混合驱动（精选8篇）
混合驱动 篇1
0.前言
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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[9]周巍,混合动力汽车多能源动力总成控制器的研究与开发[D].上海:上海交通大学.2007.
混合驱动 篇2
海富通“混合系”集体发力
海富通旗下有混合基金“四巨头”——海富通精选、海富通精选贰号、强化回报以及收益增长。至记者截稿时混合型的海富通精选、海富通精选贰号在三年以来上证综指上涨11.24%的情况下分别取得了25.44%和22.00%的收益，海富通精选更是自成立之日至今已获得了330.32%的净值增长率和228.81%的超额收益率。良好的业绩，也受到专业评价机构的认可。海通证券1月20日发布的评级报告显示，海富通公司股票投资管理能力和债券投资管理能力分别达到五星和四星。从单只基金来看，3月份发布的最新评级结果显示，海富通精选分别获得了海通、晨星和银河评级的五星、四星、四星评级。海富通精选贰号也获得了海通和银河的四星评级。强化回报和收益增长则均获得了三星的评价。记者与海富通混合系基金的“掌门”——牟永宁、蒋征、邵佳民三位基金经理探讨成功的秘诀，三位经理均指出，强大的投研团队是海富通混合型基金长短期业绩出色的驱动力。在日常投资管理工作中，基金经理和证券分析师也会根据政策面，公司基本面的变化，随时调整和优化投资组合，实现资产安全基础之上的优秀投资业绩。
海富通相对收益股票组合管理部总监蒋征还提到，海富通投资团队杜绝个人英雄主义，进行投资决策时，充分发挥“团队创造价值”的优势，避免“明星经理”制容易产生的个人认知风险和个人道德风险。
长期业绩是根本
纵观中国股市20年的风雨历程，除2000-2001年以及2006-2008年的5年单边牛熊市外，余下的15年几乎都是在震荡中走过的。历史情况告诉我们，在震荡市中，混合型基金的收益一般会高于股票型基金和货币型基金。
混合型基金能够长期获得如此优秀表现，还要归功于其独特的产品设计。混合型基金设计的目的是让投资者能够通过选择一款基金品种以实现投资的多元化，而无需分别购买风格不同的股票型基金、债券型基金和货币市场基金。混合型基金可以选择使用积极或保守的投资策略，在股市上扬时加大股票投资比例，在债市回暖时提高债券投资比例，以此达到保值增值的目的。
2012年年初以来，受养老金入市试点、管理层多次力挺蓝筹股、存款准备金率下降等多方面消息刺激，A股市场频发捷报。自年初以来，中证企业债指数上涨1.91%，近一半债券型基金收率达到2%以上，其中最高达5.63%。海富通基金指出，当前股市、债市似乎均蕴藏着一定的投资机会，混合型基金是捕获这种机会的较佳投资品之一。
同时，海富通表示，随着“两会”的召开，A股市场上各个板块轮番上涨，股指屡屡翻红。与此同时，国内经济形势的好转也使得A股市场的投资气氛在保持应有的谨慎外，逐渐偏向乐观。存款准备金率相信会继续下降，资金面能够相对宽松，而随着实体经济的下行，更多的资金将有避险需求，从而利好债市。混合型基金的龙年大戏也将正式拉开帷幕。
混合驱动 篇3
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。
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混合驱动 篇4
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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混合驱动便携式吸引器的研制 篇5
