混合动力电动汽车驱动系统方案设计.doc

(完整word版)混合动力电动汽车驱动系统方案设计混合动力电动汽车驱动系统方案设计摘 要：面对新世纪能源和环保的巨大压力，混合动力电动汽车(HEV)成为当前主流清洁能源汽车。混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能与驱动系统结构设计和参数的匹配以及车辆在行驶过程中的协调控制密切相关。文章以某并联混合动力电动大客车为研究对象，进行了混合动力驱动系统配置、混合动力驱动系统部件选型和参数设计、多能源动力总成控制系统及其控制策略方面的研究。关键词：混合动力电动汽车；驱动系统设计；控制策略；Drive System Design for Hybrid Electric VehicleAbstract: Facing the challenges of oil shortage and air pollution, Hybrid Electric Vehicle(HEV) becomes one of the main clean vehicles. In this dissertation, With a parallel hybrid electric transit bus as the main research subject, the hybrid power drive system(HPDS), the multi-energy power train control system，the power control strategy modeling are studied and analyzed. Performances of HEV, in terms of driving, fuel consumption, and exhaust emission, strongly depend on the coordination of the drive train and their control strategy.Key words: Hybrid Electric Vehicle; Drive System Design; Controls strategy6引 言近几十年来，世界各国汽车工业都面临着能源危机与环境保护两大挑战。为此，各国政府纷纷制定相应对策，力图开发出新一代清洁节能型汽车1。以电能作为动力源，无污染、清洁、高效的电动汽车因此逐渐登上历史舞台，发展前景十分诱人。电动汽车(EV)是一种电力驱动的道路交通工具，具有广泛的内涵，一般包括蓄电池电动汽车或纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV) 2。由于电池技术的瓶颈，纯电动和燃料电池电动汽车技术发展相对缓慢。目前，混合动力电动汽车由于其高的能量效率和低的排放性能向传统汽车提出了极大挑战，发展势态迅猛，市场化进程很快。我国“十五”国家高新技术研究发展计划(863计划)将电动汽车以重大专项列入，并且将混合动力电动汽车作为现阶段电动汽车发展的重点和方向3-5。1 混合动力电动汽车的分类和特点1.1 混合动力电动汽车的定义混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新车型。一般是指采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力。通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车6。混合动力汽车按混合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种；按混合度(电机功率与内燃机功率之比)的不同，又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。1.2 混合动力电动汽车的分类1.2.1串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机、电池组、驱动电机和控制器等主要部件组成。发动机仅仅用来发电，所发出的电能通过发电机供给电动机，电动机再将电能转换为机械能驱动车辆行驶。发动机和发电机只是作为车辆的一个辅助动力单元，当发动机的输出功率超过汽车行驶所需要的功率时，发电机将发出的部分富余电能转向为电池充电，以提高汽车的续驶能力。