当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

基于键合图理论的混合动力电动汽车建模与仿真


武汉理工大学 硕士学位论文 基于键合图理论的混合动力电动汽车建模与仿真 姓名:高海鸥 申请学位级别:硕士 专业:车辆工程 指导教师:邓亚东 20040201

曩:督L嗣L工犬掌司【士掌位性’支

摘要
本文首先分析了混合动力电动汽车的结构和类型,并对各个结构类型的 特点和使用情况作了简单总结。接着对当前世界上的常用仿真软件作了


绍,以ADVISOR为例,说明了国外混合动力仿真软件在中国使用的优缺点, 指出必须开发出适合中国国情的混合动力电动汽车仿真软件。

然后通过对键合图理论的介绍,证明采用键合图理论对多能源、多结构 的混合动力电动汽车系统建模的优越性。为了用事实来进一步说明使用键合 图理论对混合动力电动汽车系统建模的优越性,我们使用键合图理论对两种 典型的混合动力电动汽车:本田的Insight和丰田的PRIUS进行了分析,分 别建立了键合图模型,并通过MATLAB/sIMuLINl(软件进行了可视化编程。通 过结果的演示,证明了使用键合图理论可以对混合动力电动汽车进行动态分 析,并且具有以下优点:
1)从多能源领域的共性出发,用统一的数学分析手段,进行底层的软件开 发,掌握关键技术。

2)根据键合图理论,进行了发动机、电机、电池与车辆的键合图分析,采 用能量流将电、热、机械能量统一在一个数学模型中,随着混合动力电 动汽车不同的布置形式。可以方便、灵活地更改系统构成与元件参数与
特性(如非线性、间隙等)。

3)使用键合图理论建立混合动力电动汽车模型可以同时具有前向和后向的
仿真顺序。 最后,对今后的研究提出了一点建议。 关键词:仿真键合图

混合动力电动汽车

i:截iLz^攀《士攀位釜:£

Abstract
Firstly,this paper gives all analysis on the type and laybrid configurations of hybrid electric vehicle,and summarizes the characters of all the driving types and their working

conditions。‰ugh

the

introducing of COmlTlOn simulation
as 8n

example,show the The advantage and disadvantage of working the simulation software in china. for fact point ont that we must develop the simulation software
software of HEV in world,and takes ADVISOR

of珏斟suitable
OUt

the china’s actual condition. Secondly,introduce the basic theory of the bond graph,show the

advantage of simulating the characters of multi—power and multi-?type of HEV using bend graph.In order t0 test this point.I analyze the driving system of Honda Insight and Toyota PRlUS based on the application of hend graph,and establishes the mathematic models,The MATLAB,SIMULINK is used to
visual programming it.The simulation results show that using the bond graph could not only reflect the dynamic characteristic in effect,but also having the following advantages. 1)Based on the commoFffless of the multi*power field,UShag也e uniform

mathematic analyze way,programming the software from beginning,holding the key technology.

2)Based

the characters ofengine, motor,battery and vehicle,uniform the electriC power。heat power and mechanical power into the sa黜mathematic modeI in order to alter the types and parameters ofhybrid electric vehicle in convenience.
On

the application ofthe bond graph,analyze

3)The system based on the bond system Call also simulate in different direction. Lastly,give some advices for the development ofthe simulation software
of the hybrid electric vehicle in the future. bond graph,Hybrid electric vehicle

Key words:Simulation,

.IV。

武承,蕾工大掌司E士掌位论文

第一章概论
1.1研究目的与背景

目前,全世界汽车的保有量达到了6,7亿多辆,汽车已与人们的日常 生活和生产密不可分。大量燃油汽车排放所造成空气质量的日益恶化和石油
资源的渐趋匮乏,使开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的 紧迫任务。人们越来越关注其它燃料的汽车和电动汽车的开发。使用电动汽
车(Electric Vehicle简称EV)可实现无污染,并可利用煤碳、水力等其它非石

油资源,因此,无疑是解决节能与排放问题的最有效途径。但由于电池的能
量密度与汽油相差上百倍,远未达到人们所要求的数值,专家估计在10年

阻内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车(除非燃料电池技术有重大突破)。 而当前普遍使用的燃油发动机汽车又存在种种弊病,统计表明在占80%以上
的道路上,一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40%,在市区还会跌至25%, 更为严重的是排放废气污染环境。人们普遍认为未来就是电动汽车的天下,

但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。在这种环境下,融合内燃
机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车(Hybrid
Electric

Vehicle,简称

HEV)异军突起,在世界范围内成为新型汽车开发的热点。可以相信,在电

动汽车的储能部件——电池没有根本性突破以前,使用混合动力电动汽车是
解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。

90年代以来,日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型
汽车。日本丰田汽车公司率先于1997年12月将混合动力型prius轿车投放 本国市场,2000年初又开始投放北美市场,并将月产由1000辆调升到月产 2000辆,三年内销售了4.5万辆,产品出现了供不应求局面,初战告捷,震 动了全球汽车厂商。该公司董事长(社长)奥田宣称,丰田公司所有的各型

汽车均将采用混合动力技术,丰田公司计划到2005年时,混合动力汽车达 到年产30万辆,丰田的产品专家也宣称混合动力技术并非权益之计,其技 术寿命将与传统内燃机一样长。国外专家认为在未来的十年内,可能有40%
的汽车均将采用混合动力技术。 丰田汽车公司高级工程执行主管表示:计划2012年在所有汽车上使用

汽油一电混合动力发动机来增加燃料经济性,减少汽车尾气排放。目前除了
Prius在美国、日本、欧洲销售以外,丰田公司还在日本出售王冠混合动力轿
ll f

蕾:讽鼍l工大掌硕士掌位论:赶

车、Estima小型货车和Coaster公共汽车。 在日本,除了丰用公司以外,本田、日产等大公司也不甘落后,分别研

制了自己的混合动力汽车,并取得了骄人的成绩,其中本田公司已投产 Insight混合动力汽车,被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第 一名,第二名则为丰田汽车公司的prius混合动力汽车。并且在2002年推出 了油电混合动力的思域轿车。并且于今年三月在英国取代Insight轿车。
90年代开始,美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合,并以混合

动力电动汽车为重点对象,由能源部牵头,包括运输部和国防部,斥巨资组
织各大汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。1993 年9月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同

提出了美国“新一代汽车合作伙伴计划”(简称PNGV计划),旨在开发新一 代高效节能汽车。迄今已开发出多种形式的混合动力电动汽车,例如,FORD 公司的Prodigy混合动力电动汽车采用新型材料,使汽车总质量减少了50%,
燃油经济性达到了70mpg,DaimlerChrysler公司的ESX3混合动力电动汽车, 重量减少了46%,燃油经济性达到了72mpg,GM公司的Precept混合动力

电动汽车总质量减少了45%。采用的是柴油发动机和双轴并联式驱动系统, 是5人轿车中阻力系数最低的车,使性能提高了35%,达到了80mpg。PNGV 项目在HEV性能仿真、汽车集成动力模块等技术领域取得了显著成就。 在欧洲,各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车。 其HEV的突出代表是法国的Berlinge,在性价比上能于燃油汽车相抗衡,代 表了国际实用先进水平。法国雷诺公司研制的VERT和HYMME两款混合 动力汽车已进行了10,000公里的运行试验。德国西门予和博世(Bosch)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。
在国内,“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技相关项目。96

年5月29日,“八五”重点科技攻关项目,“电动汽车关键技术研究”在清 华大学通过了国家计委、教委、和机械部的验收,该项目的主要目的是研制 适用于城市市区固定线路中断距离的电动厢式客货车,研制出7辆16座电 动轻型客车,其中两辆已在北京安全可靠运行6000km:“九五”期间,东风 汽车公司承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设计”的整 车(BF)研制工作。在电动汽车关键技术尤其是混合动力电动汽车方面,很多

武汉理工大掌硕士掌位论:≮

科研单位也进行了诸如混合方式和控制策略研究、参数匹配和性能预测研究
等前期工作。“九五”末期我国在电动汽车的三大关键技术领域(电池、电

机、电控系统)取得突破。科技部已将电动汽车产业化列为“十五”国家863
重大科技攻关项目,“十五”期间,国家计划投入近10亿元来支持电动汽车 的前瞻性研究。要求电动汽车结合我国的国情,选好技术切入点和研究目标,

实现批量生产,并通过国家汽车产品型式认证。在国家科技攻关计划的推动 下,我国开发出多种电控发动机,在电机控制方面取得了重大突破。电池管 理系统的研究取得一定的进展。在传统发动机动力系统控制方面,如发动机
与自动手动变速器构成的动力系统的控制,国内已有一定的研发基础。在纯

电动汽车的整车控制器方面积累了一定经验,但控制系统的结构和功能还有
待于进一步的调整和完善。在双能量源混合动力电动汽车动力系统的自动控 制方面N JI冈ul起步,包括控制算法的研究和控制器的开发,还未有竞整的系统。 在混合动力混合方式和控制策略研究、参数匹配方面的研究也剐刚起步,亟 待体系的完善。

I.2电动汽车驱动性能仿真技术现状 由于新技术的发展,传统动力装置经技术创新获得了新的活力,新型储 能装簧和能量转换装置也层出不穷,使得可以考虑的混合动力方案的数目也 比较多,且随着技术发展而不断改变其优劣次序。若将可能的方案逐一开发、 试验、比较,其费用将无法承受。因此,各国均研究开发了相应的软件对各 种混合动力驱动方案进行计算机模拟和评价。国外在电动汽车仿真方面做了 大量的研究工作,并开发了若干仿真工具来预测纯电动车和混合动力电动汽 车的性能。其中有美国能源部爱达荷国家实验室开发的SIMPLEV(Simple
Electric Vehicle

Simulation),Argonne国家实验室开发的PSAT,得克萨斯 Simulator)等。

A&M大学开发的V.ELPH,美国国家可再生能源实验室开发的ADVISOR
(Advanced Vehicle

(1)SIMPLEV

SIMPLEV@3.1版本,是美国能源部爱达萄国家工程和环境实验室在基 于DOS环境下开发的,主要用来对传统汽车、纯电动汽车、串联和并联式 混合动力电动汽车的性能仿真的工具软件(2.0以前的版本尚不能对传统的
内燃机汽车或者并联式混合动力电动车进行建模和仿真)。它可以仿真从小

_,r——“m__●-。●●_。__m_1_—_——_¨m__。__-。。‘__¨-。—。——^¨___。。。。。。___-。-_●_-____-。。。。。。’_““。。。———1—————



苎兰墨苎查整竺查篓竺兰圣———

懿裔尔夫式静汽车到货遮汽车等大鍪车。其有交互式靛下拉菜擎,可鑫选择 某一车型、不同的零部件(电池、电机、逆变器、变速器、发动机和发电机 等)、以及菜一特定的循环工况。但是,要憋在SIMPLEV的源代码中敬交整 个汽车的控铷方法是{#鬻困难豹。 SIMPLEV的仿真原理与下面所列出的其他几个软件都是类似的。以循环 行驶工况徽为汽苇镑冀貘銎懿镶入,然嚣诗髯密汽车在致王挽下嚣驶黪曩要 的功率(考虑进去各个零部件的工作效率)。它可以在仿真的繇一时间点输 出侥真数稻,能礞溅汽擎的燃油经济经、鼹整消耗、捧放(HC、CO、NOX)
等。
(2)V-ELPH

V.ELPH(VersatiIe-ELPH),是出缉迄萨焱A&M丈学西发豹,可以对纯电 动汽车、串联式或者并联式混合动力电动汽车进行仿真的软件。落是由 MatlabtSimulink饯码缡篱露或,霹茨缀容曩蟪更改各个零部传静类型,来检 测不同配置汽车的性能。因为各零部件之间是由可视化豹线性动态逑接模 螯,而不楚依靠笺杂的、难鞋壤解的公式来联系韵,所以它的代码诧其谴凡 个软件简单了很多。这种模块式的系统模型可以使仿真软件碍到更广泛应 用。V.ELPH编稔代码对所有的零部件模型郁采用了一种标准的数据流,可 敷缓容易蟪改变零邦搏、燃辩秘控制方法懿类型。宅豹蛰囊缝豢包括燃涟经 济性、最隔车速、最大加速度等汽军性能参数。
移}PSAT

PSAT,熄由Argonne园家实验室开发的,对传统的内燃机汽攀、纯 电动汽车和混合动力电动汽车进行侪真的软件。也建在Matlab/Simulink下开 发聪成,它的图形用户界面可以使用户很容易她改变汽攀摸型驹参数,嚣不 需要修改Simu|ink代码。它具有各种类型的零部件模型以及很大的灵活性, 可以傍卖强舞类型熬HEV纛逡燃瓿汽车。
(4)ADVISOR

ADVISOR,怒由美黧国家霹再生髓深实疆室开发翡侥粪软俸,可戳仿真 纯电动汽车、串联式或糟并联斌混合动力电动汽攀以及传统的内燃机汽车。
同PSAT一样,ADVISOR也憝在Matlab/Simulink T开发而成,它的阙形用

户爨嚣可以使用户很容易地改变汽革模型豹参数,褥不鼹要修改Simulink代
l 4‘l

武汉理工大掌硕士掌位论文

码。它具有各种类型的零部件模型以及很大的灵活性,可以仿真任何类型的 HEV和内燃机汽车。
同以上提到的软件一样,ADVISOR可以使用用户自己订制的循环工况 以及各种标准工况,不同的是,它的仿真结果包括燃油经济性、排放、加速 性能和爬坡度等。 PSAT同ADVISOR的区别就在于仿真流程不一样,PSAT采用前向的仿

真顺序,即通过引入驾驶员模块形成闭环;驾驶员根据当前工况对控制系统 发出命令:控制系统再给各个部件发出命令;各个部件通过扭矩、转速和惯 量形成方程;整车计算出车速,反馈给驾驶员模块调整控制系统。而 ADVISOR则采用后向的仿真顺序,即通过当前工况算出车轮转速和扭矩, 通过各个部件逆向算出动力系统应该发出的转速和扭矩,然后根据动力系统 实际可以提供的转速和扭矩来调整各个部件可以提供的扭矩和转速,最终通 过实际车速同当前工况需要达到的车速之间的差值来决定所用部件是否合
适。

不过这些软件也不是尽善尽美的,都还处于发展阶段,在动力系统的结

构型式、控制方法的合理性和适用范围、参数的优化方法还有待于进一步完
善。并且这些软件用于国内的混合动力电动汽车开发是否适合还需要进一步

研究,具体内容将在第三章详细论述。

武汉理工.夫掌硕士掌位论,C

第二章

混合动力电动汽车的驱动系统分析

混合动力电动汽车(HEv)是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助
动力单元(Auxiliary Power Unit,简称APU),其中APU是燃烧某种燃料的

