（光学工程专业论文）插电式并联混合动力汽车动力传动系统与控制参数匹配优化.pdf

matching optimization of power train and control parameters for a plug-in parallel hybrid electric vehicle a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by peng da supervised by associate prof. shu hong major: vehicle engineering college of mechanical engineering ofchongqing university, chongqing, china november, 2011 中文摘要 i 摘 要 插电式混合动力汽车（plug-in hybrid electric vehicle，phev）是指可以使用 外部电力网对动力电池进行充电的混合动力汽车。应用了该技术的插电式混合动 力公交客车与传统的混合动力公交客车相比，动力电池容量大，纯电动续驶里程 长，大大降低了混合动力汽车燃油消耗和尾气排放，是目前新能源汽车的研究开 发热点之一。 混合动力汽车动力传动系统各部件特性参数和整车控制参数及其匹配关系决 定了整车的油耗和排放水平，对动力传动系统参数和控制参数进行匹配研究对于 降低汽车燃油消耗和排放具有重要的理论意义和应用价值。首先根据插电式并联 混合动力汽车动力性和行驶工况功率需求等要求确定了动力传动系统的几种参数 匹配设计方案，并建立了动力传动系统各部件数学模型。其次利用正交试验方法， 选取反映动力传动系统结构特征的混合度、变速箱速比、主减速器速比，以及整 车电辅助控制策略参数作为正交设计因素，进行正交试验设计，以汽车在 42 个中 国典型城市公交循环工况下油耗最小为目标，优选出整车动力传动系统参数和控 制策略参数的最佳匹配方案。 利用基于 advisor 仿真平台建立的插电式并联双离合器混合动力客车仿真模 型，进行整车动力性和燃油经济性仿真分析，得到汽车在中国典型城市公交循环 工况下运行的油耗、发动机工作点分布图和电机工作点分布图和整车动力性指标 等。仿真结果表明，动力传动系统参数和控制参数优化后能满足整车动力性要求， 整车控制策略可以实现合理的功率分配和发动机、电机的起停，制动能量回馈， 发动机、电机工作状态良好，主要运行在最佳效率区域，并能保证动力电池组荷 电状态维持在其设定区域内；汽车动力传动系统和控制参数优选后的燃油消耗相 比未优选之前降低 5.58%。文中还分析了行驶里程、整车质量和空气阻力系数对汽 车燃油消耗的影响。 关键词：插电式混合动力汽车；动力传动系统；控制策略；正交设计 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract plug-in hybrid electric vehicle(phevs)is a hybrid vehicle whose battery packs can be charged by external power networkcompared to traditional hybrid buses，the phevs has a larger battery capacity，longer electric mileage，which has a much lower fuel consumption and emissionphev is one of the research hot spot in clean energy vehicle area. the fuel consumption and emission are determined by the parameters of power train, control strategy and their matching relationship. there are theoretical significance and application value to research the parameters of power train and control strategy. according to the requirements of vehicle performance and cycle driving