混合動力車的混合度優(yōu)化設(shè)計

1、三、混合動力車的混合度優(yōu)化設(shè)計混合動力汽車設(shè)計主要指整車特性參數(shù)設(shè)計它是在系統(tǒng)構(gòu)型與總成類型選擇的基礎(chǔ) 上，對總成參數(shù)進(jìn)行合理匹配設(shè)計與優(yōu)化的一系列過程，其主要任務(wù)是合理確定各動力總成如發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、電池的功率和容量等特性參數(shù)，而所有這些參數(shù)設(shè)計中，最為重要的是 發(fā)動機(jī)與電動機(jī)功率的確定，即混合度的設(shè)計，因為在確定了發(fā)動機(jī)功率后，其他特性參數(shù)如發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩和機(jī)械傳動系參數(shù)等都可以按傳統(tǒng)汽車的設(shè)計方法來進(jìn)行研究 和確定，電池參數(shù)可依據(jù)電動機(jī)參數(shù)來進(jìn)行選擇，因此混合動力汽車特性參數(shù)設(shè)計的核心問題是兩動力源之間功率的合理匹配，即混合度的設(shè)計。（一）混合度的基本概念所謂混合度，指的是電系

2、統(tǒng)功率Pelec占總功率Ptotal的百分比，即：Pelec(12-1)H 100 %P廠 total對于不同的傳動系構(gòu)型， 混合度的定義會略有不同。 對于并聯(lián)式混合動力汽車混合度定義為：PmHm100 %*P + P （12 me對于串聯(lián)式混合動力汽車，所有動力均由電動機(jī)提供，電動機(jī)功率也就是動力源總功率需求，它屬于電電混合形式， 即發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組輸出的電功率和電池輸出的電功率混合一起 向電動機(jī)提供驅(qū)動功率，所以混合度定義為電池系統(tǒng)功率與電動機(jī)功率的比值：P(12-3)H 吧 100 %Pm式中，Pe, Pm為發(fā)動機(jī)、電動機(jī)功率；Pess為電能存儲系統(tǒng)（即電池）功率。上述動力源功率是指額定功

3、率，它反映動力源的持續(xù)最大輸出能力。從混合度定義可知，混合度越大說明發(fā)動機(jī)占的比例越小，越接近純電動汽車。相反，混合度越小，相應(yīng)發(fā)動機(jī)功率較大，越接近傳統(tǒng)汽車?？梢哉J(rèn)為傳統(tǒng)汽車是混合度為0的混合動力汽車，而純電動汽車是混合度為I的混合動力汽車。如圖12-28所示.不同的混合度代表不同類型的汽車，從傳統(tǒng)型到助力型、雙模式、續(xù)駛 里程延伸型最后到純電動，混合度是逐漸增大的。從混合動力汽車類型與混合度關(guān)系可以看出，對于雙模式型，即電功率與發(fā)動機(jī)功 率基本相同，混合度約為 50%。這種類型汽車的主要特點為：既可以充當(dāng)傳統(tǒng)汽車在郊外行 駛，也可充當(dāng)純電動汽車以零排放模式行駛相 當(dāng)長距離。因此，這種系統(tǒng)的

4、發(fā)動機(jī)、電動機(jī) 與電池選擇都較大系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。續(xù)駛里程延伸型 HEV是在普通電動車輛上增加 一附加的車載能源（或原動機(jī)）并及時為蓄電池 補(bǔ)充充電（或承擔(dān)部分車輛行駛功率 ），減小蓄 電池的能量消耗，延長電動車輛的續(xù)行里程，圏L 2-38 HEV類型按混舎度的介類加，另外，其電機(jī)功率通常大于發(fā)動機(jī)功率即混合度大于其電池組容量通常較大，使整車質(zhì)量與成本增50 %。而助力型 HEV .發(fā)動機(jī)為主動力源，電動機(jī)作為輔助動力源以優(yōu)化發(fā)動機(jī)的工作特性，提高車輛的經(jīng)濟(jì)性和降低排放，具有良好的節(jié)能潛力，同時整車布置、質(zhì)量與成本也非常有利，因此，這種助力型是目 前混合動力汽車應(yīng)用最多的一種類型，其混合度小

