（动力机械及工程专业论文）混合动力电动车的多能源管理和控制.pdf

摘要 摘要 本文以同济大学汽车学院自主研发的“春晖”系列电动车为研究对象，在 燃料电池和蓄电池作为动力源的电一电混合基础上，运用m a t l a b s i m u l i n k 结 合a d v i s o r 软件对动力总成系统建模、仿真和计算，研究多能源管理和控制方法。 首先，通过对混合动力系统的分析，划分出相应的功能子系统，并确定动 力源的配置方案；根据研究对象确定各个部件的基本参数，通过实验数据分析 确定部件的工作特性。对于每个子系统模型是根据物理特性得到相应的数学模 型，再结合试验数据建立仿真模型。 然后，本文主要讨论了电动车的控制策略问题。提出了动力源系统的两种 工作模式，实现了多能源系统的管理。通过对锂离子电池的低压保护和放电电 流限制，建立起锂离子电池控制模型；在小型燃料电池堆的两种控制方法比较 中，提出尽可能最大化燃料电池组的输出效率；对驾驶工况的选择不同，分析 了对动力源的功率需求；并且对电机的过载管理，建立了扭矩限制模块。 此外，本文还根据车辆行驶动力学，计算出动力性能的评价指标( 最高速 度、最大爬坡度和加速时间) ：通过对续驶里程的影响因素分析，实现了“等 速法”和“工况法”两种情况下续驶里程的计算。 最后，本文建立了燃料电池电动车的多能源管理系统模型，对其加速性、 最高车速及续驶里程进行了模拟，并参照典型的驾驶循环进行仿真实验，分析 了部件模型的工作特性。利用“春晖二号”的道路实验结果和“春晖三号”的 动力性能和续驶里程测试结果，对仿真结果进行评价，验证模型的正确性。 基于以上理论，采用v i s u a lb a s i c 署l m a t l a b 的混合编程，开发出了混合动 力电动车的仿真和计算程序界面。该程序可以对动力总成系统仿真，可以进行 动力性各项评价指标和续驶里程的计算，还可以优化控制策略。 关键词：仿真，动力总成，多能源管理，控制策略 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t h i sp a p e lb a s e do nt h et h e o r yo ff u e lc e l la n dl i i o nb a t t e r yh e v ( h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ) ，c h u n h u i ”s e r i e s e l e c t r i c v e h i c l e ，w h i c h i s d e v e l o p e db y a u t o m o b i l ec o l l e g eo ft o n g j iu n i v e r s i t y , i ss e l e c t e da st h em o d e l i n go b j e c t t h e s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o nm o d e l so fp o w e r t r a i ns y s t e ma r ee s t a b l i s h e dt of i n do u t s u i t a b l ec o n t r o l s t r a t e g y o f m u l t i e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mb yu s i n g m a t l a b s i m u l i n ka n da d v i s o rs o f t w a r e f i r s t l y ，t h ep o w e r t r a i ns y s t e mo fh e v i sa n a l y z e di nt h i sp a p e r , c o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n a ls u b s y s t e mi sd i v i d e da n dt h ea r r a n g e m e n to fp o w e rs y s t e mi sd e c i d e d t h ep a r a m e t e r so fe a c hp r i m a r yc o m p o n e n ta r ei na c c o r dw i t ht h er e s e a r c ho b j e c t a n dt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fe a c hc o m p o n e n ti sp r o v i d e db ye x p e r i m e n td a t a m a t h e m a t i cm o d e lo fe a c hs u b s y s t e mi sb u i l ta c c o r d i n gt oi t sp h y s i c a ll a w , a n dt h e n t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l to nt h eb a s i so ft h et e s t s s e c o n d l y , t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fh e v t w ow o r k i n g c o n d i t i o n so fp o w e rs y s t e ma r ep r e s e n t e dt or e a l i z et h em a n a g e m e n to fm u l t i 。