ISG電機(jī)特性分析畢業(yè)論文

混合動(dòng)力汽車ISG 電機(jī)工作特性分析第 1章 緒論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(jì)汽車技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，同時(shí)各國的排放法規(guī)也日趨嚴(yán)格。混合動(dòng)力汽車 (HEV)正是具有低污染、低油耗特點(diǎn)的新一代清潔能源汽車。目前制造成本最低、最容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的是采用起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)/ 電動(dòng)機(jī)一體化 (ISG) 技術(shù)的輕度混合動(dòng)力汽車 (1SG-MHV)。它只需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行改造，比較容易在現(xiàn)有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上實(shí)現(xiàn)，混合程度小、電機(jī)功率低，尤其適合在轎車上實(shí)現(xiàn)。1.2組成結(jié)構(gòu)ISG型輕度混合動(dòng)力汽車動(dòng)力單元主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、牽引電機(jī)、能量管理系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。ISG-MHV中一般使用較低功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)榧铀俸团榔聲r(shí)并不只由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供功率，而是由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置及能量存儲(chǔ)單元( 電池組、儲(chǔ)能飛輪或者超能電容器) 與發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)汽車行駛。發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率一般在50 kW 左右。電機(jī)是電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，電機(jī)的性能、效率直接影響電動(dòng)汽車的性能。此外，電機(jī)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(jié)構(gòu)，同時(shí)功率不能太大，當(dāng)前成功開發(fā)的ISG-MHV多采用直流永磁無刷電機(jī)，其峰值功率約為 1015 kW。能量管理系統(tǒng)是提高混合動(dòng)力汽車經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和減少廢氣排放水平的關(guān)鍵，該系統(tǒng)包括儲(chǔ)能、能量管理和混合動(dòng)力系統(tǒng)中央控制單元。常用的儲(chǔ)能單元有電化學(xué)電池、燃料電池、飛輪電池及超大容量電容等。ISG-MHV多采用電化學(xué)電池，包括鉛酸電池、鎳氫電池、銀離子電池和鈉硫電池等，其技術(shù)比較成熟，成本相對(duì)較低。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)用于均衡、傳遞并調(diào)節(jié)混合動(dòng)力源的輸出轉(zhuǎn)矩與功率，以滿足整車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的需要。主要包括扭矩或轉(zhuǎn)速合成器、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)車輪等。上面 4 個(gè)單元都有各自的控制管理器。所有控制子系統(tǒng)通過CAN總線向多能源動(dòng)力總成管理系統(tǒng)發(fā)送子系統(tǒng)運(yùn)行信息，同時(shí)接受多能源總成管理系統(tǒng)的控制命令，混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)通過多能源總成管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖1.1 所示。圖 1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)多能源總成管理系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的布置方式也不盡相同。一種是將電機(jī)直接安裝在內(nèi)燃機(jī)曲軸輸出端，并且 ISG 轉(zhuǎn)子要與曲軸固結(jié)，取代飛輪及原有的起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，如圖1.2 所示。一種是在發(fā)動(dòng)機(jī)前端用皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將ISG 電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)結(jié)起來，并把起動(dòng)機(jī)同樣連接在 ISG 電機(jī)的機(jī)構(gòu)中，節(jié)省了內(nèi)部空間，如圖1.3 所示。圖 1.2 整車系統(tǒng)方案圖 1.3 外掛盤式電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連型ISG1.3 1SC 功能分析ISG-MHV可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停、功率補(bǔ)償及高效大功率電能輸出功能。1.3.1自動(dòng)起停功能傳統(tǒng)的車用起動(dòng)機(jī)只將內(nèi)燃機(jī)加速至起動(dòng)轉(zhuǎn)速 ( 例如 200r/min) ，ISG 作為電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi) ( 通常加速時(shí)間僅為 0.1 0.2 s) 將內(nèi)燃機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速 ( 例如 800r/min) ，然后內(nèi)燃機(jī)才開始缸內(nèi)的燃燒過程。 高轉(zhuǎn)速電起動(dòng)過程不僅降低了內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)的燃料消耗，還改善了排放。 自動(dòng)起停功能的實(shí)現(xiàn)過程如下： 如果汽車較長時(shí)間處于空載狀態(tài)，例如在路口等紅燈時(shí)， 內(nèi)燃機(jī)一直處于怠速， 控制系統(tǒng)自動(dòng)使內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行， 同時(shí) ISG 也停止工作，需要起步時(shí)， ISG 在 0.1 0.2 s 的短時(shí)間內(nèi)完成起動(dòng)任務(wù)。 在城市工況下，汽車不停地起步和停車以及內(nèi)燃機(jī)處于怠速的情況非常多， 自動(dòng)起停系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)的特點(diǎn)避開了內(nèi)燃機(jī)低速起動(dòng)和長時(shí)間怠速，提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。1.3.2功率補(bǔ)償功能內(nèi)燃機(jī)在低速大負(fù)荷時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能均不佳，通常情況下內(nèi)燃機(jī)在此工況下的轉(zhuǎn)矩輸出有限， 如果需要內(nèi)燃機(jī)在低速大負(fù)荷時(shí)能夠提供較大的功率就必須選用更大排量的內(nèi)燃機(jī)，這樣雖然滿足了動(dòng)力性要求，但犧牲了燃油經(jīng)濟(jì)性。ISG 可以在內(nèi)燃機(jī)低速大負(fù)荷時(shí)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，提供一部分輔助功率，提高低速時(shí)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能。例如，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果加速踏板的行程大于滿行程的90%，ISG 就開始進(jìn)行功率補(bǔ)償，當(dāng)加速踏板達(dá)到滿行程時(shí)，ISG 提供最大瞬時(shí)功率。1.3.3高效大功率電能輸出功能ISG用作發(fā)電機(jī)時(shí)可以提供610 kW 功率輸出，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率80%以上。普通車用發(fā)電機(jī)通常由內(nèi)燃機(jī)曲軸通過皮帶驅(qū)動(dòng)，最大輸出功率僅為1.5 2.5 kW ，發(fā)電機(jī)的最大效率為 70%，而高速時(shí)僅為 30%，無法滿足現(xiàn)代汽車電子產(chǎn)品功率需求。 