ISG电机特性分析毕业论文要点

混合动力汽车ISG电机工作特性分析第1章绪论1.1 概述目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题是环境污染、石油资源匮乏，环保 和节能是21世纪汽车技术的一个重要发展方向，同时各国的排放法规也日趋严格。混 合动力汽车（HEV）正是具有低污染、低油耗特点的新一代清洁能源汽车。目前制造成本 最低、最容易实现批量生产的是采用起动机发电机/电动机一体化（ISG）技术的轻度混合 动力汽车（1SG-MHV）它只需要对内燃机进行改造，比较容易在现有传统内燃机汽车上 实现，混合程度小、电机功率低，尤其适合在轿车上实现。1.2 组成结构ISG 型轻度混合动力汽车动力单元主要包括发动机、牵引电机、能量管理系统、动 力传动系统。ISG-MHV中一般使用较低功率的发动机，因为加速和爬坡时并不只由发动机单独提 供功率，而是由电动驱动装置及能量存储单元（电池组、储能飞轮或者超能电容器）与发 动机一起驱动汽车行驶。发动机的额定功率一般在50 kW左右。电机是电气驱动系统的核心，电机的性能、效率直接影响电动汽车的性能。此外， 电机的尺寸、重量也影响汽车的整体效率。由于空间布置有限，最好采用扁平形结构， 同时功率不能太大，当前成功开发的ISG-MHV；采用直流永磁无刷电机，具峰值功率约 为 1015 kWA能量管理系统是提高混合动力汽车经济性、动力性和减少废气排放水平的关键，该 系统包括储能、能量管理和混合动力系统中央控制单元。常用的储能单元有电化学电池、 燃料电池、飞轮电池及超大容量电容等。ISG-MHV采用电化学电池，包括铅酸电池、 锲氢电池、银离子电池和钠硫电池等，具技术比较成熟，成本相对较低。动力传动系统用于均衡、传递并调节混合动力源的输出转矩与功率，以满足整车动 力驱动的需要。主要包括扭矩或转速合成器、离合器、变速器、传动轴、驱动车轮等。上面4个单元都有各自的控制管理器。所有控制子系统通过CAN总线向多能源动力 总成管理系统发送子系统运行信息，同时接受多能源总成管理系统的控制命令，混合动 力系统的控制协调通过多能源总成管理系统实现，如图1.1所示。CAN总线:苏晓源； |动力总成| :管界系及：I I|您G/氟瓶j j电池捐子系统i 12V用电系统J一 U _ UH _h -，一 图1.1混合动力系统多能源总成管理系统发动机和电机的布置方式也不尽相同。一种是将电机直接安装在内燃机曲轴输出端，并且ISG转子要与曲轴周结，取代飞轮及原有的起动机和发电机，如图 1.2所示 一种是在发动机前端用皮带传动机构，将ISG电机和发动机联结起来，并把起动机同样 连接在ISG电机的机构中，节省了内部空间，如图 1.3所示。图1.2整车系统方案图1.3外挂盘式电机与发动机曲轴相连型ISG1.3 1SC功能分析ISG-MHV可以实现自动起停、功率补偿及高效大功率电能输出功能。1.3.1 自动起停功能传统的车用起动机只将内燃机加速至起动转速 （例如200r/min） , ISG作为电动机 在短时间内（通常加速时间仅为0.10.2 s）将内燃机加速至怠速转速（例如800r/min）, 然后内燃机才开始缸内的燃烧过程。高转速电起动过程不仅降低了内燃机起动时的燃料 消耗，还改善了排放。自动起停功能的实现过程如下：如果汽车较长时间处于空载状态， 例如在路口等红灯时，内燃机一直处于怠速，控制系统自动使内燃机停止运行，同时ISG 也停止工作，需要起步时，ISG在0.10.2 s起短时间内完成起动任务。在城市工况下， 汽车不停地起步和停车以及内燃机处于怠速的情况非常多，自动起停系统利用电动机快速起动的特点避开了内燃机低速起动和长时间怠速，提高了整车燃油经济性和排放性 能。1.3.2 功率补偿功能内燃机在低速大负荷时的燃油经济性和排放性能均不佳，通常情况下内燃机在此工况下的转矩输出有限，如果需要内燃机在低速大负荷时能够提供较大的功率就必须选 用更大排量的内燃机，这样虽然满足了动力性要求，但牺牲了燃油经济性。ISG可以在内燃机低速大负荷时工作在电动机状态，提供一部分辅助功率，提高低速时内燃机的动 力性能。例如，当内燃机以较低转速运转时，如果加速踏板的行程大于满行程的90%ISG就开始进行功率补偿，当加速踏板达到满行程时，ISG提供最大瞬时功率。1.3.3 高效大功率电能输出功能ISG用作发电机时可以提供610 kW功率输出，全转速范围内的效率 80犯上。普通车用发电机通常由内燃机曲轴通过皮带驱动，最大输出功率仅为1.52.5 kW,发电机的最大效率为70%而高速时仅为30%无法满足现代汽车电子产品功率需求。ISG 高效大功率的电能输出能力远远优于传统车用发电机，不仅能使电动助力转向、电动制 动以及电子动气门等需要较大功率供电的新兴汽车电子技术得到充分应用，而且原先由齿形皮带驱动的汽车附件，如空调压缩机等，都可以由专用的电动机带动，并控制电动 机运行在最佳工况点，提高整车效率。1.3.4 其余功能除了以上3个主要功能以外，ISG还可以将汽车减速或制动时的动能转换成电能， 为车载电池进行充电，提高燃油经济性。ISG取代飞轮的作用，可以通过自身的转动惯 量以及在电动机和发电机之间来回切换状态，平衡内燃机曲轴的波动，成为有源飞轮起 到减震器的作用。内燃机附件全部采用电动方式驱动，齿形皮带及齿轮组可以全部省掉， 同时可以省去传统的发电机和电动机，内燃机附件的布置可以更加灵活。