并联混合动力汽车能量管理设计与仿真开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1)研究意义:汽车的出现改变了人们的出行方式,汽车已经与人们的日常生活息息想关,汽车的普及程度已经成为衡量一个国家工业实力和现代化水平的重要标志,汽车产业的发达也是一个国家先进制造业水平的代表。一百多年来,汽车技术日新月异,汽车性能趋于完善,然而传统汽车一直消耗化石燃料来充当动力来源,一方面化石燃料是不可再生能源,在不久的将来,对化石能源的开采和利用会趋于枯竭;另一方面,随着汽车需求量的不断扩大,汽车尾气排放问题也越来越严重,所造成的环境污染影响也是巨大的,汽车尾气排放给我们的生活带来了巨大的灾难。汽车尾气污染问题和化石能源的不可再生问题已经成了汽车发展道路上不得不面对和解决的两个巨大难题。面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题,寻求社会、经济、资源和环境的协调可持续发展成为社会发展的新潮流和新风向。因此,开发新能源汽车势在必行,开发低排放、低油耗的新型车辆成为世界各国共同关注的焦点。

纯电动汽车具有清洁、安静和效率高的优点。但受制于电池技术和驱动控制技术,纯电动汽车的发展较为缓慢。对于纯电动汽车,它的关键技术是储能电池,开发低成本、高持续历程的纯电动汽车是电动汽车发展的终极目标。只是,目前纯电动汽车的初始成本太高,电池充电时间长,一次充电行驶里程有限,电池使用寿命短,基础设施建设不完备等问题仍然是其发展瓶颈。在这种情况下,混合动力型汽车收到青睐。国际电工委员会电动汽车技术委员会对混合动力汽车的定义为:多于一种能量转换器来提供驱动力的混合型电动汽车,指在一辆汽车上同时采用电动机和发动机作为其动力装置,在高级控制系统下使两种能量装置的动力协调配合,实现最佳能量分配,实现汽车的燃油经济性和减少尾气排放的功能[2]

尽管混合动力汽车不是零排放车辆,结构也较为复杂,然而汽车产业界已经对未来汽车技术的发展趋势达成了共识,认为混合动力汽车不但是传统燃油汽车到零排放汽车的过渡产品,也是目前实现超低排放车辆商品化的可行方案,被普遍认为是目前最具有开发和推广前景的新型清洁型交通工具,随着污染和能源问题日益突出,混合动力汽车已成为最近公关交通工具研究的热门[8]

2) 国内外研究现状:美国、日本和德国等发达国家在很早就开始了混合动力汽车的研发,美国汽车公司一直以并联混合动力汽车为主要研究对象,美国三大汽车公司通用、福特和戴姆勒—克莱斯勒在2004年组建了生产混合动力汽车和燃料电池汽车电池联合开发公司并投资开发新一代环保型双动力汽车所需要的高性能锂聚合物电池。日本的混合动力汽车的研发和生产多是基于本国的大型汽车公司独自进行,直接面向消费市场,应用型更强。日本汽车公司占据了全球的混合动力汽车的大部分市场,其中本公司推出的Prius系列和丰田公司的insight车型是非常具有代表性的优秀车型。德国的混合动力汽车研究也处于全球前列,在斯图加特和维塞尔已经有混合动力客车运行,并联式混合动力汽车Duo也开始批量投入市场[3]

我国在“八五”和“九五”计划期间就已经着手混合动力汽车关键技术攻关和整车的研制工作。国家“863”计划中确立了“三横三纵”研发布局(三纵:混合动力、纯电动和燃料电池;三横:电池、电机和电控)。清华大学和同济大学分别研究了燃料电池电动客车和再生制动系统;北京理工大学主要研究了纯电动汽车动力电池、混合动力汽车的动力总成技术;重庆大学对混合动力汽车制动系统进行研究;武汉理工大学主要研究城市公交混合动力汽车建模和仿真;吉林大学对混合动力汽车仿真、参数的选择和优化进行了研究[4]

