混合动力答辩ppt课件.ppt

1、 答辩人：答辩人： 王王 菁菁 导导 师：师： 谭德荣教授谭德荣教授 专专 业：业： 载运工具运用工程载运工具运用工程报 告 提 纲一一 、绪绪 论论二二 、混合动力汽车驱动系统、混合动力汽车驱动系统结构分析结构分析三三 、外接电并联混合动力客车元件、外接电并联混合动力客车元件选型及参数匹配选型及参数匹配四四 、Plug-inPlug-in并联式混合动力客车并联式混合动力客车能量控制策略能量控制策略研究研究五五 、基于、基于CruiseCruise软件的软件的Plug-in PHEVPlug-in PHEV建模仿真与分析建模仿真与分析六六 、总结与展望总结与展望一、 绪 论 1. 课题背景和研

2、究意义课题背景和研究意义 汽车产业的大步发展创造了巨大的社会财富，人民的生活发生了很大的变化，但该产业的发展也使得我们的社会陷进了能源危机和环境污染的困境。 纯电动汽车受到单次充电续驶里程瓶颈的制约，未能普及；混合动力车也不是发展的长久之计，介于传统混合动力和纯电动之间的外接电式混合动力汽车一提出就成为了当今研发的热点。 外接电式混合动力车可以实现混合动力和纯电动两套动力系统的协调工作，是一种最具有发展前景的混合动力驱动模式，也是向最终清洁能源过渡的最佳方案。一、 绪 论2. 混合动力汽车的国内外发展现状混合动力汽车的国内外发展现状u 美国：美国：2007年由加州戴维斯分校研发出年由加州戴维斯

3、分校研发出Trinity外插电式混合动力汽车外插电式混合动力汽车u 日本：本田和丰田两大汽车公司在混合动力技术方面一直处于世界的最前沿日本：本田和丰田两大汽车公司在混合动力技术方面一直处于世界的最前沿 u 欧洲：欧洲：2009年戴姆勒年戴姆勒-奔驰于上海车展上展出了配备锂离子充电电池及再生制动系统的高奔驰于上海车展上展出了配备锂离子充电电池及再生制动系统的高级混合动力车。级混合动力车。u 东风汽车于东风汽车于2008年为北京奥运会研发的并联混合动力公交车基本上实现了城市内运行的基年为北京奥运会研发的并联混合动力公交车基本上实现了城市内运行的基本要求本要求u 由金龙客车和上海大众公交集团联合开发

4、的由金龙客车和上海大众公交集团联合开发的XML6112PHEV1并联客车已投入到上海并联客车已投入到上海92B线路试运行线路试运行u 天津清源开发的双能源驱动混合动力车和中通客车开发的串联式混合动力客车排放都能达天津清源开发的双能源驱动混合动力车和中通客车开发的串联式混合动力客车排放都能达到国际到国际欧欧标准标准3. 课题研究的主要内容：课题研究的主要内容：（1）.混合动力汽车结构分析与选择混合动力汽车结构分析与选择;（2）.混合动力系统动力元件选型及参数设计混合动力系统动力元件选型及参数设计；（3）.整车控制策略的制定整车控制策略的制定；（4）. Plug-in并联混合动力系统仿真分析并联混

5、合动力系统仿真分析。一、 绪 论返回二、 混合动力汽车驱动系统结构分析 混合动力汽车性能的好坏不仅与动力元件参数匹配、混合动力汽车性能的好坏不仅与动力元件参数匹配、控制策略制定有关，还决定于控制策略制定有关，还决定于驱动系统的布置方案驱动系统的布置方案。 混合动力驱动系统的基本的结构类型一般分为：串联混合动力驱动系统的基本的结构类型一般分为：串联式结构、并联式结构、混联式结构和外接电式结构四种。式结构、并联式结构、混联式结构和外接电式结构四种。1、各动力系统结构、各动力系统结构串联结构串联结构并联结构并联结构混联结构混联结构 外接电式混合动力系统一般也分为串联、并联和混联三种结构，它既保留了不

