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1、分类号：U463.341密 级：单位代码：10433学 号：Y0602078 山东理工大学硕士学位论文并联混合动力中型客车多能源动力优化控制策略研究RESEARCH ON MULTI-ENERGY POWER TRAIN OPTIMIZATION AND CONTROL STRATEGY OF PARALLEL HYBRID ELECTRIC BUS研究生： 宋 忠 凯 指导教师： 谭德荣 教授 申请学位门类级别： 工 学 硕 士 学科专业名称： 载运工具运用工程 研究方向： 车辆电子技术 论文完成日期： 2009年 4月 8日 独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的
2、研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得山东理工大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 时间： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，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应遵守此协议)研究生
3、签名： 时间： 年 月 日导师签名： 时间： 年 月 日山东理工大学硕士论文 ABSTRACT山东理工大学硕士论文 摘要摘 要随着科技发展和社会进步，汽车保有量日益增加，汽车工业所带来的能源短缺与环境污染等问题越来越受到世界各国的重视。混合动力汽车作为一种低能耗、低排放且能够满足现代使用性能要求的新型能源汽车，受到越来越广泛的关注。本文以舒驰中型客车YTK6605Q为研究对象，运用并联混合动力系统的有关知识对其动力系统进行设计，优化了动力系统参数，使之在保持动力性的基础上，达到提高燃油经济性和降低排放的设计目标。本文分析比较了混合动力系统的几种驱动结构形式；研究了混合动力客车动力总成部件选型理
4、论，提出了发动机、储能元件、电机以及变速器等的选型方案，并提出了双轴并联的混合动力客车动力系统设计开发方案。对YTK6605QHEV并联混合动力客车进行动力系统参数选择和控制策略的研究，提出了实时控制策略。运用advisor仿真软件编辑客车动力系统各组成部件M文件并对其建模；研究了在不同工况下的客车动力性与经济性；与传统车型进行比较，突出并联混合动力系统的优越性。关键词：并联混合动力客车；动力参数匹配；控制策略；仿真- II -山东理工大学硕士学位论文 ABSTRACTAbstractWith technological development and social progress, the
5、 automobile industry is increasing year by year. Energy source shortage and environment pollution arising from automobile industry have been given more and more attention all over the world. HEV is a new type motor vehicle with low energy consumption and emission, it receives more and more extensive
6、 attention.YTK6605Q was studied in this paper as traditional model to design power train system by related information in order to realize the designed object to improve the fuel economy and decrease the emission.The paper analyzed and compared several drive structure. The parallel configuration was
7、 put forward based on analyzing the advantages and disadvantages for series and parallel power train for hybrid electric power train structure. Then, the type for power train, such as engine, storage, motor and transmission was selected respectively according to analyzing the component for HEV. Base