此外，电池也可以单独作为能量源，将自身的电能提供给电动机来驱动车辆行驶，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶7。电动机是串联式混合动力汽车唯一的驱动模式，发动机通过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。串联式HEV驱动系统的结构如图1.1所示。图1.1 串联式HEV驱动系统的结构1.2.2 并联式混合动力电动汽车并联式混合动力驱动系统的结构如图1.2所示，与串联式混合动力汽车不同的是，动力电池组通过电动/发电机输出的机械能和发动机输出的机械能进行叠加来驱动汽车，可以组合成不同的驱动模式。并联式混合动力电动汽车主要由发动机、动力电池组、电动/发电机、电机控制器等部件组成，发动机功率和电动/发电机功率分别约为电动汽车所需最大驱动功率的50-100(最大)，能量利用率高。图1.2 并联式HEV驱动系统的结构1.2.3 混联式混合动力电动汽车混联式混合动力汽车也可以称为串一并联混合式混合动力电动汽车，它可以分为单桥驱动混联式HEV和双桥驱动混联式HEV两种8。混联式混合动力驱动系统的结构如图1.3所示，混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，它的结构形式和控制方式充分发挥了两种驱动形式各自的优点。混联式混合动力电动汽车主要是由发动机、发电/电动机、电池组、驱动电机和控制器等部件组成。能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，在结构上可以保证汽车在复杂工况下工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。图1.3 混联式HEV驱动系统的结构2 混合动力客车驱动系统关键部件选型和参数设计现根据课堂教学内容，以及课外收集的相关文献资料，对一种混合动力电动汽车驱动系统的方案进行设计。此次设计采用方案为并联式混合动力驱动系统。2.1 混合动力客车驱动系统的关键部件选型混合动力汽车的关键驱动部件为:发动机、蓄电池、电动机及其控制系统等。本HEV主要动力元件的选型依据样车对它们工作特性的要求。2.1.1 发动机型式HEV的发动机要求有一定的驱动功率，能够满足基本的动力性能要求。能够与驱动电机一起提供HEV所需要的最大功率。HEV的发动机功率一般要比同级别的内燃机汽车要小。混合动力系统的发动机追求的是高效率，而不是高功率，便于发动机的最优化调整，保证燃料充分燃烧。发动机的排量相对小一些，有助于降低摩擦损失，而加速时的动力不足可以由电机来弥补。直喷柴油发动机(CIDI)是目前大中型汽车广泛使用的动力装置，技术比较成熟，热效率高，燃油经济性好，有害排放物相对较低。另一方面，由于电子控制技术、废气增压技术、尾气处理技术等在柴油机中的应用，使柴油机的综合性能尤其是排放性能得到明显提高。因此，无论是从混合动力系统自身的特点，还是从车用动力的发展趋势来看，对于近期混合动力汽车而言，沿用技术成熟的先进直喷式增压柴油机是实际可行的方案。2.1.2 蓄电池型式电池仍然是混合动力汽车一个十分重要的部分，但是由于在混合动力汽车中，电池不再是唯一的能量载体，电池仅在车辆启动、低速运行、加速等工况下工作，对能量和容量的要求不像纯电动汽车那样苛刻，所以混合动力汽车电池的重量和成本都有大幅度下降，选择范围也更为广泛。由于铅酸电池可初步满足并联式混合动力客车的要求，并且从成本和布置方面考虑，铅酸电池也还被目前混合动力大客车较多采用9。2.1.3 电动机驱动系统型式电动机是混合动力汽车的驱动单元之一，电动机驱动系统包括电动机、功率电子电路及控制部分。混合动力汽车对电机驱动系统的基本要求为:1.电机驱动系统具有宽广的调速范围，有着与汽车行驶一致的动力特性。简言之，低转速时恒转矩，高转速时恒功率。最高转速越高，在同样的额定输出功率下，转速越高，电动机尺寸、重量越小。2.动态性能好电机驱动系统要能够频繁地起动/停车、加速/减速。3.为了减少汽车的非有效载荷，要求电机驱动系统体积小、重量轻，功率密度大，在短时间内具有较高的过载能力。4.高效率这对于电动汽车意义尤其重大。5.电气系统安全性和控制系统安全性抗振动、耐腐蚀、低噪音;抗干扰，具有较好的电磁兼容性。6.能够四象限运行，实现正反转和再生制动。7.高电压电压越高，电动机尺寸、重量越小，功率转换器成本越低。8.适合批量生产，价格便宜，便于维修。对电机的选用还要考虑其控制系统的特点，要求能实现双向控制，对再生制动能量可以回收。