（光学工程专业论文）pshev电动汽车动力混合与分配策略的研究.pdf

摘要 论文题目：p s h e v 电动汽车动力混合与分配策略的研究 学科名称：车辆工程 研究生：张亚光签名：跣贮彩 导师姓名：刘凯教授 周春国副教授 摘要 签名： 签名： p s h e v 电动汽车动力混合与分配策略是混合式汽车的重要组成部分，它直接影响了 车辆的能量分配策略、动力性能，燃油经济性方面的表现。所以合适而良好的车辆控制策 略成为车辆控制系统的核心。本文通过研究分析了混合动力汽车的相关基础技术后，以丰 田p r i u s 二代车为原型，对其进行了车辆的机构建模。论文的主要工作有： 1 、研究了混合动力车辆的工作模式，并对混联式车辆的工作方式进行了深入分析。 2 、通过对行星齿轮减速器的研究，了解单排式行星齿轮减速器在混联式车辆动力耦 合中的传动速度、扭矩平衡的关系，并得到在不同驱动条件下行星齿轮减速器的运动状态。 3 、对车辆进行整体建模，并通过默认控制规则研究其正确性，默认控制规则为仿真 软件内建。 4 、通过对混联式动力车辆各种运行工况的分析，使用m a t l a b s i m u i i n k 对整车动 力控制系统进行建模。 5 、在a v lc r u i s e 中设定车辆行驶的具体工况，通过a v lc m i s e 与s i m u l i n k 软件的 联合仿真计算功能进行仿真计算。 6 、对仿真计算结果进行分析，发现模糊逻辑控制器通过控制车辆发动机节气门使得 发动机处于最佳燃油经济性曲线附近，从而使车辆的燃油经济性得到提高。同时，也验证 了使用模糊逻辑控制算法对车辆的控制是有效可行的。 关键词：混联式，行星齿轮减速器，控制策略，最佳燃油经济性 本课题得到陕西省普通高校重点学科( 车辆工程) 建设专项资金( 项目编号： l0 2 0 0 x 9 0 4 ) 的资助。 a b s t r a c t t l t l e ：s t u d yo np s h e vi i x i n ga n dd i s t r b u t i o ns t r a t e g y m a j o r ：v e h i c i ee n g i n e e r i n g n a m e ：y a g u a n gz h a n g s u p e r 、，i s o r ：p r o f k a il i u a s s o c i a t ep r o f c h u n g u oz h o u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s l g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： p s h e vm i x i n ga n dd i s t r i b u t i o ns t r a t e g yi sa ni m p o r t a n tp a r to fh y b r i dv e h i c l e i td i r e c t l y a f f e c t st h ev e h i c l e se n e r g yd i s t r i b u t i o ns t r a t e g y ，p o w e rp e r f o m a n c e ， 如e 1 e c o n o m y p e r f i o m a n c e s op r o p e ra n dg o o dv e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g yh a sb e c o m et h ec o r eo fv e h i c l e c o n t r 0 1s y s t e m ，t h i sa i r t i c l et 1 1 r o u g ht h er e s e a u r c ha n a l y s i so ft h eh y b r i dv e h i c l eo nt h eb a s i so f t e c h n 0 1 0 9 y ，b a s e do nt h et o y o t a p r i u st w og e n e r a t i o nc a rp r o t o t y p e ，h a sc a r r i e do nt h ev e h i c l e b o d ym o d e l i n g 1 r e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h eh y b r i dv e h i c l em o d e l ，a n dt h eh y b r i dv e h i c l em o d e u n d e r t o o kt h o r o u g ha n a l y s i s 2 t 1 1 r o u g ht h ep l a n e t a r yg e a rr e d u c e rr e s e a r c h ，u n d e r s t a n d i n go fs i n g l e r o