1 绪 论
1.1引言
全球环境和能源问题日益突出，有研究机构指出，如果人类想要避免灾难性的气候变化，截止到 2050 年温室气体的排放需要在目前水平上减少 60%，这一苛刻的减排要求与全世界的能源需求之间产生了严重的矛盾。引起环境问题的化石燃料目前占到人类主要能源来源的 85%[1]，减少排放和对化石燃料的依赖性问题，在全球范围内得到了重视。有文章[2]指出，以 2007 年为例由于交通运输产生的气体排放占到了总排放量的 39.2%，汽车作为最主要的交通手段必须在减排方面有显著改善。为此，各大汽车制造商以及全球的高校、实验室为了减少汽车的排放以及对化石燃料的依赖，纷纷开始了新能源汽车的研制。为了达到这一目的，多种新能源汽车应运而生，作为新能源重要构成部分的电动汽车包括：混合动力电动汽车、纯电动汽车以及燃料电池汽车。由于电池技术以及配套充电基础设施的限制，目前纯电动汽车在短时间内还难以实现市场化；燃料电池汽车被认为是最有潜力的新能源汽车，但目前由于系统高昂的成本、加氢基础设施的建设问题，限制了其推广应用。而混合动力汽车拥有比传统汽车更优异的油耗及排放性能，不需要建充电站，系统性价比也达到了市场可接受的水平，成为当前电动汽车最可行的选择。
1.2混合动力汽车国外发展现状
油电混合动力系统的发展已经有上百年的历史[3][4]，最初混合动力构造主要以串联以及并联的形式为主的轻度、中度混合动力系统。之后研究的趋势则是两个自由度或两个自由度以上的重度混合动力机构。两自由度以上的构造加入行星齿轮组，利用行星齿轮组两个自由度的特性，使机构可以达到变速的功能。Tsai[5]的设计了结合行星齿轮组以及单电机的混合动力系统，通过多组离合器使其可在多种模式之间做切换。此系统可以操作在纯电动驱动模式、发动机驱动模式、发动机/充电模式、混合驱动模式、制动能量回收模式以及无级变速模式。在无级变速模式下，利用行星齿轮机构来提供两个自由度，通过电机的转速调整来对发动机变速。其他模式则利用离合器、制动器操作，将机构降低一个自由度切换至并联型式。如果增加混和动力系统的动力元件数量，例如采用两台电机后，通过不同配置，混合动力系统可以产生更多的构型。目前一个较常使用的混合动力系统分类方法为：系统可依据动力分配装置（power split device）所在的位置来分类，可分为输入分配式(input-spilt)、输出分配式（output-spilt）、复合分配式（compound-spilt）等三大类，其中目前较常见的是输入分配式和复合分配式，Miller 介绍了几种属于这两类的混合动力系统构型：丰田 Prius 属于输入分配式，使用一个行星齿轮组；Renault IVT 属于复合分配式，使用两个行星齿轮组[6]；此外 Conlon 等人[7]还设计有三个行星齿轮组的复合分配式结构。
除了归类在上述三大分类之下的构型，有些构型同时属于不同的类别。通过离合器的操作，构型可以根据车辆运行状况在多种模式间切换。例如，构型[8]可在输入分配式和复合分配式之间切换，此系统使用两组行星齿轮组、两台电机、两个离合器，利用车上的电子控制系统来决定离合器的作用时机，判断何时该进行构造切换。除此之外，美国 Timken 公司的的 EVT 系统[9] [10]也可以在输入分配式和复合分配式之间切换。Holmes[11]设计的构造则可以在输入分配式和输出分配式之间切换。构型[12-15]则在可切换模式系统的基础上加入了 2 至 6 个固定传动比模式,系统处于这些固定传动比时，发动机产生的能量不再转化为电能驱动电机，而是直接用于驱动车辆，减少了能量转换过程中的损失，提高了系统的效率。
2速度耦合混合动力汽车传动系统总体方案及运行模式分析
传动系统是混合动力汽车的核心，其方案决定了混合动力汽车的类型以及能够实现的运行模式。本章首先总结混合动力汽车常见构型，然后介绍本文混合动力系统的构型，最后利用图论知识分析所研究混合动力构型所能实现的运行模式，以此作为后文参数匹配和建模仿真的基础。
2.1混合动力汽车常见类型及特点
近年来混合动力电动汽车大量出现，为区分各种系统的特色和功能，发展出多种系统分类方式。其中较为常用的方式是传统分类法，许多文献中用其对混合动力系统进行分类[1][2]。这种方法依据混合动力系统工作时的能量传递方式分类，可以分为串联型、并联型和混联型。
①串联型混合动力汽车
