混和动力汽车结构、原理及发展前景研究本科毕业论文(编辑修改稿)

混和动力汽车结构、原理及发展前景研究本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

模式中存在一个特例：当发动机的目标功率小于发动机工 作最小功率时，为避免发动机在效率极低的区域内工作，仍然依靠电动机提供驱动力。 （ 3）制动能量回馈模式。 驾驶员踩下制动踏板，表明了驾驶员对负驱动功率的需求，应进入制动能量回馈模式，吸收混合动力汽车制动时的能量。 然而，当制动能量超过可回馈的制动能量时，液压制动系统将提供剩余的制动能量。 静态逻辑门限值策略主要依靠工程经验和实验，限定发动机的工作区域和工作方式，达到降低燃油消耗和排放的目的，方法比较简单直观，具有实用价值。 但由于主要依靠工程经验设置门限参数，无法保证车辆燃油经济性最优，而且这些静态参数不能适应工况的 动态变化，因此无法使整车系统达到最大效率。 （二） 瞬时优化控制策略 该控制策略是在发动机最优工作曲线模式的基础上，对混合动力汽车在特定工况点下整个动力系统的优化目标（如效率损失和名义油耗）进行优化，便可得到瞬时最优工作点，然后基于系统的瞬时最优工作点，对各个状态变量进行动态再分配。 瞬时优化策略一般是采用“等效燃油消耗最少”法或“功率损失最小”法，二者原理类似。 其中“等效燃油消耗最少”法将电机的等效油耗与发动机的实际油耗之和定义为名义油耗，将电机的能量消耗转换为等效的发动机油耗，得到一张类似于发动机万有特性图 的电机等效油耗图。 在某一个工况瞬时，从保证系统在每个工作时刻的名义油耗最小出发，确定电机的工作范围（用电机转矩表示），同时确定发动机的工作点，对每一对工作点计算发动机的实际燃油消耗，以及电机的等效燃油消耗，最后选名义油耗最小的点作为当前工作点，实现对发动机和电机输出转矩的合理控制。 为了将排放一同考虑，该策略还可采用多目标优化技术，采用一组权值来协调排放和燃油同时优化存在的矛盾。 等效燃油消耗最小方法在每一步长内是最 装 订 线 13 优的，但无法保证在整个运行区间内最优，而且需要大量的浮点运算和比较精确的车辆模型，计算量大，实现 困难。 瞬时控制策略应考虑以下四个方面问题： （ 1） 汽车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时能量回收 量； （ 3） 用户可自定义燃油经济性和排放目标； （ 4） 任意一个给定速度下发动机的工作点，由控制器根据控制目标寻求发动机 电机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，建立实时控制的目标函数。 Min( f )=错误 !未找到引用源。 +错误 !未找到引用源。 + + 错误 !未找到引用源。 +错误 !未找到引用源。 + 式中： wi 对应量的权系数， i=1～ 6，通过调整权重来改变各参数的影响程度。 由优化理论可知，瞬时最小值之和并不等于和的最小值，因此瞬时优化模式并不能导致全局最优的控制策略。 全局优化模式才能实现真正意义上的最优化。 （三） 全局优化控制策略 全局最优能量管理策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合动力系统能量分配策略，目前主要有基于多目标数学规划方法的能量管理策略，基于古典变分法的能量管理策略和基于 Bellman 动态规划理论的能量管理策略三种。 研究最为成熟的是基于Bellman 动态规划理论的能量管理策略，该方法首先建立空间状态方程，然后计算在约束条件下满足性能指标的最优解。 对于一般的控制对象，该方法通常按照时间顺序把一个过程分为若干段，把一个复杂的决策问题（包括连续变量和离散变量的取值序列）转化为一系列单段（某一时间段内）决策问题，然后从最后一段状态开始逆向递推到初始段状态为止，最后就可以求解出完整的最优策略（即输入控制量的最优值序列）。 当这个原理应用于混合动力汽车时，可假设系统发展用状态方程来描述，状态变量是 SOC，每一节点代表每一时刻（横轴） 对应的 SOC 值（纵轴），如图 31 所示。 假设初始（ t=0） SOC 是 A，而 装 订 线 14 终止 SOC 是 E，连线上的数字代表了从一点到另一点的燃油消耗量。 应用此原理可以得出最优的途径（从 A到 E）是： A → B′→ C″→ D → E。 