并联混合动力汽车动力分配装置的建模与仿真

1、 文章编号 :100624710(2006 0120054204并联混合动力汽车动力分配装置的建模与仿真 周春国 1, 冯 莉 1,2, 刘 凯 1, 崔亚辉 1(1. 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院 , 陕西 西安 710048;2. 陕西理工学院 机电系 , 陕西 汉中 723003 摘要 :建立了并联式混合动力电动汽车 (Parallel Hybrid Electric Vehicles , P H EV 在混合驱动工 作模式下动力分配装置的数学模型 , 并在 Matlab/Simulink 仿真平台上对此模型进行了仿真 , 得出 了其转速特性 、 功率分配特性和扭矩输出特性曲线

2、。 仿真结果表明 , 该装置达到了低油耗 、 低排放 和节能的目标 , 可为进一步研究 P H EV 动力匹配的优化及其整车控制提供参考关键词 :混合动力汽车 ; 动力分配 ; 建模 ; 仿真中图分类号 :T H132. 4 文献标识码 :AModeling and Simulation for Pow er H ybrid Electric V ehicle ZHOU Chun 2, G 1,2, Kai 1, CU I Ya 2hui 1(1. Faculty of Machanical and ,Xi an University of Technology ,Xi an 710048,C

3、hina ; Technology , HanZhong ,ShaanXi 723003,China t mat hematical models under starting up wit h blend driving modes of t he Elect ric Vehicles (P H EV power split unit are const ructed. A f urt her H EV model on t he basis of Matlab/Simulink is used to simulate t he speed , power assign and torque

4、 outp ut characteristic curve for various sit uation. The simulation result s indicate t hat t his device can achieve t he objectives of low oil consumption , low exhaustion and energy saving , whereby providing t he references for st udying t he optimization of P H EV power match and whole vehicle

5、cont rol.K ey w ords :hybrid electric vehicle ; power assign ; modeling ; simulation 电动汽车 (Elect ric Vehicle , 简称 EV 是实现汽 车能源多元化与零排放汽车的选择之一 。 但由于目 前电池技术尚未取得突破 , 纯电动汽车和燃料电池 汽车的推广受到了极大的限制 。因此 , 融合内燃机 汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车 (Hybrid Elect ric Vehicle , 简称 H EV 成为当今新型汽车开 发的热点 。 其中并联式混合动力电动汽车 (Parallel Hybrid

6、 Elect ric Vehicle , 简称 P H EV 具有两套相 对独立的动力系统 , 是传统内燃机动力系统和电机 动力系统的集成 。从概念上讲 , 它是电力辅助型的 燃油车 , 目的是为了降低排放和燃油消耗 ; 从尺寸上 讲 , 它比串联式小 ; 从结构上讲 , 它比混联式汽车简 单 ; 从整车效率 、 动力性能 、 续驶里程及价格等方面 综合考虑 , 它适合于城市运行工况 , 可以被消费者接 受 , 因此 , 有望在将来的主流汽车产品中占有大量的 份额 1,2。本文由并联式混合动力电动汽车动力分配装置 类型 的 结 构 特 点 , 建 立 了 其 数 学 模 型 , 并 根 据 P

7、 H EV 动力传动系中行星轮系的数学模型 , 建立了 它在混合驱动工况下的 Simulink 模型结构框图 , 仿 真得出其转速 、 功率分配和扭矩输出特性曲线 , 并对 仿真结果做了详细的分析 。1 P H EV 动力分配装置的类型常用的动力分配装置 , 有转速合成式 、 牵引力合 成式和扭矩合成式三大类 。 其中转速合成式在目前 应用比较广泛 。转速合成式 P H EV 动力传动系的 动力合成装置的工作原理如图 1所示 。收稿日期 :2005210218基金项目 :陕西省自然科学研究项目 (2003E 223 。作者简介 :周春国 (19682 , 男 , 湖南常宁人 , 副教授 , 在

8、读博士生 , 研究方向为混合动力 、 机械传动及 CAD 技术 。 E 2mail :zhou2chunguo . cn 。45 西安理工大学学报 Journal of Xi an University of Technology (2006 Vol. 22No. 1 对于转速合成装置的输入和输出存在以下关 系 :T out =i 1T in1=i 2T in2V out =V in1/i 1+V in2/i 2图 1 转速合成装置工作原理Fig. 1 Work principle of rev 2couple fitting式中 , T 为扭矩 ; V 为转速 ; in 为输

