（光学工程专业论文）并联混合动力电动汽车参数匹配与控制策略研究.pdf

摘要 删 1fr t9 42 t8 摘要 随着人类文明的不断发展 世界能源消耗量不断增加 随之而来的是环境 污染和空气中的c 0 2 不断增加 影响着人类的生存环境 同时 全球汽车保有 量也迅速上升 汽车保有量的增加将会导致石油资源过度消耗 加剧环境污染 混合动力汽车具有节能环保的特性 将成为未来汽车的发展方向之一 本文以某汽车研究院混合动力轿车开发项目为基础 根据混合动力汽车的 特点 研究了整车技术方案 动力系统参数匹配 整车控制策略优化等相关问 题 从使用环境 性能要求 技术条件 成本和使用维修费用 开发性等方面 来说 并联混合动力轿车是目前较适合的整车开发方案 根据基于混合度设计 的动力总成选型方案 综合运用最优化设计理论和一系列仿真计算 完成h f v 动力总成选型与参数匹配 在混合动力轿车各部件的配置确定之后 在详细分析并联混合动力电动汽 车系统结构和工作模式的基础上 提出并联混合动力电动汽车整车控制策略 确定能量的流向及其在内燃机 电动机和电池组之间的分配关系 搭建整车仿真模型 通过对多个工况进行性能仿真 对动力总成及控制策 略参数不断进行优化 最终确定同时具有较好动力性 燃油经济性并满足排放 标准的整车匹配方案 进一步仿真试验表明 针对各部件的工作特性及汽车的 运行工况 控制策略实现了能量在发动机 电机 电池之间合理而有效地分配 也能够良好控制电机 发动机的工作模式切换 实现制动能量回收 保证s o c 电量平衡 很好地满足了整车设计要求 制动能量回收是混合动力汽车相对于传统内燃机车的巨大节能优势来源之 一 本文最后研究了如何协调控制摩擦制动和再生制动之间的分配比例 在保 证制动稳定性前提下 尽可能多地回收制动能量 提高整车的能量利用率 并 对a d v i s o r 中再生制动控制策略模块进行二次开发 关键词 混合动力电动汽车 参数优化 再生制动 控制策略 建模仿真 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fh u m a nc i v i l i z a t i o n t h ew o r l d sg r o w i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n f o l l o w e db ye n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n di n c r e a s e dc o i nt h e a i r a f f e c t i n gh u m a nl i v i n ge n v i r o n m e n t m e a n w h i l e t h eg l o b a le r ro w n e r s h i pi sa l s o r i s i n gr a p i d l y i n c r e a s ei nc a ro w n e r s h i pw i l ll e a dt oe x c e s s i v ec o n s u m p t i o no fo i l r e s o u r c e s i n c r e a s i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e sh a st h e p r o p e r t yo fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n w i l lb e c o m eo n eo f t h ef u t u r ed i r e c t i o no f t h ec a r t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ed e v e l o p m e n tp r o j e c t o faa u t o m o b i l er e s e a r c hi n s t i t u t e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e a n a l y s i st od e t e r m i n et h ep a r a m e t e rm a t c h i n go fv e h i c l et e c h n o l o g y p r o g r a m p o w e rs y s t e m v e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g y a n do p t i m i z a t i o n f r o mt h eu s eo ft h ee n v i r o n m e n t p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s c o s t s m a i n t e n a n c ec o s ta n dt h eu s e d e v e l o p m e n t a la n do t h e ra s p e c t s t