混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

Pe ——发动机输出功率，单位：kW Te ——发动机输出扭矩，单位：Nm ne ——发动机转速，单位：rpm
f ——发动机瞬时油耗，单位：kg/s m
ωr——齿圈旋转角速度，单位：rpm ωs——太阳轮旋转角速度，单位：rpm ωc——行星架旋转角速度，单位：rpm ωp——行星轮自转角速度，单位：rpm Js——太阳轮的转动惯量，单位：kgm2 Jc——行星架的转动惯量，单位：kgm2 Jr——齿圈的转动惯量，单位：kgm2 TMG——电动/发电机的扭矩，单位：Nm ωMG——电动/发电机的转速，单位：rpm Pb——蓄电池的有效功率，单位：kW Voc——蓄电池开路电压，单位：V Ib——蓄电池充放电电流，单位：A SOC0——蓄电池初始荷电状态值 CN——电池容量当量，单位：As m——汽车总质量，单位：kg Rw——轮胎半径，单位：m Jv——驱动桥半轴等效转动惯量，单位：kgm2
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gr2s——齿圈/太阳轮元件传动比 ge2s——行星轮/太阳轮元件传动比 Ne-h——发动机优化工作区转速上限，单位：rpm Ne-b——发动机优化工作区转速下限，单位：rpm Th——发动机优化工作区扭矩上限，单位：Nm Tb——发动机优化工作区扭矩下限，单位：Nm Ne-min——发动机最低怠速，单位：rpm Tcom-w——发动机等效需求扭矩，单位：Nm Te-opt-w——发动机等效优化扭矩，单位：Nm Tm-max——电动/发电机 MG2 可提供的最大制动扭矩，单位：Nm
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第一章 绪论
§1-1 研究背景
随着全球经济以及汽车工业的发展， 汽车保有量也在逐年急剧增加， 特别是中国汽车市场近年发展 极其迅速。然而汽车数量的增加，已导致其变成了城市大气污染的主要来源，温室效应和能源枯竭问题 日益严重，因此世界各国纷纷制定一系列严格的排放法规，强制要求生产低油耗小排放的汽车。但是， 尽管目前内燃机电控技术和三元催化等排气净化技术的应用在一定程度上降低了汽车的排放以及油耗， 可是能源紧张和排放带来的环境污染问题并没有从根本上得到解决。 随着汽车排放和节能标准的日益严 格，传统内燃机被取代已经成为不可扭转的趋势。为此，全球的汽车制造商都在积极研究开发新型节能 无污染的绿色汽车。 纯电动汽车采用电驱动模式，是零排放汽车。但是由于其电化学能量密度和功率输出密度较低，一 次充电后的行驶里程较短，而且充电时间长，充电站设施投资很大，废旧电池的二次污染以及回收的问 题和纯电动汽车的蓄电池技术还未成熟，因此，其商业化进展和市场推广缓慢。燃料电池汽车使用燃料 电池将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能， 反应过程不涉及燃烧和热机做功。 燃料电池动力 系统不仅高效、低噪音，而且无污染、无二氧化碳排放，是一种新型的环保动力源。但是其主要缺点是， 成本高昂、可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏等因素，所以无法在短期内取代传统动力 汽车。 混合动力汽车将两种或更多能量转换技术和一种或更多的能量存储技术集合为一体， 使得混合动 力汽车能够明显减少汽车排放和降低油耗。 在这种情况下， 融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力 电动汽车， 在世界范围内成为新型汽车开发的热点， 成为当前解决节能、 环保问题切实可行的过渡方案。 进入 20 世纪 90 年代，我国对汽车节能和排放的问题也日益重视，混合动力汽车将发动机、电机和 能量储存装置组合在一起， 通过它们之间的良好匹配和优化控制， 可以充分发挥传统内燃机汽车和纯电 动汽车的优点，成为当今最具实际开发意义的低排放、低能耗汽车。继“八五”国家组织对电动汽车关 键技术的研究后，国家科技部将混合动力电动汽车列入“十五”和“十一五”国家 863 重大专项。混合 动力电动汽车包括两个或两个以上的动力源， 传动结构布置形式多种多样， 并且具有多种不同的运行模 式， 所以整车布置形式、 各种部件的选型和多能源动力总成控制是混合动力电动汽车近年来技术发展和 产业化进程中的重要研究方向。
关键词：混合动力汽车，传动系统，动力分离装置，行星齿轮，建模，仿真
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RESEARCH ON THE MODELLING AND SIMULATION OF HYBRID VEHICLE POWERTRAIN
ABSTRACT
Hybrid Electric Vehicle (HEV) integrates and controls Internal Combustion Engine (ICE), Motor/Generator (MG) and Energy Storage System (ESS) efficiently with optimal control strategy. The HEV works effectively by integrating the respective advantage of traditional internal combustion vehicle to decrease the pollution emissions and the fuel consumption remarkably. The technology of modeling and simulation by using computer contributes to reduce time and cost of vehicle development. It is the basic and essential work to establish the system model for the development, simulation and optimization of powertrain and energy management of the hybrid vehicle. In this thesis, the powertrain architecture is analyzed for understanding the basic principle and difference among hybrid power systems of three generations for TOYOTA/PRIUS. Taken the power split unit as a ligament of system and based on the models of