1.4 控制策略发动机效率在低速时偏低，扭矩也较小，而在中高负荷时效率较高，负荷再大时效率又会下降，见图1.4。为了尽量使发动机在高效率下工作，可以根据ISG的结构特点制定具体控制策略。起动时，ISG作为电动机状态在短时间内（通常为0.10.2s）将内燃机加速至怠速 转速，然后内燃机开始缸内燃烧过程，随后离合器结合，开始行驶循环i 0002 00030004 00050006 000N (r/min)图1.4发动机特性曲线汽车巡航或以较低速度行驶时，如果此时蓄电池的荷电状态值 Bsoc低于其限定的 最大值Bsoctop时，ISG转换至发电机状态，向电池组充电。但若此时蓄电池Bsoc等于 或大于其限定值时，为了延长蓄电池的使用寿命，ISG不能向蓄电池充电。当汽车加速或爬坡时，令ISG工作在电动机工况，提供一部分辅助扭矩；但在 1档 时，ISG均不助力。当汽车处于怠速空载状态时，内燃机停止运行，同时 ISG也停止工 作；需起步时，ISG作为电动机在短时间内完成起步任务。当汽车减速或制动时，ISG处于再生制动工况。1.5 国内外ISC研究现状和实际应用在混合动力汽车研究领域，日本汽车公司是国际混合动力汽车制造企业的一个标 杆。上世纪90年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合 动力汽车实用车型的研发。从新世纪初开始，在“ 863”计划的推动下，中国汽车制造 企业和科研机构在混合动力汽车方面也取得了很大的发展。下面对各国在ISG方面的研究和发展现状作一个概括介绍。本田自1999年11月开始在日本推出安装ISG系统的混合动力轿车Insight。本田 Insight的动力系统包括一台作为主动力源的 1.0 L稀薄燃烧汽油机（空燃比为26: 1） 和作为辅助动力的10kW勺ISG, ISG采用了抗热性强的永磁体，薄型线圈，风冷，超薄 型电机的厚度仅为60mm此后，本田共推出了 3款混合动力产品。2001年12月，在主 力车型CIVIC上加载混合动力技术的 CIVIC Hybrid开始在日本市场销售。2004年12 月，安装可变气缸系统的 V6发动机和ISG系统的Accord Hybrid开始在北美销售。2000 年2月，戴克公司在华盛顿的国家博物馆推出了其轻度混合型概念车DodgeESX3 ESX3采用先进的共轨式柴油高压供油系统、变截面涡轮增压系统和多气门顶置双 凸轮轴的直喷式柴油机，并采用铝合金结构降低重量，达到了最好的燃料经济性。安装 ISG系统可减少系统重量、优化启动性能、回收制动能量，并通过怠速关机来降低燃料 消耗和排放，使动力系统的匹配达到最优组合。2006 年1月奇瑞汽车有限公司承担“ ISG混合动力轿车用汽油发动机研发”和 “B-ISG轿车关键技术与核心零部件研发”两个项目顺利通过验收。奇瑞ISG动力系统由“1.3L汽油机+5速手动变速器+10kW电机+144V锲氢电池”组成，电机采用永磁同步 电机并带有电机控制系统、逆变器以及DC/DC专换器。最高稳定车速180km/h,0100km 加速时间011.3s,加速行驶时车外最大噪声071dB,在城郊综合工况下油耗 4.95L/100km。参照联邦德国提案，该类型车排放达到欧V标准。奇瑞B-ISG动力系统由“1.6L汽油机+5速手动变速器+2kW电机+12V铅酸电池”组成，电机采用爪极电机并 带有电机控制系统。最高稳定车速180km/h, 0100km加速时间0 12.8s,在城郊综合 工况下油耗为6.3 L/100km ,排放达到欧IV标准。长安汽车（集团）有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装备集团公司的大 力支持下，联合清华大学、北京理工大学、重庆大学、北航等高校和科研单位共同承担“ISG混合动力长安轿车整车项目”，目前也已通过国家级验收。其油耗已降低了30%排放已达欧田标准。样车最大时速可达 160km/h,整车成本的增加有效地控制在 30犯 内，加速性能与同档次的汽车相当，续驶里程大于 500kmi最大爬坡度可达25%吉利华普海尚MA御尚305）在第7届上海工业博览会上登场。这款车是由上海交通 大学自主知识产权的混合动力技术改造开发的一台中度混合动力轿车。该车采用发动机曲轴ISG方案，1.5发动机曲轴并联电动机的一体化设计， 优点是结构紧凑、可靠性高、 成本低，可节省燃料20流右。1.6 论文选题的意义和研究内容1.6.1 论文选题的意义混合动力汽车动力部件的合理选配，在很大程度上影响了整车系统在节能和环保 方面的潜力发挥，ISG系统作为一种轻度混合动力系统，具结构特点比较独特，动力系统的参数选配与高混合比混合动力汽车有较大差异，具有比较明显的特点，因此有必要 针对ISG系统的特点进行参数匹配的研究。另外，ISG混合动力系统部件众多，协调复 杂，行驶路况和驾驶员操作的随机性，不同驾驶习惯和风格都给驾驶意图判断带了困难 为了克服这些困难，需要制定合适的控制策略以保证ISG混合动力系统在满足驾驶需求(动力性、驾驶平稳性等)的前提下，合理分配各动力部件的输出，以求达到良好的整 车性能要求。作为关键技术之一的控制策略早已成为研究混合动力汽车的重要课题，本 文以ISG系统实用性为突破口，主要研究了 ISG混合动力系统能量分配及控制算法在 实车上的应用。