【正文】 始發(fā)展電動(dòng)汽車。 汽車工業(yè)對(duì)于石油的依賴程度是巨大的，石油資源的枯竭必將嚴(yán)重阻礙汽車工業(yè)的發(fā)展。 眾所周知，能源和環(huán)境是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。 Vehicle Control Strategy。最后通過CRUISE 與 MATLAB/SIMULINK 的聯(lián)合仿真，檢驗(yàn)控制策略的效果。因此，結(jié)合了兩者優(yōu)點(diǎn)，可通過外部電網(wǎng)充電的插電式混合動(dòng)力汽車（ Plugin Hybrid Electric Vehicle，以下簡(jiǎn)稱 PHEV）成為了研究的熱點(diǎn)。作為世界經(jīng)濟(jì)、科學(xué)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一的汽車業(yè)，也面臨著新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。為了減少燃油的消耗并降低有害氣體的排放，目前汽車業(yè)的發(fā)展方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車與電動(dòng)汽車。 本文根據(jù) PHEV 技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，以滿足整車動(dòng)力性能和提高整車經(jīng)濟(jì)性能為目標(biāo)，設(shè)計(jì)適合于城市工況的 PHEV 客車動(dòng)力系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)適用于該客車的控制策略。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的 PHEV 客車，在滿足動(dòng)力性要求的基礎(chǔ)上，能量消耗明顯下降，尾氣排放明顯減少，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 Modeling in CRUISE。這兩個(gè)問題已經(jīng)被越來越來多的國(guó)家所關(guān)注與重視。因此，對(duì)汽車工業(yè)來說，減少和消除對(duì)石油的依賴是一項(xiàng)有關(guān) 全球經(jīng)濟(jì)安全和能源安全的緊迫任務(wù)，這樣做的具體途徑有二種 :一是 提高現(xiàn)有車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性；二是開發(fā)不依賴石油的新能源汽車 。但由于石油價(jià)格的回落，在電動(dòng)汽車商業(yè)化發(fā)展起來之前，能源問題已不再嚴(yán)重。進(jìn)入 21 世紀(jì)以后，混合動(dòng)力汽車進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，世界各大汽車廠商都推出了混合動(dòng)力汽車的樣車。向蓄電池充電用到的電能可以由水力、太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐等可再生能源轉(zhuǎn)化。目前 HEV 的發(fā)展方向是可外接充電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (Plugin Hybrid Electric Vehicle，以下簡(jiǎn)稱 PHEV ) 。 傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車已經(jīng)給美國(guó)的能源消耗和能源安全帶來了顯著的效益。在其續(xù)駛里程內(nèi)， PHEV 可以依靠其電池的電力來行駛，而不必依賴發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)行駛里程較長(zhǎng)時(shí)， PHEV 優(yōu)先使用電力，當(dāng) SOC 值低于一定程度時(shí)，再使用發(fā)動(dòng)機(jī)。 我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，石油地質(zhì)資源量為 765 億噸，但可采資源量?jī)H為 212 億噸。 3 為此，國(guó)家出臺(tái)了一系列的法規(guī)政策。可利用晚間用電低谷時(shí)對(duì)電池充電，改善電廠的機(jī)組效率，節(jié)約能源；純電動(dòng)工況行駛時(shí)為零排放；大大降低對(duì)石油燃料的依賴 [9]。從目前發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用情況來看，混合動(dòng)力客第一章 緒論 4 車主要用于城市公交 [12]。 1）基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略 邏輯門限值控制策略是基于規(guī)則的控制策略。 2） 瞬時(shí)優(yōu)化控制策略 瞬時(shí)優(yōu)化控制策略的控制目標(biāo)為控制“名義油耗”消耗的最少。 