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混合动力汽车传动系统建模与仿真研究


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





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。

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.

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
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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原创性声明

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内 容,也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人或集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。

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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。

§1-2 研究目的和意义
混合动力汽车与传统汽车最大的区别就是它有两个动力源, 这一点导致它的传动系统和传统汽车的 传动系统有很大的区别。 它的传动系统必须包括一个动力匹配系统, 动力匹配系统的作用是合成两个动 力源提供的动力, 并通过控制系统对两个动力源的功率进行合理匹配, 以达到系统效率最佳和尾气排放 量最低。双动力源的存在,为改善车辆的燃油经济性和排放性能提供了更为广阔的设计空间,但同时车 辆动力系统的复杂性也要求在最终设计和样车试制之间建立起系统的性能仿真模型, 以进行不同设计方 案的比较和控制策略的开发。 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
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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。 本研究以丰田混合动 力传动系统 THS(Toyota Hybrid System)的结构为参考依据,主要以采用行星齿轮机构的动力分离装 置作为研究重点,建立动力分离装置的数学模型,分析各元件之间扭矩和转速理论关系,应用 Matlab/Simulink 软件建立混合动力传动系统的仿真模块, 基于所建立的稳态和动态仿真策略, 模拟和分 析动力传动系统各元件的输出特性。

§1-3 国内外研究现状
1-3-1 混合动力汽车发展现状 日本丰田汽车公司是世界上最早开始研究混合动力汽车的公司之一。1997 年丰田公司推出了自己 设计的混合动力车 PRIUS,到现在已经推出了三代产品,采用了阿特金森循环式发动机、镍氢电池和 电动无级变速系统。 第一代 PRIUS 每升汽油的行驶距离达到 28km, CO2 排放量比普通汽车减少了 50%, CO、HC 和 NOx 的排放量仅为普通轿车的 10%。在 PRIUS 混合动力技术基础之上,丰田公司正设法将 其所有传统车型均引入混合动力技术,并开发了可充电混合动力技术,大大提高了电动驱动比例。本田 公司推出了混合动力轿车 INSIGHT 和 CIVIC,丰田的 COASTER 客车、日野的混合动力客车和货车也 已经进入商业化阶段,日产和铃木等公司也推出了自己的混合动力车。 美国能源部和美国的三大汽车公司合作, 推行一项庞大的新一代汽车合作计划, 基于这个计划政府 与三大汽车公司分别签订混合动力汽车开发合同,要在低污染的条件下制造出每百公里油耗不超过 3 升的汽车, 论证的结果表明采用混合动力技术是切实可行的。 戴姆勒克莱斯勒公司和通用汽车公司也分 别研制了自己的混合动力汽车。 欧洲在混合动力汽车的开发、 研制和推广方面做了大量投入。 其突出代表是法国雷诺汽车公司研制 的 VERT 和 HYME,两款混合动力汽车已经进行了 10000 公里的运行试验,代表了国际先进水平。德 国的大众汽车公司和奥迪汽车公司分别生产了基于已有车型 GOLF 和 DUO 的混合动力电动汽车。 德国 西门子和博世等著名零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力汽车。 国内研究混合动力轿车已经有将近 10 年的历史。 “十五”期间,科技部指定了国家 863 计划电动汽 车重大专项,提出了“三横三纵”的研究开发布局。 “三横”是纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料 电池汽车; “三纵”是指电池、电动机和控制系统的关键零部件技术。我国“电动汽车重大科技专项”实 施几年来,取得了重大进展,已经开发了红旗牌混合动力轿车、东风牌混合动力轿车、天津清源威姿纯 电动轿车、解放牌混合动力城市客车、纯电动客车、电动汽车底盘技术、混合动力客车用多能源动力总 成控制器、电动汽车技术创新体系等产品和技术。1998 年,清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合 动力电动客车。东风汽车公司和奇瑞汽车公司承担了 863 混合动力研制项目。另外,一汽丰田混合动力 合作项目也得到了国家相关部门的大力支持,其量产车型 PRIUS 已经于 2006 年下线。长丰汽车公司即 将推出国内首款混合动力 SUV 猎豹 CS7。力帆汽车也正在开发电动和混合动力车型。但是,在整车控 制器、发动机电子控制器、动力用电池等一些关键技术方面,国内尚没有能够大规模生产的、质量可靠 的产品。 近期, “十一五”863 计划现代交通技术领域“节能与新能源汽车”重大项目已启动。2008 年度第 一批课题涉及关键零部件技术、动力系统平台和新型整车技术、检测与示范考核三类。混合动力用机电
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耦合动力传动装置关键技术开发子项的主要研究内容有: 针对中度以上的混合动力汽车开展驱动电机与 变速器机电耦合的动力合成装置结构方案和关键技术研究; 开发混合动力专用自动变速器、 混合动力合 成装置专用电机系统; 研究动力合成装置的自动换档控制技术和电机控制技术, 开发动力合成装置的综 合控制系统;研究制订混合动力汽车动力合成装置的设计规范、计算分析规范和试验开发规范,实现混 合动力汽车动力装置产业化开发。 1-3-2 相关文献概述 混合动力传动系统通过一定的传动机构将发动机、发电机、电动机和储能装置连接在一起,不同的 布置方式可以获得不同的动力传递性能。 许多研究者建立了混合动力系统的数学模型, 仿真分析了混合 动力传动系统的性能。 Powell 等人推导了电动汽车、串联式混合动力车以及并联式混合动力车动力传动系统元件间的动 态方程,并应用Xmath/Systembuild及Matlab/Simulink建立了各元件的仿真模型。 Hellgren 等和Mckain 等分别针对公交巴士和大型货车,对比分析了混合动力传动系统和传统动 力系统两种动力系统的性能。 Miller 等人对比分析了丰田THS-II、通用AHS-2 和福特FHS三种混合动力系统。 Ahn 等人分析了双模式行星齿轮混合动力系统的性能,提出了混合动力系统的参数化设计方法。 Zhang 等人仿真分析了单模式和三模式混合动力系统的性能。 Hofman 等人对比分析了本田混合动力系统IMA和丰田混合动力系统THS, 并建立了动力系统各部 件的数学模型。以所建立的数学模型为基础,通过交换两系统的部件对IMA和THS系统的燃油经济性进 行了计算机仿真计算。 Liu 等人基于所开发的计算机仿真模型和动态控制策略,通过计算机仿真研究了丰田混合动力系 统THS的基本性能。 Schoutena 提出了一个面向并联式混合动力汽车的模糊逻辑能量控制策略, 该控制策略的控制目标 是通过优化传动系统中各元件的工作效率来优化整车燃油经济性。控制器根据车速、加速踏板位置、制 动踏板位置、 蓄电池充电状态以及电动/发电机转速等信息, 合理分配电动/发电机和内燃机的输出功率, 以获得最佳燃油经济性的目标。仿真结果表明,与单纯进行发动机性能优化相比,获得了较大的燃油经 济性改善。 Kamiya
[10] [9] [8] [7] [6] [5] [4] [2] [3] [1]

介绍了丰田汽车公司开发的应用于大型SUV车上的混合动力系统,探讨了系统对电动/发

电机工作性能的要求,在此基础上系统阐述了该高速电动/发电机所采用的各项新技术。通过升压回路 将工作电压提高到 650V,与上一代产品相比最高输出功率增加了 20%,最高转速提高了约 1 倍,大大 缩减了电动/发电机的体积和重量。而且通过优化气隙磁场,获得了更加理想的扭矩密度,并大大降低 了空载损耗,从而在电动/发电机体积略有减小的情况下,提高了扭矩和效率。 Butler
[11]

等人开发了一个基于Matlab的面向混合动力汽车传动系统设计的建模仿真软件。该软件可

应用于电动汽车、 串联式混合动力汽车、 并联式混合动力汽车和传统内燃机汽车的动力传递效率和燃油 经济性分析中。 Lin
[12]

等人基于Matlab/Simulink开发了一个面向混合动力汽车动力传动系统控制策略开发和优化的
[13]

仿真工具。 黄援军 等人针对一种并联式混合动力城市公交车的动力系统进行了参数匹配和设计,对设计结
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果进行了仿真分析,并与原型车性能进行了对比。动力系统仿真采用了城市工况(CTBDS_UD) 、高速 工况(CTBDS_HS)和美国重型车城市循环工况(UDDS)等三种行驶测试循环,涵盖了较宽范围的车 辆加速、减速和巡航行驶工作状态。

§1-4 主要研究内容
混合动力汽车动力传动系统各部件特性、参数匹配及控制策略决定了整车的动力性、燃油经济性、 排放特性。混合动力汽车的参数匹配是一个多变量多目标优化问题,只有在精确、完整的仿真模型的基 础上,经过反复的寻优计算才能达到最佳的效果。此外,混合动力汽车的参数匹配与其行驶工况和控制 策略密切相关。在车辆设计初期,有必要从车辆设计要求出发,通过理论和工程分析,辅以适当精度的 仿真校验来匹配动力系统的主要参数,为建立更加精确的仿真模型和进行优化提供基础。 该课题通过分析典型的混合动力汽车系统结构, 建立混合动力系统的结构模型。 以结构模型为基础 建立混合动力系统的数学模型。 在已建立的整车动力传动系统数学模型的基础上, 根据混合动力系统的 控制策略,模拟和分析动力传动系统各元件的输出特性。主要研究内容如下: 1)分析混合动力系统的基本结构和工作原理。 分析混合动力系统的基本结构和工作原理,建立典型混合动力系统的结构模型。 2)建立传动系统的数学模型。 根据混合动力电动汽车的动力匹配装置类型的特点,建立其动力传动系统的数学模型。 3)建立混合动力系统控制策略。 包括驱动工况能量管理、再生制动能量回收、工作模式切换等控制策略。 4)建立整车动力学仿真计算模型。 基于 Matlab/Simulink 环境建立传动系统仿真计算模块,包括混合动力系统控制策略模块、发动机 模块、车身模块、行驶循环模块、动力分离装置模块等。 5)仿真及结果分析。 应用 Matlab/Simulink 软件建立的混合动力传动系统仿真模块, 基于所建立的稳态和动态仿真策略, 模拟和分析动力传动系统各元件的输出特性。

