（载运工具运用工程专业论文）基于can总线的混合动力公交客车控制系统设计.pdf

摘要 摘要 城市公交客车行车速度缓慢，起动和制动频繁，传统的燃油公交客车在这种复杂的 运行工况下燃料消耗大、排放污染严重。因此，改善公交客车燃油经济性和排放性，对 于节能减排有重要的意义。 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 是一种既能满足燃油经济性和 排放性要求，又能兼备纯电动汽车与燃油汽车优点的理想车型，并且混合动力系统比较 适合应用于运行速度低、起动和制动频繁的城市公交客车，因此以节能减排为主要目标 的混合动力公交客车成为当今汽车领域开发的热点。h e v 要实现节能减排的目标必须 采用正确的混合动力控制策略，并保证这一策略得以实现。c a n 总线被公认为最有发 展前景的现场总线之一，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，混合动力汽车控制系统 网络采用c a n 总线技术已成为发展的普遍趋势。本文对混合动力系统的控制策略进行 了分析，并对实现这一策略的c a n 总线控制系统进行了研究。 针对混合动力公交客车，本文以丹东黄海d d 6 1 2 3 s 0 6 传统柴油公交客车为原型车， 围绕混合动力系统的选型及控制丌展研究，根据公交客车行驶的工况特点，选择串联式 驱动方式并确定了控制系统参数。在此基础上提出一种控制策略，以实现节能减排和提 高发动机使用寿命的目的。然后对混合动力系统的c a n 控制网络结构进行了总体设计， 根据系统的动力部件工作原理，制定了应用层协议，对系统进行了合理的软件设计，并通 过实验验证其合理性。 本文所设计的c a n 控制网络可以对混合动力客车的电子控制设备进行控制，对各 主要设备进行状态检测，了解各设备的运行状态，使得驾驶员对其实施更有效的实时控 制，从而保证混合动力公交客车运行的经济性、排放性及可靠性。 关键词：混合动力公交客车；控制系统；c a n 总线 人连交通人学l ：学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ec i t yb u sh a ss l o wd r i v i n gs p e e da n ds t o p sf r e q u e n t l y u n d e rt h i sk i n do fc o n d i t i o n ， t h ef u e le c o n o m ya n dt h ee m i s s i o no fc o n v e n t i o n a lb u sa r eb a d i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i ft h ef u e le c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ec i t yb u sc a r lb ei m p r o v e d t h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sak i n do fp e r f e c tv e h i c l et h a tn o to n l yc a ns a t i s f yt h er e q u e s to f e x h a u s ta n df u e le c o n o m y ，b u ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so fe l e c t r i cv e h i c l ea n df u e la u t o m o b i l e a n dt h eh y b r i de l e c t r i cs y s t e mm o s ts u i t sf o rt h ec i t yb u s t h e r e f o r e ，t h eh y b r i de l e c t r i cb u s b e c o m e st h ed e v e l o p m e n th o t s p o ti nt h ea u t o m o b i l ef i e l dn o w a d a y s c a nb u si sr e c o g n i z e d a so n eo ft h em o s td e v e l o p m e n t a lf i e l d b u si nt h ew o r l d ，a n dh a sr e l i a b i l i t y ，g o o dr e a l t i m e a n df l e x i b i l i t yp e r f o r m a n c e ，w h i l ei ti sw i d e s p r e a dt e n d e n c yt h a th e vc o n t r o ln e t w o r ka d o p t c a nb u st e c h n i q u e t h i sp a p e re n c l o s e st h et y p ea n dc o n t r o lo fh e vt or e s e a r c h ，b a s e do nt h et r a d i t i o n a l d i