1、在混合動力車上系統選擇動力傳動系統結構和部件尺寸的方法Jonas Hellgren 和 Bengt Jacobson機械和車輛設計, Chalmers 科技大學版權 2000 汽車工程協會摘要 節約能源和制造較少污染性能的汽車, 變成越來越緊急的主題。 一個原因就是世界上對快速的運輸要求正在增加, 全球變暖的危險是一個事實。 混合動力汽車(HV:s) 被提出作為環境友好的候選者超過傳統的車輛。 時下,有各種各樣的不同類型的混合車和成分集合體,理論上, 用無限多的方法限制在規定的尺寸。 沒有的簡單答案如何做到在一個混合車輛上選擇動力傳動系統結構而且按規定尺寸安排各組成部分。 這篇文章描述一個方法

2、，動力傳動系統綜合(DS),有系統地呈現了如何根據具體的要求和條件選擇一個適當的動力傳動系統。 具體示例：要求是驅動循環和在自由行駛區，條件是考慮燃料價格，污染交稅和貼現率。最適當的動力傳動系統被定義為最具有花費效果的。總成本被定義為以下的總和:組成物的成本，燃料成本，外部能源的成本和污染的成本。遺傳基因運算法則被當做一最佳化方法二個主要類型的動力傳動系統在同一情況下比較研究, 一個具有柴油機和自動傳動系統的傳統公共汽車和一個具有不同類型的初級動力源（柴油機或者燃料電池）和儲能裝置（超級電容或 NiMH 電池）的串聯混合動力公共汽車。DS 提供合理的答案但是需要更進一步確認和發展。 得出的結論

3、是最適當的動力傳動系統結構非常依賴要求，條件和當前的技術,也就是 HV ： s 只是在特別的環境下比傳統的較好的車輛。關鍵字: 混合的動力傳動系統，可供選擇的動力傳動系統，動力傳動系統,動力傳動系統結構，混合動力汽車,驅動系統， 混合動力電動汽車 ，組成物，結構，涂上膠水,遺傳基因的運算法則，最佳化，模擬。介紹為什么使用混合動力汽車混合動力汽車(HV:s) 有減少燃料消耗和發散的潛能,由于全球變暖和地方污染的影響，這已經是緊急的議題。 氣候研究結果被呈現在 1, 指出CO2的排放主要來源是車輛運輸。 混合動力的潛能是下列事實的結果:剎車能量的回收是可能的， 引擎在一最佳的點工作是可能的，自由行

4、駛區域能被引進，運用電能成為可能（停頓時可以充電）。混合的驅動系統的一個主要的缺點是花費巨大, 如果可以采用的先進技術被采用的話。不同類型的混合動力汽車分類混合動力汽車最通常的方法是采用串聯和并聯混合動力汽車的定義。 在串聯混合動力汽車中, 來自主動力源（PPU）的所有能量在到達車輪之前都被轉化成另外一種形式的能量。在并聯的結構中， 引擎扭矩的一部份直接作用在車輪上。 但是這一命名法不總是容易采用因為一些動力傳動系統結構既不是清楚的串聯也不是并聯。 在HV中能量能被幾種方式轉換和儲存: 機械的,水力的,電力的，空氣的等等。大部分測試和有前途的方法是電力,如此的混合動力汽車叫做混合動力電動汽車。

5、不同的動力傳動結構被進一步描述在2。方法的目標許多模擬工具被采用去深入研究現有的動力傳動系統結構。動力傳動系統綜合方法的目的是根據要求，條件和現有的技術, 去自動地去選用最具有花費效果的個體（有限定好控制策略的動力傳動系統）。這將會使在采用有利的混合的驅動系統條件下的監測成為可能的. 具體例子是要求是驅動循環和在自由行駛區，條件是考慮燃料價格，污染交稅和貼現率。 圖 1. 要求和條件變換到推薦的個體 DS 的另一個目的是支持汽車設計者, 舉例來說就是為發動機提供一個合適的尺寸或者決定在不同的條件下該如何控制引擎(不是很明顯如果HEV被考慮).相似研究被呈現在 3-8. DS是比較接近自然的,