ISG 高效大功率的電能輸出能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)車用發(fā)電機(jī)，不僅能使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)制動(dòng)以及電子動(dòng)氣門等需要較大功率供電的新興汽車電子技術(shù)得到充分應(yīng)用， 而且原先由齒形皮帶驅(qū)動(dòng)的汽車附件，如空調(diào)壓縮機(jī)等，都可以由專用的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，并控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)，提高整車效率。1.3.4其余功能除了以上 3 個(gè)主要功能以外， ISG 還可以將汽車減速或制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，為車載電池進(jìn)行充電，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。 ISG 取代飛輪的作用，可以通過自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間來回切換狀態(tài)，平衡內(nèi)燃機(jī)曲軸的波動(dòng)，成為有源飛輪起到減震器的作用。內(nèi)燃機(jī)附件全部采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)， 齒形皮帶及齒輪組可以全部省掉，同時(shí)可以省去傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，內(nèi)燃機(jī)附件的布置可以更加靈活。1.4控制策略發(fā)動(dòng)機(jī)效率在低速時(shí)偏低，扭矩也較小，而在中高負(fù)荷時(shí)效率較高，負(fù)荷再大時(shí)效率又會(huì)下降，見圖 1.4 。為了盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效率下工作，可以根據(jù) ISG 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定具體控制策略。起動(dòng)時(shí)， ISG 作為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi) ( 通常為 0.1 0.2s) 將內(nèi)燃機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速，然后內(nèi)燃機(jī)開始缸內(nèi)燃燒過程，隨后離合器結(jié)合，開始行駛循環(huán)。圖 1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線汽車巡航或以較低速度行駛時(shí)，如果此時(shí)蓄電池的荷電狀態(tài)值Bsoc 低于其限定的最大值 Bsoctop 時(shí)，ISG 轉(zhuǎn)換至發(fā)電機(jī)狀態(tài)， 向電池組充電。 但若此時(shí)蓄電池Bsoc 等于或大于其限定值時(shí)，為了延長蓄電池的使用壽命，ISG 不能向蓄電池充電。當(dāng)汽車加速或爬坡時(shí)，令I(lǐng)SG 工作在電動(dòng)機(jī)工況，提供一部分輔助扭矩；但在1 檔時(shí)， ISG 均不助力。當(dāng)汽車處于怠速空載狀態(tài)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)ISG 也停止工作；需起步時(shí)， ISG 作為電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)完成起步任務(wù)。當(dāng)汽車減速或制動(dòng)時(shí)，ISG處于再生制動(dòng)工況。1.5國內(nèi)外 ISC 研究現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車研究領(lǐng)域，日本汽車公司是國際混合動(dòng)力汽車制造企業(yè)的一個(gè)標(biāo)桿。上世紀(jì) 90 年代以來，國外所有知名汽車公司均投入巨資開始進(jìn)行電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車實(shí)用車型的研發(fā)。從新世紀(jì)初開始，在“ 863”計(jì)劃的推動(dòng)下，中國汽車制造企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在混合動(dòng)力汽車方面也取得了很大的發(fā)展。下面對(duì)各國在 ISG 方面的研究和發(fā)展現(xiàn)狀作一個(gè)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(dòng)力轎車Insight。本田Insight 的動(dòng)力系統(tǒng)包括一臺(tái)作為主動(dòng)力源的 1.0 L 稀薄燃燒汽油機(jī) ( 空燃比為 26：1)和作為輔助動(dòng)力的 10kW的 ISG，ISG 采用了抗熱性強(qiáng)的永磁體，薄型線圈，風(fēng)冷，超薄型電機(jī)的厚度僅為 60mm。此后，本田共推出了 3 款混合動(dòng)力產(chǎn)品。 2001 年 12 月，在主力車型 CIVIC 上加載混合動(dòng)力技術(shù)的CIVIC Hybrid開始在日本市場銷售。 2004 年 12月，安裝可變氣缸系統(tǒng)的V6發(fā)動(dòng)機(jī)和 ISG 系統(tǒng)的 Accord Hybrid開始在北美銷售。2000年 2 月，戴克公司在華盛頓的國家博物館推出了其輕度混合型概念車DodgeESX3。ESX3采用先進(jìn)的共軌式柴油高壓供油系統(tǒng)、變截面渦輪增壓系統(tǒng)和多氣門頂置雙凸輪軸的直噴式柴油機(jī)，并采用鋁合金結(jié)構(gòu)降低重量，達(dá)到了最好的燃料經(jīng)濟(jì)性。安裝ISG 系統(tǒng)可減少系統(tǒng)重量、優(yōu)化啟動(dòng)性能、回收制動(dòng)能量，并通過怠速關(guān)機(jī)來降低燃料消耗和排放，使動(dòng)力系統(tǒng)的匹配達(dá)到最優(yōu)組合。2006年 1 月奇瑞汽車有限公司承擔(dān)“ISG混合動(dòng)力轎車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)”和“B-ISG轎車關(guān)鍵技術(shù)與核心零部件研發(fā)”兩個(gè)項(xiàng)目順利通過驗(yàn)收。奇瑞ISG 動(dòng)力系統(tǒng)由“ 1.3L汽油機(jī) +5 速手動(dòng)變速器+10kW電機(jī) +144V鎳氫電池”組成， 電機(jī)采用永磁同步電機(jī)并帶有電機(jī)控制系統(tǒng)、 逆變器以及 DC/DC轉(zhuǎn)換器。最高穩(wěn)定車速 180km/h，0100km加速 時(shí)間 11.3s ，加速行 駛時(shí)車外 最大噪聲 71dB，在城郊 綜合 工況 下油 耗4.95L/100km 。參照聯(lián)邦德國提案，該類型車排放達(dá)到歐 V 標(biāo)準(zhǔn)。奇瑞 B-ISG 動(dòng)力系統(tǒng)由“ 1.6L 汽油機(jī) +5 速手動(dòng)變速器 +2kW電機(jī) +12V鉛酸電池”組成， 電機(jī)采用爪極電機(jī)并帶有電機(jī)控制系統(tǒng)。 最高穩(wěn)定車速 180km/h，0100km加速時(shí)間 12.8s ，在城郊綜合工況下油耗為 6.3 L/100km ，排放達(dá)到歐標(biāo)準(zhǔn)。長安汽車 ( 集團(tuán) ) 有限責(zé)任公司在科技部、重慶市科委、中國兵器裝備集團(tuán)公司的大力支持下，聯(lián)合清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、重慶大學(xué)、北航等高校和科研單位共同承擔(dān)“ISG 混合動(dòng)力長安轎車整車項(xiàng)目”，目前也已通過國家級(jí)驗(yàn)收。其油耗已降低了 30%，排放已達(dá)歐標(biāo)準(zhǔn)。樣車最大時(shí)速可達(dá) 160km/h，整車成本的增加有效地控制在 30%以內(nèi)，加速性能與同檔次的汽車相當(dāng)，續(xù)駛里程大于 500km，最大爬坡度可達(dá) 25%。吉利華普海尚MA(海尚 305) 在第 7 屆上海工業(yè)博覽會(huì)上登場。 這款車是由上海交通大學(xué)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混合動(dòng)力技術(shù)改造開發(fā)的一臺(tái)中度混合動(dòng)力轎車。 該車采用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 ISG 方案，1.5 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸并聯(lián)電動(dòng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)， 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、 可靠性高、成本低，可節(jié)省燃料 20%左右。