e n e r g y s y s t e m t h ec o n t r o lo fl i i o nb a t t e r yi sr e a l i z e db yt h em e t h o d so fl o wv o l t a g ea n d l i m i t e dd i s c h a r g ec u r r e n t t h em a x i m u me f f i c i e n c yo ff u e lc e l ls t a c ki sp r o p o s e db y t h ec o m p a r i s o no ft w ow o r k i n gc o n d i t i o n sc o n t r o lm e t h o d so ff u e le e l ls t a c k t h e p o w e rr e q u i r e m e n ta n ds u p p l i e di sa n a l y z e db yt h es e l e c t i o no f d i f f e r e n td r i v ec y c l e s a n do v e r - t o r q u ec o n t r o lo fm o t o ri sd i s c u s s e di nt h el i m i t e dm o t o rt o r q u em o d u l e t h i r d l y , t h ec a l c u l a t i o no fd y n a m i cp e r f o r m a n c ei sm a d eb yt h eu s eo fv e h i c l e d r i v ed y n a m i c s i n “c o n s t a n ts p e e d ”m o d ea n d “d r i v ec y c l e ”m o d e t h i sp a p e r c a l c u l a t e st h ed r i v i n gr a n g ea c c o r d i n gt ot h ei m p a c to fm a i nf a c t o r s f i n a l l y ，t h em u l t i e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mm o d e lo fh e v i se s t a b l i s h e dt o c a l c u l a t ea c c e l e r a t et i m e 、m a x i m u ms p e e d 、m a x i m u mc l i m b i n gg r a d ea n dd r i v i n g r a n g e ，t os i m u l a t eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dp o w e r f l o wo fp o w e r t r a i ns y s t e m t h e t e s t so f c h u n h u i ”s e r i e sa r ec a r r i e do nt oe v a l u a t e dt h ev a l i d i t yo ft h em o d e la n dt h e r a t i o n a l i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y a b s t r a c t b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，u s em a t l a ba n dv i s u a lb a s i ca sat o o lt o p r o g r a mt h es o f t w a r e t h es o f t w a r ec a nb eu s e dt os i m u l a t et h ep o w e r t r a i n s y s t e mo fh e v ，t oc a l c u l a t et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dd