1.6.2 论文研究内容本论文选题主要就ISG混合动力汽车的参数匹配、建模与仿真、控制策略的制定 及优化等方面进行研究，目标是为ISG混合动力汽车的设计和试制提供理论依据。具 体技术路线和研究内容如下：(1)分析ISG混合动力系统的结构特点，确定本文ISG混合动力系统的结构形式。 以预期的动力性指标和燃油经济性为目标， 通过汽车行驶方程式初选整车动力系统主要 部件的参数，采取合理的优化方法对选择的参数进行优化匹配，最终确定各参数。(2)建立ISG混合动力系统各动力部件的模型，最后根据整车的仿真模型。建模 仿真是汽车动力系统研发的重要手段。通过仿真分析可灵活调整设计方案，合理优化参 数，预测各种条件下的系统性能，另外通过建模仿真也是整车控制策略研究的必要手段。(3)系统分析基于逻辑规则的门限控制策略、模糊控制策略和全局及瞬时优化控制策略的控制算法及优缺点，并根据 ISG混合动力系统的结构和功能特点，提出适合 的控制算法。对控制策略进行了仿真研究，检验了控制算法的准确性。(4)再生制动是混合动力汽车提高能量利用率，增加续驶里程的重要技术手段。在对汽车制动动力学和电机输出特性进行分析的基础上，提出合理的再生制动控制策 略，给出控制算法，目标是以满足汽车制动安全为前提，尽可能回收制动能量。(5)对混合动力系统动力部件进行台架性能试验，以获取建模和控制策略所需的 数据。同时对提出的控制策略进行实车道路试验，就其动力性、经济性等进行测试，验 证控制策略的有效性。1.7本章总结随着石油能源日益紧缺，环保意识不断加强以及排放法规要求不断提高，传统汽车 产业必将迎来新的更大的挑战。对各种新能源汽车的研发也是如火如茶，但也面临着成 本太高、基础设施薄弱、推广困难等问题。混合动力汽车是对当前所面临问题的一个很 好的过渡解决方案。其中ISG型的混合动力方式是一个重要的研究方向。ISG混合动力 汽车属于轻度混合动力汽车，系统结构简单、成本 低，适用于对价格较为敏感的经济型车， 特别适合城市某些专用车，对特定行驶工况的燃油消耗量的减少有着突出作用。随着ISG技术的不断完善，相信将来会在越来越多的车辆上应用。第2章混合动力汽车ISG电机启停功能特性分析2.1 概述传统的车用起动机只将内燃机加速至起动转速 （例如200r/min） , ISG作为电动机在 短时间内（通常加速时间仅为0.10.2s）将内燃机力口速至怠速转速（例如800r/min）,然 后内燃机才开始缸内的燃烧过程。高转速电起动过程不仅降低了内燃机起动时的燃料消 耗，还改善了排放。自动起停功能的实现过程如下：如果汽车较长时间处于空载状态， 例如在路口等红灯时，内燃机一直处于怠速，控制系统自动使内燃机停止运行，同时ISG 也停止工作，需要起步时，ISG在0.10.2 s起短时间内完成起动任务。在城市工况下， 汽车不停地起步和停车以及内燃机处于怠速的情况非常多，自动起停系统利用电动机快速起动的特点避开了内燃机低速起动和长时间怠速，提高了整车燃油经济性和排放性 能。节能减排是目前汽车技术重要任务，快速起停技术可以是车辆在拥堵或等红灯时自 动关闭发动机，当驾驶员踩下离合器或油门或松开制动踏板时又会自动快速起动发动 机。相对与混合动力汽车，快速起停技术能够实现怠速停机功能。2.2 ISG电机起停功能特性分析仿真实验根据华普弱混合动力轿车 SMA7150勺相关发动机和电机参数，运行仿真后可以得到 发动机启动过程转速曲线如图2.1所示。图2.1中：曲线1为电机包转速控制带动发动 机启动，发动机转速到达 800r - min-1 一时开始点火，因为电机处于恒转速控制状态， 当发动机转速超过800r min-1时，电机开始拖曳发动机从而导致发动机到达 l200r min-1 目标转速的时间较长，不利于发动机快速启动；曲线 2的控制过程为ISG电机包转速控 制将发动机拖动至点火转速800r min-1,发动机点火启动，同时，电机转入转矩控制模 式，给发动机提供转矩补偿，补偿转矩由40NJ- m按线性递减至0,发动机自点火开始对 外输出转矩，同时电机予以转矩补偿，使发动机转速迅速升到1400r min1左右，由于电机在发动机转速达到1200r min-1时退出工作状态，发动机已经顺利启动进入自身EMS（engine management system）闭环控制，从该曲线可知，发动机转速很快地稳定到 预定的怠速转速附近，发动机EMS艮据其运行状态，快速进入怠速闭环控制；曲线 3为 1 发动机普通后动万式，由于后动时的加浓喷油，使发动机转速升至150r min左右，此启动加浓过程是发动机启动时排放较差的主要因素。从仿真结果可知，发动机最优的后动方式为曲线2,即由ISG电机通过恒转速控制将发动机拖动至点火转速，发动机开 始点火启动，电机转入转矩控制模式补偿发动机启动时的转矩波动，使发动机在很短的 时问内进入油耗和排放较低的怠速闭环控制。时间Fms图2.1发动机启动过程转速曲线2.3 台架试验根据以上分析的发动机启动特性，结合预定的发动机启动控制策略，通过发动机台 架试验进一步分析和研究发动机的启动性能。该试验同样分为上述3种情况进行对比，转速曲线如图2.2所示。