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轻型油电混合动力汽车若干关键技术问题研究 摘要 随着能源危机加剧与地球环境的不断恶化，人类发展对新能源产 业、以及节能环保技术的要求也越来越迫切。混合动力汽车采用多动 力源，可实现能量流的多样化回收，具有低能耗、低排放等诸多优点， 是新能源产业在汽车领域的一个重要发展方向。 本文以传统混合动力汽车为背景，通过对其动力系统的改进，动 力性能匹配，最终完成了对轻型混合动力汽车的整车动力参数匹配、 能量控制策略、虚拟计算仿真等方面的研究。全文从下面几部分展开 论述： 首先，以总体设计目标、样车用途为出发点，整车采用了并联式 的混合动力总成结构；依据样车的运行工况要求，对其主要总成部件 进行了动力匹配、选型。并在m a t l a b s i m u l i n k 软件中，建立起整车 动力性能分析仿真模型，为下面整车控制策略的设计和虚拟仿真平台 的搭建做了良好的铺垫。 其次，对混合动力汽车的核心总成部件之动力耦合装置进 行了系统地分析、选型：并结合轻型混合动力汽车的特点，搭建了以 2 k h 型行星齿轮系为实施对象的动力传动系，分析了该动力传统系 在各工况下的动力传递、分配方式。同时设计了适用于混合动力汽车 的新型集驱动电机为一体的车用驱动桥。 再次，基于m a t l a b s i m u l i n l ( 搭建了轻型混合动力汽车的电机驱动 i 模型；分析了驱动电机在混合动力汽车各工作模式下的性能表现。分 析了当前的混合动力汽车的控制策略的种类以及控制策略的设计原 则、过程；提出了适用于轻型油电混合动力汽车，基于逻辑门限值的 新型控制策略，并利用搭建的轻型混合动力汽车动力性能模型，分析 验证了该控制策略的有效性，为下文的轻型油电混合动力汽车的虚拟 仿真平台的搭建奠定了基础。 最后，基于m a t l a b a d v i s o r 平台搭建了轻型油电混合动力汽车 的虚拟仿真平台，分析了各主要总成部件的运行性能表现；同时也验 证了上文中建立的轻型混合动力汽车动力学模型、控制策略的合理 性。 关键词：轻型混合动力汽车，动力耦合，控制策略，a d v i s o r r e s e a r c ho ns e v e r a lk - 正yt e c h 1 蛆q u e so fl i g h t h y b r i dg a s0 l i n e e l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t w i t ht h ea g g r a v a t i o no fe n e 唱yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o no ft h ee a n hi nr e c e n t y e a r s ，t h ed e v e i o p m e n to fn e we n e r g yi n d u s t 叫a n de n e 唱y s a v i n gt e c h n o l o g i e si sm o r ea n dm o r e b a d l yn e e d e d h y b r i de l e c t r i cv 色h i c l e ( h e v ) i sp r o v i d e dw i t hm u l t i p l ep o w e rs o u r c e s ，a n dt h e e n e 唱yc a nb er e c o v e r e db yv a r i o u sf o r m s s oh e vp o s s e s s e sl o we n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o w e m i s s i o n se t c ，a n di tw i l lb e c o m ea ni m p o n a n tt e n d e n c yj na u t o m o b i l ed o m a i n i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ho np o w e rm a t c h i n g ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nf o r l i g h th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( l h e v ) i sc o n d u c t e db a s e do nt h et r a d i t i o n a lh e v ：t h i st h e s i si s i a u n c h e dd e s c r i b i n gf o ms e v e r a lp a n sb e l o w ： f i r s t l y ； i nc o n s i d e r a t i o no ft h e d e s i g no b j e c t i v ea n dp u r p o s e ， ap