混合動力汽車isg電機工作特性分析畢業(yè)論文

1、<p>　　混合動力汽車ISG電機工作特性分析</p><p><b>　　第 1 章 緒論 </b></p><p>　　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世紀汽車技術的一個重要發(fā)展方向，同時各國的排放法規(guī)也日趨嚴格?；旌蟿恿ζ?HEV)正是具有低污染、低油耗特點的新一代清潔能源汽車。

2、目前制造成本最低、最容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)的是采用起動機發(fā)電機/電動機一體化(ISG)技術的輕度混合動力汽車(1SG-MHV)。它只需要對內(nèi)燃機進行改造，比較容易在現(xiàn)有傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車上實現(xiàn)，混合程度小、電機功率低，尤其適合在轎車上實現(xiàn)。 1.2 組成結構 ISG型輕度混合動力汽車動力單元主要包括發(fā)動機、牽引電機、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，因為加速和爬坡時并不只由發(fā)動機單獨提供

3、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)動機一起驅(qū)動汽車行駛。發(fā)動機的額定功率一般在50 kW左右。 電機是電氣驅(qū)動系統(tǒng)的核心，電機的性能、效率直接影響電動汽車的性能。此外，電機的尺寸、重量也影響汽車的整體效率。由于空間布置有限，最好采用扁平形結構，同時功率不能太大，當前成功開</p><p>　　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

4、動力總成管理系統(tǒng)發(fā)送子系統(tǒng)運行信息，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)實現(xiàn)，如圖1.1所示。 圖1.1混合動力系統(tǒng)多能源總成管理系統(tǒng) 發(fā)動機和電機的布置方式也不盡相同。一種是將電機直接安裝在內(nèi)燃機曲軸輸出端，并且ISG轉(zhuǎn)子要與曲軸固結，取代飛輪及原有的起動機和發(fā)電機，如圖1.2所示。一種是在發(fā)動機

5、前端用皮帶傳動機構，將ISG電機和發(fā)動機聯(lián)結起來，并把起動機同樣連接在ISG電機的機構中，節(jié)省了內(nèi)部空間，如圖1.3所示。</p><p>　　圖1.2整車系統(tǒng)方案 </p><p>　　圖1.3外掛盤式電機與發(fā)動機曲軸相連型ISG1.3 1SC功能分析 ISG-MHV可以實現(xiàn)自動起停、功率補償及高效大功率電能輸出功能。 </p><p>　　1.3.1

6、 自動起停功能 傳統(tǒng)的車用起動機只將內(nèi)燃機加速至起動轉(zhuǎn)速(例如200r/min)，ISG作為電動機在短時間內(nèi)(通常加速時間僅為0.1～0.2 s)將內(nèi)燃機加速至怠速轉(zhuǎn)速(例如800r/min)，然后內(nèi)燃機才開始缸內(nèi)的燃燒過程。高轉(zhuǎn)速電起動過程不僅降低了內(nèi)燃機起動時的燃料消耗，還改善了排放。自動起停功能的實現(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)燃機一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動使內(nèi)燃機停止運行，同時IS

7、G也停止工作，需要起步時，ISG在0.1～0.2 s的短時間內(nèi)完成起動任務。在城市工況下，汽車不停地起步和停車以及內(nèi)燃機處于怠速的情況非常多，自動起停系統(tǒng)利用電動機快速起動的特點避開了內(nèi)燃機低速起動和長時間怠速，提高了整車燃油經(jīng)濟性和排放性能。 1.3.2 功率補償功能 內(nèi)燃機在低速大負荷時的燃油經(jīng)濟性和排放性能均不佳，通常情況下內(nèi)燃機在此工況下的轉(zhuǎn)矩輸出有限，如果需要內(nèi)燃機在低速大負荷時能夠提供較大的功率就必須選用更大

8、排量的內(nèi)燃機，這樣雖然滿足了動力性要求，但犧牲了燃油經(jīng)濟性。ISG可以在內(nèi)燃機低速大負荷時工作在電動機狀態(tài)，提</p><p>　　圖1.4發(fā)動機特性曲線 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，為了延長蓄電池的使用壽命，ISG不能向蓄電池充電。 當汽車加

9、速或爬坡時，令ISG工作在電動機工況，提供一部分輔助扭矩；但在1檔時，ISG均不助力。當汽車處于怠速空載狀態(tài)時，內(nèi)燃機停止運行，同時ISG也停止工作；需起步時，ISG作為電動機在短時間內(nèi)完成起步任務。當汽車減速或制動時，ISG處于再生制動工況。 1.5 國內(nèi)外ISC研究現(xiàn)狀和實際應用 在混合動力汽車研究領域，日本汽車公司是國際混合動力汽車制造企業(yè)的一個標桿。上世紀90年代以來，國外所有知名汽車公司均投入巨資開始進行電動汽車和

10、混合動力汽車實用車型的研發(fā)。從新世紀初開始，在“863”計劃的推動下，中國汽車制造企業(yè)和科研機構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Insigh</p><p>　　1.6.1 論文選題的意義 </p><p>　　混合動力汽車動力部件的合理選配，在很大程度上

11、影響了整車系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保</p><p>　　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)，其結構特點比較獨特，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，因此有必要針對ISG 系統(tǒng)的特點進行參數(shù)匹配的研究。另外，ISG 混合動力系統(tǒng)部件眾多，協(xié)調(diào)復雜，行駛路況和駕駛員操作的隨機性，不同駕駛習慣和風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保證ISG

12、 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，以求達到良好的整車性能要求。作為關鍵技術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車上的應用。 </p><p>　　1.6.2 論文研究內(nèi)容 </p><p>　　本論文選題主要就ISG 混合動力汽車的參

13、數(shù)匹配、建模與仿真、控制策略的制定</p><p>　　及優(yōu)化等方面進行研究，目標是為 ISG 混合動力汽車的設計和試制提供理論依據(jù)。具</p><p>　　體技術路線和研究內(nèi)容如下： </p><p>　　（1）分析ISG 混合動力系統(tǒng)的結構特點，確定本文ISG 混合動力系統(tǒng)的結構形式。以預期的動力性指標和燃油經(jīng)濟性為目標，通過汽車行駛方程式初選整車動力系統(tǒng)主要部

