的缺点是结构复杂，成本较高；优点是动力性和越野性能好，尤其在制动时，前后轴电机都可同时作为发电机回收制动能量给蓄电池充电。这种双轴驱动系统的特有的特点是轴平衡能力，在混合驱动端车轮滑动时，该端的电机能作为发电机来吸收发动机过剩的输出功率。

图表4复合联结式

混合动力汽车特点

混合动力汽车同时装备两种动力来源——热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。

关键零部件的选型

1.发动机功率匹配

EQ61 10HEV 并联混合动力系统采用发动机为主，电机为辅混合驱动方式，发动机在汽车行驶过程中处于经常工作状态。传统汽车以满足汽车动力性要求来选择发动机功率，而汽车正常行驶所需求的功率只占发动机峰值功率的40％左右，低的负荷率导致汽车燃油经济性和排放性能降低。对于混合动力汽车，电机的参与使得发动机功率选择仅以满足汽车平均需求功率即可。为了保证汽车动力性，在良好路面上纯发动机驱动模式仍能满足最高车速要求，良好路面上最高车速行驶时所需的发动机功率为：

式中amax u 为设计的最高车速，km/h ；t η为传动系效率；g 为重力加速度，9．81 m ／s2；i 为汽车以某一速度行驶应通过的道路坡度。 该车设计最高车速为78km ／h ，计算得到的发动机功率为78．5 kW ；发动机高效、低油耗区域大约位于负荷率80～90％之间，因此，发动机实际功率应再增加15 kW ；考虑对汽车动力性的要求，增加安全裕度5kW ；发动机附件消耗功率约为4～10 kW ，空调功率为10～15 kW ，综合各种因素，初步选取发动机功率为111．5 kW ，最后选定为额定功率110 kW ，排量为3．9L 的康明斯ISBel50四缸柴油共轨发动机，该发动机采用的电控单元与外界接口友好，排放达到欧III 标准，有良好的燃油经济性。

2.电机参数匹配

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。匹配内容包括：电机功率和电机基速点选择等。

混合动力客车使用在城市公交工况，载荷较大，平均车速较低，频繁起停。综合EQ6110HEV 混合动力客车结构和使用特点以及柴油发动机速度相对较低、振动较大的特点，因此选用技术成熟、性能稳定的开关磁阻电机。

2.1电机功率选择

为保证汽车动力性，选择的电机和发动机的合成外特性接近于或高于原型车发动机外特性。混合动力系统应满足以下技术要求： (1)电机单独起车，且起车时间15％； (4)汽车的驱动扭矩小于良好路面的附着扭矩； (5)常用车速下电机的工作点应处于高效工作区。

设原型车匹配发动机扭矩外特性tc e i imax i /n f T ???

? ??= 式中i tc 为发动机到电机的扭矩耦合比；ne 为发动机转速。 电机功率

，根据条件，初步计算的电机峰值功率为56kW 。分

别以峰值功率25．65kW 、基速为2000rpm 的电机为辅助动力源的混合动力汽车进行动力性模拟计算，结果如图所示，随着电机功率增加，汽车循环百公里油耗随之增加，加速时间却随之减小，汽车动力性增加。根据混合动力客车的技术要求，选取峰值功率为60 kW 的电机比较合适，0～50km ／h 加速时间仅有35 S ，在电池

SOC平衡条件下客车的等效循环油耗为42L／100km。

2.2 电机基速点选择

当电机功率确定之后，电机基速点的选取对混合动力汽车动力性影响较大。对于峰值功率为60kW的电机，基速点分别选取为1000 rpm、1500 rpm和2000 rpm 三点，模拟计算结果如图2．5所示。

在给定条件下，功率相同、基速点不同的电机对汽车燃油经济性影响不大，但对汽车动力性影响明显，基速为1500 rpm左右的电机使汽车获得最佳动力性。综合分析后，选取电机的基速为1500 rpm。

3.动力电池参数匹配

混合动力系统的电机承担着调节汽车行驶需求功率的波峰和波谷的作用，而混合动力系统的储能元件一方面起着向电动机提供能量的作用，另一方面起着吸收制动再生能量和发动机多余能量的作用。能量回收制动对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义，据文献15副介绍，对于EPA混合燃油循环，能量回收制动可减少车辆驱动能量需求的14％。对于重型载货汽车，在6％坡道、80km／h车速下坡需要350kW的纯制动功率。因此，混合动力汽车要求系统的储能装置能较长时间地吸收制动功率(如2 min)，但储能能力的增加必然致使汽车重量的增加，

从而带来汽车燃油经济性的下降。为使汽车自重增加不致太多，要求储能装置应具有比较高的比功率和比能量。

动力铅酸电池的比能量一般为30-40Wh ／kg ，比功率一般为150-200W ／kg ，循环使用寿命一般为500～700次。铅酸电池技术发展较为成熟，可靠性高、原料丰富且价格便宜，但铅酸电池的比能量较低，在过放电和过充电时，其使用寿命将显著缩短，深度放电以及环境温度变化也对电池性能影响较大。铅酸电池今后的发展目标为提高比能量，增大循环使用寿命，进一步降低成本，发展密封免维护电池，目前在纯电动汽车或混合动力汽车上也有应用。

