Fcnki_混合动力汽车传动系优化匹配及性能仿真_杨伟斌

2 控制策略制定及仿真模型建立
2. 1 控制策略的制定 起动时 , ISG 作为电动机状态在短时间内( 通常 为 0. 1～ 0. 2 s) 将内燃机加速至怠速转速 , 然后内燃 机开始缸内燃烧过程 , 随后离合器结合 , 开始行驶循 环. 当汽车巡航或以较低速度行驶时 , 如果此时蓄 电池的荷电状态值 B so c低于其限定的最大值 B soctop
第 34 卷第 7 期 2006 年 7 月
同 济 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)
JOURNAL OF T ONGJI UNIVERSIT Y( NAT URAL SC IENC E)
V ol . 34 N o . 7 Jul . 2006
混合动力汽车传动系优化匹配及性能仿真
杨伟斌 , 吴光强 , 秦大同 , 鞠丽娟
基于起动机/ 发电机/ 电动机一体化的轻度混合 动力汽车( ISG -HEV ) 具有节能环保的优点 , 而且 制造成本较低 , 是当前最易于推向市场的混合动力
汽车车型[ 1 , 2] . ISG H EV 动力传动系各部件的合理匹配是影 响整车性能的一个重要因素 , 采用仿真分析与经验
收稿日期 : 2005 - 05 -19 基金项目 : 国家“ 八六三” 高技术研究发展计划资助项目( 2001AA 501300) ; 上海汽车工业总公司资助 项目( 0308) ; 上海 市教委曙光计划 资 助项目( 02S G U8) 作者简介 : 杨伟斌( 1978 ) , 男 , 陕西大荔人 , 博士生 . E -mai l : yangw bsuccess @yahoo . com . cn
Optimization Matching and Performance Simulation for Hybrid Electric Vehicle Powertrain
Y ANG Weibin 1 , WU Guangqiang 1 , QIN Datong 2 , J U L ij uan 1
时 , 使 ISG 转换至发电机状态 , 向电池组充电 . 但若 此时蓄电池 B soc 等于或大于其限定值时 , 为了延长 蓄电池的使用寿命 , ISG 不能向蓄电池充电 . 当汽车加速或爬坡时 , 令 ISG 工作在电动机工 况 , 提供一部分辅助扭矩 ; 但在 Ⅰ 挡时 , ISG 均不助 力. 当汽车处于怠速空载状态时 , 内燃机停止运行 , 同时 ISG 也停止工作 ; 需起步时 , ISG 作为电动机在 短时间内完成起步任务 . 当汽车减速或制动时 , ISG 处于再生制动工况 . 2. 2 仿真模型的建立 ADV ISOR 采 用前向 和后 向仿 真相 结合 的方 法[ 4] , 仿真精度高 , 且仿真速度快 . 依据 ECE +EUDC 循环工况 中手动变速器的 换挡规律 , 建立了变速器的控制模块 . 根据制定的控 制策略 , 建立了整车的控制模块 . 将这些模块嵌入到 原模型中后 , 建立了 ISG HEV 的仿真模型 , 如图 2 所示 .
表 1 燃油经济性变化趋势 Tab. 1 Change trend of fuel economy
功率/ kW 7 13 19 每百公里油耗/ L 9. 86 9. 61 9. 53 功率/ kW 10 16 22 每百公里油耗/ L 9. 72 9. 57 9. 51
的加速 时间 t ≤
17 . 5 s. ( 2)纯 发动机 驱动时 的最大 车速 v em ax ≥170 km ·h -1 . ( 3)最大爬坡度 i max ≥ 30 %. 1. 4 循环工况 当前评价整车性能的循环工况主要有欧洲效区 与城市循环工况 ( ECE +EUDC) , 美国城市循 环工 况( UDDS) , 联邦试 验规程( F T P) 和高速公路 经济 性测试工况( HWFET) , 我国主要以 ECE +EUDC 为 主 , 在 分析 各 参数 变 化对 整 车性 能的 影 响时 , 以 ECE + EUDC 为目标循环工况 .
1 参数选择的初始条件和要求
1. 1 各部件类型 从经济性 、动力性和制造成本三方面综合考虑 , 兼顾到现有的技术水平 , 以产业化为主要目标 , 动力 传动系各动力元件选型为 : 选用技术成熟的四冲程 汽油发动机 ; 采用直流永磁无刷型电机 ; 选用镍氢电 池作为储能元件 ; 采用五挡手动变速器[ 5] . 1. 2 整车参数 满载总质量 m a =1 925 kg , 空载总质量 m 0 = 1 400 kg ( 含 ISG 、 电池组质量) , 空气阻力系数 C D = 0. 32 , 迎风面积 A =2 . 28 m 2 , 车轮 滚动半径 r r = 0. 31 m , 传 动 效率 η 9, 滚动阻力系数 f = T =0 . 0. 013 5 , 轴距 L = 2. 6 m , 质心高度 h = 0. 66 m . 1. 3 动力性指标 ( 1)原地起步 至 100 km ·h
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公式相结合的方法 , 分析了发动机 、 变速器等部件的 各项参数对整车经济性和动力性的影响 , 提出了基 于正交试验设计方法的变速器速比确定方法 . 确定 了动力传动系各部件的具体参数 . 对所匹配车辆的 各项性能进行了仿真 , 并与动力性相近普通车辆的 燃油经济性进行了对比分析[ 3 , 4] .