14、件的參數(shù)，采取合理的優(yōu)化方法對選擇的參數(shù)進行優(yōu)化匹配，最終確定各參數(shù)。 </p><p>　?。?）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)整設計方案，合理優(yōu)化參數(shù)，預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。 </p><p>　　（3）系統(tǒng)分析基于邏輯規(guī)則的門限控制策略、模

15、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，并根據(jù) ISG 混合動力系統(tǒng)的結構和功能特點，提出適合的控制算法。對控制策略進行了仿真研究，檢驗了控制算法的準確性。 </p><p>　?。?）再生制動是混合動力汽車提高能量利用率，增加續(xù)駛里程的重要技術手段。在對汽車制動動力學和電機輸出特性進行分析的基礎上，提出合理的再生制動控制策略，給出控制算法，目標是以滿足汽車制動安全為前提，盡可能回收制動能量。 &l

16、t;/p><p>　?。?）對混合動力系統(tǒng)動力部件進行臺架性能試驗，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行實車道路試驗，就其動力性、經(jīng)濟性等進行測試，驗證控制策略的有效性。</p><p>　　1.7本章總結 隨著石油能源日益緊缺，環(huán)保意識不斷加強以及排放法規(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

17、設施薄弱、推廣困難等問題。混合動力汽車是對當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)結構簡單、成本低，適用于對價格較為敏感的經(jīng)濟型車，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技術的不斷完善，相信將來會在越來越多的車輛上應用。</p><p>　　第2章混合動力汽車ISG電機啟停功能特性

18、分析</p><p><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　傳統(tǒng)的車用起動機只將內(nèi)燃機加速至起動轉(zhuǎn)速(例如200r/min)，ISG作為電動機在短時間內(nèi)(通常加速時間僅為0.1～0.2s)將內(nèi)燃機加速至怠速轉(zhuǎn)速(例如800r/min)，然后內(nèi)燃機才開始缸內(nèi)的燃燒過程。高轉(zhuǎn)速電起動過程不僅降低了內(nèi)燃機起動時的燃料消耗，還改善了排放。自動起停功能的實現(xiàn)過程

19、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)燃機一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動使內(nèi)燃機停止運行，同時ISG也停止工作，需要起步時，ISG在0.1～0.2 s的短時間內(nèi)完成起動任務。在城市工況下，汽車不停地起步和停車以及內(nèi)燃機處于怠速的情況非常多，自動起停系統(tǒng)利用電動機快速起動的特點避開了內(nèi)燃機低速起動和長時間怠速，提高了整車燃油經(jīng)濟性和排放性能。節(jié)能減排是目前汽車技術重要任務，快速起停技術可以是車輛在擁堵或等紅燈時自動關閉發(fā)動

20、機，當駕駛員踩下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。相對與混合動力汽車，快速起停技術能夠?qū)崿F(xiàn)怠速停機功能。</p><p>　　2.2 ISG 電機起停功能特性分析仿真實驗</p><p>　　根據(jù)華普弱混合動力轎車SMA7150的相關發(fā)動機和電機參數(shù)，運行仿真后可以得到發(fā)動機啟動過程轉(zhuǎn)速曲線如圖2.1所示。圖2.1中：曲線1為電機恒轉(zhuǎn)速控制帶動發(fā)動機啟動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速到達8

21、00r·min-1一時開始點火，因為電機處于恒轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過800r·min-1時，電機開始拖曳發(fā)動機從而導致發(fā)動機到達l200r·min-1目標轉(zhuǎn)速的時間較長，不利于發(fā)動機快速啟動；曲線2的控制過程為ISG電機恒轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動機拖動至點火轉(zhuǎn)速800r·min-1，發(fā)動機點火啟動，同時，電機轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制模式，給發(fā)動機提供轉(zhuǎn)矩補償，補償轉(zhuǎn)矩由40N·m按線性遞減至0，發(fā)動機

22、自點火開始對外輸出轉(zhuǎn)矩，同時電機予以轉(zhuǎn)矩補償，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速升到1400r·min-1左右，由于電機在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到1200r·min-1時退出工作狀態(tài)，發(fā)動機已經(jīng)順利啟動進入自身EMS(engine management system)閉環(huán)控制，從該曲線可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速很快地穩(wěn)定到預定的怠速轉(zhuǎn)速附近，發(fā)動機EMS根據(jù)其運行狀態(tài)，快速進入怠速閉環(huán)控制；曲線3為發(fā)動機普通啟動方式，由于啟動時的加濃噴油，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速升

23、至150</p><p>　　圖2.1發(fā)動機啟動過程轉(zhuǎn)速曲線</p><p><b>　　2.3 臺架試驗</b></p><p>　　根據(jù)以上分析的發(fā)動機啟動特性，結合預定的發(fā)動機啟動控制策略，通過發(fā)動機臺架試驗進一步分析和研究發(fā)動機的啟動性能。該試驗同樣分為上述3種情況進行對比，轉(zhuǎn)速曲線如圖2.2所示。</p><p&g

24、t;　　圖2.2中：曲線1為電機恒轉(zhuǎn)速控制方式，無轉(zhuǎn)矩補償；曲線2為電機恒轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到噴油轉(zhuǎn)速800r·min-1，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制，電機助力，轉(zhuǎn)矩值為40N·m，并開始轉(zhuǎn)矩遞減，當轉(zhuǎn)速到達1200r·min-1時電機助力轉(zhuǎn)矩為0；曲線3為傳統(tǒng)啟動方式。</p><p>　　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，然后再緩慢下降

25、。</p><p>　　圖2.2發(fā)動機啟動過程轉(zhuǎn)速變化</p><p>　　促使發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬間提升的原因就是過濃噴油，這個過程油耗高、排放差，這是混合動力必然要解決的問題。曲線2中800r·min-1至1000r·min-1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”的原因是試驗中用手

26、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。</p><p>　　通過對仿真曲線和試驗曲線的對比后發(fā)現(xiàn)曲線2是所需要的發(fā)動機啟動過程。當然，如果對電機的補償轉(zhuǎn)矩再做一下優(yōu)化，使得曲線2中的A段平臺期縮短，則可