串联型混合动力汽车的电机与主减速器的连接方式通常有以下几种：直接连接、通过链连接、通过变速器连接、发动机直接与发电机相连。典型的串联型混合动力汽车的布置和能量流动如图 2.1 所示。串联型混合动力汽车的发动机和驱动桥之间没有机械连接，因此，发动机能够运行在其效率 MAP 图（如图 2.2 所示）上的任何运行工作点,且可能完全运行在其最大效率区。通过优化设计和控制，发动机的燃油经济型和排放能获得很显著的改进。由于由电传动系提供机械上的解耦，可以应用简单的控制策略。这种类型混合动力汽车的缺点是，发动机的能量在整个运行过程中被两次转换（发电过程中，由机械能转变为电能；在电机驱动过程中，由电能转变为机械能）。但由于发动机工作在效率最佳区域的补偿，串联型整体的燃油经济型仍能在市区工况达到比较显著的提高，在高速公路工况也有一定的提高。另外，由于整个系统除电机外还有一个发电机，增加了额外的重量和成本。
②并联型混合动力汽车
并联型混合动力汽车的发动机和电机都通过某种类型的变速器与车轮有直接的连接。这种结构使得发动机运行转速会受到车速的影响，发动机输出转矩可以得到电机的辅助而增加。并联方式发动机与车速的这种关联使其在控制车辆排放方面不如串联方式。但另一方面，这种连接方式可以利用电机平衡发动机的转矩负荷，使发动机工作在更高的效率区域。通常情况下，发动机在高负荷工况下有更高的效率。当车辆需求牵引力使发动机处于低负荷区域时，可以选择关闭发动机使用电机单独驱动，或者通过电机的发电模式来增加发动机负荷，从而提高燃油经济型和排放。与使用相同规格动力元件的串联型混合动力车相比，由于可以使用发动机和电机同时驱动车辆，并联型拥有更好的动力表现。并联型混合动力车有两种基本的类型，一种是，以发动机作为主要动力源，电机助力，其能量流动图如图 2.3 所示；另一种是，电机作为主要动力源，发动机助力，其能量流动图如图 2.4 所示。还有一种将电机布置在变速器后的构型，这种构型使得电机的输出不受变速器效率的影响。由于只有一个电机，并联型混合动力汽车的成本低于串联型，但是由于发动机和电机之间的物理连接，使并联型的控制要比串联型复杂得多。
3 速度耦合混合动力汽车传动系统元件选型..........33-45
3.1 速度耦合混合动力汽车传动系统..........33-36
3.1.1 发动机的选型 ..........33-34
3.1.2 ISG 电机的选型 ..........34-35
3.1.3 储能元件的选型 ..........35-36
3.2 原型车整车基本参数 ..........36
3.3 速度耦合混合动力汽车动力.......... 36-37
3.4 传动系统主要部件参数设计.......... 37-42
3.4.1 发动机参数设计.......... 37-38
3.4.2 ISG 电机参数设计.......... 38-39
3.4.3 电池参数设计 ..........39-40
3.4.4 变速器参数设计..........40-41
3.4.5 行星齿轮机构参数设计..........41-42
3.5 本章小结.......... 42-45
4 速度耦合混合动力汽车系统建模.......... 45-71
4.1 仿真软件介绍 ..........45-48
4.2 速度耦合混合动力系统 AMESim 仿真模型.......... 48-62
4.3 速度耦合混合动力系统 Simulink.......... 62-69
4.4 本章小结 ..........69-71
5 速度耦合混合动力汽车联合仿真.......... 71-79
5.1 联合仿真的实现.......... 71-72
5.2 整车动力性仿真分析.......... 72
5.3 多循环工况仿真分析.......... 72-77
5.4 本章小结.......... 77-79
结论
本文在国家自然科学基金项目《ISG 速度多段耦合混合动力传动系统物理仿真及综合换挡控制策略研究》(项目编号：51075411)的支持下，围绕带有行星排的 ISG混合动力传动系统，对系统工作模式进行了分析，对动力元件进行了匹配，搭建了基于 AMESim 和 MATLAB/Simulink 的联合仿真平台，对系统进行了仿真研究，主要研究内容和结论如下：