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第二章 混合动力汽车传动系统结构分析
§2-1 混合动力汽车传动系统的类型
本论文从混合动力汽车传动系统建模与仿真的需求出发, 按照动力流传递方式的不同, 将混合动力 汽车传动系统划分为三类:串联型、并联型和混联型,各结构如图 2.1 所示。

(a) 串联型

(b) 并联型

(c) 混联型 图 2.1 混合动力汽车传动系统类型 Fig. 2.1 Type of HEV
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2-1-1 串联式混合动力传动系统 车辆行驶系统的驱动力只来源于电动机的混合动力传动系统。结构特点是发动机带动发电机发电, 电能通过电机控制器输送给电动机,由电动机驱动汽车行驶,如图 2.1(a) 所示。电动机功率来源于动 力储存设备(例如蓄电池)或者发电机(将发动机的机械能转化为电能) ,或是按照动力操作控制器决 定的比例, 由动力储存设备和发电机两者进行组合来提供。 由于发动机的工作状态与车辆车速和路面负 荷是相互独立的,因此容易控制其工作在最佳工况。除此之外,因为消除了机械动力传递路线,因此可 以避免由扭矩转换器和变速器等机械系统带来的能量损失。 串联结构的控制策略相对简单, 串联混合动 力车辆的动力流的传递简单, 并且与发动机的控制和汽车的操作是分开的。 混合动力客车和载重汽车常 采用串联混合动力结构。 然而,串联结构的一个缺点是传动效率低。由于发电机/电动机的磁电转换消耗和热损失,电动路 线的动力流效率低于机械路线的动力流。 串联混合动力车辆的驱动力始终来源于电动路线, 特别是工作 在大功率工况或较高车速时变得相对不经济,相对于发动机直接驱动效率较低。 2-1-2 并联式混合动力传动系统 车辆行驶系统的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给的混合动力传动系统。 结构特点是并联式 驱动系统可以单独使用发动机或电动机作为动力源, 也可以同时使用电动机和发动机作为动力源驱动汽 车行驶,如图 2.1(b) 所示。除了传统的发动机变速器传动系统外,该结构设置一个通常是由蓄电池或 超容量电容器提供电能的电动/发电机(MG)作为辅助动力设备。MG 的作用是帮助发动机有效的工作 和获取再生制动能量。然而,由于 MG 不能同时进行充电和辅助发动机工作,动力辅助作用受蓄电池 容量的制约。 2-1-3 混联式混合动力传动系统 具备串联式和并联式两种混合动力系统结构特点的混合动力传动系统。 其特点是可以在串联混合模 式下工作,也可以在并联混合模式下工作,同时兼顾了串联式和并联式的特点。混联结构复合了并联和 串联动力传动系统。一方面,与并联结构类似,拥有独立的发动机机械动力流路线和蓄电池-电动机电 动力流路线。不采用变速器,而配备动力分配行星齿轮机构来连接发动机和最终驱动。另一方面,与串 联结构类似,拥有发动机-发电机电动力流路线。发动机驱动发电机给蓄电池充电或者给电动机提供动 力。 有了这样的结构, 混联混合动力系统可以在低速时像串联混合动力车辆一样避免并联混合动力的缺 点, 当高速行驶时转化成并联混合动力避免串联混合动力的缺点。 由于它与其它结构相比有更多能量流 路线和工作模式,动力操作控制变得相对复杂。

§2-2 混合动力汽车动力合成方式
能量的表现形式多样, 在混合动力电动汽车动力传递过程中, 不但可以从机械功率的角度去实现动 力合成,也可以从电功率的角度去实现动力的合成
[14][15]



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2-2-1 机械功率合成方式 在机械动力合成方式中有转速合成和扭矩合成两种方式, 转速合成与扭矩合成可以通过动力合成装 置的自由度来加于区分。如果动力合成装置的转动自由度为 1,那么可判定是扭矩合成,这时输入输出 扭矩满足线性关系式(1)。如果动力合成装置的转动自由度大于 1,且动力源与不同的元件连接,这种情 况称为转速合成,输入输出扭矩转速满足线性关系式(2)。
?T0 ? i1 ? T1 ? i2 ? T2 ? ? ? in ? Tn ? nn n1 n2 ? ? n0 ? i ? ? i ? ? ? i ? 1 2 n

(1)

?T0 ? i1 ? T1=i2 ? T2 ? ? ? in ? Tn ? nn n1 n2 ? ? n0 ? i ? ? i ? ? ? i ? 1 2 n

(2)

1)扭矩合成 常见典型的扭矩动力合成方式有三种。①串联式扭矩合成:发动机和电动机直接共轴机械连接,输 出关系符合关系式(1),可认为 i1 = i2 =1,T0 =T1 +T2,如图 2.2 (a) 所示。②并联式扭矩合成:发动机和 电动机的扭矩通过特定的扭矩合成装置进行叠加,如图 2.2 (b) 所示。③分布式扭矩合成:发动机和电 动机分别驱动汽车的前后轴,动力源之间相互独立,无机械联接,如图 2.2 (c) 所示。

(a) 串联式扭矩合成

(b) 并联式扭矩合成

(c) 分布式扭矩合成 ICE:发动机;G/M:发电/电动机;C:离合器;T:变速器。 图 2.2 扭矩动力合成方式
[15] [15]

Fig. 2.2 Power compound by torque

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2)转速合成 转速合成一般采用一个多自由度齿轮系, 将多个动力源输入合成一个动力输出, 动力源数目等于系 统转动自由度,且动力源分别与不同的元件连接。在汽车和其他一些传动系统中,运用最广泛的是使用 行星齿轮机构,如图 2.3 所示。这种机构简单紧凑、构件少、多点啮合、受力均匀、噪声小,转速调节 较扭矩合成方式更为灵活。这种型式的动力连接构件选择太阳轮、行星架和齿圈中任意两者作为输入, 另一个作为输出,即可实现动力的合成。对于多动力源(数量大于 3)的转速合成,只需对行星齿轮机 构进行自由度扩展, 最直接简单的方法便是把行星齿轮的太阳轮、 齿圈或行星架其中之一与另一个行星 轮系的太阳轮、齿圈或者行星架连接,之后共轴布置,与相应动力源连接即可,亦构成多行星排型式的 动力合成装置。

C:离合器;B1、B2:制动器。 图 2.3 转速动力合成方式
[15] [15]

Fig. 2.3 Power compound by rotating speed

2-2-2 电功率合成方式 来自车载电池和来自发电机的两股电功率流通过控制系统叠加在一起, 形成一股新的电功率流, 通 过电动机输出合成功率。这种合成方式可避免机械连接,便于整车动力传动系统布置,且由于电机的低 速大扭矩、高速定功率特性,可采用发电机与电动机组合,实现无级变速。这种无级变速传动系统与传 统的机械无级变速相比,其优点是技术难度小,易实现,不受空间布置的限制;其不足是存在能量型式 的反复转换,综合效率相对较低。

§2-3 几种典型混合动力汽车传动系统
2-3-1 通用混合动力传动系统 通用汽车公司开发了具有充电功能的混合动力汽车VOLT,计划2010年量产。该车搭载了串联式混 合动力系统,组成如图2.4所示。该系统的内燃机功率按照汽车在某一车速下稳定运行所需要的功率选 定,当负载改变时,汽车驱动电机所需功率与内燃机所提供的功率不一致,这时由控制单元将多余的电
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力储存到蓄电池中,或者是让蓄电池给电动机提供不足的电力,由此降低发电机的功率,以使发动机始 终工作在稳定的最佳性能点。

图 2.4 通用 VOLT 结构简图 Fig. 2.4 Principle of GM VOLT 2-3-2 本田混合动力传动系统 本田公司在1999年11月推出并联式混合动力汽车INSIGHT,其结构组成如图2.5所示。INSIGHT内 装有IMA(Integrated Motor Assist) ,IMA系统驱动车辆正常行驶时与传统的内燃机车辆一样,以内燃机 为动力源,只有在驱动力不足时,IMA电动机作为辅助动力源,以满足系统所需的峰值扭矩。该系统按 照日本10?15模式进行的油耗测试结果为35km/L,有害排放物大量下降,二氧化碳排放减少了50%,其 他污染物排放则只有日本法规标准的十分之一。

图 2.5 本田 IMA 系统结构简图 Fig. 2.5 Principle of Honda Hybrid System (IMA) 本田IMA混合动力系统运作模式如下: 1)加速状态:在加速状态下当内燃机驱动力不足时,IMA电动机开始工作,内燃机与马达共同提 供动力输出。此时,当蓄电池电力不足时,IMA电动机停止动力辅助。 2)正常行驶状态:内燃机提供动力以满足车辆需求,IMA电动机不提供动力。
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3)减速状态:减速时,车轮带动IMA电动机作为发电机工作,将传统内燃机车辆的制动能量转换 为电能储存在蓄电池中;当IMA电动机制动力不足时,由传统的制动系统提供不足部分的制动力;当蓄 电池电量高于一定值时,制动能量回收装置停止工作,此时将完全由传统的制动系统提供制动力。 4)停车状态:车辆停止时,内燃机会自动熄火。当车辆起步时,由与曲轴相连接的IMA电动机作 为起动机启动车辆。 如果此时蓄电池电力不足, 则IMA系统启用另外单独设置的12V起动电机启动车辆。 2-3-3 丰田混合动力传动系统 丰田PRIUS是世界上第一款商品化的油电混合动力车,至今已成功发展了三代。其搭载的油电混合 动力系统THS(Toyota Hybrid System)是采用了动力分离装置,将并联式混合系统和串联式混合系统组 合在一起的混联式结构,具有较好的燃油效率和行驶性能。 该系统由发动机、蓄电池、发电机、电动机、动力分离装置、动力控制单元组成,如图2.6所示。 动力分离装置采用行星齿轮机构,可以将发动机的动力分成两部分,一部分用来直接驱动车轮,另一部 分用来发电,给电动机供应电力和蓄电池充电。

