混合动力电动汽车驱动系统方案设计

混合动力电动汽车驱动系统方案设计摘要：面对新世纪能源和环保的巨大压力，混合动力电动汽车(HEV)成为当前主流清洁能源汽车。混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能与驱动系统结构设计和参数的匹配以及车辆在行驶过程中的协调控制密切相关。文章以某并联混合动力电动大客车为研究对象，进行了混合动力驱动系统配置、混合动力驱动系统部件选型和参数设计、多能源动力总成控制系统及其控制策略方面的研究。关键词：混合动力电动汽车；驱动系统设计；控制策略；DriveSystemDesignforHybridElectricVehicleAbstract:Facingthechallengesofoilshortageandairpollution,HybridElectricVehicle(HEV)becomesoneofthemaincleanvehicles.Inthisdissertation,Withaparallelhybridelectrictransitbusasthemainresearchsubject,thehybridpowerdrivesystem(HPDS),themulti-energypowertraincontrolsystem，thepowercontrolstrategymodelingarestudiedandanalyzed.PerformancesofHEV,intermsofdriving,,fuelconsumption,andexhaustemission,stronglydependonthecoordinationofthedrivetrainandtheircontrolstrategy.Keywords:HybridElectricVehicle;DriveSystemDesign;Controlsstrategy引言近几十年来，世界各国汽车工业都面临着能源危机与环境保护两大挑战。为此，各国政府纷纷制定相应对策，力图开发出新一代清洁节能型汽车[1]。以电能作为动力源，无污染、清洁、高效的电动汽车因此逐渐登上历史舞台，发展前景十分诱人。电动汽车(EV)是一种电力驱动的道路交通工具，具有广泛的内涵，一般包括蓄电池电动汽车或纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)[2]。由于电池技术的瓶颈，纯电动和燃料电池电动汽车技术发展相对缓慢。目前，混合动力电动汽车由于其高的能量效率和低的排放性能向传统汽车提出了极大挑战，发展势态迅猛，市场化进程很快。我国“十五”国家高新技术研究发展计划(863计划)将电动汽车以重大专项列入，并且将混合动力电动汽车作为现阶段电动汽车发展的重点和方向[3-5]。1混合动力电动汽车的分类和特点1.1混合动力电动汽车的定义混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新车型。一般是指采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力。通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车[6]。混合动力汽车按混合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种；按混合度(电机功率与内燃机功率之比)的不同，又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。1.2混合动力电动汽车的分类1.2.1串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机、电池组、驱动电机和控制器等主要部件组成。发动机仅仅用来发电，所发出的电能通过发电机供给电动机，电动机再将电能转换为机械能驱动车辆行驶。发动机和发电机只是作为车辆的一个辅助动力单元，当发动机的输出功率超过汽车行驶所需要的功率时，发电机将发出的部分富余电能转向为电池充电，以提高汽车的续驶能力。此外，电池也可以单独作为能量源，将自身的电能提供给电动机来驱动车辆行驶，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶[7]。电动机是串联式混合动力汽车唯一的驱动模式，发动机通过发电机所产生的电能和电池输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶。串联式HEV驱动系统的结构如图1.1所示。1图1.1串联式HEV驱动系统的结构1.2.2并联式混合动力电动汽车并联式混合动力驱动系统的结构如图1.2所示，与串联式混合动力汽车不同的是，动力电池组通过电动/发电机输出的机械能和发动机输出的机械能进行叠加来驱动汽车，可以组合成不同的驱动模式。并联式混合动力电动汽车主要由发动机、动力电池组、电动/发电机、电机控制器等部件组成，发动机功率和电动/发电机功率分别约为电动汽车所需最大驱动功率的50％-100％(最大)，能量利用率高。图1.2并联式HEV驱动系统的结构1.2.3混联式混合动力电动汽车混联式混合动力汽车也可以称为串一并联混合式混合动力电动汽车，它可以分为单桥驱动混联式HEV和双桥驱动混联式HEV两种[8]。混联式混合动力驱动系统的结构如图1.3所示，混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，它的结构形式和控制方式充分发挥了两种驱动形式各自的优点。混联式混合动力电动汽车主要是由发动机、发电/电动机、电池组、驱动电机和控制器等部件组成。能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，在结构上可以保证汽车在复杂工况下工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。图1.3混联式HEV驱动系统的结构2混合动力客车驱动系统关键部件选型和参数设计现根据课堂教学内容，以及课外收集的相关文献资料，对一种混合动力电动汽车驱动系统的方案进行设计。此次设计采用方案为并联式混合动力驱动系统。