混合动力电驱动（精选8篇）
混合动力电驱动 篇1
混合动力电驱动系统HEDS (Hybrid Electric Driving System ) 采用高性能电动机作为动力部件, 同时配有电能存储单元与燃油作为系统的能源供给,具有较高的系统功率密度和灵活的控制性能。 通过合理利用多种能量源的技术优势,可以实现较单一能量源系统更高的工作效率。 HEDS是目前工程机械、车辆、航空等领域中大功率驱动系统的重要设计方案之一,尤其是随着近年来控制技术、总线通信技术和电力电子技术的迅速发展,HED系统的应用日益广泛[1,2,3,4]。 由于采用了多种能量源协同工作,系统控制算法是HEDS研发过程中的重要环节[5]控制算法的研究对于提高HEDS控制效果、 动态性能和工作效率等都具有重要意义[6,7]。
本文首先采用有限状态机理论针对HEDS进行建模与分析, 进而基于多变量模糊控制对控制算法进行设计, 提取关键控制规则进行优化, 最后通过Matlab系统仿真,对所提出的控制方案进行了仿真验证。
1 HEDS系统建模
一个典型的HEDS由发动机、 耦合器、 电动机、 逆变器、动力电池组等组成。 电动机作为系统中的机械功率输出装置, 通过逆变器来连接直流母线, 电机控制器实时地通过变频控制来调节电动机输出功率、发动机燃烧燃油, 以此带动小型永磁同步发电机发电, 与电池共同组成混合动力能量源, 为电动机提供电能供应。 为了对HEDS进行数学描述, 系统根据不同的控制决策在不同的工作模式之间进行实时切换。
为了对控制算法进行研究, 需要对每种动力部件的数学模型进行进一步的详细描述。 动力电池组是一个复杂的非线性时变系统, 为了避免模型过于复杂, 忽略温度和使用寿命对电池特性的影响,采用简化的内阻等效模型, 将电池组视为一个包含可变内阻的电压源, 电池组的输出为端电压与端电流。 发动机建模采用稳态实验数据加一阶延迟修正的双PI控制模型,其中,第一个P控制环表示发动机的输出功率调节,控制器根据系统需求功率和发动机实际功率调整发动机目标工作转速;第二个PI控制环为发动机的力矩控制, 控制器根据发动机目标转速与实际转速之差控制发动机的工作力矩,发动机与电池组的数学模型如式(1)~式(4)所示。
其中,Te为发动机力矩,Tm为电机力矩,f为延迟函数,τ为时间常数,坠t为传动效率,is为电机传动比,Tr为发动机负载力矩,Pre为需求功率,Pe为发动机实际输出功率,χne为发动机转速控制信号,ζTe为发动机转速控制信号,fPI与 λPI为PI控制函数,Ubat和Ibat分别为动力电池组的端电压与输出电流,Rn为内阻,Vbat为电池组开路电压,ξbc为电池组的库伦效率,Pbat为电池组输出功率。
考虑到模型的动态特性, 电池组的开路电压Vbat与内阻Rn都是与电池组当前的电荷状态So C (State of Charge ) 有关的变量, So C采用电流积分算法法进行估计:
其中,Q为电池组初始容量,Qmax为电池组最大容量,Kυ为电池衰老对So C影响的修正系数。
2 模糊控制算法
基于上述模型对控制策略进行设计与优化,HEDS控制的核心问题在于使整个系统实现工作效率需求的同时协调控制多个工作单元,从而使效率达到最优。 工作效率分两个层次:(1) 单个工作单元自身的效率最优,例如早期的发动机自身效率达到最优曲线控制算法等,这一类控制思路虽然简单有效,但个体的最优不等于整体的最优; (2)通过个体单元之间的协同控制,实现整体的最优,即基于系统优化的控制策略。 为了实现上述系统效率最优控制, 同时使系统可以体现出良好的工作效果, 必须通过模糊控制算法来实现HEDS的逻辑控制。模糊逻辑结构采用2 输入1 输出的T-S型结构,首先将电池So C与负载功率作为模糊输入进行模糊化处理, 进而输入到T-S模糊控制器中,模糊输出为发动机的目标功率, 通过模糊规则来决定系统的模糊输出, 输入与输出的隶属度函数如图1 所示。 解模糊的过程采用重心法,模糊运算采用Zadeh算法,如式(6)所示。
其中,J与Q表示隶属度函数,x表示触发隶属度规则的模糊变量。
仿真过程采用美国US06 工况作为速度运行工况,结合上述模糊隶属度函数设计HEDS模糊控制规则。 系统中电动机的输出功率由综合控制器根据驾驶员踏板信号决定,因此模糊控制算法主要解决了电动机的功率在发动机发电机组与电池组之间的合理分配。 模糊规则的主要设计思路是在满足系统功率需求的前提下,负载功率越高则发动机输出功率也越高;负载功率越低则越倾向于发动机不输出功率。 当电池组So C越低时发动机输出功率越高;电池组So C越高时,则发动机输出功率越低。 列举部分模糊规则如下:
其中, K1, K2, … Kn为n条模糊控制规则的输出系数:
上述模糊控制规则反应了输入与输出的模糊逻辑对应关系,在建立的过程中依靠模拟人工智能来体现混合动力系统的设计经验。 显然这样的控制算法虽然具有智能性, 但却无法实现效率的最优, 因此有必要对模糊算法进行进一步的优化。 通常对模糊的优化主要分为两种, 一种是对隶属度函数进行优化, 另一种是对模糊规则进行优化, 本文采用第二种思路, 即对模糊规则进行优化。 每条模糊规则中均含有一个待定系数Ki, Ki的选取对于发动机发电机组与电池组的功率分配起着直接作用。 对模糊控制算法建立优化模型,因为每一个Ki对应着每一条模糊决策下的发动机输出功率,通过查表最优曲线则可以得到不同的发动机效率。 因此可以将系统效率写成关于Ki的函数,同时将优化目标函数定为系统效率的倒数,即可以得到优化目标函数的表达式如式为:
约束条件为:
其中, So C_Low与So C_High为电池组So C的下限与上限,Pe_max为发动机最大功率,Pm为电动机功率,Pm_max与Pm_min为电动机峰值功率与最低功率,ξm、 ξe与 ξbat为电动机效率、发动机效率与电池组效率。
3 Matlab仿真分析
为了对所提出的模糊控制策略及其优化方法的正确性和有效性进行验证, 对建立的模型及速度工况在Matlab中进行系统仿真, 仿真过程采用固定步长0 . 01 s 。仿真结果如图2 所示。 可以看出电池组的输出电流始终控制在-100 A~+200 A区域内的电池组效率较高, 同时较低的电池充放电电流有助于提高电池使用寿命。 仿真结果同时表明, 发动机功率在低功率时处于关闭状态,当发动机开启时则大部分时间处于中高功率区间,避免了低功率工作状态,有助于控制降低发动机排放。
在整个仿真工况中随机抽取18 个观测点, 与未优化前的系统效率进行对比,结果如图3 所示。 可以看出未优化前平均效率为75.8% ,经过优化后系统效率有了明显提高, 平均效率达到81.4% , 提高了5.6% , 表明所设计的模糊控制算法及其优化方法合理有效。
本文建立了混合动力电驱动系统的数学模型, 并基于该模型进一步提出了多变量模糊控制算法,进而对模糊规则进行了优化。 Matlab仿真表明所设计的模糊控制算法使混合动力系统实现了良好的控制效果,工作效率有明显改善,优化之后的混合动力电驱动系统效率较优化之前提高了5.6%。
参考文献
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[7]何玮,刘昭度,杨其校,等.汽车嵌入式SoC系统的应用与发展[J].电子技术应用,2005,31(4):18-21.