r i v i n gr a n g e a n dt oo p ti m i z et h ec o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n ，p o w e r t r a i n ，m u l t i e n e r g ym a n a g e m e n t ，c o n t r o ls t r a t e g y i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：乓涌久 ? d 哆年多月8 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：轴夫 如晦弓其18 e t 第1 章引言 1 1 研究的目的和意义 第一章引言 目前全球性的石油危机和日益恶化的环境污染是2 1 世纪人类面临的重要问 题，而在我国这一问题显得更加严重。目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市 中有7 个在中国。按2 0 0 2 我国进口石油7 0 0 0 万吨，预计2 0 0 5 年后将超过1 亿吨， 相当于科威特一年的总产量。按照国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量 将占空气污染源的6 4 。显然，汽车的大量使用带来了能源消耗、环境污染等许 多负面影响。进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能源和环 境问题造成巨大的压力。 电动汽车以电能为能源，通过电动机将电能转化为机械能，在运行中接近 “零排放”，发展电动汽车为解决城市环境污染提供了一条新的途径。电动汽 车被认为是二十一世纪的绿色交通工具发展电动汽车，有利于实现交通能源结 构的多元化，减轻石油资源短缺和燃油汽车排放污染带来的负面影响，并促进我 国汽车工业实现跨越式发展使用电动汽车，可以使城市干道的噪音由通常的 7 5 8 0 d b 降：至u 6 5 d b 左右，达到国家噪音控制标准；发展电动汽车更重要的意义则 在于节省燃油，对保证国家未来的能源安全与经济安全具有重要的战略意义。 同时发展电动汽车将对调整我国产业结构、提高重点领域的创新能力和市场竞 争能力，促进经济社会协调发展产生深远影响，将会带动一系列产业发展。例 如利用深夜过剩的“谷电 ，提高现有电力资源的使用效率，平衡负荷，提高 电力行业的经济效益；带动动力电池及相关关键材科行业发展：促进一系列新技 术的研究、开发、产业化等，产生巨大的波及效益。电动汽车从车体到材料， 从动力系统到控制系统，从动力供给到计算机应用，均将现代新技术成果聚集 于一身。汽车工业具有很强的关联带动性，而电动汽车对经济的带动作用比传 统汽车还大2 3 倍。电动汽车本身就是一个高度信息化的产品，其产业化过程也 将刺激和推动包括信息产业在内的诸多高新技术产业的发展。从这个意义上说， 毋庸置疑的，电动汽车引领着未来的汽车工业。 然而电动汽车的关键技术电池技术是其不可逾越的障碍：电池的能量 第1 章引言 密较低，电动汽车一次充电的续驶里程无法达到当前内燃机汽车的水平；此外， 电动汽车空调和暖风的选用必须充分考虑其能量消耗对电动汽车续驶里程的影 响，乘员的舒适性受到限制；充电时间太长( 4 - 8 h ) ，循环寿命有限，且配套设 施费用昂贵。因此，常规电池电动车在可见的将来替代内燃机汽车的可能性微 乎其微，只能扮演辅助能源和有限范围内运输工具的角色。 在内燃机汽车的致命缺点不能从根本上解决，而电动汽车由于技术问题在 目前难以推广的情况下，人们提出了混合动力汽车这一概念。它采用内燃机和 蓄电池作为混合动力源，实践证明，混合动力汽车能大幅度提高燃油经济性 ( 3 0 4 0 ) ，降低排放( 5 0 6 0 ) ，而且弥补了电动车辆续驶里程短的不足。虽然 有上述优点，但混合动力汽车终究是一种过渡产品，因为它不能彻底的解决污 染问题。至今各国政府和专家及各大汽车厂商均看好燃料电池汽车。 混合动力电动汽车系统庞大复杂，需要的成本高，在计算机技术十分发达、 开发商竞争日趋激烈的今天，系统建模和仿真研究更显重要。而建立其数学模 型并应用适合的控制策略进行仿真分析，不仅便于灵活的调整设计方案，优化 设计参数，而且可以降低科研费用，缩短开发周期。因此为了更好的研究燃料 电池的整车性能，对它的仿真及其控制策略的研究就显得非常必要。 1 2 国内外混合动力电动车的研究状况 美国是全世界对污染限制最严格的国家，也是最早研制成电动汽车的国家。 1 8 7 3 年试制成功第一台电动汽车。美国政府以能源部为中心，对电动汽车的研 制进行了连续的逐年递增投人资金。美国e p r i ( 电力能源研究所) 推行了实用电 动汽车普及活动。1 9 9 1 年美国3 大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用先进 电池，合作开发高性能电动汽车电池。目前三大汽车公司都把自己的几十辆新 型电动汽车投入示范运行。美国通用汽车公司研制的“氢动一号”( h y d r o g e n l ) 是适合道路行驶的概念车。