6、同类型传统HEV各自的特点，又有自身独特的优势。从整体基本结构来看，除了配备了大功率的电机和大容量电池外，其余的均与传统HEV结构相同。外接电式结构：外接电式结构：2. 几种驱动系统特点总结几种驱动系统特点总结 驱动系统 优点 缺点 串联结构 发动机工作效率高、 排放好、 结构简单、易于控制、更趋近于纯电动车 电机与电池总质量较大、 元件布置困难、能量利用率较低 并联结构 发动机的能量利用率优于串联结构、 可以省去发电机，降低整车成本和质量 控制策略较复杂、 传动机构较复杂、排放不如串联系统、 混联结构 整车对电池依赖小、 通过控制， 选择动力传动系统、 排放性好、 经济性高、 能量利用率高

7、控制系统复杂、零部件要求精准，成本提高 插电式结构 发动机功率小、 电池和电机功率大、 可充电、纯电动行驶里程长 对电池有依赖、存在充电限制 3. 本文动力驱动系统确定本文动力驱动系统确定 （1）市内及市郊的路况较好，车辆在路面上能够实现平稳行驶，无陡坡存在；市区行驶车速低，易发生交通堵塞，车辆常工作于怠速、低速、起步、停车等工况；市郊运行时车速高，一般驾驶员习惯采用中高速行驶，存在爬长坡需求。（2）公交车的工作路线相对固定，车辆按照一定的时间往复行驶，每条线路上都会有固定的停车位置，这些都是由公交车特性决定的。（3）整车载荷并不是一成不变的，它具有一定的随机性。 本文的研究对象为大型客车，因

8、此首先需要对客车的行驶特点进行分析。n客车行驶特点分析客车行驶特点分析3. 本文动力驱动系统确定本文动力驱动系统确定n 动力系统方案确定动力系统方案确定 并联式混合动力结构更加符合客车在市郊和市内运行的工作特点，另外公交客车具有固定的工作时间表，且每一条工作线路上不止一辆公交客车在运行，因此可采用外接电式并联混合动力结构。返回三、 外接电式并联混合动力客车元件选型及参数匹配 研究外接电式并联混合动力车能量流控制技术，首先需要对各动力元件进行合理选型，并对相关参数做合理的匹配，使在满足动力性能要求前提下，保证整个混合动力系统效率最优，并提高整车燃油经济性、降低排放。 全文以传统车型YTK6110

9、D进行研究，将其从理论上设计成为外接电式（Plug-in）并联混合动力系统，并对动力总成进行合理选型和参数匹配。1、 YTK6110D整车基本参数整车基本参数参 数 参 数 值 整 备 质 量 kg 最 大 总 质 量 kg 9800 13450 迎 风 面 积 m2 8.75 空 阻 系 数 CD 滚 动 阻 力 系 数 f 机 械 传 动 效 率 车 轮 半 径 mm 0.7 0.013 0.86 413 外 形 尺 寸 (长 宽 高 mm3) 1058025003680 轴 距 mm 5050 变 速 器 速 比 6.11,3.39,2.05,1.32,1.00;R:5.22 主 减 4

10、.11 发 动 机 排 量 L 7.255 额 定 功 率 /转 速 kw/rpm 177/2300 最 大 扭 矩 /转 速 Nm/rpm 1053/1600 最 大 载 客 数 47 参数 参数值 最高车速（km/h） 80 最大爬坡度（%） 20 0-50km/h的加速时间(s) 20 20km/h行驶的纯电动续驶里程( km) 40 2、 混合动力客车预期动力性指标混合动力客车预期动力性指标3、整车各元件设计与选型、整车各元件设计与选型（1 1）. .发动机参数设计与选型发动机参数设计与选型 由于本设计车型为用于市内和市郊的客车，因此上式中车速选用整车经济巡航车速进行计算，带入相关数据