h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cc a ri st h em o r ea p p r o p r i a t ev e h i c l ed e v e l o p m e n tp r o g r a m w r i mar e a s o n a b l ya c c u r a t es i m u l a t i o nm o d e lc o n d u c i v et ot h ed e v e l o p m e n to f v e h i c l ed y n a m i cs y s t e m s p o w e r t r o i ns e l e c t i o ns c h e m eb a s e do nab l e n do fd e s i g n c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no fo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dt h r o u g ha s e r i e so fs i m u l a t i o n m o d e ls e l e c t i o na n dp a r a m e t e rm a t c h i n gc o m p l e t eh e vp o w e r t r a i n a f t e rt h ec o n f i g u r a t i o no ft h eh y b r i dc a rp a r t si sd e t e r m i n e d i nad e t a i l e d a n a l y s i so fp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l es y s t e ms t r u c t u r ea n dw o r kp a t t e r n s o nt h e b a s i so fp r o p o s e dv e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g yf o rp 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 d e t e r m i n e st h ef l o wo fe n e r g ya n di t sd i s t r i b u t i o nb e t w e e ni n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s e l e c t r i cm o t o r sa n db a t t e r i e s b u i l dw h o l ec a rs i m u l a t i o nm o d e l b yp e r f o r m a n c eo nan u m b e ro fc o n d i t i o n s a n dt h es i m u l a t i o no ft h ep o w e r t r a i nc o n t r o ls t r a t e g yt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r s c o n t i n u o u s l y a n df i n a l l yd e t e r m i n et h ep a r a m e t e r st om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e p o w e r t r a i na n de n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yt om e e tt h ee m i s s i o ns t a n d a r d sf i n a l i z e d a b s t r a c t b o t h9 0 0 dp o w e ra n df u e le c o n o m yo ft h ev e h i c l em a t c h i n gp r o g r a m a n df u r t h e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec h a r a c t e r i s t i c sf o re a c hc o m p o n e n ta n dv e h i c l eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s c o n t r o ls t r a t e g yt oa c h i e v et h ee n e r g yi nt h ee n g i n e m o t o r b a k e r y b e t w e e nt h er a t i o n a la n de f f i c i e n ta l l o c a t i o n