它以欧宝“赛飞利”为基础，以5 5 千瓦三相电动机 作动力，最高速度达1 4 0 公里d , 时。它的电流由燃料电池组发出，消耗的是纯 氢。该燃料汽车从静止到1 0 0 公里时速的加速时间只有1 6 秒，而车子的续驶罩程 却高达4 0 0 公里。 福特推出的p 2 0 0 0 是5 成员燃料电池轿车，采用前轮驱动，整车质量为 1 5 1 8 k g 。电机为5 6 k w 的三相异步交流电机，燃料电池系统的总功率为7 5 k w 2 第1 章引言 ( 3 x 2 5 k w ) ，以压缩氢气为燃料。p 2 0 0 0 的最高车速大于8 0 k m h ，o - 3 0 k m h 的加速 时间为4 2 s ，o - 6 0 k m h 的加速时间为1 2 3 s 。 德国的电动汽车的研制比较早。n e c a r 4 是5 员乘坐轿车，采用前轮驱动。它 的设计基于m e r c e d e s - b e n z 的a - c l a s s 车，车辆总质量为1 7 5 0 k g ，比同类内燃机 汽车约重3 0 0 k g 。电机可提供5 5 k w 的功率，2 台3 5 k w 的质子交换膜燃料电池组由 b a l l a r d 动力系统提供。n e c a r 4 以液氢为燃料，一次加注的燃料可供n e c a r 4 行驶 4 5 0 k m en e c a r 4 的试验车速已达1 2 5 k m h 。若电动机允许，最高时速可达1 4 5 k m h 。 本田于2 0 0 1 年9 月4 日在以传媒为对象举行的“2 0 0 1 本田会议 上宣布开发 出了新型燃料电池混合动力汽车“f c x - v 4 。燃料电池系统采用的是加拿大 b a l l a r dp o w e rs y s t e m s 公司的产品，蓄电池组使用了最新的“m a r k 9 0 0 ，在 实现系统小型化的同时将输出功率由原来的6 2 k w 提高到了7 8 k w 。最高时速由原 来的1 3 0 k m h 提高到了1 4 0 k m h 。 日本的丰田公司率先实现了混合动力汽车的产业化，是全球第一家推出商 用氢动力燃料电池汽车的汽车制造商。1 9 9 7 年，该公司的第一款混合汽油电力 汽车p r i u s 投入市场。2 0 0 2 年1 2j q 又相继研究开发t f c h v 、f c h v 一3 两种以燃料 电池为动力源的汽车。而最新研制的氢燃料电池车f c h v 一4 的最高时速达 1 5 3 公里，行程范围多达2 5 0 多公里，售价约为1 0 0 0 万日元( 约合7 5 万美元) 。 香港大学( h k u ) 1 9 9 3 年研制的u 2 0 0 1 电动汽车。它是四座电动汽车，采用 功率为4 5 k w 的永磁混合电机和2 6 4 v 的镍镉电池组。该车的电机是特殊设计，它 可以在一个很广的转速范围内高效工作。该车采用智能管理系统使能量转化和 传递达到最优。u 2 0 0 1 最高车速为l l o k m h ，0 4 8 k m h 的加速时间为6 3 s ，以 8 8 k m h 运行时，续驶里程为1 7 6 k m 乞 在国内，东风汽车公司、大连化物所和中科院电工所合作开发出p e m f c 轻 型客车。2 0 0 1 年底上汽委托泛亚和上海交通大学联合开发了名为凤凰的燃料电 池混合动力汽车。比3 该车以别克g l 8 商务用车为开发平台，可乘坐5 人，总重 2 5 0 0 k g ，最高时速1 1 3 公里，0 - 1 0 0 公里4 , 时的加速时间仅为1 3 秒。该车可以 实现以下几种工作方式：低速且蓄电池充电不足时，燃料电池系统向电动机输出 功率并向蓄电池充电；中速时，燃料电池系统只向电动机输出功率：减速制动 时，电动机转换为发电机，向蓄电池充电；当蓄电池s o c 很高时，单独由蓄电 池向电动机输出功率：自动控制只允许燃料电池系统工作。这几种方式基本满 足了车辆行驶的各种状态。 第1 章引言 国家科技部也将燃料电池混合动力汽车的研制和开发列为十五“8 6 3 ”计划 电动汽车重大专项的攻关技术之一。同济大学、清华大学等各高校都作为承担 单位在进行燃料电池混合动力汽车的整车控制系统的研制与开发。 1 3 混合动力车动力总成控制系统的研究现状 本文中的混合动力电动车，不仅仅指以内燃机和电动机的动力混合方式， 还包括以燃料电池和蓄电池为动力源的电电混合系统。本文的研究对象就是后 者。 多能源动力总成控制单元是h e v 动力总成控制系统的核心，因此动力总成 控制单元的研究已经成为近年来电动车技术发展和产业化进程中的重要研究开 发方向。动力总成控制单元包括控制软件和硬件模块两个方面，其中控制软件 的研究主要体现为控制策略的制定和优化，硬件模块的研究开发则主要体现为 提高可靠性和电磁兼容性。 多能源动力总成控制系统开发过程中，控制策略和控制算法是实现对整车 多能源动力管理协调的关键，其优劣将直接关系到整车性能的好坏。动力总成 控制系统通过控制逻辑使电动汽车运行在不同的模式下，并且通过与每个运行 模式相联系的动态控制策略向各子系统发出指令。控制系统应能满足整车在各 种模式下的驱动和排放要求，同时保证不同运行模式间的平衡动态切换。 