【正文】 ............................................................... 34 第四章 PHEV 客車整車仿真 ............................................................................................ 35 仿真軟件 AVL CRUISE簡(jiǎn)介 .................................................................................... 35 客車整車聯(lián)合仿真設(shè)置 .............................................................................. 36 聯(lián)合仿真參數(shù)設(shè)置 ........................................................................................36 車輛仿真循環(huán)工況的選擇 ............................................................................38 PHEV 客車整車性能仿真與分析 ......................................................................... 39 基于工況的 PHEV 客車整車仿真結(jié)果與分析 ..........................................39 PHEV 客車整車動(dòng)力性仿真結(jié)果與分析 ....................................................45 PHEV 客車整車經(jīng)濟(jì)性與排放性仿真結(jié)果與分析 ....................................45 本章小結(jié) .................................................................................................................. 46 總 結(jié) ................................................................................................................................ 47 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................ 48 致 謝 ................................................................................................................................ 50 1 第一章 緒 論 研究背景和意義 自從第一輛車誕生以來(lái)，汽車作為 20 世紀(jì)人類最重要的交通工具，對(duì)人類的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。作為全球最重要的能源資源 —— 石油資源的日益枯竭，已經(jīng)對(duì)人類敲響了警鐘。另外，隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)汽車保有量逐年增加，又加速使得能源問(wèn)題更加突出，它又引起環(huán)境、資源問(wèn)題等，最后這一系列的問(wèn)題陷入了惡性循環(huán)。其高昂的價(jià)格和較短的續(xù)駛里程，使其商業(yè)化失去了動(dòng)力。 HEV 的特點(diǎn)是： 由于采用兩套動(dòng)力裝置，可以在使用較小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)在整車控制系統(tǒng)的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)都能工作在最佳效率區(qū)，能有效降低車輛燃油消耗。此外，夜間向蓄電池充電，能夠可以避開用電高峰，這有利于電網(wǎng)的均衡負(fù)荷， 減少費(fèi)用。第一章 緒論 2 PHEV 具有較長(zhǎng)純電動(dòng)行駛距離，而且在需要時(shí)仍然可以以全混合模式工作。依據(jù)EPA(美國(guó)環(huán)保局 )的數(shù)據(jù)，最高效的混合動(dòng)力汽車，可以比傳統(tǒng)汽車減少 40%的燃料消耗。這樣的能量分配使得其經(jīng)濟(jì)性，在短途上油耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車與 HEV，在長(zhǎng)途上比傳統(tǒng)的汽車提高了 35~50%，比普通的 HEV 提高了 10~35%。另外，從 1993 年開始，我國(guó)成為能源凈進(jìn)口國(guó)，每年石油進(jìn)口量不斷增加。例如國(guó)家新能源汽車三縱三橫發(fā)展規(guī)劃，這是我國(guó)近期、中期和遠(yuǎn)期新能源汽車發(fā)展導(dǎo)向性政策，也是我國(guó)新能源汽車發(fā)展的戰(zhàn)略布局，見圖 12。 （ 2） 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、電量保持和常規(guī)充電模式，其中電量消耗又分為純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種子模式，電量保持也分純電動(dòng)、混合動(dòng)力（電機(jī)輔助）和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并充電三種子模式 [10]。 PHEV的純電動(dòng)模式能行駛五、六十公里甚至更遠(yuǎn)，一般的市內(nèi)交通客車每次行駛里程不會(huì)超過(guò) 100km，因此，對(duì)于插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，無(wú)論是從節(jié)能減排方面考慮，還是從運(yùn)營(yíng)成本方面分析，再加上有政府購(gòu)車補(bǔ)貼優(yōu)惠，其市場(chǎng)吸引力應(yīng)該 不會(huì)小。