a r a l l e ld r i v e t r a i n c o n f i g u r a t i o ni sa d o p t e df o rl h ev m o r e o v e r ，p o w e rm a t c h i n ga n dm o d e ls e l e c t i o nf o rk e yp a r t s i nt h ep o w e rd r i v e t r a i na r ec o m p l e t e da c c o r d i n gt or e q u i 诧m e n t so fd r i v ec y c l e s ac o m p u t e r s i m u l a t i o nm o d e lf o rd y n a m i cp e r f o r m a n c ei sb u i l tb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k ，t h a tl a y sa f a v o r a b l eg r o u n d w o r kf o rt h ec o n t r o ls t r a t e g yd e s i g na n ds i m u l a t i o np l a t f o mb u i l d i n g s e c o n d i y ；a so n eo fc o r ep a r t sf o rh e vd r i v ec o u p l e r sa l r es t u d i e da n ds e l e c t e di nt h i sp a p e r an e wt r a n s m i s s i o ns y s t e mi ss e tu pf o rl h e vb a s e do n2 k - ht y p ep l a n e t a r yg e a rt r a i n s ，p o w e r t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o na r ea n a l y s e di nt h i st r a n s m i s s i o ns y s t e m m e a n w h i l e ，an e wp a t t e m d r i v ea x l ei n t e 唱r a d i n gd r i v em o t o rf - o rh e vi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h i r d l y as i m u l a t i o nm o d e lo fl h e vd r i v e nm o t o ri s b u i l tb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k d y n a m i cp e r f b r 盯n a n c eo fd r i v e nm o t o ri sp r e s e n t e di nv a r i o u sr u n n i n gm o d e s k i n d so fc o n t r o l s t r a t e g i e sa n dd e s i g np h i l o s o p h ya r ei n t r o d u c e d an e w - t y p ec o n t r o ls t r a t e g yf o rl h e vb a s e do n t h r e s h o l dc o n t r o l l o g i ci sp r e s e n t e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yi si l l u s t r a t e dt ob ee 矗e c t i v eb ym e a n so f t h em o d e la b o v ef o rd y n a m i cp e r f b r r n a n c e w h a t sm o r e ，t h ei l l u s t r a t i o np a v e st h ew a yf o rv i s u a l s i m u l a t i o np l a t f o mo fl h ev f i n a l l y ，av i s u a ls i m u l “o np l a t f o mf o rl h e va r es e tu pb a s e do nm a t l a b ，a d v i s o r ，a n d d y n a m i cp e 怕r m a n c e so fk e yp a r t si sp r e s e n t e db yt h ep l a t f o m a tt h es a m et i 抽e ，t h ed y n a m i c p e m n n a n c e sv e r i f yt h er a t i o n a l i