原动机或由原动机驱动的发电机组,目前HEV所采用的原动机一般为柴油 机、汽油机或燃汽轮机。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装

置(蓄电池)组合在一起,它们之间的良好匹配和优化控制,可充分发挥内燃
机汽车和电动汽车的优点,避免各自的不足,是当今最具实际开发意义的低 排放和低油耗汽车。

较之纯电动汽车,HEV具有如下的优点:
(1)由于有原动机作为辅助动力,电池的数量和质量可减少,因此汽车自身重
量可以减小。

(21汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。 (3)借助原动机的动力,可带动空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器, 无需消耗电池组有限的电能,从而保证了驾车和乘坐的舒适性。
较之内燃机汽车,HEV则具有如下的优点:

(1)可使原动机在最佳的工况区域稳定运行,避免或减少了发动机变工况下的
不良运行,使得发动机的排污和油耗大为降低。 (2)在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆,实现零排放。 (3)可通过电动机提供动力,因此可配备功率较小的发动机,并可通过电动机 回收汽车减速和制动时的能量,进一步降低了汽车的能量消耗和排污。

目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构形式,根据其 驱动系统的配置和组合方式不同,分为串联式、并联式和混联式3种组合方
式,各自的结构形式和特点如下:

2.1.串联式驱动系统(SHEⅥ
2.1.1串联式混合动力电动汽车结构模型 按照APU的功率值的大小不同,串联混合动力车辆有两种典型的类型: (1)电力主动型HEV(电力消耗型HEV):发动机功率占整个系统功率的
百分比比较小,不足以维持电池组的荷电状态,因此属于电量消耗型HEV。

车辆行驶后的电池组荷电状态低于初始值,结果仍需外界能源给车载电池组
补充电量。

武汉曩工大掌硬士掌位论二≮

(2)发动机主动型HEV(电量维持HEV):发动机功率占整个系统功率的

百分比较大,电池租仅提供车辆行驶时的峰值功率,结果在车辆行驶前后, 电池组荷电状态基本维持不变,相应的。车载电池组的容量可选的较小。

串联式驱动系统的示意图如图2—1所示。APU由原动机和发电机组成, 通常将这两个部件集成为一体。原动机带动发电机发电,其电能通过控制器
直接输送到电动机,由电动机产生驱动力矩驱动汽车。电池实际上起平衡原 动机输出功率和电动机输入功率的作用:当发电机的发电功率大于电动机所

需的功率时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况),控制器控制发 电机向电池充电;当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时(如汽车起 步、加速、高速行驶、爬坡等工况),电池则向电动机提供额外的电能。 2.1.2串联式混合动力电动汽车驱动模式 在串联式混合动力电动汽车上,由发动机带动发电机所产生的电能和电 池输出的电能,共同输出到电动机来驱动汽车行驶,电力驱动是唯一的驱动
模式。动力流程图如图2.2所示。只有电动机直接与驱动桥相连接(这一点

与纯电动汽车相同),而发动机与发电机直接连接产生电能,来驱动电动机 或者给蓄电池充电。汽车行驶时的驱动力由电动机来输出,它将储存在蓄电
池中的电能转化为车轮上的机械能。当蓄电池的荷电状态(SOC,
State Of

Charge)降到一个预定值时,发动机即开始对蓄电池进行充电。发动机与驱
动系统并没有机械地连接在一起,这种方式可以很大程度地减少发动机所受

到的车辆的瞬态响应。瞬态响应的减少可以使发动机进行最优的喷油和点火
控制,使其在最佳工况点附近工作。

阿耐圆?P匦丑_o —— 由
[]



—.机械旌接i垒垫塑I
……电气连接
图2-1串联式混合动力系统

武汉罩I工,o掌耐E士攀位静文

麓i!£潞

橇睾羲盍善

簟j电能
图2.2串联式褥合动力电动汽车动力流程圈 2.I.3串联式混合动力电动汽车的特点 串联式混合动力电动汽车的发动机能够经常保持在稳定、商效、低污染 的运转状态,使有害排放气体控制在最低范围,并可采用燃气轮机、转子发 动机等其他形式的发动机。串联式混合动力电动汽车从总体结构上葫,比较

简单、易于控制,只有发电机一电动机的电力驱动系统,其特点更加趋近于
电动汽车。三大部件总成在电动汽车上布置起来,有较大的自由度,但各自 的功率较大,外形较大,质摄也较大,在中小型电动汽车上布鬣有~定的困

难。另外在发动梳一发电梳~电渤税驱动系统中的熟能一电能一杌械能的能
蹩转换过程审。§2蚤损失较穴。觚发动机发离的能羹以机械能的形式从睡轴 发毒,并立帮被发电机转交为电能,由予发电机的内阻和涡流将会产生能量 损失(效率约为90~95%)。奄能髓詹又被电动机转交为机械能,在电动机和 控制器孛§l璧又遴一步撰失,平均效率约为80-85%。能蠢转换的综合效率 要毙凑燃枧汽车低,串联式滋合动力驱麓系统较遥合在穴蝥客车上使用。 零联式驱动系统只寄一条锈藿提供爨线,哭簧奄力驱动系统不王作,车 辆将不裁驱动(与传绞车辆崔发动瓿不工孛#靛情况下褶类钕)。 缝着警懿池技术瓣发展,存储能量经能豹不新掇裔,率联式混合动力电 动汽车使用发动极的次数会越来越少,最终会岛着缝电动汽车翡蠢标迈进。 2.2.并联式驱动系绞(pHEV)

2.2。1并联式混合动力电动汽攀缕梅模型
并联式混合动力电动汽车主要由发动机、呶动/发邀枧涎大郯传总残缍

武汉习L工大掌砸士掌位论文

成,可以组合成不同的动力模式,如图2—3所示。两大动力总成的功率可以 互相叠加,发动机功率和电动/发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的
0.5~1倍,因此,可以采用小功率的发动机与电动/发电机,使得整个动力系

统的装配尺寸、质量都较小,造价也更低,行程也可以比串联式混合动力电 动汽车的长一些,其特点更加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统


通常被应用在小型混合动力电动汽车上。

一机械连接
…一电气连接



臣亟丑
图2-3并联式混合动力系统

2.2.2并联式混合动力电动汽车驱动模式 并联式混合动力汽车通常有以下四种组合驱动方式:

A)驱动力结合武

B)双轴式转矩结台式c)革轴式{々矩结合式

D)转速结合式

图2.4并联式混合动力汽车的四种驱动方式
(1)驱动力结合式 驱动力结合式电动汽车采用一个小功率的发动机,单独地驱动汽车的

前轮。另外一套电动机驱动系统单独地驱动汽车的后轮,可以在汽车启动、 爬坡或加速时增加混合动力电动汽车的驱动力。两套驱动系统可以独立地
l 9T

武汉骥工夫掌司f士掌位论文

驱动汽车,也可以联合驱动汽率,使电动汽车变成四轮驱动的电动汽车。此

秘渥台寇力筑电动汽车其寅四轮驱动汽车瓣特性。 (2)转矩缩食式(双轴式和单轴式) 转矩合成式并联式混合动力电动汽车熬发魂飘逶过传羲系统壹按驱动 混合动力电动汽车,并煮接(单轴式)或间接(双轴式)带动电动/发电机转 动商蓠电池充电。蓄电滚也可以向电幼,发电机提供电能,此时电动/发电机 转换成电动桃,可以用采启动发动枧娥驱动汽车。采用发动枧驱硬模式或电 力驱动模式时,都通过同一根传动轴来输出渤力。发动机输出的转矩与电动 ,发动辊辕爨瓣转铤互楗爨麓。 (3)转速结含式 魄动汽率豹发籀瓿遴_j窭离合器霸一个“瀚力缝合器”来驱动汽车,窀动 机也是通过“动力组合器”来驱动汽车。 2.2.3并联式混合动力电动汽车的特点 磐联式驱动系统的典型动力流程图如匿2.5赝承,发动极和电动提邋过慕 种变速装置同时与驱动桥直接相连接。电动机可以用来平衡发动机所受的载 蔫,镬英§§在毫效率区域工佟,嚣为遴常发渤橇工俸在瀵受芬<孛等转速) 下燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载衙下工作时,传统车辆的发动机 鼹燃滴经蓊往}t较差,丽并联式混合动力汽率静发渤机诧孵可敬棱关闭掉而 只用电动机米驱动汽车,或者增加发动机的负蘅使电动机作为发魄枧,绘蓄 电池充电以备后用(即一边驱动汽车,一边充电)。由于并联式混合动力电

动汽摹在稳定的藏迷下发动捉爨毒比较高弱效率嚣翱黠较夺魏襞璧,艨竣它
在高速公路上行驶具有比较好的燃油缀济性。 并联式驱动系统舂嚣条麓蘩传埝漆线,爵黻丽辩经弱畦动税帮发动税骰 为动力源来驱动汽车,如果其中的一条驱动线路出了问题,另~个仍然可以 驱动汽车。遮释设计方式可瑷使其班纯电动汽车,或低j{}敞汽车豹状态运行, 但是此时不自g提供全部的动力熊源。

饵:汉葺E工大学司E士学位{l}二乞

仁==j

电能

图2-5并联式混合动力电动汽车动力流程图 2.3.混联式驱动系统(cHEV) 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图如图2.6所示。 发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电 机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通 过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速 行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联 工作方式为主。 混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发 电机、电动机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证了在更复杂的 工况下使系统在最优状态工作,所以更容易实现排放和油耗的控制目标,因 此是最具影响力的HEV。 与并联式相比,混联式的动力复合形式更复杂,因此对动力复合装置的 要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构

架。图2-7为丰田公司Pms车的驱动系统结构示意简图,它的驱动系统被
公认为目前最成功的结构。

武汉罩‘工夫掌硕士掌位能’文

图2-6混联式混合动力驱动系统

图2,7丰田Prius混合动力汽车驱动系统结构简图

2.4混合动力电动汽车各种驱动类型的比较分析
表2.1对各种形式的混合动力电动汽车在整车布置、适用条件和开发成本 方面进行了比较。 表2.1 结构模式 动力总成 串联式 发动机、发电机、驱动电 机等三大部件总成 并联式 发动机一般为传 混联式 发动机、电动/发 电机、驱动电动机 等三大动力总成

统的内燃机
发动机功率较小 发动机工况变化 大,排气净化较差

发动机

发动机的选择有多种形


发动机、电动机都 是驱动动力 发动机传动系统 的传动效率较高 按结构不同。其中 有个别不能够回 收制动能量

发动机的选择有 多种型式 发动机功率较小 发动机排放介于 串联式与并联式 之间

发动机功率较大 发动机工作稳定,排气净
化较好

传动系统

电动机是唯一的驱动动

发动机、电动机都

发动机、电动机都

武试尊L工夫掌司【士学位论二《 力 是驱动动力 发动楗传动系统 的传动效率较高 按绩橡苓爨,其孛 有个别不能够回 收制渤能量 整车 三大部件总成之阅没有 机械式连接装置,终构布 置款蠡由发较大,德三大 部件总成的质量、尺寸都 较大,在枣蘩车辆上不耋} 布置,一般在大型率辆上 采用 发动机驱动系统 保持机械式传动 系统,发动搬与电 动机两大动力总 成之阉被举同豹 机械装雹逡接起 来,绻构复杂,使 布置受到一定限 制 适蹋条{譬 三大劝力总成之 间采用机械式连 接装爨,三大动力 总成的质量、尺寸 都较小,能够在小 型车辆上布援,但 结构踅加复杂,要 求布鬟更加紧凑 是驱幼动力 发动机传动系统 的传动效率较高 麓够实瑗案《动疑 量回收

发动枧.电动,发毫规。驱
动电幼机能量转换效率 较低 能够实现制动能量回收

逶用予大型攀车或餐车,
更加适应在路况较复杂

透爰予奎墼汽车, 更加适应在城市 道路鞫高速公路 上行驶

逶蠲予各耱类型 式汽率,适威在各 种道路上行敷,性 能更加接近普通 的内燃机汽举

懿城帑道路帮善遥公路
上行驶

造份

三大动力总戏鲍功率较 大,质量较大,因此,制 造残零较高

只有耀大动力总 成,两大动力总成 懿凌攀较夺,震塞 较轻,电动/发电 视其肖双重渤髓, 还可利用普通内 燃机汽车底盘改 装,翻造成本较诋

虽然凑三丈动力 总成,但三大动力 基或懿功率较小, 质量较轻。需要采 用复杂的控制系 统,镱4造成本较毫

武汉罩‘工夫学硬士掌位论二乞 第三章混合动力电动汽车的仿真 3.1混合动力电动汽车驱动系统数学模型 在第一章中已经提到了在国际上现在已经开发出了很多混合动力电动

汽车的仿真软件。一个仿真软件的核心就是针对仿真对象的数学模型,所采
用数学模型的优劣决定了仿真结果的精确性实用性,而各种仿真软件都有着 各自独特的数学模型。在这里我首先以Advisor为例说明一般常用的数学模 型原理,然后通过介绍键合图理论原理说明使用键合图理论仿真混合动力电 动汽车的优点 3.1.1常用的驱动系统数学模型(以ADVISOR为例)
3.1.1.1

ADVISOR所建立的数学模型

ADVISOR,是由美国国家可再生能源实验室开发的仿真软件,可以仿 真纯电动汽车、串联式或者并联式混合动力电动汽车以及传统的内燃机汽 车。ADVISOR是在Matlab/Simulink下开发而成。它的图形用户界面可以使 用户很容易地改变汽车模型的参数,而不需要修改Simulink代码。它具有各 种类型的零部件模型以及很大的灵活性,可以仿真任何类型的HEV和内燃 机汽车。 ADVISOR可以使用用户自己订制的循环工况以及各种标准工况,它的 仿真结果包括燃油经济性、排放、加速性能和爬坡度等。
3.1.1.1.1

ADVISOR简介

图3.1这个界面是ADVISOR2002中典型的三个GUI界面中的第一个界
面,在窗口左上角的图片显示选择的是哪一种类型的车辆布置形式(传统式 车辆、串联式、并联式、燃料电池或者纯电动汽车)。在左下方,用户可以 选择显示各种零部件的性能信息,如发动机和电动机的效率曲线,排放曲线 和蓄电池的性能曲线等。 在车辆输入界面的右面,用户可以选择所要仿真的车辆类型,以及组成 该驱动系统的所有零部件的型号。每一个零部件对应一个下拉式菜单,用户 可以从ADVISOR零件库中选择不同的零部件。 在这些列的上方有一个“Autosize”按钮,可以简单地循环确定驱动用零 部件(发动机、电动机和蓄电池)的功率大小,来满足用户所设定的最低的 加速和爬坡性能的要求。对并联式HEV来说,Autosize命令还可以允许用
譬14霄