混合动力，驱动小机新时代 篇2
怎样才算时尚?怎样才算小巧?怎样才算个性?怎样又才算是今天最酷的电脑?
7月30日，戴尔在中国面向全球发布了其对超小型电脑的独到诠释——一款拥有全新的混合设计理念的小巧型消费台式机Studio Hybrid。近年来科技产业似乎格外偏好混合、融合或是混搭之类的设计概念。今天，戴尔的Studio Hybrid作为Studio家族的最新成员，也大胆地将这种时髦的理念融入其中，对小型家居电脑做出了全新的演绎。
Studio Hybrid采用了圆润时尚的外观设计，苗条的机身比典型的台式机小了约80％。其立卧皆宜的机箱，配合6种半透明颜色或竹质地的扁桶形可更换外壳，可以轻松放置于家居环境的任何位置。它装备了大量高效能、低功耗的笔记本电脑部件，比标准台式机部件消耗更少电能，符合能源之星4.0(2级)，能源利用率达到87％。此外，针对环保概念，戴尔还特别在StudioHybrid里对包装和打印文档等纸质材料进行了缩减，并全面采用环保型可回收材料，实现了95％的可回收利用率。点评：作为全球首测的IT专业媒体评测实验室，我们评测工程师们在拿到这台全新的戴尔Studio Hybrid时，的确也都为之一震，这种感觉，完全不亚于当年苹果Mac mini来袭。至少，单就其主机外形而言，真的已经达到了超脱戴尔传统沉稳的商业形象的效果，充满了艺术气息。它巧妙地将吸入式光驱和前置多合一读卡器、USB等接口隐藏在了主面板的周边进风槽内，而顶部只有一个带指示灯的电源开关按键，完全和面板融为一体。
混合动力电驱动 篇3
就控制来说, 需要明确的就是控制谁和如何控制的问题。针对PHEV汽车控制目标有[1]:更加理想的油耗、排放、成本以及操控性能。同时还需要考虑:如何使发动机工作在更理想的工作区域来保证很高的工作效率;如何减少发动机的动态波动使得发动机工作转速稳定;如何加入发动机的相关保护措施如开启关闭的控制、最低转速的控制等;如何加入电池的监控保护措施如使得电池工作在合理安全的电压、容量总保持在合理的状态灯;如何让模式选择更加合理例如城市拥堵区域的零排放模式等。
2 电辅助控制策略分析
电辅助控制策略利用电子系统控制精确快速的特点, 控制电动机, 在PHEV汽车行驶过程中, 辅助发动机保证汽车的动力性, 同时使电池的SOC在合理范围, 从而对车辆来说体现出理想的动力性、经济性和排放性。
图1为工作情况示意图。当SOC小于cs_lo_soc (最低SOC限值) , 工作扭矩小于发动机的最小输出扭矩, 此时发动机以最小输出扭矩工作, 超出部分用于对电池的充电扭矩。
图2指出了某镍氢电池的工作区和需主动充电区[2]。电池在PHEV工作室存在主动充电和被动充电, 主动充电就是发动机带动电动机进行充电, 而被动充电就是在制动过程中由于车辆惯性带动电动机对电池充电。
其中:Maximum Torque Envelope为最大扭矩曲线;Minimum Torque Envelope为最小扭矩曲线;Off Torque Envelope为发动机关闭曲线;Electric Launch Speed为发动机转速门限;SOC为电池的荷电状态 (State of Charge) 。
汽车启动和低速运行时, 开启纯电动模式, 降低排放和油耗;当工作扭矩小于发动机的最小输出扭矩, 此时发动机以最小输出扭矩工作, 超出部分用于对电池的充电扭矩;当所需扭矩大于发动机峰值扭矩的时候, 开启联合工作模式, 电动机提供峰值扭矩。工作过程中制动优先, 也就是优先判断是否有制动信号, 如果有制动信号即进入制动模式。
图4为在Matlab/Simulink中的仿真模型, 图中红色区域消耗电能、绿色区域为补充电能区域, 纯电动起步阶段和峰值功率阶段以及发动机关闭纯电动模式下电池放电, 在发动机工作扭矩富余以及制动模式下给电池充电[3]。
如图5是最小扭矩子模型图, 为保证发动机不在低效率区工作, 通过计算得到某速度下的最小扭矩, 同时判断SOC是否小于目标的SOC, 如果小于, 发动机输出扭矩用于充电, 如果不小于, 发动机不输出扭矩。
之前所计算出来需要的发动机扭矩必须在发动机的状态下才有意义, 发动机只在以下情况同时满足时启动: (1) 钥匙门接通时; (2) 当处于怠速工况时, 转矩过高、转速过快; (3) 车辆速度超过启动速度限值; (4) 需要转矩达到发动机启动转矩下限或电池SOC值低于规定值。
如果发动机迁移时刻运转变速器换挡时发动机也要继续运转, 防止换挡过程中发动机瞬间关闭。
3 总结
本文配合在Matlab/Simulink中的仿真模型, 对并联混合动力汽车动力系统的一种典型控制策略———电辅助控制策略进行了分析, 为并联混合动力汽车的控制策略优化研究提供了一定理论基础。
参考文献
[1]张欣, 郝小健, 李从心, 岑艳.并联式HEV电动汽车动力系统控制方式的仿真研究[J].汽车工程, 2005, 27 (2) :141-145.