5、于50%。從混合度概念可知，混合度可直接表明兩動力源的功率組合，是混合動力汽車重要特性參數(shù)，混合動力汽車特性參數(shù)設(shè)計問題的核心就是混合度設(shè)計。(二) 混合度的合理選擇如上所述，混合動力汽車的主要技術(shù)優(yōu)勢之一就是從根本上解決了傳統(tǒng)汽車由于“大馬拉小車”而導(dǎo)致的油耗居高不下的問題。而這種技術(shù)優(yōu)勢能否得以充分發(fā)揮的關(guān)鍵是通過科 學(xué)合理地選擇混合度，實現(xiàn)真正意義上的“車馬匹配”。所謂的“車馬匹配”則包含兩層涵義，一是通過采用混合動力技術(shù)，車輛的總功率是可以根據(jù)實際需要變化和調(diào)節(jié)的，在正常行駛條件下，電助力系統(tǒng)可不參與工作，這相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車上采用的“斷缸”技術(shù)的另一種形式。二是通過合理減小發(fā)動機(jī)功率，可

6、有效提高其負(fù)荷率，從而改善整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。為了對混合度的合理選擇提供定性指導(dǎo)，下面先就混合動力汽車混合度對整車的影啊作一綜合分析。總體上，混合度影響混合動力汽車類型、整車質(zhì)量、成本、用途、燃油經(jīng)濟(jì)性等。對于 某一具體混合動力汽車、成本和燃油經(jīng)濟(jì)性是混合度最主要的影響方面，也是混合度設(shè)計所考慮的主要因素。1混合動力汽車類型混合動力汽車可根據(jù)混合度大小劃分，當(dāng)混合度H大于50%為續(xù)駛里程延伸型，小于50%為助力型，接近50%為雙模式型。另外，根據(jù)行駛前后蓄電池荷電狀態(tài)SOC變化情況，混合動力汽車也可劃分為電量維持型(Charge Sustai ning)和電量可消耗型(Charge Deplet

7、i ng)兩種。一般情況，對于電量維持型混合動力汽車是指它的電池電量在實際行車過程中可自動 補(bǔ)充，無需車外充電器補(bǔ)充電量，一般電池容量較小，其混合度H相對較??；而電量消耗型混合動力汽車電池電量在行車過程中無法得到平衡，更接近純電動汽車，電池選擇較大， 需要車外充電器補(bǔ)充電量，因此，混合度H相對較大。2整車質(zhì)量混合度對整車質(zhì)量具有一定影響，一般地，混合度越大，整車質(zhì)量會增加如圖12-29所示為某一混合動力轎車的混合度與整車質(zhì)量的關(guān)系，可見，混合度對整車質(zhì)量影響其實并不大，混合度增加很大幅度，而整車質(zhì)量變化約5 %。對于豐田公司的 Prius，隨混合度的增加整車質(zhì)量的變化較小，其中04款Prius

8、，其整車質(zhì)量僅增加 1%,因此，可基本忽略對質(zhì)量的影響。3整車成本研究表明，混合度對整車成本具有顯著的影響。在當(dāng)前技術(shù)條件下， 電系統(tǒng)的成本和電動機(jī)功率基本成線性關(guān)系正比例增長。隨著混合度增大，電動機(jī)功率越大，相應(yīng)的電動機(jī)控制器和大功率控制元件成本也就大大提高時電池成本也隨之升高。在發(fā)動機(jī)技術(shù)比較成熟的情況下，整車成本隨發(fā)動機(jī)功率的增加不比其隨電動機(jī)功率變化的快，因此，選擇混合度較小的方案是比較明智的。 但是，混合度與整車成本的關(guān)系很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型，主要原因是混合動力元件成本很大程度依賴于技術(shù)成熟度、產(chǎn)量大小，混合動力元件生產(chǎn)商向整車商供貨的漲價額度以及其他隨市場變化不確定因素等。尤其

9、在國內(nèi)，混合動力總成還不完全成熟和產(chǎn)業(yè)化，其精確的成本模型更難建立，因此，在混合度設(shè)計方法研究中，僅能定性考慮混合度對成本的影響。4用途相對于傳統(tǒng)汽車，混合動力汽車由于混合度的靈活選擇，使其用途有很大的不同，因此混合度的選擇同時還要考慮整車的實際使用情況。例如，對于小型汽車如轎車，混合度不宜選擇過高，因為混合度過高，增加了電池，電動機(jī)系統(tǒng)在空間布置實現(xiàn)上的難度。另外，車 常在郊外行駛，如果混合度較大，相應(yīng)發(fā)動機(jī)功率較小，整車大部分時間為電系統(tǒng)工作能量經(jīng)二次轉(zhuǎn)換導(dǎo)致整車效率過低.所以，更適合采用輕度混合系統(tǒng)，讓電動機(jī)作為調(diào)節(jié)裝置使發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)域內(nèi)，直接通過機(jī)械聯(lián)接方式驅(qū)動車輪，使整個系統(tǒng)的