图2.2中：曲线1为电机包转速控制方式，无转矩补偿；曲线 2为电机包转速控制 将发动机拖转到喷油转速 800r min-1,转入转矩控制，电机助力，转矩值为 40NJ- m, 并开始转矩递减，当转速到达1200r min-1时电机助力转矩为0；曲线3为传统启动方 式。5 65 125 1防 245 JQ5 425 485 阴 665对比3种转速曲线可知：曲线3即传统启动方式，转速瞬间超过1400r - min-1,然后 !1200R eoo400再缓慢下降。的训皿图2.2发动机启动过程转速变化促使发动机转速瞬间提升的原因就是过浓喷油，这个过程油耗高、排放差，这是混 合动力必然要解决的问题。曲线 2中800r min至1000r min有一平台期，然后迅速 上升至1400r min-1 一左右，维持一段时间后迅速衰减，出现波谷，然后再缓慢上升。 造成“平台期”的原因是试验中用手动控制喷油信号，可能出现一些延时。但即使用软 件控制，也不可避免有几十 ms的延时。这个延时对启动控制来说不是很重要。曲线 1 中，转速到达800r min-1后，较长时间才升至1200r min-1左右，即不助力的情况下， 会延长启动时间。通过对仿真曲线和试验曲线的对比后发现曲线 2是所需要的发动机启动过程。当然, 如果对电机的补偿转矩再做一下优化，使得曲线 2中的A段平台期缩短，则可以使发动 机启动时既不缺乏动力性又符合平顺性。将喷油转速设定在800r - min-1左右的原因是当发动机开始喷油后，EM*U断直接进入怠速工况的怠速闭环控制， 这时的喷油量很小， 喷油脉宽只有14ms左右，其喷油脉宽的变化与传统方式的比较如图2.3所示。正常自动ISG启动时|现m*酬M前和10图2.3发动机启动过程喷油脉宽图2.3可知，发动机并未出现启动加浓过程，而发动机启动初期排放较差的原因是 由于启动时的过浓喷油，取消了这一过程，就使得发动机的排放大幅下降。2.4 本章小结混合动力汽车ISG电机在混合动力汽车启动时减少了汽车发动机加浓喷油的过 程，从而节省了由于汽车发动机启动时加浓喷油过程所浪费的燃油量。第3章ISG混合动力汽车加速扭矩补偿特性分析混合动力汽车在节能减排方面体现了巨大的优势，成为当前的研究热点。对于混合动力汽车，为提高燃油经济性和降低排放，一般通过优化发动机稳态策略使发动机工作 在高效区，电机起消峰填谷作用。汽车在加速工况时，由于油门踏板突变，此时发动机 处于瞬态过程，ECU会立刻加浓喷油来满足整车动力性要求。而对于废气涡轮增压柴油 机来说，当发动机处于瞬态过程时，由于废气涡轮增压器叶轮的惯性造成进气明显滞后， 因此在加速过程中会导致排放和燃油消耗的上升。高压共轨增压柴油机可以通过发动机 瞬态工况优化来避免这种加浓喷油现象的发生，而装用增压柴油机的ISG混合动力汽车 在加速过程缺失的动力可用电机助力来弥补， 通过电机助力可以使发动机尽快达到稳态 工况，缩短过渡工况时间。本研究针对这一问题制定了混合动力汽车加速扭矩补偿策略， 并进行了仿真研究。3.1 加速过程扭矩分析共轨燃油系统的工作流程见图 3.1。对于废气涡轮增压柴油机来说，当发动机处于 加速工况时，废气涡轮增压器叶轮的惯性造成进气存在着明显的滞后性，因此，为保证 加速过程中的燃油经济性和排放性， 在加速过程中就必须相应地根据进气量对发动机进 行油量限制，在此过程中 TeTd_req（Td_req为驾驶员扭矩需求，t为实际发出的扭矩），因 此加速扭矩不足，从而影响了整车的动力性.图3.1共轨燃油系统的工作流程简图3.2 加速扭矩补偿策略研究表明，发动机扭矩变化的时间常数明显大于电动机扭矩变化的时间常数，所以汽车加速时，可以实时采集整车需求扭矩与发动机的实际输出扭矩，不足部分可用电机进行动态补偿。扭矩协调控制算法为“离合器输入端需求扭矩一发动机的实时扭矩+电 动机的扭矩补偿”，这就需要实时反馈发动机的动态扭矩，可以通过发动机平均值模型 估算发动机扭矩来解决，发动机模型的输人参数为发动机运行过程中通过传感器实时测 得的发动机转速和油门位置，通过发动机平均值模型就可以计算发动机实时发出的扭矩。动态扭矩补偿控制算法见图3.2发动机的发动机扭用日殛矩*爨傕率世上十班也啊发动机总车控制器发动机扭矩f发动机平均他模出件线低寸I 驾驶员！北的玷 1扭矩需求扭地分扭矩需 *配皴略电机L汽泵工况队副图3.2动态扭矩协调策略算法3.3 驱动扭矩需求Td-rep的确定。Td-rep反映了驾驶员对车辆驱动扭矩的需求，在车辆行驶过程中，驾驶员的扭矩需求主要是由基于油门位置和转速的驾驶特性MAP图（见图3.3）来确定。1（0 20%图3.3驾驶特性图E1r逋纪与漏期3.4电机目标扭矩Tm-tar的确定在车辆加速过程中，可以通过电机驱动助力来弥补整车需求动力，电机的目标扭 矩为当Tm-tar大于Tm-max。（Tm-max为电机的最大输出扭矩）时，受电机功率限制，期望扭矩超过了电机的驱动能力，电机无法提供期望驱动扭矩，此时电机的目标扭矩为(3.(2)T ,vtr当Tm-tar小于等于Tm-max时，电机完全有能力提供所需要的期望扭矩，电机的目标扭 矩为(3.(3)随着时间t逐渐增加，Tm-tar会逐渐变小，直到满足边界条件 Tm-tar小于Td-rep（6为 扭矩补偿结束条件系数，6=4% ）时，电机便停止扭矩补偿。3.5发动机实时扭矩Te的估算通过在Matlab/simulink环境下建立发动机的平均值模型来反馈发动机的实时扭矩，平均值模型见图3.4埴气机通包科回田中 n Wll=* Mi I褐轮机tfltrps动力坏?