氢电混动场地车混合驱动控制系统设计毕业论文.docx
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氢电混动场地车混合驱动控制系统设计毕业论文
氢电混动场地车混合驱动控制系统设计毕业论文
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1应用与现状1
1.2发展趋势1
1.3意义和价值2
第二章动力源能量输出特性分析3
2.1蓄电池及其能量输出特性3
2.2超级电容及其能量输出特性3
2.3燃料电池及其能量输出特性3
第三章混合动力电动汽车结构及其最优驱动模式5
3.1混合动力电动汽车结构分类5
3.1.1串联式混合动力电动汽车5
3.1.2并联式混合动力电动汽车6
3.1.3混联式混合动力电动汽车7
3.2不同行驶状态下最优驱动模式8
3.2.1启动与起步8
3.2.2低速行驶9
3.2.3加速或者上坡9
3.2.4巡航9
3.2.5减速或者下坡10
3.2.6刹车制动10
3.2.7倒车10
第四章PLC控制系统的设计11
4.1控制器件的选择11
4.2控制系统的设计11
4.3控制程序编制14
第五章总结与展望21
参考文献22
致谢23
第一章绪论
1.1应用与现状
混合动力电动汽车的研究和开发时间比较短，它在市场的占有比例还是比较低的，但是它的环保和节约资源是它的一大优势，以后的发展路会很长的。
然而其中的氢电混合动力汽车更是研究的很少，但是它的前景是最大的，因为它无污染、节约资源、能源利用效率高。
相信在不久的将来，当技术进一步成熟的时候我们就会用上这种低碳环保的新型节约型汽车。
就现在混合动力电动汽车的基本的控制模式来说有两种最基本的控制模式那就是：
恒温器控制模式和发动机跟踪器控制模式，这两种控制模式一起使用,利用发动机和蓄电池的最大值效率区,让它达到效率的最高峰[1]。
在汽车加速并且满足车轮驱动功率时,可以相对的减少蓄电池的最大功率,如果想让使用时间变的更长,就用发动机跟踪模式，在汽车功率要求低的时候,降低发动机低效率的发生情况,就用恒温器模式,使汽车系统的效率上升。
还有一种最常用的控制策略那就是用汽车的车速当做主要参数,这种控制方法是利用车速大小作为控制的依据。
不久之前，国外的一些学者提出了另一种基于速度的控制策略。
当汽车在低速行驶时,由电机单独驱动车轮，在高车速行驶时,就用混合驱动模式。
这时候,发动机会保持在一个恒定值上运行,电机会提供汽车车轮所需要的动态变化功率。
可以加大发动机启动时候的设定车速而且需要保持蓄电池SOC在驾驶中尽量保持不变,这样就会缩短发动机工作的时间，然而这种控制策略有利于减少汽车尾气的排放,但是它需要增加电机和蓄电池的功率,从另一方面来说就会增加了汽车的自重和成本[2]。
采用了这种控制策略的混合动力电动汽车,就需要随时监控蓄电池SOC,当SOC小于设定初值时,无论此时如何,发动机都会重新启动,而且发动机会分出一部分功率给蓄电池充电。
1.2发展趋势
成本和燃油经济性当做控制参数是另外一种控制策略，采用这种控制策略的混合动力电动汽车装备了小功率的电机和小容量的蓄电池[3]。
在这种控制中电动机只是在汽车急加速时才开启,辅助发动机向车轮提供加速时所需要的加速功率。
在一般情况下汽车由小排量的发动机单独驱动,然而当蓄电池SOC下降到某一定值时就会给它充电，从而在另一方面再次增加了发动机的负载率。
在汽车减速时,蓄电池能够吸收制动时产生的反馈能量。
然而这种控制策略有一个非常明显的不足，那就是由于发动机总是处于工作运行的状态,虽然减少了发动机开关控制所引起的效率下降问题,所以还是无法解决发动机在低负载时的一些排放问题[4]。
目前对控制策略进行优化是另一个发展的重要方向。
