（车辆工程专业论文）串联式混合动力轻型客车驱动系统的仿真研究.pdf

摘要 摘要 混合动力汽车作为传统汽车到纯电动汽车的过渡类型，以其良好的 燃油经济性和排放性能，正受到世界各主要工业国家的高度重视，我国 也已经把混合动力电动汽车的研制提到能源安全和环境保护的战略高 度，成立了电动汽车重大专项，作为目前我国汽车工业科技攻关的重点。 在目前已知的三种混合动力驱动系统中，串联式混合动力驱动系统结构 相对简单，控制难度相对较小，是混合动力汽车前期开发过程中值得优 先考虑的一种类型。 本文的目的在于利用m a t l a b s i m u l i n k 工具构建串联式混合动力汽 车的仿真模型，试图通过仿真研究，获得具有一定可信度的性能参数， 以便对串联式混合动力汽车，尤其是串联式混合动力驱动系统的详细设 计和定型提供一定意义的参考依据。仿真模型以串联式混合动力轻型客 车h e v 6 6 0 0 为蓝本，在满足预先设定的性能指标的前提下，通过简单的 后向仿真计算，对h e v 6 6 0 0 的驱动系统重新进行了匹配和选型，并在此 基础上，建立了驱动系统中各予系统的详细的动态数学模型，同时对驱 动系统的工作进行了优化研究，提出了相应的优化方法，根据优化的结 果，制定了种能量分配策略，也即控制策略。 仿真过程表明本文所给出的仿真模型基本合理，仿真所得到的数据 具有一定程度的可靠性。此外，仿真试验的结果也表明，本文前期的匹 配和选型工作基本满足整车的性能要求，尤其是排放性能大大改善，但 值得注意的是串联式混合动力汽车的燃油经济性较同类型传统汽车有所 下降，从本质上说，这是由串联式混合动力驱动系统的结构特点决定的， 当然这其中也有仿真模型及仿真算法精度的影响。 总之，从本文的最终结果来看，影响整车性能的因素也不仅仅是驱 动系统的参数匹配，不同的控制策略也会导致性能的很大差异。由于种 种原因，本文仅仅从总体层面上提出了一种而且是较为主观的控制策略， 从这一角度上讲，要想获得更加优良的性能指标，必须对驱动系统的参 数匹配以及控制策略两部分所组成的大匹配问题进行进一步的全局化研 究，此外就仿真工作而言，需要投入更多的精力完善和优化仿真模型。 关键字混合动力汽车驱动系统仿真 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sat r a n s i t i o n t y p e f r o mc o n v e n t i o n a lv e h i c l et oe l e c t r i ev e h i c l e ， h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sp u tah i g hv a l u eu p o nb ym a i ni n d u s t r i a l c o u n t r i e so ft h ew o r l dw i t hi t s g o o d f u e l e c o n o m y a n de m i s s i o n p e r f o r m a n c e i no u rc o u n t r y ，t h ed e v e l o p m e n to fh e v h a v eb e e nr a i s e dt oa h i g hd e g r e eo fs t r a t e g yo fe n e r g ys a f e t ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a i m p o r t a n ts p e c i a lp r o j e c to fe l e c t r i cv e h i c l ew h i c hi st h ek e yp o i n to fo u r c o u n t r y sa u t o m o b i l ei n d u s t r ya tp r e s e n th a sb e e ns e tu p a m o n gt h et h r e e k n o w n t y p e o f h y b r i ds y s t e m s ，t h e s e r i e s h y b r i ds y s t e m h a s s i n g l e s t r u c t u r ea n di se a s yt oc o n t r o l ，s oi tw i l lb et h ep r i o r i t yt y p ew h i c hi sw o r t h c o n s i d e r i n gi nt h ep r i o rp e r i o dd e v e l o p m e n to fh e v t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e r i st ou s em a t l a b s i m u l i n kt ob u i l da s i m u l a t i o nm o d e lo fs e r i e sh e v ，a n dg e tt h ec e r t a i nc r e d i b i l i t yt e s td a t ab y s i m