ISG電機(jī)特性分析畢業(yè)論文要點(diǎn)

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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)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

2、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；采用直流永磁無(wú)刷電機(jī)，具峰值功率約 為 10?15 kWA 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

3、 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^采用電化學(xué)電池，包括鉛酸電池、 鍥氫電池、銀離子電池和鈉硫電池等，具技術(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(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

4、示。 CAN總線 :蘇曉源； |動(dòng)力總成| :管界系及： I I | 您G/氟瓶 j j電池捐子系統(tǒng)i 12V用電系統(tǒng) J 一 U _ U H _ h - — ~，一 ? 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)子要與曲軸周結(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外掛盤式電機(jī)與發(fā)動(dòng)

5、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，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

6、時(shí)，ISG在0.1?0.2 s起短時(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 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

7、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犯上。 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) 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

8、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)

9、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) i 000 2 000 3000 4 000 5000 6 000 N (r/min) 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

10、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(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)

11、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(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勺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)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

12、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

13、.3L汽油機(jī)+5速手動(dòng)變速器+10kW電機(jī)+144V鍥氫電池”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專換器。最高穩(wěn)定車速》180km/h,0?100km 加速時(shí)間011.3s,加速行駛時(shí)車外最大噪聲071dB,在城郊綜合工況下油耗 4.95L/100km。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(yǎng)-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0 12.8s,在城郊綜合 工況下油耗為6.3 L/100km ,排放達(dá)到歐IV

14、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% 排放已達(dá)歐田標(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犯 內(nèi)，加速性能與同檔次的汽車相當(dāng)，續(xù)駛里程大于 500kmi最大爬坡度可達(dá)25% 吉利華普海尚MA御尚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

15、.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流右。 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)，具結(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

16、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?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

17、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，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。

18、(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(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

19、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?0.2s）將內(nèi)燃機(jī)力口速至怠速轉(zhuǎn)速（例如800r/mi

20、n）,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起短時(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

21、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勺相關(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)包轉(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)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)包轉(zhuǎn)速控

22、 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40NJ- m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 ? min1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艮據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)，快速進(jìn)入怠速閉環(huán)控制；曲線 3為 1 發(fā)動(dòng)機(jī)普通后動(dòng)萬(wàn)式，由于后動(dòng)時(shí)的加濃噴油

23、，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至 150r ? min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 后動(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。 時(shí)間Fms 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。

24、 圖2.2中：曲線1為電機(jī)包轉(zhuǎn)速控制方式，無(wú)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償；曲線 2為電機(jī)包轉(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 40NJ- m, 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。 5 65 125 1防 245 JQ5 425 485 陰 665 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 ! 1200 R eoo 400 再緩慢下降。 的訓(xùn)皿 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、

25、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至1000r ? min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(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

26、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，EM*U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。 正常自動(dòng)——ISG啟動(dòng) 時(shí)|現(xiàn)m* 酬M前和10 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

27、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， 因此在加速過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致排放和燃油消耗的上升。

28、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)進(jìn) 行油量限制，在此過(guò)程中 Te

29、q（Td_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(jiǎn)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(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

30、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 發(fā)動(dòng)機(jī)的 發(fā)動(dòng)機(jī)扭用 日殛矩—*爨傕率世上十班也啊 發(fā)動(dòng)機(jī) 總車控制器 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩f發(fā)動(dòng)機(jī)平均他模出 件線低寸I」 駕駛員———！北的玷 1扭矩需求扭地分扭矩需 *配皴略 電機(jī) L汽泵工況隊(duì)副 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Td-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)速的駕駛特性 MAP圖（見圖3.3）來(lái)確定。 —1（—0 —20% 圖3.3駕駛特性圖 E1r

31、逋紀(jì)與漏期 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  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 (3.(2) T ,vtr 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①Td-rep（6為 扭矩補(bǔ)償結(jié)束條件系數(shù)，6=4%

32、）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 埴氣機(jī) 通包科回 ?■田中 ? n ? ■ Wll=* Mi I 褐輪機(jī)tfltrps 動(dòng)力壞? 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： T3 = T] [1 + /[NR -1]], 丁曄 = J ? r-^r ? 咨9眸瓦丁】【方（/號(hào)〉

