辅助混合动力电动汽车辅助动力系统研究

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北京工业大学博士学位论文辅助混合动力电动汽车辅助动力系统研究姓名：张博彦申请学位级别：博士专业：热能工程指导教师：周大森20050901 AbstractTllc础eamh0felec研oVehicle如dhyb曲eIec翻cVehiclehasbecomefbcusbecauseofmore觏dTTlores一0uscrbis0fenergy卸denv的nTnental删lution，1heauxlllaryhy¨delec打icVehtcle(BJU■AHEv)，aⅡmlti-pIlrp0踯vanforpa辚engerorc日瑁0’wasdevelopedjnpurpo宴eofservicingfor盛on-商Iea辞transpona{i0BamongfIlcs协di砌sinBe站ing2008Ojympicg枷e捌dⅥitl'jnlInive巧i舡A嘣there鼬archf酏usingoIltheauxiIi8rypowersy时omwasalsoconduc锄1刍e躲蹦舻ment。fa吼iIia翠姆晰deJec琅eveh．clewas矗腿llyd商舯d鞠d融elechniealparamete嘴Ofall妯y辨鸭we抟d就ermi∞d雏啦ebasisOf∞mp撕nglhe∞订es，p删lel锄dsplit耻VThespeci矗c明efgyco眦豳p畦onperⅪ10m她ofthc批iHafy姆br．delec戚cvehiclew黼蜱searc懈．Alsomepawer0fllleg弧Hia珂拍gi∽-ge鼬㈣rw辨∞n日n糊罐粼0娜{ngtothecalcul眦d狮delpenmental惜u1估．TheBJU■AHEVcombinedtheadⅧ瑚gesofEVands酬esHFVwhIchad呷『IedThe玎nOg国tconlr01曲讹gyunderthecond“{∞0fstopIand．char舻mOdel．丁hecontinuo惦IycOns协nt-删Ol州OncOntfoIst眦egyw8sadop●edw啊iIetlIevelljcleworkingwitllhy晰d“Vi‘壤mOdeI'Funhcnno他，竹豫auxiIia叫power即stemhas由efuncbOnOfequaljzh'gchaFge柚dhe撕ngfor协e砌orypackBdlh付搀e)dlau或晰issiollsand∞i∞oflhe黜xiEafyenginewe糟∞m一1edb器．mgonth啸orlcingchar告cte^sti《s0fthauxiliaIyen西ne．Inordcrlocont坤1meexhau吼em砖ions，cheres明瞄hofel∞扛onieallyc∞删kdclosed-lo神c甜b呲￡orw托h如eth糟e。w8yca协lv醴conver晒‘拍dd托钧nlcaIlyc硼狮珏edj曲州onofbPG甜d替solinedouble-如clsystcmwg障completcd砖§pecnvelyTheno随ofⅡ把朗g_mew拈l删er酣byanewdesi盟ed翔u舶eraccor曲塔tolhen0{se蜘t瑚u融andnoise打明uenqa∞l”is0nc册s啪l·辑volu{{0nwofkhgcon积ion．ThecO咖llerfort11ea11]‘iUarypow盯system、vasdevelOpedne妯嘶Onoftllec叫虹011e『i眦ludes∞ns忸m埘volmj叽cont叫Oft|leengine，A，FcOn旬田l，ln佣ito—n磬卸d·c咖圩010ftheHo—zonba札e础pack’sSoc。d—ving·卸d《onlrDItheLCDmoumedontheins岫empallelofBJUT_AH岜v．An岫；orit岫Idevel叩edto酬culate锄dco力计oIt}leban酬es’SoCc锄bep州ncallyappIiedInen舀Beer．mgT}lep越ame咖ofb躲fy抽dn屺omputcuⅡ蜘tofeng{ne-窖enemlof桃陀me舾u糟deveryo幽er10翰lsby出e¨xnia捌powersystcmcon仃oHeLT蜘s(圮val睇w8sc8lcul鼬瞳byiHte野礅i粥thec珊ntofb8nery￡o阳billedwnhIn髓sufingn砖b＆蛀8rypack～|ni蛀alopeIlcifcu证vol诅geFu曲e讯扔豫，啦evoj协ge弧dJmtem甜他s}staflceOftheba牡e叫鹊cons蛔越fhtorswemmonit0傩dIocon仃(，lmeSoCran印ofI，a№fyThepedb加anceof畦mauxiliarypowersy髓emwastestedonteslbenck艄dthe“pedme刚佗sII】tsshowtheauxjliarysy甜emcanworkco玎ectIyandcoordinatelywim恤BjUT．A}瑕v．KEYwoRDs：Hyb耐Eled血№h．cle；Emissi帅sConlroJ；Noise；slateofCha啦eIl 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，也不包含为获得北京工业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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名缉F1期：20口箩，Io，工；关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：龇导师签名：粹 第1章绪论1．1开展混合动力电动汽车研究的意义1．1．1传统燃油汽车与能源和环境危机自1886年第一辆内燃机驱动的汽车诞生，经过100多年的发展，汽车生产技术越来越先进，汽车性能越来越完善，汽车工业已成为世界各国的支柱产业。汽车工业的发展涉及许多产业部门，带动了石油化工、钢铁冶金、有色金属材料、橡胶工业、电子工业、纺织工业、机器制造工业等的发展，并促进城市的市政建设以及与汽车相关的第三产业的发展，极大的推动了世界经济前进。汽车诞生之初，只是作为有钱人的消遣、娱乐工具，市场有限，产量不高。1905年欧洲汽车产量仅3．7万辆，当年全世界汽车产量共有6．2万辆。1902年美国人福特提出要使汽车成为人们的生活必须品，并采用先进的技术与生产方式，引入标准化、专业化，采用流水线生产．使汽车工业得到快速发展，这是汽车工业发展的一项重大突破。1920年美国的汽车产量达到了120万辆。1950年全世界汽车产量为1000万辆，保有量为6900万辆。到20世纪70年代，生产汽车的技术愈来愈完善，美国、欧洲各国及日本先后形成了年产1000万辆以上的生产规模。1988年全世界汽车产量增加到4800万辆，保有量537亿辆。到20世纪90年代中期，全世界每年汽车产量保持在4700~4900万辆，保有量超过了6亿辆，其中七八成是小轿车。新中国的汽车工业经历了从无到有的发展历程。特别是在最近的十年里，我国汽车工业处于快速发展的阶段，汽车的产量和保有量大步攀升。1994年的汽车产量达到了138万辆，汽车傈有量为1000万辆。2002年中国汽车产量达到了325万辆，2003年汽车产量超过了400万辆。2004年汽车产量超过500万辆，预计到2010年中国汽车产量将达到1000万辆。随着我国国民经济持续高速发展，轿车将成为我国居民消费的主要商品之一。中国汽车工业将面临个快速发展的机遇。轿车进入家庭己经是不争的事实。汽车工业推动世界经济发展、给人民生活带来便利的同时，也引发了世界范围的能源危机和环境问题。汽车在大量的消耗地球上有限的石油资源。美国每 北京工业大学工学博士学位论文天消耗的石油有2，3用于交避运输，其中一半用于轿车、轻型货车和厢式货车上。根据1976年伦敦国际会议估计，当时己探明的剩余的可开采储量4；足1000亿吨。1991年探明的储量为1350亿吨，1994年垒球已探明的石油总储量为1428亿吨。虽然不断有新的石油资源被发现，但是毕竟地球的石油资源是有限的。焉1980年以来全世界每年石油产量在30亿吨左右，在未来的50年内世界石油资源将消耗殆赆。这就意味着以廉价石油作为能源的汽车总有⋯天会被淘汰。我豳对夏油的地质勘探程度较低，1992年邑探明的石油资源的工业储量为43亿吨，以1991年年开采量1．4亿吨计算，只能开采30年。实际上，1994年我国已经成为石油进弱国，当年进口石油2000万吨左右。2000年我国进口石油7000万吨，预计2005年后将超过1亿吨，相当予科威特～年的总产量。燃油汽车同时也在严熏的污染地球的自然环境。我国环境监测数据表明。汽车尾气排放是城市大气污染的主要来源之一。托京市机动车尾气排放对大气污染物中co、Hc、NOx的分担率分剐为63批，73，5％和46％，非采暖期这一分担率更高，分别为80．3％，79．1％和54-8％。上海市更为严麓，分别为86％、96％和56％：广州、天津、重庆等许多大中型城市也有类似情况。目前世界上空气污染最严重的lO个城市申有7个在中园。按照国家环保中心预测，20lO年汽车尾气排放量将占空气污染源的64％。显然，进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能源安全和保护环境造成巨大压力‘“】。1．1．2燃油汽车与绳电动汽车的优缺点以汽油或柴油为燃料的汽车具有攫离的能量密度和功率密度的优点，但传统汽车仍存在许多缺点51：●由于发动机自身其有调速范围窄的特点，使得汽车需要装上复杂的变速箱，这带来了传动损失和不灵活的缺点。·为了在有限的档位情况下满足加速和爬坡的功率需求，往往需要增加发动机的尺q。●目翦的汽车在部分载蕊与接近满载的最优工作点处工作时的比’摘耗有很大不同。发动机由于尺寸过大，其运行对的工作点偏离最优工作点，敌工作效率低“]。纯电动汽车具有传统的蠹燃帆汽车所不具备的理想的传动优点。纯电动汽 第1苹鳍论车运行无污染；其传动效率明显比传统燃油汽车高。而且它可以回收大部分通常在制动过程中损失的动能。牵引电机所固有的灵活的转速转矩特性使得电机能在其转速转矩边界内的任何区域工作，这使得电机通常可不需要附加变速箱。石油的衍生物、汽油和柴油无疑是燃油汽车的唯一燃料，我们目前的运输和交通工具的能源主要依赖石油。但是，按目前的开采和消耗速度，全世界范围内的石油资源将仅够维持30年。而电能可队由热能、核能、水能、潮汐能、波浪能、风能、地热能、太阳能、化学能和生物能等产生，具有广泛的多样性“3。图1—1电动汽车能源的多样化Fig．1一lDiverslficatlonoftheDowersourcefOrEV热能是通过燃烧矿物燃料产生热量，利用此热量加热水形成水蒸气，用水蒸气驱动气轮机最终产生电能。热能发电常用的三种矿物燃料是煤、石油和天然气n其中煤占全世界矿物燃料储藏量的91％，而石油和天然气分别只有4％和5％。目前可开采的煤，其储藏量超过一万亿吨，足够维持200多年。世界煤的产量是每年46亿吨，其中70％的煤用来发电，世界40％的发电量是由煤产生的。因此，用煤来产生电动汽车所需的电能不仅具有经济优势．而且能大大减轻交通运输对石油的依赖性。核能发电与热能发电类似，但其热量是由核反应产生的。1996年，核电厂提供的电能是有核国家全国发电量的25％，世界总发电量的17％。 北哀工业大学工学辫士学位论文水力发电基于水从高处流向低处时，势能转化为动能驱动水轮机，最后产生电能。水力发电是清洁的，不会产生排放物和温室气体，也不会留下废弃物。水力发电的成本只有矿物燃料或核能发电成本的三分之一。潮汐发电是已发现的利用海洋能量的最好的技术。世界所有潜在的潮汐能估计有64Gw，这种能源不会枯竭，而且也无污染。波浪能与潮汐能相戗，也是一种海洋能源，它利用了风与海洋表面相互作用而形成的波浪。据估计沼加利福尼亚海岸的波浪能是4～10Mw／h。该技术仍处于试验阶段。风能发电既经济且无污染，据估计所有潜在的风能占全球电力需求的20％。磬前德国拥有的风力发电容最超过了1300Mw，丹麦至少1000Mw，美国已经建成了世界上最大的风力发电站，总发电容量为35州。地热能是地球内部包含的热能，如地热水、热气、温泉和火山等，这些是可咀强收并有效列用的能量。美国能提供世界上最多的地热发电量，超过2700黜。太阳能发电一般分为两种；太阳热和光电。目前美国商用太阳热能发电厂的发电量超过350M1iy。光电发电是直接将太阳光子转化为电能，世界上最大的太阳光电发电厂在意太利，其发电容跫是33涮。化学能发电⋯般是基于燃料电池技术，将燃料与氯化合产生电能和水。现在最适合于电动汽车的车载燃料电池是sPFc．其最大功率等级为lOOO川。生物能是由术紫、农作物残渣、动物粪便、木炭和其它衍生燃料产生豹。生物能可以替代传统的矿物燃料进行发电。综上所述，电能可以用多种不同的授电技术获得。电能在交通运输中的应用可以解决匡裁过分依赖石油的问题。纯电动汽车在运行过程中的有害排放物为零．考虑到为电动汽车产生电力的发电厂的排放物，在全球范围内，由电动汽车产生的有害排放物仍然比燃油汽车少得多。然而，纯电动汽车也其有以下的缺点”1：·低的电池能量密度。汽油的能量密度是12000wh／kg，而目前的银酸电池的能量密度不足40wh／kg。近年来其他类鼙的电池，如：镶氢电}也，锂离予电池等的开发虽然有进展，但他蜘不同程度的在价格、性能、工 第l章蹭诧艺等方面欠成熟，近期无法大批进入市场。·过重的电池组。虽然在车身设计方面采取了减轻整车质量的技术，但是电池组过重的自身质量会使一部电动汽车的总质量较同样大小的内燃机汽车高出20％～30％。·有限的续驶里程与汽车的动力性能。电池的能量密度低，电池组的质量过大，因此，即使电动汽车动力系统的效率很高，其续驶里程和动力性能也无法达到当前燃油汽车的水平。●电池组昂贵的价格和有限的寿命。一部载容量20人的轻型电动客车电池组的价格高达2万元人民币，而在内燃机中油箱的成本不过几百元；以现有的电池循环使用寿命计算，电动汽车行驶4万公里后就需要更换电池，这个运行成本是难于接受的。·汽车附件的使用受到限制。由于电动汽车所携带的电能有限，所以在车上对电能的使用必须注意节省，车内空调和暖风的选用必须充分考虑其对汽车续驶里程的影响。除此之外，动力转向、真空助力器、主动悬架以及其他一些车载电器的使用也受到限制。因而电动汽车上乘员的舒适性受到影响。由此可见，纯电动汽车在商业上的成功强烈依赖先进电池的发展。然而，电池在过去几十年的发展中，性能和价格还没有取得重大突破。因此，纯电动汽车的发展在目前没有达到预期的目的。这为混合动力电动汽车(HEV)的发展提供了契机，它保留了内燃机和电驱动两者的优点，淡化了两者的缺点．成为一种理想的环保汽车过渡产品。表l—l显示了对纯电动汽车、燃料电池汽车、混台动力汽车和内燃机汽车的比较”3，可见，目前阶段开发混台动力电动汽车是缓解环境和能源危机的较好选择。 袭l—l不同动力源汽车的北较Fig．11Co叩arisona】nongvehicleswithdifferentpowersource壤强缡电动汽车燃料电浊汽车混合动力电内燃帆汽车动汽车尾气排放无少量多能量来源较窄广窄能量转换率高适中低高效工况区范隧宽适中密能量回收有无(辩生捌动)行驶里程短适中较长长1．2国内9}研究现状1．2．1国外发展概况：电动汽车的蕊变可以遭溅刘笛世纪柳。甚至在内燃机驱动的汽车发明后的一段时间里，电动汽车仍然十分流行。但是随着汽油的降债和启动电机发明，内燃机驱动的汽车统治了交通运辕市场近100年。随着近年来的能源危机和越来越严格的排放法规要求，电动汽车再次成为研究的热点{9l。在美国、日本、欧洲等发迭国家，电动汽车已开始进入实用化阶段。由于高新技术发展的推动和政府对汽车排教越柬趟苛刻的要求，各大汽车公司投入了大量的人力、物力和财力用予电动汽车开发，不断推出自己的新产品㈣_“1。美国；1991年美国3大汽车公司签定协议，台作研究电动汽车用先进电池，成立先进电池鼗含体，同年7月美潮屯力研究院参加了美国先进电池联合体。1992年美国电力研究院、克莱斯勒公司与南加州爱迪生公司共同开发50辆电动货车。统计数据表明，美国1995年鸯190家电动汽车生产企业，共有电动汽车2000多辆。福特汽车公司投资l5亿英磅开发电动汽车．1993年研制成功，分赴美闰各地进行试运行，采用480个钠硫单元电池，取代原来的铅酸蓄电池。攥特公司还在德国投资35007J．美元，成立了欧洲研究中心，从事环保车的开发和研究，福6 第1覃绪论特公司研制的燃料电池轿车P2000是以氨为燃料的电动汽车，它是用“质子交换膜”燃料电池。储存在25MPa下的压缩氢气与空气中的氧气反应产生能量输出。该车采用三相感应电动机，其最大输出功率为67kw，最大输出转矩为190Nm，摄高效率为91％。P2000的整车质量为1514蝇，最高车速可达128kn以，续驶里程为160km。通用汽车公司1990年在洛杉矶展出“冲击”牌电动轿车，1994年生产50辆。通用公司欧洲分公司还建立了一个全球代用燃料推进中心(oAPc)，从事汽车燃料电池技术的开发和研究，他们在Opel．vauxllallzanTa轿车上装上燃料电池，采用甲醇作为燃料。戴姆勒·克莱斯勒汽车公司成功利用燃料电池技术，制成首辆可驾驶的零污染环保汽车一“NEcAR4”。该车在充足电后可连续行驶450km，最高时速可达145km。日本：日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就对电动汽车的发展做出了具体的布置和计划。1991年通产省制定了“第3届电动汽车普及计划”，用于推动电动汽车的普及与应用。东京电力公司1988年联合日本电池公司共同开发“Iza”电动汽车，体现了当时最新技术水平：空载量1573kg，装有288v镍镉电池，4台直流无刷电机，输出功率为100kw，最高车速176kⅡ仉1，每次充电后可以40km，ll行驶548knl。日产公司研制成功薄而轻的镍镉电池，用一组超薄电极配以高浓度溶液，散热性能好、质量轻、充电时问短，6min可充至40％的额定容量，15miⅡ完全充满。该电池己在日产公司的未来型电动车(FEv)上使用，该车～次充电后，能以72krnm的速度行驶160km。1976～1991年日本犬发公司生产各种电动车辆6253辆，成为拥有电动面包车生产线的惟一厂家，】993年已生产和销售1300辆电动面包车。丰田公司的prius是世界上第一辆大批量生产的混台动力汽车，从1997年上市至今已经销售了10万辆，占混合动力车总销量的90％，代表了这一领域的壤高水平。它采用四缸发动机(4500r，min，52kw)和水磁同步电动机(104p5600r／min，33kw)共同驱动，是发动机主动型混台动力汽车，需要功率分配装置，即行星齿轮装置，将～部分能量传到车轮，另一部分传给发电机。发电机发出的能量可用于增加电动机的输出功率，或者用于给38个镍氢动力电池充电。Pri_【ls的最高车速为160km，}1，0～96krnm的加速时间为127s，市区和公路的复合工况的燃油经济性为20k州L。其燃油经济性和排放性能比传统的燃油汽车提高了许多。日本本E日公司开发的Insight车于2000年lo aE鬲工业^学工学博士学位诧立月上市，是发动机主动型混合动力系统，由一个三缸发动机(50kw，5700池瑚和一个永磁同步电动机(10kw，3000r，m_m)共同驱动。电动机由144v的镍氢电池缎驱动，电池维可吐利翔正常行驶情况下的富裕功率和再生制动能量充电。lnsight是燃油效率最离的混食动力汽车，燃油经济性为26～30k叫L，丽且它能够满足加州超低排放标准。欧洲：法圜的标致一雪铁龙与雷诺2大汽车公司～直在积极研制电动汽车，1990年J-5和c-25电动货车投入生产，1995年标致106和雪铁龙Ax电动车投入生产。1972年德国欧宝公司开始研制电动汽车，1981年与ABB公司合作改装电动轿车。20世纪BO年代初期奔驰生产电动大客车。