27、以使發(fā)動機啟動時既不缺乏動力性又符合平順性。將噴油轉(zhuǎn)速設定在800r·min-1左右的原因是當發(fā)動機開始噴油后，EMS判斷直接進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。</p><p>　　圖2.3發(fā)動機啟動過程噴油脈寬</p><p>　　圖2.3可知，發(fā)動機并未出現(xiàn)啟動加濃過程，而發(fā)動機啟動初期排放

28、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)動機的排放大幅下降。</p><p><b>　　2.4本章小結</b></p><p>　　混合動力汽車ISG電機在混合動力汽車啟動時減少了汽車發(fā)動機加濃噴油的過程，從而節(jié)省了由于汽車發(fā)動機啟動時加濃噴油過程所浪費的燃油量。</p><p>　　第3章ISG混合動力汽車加速扭矩補償特性

29、分析</p><p>　　混合動力汽車在節(jié)能減排方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢，成為當前的研究熱點。對于混合動力汽車，為提高燃油經(jīng)濟性和降低排放，一般通過優(yōu)化發(fā)動機穩(wěn)態(tài)策略使發(fā)動機工作在高效區(qū)，電機起消峰填谷作用。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來說，當發(fā)動機處于瞬態(tài)過程時，由于廢氣渦輪增壓器葉輪的慣性造成進氣明顯滯后，因此在加速

30、過程中會導致排放和燃油消耗的上升。高壓共軌增壓柴油機可以通過發(fā)動機瞬態(tài)工況優(yōu)化來避免這種加濃噴油現(xiàn)象的發(fā)生，而裝用增壓柴油機的ISG混合動力汽車在加速過程缺失的動力可用電機助力來彌補，通過電機助力可以使發(fā)動機盡快達到穩(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償策略，并進行了仿真研究。</p><p>　　3.1加速過程扭矩分析</p><p>　　共軌燃油系

31、統(tǒng)的工作流程見圖3.1。對于廢氣渦輪增壓柴油機來說，當發(fā)動機處于加速工況時，廢氣渦輪增壓器葉輪的慣性造成進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)濟性和排放性，在加速過程中就必須相應地根據(jù)進氣量對發(fā)動機進行油量限制，在此過程中Te<Td_req(Td_req為駕駛員扭矩需求，t為實際發(fā)出的扭矩)，因此加速扭矩不足，從而影響了整車的動力性.</p><p>　　圖3.1共軌燃油系統(tǒng)的工作流程簡圖&

32、lt;/p><p>　　3.2加速扭矩補償策略</p><p>　　研究表明，發(fā)動機扭矩變化的時間常數(shù)明顯大于電動機扭矩變化的時間常數(shù)，所以汽車加速時，可以實時采集整車需求扭矩與發(fā)動機的實際輸出扭矩，不足部分可用電機進行動態(tài)補償。扭矩協(xié)調(diào)控制算法為“離合器輸入端需求扭矩一發(fā)動機的實時扭矩+電動機的扭矩補償”，這就需要實時反饋發(fā)動機的動態(tài)扭矩，可以通過發(fā)動機平均值模型估算發(fā)動機扭矩來解決，發(fā)動機

33、模型的輸人參數(shù)為發(fā)動機運行過程中通過傳感器實時測得的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門位置，通過發(fā)動機平均值模型就可以計算發(fā)動機實時發(fā)出的扭矩。動態(tài)扭矩補償控制算法見圖3.2。</p><p>　　圖3.2動態(tài)扭矩協(xié)調(diào)策略算法</p><p>　　3.3 驅(qū)動扭矩需求Td-rep的確定。</p><p>　　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

34、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。</p><p><b>　　圖3.3駕駛特性圖</b></p><p>　　3.4電機目標扭矩Tm-tar的確定</p><p>　　在車輛加速過程中，可以通過電機驅(qū)動助力來彌補整車需求動力，電機的目標扭矩為</p><p><b>　?。?/p>

35、3.1）</b></p><p>　　當Tm-tar大于Tm-max。（Tm-max為電機的最大輸出扭矩)時，受電機功率限制，期望扭矩超過了電機的驅(qū)動能力，電機無法提供期望驅(qū)動扭矩，此時電機的目標扭矩為</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　當Tm-tar小于等于Tm-max時，電機完全有能力提供所需要

36、的期望扭矩，電機的目標扭矩為</p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　　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σTd-rep(σ為扭矩補償結束條件系數(shù)，σ=4％)時，電機便停止扭矩補償。</p><p>　　3.5發(fā)動機實時扭矩Te的估算</p><p>　

37、　通過在Matlab／simulink環(huán)境下建立發(fā)動機的平均值模型來反饋發(fā)動機的實時扭矩，平均值模型見圖3.4。</p><p>　　圖3.4發(fā)動機平均值模型</p><p>　　3.5．1壓氣機模型</p><p>　　采用simulink設計壓氣機模塊時，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、溫度及壓氣機消耗的扭矩，它們可由下面公式計算：</

38、p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　式中，T2為壓氣機出口溫度，T1為環(huán)境溫度，ηc為壓氣機效率，k為氣體比熱容比，Ttqc為壓氣機消耗的扭矩，nc為壓氣機轉(zhuǎn)速，qmc為增壓器進氣流量，Rg為氣體常數(shù)，Pz為壓氣機出口壓力，P1為環(huán)境大氣壓力，πb為增壓比。廢氣渦輪機的模型與壓氣機模型類似。</p><p>　　3.5.