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混合动力电驱动 篇4
随着世界汽车保有量的急剧增长,人们越来越意识到传统的内燃机汽车对人类环境带来的危害。人们对生存环境的要求越来越高,降低汽车有害排放的呼声与日俱增。环境保护的迫切性和石油储量日见短缺的压力,迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。经过对各种新燃料、新能源和新动力的探索,电动汽车成为最主要的选择之一。
纯电动汽车由于关键部件之一的电池能量密度、寿命、价格等方面的问题,使得其性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡,在发展中受到了技术上的制约,产业化前景并不看好【5】。
混合动力电动汽车是指采用了两种动力装置(内燃机和电动机),通过储能装置(蓄电池等)和控制系统对能量的调节,能实现最佳的能量分配,达到整车的低排放、低油耗和高性能的混合动力汽车,融合了燃油汽车和电动汽车的优点,是最具有市场价值的低排放和低油耗汽车。
1. 混合动力汽车概述
配置有两个或更多个能源及其能量变换器的车辆被称作混合动力车,当其携带有电器的动力系(能源及能量变换器)时,进而被称为混合动力电动汽车。
混合动力汽车的关键是混合动力系统,它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。混合动力汽车的驱动系通常有不多于两个的动力系组成,多余两个动力系的结构使其更加复杂化。为了达到回收在传统内燃机车辆中以热形式消耗的部分制动能量的目的,通常的混合动力驱动系含有一个双向的能源及其能量变换器。如图1展示了混合动力电驱动系的概念,以及可能发生的各种动力流通路【1】。
根据不同的负载需要,混合动力的工作模式可分为以下模式:
a.动力系1单独向负载提供动力。这一模式可应用于蓄电池组近乎完全放电,而发动机没有剩余功率给蓄电池充电的情况;或者可应用于蓄电池组以完全充电,而发动机能供应足够的动力去满足车辆动力需求的情况;为发动机单独驱动模式。
b.动力系2单独向负载提供动力。这一模式可应用于发动机不能有效的运行的场合;为纯电动模式。
c.动力系1和2同时向负载提供动力。这一模式可应用于需要大量动力供给的情况;是混合牵引模式。
d.动力系2由负载获得功率(制动再生能量)。这一模式应用于车辆的动能或位能回收转化成电能,储存在蓄电池中;是再生制动模式。
e.动力系2从动力系1中获得能量。这一模式中没有动力应用于负载或来自负载,车辆处于停止、惯性或滑行等状态;是发动机向蓄电池组充电的模式。
f.动力系2从动力系1和负载中同时获得能量。是同时存在再生制动和内燃机向蓄电池组充电的模式。
g.动力系1同时向负载和动力系2提供动力。是发动机驱动车辆和向蓄电池组充电同时存在的模式。
h.动力系1向动力系2提供动力,同时动力系2向负载提供动力。这一模式是发动机向蓄电池组充电,同时蓄电池组向负载供应功率。
i.动力系1向负载提供动力,同时负载向动力系2提供功率。这一模式是借助车辆的质量,来自于热机的动力流进入蓄电池组的模式。
混合动力电动汽车中,各种电驱动系的运行模式形成了优于单动力系车辆的更多的灵活性。由特有的结构和控制,采用对每一特定运行工况的专用模式,能够优化车辆的全面性能、效率和排放【1】。
2. 混合动力驱动系的构造
混合动力电动汽车根据动力传输路线可分为以下4种形式:串联式、并联式、混联式和复合式(如图2)
3. 我公司HEV的研究
3.1 商用汽车现状
混合动力系统目前已在乘用轿车上有成功的经验,但在重型商用卡车上使用较少,主要原因是相对于乘用轿车的使用环境和用途来说,重型商用卡车作为人们的生产工具,主要使用环境比较恶劣,经常在建筑工地、长途非高速公路满载,更多的是超载情况下使用,这就要求混合动力系统具有更高的安全可靠性,导致成本过高。但金融、能源危机的影响,混合动力系统能够提高燃油经济性;而且混合动力特有的减速制动能量回收系统能够减少能量的损失;同时混合动力系统能够减轻汽车尾气排放的污染,对生存环境的保护有利;随着技术的不断发展,成本在逐渐下降。
Volvo公司已经研发成功一款混合动力城市垃圾车——the Volvo FE Hybrid(a hybrid truck for distribution and refuse collection)。Volvo-FE混合动力商用汽车驱动系结构如下图3所示,这套驱动系统中1为柴油发动机,2为离合器,3为I-SAM电动机,4为变速箱,5为能量管理单元,6为蓄电池组,7为能量转化器。图中整个蓝色部分为电气部分,其中I-SAM电动机也具有发电机的功能,可以给蓄电池组6提供(回收)能量。该系统的核心是能量管理单元,他控制着柴油系统和电气系统的能量供给以及电气系统的能量回收。
3.2 我公司研究现状
我公司为专业的商用汽车生产企业,已经研发成功某型号的混合动力商用汽车。该混合动力商用汽车采用并联式结构。考虑到设计的复杂程度和成本,选用双离合器形式动力分配机构,其整车技术方案如图4所示。
3.3 并联混合动力商用汽车驱动系结构设计
并联式混合动力电动汽车的动力系统主要由发动机、电动机、电池组、电机控制器等总成组成。和串联式混合动力电动汽车不同的是,发动机和电动机是以机械能叠加的方式来驱动汽车,可以组合成不同的动力模式。发动机功率和电动机功率分别约为电动汽车所需最大驱动功率的50%-100%(最大),其能量利用率高,因此,可以采用小功率的发动机与电动机,使得整个动力系统的装配尺寸、质量都较小,成本较低,行程也可以比串联式混合动力电动汽车的长一些,但布置结构相对复杂,实现形式也多样化。
并联式混合动力汽车的驱动模式有:驱动力复合式、双轴转矩复合式、单轴转矩复合式、转速复合式等。根据混合动力汽车所用的各种类型的动力分配机构的分析,并结合我公司PHEV的技术要求,考虑到设计的复杂程度和成本,最终选用单轴转矩复合式并联驱动模式。输出转矩可表达为单轴并联结构的动力合成方式为转矩合成。其传动系输入端的转矩计算公式为Ttqreq=Ttqe+Ttqm·ρ
其中,Ttqreq—传动系总转矩;
Ttqe—发动机转矩;
Ttqm—电机转矩;
当ρ取1时,两个动力源转速相等,而转矩各自独立,无比例关系,传动系总转矩是发动机转矩和电动机转矩之和。
动力系统的工作模式如表1所示,表1中,“0”表示发动机/电机不工作;“1”表示发动机/电机工作,此时的电机用作电动机;“-1”表示电机用作发电机,用来发电;“+”表示离合器接合,“-”表示离合器断开。
3.4 并联混合动力商用汽车驱动系总体控制设计
混合动力汽车总体控制方案基本上分为两大类,即分布式和集成式。所谓分布式是指设置独立的整车控制单元,同时整车控制单元和各总成控制单元之间相互独立。PHEV商用汽车采用分布式层次化的控制方案,如图4所示。混合动力系统属于多能源动力系统,各个子系统之间需要协调工作才能实现混合动力系统在各个工况下的功能,从而体现混合动力系统在提高燃油经济性和排放性能方面的优势。整个系统的控制策略主要由多能源动力总成管理系统来完成。
多能源管理系统根据驾驶员的各种操作(钥匙、油门踏板位置、制动踏板位置、档位等)以及各个子系统当前状态进行判断,确定各子系统的运行模式并对其进行相应的能量分配以及协调控制。最后多能源管理系统将控制信号发送给对应的子系统的控制器,由各个子系统的控制器完成对相应子系统的调节和控制。