u l a t i o n t h e s ed a t ac a nb et h ec e r t a i nr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fs e r i e s h y b r i ds y s t e m t h es i m u l a t i o n m o d e li sb a s e do nh e v 6 6 0 0 一一as e r i e s h y b r i dl i g h tb u s i no r d e rt o f i tt h ep r e e s t a b l i s h e dt a r g e t ，t h ep a r a m e t e r so f s e r i e sh y b r i dd r i v i n gs y s t e mh a v eb e e nr e d e s i g n e da n dt h ed y n a m i cm a t h m o d e l sf o rt h es u b s y s t e m so ft h ed r i v i n gs y s t e mh a v eb e e nb u i l t o nt h e o t h e rh a n d ，t h em e t h o do fo p t i m i z a t i o nf o r t h es u b s y s t e m sa r ep r e s e n t ， a c c o r d i n g t ot h eo p t i m i z a t i o nm o d e l s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e ns e tu p t h ep r o c e s so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h es i m u l a t i o nm o d e lo fs e r i e s h e vw h i c hi s p r e s e n tb yt h i sp a p e ri s r e a s o n a b l e ，t h et e s t d a t ai sc e r t a i n c r e d i b i l i t y m o r e o v e r ，t h e t e s td a t a i n d i c a t et h a t t h e r e d e s i g n f o rt h e p a r a m e t e r so fs e r i e sh y b r i ds y s t e mi s s u c c e s s f u la saw h o l e ，e s p e c i a l l yt h e e m i s s i o np e r f o r m a n c eh a v eb e e ni m p r o v e dg r e a t l y b u t i ti sw o r t hw h i l e e m p h a s i z i n gt h a t t h ef u e le c o n o m yp e r f o r m a n c eo fs e r i e sh y b r i de l e c t r i c v e h i c l eh a v eb e e nd e c l i n e d i naw o r d ，t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c h e f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e h e v m o r ea t t e n t i o nm u s tb ep a yt os t u d yt h em a t c h i n go fp a r a m e t e r sa n d c o n t r o ls t r a t e g y a st ot h ew o r ko fs i m u l a t i o n ，g r e a te f f o r t sw i l lb em a d e t o i m p r o v ea n do p t i m i z et h es i m u l a t i o nm o d e l s k e yw o r d s h e v d r i v i n gs y s t e m s i m u i a ti o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：砂9 匕 妙鲁日期：泸叼年厂碉佣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 池f 乇 导师签名：狮 日期和1 年厂月厂日 日期：叫年j 一月zj ，佃 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，能源和环境对人类生活和社会发展的影响越来 越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声日益高涨，为满足这种要求， 电动汽车脱颖而出。