摘 要

能源的日益短缺和环境污染引起了人们的重视，因此混合动力汽车成为汽车行业发展的一个极具前景研究方向。而控制策略则更加是混合动力汽车的重中之重。它影响着混合动力汽车的结构，决定着混动汽车的排放性。本文即是对控制策略进行一些简单的研究。

本文选取了串联式混合动力汽车作为研究对象。进行了数学建模。利用advisor软件，对其进行仿真建模，将几种不同的控制策略利用advisor软件进行比较分析，得出结论。

本文的研究具有一定的系统性，但是限于外部环境原因，不可能做到尽善尽美，这是后一段时间需要进一步加强的地方。

关键词：串联式混合动力汽车；Advisor；控制策略。

Abstract

The increasing shortage of energy and environmental pollution have attracted people's attention, so hybrid electric vehicles have become a very promising research direction for the development of the automotive industry. Control strategy is the most important part of hybrid electric vehicle. It affects the structure of hybrid electric vehicles and determines the emission of hybrid vehicles. This paper is a simple study of the control strategy.

In this paper, series hybrid electric vehicle is selected as the research object. Mathematical modeling is carried out. By using advisor software, the simulation model is built. Several different control strategies are compared and analyzed by advisor software, and the conclusion is drawn.

This study has a certain degree of systematicness, but limited to external environmental reasons, it is impossible to achieve perfection, which is the need for further strengthening in the latter period of time.

Key words: Series Hybrid Electric Vehicle；Advisor；Control strategy

-

目录

第一章 绪论 1

1.1混合动力汽车的开发背景 1

1.2 国内外的混合动力汽车发展 1

1.2.1 国外的混合动力汽车发展简介 1

1.2.2国内的混合动力汽车发展简介 2

1.3 课题研究内容及意义 3

第二章 混合动力汽车简要介绍 4

2.1混合动力汽车的定义 4

2.2 混合动力汽车的分类 4

2.2.1串联式混合动力汽车 4

2.2.2 并联式混合动力汽车 5

2.2.3 混联式混合动力汽车 5

2.3 混合动力汽车的特点 5

第三章 混合动力汽车的数学建模 7

3.1 串联式混合动力汽车建模 7

3.2 车辆动力学平衡方程 7

3.3 发动机数学建模 8

3.4 电动机的数学建模 9

3.5 蓄电池的数学建模 10

第四章 基于Advisor的串联式混合动力汽车的模型建立 11

4.1 Advisor软件简要介绍 11

4.2 Advisor界面 11

4.3 Advisor的功能 13

4.4 系统模型的建立 14

4.4.1 汽车整车模块 15

4.4.2 燃料转换器模块 16

4.4.3 电机/控制器 16

4.5 选取的仿真对象参数 17

第五章 串联型混合动力汽车控制策略研究 19

5.1串联式混合动力汽车的控制策略简介 19

5.1.1功率跟随式控制策略 19

5.1.2 恒温式控制策略 19

5.1.3 复合控制策略 20

5.2 循环工况的选择 20

5.3 加速试验测试 20

5.4 爬坡性能测试 21

5.5 整车性能仿真分析 23

5.6 对于串联式混合动力汽车的控制策略研究 23

5.6.1 燃油经济性仿真 23

5.6.2 电动机输入功率比较 23

5.6.3电池SOC变化值的对比 25

5.6.4 发动机输出扭矩的比较 27

5.7 研究结论 28

第六章 全文总结与未来展望 29

6.1 全文总结 29

6.2下一步工作方向 29

参考文献 30

致谢 31

第一章 绪论

1.1混合动力汽车的开发背景

现在汽车在我们的生活中随处可见并扮演着不可或缺的角色，世界上最早的汽车——一辆三轮汽车是德国人卡尔奔驰在1886年设计生产出来的，慢慢的汽车工业的发展在历史中走过了133年。截止到2011年8月，世界汽车的数量已经达到十亿多辆，几乎每隔15年翻上一番。汽车的发展为人类文明做出了巨大的贡献，与人类的日常生产和生活已经密不可分，同时汽车工业也是当今世界最重要的部门之一，是大多数国家的支柱产业。

