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文檔簡介
1、新能源汽車基于Matlab/Si m ulink環(huán)境四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車建模與仿真馬競展左曙光何志生(同濟(jì)大學(xué)【摘要】介紹了電動(dòng)汽車的建模和仿真技術(shù),應(yīng)用Matlab/Si m ulink軟件建立了四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的仿真模型,基于標(biāo)準(zhǔn)道路行駛循環(huán)分析了整車經(jīng)濟(jì)性能和排放性能?!局黝}詞】電動(dòng)汽車混合動(dòng)力仿真模型1前言能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)前汽車工業(yè)面臨的兩大主要壓力。汽車是油耗大戶,又是重要的污染源。國內(nèi)汽車產(chǎn)品水平與國外差距很大,使汽車工業(yè)面臨的壓力更大。上個(gè)世紀(jì)以來世界各國和各大汽車公司以及國內(nèi)各大科研機(jī)構(gòu)和高等院校紛紛致力于開發(fā)清潔節(jié)能汽車,混合動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)被證明是現(xiàn)階段最切實(shí)可行的清
2、潔汽車技術(shù)。仿真一直是汽車開發(fā)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),通過合理有效的仿真可以加快汽車開發(fā)進(jìn)度,節(jié)約開發(fā)成本。伴隨著混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展,其建模和仿真技術(shù)也在飛速發(fā)展。2混合動(dòng)力車的建模仿真技術(shù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車仿真的研究是伴隨著19世紀(jì)60年代幾種樣車的發(fā)展而出現(xiàn)的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)是混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的有力輔助工具,仿真分析有利于深入理解混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作過程,分析控制策略中占主要影響的動(dòng)力學(xué)因素;并可用來分析整車能量消耗和評(píng)估整車性能,驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。隨著研究的深入,國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多款混合動(dòng)力汽車計(jì)算機(jī)仿真軟件,用以預(yù)測一個(gè)或收稿日期:2005-04-28者多個(gè)領(lǐng)域的
3、性能,如燃油經(jīng)濟(jì)性、排放特性、加速性能、爬坡性能。最著名最先進(jìn)的混合動(dòng)力汽車軟件是美國國家可回收能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的ADV I S OR,它基Mat2 lab/Si m ulink的可視化模塊示意圖編程環(huán)境,具有很大的靈活性,可以對(duì)任何類型的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車或內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行建模。其它還開發(fā)出許多混合動(dòng)力汽車仿真軟件。這些軟件的仿真都是首先計(jì)算滿足驅(qū)動(dòng)循環(huán)要求的功率,然后利用各部件的傳動(dòng)效率計(jì)算出總線輸出功率。同時(shí)具有繪制輸出數(shù)據(jù)圖表或存儲(chǔ)仿真中每一時(shí)間步長數(shù)據(jù)的功能?;旌蟿?dòng)力系統(tǒng)屬于既有連續(xù)環(huán)節(jié)又有時(shí)間離散環(huán)節(jié)的“采樣控制系統(tǒng)”,模擬和分析其復(fù)雜行為的核心是建立其動(dòng)態(tài)和非線性的仿真模型。由于混合動(dòng)
4、力系統(tǒng)本身的復(fù)雜性,必須按目標(biāo)和研究對(duì)象的不同建立仿真模型,以兼顧結(jié)果的準(zhǔn)確性和仿真效率。目前對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的仿真有后向仿真和前向仿真兩種基本方法。后向仿真模型以目標(biāo)車速(如標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)試驗(yàn)工況為輸入,計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中需要的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率。信息流從車輪到驅(qū)動(dòng)橋到變速器如此往上沿著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向后傳播。前向仿真模型包含駕駛員模型,可以模擬駕駛員感覺車速并做出加速或制動(dòng)的操作,在驅(qū)動(dòng)系中產(chǎn)生扭矩,并沿著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向前傳播至車2上海汽車2005111新能源汽車輪。前向仿真模型可以用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),后向仿真模型主要用于整車性能分析。以下采用前向仿真建模法在Matlab /Si m ulink 環(huán)境下以
5、“登峰一號(hào)”混合動(dòng)力汽車項(xiàng)目為例建立混合動(dòng)力系統(tǒng)以及車輛縱向動(dòng)力學(xué)、傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛控制器、駕駛員等模型,搭建四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的仿真平臺(tái)。3基于Matlab /Si m ulink 的混合動(dòng)力系統(tǒng)建模混合動(dòng)力汽車前向仿真模型應(yīng)當(dāng)包括駕駛員模型、車輛控制器模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)模型、電池模型、離合器模型、變速器模型、主減速器和差速器模型、輪胎模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型(如圖1。混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)模型在這里采用實(shí)驗(yàn)建模法,輸入量為節(jié)氣門開度,起動(dòng)機(jī)輸入扭矩T g 以及與傳動(dòng)系相連的轉(zhuǎn)速輸入e ,輸出量為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T eng ,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J eng ,燃油消耗量和CO 、HC 、NO X 排放