因为并联混合动力电动汽车运行模式要比串联型模式复杂的多，所以控制策略不仅仅要实现汽车整体最好的燃油经济性,还要考虑汽车各种不同的运行情况，考虑发动机的排放、蓄电池的使用寿命、各部件可靠性和生产成本等一系列的要求,而且还需要进行汽车各部件的特性综合控制[5]。
所以在优化控制这方面的路上还长着呢。
1.3意义和价值
能源紧缺、环境污染逐渐加重，研发和使用新能源汽车已经是今后汽车工业发展的一个必然方向。
这个研发任务是任重而道远的，就目前情况而言混合动力电动汽车是比较可行的一种技术。
而且混合动力电动汽车可以暂时解决目前汽车工业所面临的巨大问题。
最大化利用现有的一些资源，合理设计运用混合驱动控制系统才能很好的解决目前汽车所面临的巨大问题，使汽车工业在以后可以稳步可持续性的发展！
现在研究氢电混合动力电动汽车的国家是比较少的，这种氢电混合动力电动汽车的科研队伍与实验室是比较少的，而它的发展前景是非常好的，抓住这个机会发展氢电混合动力汽车，先人一步申请专利，大力发展，在以后的国际竞争中占有有利的地位。
同时，既可以发展自己又可以节约资源和环保环境，一举多得。
第二章动力源能量输出特性分析
2.1蓄电池及其能量输出特性
蓄电池是一种将化学能直接转化成电能的装置，是可以反复充电并循环利用的电池，是通过可逆的化学反应实现再充电的。
它的基本工作原理是：
在充电时利用外部的电能使部活性物质再生，把电能转换为化学能，需要放电时再次把化学能转换成电能输出[6]。
蓄电池SOC（stateofcharge）的意思是蓄电池的一种荷电状态，即为充电容量与额定容量的比值用百分比表示。
通俗的讲就是任意时刻的容量。
蓄电池的特点是技术比较成熟、可靠性能好、原材料容易获取、价格非常便宜，但是它的缺点就是比能量低，使用寿命较短，而且一次充满电后行驶的路程较短、充电的时间比较长、况且还存在废旧电池的二次污染等一系列问题。
但是它仍然是目前和近期电动汽车能量源中最常用的形式，而且几乎是所有混合动力汽车中不可或缺的能量源之一。
蓄电池输出特性：
因为它的功率密度比较低，所以单次使用时间相对来说比较短，但是它的输出比较稳定，变化幅度不大，可以提供一定的最大值功率，在驱动电机再生发电制动时可以当作电能储蓄装置。
2.2超级电容及其能量输出特性
超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的一种电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，其基本工作原理和其它类型的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构从而获得非常巨大的容量[7]。
突出的优点是：
充电速度非常快、使用时间很长、功率密度高、生产产品的成本低、大电流放电能力强、适用温度围非常广、体积小且外形紧凑、便于安装和节省空间。
但是超级电容也存在不足。
超级电容的比能量比较小，而且相同重量的超级电容续航行驶里程，只是铅酸蓄电池的1／3，在这方面是超级电容一个比较大的缺陷。
因此，使用超级电容来完全代替蓄电池是困难的也是不现实的，如果两者构成复合能源是比较合理。
超级电容输出特性：
由于它具有超高的电荷密度和功率密度，所以在汽车启动、加速度较大以及在爬坡等短时间可以提供较大的瞬间放电最大值功率，提供汽车在负载增加时所需要的不足功率，并在驱动电机再生发电制动时吸收较大的充电最大值功率[8]。
2.3燃料电池及其能量输出特性
燃料电池是一种将氢和氧的化学能直接转化为电能的特殊装置，它的最大特点是反应过程中不涉及燃烧和燃机做功，而且能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，所以它的效率是最高的，而且反应唯一的产物是水，没有污染，工作时没有机械运动部件，仅仅只有气体和水的流动，工作时噪声较低，稳定，可靠性能高[9]。
燃料电池输出特性：