power，several power trian parameter schemes are designed. the mathematical model of components of power train is established. orthogonal test method is used，with the degree of hybridization, speed ratio，final rear ratio and vehicle control parameters chosen as orthogonal design factors. the best matching scheme of power train and control strategy parameters is acquired，with the minimal fuel consumption of vehicle driving cycle under 42 chinese bus typical urban cycles as target. the simulation model of plug-in parallel hybrid vehicles with dual-clutch is established which based on matlab/simulink simulation platform that can be run in the advisor. simulation of vehicle performance and fuel economy are carried out, and the fuel consumption and engine operating spots layout and motor operating spots layout are acquired. the simulation results show that the parameters of power train and control by optimized can meet the performance demand, engine and motor are both working in good condition and in the optimal efficiency zonethe proper power distribution, start/stop of engine and motor，brake energy feedback，as well as maintaining soc in the given zone can be realized reasonably based on control strategyfuel consumption is reduced by 5.58% by using orthogonal designing optimization for control parameters and power trainthe effect of the mileage, curb mass and air drag coefficient on the vehicle was analyzed. key words: plug-in hybrid electric vehicle； power train； control strategy； orthogonal design 重庆大学硕士学位论文 iv 目 录 v 目 录 中文摘中文摘要要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 插电式混合动力汽车的研究背景插电式混合动力汽车的研究背景 . 1 1.2 国内外插电式混合动力汽车研究现状国内外插电式混合动力汽车研究现状 . 2 1.2.1 国外插电式混合动力汽车研究现状 . 2 1.2.2 国内插电式混合动力汽车研究现状 . 3 1.3 插电式混合动力汽车的特点和分类插电式混合动力汽车的特点和分类 . 4 1.3.1 插电式混合动力汽车特点 . 4 1.3.2 插电式混合动力汽车结构分类 . 4 1.4 课题研究的意义和内容课题研究的意义和内容 . 6 1.4.1 课题研究的意义 . 6 1.4.2 课题研究的内容 . 6 2 动力传动系统部件选型和参数匹配动力传动系统部件选型和参数匹配 . 