engine, power split unit, motor/generator and traction battery, the powertrain mathematical model was constructed based on a uniform architecture which integrates three generations TOYOTA/PRIUS. The principle dependence between torque and speed of respective component is analyzed and clarified. The simulation modules for the powertrain and respective components of HEV are developed based on the models established above by using the software of MATLAB/SIMULINK. The Toyota Hybrid System (THS) is analyzed and simulated at the steady cruise condition by using the steady control strategy and the output characteristics of each component of the powertrain system at respective given vehicle velocity is clarified. The Toyota Hybrid System (THS) is analyzed and simulated at the Japan 10 mode drive cycle by using the dynamic control logic and the output characteristics of each component of the powertrain system at the real-time operating condition is clarified. The simulation results indicate that the simulation module developed in the base of mathematics models of the hybrid powertrain system can achieve output characteristics of each component of the powertrain system efficiently and effectively, for the given parameters of the whole vehicle and control strategy. It helps engineers to match and optimize the design parameters and improve control strategy of the powertrain for HEV.
河北工业大学 硕士学位论文 混合动力汽车传动系统建模与仿真研究 姓名：赵晓静 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：武一民 20091101
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混合动力汽车传动系统建模与仿真研究
摘Байду номын сангаас
要
混合动力汽车将发动机、电动机和能量储存装置组合在一起，通过它们之间的良好匹 配和优化控制，可以充分发挥传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，能够明显减少汽车排 放和降低油耗。计算机建模和仿真技术的应用，可以有效降低汽车开发周期和成本。混合 动力汽车传动系统建模与仿真是混合动力汽车传动系统参数匹配优化和能量控制策略优 化的重要技术手段。 本文对比分析了三代丰田 PRIUS 混合动力传动系统的结构和基本工作原理， 建立了传 动系统发动机、动力分离装置、电动/发电机和动力用蓄电池等各子系统模型，基于统一的 动力传动系统结构模型，以动力分离装置为纽带，通过整合子系统模型建立了丰田 PRIUS 混合动力传动系统的综合数学模型，解析了系统各元件之间的扭矩和转速理论关系。 根据所建立的混合动力系统各元件模型和系统综合模型，基于 MATLAB/SIMULINK 软件，开发了混合动力传动系统各元件和系统仿真模块。基于所建立的稳态控制策略，对 丰田 PRIUS 混合动力系统稳态巡航工况进行了仿真分析， 得到了稳态巡航车速下混合动力 系统中各元件的输出特性；基于所建立的动态控制逻辑，在模拟城市道路行驶的日本 10 模式工况下，对丰田 PRIUS 混合动力系统的动态特性进行了仿真分析，得到了动态工况下 混合动力系统中各元件的输出特性。 仿真结果表明，基于混合动力传动系统数学模型所开发的仿真模块，在给定的整车参 数和控制策略下，可以有效迅速的得到混合动力系统各元件的输出特性，从而帮助工程师 匹配、优化混合动力传动系统设计参数和控制策略。
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KEY WORDS: hybrid electric vehicle, powertrain, power split unit, planetary gear, modeling, simulation
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符号说明
THS——丰田混合动力汽车，Toyota Hybrid System HEV——混合动力电动汽车，Hybrid Electric Vehicle PSU——动力分离装置，Power Split Unit ICE——内燃发动机，Internal Combustion Engine MG——电动/发电机，Motor/Generator ESS——能量储存系统，Energy Storage System IMA——集成电机辅助系统，Integrated Motor Assist BSFC——制动燃油消耗率，Brake specific fuel consumption WOT——最大节气门开度，Wide Open Throttle OOL——最佳操作线，Optimal Operation Line SOC——蓄电池荷电状态值，State of Charge S——太阳轮啮合半径，单位：m R——齿圈啮合半径，单位：m
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原创性声明
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