Prius混合动力系统分析.docx
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Prius混合动力系统分析.docx
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Prius混合动力系统分析
Prius混合动力系统分析
Prius简介
1997年12月第一代Prius在日本上市;
2000年小改款后面向北美和欧洲销售;
2003年9月推出了第2代车型。
该车所采用的发动机专门为混合动力系统设计,并采用电动助力转向等技术以尽量降低能耗。
表1给出了两代Prius的主要参数。
与第1代相比,第2代Prius增加了电动空调、一键式起动等功能。
本文的主要研究对象为2001款Prius,但未考虑空调工作状态对控制策略的影响,也未考虑电机和电池的工作效率。
Prius混合动力系统结构
Prius采用混联式的机械结构,包括2个电机,即MG1(用于调速)和MG2(作为驱动电机),均可以作为发电机和电动机。
电机和发动机通过一套行星齿轮组连接实现动力分配。
如图1所示,发动机与行星架相连,MGl和太阳轮相连,MG2连接在齿圈上,齿圈再通过齿形带和主减速器相连。
电机和发动机之间具有以下的转速关系:
nMG1+inMG2=(1+i)·ne
(1)
发动机输出的转矩一部分通过太阳轮作用在MGl上,一部分作用在齿圈上,且存在:
其中:
i=zring/zsun
说的具体点就是Prius混合动力汽车结构的核心部分是行星轮机构,丰田称之为动力分配装置(PSD,PowerSplitDevice)。
结构示意图如下图:
该行星轮系有两个自由度,在此结构中,发动机和行星架相联,通过行星齿轮将动力传递给外圈的齿圈和内圈的太阳轮,齿圈轴与电机和传动轴相联,太阳轮轴和发电机相联。
PSD将发动机大约70%的转矩直接传递到驱动轴上,将另一部分转矩传送到发电机上,并且发电机、电机和发动机的转速存在一线性关系。
在驱动轴转速(即电机转速)不变的情况下,通过调节发电机来调整发动机转速。
同时,发动机和电机转矩可以直接叠加。
但是结构上较为复杂,给制造和控制带来了一定的困难。
不同工况下混合动力系统工作状况
1)发动机起动
发动机起动分为热起动、冷起动。
热机状态下,MGl作为电动机拖动发动机达到1000r/min以上后,发动机开始喷油,同时MGl进入发电模式,如图2所示,如果电池的充电需求为零,则发动机在运行约2s后停机。
图3为发动机冷起动时系统工作状况。
发动机被MGl拖动到1200r/min左右后约2s才开始工作,这实际上包含了发动机的暖机过程。
2)车辆起步
车辆起步时,发动机静止,由MG2拖动车辆,MGl随动,当功率需求达到一定值时,MGl立即拖动发动机起动。
根据电池SOC的不同,发动机起动的时刻也不同。
图4为车辆起步工况。
3)车辆加速
分别对全油门加速和部分油门加速情况进行试验测试。
全油门加速试验时,MG2电流迅速增加,拖动车辆加速,MGl也迅速拖动发动机到较高转速,在发动机转速突变的过程中基本不存在瞬态加浓过程。
部分油门时,由于电机MG2的助力作用,发动机的喷油脉宽不存在瞬间增加的情况,而MGl一直作为发电机。
4)车辆匀速
在车辆匀速行驶时,电池是否充电首先取决于SOC,另外与MG2转速和输出电压有关。
图5为120km/h匀速工况,由于此时的电池SOC为60%,电池充电需求为零,车辆功率需求恒定,发动机工作点比较优化。
MG2正向旋转为发电机,而MGl作为调速电机调整发动机的工况点。
当车辆的功率需求较小时,可以以纯电动工况行驶,发动机静止,MG2拖动车辆,MGl随动。
经观察,纯电动运行最高车速为40km/h,当电池SOC降低到45%时,发动机必须重新起动。
5)滑行和制动
加速踏板松开后,车辆开始滑行,图6为D档滑行情况,初始SOC为60%,发动机喷油脉宽逐渐减小直至断油,MGl立刻作为电动机调速使发动机停转,这样减小了滑行过程中的摩擦损失,而MG2一直进行能量回收。