6、輸出。燃油消耗量和CO 、HC 、NO X 排放利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查表插值計(jì)算。電機(jī)模型同樣采用試驗(yàn)建模法,模型的輸入為對(duì)電機(jī)的力矩需求T mot_req 和轉(zhuǎn)速需求mot_req 以及電機(jī)的工作模式,輸出為電機(jī)的工作力矩T mot 、工作轉(zhuǎn)速mot 和效率mot 。電池采用內(nèi)阻模型的實(shí)驗(yàn)建模,輸入量為功率需求P mot_req 或者電流需求I bat_req ,輸出量為電池S OC 狀態(tài)、輸出電壓U bat_out 和電池溫度T bat 。車輛傳動(dòng)系模型包括離合器、變速器和驅(qū)動(dòng)橋,模型要判斷離合器狀態(tài),根據(jù)輸入力矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算輸出力矩和轉(zhuǎn)速傳遞到車輪處。變速器模型還應(yīng)該根據(jù)理想自動(dòng)變速器模型完成自動(dòng)
7、換檔并輸出檔位信息。車輪模型主要建立輪胎模型,通過車輪附著率計(jì)算車輪滑移率,然后計(jì)算車速。該模型采用類似于ADV IS OR 軟件的建模方法計(jì)算滑移率和輪速。車輛動(dòng)力學(xué)模型為簡單的三自由度車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型,輸入量為從發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)制動(dòng)器傳遞過來的輸入力矩和轉(zhuǎn)速,根據(jù)車輛驅(qū)動(dòng)力阻力平衡方程計(jì)算車輛實(shí)際速度。駕駛員模型輸入量為期望車速u desired 和實(shí)際車速u a ,輸出為加速踏板或者制動(dòng)踏板信號(hào),模型中采用P I D 控制器。車輛控制器根據(jù)踏板信號(hào),上一時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池和離合器等的工作狀態(tài)以及車速控制閥值、力矩控制閥值、力矩增量控制閥值等計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和發(fā)電機(jī)的需求力矩,并
8、發(fā)出控制指令。至此,基于M atlab /Si m ulink 建立了四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的前向仿真模型,利用此模型可以對(duì)整車性能進(jìn)行仿真試驗(yàn),同時(shí)也可以通過改變整車控制器模塊開發(fā)新的控制策略。當(dāng)然這一改變可能會(huì)因?yàn)樾碌目刂菩盘?hào)需求導(dǎo)致部件模型的改變。 圖1四輪驅(qū)動(dòng)HEV 的M atlab /Si mulink 仿真模型12上海汽車2005111新能源汽車4基于標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)的混合動(dòng)力汽車性能仿真評(píng)價(jià)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是讓汽車按照具有高度統(tǒng)計(jì)意義和代表性的標(biāo)準(zhǔn)道路行駛循環(huán)行駛,考察其性能是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。利用上述模型分別按照UDDS、ECE_EUDC、MAN
9、HA TT AN道路循環(huán)進(jìn)行仿真,結(jié)果如表1所示,表2是各道路循環(huán)特征數(shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)表明表1不同標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)行駛工況下整車性能仿真結(jié)果指標(biāo)道路循環(huán)百公里油耗(L/100km排放(g/kmHC CO NO X表2UDDS、ECE_EUDC、MANHATT AN道路循環(huán)曲線特征比較循環(huán)名稱測試時(shí)間(s循環(huán)行駛距離(km平均速度(km/h最高車速(km/h怠速停車時(shí)間(s平均加速度(m/s2平均減速度(m/s2混合動(dòng)力汽車性能得到了明顯改善,同時(shí)看到在MANHA TT AN道路循環(huán)下整車性能下降很厲害,對(duì)于相同配置的混合動(dòng)力汽車排放和油耗明顯惡化。對(duì)比道路循環(huán)特點(diǎn)后知,MANHATT AN道路明顯帶
10、速成分增多,平均車速和最高車速很低。MANHA TT AN道路工況在多數(shù)時(shí)刻要求電力輔助驅(qū)動(dòng),汽車長時(shí)間在該循環(huán)下行駛時(shí)電力供不應(yīng)求,使得發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣工況工作,即原車的動(dòng)力匹配在類似于MANHA TT AN程式循環(huán)工況下運(yùn)行時(shí)不能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)性和排放性。這與實(shí)際情況也相符,事實(shí)上電動(dòng)汽車對(duì)于城市工況希望能夠?qū)崿F(xiàn)純電動(dòng)行駛就是為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)低效運(yùn)行。因而針對(duì)這種工況在進(jìn)行動(dòng)力匹配時(shí)應(yīng)該選擇更高的混合比。5結(jié)語應(yīng)用計(jì)算建模和仿真分析是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)不可或缺的手段?;旌蟿?dòng)力仿真技術(shù)應(yīng)當(dāng)和混合動(dòng)力汽車技術(shù)的發(fā)展同步進(jìn)行?;贛 atlab/Si m ulink環(huán)境可以建立混合動(dòng)力系統(tǒng)及部件的模型,在此
11、基礎(chǔ)上可以建立四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的仿真模型。所建模型合理準(zhǔn)確,通過仿真能夠有效地分析混合動(dòng)力系統(tǒng)的整車匹配特性和運(yùn)行性能,能夠進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)4楊為琛.混合動(dòng)力電動(dòng)公交車總體匹配、仿真及控制系統(tǒng)研究.北京理工大學(xué)博士論文,2002.35John A.MacB ain,Josegh J.Conover,Aaron D.B rooker. Full vehicle si mulation for parallel hybrid vehivles.6Nobuo I w ai.Analysis on fuel economy and advanced system s of hybrid vehicles.JS AE Review,Volume20,Issue1, 1999.01A bstractModeling and em ulation technique of electric vehicle are introduced,the si m ulation model of 4WD hybrid vehicle is built ap
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