第19卷第 18期
2007年 9月
系 统 仿 真 学 报@
Journ~ of System Simulation
Vb1.19No.18
Sep.,2007
混合动力汽车能耗最优数学建模与仿真
曾小华 ,王庆年 ,王伟华
(1.汽车动态模拟国家重点实验室,吉林长春 130025;2.吉林大学汽车工程学院,吉林长春 130025)
摘 要:提出了传统汽车燃油消耗的数学计算公式,对比地建立了混合动力汽车 (HEV)的能量
消耗计算模型,并对HEV控制策略提出了基于最小化能量消耗的优化目标.根据该优化目标,基
于某一车型,寻找混合动力汽车的两动力源 (发动机与电动机)之间的最佳分配,使系统的能量
消耗最少.利用这种方式建立了规律控制模型,并对混合动力汽车进行整车性能仿真,仿真结果
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明:
相比原缺省的控制方式,该控制方式使得HEV更省油,对于某一工况,燃油消耗率降低了20%左右。
关键词:混合动力汽车;燃油经济性;优化;规律控制;仿真
中图分类号:U463.2 文献标识码:A 文章编号:1004—731X(2007)一18-4309—03
M odelling and Simulation of Energy Loss M inimization
for Hybrid Electric Vehicle
ZENGXiao—hua ,WANG Qing—nian2,WANG Wei—hua
(1.State Key Laboratory ofAutomobile Dynamical Simulation,Changchun 130025,China;
2.College ofAutomobile Engineering,Jilin University,Changchun 1 30025,China)
Abstract:The matllematical formula of fuel consumption for conventional vehicle was introduced.and comparatively,the
model of energy loss for the hybrid electric vehicle(HE was established.Based on the minimization of energy loss for the
HEV,a new control strategy was offeredfor a sample HEV,which could optimally distribute enemyflow between the two
power sources fi.e.engine&motor)and minimize the overall energy loss,According to the control strategy,the simulation
model was established to for~ t the fuel economy.Simulation results show that fuel consumption of the HEV can be
reduced almost 20% under a certain drive cycle compared with the default conventional contTol strategy.
Key words:hybrid electric vehicle;fuel economy:opfimization;rule—based control;simulation
引 言
混合动力汽车 (HEV)以节省燃油及降低排放为其主要
优点,已在全球汽车行业得到公认。由于 HEV节能潜力的
发挥程度直接与控制策略相关,因此有关控制策略的研究也
成为当前的热点问题之一【l|2】。目前常用的HEV控制策略多
采用开关门限值控制
方法
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协调发动机与电机一电池工作在
高效区L2l3J。该控制策略主要是通过确定高效区间对两动力
源的功率进行合理分配以提高经济性,并没有真正实现控制
的最优化,使两动力源消耗能量最少[4 】。本文提出了以最
小化能量消耗为 目标的一种基于规律的控制方法,即在选择
各动力总成后,根据它们的特性参数来研究控制规律,从而
预先找到整个系统功率分配的最优控制规律。仿真结果表
明,若按该曲线进行调节控制,可实现能量消耗最少。
1 传统汽车的能量消耗计算模型 ,。】
由于传统汽车的单一动力源,其能量消耗反映到燃油的
消耗。传统汽车燃油消耗的计算公式为:
收稿日期:2006—07—19 修回日期:2006—10—24
基金项目t国家高技术研究发展
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
“863”项目(2006AA11A184).吉
林大学 “985工程”资助项目。
作者简介t■小华(1977.),男,江西吉安人,讲师,博士,研究方向为混
合动力汽车驱动理论与控制技术。
B=Ibe(t)P~ (t)dt (1)
r
= (2)
r/,
式中: ——发动机的功率,单位kW;
etro ——路载功率要求,单位 kW;
be(t)——发动机的比油耗,单位 g/kWh;
— — 机械传动系统效率。
发动机的比油耗值是与发动机工作点密切相关的。发动
机的比油耗和效率成倒数关系,即可表示为:
-(3)
式中: ——燃油的燃烧低热值,10-~j/g;
beo, ——发动机理论燃烧值(100%效率值),对于柴油
发动机为 84,对于汽油发动机该值为77;
— — 发动机工作效率。
因此公式(1)也可以表示成关于发动机效率的函数,如
下所示:
日: f (4) {rL (t)
‘
一
2 混合动力汽车的能量消耗模型 ,5】
由于混合动力汽车多于一个动力源,其结构虽有多种
形式,如常用的串联式和并联式,其动力源除了发动机外,
·4309·
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还有动力电池,其功率流向如图 1所示,因此,混合动力汽
车的能量消耗不仅有燃油的消耗,也有电池的电量消耗。
混合动力汽车的燃油消耗可由 表示:
f
.
