（车辆工程专业论文）并联混合动力电动汽车（phev）动力系统匹配与控制策略研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 并联式混合动力电动汽车( p h e v ) 的研究和开发是汽车技术领域的一个重要方 向。动力系统匹配与多能源控制策略的仿真研究为实现混合动力电动汽车节约能源、 控制排放和改善综合性能提供了有效手段。 本文详细介绍了作者在并联混合电动汽车动力系统匹配和控制策略方面所作的 研究。其主要内容如下： 1 ) 研究了并联混合动力系统的单元结构模型，消化了基于m a t l a b s i m u l i n k 的 著名车辆性能仿真软件a d v i s o r ，比较了它与另一软件c r u i s e 的各自特点，为p h e v 动力系统的性能预测、各动力总成的参数优化和控制策略的评估提供了研究基础。论 文比较了各种典型的车辆行驶循环工况，结合具体试车过程中所采集的数据对现有的 行驶试验规范进行了修正，为并联混合电动城市公交大客车的工况选择提供了依据。 2 ) 完成了并联混合动力系统的性能仿真分析与规格参数的优化，对不同配置、 不同参数的并联混合系统对整车性能和成本的影响进行了分析，并就所选研究对象进 行了规格参数的优化。另外，论文讨论了附件功率需求，特别是空调功率需求对整车 性能的影响。 3 ) 对并联混合城市公交汽车的运行模态进行了分析，研究了各模态的切换条件。 在对h e v 现有控制策略分析的基础上，比较了不同控制策略对整车性能的影响以及 同一控制策略下不同的参数阈值对整车性能的影响。通过上述研究，提出了在现有行 驶工况条件下较为简单实用的控制策略。仿真结果表明：该控制策略在其全部工况范 围内，能较好地达到预期的性能目标。 关键词：电动汽车 并联混合动力系统配置多能源控制策略 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( f h e v ) i sak e yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti s s u ei n t h ef i e l do fa u t o m o t i v et e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o nf o rh e v p o w e m a i nc o n f i g u r a t i o n m a t c h i n ga n dc o n t r o ls t r a t e g yv e r i f i c a t i o no fm u l t i p l ee n e r g ys o u r c es y s t e mp r o v i d e sa n e f f e c t i v em e a s u r ef o rh e vp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ss u c ha sf u e l c o n s u m p t i o na n d p o l l u t a n te m i s s i o n i nt h i st h e s i s ，s t u d i e so np h e vp o w e r t r a i nc o n f i g u r a t i o nm a t c h i n ga n dc o n t r o l s t r a t e g ya r ed e s c r i b e d i nd e t a i l t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e da l ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ec o m p o n e n tm o d e l so fp h e vp o w e r t r a i na r es t u d i e d t h ef a m o u sv e h i c l e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o ns o f t w a r ea d v i s o r w h i c hi sb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ki s a p p l i e da s am a i nt o o lf o rp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no fp h e vs oa st op e r f o r mp a r a m e t r i c s t u d y o fp o w e r t r a i nc o n f i g u r a t i o na n de v a l u a t ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h em u l t i p l ee n e r g y s o t t e es y s t e