6、也就是結果不是限定好的該如何設計一輛汽車 , 而是更多一個指引方針。在這篇文章被提到的案例研究中,下列各項動力傳動系統結構的類型將會被比較: 一傳統的由柴油機和自動變速機構的公共汽車和一串聯的HEV。串聯的HEV也有或者柴油機或者燃料電池作為PPU，或者超級電容或者NiMH 電池作為儲能裝置。DS能夠延伸到包括其他混合類型和較多的組成物變化。選擇驅動系統所用方法的描述研究的目的是用一種公平的方法比較不同的動力傳動系統結構。 一些可能組成部件（比如PPU）的尺寸需要去評估。還有不同的控制策略需要被評估。這尤其給出了很多組成去比較。 一簡單的快速的評估就變的很需要了。 圖 2 描述了DS通常是如何

7、工作的。 一個動力傳動系統被具體的動力傳動系統結構所限定, 舉例來說就是具有柴油機和超級電容的串聯HEV和它的重要的組成物的尺寸。 一種動力傳動系統定義的例子是串聯的HEV,被一個200公斤重的柴油機和一個2000公斤重的超級電容所驅動。對于每一種類型的動力傳動系統結構，不同類型的個體，通過改變其組成部分的尺寸和采用不同的控制策略而自動的被生成和評估。最后，有確定動力傳動系統結構和控制策略的個體被呈現。 圖 2. DS 通常情況下如何工作的，評估在很大程度上采用動態模擬和成本計算，成本重量在成本計算中被描述。最佳化方法遺傳基因運算法則作為最佳化方法被選擇， 米契爾 9 更進一步描述遺傳基因的運

8、算法則。選擇遺傳基因的運算法則的理由是:.因為汽車性能和成本之間沒有直接關系，組要一個沒有等級限制的方法。.如果一些動力傳動系統結構較好，它應該早就被發現。.優秀的個體被儲存和再使用，也就是說在不同的環境下有競爭力。.遺傳基因運算法則和并聯（超級）計算機適合的很好，它在較多的動力傳動系統時可能被應用。這個方法的主要缺點是很難知道最優的方法是否真正被找到，但是我們應該從思想上認識到這樣的最優化化方法是決定性的，由于很多因數被評估。通常來說，遺傳基因運算法則是以進化論為基礎的：適者生存，繁榮。圖3描述了在多數情況下的最優化方法。應用這種方法，一個汽車被動力傳動系統和控制策略所限定。圖18展示了最優

9、化方法是如何發展的。下列的屬性被考慮在內：結構類型，PPU的質量，存儲器的質量，放電狀態（SOC）的變化，策略類型。對于一輛傳統的汽車，只有PPU的質量是相關的。 圖3：大范圍內遺傳基因運算法則的工作原理評估成本計算為了評估一個個體，下列目標功能需要考慮：其中：comp 組成部件成本 fuel 燃料成本exl 外部能量成本 pollution 污染成本Wc,Wf,We和Wp 上述成本比重 n 負荷數目，每一個負荷是驅動循環的一部分ri 負荷的反應，車輛控制的負荷取1，不能控制取0.1具有最低成本的個體是最合適的。當計算組成部件成本時，資本價格，充電的影響和磨損（如果有存儲器）也要考慮在內。通過

10、定義Wc,Wf,We和Wp來改變利潤成本。一般Wc,Wf,We和Wp被設定為1，也就是說總成本被考慮在內。成本的計算被進一步描述在Appendix4。負載模擬評估的基礎是動態模擬。原則是在時間域內運行系統，動態模擬正常地使用一般的數字整合方法,適用于任何的工程學的問題,比如 Runga Kutta 方法。 一特殊化方法在這一個工作中被發展: 負載模擬。驅動循環被劃分為多個負載，負載舉例來說1秒內從0到80km/h的一個加速度。 被提出的模擬方法把負載作為一個整體來考慮。 在正常的動態模擬方面,如此的過程將被劃分為好多步，每一步0.1一1秒。使用一個特殊的模擬方法是很可能得到計算時間,這對我們的

11、目的是決定性的。 比較長時間步驟的使用也使控制策略的描述變成更簡單。如此先進的模擬方法的原則被顯示在圖 4 中。圖 4. 評估如何在大范圍內被運行。狀態變化表示為x,負載為lc,反饋為r,信息info（比如燃料消耗）和最終價值最后被展現。一個負載與下列的量一起定義: 恒定加速度, 初速度, 恒定坡路斜度和時間。 在一個負載中，力被假定為線性地變化。 這將會帶來必須在載荷的始點和終點計算力的大小。這在圖 7 中被舉例。 優點是非常快速的計算, 大約 快1000 秒。 缺點是預測失去精度。在模擬加速度案例中，在一個載荷作用下的行駛距離的誤差趨近5%，而如果速度是常數的話，不會產生誤差。在載荷的起點