武强.理工大掌司r士掌位诧。文

户选择混合度的大小,表现在发动机,电动机和蓄电池组功率的相对大小上。

图3.1 ADⅥSOR 2002的车辆输入界面 用户可以在MATLAB工作空间中更改ADVISOR中的数据。在界面的最 外层有几个主要的或经常更改的参数,可以直接输入新的数据来代替原来的 数据,用户在许多情况下想要比较和修改的参数。 ADVISOR2002三个GUI界面中的第二个界面是仿真设置界面(图3.2), 在这个界面上用户可以选择运行哪一个行驶工况,还可以做测试程序(如加 速度和坡度测试,城市/高速公路燃油经济性的测试程序)。 如果选择了单一行驶工况,可以设定初始条件(主要是环境温度和电池 初始状态参数等)。对混合动力车辆来说,还可以选择蓄电池荷电状态SOC 的矫正方法。有两个SOC矫正方法,zero.delta矫正和线性矫正。

武汉聪工夫掌硬士攀忧‘隆文

图3.2

ADVISOR 2002的仿真设震界面

而且,对某种类型的车辆来说,进行参数诧的研究对开发设计非常帮震,
ADVISOR可以对王作空间里磷的任何数据参数进行一维、二维或三维的参 数设计对比,这样用户可以评价车辆砖各种汽车参数的敏感性,包括对汽车 的燃浊经济性和汽攀动力性能的影响等。 缩果界面是三个ADVISOR 2002主界面中的最后一个界面,在这个界面

靛玄筏,焉户霹默潘载燃港经漭毪、搭羧,趣速窝艇壤链鼹熬铸褰绫栗。在
界面的左侧,可以输出ADVISOR在MATLAB工作空间厘面的任何与时间 有关静参数的图形。 如果选择缒是测试程序或参数对魄研究,丽不是单一的行驶王况,结果 界面将会有弹出式的窗口来显jj鼍测试或对比的结果。在图3-3中显示了某一

车型的输出结果,霹以看到有翻令代表图象;汽车速度,鬻电池SOC,汽车
排放以及传动系统的传动比。

图3-3 ADVISOR 2002的输出结果界蕊 这里有两个揉作按钮可以列出能量使用情况的图像和一系列的能蘑检 查黪象。能霆使用图象(Energy 量是在哪个位置使用的。 在所有的界藤主都有一个“HELP”按镪,用户可以直耱月浏览器残番更 详细的帮助资料。
Use

Figure)标暖了在整个驱动系统孛,毙

3.1…1 1 2 ADVISOR程孝结构:
图3-4的图框表示了在ADVISOR文件系统中的数据溅愦况,

●输入脚本文伟定义在工作空间垦的变量妓请求输入其他的文件:
l 16l

域每U曩工大掌鞭士掌位论文 ?模型对话框魑MATLAB中的Simulink文件,包含用来计算输出结果的 公式,铡拯,麸输入文俘笈瑟掇Map嚣串读敬数撵W震计算输出燃渡潢 耗; ?输密文件扶王作空阔里把模墼静输密结莱读敬箨显承出来,包括绘强葙 错误检鹰程序; ?控制脚本文件包括输入和输出,捌如ADVISOR GUI界面和优化程序。 羲天 警癌

墅3-4 ADVISOR中翳文{串终构

图3.5 ADⅥSOR中串联式溅会动力电动汽车数擐流动图 以ADVISOR中串联式混食动力电动汽车为例:ADVISOR采用的是反

离懿镑囊矮穿,露篱先输入行驶王}舅溪,然器摄据当蘩工熬翦要求经过车身、
传动系统、变速系统等逆向计算出动力源所需要的提供的功率,燃油消耗, 废气摊敖等。

武汉胃E工大掌司E士学位论:乞 3.1.1.1.3零部件模型: 仿真的准确性在很大程度上依赖于ADVISOR中各零部件模型和参数的 准确性:辅助动力单元(APU)、电机,逆变器、变速机构、蓄电池和整车参 数。因此,为了更好地在整个系统中反映零部件的性能,必须准确地对各零 部件模型进行定义。对APU的模型尤其如此,因为它直接决定了燃油消耗 和废气的排放。有时为了检测零部件模型的性能,必须将它们从系统中分离 出来进行单独测试,此时会与在整个系统中的性能有所差别,若将它们集成 到系统中去,会使仿真的结果产生偏差。因此为了精确地对HEV进行建模, 必须对各零部件模型进行精确的建模,以发动机、电池模块为例说明 ADVISOR零部件模型的建立。 a.发动机的模型 发动机的模型在车辆中做为一个仿真的功率源,将燃料的化学能转化成 可以利用的机械轴上的动能。模型的工作图如图3-6所示。 在整车仿真中,由其它模型计算出所需要的速度和转矩,发动机模型确 定其工作点来满足这种需求,同时计算出惯性损失和附加载荷。发动机控制 系统模型不允许发动机模型在其转速和转矩之外工作,控制器还可以在离合 器脱开的时候控制发动机的转速。发动机决定了可以提供的转速和转矩之 后,这些数值将被传送给车辆的其它模型。同时这些数据还用来计算在每个 时间点的燃油消耗和废气的排放值,燃油消耗量和废气排放的数值储存在数 据表中,由发动机转速和转矩来检索出相应的数据。图3-7表示的是 ADVISOR中使用的燃油参数表。

图3-6 ADVISOR中发动机模型工作图
第18耳

武溲稿L工夫掌司【士掌位论文

图3.7 ADVISOR中使照的燃浊参数袭 b.电池模型 邀漶模翟是车辆攘登孛酶戆量镶存系统模块(ESS,Energy
Storage

System)。这个模块接受一个功率请求,通常由功举总线传输过来。然厢返 回一个电漶纽可以提供的、实际的功率值,电池电捱,电流。电池的荷电状
态(SOC)。一般情况下,正的功率值表示放电,受的功率僮表豕充电n

鬻襄卷瞧攫供懿囊聱

.蓍电恻卜 r

电池可以提供的功率 开环魂蘧 电流
S0e

霞3罐ADVISOR串电漶穰登参数 Advisor电池模型有网种,(1)内阻(Rint)模型;(2)阻蜜(RC)模

型:(3)神经网络模型;(4)基本铅酸模型。其建模的基础是蓍电池的等效
电路。这个等效电鼹反映了蓄懿邀组魄路戆参数。在模型孛,忽貉了态毫帮 放电时所引起的电压的变化,并假定电池的歼路电压是与SOC和温度有关、 与露瓣无关瓣涵数。壅3-9楚Advisor凌MATLAB/SIMULFNK孛建立赘薷毫 池的内阻模型。

武戳疆工大学硬士掌位截?文

图3-9 ADVISOR在MATLAB/SIMULINK中建立的蓄电池模型

(1)电池组被建模成一具有等效内阻的开路电压源,开路电压(Voc)和 内阻(Rim)由一个关于SOC的线性函数计算出来。电池组充电和 放电时具有不同的内阻,因此有两个函数来计算内阻Rint。 (2)电池组所能传输的功率受一定范围的限制。 (3)电池的Voc,Rim和实际功率P actu是二次函数等式中计算等效电路 电流的参数。 (4)由电池的电流计算出电池的SOC值。 (5)电池的热量模型计算出电池的温度,可用来确定其他的性能参数。 由上面两个例子可以看出ADVISOR的模型主要根据各部件的功率关系 建模,并且在仿真过程中根据实际情况作了适当的假设简化,使用了大量的 实验数据,这样可以大大提高模型的仿真速度和精确性。

3.1.1.2ADVISOR模型仿真国内研制的混合动力电动汽车所存在的问题 任何事情都有它的双蟊性,ADVISOR的设计者为了提高软件的仿真精
度和仿真速度,在仿真过程中使用了大量的实验数据,并根据实际情况作了 适当的假设简化,这些设置对于美国国内及和美国情况相近的国家的混合动 力电动汽车研究确实是十分便利的,但是对于中国这个同美国国内情况差别

潮:锅理篱太掌辅士掌饿论:赶

比较大的国家来说,使用ADVISOR作为混龠动力电动汽车的设计软{牛就不 是那么理想了,比如:ADVISOR孛馕用的工提都楚美厘阑内的工瀑,阉中 国的道路情况差别很大,如果在ADVISOR中使用我们自融的工况,叉由于 ADVISOR横据美嚣国疮豹工凌情况在傍套j蕊程串{餐了一魏篱德缓设,;嚣这 些在说明文件里是不会提及的,我们也无法根据我们自己的工况进行更改。 {乍为混合动力电动汽车这个十分复杂静汽车系统,失之毫覆谬以千里,一旦 仿真模型各部分不是很题配,所采用的参数不是很精确,仿袁结果同实际试
验的藏别将跫很大的,东风电动股份有限公葡已经通过大案工作证明了这

点。魇以我键蔫要囊己群发出逡食中黧霹馕的混合淤力电动汽摹仿真软《孛。 3.2选择键台图理论的依据 簧开发逶合串露餮锩豹混合动力俊真软佟,蓄先要逸撵舍逶豹建搂方 法,传统的建模方法是手正的方法,即根据特定的物理模型与物理定律列写 数学表达式。该方法不仅要求建模人受对待慈模系统有深刻的理解,丽疆能 熟练的运照数学、物理、力学、电工、电子等基础甄识。;c圣于混食动力瞧动 汽车这种多种能源并存的系统,使用传统的建模方法就会非常复杂,并且要 耗费大量熬瓣阕霸金钱,advisor撬耗费了美嚣国家链深实验室5零弱时翊稻 大量的金钱,而这魑都是我们耗费不起的。所以我们选用了键台图理论作为 我销鹣建筷方法,键合銎理论冤借其麓魂酌辆矜结祷,标准静建模参骤、基 于实簖零部件的对应关系使得混合动力电动汽车的建模过程大大简化了。并 且键龠图理论是通过各部件之间的物联作用关系建模,对于研制汗发混合动 力电动汽车爨具毒撰导意义。 3.2.1键合圈理论简介 镶会嚣怒一耱对王纛系统邀行动淼分辑瓣方法,特剩逶含予多耱能萋范 畴耦台而成的机、电、液一体化的复合系统。所谓键合图,就是描述系统功 率豹传输、转纯、贮存、耗教朗蘑形表示。它舀然黼真实,不抽省略,可插 述到系统的镪一个细节。凡是描述到的元件,都能搬它有关的参数帮变爨卷 入其中,并按客观实际存在的内部关系联系起来,建立起所需要的数学横型。 馋为磅究系绞动态特性浆方法之一,键会圈理谂毒它爨已戆特点,饺怒 状态方程作为数学模型的形式,而且方程的获得比一般的推理法容易,并且 畜一定匏程式,只要憝西毽键合强,藏爵鞋蠢便豹霹赛状态方稷。

叠:汉藿工夫掌硕士掌位论文

尽管键合图泫用状态方程作为数学模型,但它与现代控制工程里各种方 法求得的状态方程有所不同。现代控制工程的状态方程一般表现的是某单一
变量的不同形式,如位移、速度、加速度、加加速度等(由高阶方程转化而 来),当研究的参数越出这一范围时,就比较难以表达。如具有力、速度、

流量、压力、扭矩、角速度等都同时存在的系统,现代控制工程比较难以将 它们组合在~起,而键合图法就特别适合于描述这样的系统,它能够较方便
地囊括上述各种不相干的参数。 这种方法在1960年前后由美国的H Paynter教授提出,继而由美国的

D.C.Kamopp和R.C.Rosenberg等进一步发展起来,现在已广泛应用于机械、 液压、电学、热工、流体工程、生物工程、化学工程等各个学科,甚至在经 济管理、心理学等社会学科都有应用。由于混合电动车是一个典型的机、电、 液、气、热等相耦合的复杂系统,作者将应用这一方法对混合电动车进行建 模与仿真。以下对其进行一些简单介绍。、 3.2.1.1键台图的基本概念 在工程系统和物理系统中,相互作用的子系统必然传递功率,这是产生 键图的原始依据,也是用键合图描述系统的唯一依据:而这些有功率流动的, 都被称为“通口”。任何工程系统、子系统及其元件至少有一个或一个以上 个通口。在键台图中,用一根直线表示一通口,二根直线表示二通口,三根 直线表示三通口。通口处存在功率流,为了描述清楚,需要在通口的连接直 线上标注它们的功率变量。为研究方便,在键合图中把各类功率变量中的力、 转矩、压力、电压等用一个共同符号e(t)表示,称为“势”,把各类功率变量 中的速度、角速度、体积流量、电流等用另一个共同符号f(t)表示,称为“流”。 同~根直线上标注的势变量和流变量的乘积等于功率,即
P(t)=P(,)/(f)

此外还定义了两个能量变量,动量p(t)和变位q(t)。动量为势的积分,变 位为流的积分,即

p(,)=_fe(t)at
表3-1表示了几种不同范畴的功率变量和能量变量 表3.1
第22百

斌汉域工夫掌硪士掌位’沦文

l广义变量
I势e∞
流f(t)

机械平移通口
力F(O

机械转动通口
转糕T(O 角速度∞(t) 角动重L(t)

液压通口 蘧力U(t≥ 体积流基Q(t) 艇力动蓬多(t) 体积v(o

电通口

电援u(t,
电流I(t)

道度v(t) 动量p(t)
位移x(t)

动量p(t) 变位q(t)

磁邋链交鬣x(t 电赫q(t)

角位移e(t)

为使这样的宜线成为真正的“键”,除了要标波势变爨和流变量外,还 必绥逡择逮童戆功率渡囱,势确定势芋爨滚熬毅莱关系。功率滤匙翅半繁头表 示,通常是按下述原则进行选择:即谯键上功率占优势的方向定为正方向, 铡魏鑫驱动装置瀛淘受载。 键的因果关系的确定是为了区分两个功率变量的输入输出关系,其因果 线的袭示方法是这样的:在键翡一端加一短灏,表示势的方向,于是另一端 表承流的方向。商着霓传魄一端是因,离开元传鳇一端是累。圈3.10(a> 的左边部分和(b)的左边部分分别表示了两种基本键的谶法,右边部分是
捃应豹鼹释。

叫[=今
(a)

卜——一[二今
氆)

一j~

蚕3。|0键虢透莱表途方式

3。2.1.2键含图的基本元件 根据描述实际器件所需键的数目,可以将基本元件分为一通口元件,二 通口元l孛衣多逶隧结点嚣终;擞握掰糖绘翳元传懿物理特瞧又霹分为潺元 件、能量储存类元件和能蘑消耗类元件,以及描绘熊量形式转换的元件和控 裁旋繁分配蠡奄元露,将这三类瑟本元{孛缀合越来,舔可攒绘整令系统麓燕豹 储存,耗散,转化和分配等传递情况,以实现对系统的能爨描绘。各神基本 元件的简单情况如下表所示: 袭3.2
第23丙