但是，由于一般电池的能量密度与汽油相差极大， 远未达到所要求的性能，因此，倘若在1 0 年内燃料电池技术没有重大突 破，电动汽车将无法取代燃油发动机汽车。在这种情况下，“准绿色”的 新型产品一一混合动力型汽车登上了历史舞台。 1 1混合动力汽车的发展现状 1 1 1 国外混合动力汽车的发展现状 在美国，随着p n g v 计划的实施，美国三大汽车公司进行了一系列的 整车技术开发和研制工作。通用汽车公司同时致力于串联式和并联式混 合动力汽车的研制。在1 9 9 8 年1 月，底特律北美国际汽车展上，通用汽 车公司推出了e v l 型4 座混合动力电动汽车。1 9 9 8 年1 月，克莱斯勒汽车 公司宣布开发出道奇无畏e s x 2 串联式混合动力汽车，1 9 9 7 年由美国宇航 局f n a s a ) l e w is 中心、俄亥俄州政府和工业界、大学等9 个单位合作，开 发出串联式电动一喷气涡轮混合动力大客车。 在日本，1 9 9 5 年5 月日产公司开发出了可以使续驶里程增加一倍的 串联式混合动力微型轿车。本田公司开发的j v x 混合动力汽车，其动力系 统为l 公升3 缸直喷式v t e c 发动机和电动机，还有一组超级电容以替代 通常使用的蓄电池系统。三菱电机公司也开发出轻型串联式混合动力电 动卡车，采用两个a c 感应电机和1 8 升的发动机。丰田的c o a s t 串联式 混合动力电动客车也已进入商业化阶段。 欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制及推广方面的 工作。法国雷诺公司研制的v e r t 和h y m n e 两款混合动力电动汽车已在法 国接受了1 0 0 0 0 k m 的运行试验。并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车， 取名为n e x t ，样车已经向公众展出。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃 f l 6 卡车的混合动力电动汽车，最高时速可达9 0 k m 。德国已有几十辆混合 动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。 1 1 2 我国混合动力汽车发展概况 我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键 技术攻关和整车研制，在此基础上也进行了混合动力电动汽车的若干技术 华南理工大学工学硕士学位论文 领域的开发。但是从技术水平上看，国内目前还处于探索的初级阶段。目 前所开发的混合动力电动汽车基本以串联式为主，而且开发过程只是在原 有的电动汽车上简单地加装发动机和发电机机组，技术的集成度较低，缺 乏高度自动化的控制系统和能源管理系统，两种动力源只是简单结合，缺 乏统一协调，这与真正意义上的混合动力电动汽车和国外先进技术水平相 比还有很大距离。“十五”期间，我国将电动汽车和混合动力电动汽车的 研制提到能源安全和环境保护的战略高度，作为重大专项，集中力量进 行科技攻关，相信在不长的时间内，我国在该领域的发展将会有质的飞 跃。 1 2 混合动力汽车的主要分类及性能特点 目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构形式，根据 其驱动系统的配置和组合方式不同，分为串联式、并联式和混联式3 种， 各自的结构形式和特点如下。 1 2 1 串联式驱动系统 如图1 1 所示为串联式混合动力汽车的典型结构型式 团 ：；：i ：i i ： - 盈- - - 盈- 。机械连接。电气连接 图1 。1串联式混合动力驱动系统结构示意图 这样的结构形式和控制方式，使串联式混合动力汽车具有如下性能 特点： ( 1 ) 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区 域内稳定运行，因此发动机具有更低的排放指标和一定的节油效果。 ( 2 )由于有电池进行功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一 速度下稳定运行即可，因此可选择功率较小的发动机a ( 3 )发动机与驱动桥之间无机械连接，因此对发动机的转速无任何要 求，发动机的选择范围较大，比如可选用高速燃气轮机等效率高的原动 机。 2 第一章绪论 ( 4 )发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。 ( 5 )发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，需要 功率足够大的发电机和电动机。 ( 6 )要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充 电或过放电，就需要较大的电池容量。 ( 7 )发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械能、电 池的充电和放电都有能量损失，因此发动机输出的能量利用率比较低。 