四驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配和控制策略探究

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1、四驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配和控制策略探究摘要：外充電式混合動(dòng)力汽車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)較好的技術(shù)路線(xiàn)，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。構(gòu)建了一輛前輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、后輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的外充電式四驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)模型，進(jìn)行了電機(jī)、電池和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線(xiàn)能量控制策略和電能消耗型能量控制策略，并用Matlab和AVLCruise軟件對(duì)其進(jìn)行了性能聯(lián)合仿真。結(jié)果表明，所構(gòu)建汽車(chē)模型可行，匹配動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，電能消耗型能量控制策略更有利于提高經(jīng)濟(jì)性。動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量控制策略易于產(chǎn)業(yè)化，可為樣車(chē)開(kāi)發(fā)提供借鑒。關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)；優(yōu)化匹配；控制策略；仿真中圖分類(lèi)號(hào):U469.7

2、2文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.03.06由于作為動(dòng)力源的電池在動(dòng)力性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面遠(yuǎn)未能滿(mǎn)足需要，純電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)未到達(dá)實(shí)用階段。混合動(dòng)力汽車(chē)是目前車(chē)輛節(jié)能降耗可行的技術(shù)路線(xiàn)之一，尤其是外充電式混合動(dòng)力汽車(chē)，相比常規(guī)混合動(dòng)力汽車(chē),它的混合度可達(dá)50%,電池容量更大，純電動(dòng)行駛里程更長(zhǎng)[llo動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)劣決定了整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等性能［2］。整車(chē)開(kāi)發(fā)的全部環(huán)節(jié)中，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤其重要。李駿［3］、劉炳國(guó)［4］等基于汽車(chē)?yán)碚搶?duì)外充電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)參數(shù)進(jìn)行了匹配，前者用Cruise軟件進(jìn)行

3、了整車(chē)性能仿真，后者進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)；任永樂(lè)［5］、王杉［6］等分別為串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)了傳動(dòng)系能量均衡能源控制策略和以電為主能源控制策略；舒紅［7］、左義和［8］等分別基于部件工作效率最優(yōu)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法設(shè)計(jì)了混聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略。以上所述都是針對(duì)兩驅(qū)車(chē)輛。四驅(qū)車(chē)輛在通過(guò)性等方面比兩驅(qū)車(chē)輛更有優(yōu)勢(shì)，結(jié)合了外充電式的四驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、能量控制策略方面的研究并不多見(jiàn)。本文對(duì)一款外充電式四驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配，設(shè)計(jì)了工程上易于實(shí)現(xiàn)的能源控制策略，并用Matlab和AVLCruise軟件對(duì)其進(jìn)行了性能聯(lián)合仿真，探討了影響車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的因素。1整車(chē)

4、參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)模型參考有關(guān)資料，構(gòu)建一輛四驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)，前輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，后輪設(shè)置電力驅(qū)動(dòng)，前后驅(qū)動(dòng)軸分別獨(dú)立，電機(jī)由電機(jī)控制器控制，動(dòng)力電池由電池管理系統(tǒng)控制，整車(chē)控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池和電機(jī)協(xié)同工作，實(shí)例樣車(chē)的模型如圖1所示。為了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和便于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作工況，發(fā)動(dòng)機(jī)配置的發(fā)電機(jī)僅為車(chē)用電器（含空調(diào)）需求，發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，車(chē)用電器由電池供電。電池電能的補(bǔ)充來(lái)自電網(wǎng)和制動(dòng)能量回收。根據(jù)控制策略，車(chē)輛可以由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。車(chē)輛設(shè)定純電動(dòng)模式使用于城市交通。美國(guó)私人交通調(diào)查報(bào)告顯示[9],車(chē)輛日行駛里程60英里（約96.6km）以?xún)?nèi)概率

5、占60%,設(shè)定純電動(dòng)模式續(xù)行駛里程100km,考慮CJJ37-2012關(guān)于城市道路設(shè)計(jì)車(chē)速的規(guī)定，設(shè)定純電動(dòng)車(chē)速為60km/ho因動(dòng)力電池質(zhì)量未定，故整備質(zhì)量需在匹配電機(jī)、電池和發(fā)動(dòng)機(jī)后確定。表1列出了混合動(dòng)力汽車(chē)樣車(chē)整車(chē)參數(shù)。2后驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析后驅(qū)系統(tǒng)由電池、電動(dòng)機(jī)、差速器和輪系以及相關(guān)控制系統(tǒng)組成，可以看成純電動(dòng)系統(tǒng)。由于電動(dòng)機(jī)有低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的輸出特性[10],事實(shí)上，汽車(chē)在起步或爬坡等工況車(chē)速較低時(shí)需要較大轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)要求較大功率，電動(dòng)機(jī)正好符合此要求。而且電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)從每分鐘幾十轉(zhuǎn)到一萬(wàn)多轉(zhuǎn)的變化，因此，本文后驅(qū)系統(tǒng)不設(shè)置變速器，僅在與差速器連

6、接處設(shè)置了減速齒輪，從而簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)裝置。2.1電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中，期望最高車(chē)速確定了動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)有的功率[2],此功率也應(yīng)滿(mǎn)足汽車(chē)的最大爬坡度和加速性能要求。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19752-2005規(guī)定，計(jì)算需求功率時(shí)取試驗(yàn)質(zhì)量mt=l880kgo傳動(dòng)效率nT、路面滾動(dòng)阻力系數(shù)f、風(fēng)阻系數(shù)CD、迎風(fēng)面積A、最高車(chē)速u(mài)max、爬坡車(chē)速u(mài)a、加速車(chē)速u(mài)b、爬坡角度a和0-100km/h加速時(shí)間t的值見(jiàn)表2。(1)滿(mǎn)足最高車(chē)速的功率(2)滿(mǎn)足最大爬坡度的功率(3)滿(mǎn)足加速性能的功率由計(jì)算可知，動(dòng)力系統(tǒng)能提供87kW的動(dòng)力即可滿(mǎn)足汽車(chē)最髙車(chē)速、爬坡度和加速性能要求。根據(jù)本文動(dòng)力系統(tǒng)的

7、結(jié)構(gòu)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同提供最大需求功率，且根據(jù)外充電式混合動(dòng)力汽車(chē)的混合度設(shè)計(jì)規(guī)律，兩者各提供約50%。最高車(chē)速需要用額定功率滿(mǎn)足，最大爬坡度和加速性能可以使用峰值功率，考慮了車(chē)用電器消耗的總功率約3kW和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)的功率1.4kW,據(jù)GB/T18488.1-2001規(guī)定的電機(jī)功率等級(jí)，選取額定功率Pmr=45kW的電機(jī)。根據(jù)CJJ37-2012,城市行駛最高速度為100km/h,爬坡度為9%,45kW功率也滿(mǎn)足此要求。為得到較高的效率，本文后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同于前驅(qū)系統(tǒng)而設(shè)置主減速比為5.4,為達(dá)到