本方案主要控制思想是将动力总成系统中的电机作为灵活变化的被控部件,利用电力系统反应迅速、控制准确的特点,在电动汽车行驶过程中,随工况需求变化配合发动机进行电机实时调控,。使动力总成的能量输出在满足汽车动力性要求的同时,确保动力电池组的SOC维持在合理的范围内,并使整车获得良好的燃油经济性和排放特性。
3.5 电机选型及参数匹配
混合动力电动汽车与传统发动机汽车不同,它有两种车载动力源。按照两种动力源不同能量的搭配比例,混合动力车辆有四种类型。图5用图形的方式,可表达出微混合、轻度混合、全混合、可外接电源充电混合系统之间,电池、电机、内燃机能量搭配比例的差别。
3.5.1电机性能参数确定
1)、以纯电动最高车速确定电机额定功率
式中:
PN—驱动电机的额定功率(kW),
ηT—整车传动系效率,
m—整车最大总质量(kg),
fr—滚动阻力系数,
CD—空气阻力系数,
A—迎风面积(m2),
V—纯电动最高车速(km/h),
2)、以常规车速确定电机额定转速
其中:nN—电机额定转速(rpm),ig—传动比,i0—主减速比,uN—常规车速(km/h),r—滚动车轮半径(m)
3)、以额定功率/转速确定电机额定转矩
其中:MN——额定转矩(Nm)
4)、以最大爬坡度确定电机短时工作时的最高转矩
电动机性能分为连续工作性能和短时工作性能,其连续工作特性曲线由电机的额定值来确定,短时工作特性曲线是由电机过载一定倍数之后的转矩功率特性曲线。由上面公式计算后所得的参数便可满足以下基本原则:
用电机的额定工况计算电动汽车的最高车速
用电机的短时工作性能曲线计算车辆的最大爬坡度
电动汽车的常规车速应落在电机的基速上
电动汽车最高车速功率平衡点应落在电机连续工作性能曲线的等功率段上
3.6 发动机功率范围的确定
根据PHEV商用汽车要满足的技术指标,发动机与电机联合驱动时要满足该车混合驱动时动力性能指标。发动机功率选择的原则是确保在PHEV商用汽车的经济巡航车速下,发动机工作在万有特性图上经济性最佳的区域,此时发动机单独驱动车辆并可以承担一定的充电功率,功率大小参看公式
式中,eP——发动机匀速时的功率
ηT——传动系效率
ma——整车质量
CD——空气阻力系数
V——经济巡航车速
A——迎风面积
fr——滚动阻力系数
在整体考虑整车运行状况,对发动机功率进行修正时,还应当加上附件功率Pacc(特别是有空调时)、1%～2%的爬坡功率iP和10%(经验值)的充电功率Pbc,即公式
另外还要考虑发动机的噪声和振动、可靠性、使用寿命、维护成本、运行成本以及安全性能等因素。
结束语
目前,混合动力商用汽车的研究已经越来越深入,但大部分研究还停留在样车阶段,距离真正的产业化之路还很长。我公司通过对混合动力汽车技术方案的确定,根据动力分配机构的分析,结合商用卡车不同于乘用轿车的独特使用环境,确定出所设计的混合动力商用汽车驱动系统结构,设计出总体控制方案以及针对不同工况下的控制策略,并对电动机及发动机的参数进行设计选择,最终设计出我公司混合动力商用汽车。而且经过各种仿真计算,各项性能指标均能达到设计要求,体现了混合动力驱动系统相对于传动柴油驱动的优越性。但在研究中还存在一些问题,我们将在下一步的研究中进行验证研究,并为下一轮深度混合动力商用卡车开发研制提供有价值的指导。
参考文献
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混合动力电驱动 篇5
混合动力汽车(HybridElectricVehicle,HEV)的动力耦合机构将发动机和电机的动力进行耦合,动力耦合方式决定了HEV的结构方案和控制难度[1]。日本、美国和欧洲HEV起步较早,开发出功能完备、性能稳定且全面的动力耦合机构。我国混合动力技术起步较晚,目前研制的HEV动力耦合机构与国外同类产品相比有很大差距。近年来,混合动力技术正向农业机械与工程机械等领域渗透和发展。本文对HEV动力耦合机构的功能、类别、控制要求和发展趋势进行了详细阐述,对于HEV以及工程机械和农业机械的混合动力化研究具有一定的参考意义。
1 混合动力汽车分类
1.1 串联式混合动力汽车
串联式混合动力汽车(SeriesHybridElectricVehicle,SHEV)的动力系统由发动机-发电机组和驱动电动机组成,如图1所示[2]。
发动机的动力全部用来驱动发电机发电,一部分电能直接供给电机驱动车辆,剩下的电能储存到电池中。当SHEV的负荷较高时,电池的电能释放出来,协助发电机共同驱动负载。SHEV的特点是发动机工作点不受车辆的实际运行工况影响,可以保持发动机在低能耗、高效率和低污染的状态下运转,但机械能-电能-机械能的二次能量转化影响了SHEV的总体节能效果。清华大学和南车电力所共同开发的LCK 6110GHEV就是这种类型。
1.2 并联式混合动力汽车
并联式混合动力汽车(ParallelHybridElectricVehicle,PHEV)的动力系统由发动机、电动/发电机组成。PHEV的特点是发动机、电动/发电机均能够单独驱动车辆,发动机和电动/发电机也可以联合驱动车辆,传动效率较高,控制难度大。PHEV的动力耦合部位大致可分为:一是在发动机输出轴处进行耦合;二是在变速器后进行耦合;三是在驱动轮处进行耦合。本田公司的Insight采用的是在发动机输出轴上进行动力耦合。
1.3 混联式混合动力汽车
混联式混合动力电动汽车(Series-ParallelHybrid ElectricVehicle,S-PHEV)是综合SHEV和PHEV优点的一种车型,其动力系统由发动机、发电机和电动机组成。发动机以经济负荷运转,发电机的发电负荷根据整车负荷而定。整车负荷较低时,发动机输出的功率一部分用于直接驱动车辆,另一部分用于驱动发电机发电;整车负荷要求高负荷时,发动机和电机共同驱动。P-SHEV在各种行驶条件下都能发挥良好的经济性和排放性,是最理想的混合动力驱动方案,但结构复杂,制造成本高,且控制难度大。P-SHEV的代表产品是丰田公司的Prius,其动力系统布置如图2所示[3,4]。
1.4 插电式混合动力汽车
插电式混合动力汽车(Plug-In Hybrid Electric Vehicle,Plug-InHEV)是一种能极大减少燃油消耗的HEV。Plug-InHEV能够单独依靠电池行驶很长周期。当电池SOC较低或整车负荷较高时,发动机仍然可以像PHEV一样单独驱动或联合驱动,可以使用家用电源对其电池快速充电。Plug-InHEV实质上是PHEV的延伸和扩展,但它匹配的发动机功率比PHEV小,电机和电池功率比PHEV大。
1.5 增程式混合动力汽车
增程式HEV是在纯电动汽车的基础上加装了一个小型发动机-发电机组,可以做到“边行驶边充电”,以延长纯电动汽车的蓄驶里程。增程式HEV从本质上说属于SHEV。
2 动力耦合机构的功能
虽然HEV的种类繁多,结构形式各异,但其实质都需要将发动机和电机的动力耦合并向驱动轮输出。各种混合动力车型的动力耦合方式存在很大差别,但它们的功能基本相同,总结起来有以下4点[5]。
2.1 动力耦合功能
实现两个或多个动力源的转速、转矩和功率的合成,形成驱动车辆的动力,保证各动力源输出的动力不发生相互干涉,每个动力源可以单独驱动车辆,也可以两个动力源共同驱动,不影响传动效率。在必要的时候,还可以将一个动力源输出的动力进行分解。
2.2 能量反馈功能
再生制动功能是HEV的4种节能途径之一[6],它利用汽车制动时的动能拖动电机发电。这个过程需要保持驱动轮与电机的机械连接,并与发动机断开连接,动力耦合装置应能实现这种功能。
2.3 模式切换灵活方便