燃料电池持续输出时间长而且输出的功率也是比较大的，但是它的输出特性偏软而且动态响应滞后，所以燃料电池电动汽车假如仅仅采用燃料电池用作单电源，那么就往往存在动力性不足的问题，如果这样那么燃料电池的使用时间也不会长。
综上分析后，根据三种动力源的不同特点，从而就有了用：
燃料电池+蓄电池+超级电容这样三种动力源作为电电混合动力系统的这种方案[10]。
其中燃料电池作为主要动力源，持续输出功率大，但是由于输出特性偏软，所以就要结合DC/DC转化器转换为恒定的直流电压输出，蓄电池用作辅助动力源，动力性能比较好，而且还可以提供燃料电池启动时候所需要的能量，因为蓄电池瞬间输出高电流能力非常有限，而且很大的放电电流会让蓄电池各方面的性能变的更差，最重要的就是当充电电流过大时会让蓄电池的使用时间变短，所以汽车就配置了超级电容，并且能量可以通过DC/DC变换器的控制，这样在强电流输出的阶段，超级电容+蓄电池使用可以输出高电流，最重要的是在汽车制动围，超级电容能够吸收高电流，进一步减小对蓄电池的伤害。
这个系统方案中采用：
超级电容通过双向DC/DC变换器与蓄电池并联，燃料电池通过单向DC/DC变换器与蓄电池并联[11]。
用以充分的弥补汽车驱动最值功率的不足，从而有效的降低了燃料电池和蓄电池的额定输出功率，并且在汽车制动时，超级电容能够高效快速的吸收反馈的能量，所以就会提高了汽车的制动性能，与此同时还会延长了蓄电池的使用寿命，可以弥补燃料电池动态响应慢的一系列缺点，提高了响应速度，同时，超级电容还可以非常有效的二次回收整车制动时产生的制动反馈能量，提高了能源的利用效率[12]。
这个混合结构可以最大化的使用三种不同的动力源。
第三章混合动力电动汽车结构及其最优驱动模式
3.1混合动力电动汽车结构分类
混合动力电动汽车有以下几种类型即：
串联式混合动力电动汽车、并联式混合动力电动汽车和混联式混合动力电动汽车[13]。
下面我们将逐一介绍这种汽车的几种不同的结构。
3.1.1串联式混合动力电动汽车
串联式混合动力电动汽车结构示意图如图3.1所示。
首先发动机运转带动发电机发电，产生的电能通过电机控制器传送给电动机，电动机驱动汽车行驶[14]。
蓄电池和超级电容通过电机控制器串接在发电机和电动机之间，目的是调节发电机的输出电能与电动机的输出能量，起到一定的平衡作用，换句话说就是当发电机的发电功率大于电动机所需要的功率时，电机控制器控制发电机向蓄电池充电，如果发电机发出的功率小于电动机所需要的功率时，蓄电池可以提供不足的电能。
它具有的特点是：
（1）发动机工作状态很少受汽车行驶情况的影响，所以就具有良好的环保性和经济性。
（2）有蓄电池的功率调整和缓冲，发动机的功率可以选择较小的。
（3）有良好的发电机输出功率，而且有减少蓄电池出现过盈充电和过低放电，就需要有较大的电池容量。
（4）发电机能够将机械能变为电能、电动机能够将电能变成机械能、蓄电池和超级电容的充电和放电都伴随着一定能量的损失，所以其总体效率还是比较低的。
总之，串联式是适合低速、功率适中、经常启动停止情况的汽车，这种汽车结构是非常适合在城市里使用的。
图3.1串联式混合动力电动汽车结构示意图
3.1.2并联式混合动力电动汽车
并联式混合动力电动汽车结构示意图如图3.2所示。
发动机与电机属于两套不同的系统，可以共同驱动也可以单独驱动。
发动机发出的机械能可以直接让汽车行驶。
而且电机也可以直接来驱动汽车，降低了能量损耗。
在这种结构中电机即可以用作电动机又可以当作发电机使用，在汽车处于制动状态时，电机当发电机使用，通过电机控制器给蓄电池和超级电容充电，而在其余状态下时，就把电机当作电动机来使用，蓄电池和超级电容通过电机控制器可以提供一定的电能。
和串联式混合动力系统相比少了一个发电机。
发动机和后面的一些驱动系统能够直接相连接，能源利用的效率还是比较高的。