m ，v a r i o u sk i n d so fd r i v i n gc y c l e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nt h ep a p e r c o m b i n e dt h ed r i v i n gt e s td a t a , t h ep r e s e n td r i v i n gc y c l ei sc o r r e c t e dw h i c hp r o v i d e st h e b a s i so fd r i v i n gc y c l es e l e c t i o nf o rt h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cc i t yb u sp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n 2 ) t h e p h e v p o w e r t m i n p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n a n d p a r a m e t r i cs t u d y a 舱c o m p l e t e d t h e e f f e c t so fd i f f e r e n ts y s t e mp a r a m e t e ro f p h e v p o w r t r a i no nv e h i c l ep e r f o r n a l ：1 c e a n dc o s ta r e a n a l y z e d i na d d i t i o n , t h e e f f e c to fp o w e rr e q u i r e m e n to fa c c e s s o r i e s ，e s p e c i a l l yt h ea i r c o n d i t i o n e r , o nv e h i c l ep e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e d 3 ) t h e o p e r a t i o nm o d e sa n dm o d es w i t c h i n go fp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cc i t yb u s a r e s t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s e so f p h e vc o n t r o ls t r a t e g y , t h ed i f f e r e n c e sa m o n gv a r i o u s c o n t r o ls t r a t e g ya n dd i f f e r e n tc o n t r o lv a l u e sa r ec o m p a r e db a s e do nt h e i ri n f l u e n c eo n v e h i c l ep e r f o r m a n c e w i t ha b o v e m e n t i o n e ds t u d i e s ，as i m p l e ra n d f e a s i b l ec o n t r o ls t r a t e g y s u i t a b l et ot y p i c a lc i t yb u sd r i v i n gc y c l ei sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo b j e c t i v e s i nt h ew h o l er e g i o no fd r i v i n gc y c l ec a nb er e a c h e dw i t ht h e p r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d ：e l e c t r i c v e h i c l e p a r a l l e lh y b r i dp o w e r t m i nc o n f i g u r a t i o n c o n t r o ls t r a t e g yo f m u l t i p l ee n e r g ys o u r c es y s t e m 玎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 事参弧 日期：挪争年j 月艿e t 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，即： 学校有权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。