串联混合动力电动汽车驱动系统控制策略优化与仿真_图文

1、武汉理工大学硕士学位论文串联混合动力电动汽车驱动系统控制策略优化与仿真姓名:兰召华申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:黄妙华2003.4.1中文摘要在环境问题和能源危机目益严重的今天,混合动力电动汽车成为了世界上新一代清洁汽车的研究重点。本文的研究对象一一驱动系统动力控制策略是当前混合动力车辆研究的热点之一,结合国家电动汽车产业化基地实施HEV产业化中的一项重要工作一-WG6120HB的具体研究,本文提出了一项以最小化燃油消耗为目标的控制策略并进行了优化仿真,因此本文的研究具有较强的实际应用价值。本文首先在第一章对混合动力电动汽车产生的必然性和面临的困难,解决的主要手段作了简要的介绍。在

2、第二章,我们通过对混合动力电动汽车的三类结构:串联、并联、混联式三类各自的结构模型、驱动模式以及它们各自具备的特点进行了较为系统的分析和介绍。在第三章中,详细分析了串联式混合动力电动汽车行驶里程延续式和发动机跟踪式控制策略,为加强对比,本文还对本课题组进行的并联式混合动力电动轿车的控制策略如电辅助式,自适应控制式等控制策略作了介绍。通过它们的介绍,我们可以深入理解各种控制方式的适应范围和各自特性,从而能较为深入的理解我们在WG6120HB中选择发动机跟踪器式的控制策略。最后,在前面分析总结的基础上,本文通过对wG6120HB实际功率需求的计算确认和该车其它具体的现实需求的综合考虑,基本确定该车

3、各组成部件,基于此,提出了本课题的关键研究点:针对WG6120HB双能源系统的最小油耗消耗控制策略。随后,本文通过ADVISOR仿真平台,分析了各种不同使用工况下本控制系统取得的燃油经济性能,并与ADVISOR系统内几种控制方式作了对比,结果表明其效果优于它们,该策略思想简单实用,具有较少使用限制条件,因此该控制策略具备较强的推广应用价值。在文章的最后,我们还针对本文所提策略的不足而提出了将来的研究目标。关键词:控制策略眦V燃油消耗中图法分类号:TP391.9文献标识码:AIlAbstractWith the crisis of energy and environment,hybrid el

4、ectric vehicle has become one of the focuses of clearing vehicle in the world.Our research objective一AOptimal Control Strategy and Simulation Oil Propulsion System of the Series Hybrid Electric Vehicle WG6120HBiS also one of Our national industrialization baseS research tasks.On this ground,Our work

5、 in this research has practical value。In the first chapter,we discuss the inevitably emergency of HEV aS well as problems their confronted.Then we give several ways to deal with these problems.In the following chapter'we mainly introduce three kinds of HEV propulsion system:Serial hybrid electri

6、c vehicle(HEv,Parallel hybrid electric vehicle(PHEV, combined hybrid electric vehicle(crmv.This section clearly compares structure and propulsion model of this three different types HEV.Through these methods,weofvariOIlS骶V characteristic.can achieve a systematical understandingWe comprehensively ana

7、lyze control strategies such as Drive Distance Increase type and Engine Power Trace type used in SHEV in chapter three.In order to give a comparatively comprehension,we also introduce two different control strategies which are applied in PHEV.Finally,we can decide which control strategies to bc choo

8、se and then deeply understand those control strategies we used in WG6120HB.The last chapter is the most important part.Based on what has been discussed, we draw a conclusion that Engine Power Trace control strategy is adopted in WG6120HB.Then we bring forward our optimal control strategy and give si

9、mulation on the ADVISOR platform.The simulation ending appear thm OUr minimize fuel consume objective which were constraint by several factors is achieved.And we also compare oBr control strategy witl several control strategy recommended by ADVISOR software.but the simulation oBtcome proved that our

10、 controller had better performance.In the end,we point out some shortcoming of our controller as the next direction ofOUr research.Word:Control Strategy HEV Fuel ConsumeKeym武汉理工大学硕士学位论文第1章电动汽车发展概述1.1发展混合动力电动汽车的背景汽车发展的lOO年是人类文明和经济迅猛发展的IOO年,如今,全世界汽车的保有量超过6.7亿辆,而且数目还在以每年几千万的速度增长。汽车与人们的日常生活己密不可分,但是它为人类带

11、来便利的同时也导致了严重的环境和能源、交通灾难。据美国卫生署报道,汽车所造成的空气污染占该国空气总污染的53%以上,有近1/4的美国人呼吸着危害健康的空气,而在我国,许多城市的空气污染水平是美国几十倍,在世界污染最严重的十大城市中,中国占有七个。另一方面,就能源消耗而言,美国每年汽车消耗的燃料约7亿吨,石油消耗占了美国整个能源消耗总量的42%,机动汽车又占用了石油消耗的50%以上。据此,开发低废气排量,低油耗的新型汽车成为当今汽车界的紧迫任务。虽然传统燃油发动机的电控技术(如燃油喷射,点火正时,怠速稳定,废气循环等电子控制系统,三元催化还原技术的应用使汽车的排放和油耗下降到了较低的程度,但由于

