（车辆工程专业论文）并联型混合动力牵引车动力系统参数匹配与优化.pdf

摘要 混合动力电动汽车是解决当前能源短缺与环境污染问题的最切实有效的技术 之一，它充分利用两种动力源之间进行的动力优化分配，从而提高整个混合动力 系统的效率。目前，国内外的混合动力技术主要应用在混合动力轿车、混合动力 客车上。本文以开发“混合动力场地货运牵引车 项目为研究对象来开展工作的， 主要包括混合动力牵引车的控制策略、动力总成匹配设计和混合动力系统优化的 研究，旨在开发出一款适合于特定场地从事货运业务的混合动力牵引车。主要研 究内容如下： ( 1 ) 首先对目前在混合动力系统优化方面的研究成果和现状进行概括，得出通 过采用合理优化算法对混合动力系统进行优化将极大地改善整车的动力性、经济 性和排放性能，并指出混合动力系统优化是一个值得深入研究的课题。同时，文 章对混合动力场地货运牵引车潜在的市场需求进行了充分的调研，得出在专用牵 引车上应用混合动力技术的重要性和可行性。 ( 2 ) 对混合动力牵引车的动力系统工作模式进行分析，搭建符合本课题研究的 控制策略模块；结合对其整车动力性的基本要求，进行混合动力系统动力总成的 各元件参数匹配和选型。 ( 3 ) 根据混合动力系统多目标多变量优化所要解决的问题，对其建立带约束非 线性的数学模型；并根据对整车动力性和经济性的影响重要程度来选取待优化参 数。在明确了优化参数和遗传算法理论的基础上，分别就权重系数法、并联选择 法和共享函数法构建合理的混合动力系统参数优化函数，并应用于混合动力牵引 车的动力参数和控制参数优化中。 ( 4 ) 三种算法优化的结果都极大地改善了整车的经济性和排放性能，通过对其 寻优过程和优化结果进行对比分析，得出最适于混合动力系统参数优化的方法， 并给出混合动力牵引车的多目标多变量优化的p a r c t o 最优解集合。 综上所述，本文对混合动力牵引车控制策略、动力总成参数匹配设计和混合 动力系统优化的研究为进一步的动力总成实验与样车设计提供了理论指导，对混 合动力牵引车的开发具有很高的现实意义；尤其是基于遗传算法的混合动力系统 优化的方法对其它车辆的动力系统优化具有广泛的指导意义。 关键词：混合动力，参数匹配设计，多目标优化，遗传算法，p a r e t o 最优解 a b s tr a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei s o n eo ft h em o s te f f i c i e n tt e c h n o l o g i e st os o l v et h e p r o b l e m sw h i c hw e r ec a u s e db y t h el i m i to fe n e r g ys o u r c e sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n i tm a k e sf u l lu s eo ft h et w op o w e rs o u r c e sa n dc a no p t i m a l l ym a t c ht h e i rp o w e r , t h u si t e n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h eo v e r a l lh y b r i ds y s t e m a tp r e s e n t ，t h es t u d yo nt h eh e vi s m o s t l yf o c u s e do nt h ec a l a n db u s f o rt h et i m eb e i n g ，t h i sp a p e ri sr e s e a r c h e do nt h e “h y b r i de l e c t r i cv e n u ef r e i g h tt r a c t o r p r o j e c t i tc o n c l u d e st h es t u d yo nt h ec o n t r o l s t r a t e g y , p o w e r t r a i np a r a m e t e r sd e s i g na n dh y b r i ds y s t e mo p t i m i z a t i o n ，a i m i n gt o d e v e l o pah y b r i dt r a c t o rt os u i tt o t h ev e n u ef r e i g h tb u s i n e s s t h em a j o rc o n t e n t sa s f e i l l o w s ： ( 1 ) f i r s to fa l l ，s u m m a r i z et h es t a t u sq u oa n dr e s e a r c hr e s u l t so ft h eh y b r i d p o w e r t r a i ns y s t e mo p t i m i z a t i o n , a n dc o n