基于CVT的混合动力汽车建模与仿真
2024-04-29
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第24卷 第06期 计 算 机 仿 真 2007年06月 文章编号:1006—9348(2007)06—0235—04 基于CVT的混合动力汽车建模与仿真 白中浩,曹立波,王耀南 (湖南大学现代车身技术教育部重点实验室,湖南长沙410082) 摘要:建立了基于无级变速器(Continously Variable Transmission,CVT)的前向并联式混合动力电动汽车动力系统模型,为 了研究整车动力性、经济性,根据行驶动力学方程,采用极值原理和曲面拟合法对发动机台架试验得到的数据进行了多项式 拟合,建立了发动机万有特性与最佳操作曲线(Optimal Operating Line,OOL)模型,并建立了牵引用三相感应电机动力模 型以及牵引蓄电池(State of Charge,SOC)模型。同时,提出了燃油消耗最低、蓄电池充放电平衡的能量分配控制策略,进行 整车动力性仿真计算,仿真结果表明在保证循环结束电池充放电基本平衡的同时发动机燃油消耗最低,仿真试验对比结果 验证了建立的模型的精确性。 关键词:混合动力;无级变速器;电动汽车;建模 中图分类号:TB24 文献标识码:B Modeling and Simulation of Hybrid Electric Vehicle Based on CVT BAI Zhong—hao,CAO Li—bo,WANG Yao—nan f Key Laboratory of Advanced Technology for Vehicle Body Design&Manufacture of the Ministyr of Education,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China) ABSTRACT:In this paper pre—transmission coupled Parallel Hybrid Electirc Vehicle(PHEV)dynamic model is built based on CVT for system design.The whole vehicle driving dynamics model is built in order to research the dynamic performance and fuel economy.The engine bench test data are fitted by using the extreme value theory and surface fitting method.and the engine universal characteristic curves and OOL model are built. Besides,driving induction motor model and driving battery SOC model are built.At the same time vehicle dynamics is simulated according to the least fuel consumption and battery charging and discharging balance energy distributing rule.The simulation result indicates the least engine fuel consumption as well as battery balance.The vehicle simulation proves the accuracy of the mode1. ‘ KEYWORDS:Hybrid power;Continously variable transmission(CVT);Electric vehicle;Modeling 系统模型的基础上,进行整车经济性、动力性的合理匹配,以 1 引言 及能量分配控制策略等方面的仿真研究。 目前,纯电动汽车由于其有限的行驶里程和较长的充电 时间,产业化生产普及比较困难。混合动力电动汽车由于其 2 基于CVT的混合车动力系统 具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的双重优点,成为了当前 无级变速器(简称CVT)主要由带轮组和金属带构成, 解决节能、环保问题的可行性过渡方案。并联式混合动力电 在传动过程中,通过节圆半径连续变化的主、从动带轮在锥 动汽车由于其结构相对简单、成本较低等特点,被广泛应用 盘轴向上的移动,使金属带沿两带轮构成的V型槽中作径向 于中轻度混合电动汽车上。国内外对此进行了大量的研究, 滑动,从而实现速比连续均匀变化。由于CVT可以连续改变 取得了可喜的成果。为了缩短开发周期,降低开发成本,通常 速比,使得汽车在任意行驶工况下,都可以按驾驶员的操作 采用仿真与试验相结合的方法,一般在建立精确的混合动力 意图实现发动机和电机工作点与变速器的最佳匹配(最佳经 济性匹配或最佳动力匹配),从而可以降低排放,提高整车的 基金项目:国家“863计划”电动汽车重大专项资助项目(2001AA 501981一 燃油经济性、动力性、操纵性以及乘坐舒适性。