8、d on YTK6605Q, the paper completed dynamic parameter matching of YTK6605QHEV and control strategy research. And it selected real time control strategy. ADVISOR software was used to simulate the designed prototype under certain drive cycle. The simulation result was compared with that from convention
9、al bus prototype, from which it could be concluded that as for the newly designed prototype, the parameter selecting was reasonable and hybrid power was superior.Key words: Parallel Hybrid Electric Vehicle; Dynamic Parameters Matching; Control Strategy; Simulation- II -山东理工大学硕士学位论文 目 录目 录摘 要IAbstrac
10、tII第一章 引 言11.1 选题背景11.2 论文研究的目的和意义11.3 国内外混合动力电动客车的研究现状与发展趋势21.3.1 国外混合动力电动客车的研究现状21.3.2 国内混合动力电动客车的研究现状31.3.3 国内外混合动力电动客车的发展趋势41.4 论文的主要研究内容41.5 本章小结5第二章 混合动力客车动力系统布置方案研究62.1 概述62.2 混合动力客车驱动类型和工作原理62.2.1 串联式混合动力客车（SHEV）62.2.2 并联式混合动力客车（PHEV）82.2.3 混联式混合动力客车（PSHEV）122.2.4 插电式混合动力客车132.2.5 四种混合动力驱动系统
11、的性能特点和对比142.3 YTK6605QHEV动力驱动系统的确定172.3.1 中型客车运行工况的特点172.3.2 YTK6605QHEV动力驱动系统方案172.4 本章小结18第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配203.1 概述203.2 YTK6605Q整车参数和性能指标203.3 并联混合动力客车动力总成选型213.3.1 并联混合动力客车整车模型213.3.2 并联混合动力客车发动机选型213.3.3 并联混合动力客车电动机选型243.3.4 并联混合动力客车储能元件选型253.3.5 并联混合动力客车变速器选型263.4 YTK6605QHEV动力传动系参数的选择
12、273.4.1 YTK6605QHEV发动机参数的选择273.4.2 YTK6605QHEV发动机参数的选择293.4.3 YTK6605QHEV电池参数的选择303.4.4 YTK6605QHEV传动系速比的选择323.5 本章小结34第四章 并联混合动力中型客车动力总成控制策略354.1 概述354.2并联混合动力客车控制策略研究354.2.1 电动助力控制策略354.2.2 实时控制策略374.2.3 模糊逻辑控制策略394.3 YTK6605QHEV的控制策略和控制模式404.4 本章小结41第五章 ADVISOR软件仿真及结果分析425.1 概述425.2 电动客车仿真软件ADVIS
13、OR简介425.2.1 ADVISOR的文件结构和工作原理425.2.2 ADVISOR的仿真界面435.2.3 ADVISOR的基本功能465.3 ADVISOR仿真方法及m文件的建立465.3.1 ADVISOR仿真方法465.3.2 m文件的建立485.4 YTK6605QHEV性能测试选型、仿真工况及结果分析485.4.1 设置性能测试选项485.4.2 仿真工况研究495.4.3 仿真结果分析515.5 本章小结52第六章 论文总结与研究展望536.1 全文总结536.2 研究展望53致 谢55参考文献56在学期间公开发表论文及著作情况59山东理工大学硕士学位论文 第一章 引言第一章
14、 引 言1.1 选题背景为降低汽车的能源消耗和废气排放，近年来传统内燃机汽车(ICEV)、纯电动汽车(EV),混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCV)等新技术取得了长足的进步。然而由于发动机及相关技术的限制，传统内燃机汽车的能耗和排放很难再作突破性的改善。燃料电池也由于高昂的成本、目前尚低的可靠性和运行寿命，以及氢燃料基础设施的缺乏而无法在短期内替代传统内燃机汽车。使用电动汽车可实现无污染，无疑是解决问题的最有效途径。但是，由于电动汽车的关键部件电池的能量密度、寿命、价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡1。在这种情况下融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动
