1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 混合动力全地形车少齿差行星齿轮动力耦合系统控制策略研究 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - - 1 - - 摘 要 随着经济的持续增长和人民生活水平的提高，能源与环境问题变得更加的严重。对于现有的全地形车废气污染 、噪声和能耗大、效率低等一直是一个普遍关注的问题。分析研究混合动力传动形式和控制策略，在满足全地形车的动力性和其他基本技术性能及成本等要求的前提下，针对其工作特性及全地形车的运行工况，研制混合动力全地形车的少齿差行星齿轮动力耦合系统，通过对少齿差行星齿轮动力耦合系统的分析寻求其结构
2、体积、效率等方面的控制策略 研究 。并在全地形车混合动力优化控制策略 研究 基础上进行创新研究 ,特别是模糊控制策略和方法研究，得出了混合动力全地形车少齿差行星齿轮动力耦合系统控制策略。通过有关试验， 与传统混合动力全地形车相比，模糊控制策略 可使混合动力全地形车节油率达到 27.3。结果表明，模糊控制 (FCS)策略不仅可以有效地改善汽车燃油经济性，还对不同配制的车辆具有较强的适应性，这为该策略的工程应用奠定了基础。 得出该控制策略能够实现能量在发动机、电机之间的合理有效分配，使得该全地形车 实现了高效省油、低排放， 以及平稳的驾驶性能。 同时，适应各种运行工况，兼顾了发动机排放、电池寿命、
3、驾驶性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求，并针对 全地形车 各部件的特性进行综合控制。该 研究方法能为其他类似的设计工作打下基础。 关键词 ： 全地形车；混合动力；控制策略； 少齿差行星齿轮；耦合系统 - - 2 - - Abstract As the economy continues to grow and improve peoples living standards, energy and environmental issues become more and more serious. For the existing All-Terrain Vehicle exhaust p
4、ollution, noise and energy consumption, low efficiency has been a common question. Analysis of hybrid forms of power transmission and control strategies to meet the dynamic All-Terrain Vehicles and other basic technical performance and cost requirements of the premise for their work characteristics
5、and all-terrain vehicle operating conditions, the development of hybrid All-Terrain Vehicle Few-Tooth-Deference Gear Power Coupling System, through the Few-Tooth-Deference Gear system for the structure analysis of the volume, efficiency and other aspects of control strategy. And optimization of All-
6、Terrain Vehicle hybrid control strategy based on innovative research, especially in fuzzy control strategy and method, obtained a Hybrid All-Terrain Vehicle with Few-Tooth-Deference Gear System control strategy. Through the trial, with the traditional hybrid compared to all-terrain vehicles, hybrid
7、fuzzy control strategy can make All-Terrain Vehicle fuel economy rate of 27.3%. The results show that the Fuzzy Control System (FCS) policy can not only effectively improve vehicle fuel economy, but also the preparation of different vehicles has strong adaptability, which the strategy laid the found
8、ation for engineering applications. Draw the control strategy to achieve energy in the engine, between the rational and efficient allocation of the motor, making the All-Terrain Vehicle to achieve fuel efficient, low emissions and smooth driving performance. At the same time, adapt to a variety of o