图3.4发动机平均值模型3.5 . 1压气机模型采用simulink设计压气机模块时，输入量为增压器的转速和流量，输出量为空气 出口的压力、温度及压气机消耗的扭矩，它们可由下面公式计算：T3 = T 1 + /NR -1,丁晔 = J r-r 咨9眸瓦丁】【方（/号-13*7： 后一上 外（3.1）式中，T2为压气机出口温度，T1为环境温度，砰为压气机效率，k为气体比热容比，Ttqc 为压气机消耗的扭矩，nc为压气机转速，qmc为增压器进气流量，Rg为气体常数，Pz为压气机出口压力，P1为环境大气压力，b为增压比。废气涡轮机的模型与压气机模型类似。3.5.2 增压器动力学模型本模型中，不计摩擦损失和散热损失，认为涡轮机发出的扭矩全部用于压缩空气，则由牛顿第二定律可得增压器转子的转动平衡方程(3.2)式中，Jtc为增压器转子的转动惯量，ntc为涡轮机转速。发动机动力学模型与增压器动 力学模型类似。3.5.3 中冷器模型(3.3)A k (V/(4jt) 4式中，Ttqi为指示扭矩，Hhiv为燃油的低热值，qf为燃油质量流量，Ff为平均摩擦力， Vm为活塞平均速度，Ttqf为摩擦扭矩。3.6 仿真结果图3.4模型中的信号发生器用来模拟油门位置的突变过程（即加速过程），阶跃信号发生器ML用来模拟外界负载的变化。仿真初始值的设置：初始转速为1100r/min,外界负载ML为185.5 N m,油门开度为40%。仿真时油门开度的变化见图3.5,在仿真 进行2s时，油门开度由40%突变为75%并保持到仿真结束。图3.6示出有加速扭矩补 偿和无加速扭矩补偿时的发动机转速仿真结果。在外界负载固定为185. 5N ITI时，仿真进行2 s时，由于油门开度由40%突变为75%,此时发动机从1 100 r/min加速并 最终稳定在2338 r/min,从仿真结果可以看出：没有加速扭矩补偿时，当仿真进行8S时达到稳定转速，有加速扭矩补偿时，仿真时间为 5s时达到稳定转速，缩短了加速时间。图3.7示出了加速过程中需求扭矩和发动机实际扭矩的仿真结果，在2s时由于油门突变，需求扭矩也相应从185. 5N m突变为371N m,加速过程中发动机实际扭矩小 于需求扭矩。图3.8示出电机补偿扭矩的仿真结果，由于电机扭矩的补偿，使得发动机 实际扭矩与电机扭矩之和满足了需求扭矩，大大缩短了加速时间。1l4-6时间国去二更图3.5油门开度变化图3.7发动机扭矩仿真结果需求担矩一发动机扭矩*电机扭矩02 4 - 6时间wo 400 E 漕 量.图3.8电动机扭矩的仿真结果-2003.7 本章总结通过对装备废气涡轮增压共轨柴油机的ISG混合动力汽车的瞬态加速扭矩补偿控制 策略的研究，可以在满足整车动力性的同时，改善混合动力车的燃油经济性.通过电机 在加速时进行加速扭矩补偿，可以大大缩短加速时间，在满足经济性和排放性的同时提 高了加速性能；经过电机的加速扭矩补偿后，发动机与电机的扭矩输出可以实时满足扭 矩需求，在标定驾驶特性MAP图时就有了更大的灵活性。第4章ISG混合动力系统的结构设计与参数匹配ISG混合动力系统设计初期要解决的问题是系统结构的选择和动力部件的匹配。本课题是以某一原型车的车体为基础进行的，原车的发动机被取走，但车身和离合器 和变速器等部件被保留。本章介绍ISG混合动力系统的几种典型结构，对其主要的性 能特点进行分析，根据其功能要求，确定本课题的结构组成；以满足动力性和燃油经 济性目标为前提，利用参数匹配的基本原理和方法，对确定的ISG混合动力系统进行部件选型和参数的初步匹配。4.1 ISG混合动力系统结构选型ISG 混合动力系统中，ISG电机的功率比发动机功率要小得多，即整车混合比较 小，而ISG电机的体积也不大，这样的特点使得 ISG系统布置自由度较大，因此，可 以根据整车结构的安排需要灵活安排电机的位置，一般不至于对整车的结构安排造成 很大影响。在实际应用中，根据不同汽车的整体布置结构ISG与发动机的连接有直接和问接两种方式。其中的直接方式是指发动机与 ISG电机同轴，工作时二者的输出扭矩在同一轴上耦合，经过耦合后的总转矩输入到变速器沿传动轴传送到驱动轮驱动汽车行 驶。这种联接方式中，发动机和ISG电机之间一般装有离合器，在必要时用来切断发 动机和ISG电机的动力传输。直接式结构的主要特点是：结构紧凑、耦合直接，传动 效率高，但由于电机布置在发动机和离合器之间，对于改装车容易受到整车布置结构的限制。直接式ISG混合动力系统的结构简图如图4.1所示图4.1直接式ISG系统结构示意图图4.2间接式ISG系统结构示意图间接方式中发动机与ISG电机一般通过皮带联接，也称为 BAS (belt-driven alternator starter ),其结构简图如图4.2所示。间接式联接多用于传统汽车的改装，其主要特点 包括：1、布置灵活，可以根据原车的空间布置找到合适的电机安装位置，使其能与发 动机通过皮带连接传输动力，不需要对原车的结构做大的改动，降低了改装成本；2、皮带具有质量轻的特点，与齿轮传动相比，大大降低了动力总成的质量。但皮带弹性较 大，影响了发动机和电机间的动力传输效率，造成一定的能量损失。上面简单介绍了 ISG混合动力系统的不同结构及其特点，具体结构方式的选定还 需要考虑经济性要求等因素。