混合動力車的混合度優(yōu)化設(shè)計

三、混合動力車的混合度優(yōu)化設(shè)計：混合動力汽車的主要技術(shù)優(yōu)勢之一，就是從根本上解決了傳統(tǒng)汽車由于“大馬拉小車”而導(dǎo)致的油耗居高不下的問題，而這種技術(shù)優(yōu)勢能否得以充分發(fā)揮的關(guān)鍵是通過科學(xué)合理的選擇混合度，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“車馬匹配”?；旌隙仁腔旌蟿恿ζ嚨闹匾O(shè)計參數(shù)及混合動力汽車特性參數(shù)設(shè)計的核心內(nèi)容，其主要任務(wù)是合理確定各動力總成如發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、電池的功率和容量等特性參數(shù),而所有這些參數(shù)設(shè)計中，最為重要的是發(fā)動機(jī)與電動機(jī)功率的確定，即混合度的設(shè)計。本文提出了在一定的約束條件下混合度的最優(yōu)確定原則，其主要的約束條件為動力性能與電池電量平衡。因此，與混合度設(shè)計相關(guān)的研究問題主要為動力系統(tǒng)總功率的設(shè)計方法（由動力性約束條件確定）、電池電量平衡策略（由燃油經(jīng)濟(jì)性要求確定）及混合度邊值條件的研究。（一）混合度的基本概念所謂混合度,指的是電系統(tǒng)功率P所謂混合度,指的是電系統(tǒng)功率Pelec占總功率Pttl的百分比，即:Poa>c10%total>c10%total(12-1)對于不同的傳動系構(gòu)型，混合度的定義會略有不同。對于并聯(lián)式混合動力汽車混合度定義為：PR二-^pmpX100%m+ e (12-2)對于串聯(lián)式混合動力汽車，所有動力均由電動機(jī)提供，電動機(jī)功率也就是動力源總功率需求，它屬于電電混合形式，即發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組輸出的電功率和電池輸出的電功率混合一起向電動機(jī)提供驅(qū)動功率，所以混合度定義為電池系統(tǒng)功率與電動機(jī)功率的比值：PpsX100%m（12-3）式中，P，P為發(fā)動機(jī)、電動機(jī)功率；P為電能存儲系統(tǒng)（即電池）功率。em ess上述動力源功率是指額定功率，它反映動力源的持續(xù)最大輸出能力。混合動力按混合度的分類：從混合度定義可知，混合度越大.說明發(fā)動機(jī)占的比例越小，越接近純電動汽車。相反，混合度越小，相應(yīng)發(fā)動機(jī)功率較大，越接近傳統(tǒng)汽車。可以認(rèn)為傳統(tǒng)汽車是混合度為0的混合動力汽車，而純電動汽車是混合度為1的混合動力汽車。

如圖所示，不同的混合度代表不同類型的汽車，從傳統(tǒng)型到助力型、雙模式、混合度是逐漸增大的。從混合動力汽車類型與續(xù)駛里程延伸型、最后到純電動,混合度關(guān)系可以看出，對于續(xù)駛里程延伸型HEV的設(shè)計思想是在普通電動車輛上增加一附加的車載能源（或原動機(jī)）并及時為蓄電池補(bǔ)充充電（或承擔(dān)部分車輛行駛功率），減小蓄電池的能量消耗，延長電動車輛的續(xù)行里程，通常續(xù)駛里程延長型混合動力車輛都裝備有一個較大容量的電池組和一個小型的附加車載能源（如發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組）或小功率的原動機(jī)（如內(nèi)燃發(fā)動機(jī)），使整車質(zhì)量與成本增加，其混合比較大，適用于對排放嚴(yán)格限制的市區(qū)車輛。而助力型HEV，發(fā)動機(jī)為主動力源，電動機(jī)作為輔助動力源以優(yōu)化發(fā)動機(jī)的工作特性，提高車輛的經(jīng)濟(jì)性和降低排放，具有良好的節(jié)能潛力，同時整車布置、質(zhì)量與成本也非常有利，因此，這種助力型是目前混合動力汽車應(yīng)用最多的一種類型，其混合度小于50%。雙模式型混合動力車輛綜合了上述兩種類型車輛的特點(diǎn)，且電功率與發(fā)動機(jī)功率基本相同，混合度約為50%。這種類型汽車的主要特點(diǎn)為：既可以充當(dāng)傳統(tǒng)汽車在郊外行駛，也可充當(dāng)純電動汽車以零排放模式行駛相當(dāng)長距離。