12、传统汽车所固有的缺陷:如发动机固有的转速一一扭矩不匹配,使汽车不得不装上了复杂的变速箱,带来了传动损失和不灵活的缺点;再又如为了在有限档位的情况下,获得足够的功率来加速和爬坡,往往需要增加发动机的尺寸,造成整车重量的增加,增加了燃油消耗率;还有从发动机的使用特性曲线上可以看到,在部分载荷和接近满载的最优工作点处的比油耗的差异很大,而发动机运行时由于汽车使用状况如起动,加速,均速,减速等不同工况的需求,其很难总运行在最佳燃油点处工作,因此汽车整体燃油消耗率和排放问题就凸现出来,传统汽车很难从根本上解决汽车排气污染和能源问题。但汽车工业不得不面对的现实是:面临极大环境和能源的压力,早在1990年,

13、美国加利福尼亚州资源局制定了极其严格的汽车废气排放法律,按其规定,到1998年,在加州新销售的所有汽车中,2%的汽车必须是零排放汽车,到2000年,零排放气汽车的比例要增加到5%,到了在2003年,需增加到lO%,此强制性的规定还被马麓诸塞州采用,另外还有12州也考虑采用这一规定;同时,几近苛刻的欧洲5武汉理工大学硕士学位论文号汽车尾气排放标准也将于2008年启用。空气污染、能源短缺、苛刻的排放法规,传统汽车无法超越的缺陷,迫使汽车科研者重将电动汽车提上研究日程。纯电动汽车无噪音,无废气排放,易于操作的优点成了希望所在。其实,电动汽车早于燃油汽车的发明,虽然,电动汽车蓄电池能量和功率密度不如柴

14、油或汽油,但是它易于启动的性能与内燃机车难以启动的缺点,导致了早期的电动汽车与内燃机汽车共同占领了汽车市场相当长的一段时间。然而,大约从1910年开始,汽车马达的发明,极大的改善了发动机的启动性能,加之燃油汽车其它性能的不断改进,但电动汽车却还是因为蓄电池、控制系统等的缺陷所造成的续驶里程过短、充电时间过长等问题,到三十年代,电动汽车终于失去了竞争力,在市场上几近消失。1.2纯电动汽车的发展今天,基于现代科技的发展意义上的电动汽车,有新的概念和内涵。电动汽车不仅是交通工具,而且是一个新的社会系统。它涵盖了电子动力工程、机械工程、汽车工程、化学工程、电力能源系统、交通运输工程及环境工程等各方面。

15、电动汽车的设计是工程与艺术的完美结合,它的使用与普及更是复杂的社会系统工程,依赖于政府、工商企业、用户的共同努力。在定义上,电动汽车是指电力驱动的车辆,其核心部分由电动机功率变换器和蓄电池组组成。纯电动汽车可以无污染的运行,其传动系统结构紧凑且功率明显比传统的燃油汽车高,又由于可回收大部分损失在制动中的能量,因而整车的功率有较大提高。同时,根据电动机所固有的转速和转距特性,它具有低速恒转转距,高速恒功率的特点,因而,电动机在汽车不同工况下仍能保持良好特性。较传统汽车而言,电动汽车具有很多的优点,首先,其保养工作较少,由于纯电动汽车结构简单,不需要更换机油,无油泵,汽化器,因而不需添加冷却水等保

16、养措施;其次,无污染,电动汽车不会产生废气捧放,也无机油,冷却剂等污染物;第三,高效率,在都市行车时,为了等候交通灯,必须不断地停车和起动,从而造成大量的能源浪费和严重的空气污染,但在使用电动汽车时,在减速时可以将驱动能量“再生”地转化为电能并储存在蓄电池中,在停2一1。_。_-。_-。-。_-_-。_。-_-。_-_-。-。_-_-_。一武汉理工大学硕士学位论文车时,可以不必让电动机空转,这可以大大地提高能源的使用效率,减少空气污染:再次,与燃油汽车不同的是,电动汽车的行驶基本上是宁静的,此点对大都市里减少汽车的噪音污染意义重大;最后,由于电动汽车的结构简单,除了定期更换蓄电池以外,基本上不

17、需日常维护,因此它的使用寿命比燃油汽车的长。正是基于电动汽车的诸多优点,旱在1993年,美国政府就与三大汽车制造商(GM,FORD,CHRYSLER宣布共同研制下一代的电动汽车,以解决环境污染和节省能源的问题,在他们的计划中明确了要确保美国在电动汽车研制上的领先地位,并占领和巩固不断扩大的电动汽车在国内外的市场份额的研究方向;其它国家如英国,意大利,日本,新加坡,马来西亚,印尼等国也在加大开拓电动汽车这一潜在巨大市场研究的力度,我国的香港为鼓励电动汽车的使用早在1994年就取消了电动汽车50%一120%的进口税,同时还提高石油税8.5%,到2001年,香港在用的电动汽车已超过5000辆,同年,

