混联式混合动力汽车（共3篇）
混联式混合动力汽车 篇1
混合动力汽车能够实现能量驱动之间的合理搭配, 并有其油耗低、污染小等优点, 已成为了各国汽车行业发展的一个新型模式。按照其驱动结构进行分类, 混合动力汽车可以分为串联式、并联式、混联式和复合式四大类。本文重点对并联式混合动力汽车的系统结构和控制策略进行分析研究。
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
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混联式混合动力汽车 篇2
在制动或 减速时,混合动力 汽车 (hybrid electric vehicle,HEV)中的发电机将汽车的动能或势能转换为电能,存储在能量存储单元中,从而显著提高汽车的能量利用效率,这是HEV所具有的重要特点[1,2]。HEV制动系统 包含机械 制动系统和再生制动系统,这就造成汽车存在3种制动工作模式:电再生制动、机电混合制动以及纯机械摩擦制动。为了在确保汽车制动稳定性的前提下,尽可能多地回收制动能量,必须制定合理的控制策略,以便解决好前后轮制动力分配,协调好驱动轮上电再生制动和机械摩擦制动 之间的关系,这是目前混合制动技术的核心[3,4]。
目前国内外许多学者开展了此方面的研究工作,并取得了一系列研究成果。He等[5]针对并联式混合动力客车进行了前后轮制动力分配研究, 目的是使驱动轴分得最大的制动力,以便回收最多的制动能量。Bao等[6]针对采用气压制动的混合动力客车,制订了前后轴制动力分配原则:在保证制动稳定性的前提下,回收尽可能多的能量。 杨亚娟等[7]针对一款轻型HEV,以整车效率最高为目标,提出了最大能量回收制动控制策略,并采用序列二次规划法对充电功率进行了优化,获得了ISG电机优化转矩。近年来,随着人们对乘坐舒适性的要求越来越高,再生制动控制策略的设计除了像现有研究重点考虑汽车制动安全性、稳定性和能量回收率等因素外,还应兼顾制动舒适性和部件性能。
本文以一款并 联式混合 动力汽车 (parallel hybrid electric vehicle,PHEV)为研究对象,在满足制动力分配原则的基础上,提出了一种基于最佳制动效果和模糊控制相结合的再生制动控制策略,并利用ADVISOR软件和硬件在环仿真实验对该策略从部件性能、制动能量回收、制动感觉等方面进行了全面仿真分析和实验验证。
1理论基础
1.1制动力分配原则
当前后轮同时抱死拖滑时,前后轮都获得最大制动力,制动距离和制动时间最短,制动效果最佳,此时作用于前后轮上的制动力分布曲线为理想制动力分布曲线,称为I曲线[8],如图1所示, 用公式表示为
式中,Ffb、Frb分别为前后轮地面制 动力;G为汽车重 力; hg为汽车质心高度;Lb为汽车质心至后轴中心线的距离; L为汽车轴距。
当前轮先抱死时
此时,随着附着因数φ的不同,所画出的前后轮制动力分布曲线簇称为f线组。
当后轮先抱死时
式中,La为汽车质心至前轴中心线的距离。
此时,随着附着因数φ的不同,所画出的前后轮制动力分布曲线簇称为r线组。
制动强度为
其中,u为汽车车速;g为重力加速度。根据联合国欧洲经 济委员会 (ECE) 汽车法规,z处于0.15~0.80之间时,后轮附着因数利用曲线不能位于前轮对应曲线上方,当φ在0.20~0.80之间时,有z≥0.1+0.85(φ-0.2)。满足ECE制动法规的前后轮制动力分布曲线称为ECE规程曲线,它限定了制动时后轮最小制动力。用公式表示为
PHEV前后轮制动力分配 不能超过 由r曲线、f曲线以及ECE曲线共同包围的区域,例如, 当φ =0.7时,PHEV前后轮制动力分配不能超过图1中的阴影部分,否则会出现各种不稳定制动状态。
1.2制动效果评价指标
为了评价制动能量回收情况,通常以总制动能量、再生制动能量和制动能量回收率为评价指标,其定义分别为
式中,Eb为总制动能量;Fb为总制动力;a为汽车的纵向制动减速度;Ere为再生制动能量;Ub为蓄电池充电电压; Ib为蓄电池充电电流;ηch为蓄电池充电效率;ηre为制动能量回收率。