10、效率得到提高。5排放和燃油經(jīng)濟(jì)性混合度對整車排放、 燃油經(jīng)濟(jì)性影響比較顯著，一般地，混合度越大，其節(jié)能效果越好，整車排放、燃油經(jīng)濟(jì)性也越好。豐田公司根據(jù)輕型混合動力汽車混合度大小定義了三種類型， 其中類型I為微度或輕度混合型（minimal），其混合度在10 %以下，主要是用來取消發(fā)動機(jī) 怠速以節(jié)省燃油消耗，電動機(jī)僅為了起動發(fā)動機(jī)，而基本不能回收再生制動能量，因此，其節(jié)能效果有限，該類型的代表車型為CM Silverado，其節(jié)能效果只有 10 %左右。類型n為中度或中等混合型（mild），其電壓與電動機(jī)功率都比類型I的要大，即混合度更大，大致在10%40%之間，典型代表為本田公司的In si

11、ght，其節(jié)能效果在 30%50%左右。類型川為全混合（full），典型代表是豐田公司的Prius,其混合度更大，為 40%左右，整車節(jié)能更明顯，其城市燃油經(jīng)濟(jì)性可提高80%。上述分析表明，對于某一具體構(gòu)型的混合動力汽車而言，隨著混合度提高，發(fā)動機(jī)逐漸減小和電動機(jī)逐漸增大，原則上能更充分發(fā)揮整車的節(jié)能效果。但受技術(shù)條件限制和市場成本的導(dǎo)向.當(dāng)前混合動力汽車的混合度大多還以輕度混合或中等混合為主。國外混合動力汽車統(tǒng)計表明，對于輕型汽車，混合度大多數(shù)比較小，都不超過45%，部分混合動力轎車的混合度統(tǒng)計如表12-3所示。對于城市客車或貨車，統(tǒng)計了部分車型如表12-4所示，從中可見，中、重型混合動力汽

12、車的混合度選擇同樣較小，也以輕度混合為主。*12-3部分輕型渥合動力汽車的混含度統(tǒng)計車鳴吐謝機(jī)琵犬/機(jī)定功率1宵舉田 InLgbl855010/1017本田Prilw124043-33/304111764435/IS27皚特Ewioft6024/2025表就心部分客車及貨車混合動力汽車的混合度統(tǒng)計堰動機(jī)功醮兒可電動機(jī)最尢/也記功和養(yǎng)苗Orkiti VI15000230-/P042血十乍10024一20口 產(chǎn) Cwidof400015255轄聯(lián)27SfiwTrtKrk D15430井聯(lián)16逐漸成熟和成本的下降，混合度會隨時間的推移而逐漸提高，如圖12-30所示。時間m 12-30車覦電功率的發(fā)展

13、越勢不過混合度的選擇并不是永恒不變的，隨著電池技術(shù)，大功率電子器材和電機(jī)控制器的綜上所述，從降低排放及燃油消耗的角 度來考慮，混合度應(yīng)選擇較大值，而從成本 來考慮，混合度選擇較小值則更合適。就目 前技術(shù)狀態(tài)來講，混合動力汽車混合度的基 本選擇原則是以輕度混合為主。（三）混合度優(yōu)化設(shè)計方法上述混合度對整車影響的研究只能定 性指出混合動力汽車應(yīng)以輕度混合為主，即混合度應(yīng)小于0.5，但在O0.5范圍內(nèi)混合度具體如何設(shè)計，其合理選擇范圍應(yīng)取多大？這些都需要有一套較為完整的混合度優(yōu)化設(shè)計方法。近年來國內(nèi)外對混合動力汽車設(shè)計方法有不少研究，其中吉林大學(xué)的混合動力汽車研究”課題組提出了混合度優(yōu)化設(shè)計方法，具

14、有重要參考價值。該方法首先提出作為混合度設(shè)計重要約束條件的動力源總功率設(shè)計方法和電池電量平 衡算法，然后研究確定混合度的邊值條件，最后根據(jù)設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化方法(最小二乘法曲線擬合)確定最佳混合度。I混合度設(shè)計問題描述(1)混合動力汽車設(shè)計問題由于混合動力汽車是在傳統(tǒng)汽車技術(shù)上發(fā)展起來的，國內(nèi)外 很多混合動力汽車的設(shè)計是基于某一傳統(tǒng)型汽車，其設(shè)計要求均是在保證與其傳統(tǒng)型汽車動力性一致的前提下，對燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性提出改善目標(biāo)，即設(shè)計要求提出如下：經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)(和，或)排放性能指標(biāo)約束條件為：加速性能指標(biāo)爬坡性能指標(biāo)設(shè)計變量為：發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和電池特性參數(shù)上述設(shè)計問題(僅以燃油經(jīng)濟(jì)性為設(shè)計目