18、全球拥有各类电动汽车逾250万辆。除香港外,国内其它地方电动汽车的研究和应用尚处于起步阶段,电动汽车的研制流于“拼凑”,虽然在小范围内如车站、码头、仓库等场所也使用了微型电动汽车,但公路用的电动汽车还远未能达到实用的水平。就目前国内生产样车情况来看,还达不到轻型化、低噪音的要求,甚至可靠性问题还未能解决,而可靠性指标不满足将直接妨碍电动汽车的使用和普及。1.3混合动力电动汽车产生的必然性由于使用电动汽车(EV Electric Vehicle简称EV可实现无污染,并可利用煤碳、水力等其它非石油资源,因此,无疑是解决能源与环境问题的最有效途径,但是,由于电动汽车的关键部件如电池的能量密度、寿命、

19、价格充电时间等方面尚未解决的问题,使得电动汽车在性价比上无法与传统的内燃机汽车相抗衡。因此尽管目前具有世界先进水平的电动汽车的性能与内燃机汽车的性能相比不相上下,但过高的成本确使其难以商品化。正因为此,如前所提及的美国加州政府还于1995年不得不取消了关于1998年零排放车辆销售额必须占销售总额2%, 200t年占5%的硬性规定。在这种背景下,融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle,简称HEV异军突起,形成了世界范围内武汉理工大学硕士学位论文新的汽车开发热点。最初混合动力电动车的提出是为弥补电动车续驶里程不足且又能减少汽车排放污染的一个折

20、中方案,因此被认为是在高性能和价格合理的蓄电池推出之前的过渡品。但随着对混合动力电动车研究的深入,人们发现它也许是一个能综合利用能源,保证燃油机、电动机均工作在最佳状态,从而达到最佳性能的车辆,进一步说,对于更远的未来,交通工具到底是什么现在还很难预料,但混合动力电动车与燃油车、电动车就目前和不远的未来而言,将共存相当长的时间,从此意义上讲,国内外专家基本上达成共识:混合动力电动汽车的使用不只是电动汽车的一个过渡阶段,而是汽车工业即将面临的一场新的革命。混合动力电动汽车的开发就我国而言,更具重大意义,它提供了一个特别适于我国汽车工业实现超常规发展的机遇,因为,在混合动力电动汽车的发展上,我国的

21、科研水平与国外相比,还不存在像传统汽车那样,在技术、工业基础、消费理念的差距那样巨大的鸿沟,而且对工业基础而言,正是国外多年积累的庞大工业体系所形成的工业惯性与各方面的利益冲突,要重新建立混合动力电动汽车产业化体系,的确有太多的难题需解决,在这点上,我国汽车工业在这方面的压力小的多,因此,面对差距与机遇,我国“八五”,“九五”都明确要将HEV作重点来抓,据国家电动汽车的总体发展目标,中国将在近期研制具有中国特色、达到国外20世纪90年代水平的HEY,建立具有年产能力为30005000辆经济专用型电动汽车生产能力的开发生产基地和组建23个电动汽车运行示范区等目标。为此,我国还专门成立了国家电动汽

22、车协调指导小组,以确保被列为国家重大科技产业工程的电动汽车项目能取得预期成果。1.4国内外混合动力电动汽车技术发展状况由于HEV中一般包括两个互相耦合的动力源,并且具有多种不同的运行模式,所以双能源动力总成控制是混合电动汽车能量管理中最为复杂,也是近年来电动车技术发展和产业化进程中的重要研究开发方向。如串联式混合动力电动汽车的开关式和功率跟随式控制策略,并联式混合动力电动汽车的基线式、模糊和自适应控制策略的选择等。另外,对于混合动力电动汽车用电池及其能量管理系统的开发、电动机发电机一体化控制技术、适应于混合动力用发动机4武汉理工大学硕士学位论文的研制等也是当前研究难点。目前HEV主要的开发方式

23、为试验台架开发、实车平台开发和计算机仿真三种。动力系统试验台架和实车平台的优点是能够为开发对象提供真实的运行环境,在HEV开发中具有计算机仿真所不可替代的作用,但其成本高、适应性差、测试和调节难度大。而近二十年来发展起来的一门新兴技术学科一一计算机仿真,在这些方面就有较好的使用特性。仿真就是利用模型对实际系统进行试验研究的过程,仿真技术是以控制论、相似原理和计算机技术为基础,借助于系统模型,对真实的或设想的系统进行实验研究的一门综合技术,其原理如图1.1。图1-1系统仿真原理图采用全数字系统仿真就是指仿真模型全由计算机完成,这种仿真具有以下特点:(1经济性:系统仿真模型是在数学模型的基础上,不

24、涉及实物,同时通过反复仿真和修改模型及模型参数,使得在技术方案的选择阶段能够对各个候选子系统进行替换研究,从而简化了原先需要准备各种规格的候选子系统的工作,可以缩短研制、生产周期;(2灵活性:计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格和设计参数,所有参数都可以根据需要做任意变化,可以确定系统的最佳工作状态;(3可重复性:实际环境往往具有许多复杂的随机因素,系统性能一般不能严格按照设计要求在现场得到全面的鉴定与评价,数字仿真方法能考虑各种因素,并能精确的重复;(4可继承性:采用模块化、图形化的系统仿真方法建立的模块或子系统可以被其它系统重复使用。建模和仿真研究方便了设计者的工作,有助于混合动力系统