39、2增壓器動力學模型</p><p>　　本模型中，不計摩擦損失和散熱損失，認為渦輪機發(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</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　式中，Jtc為增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，ntc為渦輪機轉(zhuǎn)速。發(fā)動機動力學模型與增壓器動力學模型類似。</p>

40、<p>　　3.5.3中冷器模型</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　式中，T3為中冷器的出口溫度，ε為中冷器冷卻效率，Tw為冷卻水的進口溫度，△p為空氣流過中冷器時的壓力降，△po為中冷器在設計工況下的壓力損失，qmo為中冷器的設計流量，p3為中冷器出口壓力。</p><p>　　3.5.4發(fā)動機模型

41、</p><p>　　發(fā)動機模型，由6個子模型組成：氣缸充氣效率、進入氣缸的空氣質(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。</p><p>　　3.5.4.1充氣效率ηv</p><p>　　充氣效率可視為發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)，由臺架試驗可以測出部分轉(zhuǎn)速下的充氣效率，然后根據(jù)最小乘法擬合成整個轉(zhuǎn)速下的充氣效率曲線，ηv=f（n）</p>

42、;<p>　　3.5.4.2進入氣缸的空氣質(zhì)量流量qm3</p><p>　　對于4行程的增壓柴油機來說，其掃氣系數(shù)可近似為1，故可忽略殘余廢氣的影響，則進入氣缸的空氣質(zhì)量流量可按下式計算：</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　式中，ρ3為進入氣缸的空氣密度，V為發(fā)動機氣缸排量，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。&l

43、t;/p><p>　　3.5.4.3平均排氣溫度T4</p><p>　　發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒情況比較復雜，很難通過熱力學第一定律精確計算平均排氣溫度T4，T4主要與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和空燃比有關，因此，在處理T4時采用了MAP圖的方式，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速和空燃比為X，y坐標，構成三維T4的MAP圖，然后利用三維MAP圖插值計算每個工況下的T4。</p><p>　　3.5.4.4指示熱

44、效率ηi</p><p>　　指示熱效率縐是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)，同樣采取三維MAP圖插值計算ηi。</p><p>　　3.5.5供油系統(tǒng)模型</p><p>　　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)。當油壓一定時，噴油量與噴油脈寬近似于線性關系。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M

45、AP、噴油定時MAP和噴油脈寬MAP。其中，油量MAP由發(fā)動機轉(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由共軌油壓和油量確定。實際應用中，除了4個MAP還有其他物理量的補償量與限制量。</p><p>　　3.5.6 指示扭矩Ttqi和摩擦扭矩Ttqf</p><p><b>　　(3.5)</b></p

46、><p>　　式中，Ttqi為指示扭矩，HHlv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。</p><p><b>　　3.6仿真結果</b></p><p>　　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用來模擬外界負載的變化。仿真初始值的設置：初始轉(zhuǎn)

47、速為1100r／min，外界負載ML為185.5 N·m，油門開度為40％。仿真時油門開度的變化見圖3.5，在仿真進行2s時，油門開度由40％突變?yōu)?5％并保持到仿真結束。圖3.6示出有加速扭矩補償和無加速扭矩補償時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速仿真結果。在外界負載固定為185．5N·ITI時，仿真進行2 s時，由于油門開度由40％突變?yōu)?5％，此時發(fā)動機從1 100 r／min加速并最終穩(wěn)定在2338 r／min，從仿真結果可以看出

48、：沒有加速扭矩補償時，當仿真進行8S時達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，有加速扭矩補償時，仿真時間為5s時達到穩(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)動機實際扭矩的仿真結果，在2s時由于油門突變，需求扭矩也相應從185．5N·m突變?yōu)?71N·m，加速過程中發(fā)動機實際扭矩小于需求扭矩。圖3.8示出電機補償扭矩的仿真結果，由于電機扭矩的補償，使得發(fā)動機實際扭矩與電機扭矩之和滿足了需求扭矩，大大縮短了加速時間。<

49、/p><p>　　圖3.5 油門開度變化</p><p>　　圖3.6 轉(zhuǎn)速仿真結果</p><p>　　圖3.7發(fā)動機扭矩仿真結果</p><p>　　圖3.8電動機扭矩的仿真結果</p><p><b>　　3.7本章總結</b></p><p>　　通過對裝備廢氣渦輪增壓

50、共軌柴油機的ISG混合動力汽車的瞬態(tài)加速扭矩補償控制策略的研究，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)濟性．通過電機在加速時進行加速扭矩補償，可以大大縮短加速時間，在滿足經(jīng)濟性和排放性的同時提高了加速性能；經(jīng)過電機的加速扭矩補償后，發(fā)動機與電機的扭矩輸出可以實時滿足扭矩需求，在標定駕駛特性MAP圖時就有了更大的靈活性。</p><p>　　第4章 ISG 混合動力系統(tǒng)的結構設計與參數(shù)匹配</p&

51、gt;<p>　　ISG 混合動力系統(tǒng)設計初期要解決的問題是系統(tǒng)結構的選擇和動力部件的匹配。</p><p>　　本課題是以某一原型車的車體為基礎進行的，原車的發(fā)動機被取走，但車身和離合器</p><p>　　和變速器等部件被保留。本章介紹 ISG 混合動力系統(tǒng)的幾種典型結構，對其主要的性</p><p>　　能特點進行分析，根據(jù)其功能要求，確定本課題

52、的結構組成；以滿足動力性和燃油經(jīng)</p><p>　　濟性目標為前提，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)進行</p><p>　　部件選型和參數(shù)的初步匹配。 </p><p>　　4.1 ISG混合動力系統(tǒng)結構選型 </p><p>　　ISG 混合動力系統(tǒng)中，ISG電機的功率比發(fā)動機功率要小得多，即整車混合比較<

53、;/p><p>　　小，而ISG電機的體積也不大，這樣的特點使得ISG系統(tǒng)布置自由度較大，因此，可</p><p>　　以根據(jù)整車結構的安排需要靈活安排電機的位置，一般不至于對整車的結構安排造成</p><p><b>　　很大影響。 </b></p><p>　　在實際應用中，根據(jù)不同汽車的整體布置結構ISG與發(fā)動機的連接

54、有直接和間</p><p>　　接兩種方式。其中的直接方式是指發(fā)動機與ISG電機同軸，工作時二者的輸出扭矩在</p><p>　　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</p><p>　　駛。這種聯(lián)接方式中，發(fā)動機和ISG電機之間一般裝有離合器，在必要時用來切斷發(fā)</p><p>　　動機和ISG電機的動

55、力傳輸。直接式結構的主要特點是：結構緊湊、耦合直接，傳動</p><p>　　效率高，但由于電機布置在發(fā)動機和離合器之間，對于改裝車容易受到整車布置結構</p><p>　　的限制。直接式ISG混合動力系統(tǒng)的結構簡圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1直接式ISG系統(tǒng)結構示意圖 圖4.2間接式ISG系統(tǒng)結構示意圖</p>

