基于拉维娜行星机构的功率分流混合动力系统建模与仿真研究

摘要

不断增长的油价和因汽车排放导致的不断恶劣的环境污染问题，需要一种清洁和可持续的能源方案来解决。由于纯电动汽车受电池技术的限制，电动汽车完全取代传统内燃机汽车还有一段路要走。混合动力汽车由于综合了电动汽车和传统内燃机汽车的优点，成为汽车行业研究的热点。特别是丰田混合动力系统的出现，使各国汽车界的目光转向了基于行星排的功率分流混合动力系统的研究。
　　建模与仿真研究，是混合动力系统设计开发前期的重要工作内容，不但可缩短开发时间，还可节约开发成本。利用仿真模型对实际系统进行试验研究，不仅适合于HEV能源管理策略和动力总成的优化设计，还适合于混合动力电动汽车的整车性能分析。
　　本文对基于拉维娜行星机构的功率分流混合动力系统进行了建模与仿真研究。采用杠杆模拟法和功率键合图，对拉维娜行星机构进行了运动学与力学分析，在此基础上，对基于拉维娜行星机构的混合动力系统构型方案进行了优化。针对该混合动力系统构型方案，设计了纯电动、并联固定档及无极变速三种工作模式。制定了混合动力系统的控制策略，建立了控制系统的数学模型。
　　本文建立了混合动力总成及部件的数学模型，包括基于威兰氏线性理论的发动机可缩放模型，基于效率Map图的电机模型，电池组及其管理系统模型以及其他部件模型，形成了整车仿真模型框架；开发了基于Matlab/Simulink的交互式的功率分流混合动力汽车仿真软件，为功率分流类的混合动力系统的整车控制的仿真研究打下了基础。
　　在选择固定的循环工况的基础上，研究了多种因素对整车经济性的影响，特别是初始SOC值和控制策略中的参数的门限值对整车经济性的影响，从而寻求优化的参数设置值。同时建立Prius行星排机构的混合动力系统模型，在三种不同的循环工况下进行测试，对比了两种混合动力系统的发动机与两个电机的工作区域及各个循环工况下的发动机油耗与等效油耗，仿真结果表明，基于拉维娜行星机构的功率分流混合系统比Prius系统的经济性更好，从而显示出了本文所研究的基于拉维娜行星机构的功率分流混合系统的优势，验证了所制定的控制策略的正确性。