图 31 贝尔曼（ Bellman）动态规划全局优化原理 在实际混合动力系统的仿真优化中， Bellman 过程这样来实现：首先通过离散 SOC 来建立 Bellman 过程的节点， SOC 离散精度可以选择为 1%，时间步长可以确定为 1s。 然后计算各 SOC 节点之间连线的权重，这个权重对应于实现 SOC 变化而需要的发动机油耗。 只要那些从初始 SOC 节点可以到达或可以由此出发达到终点 SOC 的节点都要被考虑。 在循环工况中计算各连线权重，保留最优解，实现电机和发动机的功率要求和传动比的全局最优化。 仿真结果显示，在某种工况循环下，通常全局优化比瞬时优化降低油耗 5%～ 20%。 全局优化模式实现了真正意义上的最优化，但实现这种策略的算法往往都比较复杂，计算量也很大，在车辆的实时控制中很难得到应用。 通常的作法是把应用全局优化算法得到的能量管理策略作为参考，以帮助总结和提炼出能用于在线控制的能量管理策略，如与逻辑门限策略等相 结合，在保证可靠性和实际可能性的前提下进行优化控制。 （四） 模糊逻辑控制策略 该策略基于模糊控制方法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配，将“专家”的知识以规则的形式输入模糊控制器中，模糊控制器将车速、电池 SOC 和需求功率 /转矩等输入量模糊化，基于设定的控制规则来完成决策，以实现对混合动力系统的合理控制，从 装 订 线 15 而提高车辆整体性能。 模糊逻辑控制策略目标与瞬时优化控制策略类似，但与瞬时控制策略相比，模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点。 模糊逻辑控制策略用于电动汽车驱动系统的控制原理，如图 32 所示。 在控制过程中， 微机经中断采样获取电动汽车行驶工况值，然后将其量与给定值比较得到误差信号 E（在此取单位反馈），再取 E作为模糊控制器的一个输入量，把 E的精确量转化为模糊量， E 量可用相应的模糊语言表示。 至此，就得到了E 的模糊语言集合的一个子集 e（模糊向量），再由 e和模糊控制规则 R 根据推理的合成规则进行模糊决策得到模糊控制量 u: μ =e0R 图 32 模糊逻辑控制原理图 为了对被控制的量施加精确的控制，还需要将模糊量μ转换为精确量。 得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，即电动机控制器，对驱 动电机进行第一步控制，然后等待第二次采样，进行第二步控制，这样循环下去，就实现了对被控制对象的模糊控制，完成驱动控制的要求。 基于模糊逻辑的策略可以表达难以精确定量表达的规则，方便地实现不同影响因素（功率需求、 SOC 和电机效率等）的折中，鲁棒性好。 模糊逻辑控制增加了模糊决策因素和逻辑思维，是比较符合人的思维逻辑的控制算法之一，在混合动力汽车能量管理策略中应用是比较合适的。 混合动力能量管理策略 混合动力汽车具有两个以上的动力源，因此为了解决混合动力汽车多动力源所引起的模式切换和功率分配，需要引入一个能量 管理系统对系统的能量流动进行合理的分配。 管理模式应该遵循选定的能量管理策略并对其进行优化，以实现混合动力汽车要达到的目标，一般来说，应该达到的几个主要设定目标是： 装 订 线 16 （ 1） 使燃油经济性；（ 2）使排放最低；（ 3）为了保持整车价格能够被市场接受，使启动系统成本最小化；（ 4）在实现上述三点同时，维持或者提高整车的性能。 通常来说，混合动力汽车动力系统的结构从某种程度上决定了可以采用哪种控制策略，但仍然有一些可以广泛应用于各种结构的控制策略。 （一）电动机辅助控制策略 电动机辅助控制策略（ Electric Assisted Control Strategy）。 电动机辅助的能力控制策略采用发动机作为主动力源，电动机和蓄电池协助提供峰值功率。 这种控制策略容易对发动机运行工况进行优化。 与发动机相比，电动机响应快、控制灵敏，容易实现不同的控制方法。 这种控制策略在大多数并联式混合动力系统中采用。 （二）优化 ICE 曲线控制策略 优化 ICE 曲线控制策略（ Optimum ICE Curve Control Strategy）。 优化 ICE 曲线控制策略从静态条件下的发动机万有特性出发，将一定发动机转速和一定负荷下发动机的最低燃油消耗点连成一条 线，也就是静态条件下发动机的最佳工作曲线。 在这种模式下，发动机在需求功率或转矩高于某个限值时才会工作。 