15、力电动汽车HEV (Hybrid Electric Vehicle)异军突起，它有比传统汽车更高的燃油经济性和更低的排放，以及在规定范围内实现零排放(纯电动模式)，又克服了电动汽车续驶里程短的缺点。混合动力电动汽车同时配备电力驱动系统和发动机系统，混合动力电动汽车将发动机、电动机、能量储存装置组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车2。混合动力系统的采用可以使汽车有更多的工作模式，改善了发动机的运行工况，提高了运行效率3。混合动力系统作为混合动力电动汽车的核心，具有高度的复杂性。只有充分考虑系统的结
16、构形式、部件参数、控制策略以及汽车的行驶路况等因素对系统性能的影响，做到整个混合动力系统的合理匹配，才能提高系统的运行效率，充分发挥混合动力驱动系统的潜力。1.2 论文研究的目的和意义节能与环保成为当今世界汽车发展的两大主题，汽车工业的可持续发展战略以及我国汽车工业所面临的现状迫使我们必须寻求新的发展道路，再加上今年经济危机的影响，政府对电动汽车的发展提供了大量政策支持。新能源汽车本身的产业前景也是非常广阔的，一方面，传统能源日渐稀缺，环境问题日益加剧，汽车行业需要未雨绸缪，加以应付，提前做好技术准备；另一方面，这也是汽车业目前面临的危机与调整带给新能源汽车的机遇。我们要抓住机遇，下决心把发展
17、电动汽车实现产业化作为我国汽车工业实现跨越式发展的战略性举措。就其定义而言，混合动力电动汽车(HEV)是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供4。在并联混合动力电动汽车多能源动力总成配置中，通常将内燃机与牵引电机通过机械传动装置耦合在一起，在不同的工况条件下组成不同的工作模式，从而使内燃机和牵引电机发挥各自优点，以应对越来越严酷的环保和能源限制要求。并联混合动力电动汽车多能源动力总成由内燃机、牵引电机或电动/发电机、储能装置、传动装置、电力电子和微电子控制器等组成，这些部件的参数匹配和系统控制策略对于混合动力
18、电动汽车的性能起着至关重要的决定性作用。值得强调的是：任意设计的 HEV 是不能达到以上要求的。这就要求设计者对 HEV 的整体匹配进行研究，包括动力驱动系统的布置形式、各部件参数的选择、功率在牵引电机和发动机之间的分配关系及其控制策略的确定等等，使各部件达到合理的匹配。如果采用传统的汽车开发的方法，混合动力电动汽车的开发将会是个漫长的过程，而且开发成本也会很高。随着计算机软硬件技术的飞速发展，新兴的虚拟样机技术逐步在汽车开发中得到广泛应用。为此，在开发阶段必须通过计算机仿真技术寻求适宜的匹配和控制策略，以使用较低的开发成本、较短的开发周期研制我国自主产权的混合动力电动汽车多能源动力总成控制系
19、统，满足整车性能及产品实用性要求，促进我国汽车电控产业的发展。这也正是本论文所研究的目的和意义所在。1.3 国内外混合动力电动客车的研究现状与发展趋势1.3.1 国外混合动力电动客车的研究现状在日本政府实施严格的汽车环保法案、给予达标车辆优惠政策等的影响下，日本混合动力汽车技术居世界领先水平。丰田是全世界第一台正式批量生产的混合动力车的制造者，自从1997年开始，Prius就开始在日本销售，2000年起便在北美、欧洲及世界各地公开发售。丰田公司已经开发出5中商业化车型。且应用于动力性能要求更高的SUV车型上雷克萨斯的RX400h(日本名为Harrier Hybrid)和Highlander H
20、ybrid(日本名为Kluger Hybrid)4。本田公司分别在1999年和2001年推出的“INSIGHT”，和“CIVIC”。本田还在混合动力车的开发上，通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等追求动力高效化；通过开发新型轻质铝车身、树脂油箱等谋求车辆的轻型化，使汽车达到每公升汽油可行驶35公里的世界最高水平，并且使汽车尾气排放达到世界最严格要求的标准。日产公司也能够批量生产并联混合动力汽车系统。与日本相比，美国混合动力汽车的研发起步稍晚，但美国三大汽车公司的进展速度很快。美国政府于1997年与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司合作，实施新型汽车合作计划(PNGV)，该计划制定的混合动力电动汽
21、车开发的目标是：2002年进行试验性推广，2004年达到全面商业化生产。在2000年的北美国际汽车展上，三大公司分别展出了自行研制的混合动力轿车:通用Precept，福特Prodigy，戴姆勒克莱斯勒Dodge ESX3。Precept是通用汽车公司展出的一款具有先进技术的环保车，直接归属PNGV ( Partnership for a New Generation of Vehicles)项目。它是一种采用发动机为主，电动机为辅的配置方式，适合五人乘坐的家用轿车，设计百公里油耗为3.5L，燃油效率是使用一般燃料的同类车型的三倍。 欧洲在混合动力汽车的开发、研制和推广方面作了大量投入。突出代表