然而，随着汽车工业的不断发展，也给人类带来了不可忽视的环境问题。作为市区最大的污染源，汽车尾气不仅仅是对我们的生活环境有着极大的损害，同时也对我们的身体健康存在着极大的影响。国家法律限制的内燃机排放物不仅仅有我们熟知的颗粒物，还包括了CO；HC以及氮氧化物。CO会跟我们血液中的运输氧气的血红蛋白结合产生一种叫做碳氧血红蛋白的物质，而这种物质会抑制氧合血红蛋白的合成，阻止氧气向我们身体组织的运输。HC里包含了很多种成分，里面的一些成分如烯烃，会和氮氧化物在紫外线的作用下形成对人类伤害极其严重的光化学烟雾^[1]。颗粒状PM物质是我们所熟悉的，它会长时间悬浮在大气中而不会沉淀，这将会渗入人体肺部并导致机械过载。因此，排气后处理装置应运而生。三效催化剂（Three-Way Catalitic Converter 缩写为TWC）是最成功的汽车催化剂，但它只能减缓空气污染而无法治愈同时能源的储备也是一个大问题，于是新能源汽车成为了时代的必经之路，成为人们研究的焦点。然而因为电池的能量密度，充电时间，价格，电池寿命等技术性原因，纯电动汽车迟迟无法取得突破性进展。燃料电池电动汽车的发展无比迅速，虽然跳出了卡诺循环，发电效率可达50%~70%，却依赖于贵金属用作催化剂，成本太高，不易于民用，而其他关键技术如氢能源的制备等方面的技术有待解决，制约其发展^[2]。因此，混合动力汽车当仁不让的起到了一个在传统燃油车和新能源汽车之间过渡的完美车型。在目前看来有着极为开阔的市场前景。

1.2 国内外的混合动力汽车发展

1.2.1 国外的混合动力汽车发展简介

随着时间的发展，人们慢慢意识到混合动力汽车的广阔的市场前景和发展前景，国内外纷纷开始了对混合动力汽车的研究。截止到目前，日本对混合动力汽车的研究应当是处于世界领先范围。其中最有代表性的当属丰田Prius。截止至目前，Prius已经推出了四代。一代NHW10（1997~2000）二代NHW11（2000~2003）三代XW20(2003~2009)四代XW30(2009~现在）。截止至2017年一月，Prius在全球90多个地方或地区销售。销售Prius家族共计约611万辆。Prius主要有两个电池组，一组高压电池，也称为牵引电池；一组低压电池。低压电池是启动汽车和为计算机提供初始电源所必不可少的。第二代普锐斯包含一个由28个模块组成共计1.310KW·H的电池。每个电池模块由6个单独的1.2 V 6.5 Ah棱镜式NiMH电池串联构成7.2V6.5Ah模块构成。计算机控制的充电控制器和电池管理计算机系统将电池的充电状态保持在38%到82%之间，平均充电状态保持在60%左右。通过浅层循环，电池的可用储能能力只有一小部分可供混合驱动系统使用(约400 WH)，但浅层计算机控制的循环大大提高了电池的循环寿命、热管理控制和电池的净长期日历寿命。该电池的主动冷却是通过鼓风机电机和风管，而被动式热管理是通过金属外壳设计完成的。除了丰田公司的Prius，本田公司的Insight混合动力汽车和Civic混合动力汽车都取得了较大的成功。

美国在1993年的时候，由能源部和美国通用、福特、克莱斯勒三家公司的老板签订了关于混合动力汽车开发的合同，正式开始了对于新能源汽车的研究^[3]。该合同制定了十年的研究计划，目标是研究出大概油耗量在3L/100km的低油耗汽车。在2002年前，三家公司都研发出了油耗量在3L/100km的混动汽车。1998年，通用公司推出了一款混联式的概念车——GM Percept。同年克莱斯勒公司也研发出了一款串联式的混合动力汽车——道奇无畏ESX2。采用了铅酸蓄电池和1.5L的直喷柴油机带发电机。在2001年的时候，福特公司也推出了混合动力概念车Escape。2002年，由于新车生产成本较高的原因，无法满足用户的需求，该合同被终止。然而在2004年的时候，福特公司和克莱斯勒公司决定在混合动力汽车研发领域开启合作模式，共同推进该项技术的进步。迄今为止，美国的混合动力汽车已经百花齐放。如福特蒙迪欧混动版，别克君越，林肯MKZ，雪佛兰迈锐宝XL混动版等。