控制策略包括两个层面的内容u 1 ：一方面，控制策略协调整车各部件的工作 以满足基本的工况要求。即对于司机发出的信号能够指挥动力总成各部件以一 定的方式配合工作加以满足，不应出现在设计能力范围内的需求无法得以实现 的情况。另一方面，多部件的系统组成和混合动力驱动方式的特点又对控制提 出了“优化 的要求。对于既定的工况要求，一般会有多于一个的满足方式； 例如，对于某一驱动功率，可以有多种匹配方式，这就需要综合考虑控制的方 向、结果以及影响，达到一个最佳或较佳的效果。一般来讲，混合动力单元一 发动机是主要的优化对象，我们希望将其控制在从某种角度考虑的工作优化区 域；但是兼顾工况要求和优化目标是一件较困难的事情，甚至是相互矛盾的：对 于一个给定的优化区域，工况的不稳定变化和电池等重要部件的状态将可能使 控制对象不得不在某些时候偏离这个区域，这样，在综合考虑偏离的程度和频 度后，这个区域就可能被重新确定。这是制定控制策略的难点和关键。 4 第l 章引言 1 3 1h e v 典型的控制策略 随着h e v 汽车技术的不断发展，控制策略的研究日益得到各国政府以及世 界各大汽车公司的重视，包括日本丰田公司的p r i u s 、本田的i n s i g h t 车都有一 套相对独立的控制策略，综合各种控制思想，有以下几种典型的控制策略： 1 ) 串联自动调温器式控制策略 串联混合驱动汽车利用发动机及发电机把生成的电能存储在蓄电池中，再 利用电能驱动汽车。为了保持蓄电池工作的高效率，电池供电时的荷电状态( s o c ) 有上界和下界的限制。 2 ) 串联功率跟踪式控制策略 这种控制策略根据电池的s o c 和负荷确定发动机的开关状态和输出功率的 大小，目的是满足下游设备的功率需求。为使发动机在最佳功率点附近运行， a d v i s o r 事先保存了发动机最佳效率运行点，根据车况直接查表获得转矩和转 速。 3 ) 并联电辅助驱动式控制策略 目前，并联式混合动力系统结构的控制策略大多采用电力辅助控制策略， 该控制策略的主要思想是把电机作为辅助动力源，根据运行工况提供峰值驱动 功率或者在发动机功率富足时以发电模式工作，从而优化发动机的运行工况， 同时使电池保持一定的有效电量水平。其主要输入参数包括：车速、电池充电 状态( s o c ，s t a t eo fc h a r g e ) 值及车辆的扭矩负荷等。根据输入参数，首先 确定发动机的优化输出扭矩，然后根据总的负载扭矩与发动机扭矩输出值的差 值确定电机的扭矩输出。本田i n s i g h t 的扭矩分配控制策略h 。、雪铁龙x s a r a 的并联控制策略等都属于这种电力辅助控制策略。 电力辅助控制策略以经济性能和荷电状态值为控制目标，在满足动力性能 的基础上可以获得较好的经济性能，但其控制效果比较粗糙，其性能不能达到 “最优”，另外没有考虑排放性能。 4 ) 并联自适应式控制策略 自适应式控制策略( s a c s ，s e l f - a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g y ) ，也称为 实时控制策略( r t c s ，r e a l t i m ec o n t r o ls t r a t e g y ) ，其主要思想是：对每 一时刻驱动能量在电机和发动机之间的分配进行优化，以按照目标综合提高整 车的燃油经济性和排放性能，即是说，s a c s 主要体现了实时优化的特征。s a c s 第1 章引言 采用若干个具有不同权值的控制参数，如燃油消耗率、h c 排放量、n o x 排放量、 p m 排放量等，这些参数分别表征h e v 的经济性能和排放性能。然后由这些参数 生成一个对应于不同发动机扭矩的影响函数( i m p a c tf u n c t i o n ) ，在一定转速 下，通过寻找使影响函数达到最小值的扭矩点来取得h e v 最优的燃油消耗和排 放。 自适应控制策略具有实时选择发动机、电机工作状态最优点的功能，综合 考虑了经济性能和排放性能，但自适应控制策略寻优过程的计算量大，对硬件 的要求比较高。 5 ) 模糊逻辑控制策略 f l c s ( f u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y ) 的主要研究目标是保证发动机工 作在高效率区，该控制策略通过对输入输出参数分别进行模糊化和反模糊化处 理，避免了常规控制方法中复杂的查表和插值计算，能够提高响应速度和控制 精度。 国外有关文献表明，综合运用模糊逻辑控制、自适应控制、神经网络等现 代控制方法对h e v 电动车的电池s o c 值、车速、发动机功率等参数进行模糊化 处理，同时结合自适应控制或神经网络进行寻优，能够取得良好的控制效果。 因此，h e v 动力总成控制系统的模糊逻辑控制策略以及自适应控制策略目前正成 为热点研究问题1 。 1 3 2 燃料电池电一电混合动力汽车控制策略 燃料电池电一电混合动力汽车的控制策略咄儿驯是以提高燃油经济性和动力 性为目标实现整车控制。电一电混合动力汽车控制策略有两种：一种是开关模 式，另一种是功率跟随模式。 