22、是法国的Berlinge，在性价比上能与一般汽车相抗衡，代表了国际实用先进水平。目前，德国己有20辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。最近，德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将在部分地区限制百公里油耗超过5升的轿车行驶，也将促使人们把希望寄托在混合动力汽车的开发上。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃FL6卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达90km。1.3.2 国内混合动力电动客车的研究现状电动汽车在我国863计划启动之初就是重要专项之一，2000年科技部进一步将电动汽车的产业化列为“十五”科技工作重中之重的重大专项5。混合动力客车和混合动力轿车目前发展比较快。混合动力客车是
23、由一汽和东风公司牵头，与众多科研院所合作研制的。清华大学在混合动力电动汽车关键技术和系统及理论方面作了许多工作, 1995 年就开始这方面的研究。到目前为止国内已有几个单位试制出了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也合作开发了一种中巴混合动力汽车。1998年，清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车；江苏理工大学也进行了串联式混合动力公交轻型客车的研制6。吉林大学分别与第一汽车集团、中国汽车技术研究中心进行混合动力卡车、轿车和客车的研究。常州长江客车集团也在2001年5月与北京能源技术科研机关研制了2辆11米的混合动力大客车，
24、至今已运行了近8000km，运营状况良好。目前常客集团工矿车辆有限公司又与航天部杭州航天万源绿色动力科技有限公司继续研制开发这种混合动力电动公交大客车。一汽自主研发的解放牌混合动力城市客车已通过国家“863”电动车重大专项专家组的项目验收。2005年4月，天津清源电动车辆有限责任公司向美国成功出口6辆自主研发生产的“幸福使者”电动汽车，后经过美国经销商的性能测试和市场推广，对该车的各项性能指标均非常满意，随后同年9月美方再次向清源公司订购“幸福使者”电动汽车106辆，这112辆电动汽车成功批量销往美国既是我国国内电动汽车第一次出口，同时也标志着天津清源电动车辆有限责任公司已经初步实现了电动汽车
25、产业化，走在了全国同行的前列7。东风集团的混合动力公交车已于2005年7月完成最终产品定型样车试验并通过验收。从此，我国首款自主研发、完全拥有自主知识产权的东风混合动力电动公交车正式投放市场8。1.3.3 国内外混合动力电动客车的发展趋势近几十年来, 世界各国汽车工业都面临着能源危机与环境保护两大挑战。为此, 各国政府纷纷制定相应对策, 力图开发出新一代清洁节能型汽车。我国财政部和科技部联合出台了节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法。此次财政支持的节能与新能源汽车主要指混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车，对于节油率在40%以上的混合动力汽车，其补助标准将达到5万元/辆，并且鼓励
26、在公交、出租等公共服务领域率先推广新能源汽车。此次明确提出具体的补助方案，显示出政府发展新能源汽车的决心。由于电池技术的瓶颈, 纯电动和燃料电池电动汽车技术发展相对缓慢。目前, 混合动力电动汽车由于其高能量效率和低排放性能向传统汽车提出了极大挑战, 发展势态迅猛, 市场化进程很快。1.4 论文的主要研究内容论文将以传统客车YTK6605Q为研究对象，将其设计为并联式混合动力电动客车，在不牺牲其动力性的基础上，提高燃油经济性和降低排放。实现混合动力系统设计目标的关键在于确定系统的结构、动力系统的合理匹配、参数优化以及多能源动力分配控制策略的制定，然后进行性能仿真分析。基于以上考虑，本课题主要研究
27、内容如下：(1)并联式混合动力城市客车动力系统总体方案的确定。(2)并联式混合动力城市客车动力系统参数选择与匹配。根据本文制定的整车动力性能指标要求，提出并联式混合动力总成参数的匹配方法和原则，对并联式混合动力城市客车进行动力系统参数匹配。 (3)并联式混合动力城市客车控制策略的研究，其中包括模糊逻辑控制策略、自适应控制策略、遗传实时控制策略。本部分主要完成控制策略在整个模型中的建立，综合考虑车辆的动力性能、燃油经济性和电池荷电状态，建立合适的控制策略。(4)并联式混合动力城市客车整车性能仿真。采用ADVISOR仿真思想建立起整车仿真模型，并根据整车参数、选择的动力系统参数以及制定的控制策略对
28、设计好的车型进行仿真，并对仿真结果进行分析。1.5 本章小结(1)介绍了该课题研究的目的和意义以及发展前景。 (2)详细介绍了混合动力客车当前的国内外研究现状和发展趋势。(3)介绍了本课题的主要研究内容。63山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究第二章 混合动力客车动力系统布置方案研究2.1 概述目前由于能源的限制，电动客车的行驶里程无法与燃油客车相比，无论电动客车多么清洁，人们不可能购买行驶里程只有100-200km的电动客车。只有当电动客车的能源技术有所突破时，电动客车才会普及，在此之前，使用内燃机和电动机的混合动力电动客车是一种替代的解决方法。混合动