wp l a n e t a r y g e a rr e d u c e ri nh y b r i d v e h i c l ep o w e rc o u p l i n gi nt r a n s m i s s i o ns p e e d ， t o r q u e b a l a n c e r e l a t i o n s h i p ，a n di nd i f f e r e n td r i v i n gc o n d i t i o n so fp l a n e t a r yg e a r r e d u c e rm o t o rs t a t e 3 v e h i c l eo v e r a l lm o d e l i n g ，a n db yd e f a u l tc o n t r 0 1 r u l e si ni t sc o e c t n e s s 4 b a s e do nt h eh y b r i dp o w e rv e h i c l eo p e r a t i o nc o n d i t i o na n a l y s i s ，t h eu s eo fm a t l a b s i m u l i n ko nv e h i c l ed y n a m i cc o n t r 0 1s y s t e mm o d e l i n g 5 i nt h ea v lc r u i s es e tt h ev e h i c l e ss p e c i f l cc o n d i t i o n s ，t h r o u 曲t h ea v lc m i s e s o r w a r ea n ds i m u l i n kj o i ms i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 向n c t i o no f s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 6 t h er e s u ho fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，f o u n dt h a tf u z z yl o g i cc o n t r o lb yc o n t r o l l i n g t h e v e h i c l ee n g i n es o l a rt e md o o rs ot h a tt h ee n g i n ei nt h eb e s t f u e le c o n o m yc u em a k e st h e v e h i c l ef u e le c o n o m yi si m p r o v e d a tt h es a m et i m e ，a l s ov e r m e du s i n gt h e 缸z z yl o g i cc o n t r o l a 1 2 0 r i t h mf o rv e h i c l ec o n t r o li sf e a s i b l ea n de f 琵c t i v e k e yw o r d s ：p a r a l l e l 一s e r i e s ，p l a n e t a r yr e d u c e r ，c o n t r o ls t r a t e g y ，b e s tf u e le c o n o m y i i i 西安理工大学硕士学位论文 i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着我国的发展，汽车保有量不断增加，到2 0 1 1 年八月底，我国的汽车保有量已经 超过1 亿辆，占机动车总量的4 5 8 8 。由2 0 1 1 年上海国际车展高峰论坛可知，从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年，汽车保有量年均增加9 5 l 万辆，月均超过7 9 3 5 万辆。2 0 1 0 年，我国的每 千人汽车保有量只有5 8 辆，而美国千人保有量为8 2 3 辆，法国为5 9 8 辆，日本为5 9 1 辆， 都在我国的十倍以上。由于汽车消费是我国国民的刚性需求，可以预见，在未来几十年， 我国的汽车保有量还会大幅度增加。随着汽车的越来越多，汽车所带来的各种问题也会越 来越突出，其中包括环境污染、噪音污染、汽车性能的不断提高和节省燃油的矛盾、燃油 供给的需求与世界原油储备下降的矛盾等等。 目前，全世界都在努力寻找石油能源的替代品，目前已经用到的就是电能和太阳能。 电动车辆已经用到实际生产中，比如我国的比亚迪公司纯电动轿车e 6 和电动大巴k 9 都 属于电动车。太阳能由于受到环境，气候的影响以及高成本，低效率而仅处于研究阶段。 故目前燃油动力的汽车仍处于主导地位，所以如何节省燃油、提高效率就成了车辆设计、 开发中的主要问题。 