混合动力汽车能量利用试验与仿真及评价方法研究

【摘要】： 混合动力汽车采用内燃机和电动机作为动力源，是解决未来汽车环境污染和能源问题的重要研究方向，是电动汽车中最具产业化前景的车型。混合动力汽车主要的开发方式有计算机仿真、试验台开发和实车开发平台三种。多能源的控制和利用是混合动力汽车的核心问题，本文从能量利用的角度，对混合动力汽车的试验和仿真评价方法进行了研究。 仿真分析具有适应性强、费用低、开发周期短等优点，是分析评价混合动力汽车性能和能量利用效率的有效手段。计算机仿真结果必须通过试验检验。国内关于混合动力汽车的研究与开发仍然主要集中在仿真阶段，试验评价的研究尚处于起步阶段。国外混合动力汽车的实验台是根据新产品开发需要进行设计的，尚未建立一种标准、通用化的实验台。混合动力汽车研发过程中的一些关键技术，如能量控制方案的优化和制动能量回收研究一直处于仿真阶段，进一步的验证需要一个真实的试验环境，开发混合动力汽车评价实验台就显得比较迫切。 开发了基于CAN总线的HEV动力总成评价实验台。完成了动力总成主控制器、电动油门执行控制器、模拟驾驶平台、CAN通讯监视系统等研究。实验台采用了CAN总线技术，具有控制系统结构简单，多主机方式工作，响应速度快，可靠性高等优点。实验台的建立为混合动力汽车的开发和动力总成的评价提供了实物仿真和试验的平台。 开发了基于CAN总线的混合动力汽车底盘测功机。研究了混合动力汽车底盘测功机加载装置的选型匹配及分析。通过比较，在分析测功机特性曲线和HEV测功特点的基础上，选取直流电机来作为混合动力汽车底盘测功机的加载装置。对直流电机的恒速控制模式、恒扭矩控制模式、恒电流控制模式进行了分析，并建立了直流电机的电枢电压控制和励磁电压控制数学模型。研究了道路行驶阻力在HEV底盘测功机上的模拟。得到了底盘测功机行驶阻力的电量模拟式，控制模拟电压即可在直流电力底盘测功机准确模拟汽车的行驶阻力。研究了测控系统的设计及标定。基于CAN总线混合动力汽车底盘测功机的研究与开发为HEV能量利用的试验评价提供了研究的平台和方法。 运行工况是HEV仿真和试验评价的依据，采用基于汽车电控系统数据流功能的检测系统对中国某城市的实际运行工况进行了测试。测量发动机转速、节气门开度、车速以及载客量并进行数理统计，结果表明城市运行工况的停车时间、车速、加速度、减速度、载客量等参数均符合正态分布。分析结果表明，所开发的城市运行工况能够反映城市的实际运行状况，为混合动力汽车的开发奠定了基础，具有实际的应用价值。 在前面研究的基础上，对混合动力汽车能量利用的试验评价方法进行了研究，通过在底盘测功机和实际道路进行试验测试，分析了混合动力汽车燃油消耗的试验测试方法、影响因素及修正方法。应用电力计实时检测能量存储系统电流和电压大小，通过积分获得电流能量变化，利用CanMoniter进行SOC测量。分析了能量存储装置SOC的变化对燃油经济性的影响，研究表明，油耗与充放电量净值Q之间近似为线性关系。采用最小二乘法进行线性拟合，得到的拟合线Q=0处即为燃油消耗量。为计入电能损耗因素，提出了采用补偿的方法获得修正的燃油消耗，研究了C平衡法和充放电累计值两种修正方法，对HEV油耗试验规程步骤进行补充和计算修正，可消除目前方法存在的系统偏差。 制动能量回收是混合动力汽车一项关键技术，如何提高制动能量回收率，以及如何进行制动能量回收率的分析和评价，成为当前急需解决的问题。本文研究了制动能量回收的仿真分析和试验评价方法。分析了再生制动和机械制动之间的比例关系优化，研究了固定分配方案和动态分配方案。在多种循环工况下进行了仿真分析。研究表明，制动力分配方案、能量回馈模式、电池的SOC值对回收的能量有直接影响，采用再生制动可以有效的提高混合动力汽车的燃油经济性，制动过程在循环工况中所占的比例越大，制动能量回收的潜力越大。 在NEDC中6个减速工况中，分别测量分析了HEV在道路测试和测功机测试的回收电流，比较了不同回收电流对燃油消耗的影响。通过最终测试结果表明，在两种测试方法中回收电流差异不大，并研究了HEV制动能量回收效率的试验评价计算方法，可以使用HEV测功机进行燃油经济性的评价。针对ECE15循环工况中四个减速工况，对试验车辆分别用仿真评价方法、道路测试方法、室内试验测试评价方法进行比较。结果表明：室内试验评价方法得到的燃油消耗更接近于道路测试结果，适合用于HEV开发中后期汽车能量利用的评价；计算机仿真的结果可以实现对HEV能量利用的评价，但精度有限，比较适合HEV开发初期的评价。 以上研究及结论为进一步研究混合动力汽车的能量利用效率提供了有效的分析工具和依据，对混合动力汽车的设计、开发和评价具有理论和实践指导意义。