29、力电动客车的优点是把纯电动客车的行驶里程延长了2-4倍，而且能快速添加汽油或柴油，其缺点是结构复杂且不是零排放。不过与燃油车相比，在相同行驶里程的条件下，混合动力电动客车的燃油消耗和排放要小得多，因为混合动力电动客车中的内燃机以最有效的模式工作，燃油消耗少，产生的排放也小，而且，混合动力电动客车也可以像电动客车一样工作于零排放区。混合动力客车性能的好坏不仅取决于传动系参数的选择与匹配、控制策略的制定以及各组成部件的优化，而且还取决于整车动力传动系的布置方案。本章主要深入研究整车的布置方案，为了对动力系统有一个较全面的认识，对各种典型的动力系统的结构和特点作了较深入的对比和总结。通过本章研究，从
30、理论上初步确立本文研究的混合动力电动客车要采用的动力驱动型式。2.2 混合动力客车驱动类型和工作原理混合动力车的传统分类方法是按照混合动力驱车传动系统采用什么样的机械连接结构进行分类，主要分类依据是判断内燃机是否与驱动轮有直接的机械连接，即以动力传输路线将混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式和插电式四种典型结构, 不同结构实施不同控制策略9。控制策略的制定是混合动力电动汽车开发的关键, 因为其直接影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能。如今, 控制策略研究作为电动汽车的关键技术之一, 得到了国内外汽车科技工作者的普遍重视。2.2.1 串联式混合动力客车（SHEV）串联式混合动力电动汽车发动机
31、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来给蓄电池充电, 另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。串联式混合动力电动汽车控制策略相对简单, 目前运用较多的主要是自动调温器式和功率跟踪式两种,这两种控制策略基本原理有如分段函数, 都是以电池荷电状态(SOC) 的上下界作为临界点来分段执行相应操作, 原理简单。串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成, 它们之间以串联的方式组成动力单元系统, 由发动机驱动发电机发电, 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。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮, 大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处
32、启动、加速、爬坡工况时, 发动机- 电动机组和电池组共同向电动机提供电能; 当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时, 则由电池组驱动电动机, 当电池组亏电时则由发动机- 发电机组向电池组充电9。串联式驱动系统结构如图2-1所示：图2-1 串联式驱动系统结构图这种结构的混合动力系统由于没有发动机驱动车轮的机械结构，所以在结构上较为简单。另外由于发动机仅为发电机提供动力发电，所以无论车辆行驶情况如何，发动机一直都会以恒定的工况在经济区做功，从而降低了油耗。这一特性使得串联式混合动力车型在频繁起步和低速行驶工况的市区尤为有效。但是相反在长距离高速运行时，由于串联式系统需要不断的通过以发动机的动力产生电
33、能，从而多了一次能量转换过程，机械效率较低，并且在高速运行中，电动机对电能的消耗也较快，此时的串联混合动力系统便不如传统的内燃机汽车省油了。因此串联式混合动力系统常常出现在混合动力城市客车中，不过近年来由于电池技术有所进步，串联式系统也被应用于混合动力轿车之中，并且建立起了一种极富发展前景的系列。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速行驶工况, 可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转, 通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，使发动机避免了怠速和低速运转的工况, 从而提高了发动机的效率, 减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换, 机械效率较低。2.2.2 并联式混合动力客车（PHE
