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混合动力电动汽车的控制系统
摘 要
电动汽车是一种涉及电力驱动的汽车，现在有很多种电动汽车，他们通常归类为混合动力电动汽车(HEV)、化学电池电动汽车(BEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。HEV是一种混合动力汽车，它的动力系统是由一个内燃机的和一个电动马达组成的。它有两种传动系统组合，即并联组合和串联组合，这两种组合都有自己的缺点。在本文中，我们将提出一种新的组合控制策略，以达到相对较高的燃油效率。
第一章 绪论
污染是一个全球性的问题，全世界数十亿以上的人受到了它的影响，每年有数百万人中毒死亡。汽车和卡车的尾气排放，煤炭、石油和其他化石燃料的燃烧，使许多城市的空气受到污染。在美国，汽车尾气排放的一氧化碳占全国一氧化碳排放量的60%，城市中95%的一氧化碳都是由它造成的。据目前统计的数据推测，在接下来的40年里，人口数量将从65亿增加到100亿，汽车的数量将从7亿增加到25亿。这是一个十分严重的问题，城市的天空将变成灰色，石油也将消耗殆尽。
我们可以通过采用新型技术的汽车来解决这些问题，从而有效减少空气污染。在不降低汽车的使用性能的前提下，为汽车增添新的辅助能源是一种很好的方法，这种可以使用第二能源的汽车称为混合动力汽车(HV)。
混合动力汽车是通过燃烧内燃机中的燃料或者使用蓄电池中的电能驱动的，在这种驱动组合下，可以只选择机械驱动或电力驱动，也可以使两种驱动方式同时进行。混合动力汽车可以在制动状态时为蓄电池充电，在汽车运行的时候，如果不需要内燃机的话，内燃机可以随时关闭，在需要时内燃机的时候，它又能快速重新启动。
在这篇论文中，我们主要介绍一种以内燃机为主要动力源，以电力为次要能源的混联式混合动力电动汽车。在车辆怠速和刹车减速的时候，损耗的能量将会被吸收并转化为电能，这些电能储存在一个高效的蓄电池中，在汽车需要的时候为其所用。混联式混合动力电动汽车中有两个电机(EM)由这个蓄电池驱动，驱动车辆并吸收制动能量的称为电动机，另一个称为发电机，它可以吸收怠速时的能量，帮助内燃机的启动，在需要的时候也会为汽车驱动提供动力。
1.1混合动力汽车的历史
英国皇家汽车俱乐部和法国汽车俱乐部公认的第一辆汽车诞生于1769年，它是由尼古拉斯·约瑟夫·居纽发明的，这辆汽车由蒸汽驱动。内燃机(ICE)利用爆燃的燃料来推动气缸中的活塞，使活塞运动并驱动曲轴转动，然后通过链传动或驱动轴传动使车轮旋转起来。汽车内燃机有各种各样的燃料，比如汽油、柴油、煤油等。
如何定义汽车呢？一般来说汽车是一种自带发动机并能载重的轮式车辆。汽车的发明，不是一朝一夕凭借一人之力就能完成的。汽车的发展史反映了世界的进步。据估计，一辆汽车中包含了至少100000项专利。在汽车的发展史中，无数人创造了一个又一个的先例，只要你用心寻找，你会在各种文章、传记、时间表、照片库中找到许多关于汽车的历史和发明家。
混合动力汽车是现代常见的汽车，不久的将来，混合动力电动汽车(HEV)将取代它。大多数人认为，汽车的内燃机和电气系统都是新兴的发明，但事实上它们至少早在十九世纪末就已经存在了。费迪南德·波尔舍博士在他的伙伴雅各布-鲁纳的帮助下，在1899年发明了第一辆混合动力汽车。这辆汽车使用一个内燃机给蓄电池充电，再用蓄电池为汽车提供动力，它仅依靠蓄电池为动力可以行驶40英里。1905年，一位美国工程师获得了一项混合动力电动汽车的专利。在20世纪初，已经有成千上万的混合动力电动汽车被生产出来。
1916年，著名的电动汽车(EV)公司芝加哥森林提出一种机械驱动和电力驱动双重驱动的混合动力汽车。伍兹声称他们的混合动力汽车最高时速能达到每小时35英里，并且燃油效率可以达到48英里/加仑。1920年，由于亨利·福特公司快捷的装配线和高效内燃机的出现，混合动力汽车收到了不小的冲击。1960年，设计师维克多亨德拉在混合动力汽车的设计中发挥了重要作用，从而获得了“混合动力之父”的称号。1966年，美国国会推出了第一个建议使用电动汽车的议案。1969年，通用汽车发布了一款GM512实验型混合动力汽车，它在混合动力状态下只能运行13英里。