本文通过奥地利a v l 公司的c m i s e 软件以丰田p r i u s 车为原型进行建模，对发动机 的工作过程，车辆动力性能，燃油经济性等进行仿真，通过调整车辆参数和控制策略，可 以快速有效的对整车进行仿真并改善整车性能，与手工计算相比，简化了研发过程，提高 了研发速度。1 8 0 3 年，法国工程师特利维柯采用新型高压蒸汽机驱动汽车，在行驶中达 到平均时速1 3k m ，标志着汽车开始在实际中应用。在随后的2 0 0 多年中，车辆工业的发 展日新月异，和人们的生活也越来越密切，汽车已经不单纯是一个交通工具，它更是物质 生活和文化生活中不可分割的一部分。 汽车工业的特点是资金和技术密集，产业规模大，关联广，其发展已经对一个国家的 上游和下游产业产生深远影响，成为一个国家的支柱产业。 现在汽车向着更环保、节能方向发展，世界各国正在努力研制环保节能汽车。而我国 在汽车工程领域也在不断发展，一些电动和混合动力的国产车已经上市【1 儿2 j 【3 j 。 现如今环境污染和能源供应已经成为汽车领域可持续发展的严重障碍，如何解决这两 大难题已成了世界各国争先研究的课题。汽车在生产、使用、报废后中会产生大量污染气 体和废弃物，包括二氧化碳、硫化物、氮氧化物、氟氯烃等，严重破坏臭氧层，污染大气、 水质、土壤。除了污染问题，能源供应矛盾已逐渐凸显，在汽车工业发展中，应该设法减 少对石油资源的消耗，并且积极寻找替代能源。 我国面临的形式如今非常严峻，国内石油的储量和开采量已经无法满足需求，仅2 0 0 9 年我国的原油进口量已经达到2 0 3 8 亿吨，平均每天进口4 1 0 万桶原油。而目前由于电池 1 西安理工大学硕士学位论文 能量密度和功率密度都无法满足普及电动汽车的要求，使得电动汽车的动力性始终不如燃 油汽车，所以纯电动汽车目前还达不到普及。 在此情况下，混合动力汽车应运而生，它由于比电动汽车有更加强劲的动力性能和续 航能力，又比燃油车辆更加节能环保，所以其越来越受到人们的重视。现在混合动力汽车 已经成为一种发展趋势，它燃油少，排放小，发动机稳定的工况使得其排放气体的成分易 于控制，这正是混合动力汽车的节能环保的优点和意义所在。 1 2p s h e v 汽车动力分配方案的研究 由于混合动力汽车使用了能量存储系统和复杂的传动系统使得整车质量大，造价高。 而且，如何对能量自动合理的分配也提高了整个系统的造价m j 。 混合动力汽车的分类【4 j ：并联式汽车( 两个动力源并行驱动) 、串联式汽车( 发动机 电动机一发电机驱动) 、混联式和复合式动力混合汽车。 1 2 1 串联式混合动力汽车 串联式是混合动力汽车中结构比较简单的一种，动力由发动机输出，带动发电机发电， 得到的电能分成两部分，一部分给电池充电，另一部分输入电动机，电动机产生动力，带 动传动系统驱动车轮。它与燃油汽车的区别在于，串联式混合动力汽车是一种发动机输出 动力进行发电，电能通过电动机带动车辆的电动车。在这种结构中，传动系统的机械连接 部分不需要离合器，所以其结构较为简单。 串联式混合动力汽车的工作模式如图1 1 所示。 1 2 2 并联式混合动力汽车 这种混合动力汽车采用了电动机和发动机并行驱动车辆的传动系统。在这种结构中， 发动机和电动机分别通过不同的离合器来传送动力。它既可以单独使用发动机驱动车辆， 也可以采用电动机驱动车辆，还能同时使用发动机和电动机驱动车辆。若电动机工作在发 电机状态，则将多余的能量充入电池。与串联式混合动力汽车比较，它只需要两个驱动装 置：发动机和电动机。 并联式混合动力电动汽车的工作模式如图1 2 所示。 1 2 3 混联式混合动力汽车 将串联式和并联式混合动力汽车在结构上综合起来，就构成了混联式混合动力汽车。 它增加了一种动力的传递路线，也增减了电能的传送路线。尽管其与前两种车型相比优点 突出，但由于结构相对复杂，导致成本提高。但是目前随着车辆设计与制造技术的提高， 现实中混联式混混合动力汽车的数量也越来越多。 混联式混合动力汽车的工作模式如图1 3 所示。 1 绪论 t t t ( b ) t ( c )( d ) ( a ) 启动巡航力口速；( b ) 轻载；( c ) 减速制动；( d ) 电池充电 b 一蓄电池；e 一内燃机；f 一油箱；g 一发电机；m 一电动机；p 一功率转换器；t 一传动系统( 包括离 合器、变速箱和制动器) ；燃料链接；一电力链接；口机械连接 图1 1 串联式混合动力电动汽车的丁= 作模式 f i g 1 1s e r i e so f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ew o r l ( p a t t e m s l h 习 t 了h 丹 ( a ) l ! h 三l t f斥 。、 lr | 三l 7 7 t ( b ) lf斥 。