34、V）并联式混合动力系统采用发动机和电动机两套独立驱动系统, 可以采用发动机单独驱动, 电力单独驱动或者混合驱动三种工作模式。国内外对并联式混合动力电动汽车精力投入较多, 结构形式和控制策略多样化。并联混合动力系统又有多种不同的结构形式，常见的有单轴并联和双轴并联，控制策略有并联电辅助驱动式控制策略、并联自适应式控制策略(实时控制策略) 和模糊逻辑控制策略三种10。并联式系统的发动机和电动机共同驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统, 可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩, 在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时, 电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力, 一旦汽车车速达到巡
35、航速度, 汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用, 又称为电动- 发电机组。由于没有单独的发电机, 发动机可以直接通过传动机构驱动车轮, 这种装置更接近传统的汽车驱动系统, 机械效率损耗与普通汽车差不多, 得到比较广泛的应用。一般大多数的设计都是将发电机和电动机整合成一个单元(ISG)。这样的发电机、电动机整合单元被安装于发动机和变速器之间，并且替代了传统汽车中的起动机和发电机。车辆行驶时主要以发动机驱动，利用电动机所具有的在低速时产生强大驱动力的特征，在汽车起步、加速等发动机的燃料消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。因为这种方式的结构相对比
36、较简单，并联式混合动力可以做到轻型化，在车身自重增加不多的情况下对提升汽车的动力性和燃油经济性能都有利。比如本田汽车研发的IMA系统便是典型的并联式混合动力系统。另外国内自主品牌奇瑞汽车开发的ISG混合动力汽车也属于同一范畴。并联式混合动力电动汽车发展迅速,复合装置采用行星轮系。目前也有将发动机和电机直接复合的新结构出现, 它通过磁场叠加原理完成动力复合, 省略了机械复合装置。双轴并联混合动力总成构型双轴并联式混合动力总成的结构根据动力合成装置在变速箱的前与后可分为前置式(动力合成装置在变速箱前)双轴并联结构和后置式(动力合成装置在变速箱后)双轴并联结构分别如图2-2和图2-3所示。图2-2
37、前置式双轴并联HEV动力传动系结构简图图2-3 后置式双轴并联HEV动力传动系结构简图双轴并联式混合动力传动系，发动机与电动机可以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，即发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮。而且并联式HEV没有串联式HEV动力传动系中的专用发电机，因此更像传统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点:(1)由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统效率较高，燃油消耗也较少;(2)电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发动机和电动机两个动力总成，整车质量和成本大大减小。缺点:(1)由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工
38、况实时地受到汽车行驶工况的影响，因此对整车排放工作点的优化不如串联形式好。(2)这种结构，要维持发动机在最佳工作区工作，需要复杂的控制系统。单轴并联混合动力总成构型单轴并联式混合动力传动系是指发动机和电机同轴联接和布置，根据电机在变速箱的前与后可分为前置式(电机在变速箱前)单轴并联结构和后置式(电机在变速箱后)单轴并联结构，分别如图2-4和图2-5所示。图2-4 后置式单轴并联结构图2-5 前置式单轴并联结构单轴并联结构形式的优缺点除如上所述外，还有一个特点是有利于电机和变速箱结构的一体化模块设计，便于批量生产中的模块化供货和整车装配。单轴并联结构的合成方式为扭矩合成。这种结构(发动机和电动机
39、的输出轴采用了同一根传动轴)将导致发动机和电动机两者每时每刻的转速值均为同一值，限制了电动机的工作区域，造成两者特性的不匹配，为改善这种关系，需要布置一多速变速箱，这又会导致控制系统较为复杂。并联混合动力系统一般的工作模式是：低速时和纯电动车一样只有电动机接合(即电驱动模式)，发动机只在较高车速时才开始工作。因此有利于改善低速HC, CO排放和燃油经济性。在再生制动或者高负荷运行下(例如急加速)电动机又会接合。停车时发动机关闭，由电池提供其他设备所需功率。并联式与串联式结构相比，其能量的利用率，燃油经济性相对较高;需要变速装置和动力复合装置，传动机构比串联式复杂。由于并联式HEV的发动机工况要
40、受汽车行驶工况的影响，因此不太适合于市内行驶，而更适合于在城市间公路和高速公路上稳定行驶。目前用于并联的策略一般有并联电辅助驱动式控制策略、并联自适应式控制策略(实时控制策略) 和模糊逻辑控制策略三种，下面分别加以介绍。并联电辅助驱动式控制策略在电辅助驱动控制策略中, 利用电动机提供额外功率, 并要保持电池的荷电状态处于允许的工作范围。具体的控制策略如下：a. 当车速低于某一最小车速时, 电动机提供全部的驱动力；b. 当转矩需求高于发动机的最大值时, 电动机提供额外的驱动转矩；c. 当发动机在给定的车速上效率很低时, 发动机关机, 由电动机提供驱动转矩；d. 当电池SOC过低时, 发动机提供额