11、计算后得到功率值为40kw 。 综合以上两式，带入相关数据后得到发动机的功率值 为62kw。*eP 确定发动机功率最终值时还应当考虑整车附件功率、充电功率余量（10%）以及爬坡功率余量（1-2%），则：3、整车各元件设计与选型、整车各元件设计与选型（1 1）. .发动机参数设计与选型发动机参数设计与选型 根据计算得到的发动机功率值可选玉柴生产的型号为YC4F90-21直列四缸、中冷增压柴油发动机，该发动机的具体参数如下表3-3所示 ：表3-3 发动机参数 额定功率转速(kw/rpm) 65/3400 最大转矩转速(Nm/rpm) 300/1600 3、整车各元件设计与选型、整车各元件设计与选型

12、（2 2）. .电动机参数设计与选型电动机参数设计与选型u电动机额定功率确定： 车辆以最高车速行驶、加速或者爬坡时，动力由发动机和电动机共同驱动，电动机提供峰值功率，则电动机的峰值功率为上述三者之间的最大值与发动机额定功率之差，即：其中最高车速功率值： 求的功率值为92.17kw。3、整车各元件设计与选型（2 2）. .电动机参数设计与选型电动机参数设计与选型u电动机额定功率确定： 加速功率值:车辆在加速过程中所需要的功率值为116kw。爬坡功率值： 当车辆在最大爬坡度为20%上以10km/h速度行驶时得所需爬坡功率89kw 。3、整车各元件设计与选型、整车各元件设计与选型（2 2）. .电动

13、机参数设计与选型电动机参数设计与选型 由上四式可得电动机峰值功率为51kw，由于该车主要用于城市公交运输，工作路线稳定、无较大的工况波动，则可选择峰值功率60kw，额定功率30kw，便可满足运行功率需求。 u电动机额定转速与最高转速： 电动机扩大恒功率区系数为电动机的最高转速与额定转速之比，大的值是车辆实现起步加速和稳定行驶的保障。 对于异步交流电机来说，最高转速在9000-15000r/min之间是很容易实现的，其值一般在4-6之间 ，则由下式确定额定转速和最高转速的取值范围：3、整车各元件设计与选型、整车各元件设计与选型（2 2）. .电动机参数设计与选型电动机参数设计与选型 综合考虑整车

14、行驶时所需电动机提供的功率值以及最高转速、额定转速的取值范围等因素，选定三相异步交流电动机JYD 30-2（AC）。其参数见下表：表 3-4 JYD-30-2 电机参数 额定功率 kw 30 最大功率 kw 60 额定转速 r/min 5250 最高转速 r/min 10000 额定运行电压 V 216 3、整车各元件设计与选型、整车各元件设计与选型（3 3）. .动力电池参数设计与选型动力电池参数设计与选型电动机和锂电池组之间的能量转换效率 为80%。 11()360021.15eleDeleessroadesstttelevC AvSWWP tmgfv （3-10） 1000/roadnW

15、UC （3-11） t表3 - 6 锂 电 池 组 参 数 电 池 容 量 / 额 定 电 压 ( A h / V ) 1 5 /1 2 电 池 块 数 1 5 0 电 池 内 阻 （ 毫 欧 ） 8 0 重 量 ( k g ) 2 最 大 充 电 电 流 1 0 A 充 电 充 电 上 限 电 压 1 5 .4 V 最 大 放 电 电 流 3 5 A 放 电 放 电 终 止 电 压 1 2 V 充 电 温 度 0 4 5 工 作 温 度 ( ) 放 电 温 度 - 2 0 6 0 返回四、四、Plug-inPlug-in并联式混合动力客车能量控并联式混合动力客车能量控制策略研究制策略研究1、