串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一 特点的优越性主要表现在低速、加速等运行工况，而在汽车中、高速行 驶时，由于其电传动效率低，抵消了发动机油耗低的优点，因此串联式 混合动力电动汽车更适用于在市内低速运行的工况，在繁华的市区，汽 车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用电池进行功率输出，使汽 车达到零排放的要求。 1 2 2 并联式驱动系统 并联式驱动系统结构示意图如图1 2 所示。 固囤 - _ 机械连接 。电气连接 图1 2并联式混合动力驱动系统结构示意图 这样的结构形式和控制方式，使并联式混合动力电动汽车具有如下 性能特点： ( 1 ) 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机一电能量转换损失， 因此发动机输出能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使发动机在 其最佳的工作范围内运行时，并联式的h e v 燃油经济性比串联式的高。 ( 2 )有电动机进行“调峰”作用，发动机的功率也可适当减小。 ( 3 )当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。 3 华南理： 大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 由于并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响， 因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良 工况下运行，因此发动机的排放性能比串联式要差。 ( 5 ) 由于发动机与驱动桥之间直接机械连接，需要通过变速装置来适 应汽车行驶工况的变化，此外发动机与电动机并联驱动，还需要动力复 合装置，因此并联式驱动系统的机构较为复杂。与串联式结构相比，发 动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率相对较高，这使 得并联式燃油经济性比串联式的高。相比串联式驱动系统，并联式驱动 系统更适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。 1 2 3 混联式驱动系统 混联式驱动系统是串联式与并联式驱动系统的综合，其结构示意图 如图1 3 所示。 固u j 习 。机械连接。电气连接 图1 3 混联式混合动力驱动系统结构示意图 混联式驱动系统的特点是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串 联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。混联式 驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能 够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构 上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排 放和油耗的控制目标。 1 3 混合动力汽车仿真技术研究的发展现状 在研究和开发混合动力汽车的部件和选择最佳结构时，需要设计和 制造者能够很快缩小研究范围，找到技术的突破口。技术方案选择阶段， 4 第一章绪论 尤其是在系统选择上，可依靠高效的建模工具计算机，通过交替使用候 选的子系统进行模拟仿真，从而找到最佳的方案。计算机模型为每个候 选子系统提供了详细规格和设计参数，从而方便了设计者的工作，而且 还有助于为设计和制造样车制定工程目标和计划。 目前，国外用于混合动力汽车的仿真软件很多，例如“s i m p l e v ”、 “c a r s i ”、“h v e c ”、“c s m ”、“h e v ”和“v e l p h ”等。各大汽车生产厂家也 有各自的仿真软件。在众多的汽车仿真软件中，“a d v i s o r ”是专门为帮 助美国能源部( d o e ) 管理混合动力电动汽车计划( p n g v ) 而开发的混合动 力汽车仿真软件。“a d v i s o r ”可通过简单的物理模型和经过性能测试的 各总成去建立实际的或想象中的汽车。其主要功能在于能够对还未制造 的汽车进行性能预测，即能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数包 括加速性和爬坡性能，燃料经济性以及排放性能等。 目前，我国还没有较系统和成熟的混合动力汽车仿真软件，因此这 也是我国汽车工业应该研究的一个方面。在仿真技术的研究与软件开发 中，应该遵循的目标，一是精确，即能够使不同结构的动力传动系统间 的比较具有意义；二是快速，即能快速进行汽车分析和空间研究设计， 例如对多维变量参数的研究和优化等；三是灵活，即能对不同控制策略 和结构组成的汽车进行评价；四是共享，即能够与潜在的合作者共享， 并推动混合动力汽车的发展和促进公众的了解；五是实用，即能针对各 种车型建模，例如，包括传统汽车、电动汽车、串联式和并联式混合动 力汽车等；六是使用方便，即使用者对汽车建模没有经验也能快速掌握。 