锂离子电池能量密度可达到100Wh ／kg ，功率密度可达到300W ／kg ，并且循环 使用寿命长。但其成本较高，安全性尚需进一步提高。美国、日本都在开发锂合 物电池，目前已投入关键性的安全实验考核。

镍氢电池具有很好的耐过充电特性，良好的使用安全性和充放电效率，以及该电池的反应物中无溶解析出物。这些特性非常适合混合动力汽车。对于轻度混合的混合动力汽车，动力电池的最大使用特点是常处于放电或充电状态，只要合理控制动力电池SOC 工作区间，尽量避免过充或过放以及过大电流的冲击，上述因素对镍氢电池的寿命影响不会太大。另外，镍氢电池的使用成本也基本合理，所以混合动力系统用动力电池以镍氢电池占主体。专家预测，在未来一段时间内镍氢电池是最具竞争力的动力电池之一，国内也在大力开展这方面的研究工作，并取得了可喜的成果。

综上所述，同时借鉴各国在混合动力汽车储能元件的选型方案、现有混合动力汽车上的应用状况以及对各种储能元件的性能分析，镍氢电池将作为EQ61 10HEV 混合动力客车动力电池的近期首选。

动力电池在混合动力客车中起峰值功率补偿作用。混合动力汽车上的动力蓄电池有辅助动力和主动力两种工作模式。前者偏重蓄电池的功率特性，后者还要求蓄电池具有一定的能量特性。本项研究的并联电助力混合动力系统采用辅助动力模式。在辅助动力模式下，要求动力蓄电池具有瞬间大电流充放电的能力。虽然充／放电电流很大，但由于持续时间都较短，因此电池的荷电状态波动范围不大。因此，蓄电池的性能应满足两个要求：功率需求和能量需求。

(1)功率要求

作为辅助动力源，蓄电池最大放电功率必须满足：

式中，max drv P ，为汽车最大需求功率，kW ；Acc P 为辅助设备的功率消耗，kw ；mc 为电机及其逆变器效率。

蓄电池还必须具备一定的充电功率，以吸收制动时的回馈能量。考虑到电池的特性和电机的能量回收功率，同时考虑到大电流充放电对电池寿命的影响，电池的充电功率不应大于40kW 。

(2)能量要求

辅助动力模式情况下，对蓄电池的能量要求不象功率要求那么严格，一般可以满足需要。根据对所选动力电池的分析，表2．1列出了所选Ni-MH 电池的主要参数。

4.发动机与电机扭矩耦合比匹配

EQ61 10HEV混合动力总成发动机与电机非同轴布置，其转矩耦合速比直接影响汽车速度范围，转矩耦合器作用是使发动机和电机输出转矩有效耦合，并且保证

发车动力性和经济性。一般情况下，发动机与电机转矩耦合比，

式中

n为电机最高转速，rpm；但考虑到发动机的经济转速区应对应于电机的mmax

高效转速区。根据已知条件，初选itc=1．636，分别选取itc=1．45、1．5、1．55、1．6和1．7，得到图2．8所示结果。兼顾混合动力汽车的动力性和经济性，最终选取itc=1．55。

混合动力汽车控制策略

1.功率流控制的目标与策略

汽车混合动力系统有各种各样的结构形式，因此应有不同的功率流控制策略来控制功率流动方向。控制策略是为了满足不同混合动力汽车的目标要求。功率流控制应满足的性能目标有：

(1)最大燃油经济性(maximum fuel economy)；

(2)最小排放(minimum exhaust)；

(3)最小系统成本(minimum cost)；

(4)优良的驾驶性能(good driving performance)

影响混合动力汽车性能的因素很多，其功率控制策略应考虑关键因素有：

(1)最佳发动机工作点——它基于最佳油耗、最低排放或者二者的折中得到的动机转矩——速度平面上的一个发动机最佳工作点；

(2)最佳发动机工作线——在运行过程中汽车对发动机有不同的功率需求，不同转速下的相应的最佳工作点组成最佳工作线；

(3)最佳发动机工作区——发动机工作点在发动机特性图中有一个最佳工作区域，在该区域发动机的燃油效率能保持在最优；

(4)最小发动机动特性——尽量避免任何发动机速度的快速波动；

(5)最低发动机转速——当发动机工作在低转速时，燃油消耗效率也较低。当发动机速度低于设定的转速阈值时应关闭发动机；

(6)最小发动机turn．on时间——发动机不应该频繁地启动和关闭，否则将导致额外的燃油消耗和排放增加。必须设定最小的turn．on／off时间避免这种缺点；

(7)合适的电池电量——电池的电量必须保持在合适的水平，这样当汽车加速时能提供足够的驱动功率，当制动或下坡时能接受制动回收能量。当电池电量太低时，发动机能提供更多的功率输出为电池充电：

