并联式混合动力车动力系统设计及仿真

1、并联式混合动力车动力系统设计及仿真杨芸芸 吴 森 黄小枫 黄 君(武汉理工大学 汽车工程学院 动力机械及工程 , 武汉 430070The design and simulation of power system for parallel hybrid electric vehicleYANG Yun-yun , WU Sen , HUANG Xiao-feng , HUANG Jun(School of Automobile Engineering , Wuhan University of Technology , Power Machinery and Engineering ,Wuh

2、an 430070, China 文章编号 :1001-3997(2010 07-0034-02【 摘要 】 基于 CYC-ECE-EUDC 循环工况, 在保证整车动力性和经济性的前提下, 对并联式混合动力轿车发动机 、 电机 、 蓄电池及变速器参数进行选取 。 在 ADVISOR2002车辆仿真软件中建立仿真模型, 得到 此并联式混合动力车的动力性 、燃油经济性 、 排放等性能曲线图 。 仿真结果显示整个设计满足标准 。 关键词:并联式混合动力车; 动力性; 经济性; 仿真【 Abstract 】 Based on the CYC-ECE-EUDC driving cycle , Under

3、 the premise of ensuring the vehi -cle power performance and fuel economy , select the engine parameters , motor parameters , batteries parame -ters and transmission parameters for parallel hybrid electric vehicle. Create a simulation model on the soft -ware ADVISOR2002, then get the power performan

4、ce , fuel economy , emissions and other performance curve of this parallel hybrid electric vehicle. The simulation results show the whole design and perfor -mance meeting the norm.Key words :Parallel hybrid electric vehicle ; Power performance ; Fuel economy ; Simulation中图分类号:TH16, TK411.3文献标识码:A*来稿

5、日期:2009-09-161前言能源短缺以及大气污染使汽车的节能与环保性能日益得到 重视, 如何减少汽车对能源的消耗和对环境的污染关系到人类的 可持续发展 。 由于蓄电池技术尚未成熟,纯电动汽车的发展受到 制约 。 无疑, 混合动力汽车 (HEV 是目前比较理想的发展方向之 一 。混合动力汽车驱动系统集成了传统汽车和纯电动汽车的驱动 系统, 通过对控制策略的调整, 可以最大限度地发挥传统内燃机 汽车和纯电动汽车的优点, 具有比传统汽车更低的排放和更高的 燃油经济性; 而且由于车辆的制动能量回收, 使汽车的续驶里程 和动力性能可以达到传统燃油汽车的水平 。根据混合动力汽车 (HEV 零部件种类

6、、 数量和连接关系可将 其动力系统分为三种基本结构类型:串联式 、 并联式和混联式 。 并 联式混合动力电动汽车可以采用发动机单独驱动, 电力单独驱动 或者发动机和电机混合驱动三种工作模式驱动 。 故并联式混合动 力电动汽车更适合于市郊和城间及高速公路工况运行, 国内外均 已研制开发出实际的样机或产品 。混合动力汽车动力总成各部件特性 、 参数匹配及控制策略决 定了整车的动力性 、 燃油经济性 、 排放特性 、 制造成本及重量 。 以某 轿车为原型, 设计一种并联式混合动力电动轿车 。 并联式混合动 力汽车动力总成进行参数选择和仿真计算, 如图 1所示 。2参数匹配设计车辆的行驶参数如下:满载

7、总质量 m a =1500kg, 空气阻 力系数 C D =0.32, 迎风面积 A =2.6m2, 车轮滚动半径 r r =0.282m, 传动系机械效率 T =0.9, 滚动阻力系数 f =0.018, 轴距 L =2.4m, 质心高度 h =0.6m。图 1并联式混合动力汽车动力系统结构图基于 CYC-ECE-EUDC 循环工况进行选型的,如图 2所示 。 为了更准确地选取各个动力系统的参数, 将整个循环工况下不同 时刻车辆所需的功率由式 (1 确定 。图 2CYC-ECE-EUDC 循环工况P e =1T Gfu +C D Au a3+mu d u (1式中:P e 车辆所需的功率 k