、 l ：一：l 1 t ( c ) ( d ) ( a ) 启动力口速；( b ) 巡航；( c ) 减速伟0 动；( d ) 行驶中充电 b 一蓄电池；e 一内燃机；f 一油箱；g 一发电机；m 一电动机：p 一功率转换器；卜传动系统( 包括离 合器、变速箱和制动器) ；燃料链接；一电力链接； 机械连接 图1 2 并联式混合动力电动汽车的工作模式 f i g 1 2p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ew o r kp a t t e m s 西安理工大学硕士学位论文 | f e 一 卜 t t | f 1 一 卜 t t t f了1 t ( e )( 士) ( a ) 启动；( b ) 加速；( c ) 巡航；( d ) 减速制动；( e ) 行驶中充电；( f ) 电池充电 b 一蓄电池；e 一内燃机；f 一油箱；g 一发电机；m 一电动机；p 一功率转换器；卜传动系统( 包括离 合器、变速箱和制动器) ；燃料链接；一电力链接； 机械连接 图1 3 发动机主动型混联式混合动力电动汽车的工作模式 f i g 1 3e n g i n ea c t i v em o d e lp a r a l l e l s e r i e st y p eo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ew o r kp a _ t t e m s 1 2 4 复合式混合动力汽车 复合式混合动力电动汽车结构更复杂，难以把它归于上述三种。一般来说，其结构与 混联式电动汽车相似，起电动机和发电机作用的电机是他们的共有特种。两者的最大区别 在于功率流的流动方式上。功率流双向流动使得车辆可以有更多的运行模式，相比之下， 使用三个驱动装置的混联式车辆是不能达到的。复合式车辆同样结构复杂，成本高，但是 某些新型的混合动力汽车也采用了这种系统。当常规汽车在行驶在城市工况下时，由于不 断的制动，导致制动器消耗的动力达到总能量的5 0 左右【5 。在f u d s 循环工况下，此值 达到了4 8 3 ；又如日本的1 0 1 5 循环工况，该比例更达到了5 3 【6 j 。由于在混合动力汽 车中，通过能量回收制动系统完成制动，可以将车辆动能转化为电能存储到能量存储装置 4 1 绪论 中，如图1 4 所示。 f 叠i 曩曩_ _ _ _ 1 厂 f _ ：_ _ _ _ l i _ _ = ，_ i8 区动餮( 轴) 卜鬻缫一能量转换卜鬻鬻笺蕊霞阑一遭l 晕鞲荐j l 兰鎏噩= _ | ：_ _ l _ _ _ _ | 。，l 图1 4 制动能量回收原理框图 f i g l - 4b r d ( i n ge n e r g yr e c o v e r yp r i n c i p l e 在汽车运行中，尤其是在城市工况下，车辆的节气门和制动器踏板反复加油和制动， 导致燃油能量和汽车动能全部耗费在制动器摩擦片的发热中，能量白白浪费。而在混合动 力汽车中，可以通过传动系统将车辆的动能通过轮胎反作用在电机上，电机反拖发电可以 将电能储存在蓄电池中，保存了车辆的动能，在下次车辆加速时，可以利用存储的电能辅 助加速车辆，达到节油目的。这种能量的利用方式叫做制动能量的回收，通过此机制可以 增加汽车的续航里程和节约燃料，如图1 5 。 车速 速 图1 5 混合动力驱动力特征 f i g 1 - 5h y b r i dd r i v i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i c s 制动能量回收系统控制的目标是，在维持车辆原有制动性能和满足驾驶员制动需求的 基础上，最大程度的回收车辆在制动过程中原本由液压制动器制动损失的动能。 在车辆制动的过程中，驾驶员的制动需求通过制动踏板行程传输到车载计算机中，制 动能量回收系统会根据制动需求以及车辆的实际行驶状况来判断所需的制动扭矩，在防止 抱死和满足制动力需求的情况下，此制动扭矩将尽量由电机反拖发电的扭矩来提供，以期 在启动和加速阶段驱动车辆以达到节能的目的。 1 3p s h e v 汽车动力分配策略及研究现状 p s h e v 汽车动力分配策略对混合动力汽车的性能是否优良具有很重要的意义。其核 心问题就是控制发动机，电池，发电机，电动机，甚至动力耦合部件之问的能量流的流向 和大小，使能量处于合理分配运行中，首先在满足汽车动力性能的情况下，提高汽车的燃 驱动力 西安理工大学硕士学位论文 油经济性和排放性能。 混合动力汽车的能量分配管理策略可以分成两大类【7 j ：基于优化的能量管理分配策略 和基于规则的能量管理分配策略。其中，基于优化的能量管理分配策略可以细分为全局最 优能量管理分配策略8 】 9 】 1 0 1 和实时优化能量管理分配策略 1 6 ；基于规则的能量管理分配 策略也可细分为基于模糊规则的能量管理分配策略旧和基于确定性规则的能量管理分 配策略【1 9 【2 0 。 1 3 1 全局最优能量管理分配策略 全局最优能量管理分配策略使用最优控制理论和优化算法，对某个确定的驾驶循环进 行全局最优的能量分配，实现了真正意义上的最优化，但是此算法复杂，且在实际车辆运 行工况中对环境的依赖性较强，在路况多变的情况下，难以对路况建模，限制了在实际车 辆控制中的应用。 1 3 2 实时优化能量管理分配策略 实时优化能量管理分配策略又称瞬时优化能量管理分配策略。实时优化能量管理分配 策略一般采用“最佳燃油经济性”法或“功率损失最小法 。其中，“最佳燃油经济性”法 是在某个时刻，将电动机与发动机的功率等效为发动机的油耗，实时计算两者在不同工况 下的总油耗。发动机与电动机之间的实际工作点取总油耗最小的工作点组合，或可考虑油 耗和排放，用一组权值来对油耗和排放进行优化【2 。