c a nt h em o t o r t h ee n g i n es t a r t sa n d s t o p s t h eb r a k i n ge n e r g yf e e d b a c k a n dt oe n s u r et h a ts o ch a sr e m a i n e dt h eb e s ti n t h er e g i o n v e h i c l ed r i v i n gr a n g et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fag o o dv e h i c l et om e e t t h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s b r a k i n ge n e r g yr e c o v e r yi sah y b r i dv e h i c l ec o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lf u e l v e h i c l e si so n e g r e a ts o u r c eo fe n e r g y s a v i n ga d v a n t a g e s f 砌l y h o wt oc o o r d i n a t e t h ec o n t r o lo ft h ef r i c t i o nb r a k i n ga n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gd i s t r i b u t i o nr a t i oo f a l l o c a t i o no nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h eb r a k i n gs t a b i l i t y r e c o v e r yo fb r a k i n ge n e r g y a sm u c ha sp o s s i b l et oi m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h ev e h i c l e a n da l s ot a k et h e r e g e n e r a t i v ea d v i s o rc o n t r o ls t r a t e g ym o d u l ef o rs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t k e yw o r d s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n r e g e n e r a t i v eb r a k i n g e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y i i i 第1 章引言 1 1 引言 第1 章引言 汽车作为人类交通运输工具已有1 0 0 多年的历史 它的出现和发展给人类 社会带来了无可估量的经济效益和社会效益 汽车是人类文明的象征与产物 与人类社会文明进程息息相关 因此 汽车的发展脱离不了可持续发展的轨道 环保 安全与节能是未来汽车技术可持续发展的三大主题 随着石油资源的短 缺以及世界各国对环境保护的更加重视 替代燃油发动机汽车的方案也越来越 多 目前各国政府及产业界纷纷提出各自发展战略 以保持汽车产业的可持续 发展 提高未来的国际竞争力 新能源汽车已成为2 1 世纪汽车工业发展的热点 2 当前研发的节能环保型汽车 主要有纯电动汽车 混合动力电动汽车以及 燃料电池汽车等三大类 就研究现状而言 纯电动汽车由于受到电池性能的约 束 续行里程较短 目前难以大规模推广应用 燃料电池汽车基础设施投入大 车辆成本极高 不易在短期内实现产业化 而混合动力汽车具有低能耗 低污 染 高续行能力的特点以及在技术 经济 环境等方面的综合优势 因而最具 实用性价值 并已初步实现规模化和产业化 1 1 1 未来世界能源消费方向 世界能源主要包括石油 煤炭 天然气及核能等 据预测 目前全球已探 明石油储量为1 2 0 0 0 7 亿桶 可开采4 0 6 年 石油在交通领域的消费逐年增长 国际能源机构统计表明 2 0 0 1 年全球5 7 的石油消费在交通领域 预计到2 0 2 0 年 交通用油占全球石油总消耗的6 2 以上 全球石油需求与常规石油供给将 出现净缺口 我国的石油占世界石油资源的2 石油消耗量却位居世界第二位 原油消费年均增长6 以上 据预测 随着我国汽车保有量的迅速增加 到2 0 3 0 年 中国石油消耗量的8 0 将依靠进口 汽车业是我国经济发展的重要支柱 交通运输业的影响力系数排位第三 但汽车业发展给环境保护带来了很大的压力 一些城市机动车排放的污染物对 多项大气污染指标的分担率已达到6 0 以上 机动车排放已对城市大气污染构 第1 章引言 成严重威胁 在能源和环保的双重压力下 新能源汽车无疑将成为未来汽车的 发展方向 1 1 2 未来汽车的发展趋势 为实现汽车的可持续发展 