本文为了综合体现制动效果,兼顾汽车舒适性,增加了一个评价指标:汽车的冲击度j,即汽车减速度的变化率,计算如下:
德国学者研究认为,人体在感觉舒适的范围内所能承受的最大冲击度为10m/s3,如果超过这个值,制动感觉的舒适度会严重降低。冲击度越小,舒适性越好。
2PHEV基于最佳制动效果的再生制动控制策略设计
PHEV在制动过程中因受行驶工况、驾驶员意图、电机与蓄电池状态影响巨大而具有不确定性和非线性,因此需将模糊控制技术应用于制动力分配控制策略的设计中。采用模糊控制技术可以方便地表达不同因素对再生制动的影响,如制动强度z、蓄电池荷电状态(state of charge,SOC) 值等,同时也可以方便地表述难以定量的控制规则,另外对带有不确定性的行驶工况具有较强的鲁棒性和抗干扰能力[9,10]。
2.1控制策略原理
以制动强度z、蓄电池SOC值两个变量作为模糊控制器的输入变量,以期望再生制动力Ff为模糊控制器的输出变量,所设计的基于最佳制动效果的模糊控制策略原理如图2所示。
理想制动力分配模块根据I曲线先求出前后轮制动力Ffb和Frb,其中Frb全部采用机械制动。 然后由模糊控制器根据z、蓄电池荷电状态SOC值求出Ff,与Ffb作取小运算后得到前轮再生制动力Fre和前轮机械制动力Fff。由此可见,基于最佳制动效果的制动力分配策略关键在于如何通过模糊控制器计算出Ff。
2.2模糊控制器的设计
首先,单位化输入变量和输出变量。Ff的取值范围为[0,Fmd],其中,Fmd表示再生制动系统所能提供的 最大再生 制动力;蓄电池荷 电状态SOC值的取值 范围为 [0,0.8],z的取值范 围为 [0,0.7]。然后设计输入输出变量的语言值。将Ff的语言值设计为VS(极小)、MS(中小)、S(小)、 M(中)、B(大)、MB(中大)、VB(极大);将蓄电池SOC值的语言值 设计为MS(中低)、S(低)、M (中)、B(高)、MB(中高);将z的语言值 设计为MS(中低)、S(低)、M(中)、B(高)、MB(中高)。
然后,利用MATLAB的FUZZY工具箱的 图形用户界面 (GUI)建立模糊 推理系统 (fuzzy logic system,FIS),并对输入变量隶属函数、输出变量隶属函数及模糊控制规则进行设计。输入、 输出变量隶属函数均采用两边梯形、中间三角的隶属函数,对应的隶属函数如图3所示。
根据输入和输出变量的量化等级和实际工程经验,确定了25条模糊规则。制动模糊控制规则如表1所示。模糊控制器的推理曲面如图4所示。
最后,采用重心法进行解模糊,经过去单位化运算后,最终得到Ff的有效值。
3ADVISOR仿真分析
利用ADVISOR,选择CYC_NYCC(纽约城市工况)和CYC_US06_HWY(美国高速公路工况)对所设计 的基于最 佳制动效 果控制策 略与ADVISOR自带制动力控制策略进行对比仿真。 表2给出仿真车辆的主要参数。
首先,对部件性能进行仿真。图5和图6分别是CYC_NYCC、CYC_US06_HWY工况下蓄电池SOC的仿真结果。图7和图8分别是CYC _NYCC、CYC_US06_HWY工况下电机工 作点的仿真结果。
由图5和图6可以看出,2种工况下基于最佳制动效果控制策略都能使蓄电池SOC下降减缓,特别是在CYC_NYCC循环工况下蓄电池剩余电量提高幅度更大,工况结束时蓄电池SOC值为0.67,大于ADVISOR自带制动力控制策略的0.65,说明蓄电池回收了更多的制动能量。由图7可以看出,在CYC_NYCC工况下,基于最佳制动效果控制策略的电机提供的再生制动力矩比ADVISOR自带制动力控制策略的电机提供的再生制动力矩明显要大,而在CYC_US06_HWY工况下,这个特点 不太明显 (图8)。 这是因为ADVISOR自带制动力控制策略是依据车辆行驶速度查表来分配制动力的,虽然简单可行,但未考虑是否满足ECE制动法规,同时也没有考虑电机发电特性、蓄电池SOC值等影响因素,电机发电能力未得到充分利用。
然后对制动能量回收情况进行仿真。不同工况下制动能量回收情况如表3所示,不同制动强度下制动能量回收情况如表4所示。