目前混合动力车上可采用的电机一般为三种型式:交流异步电机、开关磁阻电机、永磁无刷电机10 11。考虑到技术发展趋势和性能要求，交流电机驱动系统成了混合动力汽车的主要选择。2.1.4 关键部件选型结果在并联式混合动力大客车上，发动机应选择比基础车功率小一点的直喷式增压柴油机;基于成本、可行性，以及并联式混合动力客车对电池的要求，蓄电池应取性价比高的免维护铅酸蓄电池;电动机及其控制系统选择交流感应电动机和其相应的控制器。2.2 混合动力客车驱动系统部件参数设计混合动力汽车动力传动系的设计也应满足车辆的动力性能要求。动力系统部件的参数可以根据动力系统的控制策略、决定载荷的整车参数(如整车整备质量、空气阻力系数、滚动阻力系数等)和车辆的性能要求等来初步确定12。2.2.1 整车参数及动力性指标混合动力样车是以某系列传统公交车作为基础车设计的，其整车参数如表2-1所示：表2-1整车参数按照设计的目标，并联式混合动力大客车动力性计算指标如下：(1)最大车速80km/h(2)最大爬坡度为25(3)0-50km/h的加速时间t26s(4)蓄电池单独供电，放电深度80，平均速度50km/h时的续驶里程S40km。2.2.2 发动机功率的计算混合动力公交车在城市运行的速度不是很快，根据动力性需求我们确定的最高车速为=85km/h。在其经常运行的巡航车速范围内单独由混合动力汽车发动机提供功率。混合动力汽车的发动机应能单独驱动汽车平时行驶要求的功率，并留有一定的富余功率给电池充电。即： （2-1）式中：Pemax 发动机最大输出功率/kW整车动力传动系效率V最高车速/Km/hm整车质量KgCd空气阻力系数f滚动阻力系数A一迎风面积/m2把表中的参数代入式中得：而在高速工况下整车基本上由发动机单独驱动，考虑空调开时的负载功率，所以发动机功率初步选择为110kw东风康明斯生产的直列六缸增压中冷柴油机，具体参数如表2-2:表2-2 ISBe150-30柴油机技术参数2.2.3 电动机功率的计算由于并联式混合动力汽车的电动机只在低速(低于20km/h)和加速时工作，所以电机功率的选择须满足汽车的加速要求和最大爬坡度以及纯电动运行的续驶里程等3项要求。根据所选电机为高效率的交流异步电机先估计电机的效率为0.9。 （2-2）以汽车在10km/h速度爬坡25来计算所需的功率： （2-3）因此驱动电机的功率必须满足PmcPmc1及PmcPmc2，所以我们初步选择驱动电机的额定功率为66kW，峰值功率150kW。表2-3 驱动电机技术参数2.2.4 电池参数计算电池参数匹配的一般做法是，首先确定电机的最大工作电流、工作电压范围和电机的最大功率，考虑电压对电池寿命的影响，确定电池的额定电压和电压范围；接着根据纯电动行驶的能量要求来决定电池的能量，从而计算电池的容量及重量等。研究和工程实际表明，限于绝缘材料以及安全考虑，电动汽车最高电压一般低于350V。由公式2-4可知电池输出电压越高同等功率下，工作电流越小，则电池内阻损耗的能量越少，故综合考虑，我们选定电池的额定电压为300V。由公式2-4可以计算出电机驱动系统的最大工作电流。 (2-4)式中：U0_bat-电池的额定电压，300VPm_max-电机驱动系统的峰值功率，150kWIm_max-电机驱动系统的最大工作电流，A采用的是铅酸电池电压为12V，由25个电池模块串联而成。根据上文确定的车辆性能指标，在平均车速为50km/h时纯电动行驶达到的续驶里程40km。 (2-5) (2-6)考虑电池设定的放电深度为80。故蓄电池组的标称总能量应选为E/80=28/80=31.5kWh。由电池的容量=能量/电压，所以电池的容量=31500/300=105Ah综合考虑为确保整车足够的续驶里程以及实际情况中所应付的其它阻力以及驱动附属设备，电池型号等方面的因素，最终确定电池的容量为200Ah，具体参数见表2-4。表2-4 蓄电池组参数2.2.5 主减速器比的确定对于并联式混合动力汽车，原则上应尽量选取较大的主减速器速比。主减速器速比越大，汽车的加速和爬坡能力越强。其大小主要根据汽车的动力性和燃料经济性的要求选定。主减速器的传动比一般为3.5-6.7。但过大将使从动齿轮的尺寸增加，减小了离地间隙，降低了汽车的通过性。在选择主减速比时，还要考虑车辆最高车速的要求，同时要注意发动机和电动机在低速时要有一定的剩余功率用于加速和爬坡。i0的选择首先应满足车辆的最高行驶车速要求即： (2-7)式中：nemax驱动发动机的最高稳定转速/r/minrr轮胎滚动半径/m另外为使驱动电机在车辆最高车速时仍能输出最大功率i0的选择还应满足： (2-8)式中：nep驱动发动机最大输出功率点对应的电机转速。