未来的汽车应该在动力性 经济性及节能 环 保等方面关键技术有更大的突破 3 一 表1 1 列举了新能源汽车各种方案特点对 比 表1 1 新能源汽车方案 来 补充能源功续驶排放重制造使用维护配套 类别 源燃料 效率 蛊 里程性能量成本成本成本 设备 内燃受 方便低大 4 0 0差轻 一般一般一般完善 机车限 纯电动 不方 最高小 5 0 0 一般 较 较高一般最高完善 动力限重 氢燃料 困 不方 电池难 便 高 小 6 0 0 一般轻低低低可扩展 上表中 能源来源 效率 排放性能三项指标确定了方案的新能源特征 三项成本指标确定了方案的市场成本及推广价值 补充燃料 功率 重量 续 驶里程 配套设备四项指标决定了方案竞争力 从表中可以看出 纯电动 氢燃料电池具有较优的新能源特征 但由于生 产和使用的成本较高 关键技术还不够成熟 且行驶里程短 市场竞争力弱 混合动力则技术相对成熟 市场化进程快 与燃料电池汽车相比 技术实现的 障碍小 成本较低 因而是当前现实可行的技术 符合汽车发展的趋势 混合动力兼具内燃机车与纯电动汽车二者的优势 首先是能量效率高 在 低负荷时可以由电机驱动或通过选用小型发动机使其依旧保持在高效工况下运 行 多余的能量给蓄电池充电 其次是排放性能好 由于电动机可以很好地改 善起动变工况和低速低负荷等工况的排放性能 再则技术相对实用 容易实现 2 第1 章引言 产业化 较之内燃机汽车 混合动力电动汽车可使发动机运行在最佳工况区域 改 善了变工况下的不良运行 从而降低了排放和油耗 在低负荷时可以进行纯电 动方式驱动 实现零排放 另外还可以通过电机回收减速和制动时的能量 进 一步提高燃油经济性 较之纯电动汽车 其动力结构更简单 整备质量小 而动力性和续行能力 接近内燃机车 同时混合动力系统还具有更高可靠性 即使发动机或电动机系 统产生故障 车辆仍可以依靠另一动力系统继续驱动 2 0 0 5 年1 2 月1 5 日 备受关注的首辆国产混合动力轿车一一汽丰田普锐斯 在长春正式下线 它通过世界领先的混合动力技术 创造了发动机与电动机的 最佳组合 除用汽油提供动力以外 电力马达也可以提供车辆行驶所需要的动 力 除了燃油经济性 也具有超强的环保性能 量产的普锐斯不仅使混合动力 得到广大消费者的关注 更使得混合动力成为消费者购买新能源车的首选 在 我们对于 您可能会考虑购买哪种新能源汽车 的调查结果中显示 4 1 8 的消费 者表示会购买混合动力车 据 汽车制造与生产 期刊报道 2 0 0 5 年 世界汽 车市场上 混合动力车辆达7 5 万辆 2 0 1 0 年达1 0 0 万辆 2 0 1 5 年在世界汽车 市场将占1 5 2 0 2 0 年将达2 5 可见 混合动力车辆在相当一段时间内前 景广阔 渐渐成为汽车行业的主导产品 并逐渐走向实用化 1 2 混合动力电动汽车结构及工作原理 1 l 根据国际机电委员会下属的电力机动车委员会的建议 从广义上讲 混合 动力电动汽车 h e v h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 指的是装备有两种或两种以上的储 能器 能源或转换器作为驱动能源 其中至少有一种能提供电能的车辆 从狭 义上讲 混合动力电动汽车是指同时装备两种动力源一热动力源 由传统的汽油 机或柴油机产生 与电动力源 电池与电动机 的汽车 目前应用最多的是油 电混合系统 通过在混合动力电动汽车上使用电机 使得动力系统可以按照整 车的实际运行工况要求灵活调控 而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作 从而降低油耗与排放 混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统 驱动系统 辅助动力系统 和电池组等部分构成 动力系统主要有三种结构型式 串联式混合动力电动汽 3 第1 章引言 车 s h e v s e r i e sh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e 并联式混合动力电动汽车 p h e v 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 和混联式混合动力电动汽车 s p h e v s e r i e s 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 1 串联式混合动力电动汽车s h e v 串联式混合动力电动汽车系统结构如图2 1 所示 由发动机 发电机和电动 机三大主要部件总成组成 发动机与发电机连接产生电能 发出的一部分电能 经电机控制器直接输送到电动机 再由直接与驱动桥连接的电动机产生电磁力 矩驱动车轮 另一部分电能用于向电池充电 以延长续驶里程 另外 蓄电池 也可单独向电动机提供电能驱动车辆 串联式结构的动力流向为 车辆行驶时的驱动力由电机提供 当蓄电池电 量低于某一预设值时 发动机将对蓄电池充电 由于发动机未直接与驱动系统 机械连接 因而可大大减少发动机所受到的瞬态响应 从而进行最优的点火和 喷油控制 使其工作于最佳工况点附近 将排放控制在最低范围 串联系统布置容易 连接方便 也易于控制 但是 为了尽可能利用小发 动机高效率的特性 整个动力系统功率储备大 