由表3可知,和ADVISOR自带制动力控制策略相比,在CYC_NYCC工况下,基于最佳制动效果控制策略的再生制动能量Ere提高53.53%, 制动能量回收 率ηre提高15.67%;而在CYC_ US06_HWY工况下,Ere只提高5.62%,ηre只提高2.52%。造成这种差别的原因是:2种工况的特点不同。CYC_NYCC为城市道路 循环工况, 车辆启停较为频繁,平均速度为11.41km/h,最大制动强度为0.269,平均制动强度低于0.1。由表4可知,制动强度小于0.1时制动力70%由再生制动提供,因此,本文制定的控制策略可以充分回收CYC_NYCC工况下的制动能量。而CYC_ US06_HWY属于高速工况,制动次数不多,平均速度达 到97.91km/h,最大制动 强度为0.314,制动强度普遍较大。由表4可知,制动强度大于0.1时制动力由再生制动系统与机械制动共同提供,因此,高速公路工况下回收制动能量的优势不明显。
车辆以30km/h初速度行驶,蓄电池SOC初始值为0.7,路面附着系数φ为0.85,2种控制策略在制动强度z分别为0.08、0.35和0.75时的制动能量回收计算结果如表4所示。由表4可知,z<0.1(轻度制动)时,绝大部分制动力由再生制动力提供,此时,基于最佳制动效果控制策略优势突出,相比ADVISOR自带制动力控制策略, Ere提高30.70%,ηre提高17.64%;当0.1≤z< 0.7(中度制动)时,制动力由再生制动与机械制动共同提供,各占50% 左右,此时基于最佳制动效果控制策略优势有所下降,Ere提高20.34%, ηre提高8.74%;当z≥0.7(紧急制动)时,制动力全部由机械制动提供,无再生制动能量。这和所制定的控制规则一致。
最后,对制动感觉进行仿真。图9是制动强度z随前轮制动力Ffb变化曲线。由图9可以看出,制动强度z没有突变,也就是说冲击度j被控制在良好范围内,从而能有效保证良好的制动感觉,提高制动舒适性。
4硬件在环仿真实验
基于MATLAB/Simulink/dSPACE控制系统快速开发和半实物仿真平台,结合所在实验室拥有的发动机和电机实验台架、性能测试设备等硬件,搭建的PHEV硬件在环仿真实验平台如图10所示。
在初速度为30km/h、蓄电池SOC初始值为0.7、总制动能量Eb为550kJ,车辆主要参数保持不变的情况下,将2种控制策略在制动强度z分别为0.08、0.35和0.75时的制动能量回收情况进行ADVISOR仿真和硬件在环仿真实验,两者对比结果如图11所示。对照图11a和图11b可以看出,硬件在环仿真实验结果和ADVISOR仿真结果是一致的,即在轻度制动的情况下,基于最佳制动效果控制策略优势最为突出,在中度制动时优势有所下降,在紧急制动时没有优势。因此, 所设计的控制策略非常适合于车辆启停较为频繁的城市道路循环工况。图11b中的再生制动能量Ere小于图11a中对应值,主要原因是硬件在环仿真实验平台中的发动机、电机、扭矩合成装置等部件的效率低于ADVISOR仿真中的设定值。
5结论
(1)在分析制动力分配应遵循原则的基础上, 提出了基于最佳制动效果和模糊控制的再生制动控制策略,综合考虑了汽车制动的安全性、稳定性、舒适性和能量利用等各种因素,很好地实现了机械制动和再生制动的协同工作。
(2)设计了以制动强度和蓄电池SOC为输入变量,以期望再生制动力为输出变量的模糊控制器,对于带有不确定性的行驶工况具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。
(3)对所设计的控制策略进行了全面ADVISOR仿真分析,包括部件性能分析、不同工况和不同制动强度下制动能量回收情况、制动强度的变化三个方面。仿真结果表明,所设计的控制策略在保证汽车制动稳定性的前提下,有效提高了汽车能量利用率和驾驶员的舒适性,取得了最佳制动效果。
混联式混合动力汽车 篇3
混合动力汽车采用发动机和电动机作为动力, 成为解决能源危机和环境污染问题的有效手段[1,2]。发动机、动力电池、电机参数匹配结果的优劣决定着汽车的动力性和经济性[3]。