t yo fd y n a m i c a lm o d e la n dc o n t r o ls 仃a t e g yo fl h e v c h e n gh u a n ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) k e y w o r d s ：l h e vd r i v ec o u p l e ，c o n t r o ls t r a t e g y ，a d v l s o r i v 雾季天荸 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 进入二十一世纪以来，各国汽车持有量逐年增加，在面对急剧增长的石油消 费、日益严峻的环保压力下，以及每况愈下的城市交通情况，都迫使汽车产业必 须走节能环保的发展道路。研发者根据城际混合动力汽车的发展趋势，对现有车 辆进行技术改进，提高其环保节能水平，为此产生了电动汽车( e v ：e l e c t r i c v e h i c i e ) ，但由于一般电池的能量密度与汽油相差极大，远未达到所要求的数值； 使得电动汽车的续程能力达不到市场的要求，在这种情况下，混合动力汽车就成 为一个两全其美的解决途径。h e v 是指装2 个以上动力源( 包括有电动机驱动) 的汽车；其动力源有多种，包括各种蓄电池、太阳能电池、燃料电池、燃料发动 机等。这样既利用了发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又发挥电动机无 污染、噪声低的特点，二者取长补短，使汽车的热效率提高了1 0 以上，废气 排放降低3 0 。鼓励混合动力汽车的使用，加大绿色环保汽车的研究力度是各 国政府的职责所在。混合动力汽车由于汽本身的特点决定了其在汽车发展过程中 起着承上启下的过渡作用，是汽车近中期发展的重点。 国际电工委员会( i e c ) 电动汽车技术委员会将混合动力汽车( h e v ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 定义为：有一种以上能量转换提供驱动动力的混合型电动汽车， 也可以定义为电力驱动和辅助动力单元合用到一辆车上。 本文考虑到上海市拥挤的交通状况；在h e v 的基础上，提出了小排量的轻 型混合动力汽车( l h e v ：l i 曲th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ，减小了发动机的排量，减 少了发动机工作时的尾气排量，更加的符合了节能环保的要求；使得l h e v 能 够满足用户对车辆续程能力要求的基础上，进一步体现了其节能环保的理念。 1 2 混合动力汽车特点及类型 混合动力汽车目前有多种的分类标准，但是通用的分类方式是按照h e v 能 量合成、各动力部件布置方式以及动力耦合方式来分为三大类：串联型( s e r i e s h y b 谢e l e c t r i cv e h i c l e ) 、并联型( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e l l i c l e ) 以及混联型 ( 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 ) 。 雾季天荸 悻灌啦锄难| ：耋i 骶 第一章绪论 1 2 1 串联型混合动力汽车( s h e v ) 串联型混合动力传动系统的结构简图见图1 1 。发动机可带动发电机发电， 其产生的电能可直接输送到电动机，由电机产生电磁转矩驱动汽车。亦可储存在 蓄电池中。蓄电池通过控制器串接在发电机和电动机之间，作为能量转换的媒介。 当发电机的功率大于电动机的功率时( 如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等 工况) ，发电机发电输给向蓄电池电池，当发电机的功率小于电动机功率时( 如 汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况) ，蓄电池则向电动机提供额外的电能。 图1 1 串联型混合动力汽车的动力传动结构简图 发动机的功率是h e v 以某一特定速率行驶时所需的功率来获得。当h e v 行 驶工况变化时，电动机应工况所需的输出功率将和发动机的输出功率无法保持一 致，当发电机有富余的功率时，则发电机可向蓄电池充电，或者使蓄电池向电动 机供电，此时发电机则辅佐蓄电池给电动机供电，来弥补蓄电池的输出功率的差 缺。所以发动机、发电机、电动机以串联方式配置动力传动系，使得s h e v 具 有如下特点： ( 1 ) 由于发动机的工作区域稳定，始终在最佳的工作区内稳定运行而不受 h e v 工况的影响。所以，发动机具有良好燃油经济性和较好的尾气排放效果。 蓄电池可以对整车的所需驱动功率“削峰填谷”，发动机的功率只须满足汽车在 某一稳定工况行驶所需的功率。因此发动机的工作区域可选择较则的工作区域 内，为此可以显著提高发动机工作效率。发动机与整车的机械动力传动结构之间 没有直接的连接，因此对发动机的转速无太多要求，所以发动机的转速选择范围 宽泛，可选择高速燃气轮机等效率高的原动机。 ( 2 ) 发动机与电动机之间没有直接的机械连接，整车的结构布置方式较为自 由，灵活的布置方式同时也可以大大节省车身空间。 ( 3 ) 发动机的输出功率需要转化为电能再次转化为驱动汽车的扭矩，大功率的 发电机和电动机是s h e v 选择总成部件的前提。 ( 4 ) 蓄电池作为能量传递媒介，需要具有良好的功率平衡功效，同时为了提 o 燃量 第一章绪论 高蓄电池的使用寿命，需要避免过充电或过放电，为此大容量蓄电池是s h e v 的另一个特点。 ( 5 ) 发电机距离s h e v 的动力执行机构( 车轮) 的动力传动距离较远，s p h e v 对发动机的能量利用率不高。 s h e v 的发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行，因此s h e v 在市内行驶 具有明显的燃油经济性；s h e v 在起步和低速运行时，可关闭发动机仅使用蓄电 池输出的功率来驱动s h e v ，使s h e v 达到更佳的尾气排放效果。 1 2 2 并联型混合动力汽车( p h e v ) 并联型混合动力汽车的动力传动结构简图见图1 2 。并联式混合动力汽车； 顾名思义就是在传统的燃油汽车的基础上额外加上一个驱动电机来实时弥补发 动机的功率差缺，即：当p h e v 行驶工况的需求功率超过了发动机的输出功率 时，其中的功率差缺将由驱动电机来弥补；电动机从蓄电池中获取能量向驱动车 桥提供发动机的差缺功率。当然部分p h e v 也有发电机，其主要目的是给蓄电 池充电，以保持蓄电池良好的电荷饱和状态，避免蓄电池频繁的深度放电和过度 充电，以提高蓄电池的使用寿命；同时蓄电池较高s o c 亦可提高混合驱动方式 下p h e v 的续程能力。 ( a ) 变速箱后置式p h e v ( b ) 变速箱前置式p h e v j 皇季天荸 棒；窘“ 谰难黔t h 第一章绪论 ( c ) 双轴浮动式p h e v 图1 2 并联式混合动力汽车动力传动结构简图 与s h e v 类似，p h e v 的发动机功率也是以某一速度稳定行驶时所需的功率 来选定的，当p h e v 在低速行驶时，通过变速器来调节发动机的转速输出从而 保证其稳定的功率输出；而高速行驶的工况时，由于发动机的输出功率低于 p h e v 正常行驶时所需的功率，则由电动机辅佐驱动p h e v 。这样的动力传动结 构使得p h e v 具有如下特点： f 1 ) 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，之间没有机、电能量转换而造 成的损失，因而发动机输出能量利用率较高，当p h e v 的发动机在其最佳的工 作范围运行时，其燃油经济性相比于s h e v 要高许多。由电动机可对发动机的 输出功率进行“削峰填谷”，发动机功率可适当减小。因此p h e v 的发动机选型 也可选择小功率的发动机。 ( 2 ) 电动机作为辅助动力，功率也可适当减小。因此p h e v 的电动机也可选 择小功率的电动机。 ( 3 ) 发动机具有对蓄电池补充充电的作用，小容量的蓄电池即可满足p h e v 使用要求。 ( 4 ) 在并联式结构中，发动机和电动机是相互独立的，低速、小功率工况下， 可关闭发动机，利用电动机单独驱动p h e v ；而在中高速平稳运行工况下，可以 单独运行发动机驱动p h e v ；高速运行或加速时，则可利用动力耦合装置让发动 机和电机同时输出力矩来驱动p h e v 。 并联式混合驱动系统适用于中高速、稳态运行的工况，在其他的工况下，发 动机无法保证工作在最佳的运行区域，发动机油耗、排放效果不如s h e v 。当然 p h e v 也可实现尾气零排放：在市区低速运行时可关闭发动机，也可使p h e v 以 纯电动方式运行来达到尾气零排放的效果。但是如此以来，在选择p h e v 动力 部件的时候，就需考虑大功率的电动机，以及对应的大容量的蓄电池；在市郊和 城间运行时，汽车经常处于中高速平稳运行状态，而且对尾气的排放也没有严格 的要求，此时，可关闭电动机，仅使用发动机来驱动p h e v 。所以，p h e v 更适 4 碧孝天荸 第一章绪论 用于市郊、。城间的工况。 1 2 3 混联型混合动力汽车( s p h e v ) 混联式驱动系统是串联式和并联式的结合体，图1 3 是丰田p r i u s 的混联式 混合动力传动结构简图，也是目前运用最广泛、技术最成熟的一种混合型混合动 力系统。其发动机输出功率一部分通过s p h e v 的动力传动系统传输给驱动桥， 来满足s p h e v 行驶工况的功率需求；另一部分的富余功率则用来给发电机发电。 所获得的电能输送给电动机或者蓄电池，两者产生的转矩则由动力耦合装置合二 为一后，传给驱动车桥。 图1 3 混联型混合动力汽车的动力传动结构简图 s p h e v 在低速行驶时，以串联方式工作；高速稳定行驶时，则以并联工作 方式为主。混联式的动力传动系统的结构形式集成了并联式、串联式的优点，使 电机、发动机、发电机等主要动力部件可以更加自由的配置，进而获得更加有效 的优化匹配，从而在结构上保证了在各种不同工况下，系统工作仍然可以保持在 最优的运行状态。也更易实现低油耗和低尾气排放的最终目标。