综合看来,国内外政府和企业非常支持混合动力汽车的研发,在技术水平及产业化方面取得了较大的成果,但混合动力汽车的发展迫切需要进行大量的具有创造性的研究实验工作,以提高混合动力汽车的能源利用率。

表1 国内开发的部分混合动力汽车及其参数[6]

厂家

车型

混合形式

电池

电机

长安

杰勋混合动力轿车CV11 MPV

并联

镍氢144V

(6.5A.h)

永磁电机

(10KW)

奇瑞

A5ISG混合动力轿车

并联

镍氢144V

(6.0A.h)

永磁电机

(10KW)

东风

EQ7200HEV

混连

镍氢电池

永磁同步电机

比亚迪

F3EDM

双模

铁电池60A.h

永磁电机

2. 研究的基本内容与方案

混合动力汽车按照动力传动系统布置方式进行分类可划分为串联式结构和并联式结构。串联式混合动力汽车结构简单,动力系统由发电机、发动机、电动机和电池组组成。发动机、发电机和电动机以串联形式连接,发动机和发电机之间为机械连接。串联式结构的发动机的动能和电池组的电能最终都向电动机提供电能来驱动汽车。串联式混合动力汽车的优点是结构和工作原理简单,控制系统设计容易实现,但是燃油的热能需先转化为动能,再转化为电能驱动,能量转换环节中能量损失大,导致燃油经济性低。并联式混合动力汽车串联式混合动力汽车的区别是其既可以单独通过发动机驱动汽车也可以单独通过电机驱动汽车。由于发动机通常工作在满负荷条件下时燃油经济性最好,因此可以用电机平衡发动机载荷,使其工作在高效区。当汽车行驶在路面载荷较小的条件下,可用电动机单独驱动车辆,或增加发动机工作负荷给蓄电池充电。并联式混合动力汽车的优点是通过机械装置使得发动机与驱动轴直接相连,能量利用率较高

并联式混合动力汽车更适用于人们的日常需要,因此拟对并联式混合动力汽车进行研究,并联式汽车结构如下图所示。

图1 并联混合动力汽车结构图

2.2 拟用仿真软件——ADVISOR

ADVISOR是Advanced Vehicle Simulator(高级汽车仿真模拟器)的简称,ADVISOR上可进行数十余种类型汽车的性能研究,是一款非常优秀的汽车仿真软件。本并联混合动力汽车的经济和动力性能主要在ADVISOR建模和仿真,研究其燃油经济性、加速和爬坡性能,另外也可研究汽车整车及部件的性能和相关设计,例如对一些设计参数进行优化匹配。混合动力汽车的整车性能也会受到控制策略的影响,ADVISOR可以研究控制策略参数的匹配问题。ADVISOR的运行界面如图所示:

图2 ADVISOR开始运行界面

在打开ADVISOR的仿真运行界面后,就可以根据需要仿真的混合动力汽车控制策略,点击START按钮进入到混合动力汽车仿真参数界面,如图所示。

图3 并联汽车混合汽车ADVISOR软件参数设置界面

在参数设置界面显示混合动力汽车的基本参数和性能指标,该界面有多种汽车部件参数可以进行优化来为下一步的仿真做准备。ADVISOR的仿真和循环工况界面提供经典的循环工况,例如CYC_UDDS、CYC_EDUC和CYC_NYCC等[5],可以在该界面进行单个周期或一个程序的调试,也可以设置初始条件,多个周期和循环工况,根据不同的循环工况可以对已知参数并联混合动力汽车的动力性能、电池电荷量、尾气排放和燃油经济性进行模拟仿真,从而确定汽车的最佳运行方式,这也是本论文拟研究的主要内容。

2.3 Simulink环境下并联混合动力汽车仿真模型

建模与仿真是电动汽车复合电源系统分析与设计的重要环节。并联混合动力汽车模型框图如图4。该模型不考虑驾驶员的意图和离合器、变速器等的动态过程,具有计算速度快、计算效率高等优点。适用于汽车传动系统与动力系统的能量转化、能量控制策略、不同工况下汽车加速度、爬坡度、最高车速、能耗率等的分析和研究。