c l u d et h a t r e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o nf o rt h e h y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e mw i l lg r e a t l yi m p r o v e st h ev e h i c l e sd y n a m i c ，f u e le c o n o m y a n de m i s s i o np e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h ef u l ls u r v e yo fh y b r i d e l e c t r i c a lt r a c t o rp o t e n t i a lm a r k e td e m a n d ，i ti si m p o r t a n c ea n df e a s i b i l i t yo ft r a c t o r a d o p t i n gh y b r i de l e c t r i c a lt e c h n o l o g y ( 2 ) a n a l y z et h em u l t i m o d e o ft h eh y b r i d p o w e r t r a i ns y s t e mf o rt h eh y b r i d e l e c t r i c a lt r a c t o r , a n db a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n km o d e l i n ge n v i r o n m e n t ，b u i l t t h ec o n t r o ls t r a t e g ym o d u l e c o m b i n e dw i t hi t sd y n a m i c 弱r e q u e s t e d ，s t u d yt h e i n f l u e n c eo fc o n t r o lp a r a m e t e r so nv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，b r o u g h tf o r w a r dm e t h o do f p a r a m e t r i cd e s i g na n de v a l u a t i n gs y s t e mo fh y b r i dc o n t r o ls y s t e m ，a n da c c o m p l i s h e d p a r a m e t r i cd e s i g nf o rh y b r i dc o n t r o ls y s t e m ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h em u l t i o b j e c ta n dm u l t i - v a r i a b l e o p t i m i z a t i o np r o b l e m i n v o l v e di nt h eh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m ，b u i l ti t sn o n - l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lw i t h r e s t r a i n tf u n c t i o n s b a s e do nt h ei m p a c to nt h ev e h i c l ed y n a m i ca n df u e le c o n o m i c ， s e l e c tt h ep i v o t a lp a r a m e t e r st oo p t i m i z e r e s e a r c ho nt h eg e n e t i ca l g o r i t h m ，a n dt h e n c o n s t r u c to p t i m i z a t i o nf u n c t i o n so fw e i g h tc o e f f i c i e n t ，p a r a l l e ls e l e c t i o na n ds h a r i n g f u n c t i o nr e s p e c t i v e l y f i n a l ，a p p l y i n gt h e s et h r e et y p e so fg e n e t i ca l g o r i t h mo nt h e h y b r i de l e c t r i c a lt r a c t o r sp o w e r t r a i no p t i m i z a t i o n ( 4 ) t h eo p t