e s e lb u sd a n d o n gh u a n g h a id d 6 12 3 s 0 6 i tf i r s t l ym a k e ss u r et h es e r i e sl a y o u tp a u e m o fh y b r i de l e c t r i cb u sd r i v es y s t e m ，a n dc o m p l e t e st h ec o m p o n e n t s s e l e c t i n ga n dp a r a m e t e r m a t c h i n go fi t sp o w e rs y s t e m s e c o n d l y ，t h i sp a p e rp r o p o s e so n ek i n do fc o n t r o ls t r a t e g yo f s e r i e sh y b r i dc o n t r o ls y s t e mf o rh y b r i de l e c t r i cb u s 1 1 1 ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt oi t st a r g e t st os t a b i l i z et h es p e e do fd i e s e le n g i n ea n dr e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n a n de m i s s i o n s t h i sp a p e rd e s i g n st h ew h o l en e t w o r ka n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o g r a mo ft h e c o n t r o ls y s t e m ，e a r r i n go nr e a s o n a b l es o f t w a r ed e s i g nt ot h es y s t e m ，a n di tp r o v e sr a t i o n a l i b o fd e s i g no fw h o l es y s t e m t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h ec a nb u sc o n t r o ls y s t e md e s i g n e db yt h i sp a p e rc a no p e r a t ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t s d e t e c th y b r i de l e c t r i cb u sm a j o re q u i p m e n t s s t a t e ，f o ru n d e r s t a n d i n gr u n n i n gs t a t eo fe a c h e q u i p m e n t ，a n dm a k ed r i v e rr e a l i z e sm o r ee f f e c t i v e l yr e a l t i m ec o n t r o l ，t h e r e b ya s s u r i n gb u s s f u e le c o n o m yp e r f o r m a n c e ，e m i s s i o np e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cb u s ；c o n t r o ls y s t e m ；c a nb u s i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：强顾 日期：2 卯g 年， 月) ) 一日 导师签名：呓f 1 监肛 日期：渊年- 月7 - 3 日 学位论文作者毕业后去向：吉林省长春市 工作单位：长春客车轨道股份有限公司电话：1 3 1 3 0 4 4 8 0 6 5 通讯地址：长春市青荫路4 3 5 号邮编：1 3 0 0 6 2 电子信箱： z z y 2 0 0 8 0 0 4 s i n a c o m 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：铗搬 日期：珈3 年 月z 日 绪论 绪论 1 本课题的意义与发展前景 在我国，公交客车是城市居民出行的主要运载工具之一，它能充分利用有限的道路 资源，缓解城市交通拥堵状况，为人们带来便捷、经济、实惠，在相当长的时间内，公 交客车都会在我国城市公共交通中占居着重要地位。由于城市公交客车特殊的行驶工 况，使其具有以下特点【lj ： ( 1 ) 正常行驶条件下车辆速度较低，负载不大，车辆功率需求不大： ( 2 ) 车辆在高负荷条件下也需满足大功率输出的需要，传统燃油公交客车用发动 机必须首先满足最大功率的要求，才能保证其可用性； ( 3 ) 城市公交客车的起动、制动工况特别频繁，如进站、遇红灯、交通堵塞等， 此时发动机无功率输出，而仍需要消耗燃油以保持发动机低速运转。 