2005037
混联式混合动力电动汽车动力总成的优化匹配与监控*
赵克刚,黄向东,罗玉涛
(华南理工大学广东省电动汽车研究重点实验室,广州 510640)
[摘要] 提出一种根据所用监控策略,在大设计空间内搜寻混合动力电动汽车(HEV)多能源动力总成最优机电拓扑布局和机电匹配方案的一套方法,并由此构建了基于内燃机、电机等元件/可缩放0子模型,面向HEV 动力总成的系统动力学仿真平台。利用该平台,对采用目标函数瞬时最优监控策略的混联式HEV 动力总成进行机电优化匹配取得了满意效果。
关键词:混合动力电动汽车,动力总成,建模仿真,优化匹配与监控
Optimal Matching and Monitoring of Series 2parallel HEV Powertrain
Zhao Kegang,Huang Xiangdong &Luo Yutao
Guang dong Key Lab of Electric V ehicle Res earch ,South China University of Technology ,Guang zhou 510640
[Abstract] According to the monitoring strategy in use,a scheme for searching optimal mechatronic topology and matching in a large design space for the multi 2energy powertrain of a hybrid electric vehicle (H EV)is put forward.Based on that,a system dynamics simulation platform for HEV powertrain with scaleable sub 2models for components,such as engine and electric motor,is set ing this platform,the optimal mecha 2tronic matching for the powertrain of a series 2parallel HEV,which adopts monitoring strategy with instanta 2neously optimal objective function,is carried out with satisfactory results.
Keywor ds:HEV,Power train,Modeling and simulation,Optimal matching and monitoring
*国家自然科学基金资助项目(50275053);广东省自然科学基金重点资助项目(020857)。
原稿收到日期为2004年1月12日,修改稿收到日期为2004年5月8日。
1 前言
混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)具备使用包括电能在内的两种或多种车载能源的动力总成。虽然其复杂程度有所增加,但通过采用恰当的监控策略使总成各元件在某种优化方式下协同工作,可实现低油耗、低排放及高性能等整车设计多重目标,获得1+1>2的效果,因而逐步引起人们的重视,成为一种发展趋势[1]。各类H EV 的最大差别,在于其动力总成的拓扑布局或机电耦合方案,有串联、并联和串/并混联式;因混联式能很好地综合前两者的优点,成为目前H EV 研究的主攻方向。H EV 的另一重要差别在于其被设计成电量
保持型还是电量消耗型。作者结合一种电量保持
型、并联主导的混联式多能源动力总成[2]的研究开发,探讨HEV 动力总成匹配优化与监控问题。
2 匹配、监控及仿真基本思想
所涉及的混联式HEV 多能源动力总成的机电
拓扑布局如图1所示[2]。显然,要使总成在保证整车性能的前提下实现诸如油耗、排放为最小等优化目标,至少还要解决2个问题:(1)如何确定各元件的规格参数;(2)随着驾驶员驾驶意图和整车工况的不断变化,应如何实时地调整、协同各元件的工作状态。在总成设计阶段,解决这些问题的主要途径是正确开展系统动力学仿真实验[1],其中硬件匹配优
2005年(第27卷)第2期
汽 车 工 程
Automotive Engineer ing
2005(Vol.27)No.2
化还依赖于所采取的监控策略。)))机械连接;22222电气连接;),y 控制信号;C 1、C 2电控离合器
图1 一种混联式HEV 多能源动力总成的拓扑布局
HEV 尚没有成熟、统一的监控策略[3,4],作者研究并采用了目标函数瞬时最优化的监控策略,并基于MATLAB 建立了在实时监控中以功率或转矩给定为输入,在硬件匹配和性能预测时以速度给定为
输入的前/后向仿真平台。其基本思想是:(1)在实时监控或仿真过程中的每一时刻,根据当前油门踏板开度(即实际驱动功率诉求)和车速,或按给定行驶循环的当前车速和由此反算出的车轮上所需驱动功率,搜寻、确定发动机与各电机间使目标函数为最小的理想瞬时功率分配;(2)根据测量或计算得到的电池组的当前荷电状态SOC (State Of Charge),按其与设定标准值的偏差,以罚函数形式对理想瞬时功率分配加以修正,得到满足监控策略约束条件和车辆性能要求的实际优化功率分配,由此得到发动机、电机的运行工况点和相应的变速器速比或挡位。按此基本思想自主开发的前/后向仿真实验平台的工作流程见图2。图中的行驶循环指按不同车型预先设定的速度-时间行驶规范(如ETC 循环等)
。
图2 多能源动力总成的系统仿真流程图
3 建模仿真中的若干关键问题
从系统建模和仿真的角度来看,HEV 多能源动力总成的分析和设计主要考虑化学、机械和电3个能域间的转换。其主要装置可归纳为能量转换元件(如电机、热机和燃料电池)、功率变换及调节元件(如变速、DC/DC 、供油等系统)和储能元件(如燃油箱、电池、超级电容、飞轮)3大类,它们的输入与输出可以属于相同或不同能域。储能元件存储和提供能量;能量转换元件用来联接不同的能域,可以是双向(如电动机可作发电机)或单向(如发动机)的;功率变换及调节元件则实现同一能域的流与势变换与调节。
对这些元件建模时,主要关注它们在功率层面的输入/输出关系,若能使模型具备规格参数的可缩放性,即具有不依赖于元件具体结构形式与规格尺寸的参数化特性,将获得极大的优越性。这不仅能使总成性能仿真极为便利、使各硬件的规格参数匹配寻优成为可能,还能使监控系统的参数略加修改
即可用于不同规格的总成,形成广泛的适配性。但
要做到这一点,其主要挑战是使换能器(内燃机、电
机等)模型具备这种可缩放性。作者采取的对策是:建立把输入能量与实际输出能量联系起来的某种仿射或拟似关系,并采用适当的无量纲化(正则化)变量来表述,从而导出不依赖于规格尺度的元件模型。311 规格参数可缩放的内燃机模型
图3 威兰氏线模型
参见图3,引入原用于评估发动机功率损耗的威兰氏线(Willans line)模型,可得内燃机化学输入与机械输出功率N a 、N e 间的如下拟似线性关系[5,6]。
N a =e N e -N l G =N e /N a
(1)
式中斜率e 为热机固有的能量转换峰值效率(如奥托循环效率),N l 为外部(附加)功率损耗,G 为热机实际能量转换总效率,各功率为转速和转矩的乘积N =T X ,下标a 、e 、l 分别为输入(可利用)、输出(有效)和损耗之意。为消除尺寸规格的影响,可
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