33、-13* 7＜： 后一上 "外 （3.1） 式中，T2為壓氣機(jī)出口溫度，T1為環(huán)境溫度，砰為壓氣機(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

34、.3 中冷器模型 (3.3) A k <1-e)T2 + Tt △/=( q^n, 戶 3 =%一△2? 式中，T3為中冷器的出口溫度，e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 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. 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

35、整個(gè)轉(zhuǎn)速下的充氣效率曲線， 巾=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： q扁=pi^Vn/l20t pz = pJ&T一 式中，p 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。 (3.4) 3.5.4.3 平均排氣溫度T4 很難通過(guò)熱力學(xué)第一定律精確計(jì)算平均排氣溫度 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒情況比較復(fù)雜， 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)

36、，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 指示熱效率仆 指示熱效率紿是發(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)算小 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

37、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 丁峙=* Ff = 75 + (3.5) Tmf = 1 000/>(V/(4jt) 4 式中，Ttqi為指示扭矩，Hhiv為燃油的低熱值，qf為燃油質(zhì)量流量，F(xiàn)f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 N ? m,油門

38、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)?5%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)?5%,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(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

39、矩也相應(yīng)從185. 5N ? m突變?yōu)?71N ? m,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。 1 ? l 4- 6 時(shí)間 國(guó)去二更 圖3.5油門開度變化 圖3.7發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩仿真結(jié)果 ■■■需求擔(dān)矩 一發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩 ???*?電機(jī)扭矩 0 2 ~ 4 " - 6 時(shí)間 wo 400 E ■ 漕 量. 圖3.8電動(dòng)機(jī)扭矩的仿真結(jié)果 -200 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

40、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(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，

41、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)的連接有直接和問(wèn) 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

42、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 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

43、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。考慮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)

44、機(jī)曲軸周結(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(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)

45、動(dòng)機(jī)提供車輛行駛平均動(dòng)力，動(dòng) 力電池組一電機(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?；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

46、，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

47、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)?，?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

48、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)曲軸周結(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

49、經(jīng)濟(jì)性和排放。混合動(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

50、（Pb-AGM 和Pb-flooded）、鋰離子電池（Li-lon）、鍥氫電池（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，鍥氫電池的壽命是最長(zhǎng)，電 池非完全充放電對(duì)鍥氫電池的壽命影響不大。鍥氫電池還具有很好的耐過(guò)充電特性和 良好的使用安全性，具充電效率幾乎達(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，鍥氫電池生命周期內(nèi)能量成本也偏低（表 2.1）;相比鉛酸電池， 鍥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。因此選用鍥氫電 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

51、車的機(jī)動(dòng)性。基于鍥氫電池的諸多優(yōu)點(diǎn)，本課題最終選用鍥氫電 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 噌池炎中 能量密度 (Whig) 循升次數(shù) d 80% DOD} 能.屏商他 (Wh-c> cleskg) 成本 生0周期內(nèi)能試成本 (^1000 Wh-cyclesl/kg NiMH 40 40 3000 % 1.00 0.417 Li-Ion 65 2500 1 JO 120 0r60 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

52、 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) 項(xiàng)目 數(shù)值 滿載總質(zhì)it初 2B5O 迎風(fēng)血積/ (tn2) 3.2186 滾劭阻力系數(shù)人 0.015 滾動(dòng)阻力系數(shù)力 0 020 空氣町力系數(shù)Co 0.35 機(jī)械傳動(dòng)效率仃 0.90 車輪滾動(dòng)半衿4m) 0 3B5 主減速器速比五 3.727 變速箱速比0 14 313, 2.330, 1 436,

53、1 000，0 838) 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 (4.3) 合適的換檔時(shí)機(jī)）力口速至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。 CM產(chǎn) 21.15 汽車動(dòng)力系統(tǒng)