实施优化能量管理分配策略可以实 现燃油经济性或动力优先的最优控制，但由于计算量较大，实际应用中成本高。 1 3 3 基于模糊规则的能量管理分配策略 基于模糊规则的能量分配策略的主要问题是模糊控制器设计，要设计模糊控制器，必 须首先将精确信号进行模糊化，然后根据模糊规则进行模糊推理，得出模糊结论，并将模 糊结论转化为精确量进行控制操作，进而实现发动机，发电机，电动机，电池之问能量的 流向和大小，实现能量分配。基于模糊规则的能量管理分配策略有很好的鲁棒性，在车辆 控制领域有广阔的应用前景。 1 3 4 基于确定性规则的能量管理分配策略 基于确定性规则的能量管理分配策略是根据发动机的转矩，转速，电池s o c ，期望 转矩等条件，根据预先设置的门限值来进行判断，得出结论驱动能量的流动和分配。该方 法简单可靠，实用性强，但缺点是它很依赖设计人员的经验，不能达到最优化。 1 4 国内外发展状况 1 4 1 国外发展状况 在当前的混合动力汽车国际市场，混合动力汽车已经完全实现了商业化。五年前，混 6 1 绪论 合动力汽车的销量就已经达到4 9 万辆，在经过全球经济危机后，到2 0 0 8 年，混合动力汽 车的市场需求量已经达到4 8 万，j p 摩根证券曾做过预测，预计到2 0 2 0 年前后，市场需 求量将达到一千多万辆，将会达到2 0 0 8 年的2 3 倍。按地区分布情况来看，欧洲和北美占 了全球大部分混合动力汽车市场的份额，总数达到了近7 0 0 万辆，而中国和日本也将会达 到近3 0 0 万辆。目前混合动力汽车市场发展稳定强劲，在2 0 0 7 年到2 0 0 8 年两年时间内， 其它普通车辆的销量均有所萎缩，普遍下滑约2 5 ，但混合动力汽车却逆势增长达3 8 。 美国的销量更是增加了约2 4 。目前美国的混合动力汽车如表1 1 所示。 另外，在日本市场，包括本田、马自达、丰田、三菱等多家汽车企业都已经在研发混 合动力汽车，松下和丰田更是共同出资达1 3 0 亿日元来共同推动混合动力汽车的研发工 作，并成立了p a n a s o n i ce ve n e r g y 株式会社来研发生产混合动力汽车的关键部件：电池。 目前电池的年产量每年可提供1 1 0 万辆汽车使用。日本政府为了实现2 0 2 0 年的节能减排 目标，也努力推进新能源汽车的研发和销售工作，以提高混合动力汽车的市场占有率。日 本目前的混合动力汽车如表1 2 所示。 表1 1 美国的混合动力电动汽车主要生产情况 t a b l e1 - 1m a i np r o d u c t i o no f h e vj n 也eu n j t e ds t a t e s 厂商车型驱动系动力电池电机 通用 p r e c e p ts u v 并联镍氢电池，额定电压3 5 0 v 交流异步电机，最大功率2 5 k w 福特 p r o d i g y 并联镍氢电池，额定电压3 5 0 v交流感应电机，最大功率3 5 k w 克莱斯勒 e s x 3 并联锂离子电池，额定电压1 5 0 v直流永磁电机，最大功率1 5 k w 混合动力汽车的研发并不是单纯有公司企业来进行，国外的很多大学，如密西根大学、 麻省理工大学、康奈尔大学、威斯康星一麦迪逊大学、加利福尼亚大学、爱达荷大学、德 克萨斯a & m 大学、早稻田大学、京都大学等都在进行混合动力汽车的研发工作，也取得 了很多成绩。 表1 2 混合动力电动汽车在日本主要情况 1 、a b l e1 2m a i np r o d u c t i o no fh e vi nj a p a n 厂商车型 驱动系动力电池电机 丰田 p r i u s5 座轿车混联6 5 a h 镍氢电池3 3 k w 永磁同步电机 日产 t i n o5 座轿车混联3 6 a h 锂离子电池1 3 k w ，1 7 k w ，永磁同步电机 i n s i g h t 2 座轿车 并联 6 5 a h 镍氢电池1 0 k w ，永磁同步电机 本田 c i v i ch y b r i d5 座轿车并联6 a h 镍氢电池 6 k w ，永磁同步电机 欧洲的汽车企业也推出了自己的混合动力汽车，包括意大利的i v e c o 和法国的 k a n g o o 等。目前混合动力车辆已经完全商品化，且日益走向成熟。在发达国家，混合 动力汽车也被越来越重视，并以强劲势头占领市场2 羽。 西安理工大学硕士学位论文 1 4 2 国内发展状况 我国目前也大力发展电动汽车，并将电动汽车列入国家8 6 3 专项，纯电动汽车被重点 资助进行研发和推广。在2 0 0 8 年奥运会期间，上海与通用一起研发的混合动力汽车有5 0 0 辆为奥运会服务。在2 0 1 0 年，更有1 0 0 0 辆新能源汽车在世博园中为旅客服务。东风汽车 厂生产的混合动力客车和电动小巴也生产。而奇瑞的a 5 i s g 和b s g 作为我国首款资助品 牌的混合动力车型，为奥运会的专用混合动力汽车。还有长安客车、一汽与丰田公司合作 生产的p r i u s 都已经上市。吉利也已经与同济大学合作进行混合汽车的研发和制造。 除上述以外，我国的电动汽车资助品牌还有比亚迪、长城等。比亚迪的e 6 、吉利熊 猫、长城欧拉也都取得了很好的成绩。