7 2.1 动力传动系统结构型式动力传动系统结构型式 . 7 2.2 运行工况和动力性指标运行工况和动力性指标 . 8 2.3 发动机功率的选择发动机功率的选择 . 10 2.4 电动机电动机/发电机功率的选择发电机功率的选择 . 12 2.4.1 电动机特性的确定 . 13 2.4.2 发电机特性的确定 . 15 2.5 传动系速比的选择传动系速比的选择 . 16 2.6 动力电池组的确定动力电池组的确定 . 18 2.7 本章小结本章小结 . 20 3 仿真模型和控制策略模型的建立仿真模型和控制策略模型的建立 . 21 3.1 引言引言 . 21 3.2 仿真方法概述仿真方法概述 . 21 3.3 仿真软件仿真软件 advisor 介绍介绍 . 23 3.4 动力传动系统模型的建立动力传动系统模型的建立 . 24 3.4.1 发动机模型 . 24 3.4.2 电动机/发电机模型 . 27 3.4.3 动力电池组模型 . 29 重庆大学硕士学位论文 vi 3.4.4 主减速器模型 . 30 3.4.5 变速器模型 . 30 3.4.6 离合器模型 . 32 3.5 整车仿真模型整车仿真模型 . 32 3.6 控制策略模型的建立控制策略模型的建立 . 33 3.6.1 电辅助控制策略 . 33 3.6.2 控制参数的确定 . 34 3.6.3 控制策略模型 . 35 3.7 模型与数据输入设置模型与数据输入设置 . 36 3.8 整车仿真设置整车仿真设置 . 38 3.9 本章小结本章小结 . 41 4 基于正交试验的动力传动系统与控制参数匹配优化基于正交试验的动力传动系统与控制参数匹配优化 . 43 4.1 引言引言 . 43 4.2 正交试验方法概述正交试验方法概述 . 43 4.3 正交试验因素及其水平的确定正交试验因素及其水平的确定 . 44 4.4 正交试验安排及结果分析正交试验安排及结果分析 . 46 4.5 本章小结本章小结 . 50 5 整车仿真及结果分析整车仿真及结果分析 . 51 5.1 2 个中国典型城市公交循环工况下的整车仿真分析个中国典型城市公交循环工况下的整车仿真分析 . 51 5.2 42 个中国典型城市公交循环工况下的整车仿真分析个中国典型城市公交循环工况下的整车仿真分析 . 55 5.3 发动机和电机工作点及效率分析发动机和电机工作点及效率分析 . 58 5.4 纯电动续驶里程计算纯电动续驶里程计算 . 60 5.5 整车动力性和燃油经济性仿真结果整车动力性和燃油经济性仿真结果 . 60 5.6 行驶里程对燃油经济性的影响分析行驶里程对燃油经济性的影响分析 . 61 5.7 整车参数对燃油经济性的影响分析整车参数对燃油经济性的影响分析 . 61 5.7.1 整车质量对燃油经济性的影响 . 62 5.7.2 空气阻力系数对燃油经济性的影响 . 62 5.8 本章小结本章小结 . 63 6 总结及展望总结及展望 . 65 6.1 全文总结全文总结 . 65 6.2 研究展望研究展望 . 66 致致 谢谢 . 67 参考文献参考文献 . 69 附附 录录 . 73 目 录 vii a. 作者在攻读学作者在攻读学位位期间发表的论文目录期间发表的论文目录 . 73 b. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目 . 73 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 插电式混合动力汽车的研究背景 能源供给和环境保护是人类社会可持续发展面临的两大难题。特别是进入 21 世纪以来，石化燃料的供需矛盾进一步加剧，保障能源的供给成为各国面临的迫 在眉睫的问题1。对于我国来说，由于经济发展迅猛，对能源的需求和消耗迅速增 加，使国家的能源安全和环境问题受到巨大挑战，解决资源与环境的问题尤为迫 切。随着人们生活水平的提高和汽车工业的不断发展，汽车保有量在逐年增加， 既造成了汽车尾气排放带来的环境问题， 又使资源和能源临枯竭进一步加速。 2011 年 8 月 16 日，世界著名的美国汽车行业杂志 wardsauto 公布，截至当日，全球处 于使用状态的各种汽车，包括轿车、卡车以及公共汽车等的总保有量已突破 10 亿 辆。其中，美国是目前最大的汽车拥有国，其汽车注册量达 2.4 亿辆；中国次之， 汽车拥有量为 7800 万辆；日本的汽车拥有量为 7400 万辆。统计数据显示，去年全 球汽车平均拥有量为 16.75，即每 6.75 个人拥有 1 辆汽车。