同时，只有在极限情况下（如当需求功率超过了蓄电池的最大功率调节能力时），才会调整发动机的工作点。 这种控制策略借鉴了传统汽车的控制经验，侧重于发动机局部最优。 四 混合动力汽车优缺点分析 混合动力汽车的 优点分析 在所有的节能环保型汽车技术当中，混合动力技术被公认为是目前最可行、最现实的节能技术，而混合动力汽车也是目前世界上唯一能实现量产的节能环保型汽车，这是混合动力汽车的最大优势所在。 具体体现在： （ 1） 排放性能良好。 一般车辆在怠速、启动时造成的污染最厉害，因为此时发动机负荷大、汽油燃烧不充分；而在怠速状态的混合动力车发动机并不工作，因此不会有排放。 装 订 线 17 混合动力车在启动时只有电动机工作，也克服了过多排放问题，使得发动机能保持良好的工作状态，实现了燃油效率提高，在很大程度上减少了尾气排放。 （ 2） 动力性能佳。 混合动力汽车可根据不同车况来选择发动机、发电机和蓄电池之间的任意组合，能形成适合车况的动力输出。 当混合动力车达到一定速度时，车辆内的发动机、电动机同时工作，这个时候排量为 1． 5的混合动力车发挥出的动力 相当于 2． 0排量的普通轿车，尤其是在爬坡、转弯、加速时，更是体现出良好的动力性能。 （ 3） 耗油量低。 根据丰田公司的测试，普锐斯在城市路况下行驶比同等排量的花冠轿车节油 44． 4％，在市郊行驶节油 29． 7％。 该车平均油耗为 41／ 100km，比平均油耗在7 1／ 100kin 左右的花冠每年节省大约 2556 元 (按每年行驶 20xx0km、 93 号汽油 4． 26 形l 计 )。 尤其在大中城市，交通拥堵现象严重，汽车起步停车频繁，混台动力车的能量转化优势将体现得更为明显。 缺点分析 由于混合动力汽车仍需要燃烧汽 油，因此无法从根本上摆脱对石油的依赖和彻底解决环保问题，也因此混合动力汽车没有太大的市场号召力。 和许多新技术一样，混合动力系统的生产成本比内燃发动机系统的成本更高。 混合动力车需要配置普通汽车并不需要的昂贵配件，例如庞大笨重的电池组、电力发动机以及精密的电子控制模板。 因此加载了混合动力系统的车型要比同级别车型贵 20％ 30％ (如丰田混合动力车的价格比同级别汽油车贵 4500 美元左右 )。 这就妨碍了该类汽车的普及。 在高速公路上表现不佳。 据美国 20xx 年进行的一项对比测试显示，在同一高速混合路况中行驶 5000kin，柴油车和混合动力车在燃油经济性方面几乎是完全相同的。 其原因是，混合动力虽然在城市路况中具有优势，但在高速路上，仍需全凭汽油发动机驱动，并且由于加载了几百公斤的电池与电动机，反而更多耗费些汽油 H1。 五 混合动力汽车的 发展 前景 装 订 线 18 混合动力汽车在国内外的发展 就目前的形势来看，混合动力电动车拥有的特点是混合动力电动汽车具备了良好的动力性能、良好的燃油经济性、清洁环保、经济实用，但为了达到提高车辆的动力性、经济性和环保性 , 就需要采用当代最先进的内燃机技术深入分析低油耗特性； 选择比功率、比能量和效率 最高、扭矩密度最大的电机 , 研究它的低速大转矩、效率和再生制动能量回馈性能； 经过周密分析和试验研究特性 , 最佳选择各自高性能区段的组合与叠加。 另一方面，混合动力汽车成本过高绝对是目前混合动力电动汽车推广应用的主要难点 , 这是因为混合动力汽车除了以往的动力装置外 , 至少还必须安装电池 , 其成本不可能降至普通汽车的水准。 因此 , 混合动力汽车技术发展的首要难题是降低成本 , 这也是今后有待解决的最大课题 , 特别是必须降低动力电池、电机驱动系统、电子控制系统等的成本。 还有，要提高汽车行驶过程中的能量再生利用效率， .就得从汽车制造阶段着手 , 设计改进汽车动力系统 , 满足汽车再生制动回收要求，加强混合动力电动汽车的可靠性 , 解决动力电池的使用寿命和可靠性问题 , 是混合动力电动汽车推广应用的前提。 但是在国际能源紧缺，混合动力可以很好的节省汽车行进过程中减速、下坡过程的能量消耗，同时其排量低、污染小，也是未来汽车发展的必然趋势 （一） 国外混合动力汽车的发展 情况 从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在发展混合动力汽车方面，日本居世界领先地位。 目前，世界上能够批量产销混合动 力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。