这些特点造成了传统城市公交客车在大部分行驶条件下其发动机经常工作于低输 出功率区，此时发动机效率不高，排放不佳，特别是当城市公交客车处于怠速工况时， 此时发动机无功率输出，但仍需要消耗燃油以保持发动机低速运转，造成了燃料的浪费。 可见传统的燃油公交客车在复杂的城市工况下燃料消耗大、排放污染严重。所以，如果 公交客车燃油经济性和排放性能够得以改善，对于节能减排有重要的意义。融合了纯电 动汽车和燃油汽车优点的混合动力汽车，由于较好的满足了汽车低排放、低油耗、高性 价比的综合要求，较好地解决了节能和环保问题，其市场自矿景越来越被看好。 2 国内外混合动力汽车研究现状及发展趋势 9 0 年代以来，国内外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽 车实用车型的研制与开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型 材料甚至航天技术在内的各种高新技术，使主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。 ( 1 ) 国外混合动力汽车的研究现状 美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合，由能源部牵头，包括运输部和国防部， 斥巨资组织各大汽车公司和有关部门积极开展混合动力汽车的研究工作。1 9 9 0 年，g m 公司在洛杉机展出“冲击”( i m p a c t ) 牌电动轿车。其时速达到1 2 8 k m h ，0 , - - 9 6k m h 加速时间小于9 秒，电池剩余容量为1 5 时，采用车载充电器充电时间约为1 5 小时， 该电动汽车成为现代汽车的典范。1 9 9 3 年和1 9 9 6 年，美国能源部分别与通用汽车公司、 福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司签订了总额达3 6 1 亿美元的混合动力汽车系统开发 合同。福特汽车开发的p r o d i t y 混合动力家庭概念电动汽车，其燃油经济性达到百公罩 油耗3 3 升，采用了1 2 l 四缸汽油发动机与n i m h 电池，整车装备仅1 0 8 3 k g ，比同类 大连交通人学i ：学硕十学位论文 纯汽油汽车减轻4 5 0k g 。 目前，r 本丰阳公司的“c o a s t e r ”、“p r i u s ”等混合动力汽车均已上市。丰f r 最成 功的电动汽车为r a v 4 电动吉普车和p r i u s 混合动力轿车。r a v 4 用其原有的r a v 4 汽 油机吉普车改装，采用三相交流永磁水冷电动机、2 8 8 v n i m h 电池及具有制动能量反馈 回收的电动机控制系统，最高车速达1 2 5k m h ，一次充电续驶单程2 1 5k m ( 丌空调) 。 p r i u s 是在c o r o l l a 汽油机轿车的基础上改装的，其为1 4 9 6 l 汽油发动机和3 0 k w 交流永 磁电动机混合驱动，最低百公旱油耗为3 5 7 l ，各项排放指标均低于标准值。1 9 9 9 年， 丰f f l 公司的“p r i u s ”混合动力轿车在日本销售达3 万多辆。p r i u s 混合动力汽车创造性 地首次采用了两套动力系统混联的方式，采用高度精密的机械装置实现了动力系统的连 接和能源的传递，丌拓了混合动力汽车技术与应用领域的新天地。 欧洲也证在积极进行混合动力汽车的开发、研制及推广方面的工作。法国雷诺公司 研制的v e r t 和h y m me 两款混合动力汽车已在法国接受了1 0 0 0 0 k m 的运行试验。并 于1 9 9 8 年研制出电动汽油两用车，取名为n e x t ，样车已经向公众展出。法国雷诺公司 的“k a n g o o ”和意大利的“i v e c o ”等混合动力汽车均己上市。意大利i v e c o 公司 的1 2 m 混合动力大客车已作为城市公交用车顺利运行了几年。瑞典沃尔沃公司也丌发出 基于沃尔沃f l 6 卡车改装的混合动力汽车，最高时速可达9 0 k m 。德国已有几十辆混合 动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产的并联式混合动力汽车d u o 已小 批量生产，现在己开始出租。 随着各国环境立法的同趋严厉，电动汽车、混合动力汽车性能的同益提高以及其成 本的不断降低，混合动力汽车的市场份额逐渐增大，已成为重点发展的新型汽车【2 1 。 ( 2 ) 国内混合动力汽车的研究现状 我国目自i j - f 分重视混合动力汽车的研制和开发。国家召开的8 6 3 电动汽车会议上， 混合动力汽车在中国电动汽车的研究发展中，被有关专家和领导确定为优先发展的对 象。大会通过的国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 明确把新能 源汽车列为6 8 项优先主题之一。 1 9 9 8 年，清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车；同年，江苏理工大学 承担了江苏省下达的重点工业科技攻关项目混合动力公交轻型客车z j k 6 7 0 0 串联 式混合动力的研制。吉林大学分别与第一汽车集团、中国汽车技术研究中心进行混合动 力卡车、轿车和客车的研究工作。