考虑到本课题整车的布置空间较大，衡量各种因素，最 后确定使用直接联接的结构方式。电机直接连接到发动机曲轴输出端，电机转子与发 动机曲轴周结，取代了发动机飞轮和原有的起动机与发电机。4.2 动力总成的选型课题中需要选择的动力部件是与整车性能关系最大的发动机、ISG电机和动力电池三大部件。本节主要根据ISG混合动力汽车的工作特性要求对动力元件的选型方案 进行分析。动力部件的选型与ISG混合动力汽车控制策略有很大的关系，关于控制策略，本 文将在以后的章节里专门讨论，这里不再深入探讨。发动机是混合动力汽车的关键零 部件。与传统汽车不同的是，混合动力汽车用发动机不要求过高的比功率和很好的动 态响应特性，在设计和匹配时，可以按最高热效率的原则进行，从而可以进一步提高 发动机效率。在并联式混合动力汽车中通常采用由发动机提供车辆行驶平均动力，动 力电池组一电机系统提供辅助动力的控制策略。在这样的控制策略下，汽车行驶的大 部分时间里由发动机为汽车提供主要行驶动力，能够承担主要驱动力。混合动力汽车 中发动机处于频繁的 开关”状态，因此要求发动机的控制策略比较成熟并容易改进。另外在选择发动机时还要考虑发动机的噪声和振动、可靠性、使用寿命、维护成本、 运行成本以及安全性能等因素。发动机的种类多种多样，根据目前的资料，应用于混合动力汽车的发动机主要有： 汽油机、柴油机、转子式发动机、燃气轮机、斯特林发动机等。这几种发动机各有优 缺点，作为HEV的车载动力源，虽然都有一定的应用价值，但是从内燃机的发展历 程看，汽油机和柴油机的技术已经非常成熟，而且应用范围最广，在采用了先进的制 造工艺和先进的电子控制技术以后，其热效率、机械性能、排放性能、尺寸及成本等 综合性能较高，因此在目前成熟的 HEV中大多仍采用这两种发动机。当然汽油机和 柴油机由于在性能、尺寸和成本等方面的不同，适用的具体车型也有一定的区别。鉴 于此，本文选择四冲程柴油发动机作为ISG混合动力系统的主动力源。ISG混合动力汽车中的电机作为辅助动力源为汽车提供辅助动力，应同时能够实现双向控制，不仅能为汽车提供辅助动力，同时还能够实现发电机的功能，把多余的 能量及时回收为动力电池充电储备能量。电机驱动系统要具有高扭矩密度、宽调速范 围和高可靠性，除此之外还希望具有质量轻、成本低、电辐射小等特点。由于 ISG混 合动力汽车中的电源功率十分有限，因此电机的扭矩-转速特性应根据汽车起动、爬坡、 加速和恒速行驶等不同阶段分为恒扭矩区和恒功率区。在某些行驶工况下（如城市工 况）汽车频繁起停工作区域宽，驱动电机经常运行于低速大扭矩工况，因此电机系统 不但在额定运行时效率要高，并且要有尽可能宽的高效率区。目前在混合动力汽车中 使用的电机主要有直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。其中 永磁同步电机与其他类型的电机相比具有更高的扭矩密度、功率密度和效率，更适合 于混合动力汽车的应用，具有极好的应用前景。在选择电机时还应考虑ISG系统的如下2个特点：1、ISG电机直接安装在发动机曲轴动力输出端， 取代飞轮的作用，拟选用的ISG 电机外形尺寸与普通电机相比应该具有较大的径向尺寸和较小的轴向尺寸，以增加发 动机的转动惯量并使得系统轴向布置更加紧凑。2、ISG电机转子要与发动机曲轴周结，待选电机转子不宜采用励磁绕组，因为 如果径向尺寸较大，励磁绕组在较大离心力的作用下容易松脱，因此电机转子必须为 永磁体。考虑到ISG电机的以上特点，本课题在选择电机时选择了永磁同步电机，其几 何形状为轴向小径向大的圆盘形状。动力电池是混合动力汽车的基本组成单元，其性能直接影响到驱动电机的性能， 从而影响整车的燃油经济性和排放。混合动力汽车对动力电池的性能要求与纯电动汽 车有很大不同，在纯电动汽车中，电池数量多，重量能占整车总重量的30%40% ,因而对电池的功率密度要求较为宽松；而混合动力汽车的电池体积和容量都要小得 多，一般只有纯电动汽车电池的1/151/20 ,因而电池工作负荷大，对功率密度要求 较高。所以通常把动力电池分为电动汽车用的高能量电池和混合动力汽车用的高功率 电池两类，以满足各自对电池的不同要求。车用动力电池在混合动力汽车上应用的最大 特点为非完全充电和非完全放电，电池经常处于充电或放电状态，即经常有能量的 消耗和补充，这会对电池的寿命造成一定的影响。图 2.3给出了铅酸电池（Pb-AGM 和Pb-flooded）、锂离子电池（Li-lon）、锲氢电池（NiMH）三种电池SOC与循环次数 的关系趋向。从图中可以看出，在这三种常用的电池中，锲氢电池的寿命是最长，电 池非完全充放电对锲氢电池的寿命影响不大。锲氢电池还具有很好的耐过充电特性和 良好的使用安全性，具充电效率几乎达到 100%,有利于混合动力汽车的再生制动。 与锂离子电池相比，锲氢电池生命周期内能量成本也偏低（表 2.1）;相比铅酸电池， 锲氢电池具有更高的比能量和比功率，以及接收大电流变化的能力。因此选用锲氢电 池作为储能装置，可以更好地回收制动能量，提高峰值功率，改善瞬态输出特性，进 一步提高混合动力汽车的机动性。基于锲氢电池的诸多优点，本课题最终选用锲氢电 池作为动力电池图4.3各种电池的寿命曲线表4.1电池性能比较噌池炎中能量密度 (Whig)循升次数d 80% DOD能.