车速较高时,为了防止MGl逆向旋转超速,必须对MGl进行转速控制。
若电池SOC较低,发动机断油,转速逐渐下降,当降到1000r/min时,发动机恢复喷油。
车辆制动时的工作状况和滑行工况相差不大,不同的是制动时ECU会根据制动功率需求进行液压制动和电机制动的功率分配。
图7为初速100km/h的B档制动,B档制动时,发动机转速降到1000r/min,车速降到15km/h时,发动机停转,不再恢复喷油。
B档时利用发动机制动,不管SOC状态如何,发动机必须旋转,MGl作为电动机调速。
控制策略分析
整车ECU采集多个信号进行判断,决定系统的工作模式,系统将驾驶员的输入作为一级指令,图8所示为控制系统参数。
影响整车控制策略的参数主要包括车辆的驱动功率需求Pv_req、驱动转矩需求Tv_req、车辆制动功率需求户Pbrake_req、电池充电功率需求Pch_req、可供电功率PB_a及可充电功率PB_ch_a。
电池充电功率需求取决于SOC,而电池的可充电功率和可供电功率与SOC和充放电电压相关。
根据试验观察,电池SOC的变化范围为45%~65%,控制目标值为56%,即当SOC大于等于此值时,电池的充电需求为零。
发动机转速不低于1000r/min。
由于电机MGl和MG2所发挥作用的差异,系统对MGl进行转速控制,而对MG2进行直接转矩控制。
1)P档下发动机On/Off控制
当选档杆位于“P”时,系统进行发动机On/Off判断,此时若Pch_req=0,且发动机冷却液大于70℃时(三效催化转化器温度也要达到一定值,试验中未测量),发动机Off,否则发动机必须起动。
2)驱动工况下的发动机工作点控制
发动机工作点主要根据Pv_req、Pch_req、PB_a3个参数确定。
车辆驱动功率需求可按图9计算。
车辆可提供最大转矩,即车辆的转矩外特性,包括发动机的外特性和电池发电时的外特性。
车辆的制动功率需求计算类似。
(1)D档,且0<Pv_req≤PB_a时,若发动机已经达到暖机状态,则车辆以纯电动方式运行,此时发动机静止,MGl随动。
(2)在稳态工况下,发动机单独驱动车辆,此时MG2作为发电机,MGl作为电动机调速。
发动机目标功率为:
Pe=Preq=Pv_req+Pch_req (6)
发动机运行在优化的工况点(Te,ne):
若Te≥Tv_req,MG2发电,进行MGl转速控制,nMG1=(i+1)ne-inMG2。
若Te<Tv_req,MG2助力,TMG2=Tv_req-Te。
(3)对于瞬态工况,系统根据加速踏板的深度和变化率确定车辆的功率需求,发动机目标功率:
Pe=Pv_req-PB_a (7)
MGl和MG2的控制与稳态工况类似。
车辆驱动时为了防止MGl超速,被限制在6000r/min,此时发动机转速:
ne=i/(i+1)nMG2+6000/(i+1) (8)
Te=9550Pe/ne (9)
3)制动能量回收
车辆滑行时,车辆驱动功率需求为零,系统的工作状况与制动类似,因此将滑行时的控制模式也归于制动能量回收。
经试验观察,车速低于15km/h后,电机不进行能量回收,即PMG1=PMG2=0。
D档滑行
(1)若Pch_req=0,车辆开始滑行后发动机立即停止喷油。
滑行过程中始终存在PMG2+PMG1=PB_ch_a。
若初始车速较高,为了防止MGl逆向旋转超速,必须进行MGl转速控制。
nMG2>7000/i+1000时,MGl转速保持恒定;
6000/i<nMG2<7000/i+1000时,ne=1000r/min,nMGl=(i+1)1000-inMG2;
nMG2≤6000/i时,ne=0,MGl随动。
(2)若Pch_req>0,滑行开始后发动机不断油,其目标功率Pe=Pch_req,发动机运行在优化的工况点(Te,ne),MGl作为调速电机,MG2作为发电机对电池充电。
PMG2+PMG1=PB_ch_a,nMG1=(i+1)ne-inMG2,如果开始滑行时车速太高,MGl必须进行转速控制。
B档滑行