2 0 0 2 年1 月，电动汽车重大专项第一批课题正式启动， 共有5 个整车课题，分别为：东风电动车辆股份有限公司( 武汉) 的混合动力轿车和混 合动力大巴，一汽的混合动力大巴，上海的燃料电池轿车，以及北京的燃料电池大巴， 另有两个整车培育课题，分别是奇瑞的混合动力轿车和重庆长安的混合动力轿车。一汽 2 绪论 红旗混合动力轿车是按国家“8 6 3 ”计划在国内率先完成的具有产业化前景的轿车，该 产品通过发挥汽油发动机与电动马达这两大动力源的复合效应，在大幅提升燃油效率和 加速度等各项功能的同时，明显降低了尾气排放。目前已实现了混合动力系统的全部设 定功能；实现了a m t 的功能；实现了电动助力转向。经转鼓实验台的性能测试结果表 明，该轿车最高车速不小于每小时1 6 0 公里；o 至1 0 0 公星加速时间为1 4 秒；n e d c 工 况百公罩燃料消耗为4 9 升( 较同类传统车型降低约5 0 ) ；排放可达到欧i i i 标准。 自2 0 0 2 年国家科技部8 6 3 混合动力汽车专项计划启动以来，经过近4 年的研发， 长安集团开发了适应混合动力的专用发动机及管理系统，开发的多能源动力总成控制系 统在国内领先，整个混合动力系统均有自主产权。长安c v 9 是在具有完全独立自主知 识产权的长安“陆风风尚”m p v 车基础上全新开发的一款混合动力汽车，拥有1 5 6 项 专利，目前已进入产业化技术研究阶段，价格在1 5 万左右p j 。 总的来说，在我国，混合动力电动汽车的研究和开发仍处于起步阶段，其关键技术 ( 如电池系统) 还有待改进和创新，成本有待进一步降低，性能也有待提高，这样才能 满足替代传统燃油汽车的技术与市场化需求。 3 c a n 总线在汽车中的应用 c a n 总线是德国b o s c h 公司8 0 年代为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之 f 日j 的数据交换而- 丌发的一种串行数据通信协议，其总线规范已被i s o 国际标准组织制定 为国际标准。现代汽车越来越多的采用电子控制装置，如发动机的喷油控制、a b s 等。 由于这些控制装置需检测及交换大量数据，采用连接信号线的方法不但烦琐而且昂贵， 采用c a n 总线上述问题可以得到很好的解决。世界上一些著名的汽车厂商都已开始采 用c a n 总线柬实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通讯。 近年来，c a n 总线已发展成为车辆电子系统的主流总线，载货车及大客车己制定了 s a e j l 9 3 9 作为它的通讯标准，它的基础是c a n 总线通讯协议。s a e j l 9 3 9 将车辆应用 层进行具体实施，统一定义了整套的地址编码系统，这样不同厂家的控制器可以接入同 一网络系统，实现数据共享，从而减少了电子系统的线束，提高了系统的可靠性，也改 善了系统的灵活性【4 l 。 在我国，对c a n 总线的应用研究己经起步，清华大学、北京航天航空大学等单位 在c a n 控制网络方面开展了富有成效的研究。但目前国内在整车网络体系构建、信息 接口规范等方面的研究才刚刚起步，没有形成自己独立的c a n 应用层的协议规范，离 发达国家现有的技术水平有一定的差距。 混合动力汽车对通信系统的要求是：数据传输可靠，实时性高，传输速率高，误码 人迮交通人学1 ：学硕十学位论文 率低：系统的可靠性高，即当节点发生故障时对整车性能的影响尽可能的小；允许多主 网络存在。c a n 总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，完全 能够满足这些要求，其模型结构只有3 层：物理层、数据链路层和应用层，传输介质为 双绞线，通信速率最高可达1 m b p s ( 4 0 m ) ，直接传输距离最远可达1 0 k m ( 5 k p s ) ，可挂接设 备最多可达1 1 0 个。c a n 总线为多主工作方式，通讯方式灵活，无需站地址等节点信 息，采用非破坏性总线仲裁技术，满足实时要求。另外，c a n 采用短帧结构传输信号， 传输时白j 短，具有较强的抗干扰能力。在混合动力汽车中采用c a n 总线网络结构，信 息得到共享，汽车上的线束明显减少，数据的可靠性也得到了提高。c a n 总线网络同 时为汽车全局优化控制提供条件，使汽车的动力性、安全性、燃油经济性等都得到改善。 由于c a n 总线网络的显而易见的优越性，c a n 总线被认为是混合动力车最佳通讯 机构，“8 6 3 ”电动汽车专项中明确指出，新申报的电动汽车丌发项目必须采用c a n 总 线通讯模式，国内外已开发的混合动力汽车大部分都采用c a n 通讯网络1 5 】。 4 本课题的内容和主要工作 城市公交客车为实现节能减排的目标采用混合动力技术是一个合理的选择。论文以 丹东黄海d d 6 1 2 3 s 0 6 传统柴油公交客车的基本要求为原型，围绕混合动力系统的选型 及控制丌展研究，具体内容和主要工作如下： ( 1 ) 对现有的混合动力汽车的各种动力驱动方案进行比较，根据城市公交客车的 具体行驶工况特点和所要达到的目标，提出适合目前技术发展水平的混合动力驱动方 式。 ( 2 ) 对动力系统进行具体设计，包括发动机、发电机、电动机、电池类型及基本 参数的选取。对混合动力方案中动力分配作多方案技术比较，最终确定混合动力系统的 基本参数。 ( 3 ) 在满足车辆运行要求的自i 提下，确定混合动力系统在各工况下的控制策略， 包括发动机功率、电池管理、油耗及排放的控制、电机功率及功率流向的控制。并在制 动过程中考虑机械制动与a b s 系统的配合问题。 ( 4 ) 根据网络系统设计的一般性原则，对混合动力汽车c a n 网络控制系统结构进 行设计，并根据现有网络冗余的技术，提出一种新的网络冗余的设计方案，以保证数据 传输的可靠性。 ( 5 ) 对系统进行软件设计，使得此网络具备即插即用、冗余、自检、数据收发功 能，使控制策略得以实现。 第一章混合动力技术在公交客下中的应川分析 第一章混合动力技术在公交客车中的应用分析 随着科学技术的进步与经济的发展，汽车的发展速度不断加快，与人们的同常生活 和生产越来紧密。然而，众多燃油汽车排放所造成的空气质量的同益恶化和石油资源的 闩渐匮乏，使丌发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。 使用电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 可实现无污染，并可利用煤炭、水力等其 它非石油资源，因此e v 成了解决污染和排放问题的最佳途径。但是，由于其关键技术 电池技术的制约，e v 的性价比远远不能达到推广应用的标准。其主要障碍是：电 池的能量密度较低，因此电池组的质量和体积都比较大，导致电动汽车的续驶旱程和动 力性能无法达到当前内燃机汽车的水平；此外，电动汽车空调和暖风的选用必须充分考 虑其能量消耗对电动汽车续驶罩程的影响，乘员的舒适性受到限制；充电站的建设投资 巨大，电池组的价格昂贵，循环寿命有限，频繁更换电池的成本是用户难以接受的。 电动汽车在目前情况下的致命技术弱点使其在短期内还不可能产业化，这种情况 下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 应运而生。 1 1 混合动力汽车概述 h e v 是清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。它采用内燃机和电动机作 为混合动力源，集中了两者的优点。既继承了电动车辆作为“绿色汽车”节能和低排放 的优点，从而显著改善了整车的排放性能和燃油经济性；又发扬了石油燃料高比能量和 比功率的长处，弥补了电动车辆续驶旱程短的不足。 据统计资料表明，混合动力汽车与同类的内燃机汽车相比，燃油消耗和尾气排放指 标均明显下降，同时在配套设施方面，不需要像电动车那样投入巨资进行充电站建设【6 】。 因此，混合动力电动汽车的商业化和产业化发展是必然的趋势。 1 1 1 混合动力汽车的特点 根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，混合动力电动汽车是指 以两种或两种以上的储能器、能源和转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的 车辆称为混合动力电动汽车。根据这个通用的定义，混合动力电动汽车有很多种形式： 汽油机和蓄电池混合，柴油机和蓄电池混合，蓄电池和燃料电池混合，蓄电池和超大容 量电容器混合，蓄电池和飞轮混合，蓄电池和蓄电池混合等等。但该定义未被人们所接 受，一般认为，混合动力电动汽车，是指在同一辆汽车中同时采用了电动机和发动机作 为其动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配， 人连交通人学1 ：学硕十学位论文 达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车。本文中的混合动力汽车就是指的一般意 义上的混合动力汽车。 h e v 将发动机、电动机、能量储存装置( 如蓄电池) 组合在一起，它们之间的恰 当匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，并尽可能地避免各自的 不足，是当今最具实际丌发意义的低排放和低油耗汽车。 ( 1 ) 较之纯电动汽车，h e v 有以下优点： 因有发动机作为动力源，电池的数量和质量可以减少，因此汽车自身重量可以减 少； 汽车的续驶里程和动力性可达到传统内燃机汽车的水平； 借助发动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力以及其它辅助电器，无需 消耗电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。 ( 2 ) 较之传统的内燃机汽车，h e v 则具有如下的优点： 发动机可以在最佳工况区域稳定运行，避免或减少了发动机变工况的不良运行， 使得发动机的排放和油耗都大为降低； 在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排放： 可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过电动机回收汽 车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的油耗和排放。 1 1 2 混合动力汽车的分类 混合动力汽车的驱动系统从能源输入、发动机到机械能的传递，其组成方式多种多 样，具体的结构设计也各不相同。可以根据动力传递布置、混合动力汽车的用途、混合 度大小以及是否依赖电网充电等来进行分类。