图 2.6 丰田 THS 系统组成 Fig. 2.6 Constitution of Toyota Hybrid System (THS) 动力控制单元按照一定的控制策略,可以保证汽车在较高的效率和较好的行驶性能下运行: (1) 停车时,如图2.7 (a) 所示。发动机、电动机自动停止运转,避免怠速运转造成无谓的油耗,更 不排放二氧化碳等污染物; (2) 启动/低速行驶时,如图2.7(b) 所示。发动机关闭,依靠电动机驱动,通过蓄电池的电力驱动电 动机行驶; (3) 正常行走时,如图2.7(c) 所示。主要依靠电动机驱动,发动机作为辅助驱动,系统将根据行驶 中的状况决定驱动模式,或单独使用电动机,或电动机和发动机共同驱动。由电脑控制的动力分离装置 和动力控制单元使燃料消耗始终保持在较低的水平。同时,按照需要对蓄电池进行充电; (4) 急速加速时,如图2.7(d) 所示。需要较高的动力输出,动力控制单元会将蓄电池电压升至500 伏,给电动机提供更大的驱动力,蓄电池、电动机、发动机协同工作,实现强劲加速; (5) 高速行驶时,如图2.7(e) 所示。主要依靠发动机驱动,电动机作为辅助驱动,系统将根据行驶
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中的状况决定驱动模式,或单独使用发动机,或电动机和发动机共同驱动。由电脑控制的动力分离装置 和动力控制单元使燃料消耗始终保持在较低的水平; (6) 减速/制动时,如图2.7(f) 所示。减速、制动和下坡时电动机将作为发电机使用。把损耗的动能 转换成电能,储存在蓄电池中,实现能量的回收(再生) 。这对频繁加、减速的市内行驶尤其适用。

(a) 停车时

(b) 起动/低速行驶时

(c) 正常行驶时

(d) 急速加速时

(e) 高速行驶时

(f) 减速/制动时

图 2.7 丰田 THS 系统工作原理 Fig. 2.7 Principle of Toyota Hybrid System (THS)

§2-4 本章小结
本章主要分析了混合动力汽车传动系统的结构, 介绍了串联、 并联和混联三种基本的混合动力汽车 结构类型,以及混合动力汽车所采用的机械功率合成和电功率合成两种动力合成方式。在此基础上,分 别介绍了通用混合动力传动系统(串联式) 、本田混合动力传动系统(并联式)和丰田混合动力传动系 统(混联式)三种不同类型的混合动力传动系统的结构布置和基本原理。

11

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

第三章 混合动力汽车动力传动系统建模
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。 本章以丰田混合动力 系统为例, 对比分析了三代丰田 PRIUS 混合动力传动系统的结构, 建立了混合动力传动系统各子系统和 整体仿真模型。

§3-1 丰田PRIUS混合动力传动系统的结构组成
3 1 2 5

4

6 7 8 9

(a) 第一代/第二代 PRIUS 传动系统结构

(b) 第三代 PRIUS 传动系统结构 1-发动机;2-扭转减振器;3-MG1;4-动力分离装置;5-MG2;6-传动链; 7-中间齿轮;8-主减速器齿轮;9-驱动桥;10-MG2 减速齿轮。 图 3.1 PRIUS 传动系统结构 Fig. 3.1 Powertrain structure of PRIUS
12

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第一代和第二代 PRIUS 的传动系统采用的是四轴结构,如图 3.1 (a) 所示。发动机、扭转减振器、 动力分离装置、电动/发电机 MG1 和电动/发电机 MG2 布置在第 1 轴上,第 1、2 轴之间通过传动链连 接,第 2、3 轴之间为中间齿轮,第 3、4 轴之间为主减速器齿轮。动力分离装置采用了行星齿轮机构, 发动机与行星架相连,电动/发电机 MG1 与太阳轮相连,电动/发电机 MG2 与齿圈相连。动力分离装置 按照一定的控制策略将发动机的动力分配给 MG1 和 MG2,MG2 通过传动链、中间齿轮和主减速器齿 轮减速之后驱动车轮。第三代 PRIUS 的传动系统采用了三轴结构,如图 3.1 (b) 所示。为了实现 MG2 小型轻量化和使系统更加紧凑,与前两代 PRIUS 传动系统相比,三轴结构采用行星齿轮机构作为 MG2 的减速机构,取代了原结构中的传动链和中间齿轮,提升了薄型电动/发电机 MG2 的扭矩。

§3-2 丰田PRIUS混合动力传动子系统分析与建模
3-2-1 发动机模型 PRIUS 采用了高压缩比阿特金森循环,从而提高了发动机效率
[16]

。第一代 PRIUS 搭载了 1.5 升

1NZ-FXE 发动机,该发动机采用了智能可变气门正时控制技术和智能电子节气门控制系统。第二代 PRIUS搭载了与第一代相同的发动机,并增加了废热再循环系统,将以往浪费掉的废热回收起来存储在 一个绝热罐中加以利用。第三代PRIUS以 1.8 升 2ZR-FXE取代了以往的 1.5 升 1NZ-FXE发动机
[17]

。通过

提高发动机的排量,不仅减少了发动机传热损失,而且可以获得充分的扭矩,从而降低了高速行驶时发 动机的转速, 减少了泵气损失, 降低了油耗。 由于混合动力系统在怠速和低速行驶工况下关闭了发动机, 因此避免了提高排量带来的发动机效率在低速工作区域内恶化的问题。 另外, 该发动机采用冷却式废气 再循环系统、电动水泵和滚子摇臂,提高了发动机效率。冷却式废气再循环系统利用电控废气再循环阀 精密控制通过EGR冷却器流入进气歧管的废气流量,以减轻歧管负压,减少吸排气损失和传热损失。由 蓄电池供电的电动水泵,取消了原水泵皮带传动系统,从而减少了机械损失。而且,电动水泵能够根据 汽车的运行状况对冷却水量进行严密控制,减少了不必要的能量消耗。气门机构采用滚子摇臂,降低了 气门运动过程中的摩擦损失。 影响发动机输出特性的因素很多, 因此很难建立发动机的真实模型, 通常的方法是假设发动机按照 稳态输出特性工作。图 3.2 分别给出了PRIUS所搭载发动机的制动油耗率(BSFC:Brake Specific Fuel Consumption)图,它描述了发动机在不同扭矩和转速下每发出 1kW功率的单位时间油耗,单位为: g/kW·h。 图中, 曲线WOT (Wide Open Throttle) 描述了发动机节气门全开时的外特性, 曲线OOL (Optimal Operation Line)为发动机最佳操作线。为了实现最佳燃油经济性和最低排放,通过控制发动机节气门 开度或电动/发电机MG1 的扭矩,可以使发动机在整个输出功率范围内工作在最佳工作点
[18]

,所有的最

佳工作点构成了发动机最佳操作线。因此,这里采用发动机最佳操作线作为发动机的工作模型,该模型 给出了发动机转速、扭矩和油耗率三者之间的关系。发动机瞬时油耗可根据式(1)和(2)进行计算:
Pe ? 2? Te ? ne 60 Pe ? BSFC 3 6 ? 106 .

(1)

?f ? m

(2)

13

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

其中, Pe 是发动机(ICE:Internal Combustion Engine)输出功率,单位:kW; Te 是发动机输出扭矩,
? f 是发动机瞬时油耗,单位:kg/s。 单位:Nm; ne 是发动机转速,单位:rpm; m

(a) 1.5L 发动机 1NZ-FXE

(b) 1.8L 发动机 2ZR-FXE 图 3.2 PRIUS 所搭载发动机的 BSFC 图 Fig. 3.2 Engine BSFC diagram of PRIUS
14

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3-2-2 动力分离装置模型

图 3.3 动力分离装置结构与分离体受力图 Fig. 3.3 Structure and free-body diagram of power split unit 行星齿轮机构作为动力分离装置,是混联混合动力汽车传动系统的重要部件。它包括三个元件
[19]



太阳轮(Sun gear) 、行星架(Carrier)和齿圈(Ring gear) ,如图 3.3 所示。元件之间通过轮齿啮合连接 在一起,太阳轮啮合半径S,齿圈啮合半径R,齿圈旋转角速度ωr、太阳轮旋转角速度ωs,行星架旋转 角速度ωc,行星轮自转角速度ωp。行星轮A点和B点的线速度应为其自转速度和随行星架绕太阳轮公转 速度的合成,并且分别等于太阳轮A点和齿圈B点的线速度,即:
? ?c S ? ? p P ? ?s S ?? R ? ? P ? ? R p r ? c

(3)

由式(3)可知,行星架旋转角速度 ωc、太阳轮旋转角速度 ωs 和齿圈旋转角速度 ωr 满足以下的关 系:
? ??c ? R ? S ? ? ?s S ? ?r R ? ?c ? R ? S ? ? ? ?s S ? ? ?r R ? ??