主减速比介于两者之间，结合原基础车型的主减速比，我们取为6.5。2.2.6 变速器比的选择高速档变速器比的初步选择主要考虑发动机的工作区间是否穿过发动机工作的经济区域，城市公交工况车速一般都不高，除了经常运行在车速0-20km/h之间(此时为纯电动)，发动机工作时对应的车速经常在35-40km/h之间，由公式得知 (2-9)对应的发动机转速在l160-1330r/min，根据发动机万有特性图可知，转速工作在发动机燃油经济性比较好的工作区域。同时在发动机最高转速2900r/min下，车辆对应的最高车速也达到87km/h，故此发动机满足设计要求。由于本车设计要求在低于20km/h低速状态下只有电动机单独提供动力，即在低速爬坡工况下只由电动机单独提供转矩，低速档变速器数比的初步选择主要考虑到汽车在纯电机工作下电机低速能够达到爬坡所需要的最低转矩并且要有一定的转矩富余用于爬坡加速。有公式： （2-10）得低速爬坡所需最小传动比： （2-11）式中：i0-主减速比G-整车重力f-滚动阻力系数i-坡度Ttq-电机最大转矩-传动系统机械效率由于考虑到还需要留出一定的爬坡富余转矩故ig应大于以上计算值，综合考虑变速器档位之间传动比比值不宜大于1.7-1.8，也不宜过小，最后选定最大传动比为2.89，在2.2.3节中所选电机基速为900转/分，低速恒转矩1600NM，由公式2-9可得V=25km/h，而电机的工作区间大部分在20km/h以内，故所选择的电机也能满足整车动力性的需求。表2-5 部件选型结果3 混合动力客车驱动系统的结构及工作原理综合考虑，选择结构如图3-1所示的并联式结构，其特点是驱动电动机通过离合器与发动机同轴安装，再通过主减速器和变速箱驱动后桥13。图3-1混合动力客车单轴并联结构图该系统的工作原理为在车速低于20km/h(包括倒车)时离合器分离，仅由电动机经过传动轴驱动后桥行驶。发动机则带动空气压缩机、动力转向油泵及空调压缩机等：在车速超过20km/h匀速行驶时，离合器结合，发动机经过离合器、电动机、主减速器、变速箱和传动轴驱动后桥前进(此时电动机的转子仅作为传动轴的一部分)：在车速超过20 km/h并加速行驶时，除了发动机经过离合器、电动机、主减速器、变速箱和传动轴驱动后桥前进外，电动机也驱动后桥前进，此时为两套驱动系统共同驱动：减速或制动时，电机再生制动回收能量。4 混合动力客车驱动系统的控制策略控制策略的制定是混合动力电动汽车开发的关键技术之一，因为其直接影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能14。针对具体结构，如何根据车辆运行工况确定发动机和电动机动力分配，保持发动机工作在高效低排放工作区，延长电池使用寿命对于混合动力电动汽车驱动控制系统来说至关重要。因此，必须对混合动力电动汽车进行结构与控制策略分析，只有选择正确合理的控制策略，才能达到混合动力电动汽车节能和环保要求。不同的混合动力汽车需要不同的控制策略来调节和控制功率从不同部件流进和流出，从而实现不同的控制目标。一般说来，混合动力汽车控制策略的控制目标主要有三个：(1)最佳燃油经济性；(2)最低的排放；(3)最低的系统成本15。在设计混合动力汽车控制策略时，应该着重考虑以下一些问题：(1)优化发动机的工作点。基于最佳燃油经济性、最低排放或者二者相结合，根据发动机的转矩转速特性曲线确定最优工作点。(2)限制发动机的最低转速。当发动机低速运行时，燃油效率很低，因而当发动机转速低于某一值时，应切断发动机的工作(关闭发动机或将离合器分离)。(3)合适的蓄电池荷电状态。蓄电池的SOC值必须保持在适当的水平上，以便在汽车加速时能提供足够的功率，在汽车制动和下坡时能提供回收能量。(4)安全的蓄电池电压。在放电、发电机充电或再生制动时，蓄电池的电压会发生很大变化，应避免蓄电池电压过低或过高。否则，蓄电池会产生永久性损坏。(5)分工适当。在驱动循环中，发动机和蓄电池应合理分担汽车所需功率。(6)工况选择。在某些城市或地区混合动力汽车应以纯电动的模式工作，这种转变可以通过手动或自动来控制。目前应用于并联混合动力汽车的控制策略主要包括电力辅助控制策略、建立在固定循环工况上的全局优化控制策略、综合管理控制策略以及自适应控制策略等。在该并联式混合动力客车驱动系统中。发动机和电机分别作为车辆高速和低速行驶时的主要动力源。需要对发动机和电机进行协同优化控制，整车基本控制策略如下16 17：(1)当车速低于某一设定值，电池SOC值大于最小值时，电机提供全部驱动转矩，发动机关闭。