本人授权华中科技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 本论文属于不保密d ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：匆每烈 日期：五m 弘年r 月彦日 年解密后适用本授权书。 指删嗍：扁哆 e t 期：伽t ，年￥月，日 ， 华中科技大学硕士学位论文 1 】论文背景与研究意义 1 引言 1 1 1 论文背景 汽车工业蓬勃发展的l o o 年是人类文明飞跃的1 0 0 年，在其发展的这1 0 0 多年内， 虽然在节能、污染物排放和其它若干方面都取得了显著的改善和长足的进步，但是汽车 保有量的不断增长同时又将能源短缺与环境污染问题推到了日益严重的位置。以燃油为 燃料的汽车，消耗的燃料全部来源于以石油为原料的制成品。然而根据有关专家的估计， 地球上已探明的石油储量在5 0 年内即可耗尽。据环境部门统计，我国机动车排放的污 染物占大气中同类污染物的比例为：c o 占6 1 ：h c 占8 7 ：n o x 占5 5 。按照国家 坏保中心预测2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 。显然，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安全和环境保护造成巨大的压力吲。为此， 育必要以另一种方式来考虑汽车的设计。 尽管以燃油为燃料的汽车具有很高的能量密度和功率密度的优点，但传统汽车仍然 存在许多缺点l ： 1 ) 由于发动机自身具有的调速范围过窄，使得汽车需装上复杂的变速箱，这必将 带来传动损失和操纵不灵活等缺点。 2 ) 为了在有限的档位内满足加速和爬坡的功率需求，往往需要增大发动机尺寸。 3 ) 目前的汽车在部分载荷与接近满载的最优工作点处工作时比油耗有很大的不同。 发动机由于尺寸过大，其运行时的工作点偏离 最优工作点，故工作效率较低1 2 j 。 纯电动汽车具有传统的燃油汽车所不具备 的理想的传动优点。莼电动汽车运行无污染； 其传动系效率明显比传统的燃油汽车高。而且 它可回收大部分通常损失在制动中的动能。牵 引电机所固有的灵活的转速转矩特性使得电机 能在其转速转矩边界内任何区域工作，如图1 。l 所示。这使得电机通常可不需要附加变速箱。 然而，纯电动汽车也具有以下的缺点口j ： 撇c m 图1 1 电机的转矩转速特性图 1 ) 低的电池能量密度。汽油的能量密度是1 2 0 0 0 w h k g ，而目前的铅酸电池的能 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = ；= = = = = = 一一 量密度不足4 0 w h k g 。郎使是性能较好的锂电池其能量密度也不过1 2 0w h k g 。 2 ) 有限的续驶里程与汽车动力性能。电池的能量密度低，电池组的质量过大， 因此，即使电动汽车动力系统的效率很高，其续驶里程和动力性能也无法达到当前燃 油汽车的水平。 3 ) 昂贵的电池组价格与有限的循环寿命。以现有的电池的循环使用寿命计算， 电动汽车行驶4 万公里后就需要更换电池。这个运行成本是难以接受的。 4 ) 汽车附件冉勺使用受到艰制。由于电动汽车所携带的电能有限，所以在车上对 电能的使用必须注意节省，这使得一些车载电器的使用受到限制。因而电动汽车上乘 员的舒适性受到影响。 由此可见，在电池性能和价格还没有取得重大突破之前，纯电动汽车的发展还 不具备实用性。混合动力电动汽车( h e v ) 它保留了内燃机和电驱动两者的优点，淡 化了两者的缺点，成为一种理想的环保汽车过渡产品。混合动力电动车在主要工业 化国家都得了大力发展并已形成产业化。在我国，混合动力电动车被列为国家“8 6 3 ” 重大科研项目，在国家科技部的统一领导下，由东风汽车公司牵头，联合清华大学、 华中科技大学等高校以及中科院电工所等科研院所对混合动力电动汽车( 包括轿车 与城市客车) 进行研发。本文所涉及到的实物对象e q 6 1 1 0 h e v 是该项目研发的城 市客车。 1 1 2 研究目的和意义 就其定义而言，混合动力电动汽车( h e v ) 是指车辆驱动系由两个或多个能同时 运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单 个驱动系单独或共同提供【4 。在并联混合动力电动汽车动力总成配置中，通常将内 燃机( i ) 与牵引电机( t r a c t i o nm o t o r ) 通过机械传动装置耦合在一起，在不同的 工况条件下组成不同的工作模式，从而使内燃机和牵引电机各发挥所长而避其短， 以应对越来越严酷的环保和能源限制要求。内燃机、电动发电机、储能装置、传 动装置、电力电子和微电子控制器等组成了并联混合动力电动汽车的多能源动力总 成，上述各部件的参数匹配和系统控制策略对于混合动力电动汽车的性能起着至关 重要的决定性作用。值得强调的是：任意设计的h e v 是不能达到以上要求的。这就 要求设计者对h e v 的整体匹配进行研究，包括驱动系统的布置形式、各部件参数的 选择、功率在牵引电机和发动机之间的分配关系、控制策略的确定等等，使各部件达 到合理的匹配。为此，在开发阶段必须通过计算机仿真技术寻求适宜的匹配和控制策 略，以使用较低的开发成本、较短的开发周期实现预定的开发目标。这也正是本论文 所研究的目的和意义所在。