因此，這種系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)、電動機(jī)與電池選擇都較大.系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。如圖所示，不同的混合度代表不同類型的汽車，從傳統(tǒng)型到助力型、雙模式、混合度是逐漸增大的。從混合動力汽車類型與從混合度概念可知，混合度可直接表明兩動力源的功率組合，是混合動力汽車重要特性參數(shù)，混合動力汽車特性參數(shù)設(shè)計問題的核心就是混合度設(shè)計?；旌蟿恿ζ嚮旌隙萊現(xiàn)狀分析：20世紀(jì)70年代，國外就開始進(jìn)行混合動力汽車的研究和開發(fā)，但由于混合動力汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高，實(shí)現(xiàn)較為困難，直到90年代，各國才相繼推出混合動力概念車或樣車，并有小批量混合動力汽車產(chǎn)品上市。今天，混合動力汽車市場更是各國汽車廠商欲以爭奪的目標(biāo)。圖3——2所示為當(dāng)前一部分混合動力汽車樣車的混合度R變化曲線。這些混合動力汽車有如下不同：1） 代表不同的汽車類型。包括緊湊型轎車、雙座跑車和中型轎車，從而導(dǎo)致不同的汽車重量、內(nèi)部空間及整車性能；2） 代表HEV不同發(fā)展階段。有已市場化的產(chǎn)品，也有美國PNGV計劃混合動力概念樣車；3） 裝載不同的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。包括先進(jìn)的汽油發(fā)動機(jī)和直噴柴油發(fā)動機(jī)；4） 動力系統(tǒng)混合度R變化很大。兩款已市場化的混合動力汽車本田Insight和豐田Prius的動力系統(tǒng)混合度分別為0.17和0.47。由圖3——2可以得出如下結(jié)論：市場上出現(xiàn)的混合動力汽車混合度R變化范圍較廣（0.1?0.5）；可以認(rèn)為，高混合度（R>0.5）的混合動力汽車并不被汽車廠商所考慮（由于電機(jī)、電池增加了整車成本）。圖3——2幾款混合動力汽車混合度H的變化曲線圖3---3三款本田混合動力轎車（紅圈）、三款豐田Prius及福特Eascape（綠圈）、和幾款與HEV分別同類型傳統(tǒng)轎車（藍(lán)圈）的動力系統(tǒng)混合度與汽車牽引負(fù)荷效率圖。圖中可以出：1） 傳統(tǒng)中型轎車的負(fù)荷效率比較低，研究表明平均約為17%；2） 三款本田輕度混合汽車（MHV）對負(fù)荷效率的改善沒有豐田Prius及福特Eascape完全混合汽車（FHV）好。3） 三款豐田Prius混合度R變化為0.41、0.39、0.47，整車負(fù)荷效率相對對應(yīng)逐漸提咼；4） 特別地，豐田04版Prius的負(fù)荷效率（34%）比其同級別轎車的負(fù)荷效率（19%）提高了15%，接近達(dá)到傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)熱機(jī)限值效率（38%）。從而，相對于傳統(tǒng)汽車，我們可以得出如下結(jié)論：?混合動力技術(shù)可以明顯提高汽車負(fù)荷效率，從而改善整車的燃油經(jīng)濟(jì)性；?整車燃油經(jīng)濟(jì)性的提高，動力系統(tǒng)的完全混合要比輕度混合好。?混合度R變化可以對整車的燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生很大影響。傳統(tǒng)汽油發(fā)初機(jī)熱值效注阻值（3險） 1#垓膜空rlra出虻04版Frius^tu的效率限值i磁#垓膜空rlra出虻04版Frius^tu的效率限值i磁）9%鴕HondaMHV￡C；\-'s*29%Prius(&Escape)FHVs-■■:r_| ! ! ! 3 ! !'-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5動丈系統(tǒng)昆合度R圖3——3混合度R與汽車牽引負(fù)荷效率圖基于上述，混合動力技術(shù)仍是各國汽車廠商關(guān)注的焦點(diǎn)，混合動力汽車仍在不斷推出當(dāng)中，同時現(xiàn)有的HEV動力系統(tǒng)混合度R變化范圍很大，而混合度R吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文的選取又與整車的燃油經(jīng)濟(jì)性、整車成本緊密相關(guān)，因此深入開展混合動力汽車混合度的研究是很有必要的?