①回顾了混合动力汽车常见类型及特点，在此基础上对速度耦合混合动力汽车传动系统方案进行了介绍，阐述了速度耦合混合动力汽车能够实现的包括纯电动模式、发动机单独启动模式及联合驱动模式在内的 8 种工作模式，并以图论作为分析工具，利用基本回路的分析方法，对速度耦合混合动力汽车的各个工作模式下的行星排转速和转矩进行了分析。
②在对可用于混合动力汽车的发动机、电机和电池类型进行了详细的优缺点分析的基础上，根据整车基本参数和性能指标，进行了动力元件的选型及参数匹配计算，匹配结果如下：排量 1.6L，最大功率 70kW，最大转矩 137Nm 的发动机；额定功率为 20kW，最大功率为 30kW，额定电压 288V，额定转速为 2500 r/min，最高转速为 6000r/min 的 ISG 电机；总能量为 2.3kWh，电压为 288V，额定容量为8Ah 的镍氢电池；主减速比为 3.94，一至五档传动比分别为 3.65、2.04、1.30、0.95、0.77 的 AMT 变速器以及齿圈与太阳轮齿数比为 2 的行星排。
③以 AMESim 软件作为工具，根据速度耦合混合动力汽车传动系统的结构，以及参数匹配结果为基础，搭建了包含循环工况模型、驾驶员模型、发动机模型、ISG 电机模型、行星排模型、离合器模型、变速器模型在内的整车物理模型。
③以 MATLAB/Simulink 软件作为工具，搭建了以功率需求为基础的整车控制模型，包括驱动功率需求计算模块、车辆运行状态判别模块、驻车控制模块、驱动控制模块以及制动控制模块在内的整车控制模型，用于控制 AMESim 中的物理模型。
参考文献
[1] Global Warming 101: Costs, William http://sblunwen.com/qczzlw/ Yeatman, 2009.
[2] Holmes, Alan G, Two range electrically variable power transmission, 2005, US patentno.US.6945894.
[3] Wakefield, E.H., History of the electric automobile-hybrid electric vehicles [J], SAEInternational, 1998.
[4] Westbrook, M.H., The electric and hybrid electric car [J]. SAE International, 2001.
[5] Tsai,L.W.,and Schultz,G.,A motor-integrated parallel hybrid transmission[J],Journal ofMechanical Design,Vol.126,Issue 5,2004,p.889-894.
[6] Miller, J.M., Hybrid Electric Vehicle Propulsion System Architectures of the e-CVT Type[J].IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.21, No.3, May 2006, p.756-767.
[7] Conlon，B.M., Single mode, compound-split transmission with dual mechanical paths and fixedreduction ratio [J].2007, US patent no. US.7491144.
[8] Holmes，Alan G, Klemen,Donald,Schmidt,Michael Roland, Electrically variable transmissionwith selective input split, compound split, neutral and reverse modes,2003,US patent no.US.6527658.
[9] Xiaolan Ai ， Electro-mechanical infinitely variable transmission,2006,US patent no.US.6994646.
[10] Xiaolan Ai, Terry Mohr, An electro-mechanical infinitely variable speed Transmission [J].SAEpaper no.2004-01-0354