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 h e v 研究概述 1 2 1 国外i - i e v 研究历史和现状 第一辆h e v 是在2 0 世纪初期由设计者将电动机和汽油发动机组合在一起而制成 的 j 。从那以后，混合驱动系统经过不断的发展己取得了相当大的进展。随着科学技 术发展，h e v 已发展成为汽车、电力驱动、化学电源、智能控制、计算机、新能源、 新材料等工程技术中最新技术集成和综合的产物。 在国外，汽车发达国家由于受到石油资源和环境污染的巨大压力，率先对电动汽 车进行了研究，目前其混合动力电动汽车已达到了商品化程度。9 0 年代以来，日本、 美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车。日本事田汽车公司率先于 1 9 9 7 年1 2 月将混合动力型v r i u s 轿车投放本国市场，2 0 0 0 年初又开始投放北美市场， 并将月产由1 0 0 0 辆调升到月产2 0 0 0 辆，三年内销售了4 5 万辆，产品出现了供不应 求局面，初战告捷，不仅震动了全球汽车厂商，而且也大大鼓舞了丰田汽车公司的全 体员工，丰田公司计划到2 0 0 5 年时，混合动力汽车达到年产3 0 万辆，据国外专家预 测在未来的十年内，可能有4 0 的汽车均将采用混合动力技术。 在日本，除了丰田公司以外，本田、日产等大公司也不甘落后，分别研制了自己 的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩。其中本田公司已投产t n s i g u t 混合动力汽车， 被美国环保总署评为2 0 0 1 年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰田汽车公司 的p r i u s 混合动力汽车。 在美国，由政府动员全美所有有关的科研机构( 包括军工、航天部门) 来进行电 动汽车的研究，目标是新的节能车必须保持现有汽车的价格和性能，并且电动汽车包 括混台动力电动车的购买者享有政府提供的各项税费减免优惠。在此情形下，美国能 源部与三大汽车公司鉴订了馄合动力汽车开发合同( p n g v 项目) ，其中通用和福特 汽车公司各投入1 4 8 亿美元，克来斯勒投入8 4 8 0 万美元。进行为期5 年的研制开发 工作，三大公司于1 9 9 8 年在北美国际汽车展上分别展出了混合动力汽车样车，迄今 已开发出多种形式的混合电动动力汽车，例如克莱斯勒的e s x 3 、福特的p 2 0 0 0 、通 用的g e n 2 等。p n g v 项目在h e v 性能仿真、汽车集成动力模块等技术领域取得了显 著成就1 6 i 。 在欧洲，各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车。其h e v 的突出代表是法国的b e r l i n g e ，在性价比上能与一般汽车相抗衡，代表了国际实用先 进水平。法国雷诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力汽车已进行了1 0 ，0 0 0 公里的运行试验。德国西门子和波许( b o s c h ) 等著名零部件公司也积极参与大汽 华中科技大学硕士学位论文 车公司联手开发混合动力汽车技术。 1 2 2 国内h e v 研究历史和现状 我国跗电动汽车的研究起步并不晚，但在规模上与投入力度上不能与发达国家相 提并论。九十年代中期在有关专家的呼吁下，开始对混合动力电动汽车技术表示出了 极大的关注，并积极着手研制开发样车，例如厦门金龙汽车公司与清华大学合作，研 制了串联式混合动力中巴。现在投入混合动力电动汽车研制工作的产、学、研单位已 不下十余家，但大都规模较小，经费短缺，技术较低，技术方案大多雷同，甚至重复。 2 0 0 0 年以来，在国家科技部部署下，成立了国家8 6 3 电动汽车重大专项小组，以东风 汽车公司，中科院所属的相关科研院所以及清华大学、华中科技大学等高校为主要成 员单位对混合动力电动汽车展开了研制，目前已完成阶段性的成果，并有部分样车投 入试运行。力争在近年内完成提高核一i i , 竞争能力，建设公共技术平台、推进商品化示 范运营等一系列产业化工作1 7 j d 1 2 3 h e v 动力系统匹配与控制策略研究方法概述 混合动力车辆的动力系统涉及多种能源的混合，而且包括不同储能装置与能源转 换装置之间的协调工作，因而混合动力车辆的参数匹配是一项关键技术，在混合动力 车辆的研发中具有重要地位。由于混合动力车辆的动力传动系统的复杂性，延续传统 汽车的研发思路在研发时间、研发经费以及产品质量方面均得不到保证，因而国内外 的企业均利用计算机仿真技术建立混合动力车辆的虚拟样机模型，在模型的基础上通 过对动力传动系统进行仿真研究而对其参数进行匹配与优化，并对控制策略从不同的 角度出发进行分析。无论是串联、并联还是混联h e v 系统，控制策略归纳起来要解 决的问题主要有两个：系统运行模式的切换和混合模式下功率的分配。 对于混合动力车辆动力系统匹配而言，其主要任务就是如何实现牵引电机、发动 机、电池组和其它相关部件的最优匹配，同时使各个部件协同运作来保证汽车有效地 工作。