并联型气动柴油混合动力汽车控制参数的正交优化研究.pdf

机械 研究与应用 2 0 1 5 年 第4 期 g 2 8 卷， 总 第1 3 8 期 研究与分析 并联型气动柴油混合动力汽车控制参数的正交优化研究 刘凌宝， 陈平录 ， 许静 ， 匡鹏 江 西农业 大学 工学院 ， 江西 南昌3 3 0 0 4 5 摘要 柴油机开启转矩门限值、 柴油机开启转速门限值以及气动发动机占总输出功率的转矩分配比是影响采用逻 辑门限值控制策略的并联型气动柴油混合动力汽车性能的关键参数。以这三个关键参数为设计变量、 以整车油耗 量、 气耗量以及原地起步加速时间为目标函数， 采用正交优化设计方法研究了这三个参数对整车动力性和经济性的 影响。研究结果表明 柴油机开启的转矩门限值、 开启转速 门限值以及转矩分配比的提高， 能有效的降低柴油的消耗， 但 会 引起压缩 空气的消耗 量的增加 以及整 车的动 力性 能的降低。 关键词 气动发动机； 混合动力； 控制策略； 参数优化 中图分类号 U 4 6 9 ． 7 ； T H1 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 5 0 4 0 0 8 5 0 3 Or t h o go na l Optim i z a tio n St udy o n Co nt r o l Pa r a m e t e r s f o r Pa r a l l e l Hy br i d Ai r -d i e s e l Ve h i c l e UU L i n g b a o ， C HE N P i n g - l u， XU J i n g ， KU ANG P e n g C o l l e g e o fE n g i n e e r i n g ， J i a n g x i A g ri c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 4 5， C h i n a Ab s t r a c t T h e t h r e s h o l d v a l u e s 0 f t o r q u e a n d s p e e d f o r t h e d i e s e l e n g i n e e n t e rin g i n t o wo r k i n g s t a t e a n d t h e t o r q u e a s s i g n r a t i o f o r a i r p o w e r e d e n g i n e A P Ea r e t h e k e y p a r a m e t e r s t o t h e p a r a l l e l h y b ri d a i r - d i e s e l v e h i c l e P H A Vu s i n g l o gic al t h r e s h o l d c o n t r o l s t r a t e g y ．1 1 1 e me t h o d o f o r t h o g o n al o p t i mi z a t i o n i s u s e d t o s t u d y t h e e f f e c t o f t h e s e k e y p ara me t e r s o n t h e d i e s e l c o n s u mp t i o n ．air c o n s u mp t i o n an d i n s i t u a c c e l e r a t i o n t i me for P HA V．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e i n c r e as e o f the t h r e s h o l d v a l u e s o f t o r q u e a n d s p e e d fo r t h e d i e s e l e n g i n e e n t e ri n g i n t o w o r k i n g s t a t e and t h e t o r q u e ass i g n r a t i o f o r air p o w e r e d e n gin e A P E w o u l d e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e d i e s e l c o n s u mp t i o n，h o we v e r ，i t c o u l d i n c r e a s e t h e a i r c o n s u mp t i o n a n d d e g r a d e t h e d y n a mi c p e r - f o r ma n c e 0 f PHAV． Ke y wo r d s a i r p o w e r e d e n g i n e ；h y b rid p o we r ；c o n t r o l s t r a t e gy ；p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n O 引 言 纯气动汽车由于压缩空气 的储 能密度 以及能量 利用率低两方面的限制 ， 致使其应用受到 了极大的限 制⋯ 。