黃元茂臺灣大學：機械工程學研究所王國睿Wang, Kuo-JueiKuo-JueiWang2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61251本研究建立含儲能飛輪之混合動力車輛之概念。本車輛模型含內燃機引擎、無刷同步電動機、無段式變速器、發電機、脈波頻寬變調電源控制器、行星齒輪系統與儲能飛輪。儲能飛輪將驅動發電機，產生電能以供電動機使用，可降低混合動力車輛之燃油消耗量。推導引擎與電動機輸出之功率與扭矩，以及引擎之制動燃油消耗比，無段變速器與行星齒輪之減速比。由控制器以模糊理論控制引擎與電動機之動力分配率。選定系統參數之值，以日本10-15模式模擬行車速度，計算儲能飛輪對車輛燃油消耗量之影響。以一個只有引擎之單一動力源動力系統之車輛模型作為比較之用，採用日本10-15行駛模式循環，其燃油消耗量為16.58 km/l。假設儲能飛輪之初始轉速為0 rpm，飛輪最終減速比為0.231，極慣性矩分別為0.6 kgm2 、1.2 kgm2、1.8 kgm2與2.4 kgm2時，第4次日本10-15模式循環時，已達到穩定狀態之燃油消耗量分別為22.65 km/l、23.86 km/l、23.99 km/l與25.01 km/l。比較兩個系統，含儲能飛輪之混合動力系統的燃油消耗量分別降低了36.62%、43.92%、44.71%與46.76%。This study generates a conceptual hybrid power vehicle with an energy storage flywheel. The flywheel that drives a generator to generating electric power for a motor, improves the fuel economy of the hybrid vehicle. This hybrid power vehicle consists of an internal combustion engine, a brushless synchronizing motor, a continuously variable transmission, a generator, a pulse width modulation electric controller, a planetary gear system, and an energy storage flywheel. The energy storage flywheel drives the generator and the motorthat improves the fuel consumption of the vehicle. The power and torque of the engine and the motor, the brake specific fuel consumption of the engine, the reduction speed ratios of the continuously variable transmission and the planetary gear system are derived. The controller with the fuzzy theory is used to determine the power distribution of the engine and the motor. With the specific values for the parameters of the system and using the Japanese 10-15 driving mode, the fuel consumption of the vehicle is analyzed. The fuel consumption of the vehicle with a single power of the engine by using Japanese 10-15 mode is 16.58 km/l, that is used for comparison. With the assumed initial angular velocity of the flywheel to be 0 rpm, the final reduction speed ratio to be 0.231 and the moment of inertia to be 0.6 kgm2, 1.2 kgm2, 1.8 kgm2 and 2.4 kgm2, for the hybrid system, the fuel consumptions at the 4th block of Japanese 10-15 mode are 22.65 km/l, 23.86 km/l, 23.99 km/l and 25.01 km/l. The fuel consumptions are improved 36.62%, 43.92%, 44.71% and 46.76%.