1.6論文選題的意義和研究內(nèi)容1.6.1論文選題的意義混合動(dòng)力汽車動(dòng)力部件的合理選配， 在很大程度上影響了整車系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保方面的潛力發(fā)揮， ISG 系統(tǒng)作為一種輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較獨(dú)特，動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選配與高混合比混合動(dòng)力汽車有較大差異，具有比較明顯的特點(diǎn)，因此有必要針對(duì) ISG 系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)匹配的研究。 另外，ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)部件眾多， 協(xié)調(diào)復(fù)雜，行駛路況和駕駛員操作的隨機(jī)性，不同駕駛習(xí)慣和風(fēng)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 混合動(dòng)力系統(tǒng)在滿足駕駛需求（動(dòng)力性、駕駛平穩(wěn)性等）的前提下，合理分配各動(dòng)力部件的輸出，以求達(dá)到良好的整車性能要求。作為關(guān)鍵技術(shù)之一的控制策略早已成為研究混合動(dòng)力汽車的重要課題，本文以 ISG 系統(tǒng)實(shí)用性為突破口， 主要研究了 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)能量分配及控制算法在實(shí)車上的應(yīng)用。1.6.2論文研究內(nèi)容本論文選題主要就 ISG 混合動(dòng)力汽車的參數(shù)匹配、 建模與仿真、控制策略的制定及優(yōu)化等方面進(jìn)行研究，目標(biāo)是為 ISG 混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)和試制提供理論依據(jù)。具體技術(shù)路線和研究內(nèi)容如下：（ 1）分析 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 確定本文 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。以預(yù)期的動(dòng)力性指標(biāo)和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)， 通過汽車行駛方程式初選整車動(dòng)力系統(tǒng)主要部件的參數(shù)，采取合理的優(yōu)化方法對(duì)選擇的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，最終確定各參數(shù)。（ 2）建立 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)各動(dòng)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(dòng)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(shè)計(jì)方案，合理優(yōu)化參數(shù)，預(yù)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。（ 3）系統(tǒng)分析基于邏輯規(guī)則的門限控制策略、模糊控制策略和全局及瞬時(shí)優(yōu)化控制策略的控制算法及優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù) ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，提出適合的控制算法。對(duì)控制策略進(jìn)行了仿真研究，檢驗(yàn)了控制算法的準(zhǔn)確性。（ 4）再生制動(dòng)是混合動(dòng)力汽車提高能量利用率，增加續(xù)駛里程的重要技術(shù)手段。在對(duì)汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)和電機(jī)輸出特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出合理的再生制動(dòng)控制策略，給出控制算法，目標(biāo)是以滿足汽車制動(dòng)安全為前提，盡可能回收制動(dòng)能量。（ 5）對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力部件進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)，以獲取建模和控制策略所需的數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)提出的控制策略進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)，就其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行測試，驗(yàn)證控制策略的有效性。1.7 本章總結(jié)隨著石油能源日益緊缺，環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)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(duì)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(chǔ)設(shè)施薄弱、推廣困難等問題?；旌蟿?dòng)力汽車是對(duì)當(dāng)前所面臨問題的一個(gè)很好的過渡解決方案。其中ISG 型的混合動(dòng)力方式是一個(gè)重要的研究方向。ISG 混合動(dòng)力汽車屬于輕度混合動(dòng)力汽車，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于對(duì)價(jià)格較為敏感的經(jīng)濟(jì)型車，特別適合城市某些專用車，對(duì)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(shù)的不斷完善，相信將來會(huì)在越來越多的車輛上應(yīng)用。第 2 章混合動(dòng)力汽車ISG 電機(jī)啟停功能特性分析2.1概述傳統(tǒng)的車用起動(dòng)機(jī)只將內(nèi)燃機(jī)加速至起動(dòng)轉(zhuǎn)速 ( 例如 200r/min) ，ISG 作為電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi) ( 通常加速時(shí)間僅為 0.1 0.2s) 將內(nèi)燃機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速 ( 例如 800r/min) ，然后內(nèi)燃機(jī)才開始缸內(nèi)的燃燒過程。 高轉(zhuǎn)速電起動(dòng)過程不僅降低了內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)的燃料消耗，還改善了排放。自動(dòng)起停功能的實(shí)現(xiàn)過程如下：如果汽車較長時(shí)間處于空載狀態(tài)，例如在路口等紅燈時(shí)， 內(nèi)燃機(jī)一直處于怠速， 控制系統(tǒng)自動(dòng)使內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行， 同時(shí) ISG 也停止工作，需要起步時(shí)， ISG 在 0.1 0.2 s 的短時(shí)間內(nèi)完成起動(dòng)任務(wù)。 在城市工況下，汽車不停地起步和停車以及內(nèi)燃機(jī)處于怠速的情況非常多， 自動(dòng)起停系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)的特點(diǎn)避開了內(nèi)燃機(jī)低速起動(dòng)和長時(shí)間怠速，提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。節(jié)能減排是目前汽車技術(shù)重要任務(wù)，快速起停技術(shù)可以是車輛在擁堵或等紅燈時(shí)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)駕駛員踩下離合器或油門或松開制動(dòng)踏板時(shí)又會(huì)自動(dòng)快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。相對(duì)與混合動(dòng)力汽車，快速起停技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)怠速停機(jī)功能。2.2 ISG電機(jī)起停功能特性分析仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)華普弱混合動(dòng)力轎車 SMA7150的相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)參數(shù)， 運(yùn)行仿真后可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速曲線如圖 2.1 所示。