临床上患者常需要吸痰治疗,减少呼吸道并发症产生,而吸痰压力过高、时间过长、吸痰管过粗可能导致肺不张[1]。同时,吸痰供氧中断可导致低氧血症或缺氧症。因此,临床应选用安全有效的吸痰方式。负压是手术、急救过程中吸痰、吸脓、吸血、吸引堵塞人体气道通路的异物所必需的[2],负压引流也成为处理创面的全新方法[3,4]。大、中型医院常采用中心负压,通过管道连接到各病房设备带、手术室手术塔和急救负压连接头;小型医院手术、急救常用电动吸引器完成对患者的有效救治[5,6]。未配备中心负压吸引装置的病房和科室,一般使用电动吸引器。中心负压装置出现故障时,电动吸引器常作为备用的抢救器械应急使用。
然而,在没有电源或在特种场合下,对患者的急救过程中应用负压装置吸痰、吸脓、吸血及吸引堵塞人体气道通路的异物,普通电动吸引器的外部电源供应受限。尤其是野战条件下,对伤病员担架运送、机动车或飞机后送的过程中,更需要在无外部电源或动力下依靠医护人员的能力保证伤病员的吸引效果。因此,研制便于携带、操作简单、方便实用、驱动便利的负压装置是为了适应野战环境应用的需求。如南京军区南京总医院医学工程科和江苏鱼跃医疗设备股份有限公司合作研发的手动吸引器和脚动吸引器[7],其体积小、质量轻、携带方便、操作简单,无需电源即可使用。但是研制的便携吸引器受制于人力和体积等因素无法达到较大负压值,只适合于临时急救场合使用。且现有的多数便携式吸引器标准充电12~14 h仅能满足连续工作30~60 min,在出现大批量伤病员的灾情、野战中无法满足应用需求[8]。
本文在现有便携式吸引器研究的基础上,基于野战环境应用需求,设计出一种混合驱动便携式吸引器(以下简称“吸引器”),注重提升吸引器的应用性能。可在市电220 V的电压下工作,还可接入12 V直流电压进行电池充电使用,同时提供电能和机械能2种驱动方式产生负压,保障了在野外抢险救灾、断电等环境中的应用,现报道如下。
1 吸引器设计
1.1 整体设计
吸引器由220 V交流市电转换直流24 V电路、交直流切换开关、脚控开关、电池充电电路、12~24 V升压电路、12 V干电池、24 V直流负压泵、机械负压产生电路、负压表、负压调节阀、电池电量显示器、电池电压过低报警装置、故障报警处理装置、1 100 ml储液罐组成。
吸引器的整体设计框图如图1所示。吸引器接入220 V电压后通过切换电路可以接12 V充电电路进行直流供电的充电,此分路设置了电量报警与提示,并设置升压电路用于提供负压泵工作所需的24 V电压。电动负压泵与机械驱动负压装置经切换电路得到24 V直流电源,转换电路控制电磁阀进行电能与机械能驱动的切换。吸引器负压系统包括负压产生和负压调节两大部分。负压产生部分包括电动和脚踏2种方式,电动方式直接接入负压泵,脚踏方式则由脚踏开关利用活塞在气缸中反复抽气实现负压。脚踏方式中设立了负压室并连接负压表,方便查看取得的负压值。负压调节装置由负压表和调节旋钮构成,接于负压泵之后、储液罐之前,用于调节得到实际使用所需负压。
1.2 各部分设计
1.2.1 交直流切换电路
吸引器采用的交直流切换电路如图2所示。220 V电压经变压器T1降压后,再经整流、滤波、稳压后输出,供负压泵工作,另一路通过整流、滤波产生的直流电压经电阻RP分压加到功率场效应管VT2的基极,VT2导通,功率场效应管VT1(可以方便地进行快速电子切换,不会造成电源中断)截止。而市电中断时,VT2由导通转为截止,此时VT1导通,蓄电池通过VT1接入稳压电路,输出稳定的直流电压供负压泵工作。
1.2.2 升压电路
由于负压泵通常工作电压为24 V,在使用中采用市电供电时,通过变压器转换降压得到24 V电压;当使用直流供电时,通过变压器进行升压获得24 V电压。
1.2.3 电能、机械能切换控制
吸引器供电部分正常,则接通24 V电磁阀,通过电磁阀吸合和断开切换电能、机械能工作。
1.2.4 混合驱动
电动开关和脚踩开关通过并联连接。电动以电能作为动力源,控制真空泵的进气和排气获得负压源;机械驱动则设计负压产生电路,通过脚踏开关带动活塞在气缸内做往复运动抽气从而产生负压源,并通过负压室、负压调节装置控制负压值。吸引器工作时采用调节阀进行所需负压的调节,调节过程应边旋动旋钮边查看负压表指针示值。具体如图3所示。
1.2.5 报警提示