；旌隙葘φ嚨挠绊懀簽榱藢旌隙鹊暮侠磉x擇提供定性指導(dǎo)，下面先就混合動力汽車混合度對整車的影啊作一綜合分析。總體上，混合度影響混合動力汽車類型、整車質(zhì)量、成本、用途、燃油經(jīng)濟(jì)性等。對于某一具體混合動力汽車、成本和燃油經(jīng)濟(jì)性是混合度最主要的影響方面，也是混合度設(shè)計所考慮的主要因素。1）混合動力汽車類型混合動力汽車可根據(jù)混合度大小劃分，當(dāng)混合度H大于50%為續(xù)駛里程延伸型，小于50%為助力型，接近50%為雙模式型。另外，根據(jù)行駛前后蓄電池荷電狀態(tài)SOC變化情況，混合動力汽車也可劃分為電量維持型（ChargeSustaining）和電量可消耗型（ChargeDepleting）兩種。一般情況，對于電量維持型混合動力汽車是指它的電池電量在實(shí)際行車過程中可自動補(bǔ)充，無需車外充電器補(bǔ)充電量，一般電池容量較小，其混合度H相對較??；而電量消耗型混合動力汽車電池電量在行車過程中無法得到平衡，更接近純電動汽車，電池選擇較大，需要車外充電器補(bǔ)充電量，因此，混合度H相對較大。2）整車質(zhì)量1400138014001380混合度3---4混合度與整備質(zhì)量關(guān)系混合度對整車質(zhì)量具有一定影響，一般地，混合度越大，整車質(zhì)量會增加。如圖（3—4）可知，整車總質(zhì)量隨著混合度值的增大而增加，基本成線性關(guān)系變化，這主要是由于發(fā)動機(jī)一發(fā)電機(jī)組與電池組的功率密度不同所引起的，由于動力源的總功率確定，增大混合度的值會增大電池組的功率而減小發(fā)動機(jī)一發(fā)電機(jī)組的功率，由于電池組的功率密度要小于發(fā)動機(jī)一發(fā)電機(jī)組的功率密度，因此，增大混合度的值會引起電池組和發(fā)動機(jī)一發(fā)電機(jī)組總的功率密度的降低，但總功率不變，所以其總質(zhì)量會增加，并且引起整車總質(zhì)量的增加。但混合度對整車質(zhì)量影響其實(shí)并不大，混合度增加很大幅度，而整車質(zhì)量變化約5%。3） 整車成本研究表明，混合度對整車成本具有顯著的影響。在當(dāng)前技術(shù)條件下，電系統(tǒng)的成本和電動機(jī)功率基本成線性關(guān)系正比例增長。隨著混合度增大，電動機(jī)功率越大，相應(yīng)的電動機(jī)控制器和大功率控制元件成本也就大大提高時電池成本也隨之升高。在發(fā)動機(jī)技術(shù)比較成熟的情況下，整車成本隨發(fā)動機(jī)功率的增加不比其隨電動機(jī)功率變化的快，因此，選擇混合度較小的方案是比較明智的。但是，混合度與整車成本的關(guān)系很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型，主要原因是混合動力元件成本很大程度依賴于技術(shù)成熟度、產(chǎn)量大小，混合動力元件生產(chǎn)商向整車商供貨的漲價額度以及其他隨市場變化不確定因素等。尤其在國內(nèi)，混合動力總成還不完全成熟和產(chǎn)業(yè)化，其精確的成本模型更難建立，因此，在混合度設(shè)計方法研究中，僅能定性考慮混合度對成本的影響。4） 用途相對于傳統(tǒng)汽車，混合動力汽車由于混合度的靈活選擇，使其用途有很大的不同，因此混合度的選擇同時還要考慮整車的實(shí)際使用情況。例如，對于小型汽車如轎車，混合度不宜選擇過高，因?yàn)榛旌隙冗^高，增加了電池，電動機(jī)系統(tǒng)在空間布置實(shí)現(xiàn)上的難度。另外，車常在郊外行駛，如果混合度較大，相應(yīng)發(fā)動機(jī)功率較小，整車大部分時間為電系統(tǒng)工作能量經(jīng)二次轉(zhuǎn)換導(dǎo)致整車效率過低.所以，更適合采用輕度混合系統(tǒng)，讓電動機(jī)作為調(diào)節(jié)裝置使發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)域內(nèi)，直接通過機(jī)械聯(lián)接方式驅(qū)動車輪，使整個系統(tǒng)的效率得到提高。5）排放和燃油經(jīng)濟(jì)性混合度對整車排放、燃油經(jīng)濟(jì)性影響比較顯著，一般地，混合度越大，其節(jié)能效果越好，整車排放、燃油經(jīng)濟(jì)性也越好。