3）智能型控制策略 智能型控制策略主要應(yīng)用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及粒子群優(yōu)化算法來決策混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式和功率分配，具有較強(qiáng)的魯棒性。模糊控制具有良好的控制品質(zhì)，應(yīng)用前景廣闊。它能同時(shí)搜索空間上的很多點(diǎn)，且能充分搜索，因此能夠?qū)崿F(xiàn)快速全局收斂。其優(yōu)勢(shì)之一是采用實(shí)數(shù)編碼，而不需要像遺傳算法一樣采用二進(jìn)制編碼，且粒子群優(yōu)化算法中并沒有許多需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，可進(jìn)行全局和局部尋優(yōu)。 5）自適應(yīng)控制策略 自適應(yīng)控制具有一定的適應(yīng)能力，可以識(shí)別外部環(huán)境的變化，并根據(jù)這些變化，自動(dòng)校正控制動(dòng)作，從而達(dá)到最理想的控制效果。仿真結(jié)果顯示，兩種方法的燃油經(jīng)濟(jì)性都能達(dá)到近似最優(yōu)，相比之下 SDP 比 ECMS 的燃油經(jīng)濟(jì)性更加好。不足是在大負(fù)荷狀態(tài)時(shí)燃油消耗較大，原因是轉(zhuǎn)換因子選擇不當(dāng) [19]。 20xx 年，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院的張松，東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的吳光強(qiáng)以及上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的鄭松林在開發(fā)的 PHEV 能量管理策略基礎(chǔ)上 , 建立整車仿真模型。 20xx 年，上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心林瀟、張君鴻基于對(duì)混合動(dòng)力汽車能量管理策略優(yōu)化的目的 , 建立了豐田 Prius 的 數(shù)學(xué)模型 ,采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)該包含眾多約束條件的非線性優(yōu)化問題進(jìn)行了求解 ， 利用 PSAT 專業(yè)軟件對(duì)比分析了基本型優(yōu)化控制算法、改進(jìn)型優(yōu)化控制算法和規(guī)則控制算法等的控制效果及燃油經(jīng)濟(jì)性。不足是依賴于工況預(yù)測(cè) [23]。 7 2）設(shè)計(jì)完成 PHEV 客車動(dòng)力系統(tǒng)方案，確定動(dòng)力總成形式，完成電動(dòng)機(jī)、電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等主要部件的選型與 參數(shù)匹配。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 PHEV 的發(fā)展以及其特點(diǎn)與工作模式。本章將詳細(xì)介紹對(duì)一種現(xiàn)有的 HEV 客車進(jìn)行改裝為插電式客車并進(jìn)行參數(shù)匹配的具體過程。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖 21 所示。在汽車低速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；汽車高速穩(wěn)定行駛時(shí)，則以并聯(lián)工作方式為主；停車時(shí)，可通過車載充電器進(jìn)行外接充電。 20xx 年 EPRI 的 Market Study 發(fā)起成立了旨在促進(jìn) PHEV 的商業(yè)化的 Hybrid Electric Vehicle Alliance(HEVA)組織； 20xx 年，插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV 一一 Plugin Hybrid Electric Vehicle)項(xiàng)目在美國(guó)能源部自由車和車輛技術(shù)項(xiàng)目處提出，這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃將在 20xx2020 年實(shí)現(xiàn) PHEV 的商品化生產(chǎn)。Country；福特公司的 Escape PHEV 等?？蛙嚪矫?，主要是國(guó)內(nèi)的一汽、二汽、北汽、宇通、金龍等一些客車廠家的在 PHEV 上的嘗試。 參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)并結(jié)合道路情況，選定 PHEV 的動(dòng)力性指標(biāo)為： ： 1）最高車速 maxv ： 90km/h； 2）最大爬坡度 i ：大于 20%； 3） 0 加速到 40km/h 所需時(shí)間：小于 20s。 下面討論具體的參數(shù)匹配。 1）電機(jī)額定功率與峰值功率的估算 [2627] （ 1）根據(jù)最高車速 maxv （ 80 km/h）來確定最大功率： 2m a x m a xm a x 1 a3 6 0 0 2 1 . 