混合动力城市客车总体设计与控制策略的研究 - 图文 

表2.7电动机主要参数额定/峰值功率(kW)100/150额定/最高转速(r/rain)1500/6000额定/最大扭矩(N.m)477/1000线电压(V)2962.3.3动力电池参数的确定对于电池容量的选择并非越大越好,电池容量选择的越大,汽车的储能能力越强,能够以纯电动状态行驶的距离越长,但是电池容量越大,电池重量就会越大,影响汽车的动力性能。因此,对电池容量的选择要注意权衡选择。对于电池的数量选择也要适中,数量过多会使汽车重量增加,进而影响其动力性能;数量过少,不但会影响汽车的动力性能,还会影响汽车以纯电动驱动行驶的距离。因此,电池的选择不仅要考虑满足提供电功率的需要,还要考虑满足车辆的续驶里程【301。电池的数量可由下列公式进行计算:呢≥孵谢/r/。,r/琳呢=nCU/1000(2-“)(2-12)‰=%咖焉V伽+而cDaV乞)×iS式中:,7。一电动机将电能变为机械能的转换效率;仇一机械传动效率;(2-13)呢。~电池实际放出的能量,kW.h;‰d一汽车行驶过程中所需能量,kw.h;本文以在平坦路面上以25km/h行驶40km所消耗的电能计算;n一电池数量;C一单节电池的容量,Ah;U一单节电池的输出电压,V;匕一汽车以纯电动驱动行驶所需的功率,kW;t一以25km/h行驶40km所需的续驶时间,h。根据以上三个式子初步计算得n>28.5,考虑到电池放电过程中的电量损失和车辆附件等因素,最终确定电池数目n=32,具体的铅酸电池参数见表2.8。表2-8铅酸电池主要参数单体电N(V)12单体电池个数32容量(A.h)75比能量(W.h/kg)32.6电池组标称电压(V)3842.3.4传动比参数确定传动比选择的是否合适对车辆的动力性和经济性有很大的影响【3¨。由于串19联式混合动力系统使用电动机作为车辆的直接驱动部件,而驱动电动机本身具有低速转矩大、调速方便、高效区工作范围比较宽的优点,所以,电动机的工作特性在满足车辆理想的驱动特性方面具有优势,无需采用多挡位的变速箱,只需根据其驱动电动机的特性与车辆的动力需求采取固定速比或可变速比(两挡)变速器,对于整车是采用固定速比还是两挡速比串联式混合动力汽车所需考虑的问题与电动汽车基本相同,下面对可能出现的几种情况进行分析【32】:1)电动机从额定转速向上调速的范围足够大,即:‰一/‰≥25时,选择一个挡位即可,即采用固定速比。这是一种理想情况。2)电动机从额定转向上调速的范围不够宽,即电动机最高转速不能满足‰一/‰≥2.5时,应考虑再增加一个挡位。3)电动机从基频向上调速的范围较窄,满足‰蛳/‰≤1.8,此时增加一个挡位后车速无法衔接起来,可考虑再增加挡位或说明电动机参数与整车性能要求不匹配,应考虑重新选择电动机的参数。本文选择的电动机,额定转速拧。为1500rpm,最高转速万。一为6000rpm,以一/nⅣ=4≥2.5,故本文采用固定速比方案。汽车采用固定速比必须遵守下述原Nt33】:1)必须保证预期的最高车速;2)必须保证汽车的最大爬坡度;3)当汽车以巡航车速行驶时,尽可能地使电动机工作于高效率区。满足预期的最高车速时,固定速比可由下式确定f门s—0.377—n一.r‰”(2.14)‘式中:‰为最高车速,km/h;刀m蛳为电动机最高转速,r/min;r为车轮0≤17.922滚动半径,m。带入数据,得满足最大爬坡度时,固定速比可由下式确定:i/2>忐(mgfcoSaintx+mgsina嘶+罴%2.)式中:口一为最大爬坡角度,(o);Vo为爬坡时的最低车速,取1为电动机最大扭矩,N.ms,7r为传动系效率。带入数据得弘㈣0km/h‰02≥19.096综上,采用固定速比传动系的传动比应满足17.922≤i,≤19.096,参考现有串联式混合动力客车整车的设计,选取合理的主减速器速比为6.5,则变速箱的速比应满足2.27≤f。≤2.75。在此区间内,选择f。=2.46,则有当汽车速度为25~50km/h的常用行驶区间时,对应的电动机转速为2059—4118r/rain。此工作范围恰好在电动机的中等转速范围,对应的电动机效率高。2.4混合动力城市客车的总体布置在前几节中,在初步确定了混合动力城市客车的驱动形式和对混合动力城市客车的关键部件进行选型和参数匹配后,本节将对混合动力城市客车的总体布置方案进行探讨。2.4.1发动机与发动机的布置[34-36】目前国内外长途、旅游大客车和城市公交客车,很多都采用后置式发动机、后轮驱动,这类车辆由于动力总成紧凑,机动性好,整车整备质量小。车内布置趋于合理,车厢内地板平坦,且发动机与车厢分隔开,所以室内振动和噪声小,对车内温度有所改善,舒适性好,车厢面积利用率高;轴荷分配较合理,可在车外修理发动机;此外地板下可形成容积较大的行李舱。但其缺点是:发动机移到后面使冷却问题不好解决,散热条件差,容易引起过热,对冷却系统要求较高,水箱布置困难。