屏商他(Wh-c cleskg)成本生0周期内能试成本 (1000 Wh-cyclesl/kgNiMH 40403000%1.000.417Li-Ion6525001 JO1200r604.3 ISG混合动力汽车动力系统参数的确定本文需要确定的动力系统参数包括：发动机和ISG电机功率、电池的容量等。在汽车设计初期，确定动力系统参数的方法是：根据现有的整车参数和预期达到的动力性指 标通过汽车行驶方程式对汽车参数进行初步选定，然后综合考虑其他因素最后确定整车的参数。本文原车型保留的整车技术参数如表2.2所示：表4.2原车的整车技术参数项目数值满载总质it初2B5O迎风血积/ (tn2)3.2186滚劭阻力系数人0.015滚动阻力系数力0 020空气町力系数Co0.35机械传动效率仃0.90车轮滚动半衿4m)0 3B5主减速器速比五3.727变速箱速比014 313, 2.330, 1 436, 1 000，0 838)设计的ISG混合动力汽车要求达到的性能指标为：汽车的最高车速要求大于130 km/h ;汽车由静止状态以最大加强速度 (包括选择(4.3)合适的换档时机）力口速至100km/h需要的加速时间小于27s；汽车能够达到的最大爬坡 度大于60% ;汽车以90km/h的速度行驶的油耗小于13.0L/100km。上面所列的性能指标中前三条是动力性能指标，是设计ISG混合动力汽车动力系统参数的主要依据，而第四项指标是汽车的经济性指标，在设计初期可首先不加考虑， 而在以后的参数优化中作为优化的约束条件。CM产21.15汽车动力系统参数一般方法是根据汽车行驶方程式进行初选，混合动力汽车在整 体外观上与内燃机汽车是相同的，轮胎与地面相互作用的力学过程也没有本质的区别， 汽车行驶方程为46:(4.1)A为汽=己 + K + 乙 + F, = mgf cos a + mg sin a +式中：m为整车质量kg; f为滚动阻力系数；a为坡道角；CD为空气阻力系数车迎风面积m2; 6为旋转质量换算系数；g为重力加速度，m/s2 ; a为汽车加速度，m/s2旋转质量换算系数：动力部件参数匹配需要对其功率进行选择，将式2.1转化为功率平衡为:=(制炉 cosq + mg sin a +21.15c . V 1+ oma)*3600 5(4.2)式中：“T为动力系统的传动效率。4.3.1 发动机参数的确定由汽车行驶方程式，根据汽车行驶阻力大小能够确定汽车驱动力或驱动功率参 数。但是由于待定的ISG混合动力汽车属于双能源系统，发动机和电机两个动力源均 能输出驱动动力，如何分配二者的驱动力大小，使整个系统匹配最佳目前没有很确定 的方法，一般方法是根据整车结构预估二者功率。根据 ISG混合动力系统的特点，发 动机是主要动力源，提供主要驱动力，而电机是辅助动力源，只是在必要时提供辅助 驱动力。由此可以确定二者功率参数的匹配原则：发动机功率满足汽车在平坦路面上 以一定的经济巡航车速匀速行驶的需求，电机功率满足加速和爬坡的额外功率需求 按照此原则，由汽车行驶方程式求得的发动机功率为：CdAv2 v _1 21.15 3600在计算发动机功率时，所取的巡航经济车速应该依据汽车的动力性能要求而定。一般来说，经济巡航车速不等于最大车速，因为实际上汽车很少以最高车速行驶，尤 其在我国更是如此。我国城市车辆的平均行驶车速仅在20 30 km/h之间。但如果经济巡航车速取值太小，则发动机功率将偏小，也不符合实际汽车的情况，因为汽车在行驶 时，除了行驶阻力功率以外，还应当加上附件功率（特别是有空调时）、1%2%的爬坡功率裕量和10% （经验值）的充电功率裕量。也就是说，将经济巡航车速简单确定为 一个数值来计算发动机的功率大小是不合理的。综合考虑汽车在行驶过程中的行驶阻力 功率加上空调、坡度和充电裕量，巡航功率P实际是一个功率带。应保证这一功率带穿 越发动机万有特性图上经济性较好的区域。图4.4为某一发动机的万有特性及巡航功率 带示意图。图4.4发动机万有特性及巡航功率带示意图从图4.4中可以看出，在对发动机进行参数匹配时，通过设置功率带可以更好的 反应发动机的工作区间，这样对于提高整车的燃油经济性是有利的。本文在选择系统的巡航经济车速时，考虑到整车系统的特点和预期的行驶功率， 初步确定巡航经济车速为整车要求的最高车速。因为接着还有对发动机参数进行优化 选择，在设计初期按最高车速确定发动机的功率参数合理的。4.3.2 ISG电机参数的确定ISG混合动力汽车由发动机承担主要的驱动功率，加上整车的结构考虑，不需要 大功率的电机。一般来说，随着电机功率的增大，汽车的经济性也会随着提高。但是 随着ISG电机功率的增大，所需电池组数目也必须增多。这样既增加了整车重量，也 增加了整车的制造成本。ISG电机功率的取值应在满足整车节能目标值的前提下，从 经济性和制造成本两方面均衡考虑。在确定ISG电机参数时需要考虑以下几个因素49：在汽车加速和爬坡时助力、确 保发动机起动、与发动机转速匹配和与电池充放电匹配。具体来说，ISG系统要求电机能够短时间（一般不超过 0.4s ）起动发动机点火，因此要求电机必须具有低速大转 矩的特性以提供启动转矩克服发动机起动阻力矩；功率补偿要求在汽车加速或爬坡需 要大功率时电机能够提供一部分功率，弥补发动机功率的不足，因此要求电机具有较 大的峰值功率；另外，由于ISG电机需要与发动机在同轴上耦合，电机的转速也需与 发动机匹配。