其目标是使h e v 满足不同驱动功率的要求，实现功率在电机、发动机的合理 高效地分配，达到设计者的预期目标。目前应用的主要方法是应用a d v i s o r 或其它仿 真分析软件对拟定的各部件参数在该车使用的工况条件下进行仿真分析并优化其参 数。 在混合动力电动汽车控制策略中，发动机通常有两种控制方式： 1 ) 基于速度的发动机控制当汽车在低速或城市工况中行驶时，只有牵引电 机驱动汽车行驶( 零排放汽车) 。但当汽车高于选定车速时，发动机自动连接上以满 足功率需求。这种设计的优点在于它避免了发动机在低速轻载时的低效工作状况的发 4 华中科技大学硕士学位论文 生。当路面的功率要求有助于发动机高效工作时，发动机的启动，这样可避免纯电动 高速行驶时的带来的快速放电损失。 2 ) 基于汽车功率要求的发动机控专4 利用加速踏板的位置用来控制发动机的 工作。通常有两种方式。在一种峰值功率控制策略中，当加速踏板踩下时，电机功率 直增加到它的最大值；然后发动机启动提供所需的增加的功率来保持加速要求。在 另一种控制策略中，当加速踏板踩下时，发动机和电机的功率同时增加。 功率分配是系统能量管理策略研究的关键。由于混合电动汽车在传动和驱动方式 上的混合方案有很多种，控制策略侧重点各有不同，优化的目标各方法也不同。近年 来，功率分配控制策略取得不少的研究成果。以k e i t h b w i p k e 为首的研究小组，对 并联系统提出了种恒定发动机工作区域的电机辅助控制策略，这种恒定发动机工作 区域的控制策略只是根据s o c 值，按照经验确定出发动机工作区和电动机工作区， 发动机扭矩不够时用电动机补偿，实际上是种助力模式，并没有对发电机、电动机 共同作用时的扭矩进行优化分配，燃油经济性的改善受到限制。c f o r g e z 和g f r i e d r i c h 等人提出了一种比例分配控伟策略。运用运动平衡方程，比较了加速和减速阶段所消 耗的能量，从而估计出能够回收得到的电能，使汽车加速时仅使用这一部分能量，并 假设汽车加速度和减速度在绝对值上是相等，计算出加速和减速作用时作用在汽车车 轮上的力矩的比值n ，并将n 作为加速时候的扭矩分配控制策略。j s e i l e r 和 d s c h r 6 d e r 提出了功率损失最小控制策略。l s e i l e r 认为车辆的功率损失取决于驱动行 驶条件和内燃机的工作点。这种方法可以使发动机工作在其具有最低燃油消耗的优化 工作线上。总的功率损失与不同的行驶工况有关，假定汽车在某一参考的行驶工况下 行驶，以总的功率损失为优化函数，可以计算出在每一个畦闻点的最佳工作点。 随着对混合动力系统控制策略研究的深入，诸如自适应控制、模糊逻辑控制等方 法也应运而生。如v a l e r i e h j o h n s o n 、k e i t hb w i p k e 等人提出的油耗和排放自适应控 制策略，实际上是种自适应性控制策略，它同时考虑了发动机的燃油消耗和排放， 在每一个时间步，都根据燃油消耗和排放最小这一规则将扭矩需求合理分配给发动机 和电机，以达到优化燃油消耗和排放的目的，t e x a s 大学的j o r t g - s e o b w o n 、 r e z a l a n g a r i 和o a k l a n d 大学的n i e l s ，s c h o u t e n 采用模糊控制策略对发动机、电机扭矩 进行分配。 从上述分析可以看出，研究控制策略的方法与模式多种多样，现有h e v 车辆如： p r u i s 、i n s i g h t 、t i n o 、p r e c e p t 等的功率分配控制策略，因其为该车的核心技术，故很 少有文献论述，美国国家再生能源实验室为获得h o n d a 的i 璐i g h t 的控制策略作了大 量的试验，也只限于理论研究未得到实际应用。总之，对控制策略的研究尚未形成一 个完整的体系。在国内，由于混合动力电动汽车的起步较晚，不少大学和单位对混合 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = ；= = = = ；= = = = = = = = = = ；= ；= = 一 ! 动力总成控制策略的研究也开展了一些，但目前未见有实际成效的报道t 2 0 l 。 1 3 论文工作内容 1 3 1 研究内容 本论文主要以并联型混合电动城市公交车e q 6 1 1 0 h e v 为平台，研究整个系统的 匹配。在各部件总成试验数据的基础上，建立了整车的仿真模型，并用以此为基础分 析e q 6 1 1 0 h e v 的工作情况以j 及动力性与燃油经济性，并进行控制策略的研究。主要 工作具体包括以下几方面的内容： 1 ) 多能源混合动力系统的动态建模：通过对动力系统各零部件特性的分析以及对 各种动力总成系统的稳态和动态特性进行分析与研究，从而建立多能源混合动力系统 的仿真模型。 2 ) 从模型角度比较不同仿真应用软件的差异：以m a t l a b 及s i m u l i n k 为所 用软件的应用环境，分别对c r u i s e 与a d v i s e 的模型特点进行对比分析。 3 ) 混合动力电动城市大客车e q 6 1 1 0 h e v 动力匹配情况及整车性能研究：通过 所建立的模型，应用a d v i s e 对动力总成的匹配情况及整车性能进行仿真研究。 