三大部件外形和质量较大 因 而价格也更加昂贵 而且能量几经转换损失较大 因此能量效率较低 这种结 构型式一般应用在城市公交或大型客车上 区蓟 团 一o 一 圃 一 动力合成与分配 机械连接 一电气连接 图2 1 串联式结构 2 并联式混合动力电动汽车p h e v 并联式混合动力系统示意图如图2 2 所示 并联式混合动力系统有两套驱动 系统 传统的内燃机系统和电机驱动系统 两个系统既可以同时协调工作 也 可以各自单独工作驱动汽车 可采用小功率的发动机与电动机 发电机 使得整 4 第1 章引言 个动力系统质量和尺寸均较小 行程也较串联式长 其特点更接近传统的内燃 机车 得到比较广泛的应用 并联式结构的动力流程为 发动机与电动机通过动力耦合装置与驱动桥相 连 小负荷时可以关闭发动机而只由电动机驱动 当回收制动能量时 电动机 能够转换为发电机为蓄电池充电 回收能量 这种系统适用于多种不同的行驶 工况 在高速公路上行驶时具有很好的燃油经济性 并联式驱动系统的主要原件为动力耦合装置 根据驱动系统动力合成方式 的不同 可分为转矩合成式 转速合成式及驱动力合成式三种 动力合成与分配 机械连接一一电气连接 图2 2 并联式结构 3 混联式混合动力电动汽车s p i 珏v 混联式驱动系统是串联式和并联式的综合 其结构示意图如图2 3 所示 发 动机发出的动力一部分通过机械传动输送给驱动桥 另一部分则用于驱动发电 机发电 发电机发出的电输送到电动机参与驱动或给蓄电池充电 混联式系统 的工作规律一般是 车辆低速行驶时 驱动系统以串联方式工作为主 车辆高 速稳定行驶时 驱动系统主要以并联方式工作 与并联式相比 混联式的动力 复合装置更复杂 目前一般采用行星齿轮作为动力分配装置 混联式驱动系统综合了串联式和并联式的优点 可以使发动机 电动机和 发电机等部件进行多种组合 从而在结构上保证了在各种复杂工况下系统均能 运行于最优工作状态 5 第1 章引言 b 分路式结构 使用环境 这是一款用来在城市工况和郊区工况行驶的中档位轿车 被用来作为上下 班和出游的代步工具 性能要求 对动力性能要求不高 但要求具有较好的经济性能 技术条件 目前该汽车研究院具备混合动力汽车的开发能力 掌握了整车集成技术 目前可利用的电机和电池技术处于逐步完善的阶段 开发性 所开发的并联混合动力轿车为以后新车型的开发积累经验和技术 成本和使用维护费用 为尽快实现产品商业化 尽可采用生产成本和使用成本均较低的动力系统 根据上面的分析 同时结合串联式 并联式和混联式的各个类型特点 决 定采用并联式混合动力汽车结构 以尽早实现产品的商业化 2 2 2p h e v 工作模式分析 在确定p h e v 的工作模式时 要合理控制发动机的工作状态 来保护低s o c 时的电池 以提高电池寿命 并联式混合动力系统工作模式特点包括 驱动时 通过电机的调节 加速 大负荷等工况时由电机助力 低速 轻载运行时电机发电 使发动机工作在高效区 怠速时 关闭发动机 当需起动时 可由电机快速起动 从而节省怠 速时消耗的燃油 制动时 可由电机发电 把整车制动消耗能量通过传动系 电机 电 池等部件回收并存贮再生制动能量 1 3 第2 章混合动力电动汽车整车技术方案 2 3 混合动力汽车仿真建模技术 在目前混合动力电动汽车研发过程中 主要有台架实验 实车实验以及计 算机仿真等开发手段 搭建动力系统台架和实车试验可以提供极其真实可靠的 运行环境 但由于其成本高 适应性差 调节难度也较大 近年来发展起来一 门新兴的技术 计算机仿真技术 以计算机技术 控制论等理论基础 借助仿真 模型对实际系统进行仿真研究 可作为汽车研发和设计的辅助工具 电动汽车的仿真通过预先建立各部件 包括发动机 电动机 电池 变速器 以及整车等 的数学模型和仿真模型 9 并按一定的布置结构将其进行组合集成 由系统运用优化算法将候选的部件一一进行模拟仿真从而找到最佳匹配方案 为样车的试制和测试提供了工程参考 a d v i s o r a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r 是由美国可再生能源实验室n r e l 为帮助美国能源部管理开展p n g v 计划而开发的一款基于m a t l a b s i m u l i n k 平台的电动汽车仿真软件 其主要功能是对汽车各部件在系统水平上的相互关 系及对整车性能的影响进行研究分析 通过大量实践被证实具有较强的可行性 a d v i s o r 是基于m a t i a b s i m u l i n k 平台进行开发的 整个系统包括 输入脚本 仿真模型 控制脚本及输出脚本等几大部分 其中仿真模型是对各部 件以及整车结构的描述 是仿真计算的核心部分 控制脚本用于控制仿真程序 的运行 包括g u i 界面 供用户选择不同的功能 其仿真步骤为 首先控制输 入脚本 输入第一时间步的循环工况所需求的行驶轨迹 根据车辆及各部件数 据文件所提供的数据 借助相关仿真模型 计算出汽车在第一时间步的耗油率 和实际速度等数据 然后运行第二时间步的仿真 如此循环 直至完成整个循 环工况的仿真 最后由输出脚本输出仿真结果图形和报表 a d v i s o r 的仿真 结构流程如图2 4 所示 图2 4a d v i s o r 仿真结构流程图 1 4 第2 章混合动力电动汽车整车技术方案 2 4 整车仿真模型 