56、<p>　　間接方式中發(fā)動機與 ISG 電機一般通過皮帶聯(lián)接，也稱為 BAS（ belt-driven alternator starter ），其結構簡圖如圖 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安裝位置，使其能與發(fā)動機通過皮帶連接傳輸動力，不需要對原車的結構做大的改動，降低了改裝成本；2、皮帶具有質(zhì)量輕的特點，與齒輪傳動相比，大大降低了動力總成

57、的質(zhì)量。但皮帶彈性較大，影響了發(fā)動機和電機間的動力傳輸效率，造成一定的能量損失。 </p><p>　　上面簡單介紹了ISG 混合動力系統(tǒng)的不同結構及其特點，具體結構方式的選定還</p><p>　　需要考慮經(jīng)濟性要求等因素?？紤]到本課題整車的布置空間較大，衡量各種因素，最</p><p>　　后確定使用直接聯(lián)接的結構方式。電機直接連接到發(fā)動機曲軸輸出端，電機轉(zhuǎn)子與

58、發(fā)</p><p>　　動機曲軸固結，取代了發(fā)動機飛輪和原有的起動機與發(fā)電機。 </p><p>　　4.2 動力總成的選型 </p><p>　　課題中需要選擇的動力部件是與整車性能關系最大的發(fā)動機、ISG 電機和動力電</p><p>　　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</p>

59、<p><b>　　進行分析。 </b></p><p>　　動力部件的選型與ISG 混合動力汽車控制策略有很大的關系，關于控制策略，本</p><p>　　文將在以后的章節(jié)里專門討論，這里不再深入探討。發(fā)動機是混合動力汽車的關鍵零</p><p>　　部件。與傳統(tǒng)汽車不同的是，混合動力汽車用發(fā)動機不要求過高的比功率和很好的動<

60、;/p><p>　　態(tài)響應特性，在設計和匹配時，可以按最高熱效率的原則進行，從而可以進一步提高</p><p>　　發(fā)動機效率。在并聯(lián)式混合動力汽車中通常采用由發(fā)動機提供車輛行駛平均動力，動</p><p>　　力電池組—電機系統(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</p><p>　　部分時間里由發(fā)動機為汽車提供主要行駛動力

61、，能夠承擔主要驅(qū)動力?；旌蟿恿ζ?lt;/p><p>　　中發(fā)動機處于頻繁的“開關”狀態(tài)，因此要求發(fā)動機的控制策略比較成熟并容易改進。</p><p>　　另外在選擇發(fā)動機時還要考慮發(fā)動機的噪聲和振動、可靠性、使用壽命、維護成本、</p><p>　　運行成本以及安全性能等因素。 </p><p>　　發(fā)動機的種類多種多樣，根據(jù)目前的資料，應用

62、于混合動力汽車的發(fā)動機主要有：</p><p>　　汽油機、柴油機、轉(zhuǎn)子式發(fā)動機、燃氣輪機、斯特林發(fā)動機等。這幾種發(fā)動機各有優(yōu)</p><p>　　缺點，作為HEV的車載動力源，雖然都有一定的應用價值，但是從內(nèi)燃機的發(fā)展歷</p><p>　　程看，汽油機和柴油機的技術已經(jīng)非常成熟，而且應用范圍最廣，在采用了先進的制</p><p>　　造工

63、藝和先進的電子控制技術以后，其熱效率、機械性能、排放性能、尺寸及成本等</p><p>　　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。當然汽油機和</p><p>　　柴油機由于在性能、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</p><p>　　于此，本文選擇四沖程柴油發(fā)動機作為ISG 混合動力系統(tǒng)的主動力源。 </p&g

64、t;<p>　　ISG 混合動力汽車中的電機作為輔助動力源為汽車提供輔助動力，應同時能夠?qū)?lt;/p><p>　　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)電機的功能，把多余的</p><p>　　能量及時回收為動力電池充電儲備能量。電機驅(qū)動系統(tǒng)要具有高扭矩密度、寬調(diào)速范</p><p>　　圍和高可靠性，除此之外還希望具有質(zhì)量輕、成本低、電

65、輻射小等特點。由于ISG 混</p><p>　　合動力汽車中的電源功率十分有限，因此電機的扭矩- 轉(zhuǎn)速特性應根據(jù)汽車起動、爬坡、</p><p>　　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</p><p>　　況）汽車頻繁起停工作區(qū)域?qū)挘?qū)動電機經(jīng)常運行于低速大扭矩工況，因此電機系統(tǒng)</p><p>　　

66、不但在額定運行時效率要高，并且要有盡可能寬的高效率區(qū)。目前在混合動力汽車中</p><p>　　使用的電機主要有直流電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等。其中</p><p>　　永磁同步電機與其他類型的電機相比具有更高的扭矩密度、功率密度和效率，更適合</p><p>　　于混合動力汽車的應用，具有極好的應用前景。在選擇電機時還應考慮ISG 系統(tǒng)的如&

67、lt;/p><p><b>　　下2 個特點： </b></p><p>　　1、ISG 電機直接安裝在發(fā)動機曲軸動力輸出端，取代飛輪的作用，擬選用的ISG</p><p>　　電機外形尺寸與普通電機相比應該具有較大的徑向尺寸和較小的軸向尺寸，以增加發(fā)</p><p>　　動機的轉(zhuǎn)動慣量并使得系統(tǒng)軸向布置更加緊湊。 <

68、/p><p>　　2 、ISG 電機轉(zhuǎn)子要與發(fā)動機曲軸固結，待選電機轉(zhuǎn)子不宜采用勵磁繞組，因為</p><p>　　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，因此電機轉(zhuǎn)子必須為</p><p><b>　　永磁體。 </b></p><p>　　考慮到ISG 電機的以上特點，本課題在選擇電機時選擇了永磁同步電機