豐田公司根據(jù)輕型混合動力汽車混合度大小定義了三種類型，其中類型I為微度或輕度混合型（minimal）,其混合度在10%以下，主要是用來取消發(fā)動機(jī)怠速以節(jié)省燃油消耗，電動機(jī)僅為了起動發(fā)動機(jī)，而基本不能回收再生制動能量，因此，其節(jié)能效果有限，該類型的代表車型為CMSilverado，其節(jié)能效果只有10%左右。類型II為中度或中等混合型（mild），其電壓與電動機(jī)功率都比類型I的要大，即混合度更大，大致在10%?40%之間，典型代表為本田公司的Insight，其節(jié)能效果在30%?50%左右。類型III為全混合（full），典型代表是豐田公司的Prius，其混合度更大，為40%左右，整車節(jié)能更明顯，其城市燃油經(jīng)濟(jì)性可提高80%。上述分析表明，對于某一具體構(gòu)型的混合動力汽車而言，隨著混合度提高，發(fā)動機(jī)逐漸減小和電動機(jī)逐漸增大，原則上能更充分發(fā)揮整車的節(jié)能效果。但受技術(shù)條件限制和市場成本的導(dǎo)向.當(dāng)前混合動力汽車的混合度大多還以輕度混合或中等混合為主。國外混合動力汽車統(tǒng)計表明，對于輕型汽車，混合度大多數(shù)比較小，都不超過45%。（三）混合度優(yōu)化設(shè)計方法上述混合度對整車影響的研究只能定性指出混合動力汽車應(yīng)以輕度混合為主，即混合度應(yīng)小于0.5,但在O?0.5范圍內(nèi)混合度具體如何設(shè)計，其合理選擇范圍應(yīng)取多大？這些都需要有一套較為完整的混合度優(yōu)化設(shè)計方法。近年來國內(nèi)外對混合動力汽車設(shè)計方法有不少研究，其中吉林大學(xué)的“混合動力汽車研究”課題組提出了混合度優(yōu)化設(shè)計方法，具有重要參考價值。該方法首先提出作為混合度設(shè)計重要約束條件的動力源總功率設(shè)計方法和電池電量平衡算法，然后研究確定混合度的邊值條件，最后根據(jù)設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化方法（最小二乘法曲線擬合）確定最佳混合度。l混合度設(shè)計問題描述（1）混合動力汽車設(shè)計問題由于混合動力汽車是在傳統(tǒng)汽車技術(shù)上發(fā)展起來的，國內(nèi)外很多混合動力汽車的設(shè)計是基于某一傳統(tǒng)型汽車，其設(shè)計要求均是在保證與其傳統(tǒng)型汽車動力性一致的前提下，對燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性提出改善目標(biāo)，即設(shè)計要求提出如下：經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)（和，或）排放性能指標(biāo)約束條件為：加速性能指標(biāo)爬坡性能指標(biāo)設(shè)計變量為：發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和電池特性參數(shù)上述設(shè)計問題（僅以燃油經(jīng)濟(jì)性為設(shè)計目標(biāo)為例）轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表示形式如下：目標(biāo)函數(shù)：minL/100km(12-4)設(shè)計變量：發(fā)動機(jī)功率：Pe電動機(jī)功率：Pm電池容量：C(或BatCap)(12-5)約束條件：最咼車速：Vmax(12-6)加速性 V0?Vt<T(12-7)直接擋車速V.爬坡能力 爬坡度i1或1(12-8)最大爬坡度imax工況加速性：AV-AVc(12-9)工況電能量平衡：lAsoC-Asocc(12-10)式中，L/100km為百公里油耗；Pe，Pm為發(fā)動機(jī)和電動機(jī)功率(kW)；C,BatCap為電池容量(A?h)和電容量(kW?h)；vmax為設(shè)計指標(biāo)的最高車速(km/h)；v0,vt為加速過程初始和末速度(km/h)；T為加速時間(s)；vi,i1為爬坡車速(km/h)和爬坡度(％)；imax1為最大爬坡度(％)，通常是指一擋最大爬坡度；△v, 為跟隨工況車速誤差及其限值(km/h),一般限值不超過±3km/h；△soc,△soc為工況前后電池soc變化量及其最大限值，電量平衡限值一般不超過c±0.5%，電池soc變化為：Asoc=soc(tf)-soc(t0)；soc(tf),soc(t0)為工況開始與結(jié)束時刻電池荷電量。