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基于FSPM的混合动力汽车研究.rar

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    基于 FSPM 混合 动力 汽车 研究
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    东南大学本科生毕业设计论文东 南 大 学 毕 业 (设 计)论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的毕业(设计)论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名: 日期: 年 月 日东 南 大 学 毕 业 (设 计)论 文 使 用 授 权 声 明东南大学有权保留本人所送交毕业(设计)论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学教务处办理。论文作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 东南大学本科生毕业设计论文I摘 要16010131 侯创指导教师 花为随着城市化的发展,私家车数量逐渐增多,城市交通日益拥挤,进而导致城市中的汽车在运行过程中需要反复起动。传统汽车所使用的气缸式发动机必须保持在额定转速范围之内方能提供较高的效率,而车轮与发动机的机械耦合使发动机速度不断变化才能适应汽车调速需求,因此发动机无法保持较高的运行效率。针对传统汽车气缸式发动机的缺点以及汽车尾气对环境污染的问题,混合动力汽车与电动汽车日益受到人们的关注。混合动力汽车不仅具有传统内燃机车续航里程高的特点,而且具有纯电动汽车起动特性好,环境污染小的优点。本文设计了混合动力汽车驱动系统,建立了混合动力汽车驱动系统模型,分析了不同工况下混合动力汽车运行特性。主要研究内容如下:1. 本文分析了发动机模型,发动机效率与转速关系以及在混合动力中关于发动机的控制方案,并确立本文中发动机的主要运行状态以及控制方式。2. 本文分析了串联电耦合式、并联电耦合式、混联电耦合式以及复合式混合动力驱动系统的工作原理及运行特性,并确定了本文所设计的驱动系统的能量传递方式为串联式。3. 本文分析了 FSPM 电机电压转矩数学模型,并利用 Matlab/Simulink 建立了混合动力汽车驱动系统,包括磁通切换永磁(FSPM)电机及电机驱动模块、内燃机发电机模块、电池模块以及控制模块等。4. 本文仿真分析了混合动力汽车的起动特性、不同速度下运行特性以及发动机停机运行特性等,同时深入研究各种情况下最优运行方案,各能量源运行情况分析以及车辆性能分析。关键字:混合动力汽车驱动系统 FSPM 电机 最优运行方式东南大学本科生毕业设计论文IIAbstract With the development of urbanization, gradually increasing number of private cars, the growing urban traffic congestion, leading to the city's car during the operation requires repeated start. Traditional cylinder engine used in automobiles must be kept within the range of the rated speed is able to provide a higher efficiency of the engine is mechanically coupled to a wheel speed of the engine in order to adapt to changing needs of automobile speed , the engine can’t maintain a high operating efficiency. For the traditional automotive cylinder engine and automobile exhaust on the shortcomings of environmental pollution, electric vehicles, hybrid vehicles and increasing people’s attention. Not only has the traditional hybrid vehicles with high mileage diesel locomotive features, but with a pure electric car starting characteristics of a good, little environmental pollution advantages. This thesis presents a hybrid vehicle drive system, the establishment of a hybrid electric vehicle drive system model to analyze the operating characteristics of the different conditions of hybrid cars. The main contents are as follows:1 . The engine model, engine efficiency and speed control programs about the hybrid control system are analyzed. The main operating status and control methods are established in this thesis.2 . The electrically coupled in series, parallel electrically coupled, hybrid electric coupling type and working principle and operating characteristics of composite hybrid drive