吸引器内设报警电路,主要包括电量低报警、负压报警和液体外溢报警。使用干电池时,电池电量将通过屏幕显示,当电量值低于设定阈值时会产生报警提示。电磁阀上的电磁式阀门上设有负压泄放口,当吸引负压值达到预先设定的危险负压值时,电路产生报警提示,并将电磁式阀门接通,使吸引器管道与外部大气压接通,管道内负压通过负压泄放口安全泄压。若出现线路短路、储液罐液体溢出也将有故障报警。
2 技术指标
吸引器外壳为带脚轮和可折叠式推手的机箱;储液罐容积为1 100 ml,容量刻度每格100 ml,要求显示清晰;整机质量约5 kg,驱动主要技术指标如下:
(1)电动。负压:最大0.09MPa,且在-0.02~0.09MPa范围内可调;抽吸速度:25 L/min;电池工作时间:6 h;电池寿命:充电500次以上;充电时间:慢充10 h。
(2)机械驱动。负压:≥-0.08 MPa,且在-0.02~0.08 MPa范围内可调;抽吸速度:10 L/min。
3 应用效果
吸引器的工作流程如图4所示。先进行电源接入判断,若有市电供应,而电池无电或电量低则进行电池充电,同时可直接以市电供给负压泵工作;若无市电供应,则判断电池是否有电,有即可直接驱动负压泵工作;若无市电供应亦无电池供电,则采用机械能驱动产生负压。负压产生后进行负压调节,并存储稳定负压,保证参数无误后连接患者即可开始吸引操作。
设计的吸引器目前已在我院野战训练中进行应用测试,其便于携带、操作简单,能通过干电池连续工作6 h,在电源中断时可采用机械能控制,且具有故障预先警示方案,能保障灾情、野战中大批量伤病员抢救的顺利进行。
4 讨论
目前,国内进行便携式电动吸引器的研究相对较少。相比手持式和脚踏式负压吸引器,我们研制的吸引器为混合驱动,更能满足平战时的使用,设备使用率更高。
本文研制的吸引器与其他同类产品相比具有以下优点:(1)体积小、质量轻,便于携带、操作简便,改善了传统电动吸引器笨重不便携带等问题,特别适用于野战训练卫勤保障和院前急救;(2)交直流电两用,解决了一般电动吸引器无市电时不能工作的问题;(3)采用高效低功耗电磁泵,使用机内蓄电池可连续工作6 h;(4)设有机械驱动负压装置部分,当吸引器无市电且电池能量用完时,可通过脚踏产生负压继续工作;(5)设电能、机械混合驱动产生负压,从而适应不同状况需求;(6)提供交、直流电源供电自动切换,电池充电自动控制,并设有电池容量指示标志,能了解机内电池放电情况,以便于及时充电或采用外接电源;(7)设负压泄放口,当吸引负压值达到预先设定的危险负压值时,电路产生报警提示,并通过负压泄放口泄压;(8)在储液罐中设液位传感器,通过液满报警蜂鸣器提供警示防止废液溢出;(9)电路原理简单,电子器件数量少,制作成本低,量产容易。
总之,研制的吸引器通过变压、整流、滤波、稳压电路设计实现交直流切换,通过电磁阀吸合和断开转换电能、机械能工作产生负压,解决了现在市场应用的吸引器笨重、负压驱动控制难的问题,能为平时手术间之间挪动使用及野战环境的手术过程提供很好的负压保障。
摘要：目的 :研制一种能同时满足平时及野外抢险救灾、战争大批量伤病员手术使用的便携式吸引器。方法 :该装置由交直流转换电路、交直流切换开关、脚控开关、电池充电电路、升压电路、干电池、直流负压泵、机械负压产生电路、负压表、负压调节阀、电池电量显示器、电池电压过低报警装置、故障报警处理装置、储液罐组成。通过变压、整流、滤波、稳压实现交直流切换,通过电磁阀吸合和断开转换电能、机械能产生负压。结果:该装置能通过干电池连续工作6 h,在电源中断时可采用机械能控制,能保障大批量伤病员抢救的顺利进行。结论:该吸引器体积小、质量轻,携带方便、操作简单,能为平时手术间之间挪动使用及野战环境中的手术提供很好的负压保障。
关键词：便携式吸引器,交直流,混合驱动,电能,机械能,抢险救灾
参考文献
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[7]朱兴喜,汤黎明,刘铁兵,等.基于野战条件下便携式负压吸引器的设计与应用[J].医疗卫生装备,2010,31(12):32-34.