i m i z a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e p a r a m e t e r s f r o m t h r e e o p t i m i z i n ga l g o r i t h me f f e c t i v e l yi m p r o v ef u e le c o n o m ya n dr e d u c ee m i s s i o n s w i t h o u tw o r s e n i n gp o w e rp e r f o r m a n c e c o n t r a s ta n da n a l y z et h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ， a n df i n do u tt h em o s ts u i t a b l ea l g o r i t h m ，t h e n ，g i v em a n yp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n s u p a r e t oo p t i m a ls o l u t i o i l s t os u m u p ，t h i st h e s i s ss t u d y o nt h eh y b r i dc o n t r o ls t r a t e g y , p o w e r t r a i np a r a m e t e r s d e s i g na n dh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e mo p t i m i z a t i o nf o rh y b r i de l e c t r i c a lt r a c t o rp r o v i d e s at h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h en e x tp h y s i c a le x p e r i m e n ta n dr e a lv e h i c l ed e v e l o p m e n t w i t hah i g l ls e n s eo fr e a l i t y i np a r t i c u l a r , t h eo p t i m i z a t i o na p p r o a c h e sp r o p o s e di nt h i s a r t i c l e ，w h i c hw e r eb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ，p o s s e s sab r o a ds e n s eo fi n s t r u c t i o nf o r t h ep o w e rs y s t e mo p t i m i z a t i o no fo t h e rs i m i l a rv e h i c l e s k e y w o r d s ：h e v , p a r a m e t r i cd e s i g n ，m u l t i o b j e c to p t i m i z a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， p a r e t oo p t i m a ls o l u t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一饵新躲华嗍 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 随着科学技术的进步与经济的发展，汽车工业在当代世界经济活动中发挥了 巨大的作用，是当今世界最大、最重要的行业之一。汽车的发展不仅推动了社会 的进步，促进了经济的发展，而且缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方 式。但是，汽车在给人们带来便利、推动经济和社会发展的同时，也带来能源危机 与环境污染两大问题。 在节能和环保成为现代汽车工业面临的主要挑战之际，发展高效、清洁、经 济和安全的新能源汽车成为2 1 世纪汽车工业发展的目标，电动汽车显然是替代当 前燃油汽车的最佳解决方案。一般地，电动汽车可分为纯电动汽车、燃料电池电 动汽车和混合动力汽车三大类。其中，纯电动汽车由于现阶段存在动力电池的续 驶里程短和成本高等问题，其市场化推广进程缓慢。燃料电池电动汽车在开发低 成本的燃料电池系统、高效燃料处理器和稳定的整车控制器等关键技术方面仍未 取得突破性进展，大批量投入市场也需要很长时间。 在这种情况下，“准绿色”的混合动力汽车成为新能源汽车中最具有产业化和 市场化前景的车型。混合动力装置发挥了燃料发动机持续工作时间长、动力好的 特点，又可以发挥纯电动汽车无污染、低噪声的优点。 