同时,在混合 晒),湖南省“十五”科技计划重大专项资助项目(02GKY1003) 动力电动汽车中,由于驱动电机作用,使CVT在给予汽车平 收稿日期:2006—04—29修回日期:2006—05—04 顺加速感觉的同时其油门反应又不迟缓,克服了传统CVT技 ....——235....—— 维普资讯 http://www.cqvip.com 术加速性能不足的缺点。此外,CVT技术在混合动力轿车中 的应用将进一步提高整车的自动化水平,更改的进行整车动 在一定的发动机与电机复合转速n(r/min)下,经过变 速器与差速器的减速,作用到车轮上,驱动车轮转动,汽车以 速度 。(km/h)( 。=0.377 行驶。在汽车行驶过程中, ‘gtO, 力分配控制策略的实施,从而使整车综合性能达到最佳,因 此,采用CVT的混合动力电动汽车是目前混合动力车比较理 想的传动方案。基于CVT的并联式混合动力电动汽车动力系 统模型,主要包括驾驶员决策、发动机、电机、蓄电池以及整 不仅驱动力与行驶阻力相互平衡,动力系统提供的功率与阻 力功率也相互平衡。将行驶方程两边乘以行驶车速 ,并经 单位变换,得到汽车功率平衡方程(功率单位是kW): =车动力性计算模型等。如图1所示是本项目组正在研制的一 种前向复合并联混合动力汽车动力系统结构。该混合动力电 动汽车,是对某车型进行改装设计,发动机前置前驱动,采用 盘式驱动电机与发动机并联。采用扭矩阻尼器和驱动/发电 去(竹 、 一36 O0 3 +600 7‘ 6140 3+‘ 一6O0 dut) (2) 式中: 为传动系的机械效率。 机组合取代传统的液力变矩器,发动机与电机的扭矩通过与 CVT主动轮轴连接的动力耦合器共同传递给CVT。发动机输 出的扭矩通过扭矩阻尼器传递给动力耦合器,电机则通过离 合器与动力耦合器连接,并通过置于CVT动力输入轴下的电 控液压装置控制CVT系统的动作。液压油泵置于车辆的前 端,通过一个油泵电机驱动,从而可以实现纯电动模式和怠 速模式。动力电池组布置于车尾部行李仓内。 本文仿真系统参考的车辆动力系统主要参数:汽车质量 1720kg,主减速比4.11,滚动阻力系数0.018,车轮半径 0.3m,风阻系数0.3,迎风面积2.26m ,无级变速器速比范围 是2.5—0.5。发动机最大功率60kW,三相交流感应异步电机 额定功率15kW,镍氢电池组228V。 图1 基于CVT的并联式混合动力电动汽车动力系统 3 基于CVT的混合动力系统模型的建立 3.1 整车动力性模型的建立 汽车在行驶过程中,动力系统提供的驱动力用来克服汽 车的滚动阻力、坡度阻力、空气阻力以及加速阻力,从而实现 汽车的匀速行驶、加速或爬坡等 根据文献[3],汽车行驶过 程中,驱动力以及滚动阻力、坡度阻力、空气阻力以及加速阻 力可以按照式(1)计算。 = + 2+ (1) 式中: 发动机转矩(Nm), CVT变速比,i。主减速器的传 动比,r车轮半径(m),G作用于汽车上的重力(N) 滚动阻 力系数, 道路坡度,c。空气阻力系数,A迎风面积(m ), 行 驶速度(k ̄r/h),6汽车旋转质量换算系数,m汽车质量(kg), 行驶加速度(m/s )。 ....——236....—— 3.2 发动机模型的建立 根据文献[6]中介绍的方法,对某发动机台架试验中得 到一组转速和扭矩试验数据( , )(i=1,2,3,…,n), 进行多项式拟合。设: = ,Y = ,构造m一1项多项式 为: Y=al+a2x+a3x +…+a,nxm (m<n) (3) 根据极值原理,确定多项式的系数a ( =1,2,3,…,m)使得 艿=∑[,( )一Y1] 取极小值。归结为以下的正则方程组: ∑ = ,(Ji}=1,2,3,…,m一1) (4) 其中:s =∑ , =∑ 。在计算中利用已知的发动机 转速,代入(3)式可以求得相应的扭矩。 同时,用曲面拟合法来求发动机的燃油消耗率。发动机 负荷籽陛中可得到一组转速、功率、燃油消耗率(n ,P ,b ) 数据,将这组数据用曲面多项式拟合。通常用二维散布测点 观测值多项式趋势分析的广义逆矩阵法对试验数据进行二 元多项式拟合。现建立如下形式的回归模型矩阵: [b]=[c][A]+[B] (5) 为书写方便,设b,n。=n,Pe=P则式(7)也可以写成下面的 形式: bl 1 nl Pl n nlPl Pl … b2 1 n2 P2 n2 n2P2 … ● ● ● ● ● ● ● ● ● : ● ● ● ● ● ● ● ● bIv 1 nIv PN n2Iv nNPIv P … Bl B2 + (6) ; 式中:[b]为Ⅳ阶向量,[c]为N×K阶实矩阵,[A]为 阶 拟合系数向量,[B]为Ⅳ阶残差向量,Ⅳ为测点数,k为多项 式项数(k=( +1)(f+2)/2), 为多项式的最高幂次。 解出回归方程的系数[A]后,将其代入式(6)即可得试 验数据的回归方程。根据某车型的参考实验数据拟合的发动 机万有特性曲线及OOL(Optimal Operating Line)发动机油 耗最低排放最佳工作曲线,曲线见文献[2]。 