本文通过对并联混合动力电动汽车系统各个部件进行数学建模与仿真建模 并进行连接 创建了电动汽车的整体仿真模型 如图2 5 所示 按照各部分功能 进行划分 整车仿真模型包括循环工况模型 驾驶员模型 动力系统模型 传 动系统模型 车辆动力学模型 控制策略模型等 图2 5 混合动力电动汽车仿真结构图 2 4 1 车辆动力学模型 本文根据车辆动力学理论 1 4 1 根据车辆行驶过程中受到的外力 推导出汽车 行驶方程式 在车轮动力学平衡的基础上进行迭代 根据循环工况 计算出所需 要的驱动力 和驱动车轮要求的功率流 根据传递的驱动力 综合当前各种阻力 信息计算汽车实际速度 同时反馈到驾驶员模型 整车控制器模型及各子模型中 按照后向仿真策略要求和建模方法规定 整车模型的输出应为车辆驱动力 需求f t 和车速v v 由预先设定的行驶循环来确定 r 计算公式为 厂 m g s i n o r m g f c o s 口 丽c a v 2 嘲4 去 f c m g q u 吖7 t v 对于前向仿真策略 整车模型要求按照动力生成装置实际的输出转矩和车 辆状态来估算实际行驶速度 根据离散化的方法 当r t k 时 有 1 u 业 v k 一 p k i 2 2 m 1 5 第2 章混合动力电动汽车整车技术方案 代入上式 有 蒜咖盖h s i i l 口 mr c a 3 m gm g s 肌盏 i r i 母o 2 3 j 西屹 面h s m 口 s 口一6 肌而一鼻2 0 蜘盎盗塾堡芸竺竺堂 整车模型约束条件为 jc 2 孵缈 2 5 式中 f t 为车辆行驶道路附着力 伪附着系数 2 4 2 循环工况模型 本文利用几种典型的循环工况 提供目标车速等数据代表驾驶需求 以下 为国内外常用的几种工况循环图 麓 l l l 图2 6 美国城市循环工况u d d s 图2 7 高速工况h w f e t 图2 8 欧洲城市循环工况e c e图2 9 欧洲城市循环工况e u d s 1 6 第2 章混合动力电动汽车整车技术方案 由于电动汽车能量消耗与运行工况密切相关 工况分析是获得电动汽车能 量需求的常用方法 3 是评价车辆能耗的基础 通过工况分析可以研究电力驱动 系统的动态特性 而且有助于分析车辆行驶过程中对驱动电机的功率需求 进 而得到该工况下电动机工作特点 2 4 3 驾驶员模型 比较车辆的需求车速与实际车速 把驾驶需求转化为油门 制动踏板信号 本节采用比例积分控制器对驾驶员操纵特性进行模拟 输入为设定车速与实际 车速的误差e 输出为驾驶员操作指令k 如加速或制动踏板行程 换挡指令等 p 七 肿 后 一v 七 2 6 式中 k 为时间序列标号 k o 1 2 1 k 七 1 七 分别为t k 正时刻的 循环车速和实际车速 e y 为车辆设定车速与实际车速的偏差 k k 为仁k r 时 刻驾驶员的操纵命令 2 4 4 传动系统模型 传动系统模型用于模拟实车中的能量传递 包括离合器 变速器及传动轴 等部件模型 驱动电机发出的转矩依次通过这些部件转化为驱动力 其模型可 表示为 i r 加p r o s i g n f k 丘 q 7 l 尸 其中 p 为传动装置的特性参数 对于普通变速器为减速比 2 4 5 动力系统模型 1 发动机模型 a d v i s o r 中发动机模型采用的是发动机实测模型 发动机模型包括发动 机机械模型转速和转矩的计算 发动机热学模型各部分温度的计算 发动机油 耗和排放模型油耗和各种排放物量值的计算及发动机温度对其进行的修正 整 体模块如图2 1 0 所示 1 7 第2 章混合动力电动汽车整车技术方案 图2 1 0 发动机模型 2 电动机模型 电动机仿真模型可把需求转矩 转速转化为电能需求并把电能转化成转矩 和转速输出 此模块可以计算电机的转矩 转速及输入功率并进行限制 输入 控制电机的特性 并对转动惯量以及电机温度的影响进行计算 最后得到电机 输出的有效转矩和转速等 电机模型的仿真结构图如图2 i i 所示 图2 1 l 电动机模型 1 8 第2 章混合动力电动汽车整车技术方案 3 蓄电池模型 蓄电池模型根据动力总线的功率需求计算出蓄电池荷电状态s o c 的近似 值 并输出可用功率 功率损失按内阻损失加上库伦效率定律确定的功率损失 计算 生成电池的总成模块图 如图2 1 2 所示 图2 1 2 蓄电池模型 分别对并联式混合动力电动汽车的各组成模块完成建模并封装 连接 得 到仿真模型整体框架如图2 1 3 所示 图2 1 3 并联混合动力电动汽车整车仿真模型 1 9 第2 章混合动力电动汽车整车技术方案 2 5 本章小结 本章介绍了混合动力电动汽车整车技术方案 分析了混合动力选型基本依 据 根据混合动力轿车动力系统结构特点和城市运行工况特点 本课题混合动 力系统确定为双轴并联式结构 然后 基于m a t l a b s i m u l i n k 平台 采取理论建模与实验建模相结合 的方法 根据原型车的特性参数 在整车初步方案的基础上 对发动机 电机 蓄电池等动力总成各部件采用实验数据建模 对驾驶员模型等采用理论建模 建立了可用于a d v i s o r 仿真的双轴式并联混合动力汽车仿真模型 为动力总 成的参数匹配和控制策略研究提供良好的平台 2 0 第3 章p h e v 动力总成选型及参数匹配 第3 章p h e v 动力总成选型及参数匹配 混合动力汽车动力系统参数对整车动力性 