根据ISG电机工作条件，需要确定的ISG电机的参数包括：额定功率、 最大转矩、额定转速、最大转速。ISG电机的最大转矩Tm_max主要用于满足汽车的爬坡度要求，计算如下：mgf cos a + mg sin a + ：(4.6)(4.4)确定ISG电机的额定功率主要考虑的因素有：当发动机工作状况很差时，电机可 以短时间驱动汽车行驶，另外汽车加速时和爬坡时需要提供辅助功率驱动汽车行驶。 由于在实际驾驶过程中，驾驶员一般不会在爬坡的时候加速，因此汽车很少同时出现 加速和爬坡两种工况，这样在估算 ISG电机额定功率的时候可以分别估算，最后取二 者之间的最大值作为估算值。这样计算的电机功率值一般较大，能够包含纯电动驱动 的功率需求，根据汽车加速确定的电机额定功率为:2 所 na 一(4.5)吟叩 3600 %根据汽车爬坡确定的电机额定功率为:. v I吃皿=喧*3600 5ISG电机的额定功率为:(4.7)匕_ = max（片叩，冬叫）ISG混合动力系统中，ISG电机与发动机在同轴上进行转矩合成，工作时电机与发动机之间转速比为1, ISG电机的最大转速应等于或大于（主要考虑 ISG电机的功率储 备）发动机最大转速，即：(4.8)式中：nm_max、ne_max分别为电机和发动机最大转速。适用于电动汽车的电动机外特性为：在额定转速nr以下，电动机以恒转矩模式工作，额定转速nr以上，以恒功率模式工作。电机的最高转速与额定转速的比值，称为 电机扩大恒功率区系数P 50。对电机参数影响很大，在最大转速确定的基础上，随B 值增大，额定转速越低，对应的电机额定转矩越高。考虑到 ISG电机在低速时需要大 转矩起动发动机，因此 B值可以取的大一些。但是随着值的增大，对电机支撑要求也随之增大。另外，大转矩需要较大的电机电流和电子设备，增加了功率变换器矽钢片 的尺寸和损耗，所以必须协调考虑选定的发动机起动所要求的电机最大转矩和电子设备损耗来最终确定电机的B值大小。就目前来看，扩大恒功率区系数B 一般选择在46 之间。确定了 B值后，电机额定转速为：(4.9)4.3.3 电池参数的确定ISG 混合动力系统中，由于ISG电机功率较小，相应电池的容量也可以较小，但由于电池充放电很频繁，因此对电池充放电性能要求较高。电池参数的选择包括电压 等级和电池容量的选择。在电机控制中通常采用IGBT做为功率变换器（逆变器）中的通断开关，电池最大 充电电压为51-52:(4.10)式中：Unax_IGBT为逆变器暂态的最大过电压；炉为逆变器暂态的最大过电压与充电直流 电压之比，这是一个经验值，取值范围是 1.5到2。这样由电池充电上限电压和额定电 压之间的比值”可计算出电池额定电压 U为：(4.11)电压等级过高对系统的绝缘要求也大大提高，同时电池组串联的单体数量增多, 对电池一致性要求也增加。根据国内外混合动力汽车的开发经验，目前开发的混合动 力汽车电压等级一般都在400V以下电池组容量的选择应视具体混合动力汽车驱动系统布置、工作模式和控制策略而 定。但确定方法比较复杂，首先应选定一种具有代表性的汽车行驶循环工况，对所设 计的动力部件参数进行动态模拟，电池组的容量应使电池组的荷电状态值SOC在整个动态变化过程中处于适当的范围之内。对电池组容量的初步选择可只以功率需求确 定，对于ISG汽车来说，电池组的主要作用还是作为一种能量调节装置，因此其容量 大小应满足汽车行驶过程中的ISG电机的最大峰值功率需求（P m_max ）。由于电池组 在提供峰值功率的状态下，其放电效率（“d ）比较低，因此实际电池组的容量应按能 提供Pm_max /qd的功率选取。根据上述参数匹配方法，根据要求达到的动力性指标，初步确定了各部件的参数， 具体如下：发动机功率92kW; ISG电机额定转速1700rpm、额定功率16kW;最大转速大于 4000rpm ;电池额定电压大于 280V,电池容量8Ah 。4.4 动力系统部件参数的优化根据2.3节的方法，能够得到发动机、电机、电池功率等相关主要参数值，但是 仅仅根据这个结果选择发动机、电机、电池等参数，只能得到满足混合动力汽车动力 性能要求的匹配参数，而按照动力性能要求得到的匹配参数未必就是汽车燃油经济性 的最佳匹配参数。实际上对于混合动力汽车这种复杂的动力系统，影响汽车燃油经济 性的因素很多，并且各种因素往往交织在一起，必须分析清楚各部件参数在怎样的组 合下才能使整车燃油经济性最优，这也是本文 ISG混合动力部件系统参数匹配的主要 目的。本节将在2.3节动力部件参数初步匹配的基础上，探讨 ISG混合动力动力系统 参数优化的问题，通过优化，最终确定整车的各动力部件参数。目前，动力系统参数优化一般借助于仿真设计。通过设置不同参数组合，借助于 仿真模型，对仿真结果进行分析确定最终的参数。不过如果参数组合很多，这种方法往往费时费力，很难找到最佳结果，需要寻求一种更简便、直观的设计方法降低仿真 次数。本文根据正交试验设计原理，采用正交优化方法对ISG混合动力汽车动力部件参数进行优化，缩短了优化时间，大大提高了优化效率。特别需要说明的是，动力系统参数优化和控制策略优化是一个交互的过程，本文 为介绍方便，将这两部分内容分别叙述，而本章中的动力系统参数优化，也是基于一 定的控制策略进行。本节对动力系统参数的优化采用了基于规则的逻辑门限控制策 略，控制策略的具体内容将在第 4章给出。另外，仿真是在