奔驰公司1997年9月，在法兰克福汽车展览会上摊感一款燃料电涟电动汽车，该车在奔驰A级轿车基础上改装而成，装有燃料转换装置，可使用甲醇为燃料。1990年意大利菲亚特汽车公司开始生产电动汽车，满载质量为1330堍，车速为70k盯沛，行驶里程为100km。英国匡际汽车设计公司(1AO)从1979年开始研制电动汽车。1991年克罗德里蓄电池公司投资建立电动汽车生产集团，研制成MOLc3型混合驱动电动汽车，行程130km。其他国家和地区如瑞士、瑞典、丹麦、奥地利、捷克、匈牙利、俄罗斯、溧大利藏、墨嚣哥等都已开展和骈制电动汽车。1．2．2国内发展概况“八五”期问发展状况：电动汽车作为“明日汽车之星”，在我国早已引起了关注，“八五”期间政府己把电动车技术研究列入“八五”科技攻关重点项目。1989年初试制成功以||产“阳光”牌小轿车为基础的匿座电动车，车遗只有30kn讹。1991年试制成功‘叶丰’牌五座混合驱动型电动轿车，该车使用119kw汽油机和铅酸电池驱动12kw直流电动机，最高车速82km，h，一次充电续驶里程为202km。1993年7月，善次使用镶镉、镰氢电池的电动车，最高车速达100km／h，一次充电续驶里程为20Okm，汽车性能有了较大进步。1995年上海国际汽车工业展览会上，首次集中展出了我国研制的埕新水平电动汽车。“九五”计划期淘发展状掘：1996年在北京国际j{毂动汽车展览会上，展出了我国研制的YW6120DD大型电动客车。采用三相感应电动机，电动机额定功率为150kw，最大功率为172kw，最高转速可达到130Or／mjn，最高车速为90klnm，加速度(O～40km，h)时闯为20s，续驶里程达到150km。1999 冕I罩绪论年国际电动汽车研讨会(EVs)年会在北京召开，同年科技部、国家环保总局、国家计委、国家经贸委、国家机械工业局、公安部和交通部等l3个部门联合发起“空气净化工程一一清洁汽车行动”计划，2001年4月北京还成功举办了第三届北京国际电动汽车暨清清燃料汽车和汽车环保研讨会，2002年7月，北京公交线上两辆混合动力电动汽车开始运营，此外，北京还是世界上拥有天然气汽车最多的城市之一，我国其它城市也高度重视电动汽车的发展，如武汉就被科技部批准为我国电动汽车研发试验基地。“十五”计划对发展电动汽车的规划：科技部在“十五”国家863计划中特别设立电动汽车重大专项，将投入24亿元人民币，动员全国有关专业的技术力爨协助攻关。明确提出将研究重点放在电动汽车整车酝置设计与逶用控制平台、电动汽车多能源动力总成、电动汽车新型电机与驱动系统、电动汽车动力电池及其智能管理系统、电动转向控制及其控制系统、电动汽车电驱制动器及控制系统的研制上。2001年l0羟，国家投入8．8亿元的电动汽车专项基众正式扇动，内容分5部分：燃料电池汽车技术、混合动力电动汽车技术、纯电动汽车技术、电动汽车共性技术研究，以及推动电动汽车发展的运行机制、相关政策、技术标准与法规的研究。在电动汽车遮一新的领域，我国与国外处于相近起跑线上。只要我们抓住机遇，下太决心，对我酋汽车二[业的发展战略和总体技术路线，以及组织管理模式进行重大调整，把大力发展薪～代汽车实现产业化{乍为促进我国汽车工监安现跨越式发展的战略性举措，就有可能在世界汽车工业新～轮竞争中占领制高点，取得有利地位，提高我国汽车工业的国际竞争力，实现我国汽车工业的振兴。{．3混合动力寇动汽车分类1．3．{按照混合比不弱分类为了评价混合动力驱动系中组成部件闻的功率分配比例，提出混合比的概念(以双混合动力驱动系为例)⋯1：并联混合比(对应予并联混合动力驱动系)斤p为R，=蒜羲串联混合比(对应于串联混合动力驱动系)拧s为 良：—鱼一．4、吩】+弓2式中岛为原动机功率，kw；乓为车载能源向原动机输入的功率，kw。具体到发动机／电动机混合动力驱动系统，Ml为电动机，M2为发动机；s1为电池组；s2为发电机组。按照混含比系数的大小变化，发动机／电动机混合动力驱动系统的具体分类如图l一2。(·)串联撼奇动力驱动篆时羹圈示《b)井联挹台动力驱袖莱归受围承圈l一2按港台比分类的混合动力汽车类型Fig12TyDes。fh如ridelectricvehiclesbasedontheir岫bridratjos按照混合比不同，车辆驱动系统可分为3种基本类挺：续驶里程延长型、双模式型和助力型。续行里程延长型撬台动力车辆的设计思想是在普通电动车辆上增加一附加O 第l章绪论的车载能源(或原动机)并及时为誉电池补充充电(或承担部分车辆行驶功率)，臧小蓄电池的能量消耗，延长电动车辆的续驶里程。通常，续驶里程延长型混合动力车辆都装备有一个较大容量的电泡组和一个小型的附加车载能源(如发动机／发电机组)或小功率的原动机(如内燃发动机)．其混合比较大，适用于对排放严格限制的市区车辆。该类型车辆即可以设计成荷电保持型HEv，也可以设讲成荷电耗尽型HEV。如果APu的容量较大并可啦给电漶组充电，到为荷窀保持型HEV；如果APu容量相对较小并且主要目标是提供赡加功率，则为赫电耗尽型HEv。该类型车即可以设计成串联系统也可以设计成并联系统，尤其适合串联系统。助力型混合动力车辆的设计思想为在普通内燃机车辆(或无蓄电滟的电传动车辆)上增加一附加的电传动系(或辅助蓄电池)，以优化内燃机(或发电机组)的工作特性，提高车辆的经济性和降低排放，其有良好的节能潜力。双模式型混合动力车辆综台了上述两种类型车辆的特点，可以以零摊放模式行驶相当长的距离，但系统复杂，成本较高。对于续驶里程延长型混台动力电动汽车，电动动力起主要作用。发动机主要起延长里程的作用，词蛆在大体固定的王况下运行。对于助力型混合动力电动汽_车，电动动力通常状态下不起{乍用，只是在加速、怒坡等工况下肉燃桃动力不足时才起到提供辅助功率的作用，而发动机必须实时跟踪路面功率的需求，很难在讽定工况运转，增加了燃油消耗和有害排放的生成。1．3．2按结构形式分类1．3．2。1串联型混合动力电动汽车(serlesHybridElectrIcveh}cle)串联式驱动系统由发动机带动发电机发电，其电能通过电动机控制器直接输送到电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与精续驱动系统问没有誊接的机械连接。电避通过控制器并联在发电机和电动机之间，其功能相当于笈电机与电动机之间的“水库”，起功率平衡作用。即：当发电机的发电功率大干电动机所需的功率时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况)，控制器控制发电机向电池充电；碗当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况)，电池则向电动机提供额外的电能“”⋯，。 TB一蓄电池；E一内燃机：F一油箱；G一发电机；M一电动机；P一功率转换器；T一传动装置(包括离奇器、变速箱等)图l一3串联型混合动力驱动系统Fig．卜3Serieshybridelectricvehiclet。3．2．2并联型混裔动，】电动汽车(ParaIleIHybridEIectr；cvehicIe)并联式驱动系统中，发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车埘由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。当汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时，电动机从电池取得电能产生电磁力矩，井向驱动桥提供额外的驱动功率f20}{2“。其驱动系统框图如图1—4所示。B一誉电池；E一内燃机；F一油箱；G一发电杌；M一电动机：P一功率转换嚣；T一传动装置(包括离台嚣、变速箱等)图1—4并联型混台动力驱动系统Fig．1“4Pafallelhybridelectricvehicle并联型混台动力电动汽车中，电动机的动力娄与车辆的驱动系统褶结台，按照结合位鬣不同，并联型混台动力电动汽车又可以分为：1)发动机轴动力缀合式： 第l章锗论发动机轴动力组合式PHEv其寄发动机和电动，发电梳两大动力设备，发动机和电动，发电机的动力在发动机输出轴上进行组舍，然后通过由离台器、变速爨、驱动榜和半轴组成的传统驱动系统带动车轮行驶。电动／发电机在发动机起动时作为起动机使用；发动机起动后，带动电动，发电机转动，将发动机的一部分动力转化为电能储存在电池组中；车辆爬坡或加速过程中，电动／发电机由电池缀供电，为发动桃提供辅助动力，形成发动橇和电动机动力在发动机辅上组合的漏台驱动模式：动力电池组只是用来储存发电机发出的电能，动力电池级的容量很小，其质量、体积都大大降低。2)动力缀合器动力组合式：动力组合器动力组合式PHEv只有发动机和驱动电机两大动力设备，发动机芹口驱动电机的动力在动力组合器上进行组合后带动车轮行驶。由于有时要求驱动电机独立的驱动车辆，困此电动机的功率与发动机相接近，动力电池组的容量也受大一些。车辆起步时，由驱动电机带动车辆迅速起步，当车速超过设定数值时，立即转为发动机驱动车辆行驶；车辆加速和爬坡时，驱动电机提供辅助动力，与发动机的驱动力在动力组含器中叠加；在城市和低速行驶时，可以转换为电机驱动模式驱动车辆行驶；对发动机采用起动一关闭的方式控制，保持发动机高效率、低排放的运行：车辆滑舒、下坡或制动时，驱动电机转化为笈电机为电池组充电。3)骗幼轮动力组合式：驱动轮动力缀合式PH8v有发动机和驱动电机两大动力设备，发动机和驱动电机又有各自的驱动系统，分别驱动一组车轮。驱动电机的功率和发动机接近，与发动机传动系统间没有任何机械连接，可以独立驱动车辆的前或后驱动轮行驶；在车辆爬坡或加速时，发动概驱动一组车轮的团时，电动机提供辅助驱动力，同时驱动另一组车轮。此时车辆采用混合驱动模式，实现4轮驱动。1．3．2．3混联型混合动力电动汽车(spl；tHybrjdEIectricveh{cIe)混联式混台动力电动汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点，与串联式期比，它增加了机槭动力的传递路线，与并联式相比，他增加了电能的传输路线。但其结构复杂，成本离。其结梅框图见图l一5。 TB一蓄电池；E一内燃机：F～油辖；G发电机；M一电动机；P一功率转换器；T一传动装置图l—S辊联系统椎置形式Fig．1-5Sch岫aticofP8HEV混联型混合动力电动汽车由发动机、发电机和驱动电机三大动力总成组成，又可以分为发动机主动型和电力主动型。猷发动辊主动型混联混合动力电动汽车为例：车辆起动时，发动机荧闭，蓄电池工作提供车辆行驶所霈动力；节气门全开车辆加速行驶时，发动机和电动枕同时工作，共同分把车辆所需动力：车辆正常行驶时。电动机关闭，发动机单独工作提供所需动力；车辆制动或减速行驶时，电动机工作于发电机模式，给蓄电池充电。车辆行驶过程中，如需给电池充电，发动枫一部分动力用于驱动车辆，另一部分动力由发电机经功率转换器给莆电池充电；停车对，发动机也可以通过发电机给蓄电池充电。目前，尼桑Tin0混合动力电动汽车就采用了类似的功率流控制方法I“。{．3．2．4复合式混台动力电动汽车(cⅢpIexHybr；dEfectrIcvehlcIe)复合式混合动力电动汽车的结构更复杂，一般采取双轴驱动的影式。图1．6所示，菏辅采用发动机和电动机复合驱动，后轴采用电驱动。两个电机都即可阻驱动汽车行驶，也可以在刹车时再生制动，向电池组充电。其结构与混联型混合动力电幼汽车相似，二者主要区别在于复含型中与发动虮连接的电动桃允许功率流双向流动，而混联型中与发动机连接的发电机只允许功率流单向流动。复合型谓台动力电动汽车结构复杂、成本璃．前轴和岳轴独立驱动，翦轮和后轮之闻没有任何驱动轴或转换器相连，这样可以减轻驱动系统的质量，增加车辆装配的灵活性。而且，同时强收翻个车轮的制动动能可以大大提离车辆的燃油利用率和燃油经济性。 第1蓐靖诧图l一6的复合型混台动力电动汽车可以采粥6种工作模式：起动工况时，发动机关闭，由电池缀分别向车辆前、后驱动轴的电动机供电并驱动前、后驱动轴；节气门全开车辆加速行驶时，发动机鞠两个电动机同时工作提供车辆行驶所需功率；车辆正常行驶时仅由发动机驱动前轴：车辆行驶中充电时，发动机的功率被分流，一部分通过工作于发电模式的电动机绘电池组充电，一部分用于驱动前轴；轻载工况时，发动机和后电动机关闭，汽车由前驱动电机驱动；减速和制动时．前、后电动机均工作于发电模式，实现四个车轮同时再生制动；这种双轴驱动系统具有轴平衡的功能，若前驱动轴打猎，与该驱动轴相连的电动机以发电模式工作，吸收发动机输出的部分能量，并转化为电能输出到与后驱动轴相连的电动机，由电池组实现功率流之间的分配调整。丰田Post．Prius中的豫s—c采用的就是这种功率流控制方式。B一鬻电池；8一内燃机；F～油箱；M一电动机tP一功率转换器；FT一裁轮传动装置；RT一后轮传动装麓瑶1-6复台系统布置形式F培1-6schematicofcomplexhybridelech{cvehicle1．4混台动力电动汽车的关键总成技术1．4．1驱动电机电动汽车的驱动电机通常要求能够频繁的起动／停车、加速／减遽，低速或爬坡时要求高转篷，离速时要求低转矩，并要求变速范蓬大；丽二[韭驱动电动橇通常优化在额定的工作点。因此，电动汽车驱动电动机比较独特，应单独归为～类。它们在负载要求、技术性能以及工作环境辞方面的主要耍求归纳如下：·电动汽车驱动电动机需要有4～5倍的过载以满足短时女Ⅱ速行驶和媸丈 靶京工业先掌工学博士学位论空飓坡度的要求：丽普递工业驱动电机只要求有2倍的过载。·电动汽车骡动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进{亍设计。●电动汽车驱动电动机要求有较毫的功率密度和好的效率图(在较宽的转速和转矩范围内都有较高垂勺效率)，从而能够降低车重，延长续驶里程。丽普通工业电机通常对功率密度、效率及成本综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。●为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性离、稳态精度商、动态性能好，●电动汽车驱动电机安装空阏小，工组环境怒劣。髓前电动汽车常用的驱动电机包括；宜流电机、鼠笼式感应电机、永磁同步电机(包括永磁无刷直流电机)和开关磁阻电机⋯”o”。直流电机具有调遽性能好(平滑和精确)、控制简单、成本低、笨重和维护性差等特点。串励斌赢流电机起动转矩高和宽僵功率调速范围，适合在牵}I领域应用。蠢流电机的调速方式商电枢变阻、电抠调压和改变磁通三种。电力电子技术和微电予技术的发展使得蛮流斩波技术在现代宜流调速中飞速发展，PwM式IGBT轿波器流行，使得擞流电机的功率因数、工作效率(80％一90％)、戢态性能和转矩脉动性得到明显改善。鼠笼式感应电机(以下简称为感应电机)是最常用的感血电机，具有可靠、易维护、价廉、效率较商(90％以上)、比功率较高(1kw／kg左右)和功率因素变纯大等特点。感应电机的基本调速方式有调压调速、变极调遮和变频调速三穰l。甚前基于IGBT的P州式wVF控制应用广泛，动静态性能优良的矢量控制可与直流调速摺媲美，丽控铝4简单动态性能好的点接转矩控制在机车牵gI等鬏域显示了广阔的应胡前景。在牵{l控制中，为了获得宽调速范围，感应电机控制一般分为三个阶段：(1)保持转差不变，调节定予电流，获得恒转矩医；(2)保持定子额定电压不变，调节定子电流，获得恒功率区；(3)保持定子额定电压不变，调节转差．获得低转矩高速区。感应电机是目前电动汽车牵；}电机的主要类型之～，一般采用效率优化的转差频率矢量控制方法，无速度矢量控制和嶷接转矩控制是目前研究热点。永磁同步电机用永磁材料代替抟统同步电机的励磁绕组，去掉r传统的电6 第l章绪论刷、滑环以及励磁绕组的铜损。其具有高比功率(可以远大于lkw／kg)t高效率(可达到97％)，高功率因素和高成本等特点。永磁同步电机根据定子电流波形的不同可分为矩形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机，而矩形波永磁同步电机又称为永磁无刷直流电机：变频调速是永磁同步电机的基本调速方式，原理与感应电机变频调速原理基本相同。在理想情况下，永磁无刷直流电机的气隙磁通是矩形波，定子感生电动势也是矩形波，三相合成产生’叵定的电磁转矩，没有转矩纹波。而实际工作时，由于磁饱和等因素，产生脉动的梯形波电磁转矩。开关碰阻电动机应用于电动汽车上具有很大的潜力。它基本上是由可变磁阻步进电动机直接衍生而来。开关磁阻电动机具有结掏简单，制造成本低廉，转矩／转速特性好等优点，适合于电动汽车驱动。虽然它结构简单，但由于其磁极端部的严重磁饱和咀及磁极和沟槽的边缘效应，使其设计和控制非常困难。而且经常引起噪声问题。各种电机的基本性能比较见表1—2。表1—2各种电机基本性能比较F191—2comp州son姗彻gdi舶rent”a甜onmotor项目直流电机感应电机永磁式电动机开关磁阻电机功率密度低中高较高过载能力(％)200300～500300300～500峰值效率(％)85～8994～9595～9790功率因数(％)82～8590～9360～65恒功率区1：51：2251：3转速范围(“min)4000～600012000～4000～10000可以>1500020000可靠性一般好优良好结构坚固性差好一般优良电动机外形尺寸大中小电动机质量重中轻控制操作性能最好好控制器成本低高一般 1．4．2动力电池电动汽车动力电池的主要性能指标包括比能量、比功率和使用寿命等，要使电动汽车成为现实，关键在于其储能动力源必须满足U下四个条件：比能量高、使用寿命长、比功率大和成本低廉。为了实现电动汽车在技术性能和经济性方面从根本上能与燃油汽车抗衡这一目标．世界上许多发达国家围绕着电动汽车动力电池正展开广泛和深入的研究，例如美国的先进电池联含体(usABc)。表l一3是UsABC发布的电动汽车用动力电池的中期和长期研究目标”“。表1—3UsABc先进电池技术目标Table1—3ResearchgoalofUSABCforadvallcedbattery性能指标中期目标长期目标重量比能量／(wh／kg)(3小时率)80～100200体积比能量／(wh／kg)(3小时率)135300重量比功率／(w／kg)(80％DOD／30s)150～200400体积比功率／(W／L)(8096DoD／30s)250600寿命／年a10循环使用寿命／次(8096DOD)6001000能量及功率下降率／％额定值20最终价格／(美元／kwh)(150<100工作环境温度／oc一30～65—40～85充电时间／h(63～6快速充电时间(40％～80％soc)／h0．25连续放电l小时放出％额定能量75(要求无故障)电勘汽车用电油主要有铅酸电池、镍基电池、锂基电池、镍一锌电池等㈣一【45】(1)．铅酸电池铅酸电池铅酸电池的正极是二氧化铅(PbO2)，负极板是海绵状纯铅(Pb)电解液是稀硫酸溶液(H2s04)，单元电压为21V。化学反应方程式为：PbO2+Pb+2H2Sod=2PbSO4+2H20 第1苹绪论这种电池的性能可靠、价格低、寿命长、维护方便，铅原料丰富，但其比能量低，输出波动大，低温性能差，充电时间长。目前电动车用电池约95％是铅酸电池。从事此种电池生产的厂商，还在极力挖掘潜力，以求改进和提高性能．一些新型铅酸电池相继两世，如：·双电极电池：系美国Ensci和南加州爱迪生公司合作研究开发的一种电池。据称，它比一般铅酸电池具有六大特点：①高容量和高能量；②容积和重量都降低了50％；③高功率：④双极板的结构重量轻、刚度强；⑤大的截面积和低内阻i⑥免维护。其重量比能量为55～6Owh／kg。·纤维极板电池：将铅板栅极改用化学纤维镀铅，重量降低，与电解液的接触面积加大，活性物质的利用率提高，从而也提高比能量。·铅晶电池：先制成铅镉合金极板，然后设法将镉析出。这样，极板就成了泡沫铅板，其与电解液的接触面积大增。这种电池不怕过充和过放，循环寿命在千次以上。·铅布电池：系美国德州奥斯登市电源公司推出的一种电池。它是将玻璃纤维包敷上铅，然后织成布，把铅膏滁敷在布上成为电池的极板。电池的外形结构可以是长方形，也可以是圆筒形。其比能量为41．5wh／kg循环寿命超过900次。(2)．