发动机设计和汽车设计是并存的，几乎上文提到所有的发动机设计师，同时也是汽车设计师，其中许多人成为了之后主要的汽车制造商。所有这些发明家都在发动机的变革中改善了汽车。
1.2 回馈制动
1978年，大卫·卡尔第一次提出了回馈制动(RB)的概念。每次我们使用机械制动使车辆慢下来，克服汽车的惯性产生的热能都消散在空气中，十分浪费，而一个电动马达，就可以帮助车辆制动并将机械能转换成电能。
1.3混合动力汽车的近代史
1993年，作为汽车行业领头羊的克莱斯勒、福特、通用汽车和美国汽车研究委员会形成了一个联合组织(PNGV)。这个组织的主要目的是研发新能源汽车，其中包括混合动力汽车的改进。丰田和本田也在其中做协同工作，本田音赛特和丰田普锐斯，是当时生产的两种主流的混合动力电动汽车。1997年，奥迪Duo是第一台在欧洲大规模生产的混合动力汽车。串联式混合动力电动汽车(SHEV)是由电动汽车发展而来的，它的初衷是通过添加一个内燃机来增加行驶距离，这就实现了车载充电。
混合动力电动汽车是一种使用内燃机作为机械能源，使用电动机作为电力能源的混合动力汽车。他们有并联、串联和混联三种不同的组合方式，通过这些组合方式可以不同程度的提高汽车的燃油效率。
混联式的混合动力电动汽车拥有并联、串联组合的所有优势，同时消除了它们所有的缺点。早在1970年就已经开始研究混联式机制，最初这种机制是为割草机这样的机器设计的。1997年，日本丰田推出了普锐斯汽车，这是第一辆商用混联式混合动力电动汽车。
混合动力技术也被用于各种推进系统，比如船用推进系统、潜艇推进器系统、飞艇推进系统等。
1.4混合动力汽车的优缺点
优点：
1）混合动力汽车通过利用绿色的电能和天然气能源，可以达到低排放量和高行驶距离。随着技术的不断进步，混合动力汽车的水平已经赶上甚至超越了传统的汽车。
2）混合动力汽车和传统汽车一样安全和舒适，而且它们享受国家补贴。混合动力汽车会大大减少温室气体的排放。
3）混合动力汽车的前景十分光明。在未来，混合动力汽车的发动机效率会大大提升，同时新的充电技术会使蓄电池充电摆脱外部电源，这会大大减少对化石燃料的依赖。
缺点：
1）相对于普通汽车，混合动力汽车的结构更加复杂。
2）混合动力汽车的造价十分昂贵。由于多了蓄电池和两个电机，混合动力汽车将比普通的汽车的重量更重。
3）蓄电池和电机的维护成本很高。在遇到车祸意外时，高压电会给救援带来很大的麻烦。
第二章 混合动力电动汽车系统
通过对机械能源和电力能源的不同组合安排，混合动力电动汽车系统可以建立成不同的组合模型:
1）并联组合；
2）串联组合；
3）混联组合。
2.1 混合动力电动汽车并联系统
并联式混合动力电动汽车(PHEV)的主要能源由内燃机提供，辅助能源由一个电动马达或发电机提供，他们通过并联的方式共同驱动车辆。
每一路能源都能单独地使用。当蓄电池的总电量低于20%时，它将会进入临界状态，如果未进入临界状态，在汽车加速至25 km/h前，蓄电池会单独为汽车提供能源，直到达到更高的速度，内燃机才会起作用，这时内燃机为汽车提供能源并为蓄电池充电。这样做的好处是可以大大提高燃油效率，因为在低速的时候，内燃机的效率极低，而电动机恰恰弥补了这一不足。
当蓄电池已经充满的时候，内燃机只能在最佳功率以下工作。当需要的功率在内燃机最佳功率以上时，蓄电池可以提供额外的功率。当高速行驶的时候，电力系统的优势会大大减少，内燃机的效率会比蓄电池的效率高。
2.2混合动力电动汽车串联系统
串联式混合动力电动汽车由纯电动车发展而来，为了提高纯电动车的行驶距离，增加了一个小的内燃机，内燃机与电动机串连在一起，只有电动机直接为汽车提供能源。
内燃机与发电机相连，它始终保持最高效率的运行速度，产生的机械能被发电机转化为电能并储存在蓄电池中，在需要的时候为电动机使用。
当蓄电池中的电量储存到最大值时，内燃机将自动关闭，当蓄电池中的电量降低到临界状态时，内燃机将自动启动。在刹车时，电动机也充当了发电机来为蓄电池充电。
2.3混合动力电动汽车并联系统和串联系统的缺点
混合动力电动汽车并联系统的缺点：
1）系统中只有一个电机，它既扮演者发电机的角色又扮演着电动机的角色；
2）电机这两种角色的频繁互换是必要的，这要可以节省很多能源，但这也大大减少了电机的寿命。
混合动力电动汽车串联系统的缺点：