B档时利用发动机制动,虽然发动机停止喷油,但发动机被MGl拖动在较高转速下运转,MG2作为发电机对电池充电。
Pe=0,Te=0,PMG2+PMG1=PB_ch_a,
nMG2≤6000/(i+1)时,发动机目标转速ne=(1+i/(i+1))nMG2;
6000/(i+1)<nMG2≤3000时,发动机目标转速ne=(1+i/(i+1))nMG2;
3000<nMG2≤5000时,发动机目标转速ne=nMG2;
nMG2>5000时,ne=inMG2/(i+1)。
为了尽可能多地消耗车辆的动能,发动机转速不低于1000r/min,直到车速下降到15km/h,此时如果电池的充电功率需求Pch_req>0,发动机重新开始喷油Pe=Pch_req,PMG2+PMG1=PB_ch_a。
否则,发动机迅速停转。
制动工况
车辆的制动功率需求:
Pbrake_req=Pbrake_max×Brake (10)
为了保持制动时的方向稳定性,必须保证前后轮的制动力按照理想的制动力曲线分配,因此电机制动力只能代替全部或部分前轮制动力。
当制动踏板位置或被踩下的速率超过一定值时,制动能量回收不起作用。
前轮的制动功率需求为:
其中:
b—重心到后桥的距离;
hg—重心高度;
m—质量;
g—重力加速度常数;
v—车速;
l—轴距。
(1)D档,且Pbf≤PB_ch_a
当Pch_req=0时发动机可以迅速停转,但必须进行MGl转速控制。
若Pch_req>0,则制动开始后,发动机停止喷油,转速下降,MGl和MG2同时对电池进行充电,当转速下降到1000r/min时,发动机重新开始喷油,Pe=Pch_req。
在整个制动过程中PMG2+PMG1=Pbf。
(2)D档,且Pbf>PB_ch_a
与情况
(1)类似,区别在于在整个制动过程中,PMG2+PMG1=PB_ch_a,前轮液压制动系统的制动功率Pbfh=Pbf-PB_ch_a。
(3)B档制动
B档制动时动力系统的控制与滑行时类似,需要进行发动机的转速控制,但是,当车速降低到15km/h后,发动机不会重新喷油。
若Pbf≤PB_ch_a,PMG2+PMG1=Pbf;否则PMG2+PMG1=PB_ch_a,Pbfh=Pbf-PB_ch_a。
4)电机控制
由于MGl和MG2的主要用途不同,分别用于发动机调速和辅助驱动,电机控制单元对相应电机采取了不同的控制策略,即对MGl进行转速PID控制,而对MG2进行直接转矩控制。
改进的混合动力传动系统设计
由于其采用两个电机,致使其结构复杂,成本很高,整车布置较为困难。
为了改善这一状况,在PriusHEV的基础上提出一种新的驱动系统设计方案,所提出的改进型设计是一种多工作运行模式的混合动力汽车,其动力传动系统示意图如图2所示。
该驱动系统只采用1台电机,该电机既可以作为驱动电动机,又能作为充电和制动能量回收时的发电机使用。
在该系统中,行星轮系的太阳轮与发动机相联,行星架与驱动车轮相联,电机通过锥齿轮副、电控离合器、齿轮副分别与行星架和齿圈相联。
对于系统所采用的行星轮系,其各部分的运动学关系如下:
式中:
Ns—太阳轮的转速;
Nr—齿圈的转速;
Nc—行星架的转速;
K—齿圈和太阳轮的齿数比。
行星轮系传递的转矩关系为:
式中:
Tr—齿圈上的转矩;
Ts—太阳轮上的转矩;
Tc—行星架上的转矩;
K—齿圈和太阳轮的齿数比。
1)整车运行的各种工况模式
(1)启动工况
电控离合器1结合,电控离合器2断开,电机与行星架相联,将动力电池的电能转化成动能,通过差速器传递给车轮;由于发动机自身阻力,太阳轮不转动,发动机不提供动力,齿圈随动,整车处于纯电动行驶状态。
驱动系统参数关系如下:
(2)稳定行驶工况
电控离合器1断开,电控离合器2结合,发动机通过行星轮系将动力传递给车轮;电机与齿圈相联,在车速一定即行星架转速一定的情况下,通过调整电机的转速来调整发动机的转速,使之总是工作在高效区。
驱动系统参数关系见
(1)、
(2)式。
(3)加速爬坡工况
电控离合器1结合,电控离合器2断开,电机与行星架相联,轴锁止机构将齿圈锁止,此时发动机和电机转矩直接叠加,共同提供动力驱动车轮,整车处于混合动力模式。