镍镉电池比能量45～58wh，kg，比功率超过190w／kg，可以快速充电(15分钟恢复50％容量)。循环寿命高达2000次。镍镉电池的_i1三极板为氢氧化镍叫i(OH)]1，负极板为镉(cd)，电解液是氢氧化钾或氢氧化钠溶液，单元电压为1．2v。化学反应方程式是：2Nj零排放行驶能力》可靠的性能》较低的成本≯懿好静排放性能》照好的燃油经济性最终确定BJuT—AHEV的主要性能参数如下表2一l所示； 表2一l主要性能参数协le2一lMalnperf0黼anceparam日嬲ofBJUT—A}{EV最高车速(km，11)100墩大爬坡度20％加速时间(0至48kn汕)<15s续驶里程(km)1S0为了实现上述设计匿标，BJUT矧EA应该包括以下五个功能模块，其基本结构框图见圉2一l。中央监控系统、电机驱动系统、辅助动力系统、电池管理系统和带0动回馈系统各个模块分别具有独立的控制系统，同时通过高速和低速cAN总线与中央监控系统实时通讯，由中央鼗控系统进行集中控制与协调。图2一l辅助混合动力屯动汽车功能模块F19。2一lhnction∞delofauxiliaryhybridelectricv曲icle2．1．2辅助混合动力电动汽车结构形式由于我们的混合动力电动汽车是在琢有的燃油驱动汽车的车身和底盘上进行改造，确定混合动力电动汽车的结构形式，主要是确定驱动系统的设计方案。主要研究内容如下：≯选择混合动力电动汽车的布置形式，如并联形式或串联形式。>确定电动机和发动机间的功率旺配关系，即该HEV设计成续驶里程延长型、功率辅助型还是双模式型。》确定驱动系统中关键部件的摹本参数，如电动机、发动机功率，电池组选择， 减速器设计等。>确定控制策略。由绪论中对各种混台动力电动汽车结构形式豹介绍可知，串联型、并联型、混联型和双轴复合型混合动力电动汽车各自具有其优缺点。现将串联、并联、混联型混合动力电动汽车的各自特点作如下比较，见表2—2。其中由于双轴复合型电动汽车的结构形式和混联型混合动力屯动汽车相似，比较中将其视为混联型的一种特例。通过表2—2的比较可见，并联型和混联型HEV的性能更接近于传统的内燃机驱动的汽车。发动机需要根据路面负荷的变化不断的调节功率输出，发动机的工况变化较大，不利于发动机在优化的高效区稳定运转，发动机的油耗秘排放较简，但这两种11Ev具有较长的续驶里程，可阻在各种道路条件下行驶。而串联型HEv由于发动机和汽车的驱动系统之问投有任何机械连接，发动机可以不受道路受穑的影响孺稳定的工作予优化后妁最佳工作区域或匿定的工作点，困雨其燃油经济性和排放性能最佳。而我们设计的厢式客货两用车，丰要工作在运动场馆之间和大学校园内部，对一次充电后的行驶里程要求有限，而对车辆的零葫}放行驶能力和握窘驱动模式下的燃油经济性和持放性能要求较高，因此，我们选择了晕联型作为我们厢式客货两用混合动力电动汽车的基本结构形式。表2—2不同形式HEV比较Flg2—2ComparlsonamongdifferentHEvarIangement结构形式串联型并联型滟联型动力总成发动机、发电机、驱发动机、电动／发电机发动机、电动／发电机、动电机三太动力总成掰大动力总藏驱动电机三犬动力总成发动机功率发动机功率较大发动机功率较小发动机排放发动机二r作稳定，摊发动极工况变化太，发动机排艘舟于串联型放较小排放较高和并联型之间骊动模式电动机是唯一驱动模l，发动机驱动摸式l，发动机驱动模式式2电动机驱动模式2．电动机驱动模式3发动机一电动机混3．发动机点一电动机馄合驱动模式台驱动模式4．电动机一电动机混台驱动模式传动效率发动机一发电机一驱发动机传动系统传动发动机传幼系统传动效动电机传动方式}能效率较高率较高量转换效率较低§蝴能量回收能够回收制动能量能够回收镕《动能量能够回牧制动能量 整车总布置三大总成间没有机械发动机与电动机两大三太动力总成之间采用连接，结构布置自由动力总成之间被不同机械装譬连接，结构更加度大的机械装簧连接起复杂，要求更加紧凑来，结构复杂，布鬣受到一定限制适用磊件适掰于大型客车或赞适用辛小型汽车适用于各辩车型车：城市道路和普通城市道路和高速公路适应在各种道路行驶公路接避普通内燃桃汽车更加接近普通内燃机汽更加接近电动汽车生北京工业大学辅助混合动力电动汽车(以下简称BJuT—AHEv)的结构形式如强2—2所示。BJuT。A濉V是以串联型混合动力电动汽车的结构形式为基五嵩设计的，但其与传统的串联型眦v又有很大的不同。通过表2—2的比较可见，传统的HEV选用的发动机功率较大，例如：北京高科力动力技术公司开发的串联型混台动力中墅客车，使用了三角转予发动机和永磁中频发电机组成的发电机组，输出额定功率为26kw，而其牵日l电机的额定功率为66kw．电池组容量30kw．h；通用公司的SeriessHEV使用了一台小型涡轮增压直喷柴油机，柴油机功率如kw，驱动电桃功率100润：丰田coaster的串联型H￡v使用了l5升直喷式汽滴发动机，而驱动电机的功率为70kw；雨北京理工大学开发的BjD6100HEv串联型搅舍动力电动公交车，发电机组的输出功率为45kw，驱动电机的额定功率为75kw。图2—2辅助混合动力电动汽车结构框翻Fig．2—2Schematicof站uT～^HEv可见一般发动机／发电机组的功率不会低于驱动电机额定功率的40％，控制系统撮据车辆行驶工况和动力电鹣组的电能进行益控和检测，及时对发动机／发电机组的起动、运行和关闭发出工作指令。控制发动机在最佳效率范强南平稳运 第2章辅助混台动力电动汽车方案设计转。传统串联HEv功率流控制一般用如下四种工作模式描述：≯车辆起动、正常行驶或加速行驶时．发动机／发电机组和动力电池组一起输出电能给功率转换器，给驱动电机供电，驱动车辆前进；≯车辆轻载时，纯电动行驶或发电机组的电能一部分给驱动电机供电，一部分给电池组充电直到电池组sOc达到设定值：>车辆制动或减速时，电动机回收制动动能给电池组充电：≯停车时。发电机组也可以给电池组充电。由上述分析可见，传统串联型HEV可以在车辆轻载时，由发动机组给驱动电机提供电能，同时给电池组充电，有效的延长车辆的续驶里程。丽当电池组soc达到设定值时，发动机可以关闭。当电池组soc下降到低于设定值时或汽车加速、爬坡时，则要再次起动发动机。但是，发动机／发电机组在给电池组充电时，燃料中的化学能经过了转化为热能、机械能、电能、电池组充放电的多次转化，燃料的利用率低。而传统的串联型HEV在对发动机的控制过程中，需要根据路面阻力功率的情况和电池组S0c的变化对发动机进行开／关控制，这样做必然导致，发动机从起动到稳定运转工况的过程中，燃油经济性和排放性能恶化。同时，不断的对发动机进行开／关切换，导致三元催化转化器的温度发生较大变化，在发动机起动后的一段时间内，三元催化器的温度达不到起燃温度，排放性能差。而三元催化器达到起燃温度后，发动机又可能需要关闭。BJuT—AHEV主要在运动场馆问、场馆内和校园内部行驶，行驶路线比较固定，电池组充电主要以充电站的专用充电机为主。因此，其结构形式以串联型I|Ev为基础，特点介于纯电动汽车和传统串联混合动力电动汽车之间。发动机的排量较小，且可以不间断连续运转，经济性和排放性能优于传统串联型HEv，但续驶里程不如传统串联型HEV。辅助动力发动机／发电机组的选择，使其在稳定工作点的输出功率小于整车行驶需要的平均功率，因此BJuT—AHEv只有3个工作模式，和传统的串联混合动力电动汽车不同。BJuT—AHEv的工作模式如下：>纯电动行驶≯辅助动力系统和牵引电机共同驱动车辆行驶，此时发动机／发电机组输出电能完全用来驱动电机，减轻电池组能量消耗，延长续驶罩程。发动机起动后在高负荷经济区连续运转，不需要进行开／关控制。 北京工业太掌工学博±学位论文>电池鳃soc低于设定的最低值时，停车为电池应急充电。辅助动力发动机除了带动发电机发电，还要驱动空调压缩机、均捃究电发电枫，其冷却东在冬天为车内提供暖风，一部分高温排气用来加热电池组．使电池组保持在最佳温度工作。可见，BJuT—AHEV是在串联型混合动力电动汽车结构基础上开发的一种结构形式。其特点是：夺发动机和驱动系统没有机械连接，可以运转在优化愿|!f勺最佳工作区，获乎导最佳的燃油经济性和排放性能。夺发动机由电控化油器绒LPG／汽油双燃料系统控制．可以获得优良的排放性能。夺空调压缩机由发动机驱动，节省了电=；毽l组能量。冬季．由发动桃的冷却水向车内供暖．提高了发动机的整体热效率。々发动辊驱动的均衡充电发电机可以给单个电池充电，避免了由于单个电池性能恶化而影嚷整个电池组的性畿。夺发动机的排气通过取气管和PID调节阀供给电池箱，保{芷电池组工作在最佳温度。夺辅助动力管理系统可以益测艇车的重要参数，并驱动车载的LCD显示屏给驾驶员提供必要的信息。车辆出现故障或电池组放电超过设定范围时给出警告信患。夺辅助动力控制系统驱动发动机的油门执杼机构，控寄J辅助动力发动机在最佳区域稳定运转，以获得最佳的燃油经济性和排放性能。2．2辅助混合动力电动汽车关键总成参数确定了BJuTA}iEV的结构形式后，还需要确定各个关键总成都{牛的技术参数，包括牵gl电机的参数、发动机参数、发电杌参数、均衡充电发电机参数、电池组参数、空调压缩机参数、L∞参数、减速器参数等。各个秘件参数的选择聪于整车的性能均有较大的影响。2．2．1牵引电机参数电动机的功率包括额定功率和最大功率，电动机的功率选得越大，则电动 汽车的后备功率越多，加速与爬坡能力也必然较好，但电动机的体积和质量也同时会迅速增加．且由于电动机不能经常工作在峰值功率附近，从而会出现大马拉小车的现象，使电动机的效率下降。确定牵引电机参数的依据主要是，驱动系统必须满足车辆以最高车速行驶时对连续功率的要求，及同时必须满足车辆阱最大峰值转矩加速或爬坡的要求。(1)根据最高车速选择牵引电机的功率应该不小于最高车速行驶时的行驶阻力之和”3，即：￡=；(舞u羔叫亿t，其中：只⋯牵引电机额定功率M⋯整车质量g一一一重力加速度_厂⋯滚动阻力系数匕Ⅱ⋯最高车速q～空气阻力系数』⋯迎风面积玎⋯动力传动系统效率式巾：，=0．0076+O000056“(221“～车速_=q：孵(2．3)巩⋯圆柱齿轮对的效率仉=O．97一O．98巩⋯圆锥齿轮对的效率仉=O．96～O．97”⋯传递转矩时处于啮合状态的圆柱齿轮对数朋～传递转矩时处于啮合状态的圆锥齿轮对数根据设计要求，以及我们改装车辆的车身和底盘结构参数，可以确定上述各个参数t从而训算出电动车在平直的沥青路面上匀速行驶时，行驶阻力功率和 车速之间的关系盐线，见圈2—3。从图中可见，当车辆以设计最高车速100km／h匀速行驶时，阻力功率为45kw。图2—3阻力功率曲线Fig．2—3Tr8ceOfreslsta口ce口Ower(2)根攥地速性能要求选择在水平怠好路面上，车辆的行驶加遽度表示为式中：F华：掣(24)di6M、。车辆行驶驱础力车辆行驶空气阻力F⋯一车辆行驶滚动阻力M⋯车辆质量J⋯转动质量换算系数，对电动汽车其计算公式为捌+吉挚+击学仁s，M—M一、。式中：，。一驱动轮转动惯量 』，⋯电机输出轴和传动轴的转动惯量f．⋯变速器传动比矗～主减速器传动比r～车轮半径玎⋯传动机构效率，包括变速器、传动轴和主减速器则，电动汽车从起步加速到速度为V的加速时间为：r=够卜格r(26)(2)根据爬坡性能要求选择电动汽车的行驶方程为：f=‘+‘+F+C(27)式中：F⋯电动汽车驱动力F⋯电动汽车滚动阻力，F=，．M．g-cos口迎风阻力，爬坡过程中车速的，飙阻qf以忽略F⋯坡道阻力，F=M岳sin口F⋯加速阻力，爬坡过程中一般匀速行驶，故加速阻力为零a一一一坡道角度爬坡角度的计算公式为：一一-n【高导卜吲，)∞8)I_】I彳苫√l+，2J由以上分析可知，电动机的额定功率应能满足车辆连续行驶时的最高车速。而牵引电机的最大峰值转矩应能满足式(2．6)和式(2．8)确定的加速时间和设计最大爬坡度的要求。最终，BJuTAHEv选用了额定45kw的他励直流电机。由绪论的分析可知，直流电机虽然不是最先进的驱动电机，但是直流电机具有技术成熟，调速性能好(平滑和精确)、控制简单、成本低等优点。 2．2．2变速器传动比由于BJuT—AHEv是在传统燃油汽车车身和底盘上改装而成，葜驱动系统的主减速比为原车生减速比不变，即‘不变。为他励崴流电机设计匹配了固定速比的减速器。传动系统的总传动比为：f=‘磊，总传动比应能够满足最高车速的要求，即：扛o‘377每芷(2．9)矿。’式中：‰。⋯牵引电机最高转速}：⋯最藏设计车速r⋯轮胎半径同时，设计的固定速比减速器也应该满足汽车最大爬坡度的要求。此时，汽车以最低车速匀速爬坡，因此风整忽路为零，加速阻力为零，刚行驶方程为：§卑塑=蟠．，c。s‰+螈si一。c2lo)因此，固定速比减速嚣设计时，应该满足下述约束条件：p避丛罢掣娑业(2．11)8乙。。．≈．々、’最终确定固定速比减速器的传动比为2。2．2。3电池纵选择2．2，3．1水平铅布电池介绍混合动力电动汽车和纯电动汽车对电池的要求有很大的区别。在纯电动汽车中，电池数量丈，几乎占车熏豹30％到40％，同时努须满足所有工况下的功率和能量要求，电池s。c的变化范围宽：雨在H卧中，电池数嚣较少，仅占车重的5％到20％，但是也必须能满足汽车所有功率的要求，电池s()c变化范潮较窄“1。电动汽车中性能良好的电池必须其有下列特点，按照重要性依次为：≯高豹比能量和能量密度>超过500次的深放电循环》较好的比功率帮功率密度 第2章辅助棍音动力电动汽车方寨设计>合理的循环能量效率而应用于混合动力电动汽车的性能良好的电池必须具有下列特点，按熏要性依次为：》很好的充电接受能力≯高的功率密度和比功率≯高的循环效率和低内阻>在一2妒c到+50。c温度范围之闻能够满足性能要裳>能够确定电池的荷电状态SOC≯各个电池具有较好的充／放电一致性》低的禽放电率》最少的保养和维护需要>好的能量密度和比能量(对于HEV的零排放里程来说很重要)根攥2。l节对聪l玎一AHEV的奔绍可知，我们开发的辅助混合动力电动汽车结构介于纯电动汽车和传统串联型HEv之间。在动力电池组的选择上，选择了供纯电动汽车使用的电池，甜获得较好深度放电循环使用寿命，和一次充电后的行驶里程。目前电动汽车便用的畜电池有十多种，其中现有的最成熟的电动汽车所用的蓄电池是铅酸电池。总体上，现有铝酸电池的循环寿命超过600次，能量密度和最大功率密度分￡目超过33wh，kg和93w／堍。在能量密度、功率密度和使用寿命方面，绝大多数其它类型高级蓄电池都优于铅酸电池，尽管如此由于它具有技术成熟、比功率大、成本与正在研制的新型电池相比较低等优点，在现有电动汽车中80％以上以铅酸电池为储§l动力源。综合考虑电池的比能量、比功率、循环使用寿命、可靠性和生产成本，本课题选用了水平铅布电池作为储能动力源。水平铅布电池技术是在阀控密封铅酸电池按术鏊鹂上的又一次飞跃，与转统钻薮蓄电池相比，水平锯南电沌采用了独特的设计和高技术的工艺．其设计的特点生要是““：(1)采用双挤压工艺制成共轴铅覆玻璃纤维丝．然后用这种纤维丝编织成轻巧孺结实柏扳栅e与传统铸造板栅相比，晶粒致密、晶拜清晰、电阻章小，抗拉强度大，能耐受充放电循环中活性物质的变形，抗腐蚀 北京工业^学工学博￡学位地_立：性强。由于有害千维丝作为稳定核心，使极板尺寸稳定，消除了极板的增长，不需要使用锑、钙或其它合垒来增加机械强度。可以采用纯铅或是铅锚舍金，因而减少了充电豹析气及正叛栅的腐蚀。(2)由于采用高电导率的纯铅板栅，使得水乎电池具有良好的充电接受能力，可以实现快速充电。汽车用水平电池使用专用的充电设备，不到30min便可以充足惫，普通的充电方式3h也碍以充足；电池矗部通过均匀分布的铅丝导电，电阻小，电流分布均匀，大电流充放电性能好。(3)以玻璃纤维作肉芯的问轴铅丝所编织的铅布与传统的板栅相比，其锚的用量减少了67％，又由于在结构上雀去“r汇流排及佟7其它的改进．从而使水平电池与传统电池相比在质量上减轻了25％～50％，结构紧凑，使比能量提高。(4)采用双极电极结构，正和负铅膏分别涂在铅嘲的两边，中间髓有⋯段朱涂铅膏的栅网将两种铅膏分界，去掉了电池问的连接条和极耳，减少了电池内阻，使单格刚连接简单化。(5)极扳水平放置，正负极和隔板采用卧式结构。这样可以减少活性物质脱落和电解液分层现象，有利于散热，避免了浓差极化现象。f6)采用紧闽框组件，维持了充电期间极板问的适当距离。避免r电池槽容纳充电时产生气体压紧板板，网时也避免了由十活性物质脱落{l起的电池短路。(7)闱阀控密封技术和贫液设计，实现密封和免维护的功能。以F是对85Ah水平铅布电池的测试结果：3小州率比能量：40wh／kg：10小时率比能量：48wh／kg。100％充电状态下的比功率：380w／kg；20％充电状态下的比功率：220w／kg。在特定的充电模式、3小时率、80％放电深度条件下，循环寿命超过800次。充电时间：采用其专有的快速充电技术，30min内可以充足电：一般方式3h也诳充满。价格：约1700豳／k怖。 水平铅布电池具有较好的大电流充、放电能力“”。如图2—4(a)是水平铅南电池阻300A恒流限压充电的电流试验曲线，2—4(b)是水平铅布电池以300A恒流强压充电的容量变化益线。由试验结果可见，30min即可将电池充至80％的容量。图2—4300^充电试验曲线Ftg．2—4陆perjnentnltrace甜ch8rgingin3∞^：●《a圈2—5300A放电试验曲线Fig．2—5Experl拍eHtalt『aceofdisch”gingin300A图2—5(a)是300A恒流放电时电压变化曲线，(b)是300A恒流放电时密量变化曲线。可见水平铅布电池，由于其结构的优势，有着很好的大电流放电能力。以300A洹流放电，平均可班持续lnmln，放电终止电压为8．4V，放出的容盈接近60Ah。相对于普通铅酸电池，放出的容量较大，这样可以允许电动车较长时间大电流放电。 埘博杆锄桃眦门她啪脯黝氯”=啬圳㈣其中‘为任意时刻的放电电流：‘为任意时刻的充电电流：‘为放电时间；，：为充电时间；可以求得水平铅布电池的容量效率为99．75％，而一般铅酸电池的容量效率为65％～90％。脱博杆跚蚌呲侣眦啪能戥拳”=器圳晰其中‘，Ul为任意时刻的放电电流和电压；厶，％为任意时刻的充电电流和电压：可以得到水平铅布电池的能量效率为81．d％，而普通铅酸电池的能量效率为552．2．32电池组数量选择～电塑磐墼苎算熏堡主要是考虑所需要的最大输出功率，以保证电动汽车的动力性。电池的简化模型如下图；图中：毛⋯电池电动势，一一一电流u～工作电压凡一一一等效内阻电池组的电压特性可以表示为：乓=u+』．民(212)由于电池的极化效应，毛，R。是，，jof的函数，为简化计算把Eo，R。看成常数，从而铅酸电池的放电功率为：R=UI=(Eq—iROIr——1“。。。。。1。。。。。。。。1。。。。。。’’。●_-。。——|——』_一u●__——o——-[二二)—～图2-6电池简化电路模型F培2-6simpll陆dcircuitmodelof也ebanery(213) 对式(2．13)求导，得到，=鲁时B有极大值，所以最大输出功率为2尼。’’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一”(2．14)B。。是理论计算值，实际应用中为防止过大的放电电流产生过大的热量进而影响到电池寿命，通常要求电池的工作电压处于2／3～l倍的矗范围内，这样也可坠华证电池具有较高的容量效率，故在实际应用中铅酸电池的晟大输出功率应限制为：’咒一=焉(215)。，。电鎏璺妻妻挚尊墼孚应满足电动机最大输出功率的要求，对于串联方式的电池组，应选择的电池数为：一”：熹(216)B。口。．轧”～’式中：￡一⋯牵引电动机瞬时最大功率仇～电动机工作效率％～电动机控制器工作效率⋯!墅羔至煮多世．818j书平铅布电池的等效内阻数据，以及电动机和电机控制器的效率数据，最终确定串联电池组中电池的数量为】8节。⋯⋯⋯～⋯。2．2．4空调压缩机由于要为BJuT一^HEV配备空调压缩机，首先对整车的热负荷进行了计算。(1)最大制冷量：Q=口Q0(2．17)其中：Qo～车身热负荷，口～储备系数(1．卜一1．2)(2)车身热平衡方程：霹丽=“最 绕=Q；+玖十珐+Q4+珐+幺(2．18)式中：Q一一通过车身壁面抟入的热量a娆⋯通过窗玻璃传入的热量。Q3⋯通过门缝隙传入鹘热量eQ一车杰乘员人体的热最e珐～通过发动机罩壁传入的热量。