4 ) 控制策略研究：对应动力系统的常用工况，确定动力系统各零部件工作状态切 换的逻辑判据并优化具体阈值，使整个动力系统在以动力性与排放性能为边界条件的 情况下，以达到最小燃油消耗为最优目标。 1 3 2 技术路线 本课题的主要任务是根据混合动力电动汽车动力总成各部件的特性及其控制模 型，应用相应的仿真软件对控制策略进行研究并在此基础上进行系统匹配与优化。其 技术路线如下： 1 ) 研究并联式混合动力车辆动力系统总成的模型构成与特点，分析所研究对 象的设计参数与所收集的主要总成的台架试验数据，确定仿真用模型与拟采用的工况 模型。 2 ) 研究e q 6 1 1 0 h e v 动力总成在不同工况下的控制策略、通过应用a d v i s e 软 件对具体模型进行仿真分析。 3 ) 通过对动力系统的匹配研究，确定多能源动力系统控制策略及优化主要总成 的规格参数。 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = ；= = = = ；= = = = = ；= = ；= = = = = = ! 一 2 h e v 动力系统匹配与控制策略研究用仿真模型 2 1 仿真模型的基本要求和功能划分 2 1 1 模型基本要求 混合动力驱动系统由众多的关键部件如发动机、牵引电机、发电机组以及电池等 组成，而且其控制策略也有多种形式。为了在h e v 的设计初期就对整车的性能有可 靠的把握，对整车进行建模和仿真研究是非常必要的。并且它对于试制阶段也是一种 基本的和必要的工具。仿真模型主要实现如下的功能：预测h e v 在不同驱动循环下 的动力性与燃油经济性以及排放特性；观察功率在发动机、电动机发电机组和电池 组之间的分配情况；评价不同控制策略或控制方法；分析汽车是否能够满足各种驱动 循环的功率要求等。 混合动力车辆动力系统建模与仿真的目的决定了各个部件的性质，如发动机，发 电机电动机组，电池组等模型，都是准静态的，即利用稳态试验条件下获得的各部 件的输入输出数据建立各部件模型，同时也考虑到了各个动力传动系统的瞬态效应。 因此，无论是对于各个部件模型建立的数学描述还是对于各部件模型的试验研究都必 须保证等精度原则，这样不仅能使个别模型的低精度不致影响仿真结果的真实性，而 且也能为不必要的高精度节省资源f 1 4 1 。 2 1 。2 模型总体构成和功能碧j 分 对于h e v 动力系统的仿真模型基本采用模块化的思想，这样方便模型的建立与 修改。各系统子模块间通过一定的总体构造关系进行联系与计算。车辆仿真模型的总 体构造方法分为后向车辆仿真模型和前向车辆仿真模型。后向车辆仿真是在假定车辆 能够满足循环工况要求的前提下，研究各个部件的工作情况，即根据驱动循环工况的 要求，计算从驱动轮向后直到发动机等各个部件所实际提供的扭矩与功率，如图2 1 所示。这种类型的仿真通常不包含驾驶员行为的模型。 图2 1 后向车辆仿真 华中科技大学硕士学位论文 前向车辆仿真包含驾驶员行为模型，通过调整节气门和刹车踏板命令来控制发动 枫输出，使碍车辆跟随循环工况。这静类型的仿真通常用来计算车辆的最大性能。如 图2 2 所示。 图2 、2 前向车辆仿真 无论哪种建模方法，都必须有诱点重要的假设，即： 1 ) 力传动系统中的部件不能够需求超过其输入端部件本身所具有的输出能力； 2 ) 动力传动系统中的部件在后向和前向计算中具有相同的效率。 整个车辆系统的仿真模型根据其功能特点可以划分为如下予模型：整车模型、能 量转换装置模型、排气系统模型、电动机发电机模型、储能装置模型、传动系模型、 附件模型、工况模型、多能源系统的控制模型。下面在各子系统的描述中主要以 a d v i s o r 的模型描述为主进行说明。 2 2 各子系统描述 2 2 。l 车辅模型 混合动力的车辆模型需要定义不同车辆的主要几何参数与物理参数，控制主要动 力总成之间的数据流向，并分析车辆的主要性能和提供所用特征方程式的数值解。如 图2 3 所示并给出了在s i m u l i n k 环境下的并联混合动力车辆模型图锄。 在车辆动力学模型建立在车轮力平衡基础上，同时必须在仿真计算的各个时间段 内给出功率的平衡式，它由汽车动力学方程与功率平衡方程构成，其中动力学方程即 力、质量和加速度方程如式2 1 至2 6 所示： 。r 唔f 0 碲rf 2 1 1 e t 2 乇+ f 2 2 1 f = f 一乃一只一f f 2 3 1 d v 硪= f m( 2 ，4 、 8 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 并联混合动力汽车车辆模型图 式中：f 。为牵引力；t e 为发动机扭矩；t m 为电机扭矩；t i t 为传动系统总率效；r 为轮胎的滚动半径；f r 为滚动阻力；f 。为迎风阻力；f i 为坡道阻力；m 为汽车的总质 量；v 为车速；t 为时间。 车辆在行进过程中，驱动力与行驶阻力的平衡式如下； f t = f f 七f j + f 。七f i 或半= m a c s i n a + m g s i n 口+ 筹+ 警 ( 2 5 ) 式中瑾为坡度角；a 为迎风面积；c d 为风阻系数：6 为惯性质量换算系数；f 为 滚阻系数。 