54、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)程也沒有本質(zhì)的區(qū)別， 汽車行駛方程為[46]: (4.1) A為汽 =己 + K + 乙 + F, = mgf cos a + mg sin a + 式中：m為整車質(zhì)量kg; f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；a為坡道角；CD為空氣阻力系數(shù) 車迎風(fēng)面積m2; 6為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；g為重力加速度，m/s2 ; a為汽車加速度，m/s2 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: =(制爐 cosq + mg sin a + 21

55、.15 c . V 1 + oma) *— 3600 5 (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

56、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： CdAv2 v _1 21.15 ’3600 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1

57、0% （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 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

58、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 大功率的電機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，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［49］：在汽車加速和爬坡時(shí)助力、確 保發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、與發(fā)動(dòng)

59、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： mgf cos a + mg si

60、n a + > — ： (4.6) (4.4) 確定ISG電機(jī)的額定功率主要考慮的因素有：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況很差時(shí)，電機(jī)可 以短時(shí)間驅(qū)動(dòng)汽車行駛，另外汽車加速時(shí)和爬坡時(shí)需要提供輔助功率驅(qū)動(dòng)汽車行駛。 由于在實(shí)際駕駛過(guò)程中，駕駛員一般不會(huì)在爬坡的時(shí)候加速，因此汽車很少同時(shí)出現(xiàn) 加速和爬坡兩種工況，這樣在估算 ISG電機(jī)額定功率的時(shí)候可以分別估算，最后取二 者之間的最大值作為估算值。這樣計(jì)算的電機(jī)功率值一般較大，能夠包含純電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 的功率需求，根據(jù)汽車加速確定的電機(jī)額定功率為: 2 所 ~ ^na 一■—?— (4.5) 吟叩 3600 % 根據(jù)汽車爬坡確定的電

61、機(jī)額定功率為: ? . v I 吃皿=〃喧 ?— * 3600 5 ISG電機(jī)的額定功率為: (4.7) 匕_ = max（片」叩，冬叫） ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)中，ISG電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)在同軸上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩合成，工作時(shí)電機(jī)與發(fā)動(dòng) 機(jī)之間轉(zhuǎn)速比為1, ISG電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)等于或大于（主要考慮 ISG電機(jī)的功率儲(chǔ) 備）發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速，即： (4.8) 式中：nm_max、ne_max分別為電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速。 適用于電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)外特性為：在額定轉(zhuǎn)速 nr以下，電動(dòng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩模式工 作，額定轉(zhuǎn)速nr以上，以恒功率模式工作。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱為 電機(jī)擴(kuò)

62、大恒功率區(qū)系數(shù)P [50]。對(duì)電機(jī)參數(shù)影響很大，在最大轉(zhuǎn)速確定的基礎(chǔ)上，隨B 值增大，額定轉(zhuǎn)速越低，對(duì)應(yīng)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩越高?？紤]到 ISG電機(jī)在低速時(shí)需要大 轉(zhuǎn)矩起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此 B值可以取的大一些。但是隨著值的增大，對(duì)電機(jī)支撐要求也 隨之增大。另外，大轉(zhuǎn)矩需要較大的電機(jī)電流和電子設(shè)備，增加了功率變換器矽鋼片 的尺寸和損耗，所以必須協(xié)調(diào)考慮選定的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)所要求的電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和電子設(shè) 備損耗來(lái)最終確定電機(jī)的B值大小。就目前來(lái)看，擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)B 一般選擇在4~6 之間。確定了 B值后，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為： (4.9) 4.3.3 電池參數(shù)的確定 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)中，由于ISG電機(jī)功

63、率較小，相應(yīng)電池的容量也可以較小，但 由于電池充放電很頻繁，因此對(duì)電池充放電性能要求較高。電池參數(shù)的選擇包括電壓 等級(jí)和電池容量的選擇。 在電機(jī)控制中通常采用IGBT做為功率變換器（逆變器）中的通斷開關(guān)，電池最大 充電電壓為[51-52]: (4.10) 式中：Unax_IGBT為逆變器暫態(tài)的最大過(guò)電壓； 爐為逆變器暫態(tài)的最大過(guò)電壓與充電直流 電壓之比，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，取值范圍是 1.5到2。這樣由電池充電上限電壓和額定電 壓之間的比值”可計(jì)算出電池額定電壓 U為： (4.11) 電壓等級(jí)過(guò)高對(duì)系統(tǒng)的絕緣要求也大大提高，同時(shí)電池組串聯(lián)的單體數(shù)量增多, 對(duì)電池一致性要求也增加。根據(jù)國(guó)