图4 混合动力汽车仿真模型框图

该模型中箭头方向代表仿真数据传递方向,数据自左到右代表后向仿真路径,数据自右到左代表前向仿真路径。ADVISOR首先进行后向仿真,由道路循环工况(drive cycle)提供给汽车所应满足的行驶轨迹,向整车模块(vehicle)请求所需的速度,整车模块利用汽车行驶方程式计算出满足这一速度请求所需的车轮转速和力,再向车轮和车轴模块(wheel and axle)发出请求,请求沿后向路径逐级向上级模块主减速器模块(final drive)、变速器模块(gearbox)、离合器模块(clutch)、机械负载模块(Mechanical Accessory Loads)等传递,直到发动机模块(fuel converter)计算出需要发动机提供的实际功率,由此完成后向仿真过程。在完成后向仿真后,ADVISOR便进行前向仿真。它首先从发动机模块开始,将后向仿真计算出的发动机功率沿前向路径传递给机械负载模块,所获得的扭矩和转速传递给下一级模块[10]

下面简要介绍仿真模型中核心模块电池模块、电机模块。

2.3.1 锂电池模块

电池模块的主要功能是接收从传动系统中传送过来的功率请求,并根据当时的电流、电压和SOC值来确定输出功率。计算电池输出功率包括五个子模块:a)内阻和开路电压计算模块;b)电流计算模块;c)功率限制模块;d)SOC计算子模块;e)温度估算子模块[11]

锂电池也因其高能量储存密度、使用寿命长、具备高功率承受力、自放电率低、重量轻而被广泛运用于电动汽车。拟采用锂电池组作为混合动力汽车的电池组。在整个混合动力汽车系统中、电池模块是一个能量源的作用,研究内容主要是能量管理策略及汽车性能,因为不是研究电池的充放电过程,故可以把锂电池进行理想化处理。锂电池可以等效为一个理想开路电压源Vbt,cell和一个内阻Rbt,cell的串联组合。若干个锂电池构成锂电池组模块,锂电池组的开路电压为Vbt,其等效内阻为Rbt,其等效模型如下:

图5 锂电池组模型[7]

在ADVISOR软件里面可以根据有关锂电池输入

输出特性方程、电池电荷量越电压关系、闭合电路欧姆定律,荷电规律建立并联混合动力汽车的simulink模型。该模型应该包括电压和内阻模块、功率限制模块、输出功率模块和荷电状态模块。拟选用SAFT AL45E锂电池,查找资料的其相关参数如下:

表2 SAFT AL45E锂电池特性[7]

名称

数值

最大容量(安时)

44Ah

内阻

3.6m#8486;

最小电压

2.9V

最大连续放电电流

50A

最大瞬时放电电流

100A

储存能量

140Wh

质量

0.91kg

价格

40美元

至于模型中锂电池组的锂电池的数量待后续计算仿真优化时再确定。

2.3.2 电机模块

电机模块也可以用ADVISOR里面的simulink搭建,暂不研究其复杂的电磁作用,主要考虑电机的机械特性,如给定条件下的电机的输出转矩和转速。电机模块的作用是将变速器传来的请求转矩和转速通过MAP图转化为请求的功率输入到电池模块里,并将电池模块所提供的实际功率转化为电机能够提供的转矩和转速。在后向路径的计算过程中考虑了所选电机的最高转速和最高峰值转矩的限制,并考虑了电机的效率的影响。

在本论文拟研究的内容里,电机选择大概从以下几点考虑:电机具有良好的性能、较低的重量和较小的尺寸;较高效率保持很宽的转速范围;电机成本不高和易于维护。附表为拟选电机参数。

表3 拟选电机参数

参数

数值

峰值功率

35-50 kW

最大功率

70-90 kW

最低电压

120V

最高电压

375V

质量

90-105 kg

2.4 功率跟随式能量控制策略

对并联混合动力汽车的能量管理拟采用功率跟随式能量控制策略。

并联混合动力汽车功率跟随式能量控制策略的基本特点为,发动机作为主要能源,提供混合动力汽车基本功率及为锂电池组充电。锂电池组作为能量缓冲器,在电动汽车加速时提供大功率辅助,在电动汽车制动时回收制动能量,锂电池组荷电状态能恢复到目标值。