1 4 课题研究的主要内容 本课题是一个自选课题，目的是结合串联式混合动力轻型客车 h e v 6 6 0 0 对串联式混合动力汽车驱动系统的匹配方式及整车动力性，燃油 经济性、排放等主要性能进行仿真研究，课题的主要研究内容包括： 1 、驱动系统( 包括发动机、发电机、电动机以及电池) 的匹配研究； 2 、应用m a t l a b s i m u l i n k 工具建立串联式混合动力汽车仿真模型； 3 、驱动系统的优化工作区域和工作模式( 控制策略) 的探讨； 4 、h e v 6 6 0 0 整车性能的仿真试验及分析。 本文所体现的研究思路是：抓住汽车行驶过程中功率平衡这一主线， 选取适当的工况作为汽车性能研究的环境，以h e v 6 6 0 0 为蓝本，先以动力 性能为主要指标，通过简单的后向仿真计算“设计”并“组装”出一部 5 华南理工大学工学硕士学位论文 新的串联式混合动力汽车；在此基础上建立整车及各子系统的数学模型， 利用m a t l a b s i m u l i n k 工具搭建整车的仿真模型，通过研究结果的反 馈，不断完善整车的匹配工作，并试图找到串联式混合动力汽车设计过 程中规律性的要点，为后续研究提供参考依据。 1 5 本章小结 1 、介绍了当前国际国内混合动力汽车发展的概况； 2 、简要介绍了混合动力驱动系统的类型和特点； 3 、介绍了当前国际上混合动力汽车仿真技术的发展现状； 4 、介绍了本课题的研究内容和主要研究思路。 6 第二章串联式混合动力驱动系统匹配及参数选择 第二章串联式混合动力驱动系统匹配及参数选择 串联式混合动力汽车驱动系统的匹配及参数选择是整车设计研究过 程中最基本的部分。对仿真研究来说，这方面的工作是构建整车仿真模 型的前提。本章将结合h e v 6 6 0 0 轻型客车，对驱动系统各动力总成的匹 配( 主要是动力性匹配) 和选型进行探讨。 2 1 驱动系统的构成及工作原理 2 1 1 驱动系统的构成 串联式混合动力汽车驱动系统的构成如图2 一l 所示。 图2 1 串联式混合动力驱动系统的具体构成 图中箭头表示能量的流动方向，包括驱动能量和制动反馈能量；虚线反 映了主控制器与各被控单元的信息交流，点划线包括的范围则指明了a p u 的 具体组成。 2 1 2 驱动系统的工作原理 发动机和发电机作为辅助动力源( a p u ) ，承担汽车一般行驶过程中 的能量供应，从理论上讲，发动机拖动发电机，其工况类型属于第一类 工况也可以称之为线工况，当发动机处于这种工况时，功率变化，而曲 轴转速几乎可以保持恒定。发动机提供的机械能经发电机转变成电能， 并通过a c d c 或者d c d c 变换器，传递给电机及其调速控制设备，最终 由电机驱动整个汽车行驶。电池的作用视串联式驱动系统的具体型式而 7 华南理工大学工学硕士学位论文 定，一般情况下是当汽车行驶所需的功率要求大于发动机所能提供的功 率时，电池放电以提供额外能量。当汽车制动或者下长坡时，能量经传 动系统带动电动机发电，再将该部分电能通过电机调速控制机构和a c d c 或者d c d c 变换器对电池充电，以回收能量。主控制器的作用在于协调 发动机、发电机、a p u 以及电机及其控制系统的工作，以达到能量流动的 合理优化，满足整车的动力性和经济性要求。 串联式混合动力汽车有两种典型类型：( 1 ) 电力主动型h e v ( 电量消 耗型h e v ) ，这种类型的串联式混合动力系统中，发动机功率在整个系统 功率中所占比重较小，不足以维持电池组的荷电状态，车辆行驶后，电 池组荷电状态很低，需要外界能源给车载电池补充充电；( 2 ) 发动机主 动型h e v ( 电量维持型h e v ) ，在这种条件下，发动机功率占系统总功率 的比重较大，电池组仅提供车辆行驶时的峰值功率，结果在汽车行驶前 后，电池组荷电状态基本保持不变。本文研究的h e y 6 6 0 0 串联式混合动 力汽车准各综合上述两种类型，即在城市工况采用电力主动型，而在城 郊工况采用发动机主动型，因此蓄电池容量指标的选择可以是上述两种 典型类型的平均值。 2 2 驱动系统的匹配及参数选择 根据整车预期的性能指标，结合具体的工况( “1 0 - 1 5 工况法”) 对驱 动系统的选型以及功率、扭矩等参数匹配进行研究。 2 2 1 整车参数及预定性能指标 1 整车主要参数 h e v 6 6 0 0 整车的主要参数如下： 整车整备质量约4 2 0 0 k g 满载质量约5 3 0 0 k g 滚动半径0 3 2 m 迎风面积约4 5 r 风阻系数约0 5 旋转质量转换系数 1 2 2 预期达到的性能指标 最大车速大于1 0 0 k m h ： 最大爬坡度2 5 ； 综合排放降低3 0 ； 燃油经济性能与同类型传统汽车相当。 8 第二章串联式混合动力驱动系统匹配及参数选择 3 驱动系统功率及扭矩的总体需求 图2 21 0 - 1 5 工况法车速与时间的关系图线 预测整车的功率和扭矩需要必须设想该车在一定的工况环境运行， 这里采用1 0 15 工况法( 如图2 2 所示) ，并根据上述整车参数进行模拟计 算，得到所需驱动功率与扭矩的总体水平，再以此为主要的动力性依据， 设计驱动系统。 差 亭 稃 雷 薹 饕 图2 - 3 10 1 5 工况下所需驱动功率与时间的关系 9 华南理工大学工学硕士学位论文 邑 能 垮 图2 4 爬坡时所需驱动功率与坡度和车速之间关系 由图2 3 可以看出，车辆在“l0 1 5 工况法”规定的工况下运行时， 所需的最大驱动功率约为8 0 k w ；同时由图2 4 可以看出，要满足爬坡度 2 5 的性能指标，所需驱动功率约为6 5 k w 以上。 