维普资讯 http://www.cqvip.com 3.3 驱动/发电机模型的建立 针对在某车型进行的混合动力性能仿真研究及其结果分析。 本项目的控制目标是在保证整车动力性能保持基本不 变的前提下,提高燃油经济性,优化发动机排放,能量分配采 用最佳油耗原则。同时,对于电池组,考虑了其循环使用寿命 应用克希荷夫第二定律,建立q轴、d轴、0轴定子、转子 电流方程组,方程组详见文献[1]。 根据式上述方程组可以计算得到电机的电磁转矩: = (iq" 一td s ) (7) 以及电机的内耗等影响,能量控制策略中兼顾能量回收和循 环工况充放电的平衡。该原则的主要控制要点有: 垫式中: , 分别是g轴、d轴定子电流;‘, 分别是g轴、d轴 1)使发动机工作在OOL曲线附近,从而可以保证发动 一 一了 r争 万【+ [ 删 肘 ‘ ‘ )一) J 】( L 8) 机的燃油经济性与排放的最佳; dt=一2)在整车驱动要求较高时电机参与驱动,以保证整车 的动力性能; 电流;tO 电机角速度(机械角速度gO = 3.4 动力电池模型的建立 );肘=音- , £ 定子磁感; 为道路载荷扭矩;曰 为粘性摩擦系数。 在混合动力控制策略中,主要通过电池组SOC值来控制 电池的输出电流从而控制电机驱动力的大小或发电与否。电 3)为了降低排放提高燃油经济性,能量控制中取消了 发动机的怠速工况,在整车驱动功率需求较低的工况下,采 用电机单独工作提供动力; 4)制动能量回收控制; 5)保证循环工况结束时蓄电池充放电基本平衡。 池的SOC值可以通过式(9)计算得到。 SOC(t :1一 (9) 控制采用功率差方式:以不同路况的功率需求 与发 动机工作在OOL最佳区间的实际功率P 的差值△p,电池的 SOC值,电机的转速tO;根据上述控制原则,采用模糊控制,控 式中:CAP为电池总容量,USEDCAP为用去的电池容量。 电池的终端电压值是电流与SOC的线性方程 J: Ⅲin f=a ,+b+c SOC (1O) 制器输出为一比例系数u,功率差与该系数相乘得到电机应 输出的调节功率(即P =却 u),发动机的功率等于总的 功率需求减去电机的调节功率(即尸 = 一Pm)。 根据前述建立的动力系统各个模型,在MATLAB/ Simulink中建立基于CVT的前向并联混合动力电动汽车动 力系统模型,动力系统的能量分配应用上述的燃油消耗最低 (11) 式中:a,b,c为电池特性参数。 因此,对于给定的功率需求,可以计算出电池的电流和 终端电压值。 给定的需求功率为: P』 ,=, rmi 模糊控制。仿真车速跟踪ECE—EUDC循环工况的目标车速。 把式(11)代人式(1O),求解二元一次方程得到电池的输出 电流为: 仿真研究的各参数选取某混合动力电动汽车实际参数。为了 使仿真结果具有普遍性,仿真初始SOC设定为0.5。 仿真结果如图2所示。(a)表示ECE—EUDC循环工况下 I: 一(b+c木SOC)+^//(b+c木SOC) +4木a木P 6哪, 2 a 整车运行需求功率;(b)在循环工况下发动机输出功率,从 (12) 图中可以看出在需求功率较低的情况下,关闭了发动机,使 电机单独提供需求的功率,以避免发动机的怠速以及低负荷 工况下运行,在超出了发动机最佳工作区间范围时让电机提 供辅助动力,以保证整车运行的动力性;(c)为电机在ECE— EUDC循环工况下的输出功率,从图可以看出在功率需求较 kw 30 ●● ● 4 基于CVT的混合动力车仿真及结果分析 由于无级变速器的工作特性,采用CVT技术应用于混合 动力车上,可以获得较好的燃油经济性和动力性,本节讨论 20 10 0 i l; 。‘ ----‘●‘●‘‘‘射赫 ’‘一●一…一一_。 : 2130 4130 600 0130 10130 12130 s (b)发动机输出功率 kW10 0 _10 20 (c)电机输出功率 (d)电池的s0c变化 图2 整车动力性能仿真试验结果 .———237.——— 维普资讯 http://www.cqvip.com 低工况,电机单独提供动力,在发动机不能满足动力性要求 时,提供辅助动力,在减速制动时,电动机用作发电机对蓄电 池充电,回收能量;(d)如图所示为与电机工作状态相对应 的动力电池组SOC状态变化曲线,在仿真中可以通过调整控 制策略避免电池组的反复、快速的充放电,同时保证了电池 组在循环结束后荷电状态基本平衡。 B K Powel1.K E Bailey and S R Cikanek.Dynamic Modeling and Control of Hybrid Electric Vehicle Powertrain System[J]. IEEE Contrl Systems Magzine,1998,18(5):17—33. Sergey Edward Lyshevski.Diesel—Elec ̄ic Drivertrmns for Hybrid—Electric Vehicles:New Challenging Problems in Multivariable Analysis and Control[C].IEEE International Conference on Control Application,1999—10.840—845. 