混合动力汽车作为提高传统汽车运输生产率，降低燃油消耗，并改善车辆排 放性能的重要课题之一，世界各大汽车制造商和研究机构已经开展了数十年的研 究，混合动力系统的布置方案和选型原则基本达成了共识，并形成完整的汽车开 发基础理论知识。当前，混合动力汽车的开发主要集中在对混合动力系统的动力 总成设计和参数优化方面，这些设计和优化【1 】包括以下方面： 1 1 混合动力系统的动力总成参数匹配设计 ( 1 ) 发动机的选型汽油机与柴油机的选择；发动机使用特性的选择和排量 的选择； ( 2 ) 电动机发电机的选择电机的动力性能设计，高速与低速电机的选择， 过载系数的选取； ( 3 ) 动力电池组的选型电池类型的确定，电池的容量、输入与输出功率的 设计，功率密度和循环寿命的选择； ( 4 ) 传动系型式及参数的选择变速器的型式、速比范围、档位数、速比间 隔；液力变矩器型式及尺寸；驱动桥的类型及尺寸等。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 混合动力系统的各子系统参数和控制器参数优化 由于混合动力汽车是由多个部件构成的复杂系统，尤其当采用不同的控制策 略时，子系统及控制器的参数对整车的动力性、部件性能、燃油经济性和排放性 能均产生重大的影响。 ( 1 ) 动力总成各子系统参数的优化匹配，包括发动机、电机和电池的动力参数 在满足车辆性能的前提下更合理地匹配； ( 2 ) 根据采用的具体的控制方法，在初步设定控制参数的基础上，基于实际工 况，以现代工程优化算法对其进行演算、优化。 混合动力汽车的动力性与燃油经济性，以及排放性能的好坏，在很大程度上 取决于发动机性能、电力系统特性、传动系型式及控制器参数的选择，即取决于 混合动力系统参数合理匹配的程度。即使一台具有良好性能的发动机，如果没有 一个与之合理匹配的电力系统、传动系统，尤其是控制系统，也不能充分发挥其 节油减排的性能。能与发动机合理匹配的混合动力系统可以使发动机经常在其理 想工作区附近工作，这样不仅可以减少燃油消耗，改善尾气排放，还可以减轻发 动机磨损，提高其使用寿命。 然而，在混合动力汽车研发的过程中，由于专业分工过细，往往存在着这样 的情况：即动力总成部门着重于发动机与电机和动力电池组的匹配与布置，主要 考虑发动机、电机和电池的单个部件对整车的性能影响；在选用传动系统时，主 要是根据空间方位和动力性能来选取变速器和驱动桥等。但是，如果不将发动机、 电机、动力电池组和传动系统视为一个相互耦合的综合体进行合理匹配，任何一 个部件的性能改进完全有可能由于另一部件的匹配不当而造成整体性能未获得应 有的改进；其中的关键是动力总成参数的“匹配”问题。控制器设计部门主要侧 重于基于车辆工作状况，选用较为合理的控制策略。针对不同的控制策略，每种 控制方法都有一定的控制参数，这些控制参数对混合动力汽车的动力性能、经济 性和排放性能产生影响。往往控制器的初始参数是设计者人为设置的，并没有经 过车辆在实际环境运行的检验和修正，无法保证其对整车性能的影响是最优的。 文献资料表明【2 卅：目前大部分混合动力系统的参数匹配与优化往往局限于两 个方面：一是仅对动力总成的参数匹配进行优化；二是仅对控制器的参数进行优 化。孤立地从任一方面对混合动力系统进行参数优化，一般也能有效地提高整车 性能，并改善其尾气排放状况。因此，混合动力系统的高度非线性和相互之间的 复杂耦合关系，使得通过采用合理优化算法对混合动力系统的动力总成和控制器 参数同时进行优化，将对改善整车的动力性、经济性和排放性能有更大的潜力， 这是一个值得进一步研究的课题。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 混合动力系统优化的研究概况 通常对混合动力汽车的动力性、燃油经济性及排放性能的评价，是在进行实 车道路试验或实验室台架测试之后给出的，如美国再生能源国家实验室就是在对 i n s i g h t 和p r i u s 混合动力轿车进行大量试验的基础上，采集其各项数据，并建 立数学仿真模型的。这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及 动力总成方案的确定、结构参数的选择、传动系参数和控制器参数的匹配等，都 有一定的盲目性，可能会使较优的方案遗漏。研究表吲5 7 1 ，对混合动力汽车的部 件及其控制器参数进行优化匹配，能有效地提高性能，使其优越性得到更加充分 的发挥。而且，这种参数优化不仅与动力部件参数有关，还取决于控制策略及其 相关参数。 因此，为了提高混合动力汽车研发的质量，缩短研发周期，在设计阶段就需 要采用合理的优化算法来匹配相关参数，对汽车动力性和燃油经济性及排放性能 进行预测。目前，在混合动力系统参数优化的研究情况和应用的优化算法主要有 以下几个方面： ( 1 ) 混合动力系统参数正交优化i s , 9 】 开始 分析混合 动力系统结构 分析结构参数， 确定正交优化因素 设计正交试验表 正交试验，并对 结果进行方差分析 分析主次凶素， 初步确定结构参 数优化方案 l l ，一 l 基本正交优化 i l ( 系统结构参数初步优化)1 分析控制系统参数，确定 正交优化因素 设计信的正交试验表 正交优化试验，对结果进 行方差分析 分析主次因素，确定最优 组合方案 趟 结束 图1 1 混合动力系统参数正交优化过程 n o 果标 化牒结目优 案计 窿 方设 。