和串联式相比，一方面需要结构更加的复杂，需要一定的动力复合装置对两个动力进行有效的叠加，另一方面对控制技术、结构设计、制造要求还是比较高的。
这种并联式结构和串联式混合动力电动汽车相比，仅仅只需要两个驱动装置即发动机和电机，此外在蓄电池和超级电容放完电之前，如果还需要获得相同的动力性能，这时候并联式要比串联式的发动机和电机体积都要小的多[15]。
图3.2并联式混合动力电动汽车结构示意图
3.1.3混联式混合动力电动汽车
混联式混合动力电动汽车的示意图如图3.3所示。
首先发动机输出的功率一些通过机械传动输送给传动系统，另外一些就会驱动发电机发电[16]。
发电机发出的电能通过电机控制器的控制，输送给电动机、蓄电池和超级电容，然后电动机就可以运转让汽车行驶。
混联式驱动系统的控制方法是：
如果汽车低速行驶，驱动系统就转用串联模式工作，如果在汽车高速稳定行驶时，驱动系统就转用并联模式工作。
混联式混合动力电动汽车驱动系统综合了串联式和并联式的优势，能够把发动机、发电机、电动机等一系列动力机进行完美的优化与匹配[17]。
混联式与串联式相比，混联式混合动力系统可以让发动机动力直接的输出，让能量的利用效率上升，混联式与并联式相比，混联式混合动力系统的发动机和传动系统之间没有固定的机械连接，因此混联式结构可以让发动机独立的工作，基本上不用担心会受外界情况的影响，从而获得非常高的经济性和排放性。
与此同时混联式结构会更加复杂，所以其成本比其它的形式都要高。
图3.3混联式混合动力电动汽车结构示意图
我们设计的场地车要求速度不高，但是要频繁启停，而且需要有一定的零排放行驶里程，因此若采用并联式，显然是不太恰当的，因为并联式结构决定了其最适用的路况是速度较高的近似匀速行驶，而采用混联式的话，对于场馆车的车速要求不是很高的车型而言，其结构过于复杂，而且通常需行星齿轮结构，成本将会比较高，这是不合适的。
还有一点就是并联式与混联式的优势在场地车上无法得到很好的应用，而串联式恰恰能很好地发挥其优势，只要通过合适的参数匹配，使用较小的发动机和蓄电池，从而以更低廉的成本满足相同的性能要求，所以经过分析论证后得出结果是：
场地车结构采用串联式。
同时也最终确定了动力源的混合方案：
由燃料电池+蓄电池+超级电容的三个动力源电电混合动力系统方案。
而且是用了：
超级电容通过双向DC/DC变换器与蓄电池并联，燃料电池通过单向DC/DC变换器与蓄电池并联这样一种动力源混联的特殊方式[18]。
其中动力源的功率配置比例是：
蓄电池是20%、超级电容是20%、燃料电池是60%。
3.2不同行驶状态下最优驱动模式
行驶状态分为以下几种情况：
启动与起步、低速行驶、加速或者上坡、巡航、减速或者下坡、刹车制动、倒车。
3.2.1启动与起步
在汽车启动之前设定蓄电池SOC定值和控制临界值。
将SOC的定值设置在0.6～0.7之间是适中的，因为：
首先，汽车制动时会产生瞬间高电流，这样给蓄电池充电会导致蓄电池的电压在短时间上升较快，汽车达到最大值功率的时候瞬间高电流放电会引起电池电压下降很快，当蓄电池SOC处于这个区间时，蓄电池处于稳态电压中，留给它的电压上升和下降的空间会很大；其次，蓄电池SOC在这个围，蓄电池的阻也是很小的，它的好处就是充电和放电的时候电压变化小，而且散发热量和损耗都比较小。
因此确定蓄电池SOC的初值是0.65。
而且为了蓄电池的安全，考虑到瞬间高电流放电和制动时的高电流充电，将蓄电池SOC的控制临界值下限设置为0.3，上限设置为0.9，当蓄电池SOC低于0.3时，电机控制器会约束放电的电流，最后时刻还会强制切断蓄电池；如果这时候蓄电池SOC高于0.9，那么电机控制器就会关闭制动回馈的功能，从而强行关闭燃料电池。
启动时用蓄电池+超级电容共同启动，可以提高汽车的启动性能。
起步也是由蓄电池和超级电容提供起步时所需要的功率。
3.2.2低速行驶