国内外学者对混合动力汽车动力系统匹配已经开展了一系列的研究, Sheu对混合动力汽车传动系参数匹配进行了研究, 建立了混合动力汽车传动系统参数评价方法[4]。Ehsani提出了并联混合动力汽车的动力总成参数设计原则和匹配方法[5]。S.Rinderknecht结合变速器对混合动力电动汽车的动力参数进行匹配分析[6]。清华大学卢兰光针对混合动力汽车提出了一种基于道路工况和整车功率需求分析的系统匹配方法[7]。重庆大学王锟应用正交试验法, 以车辆的燃油经济性作为目标对气电混合动力客车动力参数进行匹配与优化[8]。
本文针对山区城市道路行驶的油电混合动力客车进行研究, 对其发动机、电机以及动力电池组进行了选型, 对其动力系统参数进行匹配, 并通过ADVISOR软件进行仿真分析。
1 参数匹配的初始条件和要求
1.1 整车参数
某型号油电混合动力城市客车采用并联式结构, 其整车参数如表1所示。
1.2 设计目标
根据城市客车道路循环工况, 并充分考虑山区道路条件, 需增大车辆爬坡能力, 混合动力城市客车的动力性能要求如表2所示。
2 动力系统参数匹配设计
2.1 发动机选型
混合动力城市客车的发动机采用柴油发动机, 提供驱动力, 克服客车行驶阻力, 保证最高车速。
最高车速下的发动机功率计算如式 (1) 。
当混合动力混合客车以20km/h的速度爬坡15%时, 发动机功率需求应满足式 (2) 。
为满足客车0~50km/h加速时间小于35s, 发动机功率计算如式 (3) 。
从满足混合动力客车动力性角度考虑, 发动机功率选择应为Pel、Pe2和Pe3中的最大者。考虑到发动机所带的附件功率及空调负荷 (约10kw) , 并有1%~2%的爬坡功率裕量和10%的功率裕量为动力电池组充电, 因此发动机选取功率按照式 (4) 计算。
通过计算, 并充分考虑动力性因素, 混合动力城市客车发动机选择功率为150kw。
2.2 电机选型
混合动力城市客车发动机采用永磁同步电机, 由于在客车起步时发动机处于低转速, 效率低, 造成高油耗和高污染, 所以混合动力城市客车起步采用电机驱动。
在山区道路条件下, 客车在坡道起步时, 起步转矩不仅克服传动系统的静态阻力和路面静摩擦力, 还要用来克服坡道阻力, 起步之后立即加速, 一般要求起步车速达到3km/h~5km/h, 设计要求客车的最大爬坡度为20%, 混合动力客车电机最大功率计算如式 (5) 。
根据公式 (5) , 计算得出混合动力城市客车电机的最大功率为59kw。
2.3 动力电池组选型
动力电池的主要作用是在车辆起步、怠速等发动机效率较低状态下为电机提供所需能量, 在减速、制动时吸收反馈能量, 本混合动力城市客车选用锰酸锂电池。
客车起步时, 动力电池组以瞬间高功率的形式向电机提供电能, 因此电池组的功率必须大于电机输出的最大功率, 即:
动力电池组用作峰值电源, 能量不能完全地用于向驱动系传递功率, 其SOC值在0.3~0.8之间时, 内阻较小, 动力电池效率较高, 因此, 仅有部分存储在动力电池组的能量得到有效的应用, 动力电池的容量通过能量状态来计算, 即:
因此, 动力电池组的最小容量为5.5kw·h, 功率为66.7kw。
3 性能仿真及结果分析
在仿真软件ADVISOR中建立后驱并联混合动力城市客车模型, 并将匹配参数导入模型, 在UDDS工况循环下进行仿真, 循环工况、发动机转速、电机转矩以及动力电池组SOC值变化情况如图1~图4所示。
从图1~图4中可以看出, 当道路循环工况中车速需求较大时, 发动机与电机共同工作, 动力电池组SOC值下降, 为电机提供能量。当道路循环工况中车速需求明显减小或制动时, 电机进行根据动力电池组的SOC值情况, 提供转矩或者对动力电池进行充电。
整车性能仿真结果与设计要求对比如表3所示。
从表3可以看出, 仿真结果符合匹配设计要求。该混合动力城市客车与同型号传统燃油客车相比, 节油率可达到28.2%, 具有良好的动力性和节油率。
4 结论
根据整车动力性要求, 针对山区城市道路条件下某型号并联式混合动力城市客车的动力系统进行动力系统选型和参数匹配, 并通过ADVISOR软件对该混合动力城市客车进行仿真分析, 结果表明该混合动力城市客车动力性满足设计要求, 适于山区城市道路条件, 且具有良好的燃油经济性。
参考文献
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