目前国内的部分混合动力汽车如下表所示。 表1 3 国内主要混合动力汽车 1 铀l el 一3m a i np r o d u c t i o no fh e vi nc h i n a 厂商 车型 布置形式 东风电动车辆 e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车 混合并联( 强混合) 股份有限公司 e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车 混合并联( 弱混合) 中国第一汽红旗混合动力轿车 混合并联( 强混合) 车有限公司解放混合动力城市公交车 混合并联( 弱混合) 奇瑞汽车公司i s g 混合动力轿车 混合并联( 弱混合) 长安汽车公司i s g 混合动力轿车混合并联( 弱混合) 比亚迪 f 3 d m 混合动力汽车混合并联 国内部分高校如清华大学、上海交大、北京理工大学、同济大学、吉林大学、武汉理 工大学等较早在混合动力电动汽车领域展开了研究工作，并取得了一些进展，积累了一些 动力配置、控制策略等方面的经验：清华大学完成了“燃料电池城市客车整车技术”课题， 已成功试制出燃料电池轻型客车，并投入实际运营；北京理工、清华大学、重庆大学和北 京航天航空大学等几所高校联合完成的“i s g 型混合动力长安轿车整车匹配的研究”项目 已顺利通过国家验收；上海燃料电池汽车动力系统有限公司携手同济大学，先后试制成功 “春晖一号”和“春晖二号”，这是我国第一台由直流无刷轮毂电机独立驱动的4 轮驱动 燃料电池微型电动汽车，还成功研制了超越系列燃料电池轿车，开创了中国燃料电池汽车 事业的先河。但由于起步较晚、投入不足，我国的研究现状与国际领先水平相比，还有着 不小的差距。 2 0 0 1 年，科技部在“8 6 3 ”计划中设立电动汽车重大专项，鼓励和推广关于混合动力 汽车的研发和应用。2 0 0 7 年，国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 提出要研发混合动力汽车。2 0 0 8 年底，国际混合动力汽车技术发展与规模化应用研讨会 在京召开。2 0 0 9 年初，财政部、科技部联合下发了关于开展节能与新能源汽车示范推 1 绪论 广试点工作的通知，决定在国内1 3 个城市试点推行节能与新能源汽车。同年3 月的中 国汽车产业振兴规划则明确指出鼓励新能源汽车的多项措施。国家有关保护环境、节能 减排、产业升级的迫切要求，使得政府主管部门、学术界、实业界和全社会形成了共识， 这将大大推动我国节能与新能源汽车产业的发展迈上新台阶。我国的电动汽车产业将会拥 有更广阔的发展前景，相信在不久的将来，国产电动汽车必将大大普及，进入千家万户， 从而解决我国能源短缺及环境污染的问题【2 2 | 。 1 5 本文的研究内容与方法 ( 1 ) 本文通过建立模糊控制器，对整车在模拟工况中进行变速控制，巡航控制和制动 控制对现实情况具有参考意义。 ( 2 ) 在c m i s e 中建立了丰田p r i u si i 型轿车的机械模型，为在汽车动力传动系统自动操 纵中实现发动机、电动机、发电机的最佳控制奠定基础。 f 3 1 由无级变速系统的结构和原理可以建立包含多个独立模块的整车模型，设计了车 辆起步、加速、减速、倒车的控制策略，并对该模型进行仿真和结果分析。 f 4 1 为验证该系统的控制精度和在实际工况下的运行效率，对具体的行驶工况和系统 参数进行整车仿真。 西安理工大学硕士学位论文 1 0 2a v lc r u is e 车辆系统动力学仿真分析基础 2a v lc r u i s e 车辆系统动力学仿真分析基础 2 1a v lc r u i s e 软件说明 a v lc r u i s e 软件是a v l 公司开发的用于车辆系统动力学仿真分析的高级软件，使用 它可以轻松实现对复杂车辆动力传动系统的仿真分析，通过其方便快捷的通用模型元件， 直观易懂的数据管理系统和基于工程应用的开发设计建模流程和软件接口，c r u i s e 可以对 各种车辆进行整车及部分建模仿真分析【2 3 | 。 从软件界面，如图2 。1 可以看出，c m i s e 已经提供了若干工程模型，包括：a d v a n c e d m o d e l s 、c o n v e n t i o n a lm o d e l s 、g s pm o d e l s 、h e a v yd u t ”h y b r i da n de 1 e c t r i cm o d e l s 、i n t e r f a c e m o d e l s 、m o d e l s 仔o mjo u m a l s 、s p e c i a lm o d u l e si m p l e m e n t a t i o n 、1 、o 、v h e e l e r s 九种模型。 通过这九种模型，基本上可以涵盖大多数的车辆模型，使得建模和仿真的工作大为简化。 鲞6 掣j 至苗。日：嚼写昭褂辫岵d 落日! 