幺⋯冷风管道传入热量。其中Q包括车顶、车身侧面和彻底传入的热量a92包括因车内外温差传入的热最和太阳辐射通过车窗玻璃传入的热量。Q4包括一名司机和疑多10名乘客的散热两。珐为辅助动力发动帆罩墼传入的热量。通过对车身各部分传热面稽的实际测量和对务部分传热量的讨算，各部分传入的热量占车身热负荷的比例如下图所示。图2一?热负荷分布嚣Flg．2—7Dlstrih口tingofheat10ad取储备系数为1．1，因此整车需要的最大制冷量为3．8kW。 第2章辅助混台动力电动汽车方案设计2．2．5均衡充电系统由于选用的动力电池蛆18块串联的形式组成动力电池组，而组成电池组的每块电池存在1i一致性，这就造成动力电池组在电动汽车上的使用性能达不到单电池原有水平。蓄电池不‘致性产生的原因有两个方面⋯1：●在制造过程中，由于工艺的问题和材质的不均匀，使得电池极板活性物质的活化程度和厚度、微孔率、连条、隔板等存在很微小的差别这种电池内部结构和材质上的不完全一致性，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等不可能完全～致。·在装车使用时，由于电池组中各个电池的电解液密度、温度和通风条件、自放电程度及充放电过程等差别的影响，在一定程度上增加了电池的电压、内阻及容量等参数的不一致性。根据电池组不一致性对电池性能影响方式不同和作用原理不同，可以把电池的不一致分为容量不一致、电阻不一致和电压不一致”⋯。·容量不一致：容量不一致性的影响可以分为3个方面：(1)动汽车行驶距离相同，因容量不同，电池的放电深度也不同。在大多数电池还属于浅放电情况下，容量不足的电池己经进入深放电阶段，并且在其他电池深放电时，低容量电池可能己经没有电量放出，成为电路中的负载。(2)同一种电池都有相同的晟佳放电率，容量不同，最佳放电电流就不同。在串联组中电流相同，所以有的电池以最佳放电电流放电，而有的电池达不到或超过了最佳放电电流。(3)在充电过程中，小容量电池将提前充满，为使电池组中其他电池充满-小容量电池必将过充电，充电后期充电电压偏高，甚至超出电池电压最高限，形成安全隐患，影响整个电池组充电过程。以上3个原凼，使容量不足的电池在充放电过程中进入恶性循环，提前损坏。·电阻不一致性：对于串联电池组，在放电过程中，串联组中电流相同，内阻大的电池，电压降大，能量损失大，产生大量热量，而温度越高，内阻越大，能量损失越大。在充电过程中，由于内阻不同，分配到串联组各个电池的充电电压不同，将使电池充电电压不一致，随着充电过程的进行，内阻大的电 北京工业大学上学博士学位诧文池电压可能提前到达充电的最高电压极限，由此为了保证充电安全而不得不在大多数电池还末充满的情况下停止充电。·电压不一致：电压不一致性主要影响在于并联组中电池的互充电，当一节电池电压低时，并联组中其他电池将给此电池充电。这种联结方式，能量将损耗在互充电过程中而选不到预期的对外输出。电压是不一致性最为直观也最容易测量的表现形式。在汽车行驶过程中，如果某块电池的电压比电池组中其他电池低，如果继续使用，将成为电池组的负载，影响其他电池的工作。而电压较低的电池由于没有电量可以放出，若继续使用将造成永久性的损坏，而使整个电池组刁i能正常工作。在BJuT—AHEV的开发过程中，曾经遇到过这种情况：电池组的开路电压大约还有220V，但是接通主电源回路后电池组电压突降到只有80V，驱动系统根本无法正常工作。最后检查的结果是，电池组中的一块电池损坏，其电压比其他电池低得多，而内阻比其他电池大得多，最终造成整个电池组工作不正常。为了研究BJuT—AHEv的水平铅布电池组的电池均衡性，分别测量了充电前开路状态各个电池的电压，以及以12A恒流充电时达到不同充电电压情况下的各个电池的电压。试验结果见图2—8。图2．8电池不一致性测试曲线Fjg2-8Experjmental他5unsoftheVoIIageinconsistencyOfBJUT'AHEVbancrypack 从图2—8的实验结果可以看到，11号和15号电池在充电前的开路测试中．电压最低。而在恒流充电过程中，随着充电时间的延长，整个电池组的端电压不断升高，电池组中各个电池的不一致性开始明显。到达终止电压时，测试结果依然是1l号和15号电池的电艇最低。为了解决电池组中各个电池的不一致性问题，辅助动力系统中引入了均衡充电发电机。均衡充电用的发电机为额定15肼永磁交流发电机，用于为电池组中电压较低的电池进行单独充电，以避免电压低的电池在撞用过程中损坏，影响整个电池组的性能。均衡充电系统的结构见圈2—9。交流发电机发出的交流电经过整流和稳压控制装置的稳压后，变为14．4V的戆流电，壹接绘电压低斡电池恒压充电。发动机发电机lI装置I{l图2—0均衡充电系统框图Fig．2—9Schematicofchargingsystemforbatteryconsistency2。2．6电池组加热系统水平铅布电池厂家提供的电池工作温度为一40。c～60。c，但是实际使用过程中发现，环境温度对电池的放电容量有较大影响。总的来看，放电容量随着电浊温度的增加丽增加。对此。匿际电化学组织给出了铝酸电池放电容量随温度变化的关系式⋯：c丁=G。×(1+岛(了'一30))(2．19)式中：G⋯电解液温度为71．c时的电池容量G。⋯电解液温度为30’c时的电池容曩r⋯电解液温度Ⅳ，⋯温度系数。国际电化学缀织给出墨=0．008。但是，实际的温度系数并不是～个常数，在ai同的温度范围内，容量的温度系数不同。由文献[60]试验结纂可以看出，采用三段式温度补偿曲线较为合适。 ：一图2—10三i三段式漩度补偿曲线Fj玺2。lOTh。cuwe。fttIf∞一segment曲mp帅s8蛀帅。f{hetem阳rature撰此得到如下关系式岛=(j。×(1十o．olo(丁一lo))q=(j。×(1十o，008(丁一30))cr=‰x(1+o．002p一40))一40。C25005O．2O．45O624O．874S(km)图2．15中国6工况测试循环F眩2—15Ex∞riment副cuⅣeofCh|nese6∞nditionte时cvcie为了使发动机的工作转速与发电机的额定转速以及空调压缩机的额定转速匹配，设计了如鞠2—16所示的辅助动力传动系统。考虑到传动系统效率为90％．发电机的效率在85％左右．当发电机运行在额定工况4．5kW时．发动机的输出功率为5．9研。因此发动机选用了额定功率为8．0kw的四冲程冰冷发动机，发动机在转速为5800r／mln时，发出功率5．9kw，此时处于发动机燃油消耗率最低的最经济运行区域。F番}电觏五于嚣霪；机嘲rlIr翻2-16辅助动力传动系统Fi鹭2’16TJHnsmisslonsy或emforauxil{arypower掣slem 2．3辅助混合动力电动汽车续驶里程仿真为了研究一次充电后的最大续驶里程，建立了BJuT—AHEV在水平沥青路面上匀速行驶的续驶里程计算模型，和最大续驶里程的计算方法。计算模型考虑了牵引电机的效率，以及水平铅布电池放电电流和放电时间的非线性特征。2．3．1车辆行驶动力学模型BJUT—AHEV在水平沥青路面卜匀速行驶的动力学模型为：f=一+R=埘+羔矿2(225)其中：F⋯车辆行驶驱动力E⋯车辆行驶空气阻力一⋯车辆行驶滚动阻力M～车辆质量g一一一重力加速度厂⋯滚动阻力系数y一车速q⋯空气阻力系数爿一-一迎风面积设车辆的行驶时间为t，则一次充电的续驶里程s为：s=nr2．2612．3．2牵引电机计算模型BjuTAHEv使用的是直流他励电机，电机控制器为PwM斩波器，使用IGBT作为电子开关，分别控制电枢和励磁回路的电压。他励直流电动机稳态运行时的基本方程为E=￡中”U=E。+i，R。T=CT由1。r=五十兀=瓦(227)，一U，’矗，。=，(‘，L) 其中：E⋯电枢电动势e一电机的电动势常数m⋯每极磁通"一一电枢转速己，⋯电枢电压L一一一电枢电流R⋯电枢电阻?’一一一电磁转矩五⋯电机轴上输出转矩嚣⋯空载转矩o⋯电机转矩常数，，⋯励磁电流，控制为定僮玑⋯励磁电压以⋯励磁电阻由u=E+L心得到，呱=．kL十』2。圮，可以改写成其中：圪己=匕+足。(2．28)电机输入功率％⋯电磁功率—‰。一～一电瓤回路总韵铜损盘r=正+写=五，方程两边乘以电机输出轴角速度，得：舀=最+矗(2．29)其中：昱⋯电机轴上输出功率异⋯空载损耗，包括机械摩擦损耗‰和铁损耗尹& 将(229)带入(2．28)得到：只=最+0+只。(2．30)所以直流他励电机稳态运行时的效率表示为：”彘cz引，2．3．3电池放电模型研究整车的续驶里程，需要知道电池放电电流和放电时间的关系，电池的放电模型使用的是Peukert模型。因此得到：r=材一“(232)其中k和n为常数．通过对水平铅布电池的放电试验得到。I为放电电流，t为放电时间。2．3．4电机控制器效率和传动机构模型电机控制器效率用效率常数仉表示。传动机构的传动比为f，效率为常数聃。所以整个电力拖动系统总的效率为：■=‰仉研(2．33)如果汽车匀速行驶时的阻力功率为p，则电机应输出的功率为最=p／吼(2．34)设电池组输出电压为。，则有：L：昱：差竺。：．，，，”仇“仇2．3．5最大续驶里程计算对于励磁电流L控制为常数，因此电池组输出电能为咒=”(L+1)(2|36)其中”为电池组电压。计算匀速行驶的晟大续驶里程时，首先确定匀速行驶车速y，然后由车辆行驶动力学模型计算出行驶的阻力功率。由(2．27)～(2．34)确定各个参数后，带入(2．35)，计算得到电枢电流。再由(2．32)的Peuken 北京工业大学工学博士学位论冀方程计算出放电对闻，最磊由(2．2∞计算出最大续驶里稔。表2—3为8J暇一AHEV以40km／h和50km／h的时速匀速行驶时，纯电动驱动模式和歼启辅助动力系统后的辅助驱动模式下的最大行驶里程仿真结果。由计算结巢可琵，以40km／h匀速行驶的条件下，开启辅助动力系统的辅助驱动模式的行驶里程是纯电动模式豹2．25倍；50km／h的匀速F，辅助驱动模式的最大行驶里程是纯电动模式的1．56倍。表2—3匀速最^续驶里程模拟结巢。}abje2—3Sii聪1ationresultsofthemaxdriverangeunderconstantspeed车速(km庙)电池缝输出电流纯电动行驶最大辅助驱动最大行(A)续驶里程(km)驶里程(km)403618942550561512362．4本章小结混合动力电动汽车的驱动系统结构形式应根据车辆的使用要求和行驶道路情掂选择鞠设计。根据车辆的设计要求，分析了串联型、并联型秘混联型混台动力电动汽车的各自优缺点和适用范嗣，最终完成了；夺在传统串联型HEV的基础上设计了辅助混合动力的系统结构。夺通避理论分析和计算，确定了牵0l电机、固定速比减速器、电池组和空调压缩机等主要系统总成的技术参数。夺设计了辅助动力系统的结构和功链，并根据计算和试验获得的结果匹配了发动手几／发电机爨。夺建立了辅助混合动力电动汽车嚣大续驶里程的计算模型，对系统功§e进行了预测。 第3章辅助动力发动机排放与噪声控制辅助混台动力电动汽车(BJuT—AHEv)具有纯电动汽车的一切优点．同时由于辅助动力系统的引入可以有效的提高车辆的续驶里程。使用辅助动力系统的均衡充电装置，可以为电池组中电压偏低的电池充电，保持电池组各个单体电池的一致性。提高电池组的使用寿命；利用辅助动力发动机的高温排气可以控制电池箱的温度，使电池组工组在最佳的环境温度下以获得最高的放电效率；辅助动力发动机的冷却水还可以用于在冬天向车内供暖，节省了电池组电能，提高了发动机的整体热效率。但是，辅助动力发动机的引入同时也为车辆增加了一个有害废气排放源和噪声源。因此有必要在选定的辅助动力发动机原机的基础上进一步降低发动机的排放和噪声。3．1排放控制为了在原机基础上进～步降低辅助动力发动机的排放，对原机的供油系统采取了电控化油器加三元催化器闭环控制以及电控喷射LPG／汽油双燃料系统两种方案的研究。3．1．1电控化油器加三元催化器闭环控制3．1．1．1控制系统组成辅助动力发动机运行在恒定的转速下，对过渡工况的要求不高。因此，方案一采用了电控化油器加三元催化器闭环控制的方案。电控化油器是在化油器的空气量孔上安装电磁阀，通过控制电磁阀打开和关闭的时间，来控制进入泡沫管的空气量，从而控制吸入气缸的汽油数量，达到精确控制空燃比的目的。图3—1为电控化油器的原理图。系统中安装了专门为小型内燃机图3—1电控化油器原理图Flg3-】Schema啦ofeIenricallycontmIlcdcarbufet0T 北京工业大学工学博士学位论文设计的三元催化器．它可以使汽油机排放的cO、Hc、Nox大为降低，其活性材料的主要成分为氧化镧、氧化钍及少量铂，寿命50000公里。应用该催化器时倦化器体积与发动机排气量之比应约为j：l，因此选用体积为125cⅢ3的催化器。出于保温的考虑，在催化器外包了一层耐高温的玻璃缡。催化器转化效率的高低与温度有着密切的关系，催化器只有达到一定的温度以上才能开始工作(即起燃)。经过实验测量，本系统中使用的三元催化器的起燃温度在300。C左右。黼神∞柏扣一I口)H‘T抽OLl{石14D14■l^8l$．2空黻}峨埔凰3。2空燃比特性Fig_3—2Charac钯血^jcofA，F同时，三元催化器的转化效率还受到掘台气窆燃比的影响．图3．2为三元催化器的窄燃比特性。从图中可以看到，如果要最大限度的发挥催化器列CO、Hc、NOx的转化效率，必须将混合气的空燃比控制在理论空燃比14．7左右的极小窟口范国内。本控制系统使用氧传感嚣信号作为反馈信号，实行闭环控制，以达到精确控制空燃比lj勺目的。所用的是德国博世公司生产的加热式氧传感器，安装于三元催化器前的排气管上。出于二氧化锆氧传感器产生的电动势大小与温度有关，温度较低时，只有电阻而不产生电动势；温度较高时，电阻随之减小；当湿度超过300℃时，才有可能产生电动势。因此在温度达到300℃以前，氧传感器无法正常工作，只能实行开环控制，精确的排放控制无法实现。为艉决这一问艇，选用的氧传感器带有加热器，可以使二氧化锆管尽绦升溢，使抟感器在排气温度较低时靠加热器加热也能达到正常工作所需的温度，以便Ecu能及时准确的采集氧抟感器信号实现鞴环控制。搿313为氧传璃器输出电压信号随过量空气系数的变甚一g鼍，a8江R_}融 化曲线，输出电压在理论空燃比附近发生突变，出对数据的分柝得到，当氧抟感器的输出值为O．5V时t对应的空燃比为理论空燃比，这为闭环控制反馈信号提供了基准值。毫。圈3—3氧抟感嚣输出特性Fj晷3。3Theoutputcharacte—stjcofhe舭edoxygensens。f图3—4为电控化油器加三元催化器闭环控制系统的框图，系统以磁电机发出的转速信号和节气门开度信号作为基本的控制信号，Euc查表获褥基准占空比大小，同时使用氧传感器信号作为反馈信号，对基准占空比大小进行修芷，最终实现将混合气的空燃比精确控制在理论奎燃比的目的。圈3-4控钢系统框强F193-4schematicofcontrolsvStem 托蕊王韭太学工学博士学位诧Z3。1．’。2闭环控制算法发动桃系统为典型的非线性系统，难于求出精确的数学模型。而pID控制不必求出被控对象的数学模型便可以调节，应用J。泛技术成熟+其控制结构简单，参数容易调整。本系统的闭环控角I采用了黄积分分离的增量式PD算法。PlO控制是Proportional(比蜘)、Integral(积分)、Differential(微分)三者的缩写．其实质就是根据输入的偏差值，按tb例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结采用以输出控制。如图3—5所示，输出量c(t)被反馈到输入端，输入信号与反馈信号比较盾的偏差e(t)加给数字PID控制器，调节控制量u(t)，向被控对象输出。FIgure3·5PrincjpleorP1D在模拟系统中，PlD算法的表达式为刑喝卜毒p胁％掣]式中，确)一调节器的输出信号：PO)一调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差世，～调节器的比例系数；L一调带器的积分时间：％一调节器的微分时间。 在计算机控制系统中，必须首先对式(3-1)进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此嗣积分项可用求和表示为(32)：f。op2丢￡(，)血=，丢正(，)‘32’微分项表示为式(33)：鱼塑。墨堡!=皇业=!!：墨垡2二皇堡二坐(33)出△r?’将式(32)和式(3．3)代入式(31)则可得到离散的PID表达式：P取)=芷一{￡G)+号妻Eo)+等陋G)一￡(^一t)】}c，。，式中，△户r一采样周期，必须使r足够小，才能保证系统有一定的精度E(女)一第女次采样时的偏差值；E伍一1)一第以一1)次采样时的偏差值；t—采样序号，t=0，1，2；P取)一第±次采样时调节器的输出。由式(34)可以看出，要想计算P(七)，不仅需要本次与上次的偏差信号E忙)k和E啤一1)，而且还要在积分项把历次的偏差信号占0)进行相加，即∑EO)。这J，O样，不仅计算繁琐，而且为保存占(，)还要占用大量内存。因此，用式(3．4)直接进行控制很不方便。为此，对其作如下改动。根据递推原理，可写出(七1)次的PID输出表达式：JD(女一，)=最，{E(々一1)+暑蓑E(，)+等[点(t一1)一E(≈～2)]}(3．5)JD(¨)=坼{E(¨)+争∑E(小挚p(㈧)一E(≈～2)]}(3扪Lo』J；ooJ用式(34)减去式(3．5)，可得：，@)=尸忙一1)+K，【FO)一E@一lⅪ+K，￡0)+足。陋@)一2E0—1)+E@一2)1 7l式中’芷r。x，；『一积分系数下世。2酶等一微分系数·由式(3．6)可知，要计算第女次输出值P犯)，只需知道尸似一1)，量(々)，E坼一1)，￡积一2)即可，比用式(3．4)计算要简单得多。本控制系统中采月j的是增量式P∞控制。由式(36)可得：AP啦)=P取)一P啦一1)=世，陋伍)一占氆一lⅪ+芷，占e)+J|r。【E馥)一2E以一1)+￡取一2)】(37)式中，足』、％同式(36)。式(3．7)表示第々次输出的增量△_D以)，等于第女次与第≈一1次调节器输出的差值，即在第￡一1次的基勰上增加(或减少的)堂没耳轵)=K，暖酶)～谁一lⅪ只0)=K，卫往)岛伍)=K。暖@)一2E(女一1)+E(七一2兑所以，有AP@)=耳O)+只O)+昂忙)(38)式(38)为离散化的增量型PID编程表达式。当系数足，、置，、爱。求出后，分剐存放在指定的RAM单元中。当偏差E较大时，如系统在开始、停止或大幅度变化时，由于积分颂的作用，将会产生一个很大的趣调量，馒系统不停豹振荡。为了消除这一现象，采用积分分离的方法，即当偏差越过给定范围时，取消积分作用，直至被调量接近给定值时，才产生积分作用。设给定值为M忙)，授《量德为震似)，最大竞诲偏差擅为』，剐积分分离控制的算式为： 州邛”圳{篓：完：裂。∞，，使用积分分离方法后，可咀显著降低披控变量的超调量和过渡过程时间。使调节性能得到改善。PID控制参数包括：采样周期丁、比例系数酢、积分时间l和微分时问L。台理的选择上述参数，即PID控制参数整定的好坏直接影响调节品质。由香农(Shannon)采样定理可知，当采样频率的上限为正≥2，m。时，系统可真实地恢复到原来的连续信号。从理论上讲，采样频率越高，失真越小。但是从控制器本身而言，是依靠偏差信号E(☆)进行调节计算的。当采样周期r太小时，偏差信号E伍)也会过小，此时调节器将会失去调节作用，采样周期r过长又会引起误差。因此，采样周期71必须综合考虑。采样周期的选择方法有两种，一种是计算法，一种是经验法。计算法由于比较复杂，特别是被控系统各环节时间常数难以确定，所以工程上用的比较少。根据已往积累的经验，通过不断的调整采样周期r，送入控制系统进行试验，根据对被控对象的实际控制效果，反复修改r，最终采样频率取loHz，即采样周期r=0h。对于比例系数式，、积分时间t和微分时间％-依然采用实验的方法，通过在实验中的调试和不断修改、优化，最终确定各个参数的数值，则：积分系数巧2坼；，微分系数屹=酢孚。本系统的闭环控制采用带积分分离的增量式PID算法，系统的基本控制量为空燃比14．7。检测的氧传感器信号为o．5V时对应空燃比14．