上述設(shè)計問題補(bǔ)充的約束條件為汽車須跟隨工況要求車速。對于目前應(yīng)用較多的電助力型混合動力汽車，一般設(shè)計為電量維持型，就是要求工況前后電池刪要保持平衡。因此，通過混合動力汽車的設(shè)計問題便引出了其他相關(guān)研究內(nèi)容：電池荷電量soc估計、平衡策略及混合動力汽車循環(huán)工況的選擇。(2)混合動力汽車混合度設(shè)汁的數(shù)學(xué)描述上述混合動力汽車設(shè)計問題主要是根據(jù)性能指標(biāo)來確定動力源特性參數(shù)，即選擇合適的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)功率，以及電池容量特性參數(shù)的確定。對于電池特性參數(shù)(其容量)，由于它與電動機(jī)功率具有一定的相關(guān)性，可先暫不考慮，因此，上述設(shè)計問題可進(jìn)一步簡化為僅有發(fā)動機(jī)與電動機(jī)功率兩設(shè)計變量的問題。電池特性參數(shù)可在求得電動機(jī)功率后，單獨(dú)進(jìn)行考查給予確定。對于上述約束條件中的前四項(xiàng)，即式(12-6)?式(12-9),可通過動力源總功率設(shè)計使其得到滿足，因此，又可將上述的兩變量設(shè)計問題轉(zhuǎn)化成單變量設(shè)計問題,即：設(shè)計變量：發(fā)動機(jī)功率：Pe(12-11)約束條件(12-12)(12-11)約束條件(12-12)動力源總功率：P「蘆Ptotalmaxtotal工況電能量平衡條件：lAsoC-Asoc式中，Pttl為動力源總功率(kW),即Pttl=P+P；P為動力源總功率設(shè)total totale max計值(kW),由動力性指標(biāo)來確定，同時，還須考慮是否滿足工況的加速性要求。由混合度定義可知，上述設(shè)計變量可最終轉(zhuǎn)化為混合度的單變量設(shè)計問題，即總功率一定條件下。設(shè)汁要求如下：目標(biāo)函數(shù)：minL/100km設(shè)計變量:混合度：H約束條件:m max工況電能量平衡:Asoc|<Asocc(12-14)(12-15)(12-16)R邊值條件：min<R<Rmax(12-17)式中，H.、H為混合度最小邊值和最大邊值。minmax因此，通過對混合動力汽車設(shè)計問題的一般化分析，在首先滿足動力源總功率設(shè)計要求和電量平衡約束條件下，把混合動力汽車設(shè)計問題轉(zhuǎn)換成了混合度單變量的設(shè)計問題。由于動力源總功率設(shè)計與電量平衡都要基于循環(huán)工況進(jìn)行分析，因此，在混合度設(shè)計之前，須首先確定循環(huán)工況，并對上述兩項(xiàng)約束條件及邊值條件進(jìn)行確定。2混合度設(shè)計中循環(huán)工況的選擇混合度設(shè)計中的經(jīng)濟(jì)性能目標(biāo)函數(shù)，約束條件中工況的加速性及電能量平衡的考核都與混合動力汽車的循環(huán)工況有關(guān)，而且，循環(huán)工況對整車性能的影響顯著，是混合動力汽車設(shè)計與評價的重要基礎(chǔ)。循環(huán)工況是一個國家或地區(qū)強(qiáng)制規(guī)定的一段車速(或坡度)一一時間歷程，使汽車實(shí)際車速跟隨工況車速，用于考核整車性能(如經(jīng)濟(jì)性)。傳統(tǒng)汽車經(jīng)濟(jì)性能的考核須以某一循環(huán)工況為基準(zhǔn)，同樣，混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性也要以某一地區(qū)的循環(huán)工況作為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行考核，這樣對不同汽車的節(jié)能效果才具有一致的可比性。針對不同結(jié)構(gòu)和用途的混合動力汽車，應(yīng)當(dāng)開發(fā)不同的循環(huán)工況作為基準(zhǔn)對整車性能進(jìn)行考核與評價。因此，國外對混合動力汽車制定了新的循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)，例如針對日本豐田公司的prius混合動力轎車，制定了日本的1015_6Prius循環(huán)工況?；旌蟿恿ζ嚨膮?shù)設(shè)計和優(yōu)化與循環(huán)工況緊密相關(guān)，因此，基于不同的循環(huán)工況所設(shè)計的混合動力汽車響很大的影響，并且基于某一循環(huán)工況而設(shè)計出的最佳方案對另一循環(huán)一