system and identified herein drive system designed for the tandem mode of energy transfer are analyzed in this thesis.3 . The torque of the motor voltage FSPM mathematical model is analyzed in his thesis and a hybrid vehicle drive system, including switching flux permanent magnet (FSPM) motors and motor drive module, the internal combustion engine generator module, battery module and the control module are designed using Matlab / Simulink.4 . The simulation of hybrid vehicles starting characteristics , operating characteristics at different speeds and operating characteristics of the engine shutdown etc. are analyzed in this thesis. While in-depth study of the best run programs under a variety of circumstances , the operation of each energy source and vehicle performance are designed.Key words:Hybrid FSPM Gasoline Energy management东南大学本科生毕业设计论文III目 录摘 要 ..................................................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................................................II目 录 ...............................................................................................................................................III第 1 章 绪论 ...................................................................................................................................11.1 引言 ...................................................................................................................................11.2 国内外新能源汽车的发展现状 .......................................................................................11.2.1 国外新能源汽车发展现状 ......................................................................................11.2.2 国内新能源汽车发展现状 ......................................................................................21.3 研究目的和意义 ...............................................................................................................21.4 本章小节 ...........................................................................................................................3第 2 章 混合动力汽车驱动系统工作原理 ...................................................................................42.1 内燃机工作原理 ...............................................................................................................42.2 混合动力驱动系统工作原理 ...........................................................................................52.3 混合动力汽车驱动系统设计 ...........................................................................................72.4 本章小节 ...........................................................................................................................8第 3 章 混合动力汽车驱动系统设计 ...........................................................................................93.1 Matlab Simulink 平台介绍 ...............................................................................................93.2 电机及电机驱动部分设计 ...............................................................................................93.3 内燃机发电机部分设计 .................................................................................................133.4 电池部分变压设计 .........................................................................................................143.5 控制部分设计 .................................................................................................................143.6 各部分设计数据 .............................................................................................................183.6.1 综合设计参数 ........................................................................................................183.6.2 汽车运行阻力计算 ................................................................................................193.7 本章小节 .........................................................................................................................20第 4 章 混合动力汽车驱动系统运行特性分析 .........................................................................214.1 起动性能分析 .................................................................................................................214.2 发动机起动性能分析 .....................................................................................................214.2.1 低速充电分析 ........................................................................................................21东南大学本科生毕业设计论文IV4.2.2 中速充电分析 ........................................................................................................234.2.3 高速共同驱动分析 ................................................................................................254.2.4 发动机停机性能分析 ............................................................................................264.3 本章小节 .........................................................................................................................28第 5 章 总结与展望 .....................................................................................................................295.1 全文总结 .........................................................................................................................295.2 课题展望 .........................................................................................................................295.2.1 内燃机控制优化 ....................................................................................................295.2.2 整流以及逆变优化 ................................................................................................295.2.3 充放电算法优化 ....................................................................................................30致谢 .....................................................................................................................................................31参考文献 .............................................................................................................................................32附录 S-Functions 代码 .......................................................................................................................33东南大学本科生毕业设计论文1第 1 章 绪论1.1 引言近些年来经济发展带来的收入水平提高,大量普通民众有能力购买私人轿车,就我国情况来看,私家汽车数量近几年数量增加迅速 [1]。随之带来的环境压力日益明显,因私家轿车的增多,导致城市拥堵情况十分常见。大量汽车拥堵的结果是,在堵车过程中为了保证起动性能,司机一般不会将发动机关闭,而是保持发动机空转,一旦可以前进,内燃机再次加速。内燃机反复起动加减速致使汽油的燃烧效率变得很低。发动机的最佳运行点一般要求转速较高,接近发动机的最大转速,同时要求输出功率接近于最大输出功率的80%[7]。为了能满足汽车不同的运行情况,所以发动机最大功率一般设置都相对较大。一般汽车都是可以满足 160km/h 的运行速度,那么最佳的运行速度应该是 130km/h 左右,但是这与通常的运行情况明显不符。这就造成了一般的汽车运行时大部分时间与最优运行点偏离极大。对于在高速公路运行的汽车来说,因为发动机大量时间处于较高转速范围内,所以油耗要比城市中运行的汽车低得多,这也是为什么汽车开到中高速省油的原因。但是对于大多数的家庭与商务用车来说,城市中运行的时间要远远多于在高速公路上的运行时间,所以传统汽车的运行效率在油料燃烧层面上是有提升空间的。混合动力理论提出的时间很早,19 世纪就有混合动力的原型制造出来 [1]。早期电池与发电设备主要是为了续航内燃机车,但是不久技术工作者就发现,增加的发电机电动机及电池所带给汽车的重量负荷成本要大于其所带来的效益。即对于汽车来说,其电池电动机增加的重量使电池无法增加汽车的续航能力,唯一的好处只是增加了汽车的起动能力,但是后期随着内燃机车技术的前进,这一优势也荡然无存。近些年来,电机控制技术以及电池技术的进步,和日渐严重的石油危机使混合动力又有了其存在的舞台。使用先进电机、电池技术的混合动力机车能保持油料的充分燃烧,降低油耗,降低不完全燃烧带来的污染。同时纯电池的起动方式也降低了起动时间。现在世界许多汽车制造公司都有了混合动力的研发与混合动力车型的发布。虽然相对价格仍然高于同等性能的内燃机车,但是随着研发的进步,与政府主导的关于环境保护的方针,混合动力汽车必将成为工业界重要的前进方向。1.2 国内外新能源汽车的发展现状1.2.1 国外新能源汽车发展现状目前,丰田公司是混合动力汽车领域的主要开拓者。并取得一定成绩。丰田公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车普锐斯一代,该轿车于 2000年 7 月开始出口北美洲,同年 9 月开始出口欧洲 [4]。普锐斯在达成高水平的燃油经济性和环保性能的前提下,保持了出色的动力性和舒适性。普锐斯的正式上市标志以混合动力汽车为代表的新一轮汽车研发竞争的开始。为保持领先地位,丰田公司加大了对混合动力的研究。其于 2004 年所生产的普锐斯二代,2010 年推出的普锐斯三代在油耗量相比传统汽车降低 40%以上。三代普锐斯进步明显,油耗逐步降低。同时奔驰、BMW、雪佛兰均有相关车型提出。综合市场情况,尤以丰田普锐斯的市场反应最为良好。其油耗相对于传统车辆能在保持运行舒适性能上降低约 50%。东南大学本科生毕业设计论文21.2.2 国内新能源汽车发展现状伴随着混合汽车领域国际化大变革、大发展,未来的五年将是电动汽车研发与产业化的战略机遇期。在“十二五” 期间,国家科技计划将加大力度,持续支持电动汽车科技创新,把科技创新引领与战略性新兴产业培育相结合,并将组织实施一系列电动汽车科技发展专项规划。经过过去的两个五年的发展,在国家和地方政府的双重支持下,一大批汽车企业都推出了自己的电动汽车发展重大专项,并相继建立自己的电动汽车研发中心。如一汽、二汽、奇瑞、江淮和比亚迪等汽车企业在混合动力汽车方面取得了非常大的进步。每个企业几乎都已经推出自己开发的混合动力汽车,正在为完善汽车性能和规模化生产做准备。国内混合动力汽车值得介绍的产品为比亚迪“秦”系列车型,其为比亚迪混合动力的主推产品。纯电动情况下可以运行 70 公里,价格较为低廉。1.3 研究目的和意义混合动力汽车的最早历史可以追溯到 1899 年。在法国巴黎的美术展览馆,由比利时的Liège 与 Pieper 研究院和法国的 Vendovelli 与 Priestly 电动车公司分别制造的 [1]。Pieper 电动车是一辆并排式的混合动力电动汽车,他装有一台电动机和铅蓄电池辅助的小型空冷汽油发动机。但是当时所设计的混合动力主要是为内燃机做辅助设备。在汽车起动时,提供起动助力,或者是辅助功率偏小的内燃机增加汽车的续航里程。但是随着汽油内燃机的发展,发动机变的更加有效,容量更小,效率更高。所以混合动力汽车研究逐渐停止。然而最近石油化石能源市场的不稳定,和对环境保护的要求激发人们对于混合动力的兴趣,且电力电子技术的发展与电机控制技术的发展也为高效控制混合动力提供了现实的技术可能。混合动力的主要研究目的就在于在保证汽车运行性能的前提下,尽最大可能的降低油耗率。提高燃油效率的方法主要有以下几种。第一在于提高液体燃料在气缸中的燃烧效果。内燃机的燃烧效率就现在研究状况来看,基本已经达到极限。且其燃烧的最大效率点对于转速和气门的要求十分苛刻。这也是混合动力可以存在的意义的基础。对于传统汽车,仅有一个能量源,所以控制相对简单。但是对于混合动力,多能量源所带来的第一个问题就是,能量源的配合使用怎样才能达到较高的效率,使用电机作为驱动的汽车是可以不使用传动系统,或者采用恒变比传动系统。但是电池的充电损耗以及电池寿命也影响着汽车的综合性价比。