圖 2.1 中：曲線 1 為電機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá) 800r min-1 一時(shí)開始點(diǎn)火，因?yàn)殡姍C(jī)處于恒轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過 800r min-1 時(shí)，電機(jī)開始拖曳發(fā)動(dòng)機(jī)從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá) l200r min-1目標(biāo)轉(zhuǎn)速的時(shí)間較長，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)；曲線 2 的控制過程為 ISG 電機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速 800r min-1 ，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制模式，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩由 40Nm按線性遞減至0，發(fā)動(dòng)機(jī)自點(diǎn)火開始對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)電機(jī)予以轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升到1400r min-1 左右，由于電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1200r min-1 時(shí)退出工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)順利啟動(dòng)進(jìn)入自身EMS(engine management system) 閉環(huán)控制，從該曲線可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很快地穩(wěn)定到預(yù)定的怠速轉(zhuǎn)速附近，發(fā)動(dòng)機(jī) EMS根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)，快速進(jìn)入怠速閉環(huán)控制；曲線3 為發(fā)動(dòng)機(jī)普通啟動(dòng)方式，由于啟動(dòng)時(shí)的加濃噴油，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至150r min-1左右，此啟動(dòng)加濃過程是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)排放較差的主要因素。從仿真結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)的啟動(dòng)方式為曲線2，即由 ISG 電機(jī)通過恒轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火啟動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制模式補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在很短的時(shí)問內(nèi)進(jìn)入油耗和排放較低的怠速閉環(huán)控制。圖 2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速曲線2.3臺(tái)架試驗(yàn)根據(jù)以上分析的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性，結(jié)合預(yù)定的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制策略，通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)一步分析和研究發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。該試驗(yàn)同樣分為上述3 種情況進(jìn)行對(duì)比，轉(zhuǎn)速曲線如圖 2.2 所示。圖 2.2 中：曲線 1 為電機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制方式，無轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償；曲線2 為電機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)到噴油轉(zhuǎn)速 800r min-1 ，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)助力，轉(zhuǎn)矩值為40Nm，并開始轉(zhuǎn)矩遞減，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)1200r min-1 時(shí)電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩為 0；曲線 3 為傳統(tǒng)啟動(dòng)方式。對(duì)比 3 種轉(zhuǎn)速曲線可知：曲線 3 即傳統(tǒng)啟動(dòng)方式，轉(zhuǎn)速瞬間超過1400r min-1 ，然后再緩慢下降。圖 2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速變化促使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間提升的原因就是過濃噴油，這個(gè)過程油耗高、排放差，這是混合動(dòng)力必然要解決的問題。曲線 2 中 800r min-1 至 1000r min-1 有一平臺(tái)期，然后迅速上升至 1400r min-1 一左右，維持一段時(shí)間后迅速衰減，出現(xiàn)波谷，然后再緩慢上升。造成“平臺(tái)期”的原因是試驗(yàn)中用手動(dòng)控制噴油信號(hào)，可能出現(xiàn)一些延時(shí)。但即使用軟件控制，也不可避免有幾十ms 的延時(shí)。這個(gè)延時(shí)對(duì)啟動(dòng)控制來說不是很重要。曲線1中，轉(zhuǎn)速到達(dá) 800r min-1后，較長時(shí)間才升至1200r min-1 左右，即不助力的情況下，會(huì)延長啟動(dòng)時(shí)間。通過對(duì)仿真曲線和試驗(yàn)曲線的對(duì)比后發(fā)現(xiàn)曲線2 是所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程。 當(dāng)然，如果對(duì)電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩再做一下優(yōu)化，使得曲線2 中的 A 段平臺(tái)期縮短，則可以使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)既不缺乏動(dòng)力性又符合平順性。將噴油轉(zhuǎn)速設(shè)定在800r min-1 左右的原因是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始噴油后， EMS判斷直接進(jìn)入怠速工況的怠速閉環(huán)控制，這時(shí)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。圖 2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程噴油脈寬圖 2.3 可知，發(fā)動(dòng)機(jī)并未出現(xiàn)啟動(dòng)加濃過程，而發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)初期排放較差的原因是由于啟動(dòng)時(shí)的過濃噴油，取消了這一過程，就使得發(fā)動(dòng)機(jī)的排放大幅下降。2.4 本章小結(jié)混合動(dòng)力汽車ISG 電機(jī)在混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)時(shí)減少了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)加濃噴油的過程，從而節(jié)省了由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)加濃噴油過程所浪費(fèi)的燃油量。第 3 章 ISG 混合動(dòng)力汽車加速扭矩補(bǔ)償特性分析混合動(dòng)力汽車在節(jié)能減排方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)， 成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 對(duì)于混合動(dòng)力汽車，為提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放，一般通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)策略使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，電機(jī)起消峰填谷作用。汽車在加速工況時(shí)，由于油門踏板突變，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于瞬態(tài)過程， ECU 會(huì)立刻加濃噴油來滿足整車動(dòng)力性要求。 而對(duì)于廢氣渦輪增壓柴油機(jī)來說，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于瞬態(tài)過程時(shí)， 由于廢氣渦輪增壓器葉輪的慣性造成進(jìn)氣明顯滯后，因此在加速過程中會(huì)導(dǎo)致排放和燃油消耗的上升。 