25、的快速开发,并且在试制阶段有助于为样车的制造和试验提供工程目标,是一种基本的和必要的工具,因而本文研究工作的落脚点就是通过仿真来分析验证的。国外对HEV的建模和仿真研究早在1970年就已将开始了,通过对几种概念车进行实验研究,积累了大量描述混合动力驱动系统行为的数据,并由此陆续产生了一些可用于混合动力系统的仿真软件,如:ADVISOR、SIMPLEV、CarSim、HVEC、CSM HEV、MARVEL、VElph等。另外,各大汽车生产厂家也有各自的仿真软件。这些软件都是基于Matlab/Simulink开发的,有的可以仿真两种或更多车型,例如:SIMPLEV可用来对仿真传统汽车、纯电动汽车、

26、串联和并联式混合动力电动汽车的性能。在众多的汽车仿真软件中,ADVISOR是美国国家可再生能源实验室专门为帮助美国能源部(DOE管理PNGV计划中的HEV项目而开发的HEV仿真软件。ADVISOR通过简洁明了的仿真模型,采用经过性能测试的各总成数据去建立实际的或想象的汽车模型,可用于构造纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车的驱动系统,能对零部件进行选型和参数初步优化,以及对不同控制方法的比较计算等等,可对传统的、纯电动的和混合动力电动汽车的性能和经济性进行快速分析和性能预测,它能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数:加速和爬坡性能、燃油经济性、排放性能等。目前,该软件已发展到2002版本,

27、可通过Intemet免费下载,所有模型代码都是开放的。该软件的特点是精确、快速、灵活、易共享和使用方便。在国内,基本上还没有较系统和成熟的HEV仿真软件,考虑到对HEV缺少实际设计经验,而且重新开发性能仿真软件的费用也比较昂贯,所以从高校及科研单位的角度,暂时只能运用国外成熟的动力系统模型和仿真技术来研究混合动力电动汽车,但开发拥有自主知识产权的开发平台是我们研究的必然趋势。电动汽车开发技术在我国得到了极大的重视:“八五”期间,电动汽车技术研究是国家科委科技相关项目,在清华大学的组织下,研制出7辆16座电动轻型客车;“九五”期间,东风汽车公司承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设计

28、”的整车研制工作;其它科研单位也进行了诸如混合方式和控制策略研究、参数匹配和性能预测研究等前期工作。到“九五”末期我国在电动汽车的三大关键技术领域(电池、电机、电控系统如电机控制,电池管理系统等方面取得了一定的突破:在传统发动机动力系统控制方面,如发动机与自动手动变速器构成的动力系统的控制,国内已有一定的研发基础:在纯电动汽车的整车控制器方面也积累了一定经验,但控制系统的结构和功能还有待于进一步的调整和完善。特别是在双能量源混合动力电动汽车动力系统的自动控制6方面才刚刚起步,包括控制算法的研究和控制器的开发等还未有完整的系统,在混合动力混合方式和控制策略研究、参数匹配方面研究也网JNil起步,

29、体系亟待完善。源于机遇与挑战,我国将继续电动汽车的科研生产工作。科技部已将电动汽车产业化列为“十五”国家863重大科技攻关项目,“十五”期间,国家计划投入近10亿元来支持电动汽车的前瞻性研究,要求混合动力电动汽车实现批量生产,并通过国家汽车产品型式认证,力争在未来最具潜力的电动汽车市场上有所作为。1.5课题来源、意义、以及主要工作本文“串联混合动力电动汽车驱动系统控制策略优化与仿真”课题,来源于我校与武汉公用客车厂等多家单位承担白q武汉市混合动力电动城市公交大客车WG6120HB”研究项目。我们知道,HEV区别于传统客车主要是其动力系统不同,可见动力系统的结构选型、参数匹配和控制策略的研究在H

30、EV开发中处于关键地位,运用HEY建模和仿真技术对于加快HEV动力系统的开发进度、提高开发水平,具有重要价值,本文针对城市公共车辆的使用要求和串联式驱动系统的优化与仿真研究,在对各种动力结构形式和控制策略进行分析的基础上,结合WG6120HB的具体情况,在保证汽车的基本使用如动力和排放要求的基础上,提出了以燃油消耗为最小目标的双能源控制策略,最后通过仿真进行验证,结果证明本策略使得该车在燃油经济性方面有较大幅度的提高。本文提出的控制策略思想简洁,具有较强的实际操作性和实用价值。同时本文的研究方法对其它类型的动力混合系统也有一定的借鉴意义和实际的应用价值。1.6本章小结本章通过对电动汽车出现的背