在美国，这个比例是 11.3；在法国、日本和英国，这个比例大约为 11.7；在中国，这个比例约为 117.2，与世界平均水平相差巨大，所以在可以预见的一段时间，中国汽车保有 量还会一直增长。因此，如何降低汽车能源的消耗和环境污染自然也就成了汽车 发展的主旋律。混合动力汽车被认为是汽车国内工业近期应对能源和环境问题的 最主要的对策和最现实的选择之一。 近年来，国家和各个汽车企业都十分重视新能源汽车的发展和投入，也取得 了很大的成效。一方面是由于能源和环境的压力，使我们不得不在新能源汽车方 向寻找解决矛盾的突破口。而混合动力汽车是传统汽车向纯电动汽车或燃料电池 汽车的一个过渡。另一方面，传统汽车领域，我国已经落后欧美日等发达国家太 多，新能源汽车的发展，为我们提供了一个快速在技术上赶超西方的捷径。到现 在， 很多汽车厂都有自己的新能源汽车计划。插电式混合动力汽车（plug-in hybrid electric vehicle，phev）因其可以使用外接电网充电，纯电动行驶里程长，节油 率高，成为许多国家新一代电动汽车发展计划中实现车辆节能减排的重要技术途 径之一。混合动力汽车既具有传统汽车的内燃机动力系统，又有一套电驱动系统， 既可用单独依靠内燃机或电力工作，又可采用内燃机和电力联合工作。混合动力 汽车的最大优势是节能、环保和易于推广2。混合动力汽车的发动机大部分工作在 经济工况区，几乎不在高油耗的全负荷和加速工况区域工作，并且一般都采用制 动能量回收系统，因而与传统汽车相比，燃油消耗大大减少，节能优势明显。另 外，由于混合动力汽车一般都具有单独依靠电力、内燃机和电力的联合等多种工 重庆大学硕士学位论文 2 作模式，因而具有噪声小、排放少的特点，并可采用无污染物排放模式工作。与 纯电动、燃料电池等新能源汽车相比，混合动力汽车具有易于推广和使用的优势， 它不需要新兴的燃料供给设施，可直接利用已有设施。混合动力汽车的使用虽然 无法解决石化燃料枯竭后的能源替代问题，但作为未来电动汽车或可再生能源汽 车时代到来之前的一种过渡产品，其在节能和环境保护方面具有明显的优势3。 1.2 国内外插电式混合动力汽车研究现状 1.2.1 国外插电式混合动力汽车研究现状 最近几年，国内外各大汽车企业几乎都在研制或已经推出了自己的插电式混 合动力汽车。 混合动力汽车的研发和推广，日本、美国、德国、法国等走在了世 界的前列。2012 年，丰田将在日本首推插电式混合动力版的普锐斯，每百公里耗 油量可以低至 2.6 升，比传统混合动力版普锐斯降低 33%。二氧化碳排放量可以减 少 33%，达到 59 克/公里。在混合动力系统工作情况下，插电式普锐斯和普通普锐 斯的性能完全相同。在电驱动模式下，插电式普锐斯可以零排放的状态行驶 20 公 里。在动力性能方面，插电式普锐斯可以在 11.4 秒内实现 0100 公里/小时加速， 并可达到最高 180 公里的时速。此外，日产、本田的插电式混合动力汽车也正在 研制之中。美国政府也已多次强调要重点支持插电式混合动力汽车的发展，enova 公司与校车制造厂 ic corporation 合作开发了并联型 phev 校车已经投入运营。 volt 作为通用开启未来新能源汽车时代的第一款产品， 将于今年 11 月正式下线， 并于 2011 年在包括中国在内的多个国家销售。volt 采用的是串联混合动力技术， 发动机的动力不直接驱动车轮，只用来发电，车轮总是由电机带动。该车的动力 系统包括一台 1.4 升排量汽油发动机，一个电动机和一个电池组，其配装的 16 千 瓦时锂离子电池组，可以使这款车在纯电动模式下行驶 64 公里。如果以混合动力 方式行驶，这款车的续驶里程可达 500 公里左右。另外，福特等公司也在研究或推 出自己的插电式混合动力汽车。在欧洲，宝马的 vision efficient dynamics 是一款 采用完全混合技术的插电式混合动力车型。这款车的最高时速为 250 公里，0100 km/h 加速时间只需 4.8 秒。欧盟测试循环中的百公里平均油耗为 3.76 升，每公里 二氧化碳排放量为 99 克，驾驶者可以方便地为其充电，使用普通的 220 伏家庭电 源时，充满电最长需要 2.5 小时，如果使用 380 伏电压的电源，充电时间则可缩短 为 44 分钟。采用全电力模式时，该车的续驶里程可达到 50 公里。奔驰 s500 插电 式混合动力车，除了能够提高奔驰 s 级的舒适性、安全性以及驾驶操控性外，还 具有优异的燃油经济性。