四驅(qū)混合動力汽車動力系統(tǒng)匹配和控制策略探究

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1、四驅(qū)混合動力汽車動力系統(tǒng)匹配和控制策略探究摘要：外充電式混合動力汽車是電動汽車較好的技術(shù)路線，也是當(dāng)前研究的熱點。構(gòu)建了一輛前輪發(fā)動機(jī)驅(qū)動、后輪電動機(jī)驅(qū)動的外充電式四驅(qū)混合動力汽車模型，進(jìn)行了電機(jī)、電池和發(fā)動機(jī)參數(shù)設(shè)計，設(shè)計了發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線能量控制策略和電能消耗型能量控制策略，并用Matlab和AVLCruise軟件對其進(jìn)行了性能聯(lián)合仿真。結(jié)果表明，所構(gòu)建汽車模型可行，匹配動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計達(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，可為樣車開發(fā)提供借鑒。關(guān)鍵詞：混合動力汽車；優(yōu)化匹配；控制策略；仿真中圖分類號:U469.7

2、2文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.03.06由于作為動力源的電池在動力性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面遠(yuǎn)未能滿足需要，純電動汽車遠(yuǎn)未到達(dá)實用階段?；旌蟿恿ζ囀悄壳败囕v節(jié)能降耗可行的技術(shù)路線之一，尤其是外充電式混合動力汽車，相比常規(guī)混合動力汽車,它的混合度可達(dá)50%,電池容量更大，純電動行駛里程更長[llo動力系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)劣決定了整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性等性能［2］。整車開發(fā)的全部環(huán)節(jié)中，動力系統(tǒng)設(shè)計顯得尤其重要。李駿［3］、劉炳國［4］等基于汽車?yán)碚搶ν獬潆娛讲⒙?lián)混合動力汽車參數(shù)進(jìn)行了匹配，前者用Cruise軟件進(jìn)行

3、了整車性能仿真，后者進(jìn)行實車試驗；任永樂［5］、王杉［6］等分別為串聯(lián)混合動力汽車設(shè)計了傳動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)、動態(tài)規(guī)劃法設(shè)計了混聯(lián)混合動力汽車控制策略。以上所述都是針對兩驅(qū)車輛。四驅(qū)車輛在通過性等方面比兩驅(qū)車輛更有優(yōu)勢，結(jié)合了外充電式的四驅(qū)混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計、能量控制策略方面的研究并不多見。本文對一款外充電式四驅(qū)混合動力汽車進(jìn)行了動力系統(tǒng)參數(shù)匹配，設(shè)計了工程上易于實現(xiàn)的能源控制策略，并用Matlab和AVLCruise軟件對其進(jìn)行了性能聯(lián)合仿真，探討了影響車輛動力性、經(jīng)濟(jì)性的因素。1整車

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

5、占60%,設(shè)定純電動模式續(xù)行駛里程100km,考慮CJJ37-2012關(guān)于城市道路設(shè)計車速的規(guī)定，設(shè)定純電動車速為60km/ho因動力電池質(zhì)量未定，故整備質(zhì)量需在匹配電機(jī)、電池和發(fā)動機(jī)后確定。表1列出了混合動力汽車樣車整車參數(shù)。2后驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計與分析后驅(qū)系統(tǒng)由電池、電動機(jī)、差速器和輪系以及相關(guān)控制系統(tǒng)組成，可以看成純電動系統(tǒng)。由于電動機(jī)有低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的輸出特性[10],事實上，汽車在起步或爬坡等工況車速較低時需要較大轉(zhuǎn)矩，高速行駛時要求較大功率，電動機(jī)正好符合此要求。而且電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)從每分鐘幾十轉(zhuǎn)到一萬多轉(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，從而簡化了機(jī)械傳動裝置。2.1電機(jī)參數(shù)設(shè)計設(shè)計中，期望最高車速確定了動力系統(tǒng)應(yīng)有的功率[2],此功率也應(yīng)滿足汽車的最大爬坡度和加速性能要求。按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19752-2005規(guī)定，計算需求功率時取試驗質(zhì)量mt=l880kgo傳動效率nT、路面滾動阻力系數(shù)f、風(fēng)阻系數(shù)CD、迎風(fēng)面積A、最高車速umax、爬坡車速ua、加速車速ub、爬坡角度a和0-100km/h加速時間t的值見表2。(1)滿足最高車速的功率(2)滿足最大爬坡度的功率(3)滿足加速性能的功率由計算可知，動力系統(tǒng)能提供87kW的動力即可滿足汽車最髙車速、爬坡度和加速性能要求。根據(jù)本文動力系統(tǒng)的

7、結(jié)構(gòu)，由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同提供最大需求功率，且根據(jù)外充電式混合動力汽車的混合度設(shè)計規(guī)律，兩者各提供約50%。最高車速需要用額定功率滿足，最大爬坡度和加速性能可以使用峰值功率，考慮了車用電器消耗的總功率約3kW和發(fā)動機(jī)啟動馬達(dá)的功率1.4kW,據(jù)GB/T18488.1-2001規(guī)定的電機(jī)功率等級，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功率也滿足此要求。為得到較高的效率，本文后驅(qū)動系統(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