高壓共軌增壓柴油機(jī)可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的 ISG 混合動(dòng)力汽車在加速過程缺失的動(dòng)力可用電機(jī)助力來彌補(bǔ)， 通過電機(jī)助力可以使發(fā)動(dòng)機(jī)盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況，縮短過渡工況時(shí)間。 本研究針對(duì)這一問題制定了混合動(dòng)力汽車加速扭矩補(bǔ)償策略，并進(jìn)行了仿真研究。3.1 加速過程扭矩分析共軌燃油系統(tǒng)的工作流程見圖 3.1。對(duì)于廢氣渦輪增壓柴油機(jī)來說，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于加速工況時(shí)，廢氣渦輪增壓器葉輪的慣性造成進(jìn)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(jì)性和排放性， 在加速過程中就必須相應(yīng)地根據(jù)進(jìn)氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行油量限制，在此過程中 Te<Td_req(T d_req 為駕駛員扭矩需求， t 為實(shí)際發(fā)出的扭矩 )，因此加速扭矩不足，從而影響了整車的動(dòng)力性.圖 3.1 共軌燃油系統(tǒng)的工作流程簡圖3.2 加速扭矩補(bǔ)償策略研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化的時(shí)間常數(shù)明顯大于電動(dòng)機(jī)扭矩變化的時(shí)間常數(shù)，所以汽車加速時(shí)，可以實(shí)時(shí)采集整車需求扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出扭矩，不足部分可用電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩 +電動(dòng)機(jī)的扭矩補(bǔ)償” ，這就需要實(shí)時(shí)反饋發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)扭矩，可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型估算發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩來解決， 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的輸人參數(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中通過傳感器實(shí)時(shí)測得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門位置，通過發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型就可以計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)出的扭矩。動(dòng)態(tài)扭矩補(bǔ)償控制算法見圖 3.2。圖 3.2 動(dòng)態(tài)扭矩協(xié)調(diào)策略算法3.3 驅(qū)動(dòng)扭矩需求 T d-rep 的確定。Td-rep 反映了駕駛員對(duì)車輛驅(qū)動(dòng)扭矩的需求，在車輛行駛過程中，駕駛員的扭矩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。圖 3.3 駕駛特性圖3.4 電機(jī)目標(biāo)扭矩 Tm-tar 的確定在車輛加速過程中，可以通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)助力來彌補(bǔ)整車需求動(dòng)力，電機(jī)的目標(biāo)扭矩為（ 3.1）當(dāng) Tm-tar 大于 Tm-max。（Tm-max 為電機(jī)的最大輸出扭矩 )時(shí)，受電機(jī)功率限制， 期望扭矩超過了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，電機(jī)無法提供期望驅(qū)動(dòng)扭矩，此時(shí)電機(jī)的目標(biāo)扭矩為（ 3.2）當(dāng) Tm-tar 小于等于 Tm-max 時(shí)，電機(jī)完全有能力提供所需要的期望扭矩，電機(jī)的目標(biāo)扭矩為（3.3）隨著時(shí)間 t 逐漸增加， Tm-tar 會(huì)逐漸變小，直到滿足邊界條件 Tm-tar 小于 Td-rep(為扭矩補(bǔ)償結(jié)束條件系數(shù)， =4)時(shí)，電機(jī)便停止扭矩補(bǔ)償。3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)扭矩 Te 的估算通過在 Matlabsimulink 環(huán)境下建立發(fā)動(dòng)機(jī)的平均值模型來反饋發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩，平均值模型見圖 3.4。圖 3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型3.5 1 壓氣機(jī)模型采用 simulink 設(shè)計(jì)壓氣機(jī)模塊時(shí)，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(jī)消耗的扭矩，它們可由下面公式計(jì)算：(3.1)式中， T2 為壓氣機(jī)出口溫度， T1 為環(huán)境溫度， c為壓氣機(jī)效率， k 為氣體比熱容比， Ttqc 為壓氣機(jī)消耗的扭矩， nc 為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速， qmc 為增壓器進(jìn)氣流量， Rg 為氣體常數(shù)， Pz 為壓氣機(jī)出口壓力， P1 為環(huán)境大氣壓力，b 為增壓比。廢氣渦輪機(jī)的模型與壓氣機(jī)模型類似。3.5.2 增壓器動(dòng)力學(xué)模型本模型中，不計(jì)摩擦損失和散熱損失，認(rèn)為渦輪機(jī)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(dòng)平衡方程(3.2)式中， Jtc 為增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ntc 為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型與增壓器動(dòng)力學(xué)模型類似。3.5.3 中冷器模型(3.3)式中， T3 為中冷器的出口溫度， 為中冷器冷卻效率， Tw 為冷卻水的進(jìn)口溫度， p 為空氣流過中冷器時(shí)的壓力降， po 為中冷器在設(shè)計(jì)工況下的壓力損失， qmo 為中冷器的設(shè)計(jì)流量， p3 為中冷器出口壓力。3.5.4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型發(fā)動(dòng)機(jī)模型，由6 個(gè)子模型組成：氣缸充氣效率、進(jìn)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。3.5.4.1 充氣效率 v充氣效率可視為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，由臺(tái)架試驗(yàn)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(gè)轉(zhuǎn)速下的充氣效率曲線，v=f （n）3.5.4.2 進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量qm3對(duì)于 4 行程的增壓柴油機(jī)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(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量可按下式計(jì)算：(3.4)式中， 3 為進(jìn)入氣缸的空氣密度，V 為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排量， n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。3.5.4.3 平均排氣溫度 T4發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒情況比較復(fù)雜，很難通過熱力學(xué)第一定律精確計(jì)算平均排氣溫度T4， T4 主要與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比有關(guān)，因此，在處理T4 時(shí)采用了MAP圖的方式，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比為X， y坐標(biāo)，構(gòu)成三維T4 的MAP圖，然后利用三維MAP圖插值計(jì)算每個(gè)工況下的T4。3.5.4.4 指示熱效率 i指示熱效率縐是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)，同樣采取三維MAP 圖插值計(jì)算 i。3.5.5 供油系統(tǒng)模型共軌式電控燃油系統(tǒng)是一種壓力一時(shí)間式的電控系統(tǒng)，其噴油量是共軌油壓與噴油持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)油壓一定時(shí)，噴油量與噴油脈寬近似于線性關(guān)系。