況未必最佳。因此，必須結(jié)合本國、本地區(qū)的實(shí)際情況.同時根據(jù)混合動力汽車的類型和用途，制定相應(yīng)比較全面的混合動力汽車循環(huán)工況考核標(biāo)準(zhǔn)，這對設(shè)計和考核混合動力汽車具有重要意義。3動力源總功率設(shè)計方法汽車在水平道路上等速行駛時必須克服來自地面的滾動阻力F和來自空氣f的空氣阻力F；當(dāng)汽車在坡道上上坡行駛時，還必須克服重力沿坡道的分力，TOC\o"1-5"\h\z即坡度阻力F；另外汽車加速行駛時還需要克服的阻力即加速阻力F。因此汽i j車行駛的總阻力為工F=F+F+F+Ft f w i j或\o"CurrentDocument"Tiin CaV2 dtqg°t=Gfcosa+d +Gsina+5mv\o"CurrentDocument"r 21.15 dt式中Ft為驅(qū)動力、Ttq發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、i變速器傳動比、i主減速器傳動比、耳」專g 0 T動系機(jī)械效率、A迎風(fēng)面積、Cd空氣阻力系數(shù)、f滾動阻力系數(shù)、5汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，5主要與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。車輪的轉(zhuǎn)動慣量及傳動系的傳動比有關(guān),5>1一般取1.003?1.005。上述各種阻力中，滾動阻和空氣阻力是在任何行駛條件下均存在的。坡度阻力和加速阻力僅在一定行駛條件下存在。水平道路上等速行駛時就沒有坡度阻力和加速阻力。將汽車行駛方程式兩邊乘以行駛車速并經(jīng)單位換算得汽車行駛的功率平衡方程式：VfGfcosaGVfGfcosaGsinaCaV2 5md]- + +d + Tf-76140 3600dt丿上式可寫成d]+5忖t丿動力源總功率確定是混合動力汽車混合度設(shè)計滿足動力性要求的重要前提。P=

nt當(dāng)a較小時，sinaui，(Gf+Gi+P=3600nt36003600cosa沁1，CaV2——d—21.15混合動力汽車動力源總功率設(shè)計須根據(jù)加速性、最高車速、最大爬坡性能來確定。這里提出一種從加速性指標(biāo)直接推導(dǎo)動力源總功率的設(shè)計方法，即利用車輛動力學(xué)平衡理論，對汽車極限加速過程作曲線擬合方程處理來考核動力源所需功率。因?yàn)閷τ诖蠖鄶?shù)汽車，動力源最大功率往往是由加速性能指標(biāo)決定，即只要加速性指標(biāo)得到滿足，其他動力性指標(biāo)也會得到滿足。利用該方法確定動力源總功率的同時，還要考慮其循環(huán)工況的加速性要求?以綜合確定總功率的大小。混合動力汽車的動力性指標(biāo)包括最高車速。vmax(km/h)、v0~vt(km/h)加速時間T(s)及最大爬坡要求i (%)。首先,不考慮汽車的爬坡性與加速性能時根據(jù)最高車速v確定的最大功率max

為:maxmaxi3600"Gf+CaV221.15max其次，根據(jù)爬坡性能確定的最大功率為:為:maxmaxi3600"Gf+CaV221.15max其次，根據(jù)爬坡性能確定的最大功率為:max2-3600"Gfcosdmaxmax(12-18)CaV2] d J21.15丿(12-19)式中,a二arctgmax 、100丿對于電量維持型混合動力汽車，可根據(jù)動力性的這兩項(xiàng)指標(biāo)來確定發(fā)動機(jī)功率,因?yàn)殡娏烤S持型混合動力汽車無須外部電源來對車載電池進(jìn)行補(bǔ)充，這就要求當(dāng)整車爬長坡或長時間以最高車速巡航時，動力應(yīng)當(dāng)由發(fā)動機(jī)來單獨(dú)提供，否則，電池電量很容易耗盡，違背了電量維持型混合動力汽車的設(shè)計原則。