16、外接电式并联混合动力客车控制策略制定原则、外接电式并联混合动力客车控制策略制定原则1）时刻确保电机驱动优先； 2）维持合理的电池容量范围； 3）制动能量回收原则。 本文选用更加适合于存在多种工作模式的基于规则的电力辅助控制策略，该控制策略算法简单、易实现、鲁棒性好，本文将根据控制要求对其进行改进以实现合理的能量流控制。2、整车控制规则制定（、整车控制规则制定（1） 根据以上制定原则和基于规则的电力辅助控制策略的特点，制定适合于该车型的控制策略：（1）当该车的行驶车速低于25km/h时，汽车以纯电动的工作模式。（2）当该车车速介于25km/h-65km/h时，只发动机工作，若此时电池的SOC值较

17、低，电动机给蓄电池充电。（3）当该车加速行驶、爬坡或高速巡航时，若发动机提供动力不能满足整车所需动力时，电动机参与驱动。（4）当整车制动时，电动机发电，制动能量回收。（5）当蓄电池SOC值低于电池总量的30%时，发动机提供额外功率，为蓄电池充电，以维持电池组SOC，避免造成蓄电池的深度放电。2、整车控制规则制定（、整车控制规则制定（2）表 4-1 整车工作模式控制规则 工作模式 发动机 电动机 备注 纯电动模式 关 提供驱动力 低速且电池电量充足 关 中速巡航且电池电量充足 纯发动机模式 提供驱动力 发电 中速巡航且电量低于 SOCavg 混合驱动模式 提供驱动力 提供驱动力 高速巡航、加速、

18、爬坡等 行车发电模式 提供驱动力 发电 低速且电池电量不足时 关 制动且电池电量充足 减速制动模式 关 发电 制动但电池电量低于 SOCavg 4、整车控制策略的设计（、整车控制策略的设计（1） 本文利用Stateflow模块，按照设计的控制规则实现整车各种工作状态之间的无缝转换，如下图所示：4、整车控制策略的设计（、整车控制策略的设计（2）5、整车主控制策略模型、整车主控制策略模型返回五、基于Cruise软件的Plug-in PHEV 建模仿真与分析1、利用、利用Cruise软件搭建整车模型流程软件搭建整车模型流程 奥地利AVL List公司的Cruise软件是一款在整车模型基础上对各部件进

19、行性能测试的仿真软件。2、发动机模型（、发动机模型（1） 发动机模型由发动机的基本参数、全负荷特性曲线、发动机倒拖曲线、排放map图以及油耗map图界面组成。图5-2 发动机基本参数输入界面图5-3 发动机外特性曲线2、发动机模型（、发动机模型（2）图5-4 发动机油耗Map图3、电动机模型（、电动机模型（1）图5-5 电动机参数设置界面软件的电动机模块主要由电动机参数设置界面和电动机特性Map图界面组成：图5-6 电动机外特性曲线图3、电动机模型（、电动机模型（2）4、锂电池模型（、锂电池模型（1） 封装好的锂电池模块主要由以下几部分组成：电池基本参数设置界面、电池在额定电压下的充放电曲线等

20、。图5-8 电池基本参数设置界面图5-7 电动机效率Map图4、锂电池模型（、锂电池模型（2）图5-9 额定电压下的充电曲线图5-10 额定电压下的放电曲线5、控制策略导入、控制策略导入 Matlab和Cruise两软件的联合仿真，前提需要对交流数据进行定义，明确控制策略的输入输出数据，并在Cruise软件中将输入数据的来源和输出数据的去向做好规定，Cruise中的数据的信息链接如下图5-11所示：图5-11 数据信息链接关系6、整车模型、整车模型 上述各个封装模块均设置完成，并连接好各种机械和数据信号 后即可得到整车模型，如下图5-13所示：图5-13 外接电式并联混合动力整车模型7. 整车

21、仿真分析整车仿真分析 （1 1）. .动力性仿真分析动力性仿真分析 分别建立原车仿真模型和外接电式并联混合动力整车模型，通过建立不同的任务以获得不同的动力性仿真结果。表5-1 原车与Plug-in PHEV动力性仿真结果对照 最高车速（km/h） 最大爬坡度（%） 050km/h加速时间 续驶里程（km） 原车仿真 107 41.7 14.3s Plug-in HEV 93 33.6 16.8s 49.7 7. 整车仿真分析整车仿真分析 （1 1）. .动力性仿真分析动力性仿真分析 上表5-1中所示的各种动力性能仿真指标均可以在软件的Result Manager中得到相关图示：图5-14 PH