对于并联混合车辆而言，电机与发动机的功率之和与车辆行驶阻力功率的平衡式 为： ( + 巳) = ( 6 m v d v 出+ 0 5 c d a v 3 2 1 1 5 + 螈( ，+ 0 v ) 珊 ( 2 6 ) 式中：p e 为发动机功率：p m 为电机功率。 2 2 。2 能量转换装量模型【5 2 1 能量转换装置模型建模的目的是通过部件建模来正确反映总体的性能特性，而不 是通过建模对部件本身的结构进行分析研究。对发动机而言，模型所关心的是发动机 性能特性，即发动机速度与负荷特性和万有特性。传统的发动机性能建模集中体现在 9 华中科技大学硕士学位论文 发动机的燃烧模型研究上，由于燃烧过程及其复杂，里显著的非线性，因而这样的发 动机模型相当复杂。为了使能量转换装置模型更为实用，遭常采用的建模方法是以能 量转换装鼍的动态热力学过程与化学能量转换过程的分析为出发点，应用建立在实验 数据基础之上的经验公式来对其进行描述，该方法称之为经验公式建模法。该方法使 用了大量的实验数据( 比如发动机稳态外特性图与万有特性图) ，通过数据图表的查 找与各种损失值的修正来建立能量转换装置的准动态模型 3 ”。 经验公式建模法是在简化了的发动机模型的基础上，从节气门的角度信号开始， 出发动机主要的特性变量来确定其负荷量并由其热模型来进行动态修正。为了建立其 模型，可按下述方法来进行： 首先确定能够通过节气门的气体质量流量。假设在节气门下游的压力恢复可以忽 略，通过孔的等熵流形式的修正值是一个不变的系数。由于采用了自适应性模型，如 果通过节气门的气流是亚音速或超音速的，其假设值将具有两个不同的参数，如式2 7 所述。 y + lj 1 磊矿警y 吖l y 2 + 1 厕耽一2 面j 讧簋支羔审 只l r + i j i r 鲁陈r 【2 ，) 式中：p 。是进气歧管压力：p a 是环境压力：t 。是环境温度； y 是比热率；癞m 是节气门处的气体质量流量； c d 是节气门流量系数； 是气体常数；a 山是节气门面积。, t a r 当通过节气门的气体质量流量确定下来以后，进气歧管的压力就可以用流动过程 中的质量守恒定律计算出来，如式2 8 所示： 警+ 絮最= 等b + 施) ， 式中：v 。是指进气歧管的容积；v d 是指发动机的换气容积：是指发动机转速； 1 0 益只互纠 焉一只警 m 华中科技大学硕士学位论文 q ，是指发动机充气效率；。是指进入进气歧管的废气再循环质量流量。 为了描述发动机的燃油流动，这儿采用了“湿壁模型”，该模型描述了部分燃油 在进气管壁的凝结与蒸发，并假设燃油在进气口处混合时将有部分在壁上被压缩成液 态油的形式。这一过程可由等式2 9 来表示。当动态下的燃油量确定后，就可以进行 空燃比的计算了。 d m ，1 寺一 m f + x m 乒m1 f 3 l 嘞删2 亨卜四 亿， 这里，m 。1 1 是进入燃烧室的总燃油量，m f 是进气管中的燃油油膜质量，m 6 是燃 溜的喷射质量，q 是壁面油膜中燃油的气化常数。x 是燃油压缩后的凝结比率a 发动机扭矩t 。是由燃烧过程产生的，它只能根据经验由下列因素非线性描述， 这些因素包括进入气缸的空气质量流量m 空燃比a f r ，点火提前量6 。，发动机的 转速【】) 以及e g r 质量流量等，如式2 1 0 所示： 2f ( m a e , a f r ，以m 一 ( 2 1 0 、 根据上述公式，可以得到发动枧扭矩的理论值与节气门开度以及发动机转速的变 化特性图，如图2 5 所示。为了精确描述发动机的燃油经济性，还必须进一步应用热 模型对静态特性进行动态修正。 发动机可提供的转矩如式2 1 1 所示： t i c , “= 疋一乙一致 ( 2 1 1 ) 式中：t f c ，a v a i l 为发动机产生的可用扭矩：t 。为附件转矩：t 缸j 为发动机转动惯 量引起的惯量转矩。 附件转矩t 。- p 。f c ( 2 1 2 ) 式中：p 。为附件功率；。f c 为发动机转速。 发动机转动惯量引起的惯性转矩 t f c j = j f c 8 f c ( 2 1 3 ) 1 1 华中科技大学硕士学位论文 = 2 = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = 一一 图2 5 简单发动机模型特性曲面图 式中：j f c 为发动机转动惯量；en 为发动机角加速度。 发动机可输出的转速如式2 1 4 所示： 泸 删”，舷_ 喜喜羹蒹筹 佗1 4 ) 式中：。f c ，嘲为需要发动机输出的转速；6 3f c 。为发动机的最高转速：。f c 。为 离合器分离时发动机转速。 离合器分离时的发动机转速 危，d l s = m a x ( 缸i d l e ，f c ，c c )( 2 1 5 ) 式中：uf c i d l 。为发动机怠速时转速；。f c 。为节气门关闭时发动机转速。 节气门关闭时的发动机转速u f c 。可由下式计算： 咏，。= 咏，m + 堑墨；里a t ( 2 j 6 ) j 斥 式中：u f c 。为前一个时间步内发动机转速；t 为仿真时间步长。 由于存储在数据表内的“发动机特性数据表”与“油耗数据表”都是在稳态下在 发动机试验台架上测得的，它与实际车辆使用的状态有很大的区别。为此，必须考虑 发动机的热状态，并建立温度关联因子。 发动机的热模型将发动机总成的温度戈l j 分为四处。