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        并聯(lián)混合動力系統(tǒng)及能量管理概述

        2021-11-26 05:16:48王瀚州王麗萍
        汽車電器 2021年11期
        關(guān)鍵詞:分配發(fā)動機

        王瀚州, 靳 珊, 李 銳, 王麗萍, 劉 濤

        (陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院, 陜西 西安 710200)

        隨著世界各國環(huán)境保護的措施越來越嚴格,混合動力系統(tǒng)由于其節(jié)能、低排放等特點成為汽車研究與開發(fā)的一個重點?;旌蟿恿ο到y(tǒng)即發(fā)揮了發(fā)動機持續(xù)工作時間長、動力性好的優(yōu)點,又可以發(fā)揮電動機無污染、低噪聲的好處,取長補短,汽車的熱效率可提高10%以上,廢氣排放可以改善30%以上。

        混合動力一般指油電混合動力,即燃料 (汽油、柴油等) 和電能的混合。電動馬達作為發(fā)動機輔助動力驅(qū)動車輛,可以在啟動的瞬間產(chǎn)生強大的動力,同時還可以降低油耗。

        1 混動系統(tǒng)分類

        混動系統(tǒng)有3種分類方式:按外接充電分類、按混合度分類、按結(jié)構(gòu)形式分類。

        1.1 按外接充電分類

        插電式混合動力需要容量大的電池BMS系統(tǒng),可以支持很長的行駛里程,如果有較好的充電條件,可以不用加油,當作純電車輛使用。

        非插電式混合動力必須加油,通過發(fā)動機發(fā)電來給電池充電。在低速時可以通過電機來行駛,高速時油電共同驅(qū)動。

        1.2 按混合度分類

        混合度指的是電機功率占總功率的比值:

        混合度小于20%為輕混或弱混,混合度達到30%左右為中混,混合度達到50%為重混。

        1.3 按結(jié)構(gòu)分類

        混動系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)可以分為3種結(jié)構(gòu):串聯(lián)混動、并聯(lián)混動、混聯(lián)混動系統(tǒng)。

        串聯(lián)混動指發(fā)動機不直接參與驅(qū)動,發(fā)電機組只給電機充電,存在能量的二次轉(zhuǎn)換,造成功率的浪費。

        并聯(lián)混動指車輛具有兩套驅(qū)動系統(tǒng),發(fā)動機和電機通過離合器具有機械連接關(guān)系,發(fā)動機和電機都可以單獨驅(qū)動車輛,也可以共同驅(qū)動車輛,功率可進行疊加。并聯(lián)混動沒有功率浪費的問題,且具備電動車和柴油車的優(yōu)點,尤其在混動模式下有很好的起步扭矩,加速性能更好。

        混聯(lián)混動即存在串聯(lián)模式也存在并聯(lián)模式,在并聯(lián)的基礎(chǔ)上,混動系統(tǒng)有兩個電機,一個用于驅(qū)動車輛,另外一個電機既可以在極限狀態(tài)下驅(qū)動車輛,也可以在電力不足時用于給電池充電?;炻?lián)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但動力性和燃油經(jīng)濟性能突出。

        根據(jù)各系統(tǒng)的優(yōu)缺點,不同的結(jié)構(gòu)形式對車輛的動力性和經(jīng)濟性有很大的區(qū)別。商用車多采用并聯(lián)混動模式,在機械結(jié)構(gòu)變動不是很大的基礎(chǔ)上既可以保證動力性,又可以提高燃油經(jīng)濟性。本論文針對非插電式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的能量分配的方法及原則進行介紹。圖1為并聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu)形式。

        圖1 并聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu)形式

        2 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)

        2.1 并聯(lián)系統(tǒng)簡介

        并聯(lián)混動系統(tǒng)中根據(jù)電機的位置又可分為5種狀態(tài),如表1所示。

        表1 并聯(lián)混動系統(tǒng)按照電機的位置分類

        考慮在傳統(tǒng)柴油車型機械結(jié)構(gòu)改制較小的基礎(chǔ)上,商用車一般采用P2結(jié)構(gòu)并聯(lián)混動系統(tǒng),既可提高駕駛感受,又達到節(jié)油的效果。

        2.2 P2結(jié)構(gòu)能量管理策略

        為了達到節(jié)油效果,關(guān)鍵體現(xiàn)在能量管理策略上,將SOC控制在一定范圍之內(nèi)節(jié)油效果最佳。如圖2所示。在整車電子架構(gòu)中一般采用整車控制器HCU來控制和協(xié)調(diào)低壓與高壓部分各控制器的能量管理,一般通用策略如下。

        圖2 并聯(lián)P2結(jié)構(gòu)整車能量管理架構(gòu)

        1) 在低車速時采用純電模式的電機起步及扭矩控制,此時離合器處于斷開狀態(tài),既可以提高車輛起步時的舒適性,避免離合器結(jié)合所產(chǎn)生的卡頓沖擊,又可以避免發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下非經(jīng)濟區(qū)域工作,節(jié)省燃油消耗。

        2) 在考慮車速和SOC的情況下,車輛制動或滑行時,發(fā)動機不工作,電機以發(fā)電機方式工作,盡可能地回收能量,將機械能最大限度地轉(zhuǎn)化為電能,給電池BMS系統(tǒng)充電,提高續(xù)航里程。