9、入 ; out 为输出 ;i 1、 i 2分别表示转速合成器对应于输入轴 1、 2的机 械传动比 。在此传动系中 , 可以通过变速机构调节内燃 机 、 电动机之间的转速关系 , 使发动机的工况调节变 得更灵活 。 定的比例关系 , 电动机的输出特性相配合 , 。图 2 采用行星齿轮传动的 P H EV 动力传动系结构简图Fig. 2 Frame diagram of power transmission forP H EV fitting planet shift gears2 整车参数3本设计是以上海帕萨特 SVW7183A G i 型汽车为原型车 , 将其改装为配有行星轮系的并联式混合 动

10、力电动汽车 。满载总质量为 m =1775kg , 空载总 质量 为 m 0=1400kg , 空气阻力系数 C D =0. 28, 迎风面积A =2. 6m 2, 车轮滚动半径 r r =0. 32m , 传动效率t =0. 9, 滚动阻力半径系数 f =0. 01, 最高挡传动 比 i g5=0. 899。 对于装备的行星轮系 , 其速比为i bax =3. 15(纯发动机驱动 。3 传动系参数匹配4混合动力汽车动力传动装置参数 (包括发动机 功率 、 电机功率 、 减速器速比等 , 对车辆的动力性 、 燃油经济性和排放性能有显著影响 。 本文主要针对 P H EV 动力传动系 (图 2

11、进行参数选择和合理匹配 。3. 1 发动机功率的选择由于并联混合动力汽车通常都采用由发动机提 供车辆平均行驶功率 , 由电动机提供峰值功率的控 制策略 , G i 轿车的使 , , 采 ; 在市郊行驶时 , 采用纯发动机驱 , 发动机最大功率要满足整车动力性指标 : 最大车速 V max 130km/h (纯发动机驱动 ; 在 车速 V =90km/h 时爬坡度 i 5%(纯发动机驱 动 。 通常按下式初选发动机最大功率 , 即取下面公式 (1 、(2 中的较大值作为发动机最大功率 。 P e =3600+376140t(1P e =3600+3600+376140t(2式中 , m 为整车质

12、量 ; f 为阻力系数 ; v max 为最高车 速 ; C D 为空气阻力系数 ; v 为车速 , 取 v =90km/h ; t 为机械传动效率 ; 为爬坡角 , 取 =arctan0. 05。最后确定的发动机功率为 55kW 。 主要参数如表 1所示 。表 1 直列 4缸 8气门多点电喷汽油机主要参数 Tab. 1 Mostly parameter of vertical 4jar 8valvemany dot electric spout gasoline 型 号 排量 /L 最大功率及转速 /(kW/r/min 最大扭矩及转速/(N m/r/min 直列 4缸 8气门多点 电喷汽油机

13、1. 3655/5600110/ 32003. 2 主减速器速比的确定主减速器速比 i 0的选择首先应满足车辆最高 行驶速度要求 , 即 :i 0 0. 377i g5i bax v max(3式中 , n ep 为发动机最大功率所对应的转速 。 另外 , 为 保证发动机按最小燃油消耗特性运行 , i 0的选择还55 周春国等 :并联混合动力汽车动力分配装置的建模与仿真 应满足 :i 0 0. 377i g1i b ax v 0(4 式中 , n ek 为发动机最低稳定转速 , n ek =1500r/min ; i g1=3. 778。设发动机转速 n =1500r/min 所对应的功率等

14、于车速为 v 0时的阻力功率 , 车速 v 0由下式决定 :P e =3600 +376140t 计算得主减速器的速比为 i 0=2. 21。3. 3 电动机参数选择电机额定功率可由汽车以纯电动机方式行驶的 最大车速及在低速行驶具有克服较小的道路坡度的 能力来确定 。 取下面公式中较大者 :P e =3600 +376140tm (P e =3600+t (6 18. 5kW 。其主要 参数如表 2表 2 电动机主要参数Tab. 2 The mostly parameter of motor型 号 额定功率 /kW额定转速 /rpm最大功率 /kW最高转速 /rpm最大转矩 /N mZYCD