然而 ， 由于气动发 动机 和内燃机在工作 过程 中存在优势互补 由于气动发动机能够很方便的实现 制动能量回收、 工作过程 中没有有害气体排放 以及能 够有效利用内燃机的余热等方面的优势， 同时内燃机 驱动汽车又能够解决 纯气 动汽车 的续驶里程不足的 问题 ， 使得气动燃油混合动力汽车能与电动混合动力 一 样 ， 通过制动能量 回收、 取消怠速 、 优化 内燃机工作 区域以及减小内燃机以及利用内燃机排气余热等手 段实现车辆 的节能减排。相 比与电动混合动力 ， 该混 合动力具有结构简单 、 成本低 、 易于维护 、 便于在传统 汽车的基础上改装等优势 j 。 气动燃油混合动力汽车作为一种新型式的车用 动力系统近年来备受关注 。国外还有许多独特的气 动复合循环方案设计 ， 包括法 国的 MD I 公 司的双燃 料发 动机 、 美 国加利 福尼 亚洛 杉矶分 校T s u C h i n T s a o 教授和福特汽车公司顾 问 Mi c h a e l M． S c h e c h t e r 合作研发的气动／ 内燃 复合循环发动机 3 以及美 国 S c u d e r i 公司设计 的 “ 分离 冲程式 ” 复合循 环技术 J 等。我 国浙江大学和 台湾大叶大学对气动混合动力 系统也进行 了大量的研究 。台湾大叶大学 K．D a v i d H u a n g等给出了一种与串联型电动燃油混合动力 汽车相似内燃／ 气动 复合循环 式发动机 J 。不论是 哪一种混合动力系统 ， 为了使气动和内燃两种动力系 统能够协同工作 ， 控制策略的研究是必须解决的关键 技术之一。笔者针对前期所提出一种用于并联型混 合动力汽车的逻辑 门限值控制策 略“ J ， 通过采用 正 交优化方法探寻该控制策略的柴油机开启转矩门限 值、 柴油机开启转速门限值以及在混合模式下气动发 动机 占总功率的转矩分配 比的组合优化技术。 1 并联型气动燃油混合动力汽车逻辑门限值 控制策略 为了便于在柴油车基础上改制 ， 笔者所选用 的并 联型气动燃油混合动力汽车的结 构布置 图如图 1所 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 1 8 基金项 目 江西省科技支撑计划项 目 编号 2 0 1 3 Z B B E 5 0 0 1 2 ； 江西省教育厅科学技术研究项 目 编号 G J J 1 4 2 8 0 ； 地方高校 国家 级大学生 创新创业训练计划项目 编号 2 0 1 3 1 0 4 1 0 0 0 3 。 作者简介 刘凌宝， 1 9 9 1 一 ， 男， 江西南康人， 研究方向 车用动力能源多元化。 通讯作者 陈平录 1 9 7 9 一 ， 男， 江西南昌人， 博士， 研究方向 车用动力能源多元化、 产品数字化设计。 8 5 研究与分析 2 0 1 5 年 第4 期 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期 杌械研究 与应用 示 。该结构 以原有柴油机动力系统为基础 ， 增加 了一 套气动辅助动力系统 ， 其 中的热交换器用于气动发动 机 的进气与柴油机的热交换。在车辆制动过程 中， 气 动发动机可 以转换 为压气 机模 式 ， 实现制动能量 回 收。为了提高制动能量 回收效率 ， 回收后的压缩空气 由三通阀充入制动储气罐。 图 1 并联压缩空气燃油混合动力汽车布置 并联型气动燃油混合动力汽车逻辑 门限值总体 控制策略详见参考文献 [ 7 ] ， 概括描述如下 1 若动力传动系统所需的转矩 0且需求转 矩 和需求转速 n 均大于 门限值 i 和 n i ， 此时内 燃机进人工作状态 ， 为 了利用 内燃机废热 ， 气动发动 机同时参与工作。此时为混合驱动模式。 2 若动力传动系统所需的转矩 0 ， 且 或 者需求转速 n 小于各 自的门限值 i 和 。i ， 由气动 发动机单独驱动车辆行驶 。但若此时高压储气罐 以 及制动储气罐 内的压缩气体 的能量不 足以满足车辆 行驶所需 的转矩 时 ， 考虑到驱动优先 的原则 ， 处于 低效工作状态的内燃机必须承担起驱动车辆行驶 的 任务。 3 若动力传动系统所需的转矩 R n 。最优组 合为 K 0 ． 3 5 ， n l i m 1 1 0 0， R 0 ． 4 8 ， 对应 的 Q 1 ． 2 2 L ／ 1 0 0 k m。可见 ， 从降低油耗出发 ， 各因素应尽可 能取最大值。 舌 2 。f ■ 耀 涎 撰 田 }I }Ⅲ 柴油机开启 柴油器开启 转矩分配比R 转矩系数 转速门限‰ r ／ m i n 图 2 百公里耗油量 Q 的结果分析 2 ． 2 ． 2 百公里耗气量 Q 的结果分析 气动燃油混合动力系统节油 是靠空气动力的辅 助才能实现的。若柴油机开启门限转矩和转速越高 ， 则耗气量就会增大， 如图 3所示 ， 百公里耗气量 Q 。 均 随三因素的水平值 的增大 而增大 。从 三因素的极差 对 比可 以看 出， 三 因素 对 Q 的影响 比重为 R K 凡 I i m 。最优组合为 K0 ． 2 ， n I im 8 0 0， R 0 ． 