混合驱动 篇6
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
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混合驱动 篇7
虚拟机床是数字化制造技术中一项重要技术内容, 它的最终目标是为产品的制造建立一个虚拟加工环境, 用于仿真和评估加工过程对产品质量的影响。虚拟机床是随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的研究领域, 它作为数字化制造系统中的一个载体, 其作用是真实地模拟机床切削加工情况, 产生刀具的真实运动轨迹, 形成工件的加工表面, 完成碰撞、干涉检验等功能。应用的主要领域有加工过程模拟、数控加工编程、加工测量等。目前, 国内外对虚拟机床的研究主要集中在虚拟机床的结构描述、加工模型建立、加工精度等方面[1,2,3]。虚拟机床结构描述是对实际机床加工系统进行客观功能的描述并对其各种功能进行综合并模型化, 其研究还处在对机床结构模型的理论研究阶段。虚拟机床加工模型包括切削力、切削加工参数等诸多因素, 由于影响因素较多, 到目前为止还没有一个得到大家广泛认可的加工模型。目前, 国内对于虚拟数控机床的研究还处于起步阶段, 其研究成果[4,5,6]离实用还有一定的距离。本文从实用角度出发, 采用约束与尺寸驱动[7,8]等方法建立了虚拟数控机床模型并进行应用, 为复杂零件的数控加工提供加工模拟、编程、程序验证、加工干涉检查、精度检验等方法。
1 虚拟数控机床组成
虚拟机床由机床装配模型、刀具库、夹具库、控制系统等组成, 如图1所示。机床装配模型是机床功能实现的载体, 加工模拟、运动等功能都需要通过机床的装配模型呈现, 刀具库为机床的切削加工提供刀具, 夹具库为加工提供所需的夹具。机床装配模型、工件、刀具、夹具等组成了一个虚拟加工环境。
虚拟机床控制界面为虚拟机床的控制提供人机接口。机床运动控制、加工模拟、工艺数据提取、运动轨迹计算等操作通过控制界面实现。虚拟逻辑控制器作为机床的逻辑控制单元, 其功能与实际机床的电气控制系统相同。虚拟CNC控制器相当于实际机床的数控系统, 它接受运动轨迹计算模块的数据输出, 为虚拟机床的运动提供插补运算, 分配机床运动轴的位移量。工艺数据提取模块从工件的表面提取加工表面的型面数据, 传递给运动轨迹计算模块。主控系统是虚拟数控机床的核心, 处理虚拟机床的一切事务, 接受控制界面的操作指令, 对任务进行分解, 把任务分配给其他处理单元, 同时接受其他模块的输入信号。
2 虚拟数控机床装配模型
2.1机床装配模型的拓扑结构
机床装配模型的拓扑结构反映了机床各个部件之间的相互关系。一般来说, 机床由主轴部件、工作台部件、机床床身等部件构成。为了简化装配模型结构, 装配模型中可以主要考虑机床运动部件, 省略机床的次要部件, 例如中间传动零件、支撑零件、连接零件等。图2所示为某机床的拓扑结构, 其工作台由两个直线移动轴、回转工作台及底座等组成, 主轴部件则由立柱、Z轴等组成。
该机床模型的拓扑结构采用树形结构表示, 其中实例用来表示部件在装配模型中的位置关系, 标识用来识别机床装配模型在数据库中存储的一个个对象, 根据作用不同又把它分为对象标识、事例标识、实例标识、部件标识等, 相互之间可以查询。有了标识就可以对装配模型遍历, 获取控制对象的标识, 根据控制要求对其进行控制。
2.2机床约束关系
在实物机床中, 机床部件相互之间利用定位元件定位、连接件相连, 实现位置约束。在虚拟环境中, 机床之间的拓扑、运动关系采用约束来实现。机床模型中运动关系的建立以各运动轴为中心, 首先设置机床的各运动轴, 然后在各运动轴与之相关联的部件之间建立约束关系。在图2所示的机床中, Y轴滑台装配在X轴滑台上, 跟随X轴滑台一起移动, C1轴回转工作台安装在Y轴滑台上, 跟随Y轴滑台一起运动, 那么就需要在X轴滑台、Y轴滑台、C1轴回转台之间建立约束关系, 如孔中心对齐、面贴合、平行、垂直等, 当约束关系建立之后, 在装配模型中只要控制X、Y、Z、C1轴运动即可, 其余与之相关联的部件通过约束关系完成相应的运动。