由图2 5 可以看出，车辆在“1 0 ，l5 工况法”规定的工况下运行时， 车轮所需的最大驱动扭矩约为2 0 0 0 n m ；同时由图2 6 可以看出，要满足 爬坡度2 5 的性能指标，所需驱动扭矩约为5 0 0 0 6 0 0 0 n m 。 图2 51 0 一1 5 工况法下车轮上所需驱动扭矩与时间的关系 1 0 言毛b a j j_染辑蒋鬻谁壤 第二章串联式混合动力驱动系统匹配及参数选择 图2 6爬玻时车轮上所需的驱动扭矩与坡度和车速之间关系 2 2 2 驱动电机的选择 在串联式混合动力汽车中，电动机是最直接驱动汽车行驶的动力单 元，担负着汽车行驶全过程的动力提供任务。从整车结构设计看，为了 减轻整车质量和布局的合理，希望电机驱动系统具有较高的比功率。交 流电机相对于直流电机在这方面具有很大的优势，有研究表明，相同功 率条件下，交流电机的质量仅为直流电机的一半，而最高效率方面，直 流电机仅为8 5 8 9 ，交流感应电机达到9 0 以上，永磁同步电机则达 到了9 5 9 7 ”3 。但从控制方式来看，直流电机的控制相对简单很多，且 调速性能良好，成本较低，容易实现。目前，在电动汽车领域采用何种 电机驱动系统尚无明确优劣的论断，但无刷电机的趋势越来越明显。因 此在本课题的研究当中，选用永磁直流无刷电机作为驱动电机”1 。 1 驱动电机额定功率的选择 驱动电机的最大功率应该满足车辆行驶过程中的最大功率需求。由 上述分析可知车辆行驶过程中所需的最大功率约为8 0 k w 。由于车辆在最 大功率需求下工作的时间不多，因此一般用汽车在市区行驶的平均车速 或以低速行驶克服某一较小坡度的能力来计算电机的额定功率，考虑到 电机的过载能力( 要求短时过载能力2 ) ，可以初步选定电动机额定功率 约为3 5 k w 。 2 电机额定转速和最高转速的选择“1 华南理工大学工学硕士学位论文 电机的最高转速对电机的额定扭矩和传动系统的尺寸都有影响，电 机的最高转速和额定转速之比称为电机扩大恒功率区系数，用k 表示。 如图2 7 所示为最高转速一定时，电机启动功率与电机扩大恒功率区系 数k 的关系。此时，当电机功率一定时，k 值越大，所需电机的启动功率 里 主 斟 督 幅 世 嚣 删 砌下降，相应启动扭矩砌增加， 这虽然有利于汽车的原地起步 加速和爬坡。但对电机的支撑 要求提高，高扭矩也需要较大 的电机电流和电子设备，增加 了功率变换器的尺寸和损耗， 同时也增加了电机驱动轴轴承 和传动部件的应力。因此k 值 不应过大，从图2 7 中还可以 表2 一l 电机的基本参数选择 第二章串联式混合动力驱动系统匹配及参数选择 2 2 3 发动机的选择 由串联式驱动系统的结构特点可知蓄电池对驱动功率有“调峰”的 作用，因此发动机的功率选择一般只需考虑满足汽车在某一速度下稳定 运行即可。发动机的功率选择可以通过下式计算得到： p ：f 业+ 些：1 ( 2 - 1 ) 矸i3 6 0 07 6 1 4 0 取u a = 8 0 k m h 进行计算约3 5 k w ，考虑到发动机需要在综合性能较好的转 速区域( 一般为中等负荷或中等功率区域) 运行，同时考虑到从发动机 到电动机要经过两次机电转换，效率很低，因此发动机的额定功率应该 适当选大一些。发动机的初选方案如下表所示： 表2 2 发动机的基本参数选择 燃料类型柴油 工作容积1 9 l 额定功率( 转速) 67 k w( 4 0 0 0 r 1 1 l i n ) 最大扭矩( 转速)约2 1 8 n m ( 2 1 0 0 r m i n ) 全负荷最低油耗2 0 5 9 k w h 2 2 3 发电机的选择哺3 考虑发电机单独驱动电动机时的工况，在串联式混合驱动系统中有： p g e = r + 只( 2 - 2 ) 其中：忍一一发电机功率( k w ) ； r 一一电动机功率( k w ) ； 只一能量传递过程中总的损耗功率( k w ) 。 发电机的输出功率由下式表示： e g e = ( 2 3 ) 其中：u 一发电机的输出电压( v ) ： ，一一发电机的输出电流( a ) 。 功率的损耗只主要包括两部分：可变损耗只和不可变损耗r 。可变 损耗主要是电路中的电阻造成的热损耗，设电路中总电阻为r ，则： 只= 1 2 r( 2 4 ) 不变损耗r 是与发电机负载电流无关的损耗，如电动机的铁芯损耗，理 论上很难计算其确切数值。因此能量传递过程中总的功率损耗为： 只= 1 2 r + p b( 2 5 ) 1 3 华南理工大学工学硕士学位论文 则 垒：1 一塑璺 p 口 u i ( 2 6 ) 设后= 等为功率匹配系数，对尼求电流，的导数并令其为0 ，有： d , d s = 0 理论上讲当p o = p a 即不变损耗等于可变损耗时，k 取最大值，此时发电 机和电动机达到最佳匹配，但事实上很难做到这一点，然而k 值的大小仍 能反映最佳匹配程度，k 值越大，发电机的利用程度就越高。k 值与电机 结构有关，理论上也很难计算出来，参考有关文献后，本文在进行发电 机选择时一般取k = 0 8 ；则大约需要4 5 k w 的发电机。 