12、和終點狀態改變時也就是力的狀態發生變化，誤差就會發生。需要注明的是誤差取決于汽車質量（參照圖5）也就是說不同的動力傳動系統結構會被平等的對待。圖5也展現出載荷模擬對于較重的汽車來說更精確。圖6展現了在理論速度和實際速度之間的差別。實際的速度是加在車底盤模型上的線性動力作用的結果位移誤差 =100%*(實際位移-理論位移)/實際位移。圖表以車底盤模型為基礎,稍后描述,其中Cd*A=0.8m2(對于上面圖表描述 圖 5. 不同速度和變速下由于汽車質量所引起的位移誤差較輕的汽車, 比如轎車)和 Cd*A =3.5(對于下面圖表描述較重的汽車,比如公共汽車). 初速度表示為 v0 ，速度變化為 del

13、tav 和持續時間deltat。 圖 6. 由于加速度模擬中常力的假設所引起的速度誤差，圖表是虛構和夸大的。 圖 7.速度和加速度變換為來自車底盤的力。圖表是虛構的。系統的動力性是考慮過的因為數據( 舉例來說 SOC)在負載之間被轉移。在一個驅動循環中改變下列條件也是可能的：額外負載（如乘客的數目），輔助系統的功率，零污染（關掉發動機）和暫時使用電力（停止充電）。大體上，多數的控制策略在一具體的動力傳動系統都能使用。重要的是選擇一個適當的，使動力傳統系統的評估更為公平。在DS中實現的控制策略是基于這樣一個思想，每一個動力傳動系統如何在PPU和儲能器之間分配功率。目標是找一個好的控制策略,因為找

14、一個最佳的,對于所有的動力傳動系統, 是非常耗費時間的。 借由被 Andersson 發明的方法10, 它能被調查離一個最佳的策略有多遠。在選擇動力傳動系統之后，控制策略可能會更進一步發展。汽車及驅動系統的模型汽車的高水平視圖 圖 8. 車輛的一般模型。圖 8 表示了汽車的一個高水平視圖。 動力傳動系統模型和控制策略取決于動力傳動系統結構(舉例來說傳統的車輛或串聯的混合動力車輛). 車底盤模型除了質量之外，與動力傳動系統結構無關。 Qi 是一量值, 或量,描述負載的起點和終點，也就是在每個負載中Qi被計算二次。在傳統的模擬模型，這些量(比如力,扭矩及或 速度)在小幅時間內被計算。量的縮寫( 舉

15、例來說 Pe=發動機功率)在表 4 中被描述.斜體字表示量在一個驅動循環（模擬）之中的改變。假定下列的假定已經被做單一化用于加速計算。 第三個適應個案研究。. 對于速度,一般對于機動車輛,動力在一個負載中線性地變化，也就是動力由于空氣阻力的變動被忽略。. 只有存儲器的損耗被考慮。比如PPU的損耗被忽略。. 汽車有行駛 1000000 公里的生命限制,對城市公共汽車是合理的。. PPU 和存儲器的效率取決于功率，存儲器假定于SOC 和溫度無關。其他的效率在一個驅動循環中是恒定的。. 對于所有的 HEV 動力傳動系統結構 PPU 假定盡可能的工作在最佳點。. PPU或存儲器的比功率 (千瓦/公斤)

16、 是常數, 也就是說功率的最大值與重量成正比。車底盤及環境的模型 圖 9. 作用在車底盤的力下列的等式，來源于11，描述了在一個驅動循環中所求力該如何計算。其中： a m/s2, v m/s 加速度，速度 Cd*A m2 空氣阻力fr 滾動阻力系數a m/m 坡路斜度 r kg/m2 空氣密度g m/s2 重力常數Paux kW, Pdem kW 定義在表4PPU的模型基本理論是通過改變質量縮放比例，使模型與技術無關。與技術無關意味著像只對集成電路引擎有效的汽缸容量這樣的特性不再有用。下列的數據用來定義 PPU 模型, 適用于傳統的和串聯的混合動力傳動系統結構。圖 10.特殊類型的PPU的燃料

17、消耗和污染的漸變圖。 圖表是虛構的。. 比價格 歐元/公斤.燃料價格 歐元/公升 ，燃料的密度公升/g。.反饋, PPU 變更功率的速度千瓦/(s*公斤).燃料消耗量 fc, 被計算為:fc = fcoptimal line(specific power)×eTransmission其中:fcoptimal line 參照某一功率的最小燃料消耗量存儲器的模型存儲器模型的原則與PPU相同。下列數據用來定義存儲器模型： 圖 11.某一存儲器的效率漸變圖. 比能量 千焦/千克. 公稱的 (推薦) 比功率 千瓦/千克.這避免由于連續的工作存儲器處于非常高的比功率狀態。. 比價格 歐元/公斤.