9、perating conditions, taking into account the engine emissions, battery life, driving performance, reliability and cost of each component, and many other requirements, and All-Terrain Vehicle for the characteristics of the various components of integrated control. The research methods basis for the d
10、esign of other similar ones Key words: ATV； Hybird； Control strategy； Few-Tooth-Deference Gear； Coupling syste - - 3 - - 目 录 1 引言 . - 1 - 2混合动力汽车的控制策略 . - 2 - 2.1 串联式混合动力传动系统 . - 2 - 2.1.1 串联式混合动力汽车的控制策略 . - 2 - 2.2 并联式混合动力传动系统 . - 4 - 2.2.1 并联式混合动力汽车的控制策略 . - 4 - 2.3 混联式混合动力系统 . - 5 - 2.3.1 混联式动力汽车
11、的控制策略 . - 6 - 3 混合动力传动结构设计 . - 7 - 3.1 少齿差行星齿轮传动机构 . - 7 - 3.2 混合动力少齿差行星齿轮动力耦合系统的原理 . - 8 - 4 混合动力的控制策略设计 . - 9 - 4.1 混合动力系统工作模式分析 . - 9 - 4.2 混合动力全地形车工况研究和分配模式 . - 12 - 4.3 混合动力全地形车的控制策略 . - 14 - 4.4 混合动力全地形车控制策略的方向 . - 16 - 4.5 案例分析 . - 18 - 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . - 20 - 附录 1 系统实物图 . - 23 - 1 引言 现在
12、国内外虽说混合动力汽车方面的耦合动 力系统已经有所突破，但是在低速车或者是全地形车方面还是比较新颖，根据全地形车对道路的要求设计研究一套有效的控制策略是十分重要的，在不同的环境下，通过发动机可对电机充电 /电机发挥最佳状态。由于少齿差行星齿轮传动机构有结构紧凑，速度比大，效率高，稳定等优点，同时又有能力强，加工简单，成本低等特点 12,所以采用混合动力输出将是更加的节能减排。 控制策略是实现混合动力车低能耗、低排放目标的关键所在。在满足汽车的动力性和其他基本技术性能以及成本等要求的前提下，针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能 量在发动机、电机之间的合理而有效分配、使整车系统效率达
13、到最高，获得车最经济的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。 2 混合动力汽车的控制策略 在满足汽车的动力性和其他基本技术性能以及成本等要求的前提下，针对各部件的特性及汽车的运行工况， 控制策略就要实现能量在发动机、电机之间的合理而且有效的分配、使整车系统效率达到最高， 获得汽车最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。目前在开发研制的混合动力汽车基本可以分为三类：串联式、并联式和混联式混合动力车。 图 2-l 串联式混合动力系统 2.1 串联式混合动力传动系统 如图 2-1在这种系统中，发动机驱动发电机产生电能，电能用于驱动电动机并借此转动车轮。这种系统使用一个较小的发动机且工作在
14、效率最高的转速范围内，因此，能够最大限度地改善燃油经济性和减少排放。 2.1.1 串联式混合动力汽车的控制策略 由于串联式混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此其控制策略的主要目标是使发动机工作在最佳效率区和排放区。此外，为 了优化控制策略，还必须考虑合并在一起的电池、电传动系统、发动机和发电机的总体效率34。以下介绍串联式混合动力汽车的两种基本的控制模式。 发动机发电机 电动机 蓄电池 电流逆 变器 2.1.1.1 “恒温器”控制模式 当蓄电池荷电状态 (SOC)降到设定的低门限值时发动机启动，在最低油耗 (或排放 )时 按恒功率输出， 一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一
15、部分功率向蓄电池充电。而当蓄电池组 SOC 上升到所设定的高门限值时发动机关闭，由电机驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率的要求，蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带来的好处。这种模式对发动机比较有利而对蓄电池不利 5。 2.1.1.2 发动机跟踪器 控制模式 发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化，这与传统的汽车运行相似。采用这种控制策略，蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组将损失被减少到最低程度。但发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行，而且发动机的功率要快速而动态地变化，这些都损害了发动机的效率和排放性能 5。解决的办法是采用自动无级变速器 CVT(