(4)

令 k=R/S,式(4)中各元件角速度关系可由太阳轮与齿圈的半径比或齿数比表示,如下式:

?1 ? k ? ?c ? ?s ? k?r
式(5)所描述的动力分离装置的运动学模型,可用杠杆图表示
[20][21]

(5) ,如图 3.4 所示。杠杆图中,

用箭头的长度表示元件旋转角速度大小, 箭头的方向代表元件旋转方向 (例如箭头指向上方表示逆时针 旋向,箭头指向下方表示顺逆时针旋向) 。满足式(5)所示运动学关系的动力分离装置的三个元件,其 在杠杆图中的箭头顶端必处于同一直线上。 当 ωc ≠ 0 时,式(5)可表示为:
? k ? ?r ? ? 1 ? ?s ? 1 ? ? ? ? ? 1 ? k ? ?c ? 1 ? k ? ?c

(6)
15

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

式(6)可表示为以 ωr / ωc 为 X 轴,以 ωs / ωc 为 Y 轴的直角坐标系中的一条直线,该直线描述了动力 分离装置的传动比特性,如图 3.5 所示。 假定忽略行星齿轮机构行星轮的质量,考虑到太阳轮、行星架和齿圈三个元件的转动惯量分别为: Js、Jc和Jr,由图 3.3 所示的动力分离装置分离体受力图可得到该机构的动力学方程 :
?? ? J ? F ? R ?T r ? r r ? ? ??c J c ? Tc ? F ? R ? F ? S ? ? J ? F ? S ?T ? ? s ? s s
[8]

(7)

式中,FR 和 FS 分别表示行星齿轮和齿圈、行星齿轮和太阳轮之间的相互作用力。

图 3.4 动力分离装置运动学杠杆图 Fig. 3.4 Kinematics lever diagram of power split unit

ωs ωc
A(0,1+k)

B(1,1) 0
图 3.5 动力分离装置传动比特性图

ωr ωc

Fig. 3.5 Transmission ratio characteristic of power split unit 3-2-3 电动/发电机模型 丰田 PRIUS 动力传动系统有两个电动/发电机 MG1 和 MG2, 见图 3.1。 电动/发电机 MG1 的作用有 三个:一是作为动力分离装置的控制元件,MG1 与太阳轮相连,动力控制单元按照一定的控制策略改 变转速和扭矩,从而实现无级变速的功能;二是作为发电机将发动机冗余能量转化为电能,给蓄电池充 电或给 MG2 供电;三是作为发动机的起动机。电动/发电机 MG2 的作用有两个:一是提供辅助动力, 以保证在任何工况下发动机始终在高效区域内工作;二是当汽车制动、下坡或驾驶员放松油门踏板时,
16

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发动机关闭,MG2 作为发电机,在汽车的惯性下,车轮带动 MG2 发电,将制动能转化为电能储存在蓄 电池中。

图 3.6 第二代和第三代电动/发电机 MG2 Fig. 3.6 MG2 of PRIUS II and PRIUS III

第二代PRIUS的电动/发电机用并联绕阻方式,取代了第一代电动/发电机所采用的串联绕组方式, 通过升压回路获得约两倍于第一代电动/发电机的工作电压, 并优化了气隙磁场, 从而在电动/发电机体 积略有减小的情况下,提高了扭矩和效率 体积和重量
[10] [22][23]

。第三代PRIUS的电动/发电机在第二代的基础上,将工

作电压提高到 650V,最高输出功率增加了 20%,最高转速提高了约 1 倍,大大缩减了电动/发电机的 ,如图 3.6 所示。另外,由于体积的减小而造成电动/发电机扭矩下降,因此第三代PRIUS 的动力系统采用了一个行星齿轮作为MG2 的减速机构,如图 3.1 (b) 所示。三代电动/发电机MG2 的输 出功率特性如图 3.7 中虚线所示,输出扭矩特性如图 3.7 中实线所示。

图 3.7 MG2 功率/扭矩特性图 Fig. 3.7 Output characteristics of MG2
17

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

电动/发电机的功耗可以由式(8)表示。其中,TMG 和 ωMG 分别表示电动/发电机的扭矩和转速, 两者符号相同时,电动/发电机消耗能量,作为电动机使用,此时 PMG 为正值;两者符号相反时,电动 /发电机产生能量,作为发电机使用,此时 PMG 为负值。ηMG 表示电动/发电机的效率,其数值可以通过 ADVISOR 软件的电动/发电机模型生成,也可以参考其他文献中的实测结果。上标 k 反映了功率流的 方向,当电动/发电机消耗能量时其值为-1,当电动/发电机产生能量时其值为+1。
PMG ? TMG ? ?MG ? ?MG k

(8)

3-2-4 蓄电池模型 三代 PRIUS 都采用的是镍氢蓄电池。 6 个额定 1.2V 的镍氢电池串联组成一个 7.2V 的电池模块, 若 干组电池模块串联构成蓄电池。第一代蓄电池采用了 38 组模块,总电压为 273.6V。第二代和第三代蓄 电池采用了 28 组模块,总电压为 201.6V。蓄电池部件布置于汽车后备箱底部,如图 3.8 所示。第三代 蓄电池部件在第二代基础上进行了优化,尺寸更小、结构更紧凑,后备箱容积比第二代增加了 40L。

图 3.8 第一代和第二代蓄电池冷却系统 Fig. 3.8 Cooling system of battery for PRIUS

图 3.9 蓄电池模型 Fig. 3.9 Model of battery 蓄电池可以看作一内阻为 Rb 的理想电源,如图 3.9 所示,那么蓄电池的有效功率 Pb 可表示为:
Pb = Voc I b ? I b 2 Rb = TMG1 ? ?MG1 ? ? MG1k +TMG2 ? ?MG2 ? ? MG2 k
18

(9)

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其中,Voc 为蓄电池开路电压,Ib 为充放电电流。将上式看作以充放电电流 Ib 为变量的一元二次方 程,可解得:
Voc ? Voc 2 ? 4Rb Pb 2Rb
[24][25]

Ib =

?

?

1/ 2

(10)

已知式(10) ,可按照式(11)求得蓄电池的充放电后的荷电状态值SOC 初始荷电状态值;CN为电池容量当量,单位为安培秒。
SOC = SOC0 ? 1 CN

,其中SOC0 为蓄电池

?

t

t0

I b dt

(11)

图 3.10 蓄电池 SOC 控制 Fig. 3.10 SOC control of battery 在SOC = 0.6 附近,蓄电池综合充放电效率较高 控制范围为上下 0.2 的区域,如图 3.10 所示。
[26]

,因此,PRIUS荷电状态SOC的控制目标为 0.6,

§3-3 丰田PRIUS混合动力传动系统综合建模
图 3.11 为整合后的丰田 PRIUS 传动系统框图,描述了系统内机械功率流(实线)和电功率流(虚 线)的流动路径。对于第一代/第二代 PRIUS 传动系统,由于电动/发电机 MG2 没有减速齿轮机构,其 减速比 i1 为 1。从动力分离装置的齿圈到驱动桥半轴所包含的所有减速机构,在这里被整合为一个减速 比为 i2 的减速原件。 对于驱动桥半轴,等效转动惯量可由汽车总质量 m 和轮胎半径 Rw 表示:
J v = m ? Rw 2

(12)

汽车的运动学方程式为:
? = Fx - ? f r mg cos ? + 0.5? Cd Av 2 + mg sin ? ? mv

(13)

式中,Fx 表示汽车驱动力,0.5ρCdAv2 为空气动力阻力,frmgcosθ 为滚动阻力,mgsinθ 为坡道阻力,
19

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

θ 为坡道角度。

图 3.11 PRIUS 传动系统框图 Fig. 3.11 Powertrain systematic frame of PRIUS 驱动桥半轴总驱动扭矩可由下式计算:
? +f r mg cos ? + 0.5? Cd Av 2 + mg sin ? ? Tw = Fx ? Rw = Rw ? mv

(14)

轴 I 的扭矩和转速为:
? MG2 J MG2 ? / i1 ? ?T1 = ?TMG2 -? ? ? ??1 = ?MG2 ? i1

(15)

轴Ⅱ的扭矩和转速为:
?T2 = Tw ? i2 ? ??2 = ?w / i2

(16)

车速与轮胎转速的关系满足:
v = ?w ? Rw

(17)

对于太阳轮元件有:
? MG1 J MG1 ? TS ? TMG1 ?

(18)

对于行星架元件有:
? e J e ? Te ? Tc ?

(19)

对于齿圈元件有:
Tr +T1 = T2
20

(20)

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而且有:
??w = v / Rw ? ??e = ?c ? ??MG1 = ?s ? ??1 = ?2 = ?r

(21)

由式 (7) 和式 (12-21) 可得到发动机、 电动/发电机 MG1 和电动/发电机 MG2 的运动方程 (22-24) :
? e ( J e + J c ) ? Te ? F ? ? R + S ? ? ? MG1 ( J MG1 + J s ) ? TMG1 + F ? S ? ? r ( mi2 2 Rw 2 + J MG2 /i12 + J r ) = F ? R +TMG2 /i1 ? i2 Rw f r mgcos? ? 0.5i2 3 Rw 3 ? Cd A?r 2 ? i2 Rw mgsin? ?
[8]

(22)

(23)

(24)

式(22-24)可以与式(4)合并为矩阵形式 ,如式(25)所示。该式将扭矩和力与三个元件的转 速联系起来,是传动系统机械路线数学模型。 由式(9-11) ,可以得到传动系统电动路线数学模型,如式(26)所示。
? Je + Jc ? 0 ? ? 0 ? ? ? R?S 0 J MG1 + J S 0 ?S 0 0 mi2 2 Rw 2 + J MG2 / i12 + J r ?R R ? S? ? ? ?e ? ?? ? ?S ? ? MG1 ?? ? ?R ? ? ? ?r ? ?? ? 0 ? ?? F ?

(25)

Te ? ? ? ? T MG1 ? ?? ?T /i ? ? i R f mgcos? +0.5i 3 R 3 ? C A? 2 +i R mgsin? ? ? MG 2 1 2 w r 2 w d r 2 w ? ? ? ? 0 ? ?