吲纠化足合黜黼涤 武汉理工大学硕士学位论文 正交试验方法( o r t h o p l a n ) 是利用正交表( o r t h o g o n a lt a b l e ) 科学地安排和分 析多因素试验的方法。它的优化过程首先是选择对混合动力系统性能影响大的因 素做为正交试验的因素，并确定各因素的水平数。因素在试验中所处的各种状态 或所取的不同值称为该因素的水平，若一个因素取k 种状态或k 个值，就称为该 因素为k 水平因素。 混合动力系统匹配与优化过程可分为动力系统部件的参数匹配和整车控制系 统优化两个部分。根据正交试验设计原理，给出混合动力系统参数基本正交优化 和综合正交优化流程，建立混合正交试验表，并通过模拟试验和结果的极差分析 来最终确定一组最佳的混合动力系统参数，优化流程如图1 1 所示。 上海交通大学王保华博士在其博士毕业论文混合动力城市客车控制策略与 试验研究，吉林大学曾小华博士在正交优化设计理论在混合动力汽车设计中的 应用一文，以及合肥工业大学硕士生代康伟在毕业论文混合动力城市客车动 力参数匹配与仿真研究中，对正交优化设计方法在混合动力多参数优化匹配和 设计进行了深入而细致的理论研究和实例仿真分析。他们的研究主要是在保证整 车动力性要求的前提下，以燃油经济性最优为设计目标，根据正交设计理论，确 定待优化参数的水平数主要包括：混合度脚、电池容量c 、主减速比乇和 电压等级y 等，对混合动力系统进行优化。选择出一组最优的混合动力系统参数 以满足相关循环工况下的燃油经济性和排放等设计指标，优化结果为混合动力系 统改进提供了重要理论支持。 ( 2 ) 离散复合型算法( m d c p ) 针对目前混合动力系统的优化目标函数往往采用单一动力性指标或经济性指 标，只是在约束函数中加入经济性或动力性约束，这与汽车的实际运行情况并不 统一。而且其设计变量通常采用的是变速器速比、主减速比和控制器静态参数等， 这样优化的结果一方面无法保证动力性和经济性同时达到最佳值，另一方面，由 于变速器速比受齿轮模数的限制往往无法改变，优化结果给整车设计开发的现实 指导意义不大。 为了解决这个问题，有学者采用了基于实际运行工况的多目标加权统一目标 函数的方法【l0 1 ，它首先要解决的是目标函数、设计变量和约束条件等。 目标函数如式( 1 1 ) ： f = a q + 五互 ( 1 - 1 ) 其中，q 一基于实际运行工况的综合油耗；z 一汽车原地起步加速时间或超 速加速时间：五，五一分别为汽车燃油经济性、动力性的加权系数。 设计变量主要是主减速器速比和控制器参数等，其中主减速器速比和部分控 制参数是连续变量，而部分控制参数为离散变量。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 x = _ ，x 2 ，x q ) 约束条件一般则为各个设计变量的取值范围，可以在优化方法中规定。 ( 1 2 ) 图1 2 离散复合型算法流程图 针对求解这样带约束非线性离散变量优化问题，离散复合型算法【1 l 】( m d c p ) 是比较适合的一种算法，它的基本原理是首先在空间产生k 个初始离散点，并请 以这些离散点构成初始复合形。一般取k n + 1 ，其中1 为变量个数，然后利用复 合形各顶点函数值的大小，判断函数值下降方向，使复合形不断向最优点移动收 缩，直至满足一定的收敛条件，其数学模型可表示为式( 1 3 ) ，算法流程如图1 2 所示： 其中： m i n f ( x ) g j ( x ) 0 = 1 ，2 ，m ( 1 - 3 ) x x i 砖 i = 1 ，2 ，h x ：旧创 l _ rj 武汉理t 大学硕士学位论文 户= t ，x 2 ， r r d z c = 【+ l ，+ 2 ，吒r r c r 疗= r d r c f ( x ) 为目标函数；g ，( x ) 为约束函数；# ，分别为变量的下限值和上线值； p 为离散变量的子集合；工c 为连续变量的子集合。 ( 3 ) 混合动力系统控制策略参数的f m i n c o n 函数优化【l 2 】 针对混合动力系统的多目标多变量优化问题，m a t l a b 优化工具箱的 f m i n c o n 函数是典型的优化算法。它基于序列二次规划方法( s q p ) 的响应计算 梯度，主要解决非线性约束和边界优化问题。合肥工业大学硕士生袭著永在其毕 业论文混合动力电动汽车控制策略的仿真研究及优化中就f m i n c o n 优化算 法在混合动力系统参数优化的已展开了部分研究。他以百公里油耗为优化目标， 对逻辑门限值控制策略的设计变量进行优化，优化目标函数为式( 1 - 4 ) ： f必 j m i n q = g ( f ) ，、 1 扛o u 叶7 ig ( f ) = f ( t e ( t ) ，n 。( f ) ) 其中，g ( t ) 一采样点r 时刻的燃油消耗率( g s ) ；一仿真步长；厂一以采样 点f 时刻的转矩、转速为变量的函数；t a t ) 一采样点f 时刻的发动机转矩；吃( f ) 一 采样点f 时刻的发动机转速。 控制器优化变量主要选取：s o c 的上下限取值，发动机启动转速l a u n c hs p d 和发动机开关扭矩系数够t r qf r a c ：针对多变量非线性的混合动力汽车控制策 略优化问题，其目标函数通过调用a d v i s o r 相应模块完成的。