谈起欧洲的混合动力汽车，就不得不谈起欧洲混合动力汽车的先行者——奥迪。当奥迪的混合动力汽车已经来到了第三代的时候，如今风靡全球的丰田Prius才刚刚在日本问世。早在1989年的时候，奥迪就推出了自主研发的第一款并联式混动汽车——Audi Duo，面向市场销售。1991年，推出了第二代Audi Duo并于6年之后推出了第三代，同时提出了“插电式混合动力”这一具有前瞻性的概念。在2009年的时候，奥迪宣布开始量产Q5 Hybrid车型。2013年，A6/A8L混动版在国内上市。如今e-tron已经成了奥迪的一项重要发展计划。不仅仅只有混动，还有对增程式电动汽车，纯电动汽车等。

1.2.2国内的混合动力汽车发展简介

与国外相比，我国混合动力汽车起步较晚，然而却得到了国家的大力支持。早在2001年，电动汽车的研究就被纳入了“十五”国家863计划专项。该计划旗下的混合动力汽车计划的研究分为混合动力电动轿车和混合动力电动客车两个项目^[4]。其中混合动力电动轿车的研究由一汽；东风；奇瑞；长安四家公司主导，而混合动力电动客车由一汽和东风承担。十五期间研发出的混合动力电动轿车性能如表1.1所示：

表1.1-混合动力电动轿车性能表

混合动力电动客车性能如表1.2所示：

表1.2-混合动力电动客车性能表

如今我国正大力支持混合动力汽车的开发与购买，混合动力汽车的发展也迎来了新的春天，发展势头锐不可当，目前也已经取得了一定的成绩，然而与国外相比，我国起步晚，还有很长的一段路要走。

1.3 课题研究内容及意义

目前有很多研发混合动力汽车的公司，然而没有研发出经济性能均达到理想化的混合动力汽车。这样使得开发成本与理想中还是有较大差距， 因此，要研发出技术更成熟油耗量更少的混合动力汽车。于是控制策略成为了重中之重。本文的内容如下，

1. 简要介绍三种混合动力汽车的动力总成结构。
2. 选取目标车型，根据整车参数及其他要求，进行发动机电动机的参数设计，保证每个参数相匹配，并尽可能地在较为经济的工况下进行工作。
3. 简要介绍美国仿真软件advisor。
4. 进行建模仿真，并利用advisor进行控制策略的研究
5. 得出结论。

第二章 混合动力汽车简要介绍

2.1混合动力汽车的定义

混合动力汽车是指车辆的驱动系由两个或两个以上的能同时运转的单个驱动系组合而成的车辆。然而在现实生活中我们所说的混合动力汽车一般都指的是油电混合式汽车，实际上还包括了柴油机与蓄电池混合；蓄电池和飞轮混合等。油电混合包括汽油——电动混合动力（非插件）和汽油——电动混合动力（插件）。非插件式的主要代表例如丰田的THS混合动力系统，本田的i-mmd混合动力系统等，插件式的主要代表例如代表有宝马i8，保时捷918等；还有柴油机与蓄电池混合；蓄电池和飞轮混合等。

2.2 混合动力汽车的分类

现代混合动力汽车主要分为三大类，串联式混合动力汽车，并联式混合动力汽车以及混联式混合动力汽车。

2.2.1串联式混合动力汽车

发动机，电动机，发电机和蓄电池组等构件，是串联书混合动力汽车的主要组成部件。发动机通过燃烧燃料，输出机械能带动发电机产生电能，将一部分电能储存进蓄电池中，而另一部分电能则通过电动机和驱动装置达到驱动汽车的目的。同时，在某些特定的工况下，如闹市等地方，蓄电池会直接给电动机供电，实现零污染零排放。与传统汽车相比，发动机在串联式混合动力汽车里面起到的仅仅是一个辅助作用，延长汽车的行驶时间。由于发动机仅仅起到将生物质能转化为机械能的作用，与传动装置等后续控制汽车的设备无联系，很大程度上的减少了受行驶工况的影响，因此控制发动机在燃油经济性较高的区域内工作并不困难。同时由于发动机在燃油经济性高区域内工作，因此串联式混合动力汽车的尾气排放与传统燃油车相比对环境污染并不是很严重，可以将其控制在最低范围内。从总体上看，串联式混合动力汽车结构较为简单，主题只有三大部分，同时也易于控制，然而生物质能通过发动机转化为机械能，再经过发电机转化为电能。再由电动机驱动汽车运转。因此里面存在着多重能量转换，不可避免的造成能量损失，使得能量转化总的效率不会太高。串联式混合动力汽车多见于客车。这是因为不管是发动机发电机或者是电动机蓄电池，它们的体积都很大，在中小型汽车上安装存在一些困难，这也是限制了串联式混合动力汽车发展的一个原因。不过总的来说，串联式混合动力汽车的驱动机理跟纯电动汽车类似，发动机只是一个辅助作用。