行动中,车尾部所形成的负压及车轮扬起的灰尘,使得进气环境恶化,发动机防尘比较困难,对进气系统的滤清效果和密封性要求较高,后桥易超载,满载时汽车具有过度转向倾向;发动机距驾驶员较远,变速器、离合器、油门等操纵杆要通过狭窄的车底,从车头驾驶员位置连通到车尾发动机的位置上,操纵机构复杂,操纵稳定性差;不易根据发动机声响判断其故障和异响;乘员前面失去了发动机做“安全屏障",汽车前端要经过加固处理而使成本上升,另外发动机噪声易传给乘客,影响了乘坐舒适性,不过对于有相对充分空间位置的城市公交车来说,既能解决上述麻烦,又能减低废气窜入车厢的程度,因此所设计的混合动力公交车仍然采用发动机后置,考虑到发电机主轴与发动机主轴在一条直线上,并且在不改动原车车地板的高度的情况下,将发动机和发电机在车架上纵置。2.4.2电动机的布置电动机作为动力源的一部分是传统公交车所不具备的,而在布置其位置时也要考虑到传统公交车本身的结构,在尽量不改变其变速箱位置以及让其得到充分冷却的前提下来进行其位置的确定。综上考虑,将电动机布置变速箱的前方,这样使得变速箱的位置保持不变。2.4.3蓄电池的布置考虑到车架中间和后悬有相对充分的空间,因此,可将将蓄电池分散布置在车架中间的位置和后悬的空闲空间,同时使前后轴荷分配合理,保证汽车有良好的动力性、通过性和操纵稳定性,整车总布置简图如图2—5所示。2l3452一发动机2一发电机3一铅酸电弛4一电动机5一变速箱图2-5串联式混合动力客车总体布置图2.5本章小结本章主要是对串联式混合动力城市客车动力系统选型和参数匹配进行研究。主要内容包括以下几个方面:(1)根据分析城市客车运行工况的特点和混合动力汽车在结构上和性能上的优缺点,确定了混合动力城市客车的所采用的驱动方案一串联式。(2)对混合动力城市客车动力系统中的关键部件一一发动机一发电机组、电动机以及动力电池等关键部件进行了选型。选型结果:以高压共轨柴油发动机和三相同步交流发电机作为辅助动力单元(APU);以交流异步感应电动机作为驱动系统;以技术成熟且价格便宜的铅酸电池为辅助动力源。(3)从对中国典型城市公交车运行工况特点出发,制定了混合动力城市客车的动力性指标,并混合动力城市客车动力系统中的发动机一发电机组、电动机、动力电池和传动系参数进行匹配。(4)完成了混合动力城市客车的总体布置。第三章串联式混合动力城市客车建模在串联式混合动力系统的布置方式实旅之前,对动力系统进行可行性论证是必不可少的。只有准确的描述了实时动力系统的行为才能严格的论证动力系统的可行性。因此,建立混合动力系统模型对其行为进行全面准确的描述是非常重要的【371。混合动力驱动系统中,能量的流动及转换是分析整车性能、燃油消耗率和排放的基础。本章将以美国可再生能源实验室研究开发的仿真软件ADVISOR为基础,并借鉴其在HEV的建模仿真成果,建立与国产部件性能相适应的仿真模型。3.1建模方法与建模软件13。.4D】ADVISOR采用逆向和正向相结合的建模方法。逆向建模法是假设汽车满足要求的行驶循环轨迹功率需求,从而来反推计算动力系各个总成应该如何执行,以输出相应的功率。对于每一步计算,部件子模型对所能获得的功率都有限制,例如,电动机及控制器模型有转速、转矩和电流限制。当动力系输出功率不能满足车辆需求时,车辆的行驶轨迹将与要求的循环轨迹有偏差。逆向建模法中的动力系子模型将使用一些部件的效率表或图,例如发动机的万有特性图、电动机的效率图等。而这些图表通常都是在稳态时测绘的,所以只能反映暖机后的状态。这样,ADVISOR也只能模拟发动机暖机后的特征。这种方法的优点是不需要驾驶员模型,可以仅通过迭代法来预测汽车的各项性能。而正向建模法需要有驾驶员模型来模拟油门开度和制动信号,以使汽车的行驶循环轨迹与要求的循环轨迹相吻合。油门开度信号被转化为转矩传递给动力系,最终被转化为汽车的驱动力和车速。正向建模法在计算整车性能方面要比逆向法好,但是当行驶循环时间大于lOmin时,其计算速度非常慢。ADVISOR的这种逆向和正向结合的建模法主要还是以逆向法为主,附加了一些简单的正向仿真计算。3.1.1ADVISOR的功能及特点ADVISOR2002是美国国家可再生能源实验室(NREL)开发的汽车仿真软件,它是以MATLAB/Simulink为平台开发的。其中包括一系列模型、数据和描述文本文件。该仿真软件可对传统的、纯电动的和混合动力电动汽车的性能和经济性进行快速分析。为了充分利用以MATLAB/Simulink的建模弹性和强大的数学分析能力,ADVISOR也为用户定制动力系统部件提供了框架,同时也为校验车辆参数及控制策略提供了一个良好的平台。ADVISOR通过简单的数学物理模型,采用经过性能侧试的各总成参数去建立实际的或想象的汽车模型。它的主要功能包括以下几个方面:



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