其基本思想主要是根據(jù)電池 SOC 狀態(tài)值和發(fā)動(dòng)機(jī)效率 Map 圖，以轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等參數(shù)為門限，確定動(dòng)力電池和發(fā)電機(jī)組之間的能量分配關(guān)系。所謂“名義油耗”，指的是將電動(dòng)機(jī)的能量消耗轉(zhuǎn)化為等效的油耗，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖，得到以發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)作為整體動(dòng)力源的萬(wàn)有特性圖。智能控制非常適合用于并聯(lián)混合動(dòng)力汽車能量消耗系統(tǒng)的控制 [15]。 （ 2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，以信息的分布式存儲(chǔ)和并行處理為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)算法模型。只需要評(píng)價(jià)用的適應(yīng)函數(shù)，而不需要其它形式信息，這些使得遺傳算法對(duì)問(wèn)題的適應(yīng)能力很強(qiáng)。 4）全局最優(yōu)控制策略 [16] 由于瞬時(shí)優(yōu)化控制策略不能保證在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間最優(yōu)，因此需要一種保證能在全局范圍內(nèi)最優(yōu)的控制策略。在混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)控制是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性要求，通過(guò)最優(yōu)控制理論，構(gòu)建相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，并尋求目標(biāo)函數(shù)最小值，該最小值相對(duì)應(yīng)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性即為理想值。不足是 SDP 和 ECMS 兩種方法都比較依賴于工況預(yù)測(cè) [18]。 20xx 年，美國(guó)福特汽車公司學(xué)者 GeiaEvangelia Katsargyri, Ilya V. Kolmanovsky, John Michelini 等提出一種基于路況預(yù)測(cè)的 HEV 最優(yōu)控制方法，以等效油耗最低為原則，最優(yōu)控制電池 SOC 值。利用自適應(yīng)慣性因子對(duì)基本粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)果表明 , 經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的 Plugin 混合動(dòng)力汽車在不犧牲汽車各項(xiàng)性能的前提下能提高動(dòng)力系統(tǒng)工作效率 [22]。 從國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究中，我們可以看到上面提到的這幾種控制策略各有優(yōu)劣。 3） 在 AVL Cruise 軟件中建立 PHEV 客車整車仿真模型，對(duì)電動(dòng)機(jī)、電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)主要部件進(jìn)行建模。隨后，介紹了國(guó)內(nèi)外的控制策略的研究情況， 選擇了基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略作為本文的研究方向。 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)概述以及國(guó)內(nèi)外 PHEV 介紹 插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (Plugin HEV)，簡(jiǎn)稱 PHEV，是一種可外接充電的新型混合動(dòng)力汽車。 圖 21 并聯(lián)式 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 2） 串聯(lián)式 PHEV 串聯(lián)式 PHEV，通常稱為增程式電動(dòng)車，其特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制器直接輸送給電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖 23 所示。 下表 21 是國(guó)外廠家生產(chǎn)的 PHEV 車型 [24]。 日本方面有豐田公司生產(chǎn)的輕量插電式混合動(dòng)力 “FFV I/X”、 HiCT、 PHV，豐田 Puris，三菱 PXMiex，鈴木雨燕串聯(lián) PHEV 等。 下表 22 是國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的 PHEV 的車型 [25]。 ： 1）最高車速 maxv ： 85km/h； 電動(dòng)汽車類型 產(chǎn)品名稱 主要研制單位 混合動(dòng)力轎車 奔騰 B70 混合動(dòng)力轎車 一汽集團(tuán) 風(fēng)神 S30 混合動(dòng)力車 東風(fēng)汽車公司 奇瑞 A5 混合動(dòng)力車 奇瑞汽車公司 長(zhǎng)安杰勛混合動(dòng)力轎車 長(zhǎng)安汽車公司 比亞迪 F3DM 混合動(dòng)力 比亞迪汽車公司 榮威 750 混合動(dòng)力轎車 上汽集團(tuán) 和悅混合動(dòng)力車 江淮汽車集團(tuán) 混合動(dòng)力客車 解放牌混合動(dòng)力客車 一汽集團(tuán) 東風(fēng)混合動(dòng)力城市客車 東風(fēng)汽車公司 長(zhǎng)安牌混合動(dòng)力客車 長(zhǎng)安汽車公司 安凱混合動(dòng)力客車 安凱汽車 福田歐 V 混合動(dòng)力客車 北汽福田 宇通牌混合動(dòng)力客車 鄭州宇通 黃海牌混合動(dòng)力客車 黃海汽車有限責(zé)任公司 中通牌混合動(dòng)力客車 中通客車 少林混合動(dòng)力客車 少林汽車 YCK6128HEV 混合動(dòng)力客車 中大汽車集團(tuán) XMQ6120G 混合動(dòng)力公交 廈門金龍 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 12 2）最大爬坡度 i ：大于 20%； 3）平均車速 v ： 40km/h； 4）續(xù)駛里程： 60km； 圖 24 一汽 CA6120URH1 混合動(dòng)力公交客車 選定本客車的結(jié)構(gòu)類型為并聯(lián)雙軸式。 