7，氧传感器的输出电压信号转换为实际空燃比后，与理论空燃比的差值即为本次的偏差E，偏差E经过比例调节、积分调节和微分调节得到一个占空比的控制增量，将这个控制增量加到原有的占空比控制量上形成新的占空比输出，对空燃比进行调节。PTD算法的程序框图见图3～6。 圈3—6PID控谁9流程豳Fi93—6Flowch积ofPID 第3霄辅助动力发魂机排放与骧声控制3．1．1．3实验结果图3—7为对电控化油器进行开环控制时，使进入发动机的混合气过量空气系数保持在l附近的控制占空比MAP图。如图3—4所示，控制系统工作时，首先检测发动桃的转速信号和油门开度信号，通过查袤程瞄3—7控制MAP图序获得存储在EPRoM中的凇P图Fig·3。7c。“曲1MAPfo‘。arbu陀船7中的初始占空比值，对电控化油器的电磁糊实施占空比控制。控制占空比的大小通过检测氧传感器的反馈信号进行修正，以实现将混合气空燃比控制在理论空燃批附近的狭小窗口范围内的翻的图3—8为辅助动力发动枫设定的恒转速5850r向in下的负荷特性实验结果。如图所示，电控化油器搬三元蠖化器闭环反馈控制系统可以实现对空燃比的糟确控制。图3—9是恒转速5850r加in下，电控化油器加三元催化器系统与原机的动力性比较。电控化油器加三元催亿器闭环控制系统的动力性与原机基本相同，在大负荷时晤有增加。鹜3一】O至溺312为辅助动力发动机在恒转速5850r／min下，N0。，HC，C0的排放对比。使三元催化器获得最佳的转换效率。瓣锚F材删胡020406080油瞳开霞脾图3—8过量空气系数控制实验结果“g，3-8Expe^mentalresulbofexcessairratiocontro】<0一———。O204060淮门开廑A圈3-9与愿机扮功率对比Fig3-90DmparisonofouIputpowerw；thme。rigmalen西ne654321-善jLl 5000400023000皇2000e10000O20406080100油门开度／％圈3-10与原机瓣Nox对比Fig．3·10conlparjsonofNoxwjfhtheorigiIlalen百ne250-!150一言100。50-。／＼八。。广＼。。—e一甄机—o一电控+三元催他O20406080100油门开度^圈3-11与膝机的Hc排艘对比Fig3_11comparis凹ofHCwinltheon画nalengineOn：58S0r旭in—“罪机O2。406080100油门开度，％嘲3．12与原机的co排放对比Fjg¨2co呻arisonofC0、vlththeoriginalen西ne由图3—9至圈3—12可见t电控化油器加三元催化器闭环反绩系统与原机相比动力性基本不变，在丈负荷时略有上升，但Nn，Hc，c。的排放与原机相比均有较大幅度下降。 3。1．2电控喷射LPG／汽油双燃料系统为了有效降低为BJuT—AHEv匹配的辅助动力发动机的排放，作为另外一种方案，进行了电控喷射l。PG／汽油双燃料系统的实骏研究。LPG作为一种清洁的代用燃料，可以有效的释羝发动机的有害排敲，是缓解能源危机、降低大气污染的有效措施””“⋯。国外第三代LPG电拄喷射技术与汽油喷射技术一样，能完全实现空燃比、点火正时、怠速及爆震等多方面控制，弗辅以废气再循环加上三效催化净化装餮能达到极低的污染物排放鼹。绝大部分专用燃气汽车挥放性能可_遮到欧Ⅳ法规和美国加州超低排放车标准⋯。但是关于小摊量单缸内燃机的LPG改造方面的研究报道，国内外并不多见。3．1．2．1实验系统设计考虑到LPG汽化潜热比汽油高，导致相同压缩比下，燃用LPG的发动机汽艇内的压缩终点温度和压力比燃用汽漓时下降，同时由于LPG的着火温度比汽油高2∞。c以上，这些因索导致L隅发动机的着火性能显著变差，冷启动困难。为了克服上述缺点，开发了～套电控嚷射LPG／汽油双燃隼毒系统。系统保留了原有化油器，但化油器泡沫管的内径相应减小，在化油器节气门后方加装了LPG喷嘴，以实现LPG的定量供给。图3—13为实验系统框图。LPG系统不设蒸发器，液态LPG经过调压阀减压汽化后蛆恒定的压力喷入进气道。LPG喷射最的控自l采用了和电控化油器加三元催化器闭环拄制系统类似的占空比控制。控伟9用Ecu通过检测发动桃的油门开度债号和转速信号，调用预先存储在芯片中的三维数据表，获得当前的控制占空比数值，对蘅3—13飘燃料系统框图Fi93‘13Sch州僦icof恤edua卜fuelsy班emLPG喷嘴发出控制信号，控制LPG的喷射最。LPG控制占空比的MAP图通过实验方法获得。出于气态LPc在、混合气中占有相当大的体积，降低了发动机的进气量： 托幕工业太擘工学谭士学位论X同时汽油一空气混合物的热值为3．8l狐／矿，丽LPG～空气瓶台气的热值为3．39MJ／疗，这样双燃料系统进入气缸的总能量相应减小。确定占空比MAP图的实验过援中，班获得摄键的排放效果为优化目标，闷时以礅燃料系统的功率下降小于lo％为约紊条件，综合优化发动机的动力性祁排放性能确定了每个工况的最佳LPG喷射占空比大小。3．L2。2发动机示功图采集系统开发为了能够更有效的研究LPG／汽油双燃糕系统的燃烧过程，开发了发动机示功图采集系统。准确的获得发动机工作过程中的示功图是研究、分析、计算发动机各项性能和参数的重要手段，是分析发动梳各缸进气量差异及缸闻和循环间燃烧变动队及控制发动机实现最佳点火提前角控制和稀薄燃烧控制的有效方法⋯”f701本研究开发韵示功陶测量采集系统主要由瑞士Kistler公司的6117A火花塞型压力传感嚣、电荷放大器、转角编码器、高速数据采集卡、计算机及自编的采集和分析软件组成。曲轴转角分辨率为l4cA，最高允许转速为12000r／硪in(瞬时)。使用曲轴转角信号作为触发信号，曲轴每转一度触发采样一次，系统以400kHz的采样频率顺序地录气缸压力搐号和上止点同步信号。数据使输过程中在计算机内存中开辟了2M的缓冲区，当采集卡上的4KFlF0读入2K数据(半满)后即产生中断．将数据传入内存中的缓冲区，然后再读八硬盘的数据文件，实现了气缸压力任意獯环的连续采集。系统中编制了示功图分析软{牛，用于对燃烧过程的分析比较。躞3—14示功图采集程序界落Fig3—14InI巴山ce0九helndjcatordiagramsamplingpr0削64 示功图采集和分析的软件界面分别见图3—14，图3一15。F面“’～口¨_％．FF一㈣·：眄～■孙苜—～。，“”：口再*r—一F赫i—一tn女％_Ⅻ-：阿新∞r—～再鬲口i——～『丽再阿矿～——可猫一-克盂☆葡雌：F而一戢E女蜘^-：阿礴～P_；葡一f螈4mt尬自：舛i赢_图3-】5不功图分析软件界面Fjg3。15Interfkeoftheindicatordjagr锄蚰alysisso竹ware3．1．2．3实验结果1．息速排放对比：首先进行了原机和双燃料发动机的怠速排放对比，实验结果见图316。与原机相比，电控喷射LPG／汽油双燃料发动机的cO、Hc、NO，怠速排放都大幅度降低·CO由原机的3．14％降低到0．04％，下降了98．7％；Hc由原机的38lppⅢ降低到164ppm，下降了57％：而NOT由原机的30lppⅢ降低到83ppm，下降了724％。图3—16怠速排放对比Fjg．3一16ComparisonofIdIeexhau趴emissions 2．部分负荷c0、Hc排放对比测量了发动机油门开度分别为1／8、1／4、1／2时不同转速下双燃料系统的co、Hc排放量，并与原机进行了对比，实验结果见图3—17。／B油门开度15r—·一原机l—卜取燃料系统10}io——————{————十_’。|a}—^—一0。———一～一——4200440048004日0050005200】5毛10若5转速／r㈣(a)／4油门开鹱4500470049005】005300550057005900转速／rmlrl’(e)600‘500’400。300‘200。100。O一：：：毛400墨裟1000l邝油门开度—p原帆—日一双燃料系境o_—————啼———呻———-oB——4P——8———一44004600480050005200转速／r⋯11／4油门开度r+原机f十烈燃】l；l系统l“——————p—1_p——q!。—1、}B—B——————o4500470049005100j300550057005900转速／rmlnl700。5000黾300轧100—10％转速／rmln图3—17积燃料发动机与原机排放对比FLg．3—17ComDarisonofEmissjonbetweenLPG，0ASaIldIbe0rigjnalGas01incEngine从图3一17可见，电控喷射LPG／汽油双燃料发动机与原机相比，排放有明冠下降。在测量排放的同时，分别连续测量了原机和双燃料发动机连续200循环的示功图。由平均示功图计算的平均指示压力的比较见图3—18，动力性下降很好的控制在了lO％咀内。 噩{真氆甚塑霹争3．存在问题：表3一l为在l／4油门开度下，时不同转速下连续采集200循环示功图后的统计结莱。通过对连续采集的示功图的分析，电控喷射LPG／汽油双燃料系统的最大燃烧压力出现在t。巴止点后21度左右。而如采要获得最太的发动机热效率，刚应使最大燃烧压力出现在上止点后12～15度。由于LPG的燃点比汽油高，且火焰传6sO‘600}曼550。蚕s∞鉴m窑一350∞01，{油门开座十碌机廿双燃料系统900i1／2油门开度墨800}—十h—、蚕：：}——k胃。划600f。、毒、r‘霉500『+蟓札霸400f—￡}_取燃料系统}300l500060007000800C转速／r．Ⅲlnlrc、匿3一18乎均指示压力比较Fig3118ComparisOnof1MEP播速度比汽油幔，因此必缀加大发动机的压缩眈．同时对点火时间进行控制，才能使电控喷射l。PG／汽油双燃料发动机获得最佳的排放性和经济性。表3一11H油门开度下200循环示功图统计结集下dble3-1St砒inleres“诂Of200cycle’sindlc咖rdiagramwith小∞meop∞1l，4转速(H州n)过量空气平均指示压最大燃烧压平均最大燃烧压力系数力(KPa)力变动系数曲轴转角(。cA)46∞O粤451tO．11082l4600091573011472I4600090575OlO2i4∽00945570，11962l448∞092558011492l5480009553O．1142195200O945∞0订54225200O9353l011722同时，由于双燃料系绫增加了LPG的傣液罐、调联阀和辛融应的管路需占用较大空阃，不利于在辅助动力电动汽车底盘上布置。而且LPG系统与电动车的强电系统距离很近，存在⋯定的危险性。因此，最终为BⅣf一|^HEv匹配了电控化油器加三元催化器闭环反馈控制的小型4冲程水冷发动机。喜|刚_c薰妻㈣栅 北京二r业丈学丁学博士学位论文3．2噪声控制近年来噪声问题逐渐被人们关注，虽然我国对于电动汽车和混合动力电动汽车还没有制定相应的噪声控制法规，但是，控制电动汽车和混合动力电动汽车的噪声，使其具有更突出的环保性能是十分有益和必要的。BJUT—AHEV在混合驱动和停车充电工作模式下，为车辆增加了一个噪声源，对辅助动力发动机的噪声控制是本节的研究重点。发动机是一个存在多声源的复杂机器，其噪声大致可分为三部分，即空气动力性噪声、燃烧噪声和机械噪声。燃烧噪声和机械噪声很难严格区分。一般地，将由于气缸内燃烧所形成的压力振动通过缸盖、活塞一连杆一曲轴、机体向外辐射的噪声称为燃烧噪声。将活塞对缸套的撞击、齿轮、配气机构阻及喷油系统等运动件之间机械撞击所产生的振动激发的噪声称为机械噪声。空气动力性噪声主要包括进、排气噪声和风扇噪声，主要是由于进气、排气时和风扇旋转时引起了空气的振动而产生的噪声。在未安装进排气消声器前，排气噪声是汽车发动机的最大噪声源””“”3。排气噪声往往比发动机整机噪声(排气噪声除外)高10～15dB，是一个高能、频谱复杂的噪声。因此，控制排气噪声可有效地降低整机的噪声。目前，对于内燃机排气噪声的控制，可分为两个方面。一方面可以对噪声源本身采取措施，这需要从噪声源机理分析入手，采取相应的对策，但这些对篇往往涉及到排气系统，如凸轮轴、气门机构以及气缸盖的设计，而这些又要影响到内燃机其他方面的性能，因而需要综合考虑并进行大量的实验研究。第二方面的降噪减振措施包括采取消声器和控制由发动机排气歧管传来的机械振动，这些措施的采取不影响发动机的性能，又比较易于实现，其中最主要、最有效、最简单的是采用排气消声器。本课题根据辅助动力发动机以恒转速连续运转的特点，针对辅助动力发动机的运行工况重新设计了排气消声器，从而达到降低整个辅助动力发动机噪声的目的。3．2．1排气消声器的设计理论消声器是内燃机排气系统中广泛采用的消声装置，是降低排气噪声的有效 措施。研究开发其有良好性能的消声器～赢成为噪声控制工程的重要研究方向。3+2．1．1排气消声器的要求●消声性能好，消声量频率特性尽可能与必需的消声量频率特性～致；●对排气气流阻力尽可挠小，不致影响发动机的动力性能及经济性指；·具有台理的空气动力性能，在高温高速脉冲性排气气流作用下不产生任何形式的再生噪声；·具有一定的强度、刚度和较长的使用寿命t●结构紧凑。体积小，重量轻，工艺性好，成本{茂。3．2．1．2排气消声器性能的评价指标目前，国内外评价消声器性能主要是用两个指标，即消声量和功率损失。(一)消声量的评价撬标评价消声器的消声性能常使用传递损失如(Transmis8ionl。oss)和插入损￡“(InsertLoss)两种参数。传递损失是指酒声器的进墨处声功率级和}彗船处声功率级之差。它压泱了消声器入瞄的入射声能和出口的透射声能之比，即k=lolg鲁=k一‰(翘)(3．10)式中：一、嗽为消声器入口和出口的声功率；‰、k为入口和出口的声功率级。插入损失是指装上消声器前后，排气口同一测点处声压级之差。k=‰一k(艘)(3．11)式中：岛、如为安装消声器前后在蔡点处测褥的总声压级。(_=)功率损失的评价指标为了考察消声器封内燃机性能的影响，通常采用功率损失比来评价。消声器的功率损失L七尺，是内燃机在标定工况下不使用消声器的功率札，，与使用消声器的功率托，的差僮和不使用消声器时功率虬．韵百分比，即 北意工业大学工学博士学位论文氐=学xlo。％(312)一般要求功率损失比为只。(5％。3．2．1．3排气消声器一维消声计算模型声音是由物体振动产生的，是以声波的形式进行传播。在消声器设计中逶常根据平蕊波理论来计算消声器的传递损失。计算消声器的插入损失需要求解包括声源及消声器出口端声辐射情况在内的四端网络参数。下面对消声器中声传播遥程进行数学物理描述“1。(一)声波方程声音来源于物质(固态、液态、气态)的振动，通过介质产生波动。声振动是一种宏观物理现象，应满足物理学基本定律(牛顿第二定律、质量守恒定律以及描述压强、温度与密度关系的物态方程)。为了简化问题，对介质及声传播作基本假设：·介质为理想流体，声波在其中传播时无能赣损耗，且介质是均匀的、各向同性的。·声传播过程是绝熟过程，与外界不存在热交换。·声压p远小予介质静压强只；质点速度v远小于声速r；质点位移远小于声波波长：介质密度增霓远小于静态密廑。(1)运动方程声波的运动方程是声压对空间位置的梯度，等于介质密度和质点振动加速度乘积的负值，即寻p：一p孕(3。13)其中，亏=杀j+言j+尝乏，；=匕；+V，j+匕是(2)连续方程连续方程即质量守恒定律，即介厦举位时闯内流人霸滤出体积茏的质量之差，等于该体积元内质量的增加或减少。 式中∥为介质密度的增量。等=一两；(3．14)(3)物恋方程物态方程可描述压强、温度与密度关系。根据假设，可求蹬物态方程为堡：墅驻．竺盘D甜式中：K为绝热指数rp一为介质静压强。对于理想介质，声速c=J墨乒，因此物态方程为：塑：c：望(3．15)卉种(4)波动方程根据上述的理想介质的三个基本方程，可导出声波波动方程。粤：c3审2p(¨6)玉2。这就是理憩介旗小振幅声波的波动方程，其中拉酱拉期算符V2=嘉+嘉+参∞。W。c譬‘对于消声器这种轴向尺寸比径向尺寸大得多的零件，为了便于分析将其内部声波近似简化为平面波．即声压只与位移J有关，则波动方程可写成：垂：。z鸳a2缸2对于角频攀为”的简谴波，其一般解为p=一s；zt[m(r±；]十p]c3．，，，式中，+号表示反向行波，一号表示拦向行波。(二)声学四端嗣络在电路中有两个电极，在电挺t燕以电压时便会有电流诵i寸。茸中与审瓶 相连的称为输入端口．与负载相连接的称为输出端口，这样的网络称为四端网络。与此相仿，在消声线路中，在入口管端施咀声压pl之后刚产生体积流速【，t，出口管处才商声压；：和体积流速uz。这样的声线路叫做声学四端网络。对于平面波，弓=Pc；=譬方。式中s表示面积，；为介质质点速度，舀=；s，称为根据四端网络计算原理，可得入口声压和体积流速与出口声压和体积流速蠹笔墨卜懈示料(：蚓慨㈣孑。=c；：+D孑，Jl弓，jLcD／l孑：J其中A、B、c、D称为四端网络参数，它们仪仪与网络内部结构元件参数有关，且=(曼l。，称断开棒递系数口戗。黼⋯抗c=[妻l，。，称断开传递导纳称短路传递系数所谓断开，是指出口端封闭，(，2=0；所谓短路，这在实际上是很难做到的呻遭常若在出口端连接根小的阻抗时，可近似看作短路，p：zO。以一段声管为铡来分析翻端网络参数。设有一段长为，，截藤积为s的声管声管入口端的声匝为p；，体积流速为ut，出口处声压为n，体积流速为ut。见豳319。l__FL、●l●●●●●／畸矾|t“，J．．．．。。。，，＼；D 强’’p1王s，、强3一19声管的瑙端嗣络F{g3—19Fo¨r—terminalnetwork％_胁隙：蚓=陪村∥嘲慨㈣因此，可求出四端阐络参数，其中R=竺曙抖cos材f壁sin觚l’S|，旦sin船c。s肼lpc1(三)消声器插入损失的计算利用’一维平面波的声学四端网络可对不同结构的抗性消声器的铸递损失和插入损失进行预测计算。在进行计算时，除需满足有关声波方程的基本假设外，还需作如下假设；·消声器餐道内声波系以平蕊渡沿轴向转播；·消声器管道壁面无振动，声能不沿管壁向外透射。根据平瑶波理论可计算传递损失，憾求解包括声源及消声器出翻端声辐射情况在肉的四端网络参数，最嚣丁终求得插入损失：经过推导和简化，安装潲声器后的插入损失为：k=勺，一‘2=20lg蚓一2019p|(3．20)式中，D。——束安装消声器排气管的短路传递系数D——安装消声器后排气管的短路传递系数可见，消声器插入损失的计算主要是求解安装满声器前后的短路传递系数D’和D。 器幂工业丈学工学博士学位论奠通常在来装消声器时，排气管长，’报短，因此有：D‘=cos船‘z1，lg{D+i—o。所以：k=岛l一￡，2=20lglDl一20lgIDI=20lglDI(3．21)3．2．2辅助动力发动机摊气消声器的设计辅助动力发动机为单缸水冷四冲程小型汽油机，排置为125ml，额定功率为8kw。原机带有一个消声器。为了实现混合动力汽车的低噪声特性，需要进一步降低发动机的噪声。由于辅助动力发动机与普通车用发动机的运行工况有很大的差别，辅助动力发动机起动借以5850r加in的僵转速连续运转，没有工况的变动，因此新消声器的设计必须针对辅助动力发勘机的运行特点。内燃机排气噪声是一种宽频带噪声，因此在设计消声嚣时，必须知道在各个频率成分上所必需的消声量。排气消声器的设计应该建立在是实骏的基础上。必须按照内燃机噪声实验规范对发动机噪声性能进行测试。在实验过程中，测得各个倍频程中心频率所对应的噪声量即可绘制出排气噪声频率特征。这不但可以作为摊气消声器设计的基本依据，而且对确定消声器的合理结构方案、消声器的评价以及实现有选择消声等方甄均可提供许多有用的数据资料。另外由于人耳聪高频噪声较敏感，放雄用内燃机标定工况一F的扫}气噪声倍频程频谱作为消声器设计时使用的频谱。在确定频率特性后，参照现有的同类型消声器结构和试验资料，采用消声器消声理论模型对消声器的潲声蹙进行预测计算．最终确定消声器的结构参数。3．2。2。1实验装置为了获得辅助动力发动机的噪声性熊，进行了该发动机的噪声赍檠实验。噪声实验中采用^而mo"cf公司生产的Nor．118型噪声分析仪对发动机排气噪声进行测量分柝，该噪声分斩仪使用倍频程和1，3倍频程，糍测量A、B、c、z计权声压级，精度离，可实现快速高效实时测量噪声。