河北工业大学 硕士学位论文 混合动力汽车传动系统建模与仿真研究 姓名：赵晓静 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：武一民 20091101 河北工业大学硕士学位论文 i 混合动力汽车传动系统建模与仿真研究 摘 混合动力汽车传动系统建模与仿真研究 摘 要要 混合动力汽车将发动机、电动机和能量储存装置组合在一起，通过它们之间的良好匹 配和优化控制，可以充分发挥传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，能够明显减少汽车排 放和降低油耗计算机建模和仿真技术的应用，可以有效降低汽车开发周期和成本混合 动力汽车传动系统建模与仿真是混合动力汽车传动系统参数匹配优化和能量控制策略优 化的重要技术手段 本文对比分析了三代丰田 PRIUS 混合动力传动系统的结构和基本工作原理， 建立了传 动系统发动机、动力分离装置、电动/发电机和动力用蓄电池等各子系统模型，基于统一的 动力传动系统结构模型，以动力分离装置为纽带，通过整合子系统模型建立了丰田 PRIUS 混合动力传动系统的综合数学模型，解析了系统各元件之间的扭矩和转速理论关系 根据所建立的混合动力系统各元件模型和系统综合模型，基于 MATLAB/SIMULINK 软件，开发了混合动力传动系统各元件和系统仿真模块。
基于所建立的稳态控制策略，对 丰田 PRIUS 混合动力系统稳态巡航工况进行了仿真分析， 得到了稳态巡航车速下混合动力 系统中各元件的输出特性；基于所建立的动态控制逻辑，在模拟城市道路行驶的日本 10 模式工况下，对丰田 PRIUS 混合动力系统的动态特性进行了仿真分析，得到了动态工况下 混合动力系统中各元件的输出特性 仿真结果表明，基于混合动力传动系统数学模型所开发的仿真模块，在给定的整车参 数和控制策略下，可以有效迅速的得到混合动力系统各元件的输出特性，从而帮助工程师 匹配、优化混合动力传动系统设计参数和控制策略 关键词：关键词：混合动力汽车，传动系统，动力分离装置，行星齿轮，建模，仿真 河北工业大学硕士学位论文 ii RESEARCH ON THE MODELLING AND SIMULATION OF HYBRID VEHICLE POWERTRAIN ABSTRACT Hybrid Electric Vehicle (HEV) integrates and controls Internal Combustion Engine (ICE), Motor/Generator (MG) and Energy Storage System (ESS) efficiently with optimal control strategy. The HEV works effectively by integrating the respective advantage of traditional internal combustion vehicle to decrease the pollution emissions and the fuel consumption remarkably. The technology of modeling and simulation by using computer contributes to reduce time and cost of vehicle development. It is the basic and essential work to establish the system model for the development, simulation and optimization of powertrain and energy management of the hybrid vehicle. In this thesis, the powertrain architecture is analyzed for understanding the basic principle and difference among hybrid power systems of three generations for TOYOTA/PRIUS. Taken the power split unit as a ligament of system and based on the models of engine, power split unit, motor/generator and traction battery, the powertrain mathematical model was constructed based on a uniform architecture which integrates three generations TOYOTA/PRIUS. The principle dependence between torque and speed of respective component is analyzed and clarified. The simulation modules for the powertrain and respective components of HEV are developed based on the models established above by using the software of MATLAB/SIMULINK. The Toyota Hybrid System (THS) is analyzed and simulated at the steady cruise condition by using the steady control strategy and the output characteristics of each component of the powertrain system at respective given vehicle velocity is clarified. The Toyota Hybrid System (THS) is analyzed and simulated at the Japan 10 mode drive cycle by using the dynamic control logic and the output characteristics of each component of the powertrain system at the real-time operating condition is clarified. The simulation results indicate that the simulation module developed in the base of mathematics models of the hybrid powertrain system can achieve output characteristics of each component of the powertrain system efficiently and effectively, for the given parameters of the whole vehicle and control strategy. It helps engineers to match and optimize the design parameters and improve control strategy of the powertrain for HEV. KEY WORDS: hybrid electric vehicle, powertrain, power split unit, planetary gear, modeling, simulation 河北工业大学硕士学位论文 符号说明符号说明 THS——丰田混合动力汽车，Toyota Hybrid System HEV——混合动力电动汽车，Hybrid Electric Vehicle PSU——动力分离装置，Power Split Unit ICE——内燃发动机，Internal Combustion Engine MG——电动/发电机，Motor/Generator ESS——能量储存系统，Energy Storage System IMA——集成电机辅助系统，Integrated Motor Assist BSFC——制动燃油消耗率，Brake specific fuel consumption WOT——最大节气门开度，Wide Open Throttle OOL——最佳操作线，Optimal Operation Line SOC——蓄电池荷电状态值，State of Charge S——太阳轮啮合半径，单位：m R——齿圈啮合半径，单位：m e P——发动机输出功率，单位：kW e T——发动机输出扭矩，单位：Nm e n——发动机转速，单位：rpm f m ——发动机瞬时油耗，单位：kg/s ωr——齿圈旋转角速度，单位：rpm ωs——太阳轮旋转角速度，单位：rpm ωc——行星架旋转角速度，单位：rpm ωp——行星轮自转角速度，单位：rpm Js——太阳轮的转动惯量，单位：kgm2 Jc——行星架的转动惯量，单位：kgm2 Jr——齿圈的转动惯量，单位：kgm2 TMG——电动/发电机的扭矩，单位：Nm ωMG——电动/发电机的转速，单位：rpm Pb——蓄电池的有效功率，单位：kW Voc——蓄电池开路电压，单位：V Ib——蓄电池充放电电流，单位：A SOC0——蓄电池初始荷电状态值 CN——电池容量当量，单位：As m——汽车总质量，单位：kg Rw——轮胎半径，单位：m Jv——驱动桥半轴等效转动惯量，单位：kgm2 v 河北工业大学硕士学位论文 vi gr2s——齿圈/太阳轮元件传动比 ge2s——行星轮/太阳轮元件传动比 Ne-h——发动机优化工作区转速上限，单位：rpm Ne-b——发动机优化工作区转速下限，单位：rpm Th——发动机优化工作区扭矩上限，单位：Nm Tb——发动机优化工作区扭矩下限，单位：Nm Ne-min——发动机最低怠速，单位：rpm Tcom-w——发动机等效需求扭矩，单位：Nm Te-opt-w——发动机等效优化扭矩，单位：Nm Tm-max——电动/发电机 MG2 可提供的最大制动扭矩，单位：Nm 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。
除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内 容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采 用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部 分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期。