国嗣淘丑叼嚣8 l 嚣 图2 1a v lc m i s e 模型片j 尸界向 f i g 2 1a v lc r u i s eg u i 在a v l h e v 仿真分析研讨会上得知，目前已经上市的车辆中，p r i u si i 、c a m r yh y b r i d ， h i g h l a n d e rh v b r i d 、l e x u sr x 4 0 0 h 、l e x u sg s4 5 0 h 、金龙客车均使用了c m i s e 软件进行仿 真开发。 如图2 2 所示，这是一个使用c m i s e 搭建的一个后驱手动挡车型，它包含的基本元件 有车辆整体参数模型、车轮、制动器、发动机、变速箱、主变速器、差速器和驾驶员模型。 通过驾驶员模型定义的驾驶规则和规范，c r u i s e 软件将根据定义的车辆模型参数、仿真方 式、道路工况进行模拟，并自动计算得出在整个工况下车辆的爬坡性能、动力性能、燃油 经济性和各部件实时的性能图谱。 西安理工大学硕士学位论文 图2 2 车辆模型 f i g 2 - 2v e h i c l em o d e l c m i s e 通过模型图来构建整个车辆的物理连接关系，通过数据总线构建各个部件之间 的信号关系和参数关系。如图2 3 所示，驾驶员模型的“g e a ri n d i c a t o r ”数值是来自于电 动机模型的“o p e r a t i o nc o n t r 0 1 ”。通过这种定义关系，可以将各个模型之问的信息流连接 起来，组成一个完整的车辆模型定义。 c o m p o n e n 七r e q u i r e s ， n t i s l i pc o n t r 口i a 5 c ： 矿 b a t t t 缝yh n i h h ，1 i l be 宴s ， b r a k e r i g h tf r o n tb r a k e b r a k e l e f tr e 矗rb r a k e ， b r a k e r i q h t r e 甜b r a k e ， 叶a k 誊二l e | tf r o 陆b 晡妇 c o m p o n e 呲d e l i v e r h go u t p u ti n f o r m a i o “ o p e r a t l 叼m o d e 鬻魁辫潮圈黼遐豳 5 t a t 晦j a 燃瑚i 轴冁 二 雾j | l i 篝。鬻荨 ；“ 豢ii ，i * l 鋈 。参 曩。 j 誊i | 黛 ” 越 ；毒 ii 。i 搿。* 慧i薹 薯 |_二省i 囊ji i 纛。| _ 1 1 ：- 篡一| | c o c k p 难。d r i v e r 6 e a ri n d l c a t o r 【5 u b 。5 y s e m0 0 1 】一 e l e c t r ch a c h h e - e m o t o r o p 甜a t i o nc o m r 0 | 【5 u b s y 5 t e m0 0 1 3 n 图2 3 数据总线连接 f i g 2 3d a t ab u si i n k c r u i s e 软件的计算仿真离不开数据，各种模块的数据需要分别填入各个模块的数据模 板中，如图2 4 所示，发动机的数据需要输入燃油类型、容积、工作温度、缸数、怠速转 速、最大转速等信息。通过这些信息，可以实现发动机模型的完整定义。 在定义了车辆的完整模型和仿真工况数据后，就可以对车辆进行仿真计算，如图2 5 所示，c m i s e 会对工况的每一秒状态进行运算，并将所有的计算信息记录在案，以便进行 后续处理。 图2 4 发动机参数 f i g 2 4e n g i n ep a r a m e t e r s 仿真计算完毕后，就可以对结果进行查看，c m i s e 的循环工况仿真提供了能量流图、 油耗分析、部件性能等多种结果图以供查询。其中部件的性能图谱数量取决于车辆模型的 部件数量。 西安理工大学硕士学位论文 图2 6 仿真计算的能量流图 f i g 2 6t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fe n e 唱yn o wd i a g r 锄 2 2 基于c r u i s e 的车辆建模 为了研究行星齿轮减速器在混合动力车辆的控制策略作用下对整车性能的影响，本文 选用了丰田p r i u si i 型车辆作为原型车，对其进行建模，仿真，并设计控制器以观察整车 性能。 首先，参照p r i u si i 型车辆的传动系统进行建模圜，如图2 7 所示： 1 4 ( a ) 车辆传动系统结构 2a v lc r u is e 车辆系统动力学仿真分析基础 ( b ) 车辆建模 l 、发动机；2 、发电机m g l ；3 、太阳轮；4 、齿圈； 5 、电动机m g 2 ；6 、行星架；7 、传动链 图2 7p r i u si i 型车辆模型 f i g 2 - 7m o d e lo fp r i u si i p r i u si i 型是一种前轮驱动车辆，其动力由发动机输出后，连接到行星减速器的行星 架上，行星减速器的齿圈与主减速器相连，动力传递至差速器分配到两个前轮上驱动车辆。 同时，电动机的输出轴也连接到主减速器上，与发动机的动力一并驱动车辆前进 2 5 】。行 星减速器的太阳轮连接着发电机，发电机发出的电连接充电电池，并驱动电动机转动驱动 车辆。