(8)相对的能量分配——在驾驶循环中电动机和电池的功率要按比例合理分配。

2. 典型控制策略及应用

2.1 基线控制策略

基线控制实际是一种固定的门限值控制方法，即根据不同工况来决定发动机和电机的运行状态，并将发动机和电动机的运行参数控制在有限区域内，以实现不同的控制目标。在基线控制中，电机在以下几种情况下工作：当汽车速度小于最小设定车速时，关闭发动机，电动机提供全部的驱动力矩；在发动机工作区，如果汽车需求的驱动力矩大于发动机能够提供的最大驱动力矩，此时，电动机提供驱动力矩不足部分来满足汽车动力性要求；汽车在制动时，发电机回收制动能量并为电池组充电；在给定发动机转速时，如果发动机工作在低效区，关闭发动机，由电动机提供汽车所需的驱动力矩；当电池SOC低于下限值时，发动机将提供额外扭矩来驱动发电机为电池组充电，以维持电池组要求的SOC状态。

如图1-8所示，发动机转速和扭矩被限定到油耗和排放都较低的区域内。如图1-8(b)所示，当SOC

2．2 本田Insight控制策略

它实际也是一种发动机+薄型电机同轴布置并联结构的电助力式控制策略，不同点是在助力区发动机和电机按线性规律进行功率分配。电机依据以下原则助力：

(1) 当汽车加速时，根据扭矩和加速率，电机辅助内燃机产生10 Nm扭矩；

(2)当再生制动时(即踩下制动踏板时)，电机用作发电机产生一个负的扭矩施加给传动系；

(3)当低速时，一般车速低于10 km／h，汽车主要依赖于机械制动器：

(4)本田Insight利用关闭发动机策略提高汽车的燃油经济性和排放性能。

2．3 丰田Prius控制策略

丰田Prius采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙地将减速器、发电机和电动机等动力部件耦合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功能，形成一个集成化混合动力总成系统来控制电机、发动机、发电机和车轮之间的功率流动，控制比较复杂。其基本思路是在给定车速下，由驾驶循环或驾驶员输入决定期望的输出命令：(1)决定发动机期望的工作点；(2)决定发电机的速度(该速度由发电机扭矩决定)使发动机工作在期望的工作点；(3) 决定电机扭矩(或再生功率)来给车轮提供必要功率(或从车轮获取制动能量)；(4) 当发动机功率不足时，电池提供额外功率。为使启动时排放降到最低，发动机温度应保持在正常工作温度附近。

2．4 模糊控制策略

模糊控制是一种基于知识库的智能控制方式，模糊控制研究主要集中在控制发动机的工作点，目标是让发动机工作在低油耗区或峰值效率区。可利用最低燃油消耗或最高系统效率两种策略实现控制目标。这种策略的优点是发动机经常运行在经济油耗区或高效率区，使混合动力系统总的燃油消耗较低或效率最高。该策略主要内容是：(1)在发动机油耗或效率map中找到不同转速下的最低油耗点或高效工作点：(2)通过模糊控制逻辑合理分配发动机和电机功率，让发动机工作点跟随最低油耗点或最高效率点／曲线运行；(3)提供足够的扭矩(或动力)满足

道路负荷需求；(4)维持电池的SOC值在一定范围内；(5)提供足够的、可接受的续驶里程。

2．5 实时最优控制策略

实时最优控制是一种理想的控制方法，它是根据发动机的经济性和排放运行特点，利用最优控制原理，折中考虑燃油经济性和各排放物的特点，建立相应的目标函数，并使目标函数值最小来实现燃油消耗和各排放物都较少的目标。实时适应控制应考虑以下几个方面问题：(1)整车性能优化应考虑发动机、电机和蓄电池组的瞬态效率；(2)汽车实时最优控制应结合实际运行状态，如发动机等关键总成温度以及制动的能量回收量；(3)用户可自定义的燃油经济性和排放目标；

(4)任一给定速度下发动机的工作点，由实时适应控制器根据控制目标寻求发动机与电机的最佳能量组合来决定发动机的最优工作点。

根据对并联混合动力汽车动力性、经济性和排放性能的折中，建立实时最优控制的目标函数(式1．1)，并最小化目标函数。

式中，w(f=1，2，3，4，5，6)为权重系数。

实时适应控制可以实现混合动力系统的最优控制，但优化过程复杂，计算量大，这对实时性要求较高的汽车控制系统是不利的。目前混合动力汽车实时最优控制策略研究主要集中在：(1)多目标优化一一离线、系统总成优化匹配，(2)功率分配优化一一在线、仿真，其目标是力求每一步都优化发动机与电机的功率分配。从以上几种控制策略的特点和应用情况可以看出，并联电助力式控制策略简单，控制精度相对低，但在实时性好，适合于工程实时控制情况；模糊控制大量工作前期离线完成，根据汽车工况实时推理过程相对简单，计算量也不大，实时性和精确均可兼顾。最优控制虽是理想的控制方法，但实时性差，在实际控制中无法使用。从成功实例看，采用基线控制与模糊控制相结合控制措施是一种较好的控制办法。