2.3虚拟机床模型数据结构
为了操纵装配模型中的部件运动, 需建立一个与装配几何模型相一致的虚拟装配数据模型, 利用该数据模型把装配模型的相关信息加载到数据模型中, 实现位姿矩阵的变换运算、数据存储。我们建立的虚拟装配数据模型的数据结构如下:
在装配数据模型MC_Assembl中, MC_Component为部件节点, 它承载了部件的静态特性, 如部件名称属性、在装配空间中的位置属性、与其他相邻部件关系属性等, MC_Movement则承载部件的动态特性。
3 运动轴尺寸驱动
3.1运动部件位姿表示
通常机床的运动包括直线移动、旋转运动。若要对机床部件进行驱动, 必须确定运动部件在装配空间的位置关系。为了表示部件在装配空间的位置, 需要用两个坐标系, 即装配空间坐标系OXYZ与部件本身坐标系OwXcYcZc, 它在空间的位姿表示如图3所示。部件在装配空间运动可以描述为部件在装配空间内的移动和部件绕自身坐标系的转动。装配模型组件运动还需要获取移动组件的标识与它的位姿矩阵。位姿矩阵是用来描述装配部件在装配模型空间的位置与姿态的, 它包括X、Y、Z轴的i、j、k分量以及部件自身坐标系在装配空间中的X、Y、Z分量。
在以上建立的装配模型空间中, 运动部件的位姿矩阵表示为
式中, Torign为部件在装配模型空间中的位置矩阵;Tcsys为部件在自身坐标系中的位姿矩阵;Tpos为部件在装配空间中的位姿矩阵。
根据以上矩阵就可以对部件进行运动变换。
3.2运动变换
矩阵变换是实现各运动轴移动或旋转的基础, 该矩阵根据组件的直线位移量或旋转角度组合得到, 该变换矩阵所需的参数矩阵为
T=[xdisydiszdisα β γ]
式中, xdis、ydis、zdis分别为部件在X、Y、Z方向上的移动分量;α、β、γ分别为部件绕X、Y、Z轴旋转的角度。
则组合得到的运动部件变换矩阵为
利用变换矩阵Ttrans对组件的原位姿矩阵Tpos进行变换, 变换过程为
Tnew_pos=TposTTtrans (2)
通过以上变换便得到新的位姿态矩阵, 利用新的位姿矩阵更新部件的原位姿矩阵, 具体采用定位函数对部件进行重新定位, 使部件在装配模型空间中移动到新的位置。在具体实现时, 还需要编写矩阵的转置、相乘、组合等矩阵基本运算函数。
3.3运动轴驱动
虚拟数控机床中各运动轴的运动采用尺寸驱动方法实现。在数控机床中, 由CNC系统完成加工路径的插补运算, 分配各运动轴运动的脉冲数, 再通过驱动器、步进电机或伺服电机、传动机构对工作台、主轴进行驱动, 利用传感器对实际位移量进行反馈。虚拟数控机床中各运动轴驱动与实物机床运动轴驱动相似, 同样需要插补运算, 为各运动轴分配运动位移量, 再通过矩阵变换技术对运动轴驱动, 运动部件的驱动过程如图4所示。
虚拟数控插补运算类似于数控系统中软件插补方法, 在单位时间内对加工路径进行插补运算。虚拟CNC插补模块完成对加工路径的插补运算, 输出各个运动轴的脉冲序列。为了获得与实际加工同样的加工效果, 采用定时模块对脉冲输出进行分配, 获得脉冲序列, 再通过矩阵变换、重新定位过程实现运动轴驱动。
4 加工模拟
加工模拟不仅要模拟工件、刀具的运动, 还要模拟加工后的工件表面形状与表面质量。为了真实地模拟出加工后的表面, 在运动过程中使工件与刀具连续做切割运动, 并移除工件与刀具相交部分, 形成加工表面, 加工模拟的实现过程如图5所示。
在UG装配模型空间中, 两个几何实体之间的逻辑运算只能进行一次, 而加工仿真需要进行若干次相交运算才能形成工件的表面。为解决以上问题, 采用WAVE技术实现, 其步骤为:首先对装配树进行遍历获取工件与阴极的标识, 然后把工件设置为工作部件, 查询它的原型标识, 再对原型标识进行遍历, 查找到与之进行相交运算的刀具实体标识, 用同样的方法得到工件的实体标识。在获取阴极与工件的实体标识后, 再经过建立变换矩阵, 建立链接实体, 查询链接实体特征, 隐藏链接实体, 断开链接实体等步骤, 最后作两个实体的相交运算。在以上实现的过程中, 必须正确运用二次开发函数, 对函数的功能、参数、返回值做出正确判断, 相交运算才能够实现。