添加驾驶员模型和其它必须的模型。由于a s c ( a n t is 1 i pc o n t r 0 1 ) 在此并不参与车辆 控制，故选择其默认参数，不影响实际车辆的仿真结果。m o n i t o r 也是仅供在仿真计算过 程中对结果的实时显示，不影响仿真结果。 p r i u si i 型车辆的参数如下。 表2 1p r i u si i 参数 t 拍l e2 1p a r a m e t e r so fp r i u si i 发动机型号1 n z f x e 汽缸容积( c c ) 1 4 9 7 汽车排量( l ) 1 5 汽缸数( 个) 4 最大功率( k w ) 5 7 最大功率转速( r p m ) 5 0 0 0 最大扭矩( n m ) 1 1 5 最大扭矩转速( r p m ) 4 0 0 0 发动机特有技术5 0 k w 4 0 0 n m 电动机 燃油标号9 3 号 西安理工大学硕士学位论文 表2 2 发动机参数 t a b l e2 2p 盯a m e t e r so fe n 百n e 发动机1 5 l7 7 马力l 4 变速箱c v t 长宽高( m m ) 4 4 5 0 1 7 2 5 1 5 1 0 综合油耗( l ) 4 7 长度( m m ) 4 4 5 0 宽度( m m ) 1 7 2 5 高度( m m ) 1 5 1 0 轴距( m m ) 2 7 0 0 前轮轴( m m ) 1 5 1 0 后轮轴( m m ) 1 4 8 0 最小离地问隙( m m ) 1 6 0 整备质量( k g ) 1 3 4 5 油箱容量( l ) 4 5 表2 3 传动系参数 t 拍l e2 3p a r a m e t e r so ft r a n s m i s s i o n 变速箱类型： 无级变速箱( c v t ) 驱动方式：前置前驱 前悬挂类型：麦弗逊式独立悬架 后悬挂类型：拖拽臂式 助力类型：机械液压助力 车体结构： 承载式 前制动器类型：通风盘式 后制动器类型：盘式 前轮胎规格： 1 9 5 6 0r 1 5 后轮胎规格： 1 9 5 6 0r 1 5 根据表2 1 、表2 2 、表2 3 定义参数后，设置其它部件参数和m a t l a bc o n t r 0 1 l e r 。 m a t l a bc o n t r o l l e r 是m a t l a b 控制器，是混合动力汽车整车控制策略的体现。本文通过 借用了c r u i s e 软件自带的一个d l l 控制器，用来测试所建立的车辆构造模型是否符合实际 情况。 由于m a t l a bc o n t r 0 1 l e r 与c r u i s e 进行通信是通过向量来传送数据的，所以必须将需要 交换的数据写成向量形式，m a t l a bc o n t r o l l e r 的配置如下： 按图2 4 进行数据总线连接。数据总线的配黄详见附录a ： 点击蜀冒进入计算中心开始计算。如图2 。8 。 1 6 2a v lc r u is e 车辆系统动力学仿真分析基础 表2 - 4m a t l a bc o n t r o l l e r 配置表 t a b l e2 4m a t l a bc o n t r o l l e rc o n n g u r a t i o n d a t ab u sc o n t r o l d e s c r i p t i o n u n i t c o n n e c t i o n i n p o r t0 l o a ds i g n a l ( a c c e l e r a t i o np e d a l ) 0 i n p o n1 v e h i c l ev e l o c i t ) ，m s0 l n p o r t 2 b a t t e r ys t a t u so fc h a 唱e ( s o c ) a s0 i n p o n3 c o m b u s t i o ne n g i n et o r q u en m0 i n p o r t4 g e n e r a t o rt o r q u en m 0 i n p o r t5 g e n e r a t o rs p e e dr a d s 0 i n p o r t6 e l e c t r i cm o t o rs p e e dr a d s0 j n p o r t7 b r a k ep r e s s u r eb a r0 i n p o r t8 e l e c t r i cm o t o rt o r q u en m0 i n p o r t 9 c o m b u s t i o ne n g i n es p e e dr a d s0 i n p o r t1 0 e l e c t r i cm o t o rc u r r e n ta0 i n p o r t1 1 e l e c t r i cm o t o rv o l t a g e v 0 i n p o r t1 2 a l t e m a t o rc u r r e n t a0 i n p o r t