本系統(tǒng)采用4 個(gè)MAP 來建立供油系統(tǒng)模型，即油量MAP 、共軌油壓 MAP 、噴油定時(shí) MAP 和噴油脈寬MAP 。其中，油量MAP 由發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(shí)際應(yīng)用中，除了4 個(gè) MAP 還有其他物理量的補(bǔ)償量與限制量。3.5.6 指示扭矩 Ttqi 和摩擦扭矩 Ttqf(3.5)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， Ff 為平均摩擦力，vm 為活塞平均速度， Ttqf 為摩擦扭矩。3.6 仿真結(jié)果圖 3.4模型中的信號(hào)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(hào)發(fā)生器 ML用來模擬外界負(fù)載的變化。仿真初始值的設(shè)置：初始轉(zhuǎn)速為1100r min，外界負(fù)載 ML為 185.5 Nm，油門開度為 40。仿真時(shí)油門開度的變化見圖 3.5，在仿真進(jìn)行 2s 時(shí)，油門開度由40突變?yōu)?75并保持到仿真結(jié)束。圖3.6 示出有加速扭矩補(bǔ)償和無加速扭矩補(bǔ)償時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果。在外界負(fù)載固定為185 5N ITI 時(shí)，仿真進(jìn)行 2 s 時(shí)，由于油門開度由 40突變?yōu)?75，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)從 1 100 rmin 加速并最終穩(wěn)定在 2338 rmin ，從仿真結(jié)果可以看出：沒有加速扭矩補(bǔ)償時(shí)，當(dāng)仿真進(jìn)行8S時(shí)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，有加速扭矩補(bǔ)償時(shí)，仿真時(shí)間為5s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，縮短了加速時(shí)間。圖 3.7 示出了加速過程中需求扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩的仿真結(jié)果，在 2s 時(shí)由于油門突變，需求扭矩也相應(yīng)從1855Nm 突變?yōu)?371Nm，加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩小于需求扭矩。圖3.8 示出電機(jī)補(bǔ)償扭矩的仿真結(jié)果，由于電機(jī)扭矩的補(bǔ)償，使得發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩與電機(jī)扭矩之和滿足了需求扭矩，大大縮短了加速時(shí)間。圖 3.5 油門開度變化圖 3.6 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果圖 3.7 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩仿真結(jié)果圖 3.8 電動(dòng)機(jī)扭矩的仿真結(jié)果3.7 本章總結(jié)通過對(duì)裝備廢氣渦輪增壓共軌柴油機(jī)的ISG 混合動(dòng)力汽車的瞬態(tài)加速扭矩補(bǔ)償控制策略的研究，可以在滿足整車動(dòng)力性的同時(shí)，改善混合動(dòng)力車的燃油經(jīng)濟(jì)性通過電機(jī)在加速時(shí)進(jìn)行加速扭矩補(bǔ)償，可以大大縮短加速時(shí)間，在滿足經(jīng)濟(jì)性和排放性的同時(shí)提高了加速性能；經(jīng)過電機(jī)的加速扭矩補(bǔ)償后，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的扭矩輸出可以實(shí)時(shí)滿足扭矩需求，在標(biāo)定駕駛特性MAP 圖時(shí)就有了更大的靈活性。第 4 章 ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)匹配ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期要解決的問題是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇和動(dòng)力部件的匹配。本課題是以某一原型車的車體為基礎(chǔ)進(jìn)行的，原車的發(fā)動(dòng)機(jī)被取走，但車身和離合器和變速器等部件被保留。本章介紹ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的幾種典型結(jié)構(gòu)，對(duì)其主要的性能特點(diǎn)進(jìn)行分析，根據(jù)其功能要求，確定本課題的結(jié)構(gòu)組成；以滿足動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)為前提，利用參數(shù)匹配的基本原理和方法，對(duì)確定的ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行部件選型和參數(shù)的初步匹配。4.1 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)中， ISG 電機(jī)的功率比發(fā)動(dòng)機(jī)功率要小得多，即整車混合比較小，而 ISG 電機(jī)的體積也不大，這樣的特點(diǎn)使得ISG 系統(tǒng)布置自由度較大，因此，可以根據(jù)整車結(jié)構(gòu)的安排需要靈活安排電機(jī)的位置，一般不至于對(duì)整車的結(jié)構(gòu)安排造成很大影響。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同汽車的整體布置結(jié)構(gòu)ISG 與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接有直接和間接兩種方式。其中的直接方式是指發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG 電機(jī)同軸，工作時(shí)二者的輸出扭矩在同一軸上耦合，經(jīng)過耦合后的總轉(zhuǎn)矩輸入到變速器沿傳動(dòng)軸傳送到驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車行駛。這種聯(lián)接方式中，發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG 電機(jī)之間一般裝有離合器，在必要時(shí)用來切斷發(fā)動(dòng)機(jī)和 ISG 電機(jī)的動(dòng)力傳輸。直接式結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、耦合直接，傳動(dòng)效率高，但由于電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器之間，對(duì)于改裝車容易受到整車布置結(jié)構(gòu)的限制。直接式ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.1 所示。圖 4.1 直接式 ISG 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖 4.2 間接式 ISG 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖間接方式中發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG 電機(jī)一般通過皮帶聯(lián)接，也稱為BAS（ belt-driven alternatorstarter ），其結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(jī)安裝位置，使其能與發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶連接傳輸動(dòng)力，不需要對(duì)原車的結(jié)構(gòu)做大的改動(dòng)，降低了改裝成本； 2、皮帶具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)，與齒輪傳動(dòng)相比，大大降低了動(dòng)力總成的質(zhì)量。但皮帶彈性較大，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)間的動(dòng)力傳輸效率，造成一定的能量損失。上面簡單介紹了ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)方式的選定還需要考慮經(jīng)濟(jì)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，最后確定使用直接聯(lián)接的結(jié)構(gòu)方式。電機(jī)直接連接到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端，電機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸固結(jié)，取代了發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和原有的起動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)。