摘要 ………………………………………………………………i Abstract ………………………………………………………………ii 目錄 ………………………………………………………………iv 圖目錄 ……………………………………………………………vii 表目錄 ………………………………………………………………x 符號表 ………………………………………………………………xi 第一章 緒論 1 1.1. 前言 1 1.2. 研究動機 2 1.3. 文獻回顧 4 1.3.1. 混合動力系統 4 1.3.1.1. 串聯式混合動力系統 5 1.3.1.2. 並聯式混合動力系統 6 1.3.1.3. 串並聯混合式混合動力系統 7 1.3.2. 飛輪儲能系統 9 1.3.3. 日本10-15模式行進模擬 11 1.4. 研究目的 12 1.5. 重要性 12 1.6. 研究方法 13 第二章 四行程內燃機引擎動態理論模型 14 2.1. 引擎工作原理 14 2.2. 四行程內燃機引擎數學模型 16 2.2.1 節流閥進氣岐管充填模型 18 2.2.2 燃燒動力行程動態模型 23 2.2.3 泵損失動態模型 23 2.2.3.1 進氣行程泵損失 24 2.2.3.2 壓縮行程泵損失 26 2.2.3.3 排氣行程泵損失 27 2.2.3.4 摩擦平均有效壓力 30 2.2.4 引擎扭矩與慣性動態模型 30 第三章 混合動力系統動態模型 32 3.1. 混聯式混合動力系統架構 32 3.2. 儲能飛輪混聯式混合動力系統行駛模式 34 3.3. 電動機扭矩方程式 38 3.3.1. 繞組磁阻扭矩 39 3.3.2. 齒卡扭矩 39 3.3.3. 對正扭矩 40 3.3.4. 電動機動力方程式 41 3.4. 機械式無段變速器 42 3.4.1. 驅動皮帶輪 43 3.4.2. 傳動皮帶輪 45 3.4.3. 傳動皮帶 48 3.4.4. 傳動皮帶平衡位置之計算 52 3.5. 脈波寬度變調電源控制器 53 3.6. 動力混成傳動配機構 58 3.7. 車輛行駛阻力模型 59 3.7.1. 車輪滾動摩擦阻力模型 60 3.7.2. 車輛空氣摩擦阻力模型 60 3.8. 儲能飛輪模型 61 第四章 模糊控制 63 4.1. 模糊理論 63 4.2. 模糊化 64 4.3. 解模糊化 66 4.4. 傳動軸扭矩動力輸出分配 70 第五章 系統動態模擬分析結果 72 5.1. 系統參數模擬 72 5.1.1. 日本10-15行車模式 72 5.1.2. 內燃機引擎參數模擬 74 5.1.3. 電動機與發電機參數模擬 76 5.1.4. 機械式無段變速器模擬參數 78 5.1.4.1. 傳動車輪之機械式無段變速器模擬參數 79 5.1.4.2. 飛輪儲能系統之機械式無段變速器模擬參數 80 5.1.5. 脈波寬度變調電源控制器模擬參數 82 5.1.6. 最終減速比及動力分離機構模擬參數 83 5.1.7. 車輛規格與行駛阻力參數 84 5.1.8. 儲能飛輪尺寸規格模擬參數 84 5.2. 動態模擬之結果 85 5.2.1. 動力系統驗證模型模擬之結果 86 5.2.2. 單一動力源動力系統對照模型模擬之結果 88 5.2.3. 混合動力系統模型模擬之結果 89 5.2.3.1. 混合動力系統車速與最終傳動軸扭矩模擬之結果 90 5.2.3.2. 混合動力系統引擎輸出扭矩模擬之結果 92 5.2.3.3. 混合動力系統電動機輸出扭矩模擬之結果 94 5.2.3.4. 混合動力系統引擎輸出扭矩分配率模擬之結果 97 5.2.3.5. 混合動力系統電動機輸出扭矩分配率模擬之結果 99 5.2.3.6. 混合動力系統飛輪轉速模擬之結果 102 5.2.3.7. 煞車制動能源回收模擬之結果 104 5.2.3.8. 混合動力系統燃油效率模擬之結果 105 第六章 結果與討論 108 6.1. 模擬車輛行駛速度與最終傳動軸輸出扭矩結果之討論 108 6.2. 驗證模型結果之討論 109 6.3. 單一動力源動力系統對照模型模擬結果之討論 110 6.4. 引擎與電動機扭矩輸出模擬結果之討論 111 6.5. 煞車制動能源回收模擬結果之討論 112 6.6. 引擎與電動機輸出扭矩分配率模擬結果之討論 114 6.7. 飛輪轉速模擬結果之討論 115 6.8. 混合動力系統燃油模擬結果之討論 117 第七章 結論與建議 120 參考文獻 124 附錄A 牛頓法解非線性方程組 A.1 A.1 無段變速器方程組 A.1 附錄B 梯形積分法 B.13895458 bytesapplication/pdfen-US儲能飛輪混合動力無段變速器模糊控制燃油消耗量Energy storage flywheelHybrid powerContinuously variable transmissionFuzzy controlFuel consumptionthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61251/1/ntu-96-R93522620-1.pdf