15、22018. 530003240001504 P H EV 动力分配装置的数学模型在 MA TL AB/Simulink 环境下对 P H EV 的动 力分配装置进行仿真分析 , 首先建立其数学模型 。 4. 1 车速与转速的关系轮系输出转速 n x 与汽车行驶速度 u a 之间的转 换关系为 :u a =1000i g i 0 =0. 377i g i 0(74. 2 混合驱动模式下行星轮系的数学模型 发动机和电动机共同驱动时 , 其转速关系为 :n x = i b ax +i a bx(8扭矩关系为 :T x =i b ax T a =i a bx T d i 12(9 式中 , n x

16、、 n a 、 n b 分别为行星轮系 、 发动机轴和电动机 轴输出转速 ; T x 、 T a 、 T d 分别为行星轮系 、 发动机轴 和电动机轴输出转矩 ; i b ax 、 i a bx 分别为发动机轴 a (内 齿轮 b 输入 、 轮系轴 x 输出 、 内齿轮 b (a 固定时轮 系的传动比 。 5 仿真分析5. 1 仿真模型在完成行星齿轮传动系的数学模型后 , 需要对 其进一步建立 Simulink 仿真模型结构框图 , 以便输 出仿真结果 。 将选用的发动机 、 电机参数和计算出 的减速器速比作为已知条件输入 , 得出行星轮系速 度 、 功率分配和扭矩输出特性的 Simulink

17、 仿真模型 分别如图 3、 4、 5所示 。图 3 转速仿真模型Fig. 3 Rotate speed simulink model图 4 功率分配仿真模型Fig. 4 Power assign simulink model图 5 扭矩输出仿真模型Fig. 5 Torque simulink model65 西安理工大学学报 (2006 第 22卷第 1期 5. 2 仿真运行结果混合驱动工况是指在汽车启动加速和稳定运行 这两个阶段运行时 , 需要发动机和电动机一起工作 , 达到汽车所需要的功率要求 , 从而满足车速要求 。在启动加速阶段 , 其 Simulink 仿真输出的转速特 性 、 功率

18、分配特性和扭矩输出特性曲线分别如图 6、 7、 8所示 。 稳定运行阶段仿真结果分别如图 9、 10、 11所示 。 图 6 转速特性 Fig. 6 Rotate speed characteristic curve 图 7 Fig. 7 export curve 图 9 转速特性 Fig. 9 Rotate speed characteristic curve 图 10 功率分配特性 Fig. 10 Power assign characteristic curve 图 11 扭矩输出特性 Fig. 11 Torque exportcharacteristic curve5. 3 仿真结果分

19、析由图可见 , 在加速启动时 , 发动机承担主要动 力 , 并保持功率稳定 , 根据发动机和电机承担功率的不同 , 输出曲线不同 。 在启动瞬时 , 扭矩突变 , 之后 逐渐变小 , 轮系输出功率急速增大 , 然后稳定上升 , 电机的转速为负值表示在启动加速阶段它的方向与 发动机的转速方向相反 ; 稳定运行时 , 发动机在最小 油消耗区 (转速 2000rp m 工作 , 因此达到了低油 耗 、 低排放和节能的目标 , 此时由于大部分驱动能量 由电动机提供 , 所以发动机在最小扭矩和功率点运 行 , 轮系输出的转速 、 功率和扭矩在瞬时达到稳定 。6 结 语本文采用的动力匹配方法及用 Matl

20、ab/Simu 2link 仿真得出的 P H EV 动力传动系的特性曲线 , 可 为进一步研究 P H EV 驱动系统的优化匹配和协调 控制 , 研究整车控制策略和控制方式提供参考 , 对提 高整车运行性能奠定了一定的基础 。仿真结果表 明 , 该装置达到了低油耗 、 低排放和节能的目标 。参考文献 :1张欣 , 李国蚰 , 宋建锋 , 等 (Zhang Xin ,Li Guo 2you , SongJian 2feng ,et al . 并联式混合动力汽车多能源动力总成控制单元的研究与开发 (Research and design on power 2train controller for P H EV J .高 技 术 通 讯 (High Tech