1）只有电机为系统提供能源，在高速时，电动机的效率远不如内燃机，所以会使整个系统效率变低；
2）电机的转速范围没有内燃机广；
3）增加一个发电机意味着增加了很多成本，同时电能在发电机和电动机之间的传递会导致整个系统效率降低。
第三章 混合动力电动汽车混联系统
3.1 简介
混合动力电动汽车混联系统既包含内燃机与电动机的并联系统，又包含内燃机与电动机的串联系统。
混合动力电动汽车混联系统拥有串联系统和并联系统的所有优点，而改进了他们的缺点。机械动力和电力共同担负着重要角色，缺一不可。机械动力部分是一个较小型号的内燃机，电力部分由两个电机组成。
3.2 发动机
一般小汽车的发动机是火花塞汽油发动机，重型车辆的发动机是压燃式柴油发动机，减小内燃机的体积，在一定程度上可以提高燃料的利用率。相对于普通汽车来说，混合动力电动汽车可以利用电动机来提供额外的功率。
通常情况下，一辆普通汽车的内燃机要比混合动力电动汽车的大，所以混合动力电动汽车的燃油效率要高些，但是他的动力性能相对较弱，所以需要电动机来补偿这一部分动力。
3.3 电机1：电动机
电机1既充当电动机又充当发电机，他在大部分情况下充当的是电动机，在所有行车状态中，他提供的动力根据需求的不同而变化。当车辆在刹车的时候，他也可以吸收刹车时损耗的动能，从而成为一个发电机。
电机1不能完全代替机械刹车。下面有两种情况是必须使用机械刹车的，第一种情况，当刹车加速度超过0.15g（g是重力加速度）时，若使用电机减速会把电机烧坏。第二种情况，当行车速度低于15km/h时，若使用电机减速会使车轮突然抱死，很容易发生事故。
3.4 电机2：发电机
当把电机2连接到行星齿轮上时，它就成为了一个发电机。在怠速状态时或者行驶速度低于内燃机最佳转速时，多余的能量就由电机2吸收并转化为电能了。少数情况下，需要电机2提供额外的动力，此时他就成为了一个电动机。
3.5 行星减速器
在混合动力电动汽车混联系统中，行星减速器充当了一个十分重要的角色。它接受了从三个动力源传递来的不同的机械转矩，并把它输出到一个合理的输出端，行星减速器是混合动力电动汽车混联系统的关键。
行星减速器由三个齿轮组件组成，分别为太阳轮、行星架、行星轮，行星架与内燃机相连，太阳轮与电机2相连，行星轮与电机1和传动装置相连。
3.6 蓄电池
混合动力电动汽车的蓄电池有一个临界上限值和一个临界下限值，通过不断的检测蓄电池的剩余电量，来保证车辆的平稳运行。它通常位于汽车的后备箱内，是一种十分清洁的能源，它的重量功率比小于化石燃料。
第四章 混合动力电动汽车的建模
4.1 蓄电池的数学模型
SOC指的是蓄电池的容量状态，它一直受到监控。
当为负时，蓄电池处于充电状态；当为正时，蓄电池处于未充电状态。
蓄电池通过转换器分别向两个电机供电：
蓄电池处于充电状态时，k=-1；蓄电池处于未充电状态，k=1。
综上可得，
4.2 行星减速器的数学模型
行星齿轮由太阳轮（S）、行星架（C）、行星轮（R）组成，它的运动方程式如下：
根据欧拉方程可知各齿轮部件的内力。
4.3 车辆的受力分析
有许多力作用在车辆上，主要为下面四种力：
1）因加速度而产生的力
这是一种内力，他对车辆的启动与加速起到关键性作用，这是唯一一个由车辆自身产生的力。
2）斜坡阻力
车辆的重力是由于万有引力产生的，当车辆在坡道的时候，重力的分力便是斜坡阻力。斜坡阻力根据坡道角度的改变而改变，上坡是为正，下坡时为负。
3）空气阻力
空气阻力是车辆在运动时受到空气对车辆的作用力，它由两部分组成，第一部分是车辆前方的空气压力，他对汽车产生一个相反的推力。第二部分在车辆后方，那里的空气真空度较高，对汽车产生一个拉力。
4）滚动摩擦
滚动摩擦是由于车轮的滚动产生的，由于车轮在滚动时产生非对称变形，导致了滚动摩擦的非对称分布，前半部分的摩擦力较大。
第五章 仿真结果
程序的输入模块是一个无规律的周期函数，
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资料编号：[152230]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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