15、標(biāo)為例)轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表示形式如下：目標(biāo)函數(shù)：min L / 100km(12-4)設(shè)計變量：發(fā)動機(jī)功率:Pe電動機(jī)功率:Fm電池容量：C(或 Bat Cap)(12-5)約束條件：最咼車速：Vmax(12-6)加速性V。vt 0)(12-34)式中，Pe1, Pe2是對混合動力汽車在某些特殊情況下所要求的功率(長時間巡航、爬長坡所要求發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動)，而是基于設(shè)計工況驅(qū)動要求的平均功率。同時，發(fā)動機(jī)功率的最終確 定還要考慮另一種情況，整車極限加速過程(如超車，或當(dāng)交通狀況良好時駕駛員踩加速踏板到最大位置加速)。該過程為整車加速常用工況，要求發(fā)動機(jī)提供其平均功率，峰值功率 由電動機(jī)提供，困為這種加

16、速過程比較短，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮兩動力源本身的特性。發(fā)動機(jī)提供該過程的平均功率Pe4，計算式為e43600ttmaxt max0 Ft(t)v(t)dt(12-35)式中，tmax為極限加速過程從零到最高車速 vmax的加速時間(S)； Ft(t)為隨時間變化的車輪 驅(qū)動力(N)。綜上所述，一般情況，發(fā)動機(jī)功率至少要滿足上述所確定的各功率要求，即:Pe_minmax(Pe1,Pe2,Pe3,Pe4)(12-36)根據(jù)純電動起步加速時間tzev不應(yīng)超過期望值，可計算電動機(jī)最小功率Pm2。根據(jù)純電動起步加速時間tzev不應(yīng)超過期望值，可計算電動機(jī)最小功率Pm2。通過上述分析，混合度的最大邊值為maxPt

17、otalPemin(12-37)根據(jù)純電動起步加速時間tzev不應(yīng)超過期望值，可計算電動機(jī)最小功率Pm2。根據(jù)純電動起步加速時間tzev不應(yīng)超過期望值，可計算電動機(jī)最小功率Pm2。（2）最小邊值條件根據(jù)混合度的定義，混合動力汽車的混合度最小邊值條件是由電動機(jī)的最小功率來決定，因此，主要討論電動機(jī)最小功率的確定。研究表明，電動機(jī)功率與整車價格基本符合線性關(guān)系，電動機(jī)功率越大，要求的電池容量也越大，從而使整車價格成比例地增加。因此從降低成本角度看，電動機(jī)功率應(yīng)盡可能減小，但電動機(jī)功率不能無限小，它必須滿足以下幾個條件：1）起動發(fā)動機(jī)能力：在規(guī)定時間內(nèi)起動發(fā)動機(jī)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速。2）單獨(dú)起動整車能力：在

18、規(guī)定時間內(nèi)電動機(jī)單獨(dú)起動整車到規(guī)定車速。3）純電動行駛能力：以純電動車速Vzev行駛的功率要求。4）整車加速能力：滿足整車加速時間的要求。A）起動發(fā)動機(jī)能力?；旌蟿恿ζ嚬?jié)能機(jī)理研究表明，消除怠速對整車燃油經(jīng)濟(jì)性的 改善很明顯，因此，需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行起?？刂疲╯tart/stop）。這就要求電動機(jī)具有瞬間起動發(fā)動機(jī)的能力，即瞬間起動發(fā)動機(jī)的功率Pm1（kW）:ml11000 tstartidle0Je ed eTd idle1000(12-38)根據(jù)純電動起步加速時間tzev不應(yīng)超過期望值，可計算電動機(jī)最小功率Pm2。根據(jù)純電動起步加速時間tzev不應(yīng)超過期望值，可計算電動機(jī)最小功率Pm2。式中

19、，Je為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；t start為電動機(jī)起動發(fā)動機(jī)時間（S）；， e ,idle分別為發(fā)動 機(jī)轉(zhuǎn)速，怠速轉(zhuǎn)速（rad/s）; Td為發(fā)動機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩（Nm）。B）單獨(dú)驅(qū)動整車能力。 如果對混合動力汽車有純電動驅(qū)動的要求，則可利用電動機(jī)的低速高轉(zhuǎn)矩特點來起動整車，由此可改善因發(fā)動機(jī)低速起車所帶來的油耗與排放的惡劣性。與傳統(tǒng)汽車動力學(xué)公式相似，純電動汽車能力可表示：dv Ftm _ Fw _ Ffdtm(12-39)式中，F(xiàn)tm為車輛純電動行駛驅(qū)動力，即電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩到車輪的驅(qū)動力(N)。車輛由起步加速到純電動行駛車速vzev的加速時間為:zev13.6vzev dt1一dv =0dv3.6t

