并聯(lián)式混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

1、并聯(lián)式混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真楊蕓蕓 吳 森 黃小楓 黃 君(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院 動(dòng)力機(jī)械及工程 , 武漢 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 文章編號(hào) :1001-3997(2010 07-0034-02【 摘要 】 基于 CYC-ECE-EUDC 循環(huán)工況, 在保證整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的前提下, 對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力轎車發(fā)動(dòng)機(jī) 、 電機(jī) 、 蓄電池及變速器參數(shù)進(jìn)行選取 。 在 ADVISOR2002車輛仿真軟件中建立仿真模型, 得到 此并聯(lián)式混合動(dòng)力車的動(dòng)力性 、燃油經(jīng)濟(jì)性 、 排放等性能曲線圖 。 仿真結(jié)果顯示整個(gè)設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn) 。 關(guān)鍵詞:并聯(lián)式混合動(dòng)力車; 動(dòng)力性; 經(jīng)濟(jì)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中圖分類號(hào):TH16, TK411.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A*來(lái)稿

5、日期:2009-09-161前言能源短缺以及大氣污染使汽車的節(jié)能與環(huán)保性能日益得到 重視, 如何減少汽車對(duì)能源的消耗和對(duì)環(huán)境的污染關(guān)系到人類的 可持續(xù)發(fā)展 。 由于蓄電池技術(shù)尚未成熟,純電動(dòng)汽車的發(fā)展受到 制約 。 無(wú)疑, 混合動(dòng)力汽車 (HEV 是目前比較理想的發(fā)展方向之 一 ?；旌蟿?dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成了傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng), 通過對(duì)控制策略的調(diào)整, 可以最大限度地發(fā)揮傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī) 汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn), 具有比傳統(tǒng)汽車更低的排放和更高的 燃油經(jīng)濟(jì)性; 而且由于車輛的制動(dòng)能量回收, 使汽車的續(xù)駛里程 和動(dòng)力性能可以達(dá)到傳統(tǒng)燃油汽車的水平 。根據(jù)混合動(dòng)力汽車 (HEV 零部件種類

6、、 數(shù)量和連接關(guān)系可將 其動(dòng)力系統(tǒng)分為三種基本結(jié)構(gòu)類型:串聯(lián)式 、 并聯(lián)式和混聯(lián)式 。 并 聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以采用發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng), 電力單獨(dú)驅(qū)動(dòng) 或者發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)三種工作模式驅(qū)動(dòng) 。 故并聯(lián)式混合動(dòng) 力電動(dòng)汽車更適合于市郊和城間及高速公路工況運(yùn)行, 國(guó)內(nèi)外均 已研制開發(fā)出實(shí)際的樣機(jī)或產(chǎn)品 。混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成各部件特性 、 參數(shù)匹配及控制策略決 定了整車的動(dòng)力性 、 燃油經(jīng)濟(jì)性 、 排放特性 、 制造成本及重量 。 以某 轎車為原型, 設(shè)計(jì)一種并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)轎車 。 并聯(lián)式混合動(dòng) 力汽車動(dòng)力總成進(jìn)行參數(shù)選擇和仿真計(jì)算, 如圖 1所示 。2參數(shù)匹配設(shè)計(jì)車輛的行駛參數(shù)如下:滿載

7、總質(zhì)量 m a =1500kg, 空氣阻 力系數(shù) C D =0.32, 迎風(fēng)面積 A =2.6m2, 車輪滾動(dòng)半徑 r r =0.282m, 傳動(dòng)系機(jī)械效率 T =0.9, 滾動(dòng)阻力系數(shù) f =0.018, 軸距 L =2.4m, 質(zhì)心高度 h =0.6m。圖 1并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基于 CYC-ECE-EUDC 循環(huán)工況進(jìn)行選型的,如圖 2所示 。 為了更準(zhǔn)確地選取各個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù), 將整個(gè)循環(huán)工況下不同 時(shí)刻車輛所需的功率由式 (1 確定 。圖 2CYC-ECE-EUDC 循環(huán)工況P e =1T Gfu +C D Au a3+mu d u (1式中:P e 車輛所需的功率 k

8、W ; T 傳動(dòng)系機(jī)械效率; G 車輛總重力 N ; f 滾動(dòng)阻力系數(shù); u a 車速 km/h; C D 空氣阻力發(fā)動(dòng)機(jī)變速器后橋離合器電池電動(dòng)機(jī)動(dòng)力 耦 合 器時(shí)間(s 1301201101009080706050403020100速 度 (K N /h 1101201301401501601701801901100111015115125135145155165175185195110511151Machinery Design &Manufacture機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第 7期 2010年 7月34系數(shù); A 迎風(fēng)面積 m 2; 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù); m 車輛總質(zhì)量 kg d u 加