8、W ; T 传动系机械效率; G 车辆总重力 N ; f 滚动阻力系数; u a 车速 km/h; C D 空气阻力发动机变速器后桥离合器电池电动机动力 耦 合 器时间(s 1301201101009080706050403020100速 度 (K N /h 1101201301401501601701801901100111015115125135145155165175185195110511151Machinery Design &Manufacture机械设计与制造第 7期 2010年 7月34系数; A 迎风面积 m 2; 旋转质量换算系数; m 车辆总质量 kg d u 加

9、速度 m/s2。 通过计算得到该车辆按照 CYC-ECE-EUDC 循环工况行驶 时每时刻所需要的功率值, 如图 3所示 。图 3车辆所需功率 时间图2.1发动机参数选择并联式混合动力车选择发动机功率的原则是经济巡航车速 u c 下, 发动机工作在其万有特性图上的经济区, 并且此时发动机 提供一定的充电功率给蓄电池充电 。 u c 和平路匀速阻力功率 Pc 的对应关系如下:P c =1T Gfu c +CDAu c3(2根据图 2, u c 取 70km/h, 计算得 P c =31kW。在计算并联式混合动力车的巡航功率时, 还应加上附件功率 P acc 约为 3kW 、 (12 %的爬坡功率

10、裕量 P i 和 10%(经验值 的充 电功率裕量 P chr , 即P=Pc +Pacc +Pi +Pchr(3计算得 P 为 38kW 。 巡航功率 P 实际上是一个功率带, 应保 证这一功率带穿越发动机万有特性图上经济性较好的区域 。 结合 图 3综合考虑, 车辆最终选定某发动机, 其最大功率为 45kW , 最 大转矩及对应的转速为 90N ·m/3500rpm,最高转速 /最低稳定转 速为 4200/900rpm。2.2电机参数选择电机的选择主要从车辆动力性角度考虑,即电机最大功率 P m max 与发动机最大功率 P e max 之和应能满足车辆在此工况下的最 大功率 P

11、 v max 的要求, 即满足下面的不等式P m max +P e max 叟 P v max(4根据图 3的动力计算得出车辆行驶阻力功率为 58.5kW , 加 上驱动附属机构的功率 3kW ,则 P v max 为 61.5kW ,而 P e max 为 45kW , 计算得 P m max 最小取 16.5kW 。而当车辆起步和低速行驶时, 车辆由电机单独驱动, 根据图 3中驱动车辆所需的功率图, 最终选择电机的额定功率为 25kW 。2.3电池组参数的选择动力电池组参数确定主要依据电机最大输出功率的需求 。 在 选择的时候要综合考虑与电机的匹配 、 电池充电与放电特性 、 电 池质量及

12、体积等各种因素, 该系统选择铅酸电池作为动力系统的 储能元件 。由电机最大输出功率选择电池数 n =P e max b max e ec(5 式中:P e max 电机最大功率; P b max 电池最大输出功率; e 电机工作效率, 计算中取值 0.9;ec 电机控制器工作效率, 取值 0.9。 P b max =E 2(6式中:R 蓄电池的内阻; E 蓄电池的电动势 。 最终选取电池容量为 28A ·h 。2.4主减速器参数选择混合动力汽车的主减速比 i 0由最高车速 V max 和电机最高转 速 n max 确定, 即:i 0燮 0.377n rmax (7由式 (7确定主减速

13、器速比为 i 0=12.62。 3整车控制策略针对该方案的结构特点, 确定系统的主要控制策略, 如表 1所示 。表 1整车控制策略4系统仿真及结果分析根据所选择的动力系统参数, 在 ADVISOR2002中选择相关 部件并修改参数, 燃油经济性和动力性评价采用我国规定的载质 量 (燃油经济性评价采用半载, 动力性评价采用满载 , 选用循环 工况 CYC-ECE-EUDC 进行仿真 。蓄电池系统 SOC 值的动态变化过程, 如图 4所示 。 SOC 初始 值设置为 0.7,最后下降至 0.625, 波动范围 (SOC 是 0.075, 可见 变化不大, 对电池有利 。 通过仿真可知, 该混合动力

