混合動力答辯課件

2012年度碩士學位論文答辯插電式并聯(lián)混合動力客車能量優(yōu)化技術研究答辯人：王菁

導師：譚德榮教授

專業(yè)：載運工具運用工程 報告提綱一、緒論

二、混合動力汽車驅動系統(tǒng)結構分析三、外接電并聯(lián)混合動力客車元件選型及參數(shù)匹配四、Plug-in并聯(lián)式混合動力客車能量控制策略研究五、基于Cruise軟件的Plug-inPHEV建模仿真與分析

六、總結與展望

一、緒論

1.課題背景和研究意義

汽車產業(yè)的大步發(fā)展創(chuàng)造了巨大的社會財富，人民的生活發(fā)生了很大的變化，但該產業(yè)的發(fā)展也使得我們的社會陷進了能源危機和環(huán)境污染的困境。純電動汽車受到單次充電續(xù)駛里程瓶頸的制約，未能普及；混合動力車也不是發(fā)展的長久之計，介于傳統(tǒng)混合動力和純電動之間的外接電式混合動力汽車一提出就成為了當今研發(fā)的熱點。外接電式混合動力車可以實現(xiàn)混合動力和純電動兩套動力系統(tǒng)的協(xié)調工作，是一種最具有發(fā)展前景的混合動力驅動模式，也是向最終清潔能源過渡的最佳方案。一、緒論2.混合動力汽車的國內外發(fā)展現(xiàn)狀美國：2007年由加州戴維斯分校研發(fā)出Trinity外插電式混合動力汽車日本：本田和豐田兩大汽車公司在混合動力技術方面一直處于世界的最前沿歐洲：2009年戴姆勒-奔馳于上海車展上展出了配備鋰離子充電電池及再生制動系統(tǒng)的高級混合動力車。東風汽車于2008年為北京奧運會研發(fā)的并聯(lián)混合動力公交車基本上實現(xiàn)了城市內運行的基本要求由金龍客車和上海大眾公交集團聯(lián)合開發(fā)的XML6112PHEV1并聯(lián)客車已投入到上海92B線路試運行天津清源開發(fā)的雙能源驅動混合動力車和中通客車開發(fā)的串聯(lián)式混合動力客車排放都能達到國際歐Ⅲ標準3.課題研究的主要內容：（1）.混合動力汽車結構分析與選擇;（2）.混合動力系統(tǒng)動力元件選型及參數(shù)設計；（3）.整車控制策略的制定；（4）.Plug-in并聯(lián)混合動力系統(tǒng)仿真分析。一、緒論返回二、混合動力汽車驅動系統(tǒng)結構分析混合動力汽車性能的好壞不僅與動力元件參數(shù)匹配、控制策略制定有關，還決定于驅動系統(tǒng)的布置方案?；旌蟿恿︱寗酉到y(tǒng)的基本的結構類型一般分為：串聯(lián)式結構、并聯(lián)式結構、混聯(lián)式結構和外接電式結構四種。1、各動力系統(tǒng)結構串聯(lián)結構并聯(lián)結構混聯(lián)結構

外接電式混合動力系統(tǒng)一般也分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種結構，它既保留了不同類型傳統(tǒng)HEV各自的特點，又有自身獨特的優(yōu)勢。從整體基本結構來看，除了配備了大功率的電機和大容量電池外，其余的均與傳統(tǒng)HEV結構相同。外接電式結構：2.幾種驅動系統(tǒng)特點總結

3.本文動力驅動系統(tǒng)確定

（1）市內及市郊的路況較好，車輛在路面上能夠實現(xiàn)平穩(wěn)行駛，無陡坡存在；市區(qū)行駛車速低，易發(fā)生交通堵塞，車輛常工作于怠速、低速、起步、停車等工況；市郊運行時車速高，一般駕駛員習慣采用中高速行駛，存在爬長坡需求。（2）公交車的工作路線相對固定，車輛按照一定的時間往復行駛，每條線路上都會有固定的停車位置，這些都是由公交車特性決定的。（3）整車載荷并不是一成不變的，它具有一定的隨機性。