武讽理工犬掌硪士掌位诗文
元髂 势源S。 滤源Sr 阻性元件R 容性元件e 惯性元件I 交换器{f
回转器GY

搐述 势e与滚f静变纯彼此不影响 势e与溅f的变化缓欺不影噙
势e与流f之间具有静态豳数关系 的元件

闵聚关系

Se——。叫
Sf卜——一

卜—。一R—-叫R
卜—j—e

势e每变伍q之间具有静态函数装 系懿元仕 流f与动量p之间具有静态函数关
系的元件

——叫工
卜——j-TF卜——h
———=■王F———二畸

ej_me2;mfi=f2。m为变换模数 el=rf2;rfi=e2,r为回转器模数 流结赢:努e相等

…0结点

卜^GY—叫 —叫GY卜讧 _臻轴


“1”结点

势绪点;流f相等

卜l阻
3T

3.2。1.3系统翡键台胬模整 物理添统的类型根据赝传递蛇能量形式霹以分隽极搬系绫、逛系统、流 体系统和热系统。这些熊量形式在系绞中可以是单一的,逸霉以是涎会灼。 工程技术中主要能量形式及其转换过程如图3.1l所承

姻:汉鼍£工大掌嘲E士掌位饨’:屯

图3-11主舞能量转换方式 对于不同的物理系统的动态分析都可以逐用键含图理论来进行,以下将 对不嗣的穗瑾系统的建模迸行簿革夯绍。

3.2…1 31毫辫豹键仓鹜
电压源——势源se;
电容——容程元件C;

电流源——流源Sf;

电阻——阻性元件R;

电感——惯性元件l:变压嚣——交换器髓

规则:l、对予电路中不同电位的节点各设鬟一个“0”结; 2、狂两个“0”结之间嵌入“1”结,褥将各有关一通口元件连在“1”
结上;

3、如果电路中有一个明最的接地电位,就于巴这个“0”结和与它相连 的键都去捧。如果没有接姥电位,也可选择任何一个“0”结去掉,但剩下
的“0”结电位都虚是相对电位;


4、对所有的键选择功率流向;

3…2 1 3。2机械平移系统的键合圈
力潺——势滚Se:
R:

5、爆革键采代替二通口“0”绫和“l”结。

速壤源——漉潦sf;

毽懋器一一疆瞧元俘

弹簧——容槛元件C;痿量块——惯谴霓件I;杠杼——交换器静
规则:l、对每个不同速度的质量块确定一个“l”结,某些“l”结表示绝 对速度,另一些表示相对速度: 2、趁相应的各对“l”结之闽,利鼹“0”维嵌入产生力懿一通口元 件(R元件和C元件),同时把各个惯性元件添加到有关的“l”结上; 3、辫定全都臻率方囱; 4、删去具有零速殿的“1”结及其上的各键; 5、将=通鞠的“0”和“l”绪精简戒誊通键。 3.2.1.3.3枫械圆转系统的键会图

力源——势源Se;
元馋R-

角速度源——流源Sf;

转动阻力——阻性

溉蔷l鼍L疋大掌艄士掌饿论文

扭杆弹簧(柔性轴)——容性元件c;质量块——惯性元件I;变速器 ——变换器善F
规则:1、对瘴个不同角速度的质量确定一个“l”结,某魑角速腹要参照惯 往空潮船淡确定,另一整翔为籀对螽速度; 2、利用“0”结,把产生转矩的元件嵌入图形中。并直接加上各个惯
性和速度的约束条件i 3、搬定全部功率方彝;

4、删去具商零速艘的“l”结及其上的各键; 5、将二逶躁戆“0”窝“l”绪精楚袋奁逶镳。
3.2.1.3.4液压系统的键合图

液压系统的键舍圈瓶蟊n炎缎子电系统,规赁|j: l、对缚个不同的服力点器设一个“0”结; 2、农每对“0”结之间嵌入一个“l”结,而模拟液压元件作用的键圈元件 则连在“l”缝上,在艇上势源袋流源;
3、确定功率流向;

4、对照参考压力潦定义各个嚣力,魏粟参考丞力毙大气撬辩,霹去簿遮一

参考的…0’结以及与之相连的备键。
5、确定因巢关系,编号。

3.2.1.3。5热蓉统的键合图 热系统中没有惯性元件,以温度为势,热流密度为流。但是温度和热流 的暴积不是髓率。热流奉赛具霄功率数霍缨。援定熬经露一秘势。纛滚f不 是功率变量的键台圈称为伪键台图。伪键合圈不能和标准键合图耦合,除非 诺动菜鳖特定熬元{孛。镄键舍图不遵守标准键台圈元{牟静篾则。 如果以温度为姆,熵流为流,则是标准键合图。

熟阻——阻性元件R,
!!‰费。!!=。
§I


“舀2

,有关系五j,292瓦屯,因果关系——叫R卜—一:
Q=日试一正)

键合组成律:

j,:—H(r,—-r2)


7i

s:型亟二圣12





H——热传递系数,热阻的倒数;

I÷c七刮

纯物质的键合组成律可以用C一场来表示,即

鼽k矿9㈡

p=p。。“”(意]一9””
T——绝对温度,TO为初始温度;

S—一熵;

广压力,pO为初始压力;
v——比容(单位质量的体积):

Cv一等容比热:
cp——等压比热,对于气体cp弋v+R;对于固体和液体cp=cv; R——理想气体状态方程pv=RT中的常数R=8.314 kJ/(km01.K),对于
空气R=0.2871 kJ/(kg.K)。

3.2.1.4由键合图建立系统的数学模型 在建立了键合图后还要对键合图进行增广,增广的意义在于对键图模型 除了初步的用键的形式特点外还需对键合图补充一些信息,以便于有顺序的 列出系统的数学方程,增广的内容包括: 1)对图中所有键加以命名;
2)确定每根键的功率流向;

3)确定每根键的因果关系: 一旦取得~个完全增广定向的键合图模型,就可以按照一种非常有规则 的程式拟订系统的方程式。结构不复杂的小的系统,能够直接写出状态方程。

叠:文理工大掌硕士掌位。论’:《

对于规模较大的复杂系统,就需要有一个关于推导方程的有步骤的程序。 这里提供一种很普遍的有效方法,可应用于工程实际的极大多数情况 有三个需要遵循的简单步骤: (1)选择输入,能量变量和共能量变量; (2)列出贮能元件的键合组成律方程和原始的系统结构方程组 (3)简化原始方程为状态空间方程的形式。 线形系统状态方程的标准形式为:
主2Ax+Bu

(3.1)

非线形系统状态方程的标准为
膏=≯(石,“)

(3.2)

在式(3.1),(3.2)中,向量。为状态变量,也就是能量变量,x为状态变量的 导数,“为输入量。式(3.1)说明状态变量的导数与状态变量x本身和输出量“

有关。A,B为常系数矩阵。因此,列方程的第一步就要求选定输入,能量 变量和共能量变量是很明显的。为了列方程的需要。必须就键合图上的每个 源元件写下一个对系统的输入量,它们对系统的作用体现在最终的状态空间 方程里。要注意的事情是,挑选状态变量不是任意的,它必定是贮能元件的 能量变量。因此就无所谓挑选,可直接列写。从积分因果关系出发,每一I 元件的P变量和每个c元件的g变量都是能量变量,由它们组成石向量。列 出共能量变量的目的是为了达到将状态变量的导数用状态变量本身和输入 变量表示。在写系统的结构方程对,会出现共能量变量,以达上诉目的,这
就是第二,三步所完成的任务。为了对这三步有切实的了解,我们以图3.12 为例加以说明。

量:试瑾工大掌司r士掌位论文

sf—,o jb l』刊I



与 l』白I 方 4 ≯
o C R





(a)

sf

b o—_州l—与1

种’P,





sf茄书_t寺I 斯’母t T‘

(c) 图3.12

图3—12(b)引入了输入变量_,I【¨。本例的能量变量是92和见, 其导数92和风分别是键2和键5的流和势,并标注在(c)图上。最后 将共能变量82和,s分别标注在键2和键5上,如(d)图所示的情形。至
此,已完成第一步所规定的指出输入,能量变量和共能量变量的工作。

下一步是以适当方式写出各贮能元件(即L2和05)的键合组成律。图3.12 (d)中元件乙z的线性形式的键合组成方程式为


P2

2_q2
。2

(3-3)

元件,s的线形组合方程式为

‘5

j s。7-ps
(3.4)



■:汉习‘工大掌司E士掌位论文

式(3-3),(3.4)表明共能量变量为能量变量所表述,以后可以用它 们代换。最后一步是写出各能量变量导数的方程式,并力求以输入和共
能量变量来表示它们。这种表示系统结构的最终方程称为结构方程。首

先写出…0结点的流方程,利用…0结的约束条件和按照已指定的因
果关系,可得到

口2=fu(t)一^

(3.5)

亩:为输出,^(,)、工为输入,由于键3的半箭头方向和流的方向不 一致,因此需加一负号,以后的结构方程的列写也遵循这一原则。虽然^ 不是所选择的共能量变量,但根据“1”结的性质,五:以,可用^代替,


q2=』(f)一六
将式(3-4)代入,结果是

(3.6)

口2:z(,)一_1
』5

p,

(3-7)

此式只含有x和U变量,这是状态方程组的方程之一。

由图3-12(d)可知。P5是键5的势,利用…1’结的求和关系式及前
述的符号约定,可得

见2巳一84

(3.8)

利用“0”结,可用8:代替如,故





02一%

(3-9)

武汉曩工^掌司E士掌位论文

8:可用式(3—3)代入,而8?既不是能量变量,也不是共能量变量 也不是输入量,因此需设法代换。根据键4的键合规律,有

(3.10)

因^2兀,故式(3.9),可变为

驴百1”R。如

㈦…

说明P5也可用x和u来表达,这就是状态方程组的第二个方程。由于 图3—12所式系统只有两个贮能元件,属--Fr系统,因此,也就只有二个 状态变量,状态方程组也就只要式(3.7)和(3.11)二个状态方程。最
后按X和u诸元的次序把式(3.7)和(3.11)加以整理,得

.吼



Z∽

.见

I|

』厶n


肘玉厶

如 (3.12)

。2f(q2,P”,“=Z(f)

(3.13)



肚l-鱼 IC2


0一一1

(3.14)

琏汉理工大掌硪士掌位崔?二《

B=㈦

涵渤

当靛麓元释的键会缀合律为裴线往澎式露,簸理起来簸誉斑线形系统 那样简单,设元件C2和15是非线形的,具有关系式 e2=丸“(譬2)

(3.16)

(3.17)

因系绫豹结构方耩没有交纯,裁式(3.12)躬线形元改为静线形元帮
可,有

口2=一织。(Ps)+fl(t)


(3。18)

P‘5=∥《孽2)-R。∥<尹,)l

总结上述迫程,可得到以下启幂;根据增广键合图列写状态方程的关 键是首先找出关键变攮(鄹辍入量,能量变囊,共能爨变量),然爱列出 键合组成律(能量变擞与共能量变潼之间的关系式)和结构方程式(状 态交量羚数专状态交繁稿输入垂之闯鹃美系式)。 3.2。2裂矮键合圈壤论傍囊混会臻力巍魂汽车懿倪势 攫撂键会嚣瑾论载分缨毒熟,键念錾理论卡努逶舍建立多§£源,多模式 的系统,而混合动力电动汽车工E是一种存在多能源,多驱动模式的复杂系统。 篌爱藩遥豹建模方法,就缀难戴一个湖时其有力、速度、流量、孤力、揠矩、 角速度等多种范畴的系统表达出来,丽键合圈理论却可以报容易办到。并且 我们所设计豹软件主要燎用来做性能分析并指导设计生产混合动力电动汽 车的。以整率这一块力例,键会图理论可以秘我们程_i殳计汽车翼雩爨要考虑款 问题有机的结合起来,它们之间的关系如图所示

—◇ 司,~
两~

蕾:§‘理工大掌司l士攀位论文

|I元件;



锌元◇ 浏
(c元件







图3.13汽车参数在键合图中所对应的基本元件 所以利用键合图理论仿真混合动力电动汽车有以下几大优点: 一1)可以开发出一种适合我国需要的平台,对混合动力电动汽车驱动 系统中各种部件类型、特性及参数都能修改;有计算技术的核心内核;
能进行计算机模拟及部件设计开发。

_2)从多能源领域的共性出发。用统一的数学分析手段,进行底层的
软件开发,掌握关键技术。

-3)根据键合图理论,进行发动机、电机、电池与车辆的键合图分析, 采用能量流将电、热、机械能量统一在一个数学模型中,随着混合动 力电动汽车不同的布置形式,可以方便、灵活地更改系统构成与元件
参数与特性(如非线性、间隙等。)

_4)因为键合图理论是根据各个基本部件的关系建模,所以所建的模 型既可以前向分析,也可以后向分析。

鼬:汉毒t工大掌领士掌位论文

第四章典型率型建模与仿真
在费缓了缝合瑟熬蒸本暴爨后,我襄裁簧镬鬟键台鬻淫论霹一些典鍪车 型进行仿真分析,在前谣我们介绍了混合动力电动汽车有三种熬本的缩构: 串联式、并联式裁漉联式。现在国际上通过多年酌实验磷究发现并联式和混 联式谯动力性和经济性方面都比串联式优越,邦把研究的踅点放在了并联式 和混联式上面。在这里我们也主器选取并联式混合动力电动汽车Insight和混 联式混合动力电动汽车pRIUs进行建模。 4.1本田Insight 疆本本疆公裁嚣发懿Insight如图夸|掰示,魏款车子2000年lO嗣上索, 是发动机主动性混合动力系统,由一个三缸发动机(50kw,5700r/min)和一

个永磁嗣多电动机(10kw,3000r/min)共同驱动,电动槐由144V的镰氢电
池组驱动,电池组霹剽用正常行驶的 富裕功率和下坡时的再崽制动能源 交电。Insight是燃淫效率爱褰蛉混会 动力汽车,燃料经济性为26~30km/L。

图4.1本田Insight混合动力电动汽车

4.1.1本田Insight驱动系统结构 本田insight的驱动结构如图4.2所示,在本田insight混合动力电动汽车
中有两个动力源,难要动力源为发动机,辅助动力源为电动机/发电机,电动