22、EV在UDC工况下的最高车速图5-15 PHEV爬坡度仿真结果7. 整车仿真分析整车仿真分析 （1 1）. .动力性仿真分析动力性仿真分析图5-16 PHEV 0-50km/h加速时间图5-17 PHEV 纯电动行驶时SOC变化曲线7. 整车仿真分析整车仿真分析 （2 2）. .发动机工作点分布情况发动机工作点分布情况图5-18 原车发动机工作点分布图5-19 PHEV发动机工作点分布7. 整车仿真分析整车仿真分析（3 3）. .经济性仿真分析经济性仿真分析 外接电式混合动力汽车配备了大功率的电机和电池，实现长时间的纯电动行驶里程，可以显著降低油耗，文中采用设置多个UDC循环工况对整车燃油消耗

23、情况进行仿真，结果如下表5-2所示：表5-2 UDC 循环工况下的油耗对照表 循环 次数 SOC 初值 SOC 末值 累计 油耗量 （L） 累计 耗电量（Kwh） 累计里程（km） Cycle1-40 80% 43.87% 7.62 24.38 40.64 PHEV Cycle41-100 43.87% 32.06% 19.04 60.96 101.6 原车 Cycle1-100 38.16 101.6 7. 整车仿真分析整车仿真分析（3 3）. .经济性仿真分析经济性仿真分析 从上表可得到原车的每百公里油耗为37.56L，Plug-in型混合动力车的每百公里油耗为18.74L。可以看出外接电

24、式并联混合动力系统要比原车实现节油接近一半以上。 按当前市场柴油价格7.32元/升进行计算，可计算出外接电式混合动力汽车每公里可以节省接近1.4元钱，而且这种可充电的并联混合动力系统平均每公里消耗0.6度电，假如按照生活用电0.6元/度，则计算得到的每百公里消费约为173.2元，原车则需274.94元；而假如该车能够充分的利用夜间用电低谷充电时，其电价约为0.3元/度，其用电成本将更为低廉 7. 整车仿真分析整车仿真分析（4 4）. .仿真结果总结仿真结果总结 通过Cruise软件对整车的动力性、经济性以及发动机工作点的分布情况可以看出：u均达到了前面所提出的各项动力性能指标，但与原车相比，动

25、力性能有所降低；u外接电式并联混合动力整车的发动机工作点分布较为集中，怠速工况所占比例明显减少，基本上不存在恶劣工况点；u外接电式并联混合动力系统在燃油经济性上也有着很大的优势和竞争力。返回六、 总结与展望n利用利用StateflowStateflow建立整车控制策略，实现整车能量流的优化控制建立整车控制策略，实现整车能量流的优化控制n完成了动力系统元件参数匹配与优化，利用完成了动力系统元件参数匹配与优化，利用CruiseCruise软件的软件的APIAPI接口，实现接口，实现MatlabMatlab软件与软件与CruiseCruise软件的联合仿真软件的联合仿真 由于时间和条件的限制，本课题研究的内容还不完善，可以在以在下几由于时间和条件的限制，本课题研究的内容还不完善，可以在以在下几个方面进一步的开展研究：个方面进一步的开展研究：n1. 所匹配的参数是否实现最优需要做进一步的分析与讨论；所匹配的参数是否实现最优需要做进一步的分析与讨论；n2. 关于关于Cruise软件的开发和使用上需要做进一步的研究，尤其是相关优软件的开发和使用上需要做进一步的研究，尤其是相关优化算法在该软件中的使用方面；化算法在该软件中的使用方面；n3.控制策略需要向实时控制方面进行发展。控制策略需要向实时控制方面进行发展。