功率跟随式能量控制策略主要根据混合电动汽车需求功率Phv,r和锂电池组荷电状态SOCbat将能量控制分为四种模式,功率跟随式能量控制策略如图6所示。图6中,横坐标为混合动力汽车系统的需求功率Phv,r,纵坐标为锂电池组荷电状态SOCbat。SOCbat,max为锂电池组荷电状态最大值,SOCbat,min为锂电池组荷电状态最小值。

1

SOCbat,max

模式2 模式2

SOCbat,goal 模式4

模式3 模式1 模式1

SOCbat,min

0 Pen,cs,min Pen,cs,max Phv,r

图6 功率跟随控制策略模式图

图2-6坐标图中横坐标是混合动力汽车的需求功率Phv,r,发动机输出功率上限值pen,cs,max,发动机输出功率限下值Pen,cs,min。纵坐标为锂电池组荷电状态,其范围在0-1之间,拟设置负荷量最大值SOCbat,max=0.91,负荷量最小值SOCbat,min=0.19,目标负荷量大小SOCbat,goal=1/2(SOCbat,max SOCbat,min)=0.55。

下面详细分析各个模式下的能量流动和分配策略。

模式1,混合动力汽车需求功率 Phv,r大于零小于发动机输出功率上限值Pen,cs,max(0lt;Phv,rlt;Pen,cs,max),且锂电池荷电状态SOCbat低于目标荷电状态值SOCbat,goal(SOCbatlt;SOCbat,goal)。此时,发动机同时为汽车和锂电池组提供功率。锂电池组荷电状态SOCbat向目标值靠近。

模式2,混合动力汽车的需求功率 Phv,r大于零小于发动机输出功率上限值Pen,cs,max(0lt;Phv,rlt;Pen,cs,max),且锂电池组SOCbat高于目标值SOCbat,goal(SOCbat≥SOCbat,goal),发动机和锂电池组共同为汽车提供功率。锂电池组输出功率,锂电池组荷电状态SOCbat逐渐下降向目标值SOCbat,goall靠近。

模式3,混合动力汽车处于制动能量回收阶段,混合动力汽车的需求功率 Phv,r小于零( Phv,rlt;0),制动能量全部由锂电池组回收,发动机不回收制动能量。

模式4,混合动力汽车的需求功率 Phv,,r大于发动机输出功率上限值Pen,cs,max( Phv,rgt;Pen,cs,max)。此时,发动机和锂电池组共同为汽车供电,锂电池组提供大功率。

表4 四种模式下的能量流动

模式

发动机

锂电池组

描述

模式1

输出功率

吸收功率

发电机驱动汽车的同时向锂电池组充电,使锂电池组荷电状态SOCbat向目标值SOCbat,goal靠近。

模式2

输出功率

输出功率

锂电池组放电,锂电池组荷电状态SOCbat向目标值SOCbat,goal靠近。发动机和锂电池组同时驱动汽车。

模式3

小功率输出

吸收功率

锂电池组吸收制动能量。

模式4

输出功率

放电

发动机和锂电池组共同驱动汽车,锂电池组提供大功率。

1. 技术路线图

图7 技术路线图

3. 研究计划与安排

1)一周熟悉advisor仿真软件和visio绘图软件;

2)两周搭建锂电池、发动机和电机simulink模块;

3)一周完成整车模型搭建;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]马建,刘晓东,陈轶嵩,汪贵平,赵轩,贺伊琳,许世维,张凯,张一西.中国新能源汽车产业与技术发展现状及对策[j].中国公路学报,2018,31(08):1-19.

[2]陈禹. 燃料电池汽车混合动力系统及其能量管理研究[d].湘潭大学,2015.

[3]孙绪旗. 氢燃料电池汽车动力系统设计及建模仿真[d].武汉理工大学,2012.

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