20、mmdv-f - Fwf(12-40)根據(jù)純電動起步加速時間tzev不應(yīng)超過期望值，可計算電動機(jī)最小功率Pm2。（如要求零C）純電動行駛能力。純電動行駛可以做到零排放，主要在一些特殊場合使用排放行駛的軍車）?；旌蟿恿ζ囈约冸妱榆囁賄zev行駛時，所需功率 Pm3為:Vzev3600 t m(mgf2Cd Av zev )21 .15(12-41)D）整車加速能力。由于整車動力源總功率選擇是根據(jù)動力性指標(biāo)，而且主要是以整車 加速性來確定，即大多數(shù)情況，只要加速性指標(biāo)得到滿足， 其他動力性指標(biāo)一般也同時能得 到滿足。雖然，動力源總功率原則上可以滿足整車加速能力，但當(dāng)混合度選擇最小時（電動機(jī)最?。?/p>

21、，電動機(jī)的低速高轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)勢發(fā)揮最低，相比其他混合度方案，整車加速性能是 最低的，因此，須對整車進(jìn)行加速性校驗。通過上述確定的各功率電動機(jī)最小功率均須滿足上述要求的功率（具體與設(shè)計實際情況有關(guān)，如不要求純電動行駛，則Pm2不考慮）即:Pmminmax(Pm1,Pm2,Pm3(12-42)混合度的最小邊值為:6混合度優(yōu)化求解上述設(shè)計方法所確定的動力源總功率,H min可以滿足動力性指標(biāo)要求,（12-43）并按SOC平衡方法對混合動力汽車的電量進(jìn)行維持。通過對發(fā)動機(jī)及電動機(jī)的極限功率的考查，把混合度限定在邊值條件Hnin、Hmax內(nèi)，該邊值條件就是混合動力汽車混合度設(shè)計的有效范圍。通過優(yōu)化 方法可

22、以考查混合度對整車性能的影響，進(jìn)而實現(xiàn)對其求解。把混合動力汽車參數(shù)設(shè)計問題轉(zhuǎn)換為在動力源總功率設(shè)計滿足動力性約束條件下的混合度單變量優(yōu)化問題， 而單變最優(yōu)化問題的求解可采用黃金分割法、區(qū)間二分法等。為了簡化優(yōu)化問題和節(jié)省仿真刑問， 也可采用取點試算法， 并用最小二乘法擬合來考查混合度在其 可行邊值范圍內(nèi)與設(shè)計目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，即對其可行范圍內(nèi)的幾種代表點進(jìn)行仿真來確定擬合曲線，找出最優(yōu)解。四、混合動力汽車的能量控制策略混合動力汽車具有兩個以上的動力源，因此為了解決混合動力汽車多動力源所引起的模式切換和功率分配，需要引人一個能量管理系統(tǒng)對系統(tǒng)的能量流動進(jìn)行合理的分配。管理系統(tǒng)應(yīng)遵循選定的能量管

23、理策略并對其進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)混合動力電動汽車要達(dá)到的燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，排放最低，驅(qū)動系統(tǒng)的成本最小，同時提高加速性等整車性能的目標(biāo)。專家認(rèn)為，混合動力汽車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從某種程度上決定了可以采用哪種控制策略，但仍然有一些可以廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的控制策略。下面列舉汽車?yán)碚摚ǖ?版）一書提供的兩種混合動力汽車中常用的能量控制策略。1 電動機(jī)輔助控制策略 （Electric-Assisted Con trol Strategy）電動機(jī)輔助的能量控制策略采用發(fā)動機(jī)作為主動力源，電動機(jī)和蓄電池協(xié)助提供峰值功率。這種控制策略容易對發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化。與發(fā)動機(jī)相比，電動機(jī)響應(yīng)快，控制靈 敏.容易實現(xiàn)不同的控制方法。這種控制策略在大多數(shù)并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中采用。電動機(jī)輔助控制策略的控制算法示意圖如圖12-31所示。首先，根據(jù)駕駛員指令（加速踏板和制動踏板）求得系統(tǒng)對功率的需求；根據(jù)功率需求，控制器決定混合動力系統(tǒng)中的能量流；然后根據(jù)車速、負(fù)載