1 SOC = SOC0 ? CN

?

t

Voc ? Voc 2 ? 4Rb TMG1 ? ?MG1 ? ? MG1k +TMG2 ? ?MG2 ? ? MG2 k 2Rb

?

?

??

1/ 2

t0

dt

(26)

Miller和Everett采用动力分离装置中齿圈/太阳轮元件传动比Gr2s和行星轮/太阳轮元件传动比Ge2s作 为动力分离装置的结构参数,有效地将发动机ICE、电动/发电机MG1、电动/发电机MG2 和汽车行驶工 况联系在一起,直观地描述了传动系统机械路线瞬态数学模型 。应用该方法,可以得到动力分离装置 输出给驱动轴II的扭矩:
T2 ? ?g ? ?g ? g 1 ? MG 2 ? ? r 2 s Te ? ? r 2 s J eg ? J gc ? ? ? e ? ? r 2 s J gc ? J mg ? ? ? MG 2 ?TMG 2 ? J MG 2? i1 ge2s ? ge2s ? ? ge 2 s ?
[4]

(27)

其中,
? J gc ? g e 2 s g r 2 s ? J MG1 ? J e ? ? ? 2 ? J eg ? J e ? g e 2 s ? J MG1 ? J e ? ? 2 ? ? J mg ? J MG 2 ? g r 2 s ? J MG1 ? J e ?

(28)

由(14)、(16)和(27)可得到整车动力传动系统机械路线数学模型:
21

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

? +f r mg cos ? + 0.5? Cd Av 2 + mg sin ? ? i2 Rw ? mv ? ?g ? ?g ? g 1 ? MG 2 ? ? r 2 s Te ? ? r 2 s J eg ? J gc ? ? ? e ? ? r 2 s J gc ? J mg ? ? ? MG 2 ?TMG 2 ? J MG 2? i1 ge 2 s ? ge 2 s ? ? ge 2 s ?

(29)

上述两种方法, 将传动系统中各元件间的动力学关系整合为统一的方程或矩阵方程, 便于实现计算 机自动化处理,但是不利于模型的理解和修改。本论文采用模块化的方法,通过动力分离模块和控制策 略模块将行驶模块、车身模块、车轮模块、主减速器模块、蓄电池模块、电动/发电机模块和发动机模 块整合为一个整体。这里,忽略动力分离装置中的齿轮质量以及电动/发电机的转动惯量,视其为稳态, 则动力分离装置按下列关系整合其他各元件。
k ? /i T ? T ?T ? ? 2 1 ? k e MG 2 1 ? ?? ? 1 ? ? k ? ? e 1 ? k MG1 1 ? k 2 ?

(30)

§3-4 本章小结
本章主要对比分析了各代丰田 PRIUS 的动力传动系统的基本结构和组成,并基于能量流将其整合 为一个统一的系统结构模型。基于稳态输出特性,建立了发动机最佳操作线工作模型;基于运动学和动 力学分析,建立了动力分离装置的运动学和动力学方程;基于能量守恒,建立了电动/发电机和动力用 蓄电池的数学模型。在此基础上,基于所建立的统一的动力传动系统结构模型,建立了丰田 PRIUS 混 合动力传动系统的机械路线和电动路线数学模型。

22

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第四章 混合动力汽车动力传动系统仿真
§4-1 基于MATLAB/SIMULINK的仿真程序的开发
4-1-1 动态仿真工具MATLAB/SIMULINK简介 Matlab 是 MathWorks 公司于 1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件, 它集数值分 析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环境下, 对所要求求解的问题,用户只需要简单地列出数学表达式,其结果便以数值或图形方式显示出来。 Simulink是基于Matlab的框图设计环境,可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真,它的建 模范围广泛,可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模,例如航空航天动力学系统、卫星控制制导 系统、通信系统、船舶及汽车等,其中包括了连续、离散,条件执行,事件驱动,单速率、多速率和混 杂系统等
[27]

。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面,而且还提供了丰富

的功能块以及不同的专业模块集合。 Simulink 仿真具有以下的特点: (1) 交互建模 Simulink 提供了大量的功能块,方便用户快速地建立动态系统模型,建模时只需要使用鼠标拖放库 中的功能块,并将它们连接起来。用户可以通过将块组成子系统建立多级模型。对块和连接的数目没有 限制。 (2) 交互仿真 Simulink 框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真,或者用命令 行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或者图形窗口显示。 (3) 能够扩充和定制 Simulink 的开放式结构允许用户扩充仿真环境的功能。 (4) 与 Matlab 和工具箱集成 由于 Simulink 可以直接利用 Matlab 的数学、图形和编程功能,用户可以直接在 Simulink 下完成诸 如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级设计和分析能力可以通过 Simulink 的 屏蔽手段在仿真过程中执行。 (5) 专用模型库 Simulink 的模型库可以通过专用元件集进一步扩展。 4-1-2 仿真程序总体设计 该仿真程序参照丰田 PRIUS 混合动力控制系统(如图 4.1 所示)采用模块化设计,不仅可以增强代 码的可重用性,而且仿真程序与实际控制系统保持一致,也使得代码更加易读。程序中主要包含以下功 能模块:行驶循环模块(Drive Cycle) 、车身模块(Vehicle) 、车轮模块(Tyre) 、主减速器模块(Final
23

24 混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

图 4.1 丰田混合动力系统 THS 控制框图 Fig. 4.1 Control schematic diagram of Toyota Hybrid System (THS)

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Drive) 、 动力分离装置模块(Power Split) 、电动/发电机模块(Motor/Generator) 、发动机模块(Engi ne),蓄电池模块(Battery) 、系统控制策略模块(HV ECU) 、仿真结果输出模块(Display) ,每个模块 都由 Simulink 仿真工具箱中的各仿真元件如求和模块、乘积模块、输入输出模块、查询表等元件或各 元件的组合构成。程序框图如图 4.2 所示。

图 4.2 仿真程序模块框图 Fig. 4.2 Block diagram of simulation modules 4-1-3 仿真程序主要模块的构建 论文第三章系统分析了丰田混合动力系统的结构组成, 建立了各元件的数学模型, 并以动力分离装 置为枢纽,将各元件联系在一起建立了系统数学模型。在此基础上,本节应用 Matlab/Simulink 软件构 建了仿真程序以下模块: (1) 行驶循环模块(Drive Cycle)

图 4.3 行驶循环仿真模块 Fig. 4.3 Simulation module of drive cycle 行驶循环模块模拟汽车的行驶工况, 给仿真系统提供目标车速信息。 该模块根据汽车测试循环建立
25

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

了相应的车速和加速度查询表, 并通过单位换算子系统获得相应的公制和英制等单位的结果。 模块结构 如图 4.3 所示。 (2) 车身模块(Vehicle) 车身模块是车辆整车参数的基本输入模块,给仿真系统提供汽车质量、风阻系数、汽车迎风面积等 信息,是计算汽车在测试时所受负荷的基本参数。 (3) 车轮模块(Tyre)

图 4.4 车轮仿真模块 Fig. 4.4 Simulation module of tyre 车轮模块接收行驶循环模块和车身模块提供的车速、汽车加速度、汽车质量、风阻系数和汽车迎风 面积等参数,并配合轮胎半径、滚动阻力系数等车轮基本参数,计算车轮转速和扭矩。其结构如图 4.4 所示。 (4) 主减速器模块(Final Drive) 主减速器模块接收车轮模块输出的车轮转速和扭矩值, 并根据主减速器传动比计算传动轴的转速和 扭矩。其结构如图 4.5 所示。
26

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图 4.5 主减速器仿真模块 Fig. 4.5 Simulation module of final drive (5) 动力分离装置模块(Power Split)

图 4.6 动力分离装置仿真模块 Fig. 4.6 Simulation module of power split unit 根据论文 3-2-2 小节对行星齿轮机构的分析,建立了动力分离装置模块。该模块描述了太阳轮、行 星架和齿圈三个元件之间的运动学和动力学关系。其结构如图 4.6 所示。 (6) 发动机模块(Engine)

图 4.7 发动机仿真模块 Fig. 4.7 Simulation module of engine 发动机模块包括发动机性能数据和功率/油耗计算两个子模块。 发动机性能数据是根据图 3.2 所示的
27

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

发动机制动油耗率图所建立的查询表,该模块接受系统控制策略模块(HV ECU)所发出的实时发动机 转速和扭矩信号,通过查询表输出瞬时比油耗率。功率/油耗计算子模块接收发动机实时性能数据,按 照论文 3-2-1 小节中式(1)和(2)计算发动机功率和油耗。其结构如图 4.7 所示。 (7) 电动/发电机模块(Motor/Generator) 电动/发电机模块是参考 ADVISOR 软件的电动/发电机模型数据和其他文献中的实测结果所建立的 工作性能查询表。类似发动机制动油耗查询表,电动/发电机模块建立了包括转速、扭矩和效率三维查 询关系,对于给定的电动/发电机转速和扭矩,通过查询表可计算得出相应的效率值。 (8) 蓄电池模块(Battery)

图 4.8 蓄电池仿真模块 Fig. 4.8 Simulation module of battery 根据论文§3-3 节式(26)所描述的传动系统电动路线数学模型,建立了蓄电池模块。该模块根据 电动/发电机 MG1 和电动/发电机 MG2 的工作状态,按照式(26)计算蓄电池荷电状态值。其结构如图 4.8 所示。 (9) 系统控制策略模块(HV ECU) 系统控制策略模块用来模拟混合动力系统电子控制单元ECU的控制策略。 在分析混合动力系统稳态 工作性能时,采用了Miller
[28]

等和吴亚祥

[29]

等对THS系统的实测值和丰田汽车公司所公布的数据,建立
[18]

了一个稳态控制策略查询表, 见本论文§4-2 节; 在分析混合动力系统动态工作性能时, 采用了Gao 研究者所提出的控制策略,建立了一个动态控制逻辑查询表,见本论文§4-3 节。