41、外扭矩带动电机工作对电池充电。e. 回收制动能量, 为蓄电池充电；电辅助控制策略的出发点是保证发动机工作在较高效率区, 由电动机来提供余下的功率, 没有考虑到电机的效率和发动机产生的机械能转化为电能的效率。并联自适应式控制策略(实时控制策略) 这种控制策略兼顾了燃油经济性和发动机废气排放两方面的性能, 在每一个时间段内都对发动机和电动机的转矩分配进行优化控制。主要特点如下:a. 当车速低于某一最小车速时, 由电机提供全部驱动力；b. 当车速大于最小车速, 并且行驶需要扭矩小于电机的最大扭矩时,根据发动机的燃油消耗率和当前电池的SOC值来决定动力源；c. 当行驶需要扭矩大于电机的最大扭矩, 并且
42、小于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时, 由发动机独自提供全部驱动力。发动机是否驱动电机对电池充电, 取决于电池的SOC以及此时电池和电机的效率；d. 当行驶需要扭矩大于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时, 由电机提供扭矩助力；e. 减速时回收制动能量。该控制策略可以将汽车的优化设计结合发动机、排气装置、电动机和蓄电池的瞬时效率能耗和尾气排放, 根据用户定义的燃油经济性和排放目标, 由发动机、电动机及蓄电池的状态和可回收的制动能量等条件,动态调整控制策略。模糊逻辑控制策略模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机和蓄电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率达到最高。模糊逻辑控制策略
43、目标与实时控制策略类似, 但是与实时控制策略相比, 模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点11。双输入模数逻辑的两个输入分别为:(1)整车的需求功率和当前转速下发动机最优功率的差值；(2)蓄电池组SOC 值的估计值。模糊控制器对两路输入信号进行模糊运算, 经清晰化运算后得到两个比例控制系数X1 和X2 分别控制发动机和电机的控制器。输入变量隶属度函数的设计主要根据发动机、蓄电池和电机的工作效率图, 确定各自高效运行的模糊集。各变量的隶属度函数为调整方便可以选用正态函数或者0-1 范围内的梯形图12。在确定出各输入变量的量化等级和隶属度函数后, 就可以制订模糊控制规则, 所掌握的规则越多, 对系统的
44、描述就越清晰, 控制结果也就越接近最优值。模糊控制规则的主要意图是:a. 所需功率近似为当前转速下发动机最优功率时，电机基本不工作。b. 所需功率大于最优功率一定值时，发动机工作点位于最优工作点附近, 余下的部分功率由电机提供,同时使电机运行效率也在较高范围内。c. SOC 超出限定值时，采取相应措施，使其回到正常范围。2.2.3 混联式混合动力客车（PSHEV）混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构图如图2-6所示。其驱动系统是发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，但驱动电动机的发电机串联于发动机与电动机之间。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。发动机发出的功
45、率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥13。图2-6 混联结构混联式驱动系统的控制策略是: a. 起动时, 由电池组分别向车辆前驱动轴、后驱动轴电机供电直到发动机可以较高效率工作时, 起动发动机并用于驱动车辆前轴；b. 轻载时, 发动机关闭, 车辆前驱动轴由电池组、电动机系统驱动；c. 正常行驶时, 由发动机直接驱动车辆前驱动轴；d. 全节气门开度加速时, 发动机和两个电动机同时工作用于提供车辆驱动行驶功率；e. 减速制动时, 电动机以发电机模式工作, 实现再生制动；f. 电池组充电模式,
46、 在车辆正常行驶过程中, 当电池组电量偏低时, 应对电池组进行补充充电。混联式HEV充分发挥了串联式和并联式的优点，以达到热效率更高，排气污染最低的效果。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高14-15。2.2.4 插电式混合动力客车目前，又开发出了一种插电式混合动力汽车PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle),它是指可以使用家用电源插座(例如110V/220V电源)对混合动力系统中电池充电的汽车，这种混合动力汽车比全混合电力汽车有较长纯电动行驶里程(30km、50km或80km，依设计而异)，但需要时，仍然可以像通常的全混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV，可利