汽车起步后低速运行时，如果速度低于设定的20Km/h时，而且这时候的蓄电池SOC较高而且汽车整体需求功率小于燃料电池优化区间下限时，汽车进入纯蓄电池驱动模式。
即汽车由蓄电池完全驱动。
如果此时超级电容SOC小于0.3则蓄电池会给超级电容强制充电，牺牲混合动力电动汽车的部分动力性。
3.2.3加速或者上坡
加速或者上坡时负载增大，蓄电池的输出功率无法满足汽车动力性能的要求，这时必须增大超级电容的输出功率来跟随功率的变化。
如果负载继续增大那么燃料电池接入，并且逐步成为主要动力源，此时由燃料电池+蓄电池+超级电容共同混合驱动。
除非蓄电池SOC和超级电容SOC达到极限值，否则燃料电池除了满足汽车需求的功率外，还要给蓄电池和超级电容充电。
当蓄电池SOC低于下限0.3时，燃料电池会给蓄电池强行充电，牺牲汽车部分动力性能用以保护蓄电池。
当蓄电池SOC在正常围时燃料电池就会在输出一定功率的同时还会给它充电。
如果燃料电池最大功率无法满足需求，如果超级电容的SOC值大于最小临界值，那么超级电容通过DC/DC变换器的控制输出一定能量，而且燃料电池增加输出功率，一直到燃料电池的极限值功率，如果仍然不能满足负载的要求，而且蓄电池SOC大于最小值，就让蓄电池一起参加供电。
此时的负载功率大部分由蓄电池提供，而且燃料电池+蓄电池+超级电容一起向汽车提供所需要的电能，这种情况下超级电容和蓄电池起到了一定削平功率波动的作用[19]。
还提高了汽车的最大值功率，使瞬态输出特性变得更好了，从而在另一方面提高了混合动力电动汽车的机动性能[20]。
3.2.4巡航
此时汽车以一定的速度行驶，而且是巡航速度。
由燃料电池+蓄电池共同混合驱动，其中燃料电池属于主要动力源，蓄电池属于辅助动力源。
如果超级电容SOC低于0.3则燃料电池会给它充电，直到冲到满。
同时燃料电池也会给蓄电池充电，如果蓄电池SOC大于0.9，那么系统自动关闭制动回馈的功能，关闭燃料电池，退出燃料电池+蓄电池混合驱动模式，进入纯蓄电池驱动的模式。
或者在燃料电池无法向系统提供能量时，而且此时的蓄电池SOC值大于最小临界值,则由蓄电池在很少时间完全独立向整车提供电能，驱动电动机转动[21]。
汽车正常运行时，当油门没有加速信号时，由燃料电池+蓄电池共同提供汽车行驶功率,超级电容不参与工作，当油门有加速油门信号，超级电容会提供能量让汽车获得加速，当汽车的功率过高时，超级电容会弥补不足的功率。
3.2.5减速或者下坡
当汽车轻载运行,即汽车减速或者下坡时，负载减小，若此时超级电容或者蓄电池的SOC值偏低，则需要对其进行充电。
此时系统可以增大燃料电池输出功率通过DC/DC变换器给超级电容或者蓄电池充电，电动机驱动和其他用电设备的能量也是由燃料电池提供的，此时燃料电池的输出功率就是由负载功率+超级电容充电功率+蓄电池充电功率的功率总和[22]。
如果超级电容SOC和蓄电池SOC的值在允许的最大值和最小值围,那么超级电容和蓄电池既不会充电也不会放电。
3.2.6刹车制动
刹车时，汽车负载变小，燃料电池电压增大，如果超级电容SOC和蓄电池SOC小于0.9则超级电容和蓄电池开始充电。
而且此时电机制动，转速很快下降为零会产生制动电流，也会给超级电容和蓄电池充电。
混合动力电动汽车制动时，电机工作在发电的状态，产生可以利用的再生能源电能，如果超级电容SOC或者蓄电池SOC值在最大临界值以下时,那么再生能量以一定的回馈深度给超级电容或者蓄电池充电。
而当再生制动达到最大制动能力时,机械制动才开始发挥作用。
3.2.7倒车
倒车时，电机反转由蓄电池和超级电容配合驱动，若超级电容SOC低于0.3，则完全由蓄电池驱动进入蓄电池驱动模式，与此同时还会给超级电容充电。
第四章PLC控制系统的设计
4.1控制器件的选择
FX2N是FX系列中功能最强、速度最快的微型可编程控制器，而FX2N-32M是其中的一种，它有16个输入点和16个输出点[23]。
而本次设计中共有14个输入和9个输出。