它们分烈是气缸，发动机体， 发动机外部的附件，车用发动机罩内( 其内的温度由用户设定工作点) ，热量由燃烧 华中科技大学硕士学位论文 ；= ；= = = 2 2 ；= = 一! 产生，传向发动机机体，并且通过冷却液的循环流动，以传导，自然对流和辐射的方 式散发，如图2 6 所示： 图2 6 发动机热模型框图 2 2 3 排气系统模型 排气系统模型用于模拟车辆燃油转换后排气处理系统。就内燃发动机而言，它由 排气歧管，下行管，催化转换交换器，以及消声器所组成。它也是各种混合动力车辆 的结构中( 包括串联，并联以及混联) 的重要组成部分。排气系统的基本输出是尾气 管中的排放物，其主要成份为h c 、c o 、n o x 以及p m 。排气系统模型的建模主要采 用的方法为实验数据建模法。 对于每一个具体的发动机而言，其排放成份的数据表已经存储在相应的表格中， 但它也只是一个与燃油利用有关台架试验数据。而排气系统尾管的排放处于燃油转换 排放物与总的催化转换之后。因此，在模型中必须将催化转换效率( 其为湿度的函 数) 作为个向量来考虑。另外，该系统中还有一个催化效率的温度调整模型，在高 速的废气流经过每一个排放总成时，将有可能突破其温度上限。由于温度是时间的函 数，因此必须在每一个子系统中考虑各种排气系统总成中的温度以及废气所带走的温 度。催化温度是使用集中容积法计算出来的，容积与温度的能力的赋值不仅针对主要 催化转换器总成，而且还针对排气歧管与下行管。排气系统的热模型是用于估算温度 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = ；= = = = 在传输过程中的变化关系的。同时，也必须考虑在转换器内部催化剂的温度与每个排 放成份( h c 、c o 、n o x 与p m ) 的催化作用的关系。 2 2 4 电动机，发电机模型 电动机发电机模型应计算出在准动态条件下电机电流、电压等的变化。另外， 还要进一步计算出电机以电动、发电模式工作时的损耗，评估电机损耗对电池组电流、 电压和初始s o c 状态值的影响：电机损耗对发动机优化工作区域的影响，以及对机 械传动系统合理调整的影响。电机模型由机械系统与电路系统两部分组成。对于机械 系统，有下列方程： 吖。( f ) 一m = ( r ，) = j 譬 ( 2 1 7 ) 式中：m 。指直流电机驱动扭矩；m ：指阻力扭矩：。指电机输出轴角速度；j 指 等效于电机输出轴上的转动惯量。 另外，对于电路系统( 见图2 7 ) ，有电压平衡关系式： 啪) ：也删心掣+ 幺p ) 但1 8 ) 式中：l 。指电机电枢电感；r m 指电机电阻：i 。电机电流；e m 指电机电动势；u m 为电机电压。 由于磁通中为常数，他激电流为额电值，那么，电机转矩m n 和电动势e m 的计 算式为： m n ( t ) = c 庐i m ( f ) e r a ( t ) = c 咖珊( f ) 式中：c 为由电机结构参数决定的计算常数。 l l ， 图2 7 直流电机示意图 f 2 ，1 9 ) 1 4 ，1弋)一 f 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = = ；= = = = ；= 一= 这样，可得到的直流电机的数学模型为： 巩，o ) ：l ( ，) 月。+ 三。堕掣+ f 细( ，) d t m ：c 脚，f t ) 一o r o l e o ( t ) d t f 2 2 0 1 在a d v i s o r 中，电机模型是逆向仿真和正向仿真的综台。如图2 。8 所示。逆向 仿真计算流程将需要电机提供的转矩和转速转变为需要对电机提供的输入电功率。图 2 8 中虚线框中的部分为逆向仿真计算部分。需要电机提供的转速经过电机转速限制、 电机转速校正估计子模块，需要电机提供的转矩经过电机转动惯量的影响予模块和电机转 矩限制子模块的处理后，通过查二维数据表求出电机控制器的输入电功率，然后经电机 控制器的电流限制及控制逻辑子模块处理后，得到需要对电机提供的输入电功率。 r 一一一一一一一一一一一一 醴2 8 电皋u 发电机模型总结构图 正向仿真计算流程将电机可获得的输入电功率转变为可获得的电机输出转矩和 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = 一： 转速。图中虚线框以外的部分为正向仿真计算部分。可获得的对电机的输入功率经过 在逆向仿真部分计算出的单位输入功率产生的驱动转矩子模块和电机转动惯量的影 响子模块的处理后，得到可获得的电机输出转矩。 电机模型考虑的影响因数：能量损失的影响，转子转动惯量引起的惯性力矩的影 响，电机最大转矩、转速等性能限制的影响。电机模型要考虑的主要问题：电机与系 统间有反馈机制。在电机与扭矩耦合器、动力总线问建立起反馈机制，调节电机的输 入功率与输出转矩和转速。 除考虑到电机最大转矩、最大转速、转动惯量以及最大电流等基本影响性能的因 素外，还考虑到电机温度对气隙磁通的影响以及电机内的损耗并非全部转化为热能等 因素。例如，永磁直流电机性能对温度变化的响应，在可得到的输出转矩和转速的计 算中考虑了温度的影响，在电机仿真模型的热交换模块中加入了温度敏感性模块。温 度敏感性对转矩与对转速的影响模块略有区别，原因在于随着温度的升高，同一电枢 电流下