一种低成本构型汽油机辅助动力单元控
制系统设计
摘要
由于交通能源的枯竭与环境问题的日益严重，使传统内燃机汽车的发展面临前所未有的挑战，因而节能传动和清洁燃料的开发研制成为各国政府和研究机构积极探索的目标，而车用混合动力传动系统是解决节能和环保问题的有效途径之一。混合动力电动车的特点是能量效率高、排放性能好、启动性能好。它以内燃发动机为主动力源，其产生的能量用于驱动汽车或由蓄电池储存。蓄电池作为辅助动力源，单独或与主动力源共同驱动汽车。辅助动力单元APU作为混合动力电动汽车的重要组成部分，对于汽车的节能减排有着重要的意义。因而，如何有效的控制APU工作将是混合动力系统发展的重要研究方向。
本文首先概括了混合动力汽车的优点及发展趋势，国内外混合动力电动车的发展现状。然后针对混合电动汽车的关键技术部分APU的控制以及构型进行分析和部件的介绍并提出了本文的主要研究内容。
根据串联式混合动力驱动系统组成及APU工作特点，进行APU控制策略研究，重点阐述混合动力电动车APU控制系统的建模过程，按照设计策略建立APU控制系统单元的Matlab/Simulink仿真模型。并对汽油发动机-永磁同步发电机-不可控整流器构成的APU进行工作状态分析；
斯柯达论坛最后利用PID算法对APU系统仿真的输出功率的结果进行控制，仿真结果表明所设计的控制系统能够实现对APU的控制，验证了APU控制系统的控制算法。
关键词  混合动力汽车；辅助动力单元；PID；仿真
A low cost configuration gasoline engine auxiliary power unit control system design
Abstract
Because of transportation energy depletion and environmental problems are serious day by day, the traditional internal combustion engine development faced with hitherto unknown challenge, thus saving power and clean fuel development become each country governmet and research institutes active exploration targets, while the vehicle hybrid pow
er transmission system is the solution to energy saving and environmental protection one of efficient ways of the problem. Hybrid electric vehicle is characterized by high energy efficiency, emission performance, good starting performance. It is the internal combustion engine as the main power source, the energy is used to drive the car or by a battery storage. Battery is used as an auxiliary power source, alone or in combination with active power source of common drive automobile. Auxiliary power unit of APU as a hybrid electric vehicle is an important part of the automobile, the energy-saving emission reduction has important significance. Therefore, how to effectively control the APU hybrid system development work will be the important research direction.
This paper summarizes the advantages of hybrid car and development trend at home and abroad, the current situation of the development of hybrid electric vehicle. Then according to the mix of key technology of electric vehicle parts of APU control and configuration analysis and component describes and presents the main content of this article.
Based on the series hybrid power drive system and APU features, APU control strategy of hybrid electric vehicle, and focuses on the APU control system modeling process, according to the design strategy of the establishment of control system of APU unit Matlab/Simulink simulation model. And on the gasoline engine - Permanent Magnet Synchronous Generator - rectifier consists of APU work state analysis;
Finally using the PID algorithm on APU system simulation output power results in control, the simulation results show that the designed control system can realize the control of APU, verification of the APU control system control algorithm.