2.1混合动力客车驱动系统的关键部件选型混合动力汽车的关键驱动部件为:发动机、蓄电池、电动机及其控制系统等。本HEV主要动力元件的选型依据样车对它们工作特性的要求。2.1.1发动机型式HEV的发动机要求有一定的驱动功率，能够满足基本的动力性能要求。能够与驱动电机一起提供HEV所需要的最大功率。HEV的发动机功率一般要比同级别的内燃机汽车要小。混合动力系统的发动机追求的是高效率，而不是高功率，便于发动机的最优化调整，保证燃料充分燃烧。发动机的排量相对小一些，有助于降低摩擦损失，而加速时的动力不足可以由电机来弥补。直喷柴油发动机(CIDI)是目前大中型汽车广泛使用的动力装置，技术比较成熟，热效率高，燃油经济性好，有害排放物相对较低。另一方面，由于电子控制技术、废气增压技术、尾气处理技术等在柴油机中的应用，使柴油机的综合性能尤其是排放性能得到明显提高。因此，无论是从混合动力系统自身的特点，还是从车用动力的发展趋势来看，对于近期混合动力汽车而言，沿用技术成熟的先进直喷式增压柴油机是实际可行的方案。2.1.2蓄电池型式电池仍然是混合动力汽车一个十分重要的部分，但是由于在混合动力汽车中，电池不再是唯一的能量载体，电池仅在车辆启动、低速运行、加速等工况下工作，对能量和容量的要求不像纯电动汽车那样苛刻，所以混合动力汽车电池的重量和成本都有大幅度下降，选择范围也更为广泛。由于铅酸电池可初步满足并联式混合动力客车的要求，并且从成本和布置方面考虑，铅酸电池也还被目前混合动力大客车较多采用[9]。2.1.3电动机驱动系统型式电动机是混合动力汽车的驱动单元之一，电动机驱动系统包括电动机、功率电子电路及控制部分。混合动力汽车对电机驱动系统的基本要求为:1.电机驱动系统具有宽广的调速范围，有着与汽车行驶一致的动力特性。简言之，低转速时恒转矩，高转速时恒功率。最高转速越高，在同样的额2定输出功率下，转速越高，电动机尺寸、重量越小。2.动态性能好—电机驱动系统要能够频繁地起动/停车、加速/减速。3.为了减少汽车的非有效载荷，要求电机驱动系统体积小、重量轻，功率密度大，在短时间内具有较高的过载能力。4.高效率—这对于电动汽车意义尤其重大。5.电气系统安全性和控制系统安全性—抗振动、耐腐蚀、低噪音;抗干扰，具有较好的电磁兼容性。6.能够四象限运行，实现正反转和再生制动。7.高电压—电压越高，电动机尺寸、重量越小，功率转换器成本越低。8.适合批量生产，价格便宜，便于维修。对电机的选用还要考虑其控制系统的特点，要求能实现双向控制，对再生制动能量可以回收。目前混合动力车上可采用的电机一般为三种型式:交流异步电机、开关磁阻电机、永磁无刷电机[10][11]。考虑到技术发展趋势和性能要求，交流电机驱动系统成了混合动力汽车的主要选择。2.1.4关键部件选型结果在并联式混合动力大客车上，发动机应选择比基础车功率小一点的直喷式增压柴油机;基于成本、可行性，以及并联式混合动力客车对电池的要求，蓄电池应取性价比高的免维护铅酸蓄电池;电动机及其控制系统选择交流感应电动机和其相应的控制器。2.2混合动力客车驱动系统部件参数设计混合动力汽车动力传动系的设计也应满足车辆的动力性能要求。动力系统部件的参数可以根据动力系统的控制策略、决定载荷的整车参数(如整车整备质量、空气阻力系数、滚动阻力系数等)和车辆的性能要求等来初步确定[12]。2.2.1整车参数及动力性指标混合动力样车是以某系列传统公交车作为基础车设计的，其整车参数如表2-1所示：表2-1整车参数按照设计的目标，并联式混合动力大客车动力性计算指标如下：(1)最大车速maxV≥80km/h(2)最大爬坡度为25％(3)0-50km/h的加速时间t≤26s(4)蓄电池单独供电，放电深度80％，平均速度50km/h时的续驶里程S≥40km。2.2.2发动机功率的计算混合动力公交车在城市运行的速度不是很快，根据动力性需求我们确定的最高车速为maxV=85km/h。在其经常运行的巡航车速范围内单独由混合动力汽车发动机提供功率。混合动力汽车的发动机应能单独驱动汽车平时行驶要求的功率，并留有一定的富余功率给电池充电。即：（2-1）式中：Pemax—发动机最大输出功率/kWt—整车动力传动系效率V—最高车速/Km/hm—整车质量KgCd—空气阻力系数f—滚动阻力系数A一迎风面积/m2把表中的参数代入式中得：而在高速工况下整车基本上由发动机单独驱动，考虑空调开时的负载功率，所以发动机功率初步选择为110kw东风康明斯生产的直列六缸增压中冷柴油机，具体参数如表2-2:表2-2ISBe150-30柴油机技术参数2.2.3电动机功率的计算由于并联式混合动力汽车的电动机只在低速(低于20km/h)和加速时工作，所以电机功率的选择须满足汽车的加速要求和最大爬坡度以及纯电动运行的续驶里程等3项要求。根据所选电机为高效率的交流异步电机先估计电机的效率为0.9。（2-2）3以汽车在10km/h速度爬坡25％来计算所需的功率：（2-3）因此驱动电机的功率必须满足PmcPmc1及PmcPmc2，所以我们初步选择驱动电机的额定功率为66kW，峰值功率150kW。表2-3驱动电机技术参数2.2.4电池参数计算电池参数匹配的一般做法是，首先确定电机的最大工作电流、工作电压范围和电机的最大功率，考虑电压对电池寿命的影响，确定电池的额定电压和电压范围；接着根据纯电动行驶的能量要求来决定电池的能量，从而计算电池的容量及重量等。研究和工程实际表明，限于绝缘材料以及安全考虑，电动汽车最高电压一般低于350V。由公式2-4可知电池输出电压越高同等功率下，工作电流越小，则电池内阻损耗的能量越少，故综合考虑，我们选定电池的额定电压为300V。由公式2-4可以计算出电机驱动系统的最大工作电流。(2-4)式中：U0_bat--电池的额定电压，300VPm_max--电机驱动系统的峰值功率，150kWIm_max--电机驱动系统的最大工作电流，A采用的是铅酸电池电压为12V，由25个电池模块串联而成。根据上文确定的车辆性能指标，在平均车速为50km/h时纯电动行驶达到的续驶里程40km。(2-5)(2-6)考虑电池设定的放电深度为80％。故蓄电池组的标称总能量应选为E/80％=28/80％=31.5kWh。由电池的容量=能量/电压，所以电池的容量=31500/300=105Ah综合考虑为确保整车足够的续驶里程以及实际情况