9、速度 m/s2。 通過計(jì)算得到該車輛按照 CYC-ECE-EUDC 循環(huán)工況行駛 時(shí)每時(shí)刻所需要的功率值, 如圖 3所示 。圖 3車輛所需功率 時(shí)間圖2.1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇并聯(lián)式混合動(dòng)力車選擇發(fā)動(dòng)機(jī)功率的原則是經(jīng)濟(jì)巡航車速 u c 下, 發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其萬(wàn)有特性圖上的經(jīng)濟(jì)區(qū), 并且此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī) 提供一定的充電功率給蓄電池充電 。 u c 和平路勻速阻力功率 Pc 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:P c =1T Gfu c +CDAu c3(2根據(jù)圖 2, u c 取 70km/h, 計(jì)算得 P c =31kW。在計(jì)算并聯(lián)式混合動(dòng)力車的巡航功率時(shí), 還應(yīng)加上附件功率 P acc 約為 3kW 、 (12 %的爬坡功率

10、裕量 P i 和 10%(經(jīng)驗(yàn)值 的充 電功率裕量 P chr , 即P=Pc +Pacc +Pi +Pchr(3計(jì)算得 P 為 38kW 。 巡航功率 P 實(shí)際上是一個(gè)功率帶, 應(yīng)保 證這一功率帶穿越發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖上經(jīng)濟(jì)性較好的區(qū)域 。 結(jié)合 圖 3綜合考慮, 車輛最終選定某發(fā)動(dòng)機(jī), 其最大功率為 45kW , 最 大轉(zhuǎn)矩及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 90N ·m/3500rpm,最高轉(zhuǎn)速 /最低穩(wěn)定轉(zhuǎn) 速為 4200/900rpm。2.2電機(jī)參數(shù)選擇電機(jī)的選擇主要從車輛動(dòng)力性角度考慮,即電機(jī)最大功率 P m max 與發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 P e max 之和應(yīng)能滿足車輛在此工況下的最 大功率 P

11、 v max 的要求, 即滿足下面的不等式P m max +P e max 叟 P v max(4根據(jù)圖 3的動(dòng)力計(jì)算得出車輛行駛阻力功率為 58.5kW , 加 上驅(qū)動(dòng)附屬機(jī)構(gòu)的功率 3kW ,則 P v max 為 61.5kW ,而 P e max 為 45kW , 計(jì)算得 P m max 最小取 16.5kW 。而當(dāng)車輛起步和低速行駛時(shí), 車輛由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng), 根據(jù)圖 3中驅(qū)動(dòng)車輛所需的功率圖, 最終選擇電機(jī)的額定功率為 25kW 。2.3電池組參數(shù)的選擇動(dòng)力電池組參數(shù)確定主要依據(jù)電機(jī)最大輸出功率的需求 。 在 選擇的時(shí)候要綜合考慮與電機(jī)的匹配 、 電池充電與放電特性 、 電 池質(zhì)量及

12、體積等各種因素, 該系統(tǒng)選擇鉛酸電池作為動(dòng)力系統(tǒng)的 儲(chǔ)能元件 。由電機(jī)最大輸出功率選擇電池?cái)?shù) n =P e max b max e ec(5 式中:P e max 電機(jī)最大功率; P b max 電池最大輸出功率; e 電機(jī)工作效率, 計(jì)算中取值 0.9;ec 電機(jī)控制器工作效率, 取值 0.9。 P b max =E 2(6式中:R 蓄電池的內(nèi)阻; E 蓄電池的電動(dòng)勢(shì) 。 最終選取電池容量為 28A ·h 。2.4主減速器參數(shù)選擇混合動(dòng)力汽車的主減速比 i 0由最高車速 V max 和電機(jī)最高轉(zhuǎn) 速 n max 確定, 即:i 0燮 0.377n rmax (7由式 (7確定主減速

13、器速比為 i 0=12.62。 3整車控制策略針對(duì)該方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 確定系統(tǒng)的主要控制策略, 如表 1所示 。表 1整車控制策略4系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析根據(jù)所選擇的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù), 在 ADVISOR2002中選擇相關(guān) 部件并修改參數(shù), 燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性評(píng)價(jià)采用我國(guó)規(guī)定的載質(zhì) 量 (燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)采用半載, 動(dòng)力性評(píng)價(jià)采用滿載 , 選用循環(huán) 工況 CYC-ECE-EUDC 進(jìn)行仿真 。蓄電池系統(tǒng) SOC 值的動(dòng)態(tài)變化過程, 如圖 4所示 。 SOC 初始 值設(shè)置為 0.7,最后下降至 0.625, 波動(dòng)范圍 (SOC 是 0.075, 可見 變化不大, 對(duì)電池有利 。 通過仿真可知, 該混合動(dòng)力