混合动力汽车经常需要切换驱动模式,模式切换应该平顺无冲击。动力耦合装置应该结构紧凑,与动力传动系统的其它部件配合紧密,控制便捷可靠。
2.4 辅助功能
动力耦合装置应该能满足HEV在起步阶段的低速、大扭矩需求,避免传统汽车在起步离合器上消耗的能量。另外,该装置还能够利用电动机的反转特性或改变发动机转矩传递方向实现倒车功能,进而取消变速器的倒挡机构。
以上4种功能中,前两种属于基本功能,后两种是HEV发展到一定阶段才能实现的高级功能。目前,国内HEV的动力耦合装置基本实现了前两种功能,后两种功能还有待于更深入地研究。
3 动力耦合机构的分类
根据HEV动力耦合方式不同,将HEV分为转矩耦合式、转速耦合式、牵引力耦合式以及混合耦合式等4类[7]。
3.1 转矩耦合式
各动力源输出的转矩相互独立,且转速符合一定的比例关系。动力耦合器输出的转矩等于各个动力源转矩的线性和[8],这类耦合方式还可以细分为以下3种。
3.1.1 齿轮耦合式
图3为一汽开发的混合动力城市客车结构简图。它采用一对常啮合圆柱齿轮作为动力耦合机构,将发动机和电机的动力合成。这种耦合方式结构简单,可以实现单输入、双输入和再生制动等多种工作模式,传动效率高,控制简单。但由于变速器一轴上增加了电机转子和一对常啮合齿轮,转动惯量变大,使变速器换挡困难,且齿轮是刚性啮合的,在模式切换过程中易产生纵向冲击,影响HEV的乘坐舒适性。
3.1.2 磁场耦合式
将电机转子和发动机曲轴布置在同一轴线上,通过电机的励磁控制将电机转矩和发动机的转矩耦合,如图4所示。本田公司的集成电机助力系统(IntegratedMotorAssist,IMA)和长安集团的启动/发电一体化电机系统(IntegratedStartedGenerator,ISG)均采用该种耦合方式。这种耦合方式效率高,结构紧凑,冲击小,制动能回收方便,但增加了发动机到变速器的轴向长度,对于汽车的可靠性不利。电机转子增加了变速器的转动惯量,使换挡困难。目前,这种结构多用于轻度混合的电动车上。
3.1.3 链或带耦合式
这种耦合方式通过链条或皮带将动力源输出的动力进行合成,如图5所示。一汽开发的奔腾混合动力轿车采用的带传动耦合方案(Belt-DrivenStarterGenerator,BSG)就是这种结构。这种耦合方式结构简单,冲击小,但传动效率低。
3.2 转速耦合式
转速耦合是指两个动力源的输出动力在耦合过程中动力源的输出转速相互独立,而输出的扭矩成一定比例,最终合成的转速等于两动力源转速的线性和[9]。根据驱动结构的不同,转速耦合方式又可分为行星齿轮式和差速器式两种。
3.2.1 行星齿轮耦合式
图6为北京理工大学与华沙工业大学合作开发的行星齿轮动力耦合装置。该耦合装置利用一组行星齿轮将发动机和电机的动力进行耦合,通过一组离合器和两组制动器的接合/分离控制HEV的模式切换过程。这种结构发动机和电机动力不在同一轴线上,结构不紧凑,稳定性差。
3.2.2 差速器耦合式
图7为湖南大学以菱形车为基础研发的一款差速器耦合式混合动力轿车[10]。菱形车的驱动车轮位于中间,两个转向轮分别位于汽车的前方和后方。该车巧妙地“反向”运用了汽车差速器作为动力耦合装置,将发动机和电机的动力进行耦合,用两组离合/制动器控制该车的模式切换过程。这种结构采用了锥齿轮传动,传动效率低。差速器耦合式HEV要求发动机和电机动力参数相当,动力混合程度比较高。
3.3 牵引力耦合式
图8为2004年长丰公司开发的一款4轮驱动混合动力越野车。该车前后轴分别由独立的动力源驱动,通过前后轴驱动力的合成实现动力耦合。该耦合方式前后轴独立性好,可以将整车的驱动功率划分为前轮(电机)驱动、后轮(发动机)驱动和四轮(联合)驱动等几个层次。这种耦合方式结构简单、改装方便,可实现单双模式驱动及制动再生多种驱动方式,但这种动力传递方式的效率很低,且整车的驱动控制复杂。
3.4 混合耦合式
近几年出现了在同一辆车上应用几种动力耦合方式的HEV,即混合耦合式。丰田公司的Prius和Camry、福特公司的Escape以及最新开发的HEV均采用混合耦合式。图9所示为Camry的动力耦合原理图。
发动机和M 1电机通过转速合成端的行星齿轮构成转速耦合,动力从齿圈输出。由于M 1电机的转速调节作用,使发动机转速与车速独立,即实现了eCVT功能[11]。转速耦合后的动力再与M 2电机形成转矩耦合,动力在齿圈上叠加输出。这种耦合方式能汇集多种耦合方式的优点,避免它们的不足,实现多种工作模式。与变速系统紧密配合,使HEV节能减排的优势得到充分发挥,但同时也是结构最复杂、控制难度最大的动力耦合方式。这种耦合方式已经成为HEV的发展趋势。
3.5 各种动力耦合方式的比较
表1为从平顺性、复杂程度、传动效率、控制难度和成本等角度对各动力耦合方式进行评价的结果。
4 结论
本文对HEV的动力耦合机构进行了分类研究,对各种动力耦合方式进行了比较,总结了各种耦合方式的规律和优缺点,为今后混合动力系统的动力耦合机构的深入研究提供了有价值的参考。
参考文献
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混合动力电驱动 篇6
1 动力系统主要部件选型
本文建立的车辆模型是以某型纯电动汽车为原型车改制而成的氢电混合动力车, 该模型保持原型车外部尺寸不变, 而原型车的电动传动系统由燃料电池和锂电池所构成的混合动力电动传动系统所取代。该车主要参数见表1。
1.1 电机的选型
电机是氢电混合动力车动力系统的关键部件, 其参数要根据车辆的动力性能要求而定。根据汽车理论[1]的相关知识, 汽车的行驶方程式见式 (1) 。
式 (1) 中, Ft为驱动力;Ff为滚动阻力;Fw为空气阻力;Fi为坡度阻力;Fj为加速阻力。
其中,
式 (2) 中, W为车轮负荷;f为滚动阻力系数;m为整车满载总质量;g为重力加速度。
式 (3) 中, cd为空气阻力系数;A为迎风面积, ρ为空气密度, 一般ρ=1.2258 N·s2·m-4;ua为车速。
式 (4) 中, G为汽车重力;m为汽车质量;g为重力加速度;α为坡道角。
式 (5) 中, δ为旋转质量换算系数;m为汽车质量;a为行使加速度。
由 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 和 (5) 式可得到汽车的功率平衡方程式见式 (6) 。
式 (6) 中, p为车辆行驶需求功率;η为传动系效率;m为整车质量;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;ua为车速;i为道路坡度;cd为风阻系数;A为迎风面积;δ为旋转质量换算系数;a为车辆行驶加速度。
通常情况下, 从保证汽车预期的最高车速来初步选择电机应有的功率[2,3,4]。最高车速虽然只是汽车动力性能的一个指标, 但它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力。对于电机额定功率, 根据电机的外特性, 电机在基速以下恒转矩输出, 基速以上以额定功率恒功率输出。因此, 额定功率应满足性能指标中最高车速的要求, 所选择的电机额定功率应不小于汽车在良好路面上以最高车速行驶时的阻力功率之和, 见式 (7) 。
式 (7) 中, pe为电机额定功率;η为传动系效率;m为整车质量;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;ua, max为最高车速;cd为风阻系数;A为迎风面积。
