02混联型混合动力汽车能量管理策略优化_舒红

2009年3月农业机械学报第40卷第3期混联型混合动力汽车能量管理策略优化*舒 红1 刘文杰2 袁景敏1 高银平1(11重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;21湖南南车时代电动汽车股份有限公司,株洲412001) =摘要> 对一种混联型混合动力系统运行工况进行了分析。

基于发动机、电机和蓄电池的效率图,建立了混联型混合动力汽车充电工况和放电工况的系统效率模型。

放电工况以系统放电效率最大为优化目标,充电工况根据蓄电池荷电状态不同,分别以系统充电效率最大、系统充电效率与充电功率乘积最大为优化目标,对混合动力系统能量管理策略进行了优化研究,获得了汽车在不同运行条件下的发动机、电动机和发电机的最优控制转矩及转速。

燃油经济性仿真结果显示,该混合动力系统在NEDC 循环工况下的整车燃油消耗降低36195%。

关键词:混合动力汽车 能量管理策略 优化中图分类号:U 469179;U 46118文献标识码:AOptimization of Energy Management Strategy for a Paralle-l series HEVShu Hong 1 Liu Wenjie 2 Yuan Jing min 1 Gao Yinping 1(11State Key Labor ator y of Mechanical T ransmission ,Chongqing U niver sity ,Chongqing 400044,China21H unan CS R T imes Electr ic Vehicle Co.,L td.,Zhuz hou 412001,China)AbstractT he driving modes of a paralle -l series hybrid electric vehicle (H EV )w ere analyzed.The system efficiency models for the H EV at the charg ing and discharg ing mode w ere proposed based upon the eng ine efficiency map,motor/generator efficiency m ap and battery efficiency m ap.T he optimization of energy manag ement strateg y for the hybrid system was studied,whose optimization target is the max imum of discharging efficiency at the discharging mode,and the max imum of charging efficiency,the max imum of charging efficiency and charg ing pow er at the charg ing mode w ith the different state of charge of battery,and the optimal control torque and speed for eng ine,motor and g enerator w ere obtained under the different driving conditions.The simulation of fuel economy shows that the decreasing ratio of fuel consumption of the hybrid system reaches 36195%.Key words H ybrid electric vehicle,Energy management strateg y,Optimization收稿日期:2008-03-18 修回日期:2008-05-08*重庆市自然科学基金资助项目(CST C,2007BB0116)作者简介:舒红,副教授,博士,主要从事混合动力汽车仿真和控制研究,E -mail:shuhong@引言混合动力汽车的结构型式和能量管理策略决定了整车的燃油经济性和排放水平。

混联型混合动力汽车综合了串联型和并联型混合动力汽车的结构及性能优点,使发动机、发电机和电动机的功率流能获得更灵活的优化匹配,保证混合动力系统能在各种运行工况下控制在高效工作区运行,从而更容易提高燃油经济性和排放性能。

目前混联型驱动系统主要以行星齿轮作为功率分流装置,其中最具有代表性的是丰田汽车公司的混联型混合动力汽车Prius [1~2]。

本文在分析混联型混合动力系统的工作原理的基础上,以系统综合效率最大为主要优化目标,通过燃油经济性仿真,对混合动力系统的能量管理策略进行优化研究。

1 混联型混合动力系统工作原理111 混联型混合动力系统结构提出的混联型混合动力传动系统结构如图1所示。

发动机与齿圈相连,作为行星轮系的输入件;电机Ñ与太阳轮相连,通过控制电机Ñ的转速来调节发动机的转速,使其运行在低油耗低排放的工作区域。

电机Ò与行星架相连接,在驱动工况可用于驱动车轮,在制动时作为发电机进行再生制动。

在此结构中,无论电机Ñ和电机Ò正转、反转,都可以用作电动机或发电机。

图1 混联型混合动力传动系统结构图F ig.1 Configuration of a paralle-l ser ies hybrid pow er train发动机传递到太阳轮和行星架上的转矩为T s =T e Q G p (1)T H =T e (1+Q )G p(2)式中 Q )))太阳轮齿数与齿圈齿数之比T e )))发动机输出转矩G p )))行星轮系效率112 混联型混合动力汽车运行工况主要包括纯电动工况、巡航工况、加速/爬坡工况和再生制动工况。

