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        基于Advisor 的同軸式混聯(lián)混合動力汽車動力系統(tǒng)仿真

        2013-12-03 01:23:54秦東晨裴東杰陳江義劉竹麗
        關(guān)鍵詞:混聯(lián)整車電動機(jī)

        秦東晨,裴東杰,陳江義,劉竹麗

        (鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州450001)

        0 引言

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        混合動力汽車在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展,已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段,其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式包括:串聯(lián)型、并聯(lián)型、混聯(lián)型.混聯(lián)型動力系統(tǒng)兼具串聯(lián)型和并聯(lián)型的優(yōu)點(diǎn),控制更為靈活自由,適應(yīng)各種復(fù)雜多變的行駛工況,經(jīng)濟(jì)性和排放性更佳,是目前進(jìn)行混合動力汽車研發(fā)的主要對象.國外經(jīng)驗(yàn)豐富、實(shí)力雄厚的汽車公司在混聯(lián)系統(tǒng)中多采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的行星齒輪結(jié)構(gòu)[1-3],較為典型的是豐田Prius混聯(lián)動力系統(tǒng).國內(nèi)混聯(lián)混合動力技術(shù)與國外還存在一定差距,多采用電機(jī)或離合器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合.根據(jù)發(fā)電機(jī)布置的不同,分為發(fā)電機(jī)側(cè)置式和同軸式兩種.根據(jù)動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),按照能量流路徑其運(yùn)行模式和控制策略可以劃分為以下幾種形式[4],如表1所示.筆者針對適合國內(nèi)開發(fā)能力的同軸式混聯(lián)混合動力系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究.同軸式混聯(lián)動力系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于取消了變速箱和專門的動力耦合部件,只要通過控制離合器的開合狀態(tài)就可實(shí)現(xiàn)車輛串聯(lián)運(yùn)行模式和并聯(lián)運(yùn)行模式之間的切換,如表1中的第1種.

        1 整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及整車主要參數(shù)

        設(shè)計(jì)樣車SPHEV整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)為:最高車速≥100 km/h;最大爬坡度≥30%;0~50 km/h的加速時間≤9 s;燃油消耗量(城市循環(huán)工況)8 L/100 km.

        樣車SPHEV的整車主要參數(shù),如表2所示.

        表2 整車主要參數(shù)Tab.2 Main vehicle parameters

        2 動力系統(tǒng)主要參數(shù)匹配計(jì)算[3]

        2.1 整車功率匹配

        動力系統(tǒng)中的整車總功率必須滿足整車性能目標(biāo)對功率的需求,整車需求功率包括克服滾動阻力、坡道阻力、風(fēng)阻、加速阻力造成的穩(wěn)態(tài)功率或瞬態(tài)功率,汽車功率平衡方程式如下:

        式中:Pt為動力源總功率;Pmax為整車需求功率;va為行駛速度;ηt為傳動系效率;m為整車總質(zhì)量;fr為滾動阻力系數(shù);i為道路坡度;A為迎風(fēng)面積;Cd為風(fēng)阻系數(shù);δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);d v/d t為行駛加速度.

        ?

        2.2 發(fā)動機(jī)功率匹配

        動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不存在變速器,爬坡過程對應(yīng)的車輛速度低,爬坡過程對應(yīng)的需求功率不能作為設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)功率的依據(jù).這里采用較高經(jīng)濟(jì)巡航速度vc行駛時的需求功率Pc作為發(fā)動機(jī)功率初步匹配依據(jù).

        2.3 ISG電機(jī)功率匹配

        ISG電機(jī)的主要作用是快速啟停發(fā)動機(jī)以及對電池SOC值進(jìn)行平衡.根據(jù)發(fā)動機(jī)啟停要求,可初步計(jì)算出ISG電機(jī)最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,發(fā)電機(jī)的峰值功率Pgmax計(jì)算公式為

        式中:Tgmax為發(fā)電機(jī)的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,N·m;ωgb為發(fā)電機(jī)基速,r/min.

        2.4 電動機(jī)功率匹配

        電動機(jī)應(yīng)能夠滿足車輛坡道起步的要求,按此計(jì)算電動機(jī)峰值功率應(yīng)該滿足最大爬坡度要求的功率.

        2.5 電池功率匹配

        電池的功率應(yīng)該同時滿足電動機(jī)驅(qū)動需求功率和發(fā)電機(jī)啟動發(fā)動機(jī)的需求功率之和,所以超級電容的功率應(yīng)該大于發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的額定功率之和,考慮到轉(zhuǎn)換效率 ηc=0.9,所以,pc≥(pm+pg)/ηt.式中:pm為電動機(jī)的額定效率;pg為發(fā)電機(jī)的額定效率.通過上述初步計(jì)算,參照市場產(chǎn)品,確定動力部件主要參數(shù),如表3所示.

        表3 汽車主要部件參數(shù)Tab.3 Parameters ofmain components of vehicle

        3 仿真模型的建立

        3.1 仿真軟件及建模思路

        Advisor軟件是一款以Matlab/Simulink為平臺的汽車仿真軟件[5],采用后向?yàn)橹?、前向?yàn)檩o的聯(lián)合仿真方法,用戶可利用其內(nèi)部完全開放的代碼以及通用子模塊搭建所需的汽車仿真模型[6].