1 ) 开关模式 开关控制模式的思路简单：在整个控制过程中，蓄电池的s o c 值在设定的范 围内浮动，根据判断当前蓄电池组的s o c 值来确定燃料电池系统的开关状态， 当燃料电池系统的状态处于开时，始终工作在一个恒定的功率水平。这种控制 策略能够保证燃料电池系统和蓄电池组工作各自的高效率，但研究结果表明， 这种控制策略不适合电电混合动力汽车，其动力性差，燃油经济性比功率 跟随模式低9 1 。而且，对于燃料电池系统而言，由于直接以氢为燃料不存在 6 第1 章引言 排放问题，因此汽车行驶过程中关闭燃料电池系统没有意义。相反燃料电池系 统对温度、湿度、压力等工作坏境要求很高，反复启动会给燃料电池系统的控 制及寿命带来许多不利影响。 2 ) 功率跟随模式 功率跟随模式中，蓄电池组s o c 值的范围仍然不超过设定的限值，但它的 管理以电量消耗最小为目标：燃料电池系统的输出功率不是恒定值，而是跟随车 辆行驶的功率要求在设定的功率范围内变化，优先考虑整车的功率要求并维持 蓄电池组的电量状态为某一目标值。功率跟随模式的控制策略不存在开关控制 模式的缺点，但它相当复杂，要确定燃料电池系统和蓄电池组的工作范围，并 在汽车行驶工况下完成燃料电池系统与蓄电池组之间的功率分配。 近年来，国外相继推出了应用于不同车型的动力总成控制器。其中通用 p r e c e p t 混合动力总成系统a i p m ( a u t o m o t i v ei n t e g r a t e dp o w e rm o d u l e ) 可 控制电动机与发动机的输出能量分配，并具有能量管理、再生制动、电池状态 判断等功能。p n g v 项目在h e v 动力控制模块集成等技术领域取得了显著成就。 国内h e v 动力总成控制器的开发目前还处于起步阶段。近来国内一些高校 和研究单位正在展开多能源动力总成控制器和能量管理系统的基础性研究工 作，另外，深圳兆泰工贸集团公司提出在其2 0 0 2 年推出的示范车上，将配备与 国外联合开发的汽车系统控制器与能量管理系统( v e h i c l es y s t e mc o n t r o l l e r e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 。 1 4 混合动力电动汽车的建模和仿真技术 1 4 1 汽车仿真原理 汽车性能的计算机仿真，就是将其物理模型转变为数学模型，并利用电子 计算机对汽车在各种典型工况下的运动过程和动力过程进行模拟计算，求出其 运动性能或响应特性。 按照仿真过程中信息流动的方向，仿真方法分为前向仿真和后向仿真，图 1 1 和图1 2 所示分别为混合动力电动汽车前向和后向仿真示意图。 由图1 1 可知，前向算法汽车仿真采用前向算法考虑了驾驶模式，一般是 通过p i 控制器根据要求的车速和当前的车速，它调节加速踏板和制动踏板的命 第1 章引言 令来完成工况循环。加速踏板的信号转换成扭矩，扭矩信号传递给传动系继而 虽终转化成一个推动力，这个力除以质量后再积分可咀计算出车速。这种仿真 程序比较擅长_ 丁计算车辆的展佳性能，但是当计算时间超过l o 分钟的行驶路程 的时候，仿真速度较慢9 。 前向算法可以优化控制器的设计，因为这种算法考虑了控制信号，扭矩的 输出是实际的发动机扭矩，叮咀得到更为真实的仿真结果自然动态模型可以 很好的加人汽车模型内，从而可以很好的仿真实际的最大加速度。它的最大不 足在于仿真速度慢，通过微小时州步长积分算出的子系统的速度决定了这一点。 刿1 1 前向仿真示意创 信8 图l2 后向仿真示意图 由图12 可知，后向算法汽车模型仿真采用后向算法回答了“假设车辆符 合工况循环的要求汽车需要达到预定的性能，那么车辆各部件该如何工作” 的问题。基于这种模式的仿真程序，一般不包括驾驶员模型，它仅能通过反复 循环预测车辆的最高性能。实际驱动汽车加速的力矩是通过要求得车速曲线在 单位时间步长上计算出来的，然后考虑功率的损失和系统的效率直接传递到下 一个子系统，按照功率传输流的方向依次向后计算。 后向算法可以很方便的在实验室内测试汽车动力系统，可以评估系统的效 率与功率输出的m a p 图。这样的测试可以在很大的时间步长上计算出来，仿真 的速度会很快。它的缺点“在于它假设每一个子系统都可以满足所需要的功率， 因此它不能很好的计算出实际的性能，如当它的加速需求超过子系统的能力时 便会失真。另外它不考虑汽车的控制信号，如加速踏板和制动踏板的信号。所 咀在动态特性上效果不会很好。 42 模块化建模 所谓模块化设计，是指在功能分析的基础上，将产品或系统划分为若干功 ：-肖捌捌l嚣一翠 二 烈 第1 章引言 能独立、结构独立的基本单元模块，并使模块系列化、标准化，通过模块 的有效选择和组合，实现不同功能的产品或系统，以满足不同需求的设计方法。 在模块化设计过程中，基于系统功能的模块划分是模块化设计的前提和关键， 模块划分是否合理，直接影响模块化系统的功能、性能和成本。基于系统功能 的模块化设计，可以使用户根据自己的需要，通过修改已有的模型或建立新模 型来建立自己需要的汽车模型，这样可以使仿真系统具有很大的柔性。 