驱动系统参数关系如下:
(4)减速制动工况
在踩下制动踏板时,电控离合器1结合,电控离合器2断开,电机与行星架相联,该模式类似于Prius的再生制动动能回收模式,由电机作为发电机将减速或制动的机械能转换成电能储存在动力电池内,并提供一个制动力矩给车轮,使车轮减速或静止下来。
驱动系统参数关系见(3)、(4)、(5)式。
(5)停车充电模式
电控离合器1断开,电控离合器2结合,电机与齿圈相联,在整车静止状态下由发动机单独驱动发电机发电。
此外,电池还可以采用外接充电的方式进行充电。
以上仅就整车运行工况进行分析,驱动系统发动机或电机单独驱动的工作模式包含在上述运行工况内。
由上述可见,这种新型混合动力汽车的驱动系统可以完成Prius驱动系统的全部工作模式,但结构较之简单,并且减少了发电机,整车成本大大降低。
这种双电控离合器结构使电机在连接上也更加灵活。
2)整车控制策略
控制策略解决的问题是在总的请求负荷给出后,根据当前各设备的状况,确定发动机和电动机应该如何工作。
控制策略的基本思路通常有两种:
一是直接法,即直接将优化目标(如油耗等)表示为系统状态变量、控制变量等的函数;
二是间接法,即最小损失法,从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手,得到整个系统的能量(功率)损失。
损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量。
基于以上两种思路,具体的控制策略有很多,如发动机最优工作曲线控制、瞬时优化控制、全局优化控制、发动机恒定工作电控点等。
从理论上讲全局最优模式、是最佳的,但是实现起来有一定的困难,因为对于实际的行驶路况是无法预料的,针对特定路况得到的最优并不适用于其它路况。
考虑到实用性和设计的方便性,该车采用发动机恒定工作点模式,使发动机工作在最优恒定的工作点,电机负责动态部分,避免了发动机动态调节带来的损失。
图3是整车控制流程图,整车控制系统根据从电池管理系统、电机管理系统、发动机ECU和整车传来的各种信号来调整车辆在纯电动模式、混合动力模式和传统模式间切换。
图4是交流感应电机控制系统简图。
图5是发动机ECU输入/输出信号图。
图6是蓄电池与相关部件控制框图。
(1)纯电动模式的选择
当汽车动力电池SOC大于某一设定值时,在驾驶员发出启动指令,汽车运行速度小于某一设定值,功率小于某一设定值等任一情况下,汽车工作于纯电动模式。
逻辑表达式如下:
式中:
Preq—整车实际驱动功率;
P0—某一设定较低功率;
Vreq—汽车实际运行速度;
V0—某一设定较低速度;
SOC—动力电池当前储能状态;
SOC0—某一设定动力电池储能上限值。
以下公式相同符号含义与此相同。
(2)充电模式的选择
当整车静止,SOC低于某一设定值时,或者汽车减速或制动,所需要功率为零时,工作于充电模式。
逻辑表达式如下:
其中:
SOC1—设定动力电池储能下限。
(3)混合驱动加速模式的选择
当汽车所需转矩大于稳定调速模式下发动机能够提供的最大转矩并且此时动力电池SOC大于某一设定值时,汽车工作于混合驱动模式(加速工况)。
逻辑表达式如下:
式中:
T1—设定在稳定调速模式下发动机最大转矩值。
(4)混合驱动调速模式的选择
当汽车所需转矩小于设定稳定调速模式下发动机能够提供的最大转矩,并且SOC大于设定动力电池储能下限,小于某一设定动力电池储能上限值时;或者车速大于某一设定值,并且SOC小于设定动力电池储能下限需充电时,汽车工作于稳定调速混合动力模式。
逻辑表达式如下:
其中:
V1—汽车进入正常行驶状态的速度下限。
(5)传统模式的选择
在满足混合驱动条件但是电池电量低于储能下限、或者汽车运行于正常行驶状况,蓄电池电量正常,但发动机工作于最佳效率区,此时汽车工作于发动机驱动模式。
逻辑表达式如下:
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