4.2動(dòng)力總成的選型課題中需要選擇的動(dòng)力部件是與整車性能關(guān)系最大的發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG 電機(jī)和動(dòng)力電池三大部件。本節(jié)主要根據(jù)ISG 混合動(dòng)力汽車的工作特性要求對(duì)動(dòng)力元件的選型方案進(jìn)行分析。動(dòng)力部件的選型與ISG 混合動(dòng)力汽車控制策略有很大的關(guān)系，關(guān)于控制策略，本文將在以后的章節(jié)里專門討論，這里不再深入探討。發(fā)動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵零部件。與傳統(tǒng)汽車不同的是，混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)不要求過高的比功率和很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在設(shè)計(jì)和匹配時(shí)，可以按最高熱效率的原則進(jìn)行，從而可以進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。在并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中通常采用由發(fā)動(dòng)機(jī)提供車輛行駛平均動(dòng)力，動(dòng)力電池組 電機(jī)系統(tǒng)提供輔助動(dòng)力的控制策略。在這樣的控制策略下，汽車行駛的大部分時(shí)間里由發(fā)動(dòng)機(jī)為汽車提供主要行駛動(dòng)力，能夠承擔(dān)主要驅(qū)動(dòng)力。混合動(dòng)力汽車中發(fā)動(dòng)機(jī)處于頻繁的 “開關(guān) ”狀態(tài)，因此要求發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略比較成熟并容易改進(jìn)。另外在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)、可靠性、使用壽命、維護(hù)成本、運(yùn)行成本以及安全性能等因素。發(fā)動(dòng)機(jī)的種類多種多樣，根據(jù)目前的資料，應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)主要有：汽油機(jī)、柴油機(jī)、轉(zhuǎn)子式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等。這幾種發(fā)動(dòng)機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，作為 HEV 的車載動(dòng)力源，雖然都有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是從內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷程看，汽油機(jī)和柴油機(jī)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而且應(yīng)用范圍最廣，在采用了先進(jìn)的制造工藝和先進(jìn)的電子控制技術(shù)以后，其熱效率、機(jī)械性能、排放性能、尺寸及成本等綜合性能較高，因此在目前成熟的 HEV 中大多仍采用這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然汽油機(jī)和柴油機(jī)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。鑒于此，本文選擇四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的主動(dòng)力源。ISG 混合動(dòng)力汽車中的電機(jī)作為輔助動(dòng)力源為汽車提供輔助動(dòng)力，應(yīng)同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向控制，不僅能為汽車提供輔助動(dòng)力，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)的功能，把多余的能量及時(shí)回收為動(dòng)力電池充電儲(chǔ)備能量。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要具有高扭矩密度、寬調(diào)速范圍和高可靠性，除此之外還希望具有質(zhì)量輕、成本低、電輻射小等特點(diǎn)。由于ISG 混合動(dòng)力汽車中的電源功率十分有限，因此電機(jī)的扭矩 - 轉(zhuǎn)速特性應(yīng)根據(jù)汽車起動(dòng)、 爬坡、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（如城市工況）汽車頻繁起停工作區(qū)域?qū)挘?qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行于低速大扭矩工況，因此電機(jī)系統(tǒng)不但在額定運(yùn)行時(shí)效率要高，并且要有盡可能寬的高效率區(qū)。目前在混合動(dòng)力汽車中使用的電機(jī)主要有直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。其中永磁同步電機(jī)與其他類型的電機(jī)相比具有更高的扭矩密度、功率密度和效率，更適合于混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用，具有極好的應(yīng)用前景。在選擇電機(jī)時(shí)還應(yīng)考慮ISG 系統(tǒng)的如下 2 個(gè)特點(diǎn)：1、ISG 電機(jī)直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力輸出端，取代飛輪的作用， 擬選用的 ISG電機(jī)外形尺寸與普通電機(jī)相比應(yīng)該具有較大的徑向尺寸和較小的軸向尺寸，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并使得系統(tǒng)軸向布置更加緊湊。2 、ISG 電機(jī)轉(zhuǎn)子要與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸固結(jié)，待選電機(jī)轉(zhuǎn)子不宜采用勵(lì)磁繞組，因?yàn)槿绻麖较虺叽巛^大，勵(lì)磁繞組在較大離心力的作用下容易松脫，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子必須為永磁體?？紤]到 ISG 電機(jī)的以上特點(diǎn)，本課題在選擇電機(jī)時(shí)選擇了永磁同步電機(jī)，其幾何形狀為軸向小徑向大的圓盤形狀。動(dòng)力電池是混合動(dòng)力汽車的基本組成單元，其性能直接影響到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能，從而影響整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放?；旌蟿?dòng)力汽車對(duì)動(dòng)力電池的性能要求與純電動(dòng)汽車有很大不同，在純電動(dòng)汽車中，電池?cái)?shù)量多，重量能占整車總重量的30% 40% ，因而對(duì)電池的功率密度要求較為寬松；而混合動(dòng)力汽車的電池體積和容量都要小得多，一般只有純電動(dòng)汽車電池的 1/15 1/20 ，因而電池工作負(fù)荷大，對(duì)功率密度要求較高。所以通常把動(dòng)力電池分為電動(dòng)汽車用的高能量電池和混合動(dòng)力汽車用的高功率電池兩類，以滿足各自對(duì)電池的不同要求。車用動(dòng)力電池在混合動(dòng)力汽車上應(yīng)用的最大特點(diǎn)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)常有能量的消耗和補(bǔ)充，這會(huì)對(duì)電池的壽命造成一定的影響。圖2.3 給出了鉛酸電池（ Pb-AGM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)的關(guān)系趨向。從圖中可以看出，在這三種常用的電池中，鎳氫電池的壽命是最長，電池非完全充放電對(duì)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良好的使用安全性，其充電效率幾乎達(dá)到 100%，有利于混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)。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，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。因此選用鎳氫電池作為儲(chǔ)能裝置，可以更好地回收制動(dòng)能量，提高峰值功率，改善瞬態(tài)輸出特性，進(jìn)一步提高混合動(dòng)力汽車的機(jī)動(dòng)性。基于鎳氫電池的諸多優(yōu)點(diǎn)，本課題最終選用鎳氫電池作為動(dòng)力電池。圖 4.3 各種電池的壽命曲線表 4.1 電池性能比較4.3 ISG 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的確定本文需要確定的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG 電機(jī)功率、電池的容量等。