混合動力車性能設(shè)計

1、混合動力汽車控制設(shè)計0引言 隨著石油的日趨緊張和社會對環(huán)境和節(jié)能的日益重視，混合動力電動車輛的發(fā)展得到了全球越來越多的關(guān)注。汽車問世123年以來，極大地改變了人們生活方式，并推動世界經(jīng)濟快速發(fā)展。但全球氣候變暖的今天，汽車消費原油約占石油消費總量一半，所排放CO2約占溫室氣體排放總量2成。汽車行業(yè)面臨重大歷史變革，電動汽車等環(huán)保車取代燃油汽車已屬必然，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也將迎來深刻變化。1 混合動力汽車及其歷史 混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle, 簡稱HEV) 是指同時裝備兩種動力來源熱動力源（由傳統(tǒng)的汽油機或者柴油機產(chǎn)生）與電動力源（電池與電動機）的汽車。通過在混合動力

2、汽車上使用電機，使得動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行工況要求靈活調(diào)控，而發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與排放?；旌蟿恿ζ囯m然沒有實現(xiàn)零排放，但其動力性、經(jīng)濟性和排放等綜合指標能滿足當前苛刻要求，可緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺的矛盾。所以自從90年代以來，全球刮起了研究混合動力的風暴。日本豐田率先將混合動力車商品化，于1997年推出Prius，隨后的時間里，多家日本汽車公司實現(xiàn)了多款混合動力的商品化。在美國，克林頓政府上臺不久，為了開發(fā)新一代汽車，由美國政府促進，于1993年9月29日發(fā)起了新一代汽車伙伴計劃即PNGV，目標是開發(fā)低油耗的混合動力汽車。然而該計劃最終被廢止

3、，沒有達到預訂的2005年左右推出商品化的混合動力汽車的目標。2 混合動力汽車的分類及工作原理近些年來，由于蓄電池技術(shù)的發(fā)展，由發(fā)電機和電動機組成的混合動力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展出串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式這三種組成方式。它們因為有著不同的組合形式而各自有各自的優(yōu)缺點，串聯(lián)和并聯(lián)是以前就有的傳統(tǒng)的HEV動力系統(tǒng)組成方式，而混聯(lián)式是后來發(fā)展起來的，它的特點是有更多的工作模式可供選擇，既具有串聯(lián)式混合動力電動汽車的特征，又具有并聯(lián)式混合動力電動汽車的特征。2.1串聯(lián)式混合動力汽車(SHEV)串聯(lián)式混合動力電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)是由發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機依次串聯(lián)組成的。SHEV通過發(fā)動機起動，然后發(fā)電機組將機械能

4、轉(zhuǎn)化為電能，用來驅(qū)動電動機或者給電池組充電，這樣可以延長串聯(lián)式混合動力動汽車的行駛里程。串聯(lián)式混合動力汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制在一定的范圍之內(nèi)，運行工況對它沒有任何影響，所以S H EV能夠保證它的運轉(zhuǎn)狀態(tài)在任何時候都是高效率的，同時能量消耗和排放也非常低。串聯(lián)式混合動力汽車主要有一種電動機驅(qū)動模式，所以它的控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)都非常簡單，三大動力總能夠很自由地在底盤上布置，它的動力特性與純電動汽車的更接近。SHEV三大動力總功率要求與它的最大驅(qū)動功率相近。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于頻繁起步和低速行駛工況，可以將發(fā)動機調(diào)整在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機的輸出來調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機避免怠速和

5、低速運轉(zhuǎn)的工況，從而提高發(fā)動機的效率，減少廢氣排放。缺點是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機械效率較低。故主要應用于大型客車。圖1 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)示意圖2.2并聯(lián)式混合動力汽車(PHEV)并聯(lián)式混合動力汽車是由發(fā)動機、電動/發(fā)電機或驅(qū)動電動機兩大動力總成組成，PHEV的驅(qū)動系統(tǒng)由它們并聯(lián)組成。此時電動汽車可由發(fā)動機或電動機單獨驅(qū)動，也可以由它們共同驅(qū)動。所以，可以降低對電機、發(fā)動機功率的要求，而且電池的容量也可以適當?shù)臏p小一點，從而降低制造汽車的成本。在PHEV中。沒有像串聯(lián)式混合動力汽車那樣在能量轉(zhuǎn)化中的損失，而是采用高效率的機械傳動系統(tǒng)，由發(fā)動機直接帶動PHEV的驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動PHEV行駛，發(fā)動機始終穩(wěn)定