14、总成参数选择 基本合理 。发动机的排放物随时间变化的关系图, 如图 5所示 。图 4蓄电池 SOC 值随时间变化图图 5发动机排放图图 6电机输出辅助驱动盘那个转矩图油门开度较小 油门开度大电池电量不足起步或低速起步或加速 驱动 驱动 怠速或停机 分离 驱动 接合接合 部件工作状态发动机 离合器 电机起动预热 分离 车辆工作状况暖机 制动能量回收停车发电发电驱动 接合匀速电池充电加速 发电 驱动 驱动 接合 接合 减速下坡滑行紧急制动发电 发电 怠速 怠速 分离 接合 时间(s 5550454035302520151050-5-10-15-20-25-30车 辆 所 需 的 功 率 P (k

15、W 1418112116120124128132136140144148152156160164168172176180184188192196110011041108111211161ess_soc_hist0.70.680.660.640.62e s s _s o c _h i s t200400600800100012001400hcca/10nox pm0.080.060.040.020e m i s s i o n s200400600800100012001400tc_trq_out_a1000-100-200t o _t r q _o u t _a2004006008001000

16、12001400第 7期 杨芸芸等:并联式混合动力车动力系统设计及仿真 35基于模块化的液压缸试验台测控系统设计陈 军 洪始良(华南理工大学 机械与汽车工程学院 , 广州 510640Design of test and control system for cylinder bench based on modularizationCHEN Jun , HONG Shi-liang(School of Mechanical and Automotive Engineering South China University of Technology , Guangzhou 510640, C

17、hina 文章编号 :1001-3997(2010 07-0036-03【 摘 要 】 为了提高液压缸性能测试系统的自动化程度和通用性,在详细分析系统设计要求的基础上, 设计了一种可扩展的液压系统, 然后, 建立了其测控系统的三层体系结构, 并对其控制软件进行模块 化分析与设计 。 应用结果表明:试验台功能齐全 、 自动化程度高 、 通用性和扩展性好 。关键词:液压缸; 试验台; 自动测试系统; 模块化【 Abstract 】 In order to improve the automation and universality of the hydraulic cylinder test-b

18、ed ,based on the design requirement , an extendable hydraulic system was designed , then a three-tier system framework for the controlling system was established , and the modularization of the software was analyzed and developed. Application results show that the proposed system has full-feature ,

19、high automation , good universality and expansibility.Key words :Hydraulic cylinder ; Test-bed ; Auto test system ; Modularization中图分类号:TH12, TH137文献标识码:A1引言液压缸作为液压系统的主要执行元件, 其综合性能不仅决定 了系统的可靠性, 而且影响着设备的正常运转和维护, 因此, 通过 有效的检测手段对液压缸的综合性能进行评价具有非常重要的 意义 1-3。目前国内外液压行业生产厂家, 均有相应的试验台, 其中大 部分是手工方式操作的 。 这种平台结

20、构简单 、 成本低廉, 但是劳动强度高 、 读数误差大 、 效率较低, 难以检测液压缸的动态性能 1。 近 年来, 有许多文献对试验台自动检测系统进行了研究, 如文献等 1研制了基于 PID 控制策略的液压缸综合试验台测控系统, 并运用 MATLAB 对被测液压系统进行了动态仿真; 文献 3设计了基于通 用计算机平台与嵌入式技术融合的二级架构方案的液压缸自动 测试系统; 文献 3采用了电液比例技术的改造方案, 研制了液压缸 试验台的液压系统和控制系统 。 但是这些系统使用范围比较有电机输出的辅助驱动转矩 (变量:mc_trq_out_a , 如图 6所示 。 可以观察到在道路循环要求汽车加速时

21、,电机均提供辅助驱动:减速 、 停车时, 电机回收制动能量 。仿真结果, 如表 2所示 。 依据 “ 十五 ” 期间国家 863计划电动 汽车重大专项制定的混合动力轿车最低技术指标 5, 所设计轿车的动力性能指标:(0100 km/h的加速时间 t 15.5s ; 车辆最高车 速 V max 160km/h;当车速 v=88.5km/h时, 爬坡度 i 12%。 从设计 车辆的仿真结果看出, 该混合动力电动汽车的动力性不仅满足混 合动力轿车的技术指标,而且性能高于一般的传统内燃机汽车 。 油耗也较同类型的内燃机汽车好, 排放更是优于传统车辆 。表 2仿真结果5结论混合动力车辆在进行动力系统参数选型的时候结合所对应的工况进行动力计算有助于得到性能更优的方