由于发动机是复杂的多种噪声源，为了避免箕它噪声如燃烧噪声、机械噪声对排气噪声的干扰，在实验室噪声实验中，对发动规排气噪声的铡量往往采用将捧气管加长从；i百gI到室外来测量豹方法。窍本实验中，由于辅助动力发动机体 积小，如采用将摊气管加长引到室外来测量目}气噪声的方法，太长的加长管会导致噪声衰减，同时可能产生共鸣声，测量的结果只是排气噪声的近似值。因此，本试验采用了近场法测量排气噪声。为了使测量结果免遭被测声源附近反射噪声和本底噪声的影响，选择了近场法测量。实验中，在围绕声源近场选择一个与被测机器外形相似的指定蕊，并在该指定丽上选择若干指定点(本实验中选择了3个点)。测得各点声压级并求取平均僮，即为最终的噪声缎。根据噪声实验规范的要求，在实验过程中测点一般在排气口45。方向上，距离为O．5m，测匿传感器朝尚排气目，觅图3—20。由于本实验测量的是小型内燃机，所以测点距离《咀适当减小，但应注意测点距拇气管霜大于3倍排气管直径，且不受气瀛影响，测点离她磋高度应大子200m。国3—20排气噪声测量示意圈FiE．}20Schematicofexh“stn。isetest3．2．2．2原机噪声实验结荣及分析为了获得原桃的噪声性能，进行了该发动机的磉声啻架实验。对原发动机进萼亍了多个转速工况下的A计投声压级助的测摄，使用Nor-1{8噪声频谱仪测量了l，3倍频程频谱。试验结果如图3．2l所示。 毳◆萤3-21骧虮噪声频谱鞠F唔3-2】Spec弧ldin曲utionofengine∞妇原机噪声实验结果显示：·随着发动视转速上升。其碟声呈上升趋势。·在飘发动枧的噪声整个频率范弱肉，中频段噪声幅懂高，墩离噪声峰值堪现在1000Hz附避，达947dB(A)；·高频段的噪声幅值虽不及串频段大，但嗓声幅值较高且分布频率范围宽，对发动机噪声造成较大影响；·辅助动力发动帆以恒转速5850r，min运转时的最大噪声牺值在600～1500Hz的频段范围内。因此，对于此HEv辅助动力发动机降磉主要应控制中频和高频噪声，设计消声器时应针对600～1500Hz左右的频率段进行降噤。3．2．2．3消声器设计通过噪声台檠实验，使用Nor—118噪声频谱仪测褥了l／3倍频程中心频率所对应的消声量并绘制发动杌摔气噪声频谱图，最终确定消声器所必需的消声量频率特性，即消声器消声频率范围是600～1500№。同时，由于内燃机尚商其它噪声源，为使整机实现低噪声性能，所设计消声器的实际酒声量应大于必需的消声量，且其消声量频率特征簧蹲可能与必需的消声盘频率特性的越势桶一致，根据发动机的特性及要求，预期HEV辅助动力系统采用新消声器后，噪声能降低10～15dB(A)。一5丑p＼骣域恨 。。，。，。，，。一。。，警喜．翟警鋈墼蜜錾鎏坠。一。，。一：。。，。(一)消声器形式的选择在汽车发动机中常用扩张式抗性消声器。因为，其结构简单，采用全金属结构，耐嵩温、耐腐蚀、耐气流冲击，成本低，易维修，使用寿命长。参照同类型的消声器，本文采用了多腔扩张式抗性消声器的结构形式。因为单个扩张腔很难满足排气噪声消声量的要求．实用的排气消声器多为多个扩张腔用穿iL管和穿≠L板连接起来的多级消声器。一般说，级数多消声量就大，且高额消声性能好，但消声量并不随数数的增加衙按比例增加，五级以t就收效不大了，因此一般根据对消声量的要求在2～5级内选取。为了获得最好的消声效果，本文分别设计了两个腔和三个腔的不同结构的共三种扩张式消声器方案一、方案二、方案三(见图3—22、图3r23)，分别对三种消声器进行消声量的计算并对比，从而在三者中择优。(a)方案一(b)方案二图3—22两腔扩张式抗性消声器Fig．3—22Reactivesilencerwith2e。pansionchambcrs77 匿3—23方案三：三腔扩张式抗性消声器Fig．3q3Scheme3：Re8ctivesilencerwith3exDansionchambers(=)扩张弑：的选择出蔼磷的消声器设计理论可知，消声器的传递损失和插入损失随扩张比m的增大而增大，所以要增大消声量就要增大扩张比。增大m有两种途径，一是缩小消声器入口或出口的直径，二是增火消芦器外壳的矗径。消声器出入口的直径不得小于内燃枫辩气岐管出口或者排气道口豹直径，否则陶排气背压增商，因其功率损失增加；同时也会使排气流速增加，容翁激发再噪声，影响消声器的实际消声效果。消声器的外形尺寸将受到安装位簧限制，不能过大；且清声嚣外壳赢径增大，降低了篡上限失效率。(三)消声器容积的选择消声器的的容税不仅影响消声效果，还影响到硝声器的功率损耗。摊气量大的发动机，废气排最多，噪声能大，所以消声器的容积与发动机排量有关。一般来说，消声量随着容积比的增加恧增加。怛排量、窑积比到达一定值以后，消声童的增加变得缓慢。摊量、容积比的经验值选取如下：四冲程发动机：小客车：■似=4～6：载重车：匕／K=3～4：=冲程发动机：小客车：屹／K=8～12：载重车：略／圪=6～8；在决定消声嚣容量的阊时．迸应决定消声器的长径比L，D，即发动机消芦器的长度和消声器直径之比。一般是根据结构选取长度尽可隧大舟勺数值。L，D的推 蒡3章辅助动力茇动≈L羽}旅与噪声控榭荐僮为2—6。在消声器总容糨一定的条件下。适当增加第一腔的容积分配可以改善消声器的消声性能。此外还可咀降低气流的臆冲姓，使气流参数春充分的平衡空间，从而减少气流流动阻力损失。(四)清声器尾管的选择消声器尾管的作用，一是进一步降低噪声，二是将废气引到整车套适的位置_|j}入大气。对尾管的选耩包括尾管的长度以及束端出口的形状。末端出口形状有正切口、斜切口、鱼尾管口等。一般多采用正切口和斜切口。最佳的尾管长度应当兼顾消声量和功率损失综合确定。本文根据实际情况确定尾管采用正切口形状。消声器的设计必须实用化工艺化，并与整枧协调。消声器入口管和出口管的直径均不得小于排气歧管出黑或排气道口的妻经，否则排气背压会增大，引起功率损失增加；同时也会使得排气流速增加，易激发再噪声．从而影响消声器的实际消声效果。因此，本文将消声器的入口营、尾管以及内插管的管径设计戏与发动机的摊气管直径相等，均为30∞。另外，由于消声器外型尺寸受到安装位置的限制，因此消声器的总长度不能超过600m。(五)三种方纂消声器的设计计算·方案～方案一这种形式的消声器是内接管双室扩张式消声器，它是将两个肇腔以内插管形式连接起来，它可等效为如图3—24所示的四端网络复合线路强3—24方案一潲声器等效线路Fig3—24Equivalentnetwof^ofmufflerscheme1根据一维平面波消声计算模型的基本原理，方案一等效线路的插入损失为k=a。Ig％，+4。le}in等卜2。lg垮n坞l+，：+2。】glcos硝I+z。】sls证鸪 (322)参考同类型消声器，选择扩张比m在3～7问变化，同时选择不同消声器各段长度进行计算插入损失￡m，结果见图3．25：叛率，llzfl250m，，2=230m，‘=230mⅢ，24=50lIIm圈3—25方案一消声量计算结果Fig．3—25ealcul8tedresultsofatte叫ationofscheme1由方案一的计算结果可以看出，该消声器在较宽的频率范围内消声量曲线较为平坦，最大消声量出现在900H2左右，对低频段消声效果不好；同时，该消声器存在通过频率(1200～1400Hz)。●方案二方案二是两个腔的内插管扩张式消声器。此消声器可阻等效为两个内插管的扩张腔相串联(图3—26)。1丌了～l!10圈3—26方案二的消声裙的等效结构简图Fig．3—26EquivalentstructureofmIJfflersch铷e2共等效四端网络线路图为3．27 图3—27方案二的亍肖声器的四端网络图Fig．3—27Schematicoffour—terminalnetwork。fⅢufflerscheme2方案二四端网络线路比较复杂，不易直接求出四端网络参数。为了求得其消声量，根据该消声器的四端网络线路原理，可认为该线路是由三部分串联而成；因此，可化整为零，首先分别求解各部分四端网络参数A，、B，、C．、D，“=l。2．3)的值，然后根据串联的原理，求出总的四端网络参数A、B、c、D。第一部分(图3—28)：D图3—28第一部分四端网络线路图Fig．3—28Four—terminalnet_orkofDart1第一部分相当于一内插管单室扩张式消声器。根据平面波的声线路原理U=U+U对于内插管‘和‘部分有(323)(324) (吼芸；。蝎鼢，蠡咖螺㈧。岛一2S’jf只1cos圮Il。』’惫叫(?]cos地l⋯7(3．25)(326)(曼]=[，喾篡，7甍搿悃组柳由上面三式(3．25)、(3．26)和(3．27)可得(3．28)(3．29)耻co曲B～㈡)墨+，蠡8in嘏一∽飓(33。)％=c。s^(‘一‘～‘)U3+J譬≥sin≈(‘一‘一‘)E(3．31)Ⅲ。‘令U=o，则U=％，将式(3．29)分别代入(3．30)和(3．31)式，可求出四端网络参数一l和cl，扣瞅”㈧卜鬻Sin媳小‘)粥(332)c1=，攀诚c。st(‘一‘一‘)∞。”J罴等枞蝴嘣㈠瑚+，学sin地一¨H学龇co嘣HⅧ(333)又令B=o，则也=U，将式(3．29)分别代入(3．30)和(3+31)式，博求出咄》a叱一龇螂学学何 四端网络参数马和Dj。骂=，盎s姒也一‘一‘)(3，34)啊础卧∽卜嚣龇sin他小‘)(33jj第二部分(图3—29)图3-29第二帮分四端国络蚕Fig．3—28Four‘tenninalnetwOrkofDart2第二部分实际相当于一最简单的单室扩张式消声器的四端网络，根据其基本cos七(‘+毛)，』Lsi。七(厶+屯)DC第三部分(匿3—30)，譬s姗(‘+‘)cos七(‘+‘)黼3—30第三部分四端丽络图Fig．3—28FourterminalneLworkofD8rt3(3。36)第三部分与第一部分是相同的，因此其计算方法也相同，类似第一部分的计算I『皿4确睦式公 方法可褥剥第三部分四端网络参数，为：乓制"∽)_鬻sm(㈧_f1)媳《337)骂=J盎sin女(t一乇一‘)(338)G2，喾碱co川‘_『6_护J鲁焉绒鹕sIn即：★喝)(3．39)+，墨手sin鹕七啪，曼芋械cos鹕七‘)D3一co嘣¨嘲一黼碱sin他小动强40)器暗．=割分密腊起安螺成息的四端网络，因沈，总的四端嘲络参数为：(：：)=(三盖](乏盏](乏盖]c。．t·，由消声器捕入损失的计算公式￡。=20lg蚓一20lgID’I*20lgIDI，由此可见计算插入损失只需求出D即可。由式(3．41)可得|p=D，4毡+一：魏cl+雷岛B+嚣：GB。剐有：k=20培lDl=20lgl毋珐岛+4岛cl+骘c2Dl+恐q马l(3．42)籍各部分四端网络参数的值代入即可。经过编程可耀终计算出结果。经过计算比较，最终确定方案=消声器的参数为：屯=90m小，乞=200^蝌，‘=60埘m，t=毛=‘茹75煳，管子直径为d=30卅m，扩张腔喜径为d’=130卅m。通过matlab编程计算，得到方案二的插入损失，结果见图3—30。 图p3l方案二的插入损失Fig．3～3lSoundpressurelevellossofscheme2由此可以看出，该消声器在较宽的频率范围内消声量曲线平坦，尤其是在中频段消声曲线十分平坦，且最大消声量出现在10∞Hz～1500Hz左右：中频段不存在通过频率的闻题；但低频段消声散巢欠佳。●方赛三方案三是采用兰个腔的内插管扩张式消声器。此消声器可以等效为两个内插管的扩张腔相串联(图3—31)：蚕3—32方案=三的等效匿Fig．3—32Equivakntst九lctIIreofscheme3其等效圜端网络线路陶为(强3—33)： 翟3—33方案三的等效四端硝络图Fig3—33Four—te掘inalBet啪rkofschelI|e3与方案二相似，方案三四端网络线路更为复杂，否易壹接求出靼端网络参数。为了求得其消声量，可采用与方案二相似的求解法，将该线路分成三部分(方案三韵四端网络线路分成的三部分见圈3—33)，首先分别求解各部分四端网络参数A，、B，、c，、D，“一l，2，3)韵值，然后根据串联的原理，求出总的四端网络参数A、B、c、D。最后，利用插入损失公式k=20lgIDI=20191日D2功+4岛c1+玛eDI+岛cID3I，可计算得到消声器的消声量曲线，出于其计算过程与方案二计算过程类似，不再赘述。(a)第一部分IJ。f。—二-厂———]～=o．————r●—叫C，卜———————一rplt)1{卜】—二1坚生卜二(b)第二二部分 (c)第三部分图3—34方案三的四端网络图Fig3—34Four—terminalnetwo“ofscheme3经过多次选择不同的消声器结构参数，计算不同尺寸下方案三消声器的消声量计算结果见图3—34。(a)，2=‘=90肌卅·‘=200mm，f；=60川聊，k=‘=75研m．‘：40卅研，管子直径为d=30脚埘，扩张腔直径为d’=130聊肌，穿孔板的直径为d=30埘坍。0蕞■‘l (b)f2=f，=90”种l，Z{=200t|lm，f5=60mm，?6嚣f7=60mm，fB=40mm，管子直径为d=30聊卅，扩张腔直径为J’=130脾m，穿孔掇的直径为d=30蝌册。图3—36方案三的插八损失Fig3—35so龇dpress盯eleve}lossofs吐eme2从圈可以看出，该消声器消声量藏线变化较多，曲线平坦的频率段范围较窄，整个频率蒋阑内存在通过频率闻趣，低频段、中频段滂声不平稳，我们所霈的消声器应在1000H左右有稳定的消声量，由此可见。该消声曲线并不满足要求。显而赫见，该消声器仍然存在通过频率的阔题，且消声量变化大。不能选到中、高频段稳定消除噪声的目的。三种方案的比较：·方案一：在较宽的频率范围内消声璧曲线较为平坦，最大消声量出现在900Hz左右，对低频段消声效果不好；存在通过频率。·方案二：在较宽的频率范围内消声擐曲线平坦，尤其是在中频段消声曲线十分平蟪，且最太消声薰出现在1200Hz左右；中，高频段不存在通过频率的同题。因此，对中、高频率端声效果嶷好。·方案三：潸声量曲线变化较多，曲线平坦的频率段范围较牵，熬个频率范围内存在通过频率问题，低频段、中频段消声不平稳。对于辅助动力发动机，当以恒转速58SOr／min稳定运转时，其噪声主要是中 频和高频噪声，最大噪声出现在600～150漪k左右的范围内。逶过比较发现，方案二的消声效果精为理想，因此最终确定了方案二型的消声器作为辅助动力发动机的消声器。3．2．2．4实验结巢安装了设计的消声器后，对此消声系统进行了噪声试验。试验工况、测景地点和测量方法均与原桃试验相同。试验结果见图3—36。从图示的实验结果可见，凝消声器对于辅助动力发动机的懂转速工况，具有良好的消声效果。63164。1002熊／H乒3。160。枷。I。。。。图3—36新消声器实虢结果Fig3—36Experimentairesults。fnewmuffler jE雨工业大学工学博士学位论望3．3本章小结辅助动力发动枫的}l入在有效提高车辆的续驶里程、提供均德充电能力、电池箱加热能力和为车内提供暖风的同时给车辆增加了一个有窘废气污染源和噪声源。本章报据辅助动力发动机工作特性，对辘助动力发动棍进行了排放和噪声的控弗《研究，主要工作内容如下：≯对匹配的辅助动力发动机进行了电控化油器加三元催化器闭环控制的敦遣，通过实验确定了控制电磁润的姒P闰，在理论上研究了以氧传感器信号为反馈信号的闭环控制算法，通过实验整定了增量式PID控制算法的各项参数，获得了发动机空燃比控制的满意效果。对改造后的发动机进行了动力性释排放性能测试，电控化油器加三元傣仡器系统的动力佳能与原机相同，有害气体排放比琢机大幅度下降。>为了降低辅助动力发动机的排放，还进行了电拉喷射LPG／汽油双燃料系统的实验研究。嗣时，开发了发动机示功图采集与分析系统，对取燃料发动机的燃烧和工作过程进行分析。通过实验证明，双燃料发动枧的排放性能得到明显改善。然而，通过对连续采集的示功图的统计分析，双燃料发动机的点火时问需要进一步控制，且LPG储气罐在底盘上的布援空间有限，与强电系统距离鞍近裔一定的危险性，权衡之后BJuT—AHEv采用了电控化油器加三元催化器闭环控制的方案。>对辅助动力发动机进行了噪声的测量和频谱分析。根据辅助动力发动机连续恒转速稳定运转的特点，针对5850r／min恒转速王况的噪声频谱菱瓤设计了消声器。在理论上利用一雅乎疆波的声学四端网络计算模型，对三种不弼结构的抗性消声器的插入损失进行了预测计算，最终确定了酒声器的结构、参数。通过实验验证，新设计的游声器在辅助动力发动桃的恒转速王况下可以大幅降低豫机的排气噪声，达到了研究开发丑的。 第4章辅助动力控制系统研究开发辅助动力控制系统主要是根据控制策略实现对辅助动力发动机的管理，控制辅助动力发动机的燃料供给系统和油门执行机构，实现辅助动力发动机的恒转速运转与整车协调工作；对整车参数的实时监测；驱动车载LcD显示屏，显示车辆的驱动模式、主要参数、报警提示；实时计算电池组的soc状态，保证电池组在规定的soc范围内工作；本章主要介绍辅助动力控制系统的硬件组成．以及作为控制软件核心的控制策略确定和电池组soc的估计和控制算法。4．1辅助动力控制系统组成辅助动力控制系统的组成框图见图4一l。．J千飘LLu业小肝辅助传感器模块-动力发动机燃料系统电系统磁阈控制电源模块。器辅助动力发动机油门控制机构图4—1辅助动力控制系统组成框图P19．4lSchematicotAPUc。ntrolsystem4．1．1传感器模块辅助动力控制系统的传感器主要包括：●电池组电压传感器●电池组电流传感器●充电电流传感器●电池组温度传感器●发动机转速传感器·发动机油门开度传感器其中用于测量电池组电压、电流和充电电流的传感器使用了霍尔传感器。由于电池组的电压、电流等信号为强电信号，直接测量存在～定的难度和危险性．而霍尔传感器为感应式传感器，其输出信号与感应的原始信号保持精确的线r眭关 系，因此比较适宜用作电动汽车的强电信号测量传感器。图4—2为本系统使用的霍压电压、电流传感器的输出信号与原始信号的关系。其中(a)为电池组电压传感器的输出特性，曲线拟合后的方程为：u=49．407“一00981。其中u为电池组的端电压，¨为霍尔传感器的相应输出信号，传感器的测量范围是0～250v。(b)为充电电流传感器的输出特性，曲线拟台后方程为：，=6．1375“+o0509，其中，为放电电流，“为传感器输出的电压信号，传感器测量范围是0～30A。(c)为电池组放电电流传感器的输出特性，曲线拟合后的方程为：，=64．155“+O．242l，其中』为电池组放电电流，“为传感器输出信号，测量范围是：0～300A。300250三200出150脚嶷100壁脚500—50输出电压信号u，v(a)≤H璃_掣删疆蜊甓脚(c)图4—2电压、电流传感器输出信号特性曲线F培4—2cha协Heri甜icofvoltagc柚dcurrent5朋sorS’outputsjgnal发动机的转速信号使用磁电式传感器测量，其输出信号如图4—3所示。信号的频率和发动机的实际转速成正比，信号幅值在一10v～+10v之间。 篓!童煎g塑奎墼型墨丝塑塞盐兰．．．．．．．-—es=一使用和发动机油门控制机构同时动作的滑动变阻器，测量发动枫的油门开度信号。透过中间的传动机构，发动机节气门的转动角度转化为滑动变阻器的直线滑动距离，从而输出和节气门嚣度成正沈的电压信号。传感器输出电压为O～5v。对应节气门开度0～100％。4．1．2电源模块圈4～3发动机转速信号F．g4—3s碴nal0ft}lefev01utionofauxilia珂er画ne由于车载的控制系统电源为48V直流电源，因此辅助动力控制系统配备了Dc一0￡电源转换模块，将48V直流电源转换为+5V、+12v，一12v电压。其中十5v给辅助动力控制器的各个芯片和发勘机油门开度传感器供电；十12v鲐辅助动力发动机的燃油系统控制电磁阀、油门控制电机供电：+12V和一12V共同给渊量强电信号的霍尔传感器供电。4．1．3LCD显示屏BjUT—AHEV的驾驶仪表板上安装了一个LcD显示屏，主要用于整车重要参数的显示、当前驱动模式豹显示和曼示擐警信息。选用的L∞驻示器采用工业级的高频CpU，机内配鼙二级字库，通过串目或三态数据总线口接受控制命令数据，自行对接受的命令和数据进行处理，实时显示用户所要显示的各种曲线，图形和中两文字体。