2.2.2 并联式混合动力汽车

顾名思义，并联式混合动力汽车如同并联电路基本原理一样。并联式混合动力汽车存在着两个独立的系统——发动机和电动机。它们两者都可以起到驱动汽车的作用，在汽车需求更强劲的功率的时候，发动机和电动机会一起供给汽车所需求的功率。从本质上来讲，发动机作为主要驱动汽车前进的驱动设备，电动机起辅助作用。因此，并联式混合动力汽车与传统内燃机汽车更类似。由于两个系统均可向汽车提供动力，因此可以适当降低发动机和电动机的功率。减小其质量尺寸等，因此并联式多用于汽车上。这个并联式的优点也成为了它的缺点，由于存在了两套控制系统，且均可以直接驱动汽车，使得发动机的优化变得复杂，对能量管理系统的要求变得更高。在蓄电池电量不足甚至亏电的时候，发动机可以增加负荷，一部分驱动汽车前进，而另一部分输入进电动机中，此时电动机转化成发电机，将机械能变成电能储存进蓄电池中。

2.2.3 混联式混合动力汽车

同串联式混合动力汽车与并联式混合动力汽车相比，混联式混合动力汽车的主要组成部件是一样的，包括发动机，电动机，发电机，蓄电池等。混联式混合动力汽车综合了二者的优点。在汽车低速行驶的时候，汽车采用串联式混合动力汽车的工作方式，当汽车高速行驶的时候，则会采用并联式混合动力汽车的工作方式。混联式混合动力汽车最显著的特点是功率分配。发动机发出的功率会根据行驶的工况对用于汽车前进和给蓄电池组充电两者进行比例分配。所以混联式的动力系统比另外两种混动汽车更加复杂，成本也会更高。当汽车低速行驶的时候，发动机输出的功率全部用于给蓄电池充电，汽车加速是择优蓄电池和发动机一起提供动力，正常行驶时则全部由发动机来提供动力。因此混联式混合动力汽车的能量利用效率高于另外两种混合动力汽车。混合动力汽车正逐渐成为现今社会混合动力汽车的一个发展趋势。

2.3 混合动力汽车的特点

与传统燃油车相比，混合动力汽车有如下优点^[5]。

1. 混合动力汽车会在人流量较多的地方采用纯电动的方式驱动车辆，如繁华路段。学校等地方。从而使汽车的排放对环境造成零污染。
2. 混合动力汽车中发动机的工作区间是可以通过控制策略进行控制的，因此可以使得发动机限定在最佳工作区域附近进行工作，不仅提升了燃油经济性也减少了汽车的尾气排放，更使得发动机的使用寿命得到提升。
3. 在汽车遇到突发情况进行减速或者制动的时候，电动机会用作发电机并回收部分能量，是的汽车的能源消耗量和对大气的污染都有所减小。

与纯电动汽车相比，混合动力汽车具有如下优点^[6]。

1. 由于发动机的存在，会有生物质能转化为机械能给汽车提供能量，使得电动机的压力不会太大，减少了电池组的数量，变相减轻了电池组的重量，使得汽车自重降低，提高了汽车的动力性。同时由于发动机的存在，汽车的续航能力也得到了提升。
2. 由于存在了发动机的动力，一些辅助电器因此不用消耗电池组的能量，如空调，转向助力等。从而提升了汽车的续航能力，也使得驾驶员及乘客有了更好的体验。

第三章 混合动力汽车的数学建模

3.1 串联式混合动力汽车建模

本文的研究对象为城市运行的串联式混合动力汽车，它的结构示意图如图3.1所示。在串联式混合动力汽车中，发动机做功，一部分机械能通过电动机将机械能转化为电能，将其储存于蓄电池组里面，另一部分直接驱动汽车前进。在某些工况下，也可由蓄电池组直接驱动汽车前进。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：