将表1中的数据代入式 (7) 中进行计算, 得到满足车辆以最高车速匀速行驶的功率需求为18.55kw, 因此电机额定功率不能低于18.55kW, 综合考虑取电机额定功率为30kW, 峰值功率为60kW。
电机的最高转速要满足车辆最高车速的要求, 二者的关系式见式 (8) 。
式 (8) 中, ua, max为最高车速, r为轮胎半径, io为主减速器传动比, ωmax为电机最高转速。
根据式 (8) 得到电机的最高转速为12893.6r/min, 取为12900r/min。对于额定转速, 考虑到FTP和ECE_EUDC工况中, 车辆大部分时间在20~70km/h的范围内行驶, 因此取电机的额定转速为4800r/min, 这样可以使电机大部分时间工作在额定转速附近, 提高电机效率。
根据已经确定的功率和转速参数, 可进一步得到电机的额定转矩和最大转矩分别为80N·m和240N·m。
1.2 燃料电池和锂电池的相关参数
氢电混合动力车动力系统的核心是燃料电池系统, 一般还包括DC/DC变换器、蓄电池、驱动电机和各种控制器等。其中, 燃料电池系统是由燃料电池堆 (由单片燃料电池组成) 、空气供应子系统、氢气供应子系统、水热管理子系统和控制系统 (包括各类泵阀、传感器和控制器) 等部分组成[5];而燃料电池堆是由单片燃料电池组成, 燃料电池选用目前燃料电池车首选的质子交换膜燃料电池 (PEMFC) , 燃料电池堆相关参数见表2。
本研究所选用的锂电池都是由单片电池组成的电池组, 它们的单体的相关参数见表3。
2 动力源功率匹配
车辆行驶过程中, 由燃料电池和锂电池提供的输出功率 (燃料电池辅助系统功率由自身提供) 是电机的需求功率和车载电器设备 (如音箱、照明等) 的需求功率之和[6]。电机峰值功率为60kW, 取车载电器峰值功率为2kW, 则峰值净需求功率为62kW。理论上, 燃料电池和锂电池所能提供的净输出功率均可在0~62kW的范围内变化, 当燃料电池功率为0时就相当于纯电动汽车, 而锂电池功率为0时就相当于纯燃料电池汽车。实际上, 燃料电池一般情况下将运行在其额定功率状态, 而锂电池则根据工作模式调整牵引、充电或再生制动功率, 这就对燃料电池和锂电池的输出功率进行了限制。首先对于燃料电池来说, 必须满足车辆以较高车速 (120km/h) 巡航行驶的功率需求和车载电器的功率需求, 经计算可以得到燃料电池的最小净功率大于20.55kW;而对于锂电池来说, 在车辆起动过程中以及起动后低速 (小于30km/h) 行驶过程中, 由于燃料电池系统无法瞬间起动, 因此需要锂电池提供燃料电池系统启动所需的功率, 并且提供低速下车辆行驶的需求功率及车载电器的功率, 经计算得到锂电池最小功率大于11.06kW。即燃料电池与锂电池应满足有关条件见式 (9) 。
从而可以得到燃料电池和锂电池净功率的取值范围, 见式 (10) 。
根据仿真步长的不同, 功率匹配方案将会有无数种组合, 仿真中, 选取仿真步长为1kW, 共得到30种匹配方案。定义燃料电池功率Pfc与电机峰值需求功率Ppeak的比值H为混合度, 见式 (11) 。
式 (11) 中, Pfc为燃料电池功率;Pbat为锂电池功率。
由式 (10) 和 (11) 可知, H的变化范围为0.339~0.823。
3 仿真及仿真结果分析
3.1 整车仿真平台的搭建
采用ADVISOR仿真软件, ADVISOR (Advanced VehIcle SimulatOR) 是由美国可再生能源实验室在MATLAB和SIM-ULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件。对其现有的模型根据本课题的相关参数进行修改并对各相关变量赋值, 搭建整车仿真平台 (见图1) 。
3.2 仿真步骤及目标
根据上述功率匹配方案, 首先将第1种方案的参数分别输入仿真模型中, 然后在ADVISOR中建立循环行驶工况的计算任务, 分别导入行驶工况FTP和ECE+EUDC, 最后根据整车性能指标的两个方面运行仿真, 分别为动力性仿真和燃料经济性仿真:在动力性仿真中进行加速、最高车速及爬坡测试等;在燃料经济性仿真中对燃料电池-锂电池能量消耗情况进行评价;重复上述步骤, 可以分别得到各匹配方案的仿真结果。
在满足车辆动力性要求 (最高车速≥90km/h, 百公里加速时间≤13.6s, 以32.2km/h爬坡时的爬坡度≥30%) 的前提下, 对各种匹配方案的燃料经济性进行分析, 从而得到燃料电池和锂电池的最佳功率匹配, 即最佳混合度。
3.3 仿真结果分析
氢电混合动力车在确定了动力性要求的情况下总功率是确定的, 也就是燃料电池和锂电池的功率之和是确定的, 这样在满足车辆动力性要求的前提下, 燃料经济性是由燃料电池和锂电池的功率比所决定, 即由混合度所决定。
图2为FTP和ECE_EUDC工况下, 不同混合度的氢电混合动力车的百公里加速时间情况。两种工况下, 混合度在0.532之前, 随着混合度的增加, 百公里加速时间呈缓慢递减趋势;之后, 随着混合度的增加, 百公里加速时间呈快速递增趋势。
图3为FTP和ECE_EUDC工况下, 不同混合度的氢电混合动力车的爬坡度 (以32.2km/h爬坡时) 情况。两种工况下, 随着混合度的增加, 爬坡度呈递减趋势。
图4为FTP和ECE_EUDC工况下, 不同混合度的氢电混合动力车的最高车速情况。在FTP工况下的最高车速为91.25km/h, 在ECE_EUDC工况下的最高车速为120km/h。
图5为FTP和ECE_EUDC工况下, 不同混合度的氢电混合动力车的百公里氢消耗情况。两种工况下, 百公里氢消耗总体上呈先波动递减再递增的趋势。在两种工况下, 混合度在0.694时, 百公里氢消耗均达到最小值。
4 结论
利用ADVISOR仿真软件中的现有模型, 根据本文的需要对相关参数进行赋值, 搭建仿真平台, 在FTP和ECE_EUDC两种工况下进行了动力性和燃料经济性仿真。仿真结果表明, 混合度在0.694时, 即燃料电池和锂电池的功率分别为43kW和19kW时, 百公里氢消耗最少, 在FTP和ECE_EUDC两种工况下分别达到42.8L和43.6L, 此时最高车速≥90km/h, 百公里加速时间为13.3s, 爬坡度为34.7%, 满足车辆动力性要求。
摘要：为了解决氢电混合动力车整车的动力性和燃料经济性问题, 针对氢氧质子交换膜燃料电池-锂电池混合动力车, 首先对动力系统主要部件进行选型, 然后确定若干可行的燃料电池和锂电池的功率匹配方案, 最后在ADVISOR软件中搭建整车仿真平台, 在FTP和ECEEUDC仿真工况下对各种匹配方案进行仿真, 在满足车辆动力性要求的前提下, 对各种匹配方案的燃料经济性进行分析, 从而得到燃料电池和锂电池的最佳匹配。
关键词：氢电混合动力车,混合度,ADVISOR
参考文献
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混合动力电驱变速器耐久试验开发 篇7
EDU耐久试验概述
混合动力电驱变速器EDU的样机如图1所示, EDU的耐久试验开发内容包括变速器耐久试验和换挡耐久试验开发, 试验设备包括变速器耐久试验台和换挡耐久试验台。
变速器耐久试验是变速器最重要的性能测试, 它是整车用户最关心的性能之一, 作为产品可靠性指标, 会直接影响到产品的销售。变速器耐久性能与设计技术、全面质量管理、原材料和热处理等密切相关。变速器耐久试验分为台架试验与道路试验。汽车的使用条件十分复杂, 道路试验是汽车在真实道路上进行的实际行驶试验, 是开发工作中一个不可缺少的环节, 需要花费大量的时间、资金及资源。在产品开发阶段进行耐久台架试验有利于更早验证变速器的综合耐久能力, 避免直接进行道路试验失效后的被动, 为开发工作节约了时间和资金, 对验证传动系的耐久寿命具有重要的参考价值。