( 1. S chool of Automotive Engineering , Tongji University , Sh anghai 201804, China ; 2. State Key Laboratory of M echanical Transmission , Chongqing University , Chongqing 400044 , China)

Abst ract : Presented in the paper is t he cont rol st rategy of Mild Hybrid Electrical Vehicle , the simulatio n model of which is established af ter some modules of ADVISO R are modified according to i ts conf ig urat ion and control st rategy . T he influence of engine power change o n entire car performance is analyzed by t he performance rat ing met hod ; moreover , parameters of ot her component s are also desig ned af ter manufact ure cost of hybrid elect rical vehicle and its target value of energy saving are comprehensively considered . By t he orthogonal experimental desig n method , the gear ratio of t ransmission is optimized . T hen , the dynamic performance and fuel rate on several driving cycles are simulated and com pared wi th t he convent ional vehicle of similar dy namic performance . Key words : mild hybrid electrical vehicle ; pow ert rain opt imization m at ching ; orthogonal experiment al desig n ; perfo rmance simulation
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杨伟斌 , 等 : 混合动力汽车传动系优化匹配及性能仿真
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国家实验室轻度混合动力汽车模型 ISG 的 峰值功 率为 15 kW( 内燃机最大功率为 69 kW ) . 以此为参 照 , 初步选定 ISG 的额定功率为 10 kW , 峰 值功率 为 15 kW , 最大辅助和制动扭矩均为 46 . 5 N ·m , 最 高转 速 定 为 8 500 r ·min , 额 定 转 速 为 2 000 r·min -1 , 其最大扭矩在发动机确定后还需验证 . 3. 2 蓄电池参数的设计与分析 3. 2. 1 蓄电池个数的确定 在 ISG 的参数已经选定的前提下 , 为保证轻度 混合动力汽车的性能要求 , 就必然涉及到蓄电池参 数的选择问题 . 镍氢电池具有良好的性能 , 成为当今 电动车辆上广泛使用的一种动力电池 . 为了获得较 高的效率 , 蓄电池的 B soc 工作范围一般取在内阻值 较小的区域 . 所选蓄电池 B so c 的工作范围为 0 . 2～ 0. 7 , 在此范围内额定电压的平均值为 7 . 677 V , 内 阻的平均值为 0 . 027 8 Ψ. 由于额定电压为 E bat , 电阻为 R bat 的电池 , 其理 论最大放电功率 P bmax 为 P bmax = E ba t2/ 4 R bat 即应保证 : E bat2 /4 R bat ≥P me 即( 7. 677 n)/( 4× 0. 0278 ×n × 1000) ≥P me ( 2) 式中 : n 为电池个数 ; P me为电机的额定功率 . 得到 n ≥ 20 , 取 n = 20 3. 2. 2 蓄电池容量的确定 电池容量 B soc主要考虑在规定范围内( 0. 2～ 0. 7) , 在连续加速过程中 , 当再生制动失效时 , 其输出 能量满足 ISG 能量的需求 , 以保证车辆稳定行驶 . 即 Q ( 0. 7 -0 . 2) E ba t ≥P me t 电池容量 . 在 ECE + EUDC 循环工况的加速过程中 , 按照 控制策略 , 考虑挡位切换的时间 , 蓄电池连续输出功 ( 3) 式中 : t 为蓄电池 B soc 得不到补充的最长时间 ; Q 为
在轻度混合动力汽车中 , ISG 的作用是在起动 、 加速时 , 带动或辅助发动机工作 ; 在汽车轻载和减速 时 , ISG 又起到发电机的作用 , 对电池组充电 , 使动 能有效转化为电能 . 整个行驶过程中并不存在纯电 动工况 , 所以无需大功率电动机 . 在已经开发成功的 混合动力汽车中 : 本田 Insig ht 混合动力汽车 ISG 的 额定功率为 10 kW ; 戴姆勒克莱斯勒 Dodge ESX3h 混合动力汽车 ISG 的峰值功率为 15 kW ; Argo nne
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3 各部件参数的选择及优化
3. 1 ISG 参数的设计与分析 表 1 是动力传动系各部件参数一定的情况下 , ISG 功率为不同值时 , 利用所建立的模型 , 仿真得到 燃油经济性( 油耗) 的具体数值 . 从表 1 中可以看出 : ISG 功率值越大 , 经济性就越好 , 但 ISG 功率越大所 需电池组数目也就越多 , 这样不但增加了整车的重 量 , 而且增加了整车的制造成本 . ISG 功率的取值应 在满足整个动力传动系统节能目标值的前提下 , 从 经济性和制造成本两方面均衡考虑 .
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( 1. 同济大学 汽车学院 , 上海 201804 ; 2. 重庆大学 机械传动国家重点实验室 , 重庆 400044)
摘要 : 制定了轻度混合动力汽车的控制策略 , 并依据整车 结构及控 制策略 , 修 改了 AD VISO R 软件 的相关 模块 , 建 立了 轻度混合动力汽车的仿真模型 . 采用性能等级数值方 法 , 分析了发动机功率的 变化对整车 性能的影 响 , 在综 合 考虑 制造成本和节能目标值的前提下 , 确定了各部件的具 体参数 . 利用正交试验设 计优化方法 , 分析 了变速器各 挡 速比对整车性 能的影响 , 确定了各挡速比的范围 . 对所匹配 车辆的 动力性 及其在 几种循 环工况下 的燃油 经济性 进 行了仿真 , 并与动力性相近普通车辆的燃油经济 性进行了对比分析 . 关键词 : 轻度混合动力汽车 ;传动系统优化匹配 ; 正交试 验设计 ; 仿真 中图分类号 : U 270 . 1 文献标识码 : A 文章编号 :0253 -374X( 2006) 07 -0937 -06