6、地運轉(zhuǎn)在低油耗、高效率和低排放的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。并聯(lián)式混合動力汽車的驅(qū)動裝置是發(fā)動機和電動機，由于PHEV的結(jié)構(gòu)特點，它有三種驅(qū)動模式。分別是由發(fā)動機單獨驅(qū)動、由電動機單獨驅(qū)動和發(fā)動機與電動機聯(lián)合驅(qū)動。但是一般情況下，PHEV主要由發(fā)動機單獨驅(qū)動。在這種驅(qū)動模式下它的動力特性跟內(nèi)燃機汽車更接近。由于兩大動力總成是并聯(lián)的，功率可以疊加起來，發(fā)動機和電動機也不需要像串聯(lián)式那樣采用大功率的，只要是并聯(lián)式混合動力電動汽車最大驅(qū)動功率的1/2到1之間。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)最適合在城市間公路和高速公路上穩(wěn)定行駛的工況。由于并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)受汽車行駛工況點影響，因此不適合汽車行駛工況較多，較大；相比于串聯(lián)結(jié)構(gòu)式，需要變速裝

7、置和動力復合裝置，傳動結(jié)構(gòu)復雜。由于它的尺寸比較小。主要在中小型汽車上應用。圖2并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)示意圖2.3混聯(lián)式混合動力汽車(PSHEV)PSHEV既具有串聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形式與功能特性，又具有并聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形式與功能特性。混聯(lián)式混合電動車的動力總成系統(tǒng)包括發(fā)動機、電動/發(fā)電機以及驅(qū)動電動機。PSHEV的動力驅(qū)動系統(tǒng)在車輛的行駛速度比較低時運行狀態(tài)與SHEV相似；PSHEV的動力驅(qū)動系統(tǒng)在車輛的行駛速度比較高時運行狀態(tài)則與PHEV相似。當混聯(lián)式混合動力汽車起動時，發(fā)動機發(fā)動產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，其中有一些由傳動裝置傳送給汽車車輪，而剩下的就用來給發(fā)電機發(fā)電，這些電能用來驅(qū)動電動機產(chǎn)

8、生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩用來驅(qū)動車輪或者給蓄電池充電。混聯(lián)式混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)具有SHEV和PHEV的驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點，所以它能夠在不同的路況下選擇不同的工作模式，實現(xiàn)低油耗和低排放的控制目的?；炻?lián)式混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)特點，三大動力總成各自的功率均能夠取混聯(lián)式混合電動車最大驅(qū)動功率的1/3到1之間，而且能夠接近甚至超過傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的動力性能水平，但是對發(fā)動機電動機的技術(shù)要求較高，對蓄電池技術(shù)要求較高。圖3混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)示意圖3 整車控制策略針對車輛的實際特點，制定的整車控制目標是合理設(shè)計APU控制系統(tǒng)，在電池組的配合下使車載高壓供電系統(tǒng)能夠滿足驅(qū)動電動機及各特殊用電設(shè)備的需求；提高APU系統(tǒng)的運

9、行效率；合理分配電動機的驅(qū)動力，在保證車輛動力性、通過性的前提下，提高電動機系統(tǒng)的運行效率。根據(jù)上述整車控制目標，設(shè)計混合動力汽車采用分層式的整車控制策略，控制系統(tǒng)分為上下兩層：上層根據(jù)駕駛員的輸入和車輛各部件的反饋信息，進行信號解釋和模式識別，制定能量管理策略，而后采用APU 控制策略對發(fā)動機噴油量與發(fā)電機電壓進行控制，采用多目標切換的驅(qū)動力分配策略對各電動機控制器發(fā)出指令：下層為各個部件單獨的控制器。3.1車輛運行模式混合動力汽車的能量管理策略首先要考慮工作模式的種類和模式切換時的輸入量：(1)工作模式的種類：純電動模式、純電動準備模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動模式、停車發(fā)電模式、聯(lián)合驅(qū)動模式。(2