壤,发电捉安装在发魂援煞熬李囊搬飞轮之阕,帮弱发凌撬同辘转动,动力分配
为9:1,通过扭矩耦合共同驱动汽车。

图4.2

Insight驱动系统筒阑
第34耳

t-at疆工大掌硬士学位论文

4.1.2本田Insight驱动模式

Insight的驱动系统工作模式如图4-3所示,

凝墨


(-)启动/加速;(b)iE常行驶;Co)哦速/髓动;(d)行驶中蛤蓄电泡充电

装置(包括一动嚣、膏音嚣和齿轮籍);——电力接连;——藏蠢连接I—_帆雌接
图4.3 Insight混合动力电动汽车工作模式
由图上可知,

B一蓄电漕;E一内鼍机;F一油箱;O一澄电机;卜电动机;卜功率转攥嚣;}—传动

Insi曲t混合动力电动汽车在启动和加速时,辅助电机启

动,弥补汽油机启动加速度小的缺点,发挥电动机低速扭矩大的优点。同汽 油机共同驱动汽车,比如,发动机和电动机分别承担总功率的80%和20%; 在到达巡航速度时由发动机单独驱动。减速时,电动机作为发电机通过功率
转换器给电池充电。由于发动机和电动机驱动同一根驱动轴,因此当车辆轻 载时,发动机发出的功率也可以通过电动机转化为电能给电池充电。

4.1.3本田Insight驱动系统键合图分析及建模 4.1.3.1子系统键合图模型 根据键合图原理,首先建立各个子系统的键合图模型,然后再耦合成系
统模型。
4.1.3.1.1

动力源
l,Sl

Insight的驱动系统包括两个动力源:发动机和电动机。对每个动力源均

武汉葺L工大掌司【士掌位论文

简化成一个势源作为系统的能量输入。用惯性元件I表示动力源的转动惯量,
阻性元件R表示动力源的摩擦损失。得到动力源的键合图模型。如图4.4所


So————-=,i—————一

———-—?,0——————7

,●●p


图4.4动力源键合图模型

图4.5离合器键合图模型

4.1。3.1.2离合器 若考虑离合器的动态接合过程,则键合图将非常复杂。因为在这里我们 主要仿真混合动力电动汽车的动力耦合过程,所以我们可以忽略离合器的接 合过程,用一个惯性元件I表示主从动件的惯性,阻性元件R表示离合器的
摩擦损失,容性元件C表示扭转减震器的弹性,于是得到如图4.5所示的键 合图模型

4.1.3.1.3变速器 因为Insight混合动力电动汽采用的是手动五档变速器,如果考虑各个齿 轮的转动惯量、各轴的弹性,则键合图模型将非常复杂,所以我们使用当量 惯量和弹性来代替系统的惯量和弹性,一个TF元件表示转速比,则可以得 到变速箱的简化键合图模型,如图4-6所示





—7


i—_7 B









ki




?—?———7 i———-7 8————7

● ● ●y

I}R



图4-6变速箱的键合图模型

图4.7车轮的键合图模型

武汉曩工大掌硪士掌位啦?二≈

(4)主减速器和差速器
在研究主减速器和差速器时,应充分考虑到旋转部分的惯量、弹性、阻

尼和速比变换等,在这里键合图模型从略。
(5)车轮 弹性车轮是十分复杂的部件,采用键合图原理可以建立描述弹性车轮和

地面相互作用关系的动态模型。如图4.7所示,图中I元件表示车轮的惯性, C元件表示车轮的柔度和滑移,R元件表示地面作用车轮的阻尼损失。从动 车轮模型可以通过相似的方法建立。
(6)车身

在车辆行驶时,车辆自重、空气阻力和爬坡阻力等作用于车身。忽略轴 荷转移,并认为空气阻力作用于车的质心。建立模型,惯性元件I表示车的 平移质量惯性,阻性元件R表示车辆所受到空气阻力和爬坡阻力。通过等速 特性的元件1连接起来。键合图模型从略 4,2.3.2整车驱动系统的键合图模型 根据各个系统功率流的相互关系,将各子系统连接起来得到整车的驱动 系统键合图模型,由于混合动力电动汽车的传动方式灵活多样,所以在建模 中分别由三种工况表示,在动态特性仿真时,通过设定特定变量来控制工况
的交替变换。

(1)在混合动力电动汽车启动和加速时,发动机和电动机同时驱动汽车,
键合图模型如图4_8所示

卜 I-,

』t?


“’





T”

。”一长中}\!_百1}“"。∥!}I?‰”2守长,审。言代 ”

“。。一j1二,.”‘


“氓

/50



』?。


“p?”
”‘


\。。

,;。/fI。”I.。” … 。”
“7

\彳” 名1慕

“k誊!:

…歹∥”


\/



“l?s”T??”p”

I?。

武汉习【工大学硕士掌位论文

图8两个动力源同时驱动混合动力电动汽车的键合图模型 (2)当达到巡航速度时,由发动机单独驱动汽车,并且在轻载时驱动发电 机给电池充电,此时的键合图由将上图的7、8、9、10、11键反向获得。 (3)当减速时,发电机给电池充电,此时只需断开发动机,将车轮到发电
机的功率流方向取反即可。 键合图中各元件为:Sel为发动机输入的驱动力矩:Se2为电动机输入

的驱动力矩:12为发动机的转动惯量;R3为发动机的摩擦损失;15为扭矩 耦合装置的转动惯量;R6为扭矩耦合装置的摩擦损失:18为电动机的转动 惯量;R9为电动机的摩擦损失;113为离合器的转动惯量;R14为离合器的 摩擦损失;C16为离合器的柔度:118为变速箱的主动轴转动惯量;122为变 速箱从动轴的转动惯量;C25为传动轴的柔度;127为减速器的转动惯量: C3I为差速器的柔度;136,137为半轴的转动惯量;R34,R35为半轴的摩擦损 失;C40,C41为半轴的柔度;144,145为轮胎的转动惯量;Tf为作用在轮胎上 的阻力力矩;C50,C51为轮胎的柔度;M为汽车质量:Fw为空气阻力;Fi 为爬坡阻力。 4.2.3.2整车驱动系统的数学模型 键合图理论以状态方程作为系统数学模型。依据键合图规则对每个独立 的储能元件列出势方程和流方程,就得到系统状态方程。因为本系统传动方 式灵活多变,不可能对每一种传动方式都列出状态方程,为简化混合动力车 的能量管理控制模式,在此预设一个变量MGl:MGl变量主要控制发电机 的状态,在发电机给电池充电时MGl为.1,发电机作为动力源驱动时为l。 整个系统十五自由度系统的状态变量为:
X2{p2,p18,p27,p36,p37,p44,p45,p56,q16,q25,q31,q40,q41,qSO,q51)

根据键合图对系统因果关系和功率流方向得到状态量之间的关系,可列出混 合动力汽车驱动系统键合图仿真状态方程为:

恕=——I蒜焉i互J
[Sel+(Se2×MGl)/il一坐卜(R14+R6+R9/f1 2+跚×丝
f1 2x,2

盘:§U臣工大学硬士学位论文

P18

胖一f2×堕一(R23×,2 2+删×一P18 61c.J


c25





118



i2×122

声36:坐一业一R34x~P36
c31 c40 136
c31

髓,。筹啦8+R59/(fd_ratioxfd_ratio))×等一丽矗‰
l+
』18

户37:盟一盟一R35。盟
c4l 』37

户44;里竺一堂一Tf
c40

c50

户45:业一盟一Tf
C4 J

c5l

P56=罴+篇啦+F/)
d16:丝一坐


,2

118

d25:坠!!!一~P27


门8

127

j31-f3x堕一堡


127

136

q40:—P3—6一.P.—4—4—
136 144

口50~P44旦 a51~P45旦
137 145 144 156×,


j4l:—P3—7一—P4—5


145

156×,

4.2.4

MATLAB,sIMULINK可视化编程

4.2.4.1建立仿真模型 根据上述状态方程,建立混合动力汽车驱动系统的仿真模型。图4-9 所示为利用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立的仿真模型。

蕈39茧

武汉理工大学司f士掌位论文

图4-9混合动力电动汽车Insight的驱动系统仿真模型
4.2.4.2参数设定

仿真模块中所用的参数如下表4.1所示
表4.1参数列表

I键合图元件

模块参数
fc_trq_a



Sel

|P2 l 12
R3

fc_momentum
fc inertia fc



P5 15
R6

tc_momenttim
tc

intetia

tc-r

Se3 P8 18 R9

mc—trck_a

me_momentum
mc inertia mC


TFl

tc

ratio

P13 113 R14

cl_momentttm
cl inertia cl


所表示的意义 发动机可以提供的驱动力矩 发动机的输出轴的动量 发动机输出轴的转动惯量 发动机输出轴的摩擦阻力矩/发动 机输出轴的转速 扭矩耦合器的动量 扭矩耦合器转动惯量 扭矩耦合器的摩擦阻力矩/扭矩耦 合器的转速、 电动机可提供的驱动力矩 电动机的动量 电动机的转动惯量 电动机的摩擦阻力矩/扭矩耦合器 一+ 的转速 扭矩耦合器的传动比 离合器的动最 离合器的转动惯量 离合器的摩擦阻力矩/离合器主动


l 40贫

蕾:汉藿工大掌硕士掌位?沦文

q16 C16
P18 118

el_potential el—flexibility

gb_momentuml
gb_inertial gb_rl

R19

TF2 P22 122 R23

gb_ratio gb_momentum2 gb_inertia2

曲卫
gb-potential

q25 c25 P27 127 R28

gb_flexibility fd_momentum
fd inertia fd



TF3 q31 c31 P36 136 P37 137 R34 R35 q40
c40 q41 c4l

fd ratio fd

potential+di衄otential

fd_flexibility+diff_flexibility

ha_momentum
ha inertia ha momentum ha inertia ha ha
r r

ha_potential ha_flexibility ha_potential ha__flexibility

P44
144 P45 145

wh_momentum
wh inertia

wh_momentum
wh inertia wh potential

qS0

盘的转速 离合器的变位量 离合器的柔度 变速器主动轴的动量 变速器主动轴的转动惯量 变速器主动轴的摩擦阻力矩/变速 器主动轴的转速 变速器传动比 变速器从动轴的动量 变速器从动轴的转动惯量 变速器从动轴的摩擦阻力矩/变速 器从动轴的转速 变速器的变位量 变速器的柔度 主减速器的动景 主减速器的转动惯蠡 主减速器的摩擦阻力矩/主减速器 的转速 主减速器的传动比 主减速器的变位量+差速器的变 位量 主减速器的柔度+差速器的柔度 半轴的动量 半轴的转动惯量 半轴的动量 半轴的转动惯量 半轴的摩擦阻力矩/半轴的转速 半轴的摩擦阻力矩/半轴的转速 半轴的变位量 半轴的柔度 半轴的变位量 半轴的柔度 轮胎的动量 轮胎的转动惯量 轮胎的动量t一一二 轮胎的转动惯量 轮胎的变位置

?



蕾:汉罩E工大掌硬士掌位诗二≮
c50

wh_flexibility whjaotential wh_flexibility
r r

q51
c51
TF4

TF5

P56 156

vh rnomenturn
nl

轮胎的柔度 轮胎的变位量 轮胎的柔度 轮胎的半径 轮胎的半径 车身的动量 车的质量

在这里必须加以说明的是:

在定义车轮模块时,要考虑到由于车辆行驶时的滑移导致的能量损失, 所以对于车轮柔度和摩擦损失的计算应当在考虑到滑移的情况下进行修正。 由滑移导致的能量损失,可以分为扭矩损失和转速损失,扭矩损失由车轮键 合图中的R元件承担,而转速损失则由C元件承担。由于R元件由C元件 和车轮的转动惯量决定,所以我们只用调整C元件就可以了。 对元件的调整主要是计算出在汽车滑移时所产生的附加柔度,根据汽车 理论的原理,滑移率和制动力系数存在下图4.10的关系

动力/ 蔷】t

釜雾。

簸荷

,孽穆率=相x,ex滑动避£堂/壤动璩鹰
J:丝二竺:竺×100%
“o

s——滑移率: “m——车轮中心的速度: 一——没有地面制动力时的车轮制动半径; 执——车轮的角速度;
根据柔度的定义,可知要求滑移时车轮的柔度就必须知道车轮滑移的 角度,很显然,首先根据滑移率和制动力系数的关系求出滑移率,然后根据 滑移率和上式,可以计算出车轮在淆移时偏转的角度,进而得到车轮的附加
柔度。
l 42I

叠:汉理工夫掌硬士掌位论文

4.2.5同动力源模块的连接
4.2.5.1建立连接端口 上述过程只是建立了混合动力电动汽车的整车模块,要对混合动力电动 汽车进行仿真分析还需要连上动力模块,这样就需要建立同动力模块的连接

接1:3,即发动机所需的扭矩和转速,电动机/发电机所需的扭矩和转速。计算
发动机所需扭矩转速的模块如图4.1 l所示。

图4.11计算所需发动机扭矩的仿真模块

如模块所示,为了得到所需发动机扭矩,首先根据当前发动机的转速和 发动机的油门开度,及发动机的最大功率得到所需发动机扭矩的预设值,然 后根据当前所能够得到最大扭矩进行选择,得到最佳值。由于现在没有实验 的支撑,暂时使用发动机所能够提供的最大扭矩代替。待以后做了实验后, 再根据当前转速查表得出当前发动机所能得到的最大扭矩,这样得到的结果
将更准确一些。

计算所需电动机/发电机扭矩转速的原理与计算发动机所需扭矩的原理
类似,在这里就不加累诉了。 4.2.5.2连接原理

并联式混合动力电动汽车系统中燕车模块同动力模块的连接比较简单: 分别将发动机所需扭矩转速、电动机/发电机所需扭矩转速输入到发动机模块 和电动机/发电机模块,计算出发动机、电动机/发电机所能提供的扭矩转速。 4.2.5.2.1同发动机模块的连接

盘汉葺【工大掌硪士学位论文 但是由于键合图是根据部件的物理工作过程建模,所以对于发动机模块 来说,就需要仿真一分钟的过程要运算几千个循环,这样就会拖慢整个系统 的计算速度,也没这个必要。所以我们采用首先计算发动机模块,得到maD 图,然后根据发动机所需的扭矩转速查表得到发动机当前可以提供的扭矩转 速。 4.2.5.2.2同电动机模块的连接 电动机模块可以通过和电池模块的连接直接计算出电动机可以提供扭 矩转速,计算模块如图4.12所示

图4?12电动机模块 4.2.6仿真结果 仿真流程如图4.13所示:

阳j.1 1’rL~。~~一。5一 ;’一一jj磊ii;≤=二≥一 堑!全!丝!型{匾霉i堑型!堡堕!;距l霉

;"靠*锭』^JJ{’J Li o IIzz山桃
i-tf【,:}?』=了40j巫

吲型

l实际1i述卜?。叠五j
图4.13仿真流程

零j∥
lt4冒

如上图所示,首先输入标准工况图,根据仿真时间决定当前时间的需

燕§‘麓‘工大攀硪士掌位论:≮

要车速,然后裰攒运蘑镳舍萄壤论新疆建静整车模块帮控翩策略计算磁所需
发动机与电动机的扭矩转速。然后通过同动力模块豹连接计算出实际发动机 与电动机的扭矩转速,谯通过熬车模块算出当前时间的实际车速。将实际车