1 4 3m a t i a b s i m u ii n k ，s t a r e r i o w 仿真软件 m a t l a b 中的s i m u t i n ki 具箱是一个功能非常强的仿真开发系统，它将不同 的元件、计算环节、控制环节等进行了封装，并可以将一段程序封装为具有输 入、输出接口的模块，很好的体现了模块化的的编程思想通过基于 m a t l a b s i m u l i n k 仿真语言的可视化编程，可以方便的实现各组件的编程以及系 统结构与能量管理策略的设计与优化。 s t a t e f l o w 也是m a t l a b 软件的一个功能强大的工具箱，这个工具箱定义了 一系列的事件和规则，用一种通用的语言在各个事件问进行通讯和状态转换， 是实现控制算法的强有力的工具。 1 4 4 仿真技术在h e v 动力总成控制系统开发中的应用现状 h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 多能源动力总成控制系统的控制算法比 较复杂，并且具有众多的影响因素。如果直接进行试验研究，不仅需要对台架 进行反复改动，增加开发成本，而且如果对试验实物控制不当，还会导致系统 故障，甚至可能威胁试验操作人员的安全。因此，为了缩短开发时间、降低开 发成本，同时加深对h e v 的工作过程和控制策略的理解，h e v 多能源动力总成控 制系统在开发前期应充分利用仿真软件这一有力工具对控制系统进行设计、调 试和分析。在计算机技术十分发达、新产品开发竞争日趋激烈的今天，系统建 模和仿真研究显得尤为重要。这也是开展本论文研究工作的主要原因。 随着各国对h e v 的深入研究以及计算机仿真技术的迅速发展，日益需要为 h e v 的开发提供方便实用的专用仿真分析软件。这种仿真软件应便于开发人员迅 速地测试自己的构想，综合评测系统性能，并在此基础上快速设计出更多的解 决方案以满足更高的技术要求。 9 第l 章引言 目前国外的h e v 专用仿真分析软件多数是研究机构和高校为科研课题而开 发的。这些软件主要包括美国国家可再生能源实验室( n e r l ) 丌发的a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) 和德克萨斯a & m 大学开发的e v h e v 仿真软件 包v - e l p h 2 0 1 。 a d v i s o r 是基于m a t l a b s i m u li n k 的h e v 专用仿真软件，它很好地体现了模 块化的软件工程思想，能够方便、直观地实现以下功能：分析能量在h e v 各个 部件之间的分配；比较不同试验循环标准下的油耗、排放情况；优化传动比从 而减少燃油消耗等。研究人员能够通过设置一定的控制策略函数。模拟扭矩、 转速和功率在各个组件问的传递，预测汽车在各种循环工况下的动力性能、经 济性能、排放性能以及各组件的平均效率。a d v i s o r 中的组件模型主要基于大量 的实验数据，从而避免了过于细致的组件建模，同时“屏蔽”掉了许多外界参 数的影响，具有较高的可信性和鲁棒性。因此，a d v i s o r 先后被福特、通用、克 莱斯勒及一些研究机构选为h e v 的辅助开发工具 。 v - e l p h 2 0 1 采用了模块化的软件开发方法，开发了包括发动机、电池、电 机、汽车动力学模型、控制器等在内的一个组件库。使用者可以在汽车驱动系 统框架的基础上培植选定的混合动力系统，如选择串、并联形式，选择不同类 型或规格的组件，并设计相应的控制逻辑等。 此外，美国阿尔冈国家实验室开发的m a r v e l 程序、达拉漠大学开发的j a n u s 程序、r i c a r d o 技术咨询公司开发的模块化驱动系统仿真软件等也都在混合动力 电动车的研究开发中得到了应用。 1 5 论文的主要研究内容 本论文的研究对象是“春晖微型燃料电池电动车”，以m a t l a b s i m u l i n k 为软件工具和建模平台，在进行大量的整车性能测试和部件性能测试的基础上， 建立仿真模型，完成程序的开发。 本文的仿真目标是：通过车辆的动力性仿真中进行最大速度、加速及爬坡 测试；借助车辆经济性仿真对车辆的续驶里程进行预测和计算；通过对动力总 成系统多能源管理和方法的仿真，进行燃料电池及锂蓄电池能量消耗情况及效 率的评价，并根据仿真结果，对动力传输系统中电机、燃料电池堆栈和蓄电池 的运行情况进行进一步分析。主要研究内容如下： l o 第1 章引言 1 ) 以小型燃料电池的性能测试数据为基础，根据曲线拟合和功率效率关系 建立f c 模型； 2 ) 建立蓄电池的内阻模型，观测仿真的电压、电流，与电池实验想比较， 对于模型进一步改进，达到用来模拟电池放电规律的研究。 3 ) 利用电机的台架实验数据，模拟电机的效率、扭矩。 4 ) 选定行驶工况，整车性能仿真，测试车辆动力性能和续驶里程，观测蓄 电池、f c 的工作情况和控制方法的不同带来的影响。 5 ) 预测f c 的功率不同，经分析选定n i _ 洲电池的容量。 6 ) 编制可视化的用户程序界面。 第2 章动力总成系统主要部件的参数和实验性能 第二章动力总成系统主要部件的参数和实验性能 混合动力电动汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 是在车辆上同时配备 电力驱动系统( 如蓄电池、电动机) 和辅助动力单元( a p u ) 。