优化过程：首先 优化软件向a d v i s o r 模块传递优化问题的初始值、目标函数和约束函数的输入 参数，由a d v i s o r 模块的函数计算出相应的目标函数和约束函数值。然后判断 约束条件是否成立，如果不成立，则更新初始值，循环上面的计算过程；如果成 立，则优化计算结束。其算法优化过程如图1 3 所示。 图卜3 控制器参数优化流程图 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 其它优化算法 针对不同的优化目标和设计变量，求解混合动力电动汽车的多目标多变量优 化问题，目前还有几种较常用算法【l 3 1 4 j 。 o v i s u a l d o c 算法：该算法提供了直接梯度优化( d g o ) 和响应表面近似 ( r s a ) 两种程序，d g o 采用序y u - 次规划方法计算梯度以决定优化值的搜索方 向；r s a 执行实验设计( d o e ) ，为这些数据点建立基于响应的第二顺序值。基于 表面响应，程序可以估计优化设计点，评价这一点的函数值，更新基于实际值的 近似值，并反复寻找最有设计点，直到条件满足。 厘) d i r e c t 算法：该算法基于指定域的目标函数将设计空间分成许多小部分， 这就能保证找到比较理想的区域寻找点。其特征是可以重新计算，可以让设计者 在经过一定的设计循环后停止优化，查看结果，继续分析。 ( 蔓) p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) 优化算法：该算法受鸟类动物的社会行为 启发，建立的一套比较新的进化计算方法。在p s o 算法中，每个单体的位置和速 度在一个问题空间进行随机初始化。每个单体对应一个解，每个p s o 问题应该具 有一群这样的单体，叫做p a r t i c l e s 。每个单体记录自己在多维空间的坐标痕迹，并 且记录下到当前时刻为止的最佳值。p s o 算法以式( 1 5 ) 进行迭代。 = 哆+ q r a n d ( ) 。( 助一) + c 2 r a n d ( ) ( p g d 一勃) ( 1 - 5 ) 勃= 勃+ ( 1 - 6 ) 其中，d 是优化问题变量的第d 维( 1 d n ，共n 维) ；i 表示一群单体中的 第i 个单体；q ，c 2 是两个正值常数；r a n d ( ) 产生 0 ，1 】之间的随机数；哆为第i 个 单体的惯量权重；是第f 个单体的最佳解的第d 维分量值；是整个群的全 局最优解的第d 维分量值；是第i 个单体的第d 维分量的速度；是第i 个单 体的第d 维分量值。 1 3 论文研究相关内容 本文研究课题是结合实际企业委托的混合动力牵引车开发项目开展研究工作 的。所要研发的混合动力牵引车主要是在码头、港口等特定工况从事场地货运业 务的专用车辆，那么有必要了解目前国内市场对混合动力牵引车的需求状况。 1 3 1 混合动力牵引车的需求状况 随着全球外贸经济的快速发展【”】，集装箱运输以其方便、安全、快捷的特点 已成为货物运输的发展重点。世界集装箱贸易量自2 0 0 3 年以来，每年都以超过1 0 7 武汉理工大学硕士学位论文 的增幅增长。随着中国经济的发展，无论是内贸还是外贸都以飞快的速度发展， 我国9 0 以上的外贸物流量要依靠港口实现，而主要的运输方式就是集装箱运输。 2 0 0 6 年，全国主要港口完成货物吞吐量达到5 5 7 亿顿，完成集装箱吞吐量9 3 0 0 万t e u ，同比增长2 2 4 。2 0 0 7 年，集装箱吞吐量首次突破一亿标准箱，达到1 1 4 亿标准箱。统计资料预计，2 0 0 8 年全国港口集装箱吞吐量将达到1 3 亿标准箱。 苹往：西万t 戡； r ， 一 _ f 。 ， 伊孵 。 ，p 矿 ；磊。隅 。 二 ， j # 0 1 9 9 8 年1 9 9 9 笮2 0 0 0 第2 0 0 1 军2 0 0 2 笮2 0 0 3 军2 0 0 4 攀2 0 0 5 举2 0 0 6 - 筇, 2 0 0 7 攀 爱乏刁巾溯集装籀霹姑麓一蛊潋界簸装墨鑫自：礼教地 图1 - 41 9 9 8 2 0 0 7 年我国港口集装箱吞吐量及占世界比 集装箱吞吐量的增长必然要求场地货运牵引车的需求也持续增长，与其它汽 车相比，场地货运牵引车在场地货运运行具有典型特点：运行速度低，导致发 动机长时间工作在低效区，燃油经济性差；频繁起停，使得发动机的工作极不稳 定，排放性能极差；长时间怠速( 多台车辆排队等候装货和卸货期间基本不停 车，怠速时间超过5 0 ) ，燃油利用率很低。因此针对现有的场地货运牵引车进行 混合动力设计，其节能减排效果较其它车辆更加明显，对于建设节约型港口，乃 至建立节约型社会都具有重要意义。 1 3 2 本论文的主要研究内容 根据混合动力重型专用车的发展现状和企业对拟开发车辆的具体需求，确定 采用结构简单、紧凑实用的i s g 型混合动力技术路线，应用对象为场地货运牵引 车，主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍混合动力电动汽车发展的背景及意义，详细分析了目前在混合动力系 统优化方面的研发现状；广泛调研国内市场对混合动力牵引车的需求状况。 ( 2 ) 根据多种混合动力系统方案的优缺点比较，结合研究目标的实际工作环 境，提出i s g 型混合动力系统结构方案。进行i s g 型混合动力牵引车整车控制策 略设计与研究，详细分析其主要工作模式，优化发动机、电机和电池的运行区域。 舭舭舷舷舰舭舷鹏灏灏泓溉泓m笼加掩俩m泛m觏袄t置玑 撇妨鲫如醐鲐舳如如m o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 根据汽车动力学理论，分析i s g 型混合动力牵引车在典型场地工况下运 行对动力性的需求，进行混合动力系统动力总成的初步匹配设计； ( 4 ) 应用后向仿真软件a d v i s o r 建立i s g 型混合动力牵引车的仿真模型， 采用多种遗传算法对混合动力系统动力总成参数和控制参数进行优化，进而通过 对优化后的动力性、经济性和排放特性进行分析，摸索出最适于混合动力系统多 目标优化的算法，并确定混合动力总成的最终匹配方案和控制器的主要控制参数。 ( 5 ) 对i s g 型混合动力牵引车的研究进行总结和展望。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力牵引车布置与控制方案 2 1 混合动力系统布置方案的确定 根据对串联式、并联式、混联式和复合式混合动力系统的结构及特点的分析， 在确定混合动力场地货运牵引车选用何种驱动方式时，必须充分结合其运行工况 的特点和追求的侧重目标一一提高燃油经济性，还是改善排放性能。 本课题开发的混合动力牵引车是在港口场地货运等特定场地中从事集装箱等 大型物体货运业务的车辆，有自身特殊的运行工况( 见图2 1 ) ，其特点是：满载 一般小于6 0 t ，场地内及场地之间几乎没有坡度，满载时最高速度约3 0 k m h ，每 天运行超1 4 小时，多辆拖车排队等候装货和卸货期间怠速运行( 基本不停车) ， 怠速时间超过5 0 ，待机情况下空调持续运行，满载时停车起步加速至3 0 m h 约 需3 0 s 。 图2 1 场地货运牵引车实际运行工况 结合场地货运牵引车运行的特殊工况，混合动力系统方案选型的重点要从以 下几个方面考虑： ( 1 ) 并联式混合动力系统的燃油经济性比串联好，而串联式方案的排放更佳。 在本项目的研究中，开发混合动力场地货运牵引车的直接目的是为了提高整车的 燃油经济性，同时以改善其排放性能。 ( 2 ) 并联式方案在不改变原车大的结构布置前提下，仅增加电机、动力电池组 和控制系统即可，不会影响用户目前的驾驶习惯；而且，它有两条动力传递路线， 即使在混合动力系统发生异常也可以仅凭柴油发动机行驶，因而安全性更高； ( 3 ) 车辆运行道路状况良好，地面平坦，几乎没有坡度，因而路况本身并不复 杂；混合动力系统只需要在车辆起动、停车、加速和制动时发挥其优点，改善发 1 0 武汉理i 人学硕士学位论文 动机的运行特性，所以，并联式混合动力系统更加适合于此类运行工况； f 4 ) 串联式对电力的依赖程度很高，而场地货运牵引车的工况运行规律并不稳 定，无法确保定期维护，而并联式对电池电力的依赖程度很小； f 5 ) 串联式虽然在整车空间布置上灵活多样，但三人动力总成和动力电池组的 质量、体积都较大；而混联式和复合式则小仅机械构件较多，且对结构要求更加 复杂，布簧更加紧凑； f 6 ) 串联式和并联式的控制逻辑比较简申，但是由十串联式的驱动系统质量和 体积增大，因而导致制造成本较高；并联式的电栅发电机具有双重功能，还可以 利用普通内燃机汽车底盘进行改装，制造成本较低；而混联式和复合式的撺制系 统过于复杂，制造成本过高，i i 对自开发能力和经济能力都有很高要求。 综上所述，本文讨论的混合动力场地货运牵引车将来用由镍氢电池组、交流 感应电机和柴油发动机组成的i s g 型单轴并联式混合动力驱动方案。 2 2i s g 型混合动力系统结构的选择 i s g 型混合动力系统方案又有多种构型方案【l ”，比较成熟的构型方案有三 种，分别是后离合器混合结构、双离合器混合结构和i i i 离合器混合结构。 f 1 ) i s g 电机一变速器之间单离合器结构 这种混合动力结构只有一个离合器，装在i s g 和变速器之间如图2 - 2 所示。 i s g 电机和发动机直接相连，可带动发动机实现快速启动；在加速和爬坡等工况 i s g 电机提供助力，汽车进入联合驱动。排队等候时发动机停机，进入电池供电 状态。该方案成本低，仅在原有基础上增加i s g ，不改变用户目前的操作习惯， 且可实王见制动能黾回收，但是该结构无法实现电机单独驱动，本田i n s i g h t 轿车 就是采用这种结构的混合动力系统。 图2 - 2 后离合器混合动力结构示意图 牛轮 磁谜辑 驻轮 武汉理1 人学硕+ 学位论文 ( 2 ) 双离台器结构 这种混合动力结构同时使用两个离合器，i s g 电机j 发动机和减速器连接的 两端吾有个，如图23 所示。在这种结构中，i s g 可以带动发动机伙速肩动，加 速和爬坡时n j 提供辅助动力；排队等候刊发动机停机，进入电池供电状态。