31、景和所面临的难题的提出,以及我国在电动汽车上进行工作的简要陈述,对本文将要研究的混合动力电动汽车控制策略及优化设计作了社会和技术意义上的说明。 武汉理工大学硕士学位论文 图2-1串联式动力系统 图2-2并联式动力系统 图2-3混联式动力系统2.2串联式混合动力电动汽车2.2.1串联式混合动力电动汽车驱动系统结构模型在混合动力电动汽车驱动系统中,联接部件的存在实现了混合动力车辆驱动系的正常工作。在串联混合动力车辆驱动系中,联接部件用于完成车载能源的联合,根据联接部件的具体位置,串联混合动力车辆具有单一能源存储联合式和多种能源存储联合式两种基本的布置方案,如图2_4所示:单一能源存储联合式9 率平

32、衡作用,即当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况,控制器控制发电机向电池充电;而当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况,电池则向电动机提供额外的电能。发动机的功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的,当汽车运行工况变化,电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时,由控制器控制发电机向电池充电(吸收发电机富余的电能或使电池向电动机放电(协助发电机供电,电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和动力控制方式,使串联式混合动力电动汽车具有如下性能特点:(1发动

33、机工作状态不受汽车行驶工况的影响,始终在其最佳 图2.5串联式混合动力电动汽车动力流提图的工作区域内稳定运行,因此,发动机具有良好的经济性和低的排放指标。(2由于有电池进行驱动功率“调峰”,发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率,因此可选择功率较小的发动机。(3发动机与驱动桥之间无机械连接,因此,对发动机的转速无任何要求,发动机的选择范围较大,可选用高速燃气轮机等效率高的原动机。(4发动机与电动机之间无机械连接,整车的结构布置自由度较大。(5发动机的输出须全部转化为电能再交为驱动汽车的机械能,需要功率足够大的发电机和电动机。(6要起到良好的发电机输出功率平衡作用,又要避免电

34、池出现过充电或过放电,就需要较大的电池容量。(7发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都有能量损失,因此,发动机输出的能量利用率比较低。串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越性主要表 系,结构示意如图26(c。单个驱动系联合式驱动系在充分利用车辆的地面附着力方面具有优势,通过合理地控制,可大大改善车辆的驱动性能,但系统组成比较庞大,控制复杂。2.3.2并联式混合动力电动汽车驱动模式与特点 图2.7并联式混合动力电动汽车动力流程图下面分析并联式混合动力电动汽车动力流程。该动力模式中,发动机通过机械传动装置与驱动桥连接,电动机通过动

35、力复合装置也与驱动桥相连,汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。电动机起“调峰”作用,即:当汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时,电动机从电池取得电能产生电磁力矩,并向驱动桥提供额外的驱动功率。有的并联式混合动力电动汽车也有发电机,但其主要作用是向电池充电,以保持电池的荷电状态(soc,即:当电池放电较多,其SOC的值较低时控制器可控制发动机驱动发电机并向电池充电,使电池的SOC恢复到设定的值,以保证混合驱动方式下的续驶里程。并联式混合动力电动汽车其发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工况所需的功率

36、选定的,当汽车在低速或变速工况行驶时,需通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出;而在汽车高速行驶,发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时,由控制器控制电动机协助驱动。并联式驱动系统因此有两条能量传输路线,可以同时使用电动机和发动机做为动力源来驱动汽车,如果其中的一条驱动线路出了问题,另一个仍然可以驱动汽车。这种设计方式可以使其以纯电动汽车,或低排放汽车的状态运行,14 武汉理工大学硕士学位论文2.4混联式混合动力电动汽车具备混联式驱动系统的汽车可以在不同的负荷条件下以串联式、并联式或者两者相结合的形式工作,它可以同时利用两种驱动形式各自的优点。有几种不同的设计方式可以把串联式驱动系统和并联

37、式驱动系统的特性结合起来。混联式驱动系统是串联式与并联式的综合。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制,输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态,因此更容易实现排放和油耗的控制目标。与并联式相比,混联式的动力复合形

38、式更复杂,因此对动力复合装置的要求更高。一种可能的设计方式是将串联式和并联式的所有部件用一离合器连接起来,使车辆在某种情况下以串联式工作,在另一种情况下则以并联式工作。根据不同的驱动条件来选择具有优势的那一种驱动方式,但是这种布置方式将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件,导致整车的尺寸和复杂程度增加。 图2.9丰I丑Prius混联式混合动力电动汽车动力流程图另一种设计方式是车田Prim所采用的混合驱动方式,它将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架,行星架将一部分转矩传送到发电机,另一部分传送到电动机并输出到驱动16武汉理工大学硕士学位论文

39、轴。这种机构有两个自由度,可以自由地控制两个不同的速度(例如:发动机的转速与差速器输入轴的转速。此时车辆并不是串联式或者并联式,而是介于串联和并联之间,充分利用两种驱动方式的优点。图2.9表示了丰Prius混合动力电动汽车的动力流程图,它的驱动系统被公认为是目前最成功的结构。图2一10为该驱动系统的具体动力部件布置图。 图2一IO丰田Prius混合动力电动汽车驱动系统结构简图2.5混合动力电动汽车各种驱动类型的比较分析最后,作为总结,我们对混合动力电动汽车不同结构模式下的动力总成模式、发动机选择范围、功率、排放、电池等参数的选择要求作了归类对比。如表2.1所示。结构模式串联式并联式混联式动力总