燃油经济性 排放特性及制造 成本等均有显著影响 其动力系统参数之间是否协调匹配将直接决定混合动力 汽车能否达到节能和环保的要求 因此 在车辆设计的初期 有必要从车辆设 计要求出发 通过理论和工程分析 结合仿真技术和实车试验来匹配动力系统 的主要参数 混合动力汽车的主要动力部件为发动机 蓄电池 电动机及其控制系统等 下面将针对并联式混合动力轿车整车工作模式和动力性能要求 对动力系统及 相关参数进行选型和计算分析 以满足整车设计要求 3 1p h e v 整车基本参数设计 本文所研究的是一款并联式混合动力电动汽车 其基础车型是一辆排量为1 6 l 的轿车 在原型车总体结构不做大调整的前提下 采用了新的动力系统 结合原型 车的整车参数和该p 玎w 的定位 提出了新的整车参数及性能要求 如表3 1 所示 表3 1 整车性能开发指标 最高车速 k m h 2 0 0 动力性 加速性能 o 6 0 k n l 1 1 一般而言 混合度越大 节能效果越好 排放也越少 对于电量在实际行车过程中可自动补充的电量维持型车辆 电池容量较 小 其混合度相对较小 而对于电量消耗型车辆 电池选择较大 混合 度相对较大 混合度变化对整车质量影响可基本忽略 整车成本随电动机功率的变化比随发动机功率的变化快 因而选择较小 的混合度有利于节省制造成本 对于小型汽车 一般采用轻度混合系统 让电动机充当调节装置保持发 动机工作在高效区 可大大提高整车系统效率 从表3 2 也可看出 大 多数混合动力轿车均以轻度混合为主 表3 2 部分混合动力汽车主要部件参数 整车质量发动机功率电机最大 恒定功率混合度 车型 k w 1 c w 丰田p r i m1 2 4 04 3 3 3 3 04 l 本田i n s i g h t 8 3 55 01 0 1 01 7 通用p r e c e p t 1 1 7 64 42 5 1 62 7 福特e s c o r t 6 0 2 4 2 02 5 3 2 3 混合度优化设计 1 动力源总功率设计方法 动力源总功率是车辆满足动力性要求的前提 总功率设计一般根据三大动 力性能指标 最大车速v 一 v o v 加速时间t 以及最大爬坡度i 一 来确定 首先 为满足最高车速v 一确定的最大功率为 第3 章p h e v 动力总成选型及参数匹配 蒜 晒 等 p 3 式中 t l 整车动力传动系效率 m 汽车质量 哥重力加速度 f 滚动阻力 系数 白一风阻系数 a 一迎风面积 其次 为满足爬坡性能确定的最大功率为 击 啊c 0 g m x 孵如口一 镣 3 川 口一2 a r c t g i 峨 1 0 0 3 5 最后 根据加速性能来确定动力源总功率 汽车在起步加速过程可以按下 式来表示 即 1 v v m 3 6 式中 x 为拟合系数 一般取0 5 左右 r v m 为起步加速过程的时间和末车 速 假设整车在平坦路面上加速 根据整车加速过程动力学方程 其瞬态过程 总功率为 b 乃 n 磊击 万删尘d t 啦 罴矿3 3 6 式中 分别为加速过程总功率 是加速功率忍 滚动阻力功率p 与空 气阻力功率仇之和 整车在加速过程的末时刻 动力源输出最大功率 因此 加速过程最大功 率要求砌一觚 一砌 一一3 6 砌0 0 旷r d t 卜呼门 舞 箍记 3 7 式中 国一设计过程的迭代步长 通常取0 1 s 便能满足精度要求 整车动力性设计指标中的v o v 加速时间通常t 通常指起步加速时间 即 v o o 把该加速指标代入上式 即可表示为 第3 章p h e v 动力总成选型及参数匹配 稍咖鬻 1 i 毕计舞 箍谚 3 8 这样 根据式可由加速末车速和加速时间确定整车的功率要求 从而为整 车总功率设计提供合理的依据 根据以上由动力性指标计算的最大功率 动力源总功率必须兼顾以上设计 要求 即 a 呱 m a x p r o l 矗2 只麟3 3 9 2 混合度边值条件 1 最大边值条件 混合度最大边值条件的确定就是在动力源总功率一定的前提下确定发动机 的最小功率 一般地 发动机功率主要由车辆结构类型决定 对于助力型 一 般由发动机提供稳态功率 而电动机提供瞬态变化的峰值功率 因此 可把整 车动力学方程分为两项 即 只 去 彬c o s 钳删 簪 3 q o 只2 薪 彬c o s 钳愕8 i 眦 酱 匕 淼 参 3 1 1 式中 为与车速相关的稳态功率 匕为与加速相关的瞬态功率 以其巡航车速圪妇代入式 3 1 0 即可计算得 当车辆处于爬坡时 为了维持电池电量 一般不会要求电机助力 因此 以其爬坡车速k 和爬坡指标k 代入式 3 1 0 可计算得爬坡功率要求 同时 为满足工况的正常驱动能力 发动机功率至少大于循环工况的平均 功率 耻 广啪 d t 3 1 2 式中 厶为车轮功率要求 第3 章p h e v 动力总成选型及参数匹配 此外 还需考虑整车极限加速工况 要求发动机提供其平均功率 峰值功 率由电动机提供 计算式为 匕 丽1 f 眦f f t c t v f 者 3 13 式中 傩为极限加速过程从零到最高车速的加速时间 f o 为随时间变化 的车轮驱动力 综上所述 一般情况 发动机功率至少要满足上述所确定的各功率要求 即 血 m a x l 2 3 4 3 1 4 2 最小边值条件 根据定义 最小边值条件由电动机的最小功率来决定 从降低成本角度看 电动机功率应尽可能减小 但必须满足以下几个基本条件 