1 5dv C A vP M g f? ????? ? ? ???? ?? （ 21） 公式中， ? 一一傳動(dòng)系總功率，取 ； aM 一一車輛滿載質(zhì)量， kg； g 一一重力加速度， 9. 8m/s2； f 一一滾動(dòng)阻力系數(shù)， ； dC 一一空氣阻力系數(shù) ； A 一一迎風(fēng)面積， m2。 根據(jù)性能指標(biāo)，計(jì)算坡度為 20%，穩(wěn)定車速 12km/h 所需要的功率。用 帶入，得出 P額 為 75kw。因此本文采用最高轉(zhuǎn)速不大于 6000r/min 的普通電機(jī) [28]。 電機(jī)額定電壓一般由電動(dòng)機(jī)的參數(shù)決定，并與電動(dòng)機(jī)額定功率成正比，電動(dòng)機(jī)的額定電壓越高，則電動(dòng)機(jī)的額定功率越大。 表 24 電機(jī)參數(shù) 類型 數(shù)值 類型 數(shù)值 峰值功率 120kw 轉(zhuǎn)速范圍 04000r/min 額定功率 75kw 質(zhì)量 145kg 峰值扭矩 840Nm 電壓 525V 額定扭矩 325Nm 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配 發(fā)動(dòng)機(jī)主要是計(jì)算其在最高車速，加速工況以及爬坡工況下的功率值。 15 表 25 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù) 型號(hào) BF6M101322E3 發(fā)動(dòng)機(jī)型式 四沖程、二列六缸、水冷、增壓中冷、直接噴射電控柴油后置 發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商 大柴 發(fā)動(dòng)機(jī)位置 后置 發(fā)動(dòng)機(jī)馬力 (Ps) 276 額定功率 (Kw) 203 額定功率 轉(zhuǎn)速(rpm) 2300 最大功率 (Kw) 162 最大扭矩 () 640 最大扭矩 轉(zhuǎn)速(rpm) 1700 燃料類型 柴電混合 油箱容積 (l) 190 綜合油耗（ L/100km） 油耗 /氣耗（標(biāo)況） =33（ L/100km） 排量（ ml） 6060 排放標(biāo)準(zhǔn) 歐 III 重量 kg 620 電池參數(shù)匹配 PHEV 動(dòng)力電池必須可靠地為電機(jī)提供所需功率和能量。 2）電池容量 PHEV 的續(xù)駛里程取決于電池容量。 第二章 插電式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模 16 根據(jù)美國(guó)私人交通調(diào)查報(bào)告 (NPTS)，普通家庭口常行駛里程在 60miles 內(nèi)的累計(jì)概率是 60%，因此 60miles 的純電動(dòng)續(xù)駛里程將滿足大部分家庭的正常使用 [29]。所以，電池的使用限額是 30%100%（ 100%是完成電網(wǎng)充電）。 得到 Q 是 ，取整為 180Ah。 傳動(dòng)系速比參數(shù)匹配 系統(tǒng)的傳動(dòng)系速比需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)兩者的工作轉(zhuǎn)速范圍，由表 24，表 25 可以得出，發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作的轉(zhuǎn)速范圍是 8003000r/min，而電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速是 04000r/min。 再根據(jù) m a x m i nm a x m a xc os s i nt q tT i t Gf Gr ? ??? ?? （ 211） 得 m a x m a x1m a x 0( c o s s i n )gtqG f ri T i t?????? ? ? ? （ 212） 得出， 1gi =，根據(jù)汽車?yán)碚?，選擇四檔變速器，其中一檔、二檔、三檔以及四檔的速比分別是 ， ， ， 1。 將各個(gè)模塊如下圖連接。整車模型中，分別建立整車，發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)，電池等 主要模塊。 圖 27 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性 第二章 插電式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模 20 電動(dòng)機(jī)模塊 本例的電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)參考 ADVISOR中建立的 PHEB整車模型的電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)和 Cruise 中卡車模型的電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。 