40、成发动机、发电机、发动机、电动/发发动机、电机/发电驱动电机等三大电机两大部件总机、驱动电机等三部件总成成大部件总成发动机发动机的选择有发动机为传统的发动机的选择有多选择范围、多种形式内燃机、功率较种形式、功率较小、功率、排放功率较大、工作小、工况变化大、排放介于串联与并稳定、排气净化排气净化较差联之间较好电池对电池的要求较总容量比串联式对电池的依赖小,高,容量大,增小,约为1/3对蓄甚至可以不需外置 武汉理工大学硕士学位论文2.6本章小结本小节主要对混合动力电动汽车驱动系统的动力匹配结构作了较具体的说明,通过对混合动力电动汽车驱动系统结构较常用的分类方法所定义的三类结构:串联式(SHEV、并

41、联式(PHEV、混联式(CHEV结构的分别介绍,我们对它们所具备的特点和区别作了较详尽的分析。通过本文的研究,我们能对不同结构的动力系统所具备的优缺点有较清晰的认识,对它们将要使用的场合有了一定的理论基础,本文最后结合实际例子说明了混联式动力结构的使用,然后对三种驱动系统结构的特点、使用状况等进行了归纳,力图能通过总结与类比,达到对不同动力结构类型有较全面了解和认识的目的。19 制SOC值。为了满足汽车加速时具有足够的电池功率,SOC值不能下降太低。为了尽可能地吸收再生制动的能量,蓄电池的电量不能充的太足。当SOC值达到一个最大值时,APU 图3.1串联式HEV中的发动机行驶里程延伸型控制方法

42、框图应该被关闭或者在怠速状态。当SOC低于某一下限值时,APU应该开启。当SOC非常低,低于最小值时,APU应该以其最大功率工作,尽快地给蓄电池充电。如图3-1表示出了串联式动力系统发动机的开启和关闭状态,它与蓄电池SOC值、需求发动机的功率、发动机前一工作状态等参数有关,它根据从功率总线向发电机发出的功率请求,计算出所需要的发动机的功率,从而满足汽车驱动和附属设备的需求。发动机功率的需求常常根据SOC的偏差数来选择。如图3.2,该控制策略有最大、最小两个偏差数可以选择,最小容许偏差数说明可以容许SOC下降的速度,这个数值与混合动力电动汽车的行驶里程紧密相关,如果这个数值选择为零。则行驶里程完

43、全由燃油箱的容量来决定(藿电池电量维持型,否则SOC 一直下降直到电池电量为零(蓄电池电量耗尽型,另外一个是最大偏差数,如果电池的SOC偏差大予此最大值,APU应尽可能地开启到最大的功率。如果电池的SOC介于容许偏差与最大偏差之间,发动机可以选择在其最小的燃油消耗点工作。否则,如果电池的SOC偏差比容许偏差还要低,发动机可以关闭或者设在怠速状态21武汉理工大学硕士学位论文图3.2SOC的偏差标准下图3.3例子描述了当SOC低于50%时,APU输出全功率(24Kw的例子,当SOc高于70%时,APu将被关闭。在最大值与最小值两者之间时,APU 输出的功率与SOC成线性关系,在这个例子中,SOC的

44、开始值选择在50%,电池的容量选择的比较小,以便在较短的仿真时间内观察其特性。 售、,.饕.:图3-3串联式HEV中SOC低于50%时的APU功率3.1.2发动机跟踪器控制模式(连续模式型如图3.4控制框图,与行驶里程延伸型控制模式相比,在该控制策略下,发动机的功率紧随车轮功率的变化而变化,这与传统的汽车运行相似。但与延长行驶里程不同的是,此种控制模式的车辆采用较大额定功率的APU和较小的蓄电池型号,其蓄电池主要用来应付所需要的峰值功率以及回收再生制动的能量,运行中保证蓄电池SOC值在循环工况终了时与循环工况开始前相等(当然,任一时刻的SOC值可能不一样,所以这种驱动类型也称为“电量维持混合型

45、”。采用这种控制策略,蓄电池工作循环将消失,与充放电有关的蓄电池组的损失将被减少到最低程度,但是,另一动力源发动机必须在从低到高的整个负荷区武汉理工大学硕士学位论文范围内运行,且它功率快速动态地变化,因此在低负荷区发动机的效率降低且排放提高,目前较常用的解决的方案是采用自动无级变速器CVT(Continuously Variable Transmission,通过调节CVT的速比,使得控制发动机沿最小油耗曲线运行,也同时减少了HC和CO的排放量。 图3-4Advisor中发动机功率跟踪器控制模型3.2并联混合动力汽车的控制策略并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟,需要进一步优化。一般的控制