起动发动机能力 混合动力汽车节能机理表明 消除怠速对整车燃油经济性的改善很明显 因此 需对发动机进行起停控制 这就要求电动机具有瞬间起动发动机的能力 即瞬间起动发动机的功率己 p m l 志r 以心机 褫 3 1 5 式中 以为发动机转动惯量 为电动机起动发动机时间 心 1 4 k a e 分别 为发动机转速 怠速转速 乃为发动机摩擦转矩 单独驱动整车能力 与传统汽车动力学公式相似 纯电动汽车能力可表示为 西吒一e 一毋 一 d t 万胁 式中 为车辆纯电动行驶驱动力 即电机输出转矩到车轮的驱动力 车辆由起步加速到纯电动行驶的加速时间为 3 1 6 3 1 7 守 r 上硒 o 第3 章p h e v 动力总成选型及参数匹配 根据纯电动起步加速时间的要求 可计算出电动机最小功率乞 纯电动行驶能力 纯电动行驶可实现零排放 主要在一些特殊场合使用 混合动力汽车以纯 电动车速行驶时 所需功率只 为 耻赢藐 珂 案 3 1 南 式中 电动机效率 综上 电动机最小功率须满足上述要求的功率 即 己曲 m a x p 1 乞2 巴3 3 1 9 3 混合度优化求解 通过对动力源总功率的确定 并按s o c 平衡方法对电量进行维持 以及对发 动机 电动机极限功率的考查 把混合度限定在边值条件内 通过优化方法可 以研究混合度对整车性能的影响 进而实现对其求解 本车型初步设计混合度为3 0 根据发动机及电机功率设计边值条件 由式 3 1 4 经计算发动机的最小功率为4 0 k w 由式 3 1 9 计算可得 电动机的额定 功率应为2 5 k w 下节将通过优化算法最终确定两大动力源基本参数 3 3p h e v 动力总成选型 1 蚴 3 3 1 发动机选型与参数设计 h e v 的发动机要求有一定的驱动功率 以满足基本的动力性能要求 由于 混合动力车辆的发动机更追求的是高效率 便于工作区间的优化调整 而不需 要太大的功率 并联混合动力汽车通常采用由发动机提供车辆平均行驶功率 由电动机提供峰值功率的控制策略 因此其功率值的选择主要应考虑车辆匀速 行驶时的功率需求 确保在巡航车速下 发动机工作于高效区 此外 发动机单独驱动车辆匀速行驶时还应有一定的为电池充电的功率裕 量 爬坡功率裕量及附件功率裕量 根据上节发动机边值条件 由式 3 1 4 发 第3 章p h e v 动力总成选型及参数匹配 动机的最小功率为4 0 k w 本文选取一款s 1 4 1 发动机 其最大功率为4 1 k w 最 大转矩为8 1 n m 3 3 2 电动机选型与参数确定 1 电动机类型的选择 2 3 1 电动机是混合动力汽车的驱动单元之一 用于混合动力汽车的电机必须要 同时具备可控性好 容错能力强 噪声低 效率高 对电压波动不敏感等性能 特点 对电机的选用还要考虑其控制系统的特点 要求能实现双向控制 对再 生制动能量可以回收 考虑到技术成熟度以及成本 本项目选择交流感应电机 作为电驱动系统 2 驱动电机参数的选择 电机额定功率要结合车辆动力源总功率及发动机最大功率来确定 最大转 矩的选择需要满足汽车起动转矩和最大爬坡度的要求 同时结合传动系最大传 动比和最大爬坡度来确定 即 tm a x g f c o s or sina m r 3 2 0 珊k 式中 为车轮滚动半径 为最大爬坡度 f 为滚动阻力系数 g 为满 载时车重 r l r 为机械效率 k 为最大传动比 参考电机手册选择交流感应电机参数 额定功率p 矿3 0 l w 额定电压 u 产2 2 0 v 最大电流i e 1 8 0 a 最高转速 9 0 0 0 r r n i n 过载系数 2 4 3 3 3 电池组参数的选择 电池组容量的选择主要考虑车辆行驶时的最大功率输出和能量消耗 以保 证对动力性和续驶里程的要求 2 4 1 蓄电池储存的能量必须大于或等于汽车的最大能耗 才能保证电动汽车行 驶要求 故电池组数目为 n j 羔 墼一 3 2 1 己螂仇 k 式中 r y g 电动机的工作效率 为电动机控制器的工作效率 n 为单令电 第3 章p h e v 动力总成选型及参数匹配 池组所包含的电池数目 同时 在电动汽车充电前 蓄电池所携带的电能必须保证可行驶一定的里 程 所以电池组数目为 10 0 0 lw 3 2 2 n 2 z 一 c v n 式中 三一续驶里程 矿 车辆行驶l k m 所消耗的能量 e k 分别为单个电 池电容 电压 从以上两式中选择较大者作为电池组数目 经计算求得电池组数i n 1 5 镍一氢电池具有很高的充放电循环寿命和充放电效率等优点 可满足混合 动力汽车频繁充放电的要求 本文选取镍一氢电池组总能量为2 4 k w h 总容量为 1 6 a h 总质量为3 4 k g 3 3 4 传动系参数的选择i 冽 传动系统的传动比的选择 依赖于整车的动力性指标要求 即车辆传动比 的确定应该以满足汽车最高车速 最大爬坡度以及对加速指标要求为前提u 9 1 传动系速比的上限值由驱动系统最高转速和最高行驶车速确定 i g 笪竺 鱼 墅 旦 一m 肛 m j l t l 峨 即 i 蛳 孕 3 2 3 1 蛳一 了 传动系速比的下限值由动力系统最高转速对应的最大输出扭矩和最大行驶 车速对应的行驶阻力确定 或由最大输出扭矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确 定 k 舞或k 蓑 3 2