69、，其幾何形狀為軸向小徑向大的圓盤形狀。 </p><p>　　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)動電機的性能，</p><p>　　從而影響整車的燃油經(jīng)濟性和排放。混合動力汽車對動力電池的性能要求與純電動汽</p><p>　　車有很大不同，在純電動汽車中，電池數(shù)量多，重量能占整車總重量的30% ～40% ，</p><p&

70、gt;　　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</p><p>　　多，一般只有純電動汽車電池的1/15 ～1/20 ，因而電池工作負荷大，對功率密度要求</p><p>　　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</p><p>　　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

71、汽車上應用的最大特點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</p><p>　　消耗和補充，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（Pb-AGM</p><p>　　和Pb-flooded）、鋰離子電池（Li-lon）、鎳氫電池（NiMH）三種電池 SOC 與循環(huán)次數(shù)</p><p>　　的關系趨向。從圖中可以看出，在

72、這三種常用的電池中，鎳氫電池的壽命是最長，電</p><p>　　池非完全充放電對鎳氫電池的壽命影響不大。鎳氫電池還具有很好的耐過充電特性和</p><p>　　良好的使用安全性，其充電效率幾乎達到100%，有利于混合動力汽車的再生制動。</p><p>　　與鋰離子電池相比，鎳氫電池生命周期內(nèi)能量成本也偏低（表2.1）；相比鉛酸電池，</p><

73、;p>　　鎳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。因此選用鎳氫電</p><p>　　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</p><p>　　一步提高混合動力汽車的機動性?；阪嚉潆姵氐闹T多優(yōu)點，本課題最終選用鎳氫電</p><p><b>　　池作為動力電池。</b></

74、p><p>　　圖4.3各種電池的壽命曲線</p><p>　　表4.1電池性能比較</p><p>　　4.3 ISG混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的確定 </p><p>　　本文需要確定的動力系統(tǒng)參數(shù)包括：發(fā)動機和 ISG 電機功率、電池的容量等。在汽車設計初期，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)和預期達到的動力性指標通過汽車行駛方程式

75、對汽車參數(shù)進行初步選定，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參數(shù)如表2.2所示：</p><p>　　表4.2原車的整車技術參數(shù)</p><p>　　設計的ISG 混合動力汽車要求達到的性能指標為： </p><p>　　汽車的最高車速要求大于130 km/h ；汽車由靜止狀態(tài)以最大加強速度（包括選擇</p><p&g

76、t;　　合適的換檔時機）加速至100km/h 需要的加速時間小于27s；汽車能夠達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。 </p><p>　　上面所列的性能指標中前三條是動力性能指標，是設計ISG 混合動力汽車動力系</p><p>　　統(tǒng)參數(shù)的主要依據(jù)，而第四項指標是汽車的經(jīng)濟性指標，在設計初期可首先不加考慮，</p>

77、<p>　　而在以后的參數(shù)優(yōu)化中作為優(yōu)化的約束條件。 </p><p>　　汽車動力系統(tǒng)參數(shù)一般方法是根據(jù)汽車行駛方程式進行初選，混合動力汽車在整</p><p>　　體外觀上與內(nèi)燃機汽車是相同的，輪胎與地面相互作用的力學過程也沒有本質(zhì)的區(qū)別，汽車行駛方程為[46]：</p><p><b>　　(4.1)</b></p>

78、<p>　　式中：m為整車質(zhì)量kg；f為滾動阻力系數(shù)；α 為坡道角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風面積m2；δ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。</p><p><b>　　旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)：</b></p><p>　　動力部件參數(shù)匹配需要對其功率進行選擇，將式2.1轉(zhuǎn)化為功率平衡為：</p>

79、<p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　式中：ηT為動力系統(tǒng)的傳動效率。</p><p>　　4.3.1發(fā)動機參數(shù)的確定 </p><p>　　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</p><p>　　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)

80、動機和電機兩個動力源均</p><p>　　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</p><p>　　的方法，一般方法是根據(jù)整車結構預估二者功率。根據(jù) ISG 混合動力系統(tǒng)的特點，發(fā)</p><p>　　動機是主要動力源，提供主要驅(qū)動力，而電機是輔助動力源，只是在必要時提供輔助</p><p>　　驅(qū)動力

81、。由此可以確定二者功率參數(shù)的匹配原則：發(fā)動機功率滿足汽車在平坦路面上</p><p>　　以一定的經(jīng)濟巡航車速勻速行駛的需求，電機功率滿足加速和爬坡的額外功率需求。</p><p>　　按照此原則，由汽車行駛方程式求得的發(fā)動機功率為：</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　在計算發(fā)動機功率時

82、，所取的巡航經(jīng)濟車速應該依據(jù)汽車的動力性能要求而定。</p><p>　　一般來說，經(jīng)濟巡航車速不等于最大車速，因為實際上汽車很少以最高車速行駛，尤</p><p>　　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)濟巡航車速取值太小，則發(fā)動機功率將偏小，也不符合實際汽車的情況，因為汽車在行駛時，除了行駛阻力功率以外，還應當加上附件功率（特別是有空調(diào)

83、時）、1%~2%的爬坡功率裕量和 10% （經(jīng)驗值）的充電功率裕量。也就是說，將經(jīng)濟巡航車速簡單確定為一個數(shù)值來計算發(fā)動機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 實際是一個功率帶。應保證這一功率帶穿越發(fā)動機萬有特性圖上經(jīng)濟性較好的區(qū)域。圖4.4 為某一發(fā)動機的萬有特性及巡航功率帶示意圖。</p><p>　　圖4.4 發(fā)動機萬有特性及巡航功率帶示意圖&l

84、t;/p><p>　　從圖4.4 中可以看出，在對發(fā)動機進行參數(shù)匹配時，通過設置功率帶可以更好的</p><p>　　反應發(fā)動機的工作區(qū)間，這樣對于提高整車的燃油經(jīng)濟性是有利的。 </p><p>　　本文在選擇系統(tǒng)的巡航經(jīng)濟車速時，考慮到整車系統(tǒng)的特點和預期的行駛功率，</p><p>　　初步確定巡航經(jīng)濟車速為整車要求的最高車速。因為接著還有