(2)当发动机在给定的转速下提供所需的转矩，但工作在低效率区域时，若此时蓄电池允许充电(SOC值小于0.8)，电机作为负载工作在发电状态，增加发动机的需求转矩。从而提高发动机的效率。(3)当电池SOC值过低时，发动机除了提供驱动汽车所需功率外，还提供部分功率给电机，电机工作在发电状态，为电池补充电能。(4)当汽车处于加速工况时，发动机和电机同时工作，电机对发动机助力。(5)当汽车减速或者制动时，电机工作在发电状态给电池充电，回收制动能量。5 混合动力客车驱动系统的优缺点该并联式混合动力电动客车的优点18：(1)具有发动机和驱动电机两个动力源，每个动力源的功率设计为车辆驱动功率的50-100即可，因此质量和体积都要小很多，适合布置在小型汽车上。(2)该并联式混合动力电动客车的基本模式是发动机驱动模式，没有机械能-电能-机械能的转换过程，总的综合能量转换效率要比串联式汽车高。当车辆需要最大输出功率时，驱动电动机可以向汽车提供额外的辅助动力，因此发动机功率可以选择得较小，使汽车的燃油经济性提高。该并联式混合动力电动客车的缺点：(1)由于基本驱动模式是发动机驱动，故需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，在总布置上基本与内燃机汽车相同，动力性能接近内燃机汽车，发动机有害气体的排放高于串联式汽车。(2)发动机驱动模式需要装离合器、变速器、传动轴和驱动器等传动总成，另外还有驱动电机、动力电池组，以及动力组合器等装置，因此使动力系统结构复杂，布置和控制也更加困难。并联式驱动系统最适合在城市间道路和高速公路上行驶，行驶工况稳定，发动机经济性和排放性都会得到极大的改善。6 结束语(1)分析了混合动力汽车的驱动系统结构类型和各自的特点。(2)根据混合动力汽车设计的基本原则，完成了整车动力源(发动机、电机和电池)主要参数以及传动系统速比的设计。(3)提出了基于该混合动力电动客车的整车基本控制策略。(4)简要分析了该串联式混合动力电动客车驱动系统的优缺点。参考文献：1 段岩波，张武高，黄震.混合动力电动汽车技术分析J，柴油机Diesel Engine，2002,(6):4346.2 陈清泉，孙立清.电动汽车的现状及发展趋势C陈清泉院士论文选集：机械工业出版社，2005.3 阿布里提阿布都拉，清水健一.电动汽车的发展现状和开发动向J.电工电能新技术,2000,(1):4953.4 王冬，硐光宇，陈全世.混合动力电动汽车动力系统选型策略分析J.汽车工业研究,2001,(1):1720.5 曹正策，胡琴.混合动力电动公交车产业化构想J.汽车工业研究,2005,(12):3840.6 李兴虎. 混合动力汽车结构与原理M. 人民交通出版社.2009.1.7 胡骅，宋慧电动汽车(第二版)M人民交通出版社，2006.10.8 崔胜民新能源汽车技术M北京大学出版社200999 Martin Schmidt，Rolf isermann，Bernd Lenzen，etal，Potential of Regenerative Braking Using an Integrated Starter A1 ternatorJ. SAE 2000-01-1020.10 柳长立，电动汽车驱动系统的电动机选择J.汽车技术.2005.11 Pragasen P.Ramn K.Modeling, Simulation and AnalysiS of Permanent-magnet Motor Drivers, Part, the Brushless dc Motor Drive. IEEE Trans. 2009.12 余志生，汽车理论M.北京:机械工业出版社，2002：87-95.13 云非.混合动力客车动力系统设计D.武汉：武汉理工大学，2008.14 保华，王伟明,张建武等.并联混合动力汽车控制策略比较研究J.系统仿真学报,2006,18(2):401404.15 过磊.混合动力电动汽车驱动控制策略与能量控制系统研究D.南宁：广西大学，2006.16 舒红，秦大同，胡建军.混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势J.重庆大学学报：自然科学版，2001，24(6)：28-31.17 赵子亮，刘东秦，刘明辉等.并联混合动力汽车控制策略与仿真分析研究J.机械工程学报，2005，41。18 吴军座.混合动力电动汽车动力驱动系统的方案设计和仿真研究D.西安：长安大学，2010.