        仿真對象主要包括:發(fā)動機(jī)模塊、ISG電機(jī)模塊、離合器模塊、電動機(jī)模塊、主加速器模塊、電池模塊、車輪模塊.首先按照實(shí)際功率流反向路徑,建立后向仿真頂層Simulink框圖,這里需要在發(fā)動機(jī)和ISG電機(jī)之間及離合器和電動機(jī)之間虛擬兩個功率分配模塊,如圖1所示.接著添加模塊之間的信息反饋,建立前向仿真路徑,完成整個動力系統(tǒng)的頂Simulink框圖.然后,在軟件中完成整車頂層模型,如圖2所示.

        圖1 后向仿真路徑的頂層Simulink框圖Fig.1 Top simulink block diagram of backward simulation path

        圖2 整車頂層模型Fig.2 Vehicle top model

        3.2 軟件二次開發(fā)

        在車系PARALLEL_SA基礎(chǔ)上進(jìn)行更改完成SPHEV車系的二次開發(fā),為保證模型在軟件中正確運(yùn)行需要如下開發(fā)步驟[7]:

        (1)創(chuàng)建車系模型 BD_SPHEV.mdl,如圖2所示.這里需要先將開發(fā)的ISG電機(jī)模型、虛擬的功率分配模型、整車控制策略模型、發(fā)動機(jī)控制策略模型保存到相應(yīng)的模型庫中,再添加對應(yīng)的工作路徑進(jìn)行調(diào)用;另外,兩個虛擬的功率分配裝置的內(nèi)部參數(shù)命名要有區(qū)分,防止程序調(diào)用沖突.

        (2)創(chuàng)建新車輛文件SPHEV_in.點(diǎn)擊軟件界面上“l(fā)oad File”按鈕,打開 PARALLEL_SA_defaults_in.m修改:

        vinf.name='SPHEV_in';

        vinf.drivetrain.name='SPHEV';

        vinf.powertrain_control.name='PTC_PAR_SPHEV';

        vinf.powertrain_control.ver='par';

        vinf.powertrain_control.type='man';

        添加:

        vinf.generator.name='GC_SPHEV';

        vinf.generator.ver='reg';

        vinf.generator.type='reg';

        另存為SPHEV_in.m.

        (3)加載新車系SPHEV,以便ADVISOR軟件能夠識別.使用命令:

        options.drivetrain=optionlist('add','drivetrain',SPHEV').

        (4)修改guiInputFigControl.m,屏蔽不需要的部件.在switch vinf.drivetrain.name程序段添加:

        case'SPHEV'

        fields2remove={};

        (5)修改文件guilock_diagram_name.m,添加新車系SPHEV.添加程序:

        case'SPHEV'

        bd_name='BD_SPHEV';

        (6)修改文件guigui_image.m及ImageInfo.m,添加新車系的圖片文件及圖形的信息

        (7)修改文件data ransmissionTC_DUMMY.m,重新定義扭矩合成模塊輸入比例常數(shù),如下:

        tc_mc_to_fc_ratio=0.99*max(gc_map_spd*gc_spd_scale)/max(fc_map_spd*fc_spd_scale);

        tc1_mc_to_fc_ratio=0.99*max(mc_map_spd*mc_spd_scale)/max(fc_map_spd*fc_spd_scale);

        4 仿真結(jié)果與分析

        選定CYC_UDDS循環(huán)工況進(jìn)行仿真[8],車輛動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如表4所示,可以看出仿真車型整車性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求.仿真循環(huán)工況車速和電池變化過程分別如圖3,4所示.由圖可知,仿真車速能夠滿足道路循環(huán)工況的要求;電源能夠根據(jù)動力系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行充放電.動力部件實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩如圖5所示.當(dāng)ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正值時,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)值,ISG電機(jī)快速啟動發(fā)動機(jī);當(dāng)車輛加速時,發(fā)動機(jī)和電動機(jī)均正值且急速增大,發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同提供車輛所需功率;當(dāng)車輛制動時電動機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)值,回收制動能量.與車輛的控制策略吻合,表明動力系統(tǒng)可行,仿真平臺適用.

        表4 車輛性能指標(biāo)仿真結(jié)果Tab.4 Simulation result

        圖3 車輛循環(huán)工況Tab.3 Vehicle driving cycles

        5 結(jié)論

        筆者對同軸式混聯(lián)混合動力汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析,對Advisor軟件進(jìn)行了二次開發(fā),并給出詳細(xì)的二次開發(fā)步驟,建立了該動力結(jié)構(gòu)的仿真平臺.仿真結(jié)果表明,車輛動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求,驗(yàn)證了動力系統(tǒng)的可行性及仿真平臺的適用性,對實(shí)車的開發(fā)提供了技術(shù)支持,為縮短車輛的研發(fā)周期提供一種有效可靠的方法.

        [1] 駱元.國內(nèi)外混合動力客車動力總成方案比較研究[J].客車技術(shù)與研究,2010(1):13-16.

        [2] 蔣黎明,代幼文.新能源客車混合動力系統(tǒng)模式探討[J].商用汽車,2011(9):100-104.

        [3] 巴特.混聯(lián)混合動力客車的參數(shù)匹配與控制策略研究[D].長春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,2012.

        [4] 王家明,郭晉晟.新型混聯(lián)式混合動力客車動力系統(tǒng)分析[J].汽車技術(shù) ,2008(9):1-4.

        [5] 劉磊,剛憲約.汽車仿真軟件ADVISOR[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2007(2):40-43.

        [6] 曾小華,王慶年.正向仿真模型與反向軟件ADVISOR的集成開發(fā)[J].汽車工程,2007,29(10):851-854.

        [7] 曾小華,王慶年.基于ADVISOR2002混合動力汽車控制策略模塊開發(fā)[J].汽車工程,2004,26(4):394-396.

        [8] 張翔,趙韓.混合動力轎車的建模與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2005,22(1):233-23.

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