46、策略通常是根据电池的SOC、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的平均功率等参数,按照一定的规则使发动机和电动机输出相应的转矩(或功率,以满足驱动轮驱动力矩的要求。3.2.1电辅助式控制策略(以车速为主要参数的控制策略在这种控制策略中,当发动机功率不足时,电机作为一种辅助能源来工作,具体描述有下面的判断程序来实现:(1当汽车车速低于某一最小值(如10kin/h时,电动机提供所有的驱动转矩。(2汽车所需要的转矩大于发动机在其工作转速范围内提供的最大值时,利用电动机来提供辅助转矩。(3电动机通过再生制动来给蓄电池充电。(4当发动机在某一转速下以较低的效率来提供所需要的转矩时,发动机被关闭,由电动机来

47、提供所需要的转矩。(5蓄电池SOC比较低时,发动机输出比较大的转矩,通过电动机给蓄电池充电。 图3-5当SOC>cs10soc时发动机工作区间图当电池SOC状态大于允许的最低SOC状态时,若汽车车速小于设定的最小车速的时候,此时发动机不工作,汽车行驶所需的扭矩由电机提供,汽车现在在纯电动状态下工作,油耗和排放都为0,当汽车车速大于设定的最小车速时,若此时的扭矩比规定的发动机扭矩要小,也由电机提供,这是为了保证发动机在低速和怠速的情况下不工作,以减少油耗和排放,从以上图形和叙述可以明显看出,当电池SOC状态在允许范围内的时候,发动机是始终运行在高效范围内的,可以改善汽车的燃油经济性和排放。

48、 图3-6当SOC>csloSOC时发动机工作点图当电池SOC状态小于允许的最低Soc状态时,电机不工作,若所需要的扭矩小于发动机的最小扭矩时,发动机实际提供的扭矩是它的最小扭矩,多余的部分用来给电池充电,以保证电池SOC状态不至于过低,从图形上看,就是从红色的圆点提升至红色的菱形处,当所需要的扭矩大于发动机的最小扭矩时,发动机实际提供的扭矩是需要提供的扭矩加上充电扭矩的和,从图形上看,既是从蓝色的圆点提升至蓝色的星点处。图37和图38描述了这种电动助力方法。在图3.7中,发动机输出所有的驱动功率(如果汽车的速度大于10km/h,并且车辆没有在制动状态。 V栅点图3.7并联式HEV在EC

49、E工况下的电动助力方法仿真在图3-8中,仿真了一个加速度测试的情况。在此例中,发动机输出最大的功率,电动机输出剩余部分的驱动功率。在这个最大加速度测试中,电动机要输出最大功率,因为加速度性能是由发动机和电动机功率之和来决定的。 图3.8并联式髓V在电动助力方法下加速测试仿真以上是最早也是最常采用的一种控制策略,它利用车速大小作为控制的依据。当汽车车速低于所设定的车速时,由电机单独驱动车轮;当车速高于所设定的车速时,电机停止驱动,而由发动机驱动车轮;当车轮负荷比较大时(如汽车急加速、爬陡坡或以较高车速爬坡时,则由发动机和电动机联合驱动车轮。这种策略利用了电动机低速大转矩的作用,避免了发动机的怠速

50、及低负荷工况。当车速较高有助于发动机有效工作时,发动机的启动可避免纯电动高速行驶时电池的快速放电损失。在这种控制策略中,发动机启动的设定车速可以设计为一个定值。也可将设定车速设计为蓄电池组放电深度的函数。武汉理工大学硕士学位论文美国K.L.Bulter等人提出了另一种基于速度的控制策略:汽车在低速行驶时,也是由电机单独驱动车轮;但当车速高于所设定的车速时,则采用了混合驱动。此时,发动机保持在一个恒定的节气门开度运行,而由电机提供车轮所需的动态功率。通过提高发动机启动的设定车速并保持蓄电池组的SOC在驾驶循环前后不变,可以减少发动机工作的时间。这种控制策略有利于减少汽车的排放,但电机及蓄电池组的

51、功率较大,增加了整车自重和成本。对于采用上述控制策略的荷电维持型混合动力汽车,还需要监视蓄电池组的SOC,当SOC降到某一设定值以下时,无论此时车速多低,发动机将启动,同时一部分发动机功率通过发动机向蓄电池组充电。3.2.2自适应控制策略这种控制策略也叫实时控制,它同时考虑了发动机的燃油消耗和排放,在每时间步,都根据这一规则将扭矩需求合理的分配给发动机和电机,以到达优化燃油消耗和排放的目的,在实际中,燃油消耗和排放同时达到最优化是不可能的,这种控制策略实际上是两种情况的折衷,如下图39所示:图形中的黑实线代表发动机的最大扭矩线,图形中的每一个椭圆形区域,表示当发动机扭矩和转速在这个区域时,相应