§4-2 基于稳态控制策略的仿真分析
4-2-1 稳态控制策略的建立 在分析混合动力系统稳态工作性能时,采用了Miller
28
[28]

所公布的数据,建立了相应的稳态控制策略

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查询表,各工作点数据见表 4.1。所建立的稳态控制策略在不同的工作模式下,按照不同的巡航车速设 定相应的发动机工作转速。 图 4.9 描述了相应稳态巡航控制策略下的发动机工作转速, 该控制策略假设 发动机转速与巡航车速具有分段线性关系。 表 4.1 稳定工况运行实验数据
[28] [28]

Table4.1 Experimental data under steady working condition by Miller
车速(km/h) 车速(mph) 48.28 64.37 80.47 96.56 112.65 128.75 30 40 50 60 70 80 发动机转速(rpm) OFF 1500 1800 1700 2200 2800 MG1转速(rpm) -4504 -608 -1027 -2888 -2604 -1937 MG2转速(rpm) 1733 2310 2890 3465 4043 4620

电池功率(W) -3290 670 430 -860 -1110 430

图 4.9 稳态巡航控制策略 Fig. 4.9 Steady control strategy 4-2-2 仿真计算步骤 Miller
[28]

基于功率守恒原理提出了一种仿真计算方法,以上述讨论的车速和发动机转速关系作为控

制策略。仿真计算步骤如下: 1)汽车主要参数和动力系统主要参数准备,本论文仿真模型各参数见附录 A; 2)确定汽车行驶工况,对于稳态工况即确定车速; 3)根据所确定的行驶工况和模型参数,计算驱动桥半轴总驱动扭矩和转速,扭矩计算见§3-3 式 (14) ,转速计算见§3-3 式(17) ; 4)根据主减速器参数,计算驱动轴扭矩和转速,见§3-3 式(16) ;
29

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

5)根据仿真控制策略确定发动机转速,控制策略见图 4.9; 6)根据步骤 4)计算出的驱动轴转速(也即为动力分离装置齿圈的转速)和步骤 5)确定的发动机 转速(也即为动力分离装置行星架的转速) ,应用 3-2-2 小节中动力分离装置的运动学方程式(5)计算 电动/发电机 MG1 的转速(也即为动力分离装置太阳轮的转速) ;根据电动/发电机 MG2 与驱动轴的转 速关系,计算电动/发电机 MG2 的转速,参考§3-3 式(16)和(21) ; 7)根据动力分离装置的扭矩特性,确定发动机机械功率流的扭矩,参看 3-2-2 小节; 8)根据功率守恒原理,计算机械功率流和电功率流中各元件的功率及扭矩。 9)将上述计算得出的各工况下的发动机和电动/发电机的工作点绘制在相应元件的工作特性图中。 4-2-3 仿真结果及分析 按照上述仿真步骤,分别对丰田三代 PRIUS 混合动力传动系统进行了仿真,仿真结果如表 4.2-4.4 和图 4.10-4.11 所示。由于该仿真策略是根据 PRIUS I 的实测数据建立的,因此对于采用相同发动机的 PRIUS I 和 PRIUS II,得到了相对稳定正常的仿真结果。然而,由于 PRIUS III 采用了性能差别较大的 新型发动机,从而造成仿真结果出现超出电动/发电机正常工作区域的异常工作点。因此采用单一的车 速和发动转速关系作为控制策略具有较大的局限性。 表 4.2 稳态控制策略下的仿真结果(部分)— PRIUS I Table4.2 Simulation results under steady control strategy — PRIUS I
车速(km/h) 车速(mph) 发动机转速(rpm) 发动机扭矩(Nm) MG1转速(rpm) MG1扭矩(Nm) MG2转速(rpm) MG2扭矩(Nm)

17.882 20.117 22.352 24.587 26.822 29.058 31.293 33.528 35.763 37.998

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

1500 1650 1800 1750 1700 1950 2200 2500 2800 3100

79.598 80.897 82.196 81.763 81.330 83.495 85.660 88.258 90.856 93.454

669 887 1106 2045 2983 2842 2700 2379 2057 1736

109.400 85.381 69.287 31.673 17.636 18.528 18.384 18.994 17.819 13.614

2334 2626 2918 3209 3501 3793 4085 4377 4668 4960

1.554 1.264 0.979 2.102 5.375 4.413 3.384 1.473 0.589 2.813

表 4.3 稳态控制策略下的仿真结果(部分)— PRIUS II Table4.3 Simulation results under steady control strategy — PRIUS II
车速(km/h) 车速(mph) 发动机转速(rpm) 发动机扭矩(Nm) MG1转速(rpm) MG1扭矩(Nm) MG2转速(rpm) MG2扭矩(Nm)

17.882 20.117 22.352 24.587 26.822 29.058 31.293 33.528 35.763 37.998

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

1500 1650 1800 1750 1700 1950 2200 2500 2800 3100

79.598 80.897 82.196 81.763 81.330 83.495 85.660 88.258 90.856 93.454

597 807 1017 1946 2876 2725 2575 2245 1914 1584

124.230 95.815 77.537 34.646 19.397 20.916 21.525 23.534 24.289 22.747

2307 2595 2883 3172 3460 3748 4037 4325 4613 4902

1.751 1.485 1.232 1.749 4.895 3.906 2.854 0.951 1.094 3.292

30

河北工业大学硕士学位论文

表 4.4 稳态控制策略下的仿真结果(部分)— PRIUS III Table4.4 Simulation results under steady control strategy — PRIUS III
车速(km/h) 车速(mph) 发动机转速(rpm) 发动机扭矩(Nm) MG1转速(rpm) MG1扭矩(Nm) MG2转速(rpm) MG2扭矩(Nm)

17.882 20.117 22.352 24.587 26.822 29.058 31.293 33.528 35.763 37.998

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

1500 1650 1800 1750 1700 1950 2200 2500 2800 3100

90.396 91.415 92.434 92.094 91.755 93.453 95.151 97.189 99.226 101.260

636 580 524 251 1027 722 418 67 551 1036

123.490 138.240 152.070 265.560 51.896 70.355 106.460 530.580 38.277 1.066

4831 5435 6039 6643 7247 7851 8454 9058 9662 10266

3.269 3.381 3.534 2.095 0.602 1.601 2.667 4.264 5.974 7.803

(a) 1.5L 图 4.10 稳态巡航控制策略下的发动机工作点

(b) 1.8L

Fig. 4.10 Working points of engine under steady control strategy
450 400 350 300
II III

65 60 55 50 45 40 35 30 25 20
III

Torque (NM)

250 200 150 100 50 0 0
I II

I

15 10 5

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000

Rotating speed (rpm)
图 4.11 稳态巡航控制策略下的 MG2 工作点 Fig. 4.11 Working points of MG2 under steady control strategy
31

Power (kW)

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

§4-3 基于动态控制逻辑的仿真分析
4-3-1 动态控制逻辑的建立 在分析混合动力系统动态工作性能时,参考Gao
[18]

在开发一个并行混合动力传动系统时所提出的保

证发动机在优化区域工作的控制策略,建立了相应的动态控制逻辑查询表,见附录A中表A.2 所示。该 策略根据驾驶员的操作命令(加速踏板位置信号和制动器位置信号) 、车速、蓄电池荷电状态值SOC等 参数,产生发动机、电动/发电机MG1 和电动/发电机MG2 的控制信号,从而决定各元件工作状态。其 控制目标为:1)保证任何工况下的扭矩需求;2)保证蓄电池荷电状态值SOC在一规定的范围内;3) 尽可能保持发动机工作在优化区域内。 发动机优化工作区的定义如图 4.12 所示,在发动机制动油耗率BSFC图中规定一覆盖低油耗率的矩 形区域。 通过实时的发电机扭矩匹配或发动机节气门控制, 可以实现发动机的工作点都位于发动机优化 工作区
[18]

。发动机最低怠速为Ne-min,在优化区域发动机工作扭矩范围为[Tb,Th],发动机工作转速范围

为[Ne-b, Ne-h]。为了保证发动机尽可能工作在优化区域内,上述控制策略要求汽车正常低速行驶时,发 动机以优化工作区转速下限Ne-b运转;汽车正常高速行驶时,发动机以优化工作区转速上限Ne-h运转; 汽车正常中速行驶时,发动机转速与车速保持线性关系。发动机转速与车速的关系如图 4.13 所示。

图 4.12 发动机优化工作区

[18] [18]

Fig. 4.12 Optimal operating region of engine

32

河北工业大学硕士学位论文

Engine speed (rpm)

Ne-b

Ne-h

图 4.13 动态控制策略下发动机转速和车速关系 Fig. 4.13 Speed dependence between engine and vehicle under dynamic control logic 4-3-2 仿真计算步骤 以上述讨论的动态控制逻辑作为控制策略,仿真计算步骤如下: 1)确定控制策略中参考变量车速、蓄电池荷电状态值范围、发动机优化工作区域的阈值; 2)汽车主要参数和动力系统主要参数准备,本论文仿真模型各参数见附录 A; 3)根据驾驶循环确定汽车行驶工况,对于动态工况即确定车速和加速度; 4)根据所确定的行驶工况和模型参数,计算驱动桥半轴总驱动扭矩和转速,扭矩计算见§3-3 式 (14) ,转速计算见§3-3 式(17) ; 5)根据主减速器参数,计算驱动轴扭矩和转速,见§3-3 式(16) ; 6)根据车速、需求扭矩和发动机所提供的优化扭矩以及蓄电池荷电状态值 SOC,确定控制策略, 然后根据仿真控制策略确定发动机转速和扭矩; 7)根据步骤 5)计算出的驱动轴转速(也即为动力分离装置齿圈的转速)和步骤 6)确定的发动机 转速和扭矩(也即为动力分离装置行星架的转速和扭矩) ,应用 3-2-2 小节中动力分离装置的运动学方 程式(5)计算电动/发电机 MG1 的转速和扭矩(也即为动力分离装置太阳轮的转速和扭矩) ; 8)将上述计算得出的各工况下的发动机和电动/发电机的工作点绘制在相应元件的工作特性图中。 4-3-3 仿真结果及分析 目前日本轻型机动车采用的测试循有两个,一个是模拟车速较低但加速频繁城市工况的 10 模式驾 驶循环, 另一个是将 10 模式驾驶循环和模拟郊外行驶工况的 15 模式组合在一起的 10?15 驾驶循环模式。 而 2011 年 4 月开始日本将实行更能真实反映汽车行驶工况的JC08 驾驶循环。本论文根据 4-3-2 小节所 讨论的仿真步骤,按照日本 10 模式驾驶循环
[30]