5 数控机床设计实例
5.1虚拟数控电解加工机床装配模型
我们利用上述技术建立了五坐标数控电解加工机床的装配模型, 如图6所示。本装配模型是在UG NX软件装配环境中建立的, 机床由工作台、床身、主轴等部件组成, 运动轴包括X、Y、Z、Cw、Ct5个运动轴。
5.2虚拟数控机床应用
整体叶轮加工是一个世界性的难题, 在上述虚拟数控机床技术基础上建立电解加工机床模型, 利用它完成整体叶轮叶片加工仿真、加工路径规划、数控加工程序编程、加工干涉检查等工作, 为整体叶轮的加工提供数字化制造技术。该整体叶轮叶片电解加工采用数控展成法实现, 电解加工与切削加工不同之处在于电解加工中阴极 (刀具) 不需要做旋转运动, 其他运动与数控切削加工相同。利用叶片专用模块计算叶片加工的运动路径, 通过虚拟CNC模块生成各运动轴的运动分量, 其加工运动由虚拟机床的X、Y、Z、Cw四轴运动合成, 利用该虚拟五坐标数控机床加工的叶片如图7所示。
通过在虚拟数控机床中的加工模拟, 对加工路径进行规划, 对运动过程中的运动干涉进行检查, 最后通过数控后处理程序生成机床的数控加工程序。利用上述模拟结果及生成的数控加工程序加工的叶片形状如图8所示。
由加工结果可知, 实际电解加工的结果与叶片模拟结果相一致。本虚拟数控机床采用的运动 () () 轴驱动、动态去除材料、运动轴位移实时分配等技术可用于其他领域的数控加工仿真技术中, 可以解决零件制造中的技术难题, 特别是复杂零件的数控加工, 其应用前景较好。
6 结论
(1) 建立了由机械部件、控制系统、人机接口等模块组成的虚拟数控机床模型;采用装配约束与尺寸驱动技术实现了对机床各运动轴的驱动。
(2) 利用WAVE技术在装配空间与建模空间之间进行对象链接、复制, 相交运算;采用软件插补技术进行运动轴移动量分配, 实现加工的动态模拟, 虚拟加工过程与实际加工过程相同, 加工后的表面质量与实际加工结果一致。
(3) 建立了五坐标虚拟数控机床模型, 并将其应用于整体叶轮叶片的数控电解加工, 成功地解决了叶片加工中的加工模拟、加工路径计算、加工自动编程、运动干涉检查等工作, 该模型具有操作方便、过程直观等优点, 能提高工作效率, 其应用对实际加工具有指导意义。
参考文献
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混合驱动 篇8
1 并联式混合动力汽车的驱动结构及模式
1.1 驱动结构
并联式混合动力汽车的驱动结构主要由发动机和电动机两套系统组成。这两套系统以机械能叠加的方式, 既可采用发动机或电动机单独驱动, 也可以两者混合驱动。而不论是发动机还是电动机, 其功率均能满足汽车的所需的驱动功率, 能量的利用率较高。这样, 能够选择相对较小功率的发动机和电动机, 既可实现多样化的驱动模式, 又能使整个驱动系统的结构尺寸和质量变的更小。
并联式混合动力汽车驱动系统的结构如图1所示。
1.2 驱动模式
通过上面的结构图可以看到, 两条驱动线路中, 发动机和电动机都是由耦合装置及变速箱与车轮上的驱动轴直接啮合。因此, 系统可同时采用电动机和发动机作为自己的动力源。在运行过程中, 若是其中的某条驱动线路出现了故障, 另一条线路仍可继续工作。采用这种设计模式, 既能使汽车以纯燃油的状态运行, 也能用电能来完成驱动。