对于混合动力汽车的研究而言,这是一个多变量,多耦合的非线性系统 [4]。进入 21 世纪,环境污染已经是各国所要面对的最为重要的问题之一。其中大气污染的罪魁祸首就是化石能源的不完全燃烧带来的各种污染物。对于化石能源,在完全燃烧下只会生成对无害的二氧化碳与水。但是不完全燃烧就会产生各种有害烃类以及烷类。对于一般的燃烧过程,其完全燃烧是很容易得到的。但是对于内燃机这种特殊的构造,加减速的调整过程会使汽油会发生较多不完全燃烧现象,进而污染环境,增加出行成本。混合动力的基本特点就是内燃机的燃烧效率极高,各种混合动力的设计基本原则就是尽可能保证内燃机处于最高效率运行点。其中混联式的运行基本出于较高的运行线上(图 2-1 虚线) ,本文所仿真研究的串联式,发动机除了起动与停止过程,其他一律运行在最高效率点。这是其发动机效率高的根本原因。当然不可否认,对于混合动力汽车,因为能量的多次循环传东南大学本科生毕业设计论文3输与储存会造成能量的损失。综合评价传输与能量损失后,得到的结果是混合动力仍然能保持较高效率的运行效果,如日本丰田公司的 Prius 三代产品均实现了相比与传统车辆极大的节油特性。1.4 本章小节本章主要分析了环境污染与化石资源的双重压力 [4],使人们逐渐将未来汽车的前进方向设定为混合动力。并说明了传统汽车的高油耗产生的原因,并从原理上给出了混合动力能降低油耗的基本原理,即保持发动机高效率燃烧。对于发动机输出功率与实际消耗不功率不匹配的问题,采用电池存储来解决。同时列举出了当前世界上主流的汽车公司所生产的混合动力汽车,以及其市场销售情况。东南大学本科生毕业设计论文4第 2 章 混合动力汽车驱动系统工作原理2.1 内燃机工作原理内燃机俗称发动机,指使用液体燃料燃烧产生输出转矩的设备,其输出转矩来源于气缸内汽油或柴油的燃烧。燃烧后的气体推动气缸传动轴,进而推动输出轴旋转。汽油的燃烧完全度,油门的大小都影响着输出转矩,所以内燃机的输出功率与气门、发动机转速均相关。一般情况下气门开放大小和发动机转速在额定转速以下与输出功率呈正相关,但是燃烧的随机性使一般情况下是不容易给出其解析表达式的。对于这个问题,已经有大量文献进行分析。一般来说对于最普遍的斯特林发动机 [1],对于发动机的各个运行点的油耗,通过数值运算可以得到图 2-1图 2-1 各转速下油耗与输出功率如图 2-1 所示,发动机的输出效率随着转速与气门变化,横坐标为发动机转速,纵坐标为发动机输出功率,单位为 kW。图像中每个点代表着一个确定的输出功率与一个确定的油耗。连接相同的油耗点,可以画出如图中的类似椭圆的图像。椭圆上标注的大小,为在这条曲线上的油耗大小。图中水平直线与曲线的交点为发动机 2200rpm 时,输出功率为40kW,这时的油耗是 275g/kwh[1]。那么对于一台运行的汽车,最基本的要求是使发动机在单位油料下,输出较多的功率。那么就要求发动机运行在图 2-1 中最小的运行圆内,即图 2-1 中油耗为 255g/kWh。同时可以观察到,对于发动机来说,最高的油耗比,并不在最大功率或者最大气门输出。最优功率运行时,气门与输出功率大概在最大的数值的 80%[2]。观察最大气门功率,还可以看到,发动机的输出功率在未达到最大功率前是与转速呈现正向关的,即转速越高,最大输出功率越大。这也导致了,发动机起动的时间要远远长于电机。因为发动机转速较低时,即使保持满气门,也无法提高较多输出功率。传统汽车为保证运行的高效性,通常的方法为在未松离合时,首先将发动机升速至额定较高速。然后采用小档位大传动比,降低到较低输出转速。如果汽车有调速需求,首先要切换至相应档位。这样才能保证发动机在额定较小的范围内运行,提高发动机效率。这种运行方式,在长期高速运行下具有较大优势,因为长期高速时,发动机能维持在上图最小的油耗运行圆内。但是在城市中行驶汽车时,因车辆拥堵与交通信号灯汽车必须反复的刹车起动,且大部分情况下,汽车是无法提高至优良运行速度的。这就导致了汽车高油耗,东南大学本科生毕业设计论文5同时浪费的大量输出容量。一些高档汽车现在添加无级传动装置,尽管在理论上无级传动装置是可以保持发动机可以运行在最优转速上。但是因为缺少蓄电池的能量缓冲,所以汽车在低速运行下,油耗仍然会较大。因为低速时,输出功率较小,虽然传动装置的加入可以使发动机速度较高。但是在图 2-1 中可以观察到,高转速,低输出功率的发动机仍然处在油耗较大的运行点。且无级传动装置本身价格较为昂贵,间接的增加车辆生产成本。2.2 混合动力驱动系统工作原理针对 2.1 节中所提出的传统汽车的油耗较高问题,混合动力因此提出 [1]。混合动力在能量来源上可以分为插电式与非插电式。本文主要讨论非插电式,其主要设计思想为,保持发动机尽最大可能运行在最优运行点。即图 2-1 中最优运行点,油耗 255g/kwh,但是不同的路况与加减速需求使汽车电动机的输入能量是一个随机数据,为了保持发动机的最优运行,需要蓄电池对多余的能量进行储备。在发动机能量不足的时间,还可以加入电池共同驱动。混合动力的能量传递方式有很多结构,比如蓄电池也可以直接驱动电动机。发动机也可以在静止情况下只对电池充电。驱动电机也可以在停车情况下对电池进行回馈充电。综合各种结果,分析如图 2-2[1]。图 Error! No text of specified style in document.-2 能量流动图动力系(2)(双向)动力系(1)(单向)负载 Σ能量系 2能量系 1 能量转化器(1)能量转化器(2)(1) 能量源(1)单独向负载提供能量(2) 能量源(2)单独向负载提供能量(3) 能量源(1)和能量源( 2)都向负载提供能量(4) 能量源(2)从负载处获得能量(再生自动)(5) 能量源(2)从能量源( 1)获得能量(6) 能量源(2)从能量源( 1)和负载处同时获得能量(7) 能量源(1)同时向负载与能量源( 2)提供能量(8) 能量源(1)向能量源( 2)提供能量,同时能量源( 2)向负载提供能量(9) 能量源(1)向负载提供功率,同时负载向能量源(2 )提供能量以上所提出的各种能量传递方式,其实有些能量传递方式是不可能用到的。比如传递方式(9) 。有些方式虽然有理论的可行性,但是相较于其他能量传递方式有先天的技术壁垒或者能量效率较低。因此形成了图 2-3-a~d 4 种基本的连接方式,这也代表着社会上主流的混合动力汽车所使用的汽车构造形式。
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