64、內(nèi)外混合動(dòng)力汽車的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，目前開發(fā)的混合動(dòng) 力汽車電壓等級(jí)一般都在400V以下 電池組容量的選擇應(yīng)視具體混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置、工作模式和控制策略而 定。但確定方法比較復(fù)雜，首先應(yīng)選定一種具有代表性的汽車行駛循環(huán)工況，對(duì)所設(shè) 計(jì)的動(dòng)力部件參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，電池組的容量應(yīng)使電池組的荷電狀態(tài)值 SOC在整個(gè) 動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中處于適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)。對(duì)電池組容量的初步選擇可只以功率需求確 定，對(duì)于ISG汽車來(lái)說(shuō)，電池組的主要作用還是作為一種能量調(diào)節(jié)裝置，因此其容量 大小應(yīng)滿足汽車行駛過(guò)程中的ISG電機(jī)的最大峰值功率需求（P m_max ）。由于電池組 在提供峰值功率的狀態(tài)下，其放電效率（“d ）比

65、較低，因此實(shí)際電池組的容量應(yīng)按能 提供Pm_max /qd的功率選取。 根據(jù)上述參數(shù)匹配方法，根據(jù)要求達(dá)到的動(dòng)力性指標(biāo)，初步確定了各部件的參數(shù)， 具體如下： 發(fā)動(dòng)機(jī)功率92kW; ISG電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1700rpm、額定功率16kW;最大轉(zhuǎn)速大于 4000rpm ;電池額定電壓大于 280V,電池容量8Ah 。 4.4 動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)的優(yōu)化 根據(jù)2.3節(jié)的方法，能夠得到發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池功率等相關(guān)主要參數(shù)值，但是 僅僅根據(jù)這個(gè)結(jié)果選擇發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池等參數(shù)，只能得到滿足混合動(dòng)力汽車動(dòng)力 性能要求的匹配參數(shù)，而按照動(dòng)力性能要求得到的匹配參數(shù)未必就是汽車燃油經(jīng)濟(jì)性 的最佳匹配參數(shù)。實(shí)際上

66、對(duì)于混合動(dòng)力汽車這種復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，影響汽車燃油經(jīng)濟(jì) 性的因素很多，并且各種因素往往交織在一起，必須分析清楚各部件參數(shù)在怎樣的組 合下才能使整車燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，這也是本文 ISG混合動(dòng)力部件系統(tǒng)參數(shù)匹配的主要 目的。本節(jié)將在2.3節(jié)動(dòng)力部件參數(shù)初步匹配的基礎(chǔ)上，探討 ISG混合動(dòng)力動(dòng)力系統(tǒng) 參數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化，最終確定整車的各動(dòng)力部件參數(shù)。 目前，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化一般借助于仿真設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)組合，借助于 仿真模型，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析確定最終的參數(shù)。不過(guò)如果參數(shù)組合很多，這種方法 往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難找到最佳結(jié)果，需要尋求一種更簡(jiǎn)便、直觀的設(shè)計(jì)方法降低仿真 次數(shù)。本文根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用正交優(yōu)化方法對(duì) ISG混合動(dòng)力汽車動(dòng)力部件 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，縮短了優(yōu)化時(shí)間，大大提高了優(yōu)化效率。 特別需要說(shuō)明的是，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和控制策略優(yōu)化是一個(gè)交互的過(guò)程，本文 為介紹方便，將這兩部分內(nèi)容分別敘述，而本章中的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，也是基于一 定的控制策略進(jìn)行。本節(jié)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化采用了基于規(guī)則的邏輯門限控制策 略，控制策略的具體內(nèi)容將在第 4章給出。另外，仿真是在