最后，根據(jù)加速性能來確定動力源總功率?！?"4J—""4J救舟圖3----4汽車起步加速時速度隨時間的變化情況汽車起步加速過程可以按下式來表示，即(12-20)式中，x為擬合系數(shù)，由圖(3—4)以看出，當(dāng)x取0.5左右時，由上式所確定的加速擬合曲線與理論計算值比較吻合。tm，vm為起步加速過程的時間(s)和末車速(km/h)。由圖(3—4)還可以看出，汽車在t時刻附近的加速度近似相等，故認(rèn)為在t的前一時刻加速度功率需求為最大。假定汽車在行駛過程中，在t01秒到t這段時間加速度一致，則此時所需要的最大加速功率可按照下式計算： °GfVCAV+3600^+GfVCAV+3600^+7614oH ttP川,V)=叱max3 t 3601It這樣，根據(jù)式(12-23)可由加速末車速vt和加速時間T確定整車的功率要求,從而為整車總功率設(shè)計提供簡捷而合理的選擇依據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)可知，汽車在行駛時由于加速所需要的功率一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以最高車速行駛和爬坡所需要的功率，因此，動力源總功率滿足P=Paxma& (12-24)通過上述方法確定動力源總功率后，還須校核整車在基準(zhǔn)循環(huán)工況下是否滿足其加速性要求。4約束條件soc平衡方法由于混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性需要對電池soc進(jìn)行校正計算，同時，電池soc在循環(huán)工況前后平衡也是常用助力型混合動力汽車的重要約束。為了保證混合動力汽車在工況運(yùn)行前后soc平衡(或電量平衡)，可通過以下方法實(shí)現(xiàn)。JSbC)PJSbC)PQdte e t0elB二1(12-25)H360A0(12-25)同時要滿足： △socWAsoc。式中，Bh為發(fā)動機(jī)燃油消耗量(L)；be(t)為發(fā)動機(jī)油耗率［g/(kw?h)］；Pe(t)為發(fā)動機(jī)功率(kw)；p為燃料密度(kg/L)。fuel發(fā)動機(jī)的熱效率表達(dá)式：e幾鬲X106e 卩h其中u為燃料的低熱值(J/g)；n(t)為發(fā)動機(jī)熱效率。e由上可知，發(fā)動機(jī)油耗率b(t)與發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)密切相關(guān)，且和發(fā)動機(jī)效率耳(t)成e e倒數(shù)關(guān)系，即可表示為:(12-26)(12-27)b宀；6x10)

e hn(/)(12-26)(12-27)uet因此，發(fā)動機(jī)燃油消耗可表示為發(fā)動機(jī)效率的函數(shù)，即tB=C“P

H etf0e

1000式中，c1000式中，c為化簡系數(shù),fueluoe如果要維持電池電量平衡，須通過發(fā)動機(jī)來補(bǔ)充，當(dāng)電池姚下降，須在原發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)增加一定的功率來補(bǔ)充對電池進(jìn)行充電，以期望維持其電量。發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的變化，使發(fā)動機(jī)的油耗增加，則由于增加SOC平衡功率使發(fā)動機(jī)增加的油耗Ab為:eaP)=葉/二p)ee e e e油耗Ab為:eaP)=葉/二p)ee e e e(12-28)式中,APe為發(fā)動機(jī)補(bǔ)充的充電功率Pchg(kW)，通常為電池S0C的函數(shù):AP=P=P(soC-soc)e chg set(12-29)式中，P為設(shè)定的充電功率值(kw)；soc，set isoc為當(dāng)前SOC值和設(shè)定控制中0線soc值。由于這部分充電功率，使得混合動力汽車的燃油消耗量為：B=CJtf +Ab(APe)dH e10In(t) e te(12-30)式(12-30)就是考慮約束條件soc平衡的混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性計算公式。利用該公式進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性計算，可維持工況前后的電量平衡。