2 2 5 蓄电池组的选择 1 目前电动汽车用蓄电池有不同类型，但其放电特性通常可表示为： u o = u + r 也( 2 7 ) 式中：u o - - 一蓄电池开路端电压( v ) ； u 一一蓄电池放电时的端电压( v ) ； 尼一一蓄电池的内阻( q ) ： 厶一一蓄电池的放电电流( a ) 。 而蓄电池放电时的输出功率为： r = 砌；= 亿，0 一l “b ) h ( 2 - 8 ) 蓄电池的效率为 胁：坐：旦：u o - r b ：1 一丝( 2 - 9 ) m = = = 一2 l 一 i u o i bu ou bu o 显然蓄电池能输出的最大功率为：r 一2 詈詈 ( 2 _ 10 ) 而输出最大功率时的放电电流为：厶一2 豢 ( 2 _ l1 ) 综合h e v 6 6 0 0 行驶的总体功率需求以及发动机、发电机和电动机的 功率选择，初步选定最大输出功率可达9 0 k w ，平均电压约2 8 8 v ，容量 为9 0 a h 的电池组。 2 2 6 传动系统参数选择 1 主减速器参数选择”1 1 4 第二章串联式混合动力驱动系统匹配及参数选择 由上述分析可知，汽车行驶过程中车轮上所需的最大驱动扭矩为 5 0 0 0 6 0 0 0 n m 以上，驱动电机最大扭矩为2 4 0 n m ，主减速器的传动比选 择一般小于7 ，初步选定主传动比为5 2 2 。 2 变速器参数选择” 综合上述主传动比的分析，并设第四档为直接档即蠢t = 1 ，则其余各 档的传动比选择可以根据下列公式求出： 表2 3 变速器各档速比设计参数 1 档2 档3档4档5 档主传动比 各档速比 3 9 42 4 91 5 8 1 00 7 55 2 2 2 3 本章小结 1 、简要叙述了串联式混合动力驱动系统的基本组成及其工作原理，并介 绍了串联式混合动力驱动系统的两种典型类型一一电量消耗型t t e v 和电 量维持型h e v 。 2 、给出了研究对象一一h e v 6 6 0 0 的整车参数和预期性能指标，并以1 0 一1 5 工况法作为仿真研究的工况背景，确定了h e y 6 6 0 0 驱动系统的总体功率 需求和扭矩需求。就h e v 6 6 0 0 来说，以l 0 15 工况作为研究背景，可能 不太合适，但本文从一种“安全”的角度出发，尽量以一种恶劣的工况 环境来对驱动系统参数的设计提出要求，因此最终的参数设计( 例如功 率和扭矩) 都保证留有一定的余量，实际设计过程中可酌情减小。 3 、以h e v 6 6 0 0 的动力性指标为主要目标，综合h e v 6 6 0 0 驱动系统的总体 功率需求和扭矩需求，选定了驱动系统中各子系统和传动系的基本参数 ( 主要是动力性参数) ，并在既有理论和实践资料的基础上，对各子系统 选型的匹配性能进行了分析。 4 、为下一步细化各子系统的具体参数配置并建立数学模型做好了铺垫。 1 5 22 西一拓 一 如一妇 一 如一拓 一 珀一k氟下如定初数参的统 系动传则 华南理工大学工学硕士学位论文 第三章串联式混和动力驱动系统数学模型 3 1 串联式混合动力汽车性能计算模型 3 1 1 动力性模型 1 行驶方程 串联式混合动力汽车的行驶方程如下： t i g i o q r ：g f c o s 口+ g s i n 口+ 堕甜。2 + 8 m 望竺( 3 - 1 ) r2 1 1 5衍 其中孔为电动机驱动扭矩( 电机系统驱动方程将在下一节具体介绍) ， 2 功率平衡方程 r = 去( 盟c o s a + 3 6 0 0 堕3 6 0 0 s i n 口+ 坐7 6 1 4 0 + 堕3 6 0 0 塑d t ) z )聍r i 3 制动时串联式混合动力汽车运动方程 t a g i o r l r 一兰! = g r c o s a + g s i n + 毒兰! l “。：+ 6 m d _ 2 ，_ u ( 3 3 ) ，r 。 2 1 1 5衍 4 能量再生模型 _ t i i g i o q r = g s i n a - a f c o s a - 蒜u 0 2 - 6 m 害( 删) 4 ) 式中：，一车轮半径( m ) o 蠡一一变速器传动比； i o 一主传动比； 册一一传动系统总的机械效率； g 一一汽车总重( n ) ； ，一一滚动阻力系数； r 一电动机的输出功率( k w ) 。 死一一电动机驱动扭矩( n m ) ( 电机系统驱动方程将在下一节具体介绍) ； 口一一坡度角： 已一一风阻系数： 4 一一迎风面积( 时) ； 万一一旋转质量转换系数； m 一一汽车总质量( k g ) ； “、一一车速，单位分别是m s 和k m h n 一一制动力矩( n m ) ； 1 6 第三章串联式混合动力驱动系统数学模型 乃一一制动或下坡时的充电反拖力矩( n m ) 。 3 1 2 经济性模型 1 永磁直流电机电能消耗 在串联式混合动力汽车中，由于汽车行驶所需的驱动功率是由电动 机直接提供的，电动机的输出功率p m = u i ：其中u 为电机输出的端电压； ，为电动机电枢电流；则电机消耗的电功率为p 。：丝，协为电动机的效 ，7 ” 率；电能的直接提供者为电池组和发电机。 2 发动机燃油经济性 由于串联式混合动力驱动系统结构特性决定了发动机在汽车行驶过 程中基本保持恒定的转速，或者是转速的变化不大，只要知道了发动机 曲轴转速批和扭矩，就可以在内燃机万有特性曲线上找出与批、 相对应的燃油消耗率辱，并可以折算出汽车行驶的百公里油耗量为： 脚x 罢志万1 = 怒涨m ，( 3 - 5 ) 式中：p 。