该车的动力系统包括一台 v6 汽油发动机、一个锂离子电 池以及一台能输出功率 44 千瓦的电动机。独特的插电式充电设计，能够保证 s500 混合动力车型在纯电力情况下行驶 30 公里，当电量耗尽后，混合动力模块将控制 1 绪 论 3 发动机启动。此外，大众、 标致雪铁龙、 沃尔沃等公司也都有自己的插电式混合 动力汽车计划，在未来几年也会陆续推出自己的产品。 1.2.2 国内插电式混合动力汽车研究现状 在国内，虽然纯电动车作为我国新能源汽车产业的最终发展方向，但是政府 对插电式混合动力车的扶持和规划十分重视4。由财政部、科技部、工业和信息化 部、国家发展改革委联合出台的 关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知 明确规定，对插电式混合动力乘用车每辆最高补贴 5 万元。上汽、一汽、长安、 吉利、江淮等公司都研发了自己的插电式混合动力汽车。上汽集团准备明年推出 的荣威 550 插电式混合动力轿车是上汽基于自主品牌车型荣威 550， 自主开发的新 能源车型。该车配备的储能系统，采用磷酸铁锂电池，具有工作温度范围宽、寿 命长等特点。该产品节油率超过 50%，百公里综合油耗仅为 2.7 升，并满足国 排 放标准， 计划于 2012 年批量投产。 一汽的奔腾 b50 phev 采用双电机全混合结构， 具备混合动力所具有的发动机怠速停机、纯电动、发动机单独驱动、联合驱动、 串联驱动、 制动能量回收的功能， 具备插拔式可外接充电 （plug-in） 功能。 奔腾 b50 phev 配备1.5升发动机， 配备输出功率为40千瓦的永磁同步电机， 以及容量为 30 安时的锂离子充电电池。最高车速为每小时 191 公里，0100 公里/每小时的加速 时间为 12.5 秒。以每小时 60 公里的速度匀速行驶时，纯电动模式续驶里程可达 到 45公里， 而以每小时40公里的速度匀速行驶时， 纯电动模式续驶里程可达到 60 公里。利用家用电源时，充满电需要 3 小时，利用快速充电器时，仅需要 0.3 小 时。综合模式油耗为每百公里 6 升。另外，长安志翔插电式混合动力汽车、吉利 帝豪 gpecs-ec7 插电式混合动力车、江淮和悦插电式混合动力汽车在未来几年 都将陆续投放市场。 由中国汽车工程研究院与德国 fev 公司联合承担的科技部“国 家科技合作计划重点项目增程式电动车”获得重大突破，目前已经完全具备量产 的可行性。作为电动汽车的替代方案，增程式电动汽车包括三种工作模式：纯电 动模式、增程模式以及制动能量回收模式。中汽院本次开发的增程式电动汽车能 够达到 120 公里的最高时速。在城市工况中，每次充满电后能够实现 50 公里的纯 电续驶里程，不仅实现了零排放，且只需花 5 元左右的电费。长途行驶时，45 升 的油箱及 1.0 升排量的 3 缸发动机将燃油转化为电能， 以保证长达 450 公里的续航 里程，综合油耗可降至每百公里 4.95 升。且在全球范围内，首次将增程式电动车 的整套动力系统（传统发动机+驱动电机+发电电机）呈一字排列在前舱中，这使 之具备了非常良好的适应性，可广泛应用到 a0-b 级系列的车型中。2010 年陕西 汽车集团有限公司与重庆大学、永济新时速电机电器有限公司联合开发成功插电 式并联混合动力公交大客车。 重庆大学硕士学位论文 4 1.3 插电式混合动力汽车的特点和分类 1.3.1 插电式混合动力汽车特点 与普通混合动力汽车相比，插电式混合动力汽车拥有较大的电池和电机和较 小的发动机，并且可以利用外部电网直接给电池充电5，单独依靠电池就能行驶较 长距离，但需要时仍然可以像通常的全混合动力汽车一样工作。一般来讲，插电 式混合动力汽车比普通混合动力汽车具有更好的燃油经济型和排放性能。 phev 有 以下优点6： 具有纯电动汽车的全部优点，还可以利用晚间用电低谷期间对电池充电， 改善电厂发电机组的效率，节省能源；降低对石油的依赖，减少石油的进口， 有 利于国家能源安全；减少二氧化碳和淡化物的排放，降低大气污染； 短距离出行可以使用纯电动模式，远距离出行又可以用发动机为主的混合 驱动模式，兼具纯电动汽车和传统车的优点； 由于可以利用比较廉价的外部电网充电，可以减少使用中的花费7。 1.3.2 插电式混合动力汽车结构分类 phev 驱动系统主要可分为串联式、并联式和混联式三种结构8，其结构主要 特点与传统混合动力汽车类似，不同的是 phev 所用发动机功率比 hev 的小，电 机和电池功率比 hev 的大，动力电池可使用车载或车外充电设备通过国家输电网 进行充电9。 