,以丰田第一代PRIUS混合动力传动系统为例进行了仿

真分析。 日本 10 模式驾驶循环模拟了车速较低但加速频繁的城市工况, 该循环包括 10 个连续的工况: 1)怠速;2)加速到 20km/h;3)20km/ h匀速行驶;4)减速停车;5)怠速;6)加速到 40km/h;7)
33

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

40km/h匀速行驶;8)减速到 20km/h;9)加速到 40 km/h;10)减速到停车。该测试循环速度谱和加速 度谱,如图 4.14 所示。仿真控制策略中参考变量车速、蓄电池荷电状态值范围、发动机优化工作区域 的阈值设置如表 4.5 所示。汽车主要参数、动力系统主要参数和控制逻辑见附录A。

60

50

车速(km/h)

40

30

20

10

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

时间( s)
1 0.8 0.6

汽车加速度(m/s 2 )

0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

时间( s)

图 4.14 日本 10 模式驾驶循环 Fig.4.14 Japan 10 mode drive cycle 表 4.5 动态控制策略中的参考变量阈值 Table4.5 Threshold of variables under dynamic control strategy
车速 v(mph) VL 15 VH 100 SOCL 0.4 蓄电池荷电状态值 SOC SOCM 0.6 SOCH 0.8 SOC0 0.6 发动机转速域(rpm) Ne-b 1500 Ne-h 3625

1)发动机仿真分析结果 发动机的仿真分析结果如图 4.15 所示。 0-44s 和 73-89s 时间范围内汽车车速为零, 此时蓄电池电量 高于蓄电池荷电状态值最低限度,不考虑发动机暖机工况和启动空调系统,此时发动机关闭。44-73s 时间范围内,汽车先加速到 20km/h,然后保持匀速行驶,再减速停车,这个过程中由于车速较低,对 于传统汽车来讲,低车速区域的排放和油耗都比较差,因此,此时关闭发动机,使用纯电动模式。在 89-160s 时间范围内,汽车先从停车状态加速到 40km/h,然后保持匀速行驶一段时间,再减速到 20km/h 后重新加速到 40km/h,最后又减速停车。其间,对于制动减速工况发动机关闭,此时通过电动/发电机 MG2 进行制动能再生;对于加速和匀速行驶工况,当车速低于控制策略所设置的低速值 VL,并且蓄电 池荷电值在设置的范围内时,关闭发动机,使用纯电动模式;对于加速和匀速行驶工况,当车速高于控
34

河北工业大学硕士学位论文

制策略所设置的低速值 VL 时,发动机工作,根据不同的蓄电池荷电状态、需求扭矩大小、车速大小等 信息,发动机单独工作,或者与电动机一同工作。

2000

发动机转速 (rpm)

1500

1000

500

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

时间 ( s)
100

发动机扭矩 (Nm)

80 60 40 20 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

时间 ( s)

图 4.15 发动机仿真输出特性 Fig.4.15 Simulation results of engine output 2)电动/发电机 MG1 仿真分析结果

4000

MG1转速 (rpm)

3000

2000

1000

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

时间 ( s)
25

MG1扭矩 (Nm)

20 15 10 5 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

时间 ( s)

图 4.16 电动/发电机 MG1 仿真输出特性 Fig.4.16 Simulation results of MG1 output 电动/发电机 MG1 的仿真分析结果如图 4.16 所示。0-44s 和 73-89s 时间范围内汽车车速为零,此时 蓄电池电量高于蓄电池荷电状态值最低限度, 不考虑发动机暖机工况和启动空调系统, 此时发动机没有 启动,行星齿轮机构三个元件均不工作,电动/发电机 MG1 的转速和扭矩均为零。44-73s 时间范围内, 汽车先加速到 20km/h,然后保持匀速行驶,再减速停车,这个过程中由于车速低于控制策略设定的低
35

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

车速门槛值, 按照纯电动模式工作, 因此电动/发电机 MG1 转速与车速具有比例对应关系, 而扭矩为零, 保持空转。在 89-160s 时间范围内,汽车先从停车状态加速到 40km/h,然后保持匀速行驶一段时间,再 减速到 20km/h 后重新加速到 40km/h,最后又减速停车。其间,对于制动减速工况发动机关闭,此时通 过电动/发电机 MG2 进行制动能再生,电动/发电机 MG1 转速与车速具有比例对应关系,而扭矩为零, 保持空转;对于加速和匀速行驶工况,当车速低于控制策略所设置的低速值 VL,并且蓄电池荷电值在 设置的范围内时,关闭发动机,使用纯电动模式,电动/发电机 MG1 转速与车速具有比例对应关系,而 扭矩为零,保持空转;对于加速和匀速行驶工况,当车速高于控制策略所设置的低速值 VL 时,发动机 工作,此时电动/发电机 MG1 从发动机获得一部分分流的扭矩进行发电,根据不同的蓄电池荷电状态、 需求扭矩大小、车速大小等信息,MG1 单独给 MG2 供电,或者同时给蓄电池和 MG2 供电。另外,电 动/发电机 MG1 还作为发动机的起动机使用,这里并未考虑该工况。 3)电动/发电机 MG2 仿真分析结果

2000

MG2转速 (rpm)

1500

1000

500

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

时间 ( s)
100

MG2扭矩 (Nm)

80 60 40 20 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

时间 ( s)

图 4.17 电动/发电机 MG2 仿真输出特性 Fig.4.17 Simulation results of MG2 output 电动/发电机 MG2 的仿真分析结果如图 4.17 所示。电动/发电机 MG2 与行星齿轮机构的齿圈相连, 该齿圈又通过传动桥与车轮相连,因此车速与电动/发电机 MG2 的转速具有比例对应关系,从图中可以 看出,两者工作特性中的速度曲线形状完全一致。0-44s 和 73-89s 时间范围内汽车车速为零,此时蓄电 池电量高于蓄电池荷电状态值最低限度, 不考虑发动机暖机工况和启动空调系统, 此时发动机没有启动, 行星齿轮机构三个元件均不工作,电动/发电机 MG2 的转速和扭矩均为零。44-73s 时间范围内,汽车先 加速到 20km/h,然后保持匀速行驶,再减速停车,这个过程中由于车速低于控制策略设定的低车速门 槛值,按照纯电动模式工作,电动/发电机 MG2 驱动汽车行驶,其扭矩在加速时需要克服惯性力,因此 较匀速行驶时大。在 89-160s 时间范围内,汽车先从停车状态加速到 40km/h,然后保持匀速行驶一段时 间,再减速到 20km/h 后重新加速到 40km/h,最后又减速停车。其间,对于制动减速工况发动机关闭, 此时通过电动/发电机 MG2 进行制动能再生;对于加速和匀速行驶工况,当车速低于控制策略所设置的 低速值 VL,并且蓄电池荷电值在设置的范围内时,关闭发动机,使用纯电动模式,电动/发电机 MG2
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河北工业大学硕士学位论文

提供扭矩;对于加速和匀速行驶工况,当车速高于控制策略所设置的低速值 VL 时,发动机工作,此时 电动/发电机 MG2 作为辅助动力源,根据不同的蓄电池荷电状态、需求扭矩大小、车速大小等信息,在 适当的时候启动以弥补发动机不足的扭矩,其电能来源于 MG1 或来源于 MG1 和蓄电池。 4)蓄电池仿真分析结果

0.7

蓄电池荷电状态SOC

0.6

0.5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

时间 ( s)

图 4.18 蓄电池荷电状态值 SOC 仿真输出特性 Fig.4.18 Simulation results of battery SOC 蓄电池荷电状态的仿真分析结果如图 4.18 所示。 0-44s 和 73-89s 时间范围内汽车车速为零, 此时蓄 电池电量高于蓄电池荷电状态值最低限度, 不考虑发动机暖机工况和启动空调系统, 此时发动机不需要 启动对蓄电池进行充电,蓄电池 SOC 值保持不变。44-73s 时间范围内,汽车先加速到 20km/h,然后保 持匀速行驶,再减速停车,这个过程中由于车速低于控制策略设定的低车速门槛值,按照纯电动模式工 作,此时电动/发电机 MG2 消耗蓄电池电能,蓄电池 SOC 值下降。在 89-160s 时间范围内,汽车先从 停车状态加速到 40km/h,然后保持匀速行驶一段时间,再减速到 20km/h 后重新加速到 40km/h,最后 又减速停车。其间,对于制动减速工况发动机关闭,此时通过电动/发电机 MG2 进行制动能再生对蓄电 池充电,蓄电池 SOC 值上升;对于加速和匀速行驶工况,当车速低于控制策略所设置的低速值 VL,并 且蓄电池荷电值在设置的范围内时, 关闭发动机, 使用纯电动模式, 电动/发电机 MG2 消耗蓄电池电能, 蓄电池 SOC 值下降;对于加速和匀速行驶工况,当车速高于控制策略所设置的低速值 VL 时,发动机工 作,此时电动/发电机 MG1 从发动机获得一部分分流的扭矩进行发电,根据不同的蓄电池荷电状态、需 求扭矩大小、车速大小等信息,MG1 单独给 MG2 供电,或者同时给蓄电池和 MG2 供电,当 MG2 耗 电量大于 MG1 发电量时,蓄电池 SOC 值下降,当 MG2 耗电量小于 MG1 发电量时,蓄电池 SOC 值上 升。