液最屏性能指标如袭4—1：表4—1LcD显示器性能指标Fig4-lCh甜act盯islicOfLCD外形尺寸(∞)147×112×40显示颜色256色视域尺寸(m)80×112LCDSTN逻辑电源DC8—14V功率lW通讯接口串口。i态数据总线可显示字祷^ScII=级字库背光电源DC8一14V功率4w8v中文显示15苻x20烈工怍巧境溢度一S～-—+55+C图形点阵320×RGB×240保存温度一20一一+70C ，。!!，，曼，。。．鼍詈詈詈二鉴耋苫鲨奋耋蠢耋薹耋耋堡鎏蚤LcD显示霹的硬件结构如图4—4所示，辅助动力控制器通过串行日驱动LcD圉4—4lJc0显示屏结构框图Fig．4—4SchematicofLCD显示屏””“⋯，根据不同的驱动模式调用预先设置的不同页面。同时通过Rs232接口向LcD发送实时检测的整车重要参数，井在l。cD显示屏相应页蔼的相应位置显示各个参数的数值。通过串口发送的～帧信息为10位，其中l位起始位，8位数据靛<先低位届高位)，1位停止位。翼数据格式虹右雕起始怔D0D1D2∞D4D5D6D7停止纯所示：]r⋯IⅢ+F⋯r”。r⋯fⅢ⋯rr“+厂厂为了提高通讯速度，晟示器内设置了一个128字节的输入缓冲区。发送数据蘸先检查DTR信号(Rs232电平)，若阱R为负电平(对应cOMs高电平)，表示缓冲区满，要等到DTR信号变为正电平(对斑cOMs低电平)后再发送数据。郾DTR为正电平(对应cOMs低电平)时发送数据，DTR为负电平(对应cOMs高电平)时停止数据发送。如果每组的数据量少于128字节，同时每组之闾又有足够的间隔，剡不判断DTR信号毪可连续发送。LcD显示群的20针接口和辅助动力控制器的9针接口进行通讯时的线路连接妇撼4～5所录。 液晶接口用户革片机系缭接口图4—5L卿与辅助动力系统控制器间构通讯接口F19．4—5CoⅡ刚nlcationjllterfacebe砰eenLcDa耐APUcontrolsystem4．1．4辅助动力发动机油门执行机构由于要控制辅助动力发动机恒转速运转””“”，因此本系统中设箕了辅助动力发动掇的油f1执{亍结构，班实现辅助动力系统控制器对发动机运行工况的自动控制。选用了力矩电机作为控制油门动作的执行元佟。力矩电机是～手中把伺服电机和驱动电动机结合丽发展成的”一种电动机，它可以输出较大的转矩，真接拖动负载运行，同时它叉受到控％4信号电压的直接控制进行转速调节。由于没有中间的减速装置，采用力矩电机拖动负载比采用高速的伺服电机经过减速装置拖动负载，在很多方丽具有优越性．主要是：相应速度快、高精度、机械特性及调节特性线性好，丽且结构紧凑、运行可靠、维护方便、振动小，尤其适合要求转速低、转矩大的情况”“。图4—6是辅助动力发动机油门执行机构的简圈。图中的l、2、3为控制力矩电机转动的电压控制信号接线端子。4、5、6为油门开度滑动变阻器电源和输出信号的接线端子。图4—6辅助动力发动机油门执行机构Fig，4*6Accuatorofchrotckcontrolsystem 托枣工业太学工学祷士学证论文4．1．5辅助动力系统控制器辅助动力系统器是整个辅助动力系统的核心，本研究基于80c196Kc单片机开发了辅助动力系统控制器，以实现对整车关键参数的监测、驱动LcD显示屏，显示关键参数数值和车辆当前构运行模式、控制辅助动力发动机恒转速运转等功能。4．1．5．1辅助动力系统控制器的硬件设计根据辅助动力控制系统需要检测的信号数量以及需要实施控制的控剖对象数量，辅助动力控镌4系统应该具有以下输入、输出接日：夺8路模拟信号输入夺8路数字信号控弗《输出夺8路数字信号输入夺l路正弦波速度输入信号审Rsz32串行通讯接口整个硬件系统分成蓠个部分：逻辑、运算处理部分和外部接口部分，分别由单独的硬件电路扳实现，板问的信号是隔离的，采用不同的供电系统。逻辑、运算处理电路板实现对调理届的状态信号采集，将逻辑处理或数学运算后的控制信号输出至4接口电路板；接口电路板则是负责输入、输出信号的鞴离以及驱动放大，这样可以便于强弱电信号的分离，并有利于系统安装。逻辑、运算处理部分全部是5伏信号，外部接翻部分购根据不翔需求，分别采用5、12、一12等电源供电。结构如图4—7所示。主处理器采用INTEL公司的McS96系列单片机80c196Kc。Mcs96系列单片机是谯工业界应用广泛的嵌入斌控制器，具有高性能的寄存器一寄存器结构，可以很好地运用予实时控制应用，如自动化控制、车辆控制、电机控制等。其中80c196Kc是采用cHMOs技术的襄性能16位单片机，主频列运{亍到20MHz，具有丰富的外部接口资源，较高的可靠性。80c196Kc具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间．可寻址藏围为64K，其中02∞H～1FFFH和2080H～FFFFH是用户可以舅由使用的空间，其余空间主要用作中蛭向量、芯片配置字节、肉辩寄存器等。箕特点如下：夺其有高效的指令系统： 鬻4苹辅助动力控制幕统研究开发夺8路可编程转换时间的10或8位刖D转换器：审3个硬件产生的8位PWM输出(12MHz下脉冲周期为64us)；夺高速(相对于定时器自动)输入，输出器；夺5个8位标准(复胡)输入糯出口：串18个中断向量共对应28个中断源；；夺16位监视定时器(watchdogljmer)；夺带捕捉的i6位上升，下降沿计数器；夺512字节的寄存器(488)阵剜和专用寄存器；夺2个16位定时器；夺4个16位软件定时器；夺1个全双工位串口(sIO)：夺看门狗定时器；图4—7辅助动力控制器硬件框图Fi晷4—7Schem8ticofAptJco毗rollerhardw玳在电动汽车辅助动力控制系统串，数字量输入黼出逻辑处理主要就是实现对辅助混合动力电动汽车驱动模式和辅助动力发动机的合理、毒藏控制。逻辑处理的可靠性是十分重要的，错误动佧不仅会导致运行锩误，甚至可能傻辅助动力发动枫失控。如何在保证效率的同时，确保汽车安全可靠运行，这对于逻辑控制提97 北京工业大学工学博士学位论文出了更高的要求，因此有必要对逻辑控制部分进行详细设计。实现逻辑处理部分的方案主要有：1、用逻辑门电路搭接实现。2、用可编程逻辑器件实现。3、由控制单片机实现逻辑控制。若采用简单的与／或／非逻辑芯片搭建，逻辑控制部分的线路将比较复杂，设计难度比较高，进行逻辑改进比较难，不具有设计灵活性．不适合于高性能的电动车控制单元。如果采用单片机实现逻辑控制具有较强的灵活性，能够实现复杂的逻辑控制，但是单片机存在程序跑飞的潜在威胁，这对于辅助动力控制系统的可靠性是较大的潜在威胁。相比较而言采用可编程逻辑器件实现逻辑控制部分，不但可以可靠的实现较复杂的逻辑功能，又能方便的实现逻辑的在系统更改，实现更高的控制性能。逻辑控制部分除了要安全可靠地完成逻辑处理，还应尽量减轻处理器的工作负荷，提高效率，尽量少占用系统资源。同时，处理器与部分外围芯片的地址译码选通也由逻辑处理部分来实现。利用处理器的数据、地址总线在实现地址选通的同时，也根据地址选通来完成逻辑输入信号的采集和输出信号的控制调节，减小了对处理器有限I／O资源的占用，并且能够在处理器不干预(可以防止处理器故障状态)的情况下自动运行，减小对处理器的依赖，同时根据处理器特性在输入逻辑状态变化时，通过中断能够使处理器及时了解到逻辑状态变化情况，及时读入逻辑状态。逻辑处理部分能够根据需耍在线进行逻辑工作模式切换：处于自动逻辑处理模式(根据逻辑输入直接产生输出)或是处理器管理模式(逻辑输出出处理器控制)，在部分运行状态下采用处理器管理模式可以防止逻辑状态的不安全切换。逻辑处理部分的基本功能如下；1、上电初始化．复位后仍能处于安全工作状态。2、实现地址译码功能，选通外围存储器、逻辑控制。3、实现数据总线功能，既能查询当前的控制输入状态，又能管理逻辑输出，实现容错控制．防止误操作。4、实现对于外部输入状态的逻辑运算，在状态发生变化的情况下，触发处理器事件(中断)，使得处理器对当前状态做出有效响应。5、可以由处理器控制、或是外部涠制信号(多用于处理器工作不正常紧急情况下)设定逻辑运算工作模式：处理器管理或是自动逻辑处理。 第4军辅助动力控制系统研究开发发动机转速信号是从安装在发动机飞轮端的磁电式转速传感器采集的，其信号是一个幅值不超过±10v的正弦波信号，要对美进行有效采集先要将其转换为方波信号，变换电路如墅4-8：醋4—8速度债号变换电鼯升g．4．8Transf0HnciKu{tfor黜x粥8搿p。weren酉ne飞他v。lu{i。nsigIIal与接口系统共地的转速信号经过1u8l、RJ82分压阱及c18滤波，通过D18限压后，与预先设置好的基准电压比较，输出5V的方波信号，经过光电隔离后由T2cAP边沿中断捕获信号跳变。1．■。硼卜。ba)一二b】 c、匿4-9模播量输入接口Fig，4·9In芦tInteffkefofa11alogs适岫妇出于在系统中存在多种形式的模拟输入量，针对不同的信号设计不同的接口电路，如图4．9所示。其中电流、电压选用的是霍尔传感器，它将强电信号转换为电流信号，接口扳采用b)形式接口电路转化为电压信号；油门开度信号选用濑线变阻接口形式，采用a)接口将其电压信号调理到0—5v范围内，以便进一步调理；其它弱电流信号，将其变换为电压信号后，经过圉c)所示电路一级放大届再进行调理。在这些信号经过以上初步调理稻，接入到逻辑运算单元进行2级调理，如图4．10，2级调理主要利用输入电阻进行信号差动隔离，以及简单信号变换：如将±5v模拟信号用差动模拟加法器(a)变换为0～5v：将电池电压信号的有效幅傻(2．5—5V)进行利用差动减法嚣(b)放大；熬及一般信号的差动跟随(c)鲣理。变换电路采用3。oK的输入电阻可以有效防止电篷冲击干扰对逻辑运算电路造成损害，同时限制了输入电流，减小传感器信号的失真程度。经过圈4—9和圈4，lO所示电路的两次满理，各个模拟输入信母都被调理成0～5V的标准信号。模拟信号采集使用了．80c196Kc的10位AD转换功能，因此对于模拟输入端日电压的采样精度可以达到489mv。对于检测强电位号的霍尔传感器，使用图5—2提供的标定曲线和拟台的方程，通过控制器控制软件AD转换部分的算法，可以计算出实际信号大小。而通过油门执行机构的转换，油门开度大小与其传感器的输出为线性关系。因此可咀得到辅助动力控制器AD采样结果对应于实际的信号精度为：00 模拟翰^，鼹南加法嚣(1：1)a)模揪赣^，碱法嚣(k1)b)二。。T⋯一伊 j0京工业大学工学博士学位论文均。辅助动力控制系统中设计有RS232串{亍通讯接瞪，主要实现两方面的功能：(1)在软、硬件的调试阶段实现调试功能。通适串行通讯接口和上位机相连，通过在上位机编的串口通讯调试程穿，对辅助动力控制系统的各个AD采样端[1、数字量输入、输出端嗣、发动机转速采样端口的硬件功自＆和相应的软件算法进行调试和检验。(2)通过串行通讯接口和LcD显示屏的串行口连接，实现对LcD显示霹的驱动，调用比D的相应贾面，并显示整车的重要参数和报警信息，给驾驶和试验人员提供鐾要参数，形成良好的人机界面。4．1．5．2辅助动力控制系统软{半设计系统软件采翔c196编写，该c语吉编译器区别于一般计算机中的c语言编译器，经过了专门优化，提高了编译效率。c196编译的代码比室和执行时间通常仅汔汇编语盲编写的同样功能程洚长20％。而c语言侔为一种通用高级语言大幅度提高了单片枫系统开发的工作效率，这样可敷将更多的精力放在系统功能设计上，很容易将系统流程图转化为c程序，且编写的代码具有更好的易读性和可移植性，能够方便的实现系统升级维护。辅助动力控制系统的软件主要由系统初嫡化部分、摸拟信号的AD采样部分、转速采样部分、电池组电量监测部分、LcD驱动和参数输出显示部分、辅助混合动力电动汽车驱动模式识别部分、发动机燃辩系统控制部分和发动枫懂转速控制部分缎成。辅助动力系统控制软件豹流程图觅图4．1l。 §统初蚶忧，厘***$口、‘‘、*口，7T’T■【黼紫一*一。i阳嗣降j旭自Ⅻ挂武|医靠信号—J二—一甚鬻；wc@>宙障函，世氟三：．≥h、＼＼∞In鹱i／’■甩担转t控翻8*图4—11辅助动力系统控制器软件流程图Fig4—11SOfhvarenOwchanofAPUcontr0¨er03《i警哆jv停车R电挺斌{口月LcD镕}1女电Ⅲ面丑】i#l啦＆自舡镕“缸≈i^十、查塑窒索～纛一～*“ 4。2辅助动力系统控糊策酶}1Ev的控制筑略指的是如何实现驱动电机、发动机、电池组和其它相关部件的最优匹配，使各个部件协同运转束保证汽车高效工作。B刊T—AHEv的结构设计是在传统串联型混合动力电动汽车基础上进行的，担与传统串联型HEv又有区别，匿此必须研究适合其特点的控制策略。4．2．1传统串联型HEV的控制策略串联型HEv控制策略中具有代表性的是，恒温嚣控制模式(Thermostat)和功率跟踪器控制模式(power—F0110wer)。恒温嚣控制策略是根据电：；1鱼的核电状态(soc)进行控制的。soc用来反应电池的剩余容量，其数值上定义为电池的剩余容量占电池容囊的比值。恒温器控制策略允许发动机发电机组在电池soC离于某一特定值之前按设定的值输出功率。然届当达到设定值时，发动机发电机缀关闭．汽车零排放纯电动行驶。当sOc降到低于最小soc点时．发动机发电机组再次肩动输出恒定功率一～这与温宣的温度控靠4相似。在这种模式中，驱动电机和电池维必须漾足所有瞬时功率的要求。虽然发动机可以运{亍在最优效攀点，但是如果电池组过度的循环，那么带来的损失也许会超过发动机优化后的好处。很显然，这种控制策略对发动机有利而对电池组不利。当串联型HEv设计成里稳延长型车辆时．通常采用选种控制模式⋯。。槲雷时间瞽4-12恒温器控制策略中发动机构开关工作模式Fig4—12En垂ne‘so舶付workingmodeljnt11ermostatcont—nr越egy 角4章辅助动力控制系统研究开发图4—12表示了在传统串联型HEv中，当使用恒温器控制策略(Thermostat)时发动机的开／关工作方式。图中虚线代表整车在循环工况中需要的平均功率，实线代表发动机工作后输出的恒定功率。由图中可以看出，发动机发出的恒功率大于整车循环工况需要的平均功率。当发动机／发电机组功率大于路面负载功率时，发电机发出电能为驱动电机供电，同时为电池组充电。而发动机／发电机组功率小于路面负载工况时，电池组为驱动电机提供发电机组不足的电能。发动机虽然可以稳定运转在最佳工况，但发动机不断的开／关操作，不利于发动机降低排放和燃油消耗。正好相反，发动机功率跟踪器控制策略强迫发动机在其设计功率范围内跟随路面的负载要求，这样发动机就总是保持运转。使用这种策略，蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组的损失将被减少到最低程度，但是，另～动力源发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行。且它功率快速动态地变化，这些都会影响发动机的效率和排放特性。显然，这种控制策略对电池组有利而对发动机不利。当串联型混合动力电动汽车设计成功率辅助型车辆时，通常采用这种控制模式。图4一13显示了功率跟踪器控制策略下，当路面功率需求不断变化的情况下，控制系统会控制发电机／发动机组的输出功率尽量满足路面需求功率的要求，因此发电机组的功率随时间变化较大，而电池组的功率变化较小。此种控制模式的车辆采用较大额定功率的发动机／发电机组和较小的蓄电池，其蓄电池主要用来应付所需要的峰值功率以及回收再生制动的能量，运行中保证蓄电池soc值在循环工况终了时与循环工况开始前相等，所以这种驱动类型的车辆为电量维持型HEV。 至b替露差替嚣奎喜嚣路面的功率需采种惘‘’’发电机堆糖jIl功隼时髑fl，电拖键馨出功搴时同‘I)翻4-13功率跟踪器控制策略发电机躯和电池功率输出Fig4·13Poweroucputofgenerator矾dba∞ypack咖defpowe卜folIow盯c叩打。lm呲egy4．2．2辅助混合动力电动汽车的控制策略在第2章辅助混合动力电动汽车的方案设计中，已经介绍了本研究设计制造的辅助混合动力电动汽车与传统的串联型混台动力电动汽车的区别和联系。本研究开发的辅助混合动力电动汽车是根据车辆的使罔要求和运行环境，奁传统串联型混合动力电动汽车的基础上开发的新的结构形式。其结构稠性能介于纯电动汽车和传统串联型混台动力汽车之间，相比纯电动汽车而言提高了续驶里程；而由于选用的发动机排量技，J、，辅助动力发动自L／发电#t组发出豹电功率小于车辆行驶大部分工况的需要功率，在混合驱动模式下，辅助动力系统可以连续运转雨不必进行开／关控制，比传统串联型混含动力车的燃油经济性和排放性能优越。 BJUT—AHEV具有3种运行模式：纯电动行驶；混合驱动模式；停车充电模式。在混合驱动模式下，BJuT—AHEV的辅助动力系统采用了连续恒功率运转模式，如图4—14所示一粗实线代表辅助动力发电机组发出功率，从图中可见辅助动力发电机组功率小于车辆行驶需要的平均功率，辅助动力系统启动后采取了连续恒功率运转的控制策略。斟雷发动机，发电机时间国4一14混合驱动时辅助动力系统运行模式Fig·4-14WorkingmodelOfauxiIi8rypower5ym硼underhyb咖d打vingm。de辅助动力系统启动前，由电池组提供整车行驶需要的全部功率，此时R。。。，=I-E—ltRE，(4．1)(4．2)(43)(44)式中P为车辆行驶需求功率，巴为驱动电机输出功率，‰为辅助动力发动机／发电机输出功率，气。。为电池组输出功率，％为驱动电机效率，玑为控制器效率，仉为电池组放电效率，，为放电电流，E为电池组电动势，心，为电池组放电内阻。辅助动力系统起动后，辅助动力发动机／发电机向驱动电机提供电能，由于辅助动力发动机／发电机组输出恒功率小于车辆需求的功率，不足的部分由电池卵划上帆o‰："％ jt京工业大学工掌博士学证论文鳆提供。悲对。iB有：‰w5纛一‰(4’5)其中：只。=∞mf。在再生制动的情况下，驱动电机作为发电机运转，与辅助动力发电机缱共同为电池组充电，此时：‰。=一(z，+a仇_P)(46)武中口为再生制动能量回收系数。在停车充电的工作模式下，骥助动力控制系统采用了和传统串联型HEv相同的恒温器(Thermostat)控制策略。4．3水平铅布电池组sOc估计算法8JuT—AHEv选用了为纯电动汽车设计的水平铅布电池作为动力电池。水平铅布电池技术是在润控密封铅酸电池技术基础上韵又一次飞跃，与传统铅酸蓄电池相比，水平铅布电池采用了独特的设计和高技术的工艺，具有较好的犬电流充、放电能力，更离的比能景和比功率。但是．水平铅布电池从本质上说仍然属于铅酸电池，依然遵从铅酸电池的基本原理。4。3．1铅酸电池基本原蘧铅酸电池放电示意图如图4—15所示。铅酸电池属于二次电池，正负极化学反应可逆，正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是海绵状金属铅，电解液是稀硫酸。其反应遵循正负极都生成，6s。|的所谓“被硫酸盐化理论”。放电时，负极板上给图4—15铅酸电池放电示意圈Fig4-15Sk吼chmapofdischa嘻eofjead—acjdba他ry 第4章辅助动力控铡系统研宄升发出2e，一部分铅粉变成P6j巩，正极板上得到2e，一部分PbO：也转变为mso。，形成回路电流。充电时，负极板从充电电路得到2e，正极板给出2e，形成回路电流。电解液珂：她的浓度在放电时逐渐下降，其密度减小：充电时日：s04的浓度上升，其密度增加。正、负极反应为：负极：P6+册0：_|p勰吼+片++2P正极：P602+嘲+3Ⅳ++2P—P勰q+2日2D总反应为：．D6+P602+2H++2册q=2尸勰04+2马D其中，正向为放电反应，逆向为充电反应。4．3．2铅酸电池基本参数及特性4．3．2．1铅酸电池基本参数1)电动势：铅酸电池是可逆电池，它的电动势等于电池在进行可逆变化时，两个平衡电极之间的电压。根据可逆体系的热力学定律可求得铅酸电池标准电动势为2．04V。在实际工作工程中，电动势E随着荷电状态(soc)的变化而变化．总的趋势是，S0c越高，电动势越大。2)开路电压：蓄电池开路时正负极之间的电压，在实际情况中，蓄电池的两个电极并非处于热力学可逆状态，所以开路电压不等于蓄电池的电动势，而是略小一些。3)终止电压；菁电池放电时电压下降到不再继续放电时的最低工作电压，是蓄电池应该停止放电工作的界限。