Key words: hybrid electric vehicle; auxiliary power unit; PID; simulation
第1章 绪论
1．1 引言
目前对于我们赖以生存的家园来说，节能环保是对其最有利的保护，因此在交通能源与环境问题的面前，以汽车排放洁净化、汽车燃料节约化、汽车能源多元化为主要特征的节能
过年高速免费到初几与新能源汽车技术迅速发展。根据驱动方式的不同电动汽车可分为纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle）。其中，纯电动汽车是有电动机驱动的汽车，电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量存储装置。但至今车因为动力电池技术上的困扰以及能量密度低、续驶里程短、充电时间长等问题热未达到广泛普及使用阶段；燃料电池汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下载燃料电池中经化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。但由于其生产成本高，寿命短也并未大量投放市场；HEV同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点，这使得先进的电控内燃机技术突飞猛进，混合动力技术进入产业化，动力电池技术取得重大突破，车用燃料电池技术也不断进步。因此混合动力汽车是最具有产业化合市场化前景的车型之一。底盘升降
本章首先简要介绍混合动力汽车的概念、结构特点以及其发展的背景和未来发展的前景。
1.2合动力汽车
混合动力车（HEV：Hybrid Electric Vehicle）采用“内燃机＋电动机”的驱动形式，电动机和内燃机能够分别在最有效率的工况下提供车辆所需动力。当汽车动力负荷较大时，电动机加入作为动力的补充；负荷小时，内燃机的富余功率可以给电池充电。它继承了电动汽
车低油耗、低排放的优点，同时又克服了纯电动汽车续驶里程短等缺点。如图1-1所示。
        图1-1混合动力汽车工作原理图
1.2.1合动力汽车(HEV)特点
  混合动力汽车是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动符合汽车道路交通、安全法规的汽车。车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前混合动力电动汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的电动汽车。与传统的燃
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油汽车相比，混合动力汽车的优点主要包括：
1）采用混合动力技术后，在保证汽车动力性能不变的条件下，发动机的功率可以选择得最小，而且发动机有更多的时间在油耗低、污染少的最优工况下工作；
2）优化发动机的工作区域。在发动机工作在低效率区域时，可以关闭发动机，由电动机单独驱动汽车，从而降低燃油消耗，效率；
3）动力辅助。汽车在启动、加速、爬坡时，电动机工作在电动的状态，提供附加扭矩，能提高汽车的动力性能；
4）能量回馈。在汽车刹车制动、下坡时，电动机工作在发电状态，可以实现汽车的无接触制动，产生的电能可以储存在动力电池组中，降低了汽车的燃油消耗；
5）发动机起/停控制，使发动的启动不受环境温度的影响‘
6）合理控制发动机与电动机的功率输出，可让电池保持在良好的工作状态，不发生过冲、过放，延长其使用寿命，降低成本。
目前混合动力产业化的一些影响因素，如电机、能量存储装置、功率元件等技术还有待突破。混合动力电动车的关键零部件技术，尤其是电池，是阻碍其进入产业化阶段的关键因素。另外，混合动力汽车进入产业化还受到许多非技术因素的制约。首先是混合混合动力汽车价格比传统汽车的高，维修费用偏高，其成本过高；其次是政府的相关政策，如减免养路费、车辆购置税、或直接贴补现金等，才能够促进混合动力汽车健康、顺利的发展；石油价格也是影响其产业化的一个重要原因。但它仍然是节能环保的重要选择发展之一。
1.2.2混合动力汽车)分类
混合动力汽车根据结构和驱动模式的不同加以区分，可分为串联式混合动力汽车（Series Hybrid Electic Vehicle),并联式混合动力汽车（Prallel Hybrid Electic Vehicle),混联式混合动力汽车（ Prallel-Series Hybrid Electic Vehicle)。
1.2.2.1串联式混合动力汽车 （SHEV)
由发动机、发电机、和驱动电机三大动力组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成驱动系统。串联式混合动力汽车用发动机—发电机组均衡发电，电能供应驱
动电动机或动力电池组，使串联式混合动力汽车的行驶里程得到延长。其结构形式和工作原理如图1.2-1所示
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            图1.2-1串联式混合动力汽车驱动方式
启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则有电池组驱动电动机，点电池组缺点时则有发动机-发电机想电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行的工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池组合电动机的输出来达到调整车速的目的。
使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废弃排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。
1.2.2.2并联式混合动力电动汽车（PHEV）
由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力组成，发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成驱动系统。并联式混合动力电动汽车的驱动力组合有发动机轴动力组合式、动力组合器动力组合式和驱动轮动力组合式三种不同组合模式。其结构形式和工作原理图如图1.2-2所示。
            图1.2-2并联式混合动力汽车驱动方式
  当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可作电动机又可以作发电机使用，又称为电动-发电机组。由于没有单独的发电机，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。
1.2.2.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV)
由上述两种混合动力汽车的结构特点组成的，是由动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力组成。并联式混合动力电动汽车的驱动力组合有动力组合器动力组合式和驱动轮动力组合式两种组合模式。混联式混合动力电动汽车兼有串联式混合动力汽车和并联式混合动力电动汽车的优点，可以组合成更多种形式的混合驱动的驱动模式。其结构形式和工作原理如图1.2-3所示。
它可以组合成更多种形式的混合驱动的驱动模式，发动机、电动/发电机和驱动电动机的功率可以使PSHEV总功率的1/3~1倍，车辆的整备质量可以降低，而且性能更加完善，经济
性更好，在动力性能方面接近和达到内燃机汽车的水平，有害气体的排放更少，达到“超低污染”的标准要求。