速圊所需擎速进行}E较,缝累爱馈绘控粼策略进行谖整控卷《变璧。在进入下
一个仿真时间节点的计算。

运嚣缓枣郊嚣繇遗工嚣,莹奏缝果燕霾4.14蕊承

—奠—'

—_——卜
时筒e

Ez孽I辞嚣 龌

i{两螽—1


蝴丽鞴r1

|柚

l∞
篓。
.∞




≥二I:錾


lL




蝴简■—■

蝴丽溺r—

”H瓤捌



叠:汉疆工夫掌司l士掌位崔?二≮

Ez瑷地摩《薛栅

j}两螽—]

1∞ 《 ∞



鬈o
’1∞



02毁#簟薹朴
∞ 1∞



.200

≮r—亩—1}—荀
时间。

。j



1∞

1∞







时河l 嘲黼胜II耗



陌■—]

两丽群]

t;两氟—]
棚 姗 姗

蝴f;ii蕊r]

……{沁=




强 牛塌
i\
i\、
1∞

{糟样苇掣 伽


f:

1∞





300

盯阿I

%黼癫■—]
第46黄

《自黻械 阿赢r1

武汉藕工大掌硪士举位截}文

…’扩…弛 卜≥阉……{
-?-*???f-??‘…??一??--。…

.I刊


?|卜■…’F …“I…专……女…{
J: ;’I


…’r…。r…’*…1


“港5”



蝴厨褥r]



{“

l“ 掌m
籼陌__—刁
4.2丰田PRIUS

….,j!:|

Ik— r


●●

1{
f;





i\

r“

爨本事疆公司开发懿P瓤US鲡圈4.15耱承,宅是畿赛主繁一静大援量
生产的混合动力汽车。落采用四缸发动机(4500r/min,52kw)和永磁同步电 动辊<1040—5600r/min,33kw)热同驱劝,通过一个功率分配装置,部行蓬齿 轮装凝,将发动机的能爨一部分传给率轮,~部分传给发电机。发电机发出 的能璧可用于增加电动机的输出功率,或者用于给电池充电,PRJUs的最高 车速隽160km/h,0--96km/h静 加速时间为12.7s。市区和公路 豹复合工撬豹臻演经济往为 20km/L。其燃油经济性和排放 性能比传统的燃油汽车提高很
客。

4.1。1车田PRIUS驱凌系统结构
丰田PRIUS驱动系统结构如图4一16所豕,丰田PRIUS包括三个动力源

武汉疆工大学qE士掌位论文 发动机,电动机和发电机,三个动力源通过行星齿轮系统连接起来构成多能

源的耦合驱动。发动机和行星架相连,齿圈轴和电动机(主要功能电动,但
能量回收时发电)传动轴相联并驱动传动轴,太阳轮轴和发电机(主要功能 发电,但起动时电动)相联。发动机所发出的扭矩可以通过行星机构传递到 驱动轴上驱动汽车,也可以驱动发电机,其扭矩的分配由动力分配装置控制; 发电机所发出的扭矩既可以向电池充电,也可以与电动机共同驱动。

图4.16

PRIUS驱动系统结构简图

4.2.2丰田P砌US驱动模式
PRIUS的驱动系统工作模式如图4.17所示 图4.17显示了PRIUS的六种工作模式。车辆启动或轻载运行时,发动 机关闭,由蓄电池给电动机提供电能驱动车辆;车辆正常行驶或节气门全开 时、车辆加速行驶时,发动机和电动机一起工作,共同提供车辆所需功率。 两种工况的区别在于,车辆正常行驶的动力仅由发动机驱动发电机提供,而 节气门全开加速行驶时,其动力由蓄电池和发动机共同提供,通常用功率转 换器即行星齿轮机构分流发动机的输出功率,一部分用于驱动车辆,一部分 用来驱动发电机;车辆制动或者减速行驶时,电动机工作于发电机模式并通 过行星齿轮机构给蓄电池充电;车辆行驶给蓄电池充电时,发动机一部分动

力用于驱动车辆,一部分动力用于驱动发电机给蓄电池充电;停车时,发动
机也可以通过发电机给蓄电池充电。

4.’.3丰田PRIUS驱动系统键舍图分析及建模
4.2.3.1子系统键合图模型
l 48茧

武舒0域工大掌顷士掌位论,≮

根据键合图原理,首先建立各个子系统的键合图模型,然后再耦合成
系统模型。
4.2。3.1.1

动力源

动力系统韵键合图模型中包括三个动力源:发动机、电动机、发电机。 对每个动力澡均簿必爻一个势源作为系统鸵§£量浚入,媳凌搜嚣{牛l表示
动力源的旋转惯匿,忽略动力源的力矩损必,得刹动力源的键合图模型, 翅溷4.18掰示:

瓤一 瓤一 蕊一
抽,

鞋置(瓤括镧动静、蔫台_和齿轮椎)}一嗽冉接连{——藏藏撼按l—_帆糙接
图4一16丰圈PPJ_U¥混合动力电动汽颦工作模式

卜鬻电油{肿内燃机Ip一油帽Ip采电帆#肛电辅机;卜虢榭按抖l州毒纳

‘?)感动,毒羹ti(b)搬壤l(t)拦常杼牲;fd)It琏/麟蘑; {t)抒赣垃翟孛静瞢毫弛兜屯{f1)簟电挂亮墩

捆:汉膏l工大掌司E士掌饿论文

C1


——一0
Se:se_l——7 l{o’———’r


一TPl 一忭


t}“

图4.17动力源键念图模裂 4.2.3.1.2行星齿轮机构

图4.18行星毒轮机构键合匿模型

行星齿轮援构三个露传鲍壤入{薮矩皱戴逶过转动毖在鸯墼噻台袋嚣这 到共姆耦合,而转速递加,采用基势缩耦合,并考虑行星齿轮机构的柔度和

镤譬。建立籀图3掰示豹攘鍪。灏孛髓i表示峦太戮轮嚣肉齿圈豹传动院(行
星架不动);TF2袭示由行星架列内齿圈的传动比(太阳轮不动);行星泼轮 杌构的惯性Il;太阳轮的柔度Cl;内齿圈韵柔度C2。

4.2.3,1.3主减速器鄹差遗器 在研究艇减速器和茇速器时,应究分考虑到旋转部分的惯量、弹性、阻
霆莘爨速毙变按等,在这璧键合黼模型扶略。 4.2.3.1.4车轮 键台蚕模鍪弹往车轮是十分复杂静都伟,采焉键舍图原理可戳建立简亿

描述弹性车轮和地丽相互作用关系的动态模型。键含图建模方法同势联式混
合动力电动汽车相似。

4…231。5车嶷
在车辆行驶时,车辆自重、空气隰力和爬坡阻力等作用于车身。忽略轴 薅转移,势认鸯窆气隧力佟瘸予车熬痰,&。建立模攫,偻往元{争l表示车的 平移质量惯性,阻性元件R表承车辆所受到筑气阻力和爬皱阻力。通过簿速

特淫豹元譬#l连接起来。键合潮模型从略。 4.2.3.2整车驱动系统的键会图模型 根据各个系统功率流的相互关系,将各予系统连接起米得到楚车的驱动
系统镳含墅模型,嶷于本系统载传动方式灵瀵多榉。赝以农建攘中分裂囊窝

武汉麓工夫攀司E士攀位论式

种工况表示,在动态特性仿真时,通j奠设定一些特定变量来控制工况的交替
交换。

(1)当加速行驶或爬坡时,三个动力源闻时驱动汽车。键合图模型如图
4。19所示。 (2)正絮幸亍驶时由发动机秘电动机驱动汽车,阗时鹱动发匙枫绘惫池充 电。该键合图将共况L1)中由7、8、9、10、1l、12键反向获得。

(3)当怒动积低速行驶获态瓣,只l蠡电撬黎,载发龟撬糕麓汽车,势起动
发动机。该键合图将共况(1)中由1、2、3、4、5、6键反向获得。 (4)减速制动时,廷将由车轮餮两个电梳驱动源的功攀流韵方向取菔。

“一’一二:7k
7 ’

、广—一
nq

le

I-。


茁h茁p。k 卜m飞



土拳 %
。k‰ 批。



一∥ ‰卜一雾


嘴 管

k∥

彳弋 卿

\。么/乞

一 m卜。≯秘k。p‰ 一一矿‰

‰卜;k‰ 扣,扣m

一;一 F。\≥您

鞠4.t9三耱麓力溪麓露驱动汽车鹃键含嚣 在键合图中各元件为: l,为单侧车轮滚动阻力矩;于0为混合动力车的

空气隧力:f;为混合动力车酌怒缓阻力:et为太瀚轮韵柔度;c”为蠹齿鬣 的柔度;翻为差遴器的柔度;C30?咖为半轴的柔度;C40,C4I为轮胎的柔度; 12为发电扰l的转动惯量;18为发动机的转动惯薰;如为行星齿轮机构的转 动馁爨;扎为电动机匏转动蠼爨;jls为减逮器数转动援爨;126,127必半辘
的转动惯量; 134,D5为轮胎的转动愤量;』a6车身质量。

4。2。3.2整车驱动系统熬数孥搂甏
键合图理论以状态方程作为系统数学模型。依据键食图规则对每个独

立鹊储能元律歹|l高狩方程翮流方程,就得到系统状态方程。霞为本系统传动 方式灵活多变,不可能对每一种传动方式都列出状态方程,为简化混合动力
车的麓量管理控制模式,在此预设两个变量MGl和MG2:MGl变量主要控
l Sl l

武汉毒t工大掌硕士攀位论文

制发电机的状态:在发电机给电池充电时MGl为.1,发电机作为动力源驱
动辩为l:M(往变量主簧控裁泡动机静狡态;在减速或翻韵时,电动机作为

发电机时为-l,电动机作为动力源驱动时为l。
整个系统十五自由度系统的状态变量为:
X={p2,p8,p14,p18,p26,p27,p34,p35,p46,q4,q2l,q30,q3t,q40,q4l,

根据键合图对系统因果关系和功率流方囱得到状态量之间的关系,可列 出混合动力汽车骤凌系统键合辫仿卖状态方疆鸯:

乡2=MGl×(sep坐)
C4

(J日p堡坐)x18


§s=一!l塑 fs’“o
壹14:MG2×sF2一—翼兰一
“×fl

宣lg。—丝一i3x里苎
0{xfl
c2l

西26。盟一她一R24×P2_L
C21 0强

126

西27:塑一盟一R25×旦翌 p¨业一TI—q4_.20 如:塑一计一塑

西4。:望竺+—芝一凡一只

扯卜攀簿)1×(1+意]一
垂:,:!!:曼竺一堡一旦三 垂,。:丝一业 ?M


134

幽:旦一旦
第52嚣

抽:汉瑚I工夫掌坝士掌博{}j≮

d40:卫一旦 a。,:婴一旦
』34 J 46x,


135

146×,

4.2.4

M解LAB,slMuL搿K可视化编程

4.2.4.1建立仿真模型
根据上述状态方程,建立混合动力汽车驱动系统的仿真模型。图4.20 所示为利用M_ATLAB/SIMULINK仿真软件建立的仿真模裂。

嚣4.20溪含动力奄动汽颦P瓣US静驱动系统仿卖模垄
4.2.4.2参数设定 仿真模块中掰爝的参数鲡下表所承 液4-2参数列表

l键舍辫元{孛

模块参数
gc_trq_a

臃霰水酾弼糕葸爻 发电机可以提供的驱动 力矩 发电机的输出轴的霹b量 发电巍输出辘戆转动揍 量


P2 12 q4 c4

gc_momentum gc_inertia

tx_potential_s

纷星嚣耱规构太强戆载
变位爨 行星像辁枫槐太阳轮的 柔廑 行星架不动时太阳轮积 肉齿黧豹蒋动眈

tx_flexibility_s il

Tn

武文稿L工大掌司【士掌位论:≈
Se2

mc_trq_a

电动机可提供的驱动力


P14 114

me_momentum
Ine

inertia

电动机输出轴的动量 电动撬羧爨转鲍转裁竣


q17

tx_potentiai



萼亍最齿轮枫梅内搬露虼
变位器 圣亍凰齿轮机构内拨圈的 柔度 发动机可以提供的驱动 力矩 发动机的输出轴的动量 发动辘麴输遗辘翡转动 惯量

c17

tx_flexibility_r

Se3

fc_trq_a

P8 18

re_momentum
fe inertia

PlO 110

tx momentum tX inertia

学量滚轮投物懿秘譬
行星齿轮机构的转动惯 量j 太阳轮不动时行星架和 内齿圈之同的传动比

T挖

i2

P18 118 {8 q21

fd momentum fd inertia fd ratio

主减速器的霸萋
主减速器的转动惯鬣

fd_potendal+di∞otential
fd

主减速器羽传动魄
主减速器的交位爨+差 逮器豹交佼鬟 主减速器的柔度+羞速

c21

flexibility+diff flexibility

器茨黍疫
R24 ha
一 r

半轴的摩擦阻力矩/半

辘鹁转速
R25 ha
一 r

半轴的摩擦阻力矩/半 轴鲍转速 半轴的动量 半轴的转动惯量 半轴豹动蠢 半轴的转动惯量 半轴豹交往嚣 半轴的柔度 拳辍豹交使黧

P26 126 P27 127 q30 c30 q31

ha momentum ha inertia

ha_momentum
ha inertia ha._potential ha_flexibility ha potential

武汉蔫L工大蜘硕士学位崔r二起
c3l P34 134 P35 i35 q40 c40 q41 c41 Tf4 Tf5 P46 146 ha flexibility wh_momentum wh inertia wh_momentum wh inertia

半轴的柔魔 轮胎的动爨 轮胎的转动惯量 轮胎的动爨 轮胎的转动惯量 轮胎的变位量 轮虢静柔畿 轮胎的变位量 轮狳的柔度 轮胎的半径 轮黔瓣半径 车身的动量 辜熬度量

wh』otentiaI
wh_flexibility wh potential wh_flexibility
r r

vh_momentum
nl

在这里要加以说明的就是:

簿于il稳i2瓣求瑟,辗攒下蚕40l掰承懿行蓬齿轮装置,其中太阳轮
和发电机相连,齿圈与电动机及传动装置连接,行星架与发动机相连,发动

机的动力一部分遗过雩亍羹齿轮偿给齿黼,然后通道传动轴传给驱动车轮,另 夕}一部分动力传给太阳轮经发魄机转化为电越。各部{牛的角速度瀵足下列方
程:

