增程式电动摩托车动力匹配与控制策略研究

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摩托车诞生至今130年,已发展成为最重要的交通工具之一,特别是在发展中国家的农村地区,经济适用的摩托车深受人们喜爱。燃油摩托车一直占据着摩托车的主导地位,但在环境保护日益严格、能源紧缺和经济放缓的多重冲击下,传统摩托车行业处境困难,使用清洁能源代替不可再生的燃油是摩托车发展的必然趋势,电动摩托车成为摩托车行业摆脱困境的出路之一。目前纯电动摩托车使用性能与燃油摩托车相比还有一定差距,电池使用寿命短,使用成本高,续驶里程短;而混合电动摩托车与燃料电池摩托车动辄上万的昂贵价格不适合中国广大的农村和小城镇摩托车市场。增程式电动摩托车在纯电动摩托车的基础上加装增程器,在电池动力不足时开启,大大增加电动摩托车续驶里程。由于增程器与车轮无直接机械连接,其工作状态与摩托车工况相对独立,通过合理的控制策略可以使增程器工作在燃油经济性较好和排放较低的区域。目前的增程式电动摩托车和自行车产品大多没有制定增程器的控制策略,工作效率有待提高,或者通过简单的恒定功率控制策略来提升效率,但没有考虑到增程器输出功率对电池的影响,电池工作状态得不到保护。为充分利用增程式电动摩托车结构优势,提高燃油经济性和排放水平,同时保护电池工作状态,延长使用寿命,本文对增程式电动摩托车动力匹配和相关控制策略进行了详细的研究,并仿真验证了动力匹配的正确性与控制策略的合理性。具体研究工作如下:(1) 根据结构简化的原则,对动力系统关键部件进行选型,在选型的基础上分析动力系统工作原理,并根据增程器工作状态确立动力系统工作模式和能量流动状况;根据选定的车架参数和设计的整车性能指标,以电动摩托车动力学方程为理论依据,匹配驱动电机和电池关键参数;根据高效率的首要原则,选择增程器发动机并匹配ISG电机性能参数,为控制策略的研究奠定基础。(2) 选择电池状态参数,以电池SOC和限定电流下的电池最大放电功率为判定条件,制定增程器开关机和起停控制策略;选择发动机低油耗工作点,根据摩托车行驶状态,制定增程模式下的发动机三工作点控制策略和助力模式下的发动机双工作点控制策略,并建立Matlab/Simulink模型;为提高能量利用率,根据制动加速度的大小设计再生制动控制策略。(3) 建立增程式电动摩托车AVL CRUISE整车模型,与Matlab/Simulink联合仿真,分别进行增程式电动摩托车动力性能仿真、控制策略效果仿真、经济性仿真,验证动力匹配结果与控制策略的合理性;进行不同动力类型摩托车对比分析和经济性仿真,验证增程式电动摩托车相比燃油摩托车和混合电动摩托车在经济性上的优势。仿真结果表明动力匹配正确,控制策略可行。增程器可有效为电动摩托车续航,单次加满油可增加续驶里程103km;燃油经济性较为理想,UDC仿真工况下增程模式与助力模式的燃油消耗率分别为1.26L/100km和1.12L/100km;电池工作于SOC在30%~80%的低内阻高效率区间,并得到充放电限流保护;不同动力类型摩托车经济性仿真结果表明,增程式相比燃油摩托车和并联式混合电动摩托车的燃油经济性分别提高36.7%和16%。
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