85、對發(fā)動機參數(shù)進行優(yōu)化</p><p>　　選擇，在設計初期按最高車速確定發(fā)動機的功率參數(shù)合理的。</p><p>　　4.3.2 ISG 電機參數(shù)的確定 </p><p>　　ISG 混合動力汽車由發(fā)動機承擔主要的驅(qū)動功率，加上整車的結構考慮，不需要</p><p>　　大功率的電機。一般來說，隨著電機功率的增大，汽車的經(jīng)濟性也會隨著提高。但

86、是</p><p>　　隨著ISG 電機功率的增大，所需電池組數(shù)目也必須增多。這樣既增加了整車重量，也</p><p>　　增加了整車的制造成本。ISG 電機功率的取值應在滿足整車節(jié)能目標值的前提下，從</p><p>　　經(jīng)濟性和制造成本兩方面均衡考慮。 </p><p>　　在確定ISG 電機參數(shù)時需要考慮以下幾個因素[49]：在汽車加速

87、和爬坡時助力、確</p><p>　　保發(fā)動機起動、與發(fā)動機轉(zhuǎn)速匹配和與電池充放電匹配。具體來說，ISG 系統(tǒng)要求電</p><p>　　機能夠短時間（一般不超過 0.4s ）起動發(fā)動機點火，因此要求電機必須具有低速大轉(zhuǎn)</p><p>　　矩的特性以提供啟動轉(zhuǎn)矩克服發(fā)動機起動阻力矩；功率補償要求在汽車加速或爬坡需</p><p>　　要大功

88、率時電機能夠提供一部分功率，彌補發(fā)動機功率的不足，因此要求電機具有較</p><p>　　大的峰值功率；另外，由于ISG 電機需要與發(fā)動機在同軸上耦合，電機的轉(zhuǎn)速也需與</p><p>　　發(fā)動機匹配。根據(jù)ISG 電機工作條件，需要確定的ISG 電機的參數(shù)包括：額定功率、最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速。 </p><p>　　ISG 電機的最大轉(zhuǎn)矩Tm_max 主要用

89、于滿足汽車的爬坡度要求，計算如下：</p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　確定ISG 電機的額定功率主要考慮的因素有：當發(fā)動機工作狀況很差時，電機可</p><p>　　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。</p><p>　　由于在實際駕駛過程中，駕駛

90、員一般不會在爬坡的時候加速，因此汽車很少同時出現(xiàn)</p><p>　　加速和爬坡兩種工況，這樣在估算 ISG 電機額定功率的時候可以分別估算，最后取二</p><p>　　者之間的最大值作為估算值。這樣計算的電機功率值一般較大，能夠包含純電動驅(qū)動</p><p>　　的功率需求，根據(jù)汽車加速確定的電機額定功率為：</p><p><b&

91、gt;　　(4.5)</b></p><p>　　根據(jù)汽車爬坡確定的電機額定功率為：</p><p><b>　　(4.6)</b></p><p>　　ISG 電機的額定功率為：</p><p><b>　　(4.7)</b></p><p>　　ISG 混合動

92、力系統(tǒng)中，ISG 電機與發(fā)動機在同軸上進行轉(zhuǎn)矩合成，工作時電機與發(fā)動</p><p>　　機之間轉(zhuǎn)速比為1，ISG 電機的最大轉(zhuǎn)速應等于或大于（主要考慮ISG 電機的功率儲</p><p>　　備）發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速，即：</p><p><b>　　(4.8)</b></p><p>　　式中：nm_max 、ne_max

93、 分別為電機和發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速。 </p><p>　　適用于電動汽車的電動機外特性為：在額定轉(zhuǎn)速 nr 以下，電動機以恒轉(zhuǎn)矩模式工</p><p>　　作，額定轉(zhuǎn)速 nr 以上，以恒功率模式工作。電機的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱為</p><p>　　電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)β[50] 。對電機參數(shù)影響很大，在最大轉(zhuǎn)速確定的基礎上，隨 β</p><

94、;p>　　值增大，額定轉(zhuǎn)速越低，對應的電機額定轉(zhuǎn)矩越高?？紤]到ISG 電機在低速時需要大</p><p>　　轉(zhuǎn)矩起動發(fā)動機，因此 β 值可以取的大一些。但是隨著值的增大，對電機支撐要求也</p><p>　　隨之增大。另外，大轉(zhuǎn)矩需要較大的電機電流和電子設備，增加了功率變換器矽鋼片</p><p>　　的尺寸和損耗，所以必須協(xié)調(diào)考慮選定的發(fā)動機起動所要求的電

95、機最大轉(zhuǎn)矩和電子設</p><p>　　備損耗來最終確定電機的β 值大小。就目前來看，擴大恒功率區(qū)系數(shù)β 一般選擇在4~6</p><p>　　之間。確定了β 值后，電機額定轉(zhuǎn)速為:</p><p><b>　　(4.9)</b></p><p>　　4.3.3 電池參數(shù)的確定 </p><p>

96、;　　ISG 混合動力系統(tǒng)中，由于 ISG 電機功率較小，相應電池的容量也可以較小，但</p><p>　　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</p><p>　　等級和電池容量的選擇。 </p><p>　　在電機控制中通常采用IGBT做為功率變換器（逆變器）中的通斷開關，電池最大</p><p>　

97、　充電電壓為[51-52]：</p><p><b>　　(4.10)</b></p><p>　　式中：Umax_IGBT 為逆變器暫態(tài)的最大過電壓；ηt 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ηB可計算出電池額定電壓U為：</p><p><b&g

98、t;　　(4.11)</b></p><p>　　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，</p><p>　　對電池一致性要求也增加。根據(jù)國內(nèi)外混合動力汽車的開發(fā)經(jīng)驗，目前開發(fā)的混合動</p><p>　　力汽車電壓等級一般都在400V以下。 </p><p>　　電池組容量的選擇應視具體混合動力汽

99、車驅(qū)動系統(tǒng)布置、工作模式和控制策略而</p><p>　　定。但確定方法比較復雜，首先應選定一種具有代表性的汽車行駛循環(huán)工況，對所設</p><p>　　計的動力部件參數(shù)進行動態(tài)模擬，電池組的容量應使電池組的荷電狀態(tài)值SOC 在整個</p><p>　　動態(tài)變化過程中處于適當?shù)姆秶畠?nèi)。對電池組容量的初步選擇可只以功率需求確</p><p>