本文的研究對象為大型客車，因此首先需要對客車的行駛特點進行分析?？蛙囆旭偺攸c分析3.本文動力驅動系統(tǒng)確定

動力系統(tǒng)方案確定并聯(lián)式混合動力結構更加符合客車在市郊和市內運行的工作特點，另外公交客車具有固定的工作時間表，且每一條工作線路上不止一輛公交客車在運行，因此可采用外接電式并聯(lián)混合動力結構。返回三、外接電式并聯(lián)混合動力客車元件選型及參數(shù)匹配研究外接電式并聯(lián)混合動力車能量流控制技術，首先需要對各動力元件進行合理選型，并對相關參數(shù)做合理的匹配，使在滿足動力性能要求前提下，保證整個混合動力系統(tǒng)效率最優(yōu)，并提高整車燃油經濟性、降低排放。全文以傳統(tǒng)車型YTK6110D進行研究，將其從理論上設計成為外接電式（Plug-in）并聯(lián)混合動力系統(tǒng)，并對動力總成進行合理選型和參數(shù)匹配。1、YTK6110D整車基本參數(shù)2、混合動力客車預期動力性指標3、整車各元件設計與選型（1）.發(fā)動機參數(shù)設計與選型由于本設計車型為用于市內和市郊的客車，因此上式中車速選用整車經濟巡航車速進行計算，帶入相關數(shù)據(jù)計算后得到功率值為40kw。綜合以上兩式，帶入相關數(shù)據(jù)后得到發(fā)動機的功率值為62kw。確定發(fā)動機功率最終值時還應當考慮整車附件功率、充電功率余量（10%）以及爬坡功率余量（1-2%），則：3、整車各元件設計與選型（1）.發(fā)動機參數(shù)設計與選型根據(jù)計算得到的發(fā)動機功率值可選玉柴生產的型號為YC4F90-21直列四缸、中冷增壓柴油發(fā)動機，該發(fā)動機的具體參數(shù)如下表3-3所示：3、整車各元件設計與選型（2）.電動機參數(shù)設計與選型電動機額定功率確定：車輛以最高車速行駛、加速或者爬坡時，動力由發(fā)動機和電動機共同驅動，電動機提供峰值功率，則電動機的峰值功率為上述三者之間的最大值與發(fā)動機額定功率之差，即：其中最高車速功率值：求的功率值為92.17kw。3、整車各元件設計與選型（2）.電動機參數(shù)設計與選型電動機額定功率確定：

加速功率值:車輛在加速過程中所需要的功率值為116kw。爬坡功率值：當車輛在最大爬坡度為20%上以10km/h速度行駛時得所需爬坡功率89kw。3、整車各元件設計與選型（2）.電動機參數(shù)設計與選型由上四式可得電動機峰值功率為51kw，由于該車主要用于城市公交運輸，工作路線穩(wěn)定、無較大的工況波動，則可選擇峰值功率60kw，額定功率30kw，便可滿足運行功率需求。

電動機額定轉速與最高轉速：電動機擴大恒功率區(qū)系數(shù)β為電動機的最高轉速與額定轉速之比，大的β值是車輛實現(xiàn)起步加速和穩(wěn)定行駛的保障。

對于異步交流電機來說，最高轉速在9000-15000r/min之間是很容易實現(xiàn)的，其β值一般在4-6之間，則由下式確定額定轉速和最高轉速的取值范圍：3、整車各元件設計與選型（2）.電動機參數(shù)設計與選型綜合考慮整車行駛時所需電動機提供的功率值以及最高轉速、額定轉速的取值范圍等因素，選定三相異步交流電動機JYD30-2（AC）。其參數(shù)見下表：3、整車各元件設計與選型（3）.動力電池參數(shù)設計與選型電動機和鋰電池組之間的能量轉換效率為80%。返回四、Plug-in并聯(lián)式混合動力客車能量控制策略研究1、外接電式并聯(lián)混合動力客車控制策略制定原則1）時刻確保電機驅動優(yōu)先；