= lbe(t)P~ (t)dt (5)
f
同时要满足:ASOC:0
该计算式与式(1)相似,不同的是,HEV要维持工况运
行前后保持电池电量状态(SOC)值一样,这样才能更真实地
反映 HEV的实际燃油消耗。
1 HEV功翠分配基本结构
由图 1可以看出,和传统汽车的燃油计算式相比,HEV
还有不同的一点是,混合动力汽车的发动机 的功率要求
和路载功率 应该满足下式:
D
P,n : 一 ·r/m (6)
式中: ——电池的输出功率,单位 kW;由于它是双向
的,有正负之分。助力电动时,电流为正,功率为正;充电
时,电流为负,功率为负。 ——电系统工作效率。
如果固定发动机功率 ,通过混合动力汽车的控制
策略,可使得发动机工作在最佳转速转矩点。发动机最佳效
率点和功率特性就可以确定,如图 2为某一混合动力汽车发
动机的最佳效率特性。
Peng/kW
图2 发动机最佳效率.功率特性
这样在 HEV油耗计算中,对于某一标准工况的任一时
刻,其路载功率‰ 是确定的。由式(6)可知,发动机的功
率可以通过电池功率或电池电流来确定。发动机此刻的最佳
比油耗值be(t1可以表示为发动机功率的函数。因此混合动
力汽车的燃油消耗B 可以表示为:
t
).【 啊 (7)
be(t):be(P, ) (8)
约束条件:ASOC=0
3 IIEV的最少能量消耗目标建模
根据公式(7)可建立如下最小化燃油消耗的模型:
P,,oc(
一 . (f)
BH : min l—— ———— t (9)
一
BafE【 巾.n max /o 叩 j(f)·
将求极值符号移到积分表达式里,可得下式:
t
t.
P,,oc(
一 . (f)
矾一r — : —
约束条件:ASOC:0
发动机效率同样可表示:
qe (/)---- ( ) (11)
上述优化求解问题的约束条件:ASOC:0一般很难得
到保证,为了把该约束条件考虑到 目标函数中去,可以把
HEV 燃油消耗最小转变为整个动力系统的能量损失最少问
题。这样可以同时考虑发动机和电系统的损失,更具实际意
义,使系统的优化实现成为可f~t4,sj。由于混合动力汽车能
量消耗与燃油消耗密切相关,上述燃油消耗最小转化为能量
损失最小的问题,实际上是在保证 SOC不变情况下的一种
等效,这种转换并没有改变系统优化的实质。
考虑混合动力汽车整个系统的能量损失包括电池的能
量损失,HEV的能量损失可表示为:
.,:f n ( .£(,)+ .[1-q(f)】) (12) J胁∈【P Pmax】、10O0 一 rl(t)
式中:卜 电池工作电流,单位 A; 一 电池内阻,单位
Q;e(11~电池工作的惩罚系数;
惩罚系数£(,】可由下面方法来确定:发动机需要额外
提供能量对它充电以维持到运行前 SOC值,以保持约束条
件ASOC:0成立。对于电量维持型混合动力汽车,要求用
发动机对电池系统进行充电,这样可以把电池工作电流 向发
动机比油耗进行等量转换。如果由于电池的过放电使电池馈
电,这部分能量由发动机燃油提供,那么对应的发动机工作
点的油耗率为:
+△
踟c
一
) (13)
APe : :(Voc—Ib Rb。 )· 。 (14)
式中: 一在电池以I 放电后,发动机多输出功率以
补充电池电量。Voc一电池的开路电压,单位 V。
通过式(13)一(14),对某一HEV进行计算,电池的放电
电流与对应发动机的比油耗 (或效率)曲线如图3所示。这
样可根据电池的工作电流,求得对应的惩罚系数e(/1。
因此,公式(12)可以表示为:
·4310·
.,=』胁
[1-7/∽ 】+
,,·(Voc一, R )·e(1)
rl(t)
[1一rl(t)])dt (15)
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第 l9卷第 l8期
2007年9月 曾小华,等:混合动力汽车能耗最优数学建模与仿真
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曩
薰
羹
图3 电池电流加权关系
建立以公式(15)为最优 目标,根据某一路载功率‰
下,可以确定混合动力汽车系统能量消耗最小的发动机功率
。 如图4所示为其优化求解的结果。
Optimal engine operating power according min engergyloss
耋
图4 APU的最优工作功率(基于公式 l5)
4 仿真计算
依据混合动力系统能量消耗最小的原则,并基于某一
确定工况下,求得如图4所示的重要关系式,可用来作为混
合动力汽车功率分配及控制的重要依据(该最优功率分配是
随工况变化的,其他工况的最优分配曲线是不同的,但因篇
幅限制暂不给出图形)。因此,在确定的路载功率需求情况
下,可以找到最佳的发动机工作点。在仿真或实际控制过程
中,按上式所确定的最佳功率分配关系,两动力源的转速可
由已知车速计算得到,相应可以转化为两动力源 (发动机和
电机)的最佳转矩分配。图5是按该思路编制的 MATLAB/
SIMULINK 仿真模块,它是基于能量消耗最小 目标函数所
确定的关系式进行控制及动力分配的。
依据路载功率f 和最优发动机功率 关系式,在某
一 实际路载功率需求下,可查表得到最优能量消耗的发动机
所需功率 。并在发动机脉谱图上寻找其最佳经济点。实
际应用中可通过控制器调节发动机,使其在该点下工作。
下面是对仿真结果进行的分析,按上述思想可得到不
同工况下的燃油经济性值,如表 1所示。可看出:在中国典
型城市四循环工况 (CN04)下,相比缺省门限值控制,基
于最优规律控制的HEV燃油消耗要节省近 20%,而其它工
况也改善得较明显。
表 1 量优规律控制和门限值控制仿真结果对照
图5 基于规律控制的燃油经济性仿真建模
5 结论
(1)对比混合动力汽车和传统汽车的能量消耗计算模
型,即有联系又有区别,提出了不同于传统汽车的能量消耗
计算公式,为最优化 目标提供了理论依据。
(2)按能量消耗最少为控制最化化 目标,找到了混合动
力汽车的最优控制规律曲线。
(3)按最优控制的规律曲线进行仿真,结果表明相比原
传统的开关门限值控制,其燃油经济性 (百公里油耗)降低
了20%左右。
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· 4311· (下转第 4325页)
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