i s g 可单独驱动实现短距离移动，可解决牵引车排队等待装货和卸货q 一短距离移动， 减少排放和噪音；可以实现制动过程【 i 的能量川收：但是，系统结构及控制相对 较复杂，需要两个自动离台器和个自动变速器，成奉高。 图2 3 双离台器混合动力结构简罔 车轮 碱】器 擎轮 ( 3 1 发动机1 s gr 【i 机之间单离台嚣结构 馥混合动力结构也仅有一个离合器，安装在发动机和i s g 电机之问，i s g 电 机和减速器直接相连，如图2 - 4 所示。在这种结构中，i s g 可单独驱动实现短距离 移动，可解决牵引车排队等待装货和卸货中短距离移动，减少排放和噪音；排队 等候时发动机停机，进入电池供电状态；可带动发动机快速启动，在加速和爬坡 时i s g 提供辅助动力，进入混台驱动；并可实现制动能量回收；需要白动离台器， 自动变速器，控制较复杂，成奉较高。 图2 4 前离台器结构示意图 根据以上分析比较，综合考虑混合动力整车的改造成奉及整个系统的研制进 度，采用后离合器方案，即i s g 直接i 发动机相联，离合器处于i s g 与减速器之 间。泼方案的基本结构及布置方案如图2 - 5 。 歪 戮 一 翁 图2 - 5 后离合器混合动力总成的早本结构及粕置方案简图 整车控制系统通过c a n 总线与动力系统的其它各单元通信，包括发动机拧制 单元，电机驱动控制单元，离台嚣控制单元以及i u 池管理单元等。e c u 通过粟集 各个传感器的信号，控制发动机执行器、逆变器和离合器执行器等单元的f 作状 态。 相对原牵引车需要改造的主要包括，选择低啼 次的发动机，在芨动机的原 飞轮位置安皴i s g 电机，增加电池以及各动力部件的控制管理模块。 2 3 混合动力系统工作模式分析 i s g 型后离合器混合动力汽车_ | l | 于典州的助力刊混合动力汽车，驱动力主要 f h 发动机提供，电机只能起到辅助助力作用。众所周知，发动机的热效率在低速 时偏低，扭矩也比较小，而在t i ，高负荷的情况下效率较高，侦荷再增大效率又有 所r 降。而屯机的动力特性刚好与发动机相反，电机在低转速时具有恒转矩特性， 达到一定转速后将按照恒功率运行。因此，在制动控制策略的时候应该综合考虑 发动机和电动机的特点和效率，使两者都能够允分发挥各自的优势。 起动时i s g 上作于电机状畚，在较短时间内将发动机加速至怠速转速，然 后发动机外始喷汕自行i 作，随后离合器结合，整车起动。这时i s g 和发动机同 时工作，处于混合驱动模式。这样，既弥补了发动机起动扭矩小，效率低的缺点， 也发挥了电动机低速恒扭矩的优势，不仪降低了起动过程r f _ l 发动机的油耗，也改 善了排放。 当汽午巡航或以较低速度行驶时，山于此时所需功率较低，如果此时蓄电池 的荷电状奄s o c 值低j 一其上限值，则使1 s g 训按至发电机状忐，向电池组亢电。 n t 汉理人。# 硕士学似论文 这样他发动机的负荷提高，进而提高发动机工作效率；但若此时蓄电池s o c 等 于或大于上限值，为了延长蓄电池的使用寿命，i s g 停止句蓄b 池充电。如图2 - 6 中的图( a ) 所示。 a ) ( b 图26 发动机扣矩输出扭矩分析 当汽车加速或爬牧时，为r 克服发动机在大负荷时效率低的缺点，此时如果 电池s o c 值大于允许的最小s o c 值，则使i s gt 作在电动机t 况，提供一部分 驱动扭矩，使发动机就可工作在中等负荷的高效率区，小仅满足r 汽车行驶性能 的要求，而且减少了油耗，改善了排放。如图2 - 6 中的冈( b ) 所示。 当汽车较长时州处于怠速空载状态，为了改善汽车的燃油经济惟和排放性能， 此时可使内燃机停【e 运行或青切换警驻车发电状态，车内的用电设备采用动力电 池供i u 。 再生制动是i s g 型混合动力车降低 | 1 1 耗的重要途径之一，在检测到刹车信号 时，迅速启动i s g 进行制动能量q 收：在需要紧急制动时，h 日j 启动制动能量回 收和机械摩擦制动，在保证满足系统制动要求和汽车安全性的f j 订提卜，尽町能回 收汽车的制动能量，对于部分小能被啦收的能量将被摩擦制动消耗掉。 根据对i s g 型混合动力结构方案和运行工况特点进行分析，得到混合动力系 统多种不同的工作模式，如表2 1 所示。 表21 后离台器混合动力系统工作模式分析 i s g 快速启动发动机 由i s g 电机直接带动发动机达 到患速转速，实现发动机快速 启动。在离合器逐渐结合的过 样中，判断整车起步所需扭矩 和电池s o c 值，决定是行进入 混合动力驱动工况。 j 鬣流q 武汉理人一学硕 学忙论文 发动机单独驱动 。 当整车所需驱动力小十发动机二二e 匕h ，一r 时，进入发动机单独驱动t 况： 弱h 筮列h 实时根据电池的s o c 值决定是”。 i 、t 【1 “ 甭需要切换到i s g 发n 模式。i ” * 。 毳 “l 发动机驱动并带动i s g 发电 肖动力i u 池s o c 值小卜f 限 - “n “ 值，儿发动机功一 ：在驱动汽车 仍有剩余时，在发动机在驱动f - “! 汽车的同时给动力电池充电。 l 粥魃洲h 一 当s o c 达到上限值时立刻停 i r 充电：当汽车所需驰动力增 。、_ _ _ _ j： 加达到发动机的最_ 凡值时，也 薯 ： 差 停i r 充电。 发动机和i s g 电机混台驱动 当整中所需驱动力超