一内燃机功率( k w ) “。一一车速( k m h ) p 一燃油密度( k g l ) 计算整个工况循环的百公里油耗时，可以先计算各个时刻的燃油消 耗量q f ，则整个工况循环的油耗为： 9 = j ：或9 = q (3-6q,dt 3 - 6 ) 9 = i或9 = ：q ( 式中：9 一一工况循环燃油消耗量( l ) ： o 一一各个时刻的瞬时燃油消耗量( l ) 。 那么按此工况循环行驶的百公里油耗为： d ：d ! 竺! 兰! ! ： ( 3 7 ) 一 s 式中：q 一一百公里燃油消耗量( l ) ； j 一一工况循环所行驶的距离( m ) 。 3 2 发动机和发电机( p t l 系统) 数学模型 3 2 1 发动机模型 混合动力汽车燃油经济性和排放性能的模拟计算是以发动机数学模 型为主要依据的，发动机数学模型的描述主要包括外特性、万有特性和 1 7 华南理工大学工学硕士学位论文 排放特性。对于已知试验数据的发动机，其使用外特性可以看作是发动 机转速的一元函数，用最小二乘法得到；而万有特性可以看作是发动机 转速和转矩( 或者是功率) 的二元函数，可以用曲面拟合的办法得到。 对于排放特性则可以用实测数据的三维图表示。 1 外特性 很显然，在外特性下发动机的转矩n 可以看作是转速n 的函数，用 下面的多项式表达： 冗= y 4 ，胛 j i = 0 式中：以一一多项式的系数 k 一一多项式的阶数。 2 ，万有特性 发动机万有特性是把发动机油耗g e 看作是发动机转速, 和转矩，。 的函数，并用多项式表示为： g 。= 彳丁。7 ，2 7 ( 3 - 9 ) 0 = 0 式中： 4 一模型中各项系数组； j 一一模型的阶数。 图3 1 发动机万有特性曲面拟合结果 采用曲面拟合的方法， 可以求取模型中的参数。考 虑到在进行混合动力驱动 系统性能分析时，燃油的消 耗率基本是个事先给定 的控制目标值，在应用发动 机的万有特性时，常常需要 考虑的是一定( 毋，刀) 下对 卯 v 应的转矩丁e 或者是一定 ( g 。，t 。) 下对应的转速 玎。因此在对万有特性建 模时，利用m a t l a b 的对万 有特性试验数据进行插值查表，以找出符合条件的数据。发动机万有特 性的曲面拟合如图3 1 所示。 3 发动机排放特性 1 8 一姗摧漂薜瓣 第三章串联式混合动力驱动系统数学模型 如图3 - 2 所示是发动机的排放特性 图3 - 2 发动机排放特性图( g k w h ) 其中a 为h c 排放特性，b 为c o 排放特性，c 为n o x 排放特性，d 为p m 的排放特性 3 2 2 发电机模型 在串联式混合动力驱动系统中，发电机的输出功率为： p g 。= p , c 。，7 9 。 n 发电机所发出的电流为：i = - g e ( 3 一1 0 ) 式中：忍一一发电机输出功率( k w ) ； p f 。一一发动机输出功率( k w ) ： r g , 一一发电机效率； 一一发电机发出的电流( a ) ； “一发电机端电压( v ) 。 发电机的效率叩一是发电机转速和扭矩的函数即r 。= 厂( 腮。t g ) ，理论 上很难找到该函数的精确表达式，但是通过试验数据可以获得印，的拟合 1 9 华南理工大学工学硕士学位论文 曲面，如图3 3 所示只要知道了发电机转速帐和扭矩昂就可以通过二维 插值找出对应的发电机效率值。这里设定发电机的转速等于发动机转速， 即坛= n i c e ，而发电机的扭矩亦可看作等于发动机的输出扭矩，即 瓦= 。 发电 图3 3 发电机效率的三维图及等高线图 3 3 驱动电机及其调速控制系统模型1 本文将以永磁直流无刷电机为例，介绍电机及其调速控制系统的特 性和数学模型。 3 3 1 永磁直流无刷电机拖动系统动态数学模型 图3 4 永磁直流无刷电机拖动系统原理图 由电机理论中可以得到结论：永磁无刷直流电机虽为交一直一交电 流型系统，但其电压、转速以及转矩关系公式与直流电机非常相似，为 了简化分析模型，可以直接采用直流电机的数学模型加以描述。 明 们 吖 功 碍蔌幂锄越 第三章串联式混合动力驱动系统数学模型 如图3 4 为循环变流器一一永磁无刷电机电枢等效直流回路，由图 可列出电路方程： u a ：e d + i t r d + l d 垒翌 d t 式中：矾，助一分别为循环变流器的平均输出电压和电机两端的反电势( v ) 白一一回路等效直流电流( a ) ； r a ，l a 一回路等效电阻及电感。 电机两端的等效感应电势岳又可以表示为： b = c , n 电机的电磁扭矩可写为： t m = c m l a 上两式中c 。已分别为电机电势常数和扭矩常数：刀为电机转速 电机转轴的机械运动方程为： t m ：t l + j a c o d t 式中：h 一一电机的平均电磁转矩( n m ) 死一一负载转矩( n m ) ； ，一一系统折算到电机轴上的转动惯量( k g m 2 ) ； 一一电机角速度( r a d s ) 。 将式( 3 1 2 3 - 15 ) 联立，得到微分方程组为： 叻：肠+ j 勰d + 三d 丝： 衍 e a = c , n ： l q ：tl + j 丝； d z t m = c 以d ( 3 1 4 ) ( r m in ) ( 3 16 ) 图3 - 5 电机动态方程的传递函数控制框图 2 l 华南理工大学工学硕士学位论文 上述微分方程组( 3 16 ) 经l a p l