1 2 ， 对应 的 Q 8 5 ． 7 9 k s ／ 1 0 0 k m 。可见， 从降低耗气量出发， 各因素应尽可能取最小值。 转 ㈤转矩分配 图3 百公里耗气量 Q 的结果分析 2 ． 2 ． 3 原地起步加速 时间t 帅 的结果分析 如图 4所示 ， 影响原地起步加速时间的主要因素 为转矩分配 比尺， 从缩短原地起步时间考虑 ， 最优组 合为K 0 ． 2 ， n I m 8 0 0 ， R 0 ． 1 2 ， 对应的t l0 0 1 1 ． 9 S 。 柴油机开启 柴油器开启 转矩分配I Z R 转矩系数 转速门黻 r ／ m i n 图4 原地起步加速时间 t 。 。 。 的分析结果 3结论 1 从优化结果可看 出， 从节油考虑 ， 柴油机开 启的转矩门限值、 开启转速门限值以及转矩分配比均 应提高。 2 当柴油机开启转矩 门限值 、 开启转速门限值 以及转矩分配 比提高时 ， 柴油机的工作区域减小 ， 这 势必增大气动发动机工作的比重 ， 压缩空气的消耗量 必然会增大 ， 同时， 由于笔者所采用的混合动力结构 仍以柴油机为主 ， 气动为辅 ， 气动发动机的功率较小 ， 柴油机工作区域的减小势必会降低整车的动力性能。 参考文献 [ 1 ] 刘昊 ， 陶国良， 陈鹰 ， 等． 气动 汽车动力 系统分析 [ J ] ． 浙 江 大学学报 工学版， 2 0 0 6， 4 0 4 6 9 4 6 9 8 ． [ 2] L I U L i n ，Y U Xi a o - l i ．P r a c t i c a l i t y S t u d y o n A i r p o w e r e d V e h i c l e [ J ] ． F r o n t i e r s o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g i n C h i n a ，2 0 0 8， 2 1 1 4 一 l 9 ． [ 3 ] T a i C， T s a o T ．U s i n g C a ml e s s V alv e t r a i n f o r A i r H y b r i d O p t i mi z a t i o n [ J ] ．S A E T e c h n i c al P a p e r 2 0 0 3 0 1 0 0 3 8， 2 0 0 3 ． [ 4 ] A l e x a n d e r D．S c u d e r i ’ S S p l i t c y c l e S o l u t i o n s [ J ] ．A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 6 ， 1 1 4 5 2 4 - 2 6 ． [ 5] F a n g Y i - d o n g ，L i D a o - f e i ， F a n Z h i - p e n g ， e r e ．S t u d y of P n c u ma t i c - f u e l Hy b r i d S y s t e m Ba s e d o n Wa s t e He a t Re c o v e r y f r o m Co o l i n g w a t e r o f I n t e rnal C o mb u s t i o n E n gin e [ J ] ．S c i e n c e C h i n a T e c h n o l o g i c a l S c i e n c e ， 2 0 1 3， 5 6 1 2 3 0 7 0 - 3 0 8 0 ． [ 6] H u a n g K D， T z e n g S C．D e v e l o p me n t of a Hy b r i d P n e u m a t i c - p o w e r v e h i c l e [ J ] ．A p p l i e d E n e r gy， 2 0 0 5 ， 8 0 1 4 7 5 9 ． [ 7 ] 陈平录 ， 俞小莉 ， 聂 相虹 ， 等． 并联 型气动燃 油混合 动力 汽车控 制策略研究[ J ] ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 1 0 ， 4 5 2 1 5 3 1 5 8 ． [ 8 ] P i n g l u C h e n ， X i a o l i Y u ， X i ang h o n g N i e ， e t a1 ． M o d e l i n g a n d S i m u - l a t i o n A n a l y s i s o n P a r al l e l H y b ri d A i r f u e l V e h i c l e [ J ] ． F r o n t i e r s of E n e r g y a n d P o we r E n gi n e e ri n g i n C h i n a ， 2 0 1 0 ， 4 4 5 5 3 5 5 9 ． 8 7 7 6 5 4 3 2 1 ∞ ／ l J 譬睾 } 具 疆碧隧 姗 拗 猢 舌。 ● 浜扩科删 陋