变速器换挡耐久性试验是变速器开发阶段试验主要组成部分, 主要考核的内容是同步器的耐久性。换挡耐久试验是考核同步器寿命的重要试验, 就目前了解到的CAE方法, 很难模拟同步器系统完成同步器疲劳仿真, 台架试验是目前最有效的方法。
1.变速器耐久试验设备
变速器耐久台架试验是考核产品能在工作寿命内保持处于稳定状态的齿轮、轴和轴承的载荷验证试验, 验证齿轮在循环载荷下不发生接触疲劳失效和弯曲疲劳失效。
(1) 设备构建EDU变速器耐久试验使用的试验设备为3E-machine试验台架。台架的结构简图如图2所示, 台架输入通过带传动代替发动机与EDU变速器连接, EDU变速器输出通过转接器和传动轴与试验台架的输出电动机连接。
试验时运行转速控制系统内的台架输出电动机, 并采用台架输入, 连同EDU ISG和EDU TM电动机来施加所需的载荷。
电池模拟设备AV 900提供高压直流电源, 与PEB连接, PEB与HCU (混合动力控制单元) 、EDU中的TM电动机及ISG电动机连接, 为TM电动机及ISG电动机提供电源, 并根据HCU的指令对电动机进行控制。
HCU会传达控制TM和ISG电动机的指令到PEB, 并同时向3E-machine台架控制器发送一个转矩指令。H C U所要求的外部信号从台架和E D U传感器直接获得, 也可以通过3E-machine台架控制器或外部模型系统 (如Mathworks XPC) 进行模拟。
E D U单元的冷却系统要符合整车上的方式, 通过基于台架的热交换器设置。其冷却能力必须能够在试验持续运行过程中驱散足够的热量。
台架配置了一个外部风扇来吹散变速器壳体上方的空气, 有助于保持总体的油温。
(2) 试验台的功能及特点EDU耐久试验台由一台驱动电动机及控制系统、增速箱、两台测功电动机及控制系统、冷却系统、数据采集与分析系统、转矩/转速传感器、台架测试控制系统等组成 (见图3) 。驱动电动机采用西门子公司1PL6224 (156kW, 4500r/min) 电动机, 两台交流测功机采用西门子公司低惯量变频电动机1PL6284, 控制系统都采用AFC变频系统;测功机具备正转和反转的功能, 能满足混合动力汽车驱动和制动的模拟性能测试。为了模拟发动机的高转速在驱动电动机和变速器之间安装一个1∶2的增速器。E D U变速器耐久试验台架对驱动电动机、测功机的技术要求如下。
驱动电动机:功率165k W, 0～900 N·m, 转速范围0～4500r/min, 转矩控制精度±0.2%FS, 转矩测量精度±0.2%FS, 转速控制精度±1r/min, 转速测量精度±1r/min。
测功电动机:恒功率区最大功率≥195kW, 恒转矩区最大转矩≥2328N·m (800r/min) , 电动机最高转速≥3300r/min, 过载能力≥20% (15min) , 转矩测量精度≤±0.05%FS, 转矩控制精度≤±0.1%FS, 转速测量精度≤±1r/min, 转速控制精度≤±1 r/min。
2.换挡耐久试验设备
(1) 设备开发基础与机械式变速器同步器换挡耐久试验不同的是, EDU的换挡机构、液压系统是与变速器集成一体, 由HCU根据换挡规律、换挡策略等进行自动控制, 适合于量产的混合动力电驱变速器同步器换挡耐久试验台需要新增设备。考虑在项目开发前期, 为了缩短开发周期及减低成本, 在量产换挡耐久台架到位之前, 决定先改造一台作为EDU临时换挡耐久试验台架, 用于验证同步器及相关液压驱动、执行原件的产品设计。
混合动力电驱变速器内已经包含液压系统, 在H C U发出指令后, 由液压系统来执行换挡及离合器开合的动作, 因此有别于传统手动变速器的换挡耐久试验台架要求。但是台架的机械结构基本与机械式变速器类似, 试验台主要由驱动电动机、惯性飞轮、传动轴、工装夹具等部分组成, 试验台采用惯性飞轮旋转惯量模拟车辆直线行驶惯量, 实现EDU换挡过程中所需输出轴处的惯量模拟, 尽可能确保台架上模拟惯量在EDU同步器结合过程中对其造成的冲击与整车行驶过程中的同步器同步过程所承受的冲量相当。因此, 考虑在现有的机械式换挡耐久试验台 (见图4) 上进行开发。
该换挡耐久试验台的性能及技术指标如下:
1) 该台架可以测试参数位移L、换挡力f、转速降n三路信号, 输入工业控制计算机并同步采集显示。
2) 所有显示仪表 (包括传感器) 以及控制器 (驱动转速控制、温度控制等) 均采用当今最为先进的现场总线相互与计算机连接, 极其简单可靠。
3) 转矩测量采集速率可达到2m s以上, 特别适合换挡试验等试验时的快速转矩测量。
4) 试验台各种功能接口都是开放的, 借助这些功能接口, 可以实现EDU所需要的功能。
5) 驱动电动机输出转矩0～1 1 7 N·m, 转速0～1498r/min。
(2) 试验台配置驱动单元EDU换挡耐久试验台需要将EDU安装在一个带有驱动电动机的试验台上, 电动机能在EDU输出端 (锁定差速器) 驱动EDU (见图5) 。
试验台配置要求:变频电动机功率30k W, 额定转速6000r/min, 额定转矩80N·m;转速控制稳定度0.5%;转速测量精度0.1%;转矩传感器量程0～200N·m, 转速0～6000r/m i n;温度传感器量程0～200℃。这项试验中需要配备HCU, 试验控制器模拟所有HCU所需的信号以便完成试验中的换挡操作。
换挡耐久试验测控系统如图6所示, 换挡控制计算机通过诊断服务请求换挡或者提供电流。对于EDU变速器, 通过CAN卡与控制模块HCU进行通讯, 接收或发送必要的控制指令, 接收和记录必要的试验数据。软件程序可以设定变转速运行工况, 并根据从HCU获得的挡位信息作为工况改变的触发点, 同时可以向H C U发送控制相关信息 (如变速器输出端转速) , 作为HCU控制换挡动作依据。
试验条件
1.变速器耐久试验条件
实验前完成以下准备工作:
1) 所有齿轮检验 (包括主传动) 数据应完整记录。
2) 装配新轴承并完全清洁。
3) 记录所有齿轮轴向间隙。
变速器内装配的齿轮应完成全部的检验和测量。正式试验前, 变速器以转速2500r/min和30%输入试验转矩对每个挡位试验30min。这样可确保整个系统在试验前正常工作。在整个试验过程中变速器的总油温控制在90℃±5℃。
2.换挡耐久试验条件
本试验在已有合格变速器中采用随机抽取法, 抽取样本数为三台。在变速器中的同步器装配之前, 所有的同步器零部件的可用性必须经由工程核准和供应商质量校验, 所有的同步器零部件需要测量, 测量项目及要求如下:同步器磨损间隙, 在200N的预负载下测量三次, 取平均值;啮合锥面表面粗糙度;拨叉脚宽度;套筒沟槽宽度;套筒沟槽表面粗糙度。
测试结束时, 以上测量项目需要重复一次, 与测试前数据进行比较。在变速器组装之前, 应按相关规则测试液压阀组和驱动器以确保这些零部件的功能。
(1) 试验磨合在换挡耐久测试前, 对差速器齿轮进行焊接锁死, 将变速器输出的一边连接到驱动电动机上, 变速器的输入轴可以自由旋转。在装配完成的EDU上开始换挡耐久试验之前, 需要先执行变速器磨合试验, 要求见表1。磨合过程中注意变速器内是否有异常情况, 并实时记录。完成磨合后将变速器内的润滑油放出, 加注新的润滑油, 并进行半小时的旁路过滤, 直至达到试验要求的润滑油清洁度。