串联式结构 该混合动力系统由电机驱动。其结构简图如图 1.1 所示。 图 1.1 串联式 phev 动力系统简图 fig1.1 configuration diagram of series phev 该系统的主要特点是发动机不能直接驱动车辆运行，而是将机械能经发电机 转换为电能，再由电机转化为机械能驱动车辆运行。由于发动机和驱动车轮之间 没有直接机械联系，因而具有一定的灵活性，发动机可以控制在最佳效率区或最 低排放区运行，适用于城市内频繁起步和低速运行工况。但由于串联式混合动力 1 绪 论 5 汽车的能量运转从发动机到电机再到车轮，经过了两次能量转换使得能量损失较 大。该串联式混合动力汽车多用于城市公交客车上。 并联式结构 与串联式混合动力系统不同，并联式混合动力系统采用发动机和电机两套相 对独立的驱动系统共同驱动车辆运行。其结构简图如图 1.2 所示。 图 1.2 并联式 phev 动力系统简图 fig1.2 configuration diagram of parallel phev 发动机和电机可以单独驱动或者联合驱动车轮。与串联式混合动力系统结构 相比较，发动机和驱动轮直接机械连接，减少了电能转化的损失，但是发动机必 须在一个较宽的转速范围内工作，对汽车的排放和油耗不利。并联式混合动力汽 车适合于在中、高速稳定行驶的工况。由于并联式结构复杂也使得其控制系统和 控制策略也相对较复杂。 混联式结构 混联型混合动力系统综合了串联式和并联式混合动力系统的特点，与串联式 混合动力系统相比较它增加了机械动力的传递，与并联式混合动力系统相比较它 增加了电力系统的传输。因此其成本更加高、结构更加复杂。其结构简图如图 1.3 所示。 图 1.3 混联式 phev 动力系统简图 fig1.3 configuration diagram of parallel series phev 重庆大学硕士学位论文 6 发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电 机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或电池，电动机产生的 驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。这种系统的结构形式和控制方式充分 发挥了串联式和并联式混合动力系统的优点，能够使发动机、发电机、电动机等 部件之间进行更多的优化匹配，从而能更好的降低油耗量和废气排放量，而且系 统的再生能量回收利用率高，使得整车总的效率高，汽车燃油经济性更好。 1.4 课题研究的意义和内容 1.4.1 课题研究的意义 插电式混合动力汽车的燃油经济性和排放既取决于动力传动系统各部件特性 和效率，也取决于整车控制策略。本课题结合国家自然科学基金和企业横向合作 项目，对插电式混合动力汽车的动力传动系统参数和控制参数优化匹配进行研究， 以期优选出合理的动力传动系统参数和控制参数。研究内容具有重要的理论意义 和实际应用价值。 1.4.2 课题研究的内容 研究插电式并联混合动力汽车动力传动系统各部件特性参数的确定方法， 确定发动机、电动机/发电机、动力电池组、变速器速比和主减速器速比等部件的 特性参数及其匹配的合理方案。 建立动力传动系统各部件数学模型，利用 advisor 电动汽车仿真软件，建立 单轴双离合器并联型 phev 整车性能仿真模型。确定插电式并联混合动力客车的 控制策略，并建立了电辅助控制策略模型。 利用正交试验设计方法，以整车行驶循环工况油耗最小为目标，对插电式 并联混合动力公交大客车动力传动系统与控制参数进行正交试验设计，确定最优 参数组合方案。 利用 phev 仿真模型，进行整车动力性和经济性仿真研究，评价动力传动 系统和控制参数匹配设计的有效性和可行性，分析行驶里程、整车质量和空气阻 力系数等整车参数对燃油经济性的影响。 2 动力传动系统部件选型和参数匹配 7 2 动力传动系统部件选型和参数匹配 2.1 动力传动系统结构型式 插电式并联混合动力汽车动力传动系统各部件参数影响整车动力性和燃油经 济性。主要根据整车动力性和纯电动里程要求确定了动力传动系统的参数设计方 案。phev 采用并联型结构，使用自动离合器相连发动机和电机，用以自动实现汽 车在不同工况间的切换。根据不同行驶状态下的汽车所需功率、动力电池组 soc 情况，选择纯发动机运行、纯电动机运行、发动机与电动机混合运行