目前的混联式结 构一般以行星齿轮系( p r i u s 的为2 k h 型行星齿轮，下文将做详细阐述、分析) 作为动力复合装置的主要构架。丰田公司p r i u s 汽车的驱动系统结构示意图，它 的驱动系统被业界公认为使目前最成功的结构之一【2 - 3 】。 1 3 混合动力汽车的关键技术 1 3 1 混合动力控制单元【4 卅 在h e v 上，热能发动机和电动机构成了混合动力单元的基本组成部分。在 p h e v 中，混合动力单元通过机械传动轴驱动车轮，同时由于电机可独立的提供 p h e v 所需的驱动转矩，因此混合动力单元可以采用体积小、热效率高的发动机； 在s h e v 上，热力发动机驱动发电机发电，发动机与s h e v 的动力传动系统之 雾霉天荸 棒；目l h 礴灌矗3 h t 第一章绪论 间没有直接的机械连接，因此混合动力单元也可以采用体积小、热效率高的发动 机，其运行工作区域亦可稳定在于较窄的高效率区域。 当前，混合动力单元研究的主要对象是热力发动机、燃料电池、超级电容等 能量源。在燃料的使用方面也突破了传统的柴油、汽油等传统燃料，除了柴油、 汽油外还有天然气、液化气、酒精、等清洁燃料，使得h e v 具有更佳的尾气排 放效果。要提高混合动力单元的燃料经济性、清洁环保等要求，对混合动力单元 必然提出更为苛刻的设计要求。对汽油机采用电喷技术、增压技术、可变定时进 气系统、多气门技术以及稀薄燃烧技术等是必然的要求。对柴油机采用多气门技 术、电控技术、增压技术、可变定时进气技术、可变涡流进气技术、直喷技术等 也成为趋势。h e v 的设计的初衷是降低尾气排放，所以排放是混合动力系统研 究的重点。目前对热力发动机的研究主要集中于：燃烧系统的优化，通过观察燃 料与空气混合物的点燃和燃烧过程，发现形成氮氧化合物的机理，从而改进燃烧 系统；尾气处理技术，主要研究高效的尾气处理技术。 1 3 2 驱动电机及其控制的研究 电机驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使h e v 能克服阻力运行。 混合动力汽车的驱动电机的运行的工况复杂、恶劣：包括高转矩、低转速和恒功 率、高转速等诸多的运行工况。驱动电机与h e v 运行工况的匹配则需要通过实 时、高效的控制策略来实现。混合动力汽车对驱动电机的控制系统具有以下要求： 恒功率输出和较高的功率密度；在h e v 起步、爬坡时具有低速高转矩的输出特 性：具有较大的调速范围；快速的转矩响应；在转矩转速外特性的较宽范围内 具有高的工作效率；在h e v 再生制动时，具有较高的能量回收效率。 在上世纪中后期，电动汽车大多采用直流串励有刷电机。由于有电刷的限制， 转速不能太高，由于有刷电机本身的特点造成其体积庞大而笨重，效率较低，故 障率高。8 0 年代后期至9 0 年代，由于电力电子技术的飞跃发展，滑差控制( s c ) 、 矢量控制( s v p w m ) 、直接转矩控制( d t c ) 等新颖的交流电机控制技术日趋成熟， 使得交流电机驱动系统在混合动力汽车中己成为主流【7 】。交流电机驱动系统主要 有交流异步电机驱动系统和交流同步电机( 稀土永磁无刷电机) 驱动系统两种。近 年来，开关磁阻电机驱动系统开始在混合动力汽车中获得了广泛地应用。开关磁 阻式电机的效率高、动态响应好、高启动转矩以及低启动功率等优点。但是该类 型的驱动电机普遍具有噪声高、转矩波动大、电机模型复杂、控制技术不完善等 突出问题，为此还需研发者对其开展进一步探索研究。目前混合动力汽车所用的 电动机总体上具有大功率、高转速、高效率和小型化发展趋势。国外己研制出功 率密度越过1 k w k g 、额定点的工作效率高于9 0 的驱动电机。我国在电动机以 及相关的驱动控制系统方面也取得一些成果：华中科技大学开发的全数字化开关 磁阻电机、中船7 1 2 所开发的永磁无刷电机、中国科学院北京三环通用电气公司 6 雾季天荸 第一章绪论 开发出混合动力汽车专用的7 5 k w 轮毂电机、哈工大开发的e v 9 6 1 6 8 k w 多态 轮毂电机，都是我国混合动力汽车驱动电机技术的重要成果【引。 1 3 3 混合动力汽车的控制策略 对于h e v 来说，动力耦合总成控制是整车的控制集中所在，该过程集成了 现代电力电子技术、网络总线技术、微处理器技术以及现代控制技术。目前国际 上多采用c a n 总线的控制器网络负责控制系统的数据传输，实现系统各控制单 元的信息资源共享：主控制器负责驾驶信息的采集、处理以及系统转矩、功率监 控管理，电池管理系统负责蓄电池s o c 的监控及管理，电机控制器负责电机状 态信息的采集及管理。这种分布式控制管理方式，与传统的集中控制相比系统结 构更加清晰、可靠性高、易扩展，是一种新颖的控制模式。动力总成系统的计算 仿真的建模是开发平台的核心，也是控制策略研究的前提。目前国际上主要是基 于m a t l a b s i m u l i n k 的平台，搭建了总成系统的数学模型，其中包括驱动、发动 机、蓄电池以及车辆动力学等子模型。目前，这些已经公布的模型已具有很好的 仿真参考效果，但是仍然具有较大的局限性，并不完全适合各种车型的仿真研究， 甚至某些车辆模型的计算误差较大，需要研发予以改善、矫正。 目前h e v 研发中亟待解决的一环就是依据不同的混合动力系统来制定、优 化各类控制策略。