1一囊取齄12一恤疆f争q}曩集}扣扦卫鸯糖
露4正l撑基袁轮瓤稼簿圈
珊l+蛐?吐,2-(1十印)?d03等0

式中肇——基本诲数冼,秘。Z2/ZI; zl——太媛轮的巷数: z2——齿圈的齿数: 茹l,aJ2,∞3——分鬟袭示太羯轮、鸯整褪荦亍星絮耱角速菠
第55翼

武汉捌l工夫琳硪士掌位论二≈

1)il袭示行耀架不幼时太阳轮和内齿圈的传动比,即603。0


肚叱2=由
2)i2袭示太冁轮不动时行星架葶羹痰齿瓣之港熬铸毯魄,戮船120 得

肚%22%脚)
4.2+5弱裁宠滚模块魏遂接
4.2.5.1建擞连接端口 间并联式混合动力魄动汽车一样,也需要建立同动力模块的接口,建立 计算发动机所需扭矩转速的模块如图4.22所示 计算所需电机扭矩的原理与计算发动机所需扭矩的原理类似,在这里就 不热累诱。 4.2.5.2连接原理 PRJUS混合动力毫麓汽车系统嗣发动枫模块鹃连接瀚Insight一释,值 是因为PRIUS有两个电机,所以接车模块同电机模块的遗接要复杂一然,电 动机、发电枫和电池采取并联的连接方式。在启动拜寸,首先由电动机感动, 因为电动枫窟动撼矩比较大。她对电没给电动机提供能滁,蒡曼程襄动磊车

速达剥一定车速时,启动发动机.并麒可以通过发电机变为电动机模式给发 动极艇速,使发凌掇要抉垂冬达到离效攀区,魏薅毫法溺辩绘电动撬察发逛辊
充电。 车速这到一定时汽牮匀速行驶,发动税一边驱动汽车一边驱动发电机, 电池的充放电情况由电动机所需能量和发电机所需能量决定,即电动枧所需 能量大于发电机所能提供的能爨时,嘲池放电;电湖机所需能熏小于发电机

骶能提供的#§量时,电漶兖电。 汽车加速行驶时,电池放电,即发电机朔电池同时给电动机充电。
汽车减速行襄对,发动撬瑟开,粼发毫懿美爨;毫动税转交成发亳辊模 式,阐收能爨给电池充电。此时的充电电流控制在最大驱动电流的l/3,防 止过大电流充电是窀涟的寿命满短。

武汉鼍L工大掌砸士掌位论文

所以整车模块同电动机模块,发电机模块和电池模块连接时采用如图 4—23的连接方式。

图4—22计算发动机所需的扭矩和转速



,一墅篓粤+
7。i醑孥建

电动机 、——i~一…i=… 谚舱提供、 酌龟珏’1“j 蛮疑土u.,
空速
‘…一ul

}整车}羹篙二;藕。否』[=>厂一罨话
1_

暖一慧篓。_一夏乏订~、!鼍篡鏖一一-,1
图4.23连接方法 4。2.6仿真结果 采用同Insight同样的仿真流程,运行EUDC工况,仿真结果如图4.24

砖螗‘-~j龟舞

i一……。

蕾:汉薰工大掌硬士掌位论文

第58I

苎兰苎苎查兰!主竺苎竺查

l 5911-

捆:汉嫩工大掌习E士掌位论文

第五章

结束语

馁护人类赖以生存的自然疆境,珍惜逡球上有限的磊酒资源,是人钠需 要迫切解决的两大问题,在这种条件下传统汽车已经注定了被淘汰的命运, 焉中藿懿国情决定了发溪混会麓力惫动汽车是院较逶舍实际豹。在计算祝技 术十分发达、各大汽车厂商新产品开发日趋发达的今天,系统建模和仿真研
究更显重要。随着绿色奥运的摘近,混合动力电动汽车的歼发时间十分紧追,

面通过建立其仿真数学模型势对其实际工作状援遴行仿真分板,不仅便于灵 活的调整设计方案,优化设计参数,而且可以降低科研费用,缩短开发周期。 现在晷琢上已有鳃混合动力惫渤汽车仿真较佟却又因必套辩原因不楚壤适 合国内的厂商研制混合动力电动汽车,所以开发一个适合中国国情的混合动 力奄劝汽车落卖模鍪遥褒疆睫。 本人在综合考虑了混合动力电动汽车的特点以后决定使用键合图遐论 对其建模仿真,这是因为键舍图理论十分适含建立多能源,多模式的系统, 两遐舍动力电动汽车正怒一秘存在多%%源,雾驱动模式的复杂系绞。键合露 理论可以凭借其明确的拓扑结构,标准的建模步骤、基予实际零部件的对应 关系镬摄混合动力电动汽车的建模过程大大篱纯了。并且键台图理论楚暹过 各部件之间的物理作用关系建模,对于研制歼发混合动力电动汽车更具有指 导意义。为了验试键合圈理论的可行往,透过对本闳静Insight和丰丽豹 PRIUS两款比较巅型的混合动力电动汽车进行了仿真建模,结果表明键合图 理论可以对混合动力电动汽车避行动态特性仿真。并具有以下优点: 1)从多能源领域舱共瞧出发,用统一豹数学分撵乎段,避簿底层煎软l孛开
发,掌握关键技术。

2)根据键合图璞论,进行了发动机、电极、电池与车辆翡键合图分轿,采 用能量流将电、热、机械能量统一在一个数学模型中,随着混合动力电 葫汽车不同静布萋形式,搿戬方便、灵活魂更改系统构成与元件参数与
特性(如非线性、间隙等)。

3)使用键合图理论对混合动力电动汽车建模可以同时具有前向和后向的仿
真顺黟。

不过由于时间,实验条件等原因。我们所开发的仿真系统也存在着很多 缺陷,比如:1)在开发过程中缺少实验数攒豹验证,很多参数不是很准确,
蕈60I

武汉理工大掌砸士掌位’论’文

需要进一步通过实验验证;2)由于键合图理论使用了大量的积分计算,在 提高系统的精确性的同时却导致系统的稳定性不是很好。在以后的工作中可
以通过数学算法的改进提高系统的稳定性;3)使用的控制策略还需要进一 步改进,等等。在以后的工作中还需进一步完善和提高,比如可以通过提供

给混合动力电动汽车研制单位免费使用,就可以通过实验验证完善这个仿真
系统:对于系统的不稳定性可以通过数学算法的改进进行提高:控制策略也

可以通过以后在实验数据进行调试改善。

武汉理工大掌硬士攀位论文

致谢
本人的学位论文是在邓亚东老师和王仲范老师的精心指导下完成的。三 年来,从课程的学习和论文的撰写,导师给我的不仅仅是学术上的知识,还 有平常学习生活中无微不至的关怀和爱护。导师严谨的治学态度和高尚的品

德更使我受益非浅,让我明白了为人处世的道理,时刻激励着学生去探索, 去进取。值此论文完成之际,特向导师致以崇高的敬意和深深的祝福! 本论文的圆满完成也与教育部混合动力电动汽车仿真软件开发课题组每
个成员的辛苦劳作、协同奋斗密切相关。在此也一起表示感谢!

另外,本论文在某些方面难免荐在一些不成熟和欠妥之处,恳请各位老
师、专家批评指正,不吝赐教,谢谢!

戴档。冀}工夫攀硪士攀芷诒’:≮

参考文献
[1】.

Shuji

Naganno,Kunio Morisawa,Hideakl

Matsut,Ryuli[baraki.Hybrid

Drive

System Wherein Planetary Gear echanism Is Diaposed Radially Inwardly of Stator Coil of

Motor/Generator..US PatentNumber6155364.2000-05-28

【2】,Taehyun 【3】.
【4】.

Shim。Introduction

to

p姆sieal

System Modeling Using Bond Graphs,

University ofMichigan-Dearborn.2000-07 N D Vaughan,Integreted Powertralns and their Control,Professional Engineering

Publishing limited,2000
Julian Happian-Smith,An Introduction
to

Modem Vehicle Design,Reed Educational

and Professional Publishing Ltd,2002

【5】,
f翻. 【7】。

Gregor Hoogers,Fuel Cell Technology handbookCRC Press,2002
A V Smith,Vehicle Systems Integration,Professional Publishing Ltd,2000

J.Y.Wong,Theory ofGround vehicles,Third Edition。John Wiley&Sons,Inc.2001
Arun K.Jaura.Ford Motor

C魏}重ev¥.Vehicles强基Oo the Extra Mlie

and Are

Fun to Drive!SAE Paper 2002-21-0040

181.Xin Zeng,G。Major,Toyataka {9】.
f1 01.

Hirao,An Automotive Hybrid Heating System for

ParalleI Hybrid Passenger Cars.SAE Paper 2000-01*1276

Michael A,Kluger,Edward A。Bass,Don Szkbiel,A

Dual-Use埘brid

Electric

Command and Control Vehicle,SAE Paper 2001?01-2775

Michael B.Levin,Shailesh S.Kozarekar,Jeffrey Eliot Chottiner,Edmund Maucher,

Aliihsan Karamavmc,Robert Shankland,Hybrid Powertrain Clutch,SAE Paper 2002-01-0930

With An Engine?Disconnecting

ftll.TBD,Development 【12]. p 31。 "4】. 【1 5】. 【161.

of the Motor Assist System for the Hybrid

Automobfie.确e

Civlc Hybrid.SAE Paper 2002.21-0034
E Adam Korona,David L。Akin。Evaluation of


Hybrid Elastic Eva Glove,SAE

Paper 2002—01-2311

Marc Wiseman,Peter w.Brown,Nevitle Jackson,Lee M。Sykes,Jonathan C,
Antonio Mattucci,Giovanni Pede,Mario Conte,How to Improve Hybrid Vehicles

Wheals,A Hybrid and Fuel Cell vehicle Future.SAE Paper 2002-01-1908
for Environmental Sustainability.a Case Study Nigel Clark,Tom Baton,Paul

ofT№.r Impact,SAE Paper 2001.01-3290

Moynihan,Akunor

A孔Sheila

Lynch,Thomas C.

Webb,Operating Envelopes ofHybrid
Design of


Bus Engines,SAE

Paper 2001-01-3537
Mains Connection,SAE

Alexander E.Kern,Frank Krichel.Klaus.Peter Mueller,Lightning Protection Renewable Energy Hybrid?System Without Power

Paper 2001-01.2932

【17】-Luis Figueroa,Owen

R。Fauvel。Graham t Reader,Performance ofStilling Engine

Hybrid Electric Vehicles:a Simulation Approach.SAE Paper 2001,01.2513

#63

31E

t-;X.I工大掌司【士掌位论文
【1 8].
Abas

G.Goodarzi,Reza

Toossi,Thomas G+Ciccarelli,Assessment of Hybrid

Configuration and Control Strategies in Planning Future Metropolitan/Urban Transit Systems, SAE Paper 2001--01--2502

【1 9】.Harry

L Husted,Kaushik

Rajashekara,James Waiters,Comparative


Study of

Hybrid Powertrain Strategies,SAE Paper 2001—01—2501

【20]. 【2”

Suang Khuwatsamrit,Robert Schieman,Operating

12?Meter Hybrid-Electric Bus

in Bangkok,SAE Paper 2000.01—3107 Edward"fate,Stephen P Boyd,Finding Ultimate Limits of Performance for Hybrid

Electric Vehicles.SAE Paper 2000.01—3099

【22].David
Hybrid-Electric

L McKain,Nigel

Clark,Tom

Balon,Characterization of Emissions From

and Conventional Transit Buses.SAE Paper 2000-01.2011


【23]

Isaya

Matsuo,Shinsuke Nakazawa,Hiromasa Maeda,Eiji Ineda,Development of
Hybrid Propulsion System Incorporating


High-Performance 2000-01..0992

Cvt,SAE

Paper

[24].

Anthony

Palumbo,The”Space

Bus”-Performance,Major
and

Components。and

Implications for Engineered Hybrid Drive Systems for Medium SAE Paper 1999-01—3725

Heavy Hybrid Vehicles,

【25] 【261. 【27q.

Kaoru Aoki,Masataka Kumata,Reduction of Life Cycle CoD2 Emissions.The Paper 2001..01..3722

Example ofHonda Insight,SAE

Kenneth J.Kelly,Matthew Zolot.Gerard Glinsky,Arthur Hieronymus Test Results

and Modeling ofthe Honda Insight Using Advisor,SAE Paper 2001?01—2537

Kenji

Nakano,Shinobu Ochiai,Development of the Motor-Assist System for the


Hybrid Automobile---The Insight Development of the Motor-Assist System for

Hybrid

Car--Insight,SAE PaDer 2000-01.C079
【28]. 【29】.
on

Kanru

Aoki,John

M.German,An

Integrated

Motor

Assist

Hvbrid

System‘Development ofthe”Insight,”aPersonalHybridCoupe SAEPaper2000.01-2216

Kelly,K.J.,NREL,Modeling Tools for Predicting the[mpact of Rolling Resistance

Energy Usage

and Fuel Efficiency for Realistic Driving Cycles.International T{re
Markel,T’Optimization Techniques for Hybrid Electric Vehicle

Exhibition

and Conference in Akron.OH.(9/10/02.9/12/02)

[301.

Wipke,K.,

Analysis Using ADVISOR.International Mechanical Engineering Congress and Exposition,

New、,0rk,(11川,01.1 l,16/0¨
【3 1】 【32]. [33】. Kelly,K.J.,Mihalic,M.,and Zolot,M'Battery
Usage and Thermal

Performance

of

the Toyota Prius and Honda Insight for Various Chassis Dynamometer Test Procedures

Wipke,K.,NREL.ADVISOR and the Digital Functional Vehicle Process for

Analysis ofHEVs,the IAT HEV

Workshop

in Austin.TX

Kelly,K.(NREL),Zolot,M.(NREL),Glinsky,G(Environmental Testing Carp.),
Testing Corp.),Test Results and

Hiernnymus.A.(Environmental

Modeling

of the Honda

苇64霄

武议曩工夫掌硪士掌位论文
Insight using ADVISOR,SAE’s Future Transportation Technology Conference,Costa Mesa,

CA.(8/22/01) f34].

陈清泉,孙逢春《混合动力车辆基础》北京理工大学出版社2001.1l 张志勇《精通MATLAB5.39北京航空航天大学出版社2000.8 陈清泉,孙逢春,祝嘉光《现代电动汽车技术》北京理工大学出版社2002.11 王沫然fSimulink4建模及动态仿真》电子工业出版社2002.1 王长官《现代控制理论》哈尔滨工业大学出版社1997.7 陈桂明,张明照《应用MATLAB建模与仿真》科学出版社

f351. f36]
『37].

『381. 『391.
[401.

【4l】. 【421.