(2) 试验条件混合动力电驱二挡变速器要求测试试验台控制器有控制和保持电动机速度的能力, 在试验中需要测量电动机的输出转速、输入轴的速度、变速器油箱油温和试验变速器挡位试验时实时显示挡位位置。
试验需要一个电风扇用来给变速器提供风冷, 需要一个能测量0～200℃的温度传感器。传感器的信号需要通过放大器转换成为一个电压信号 (0～5V) , 这个信号要与选择的记录器和控制器相匹配。
试验所需要采集、记录、显示的数据包括:输出轴转速;采集换挡过程信号 (SV2电流、G1电流、换挡行程传感器位移信号) , 供判断换挡是否正常, 同步器是否失效;监控换挡时液压系统主油压、C1电流、C2电流等信号, 以便确认其他系统正常工作。
验证试验
1.变速器耐久试验
E D U变速器耐久试验周期见表2, 试验应在5%的分程序中运行。每个分程序包含11个阶段, 其中包括5个一挡状态、5个二挡状态和1个倒挡状态。对于每个分程序, 11个阶段应以表的顺序进行。倒挡假设为电动机逆向运转的一挡工况。ISG、TM和台架输入电动机之间的动力分配见表3。
(单位:kW)
2.换挡耐久试验
实验前要对变速器进行加热, 选择一个挡位并把变速器温度提升到90℃±5℃, 然后开始测试。在所有换挡过程中保持温度很重要;在低速换挡时变速器周围需要隔离防护, 并且在低温时需要外部加热。
试验过程如下:选择一挡;确保一挡挂入 (从换挡位置看出/通过CAN总线从HCU报告得出) ;在超过5s的时间内, 输出速度提升到需要的输入轴速度值 (见表4) ;换为二挡;确保二挡挂入 (从换挡位置看出/通过CAN总线从HCU报告得出) ;在超过5s的时间内, 输出速度下降到需要的输入轴速度值 (见表4) ;按要求的换挡次数重复以上步骤 (见表5) 。
表5概述了每个变速器需要完成的全部换挡次数, 试验台控制器以最小频率记录换挡次数。
试验结果及分析
1.变速器耐久试验及结果分析
(1) 评判标准变速器耐久试验后, 变速器齿轮不应出现常见的齿轮失效形式, 例如齿面疲劳点蚀、轮齿折断等。接触疲劳的失效形式有齿面灰斑和点蚀两种;弯曲疲劳的失效形式为全齿断裂。
E D U变速器耐久试验试验完成后应拆解变速器单元并目测检查以下项目:没有由于断裂造成的动态啮合中断;轴承挡上无剥落;允许有初始阶段的点蚀, 但噪声不允许有明显增高 (噪声≤90dB (A) ) 。
(2) 试验结果及分析所有取样EDU完成了表5的试验循环, 试验过程中没有发生异常情况, 经过拆解分析, 轴承情况良好;试验后典型齿轮齿面的情况显示:齿轮按照试验评判标准没有出现齿面灰斑、点蚀、轮齿断裂等失效, 接触区域合理, 没有硬点;各齿轮试验前后的齿面测量数据结果显示齿面没有微观点蚀。变速器耐久台架试验零件拆解后显示EDU的齿轮、轴、轴承能够在试验循环下保持处于稳定状态, 验证了设计耐久寿命, 下一步将进行整车真实道路试验, 更全面地评估16万km齿轴系的耐久寿命。
2.换挡耐久试验结果及分析
三台EDU样本完成了表5的换挡次数, 试验过程中没有发生异常试验中断, 如图7所示, 换挡力根据设计要求为830N时, 电磁阀的电流为1400mA, 4号紫色线表示电磁阀的电流, 换挡力符合设计要求时, 从图7中3号蓝色线的同步器位置可以看出, 同步时间控制在0.05s左右, 满足设计要求。试验前后同步器、拨叉的磨损情况见表6。结果显示:同步器仍然存在一定的后备量, 锥环及拨叉磨损情况良好, 同步器性能可靠, 达到设计寿命。
结语
混合动力电驱动 篇8
关键词：混合动力驱动客车,动力系统研究,电动机控制
当今社会, 节能、环保及安全问题已经是全世界关注的问题。内燃机汽车起重机虽然还是汽车起重机的主流, 但因其所需要的石油燃料资源越来越少且造成了污染、噪声等问题, 使汽车起重机技术向效率更高、排气更清洁甚至无污染的汽车发展。混合动力系统的研究是极其复杂的, 要系统实现所要求的性能, 必须用相关软件对整车和整车的各个系统进行建模并仿真[1], 但由于条件和技术等的限制。本文只对系统主要部件进行建模。而在混合动力系统中, 为保证混合动力汽车的各项性能, 电机的控制是其中的关键技术。所以本文着重对电动机的控制进行建模, 以了解电动机控制方面的相关知识。
1 混合动力系统布置
混合动力汽车的动力系统是整车性能实现的重要部分, 根据前面章节对混合动力系统方案的分析和选择, 我们知道, 混合动力系统最主要的部件是内燃机和电动机以及蓄电池及其它们的控制系统, 本设计没有选择另外的发电机, 而是根据不同的工况, 将电动机作为发电机和电动机使用, 这样既满足了整车的性能要求, 同时简化了对整车的布置设计。混合动力系统包括一个整车控制组, 通过整车控制组对汽车的各个系统进行控制, 每一个部件还有自己相应的控制系统。其中混合动力系统的大体布置如图1所示。
本设计的仿真模型利用了MATLAB提供的Simulink仿真模块及其附带的各种工具箱, 使得建立仿真模型相对容易一些, 最终建立的系统仿真模型的结构如图2所示, 仿真模型的结构与系统原理是基本吻合的。
图2的模型是将以上所提到的模型按要求连接起来, 分为两部分, 有主回路部分和控制部分。其中主回路部分主要包括逆变器模块、异步电机模块及测量模块, 这些是simulink提供的simpower system模块库提供的标准模块, 使模型实现起来极大简化, 只要设置一些参数即可。这里所使用的标准模块有逆变器模块、异步电机模块、电源模块和测量模块。
2 仿真结果分析
本文研究的混合动力汽车的结构为并联型, 由上文已经知道, 汽车起步和低速行驶时都是用电动机来驱动。现采用MATLAB仿真平台对该控制系统进行仿真实验, 电机参数如下:电机为鼠笼型异步电动机, 额定功率3.7kw, Rs=0.435Ω, Rr=0.816Ω, Ls=Lr=0.071H, Lm=0.069H, J=0.19kg·m2, 仿真时间为2s, 定子磁链给定值为1.5Wb, 负载转矩为20N·m。通过仿真, 可以得到磁链图如图3所示。从图中可知, 磁链的仿真结果近似圆形, 幅值基本不变, 只是不同时刻有不同的磁链相角。这与理论上是相辅的。
图4给出了转速800r/min的转速和转矩的仿真波形。其中由图4a可以看出, 直接转矩控制很快使电机达到所希望的转速, 而且很稳定的维持在这个值, 是比较理想的。从图4b可以看出, 直接转矩控制在给定转速下直接转矩控制系统具有良好的性能, 转矩、转速都较平稳, 转矩能较快达到给定值。
图3到图4正是混合动力汽车起步时电机的磁链、转速和转矩的模拟情况。由图可以看出, 启动过程中磁链远轨迹响应, 转矩和转速响应都非常迅速, 能满足混合动力汽车快速、平稳起步的要求。
3 小结
本文主要研究了混合动力汽车电机控制系统, 对电动机直接转矩控制进行了建模和仿真。直接转矩控制技术相对于矢量控制技术等其他控制技术, 大大减少了控制系统易受电机参数变化的影响。通过MATLAB/Simulink环境下的仿真结果也表明, 在给定转速下转矩和转速能在很短的时间达到给定值, 达到了良好的控制效果, 而且计算量较小, 是一种理想的混合动力汽车驱动控制方式。
参考文献
[1]Zhao shupeng, Zhang shifang, Xu pengyun.Control Strategy and Simulation of Hybridelectric Vehicle[J].The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments, 2007, (7)
[2]万佳.混合动力电动汽车总成参数匹配与控制策略研究[D].南昌:南昌大学, 2008.