§4-4 本章小结
本章简单介绍了动态仿真工具 Matlab/Simulink 的特点和主要应用,并以 Matlab/Simulink 为平台, 参照丰田 PRIUS 混合动力控制系统的结构,面向丰田 PRIUS 混合动力传动系统,基于建立的混合动力 系统各元件模型和系统综合模型,开发了仿真程序。通过应用该仿真程序,基于所建立的稳态控制策略 和动态控制策略,对丰田 PRIUS 混合动力传动系统进行了仿真分析,解明了动力传动系统各元件的输 出特性。

37

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

第五章 结论与展望
混合动力汽车动力传动系统各部件特性、参数匹配及控制策略决定了整车的动力性、燃油经济性、 排放特性。在车辆设计初期,有必要从车辆设计要求出发,通过理论和工程分析,辅以适当精度的仿真 校验来匹配动力系统的主要参数,为建立更加精确的仿真模型和进行优化提供基础。 该课题通过分析典型的混合动力汽车系统结构, 建立混合动力系统的结构模型。 以结构模型为基础 建立混合动力系统的数学模型。 在已建立的整车动力传动系统数学模型的基础上, 根据混合动力系统的 控制策略,模拟和分析动力传动系统各元件的输出特性。主要结论如下: 1) 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数学模型。 2)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。 3)基于建立的混合动力系统各元件模型和系统综合模型,应用 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。 4)采用 Miller 等和吴亚祥等对 THS 系统的实测值和丰田汽车公司所公布的数据,建立了一个稳态 控制策略查询表;参考 Gao 等研究者所提出的控制策略,建立了一个动态控制逻辑查询表。 5)应用 Matlab/Simulink 软件建立的混合动力传动系统仿真模块,基于所建立的稳态和动态仿真策 略,模拟、分析并解明了动力传动系统各元件的输出特性。 应该看到,本文对于混合动力汽车传动系统建模与仿真的研究只是一个起步,还存在着很多问题, 远未达到成熟应用的地步。论文在对混合动力系统的能量管理和运动学动力学分析方面还很不深入全 面,但可为了解丰田 PRIUS 混合动力系统的结构原理和对丰田 PRIUS 混合动力系统进行进一步的深入 分析提供参考。由于时间仓促,所开发的仿真程序只在日本 10 模式下进行了仿真应用,也就是说该仿 真程序只经过了低速行驶工况的检验,其功能性和可靠性有待进一步提高。

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河北工业大学硕士学位论文

参考文献
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39

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

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河北工业大学硕士学位论文

附录 A
丰田 PRIUS 主要参数
第一代 NHW10 型式 参数
整车主要参数 总质量 长/宽/高 迎风面积 风阻系数 油耗(10?15) 轮胎 滚动半径 滚动阻力系数 混合系统总功率 1254kg 4308/1694/1463 mm 2.23m 0.29 28.0km/L P175/65R14 0.2857m 0.01 74kW
2

第二代 NHW20

第三代 NHW30

1260kg 4450/1725/1490 mm 2.31m 0.26 35.5km/L P185/65R15 0.3045m 0.01 82kW 发动机
2

1310kg 4460/1745/1480 mm 2.32m2 0.25 38.0km/L P185/65R15 0.3045m 0.01 100kW

型号 总排气量 热循环类型 压缩比 最大功率 最大扭矩 转动惯量

1NZ-FXE 1.5L Atkinso-cycle 13.0 52kW/4500rpm 111Nm/4200rpm 0.18 kgm2

1NZ-FXE 1.5L Atkinso-cycle 13.0 57kW/5000rpm 111Nm/4200rpm

2ZR-FXE 1.8L Atkinso-cycle 13.0 73kW/5200rpm 142Nm/4000rpm

电动/发电机 型号 种类 电压 MG1 最大功率 最高转速 最大功率 MG2 最大扭矩 最高转速 2CM 交流同期电机 274V 15kW 6500rpm 33kW/1040-5600rpm 350Nm/0-400rpm 305Nm/440-1040rpm 6000rpm 3CM 交流同期电机 500V 25kW 10000rpm 50kW/1200-1540rpm 400Nm/0-1200rpm 6700rpm 3JM 交流同期电机 650V 42kW 10000rpm 60kW/1000-13000rpm 207Nm/0-1000rpm 13600rpm 41

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究 驱动系统 动力 分离 装置 太阳轮齿数 行星轮齿数 齿圈齿数 传动链 减 速 机 构 主减速器 中间齿轮 IN OUT IN OUT IN OUT 30 23 78 39 36 30 44 26 75 30 23 78 36 35 30 44 26 75 蓄电池 种类 个数 组数 连接方式 容量 总电压 镍氢电池 268 38 直列 6.5Ah 273.6V 镍氢电池 168 28 直列 6.5Ah 201.6V 镍氢电池 168 28 直列 6.5Ah 201.6V 30 23 78 --54 55 24 77 22 18 58

注:轮胎滚动半径=0.98×(轮辋半径+胎面宽×扁平率) 迎风面积=0.9×车宽×车高 空气密度 ρ = 1.2250 kg/m3

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河北工业大学硕士学位论文

附录 B
混合动力系统动态控制逻辑
Speed SOC Torque Tcom-w>Te-opt-w Low speed V<15mph SOC≤SOCL Tcom-w≤Te-opt-w SOC>SOCL ---Tcom-w>Te-opt-w SOC≤SOCL Tcom-w≤Te-opt-w SOCL< SOC<SOCm or SOCm≤SOC<SOCh ICE ON Tcom-w>Te-opt-w Tcom-w≤Te-opt-w Tcom-w>Te-opt-w SOC≥SOCh Tcom-w≤Te-opt-w Tcom-w>Te-opt-w SOC≤SOCL Tcom-w≤Te-opt-w Tcom-w>Te-opt-w SOCL< SOC<SOCh Tcom-w≤Te-opt-w Tcom-w>Te-opt-w SOC≥SOCh Tcom-w≤Te-opt-w Tcom-w>Tm-max Braking and Deceleration SOC<SOCh Tcom-w≤Tm-max SOC≥SOCh Tcom-w>Tm-max Tcom-w≤Tm-max 关闭 关闭 关闭 空转 空转 空转 关闭 Ne=Ne-h Te=Tcom-w Ne=Ne-h Te=Te-opt-w Ne=Ne-h Te=Te-opt-w Ne=Ne-h Te=Tcom-w Ne=Ne-h Te=Te-opt-w Ne=Ne-h Te=Tcom-w 关闭 空转 发电 (蓄电池) 发电 (蓄电池) 发电 (MG2) 发电 (蓄电池) 电动 (蓄电池) 电动 (蓄电池+MG2) 空转 ICE Ne= Ne-b Te=Tcom-w Ne=Ne-b Te=Tcom-w 关闭 Ne=;V Te=Tcom-w Ne=;V Te=Tcom-w Ne=;V Te= Te-opt-w Ne=;V Te= Te-opt-w Ne=;V Te=Te-opt-w MG1 发电 (蓄电池) 发电 (蓄电池) 空转 发电 (蓄电池+MG2) 发电 (蓄电池) 发电 (MG2) 发电 (蓄电池) 发电 (MG2) MG2 空转 空转 电动(蓄电池) TMG2=Tcom-w 电动(MG1) TMG2=Tcom-w-Te-opt-w 空转 电动 (蓄电池+MG1) TMG2=Tcom-w-Te-opt-w 空转 电动 (蓄电池+MG1) TMG2=Tcom-w-Te-opt-w 电动 (蓄电池) TMG2=Tcom-w 空转 空转 电动 (蓄电池+MG1) TMG2=Tcom-w-Te-opt-w 空转 电动(蓄电池) TMG2=Tcom-w-Te-opt-w 发电 (MG1) 发电(蓄电池) TMG2=Tm-max 发电(蓄电池) TMG2=Tcom-w 空转 空转
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Normal speed 15mph≤V≤100mph

High speed V>100mph

混合动力汽车传动系统建模与仿真研究

致谢

本文的全部研究工作是在导师武一民教授的悉心指导下完成的。 匆匆两年半的研究生求学历程, 武 老师在课题研究和论文撰写过程中给予我耐心细致的指导, 在日常学习和生活上也给了我莫大的帮助和 支持。导师渊博的知识、严谨的治学作风、敏锐的开拓思维和勇于创新的精神将使我终身受益,谨此向 恩师致以衷心的感谢和崇高的敬意! 衷心感谢河北工业大学汽车研究所的老师和同学在课题的研究过程中给予的指导和帮助。 同时, 感 谢在一起学习和生活的研究生王海霞、李柯、陈楠、张利宾、李莉、刘婕等同学,是同学之间的相互关 心,相互帮助,使我在良好的学习和工作环境中顺利完成学业。 感谢父母多年来对我的培养,感谢爱人廉本宁对我的关怀和鼓励,正是他们的关爱,使我充满动力 和信心,从而能够全身心的投入到学习研究中。 最后,衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间对论文进行评审的各位专家。

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河北工业大学硕士学位论文

攻读学位期间所取得的相关科研成果

[1]

赵晓静, 武一民, 王海霞. 丰田 PRIUS 混合动力传动系统分析与建模. 机械传动, 2010, 34(6).(已录 用)

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混合动力汽车传动系统建模与仿真研究
作者: 学位授予单位: 赵晓静 河北工业大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D112629.aspx


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