ISG電機(jī)特性分析畢業(yè)論文

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1、 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(guó)的排放法規(guī)也日趨嚴(yán)格?；? 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)

2、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

3、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(wú)刷電機(jī)，其峰值功率約 為 10～15 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?gòu)U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)

4、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(guò) 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(guò)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)

5、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(lái)，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

6、盤式電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連型 ISG 1.3 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(guò)程。 高轉(zhuǎn)速電起動(dòng)過(guò)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(guò)程如下： 如果汽車較長(zhǎng)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，

7、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(zhǎng)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

8、 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  6～10 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(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)，最大輸出功率僅為 1.5 ～ 2.5 kW ，發(fā)

9、電機(jī)的最大效率為 70%，而高速時(shí)僅為 30%，無(wú)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(guò)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(lái)回切換狀

10、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(guò)程，隨后離合器結(jié)合，開始行駛循環(huán)。

11、 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(zhǎng)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  ISG 工作在電動(dòng)機(jī)工況，提供一部分輔助

12、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(guó)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(guó)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(lái)，國(guó)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(guó)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

13、發(fā)展。 下面對(duì)各國(guó)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(chǎng)

14、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(guó)家博物館推出了其輕度混合型概念車 Dodge ESX3。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(guò)怠速關(guān)機(jī)來(lái)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

15、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(guò)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，0～100km 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

16、 。參照聯(lián)邦德國(guó)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，0～100km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Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。 長(zhǎng)安汽車 ( 集團(tuán) ) 有限責(zé)任公司在科技部、重慶市科委、中國(guó)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(zhǎng)安轎車整車項(xiàng)目”，目前也已通過(guò)國(guó)家級(jí)驗(yàn)收。其油耗已降低了 30%，

17、排放已達(dá)歐Ⅲ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(chǎng)。 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?jī)?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

18、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

19、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?jī)?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?jī)?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(guò)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，

20、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(guò)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(cè)各種條件下的系統(tǒng)性能， 另外通過(guò)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)

21、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(cè)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(lái)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(wèn)題?；旌蟿?dòng)力汽車是對(duì)當(dāng)前所面臨問(wèn)題的一個(gè)很 好的

22、過(guò)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(jiǎn)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(lái)會(huì)在越來(lái)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 ～

23、 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(guò)程。 高轉(zhuǎn)速電起動(dòng)過(guò)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(guò)程如下：如果汽車較長(zhǎng)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(zhǎng)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

24、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(guò)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(guò) 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)

25、到達(dá) l200r min-1 目標(biāo)轉(zhuǎn)速的時(shí)間較長(zhǎng)，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)；曲線 2 的控制過(guò)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)

26、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(guò)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(guò)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(wèn)內(nèi)進(jìn)入油耗和排放較低的怠速閉環(huán)控制。

27、 圖 2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)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(guò)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(wú)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

28、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(guò) 1400r min-1 ，然后 再緩慢下降。 圖 2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)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(guò)濃噴油，這個(gè)過(guò)程油耗高、排放差，這是混 合動(dòng)力必然要解決的問(wèn)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

29、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(lái)說(shuō)不是很重要。曲線1 中，轉(zhuǎn)速到達(dá) 800r min-1 后，較長(zhǎng)時(shí)間才升至 1200r min-1 左右，即不助力的情況下， 會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間。 通過(guò)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(guò)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

30、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(guò)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(guò)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(guò)濃噴油，取消了這一過(guò)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(guò) 程，從而

31、節(jié)省了由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)加濃噴油過(guò)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(guò)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(guò)程， ECU 會(huì)立刻加濃噴油來(lái)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(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于瞬態(tài)過(guò)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

32、加速過(guò)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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況優(yōu)化來(lái)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(guò)程缺失的動(dòng)力可用電機(jī)助力來(lái)彌補(bǔ)， 通過(guò)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(guò)渡工況時(shí)間。 本研究針對(duì)這一問(wèn)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)程中的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性， 在加速過(guò)程中就必須相應(yīng)地根據(jù)進(jìn)氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)

33、進(jìn)行油量限制，在此過(guò)程中 Te

34、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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型 估算發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩來(lái)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(guò)程中通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門位置，通過(guò)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(guò)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

35、性 MAP 圖(見圖 3.3)來(lái)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(guò)程中，可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)助力來(lái)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(guò)了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，電機(jī)無(wú)法提供期望驅(qū)動(dòng)扭矩，此時(shí)電機(jī)的目標(biāo)扭矩為

36、 （ 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 σ Td-rep(σ為扭矩補(bǔ)償結(jié)束條件系數(shù)， σ=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(guò)在 Matlab／simulink 環(huán)境下建立發(fā)動(dòng)機(jī)的平均值模型來(lái)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

37、 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， ηc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， πb 為增壓比。廢氣渦輪機(jī)的模型與壓

38、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， ε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(guò)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

39、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 ηv 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(cè)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， ηv=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(lái)說(shuō)， 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：

40、 (3.4) 式中， ρ3 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(guò)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 

41、 圖 插值計(jì)算每個(gè)工況下的  T4。 3.5.4.4 指示熱效率 ηi 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 ηi。 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(lái)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

42、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(lái)模擬油門位置的突變過(guò)程 (即加速過(guò)程 )，階躍信號(hào) 發(fā)生器 ML 用來(lái)模擬外界負(fù)載的

43、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(wú)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 r／min 加速并 最終穩(wěn)定在 2338 r／min ，從仿真結(jié)果可以看出：沒(méi)有加速扭矩補(bǔ)償時(shí)，當(dāng)仿真進(jìn)行 8S 時(shí)達(dá)到

44、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(guò)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 185．5Nm 突變?yōu)?371Nm，加速過(guò)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

45、 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(guò)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

46、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(guò)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(guò)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(wèn)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

47、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

48、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(guò)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(lái)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(jiǎn)圖如圖 4.1 所示。

49、 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(guò)皮帶聯(lián)接，也稱為 BAS（ belt-driven alternator starter ），其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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

50、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(jiǎn)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

51、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(guò)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

52、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?；旌蟿?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

53、 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)? 現(xiàn)雙向控制，不僅能為汽車提供輔助動(dòng)力，同

54、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

55、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)? 如果徑向尺寸較大，勵(lì)磁繞組在較大離心

56、力的作用下容易松脫，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子必須為永磁體。 考慮到 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

57、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(zhǎng)，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(guò)充電特性和

58、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?；阪嚉潆姵氐闹T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

59、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(guò)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)

60、 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

61、。 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(guò)程也沒(méi)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)； α 為坡道角； CD為空氣阻力系數(shù)； A 為汽 2 2 2 。 車迎風(fēng)面積 m；δ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：

62、 (4.2) 式中： ηT 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(méi)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

63、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(lái)說(shuō)，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(guó)更是如此。我國(guó)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? 時(shí)，除了行駛阻力功率以

64、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(shuō)，將經(jīng)濟(jì)巡航車速簡(jiǎn)單確定為一個(gè)數(shù)值來(lái)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(guò)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(wàn)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(wàn)有特性及巡航功率帶示意圖。 圖 4.4 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性及巡航功率帶示意圖

65、 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(guò)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(lái)說(shuō)，隨著

66、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(lái)說(shuō)， ISG 系統(tǒng)要求電機(jī)能夠短時(shí)間（一般不超過(guò) 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)