铅酸电池到放电末期时电压急剧下降。形成这一现象的原因，首先是由于放电过程中，在活性物质表面部分的硫酸浓度降低，结果引起电池电动势的降低和浓差极化的形成。这时继续放电实际上能获得的容量很小，其意义不大，相反还会影响蓄电池的使用寿命，所以放电时必须在某一适当的电压截止放电，该截止电压也就是放电终止电压。铅酸电池放电电流不同，终止电压也不同。大电流放电时规定较低的终止电压，反之．小电流放电时规定较大的终止电压。4)内阻：铅酸电池的内阻可以分为在不同sOC时的欧姆极化内阻R以及电池的浓差极化和电化学极化内阻月，，R和胄，为电池soc的函数。文献[84]通过 对65Ah铅酸电池的潮4试，得到充、放电时R表示如下：思嚣O．0196—0．0248SDC+O．0154∞C2，R隧s。c的变化曲线如图4一16。充电时辟表示为置。，其与soc的关系如下：如=00235+0-0046sinI1．2跏(∞c—o．4)}。放电时量表示为‰，其与soc关系的R耐=0．009∞C一0004208蔓∞CSl糍合公式为：乏：譬：苌荔?器：，。n嚣～，疋与‰和soc见。需一00045SOC+0．003SSOC蔓O．4“⋯的关系曲线见图4一17。￡卜～。瞄}_—1丁—1下—一S∞图4一16如随s()c变化曲线Fig+4-16T∽eofRvs．S0c警、＼?／二≥一3{赴o‘}檀龟时梧七晦诅卜——～．一、．：一——————一。扩——磊f——霹F—1蕊——≮百—_l睡4一17足与SOC关系曲线F唔4一17Traceof置，VS。S0c5)电池容量：铅酸电池容量是指一定放电条件下可咀从蓄电池中获得的电量，用安培·小时数(Ah)表示。设计和制造蓄电池对，规定或保证蓄电池在一定放电条件下，应该放出的最低限度的电量，称为额定窖量，表示为c。。电动汽车工作过程中，电池鳃的电流是时间的函数，实际放出的电池容量为：c=』，(F如(4，7)0式中：，(r)放电电流，为时阍的函数。f放电时问。叁Peukert公式：』”f=c。n口(4．8)式中：，一一恒流放电电流7一一以，放电到终止电压的时闻 第4章辅助动力控制系统研究开发H⋯与电池类型有关的常数，对于铅酸电池常取为]．3左右。由式(4．8)可以推出，C，”1=Q，，(4．9)式中：，。一一电池的额定放电电流J一一任意的恒流放电电流c。一一以额定放电电流恒流放电时的放电容景c，一以电流，恒流放电的放电容量由(49)得到c，一日时1∽㈣6)荷电状态(S0c)：荷电状态(stateofcharge)是描述电池电量状态的一个重要参数，同时也是辅助混合动力控制系统的关键。在BJuT—AHEV在纯电动模式或混合驱动模式下，必须实时、准确的检测电池组的soc，保证电池组在高效率的soc范围内工作。并保证电池组的soc值不低于设定的下限，避免电池组因过渡放电损坏，实时在车载LcD显示屏上显示电池组soc状态，使驾驶人员可以及时调整行驶路线，及时为电池组充电。通常把一定温度下蓄电池充电不能再吸收电量时的荷电状态(Soc)定义为荷电状态Soc=100％，而将电池不能再放出电量时的荷电状态定义为S0c=0％，介于这两个荷电状态之间的电量状态定义为：舳c=(邑]×t。。％=(-一号)c。，·，式中：e一～某时刻电池的剩余电量c『，一一电池以电流，放电时的初始总容量。Q一一某时刻电池已经放出的电量4．32+2铅酸电池特性1)放电容量特性：电池的放电电流越大，在该电流下所能放出的容量越小。放电电流和容量的关系见图4—18。2)电池的工作电压与放电电流和放电深度有关，放电电流和放电深度越大电池的工作电压下降越多，见图4一19。 ￡霉芒H圈4一18电池容量特性曲线Fi94。18characte一氨ic∞n地ofthecapacilance盯b8tte玎图4—19电池电压特性曲线F培4—19蕊甜acle^sllcc瑚～eoftjlevoj缸geofb枨。ry4．3。3铅酸电池通用数学模型蓄电池的可翔容量不仅与温度有关，还受负载电流以及放电甜闻的影响，可用苍量绒是温度f、电流‘和放电时间f的函数⋯3，即：娆也，f，r)=Q(『'‘)一舅《fp(4．12)式中：且(，p一一电池从汪。刘时刻f的输出电燕Q(r，‘)一一电池容量，为温度和负栽电流的函数当温度不变时，出Peukertg公式可得：瓯心㈥～件13)式中厶为额定放电电源，鳊为电池额定容量，卢为由Peukert方程确定的常量。2 (4．13)带入(4．12)，并考虑到温度的影响，得到：咖，f)_c(她(钭4一胁H㈣其中}c(r)为温度对电池额定容量的影响系数，定义为c(r)2蚤帅．㈣可以躲讹，啦秽=(钭4一嘲玑定义为电池能量的可利用系数。(4．15)带入(4．14)得到g(¨r)=c(r)玑(‘，r)级一且(f冲(4．16)口这样电池的荷电状态表示为：湖：赛：型等坐∽∽‰Q。、|1’电池内阻的解析表达式如下；五。(‘，f，Q)=％(f，Q)+R(r，Q)+6E(‘，f，Q)‘1(4．18)式中：地(‘，f，Q)‘1为电池的极化内阻6为电池以电流‘充、放电时，电池端电压相对于在额定容量条件下的电池端电压E的变化系数。电解液阻值如和电极阻值R反比于蓄电池瞬时容量，(4．18)式写为Rw(‘，r，Q)2西-iiii西i+互-ijj_百i+皇墨‘≯(。．·，)带入(4．17)式，得到：龇^Q)．壶+掣(4：。)式中；k喾，，；m”盯是分段常量，具体取值由实验确定。￡(soc)为电池电动势瞬时值，与电池的具体荷电状态有关。 系数6的取值如下：6(soc)=兰堕i；2二坠(4。21)其中soc=l对应矗。，战)c。0对应民。。基于试验结栗，当电池负载电流接近电池额定电流l}章，6的均值取为O．03。系数z的估算方法如下：当温度和受载电流一定时．铅酸电池内阻方程为氐=△乩当(4．22)式中：』。：电池额定放电电流Au。：单格电漕电压相对衰减量在相同的温度和电流条件下，(4．20)带入(4．22)，得到；，：兰垫坠：生璺丝Iv删e【o，l】4．3．4水平铅布电池组soc估计算法及实现铅鳆电池建摸方面的研究工作，始予20裁纪50年代后期，到现在已经有50年历史。建模工作主要集巾在以下几个方面：基本原理摸型、等效电路模型、“黑箱”模型、自适应结构模型等，近年来神经网络方法和模糊辨识在蓄电池建模中也得到了应用⋯～”1。由于基率原理模型通常根复杂，包含多个微分方程、代数方程以及大量参数．不适合工程上的安时投利系统，因此工程上掌采用等效电路模型和数据拟合的经验公式1“～”1。soc不能直接测量，只能通过对电池的穸}特性如：电池电压、电池电流、屯池内阻、电}也温度等参数来计算soc的大小。以上这些参数与s(]c的关系随电浊的老化过程而改变，中问还有很多不确定因素，而且电动车辆动力电池的工{乍状态及环境随车辆豹行驶雨改变，因此，电动车辆动力电池组的sOc估计已经成为电动车辆研究领域的难题。霹前常用构soC估计方法有安培时间积分法、内阻法、模糊逻辑方法蒋“”““1。对Bjul—AHEV使用的水平铅布电池组sOc的实时煎铡，是辅助动力控制系 统的核心问题。为了既能保证soc计算达到设计要求的精度，同时可以在_=r__程上真正实现soc的实时监测，本研究采用了：·开路电压法和安培时间积分法组合使用计算sOc·实时监测电池组的端电压，作为sOc的约束条件·实时监测电池组内阻，作为sOc的约束条件同时使用上述3种方法，可以保证电池组在设定的soc范围内良好运行，在车载LcD显示屏上显示当前S0c值，为驾驶人员提供剩余电量信息，避免由于电量耗尽而车辆抛锚，同时可以提供报警信息，避免由于过充、过放而损坏电池组。4．3．4．1水平铅布电池soc计算电池组的简化模型如图4—20。IU=E一上R。(4．24)其中v为电池组端电压；E为电池组电动势，由前面铅酸电池基本参数介绍内容可知，电动势为电池在进行可逆变化时，两个平衡电极之间的电压，实际计算过程中，使用电池组的开路电压代替电动势；，为充或放电电流；吼为电池组总的内阻。电池组的soc状态与开路电压具有线性关系，如图4—21所一∞C月、oK=％+(K—K)×∞c(425)式中：K为∞c对应的开路电压；K为SDC100％时的电池组开路电压；K为soc为。时的电池组开路电压。由于假设电动势等于开路电压，所以：J_______●。●_。。__。●__●_______-_●_____————L—u●_——o——_[==)_—一图4．20电池组简化电路模型Fig．4—20simpl{nedcircuitmodelofmebanerypackK图4～21电池组开路电压与soc的关系Fig4121Rdationbetweenopencircu|tv01tageofbmrypackandSoC K(soc)=E(∞c)(4．26)当BJuT—AHEV工作在纯电动状态时，由锚酸电池通用数学模型公式(4．12)，某时刻f电池组的可用电量为：＆(‘，f'r)=Q(“‘)一如(，弦(4∞)0式中·‘(r)为电池组的放电电流，是时间的函数。Q(f，‘)为温度f下，以电流‘放电时，电池组的最大放电容量。巍工作在混合驱动模式下，某时刻f电池组的可用电量为：包瓴一t，f，r)=Q(f’‘一≮)一R‘《f)一k《f)p<4．28)0式中，由于处于混合驱动模式，商驱动电机提供的总电流为辅助动力发电机组发电电流和电池组电漉之和。‘(f)为电路总电瀛，‘(f)为辅助动力发电桃维笈电电流，(‘(r)一t(r))为电池组放电电流，Q(t％一‘)为电池组以{‘(f)一‘(f))放电时所92放如的最大容量。在停车充电模式下，某时刻f时，辅助动力发电机组向电池组充入电量为：fQ(‘，r，f)=亿(r净(429)O式(4．27)～(4．29)中的电池组可用容量和最大容量同时也是温度r的函数。温度对电浊缎的窑量有较大影响，可瞰使用式(2．19)进行修正。0=巴o×(1+巧(r一30))(2．19)式中q为电解液温度为r℃时的电池容量：q。为电解液温度为30’c时的电汛容量；r为电解波湿度：蟛为温度系数，国际电化学组织给出羁=0008。出予辅助混台动力系统具有利用发动机排气加热电池箱的功能，可以通过调节输送到电池辖的排气量保持电池绁工作在恒定温度，因此在淹合驱动模式下，忽略漱度对毫渣组容量的影晌。而电浊组的最大放电窑摄Q为放电电浚&或(‘{f)一‘(f))的函数。电动汽 车工作时，随羞道路负载的变化，电池缀的放电电流不断的变化。出于BJuT—AHEv的驱动电机控制器使用的是PwM控制的IGBT来调节电枢和励磁电路的电压，因诧即使在车辆稳定匀速行驶的情况下，电池组的电流也是处于周期变化过程中。电池组放电电流波形见国4—22，图4—22为模拟车辆以40km／h匀速行驶时的台架实验结果，电压、电流信号的采样频率为10Hz。而辅助动力发电机为3相交流发电机，发出的交流电经过全桥整流后，依然存在电压和电流的波动，辅助动力发电桃组输出电流波形见圈4—23。250200之150淄脚10050O260250)240硝230御2202lO200时间／s图4—22电}岜组电压、电流波形F培-4。22waVe姗noft№b砒把rypack’svol_[age卸dcu”em2300240012108《6蟋删42O250026002700时掏／s蚓4—23辅助发电橇组电流波骺Fjgt4’23WaVef。mlofIheauxilj8rypowergeneratorlsoucputcurrenl通过上面的分析可知，电池组的电流处于不断的变化过程中，由圈4—18可知≮蛙脚加舌j的伯∞的蚰∞∞∞0 当电池以不同的电流放电时，放出的最大容量不同。估计电池组剩余电盛过程中，计算实际放出电墨的同时，还需要不断的计算对应子放电电流值豹最大放电容量，增加了求解的困难。因此计算铅稚电池缀的soc时，定义电泡组的最大放电容量为电池组的额定容爨。丽电池缎变电流放电时放出的电量，襦要折算为电池组阻额定电溅J。恒流放电时的放电容量。盟此，式(4，27)和(4、28)转化毙tQ=鳊一p(‘)·‘(f弦(4．30)02=瓯一弘(‘(f)一‘(f))·《‘(f)一‘(r)涉(4娜)O式中：∞为放电容量的换算系数。∞为放电电流的函数，可以由式(4．10)求得。删=科玎∽∞由(4．10)计算∞时，必须知道指数H的大小，对于铅酸电池，n取为1．3左右。由Peukert公式可得：(4．33)憾是，实际的实验中发现，H弗不为常数，只能取近似的平均壤。因此甭(4．32)式计算容量转换系数时，必然带来较大的误差。本研究使用锚稚电池厂家提供的，水平铅布电池在250c条件下以不同放电电流恒流放电对的放电容量数据，通过数据拟台，得到放电容量随恒流放电电巍变他的方程。放电容曩变化曲线见图4—24。由图可见，放电容摄变化规律在放电电流犬于100A时，发生变化，数据拟合方程为式9080垂?o棚肆60弱{O01002003004005006∞放电电滤／A匿4—24水平铅布电掩容量随放电电流豹变化曲线F嘻4‘24ReI越ionbetw∞nc8pac静ofl{ORIzloNba挂ery∞ddjs酿a喀ecufrent ‘4．34)。IQ(f)=0．0044产一0．8526f+106．1496f≤looJ412(f)=一o．0375f+68．583100≤fs500爿(4．34)水平铅布电池的额定容量为85Ah，所以，放电容量转换系数的计算公式为：蚺蒜(435)对水平铅布电池组进行sOc监测时，系统首先测量电池组的开路电压，根据式(4．25)计算出BJUT—AHEV起动前电池组的初始soc值。在车辆起动后，每100ms监测一次电池组电压、电流以及辅助发电机组的输出电流，计算当前的电池组SOC值。根据soc的定义公式(4．12)以及公式(4．30)、(4．31)，得到车辆任意运行时刻sOc的计算公式为：p“(，)一‘(r))·(‘(r)一‘(，)p脱书Dco—L——万～(4’36)其中，在纯电动行驶模式下-‘(f)=o。∞q为电池组的初始荷电状态值，根据开路电压K与soc的关系，由公式(4．25)计算得到舳c02糌(437)噍)为不同放电电流下的放电容量转化系数，根据(4．34)和(4．35)式计算。在停车充电的运行模式下，电池组任意时刻荷电状态的计算公式为：p(‘)‘(rp舰堋c0+L百一(438)4．3．4．2水平铅布电池组端电压监测与soc通过使用上面介绍的方法，辅助动力控制系统可以通过连续监测电压、电流信号而计算出任意时刻的电池组soc值。但是，辅助动力控制器有可能受到意外的干扰而程序“跑飞”，造成soc计算值出现严重的错误，如果不能及时发现， 北京工业^学工学博士学位论望则可能造成电池组的过究或进放电，损坏电池组或由于电量耗尽雨在半路抛锚。因此，辅助动力控制系统同时也采用了电池组端电压实时监测以及电池组内阻实时监测来作为Soc估计的约束条件。当电池维端电压藏内阻超过设定Soc范围对应的允许值时，系统发出警告，并在车载LcD显示屏上调用显示报警页蕊。为了获得较高的电池充、放电循环效率，一般的HEV烤电池维的soc使用范羽定在40～70％。BJuT—AHEv的结构和性能介于纯电动车和传统串联8EV之闻．而其电澹组选用的是为纯电动汽车设计的瘩平铝布电池。出于BJuT—AHEV滟结构设计属于能量耗尽型HEV，电池组的工作范潮确定为soc4i低于20％。通过车辆运行过程中，对电池组端电压的实时监测，确定端电噩的最离及最低界限，当端电压超过设定范围时，及时报警来约束电池组工作的soc范翻，避免电池组过充及避敞情况的发生。出于电池生产厂家要求电池维充电时单个电溜的电压不能越过14．4v，因此确定电池组端电噩的上限为260V。由电池组简化模型方程(4。24)可以得到：气=嘏一，丑曲(4．39)式中：嚷，为电淹组放电功率{f为电池组放电电流：嚣为电池组总电动势；如，为电池组总的内阻。由(4．25)式，可以得到对应于Soc下限20％时，7K平铅布电池组的开路电压《。由(4．26)式，E=K。根据实验结果可以知道20％soc时的电池组内阻R。的大小，带入(4．39)可以求得不同放电功率下的电池组放电电流。将放电电流值带入(424)研以得到在电池组soc为20％时的电池组端电压。由于车辆处于不嗣的工况下，电池组输出的电功率变化很大，电池组的输出电流相应变化根大。soc为20％对，当电漉组输出电流在20A～300A间变化时，计算得到的电涟缎端电压在180v～210V闻变化。m平均使用工况电池组输出电流60A计算，此时电汛组端电压为207V。通常，较大的路面尖峰负荷的时间小于30s，因此，辅助动力控制系统通过宴时监测电池组端电压的变纯，并在60s驭平均值-如巢60秒内电池组端电压的平均值小于207V，则认为电池组的soc状态低于20％，并立都驱动苹载LcD显示屏显示警告信息。 由于髓测电池组端电压的方式简便易行，同噼，只需计算60秒内端电压的平均值，算法简单且不需要连续采集记录大量的数据，因此比较适合用于对电池组Soc设定下限的约束。而充电对的情况更加简单，只需监测电池组端电压，不超过电池的最大充电电压即可。4．3．4．3水平铅布电池组内阻监；9lI|与sOc由于铺酸电池充、放屯过程中电化学极化和浓差极化的影响，电池组的内阻随着soc的变倪而变化。因此通过实时监测电池缀内阻的变化，也可以对电池组的soc状态作出判断。由铅酸电池遭用数学模型的公式(4．i8)～(4．23)计算电溉组内组的算法}B较复杂，不适合工程上的实时应用。本研究中，采用对电池组的端电蕊和电池组电流进行离频连续数据采集的方法来实时计算电池组的内阻，并根据电池组内阻值的变化柬判断电池组的Soc状态。由图4一19的电池组简化电路模型。及公式(4．24)：U=E一风，通过对电池组端电噩和电流的连续的数据采集可以得到：“，=E一，J‰(4．40)式中，代袭第，时刻的采样结皋。当采用玻高的采样频率畦，可以认为：》2乞(4．41)lk．，=心、。即连续两次采样的电池组的电动势不变和内阻不变，从式(4．40)可以德到：心：#毕(4m)o卜1一』』式中j>O为放电过程，，根据开发的车辆主要为运动场馆和校园服务，行驶范围比较固定、对整车的燃浦经济性和捧放性能阻及零摊放行驶能力要求较高的特点，提出了辅助混合动力电动汽车的续构形式。辘助混合动力电动汽车以传统的串联型混台动力电动汽车为基础．结构和性能综台了纯电动汽车和串联型混合动力电动汽车的优点。通过理论分析和实验，确定了辅助混合动力电动汽车各个总成的技术参数，以及辅助动力系统的控制策略。建立了整车最大续驶矍程的计算模型，对系统性能进行了预测。≯针对辅助动力发动机豹运行特点．对匹配的小型内燃机的燃油供给系统进行了电控研究，改避后的系统可以明显的降低有害气体排敖。对原机噪声进行了测量和频谱分析，针对辅助动力发动机的恒转速运转工况的噪声频谱重新设计了排气游声器。在辅助动力发动机的恒转速工况下，大幅降低了排气噪声。>在BJuT-AHEV上使用了为纯电动汽车设计的水平铅布电池作为动力源。提出了在工程应耀中可以实对计算和控铼I镪布电渔组soc的算法。通过每隔jOoms对电浊组和辅助动力发电挑组参数的蜜时采样，组合使用开路电压法和安时积分法计算电池组soc。计算放出电缴时考虑了电池组变电流放电的特点，掇和了不同放电电流的电量转换系数计算方程。同时通过实时监溺电池组端电压和电池缌内阻值变化作为控制电池鳃SOC范围豹约束条件，可阻有效避免电池组过充、过放情况发生，并可以及时发现电池组中发生故障的电池，避免了因为单个电池藤影响整个宅通组性能。 ≯开发了辅助动力控制系统。以INTEL80c196Kc单片机为核心的辅助动力系统控制器可以综合实现对发动机的管理、对电池组及辅助动力发电机组的参数实时监测、水平铅布电池的soc估计以及对车载LcD显示屏的控制和整车重要参数的显示。通过台架实验证实了控制系统的可靠性，实现了辅助动力系统与整车的协调，可靠工作。由于时间和能力有限，本课题尚有许多工作需要完成。如：需要对辅助混合动力电动汽车的典型行驶工况进行统计分析，记录行驶的时间一速度曲线，建立辅助混合动力电动汽车的模拟道路工况循环，为建立更准确的计算仿真模型提供必要的数据；辅助动力发动机／发电机组的性能和可靠性需要下一步的实际道路测试来检验和提高；辅助动力控制系统的抗干扰性能和可靠性以及电池组SOc估计和控制算法的精度和可靠性也需要下一步的道路实验来验证。 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