增程式汽车控制策略研究及零部件敏感性仿真分析

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随着汽车数量的快速增长,传统内燃机汽车对石油的依赖度愈加明显,而且产生的有害气体对环境造成严重污染。为了节约能源和保护环境,新能源汽车得到国家的大力支持,近些年已取得可喜的成果。目前动力电池技术发展尚不成熟,车辆充电设施建设仍不够完善,纯电动汽车相比于传统的内燃机车辆,存在着行驶里程短、生产成本高、充电不便利等问题。在此情形之下,增程式汽车应运而生。它拥有两个动力源,可以很好地解决纯电动汽车存在的一系列问题。增程式汽车开发与研究的关键技术在于制定合理有效的控制策略,为了充分展现增程式汽车低能耗、低排放等优势,需要对整车控制策略开展深入的研究。本文以某开发阶段的增程式汽车为研究对象,首先介绍了增程式汽车的发展情况及控制策略和零部件参数敏感性分析等方面的研究现状。然后根据该增程式汽车的动力经济性指标对其动力系统主要部件进行了选型及参数的匹配计算,并基于数据库、参数匹配计算结果及部分零部件试验数据,建立了增程式汽车仿真模型。然后从改善整车燃油经济性的角度出发,制定了发动机定点控制和功率跟随的两种控制策略,对其控制策略阈值进行了优化。然后在车辆处于增程模式,世界轻型汽车测试循环(WLTC)工况时,对比分析了这两种控制策略的燃油经济特性以及对关键零部件工作状态的影响。最后,研究了设计参数对整车燃油经济性的敏感性,探明了相关参数对整车燃油经济性的影响特性。本文主要研究工作及结论包括:(1)根据某开发阶段的增程式汽车动力经济性指标,利用相关理论知识,对增程器、动力电池和驱动电机等动力系统的主要组成部件进行主要参数匹配计算及选型,为下一步的仿真模型搭建及验证奠定基础。(2)基于数据库、参数匹配计算结果和部分零部件的测试数据,利用GTSUITE软件搭建了增程式汽车动力系统仿真分析模型。并对该增程式汽车在纯电模式下的动力性进行了仿真分析。计算结果显示车辆百公里加速时间为8.3 s,最大速度为206 km/h,满足整车动力性需求。说明该增程式汽车的动力系统选型及参数匹配合理,所建立的模型具有较高的研究价值。(3)制定了模式切换策略、发动机启停策略、制动及能量回收策略、发动机功率跟随策略和发动机定点控制策略,并在GT-SUITE中建立了相对应的控制策略模型。然后对两种控制策略中的相关阈值进行了寻优仿真分析。寻优结果显示,当功率跟随控制策略中的充电功率系数为0.085、定点控制策略中发动机五个输出功率值为8-19-25-36-45 kW时,整车在WLTC工况下油耗最低,且电池终止荷电状态(SOC)和平衡值基本相同。(4)对比分析了增程模式中发动机功率跟随和定点控制两种控制策略在WLTC工况下整车的燃油经济性、发动机工况及效能、电池SOC、电池输出功率、发电机工作点及效能等特性。结果表明:车辆在增程模式下,采用定点控制策略,可有效地确保发动机工作在高热效率区,从而降低整车的燃油消耗。定点控制和功率跟随策略下,发动机热效率分别为39.42%和39.10%;发电机效率分别为91.82%和91.70%。整车百公里油耗分别为4.97 L和5.01 L。定点控制策略下整车百公里油耗满足低于5.0 L的设计指标要求。(5)研究了整车及部分零部件设计参数对该增程式汽车燃油经济性的敏感性,获得了相关参数对整车燃油经济性的影响特性。结果显示:滚动阻力系数对整车燃油经济性敏感度最低,而传动效率对整车燃油经济性的敏感度最高、驱动电机效率次之。因此,要提升整车的燃油经济性,可优先从提高传动效率和驱动电机效率等方面进行。
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