混合动力汽车混合度设计方法研究

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第 12 期
曾小华 等: 混合动力汽车混合度设计方法研究
9
合度定义和研究带来不便, 而额定功率反映动力源
CDA
v
2 i
21115
式中 J e ——发动机转动惯量, kg·m 2 tstart ——电动机起动发动机时间, s T d ——发动机摩擦转矩, N ·m Ξe、Ξidle ——发动机转速、怠速转速, rad s
电动机最小功率 P m - m in 均须满足上述要求的功 率 (具体与设计实际情况有关, 如不要求纯电动行 驶, 则 P m 2不考虑) , 即
关键词: 混合动力汽车 混合度 约束 边值条件
中图分类号: U 46917
文献标识码: A
Study on D es ign M ethod for DO H of HEV
Zeng X iaohua W ang Q ingn ian W ang W eihua (J ilin U n iv ersity )
A b stra c t
A im ing a t a p a ra llel hyb rid elect ric veh icle ( H EV ) , a design m ethod of deg ree of hyb rid iza t ion (DO H ) , m a in ly abou t the con st ra in t, side va lue cond it ion and com p u te m ethod of DO H w a s in t roduced. F ina lly an exam p le ca se w a s offered to ind ica te tha t the m ethod of DO H cou ld ra t iona lly and effect ively decide to choo se the pow er p a ram eter of m o t ive sou rces.
的 功率要求 P e1、爬坡功率要求 P e2, 循环工况的平均 功率要求 P e3 [8] 以及极限加速过程的平均功率要求 P e4。 它们的计算公式分别为
P e1=
v cru ise
3 600Γt
m gf +
1 21115CDA
v2 cru ise
(14)
P e2=
3
vi
600Γt
m gf
co sΑm ax+ m g sinΑm ax+
上述约束条件中, T 为加速时间, s; ∃v、∃uc 分 别为跟随工况车速误差及其限值, km h, 限值不超 过 ± 3 km h [6]; ∃soc、∃socc 分 别 为 工 况 前 后 电 池 SO C 变化量及其限值。 电池 SO C 变化为 ∃soc = soc ( tf ) - soc ( t0) , soc ( t0)、soc ( tf ) 分别为工况开始与 结束时刻电池荷电量。
动机提供, 电动机功率即为动力源总功率需求, 属于
电电混合形式, 即发动机发电机组输出的电功率和
电池输出的电功率混合一起向电动机提供驱动功
率, 所以混合度定义为
H
=
P P
ess m
×100%
(3)
式中 P ess——电池功率, kW
上述动力源功率指最大功率, 由于电动机的峰
值功率按不同持续时间计算其数值变化很大, 对混
tmax ——极限加速过程从零到最高车速 vm ax 的
加速时间, s
F t——车轮驱动力, N
发 动机最小功率 P e- m in 至少要满足上述所确定 的各功率要求, 即
P e- m in = m ax (P e1, P e2, P e3, P e4) 由此确定的混合度最大边值为
(18)
= - H m ax
Key words H yb rid elect ric veh icles, D eg ree of hyb rid iza t ion, Con st ra in t, Side va lue cond it ion
引言
混合动力汽车的混合度直接表征了两种动力源 的功率组合和分配比例, 是混合动力汽车的重要设 计参数及混合动力汽车特性参数设计的核心内容。
为了更合理地确定动力单元的功率组合, 本文 提出在一定的约束条件下使燃油经济性 (和 或排放 性、成本) 最优的混合度确定原则, 其主要约束条件 为动力性能与电池电量平衡。因此, 与混合度设计相 关的研究问题主要为动力系统总功率的设计方法 (由动力性约束条件确定)、电池电量平衡策略 (由燃 油经济性要求确定) 及混合度边值条件的研究[1～ 2]。
10
农 业 机 械 学 报
2 0 0 6 年
214 混合度边值条件设计 (1) 最大边值条件 混合度最大边值条件即在动力源总功率一定的
前提下选择发动机的最小功率。
根据发动机和电动机自身特点, 即发动机的惯 量较大, 响应较慢, 而电动机的响应较快, 应当让发 动机提供变化较慢的稳态功率, 而电动机提供瞬态 变化的峰值功率。 而稳态功率包括以巡航车速行驶
∃ P e= P chg = P set (soci- soc0)
(12)
式中 P set ——设定的充电功率值, kW
soci、soc0 —— 当 前 SO C 值 和 设 定 控 制 中 线
SHale Waihona Puke Baidu C 值
由于这部分充电功率, 使得混合动力汽车的燃
油消耗为
∫ B H = ce
tf t0
Pe
Γe
( t) ( t)
收稿日期: 2006- 07- 18 3 教育部重点项目(项目编号: 2001059)、高等学校博士学科点专项科研基金项目(项目编号: 20010183021) 和吉林大学“985”工程资助项目 曾小华 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室 讲师 博士, 130025 长春市 王庆年 吉林大学汽车工程学院 教授 博士生导师 王伟华 吉林大学汽车工程学院 副教授 博士
+
∃be (∃P e)
dt
(13)
式 (13) 就是考虑约束条件 SO C 平衡的混合动