10、)模式切換基本考慮的輸入量：車速、需求扭矩、油門開度、SOC值。3.1.1聯(lián)合驅(qū)動模式模式下能力管理系統(tǒng)根據(jù)動力系統(tǒng)各部件的狀況進行能量合理分配，調(diào)整發(fā)動機的工作區(qū)間、電機的工作模式和扭矩，實現(xiàn)效果最佳。聯(lián)合驅(qū)動模式的能量管理邏輯(圖略)。(1)SOC40狀態(tài)；若駕駛員需求扭矩在區(qū)域A內(nèi)：(行車發(fā)電)；發(fā)動機目標扭矩等于發(fā)動機最小扭矩TA；電機工作在發(fā)電模式，目標扭矩為以下三值(絕對值)中的最小值(發(fā)動機最小扭矩TA駕駛員需求扭矩，電機最大制動扭矩，電池最大制動扭矩)；若駕駛員需求扭矩在區(qū)域B內(nèi)：(行車發(fā)電)；發(fā)動機目標扭矩為以下二值中的最小值(駕駛員需求扭矩+電機最大制動扭矩，發(fā)動機最大扭矩

11、TB)；其中電機最大制動扭矩為以下二值中的最小值(電機最大制動扭矩，電池最大制動扭矩)；電機工作在發(fā)電模式，目標扭矩為(發(fā)動機目標扭矩駕駛員需求扭矩)；否則，(發(fā)動機單獨驅(qū)動)；發(fā)動機目標扭矩等于發(fā)動機最大扭矩；電機扭矩為0。(2)40=SOC=80狀態(tài)；若駕駛員需求扭矩在區(qū)域A內(nèi)：(純電動)；發(fā)動機關(guān)閉；電機工作在驅(qū)動模式純電動行駛，目標扭矩為以下三值中的最小值(駕駛員需求扭矩，電機最大驅(qū)動扭矩，電池最大驅(qū)動扭矩)；若駕駛員需求扭矩在區(qū)域B內(nèi)：(發(fā)動機單獨驅(qū)動)；電機需求扭矩為O；發(fā)動機目標扭矩等于駕員需求扭矩；否則，(聯(lián)合驅(qū)動)；發(fā)動機目標扭矩等于發(fā)動機最大扭矩；電機工作在驅(qū)動模式，目標扭

12、矩為以下三值(絕對值)中的最小值(駕駛員需求扭矩一發(fā)動機最大扭矩，電機最大驅(qū)動扭矩，電池最大驅(qū)動扭矩)。3.1.2純電動行駛準備模式為滿足車輛一定的純電動行駛里程要求，本控制系統(tǒng)中設(shè)置了純電動行駛準備模式，用于為電池系統(tǒng)快速充電，為純電動行駛需求做準備。該模式的控制邏輯，如圖4所示。圖4純電動行駛準備模式控制邏輯圖當電池的SOC值低于90時，在行駛過程中，在滿足駕駛員需求扭矩的前提下，最大限度地將額外的發(fā)動機動力提供給發(fā)電機讓其發(fā)電，使電池的SOC值盡快達到90，為純電動行駛做準備。當電池的SOC值達到90后，對動力電池的電量進行保持，盡量由發(fā)動機為車輛的行駛提供動力。3.1.3純電動行駛模式

13、在純電動行駛模式的時候，關(guān)閉發(fā)動機，由驅(qū)動電機來單獨驅(qū)動車輛，當電池的SOC值低于20時，為保護電池，強制切換到混合驅(qū)動模式。其控制邏輯，如圖5所示。若SOC80則電機工作模式為0，電機需求轉(zhuǎn)矩為0。否則電機工作模式為1，電機目標轉(zhuǎn)矩為以下三值(絕對值)中的最小值(當前需求的制動扭矩，電機最大制動扭矩，電池最大制動扭矩)。圖5純電動行駛模式控制邏輯圖3.1.4停車發(fā)電模式停車發(fā)電模式主要用于滿足警方要求的停車狀況下使用大功率用電設(shè)備的要求。該模式下，控制策略根據(jù)電池的SOC來控制發(fā)動機的啟停和發(fā)電功率。其控制邏輯，如圖6所示。當電池的電量下降到40以下時。啟動發(fā)動機，并按照設(shè)定功率開始發(fā)電，在