52、的值是最优的,比如:在High MPG区中,若此时的扭矩为160Nm,转速为1700rpm时,发动机的燃油经济性最好,以此类推,从图形上我们可以清楚地看到,要想同时达到最优,发动机只能在很小的区域运行,但车辆的实际运行情况非常复杂,要想保证发动机仅仅只运行在一个很小的区域是不可能的,所以自适应控制策略实际上是上述情况的一种折衷。图3-9发动机扭矩区间图对自适应具体的描述为武汉理工大学硕士学位论文首先,发动机的瞬时效率,排放装置,电机和电池都包含在汽车优化中,发动机,电机,电池的温度,制动能量回收的数量等等参数通过自适应控制策略在驱动条件的基础上不断调整自己,从而达到由用户自定义燃油经济性和排放

53、目标,对于每一个操作点来说,自适应控制策略都把电机.发动机的转矩联合起来定义优化操作点,汽车整体性能是由每一时间步的最优燃油经济性和排放叠加的结果。在自适应控制策略中,我们采用是如下步骤:(1对于当前的扭矩需求,根据电机可以提供的扭矩值,定义出发动机的候选操作点的范围,即:T_eng=T_requestratio*Tmotor;Ratio:电机到发动机的扭矩合成比(2由于自适应控制的优化目标是燃油消耗和排放都要尽可能的小,所以,对应于每一操作点,计算出影响优化问题的各组成成分的值,步骤为:首先,计算出发动机的燃油消耗,再计算出电机的能量消耗转化成发动机的燃油消耗系数,然后由a、b折算出汽车的总

54、体能量消耗,最后计算出发动机的排放。(3由于发动机的燃油经济性和排放是相互冲突的,经济性好的点排放并不一定好,为了解决冲突的阀题,因此,对应于每一操作点,根据上一步计算出的结果,我们要制定出一个优先权的问题,在这里,我们将这五个因素转换成相同的无单位的系数(范围从O1,记为K。_n(4应用用户的自定义系数,记为K_u。我们从上一步计算出了各个因素的相对值,由于用户的不同需求,可以以其中的菜一个值为重,例如:若优化目标以燃油经济型为主,可将这一项的系数乘以一个相对较大的权,而其余的可取小的权,这样定义出优化的目标函数。(5应用目标标准权,记为K t。上一步中,我们根据用户的不同需求定义出了一个权

55、值,仅仅有这一个值是不够的,因为我们的优化问题还和制定的限制目标有关,例如:在PNGV计划中,第二阶段中的LEV制定的燃油经济型的指标是80mpg,排放指标是CO3.49/km等等,因此还有一个权值是对应的限制目标函数的,七一汪毪掣(6计算出总的影响系数,它是第三步到第五步的综合系数,记为K_i武汉理工大学硕士学位论文一最后,在第六步的操作点范围中找出它的最小值,即最优点。3.3本章小结本文详细分析了串联式混合动力电动汽车行驶里程延续式和发动机跟踪式控制策略,为加强对比,本文还对本课题组进行的并联式混合动力电动轿车的控制策略如电辅助式,自适应控制式等控制策略作了介绍。通过它们的介绍,我们可以深

56、入理解各种控制方式的适应范围和各自特性。武汉理工大学硕士学位论文第4章WG6120I'IB驱动系统选型及优化控制与仿真通过前三章的介绍,我们对混合动力电动汽车的发展背景和面临的难题,对混合动力驱动系统中各种结构形式和动力系统各组成元件的分析,以及在此基础上对各类动力控制策略作了较详尽的分析对比,据于前述理论和知识基础上,我们在满足WG6120HB实际运行工况要求的基础上,首先通过满足该车所需达到的动力要求,对其基本结构进行了选定,然后,我们建立了以控制汽车的燃油消耗最小为目标函数和相应的数学模型,在模型中我们采用前述“电量维持型”控制思想(即汽车运行一个行驶工况之后,蓄电池的SOC值重

57、新返回到初始状态,通过对目标函数和约束条件的二次规划,提出了双能量源系统进行功率的动态分配的最优策略,最后,本章通过NEDC(New European Drive Cycle行驶工况为参考工况,对WG61250衄汽车的燃油消耗状况进行了仿真分析,并由此得到了较为理想的结果,证实该控制方案的可行性。4。1传动系主要参数设计混合动力汽车动力传动系各部件特性、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。目前大多数混合动力汽车采用小排量发动机配大功率电机、电池组或中排量发动机配中功率电机、电池组的结构方式,由于电池组容量大,导致整车自重较大,整车制造成本及使用费用昂贵。为了减小电池组容量,同时又保留混合动力汽车低油耗低排放的优势,作者对串联型混合动力汽车发动机的功率、交流感应电动机的特性、主减速器速比和转矩合成器速比等参数的设计及其合理匹配进行了研究。4.1.1参数及动力性指标以武汉理工大学和武汉公用客车厂共同研制的串联混合动力大客车作为原型车,其整车参数如表4.1所示。武汉理工大学硕士学位论文整车参数毒:数值满蛾息质量M(kg13500整车整叠质量m(kg9500空气阻力系数CD079迎风筒积A(m萄747车轮滚动半径口(m0j传动总刘障nt09滚动阻力最数,000938变速瓣琏比128空谢跌脯耳崔喷蛾:5kv,g.附件负戴P