14、總成參數(shù)選擇 基本合理 。發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物隨時(shí)間變化的關(guān)系圖, 如圖 5所示 。圖 4蓄電池 SOC 值隨時(shí)間變化圖圖 5發(fā)動(dòng)機(jī)排放圖圖 6電機(jī)輸出輔助驅(qū)動(dòng)盤那個(gè)轉(zhuǎn)矩圖油門開度較小 油門開度大電池電量不足起步或低速起步或加速 驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng) 怠速或停機(jī) 分離 驅(qū)動(dòng) 接合接合 部件工作狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī) 離合器 電機(jī)起動(dòng)預(yù)熱 分離 車輛工作狀況暖機(jī) 制動(dòng)能量回收停車發(fā)電發(fā)電驅(qū)動(dòng) 接合勻速電池充電加速 發(fā)電 驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng) 接合 接合 減速下坡滑行緊急制動(dòng)發(fā)電 發(fā)電 怠速 怠速 分離 接合 時(shí)間(s 5550454035302520151050-5-10-15-20-25-30車 輛 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 楊蕓蕓等:并聯(lián)式混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 35基于模塊化的液壓缸試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)陳 軍 洪始良(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 , 廣州 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 文章編號(hào) :1001-3997(2010 07-0036-03【 摘 要 】 為了提高液壓缸性能測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和通用性,在詳細(xì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的液壓系統(tǒng), 然后, 建立了其測(cè)控系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu), 并對(duì)其控制軟件進(jìn)行模塊 化分析與設(shè)計(jì) 。 應(yīng)用結(jié)果表明:試驗(yàn)臺(tái)功能齊全 、 自動(dòng)化程度高 、 通用性和擴(kuò)展性好 。關(guān)鍵詞:液壓缸; 試驗(yàn)臺(tái); 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng); 模塊化【 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中圖分類號(hào):TH12, TH137文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言液壓缸作為液壓系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件, 其綜合性能不僅決定 了系統(tǒng)的可靠性, 而且影響著設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù), 因此, 通過 有效的檢測(cè)手段對(duì)液壓缸的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)具有非常重要的 意義 1-3。目前國(guó)內(nèi)外液壓行業(yè)生產(chǎn)廠家, 均有相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái), 其中大 部分是手工方式操作的 。 這種平臺(tái)結(jié)

20、構(gòu)簡(jiǎn)單 、 成本低廉, 但是勞動(dòng)強(qiáng)度高 、 讀數(shù)誤差大 、 效率較低, 難以檢測(cè)液壓缸的動(dòng)態(tài)性能 1。 近 年來(lái), 有許多文獻(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究, 如文獻(xiàn)等 1研制了基于 PID 控制策略的液壓缸綜合試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng), 并運(yùn)用 MATLAB 對(duì)被測(cè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真; 文獻(xiàn) 3設(shè)計(jì)了基于通 用計(jì)算機(jī)平臺(tái)與嵌入式技術(shù)融合的二級(jí)架構(gòu)方案的液壓缸自動(dòng) 測(cè)試系統(tǒng); 文獻(xiàn) 3采用了電液比例技術(shù)的改造方案, 研制了液壓缸 試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 。 但是這些系統(tǒng)使用范圍比較有電機(jī)輸出的輔助驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 (變量:mc_trq_out_a , 如圖 6所示 。 可以觀察到在道路循環(huán)要求汽車加速時(shí)

21、,電機(jī)均提供輔助驅(qū)動(dòng):減速 、 停車時(shí), 電機(jī)回收制動(dòng)能量 。仿真結(jié)果, 如表 2所示 。 依據(jù) “ 十五 ” 期間國(guó)家 863計(jì)劃電動(dòng) 汽車重大專項(xiàng)制定的混合動(dòng)力轎車最低技術(shù)指標(biāo) 5, 所設(shè)計(jì)轎車的動(dòng)力性能指標(biāo):(0100 km/h的加速時(shí)間 t 15.5s ; 車輛最高車 速 V max 160km/h;當(dāng)車速 v=88.5km/h時(shí), 爬坡度 i 12%。 從設(shè)計(jì) 車輛的仿真結(jié)果看出, 該混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力性不僅滿足混 合動(dòng)力轎車的技術(shù)指標(biāo),而且性能高于一般的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車 。 油耗也較同類型的內(nèi)燃機(jī)汽車好, 排放更是優(yōu)于傳統(tǒng)車輛 。表 2仿真結(jié)果5結(jié)論混合動(dòng)力車輛在進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選型的時(shí)候結(jié)合所對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算有助于得到性能更優(yōu)的方