万沛霖《电动汽车的关键技术》北京理工犬学出版社1998.12 孙逢春,张承宁《电动汽车》北京理工大学出版社1997.1 潘亚东《键合图概论——一种系统动力学方法》重庆大学出版社.1990.1

[43].D.C.卡诺普,R.C.罗森堡.《系统动力学——应用键合图方法》【M】胡大统,邓
延光译机械工业出版社.1985.6
[441. f45]. [46]. 【47】.
[48].

李源,金约夫。洞察本田“Insight”混合动力汽车技术特征【J】,世界汽车,2000 邢伟岩宋振寰等,混合动力电动汽车进入实用化的关键因素,现代车用动 张学军,谢剑英,混合系统在Matlab环境下的建模,仿真与自动验证[J]。系
统仿真学报,2001.2

力.2002,(3).-1-4,24

杨宏亮陈全世,混联式混合动力汽车控制策略研究综述,公路交通科 刘彭年,自动变速器在客车上的应用,汽车技术.2001,ooo(oio).-8.10 赖坚,城市电动大客车的发展趋向,中国机电工业.2001,(15)..12.13 杨祖元秦大同等,电动汽车动力传动系统参数设计及动力性仿真,重庆大学 于文.探索未来的先锋一一本田Insight,汽车科技.2001,(3).-38?38

技.2002.19(1)..103.107 [491. 【50].

学报:自然科学版.2002.25(6)..19.22

[5I】.

第65页

基于键合图理论的混合动力电动汽车建模与仿真
作者: 学位授予单位: 高海鸥 武汉理工大学

相似文献(10条) 1.期刊论文 严运兵.王仲范.杜传进.胡晓林 基于伪键合图的内燃机建模与仿真 -内燃机工程2004,25(5)
内燃机是一个热力系统和机械系统耦合的动力装置,由于热力学系统的复杂性,真键合图的内燃机建模受到了一定限制.为此,提出了基于伪键合图的内燃机建模方法,建立了内燃机全工作过程的键合图模型,导出了此模型的状态方程.并结合某混合动力汽车的内燃机结构参数,对该模型进行了动力学仿真,得到了理想的仿真结果.

2.学位论文 刘旸 基于键合图的MEMS动特性仿真与分析技术研究 2004
作为对微机电系统物理行为模拟的一种重要手段,动特性分析在微机电系统设计过程中起到了非常关键的作用.该文针对MEMS动特性建模与仿真过程中的多能量域与非线性等特点,提出一种采用键合图/框图混合模型进行MEMS系统建模与仿真的方法.并在该方法的基础上开发了相应的软件原型系统.对于MEMS系统级动特性仿真,该文在键合图场理论的支持下建立 集中参数表达的键合图模型对微机电系统器件行为进行描述,并在此基础上建立了一个包含电致热阻器、梁、质量块、静电叉指等元器件在内的MEMS动特性仿真元件库,以此来更好的支持MEMS结构化设计.同时,基于设计空间映射理论的MEMS动特性仿真模板的建立也进一步为MEMS再设计过程提供了方便.对于MEMS器件级动特性仿真,该文提出了一个利用键合图分布 参数模型对键合图元器件进行有限网格描述的建模方法.由于器件级仿真与系统级仿真统一采用键合图模型进行表达,因而系统级仿真所需要的器件行为模型的提取变得十分简单,从而能够得到更为精确的仿真结果.此外,包括时域/频域分析、仿真优化在内的仿真后处理为MEMS仿真结果解释、系统性能预测与评价、系统结构改进提供了保证.最后经过仿真实例的验 证,建模过程与仿真结果都很好的验证了键合图法是一个非常有效的MEMS动特性仿真方法.

3.期刊论文 黄洪钟.祖旭.张旭 基于Matlab/Simulink的键合图仿真 -大连理工大学学报2003,43(5)
提出基于Matlab的Simulink仿真工具箱的键合图仿真方法,此法可以省去状态方程的推导,还可以利用Matlab的强大仿真及二次开发功能.介绍了将键合图模型转化为方块图的步骤和方法,以及如何选择和自定义Simulink模块,实现与方块图的一一对应.最后结合实例做了说明,验证了该方法的可行性.

4.学位论文 唐传茵 键合图理论在汽车振动系统中的应用 2004
该文在研究键合图基本理论的基础上,运用键合图理论对二自由度、四自由度、五自由度振动模型的主动、被动控制系统进行了建模,并利用最优控制理论对各个模型进行仿真.该文主要研究内容如下:1.键合图基本理论及其研究键合图方法是一种工程系统动态分析的新方法.在键合图理论中,用标准的图形符号构造了有限个基本元件来代替系统的真实器件.键 合图由通口、键、键变量、变换器及回转器、节点等构成,用简明的图形来表示相互作用的动力系统和单元的能量变换,贮存和消耗.键合图用图形来描述系统功率的传输、转化,因此键合图是真实而自然,不加省略,而且它可以将机械、电、流体等多种参数和变量统一在一个图中,适合于机、电、液一体化系统的动态分析.键合图理论不仅可以研究振动、随机振动 ,而且其推导状态方程的方法也很适合于主动控制悬架方面的研究.2.应用键合图理论进行建模的研究着重分析了汽车两自由度垂直振动系统、纵向角振动被动、主动控制系统的键合图模型的建立与系统状态方程的求取;四自由度振动系统;五自由度振动被动、主动控制系统的键合图模型的建立与系统状态方程的求取.3.键合图仿真的研究作为动态设计所感兴趣的 是计算机仿真,因为一个系统如果有了初步拟定的物理模型,也就有了必需的各种参数.根据键合图技术描绘出的系统键图模型,可以推导出反应系统动态特性的状态方程并进行算计仿真,在机器上求出所要了解的主要变量的过渡过程时域解.文章应用现代控制论的方法,对汽车行驶过路面时的响应进行了计算机仿真分析,并对仿真结果进行比较,得出被动与主动悬架 的不同特性.为在设计阶段预测系统动态性能打下基础,提高设计效率并保证设计质量.

5.期刊论文 胡建军.秦大同.孙冬野.杨亚联.杨为.HU Jian-jun.QIN Da-tong.SUN Dong-ye.YANG Ya-lian.YANG Wei 金属带式无级变速传动键合图建模及仿真 -重庆大学学报(自然科学版)2000,23(2)
无级变速传动是汽车理想的传动方式,金属带式无级变速器是目前最成熟的无级变速器.作者在详细分析金属带式无级变速汽车传动系工作机理和变速特性的基础上,运用键合图理论,建立了该传动系统的键合图分析模型,推导出无级变速传动的状态方程.基于这一动态模型,仿真分析了汽车在加速及阻力突变时的动态响应过程.结果表明:键合图模型能够很好地 反映无级变速传动的动态特性.本研究结果为进一步研究无级变速传动系统提供了理论分析方法和设计依据.

6.期刊论文 林超.李润方 多流传动卷扬机系统的键合图模型及仿真 -重庆大学学报(自然科学版)2002,25(4)
双驱动卷扬机是在行星减速器基础上发展起来的节能、环保型新一代卷扬机.简述了卷扬机多流传动系统的基本原理,采用键合图理论和方法,建立卷扬机多流传动系统耦合振动键合图模型,推导出传动系统的状态方程,并进行了系统动力学的仿真分析,获得了系统内部各部分状态变量的变化规律及关系,较全面地揭示了系统的传动性能及动态特性.研究结果为 进一步深入研究卷扬机多流传动系统提供了动力学分析方法和设计依据.

7.期刊论文 刘旸.江平宇.LIU Yang.JIANG Ping-yu 基于Web的键合图法MEMS系统级多能量域仿真平台 -系统仿真学报2005,17(2)
通过对MEMS系统级仿真方法的研究,讨论了运用键合图法进行MEMS系统级多能量域仿真的可行性,提出了一种采用键合图/模拟框图混合表示进行MEMS动特性仿真的方法,并在该方法的基础上开发了一套基于功率键合图的MEMS系统级多能量域仿真软件平台xj_Bond.同时一个基于键合图多通口场与结型结构的微元件库(包括梁、质量块、连接点、静电叉指等微元 件)也在该仿真平台上得以实现,从而更好的支持了MEMS"Top Down"设计流程,并为系统快速建模提供了方便.最后通过一个多能量域MEMS系统仿真实例对该平台的有效性进行了验证.

8.学位论文 廖连莹 基于键合图的混合动力电动汽车用电机的建模与仿真 2004
该文所做的工作是教育部课题"混合动力电动汽车驱动系统计算机模拟及设计软件开发"的一个组成部分,主要是利用键合图法对混合动力电动汽车电机进行建模与仿真.电动汽车,特别是混合动力电动汽车是一个集机、电、液、磁和热等于一体的多能源系统,而电机作为电动汽车驱动系统的重要组成部分,本身就是一个机、电、磁综合的系统.利用现代控制工 程很难将它们组合在一起,而作为研究多能源系统动态特性方法之一的键合图法却能很方便的把它们统一起来.因此利用键合图法对电机进行建模有其自身的特色和优点,除了能方便的得到电机自身的模型外,为以后与电动汽车的其它模块方便的连接起来奠定了基础.该文在分析电机物理模型的基础上,利用键合图法对电动汽车永磁无刷直流电机进行了建模.该文的 创新之一就是把键合图法运用于电机的建模中,这在国内尚属首次.然后根据所得的电机键合图模型,借助MATLAB/SIMULINK仿真平台建立了电机的仿真模型.同时还建立了电机控制器的仿真模型.在所建模型中进行了仿真实验,分析了电机各参数的变化对输出结果的影响.作为混合动力电动汽车用的电机要求能够满足频繁地启动/停车、加速/减速,低速或爬坡时要求 高转矩,高速行驶时要求低转矩的大范围变速,以及实现再生制动的需要.与常规工业驱动电机相比,要求就高得多.该文分析了电机实现再生制动的原理,建立了相应的模型,并在此基础上,把电机系统模型与整车的键合图模型接合起来.然后选择了"单电机并联"和"双电机混联"两种驱动模式,分别在DC_LOWPOWER和DC_EUDC工况下进行了整车的仿真实验,得出电机在实 际工况运行中的特性.建模过程及实验结果表明,键合图法是一种适合于多能源系统的建模方法.建立的电机模型为混合动力电动汽车整个系统的建模,特别是驱动系统的建模与分析提供参考,具有一定的工程意义.

9.期刊论文 姜明.侯硕.才建军.韩清凯.张天侠.闻邦椿.JIANG Ming.HOU Shuo.CAI Jian-jun.HAN Qing-kai.ZHANG Tian-xia.WEN Bang-chun 基于键合图理论的汽车发动机液压悬置动特性的仿真研究 -机械设计与制造2008,""(4)
应用键合图理论,建立了汽车发动机液压悬置的键合图模型并导出数学模型,利用Matlab/Simulink仿真工具建立了悬置动特性的仿真计算模型.将仿真结果与实验结果进行对比分析,并应用所建模型分析了橡胶主簧刚度、橡胶主簧等效活塞面积、惯性通道长度和惯性通道横截面积等参数对悬置性能的影响.结果表明,在低频激励条件下的模型仿真结果与实验结 果的变化趋势一致,数值基本吻合.液压悬置键合图模型能够较好地分析液压悬置的低频隔振特性.

10.期刊论文 胡晓林.王仲范.廖连莹 变结构系统的键合图仿真 -机械设计2004,21(5)
针对一类随开关量改变其系统结构的物理系统,提出用键合图对其各个状态进行分析和建模,在引入与各开关元件对应的逻辑变量的前提下,列写系统的统一的状态方程式.文中分别以机械系统、电系统和空气热力学系统的各一个实例进行了讨论,并给出了相应的仿真结果.

引证文献(1条) 1.陈可 电磁式助力转向系统的性能分析与仿真[学位论文]硕士 2005

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y572715.aspx 授权使用:西安建筑科技大学(xajzdx),授权号:2c963478-da7a-433e-8561-9ded00f3bfba 下载时间:2010年9月10日


相关文章:
邓亚东
系统的键合图建模与仿真 5)PRIUS 混合动力汽车驱动系统键合图建模与仿真 6)...理论版 2005 ,1 期 13)基于模糊控制的电磁式助力转向控制系统 14)汽车 42V ...
汽车学位论文题目参考
于键合图的混合动力电动汽车用电机的建模与仿真 基 于键合图理论的混合动力电动汽车建模与仿真 汽车发动机的变结构控制和智能控制方法研究 吨矿用洒水车结构计算及...
武汉理工大学汽车工程学院14导师介绍
电动汽车前向仿真中驾驶员模型的建模与仿真,2004.6...基于转矩分配的并联式混合动力电动轿车能量管理策略...1 期 4)HEV 驱动系统的键合图建模与仿真 汽车...
直动式溢流阀的键合图建模与仿真分析
(kg/cm3),泵理论流量Q0(cm3/s), %阀口遮盖量X1(cm) ,重力加速度G(cm/...基于键合图的汽车悬架系... 5页 3下载券 船用蒸汽轮机键合图建模... 8...
AMESim为新能源汽车加速
和内阻特性的电池模型,非常适合混合动力汽车的应用(...(主要是粒子的分压和温度)和电动势(外 部电路)...而基于功率键合图理论的建模方法,满足了不同研制...
电动汽车中的IGBT模块
2 电动汽车中 IGBT 的工作原理 本文所指的电动车包括混合动力(HEV)和纯电动...图 8 功率循环导致键合线失效 IGBT 功率循环的寿命可以通过式(1)来模拟: 上...
电动汽车系统中的电力电子技术(最新)
混合动力车(HEV)和电动车(EV)正逐渐成为“绿色”...在两种 电压范围内,APM 都采用直接键合铜(DBC)...理论上,由于 10 倍左右的涌入电流缩短了灯泡的寿命...
基于模型的设计(MBD)
基于模型的设计(MBD)_电子/电路_工程科技_专业资料...电动车控制 器(VCU),变速箱控制器(TCU),混动动力...的基础上,提供了多领域,多层次的键合图理 论平台...
关佳伟长春大学毕业设计译文
基于物理建模技术,将使 highfidelity 仿真和设计。 ...——电阻同伴(RC)[21]建模和键合图(BG)[22]...将导致一个独特的强大混合动力电动汽车的智能设计 ...
小型汽油喷射发电机组的建模与仿真-毛静婷
2000 年道路车辆与非道路动力机械总排放量 中:约 ...基于瞬态热传递计算理论上, 该库用于对气体中的热...类似于功率键合图法, 但要比功率键合图法更 先进...
更多相关标签:
动力学系统建模与仿真 | 车辆动力学建模与仿真 | 混合动力仿真 | 结构动力学建模和仿真 | 混合动力汽车 | 混合动力 | 油电混合动力汽车 | 卡罗拉混合动力版 |