表 211 電池設(shè)計(jì)的參數(shù) Maximum Charge 最大充電量 Initial Charge 開始充電狀態(tài) 30% Nominal Voltage 額定電壓 V Maximum Voltage 最高電壓 14 V Minimum Voltage 最低電壓 V Number of Cells 每個(gè)模塊行的模塊數(shù) 41 Number of CellRow 模塊行的數(shù)量 1 Operating Temperature 工作溫度 25 ℃ Mass of a Cell 一個(gè)電池模塊的質(zhì)量 1 kg Specific Heat Transition 傳熱比 250 W/K Specific Heat Capacity 比熱容 1000 J/kgK 下圖 29 是充電時(shí)的電壓變化。主要計(jì)算設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力性電池以及傳動(dòng)比等部件，并在 ADVISOR 軟件中建立整車參考模型，設(shè)置參數(shù)后導(dǎo)出需要的相關(guān)參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)以及有關(guān)資料，在 Cruise 軟件中建立整車模型，并設(shè)置有關(guān)參數(shù)，連接數(shù)據(jù)總線，設(shè)置循環(huán)工況條件等。 電量消耗模式的能量流動(dòng) 在電量消耗模式中， PHEV 根據(jù)整車的負(fù)荷需求，具體選擇純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種子模式。 表示能量流向 圖 31 電量維持 純電動(dòng)的能量流向 在 “電量消耗一混合動(dòng)力 ”子模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)工作，電池提供整車功率需求的主要部分，電池的荷電狀態(tài)也在降低，若負(fù)荷要求高，則發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)輸出為主，電機(jī)為輔直至電池的荷電狀態(tài)達(dá)到最小允許值。若發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉且 SOC不低于 ，則就是與電量消耗 純電動(dòng)狀態(tài)的能量流動(dòng)一致。 表示能量流向 圖 33 電量保持 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并給電池充電 再生制動(dòng)模式的能量流動(dòng) 再生制動(dòng)是指汽車在沒有負(fù)荷要求的狀態(tài)下，如果 SOC 低于 時(shí)，汽車通過制動(dòng)回收部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存到電池之中。 針對(duì)以上要求，本文采用了由 SOC 狀況來判斷并選擇動(dòng)力系統(tǒng)（包括發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)等）的工作模式。機(jī) 械 制 動(dòng)S O C 0 . 5電 量 消 耗模 式電 量 保 持模 式電 動(dòng) 機(jī) 最 大 功 率滿 足 車 輛 需 求發(fā) 動(dòng) 機(jī)啟 停發(fā) 動(dòng) 機(jī)啟 停發(fā) 動(dòng) 機(jī) 最 大 功 率滿 足 車 輛 需 求電 動(dòng) 機(jī) 單獨(dú) 驅(qū) 動(dòng)電 動(dòng) 機(jī) 單獨(dú) 驅(qū) 動(dòng)電 動(dòng) 機(jī)發(fā) 動(dòng) 機(jī) 聯(lián)合 驅(qū) 動(dòng)S O C 0 . 3發(fā) 動(dòng) 機(jī) 單獨(dú) 驅(qū) 動(dòng)電 動(dòng) 機(jī) 單獨(dú) 驅(qū) 動(dòng)N ON ON OY E SY E SY E SY E SN ON OY E SY E SY E SN O發(fā) 動(dòng) 機(jī) 單獨(dú) 驅(qū) 動(dòng)發(fā) 動(dòng) 機(jī)電 動(dòng) 機(jī) 聯(lián)合 驅(qū) 動(dòng)Y E SN ON OY E SN O控 制 判 斷圖 35 控制策略流程圖 下面詳細(xì)介紹本文的 PHEV 客車動(dòng)力系。 本文采用的控制策略 控制策略的流程圖如下圖 35。見下圖 34。 若 SOC 低于 ，則發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并給電池充電。見下圖 32。該模式適合于起動(dòng)、低速和低負(fù)荷時(shí)應(yīng)用。第三章 PHEV 客車控制策略設(shè)計(jì)與建模 24 第三章 PHEV 客車控制策略設(shè)計(jì)與建模 PHEV 客車動(dòng)力系統(tǒng)各工作模式下的能量流動(dòng) PHEV 的工作模式 根據(jù)車上電池荷電狀態(tài) SOC 的變化特點(diǎn)，可以將 PHEV 的工作模式分為電量消耗、