14、滿足車載用電設(shè)備后額外的電力存儲到動力電池中。給電池充電后，當電池的電量達到70，則停止發(fā)動機，改由動力電池給車載用電設(shè)備供電。圖6停車發(fā)電模式控制邏輯圖4 功率分配策略4.1模糊規(guī)則的控制策略將模糊控制應用在混合動力車輛控制中，具有以下優(yōu)點：一是模糊邏輯可以表示難以精確定量表達的規(guī)則，如“如果需求功率較大，且電池SOC較小，則發(fā)動機輸出功率增大”等規(guī)則；二是模糊控制可以方便地實現(xiàn)SOC和需求功率等不同映像因素的折中；三是模糊控制具有良好的魯棒性，對路況的適應性好 。圖1為依據(jù)電池S0C設(shè)計的發(fā)動機發(fā)電機組功率輸出方案。電機的功率需求Pm和電池SOC作為系統(tǒng)的輸入，發(fā)電機的功率 為系統(tǒng)的輸出。

15、功率分配模糊控制器根據(jù)電機的需求功率和電池的SOC確定發(fā)動機的目標功率Pe。發(fā)動機多點轉(zhuǎn)速以及目標電壓控制根據(jù)發(fā)動機目標功率確定DC/DC的輸出電壓Udc以及發(fā)動機的目標轉(zhuǎn)速necorn。發(fā)動機和發(fā)電機整流橋模型構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，PID控制器通過轉(zhuǎn)速的偏差值來調(diào)節(jié)發(fā)動機模型的輸出轉(zhuǎn)矩Te以及發(fā)動機發(fā)電機組的輸出功率Pg。圖7 發(fā)動機發(fā)電機組功率輸出示意圖模糊邏輯控制器利用MATLAB中的模糊邏輯工具箱設(shè)計。模糊控制器的輸入分別為電機的需求轉(zhuǎn)矩Pm與電池的S0C，輸出為發(fā)動機的目標轉(zhuǎn)矩Pm電池組作為前后功率鏈的連接，既要在發(fā)動機輸出動力滯后時提供功率，又要在發(fā)動機發(fā)電機組功率富余或在車輛制動的

16、過程中存儲多余的能量，因而可以將電池組SOC限定在一定范圍內(nèi)來維持整車能量的平衡。根據(jù)實驗結(jié)果，電池在SOC為04-06的區(qū)間內(nèi)時，內(nèi)阻較小，在進行充放電時產(chǎn)生的熱量較少，不但能量利用率高而且能夠進行大電流充電。為了更好的利用車載能量源，此模糊控制器在滿足車輛功率需求的基礎(chǔ)上，能將電池SOC穩(wěn)定在04-06的區(qū)間內(nèi)。4.2 發(fā)動機多點轉(zhuǎn)速控制對發(fā)動機采用了多點轉(zhuǎn)速控制策略，減少了發(fā)動機轉(zhuǎn)速的波動，盡可能地提高發(fā)動機的工作效率。將發(fā)動機轉(zhuǎn)速工作范圍分為不同等級，每一等級覆蓋一段功率范圍，通過跟蹤目標功率使發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速等級上切換，可以避免發(fā)動機調(diào)速頻繁。5整車模型的建立5.1整車行駛動力學建模

17、整車行駛動力學模型顯示了整車在外力作用下的驅(qū)動力阻力平衡關(guān)系。該模型實現(xiàn)了汽車的縱向動力平衡：F=F 。此計算式忽略了加速度阻力項和坡度阻力項。將上一步計算得到的車速作為該步驟的初速度，根據(jù)后向仿真原理，得到上級模塊要求的，就是模塊內(nèi)部需求的速度和驅(qū)動力。其中：F 為驅(qū)動力； 為滾動阻力；F 為空氣阻力；F 為坡度阻力； 為正面迎風面積；M為車速；i為道路坡度 為滾動阻力系數(shù)。此方程計算需要的后向仿真驅(qū)動力的數(shù)值是通過加速度來求解的。迭代過程中的平均速度是步驟開始和結(jié)束時所需要速度的平均值。5.2控制器建模此模塊根據(jù)輸人的電池組SOC值、需求轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號決定汽車需求能量在電機和發(fā)動機之間的合