PHEV 客車的參數(shù)匹配 客車的整體尺寸以外部參數(shù)見下表 23。 （ 2）根據(jù)加速性來(lái)確定最大功率 : 汽車在加速過(guò)程中，電機(jī)所需要的最大功率為： 2m a x 2 3 6 0 0 2 1 . 1 5dC A vv d vP M a M a g fdt?? ?? ??? ? ? ? ? ? ???? ?? （ 22） 2222111 f g ow I i iIm r m r ?? ? ? ? ? ?? （ 23） 公式中， ? 一一汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)， 81； wI 一一車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ； fI 一一飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ； r 一一車輪滾動(dòng)半徑； gi ——變速器速比； oi ——主減速器速比。 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 14 通過(guò)最高車速，加速性能以及爬坡性能的計(jì)算得出： max1P ， max2P ， max3P 分別為 ， 。 2）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速的選擇 電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)成本、制造工藝和傳動(dòng)系的尺寸有很大的影響。 本文選擇的轉(zhuǎn)速范圍是 04000r/min?？紤]上述結(jié)果，本 文確定電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 525V。其計(jì)算的公式是公式（ 21）（ 22）（ 23）（ 24）四式。電池的功率必須能夠覆蓋電機(jī)所需有的峰值功率，另外，電池必須具有滿足一定的行駛里程以及瞬時(shí)大電流需求足夠的能量和容量。若攜帶的能量過(guò)少，則在純電動(dòng)行駛工況下，其續(xù)駛里程較短，不能滿足人們出行的要求，同時(shí)也體現(xiàn)不出 PHEV 節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。再根據(jù)性能設(shè)計(jì)要求，本文選擇續(xù)駛里程為 60km。 電池的額定能量由下式得到： mc= 70%mcPtW ???額 （ 26） 2m a x m a xm a x 1 a3 6 0 0 2 1 . 1 5dv C A vP M g f? ????? ? ? ???? ?? （ 27） vSt v? （ 28） 公式中， W額 ——電池額定能量； mcP ——電機(jī)的等效勻速行駛的功率； S ——等效勻速行駛的續(xù)駛里程， 60km； mc? ——電機(jī)總效率， 。具體參數(shù)見下表 27?？紤]到，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速是 1700r/min，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速是 5001250r/min。 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 18 PHEV 客車整車模型 在 Cruise 中建立新的工程模塊 new_Project，其下建立 ver 0001 表示第 1 個(gè)模型。然后連接數(shù)據(jù)總線，使得模塊間能夠互相傳遞數(shù)據(jù)，并使整個(gè)模型能夠與 MATLAB/SIMULINK 連接進(jìn)行聯(lián)合仿真。 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊 本例的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)參考 ADVISOR中建立的 PHEB整車模型的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)和 Cruise 中卡車模型的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。參數(shù)的設(shè)置見表 210。 圖 29 鋰離子電池充電時(shí)的電壓變化 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 22 整車模塊 在 AVL Cruise 里建立的整車的模塊，定義模塊的屬性。為下一步的加入控制策略后的仿真工作做好準(zhǔn)備。 在 “電量消耗一純電動(dòng) ”子模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)是關(guān)閉 的，電池是唯一的能量源，電池的荷電狀態(tài)將會(huì)降低，整車一般只達(dá)到部分動(dòng)力性指標(biāo)。該模式適合高速，尤其是要求全面達(dá)到動(dòng)力性指標(biāo)時(shí)采用。若發(fā)動(dòng)機(jī)開啟且 SOC 不低于，則與電量消耗 混合動(dòng)力的能量流動(dòng)一致。因?yàn)檫@部分能量是可再次利用的，所以稱之為再生制動(dòng)。在不同的工作模式下，選擇不同的控制策略來(lái)合理的安排發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的動(dòng)力輸出或者輸入（給電池充電），以滿足車輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性要