并联式混合动力汽车驱动系统通常可分为以下四种组合模式: (1) 动力源合成式。针对于汽车前轮, 系统可以安装一个小功率的内燃机来提供动力;同时还要为后轮驱动系统配上一个电动机, 电动机可以帮助发动机提供更大的驱动力, 在汽车启动、加速行进或坡陡路面时起的作用更为明显。采用这两套系统, 可以根据需要单独或结合提供动力。 (2) 双轴转矩合成式。主要驱动力要靠发动机来完成, 同时发动机能够间接地促使电机转动, 实现蓄电池的充电。充电后的电池反过来也能给电动机提供电能, 完成别的工作。 (3) 单轴转矩合成式。单轴式和双轴式原理基本相同, 只是发动机直接带动电动机对电池进行充电。 (4) 转速合成式。电动机和发动机都是通过离合器和一个“驱动结合器”来完成驱动。在此工作模式下, 发动机的传动机构可以采用普通内燃机, 而电动机可以通过“驱动结合器”实现与传动系统的连接。因此, 不论是进行改制还是维修都比较方便可行。
2 并联式混合动力汽车控制策略的综合性分析
2.1 设计准则
并联式混合动力汽车控制策略的设计准则应包括以下几个方面: (1) 不论在何种模式下, 都应该使发动机的启动、关闭次数尽量减少。 (2) 要尽量达到和保持“两机”的工作效率。 (3) 针对不用的运行模式, 对电池SOC做出合适稳定的选取。 (4) 优化车况自身的性能, 使功率得到有效的分配, 子系统间的能量流动效率得到提高。 (5) 工作运行动态保持良好, 对不同条件下, 表现出较高的适应性和自学习能力。
2.2 控制策略的优化分析
系统控制策略一直是混合动力汽车研究的热门问题。而随着混合动力汽车的发展, 现在的控制策略大都是从转矩和功率的角度来实现控制。
(1) 静态逻辑门限控制策略。首先要将电池SOC、所需汽车功率、加速信号 (也可选其它参数) 等作为事先选定的变量, 根据之前设定好的章程, 对驱动系统的工作模式做出选择, 以此来提高汽车的工作效率和油耗使用率。这种策略的实施过程相对来说简便易行, 应用也较为广泛。但设定的门限静态参数都是由经验所得, 并不能反映和适应实际的动态过程, 也很难使汽车获得最大的工作效率。 (2) 瞬时优化控制策略。目前所提出来的瞬时优化策略不外乎是“等效燃油消耗最少”法或“功率损耗最小”法, 二者的工作原理基本一样。“等效燃油消耗最少”法是针对某个瞬时工况, 将电动机所消耗的电量通过一定的公式换算成发动机的燃油量和排放, 再加上制动过程产生的回收能量与燃油量和排放组成一个整体模型, 针对此模型求算出最小值所在, 并将其对应的点作为此瞬时工况的工作点。 (3) 模糊能量控制策略。此控制策略主要用来确定运行模式及相关的功率。将已有“权威”的规则以固定的形式输入到模糊控制器中, 利用控制器将速度、功率等等输入量进行模糊处理, 依照设定的规则来完成选择。对于有些难以进行精确定量的理论规则, 可使用此策略进行表述, 并能够对各种因素进行折中处理。 (4) 全局最优能量控制策略。对于整个运行区间, 全局最优控制策略主要是依据某种优化理论, 建立以经济、排放为目的, 系统运动变量为约束条件的最优化数学模型, 并采用一定的算法来做出全局最优设计。目前研究的全局控制策略还不够成熟, 而且存在着计算量大的缺陷, 实时工况性能差。
3 结语
并联式驱动系统只是混合动力汽车的一种驱动方式, 且存在着一些缺陷和不足之处。因此, 要对汽车的驱动系统进行更优性能的开发。控制策略是提供动力的核心和关键所在, 目前人们所提出的能量控制策略还不够完善, 实用性并不强。如何开发一种最优化和最实用的控制策略, 在充分考虑整车性能和运行工况的前提下, 实现最佳的能耗和排放, 是目前混合动力汽车需要解决的一个难题。
摘要：混合动力汽车综合了技术、经济和环保等方面的因素, 是现在及未来汽车行业发展的一个重要方向。并联式混合动力汽车装置装有发动机和电动机两套系统, 可以通过不同的驱动模式为汽车提供动力扭矩。文章对并联式混合动力汽车进行了结构和技术分析, 对不同的动力组合模式做出了阐述。为使系统的能量能够合理分配和工作, 对汽车的控制策略进行了分类探讨, 并对比其优缺点, 以此进行更深入的研究。
关键词：混合动力汽车,并联式,驱动,控制策略
参考文献
[1]邹广才, 罗禹贡, 边明远, 等.并联式HEV制动能量回收控制策略的仿真研究[J].汽车技术, 2005 (7) :14-17.