        3) 在電機驅(qū)動的狀態(tài)下,發(fā)動機會自動啟??刂疲诋斍败囕v的實際工況考慮,包括制動氣壓、水溫、低壓電池電壓等參數(shù),發(fā)動機適時停機可以減少燃油的損失降低排放。

        4) 在混動模式下驅(qū)動行駛時,SOC較高的情況下優(yōu)先使用電機驅(qū)動車輛;當發(fā)動機和電機共同驅(qū)動時,需要采用一定的控制策略對發(fā)動機和電機的扭矩進行分配,原則為保證發(fā)動機始終在經(jīng)濟區(qū)工作,當需求扭矩低于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)下限時,適當控制電機發(fā)電給動力電池充電,當需求扭矩高于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)上限時,通過電機助力,保證發(fā)動機仍在經(jīng)濟區(qū)工作。

        3 扭矩分配原則

        并聯(lián)混動系統(tǒng)扭矩分配的原則通常有兩種:一種是基于規(guī)則的扭矩分配,一種基于優(yōu)化的扭矩分配策略。基于規(guī)則的扭矩分配包含確定性規(guī)則和以SOC高效區(qū)間為基準的動態(tài)變化規(guī)則。如圖3所示。這些規(guī)則基于發(fā)動機與電機外特性曲線,根據(jù)實際工程經(jīng)驗或離線優(yōu)化標定策略制定?;趦?yōu)化的控制策略可以分為全局優(yōu)化和實時優(yōu)化。常用的全局優(yōu)化算法包括動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法、粒子群算法、變分法和智能型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。雖然全局優(yōu)化算法可以得到理論上的全局最優(yōu)解,但是計算量太大,未能實時應(yīng)用。實時優(yōu)化控制,其最具代表性的優(yōu)化方法是等效油耗最小值原理分配方法,它比全局優(yōu)化的計算量小、實時性強。

        圖3 基于規(guī)則扭矩分配原理圖

        無論哪種分配原則都是盡可能保證發(fā)動機和電機都在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)工作,同時又要控制SOC在一定范圍之內(nèi),實驗數(shù)據(jù)表明,將SOC控制在50%左右,電池充放電時內(nèi)阻值最小,工作效率最高。

        3.1 基于規(guī)則的扭矩分配原理

        基于規(guī)則的扭矩分配原理主要是盡可能保證發(fā)動機工作在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)。發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)通過萬有特性曲線獲取。

        整車需求扭矩即駕駛員踏板需求扭矩作用在車輪上的扭矩計算如下:

        式中:Tw——車輪需求扭矩;Te——發(fā)動機扭矩;Tm——電機扭矩;Tb——制動扭矩;η——傳遞效率;it——變速器傳動比;if——減速器傳動比。

        基于規(guī)則的扭矩分配原則為根據(jù)當前SOC值和需求扭矩是否在發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域上下限值內(nèi)進行分配。

        1) 當?shù)退贂r,SOC較高且需求扭矩小于電機最大扭矩值,則扭矩完全分配給電機。

        2) 當SOC較低,且需求扭矩大于電機最大扭矩值時,則扭矩完全分配給發(fā)動機。

        3) 當SOC較低,且需求扭矩小于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域下限值時,則需要給電機進行充電,將發(fā)動機扭矩提高到經(jīng)濟區(qū)域下限值。

        4) 當SOC較高,且需求扭矩大于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域上限值時,則需要電機助力,將發(fā)動機扭矩降低到經(jīng)濟區(qū)域上限值。

        3.2 等效油耗最小值分配原理

        最小值分配原理也叫等效燃油消耗方法,即將要消耗的電量等效于燃油消耗量,通過等效因子來獲取優(yōu)化控制。

        式中:Pf(t)——發(fā)動機消耗燃油對應(yīng)的功率;Pbp(t)——電機消耗功率所對應(yīng)的的電池功率;λ(t)——等價因子,反映的是對當前電量需求的大小,如果λ(t)越大,表示系統(tǒng)對電量的使用需求越大,如果λ(t)越小,表示系統(tǒng)更傾向于燃油的消耗,所以在車輛運行中,λ(t)的取值決定扭矩分配的關(guān)鍵因素。

        式 (3) 中,當λ取定值時J*可以得到最小值,可以通過SOC查表來選擇對應(yīng)的λ值,當SOC>標定值時,則選擇較小的λ值,當SOC較小時,則選擇較大的λ值,這樣車輛在一個駕駛循環(huán)內(nèi)既可以保證發(fā)動機和電機在經(jīng)濟區(qū)域工作,也可以讓SOC值維持在一定的范圍之內(nèi)。

        4 總結(jié)

        本論文介紹了混動系統(tǒng)的種類劃分和能量管理策略,重點介紹了主流的兩種扭矩分配的方法和原則。基于規(guī)則的扭矩分配主要是對發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域進行優(yōu)化,等效油耗最小值原理通過計算燃油轉(zhuǎn)化為電量的最小等效因子。兩種方法均可應(yīng)用在實際中,相信隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用,混動系統(tǒng)會出現(xiàn)更可靠、更易實現(xiàn)、更經(jīng)濟的能量管理方案。

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