从研发的目标、使用环境及价格水平出发，来选择h e v 采用 的动力匹配方式。国外通过计算机建模仿真的方式对此进行了大量深入的理论匹 配研究。混合动力系统的精确、高效直接体现在控制策略的表现，所以说控制策 略的研究、开发是h e v 研发中的最关键技术。控制策略的过程首先是依据各类 传感器采集的h e v 速度、载荷等数据，然后计算出h e v 对应所需的转矩，进 而分析、计算出以最高效率为出发点，分配给电动机、发动机的转矩值的比例( 即 电动机、发动机最佳功率匹配) ，最后依据动力传动系统各部件的状态获得电动 机、发动机所需的控制参数，驱动执行机构( 车轮) 完成控制任务。因此，混合 动力系统的开发不仅局限于电力电子技术、计算理论算法以及仿真软件技术的开 发，而且在h e v 动力总成部件的设计、制造方面都面临较大的挑战。 1 4 本课题研究重点及计划 在对比国内外研究发展现状以及趋势后，本文充分利用目前先进的控制策略 技术、车辆技术、计算机仿真技术等相关技术，结合h e v 的特点和设计目标， 研究了轻型混合动力轿车( l h e v ) 的动力学分析与匹配、动力耦合器以及一体化 驱动后桥、车载能量管理系统、基于a d v i s o r 的l h e v 建模仿真，主要的研 幕葶天荸 第一章绪论 究内容如下： ( 1 ) 结合l h e v 的特点，对其进行了系统地动力学仿真分析，并且在此基础 上对l h e v 各个主要的动力总成部件( 蓄电池、电动机、发动机等) 开展了初 步的仿真分析； ( 2 ) 分析了h e v 动力耦合装置的工作原理，以及当前主要的类型；并对l h e v 的动力耦合器进行了初步选型，建立l h e v 了动力传动系。同时，在当前驱动 车桥的基础上做了部分改进，设计了适用于h e v 的集驱动电机于一体化的车用 驱动桥； ( 3 ) 建立了l h e v 电机驱动的数学方针模型，对驱动电机的各项性能进行了 系统的分析；分析介绍了当前主流h e v 控制策略，结合l h e v 的特点，设计了 适用于l h e v 的控制策略； ( 4 ) 分析介绍了当前主要的汽车仿真方法以及对应的仿真软件，基于 a d v i s o r 系统平台，搭建了l h e v 的数学仿真模型，对l h e v 的各项性能参数 进行了系统地分析比较。 第2 章轻型油电混合动力汽车动力性能分析与匹配 第2 章轻型油电混合动力汽车动力性能分析与匹配 2 1 车体动力学分析 2 1 1 动力学模型 一般汽车在行驶状态中的行驶阻力主要有：滚动阻力、空气阻力( 风阻) 、 坡度阻力以及加速阻力。其阻力一驱动力的力学平衡方程式可表示为： f = c + 凡+ 曩+ f ( 2 - 1 ) 式中：e 为h e v 驱动力( 由驱动电机、发动机单独或者共同提供) ，f 为h e v 行 驶中的滚动阻力，r 为h e v 行驶中的风阻，f 为h e v 行驶中的路面的坡度，f ， 为h e v 行驶中的加速度阻力。 易知，当f t f l = ，o 时，h e v 可以在一定坡度的路况下正常的启 动、匀速行驶和加速。 2 1 1 1 滚动阻力 在混合动力汽车行驶过程中，车轮由于和地面相对运动而产生的摩擦力称为 滚动阻力。其大小与轮胎与路面的接触而产生法向、切向的相互作用力以及相应 的轮胎与地面的形变相关，主要和汽车的重量g 相关，并且保持着以下近似线 性的数学关系： f = c ，g f 2 2 1 式中c ，为滚动阻力系数，为f 为h e v 行驶中的滚动摩擦阻力。 滚动阻力系数的数值的确定，收到很多因素的影响：轮胎的构造、材料，气 压，路面的变形系数，路面的路况( 积水，平整度等) ，轮胎侧向偏离度，h e v 行驶的速度等等。考虑到滚动阻力的成因非常复杂，涉及到繁多的专业与研究。 本文仅考虑车速对滚动阻力系数的影响。 在一般平整的市区或者高速路况下，随着h e v 车速的提高，滚动阻力系数 也随之增大；对于一般的轿车轮胎，有下列近似关系式【9 】： c ，0 + c 志+ c ，。4 ( 2 - 3 ) 式中： c ，o ，c ，l ，c ，。的取值范围为：c 加= o 8 1 0 1 o 1 0 ， c ，1 = o 1 2 l o o 2 5 1 0 ，c ，4 = 0 0 2 1 0 0 0 4 1 0 ，y 为h e v 的行驶速 9 j 萼天荸 第2 章轻型油电混合动力汽车动力性能分析与匹配 度。同时，也可将车速y 与滚动阻力系数c ，的关系表示为以下分段关系【l o 】： c ，：o 0 1 6 5 鲻。 p 4 ， l o 0 1 6 5 【l + o 0 1 ( y 一5 0 ) 】 y 5 0 当然上面的两组公式都是基于理论分析的结果，与实际中的c ，存在一定误 差，比较理想的方法是通过实验来获取一系列的数值，然后通过多项式拟合或者 二阶插值法来建立滚动阻力的模型。