力汽车燃油经济性计算公式, 利用该公式进行燃油
(5) 经济性计算, 可维持工况前后的电量平衡。
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(8)
213 约束条件 SOC 平衡策略
混合动力汽车的燃油消耗B H 可表示为
∫ B H =
3
1 600Θfuel
tf
be ( t) P e ( t) d t
t0
(9)
同时要满足: ∃soc ≤∃socc。并进一步转换为效
率的函数, 即
∫ B H = ce
tf t0
Pe
Γe
( t) ( t)
d
t
(10)
式中 ce ——简化系数, ce=
1 000 Θ f fuel lhv
Θfuel—— 燃油密度
f lhv ——燃烧低热值, J g
如果要维持电池电量平衡, 须通过发动机来补
同时约束条件可通过动力源总功率设计使其得到满 充, 当电池 SO C 下降, 须在原发动机工作点增加一
足, 因此, 又可将两变量设计问题转化成单变量设计 问题。根据混合度定义, 进一步转换为以混合度为单 变量的设计问题。 目标函数为百公里油耗最小。 设
(15)
∫ P e3=
1 T cy c
T cyc P w h ( t) d t (P w h > 0)
0
(16)
∫ P e4=
3
1 600Γt tm ax
tm ax
F t (t) v (t) dt
0
(17)
式中 v cruise —— 巡航车速, km h
T cyc ——循环工况时间, s
P w h ——车轮功率要求值, kW
定的功率对电池进行充电, 以期望维持其电量。发动 机工作点的变化, 使发动机的油耗增加, 则由于SO C 平衡功率使发动机增加的油耗 ∃be 为
计变量为混合度 H 。 约束条件为: P e + P m ≥P max, ∃soc ≤∃socc。 边值条件为H m in≤H ≤H 。 m ax
其中, Pmax为动力源总功率设计值, kW , 由动力 性指标来确定; H m in、H max 分别为混合度最小边值和 最大边值。
tm ——起步加速过程的时间, s vm ——起步加速末车速, km h 整车在加速过程的末时刻, 动力源输出最大功 率, 因此, 加速过程最大功率要求可表示为
211 混合动力汽车设计问题转化 混合动力汽车设计要求均是在保证与其传统型
P m ax3=
f
(T , v t) =
∆m
v
2 t
360Γt
1-
212 动力源总功率设计方法
混合动力汽车的动力性指标包括最高车速vm ax、 v 0～ v t 加速时间 T 及最大爬坡要求 imax。
首先, 根据最高车速 vmax确定的最大功率为
P max1=
vm ax
3 600Γt
m gf
+
CDA vm ax2
21115
(4)
其次, 根据爬坡性能确定的最大功率为
由于电池特性参数 (容量) 与电动机功率具有一 定的相关性, 可暂不考虑, 因此, 上述设计问题可简 化为仅有发动机与电动机功率两设计变量的问题。
m 3
gf v t
600Γt
+
CDA
76 140Γt
v
3 t
(7)
最后, 动力源总功率为
P = to tal m ax (P m ax1, P m ax2, P m ax3)
P max2=
vi
3 600Γt
m gf co sΑm ax+ m g sinΑmax+
CDA
v
2 i
21115
∃be (∃P e) =
Γe
Pe (P
+ e+
∃P e ∃P
e
)
-
Pe
Γe (P e)
(11)
式中 ∃P e ——发动机补充的充电功率 P chg , kW
∃P e 通常为电池 SO C 的函数
2 0 0 6 年 12 月
农业机械学报
第 37 卷 第 12 期
混合动力汽车混合度设计方法研究3
曾小华 王庆年 王伟华
【摘要】 提出了并联型混合动力汽车的混合度设计方法, 重点讨论混合度设计的约束条件、边值条件及其计
算方法。 并结合实例说明该混合度的设计方法可合理、有效地确定动力源的功率参数。
T - 0. 1 T
x
+
汽车动力性一致的前提下, 对燃油经济性、排放性提 出改善目标[5], 即设计要求为: 目标函数为百公里油 耗; 设计变量为发动机功率 P e、电动机功率 P m、电池 容量C; 约束条件: 最高车速 vm ax, 加速性为 v 0～ v t 小 于T , 爬坡能力为直接挡车速v i 时的爬坡度ii 或最大 爬坡度 im ax- 1, 工况加速性为 ∃v ≤∃uc, 工况电能量 平衡为 ∃soc ≤∃socc。
P m - m in= m ax (P m 1, P m 2, P m 3) 由此, 混合度的最小边值为
(21)
= H m in
P m - m in P to tal
(22)
边值条件[H m in, H max ]就是混合动力汽车混合
度设计的有效范围。 通过优化方法可以考查混合度
对整车性能的影响, 进而实现对其求解。
1 混合度定义
混合度指的是电系统功率 P elec占动力源总功率 P total的百分比[3～ 4 ] , 即
H
=
P P
elec to tal
×100%
(1)
对于不同的传动系构型, 混合度的定义会略有
不同。 对于并联式混合动力汽车混合度定义为
H
=
P
Pm m+
P
e
×100%
(2)
式中 P e、P m ——发动机、电动机功率, kW 而对于串联式混合动力汽车, 所有动力均由电
P P to tal
e- m in
P to tal
(19)
3 混合度设计实例
应用上述混合度设计方法确定研究对象 —— 并 联式混合动力城市公交客车的混合度。 311 设计要求及循环工况选择
最后, 根据加速性能来确定动力源总功率。汽车
的持续最大输出能力, 因此, 以额定功率来定义和研 起步加速过程可以表示为[7]
究混合度。
2 混合度设计方法
v = vm
t tm
x
(6)
式中 x ——拟合系数, 一般为 015 左右
绝大多数混合动力汽车以轻度混合为主, 即混 合度应小于 015, 但在 0～ 015 范围内混合度具体如 何设计, 其合理选择范围应取多大, 应有一套较为完 整的混合度设计方法。