其中，a p u 是燃 烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，本文的研究采用质子交换膜 p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ( p e m ) 燃料电池作为a p u 配置。 四轮驱动微型电动汽车的动力电源，以动力蓄电池为主动力源，小型燃料电 池为辅助动力源的电一电混合动力系统，如图2 1 所示。 图2 1 锂电池和燃料电池组的电一电混合系统 当车辆行驶时，小型燃料电池可辅助向系统供电，以节约主动力源蓄电池 的电能，延长续驶里程；停车时，可由车载充电器或小型燃料电池发电向蓄电 池充电；小型燃料电池的功率应满足当动力蓄电池不足时，仍能使车辆以一定 的速度行驶返程。多加氢气将有效延长续驶里程。这样的动力配置方案，既可 弥补纯动力蓄电池电动汽车续驶里程短的缺点，又不存在大功率燃料电池成本 高的问题m 。 2 1 整车基本参数 表2 1 整车技术参数表 长幸宽幸高 2 5 0 0 r a m * 1 4 0 0 r a m * 1 6 5 0 m m m 整车主要尺寸 轴距l 1 8 0 0 m m 轮距b 1 2 2 6 m m 整车整备质量5 0 0 k g 汽车质量参数 载客量4 人3 0 0 k g 驱动型式p 1 1 轮轮毂电机车轮半径0 2 6 m 第2 章动力总成系统主要部件的参数和实验性能 2 2 锂离子动力电池 由于锂离子电池具有高的比能量、较高的比功率、寿命长和无污染等优点， 被认为最好的动力电源之一。作为一种应用趋势，锂离子动力电池正越来越多 地在一些电动车辆上得到应用。 在我国国内，在电动车辆和混合动力车辆上使用锂离子动力电池已列入国 家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 和国家“十五”计划。所以，建立合理正确的 锂离子电池的充放电模型就显得尤为重要。但是，锂离子电池的充放电特性同 样受到放电电流和环境温度等诸多因素的影响。它们之间的定量关系至今还不 很清楚。本文中基于试验结果，将对锂离子电池的充放电特性进行初步的分析。 2 2 1 锂离子电池的反应原理 锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子 嵌入化合物组成，正极采用锂化合物l i ，c 0 0 2 、l i xn i 0 2 或l i ；m n 2 q ，负极采用 锂一碳层间化合物f ，c 。，电解质为溶液有锂盐工眠、l i ，a s f 6 等的有机溶液。 经过三f + 在正负电极问的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。充电时， f + 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态。放电 时则相反，f + 从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。 锂离子电池的电极反应表达式分别为引： 充电 正极_ 触：l i m n 0 2 ；= 兰三i l 一胃五扬d 2 + x 五+ + 石口 放电 充电 负极反应：n c + x r i + + x p ；兰厶f c 麓 放电 充电 电池反应：l i m n 0 2 + 刀c , 一g - - - - - a l 一# m n 0 2 + 厶i c - 2 2 2 锂离子电池参数 锂离子动力电池采用深圳市雷天电源技术有限公司的l c p i o o a h a 电池， 4 8 v l o o h h 1 。其特点：重量体积能量密度大、配电池充电均衡器。其主要参数 如表2 2 所示。 1 3 第2 章动力总成系统主要部件的参数和实验性能 表2 2 锂离子动力蓄电池的主要参数 型号规格 l c p l o o a h a 公称电眶 2 4 v 标称容量l o o a h 工作电压 2 2 3 0 v 最大放电电流2 0 0 a 脉冲式 电池组 循环寿命 5 0 0 次( 7 0 d o d )最佳放电电流3 0 6 0 a 外形尺寸( m m 3 ) 4 6 0 1 5 0 3 2 0 最佳循环次数 1 0 0 0 次( 6 0 d o d ) 使用环境温度 一2 5 7 5 重量 2 3 k g 充电方式 外配恒流、恒压充i 乜 最佳充电电流 3 0 a 充电 器 最人充电电压 3 0 v 最大充电电流3 0 0 a ( 正负脉冲式) 2 2 3 锂电池的性能 2 2 3 1 锂电池的有效容量 蓄电池的有效容量与放电电流之间的关系式可以用p e u k e r t 方程表示 1 ： c f ，= 肼( 力：! 咝业 l g ( 1 l 1 2 ) 其中：，。：最高的放电电流；，：最低的放电电流； t l ：与，l 对应的放电时间；f ：与1 2 对应的放电时间； 标定容量1 0 0 a h 的锂电池在不同放电率下的有效容量c f ，如图2 2 所示。考 虑到在最大和