故本次设计选用这一类型的PLC控制元器件。
而且外接线相对来说是比较短的而且控制是相对集中的，故选择24V模块。
可编程控制器：
PLC选用：
FX2N-32M型号
主电路开关：
QS选用：
HZ15-25/3型号
控制单路开关：
QF选用：
DZ5-20/230-6.5A型号
熔断器：
FU1选用RL1-30型号
熔断器：
FU2、FU3选用RL1-10型号
接触器：
KM1、KM2选用CJ-10/03型号
热继电器：
FR选用JR20-10型号
启动按钮：
SB1选用LA19-11型号
工作方式开关：
SB2、SB3、SB4、SB5、SB6选用LA19-11型号
行程开关：
SQ1、SQ2、SQ3、SQ4选用LX2-131型号
速度传感器：
YJ1选用CS-YD-012/型号
LED灯：
选用F10-5W-1P型号
接线端子：
XT选用TB型号
接线选用红色、绿色、黑色铜线，而且截面积是2.5mm2
4.2控制系统的设计
根据控制的要求，PLC控制混合动力电动汽车的输入\输出（I\0）地址编排如表4-1所示[24]。
其中SB1为启动开关，SB6是刹车制动开关，SB2、SB3、SB4、SB5为工作方式开关，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4为行程开关，YJ1、YJ2、YJ3为传感器开关。
Y1和Y2是控制电机正反转的，Y0、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y10是控制灯的，表示不同阶段的汽车行驶状态。
如表4-1所示。
表4-1I/O地址分配表
输入点分配
输出点分配
地址号
输入开关名称
器件号
地址号
驱动设备
器件号
X0
汽车启动开关
SB1
Y0
汽车启动信号
LED1
X1
汽车前进开关
SB2
Y1
汽车前进
KM1
X2
汽车后退开关
SB3
Y2
汽车后退
KM2
X3
汽车加速开关
SB4
Y3
汽车倒车信号
LED2
X4
汽车减速开关
SB5
Y4
汽车刹车制动信号
LED3
X5
汽车刹车制动开关
SB6
Y5
汽车右前转信号
LED4
X6
汽车右前转行程开关
SQ1
Y6
汽车左前转信号
LED5
X7
汽车左前转行程开关
SQ2
Y7
汽车右后转信号
LED6
X10
汽车右后转行程开关
SQ3
Y10
汽车左后转信号
LED7
X11
汽车左后转行程开关
SQ4
X12
速度传感器
YJ1
X13
蓄电池SOC
YJ2
X14
超级电容SOC
YJ3
X15
燃料电池故障保护
FR1
根据控制的要求，通过以上分析可知，本次设计的主电路要实现汽车可以前进和倒退，因此需要电机的正反转[25]。
所以主电路图如图4.1所示。
图4.1主电路
根据控制的要求和电气控制图可知，可以绘出以下控制图。
如图4.2所示。
图4.2控制电路
4.3控制程序编制
本次设计程序的梯形图如图4.3所示
图4.3梯形图
程序指令表如下：
LDX0
ORMO
ANIX5
OUTMO
LDX6
MOVK0D0
LDX7
MOVK1D0
LDX10
MOVK2D0
LDX11
MOVK3D0
LDIM2
ANIM3
ANIM4
ANIX6
ANDM0
LDX1
ORM1
ANB
MOVK0D1
OUTM1
LDIM1
ANIM3
ANIM4
ANIX7
ANDM0
LDX2
ORM2
ANB
MOVK1D1
OUTM2
LDIM1
ANIM2
ANIM4
ANIX10
ANDM0
LDX3
ORM3
ANB
MOVK2D1
OUTM3
LDIM1
ANIM2
ANIM3
ANIX11
ANDM0
LDX4
ORM4
ANB
MOVK3D1
OUTM4
LDM0
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