5 结束语 本文研究了CVT的混合动力车仿真模型的建立和能量 控制策略,并进行了仿真研究,研究结果为整车的动力系统 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,1999,2—26. Stefano Barsali,Carmine Miulli and Andrea Possenti.A Control Strategy to Minimize Fuel Consumption of Series Hybrid Electric Vehicles[J].IEEE Intelligent Transportation Systems,2004, 部件设计提供了参考依据。本文仿真结果与参考车型在 19(1):187—195. Advisor软件中的仿真结果进行了对比研究,对比结果表明 张京明,赵桂范,姜立标.发动机特性计算模型在整车性能计 了本文数学模型精确度较高,模型设计方法可行,能量控制 算中的应用[J].车用发动机,2000—3.26—28. 策略可以取得预期的设计目标,从而表明了本系统模型能够 Xiaoling He and Jeffrey W Hodgson.Modeling and Simulation for 应用车辆系统动力仿真以及控制策略的研究,能够为项目的 Hybrid Electirc Vehicles-Patr I: Modeling[J].IEEE 进一步开展提供良好的平台。因此,希望本文所建立的数学 Intelligent Transportation Systems,2002,3(4):235—243. 模型与能量控制方法能够为混合动力电动汽车的研发提供 1J 1 J 1J 1J 1J 1J 1J 1J 借鉴。 参考文献: [1] Bai Zhonghao,Wang Yaonan.Research on Modeling and Simulation of Hybrid Electric Vehicle Energy Control Systems 『C 1.IEEE The Eighth International Conference on Electrical _ [研曹车副白辆究主中立生工任浩波程,,研(教授,1系究976主48方.任博士生导师,9向、一为现)混代,作男合车者(动身汉简力教研究方向为汽车安全。族介电育)],动 部湖河汽重南车点衡睢,实阳汽县人验车室,安博常全士务 。 ,Machines and Systems,2005—9. 王耀南(1957.11一),男(汉族),云南昆明人,博士,电气工程学院院 [2] 白中浩,王耀南,曹立波.混合动力电动汽车能量自适应模糊 长,教授,博士生导师,研究方向为智能控制。 控制研究[J].汽车工程,2005—4. (上接第91页) 王蕴红,等.LMS算法中稳态误差的研究[J].南京理工大学 能优劣有三个指标:收敛速度、收敛精确度和计算复杂度。 学报,1996,20(25):469—473. 本文通过对以下两种改进算法:一种是对算法复杂度的 田斌鹏,等.一种新的可变步长自适应滤波算法[c].The 改进,另一种是对算法收敛速度和计算精度的改进,进行分 2005 Symposium on Infprm砒ion,Electronics,and Control 析比较,结合二者的优点提出了NLMSISA,并通过三种算法 Technologies,2005. 的系统辨识仿真比较,表明本文提出的算法在保证精度的前 杜丽冰,朱宏涛.三种改进的LMS算法研究应用于CDMA中 提下,可大大降低算法的复杂度,在一定程度上解决了收敛 的窄带干扰仰制[J].电路与系统学报,1996,1(4),25—28. 速度、稳态误差和算法复杂度之间的矛盾。 邓江波,侯新国.一种变步长归一化LMS算法及性能分析 [J].电声基础.2004,12:4—6. 李盈颖,万建伟,周良柱.一种改进的变步长归一化LMS算法 参考文献: [J].国防科技大学学报,1999,21(1):94—96 [1] S Haykin.Adaptive Filter Theory(Third Edition)[M].USA :Prentic2Hall Inc.,1996. [作者简介] [2]B Widrow,S D Steam.Adaptive Signal Processing[M].USA 田斌鹏(1981一),男(汉族),陕西人,西南交通大 :Prentic2Hall Inc.,1985. 学硕士研究生,主要研究方向为智能信息处理。 [3]B.Widrow andS.Stearm“AdaptiveSignal Processing”,[M]. 张翠芳(1961一),女(汉族),哈尔滨人,西南交通 Englewoods Cliffs,NJ:Prentice Hall,1985 [4] 王敏强,郑宝玉.一种新的变步长LMS自适应滤波算法[J]. 大学教授,博士,主要研究方向为智能信息处理。 信号处理,2004,20(6):613—617. 闫 磊(1983一),男(汉族),河南人,西南交通大 学硕士研究生,主要研究方向为视频编码与传输。 ..-——238...—— 1{