5混合度邊值條件混合度的確定，首先要滿足其設(shè)計的約束條件，即上述討論的動力源總功率要求及工況前后電池電量(或soc)平衡，同時也要滿足混合度本身的約束，即混合度邊值條件的確定。(1)最大邊值條件 混合度最大邊值條件的確定就是在動力源總功率一定的前提下選擇發(fā)動機(jī)的最小功率。一般地，發(fā)動機(jī)功率主要由所設(shè)計的混合動力汽車類型決定。對于續(xù)駛里程延伸型，發(fā)動機(jī)功率一般選擇較?。粚τ陔p模式類型，其發(fā)動機(jī)與電動機(jī)功率很容易確定，即各為總功率的一半。對于助力型混合動力汽車，根據(jù)發(fā)動機(jī)和電動機(jī)自身特點(diǎn)，即發(fā)動機(jī)的慣量較大，響應(yīng)較慢，而電動機(jī)的響應(yīng)較快，應(yīng)當(dāng)讓發(fā)動機(jī)提供變化較慢的穩(wěn)態(tài)功率，而電動機(jī)提供瞬態(tài)變化的峰值功率。而穩(wěn)態(tài)功率包括以巡航車速行駛的功率要求Pe1、爬坡功率要求Pe2、循環(huán)工況的平均功率要求Pe3以及極限加速過程的平均功率要求Pe4它們的計算公式如下：⑴汽車以巡航車速V在水平公路上行駛時克服與車速相關(guān)的空氣阻力和滾動阻力所需求的功率：(CAV2]Gf+ 21.15k 丿其中v為巡航車速，其取值應(yīng)在車輛的平均行駛車速和最高行駛車速之間，即:P=_2-

e1 3600"t⑵汽車以爬坡速度Vi在坡度為i長坡上行駛時克服坡度阻力、滾動阻力和空氣阻力所需要的功率：CaV2]■iGfcosa+Gsina+—d i-■i3600"21.153600"…丿⑶發(fā)動機(jī)功率選擇還要考查工況的平均功率。為了滿足工況的正常驅(qū)動能力,發(fā)動機(jī)的功率至少要大于循環(huán)工況的平均功率。P二TJTeyPC)d ( )e3T 0 wh t P >0丿eye wh(12-34)⑷式中，Pe1，Pe2是對混合動力汽車在某些特殊情況下所要求的功率(長時間巡航、爬長坡所要求發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動)，而是基于設(shè)計工況驅(qū)動要求的平均功率。同時,發(fā)動機(jī)功率的最終確定還要考慮另一種情況，整車極限加速過程(如超車，或當(dāng)交通狀況良好時駕駛員踩加速踏板到最大位置加速)。該過程為整車加速常用工況，要求發(fā)動機(jī)提供其平均功率，峰值功率由電動機(jī)提供，困為這種加速過程比較短，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮兩動力源本身的特性。發(fā)動機(jī)提供該過程的平均功率P，e4計算式為3600"tJtF(t)V(t3600"tmax0max其中1t1tt=Jtd=JVma!dmax 0t 0av式中，t為極限加速過程從零到最高車速v的加速時間(s)；F(t)為隨時間變max max t化的車輪驅(qū)動力(N)。綜上所述，一般情況，發(fā)動機(jī)功率至少要滿足上述所確定的各功率要求，即:P=ma>cPPPP)e_min e1,e2,e3,e4 (12-36)通過上述分析，混合度的最大邊值為H(12-37)m(12-37)total(2)最小邊值條件 根據(jù)混合度的定義，混合動力汽車的混合度最小邊值條件是由電動機(jī)的最小功率來決定，因此，主要討論電動機(jī)最小功率的確定。研

究表明，電動機(jī)功率與整車價格基本符合線性關(guān)系，電動機(jī)功率越大，要求的電池容量也越大，從而使整車價格成比例地增加。因此從降低成本角度看，電動機(jī)功率應(yīng)盡可能減小，但電動機(jī)功率不能無限小，它必須滿足以下幾個條件：1)2)1)2)3)4)單獨(dú)起動整車能力：在規(guī)定時間內(nèi)電動機(jī)單獨(dú)起動整車到規(guī)定車速。純電動行駛能力：以純電動車速V行駛的功率要求。zev整車加速能力：滿足整車加速時間的要求。A)起動發(fā)動機(jī)能力?；旌蟿恿ζ嚬?jié)能機(jī)理研究表明，消除怠速對整車燃油經(jīng)濟(jì)性的改善很明顯，因此，需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行起?？刂?start/stop)。這就要求電動機(jī)具有瞬間起動發(fā)動機(jī)的能力，即瞬間起動發(fā)動機(jī)的功率Pm1(kW)：P= - jWidJWd+TdWidlem1 10