18、理分配，并控制電動機和發(fā)動機的扭矩輸出?？刂破髂K考慮了電機的輸出扭矩能力，在不同的荷電狀態(tài)以及不同的需求扭矩范圍內(nèi)控制發(fā)動機和電動機在適當?shù)臅r候輸出特定的扭矩，并控制電動機的開和關(guān)。5.3整車系統(tǒng)建模將以上模塊和發(fā)動機模塊、電動機模塊、電池模塊、變速器模塊、循環(huán)工況模塊以及油箱、油耗顯示器等部件，根據(jù)各自的聯(lián)系和相互作用的關(guān)系連接起來，就組成了整車系統(tǒng)模型。6 仿真驗證6.1整車動力性的仿真設(shè)計要求見表1、2。通常需要通過仿真來檢驗參數(shù)的匹配是否滿足汽車的性能要求。將選定的各個參數(shù)代人仿真模型，通過編程運算，得到的動力性能仿真結(jié)果如表3所示。從表3可看出，整車的動力性能基本達到要求。6.2

19、循環(huán)工況下的仿真當前全球用來評價整車性能的標準循環(huán)工況主要有FTP、NEDC、JNIO一15和ECE等，我國目前主要采用NEDC循環(huán)工況。圖26是在滿足設(shè)計要求的情況下，在NEDC循環(huán)工況下得到的仿真結(jié)果。圖8 NEDC循環(huán)工況下的車速 圖9 NEDC循環(huán)工況下的SOC曲線 圖10 NEDC循環(huán)工況下的ISG扭矩曲線 圖11 NEDC循環(huán)工況下的發(fā)動機扭矩曲線 圖12 NEDC循環(huán)工況下的速比曲線6.3仿真分析從SOC曲線(圖9)可以看出，這種形式符合輕度混合動力電動汽車能量管理控制的要求。觀察ISG電機的輔助扭矩曲線和SOC曲線可知：SOC曲線的下降是由于此時ISG電機工作于電動機狀態(tài)給發(fā)動

20、機助力，消耗了蓄電池的電能；SOC曲線的上升則是因為ISG電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，實施再生制動，并同時給蓄電池充電。從圖10、11可以看出：車輛行駛時的驅(qū)動扭矩在穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況時的差異較大。穩(wěn)態(tài)工況的行駛驅(qū)動扭矩恒定，而瞬態(tài)工況的行駛驅(qū)動扭矩則隨時間變化。穩(wěn)態(tài)輸出對應穩(wěn)態(tài)工況，發(fā)動機的扭矩等于車輛行駛的驅(qū)動扭矩，即車輛行駛完全由發(fā)動機驅(qū)動。在瞬態(tài)工況時，考慮到扭矩需求大、變化范圍廣，行駛驅(qū)動扭矩由發(fā)動機和電動機共同提供。電動機瞬態(tài)工況扭矩的波形顯示電動機對發(fā)動機在驅(qū)動扭矩不足時的補充扭矩。在電動機扭矩為負值時，電動機被當做發(fā)電機給蓄電池組充電。因為輕度混合動力電動汽車并沒有電動機單獨驅(qū)動的情況，所以發(fā)動機的扭矩是非負值，在正值時為驅(qū)動狀態(tài)，在零值時為關(guān)閉狀態(tài)。從速比曲線(圖6)可以看出變速器的換擋規(guī)律，即：變速器的擋位是隨著車速的增大而增加的，低速時對應低檔位，高速時對應高檔位。加速時速比增大，減速時速比降低；速比為0時，處于換擋間隙的空擋狀態(tài)。7 結(jié)論本文以混合動力電動汽車為研究對象，綜合考慮運行工況和發(fā)動機功率分配的基礎(chǔ)上，制定了在聯(lián)合驅(qū)動模式、純電動行駛準備模式、純電動行駛模式和停車發(fā)電模式時的控制策略，以保證整個動力系統(tǒng)在高效率情況下工作。根據(jù)整車的已知參數(shù)和設(shè)計目標，以及所確定的整車結(jié)構(gòu)、控制策略和工作模式，利用M