下表是s 肌t a j l a 2 0 0 0 轿车的滚动阻力系数c ， 随车速y 变化的情况【1 1 】： 表2 - 1 滚动阻力系数c ，与车速y 的数量关系 车速y ( 砌办) 6 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 滚动阻力系数c ， 0 0 1 3 0o 0 1 3 9 0 0 1 4 80 0 1 5 50 0 2 1 0o 0 2 5 0 由表中的数据可以拟合得到数学关系式为： c ，= o 0 1 1 2 3 5 7 + 8 1 7 6 5 9 l o 一5 y 一1 3 5 1 2 1 0 “y 2 + 8 7 1 0 9 y 3( 2 5 ) 2 1 1 2 空气阻力( 风阻) 根据空气动力学原理可知： ，w ：型峰兰 ( 2 _ | 5 ) 式中：c ，为空气阻力系数，a 为迎风面积，以为汽车与空气的相对速度( 无风 时，易知即为车速v ) 。结合汽车行驶的速度范围内，空气阻力与气流相对速度 的动压力有以下的近似数学关系： l = 等警 p 7 ， 由于空气阻力与车速成二次方的数学关系，对高速汽车而言；其空气的动力 学性能参数的设计会对汽车的动力性能以及燃油的经济性产生直观的影响。特别 是运动型豪华跑车而言，对外形的动力学性能要求更高。 2 1 1 3 坡度阻力 在汽车的行驶路况中，当路面存在一定的坡度是，汽车自身的重力会产生一 个路面切向的分力，具体表现为汽车的坡度阻力： f = g s i n 缸t a n ( f ) ) ( 2 8 ) 式中：f 为道路的坡度系数。 当道路的坡度系数，1 5 时，近似有： s i n k ) t a n 似) = f ( 2 9 ) 式中口为坡度的夹角。由此可知，式( 2 8 ) 可简化为： 1 0 第2 章轻型油电混合动力汽车动力性能分析与匹配 f g f ( 2 - 1 0 ) 2 1 1 4 加速阻力 在汽车的质点模型中，汽车为一个刚性质点，加速时，汽车的惯性质量可以 分为平移质量、旋转质量，为了便于计算，一般讲其中的旋转质量部分转化为平 移质量，并以质量转换系数万来作为考量。加速度可表示为： c 巧詈，警 ( 2 - 1 1 ) 式中：万为汽车旋转质量转换系数，华为h e v 行驶中的加速度，g 为重力加速 度。其中万主要是飞轮的转动惯量以及车轮的转动惯量相关，可以表示为： 渊+ 罢娑+ 要尘垂丑 ( 2 - 1 2 ) gr 2 gr 2 、7 式中：，为飞轮的转动惯量，j 。为车轮的转动惯量，g 与上文相同为车体质量 与载荷之和，为车轮半径，7 7 ，为动力传动系的机械效率，f 。为汽车的变速箱传 动比，f n 为主减速箱传动比。 有时为了更加准确地描述汽车中转动零件的继续性特性，有些文章采用了多 刚体的模型：将汽车的动力转动系统分成多个独立的子系统，对每一个系统分开 为单独的运动数学方程，考虑到汽车加速时系统的惯性质量对系统的运动状态的 影响，如此，动力传动系中各轴系间就无法保持简单的速比的机械运动关系了， 从而需要着手研究离合器的打滑、同步器同步等动态过程。以不同转速旋转的各 子系统的惯量按能量守恒原理换算到汽车的行驶速度上，可形成当量平移质量 聊，表现为： 舡1 p 3 ， 式中：胛为动力传动系的惯性零件数( 例如发动机、离合器、变速器动力传动轴、 主减速器、半轴、飞轮以及车轮等) ，为第f 个惯性零件的转动惯量，万，为第， 个惯性零件的角速度，y 为汽车的行驶速度。此时，汽车的加速度阻力可以表示 为： f ，：+ ，2 ) 坐 班 ( 2 1 4 ) 式中：聊为h e v 车体中做平动部件的总质量。 考虑到，本文主要分析h e v 的动力学模型，无需分析h e v 的具体的动力系 各零件的运动状态，同时考虑到由于h e v 发动机的启动采用过的是单独的驱动 孽孝天学 第2 章轻型油电混合动力汽车动力性能分析与匹配 电机来驱动，省去了飞轮，故在式( 2 1 2 ) 基础上作一下改动： 万：1 + 墨望 g，| 2 f 2 1 5 1 2 1 2h e v 的动力性能分析 汽车的动力性能是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。一般通过三个基 本指标来作为考量，分别为：最高车速、加速时间、最大爬坡度。 2 1 2 1 最高车速 最高车速：汽车在水平的路面上行驶时，所能达到的最高的车速，表征了汽 车的极限行驶能力。由式( 2 1 ) 可知： 当f ，= f = o 时， f = r + f f 2 - 1 6 ) 由力矩平衡有： m n f 片f 0 珊2 【f + 乃j 。， ( 2 1 7 ) 式中：m 。为h e v 的动力输出扭矩( 电动模式下为驱动电机输出的转矩m = m 。， 燃油模式下为发动机输出的扭矩m 。= m 。，混合动力模式下为驱动电机以及燃 油发动机输出的扭矩之和m 。= m 。+ m 。) ，结合式( 2 2 ) 、( 2 - 7 ) 可得： 。f o 珊- g c ，等簪 ( 2 - 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 为转矩与车速的理论数学关系。但是在实际的应用中，往往由于受到驱 动电机和发动机的转速和功率的限制，使得车速y 亦存在一个最大值默 。= ( 2 - 1 9 ) 式中：( m 。) 。为h e v 在混合动力模式下所能输出的最大扭矩，g ，为h e v 在额 定载荷时的总重量。 2 1 2 2 加速时间 加速时间：分为静态加速时间与动态加速时间。静态加速时间系汽车由最低 档起步，以最大的加速能力( 即选择合适的档位和换挡时间) 加速到预定的车速 或者距离所需的最短的时间。