2）維持合理的電池容量范圍；3）制動能量回收原則。

本文選用更加適合于存在多種工作模式的基于規(guī)則的電力輔助控制策略，該控制策略算法簡單、易實現(xiàn)、魯棒性好，本文將根據(jù)控制要求對其進行改進以實現(xiàn)合理的能量流控制。2、整車控制規(guī)則制定（1）根據(jù)以上制定原則和基于規(guī)則的電力輔助控制策略的特點，制定適合于該車型的控制策略：（1）當該車的行駛車速低于25km/h時，汽車以純電動的工作模式。（2）當該車車速介于25km/h-65km/h時，只發(fā)動機工作，若此時電池的SOC值較低，電動機給蓄電池充電。（3）當該車加速行駛、爬坡或高速巡航時，若發(fā)動機提供動力不能滿足整車所需動力時，電動機參與驅動。（4）當整車制動時，電動機發(fā)電，制動能量回收。（5）當蓄電池SOC值低于電池總量的30%時，發(fā)動機提供額外功率，為蓄電池充電，以維持電池組SOC，避免造成蓄電池的深度放電。2、整車控制規(guī)則制定（2）4、整車控制策略的設計（1）本文利用Stateflow模塊，按照設計的控制規(guī)則實現(xiàn)整車各種工作狀態(tài)之間的無縫轉換，如下圖所示：4、整車控制策略的設計（2）5、整車主控制策略模型返回五、基于Cruise軟件的Plug-inPHEV建模仿真與分析1、利用Cruise軟件搭建整車模型流程奧地利AVLList公司的Cruise軟件是一款在整車模型基礎上對各部件進行性能測試的仿真軟件。2、發(fā)動機模型（1）發(fā)動機模型由發(fā)動機的基本參數(shù)、全負荷特性曲線、發(fā)動機倒拖曲線、排放map圖以及油耗map圖界面組成。圖5-2發(fā)動機基本參數(shù)輸入界面圖5-3發(fā)動機外特性曲線2、發(fā)動機模型（2）圖5-4發(fā)動機油耗Map圖3、電動機模型（1）圖5-5電動機參數(shù)設置界面軟件的電動機模塊主要由電動機參數(shù)設置界面和電動機特性Map圖界面組成：圖5-6電動機外特性曲線圖3、電動機模型（2）4、鋰電池模型（1）封裝好的鋰電池模塊主要由以下幾部分組成：電池基本參數(shù)設置界面、電池在額定電壓下的充放電曲線等。圖5-8電池基本參數(shù)設置界面圖5-7電動機效率Map圖4、鋰電池模型（2）圖5-9額定電壓下的充電曲線圖5-10額定電壓下的放電曲線5、控制策略導入

Matlab和Cruise兩軟件的聯(lián)合仿真，前提需要對交流數(shù)據(jù)進行定義，明確控制策略的輸入輸出數(shù)據(jù)，并在Cruise軟件中將輸入數(shù)據(jù)的來源和輸出數(shù)據(jù)的去向做好規(guī)定，Cruise中的數(shù)據(jù)的信息鏈接如下圖5-11所示：圖5-11數(shù)據(jù)信息鏈接關系6、整車模型

上述各個封裝模塊均設置完成，并連接好各種機械和數(shù)據(jù)信號后即可得到整車模型，如下圖5-13所示：圖5-13外接電式并聯(lián)混合動力整車模型7.整車仿真分析（1）.動力性仿真分析分別建立原車仿真模型和外接電式并聯(lián)混合動力整車模型，通過建立不同的任務以獲得不同的動力性仿真結果。7.整車仿真分析（1）.動力性仿真分析上表5-1中所示的各種動力性能仿真指標均可以在軟件的ResultManager中得到相關圖示：圖5-14PHEV在UDC工況下的最高車速圖5-15PHEV爬坡度仿真結果7.整車仿真分析（1）.動力性仿真分析圖5-16PHEV0-50km/h加速時間圖5-17PHEV純電動行駛時SOC變化曲線7.整車仿真分析（2）.發(fā)動機工作點分布情況圖5-18原車發(fā)動機工作點分布圖5-19PHEV發(fā)動機工作點分布7.整車仿真分析（3）.經濟性仿真分析

外接電式混合動力汽車配備了大功率的電機和電池，實現(xiàn)長時間的純電動行駛里程，可以顯著降低油耗，文中采用設置多個UDC循環(huán)工況對整車燃油消耗情況進行仿真，結果如下表5-2所示：7.整車仿真分析（3）.經濟性仿真分析從上表可得到原車的每百公里油耗為37.56L，Plug-in型混合動力車的每百公里油耗為18.74L。可以看出外接電式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)要比原車實現(xiàn)節(jié)油接近一半以上。按當前市場柴油價格7.32元/升進行計算，可計算出外接電式混合動力汽車每公里可以節(jié)省接近1.4元錢，而且這種可充電的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)平均每公里消耗0.6度電，假如按照生活用電0.6元/度，則計算得到的每百公里消費約為173.2元，原車則需274.94元；而假如該車能夠充分的利用夜間用電低谷充電時，其電價約為0.3元/度，其用電成本將更為低廉7.整車仿真分析（4）.仿真結果總結通過Cruise軟件對整車的動力性、經濟性以及發(fā)動機工作點的分布情況可以看出：均達到了前面所提出的各項動力性能指標，但與原車相比，動力性能有所降低；外接電式并聯(lián)混合動力整車的發(fā)動機工作點分布較為集中，怠速工況所占比例明顯減少，基本上不存在惡劣工況點；外接電式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)在燃油經濟性上也有著很大的優(yōu)勢和競爭