在汽車設(shè)計(jì)初期，確定動(dòng)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(yù)期達(dá)到的動(dòng)力性指標(biāo)通過汽車行駛方程式對(duì)汽車參數(shù)進(jìn)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(shù)參數(shù)如表2.2 所示：表 4.2 原車的整車技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)的 ISG 混合動(dòng)力汽車要求達(dá)到的性能指標(biāo)為：汽車的最高車速要求大于130 km/h ；汽車由靜止?fàn)顟B(tài)以最大加強(qiáng)速度（包括選擇合適的換檔時(shí)機(jī)）加速至100km/h 需要的加速時(shí)間小于27s；汽車能夠達(dá)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 。上面所列的性能指標(biāo)中前三條是動(dòng)力性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)ISG 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的主要依據(jù)，而第四項(xiàng)指標(biāo)是汽車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在設(shè)計(jì)初期可首先不加考慮，而在以后的參數(shù)優(yōu)化中作為優(yōu)化的約束條件。汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)一般方法是根據(jù)汽車行駛方程式進(jìn)行初選，混合動(dòng)力汽車在整體外觀上與內(nèi)燃機(jī)汽車是相同的，輪胎與地面相互作用的力學(xué)過程也沒有本質(zhì)的區(qū)別，汽車行駛方程為 46：(4.1)式中： m為整車質(zhì)量 kg；f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)； 為坡道角； CD為空氣阻力系數(shù)； A 為汽222。車迎風(fēng)面積 m；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； g 為重力加速度， m/s；a 為汽車加速度， m/s旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)：動(dòng)力部件參數(shù)匹配需要對(duì)其功率進(jìn)行選擇，將式2.1 轉(zhuǎn)化為功率平衡為：(4.2)式中： T 為動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。4.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的確定由汽車行駛方程式，根據(jù)汽車行駛阻力大小能夠確定汽車驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)功率參數(shù)。但是由于待定的ISG 混合動(dòng)力汽車屬于雙能源系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源均能輸出驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，如何分配二者的驅(qū)動(dòng)力大小，使整個(gè)系統(tǒng)匹配最佳目前沒有很確定的方法，一般方法是根據(jù)整車結(jié)構(gòu)預(yù)估二者功率。根據(jù)ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)是主要?jiǎng)恿υ?，提供主要?qū)動(dòng)力，而電機(jī)是輔助動(dòng)力源，只是在必要時(shí)提供輔助驅(qū)動(dòng)力。由此可以確定二者功率參數(shù)的匹配原則：發(fā)動(dòng)機(jī)功率滿足汽車在平坦路面上以一定的經(jīng)濟(jì)巡航車速勻速行駛的需求，電機(jī)功率滿足加速和爬坡的額外功率需求。按照此原則，由汽車行駛方程式求得的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為：(4.3)在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，所取的巡航經(jīng)濟(jì)車速應(yīng)該依據(jù)汽車的動(dòng)力性能要求而定。一般來說，經(jīng)濟(jì)巡航車速不等于最大車速，因?yàn)閷?shí)際上汽車很少以最高車速行駛，尤其在我國更是如此。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(jì)巡航車速取值太小，則發(fā)動(dòng)機(jī)功率將偏小，也不符合實(shí)際汽車的情況，因?yàn)槠囋谛旭倳r(shí)，除了行駛阻力功率以外，還應(yīng)當(dāng)加上附件功率（特別是有空調(diào)時(shí)） 、1%2%的爬坡功率裕量和 10% （經(jīng)驗(yàn)值）的充電功率裕量。也就是說，將經(jīng)濟(jì)巡航車速簡單確定為一個(gè)數(shù)值來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)際是一個(gè)功率帶。 應(yīng)保證這一功率帶穿越發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖上經(jīng)濟(jì)性較好的區(qū)域。 圖 4.4 為某一發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性及巡航功率帶示意圖。圖 4.4發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性及巡航功率帶示意圖從圖 4.4 中可以看出，在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)匹配時(shí)，通過設(shè)置功率帶可以更好的反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間，這樣對(duì)于提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性是有利的。本文在選擇系統(tǒng)的巡航經(jīng)濟(jì)車速時(shí)，考慮到整車系統(tǒng)的特點(diǎn)和預(yù)期的行駛功率，初步確定巡航經(jīng)濟(jì)車速為整車要求的最高車速。因?yàn)榻又€有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，在設(shè)計(jì)初期按最高車速確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率參數(shù)合理的。4.3.2 ISG 電機(jī)參數(shù)的確定ISG 混合動(dòng)力汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)主要的驅(qū)動(dòng)功率，加上整車的結(jié)構(gòu)考慮，不需要49：在汽車加速和爬坡時(shí)助力、確大功率的電機(jī)。一般來說，隨著電機(jī)功率的增大，汽車的經(jīng)濟(jì)性也會(huì)隨著提高。但是隨著 ISG 電機(jī)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，也增加了整車的制造成本。 ISG 電機(jī)功率的取值應(yīng)在滿足整車節(jié)能目標(biāo)值的前提下，從經(jīng)濟(jì)性和制造成本兩方面均衡考慮。在確定 ISG 電機(jī)參數(shù)時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素保發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速匹配和與電池充放電匹配。具體來說， ISG 系統(tǒng)要求電機(jī)能夠短時(shí)間（一般不超過 0.4s ）起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，因此要求電機(jī)必須具有低速大轉(zhuǎn)矩的特性以提供啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩克服發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩；功率補(bǔ)償要求在汽車加速或爬坡需要大功率時(shí)電機(jī)能夠提供一部分功率，彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不足，因此要求電機(jī)具有較大的峰值功率；另外，由于 ISG 電機(jī)需要與發(fā)動(dòng)機(jī)在同軸上耦合，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也需與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。根據(jù) ISG 電機(jī)工作條件，需要確定的 ISG 電機(jī)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。ISG 電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tm_max 主要用于滿足汽車的爬坡度要求，計(jì)算如下：(4.4)