动态加速时间是指汽车在某一档位时，由一中等车 速最大能力加速到最高车速而所需的最短时间。 2 1 2 2 1 静态加速时间 汽车的静态加速时间是汽车机械传动结构完全静止到加速到最大速度的一 个过程，其中包括汽车各机械部件动作所需的时间( 如离合器的接合、分离，变 速器换挡所需时间) 。所以静态加速时间可以由以下三个部分组成： 1 2 雾季天荸 蜕巷道h 瑚，龇缸 第2 章轻型油电混合动力汽车动力性能分析与匹配 ( 1 ) 换挡间隙时间l ：对于手动挡的汽车，丁。为换挡动作( 摘挡、换挡以 及挂档) 所消耗的时间。其中在换挡过程还包括离合器分离、接合等动作，由于 该时间与变速器的结构、驾驶者的驾驶水平相关，且对于整个加速时间数值都很 小，根据经验一般作为常数处理或者忽吲眩】。对于自动挡汽车换挡过程属于动 力换挡类型，所消耗的时间极短，且离合器的接合、分离较为平缓。有研究表明 此期间的传递能量约为正常工况下的8 0 【i3 1 。 ( 2 ) 换挡过渡时间丁对于手动挡轿车，丁。，为离合器开始接合至滑转结束 的过程所需的时间。自动挡轿车的r 。，则为变矩器接收到换挡信号到改变变矩器 输出力矩改变的过程。 ( 3 ) 各档位加速时间丁。，：汽车在某一档位上的加速时间与其换挡特性有关。 出于动力性的目的，换挡要求尽可能保持在低档位行驶以求获得汽车最大的加速 能力；而出于经济性目的，换挡模式则要求尽可能保持在高档位行驶以提高发动 机的负荷率，降低油耗。 2 1 2 2 2 动态加速时间 动态加速时间通常发生在第三档与第四档之间进行。在实际的驾驶情况中， 驾驶者一般习惯于不通过低档位而是直接用向前挡位加速来完成动态加速。一般 结合汽车的动力学方程来仿真计算该时间大小，由牛顿力学方程有： f t f r f w f | 一洲 ，卯+ ，竹 衍 式中：f 、e 、凡、f ，、聊、所意义同上。 ( 2 2 9 ) 利用数值方法，由逐个步长计算车速、行驶距离等参数，同时判断加速结束 条件( 华专o ) 。当满足结束条件时整个过程累积的时间之和即为动态加速时间。 可有下式表达为： 之= 商等尚 ( 2 划， 式中：z ，为动态加速时间。 2 1 2 3 最大爬坡度 最大爬坡度：系指汽车在满载的状态下，输出最大力矩时( 第一档位时) 所 能够行驶的最大路面坡度。易知当f ， o 时，汽车驱动力需将其中的一部分提供 给汽车加速因而无法达到最大的加速度；故f ，= 0 时，汽车驱动力方可全部用来 抵消行驶阻力即： f = e + 凡+ e( 2 - 2 2 ) 在一定的坡度扛t a j l ( 口) 下，式( 2 2 2 ) 可整理为： 1 3 j 季天荸 第2 章轻型油电混合动力汽车动力性能分析与匹配 e = g c ，c 。s ( 口) + 兰筹+ g s i n ( 口) ( 2 - 2 j ) 由于口一般较小，故做如下处理： 2 ! a i ：心_ ：s l n ) 。式( 2 2 3 ) 可简化为： c o s i 口) l f = g c ，+ 等簪加。 ( 2 - 2 4 ) 整理式( 2 2 4 ) 可得h e v 最大的爬坡度： 。协瓢坷，- c ，一等怍 ( 2 - 2 5 ) 式中：) 一为h e v 最大的驱动力，杉为汽车行驶在最大坡度路况下，h e v 车 速。考虑到： ) 。= 。) 。f o f 冀， ( 2 - 2 6 ) 式( 2 2 5 ) 可整理为： k = f 黔电c ，一等协 p 2 7 ， io o z g ，一 z l 1 ) 不同种类汽车考虑的各种特殊的用途，对上述指标各有侧重。汽车的加速性 能对平均车速有很大的影响，因此汽车厂商在设计制造汽车时，对该项性能较为 重视，尤其是静态加速性能，一般认为它可全面的反映汽车在整个行驶过程中的 动力性能1 4 】。运动跑车对汽车的加速时间、最高行驶速度均有较高要求；而一 般的民用轿车则要求不是非常严格，仅对爬坡度有所规定，以便适应较为复杂的 路况。 2 1 2 4 基于u d d s 的性能分析 在不同的行驶方式下，如在繁华的都市街道上需不断的启动、制动；在高速 公路上一般为高速档位的匀速驾驶。在不同的路况下h e v 的的行驶里程有很大 的差异，为了合理的评价机动车的性能，人们在制定了相应的机动车驾驶模式。 由于不同国家或者地区的驾驶条件差异很大，各个国家都制定了自己的驾驶模 式，主要有： 美国城市循环工况( u d d s ) 欧洲驾驶模式( e d c ) 美国机动车工程师协会( s a e ) j 2 2 7 a 驾驶模式 日本电动汽车协会驾驶模式 由于我国的电动汽车、混合动力汽车起步较晚，目前尚未建立自己的混合动 力汽车的驾驶测试标准，而直沿用美国、欧洲的标准来作为参考。考虑到美国 的路况与我国的最为接近，本文在计算仿真时选用美国城市循环工况来作为背 1 4 荤季天学 鲋蟠辩硼 任懿疆 第2 章轻型油电混合动力汽车动力性能分析与匹配 景。 2 1 2 4 1 实验样车参数 车型：双排双座，后驱动； 外形尺寸： 总长3 8 0 0 m m ； 总宽1 7 5 0 m m ； 总高1 4 0 0 m m ； 重量估计 整车的重量由三部分组成：车身、底盘的驱动部分与支架紧固部分组成。h e v 和传统的燃油汽车车身、底盘相差不是很大，参考相关资料，车身与底盘非 传动系统部分总重定为9 0 0 蚝。驱