100、　　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</p><p>　　大小應滿足汽車行駛過程中的ISG 電機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（ηd ）比較低，因此實際電池組的容量應按能提供Pm_max / ηd 的功率選取。 </p><p>　　根據(jù)上述參數(shù)匹配方法，根據(jù)要求達到的動力性指標，初步確定了

101、各部件的參數(shù)，</p><p><b>　　具體如下： </b></p><p>　　發(fā)動機功率92kW；ISG 電機額定轉(zhuǎn)速1700rpm 、額定功率 16kW；最大轉(zhuǎn)速大于</p><p>　　4000rpm ；電池額定電壓大于280V，電池容量8Ah 。 </p><p>　　4.4 動力系統(tǒng)部件參數(shù)的優(yōu)化 &l

102、t;/p><p>　　根據(jù)2.3 節(jié)的方法，能夠得到發(fā)動機、電機、電池功率等相關主要參數(shù)值，但是</p><p>　　僅僅根據(jù)這個結果選擇發(fā)動機、電機、電池等參數(shù)，只能得到滿足混合動力汽車動力</p><p>　　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)濟性</p><p>　　的最佳匹配參數(shù)。實際上對于混合動力汽車

103、這種復雜的動力系統(tǒng)，影響汽車燃油經(jīng)濟</p><p>　　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</p><p>　　合下才能使整車燃油經(jīng)濟性最優(yōu)，這也是本文ISG 混合動力部件系統(tǒng)參數(shù)匹配的主要</p><p>　　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

104、確定整車的各動力部件參數(shù)。 </p><p>　　目前，動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化一般借助于仿真設計。通過設置不同參數(shù)組合，借助于</p><p>　　仿真模型，對仿真結果進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</p><p>　　往往費時費力，很難找到最佳結果，需要尋求一種更簡便、直觀的設計方法降低仿真</p><p>　　次數(shù)。本文

105、根據(jù)正交試驗設計原理，采用正交優(yōu)化方法對ISG 混合動力汽車動力部件</p><p>　　參數(shù)進行優(yōu)化，縮短了優(yōu)化時間，大大提高了優(yōu)化效率。 </p><p>　　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</p><p>　　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</p><p&g

106、t;　　定的控制策略進行。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</p><p>　　略，控制策略的具體內(nèi)容將在第 4 章給出。另外，仿真是在北京城市循環(huán)工況下進行</p><p>　　的，北京城市循環(huán)工況如圖2.5所示。</p><p>　　圖4.5 北京城市循環(huán)工況 </p><p>　　北京城市循環(huán)工況的的主要指標為：路

107、程 5.46km，最大車速 71.95 km/h ，平均車速17.55 km/h ，平均加速度0.288m/s2，平均減速度-0.38m/s2。</p><p>　　4.4.1 參數(shù)優(yōu)化的方法 </p><p>　　ISG 混合動力汽車關鍵部件參數(shù)優(yōu)化是一個多目標、多變量的優(yōu)化問題，其中目</p><p>　　標包括動力性、經(jīng)濟性和排放性。在這個多目標優(yōu)化問題中，由

108、于各目標彼此之間相</p><p>　　互矛盾，很難使它們同時達到單目標最優(yōu)解。因此，在本文參數(shù)匹配設計中，對該問</p><p>　　題的處理方法是，以汽車動力性作為約束條件，即在滿足循環(huán)工況動力性要求前提下，</p><p>　　優(yōu)化混合動力汽車關鍵部件參數(shù)，使汽車燃油經(jīng)濟性達到最優(yōu)，也就是將多目標優(yōu)化</p><p><b>

109、　　轉(zhuǎn)為單目標優(yōu)化。 </b></p><p>　　正交試驗方法[53-55]（orthoplan ）是利用正交表（orthogonal table ）科學地安排和分析多因素試驗的方法，對于多方案尋優(yōu)問題非常適合。正交試驗方法以正交性、均</p><p>　　勻性為基礎，利用拉丁方、正交表、均勻表等作為工具來設計試驗方案，實施廣義試</p><p>　　

110、驗。通過正交試驗，通過少量仿真就可以找到最優(yōu)方案，因此它對ISG 混合動力汽車</p><p>　　這樣的動力部件較多、參數(shù)影響各異的系統(tǒng)選優(yōu)非常適合，可以減少大量的仿真工作，</p><p><b>　　縮短選優(yōu)時間。 </b></p><p>　　上節(jié)對ISG 混合動力系統(tǒng)動力部件參數(shù)進行的初選，已經(jīng)考慮了動力性的約束條</p>

111、<p>　　件。本節(jié)將進一步分析ISG 混合動力系統(tǒng)，以整車燃油經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，選擇對系</p><p>　　統(tǒng)燃油經(jīng)濟性有較大影響的參數(shù)[56]作為正交試驗的因素，并確定各因素的水平數(shù)。根</p><p>　　據(jù)正交試驗設計原理，提出ISG 混合動力系統(tǒng)參數(shù)基本正交優(yōu)化和綜合正交優(yōu)化過程，</p><p>　　建立了混合正交試驗表，并通過模擬試驗和

112、結果的極差分析來最終確定一組最佳的</p><p>　　ISG 混合動力系統(tǒng)動力部件參數(shù)。 </p><p>　　4.4.2 確定試驗因素及水平 </p><p>　　ISG 混合動力汽車動力系統(tǒng)優(yōu)化，就是在保證動力性要求的前提下確定各動力部</p><p>　　件的參數(shù)，使其在北京城市循環(huán)工況下的燃油消耗最小。但實際上影響混合動力汽車<

113、;/p><p>　　燃油經(jīng)濟性的因素較多，對于本文的ISG 混合動力汽車來說，在對其進行參數(shù)優(yōu)化時</p><p>　　主要考慮了三方面因素，選擇了三個主要參數(shù)進行優(yōu)化設計，這三個參數(shù)包括：混合</p><p>　　度（Hyb）、電池容量（C）、電池組電壓等級（V）?；旌隙菻yb 定義為電機功率P m 占</p><p>　　混合動力系統(tǒng)總功率P