11211 纯电动工况当汽车车速和需求功率均低于各自的设定界限,且电池荷电状态(SOC)高于0145时,汽车仅由电机Ò驱动。

11212 巡航工况当车速超过纯电动工况限定车速且稳速运行时,汽车进入巡航工况。

(1)低速巡航模式发动机部分输出功率用于直接驱动汽车,另一部分通过电机Ñ给电池充电和/或通过电机Ñ向电机Ò提供电能来提高发动机的负荷,此时电机Ñ反转。

各运动部件转速关系为[3](1+Q )n m 2=-Q n g 1+n e(3)式中 n m 2)))与行星架相连接的电机Ò转速,电机Ò作为电动机运行n g 1)))与太阳轮相连接的电机Ñ转速,电机Ñ作为发电机运行n e )))与齿圈相连接的发动机转速(2)中高速巡航模式当汽车进入中速巡航时,为了使发动机稳定在低油耗转速区运行,电机Ñ的反转转速下降,直至降为零。

此时转速关系为(1+Q )n m 2=n e(4)当汽车进入高速巡航时,为了使发动机运行在相对较低的转速区域,电机Ñ正转作为电动机运行。

而电机Ò作为发电机,其电能提供给电机Ñ和/或向电池充电。

转速关系为(1+Q )n g 2=Q n m 1+n e(5)式中 n g 2)))电机Ò作为发电机运行时的转速n m 1)))电机Ñ作为电动机运行时的转速11213 加速/爬坡工况汽车首先由电机Ò单独驱动,随着需求功率增大,发动机启动,并同电机Ò一同驱动汽车。

另一部分功率则通过电机Ñ发电(反转),并同蓄电池一起向电机Ò提供电能。

转速关系为(1+Q )n m 2=-Q n g 1+n e(6)随着车速的提高,为了让发动机转速稳定在某一区域运行或平稳上升,电机Ñ转速先逐渐下降(反转),然后再上升(正转),最后稳定在最高转速附近。

转速关系为[3](1+Q )n m 2=Q n m 1m ax +n e(7)式中 n m 1max )))电机Ñ的最高转速11214 再生制动工况电磁离合器断开,电机Ò工作于发电机状态,电机Ñ自由转动。

2 能量管理策略优化为计算方便,将上述运行工况归纳为以下3个工况:充电工况、放电工况和制动工况。

对于充电工况和放电工况,以系统综合效率(以下简称放电或充电综合效率)最大为主要优化目标建立了能量管理控制策略优化模型。

制动工况则采用了基于再生制动能量回收最大为优化目标的能量管理策略[4]。

211 充电工况(P b -c [0)21111 电机Ñ作为发电机(P g 1<0)该工况即为低速巡航模式。

根据Kim 等提出的并联型混合动力汽车等效模型理论,将蓄电池简化为一等效油箱,电机Ò简化为一等效发动机[5](图2)。

在充电工况下,将系统充电综合效率定义为驱动轮处输出的功率与发动机油箱实际向汽车传动系统输出的功率之比。

发动机油箱的输出功率为P k 1=P e /G e(8)32农 业 机 械 学 报 2009年式中 P k 1)))发动机油箱输出功率P e )))发动机输出功率G e )))发动机热效率图2 充电工况混合动力系统等效模型(P g 1<0)Fig.2 Eq uivalent model of the hybrid system at charging mode蓄电池获得的充电功率为P b -c =(P g 1G g 1+P m 2/G m 2)G b -c(9)式中 P g 1)))电机Ñ作为发电机时的输入功率G g 1)))电机Ñ作为发电机时的效率P m 2)))电机Ò作为电动机时的输出功率G m 2)))电机Ò作为电动机时的效率G b -c )))蓄电池充电效率,是蓄电池温度、充电功率和SOC 的函数等效油箱获得的功率为储存在蓄电池中的、由发动机富裕功率所转换来的那部分发动机油箱功率,即P k 2=P b -c /G e (P k 2[0)(10)式中 P k 2)))等效油箱所储存的功率除去等效油箱所储存的那部分功率后,发动机油箱实际向汽车传动系统输出的功率为P k =P k 1+P k 2=(P e +P b -c )/G e(11)根据定义,系统充电综合效率为G ch =P r /P k =P r G e /(P e +P b -c )(12)式中 P r )))驱动轮处需求功率当蓄电池荷电状态大于0145、小于016时,为了提高混合动力汽车系统充电综合效率,发动机、电机Ñ、电机Ò和蓄电池应运行在系统充电综合效率最高的区域,因此取系统充电综合效率最大作为优化策略,目标函数为系统充电综合效率的倒数的最小值,即m in f (X )=min (1/G ch )(13)当蓄电池荷电状态小于0145,充电策略应使电池SOC 恢复到正常值。