16、Continuously Variable Transmission)，通过调节 CVT速比，控制发动机沿最小油耗曲线运行，这样也同时减少了 HC和 CO的排放量。 上述两种控制模式也可以结合起来使用 ，其目的是充分利用发动机和电池的高效率区，使其达到整体效率最高。 图 2-2 并联式混合动力系统 电流逆 变器 动力分配装置 电机 /发电机 蓄电池 发动机2.2 并联式混合动力传动系统 如图 2-2所示，在这种系统中发动机和电动机既可联合驱动车轮，又可各自单独驱动车轮。并且，允许发动机在驱动车轮的同时也可以带动发电机给蓄电池充电。 2.2.1 并联式混合动力汽车的控制策略 并联式混合动力汽车的
17、控制策略目前仍不够成熟，需要进一步优化。一般的控制策略通常是根据电池的 SOC、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的平均功率等 参数，按照一定的规则使发动机和电动机输出相应的转矩 (或功率 )，以满足驱动轮驱动力矩的要求。 2.2.1.1 以车速为主要参数的控制策略 以车速为主要参数的控制策略，这是最早也是最常采用的一种控制策略，它利用车速大小作为控制的依据。当汽车车速低于所设定的车速时，由电机单独驱动车轮；而高于所设定的车速时，电机停止驱动，由发动机驱动车轮；当车轮负荷比较大时 (如汽车急加速、爬陡坡或以较高车速爬坡时 )，则由发动机和电动机联合驱动车轮。这种策略利用了电动机低速大转矩的作用
18、，避免了发动机的怠速及低负荷工况。当车速较高有助 于发动机有效工作时，发动机的启动也可避免纯电动高速行驶时电池的快速放电损失。在这种控制策略中，发动机启动的设定车速可以设计为一个定值。对于此种形式混合动力汽车，设定车速愈低，汽车一次充电的续驶里程愈长 6。 2.2.2.2 以功率为主要参数的控制策略 当车轮平均功率低于某设定值时，汽车由电动机单独驱动；当车轮平均功率高于该设定值时，此时有利于发动机有效工作。因而，发动机被启动，电动机则停止运行。发动机启动的最佳时机是在变速器换档期间，这有助于获得平稳的驾驶性能 7。一旦车轮平均功率超过发动机所能提供的功 率时，电动机启动，辅助发动机提供额外所需
19、的功率。 在上述两种控制策略中，都存在发动机和电动机联合驱动的混合动力工况。这种工况一般出现在车轮平均功率很高的时候 (如急加速或以较高车速爬坡 )，其控制策略有以下几种模式： (1)当加速踏板踩下时，发动机和电动机的功率按照一定比例同时增加，以满足驾驶员的高功率需求； (2)电动机功率一直增加到其最大值，然后启动发动机来提供补充动力； (3)发动机被控制在有较高功率的低油耗区稳定运行，而由电动机来提供所需的补充功率。 图 2-3 丰田 Pruis和福特 Escape混 联式动力系统 2.3 混联式混合动力系统 它是一种采用前面 二 种或 二 种以上耦合方式的动力耦合系统。如日本丰田汽车公司开
20、发的 Pruis HEV 混合驱动结构 (图 2-3),发动机与发电机的动力耦合是行星齿轮式 ,之后两者的合成动力又与电机动力进行齿轮式耦合 ,最终的合动力驱动差速器；再如福特汽车公司的 Escape(图 2-3) ,其动力合成是磁场扭矩耦合与行星齿轮转速耦合 2 种方式的结合 8。 2.3.1 混联式动力汽车的控制策略 混联式动力汽车的控制策略的基本思路通常有两种：一种是直接法，即直接将优化目标 (如 油耗等 )表示为系统状态变量、控制变量等的函数；另一种是间接法，即最小损失法，从计算当前驱动条件下各个部件的效率人手，得到整个系统的能量 (功率 )损失。损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应
21、该选择的状态变量，如发动机转矩、转速，电池的放电电流等。驱动条件常用驱动轴的转矩和转速来表示。从这两种基本思路出发，可以得到许多种具体的控制策略， 2.3.1.1 发动机恒定工作点模式 这种策略采用发动机作为主要动力源，电机和电池通过提供附加转矩的形式进行功率调峰，使系统能够提供足够的瞬时功率。由于采用了行星齿轮机构使发动 机转速可以不随车速变化，这样使发动机工作在最优的工作点，提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩则由电机提供。由电动机来负责动态部分，避免了发动机动态调节带来的损失。而且与发动机相比，电机的控制也更为灵敏，也更容易实现。 2.3.1.2 发动机最优工作曲线模式 发动机最优工作曲线模式的策略从静态条件下的发动机万有特性出发，经过动态校正后，跟踪由驱动条件决定的发动机最优工作曲线，从而实现对发动机及整车的控制。在这种策略下，让发动机工作在发动机万有特性的最佳油耗线上。发动机在高于某个转矩或功率限值后才会打开。发动机关闭 后，离合器可以脱开(避免损失 )或接合 (工况变化复杂时，发动机起动更为容易 )。只有当发电机电流需求超出电池的接受能力或者当电机驱动电流需求超出电机或电池的允许限值时，才可能调整发动机的工作点。