18、 損耗歐元/千焦 。在一傳統的車輛上的傳動模型 在一個傳統的動力傳動系統中齒輪箱與一個簡單的補償函數一起做模型，意味著發動機在一個指定的功率不能工作在最佳點。圖 12 的 eTransmission 是齒輪箱中齒輪數目和驅動循環中速度變化的函數。圖 12. 補償函數。 圖表是虛構的。一輛傳統的車輛動力傳動系統及控制策略的模型 圖 13.一輛傳統車輛的物理動力傳動系統模型。 圖 14.一傳統的車輛的數學描述。圖 14展示了圖13中物理模型的數學描述。功率為正表示如圖中箭頭所指方向，比如Pc+Paux大于0表示有功率流入底盤。下列的等式把數學描述和物理模型聯系起來 ：hec=hTransmissi

19、on每步的發動機功率由下式計算：hec*發動機功率=底盤功率在一個串聯混合動力汽車中驅動系統和控制策略模型圖 15展示了串聯混合動力車的的最常見的動力傳動系統結構。發動機，傳動機構，發電機和轉換器可以被燃料電池所替代。圖15.串聯混合動力車的物理傳動系統模型。虛線: 無機械的傳動裝置。 附加的系統被認為是車底盤模型的一部份，不需要總被物理糾正。圖 16.串聯混合動力車的數學描述。外部功率源比如電能。下面的等式把物理模型和數學描述聯系起來： hpc=hGear* hGenerator*hConverter*hConverter*hMotor*hGear hps=hGear*hGenerator*

20、hConverter hsc=hConverter*hMotor* Gear實際的模型一些裝置不總是必需的,比如轉換器有時是多余的，如果電動機是有直流型的。 動力傳動系統只是簡單模型因為有些現象比如車輪側滑和顫動不是很重要。每個載荷工況屬于下面三種狀態：高負荷運轉，低負荷運轉和制動。這在圖17中被闡明。載荷工況被不同對待取決于它屬于哪一種狀態。Appendix1對此進一步描述。圖17.不同的模型。載荷工況中的最大功率表示為max(Pdem)，平均功率表示為mean(Pdem).從PPU發出的最低燃油消耗量功率表示為Pp_opt.細線對應低功率，粗線對應高功率.一個矢量 " soc_t

21、ar",以驅動循環和控制策略為基礎，描述了在載荷工況終端儲能器應該達到的充電量。一個特定個體的控制策略決定了：.矢量" soc_tar" 的變動,也就是SOC 的最大最小值。. 如果策略是是 ON/OFF, 連續的或間隔的。策略是 ON/OFF ， PPU 的功率是Pp_opt或Pidle.在一個連續的控制策略中，PPU的功率近似等于底盤的功率。如果一個動力傳動系統較適應SOC(大能量儲存)的小變動并且較適合一個連續的策略,將會自動地被發現。選擇驅動系統的工況研究模型在 Matlab 被實現,由于 Matlab:s擁有規范的語言。假如用一個負荷的16工況，在一個4

22、50Mhz奔3的處理器上，評價一個汽車用不了一秒，大約100500毫秒。工況中的數據也就是要求和條件在Appendix 2 中被列出。圖表18闡釋了在一個公交路線上汽車隨時間變化的情況。圖18.最高（最低）成本，平均成本和最好的結構類型如何與時俱進車輛是公共汽車。根據圖19和20，DS被應用在兩輛不同旅行公共汽車上，一個低速市內旅行公共汽車，一個高速郊區旅行公共汽車。表一和表二列出了結果，在兩種不同工況下最適合的動力傳動結構，總的成本也被列出。 圖19.低速驅動循環 圖20.高速驅動循環 表1.低速驅動循環 表2.高速驅動循環（R=分類）負載模擬的仿真表 3 用VehProp23中傳統動態模擬的方法，被Dymoia12中模擬工具改進過，以提出的載荷工況模擬方法為基礎比較了燃料消耗。在Appendix3中有更多關于動態模擬進行的信息。對NASA混合運輸公共汽車也進行了比較。Advisor18是用作仿真