一般情况下，我们都采用第一种分类方式 对混合动力电动汽车进行分类区别加以分析，根掘动力传递布置即根据其部件的种类、 数量和连接关系町以将h e v 的动力系统分为三种基本结构类型：串联式混合动力汽车 ( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) 、并联式混合动力汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，p h e v ) 和混联式混合动力汽车( p a r a l l e l & s e r i e sh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ， p s h e v ) ，各自的驱动结构和特点如下【7 1 。 ( 1 ) s h e v 驱动系统 s h e v 驱动系统的结构示意图如图1 1 所示。发动机驱动发电机发电，产生的电能 在电动机控制器控制下通过逆变器驱动电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。电池组 实际上起到平衡发动机输出功率和电动机输入功率的作用：在汽车处于牵引工况时，用 于吸收发动机多余的输出能量或补充发动机在特殊情况下功率的不足，在制动时储存再 6 第一章混合动力技术在公交客下中的戍j j 分析 生制动能量。 机械连接 电气连接 i 电动机h 传动装置 图1 1 串联式驱动系统 f i g i 1t h ed r i v es y s t e mo f s h e v s h e v 具有以下特点： s h e v 只有驱动电动机的电力驱动系统，其特点更加趋近于e v 。从总体结构上 来看，比较简单，易于控制，发动机一发电机组、电动机、电池组之问没有机械联系， 布置起来有较大的自由度，可以独立地布置。 s h e v 的发动机一发电机组中的发动机工作状态不受车辆行驶工况的直接影响， 能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运转，因此，发动机具有良好的经济性和较低 的排放指标。 发动机转速不受车速直接影响，发动机可以以较平稳的转速工作，同时由于系 统对发动机只有输出功率的要求，这有利于发动机在一定功率要求下选择经济性、排放 状态良好的工作转速，这有利于发动机使用寿命的提高。 驱动电动机的功率必须能够克服汽车在行驶过程中的最大阻力，驱动电动机的 功率要求较大，外形尺寸较大，质量也较重，在中小型车上的布置有一定的凼难，但较 适合在大型客车上采用。 发电机将机械能转变为电能、电动机将电能转变为机械能，虽然在机械能一电 能一机械能的转换中都有能量损失，但由于发动机在任一车况下均可选择经济性良好的 工况工作，所以仍可得到较高的运行效率。 ( 2 ) p h e v 驱动系统 p h e v 驱动系统的结构示意图如图1 2 所示。和s h e v 布置不同的是，并联式布置 保留了发动机和传动装置的机械连接，采用发动机和电动机两套相互独立的驱动系统驱 动车轮，可以采用发动机单独驱动，电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动这三 种工作模式驱动。 人连交通人学一i ：学硕十学位论文 雨荔丌一百碉i 【u 池组l ；功率转换器| - 一l j 幽1 2 并联式驱动系统 f i g 1 2t h ed r i v es y s t e mo fp h e v p h e v 具有以下特点： 由于发动机保持了与机械传动系统的机械连接，发动机发出的机械能可直接输 出到汽车传动装置，没有机械能一电能一机械能的转换过程，发动机输出能量的利用率 比较高；但是，发动机与驱动系统之间的机械连接，使得发动机的运行工况要受到汽车 行驶工况的影响，特别当汽车行驶于低速和起动、制动频繁的工况时，不能依据所需功 率按排放及经济性要求选择工作转速，因此，并联驱动的排放比串联驱动的要差。 发动机与电动机都是动力单元，两大动力单元的功率可以互相叠加起来满足汽 车行驶时的功率要求，因而，系统可采用小功率的发动机与电动机，使得整车动力单元 尺寸小，质量也较轻。但发动机和机械驱动系统的机械连接使得机械装置较复杂，增加 了整车布置的难度。 ( 3 ) p s h e v 驱动系统 p s h e v 驱动系统的结构示意图如图1 3 所示。这种结构综合了串联式和并联式的结 构特点，由发动机、电动发电机和驱动电机三个动力单元组成。与串联式相比，它增加 了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电力的传输路线。混联式结构能够使 发动机、发电机、电动机等部件进行更多的组合，同时具有串联式和并联式的优点，从 而在结构上能够保证在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现低排放 和低油耗目标。但是由于其系统过于复杂，部件性能要求高、造价高，从而导致了其可 靠性难以保证、设计加工困难、市场化举步维艰。不过，随着控制技术和制造技术的发 展，些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。 8 第一章混合动力技术在公交客车中的应用分析 网一阿甭习 l j 【，。j 幽1 3 混联式驱动系统 f i g 1 3t h ed r i v es y s t e mo fp s h e v p s h e v 具有以下特点： ( 1 ) 该系统适合各种行驶条件，具有良好的燃油经济性和排放性能，且不需外界 充电，续驶罩程与内燃机汽车相当，是最理想的混合电动方案。 ( 2 ) 由于发动机和发电机、电动机以机械方式连接，机械装置较复杂，整车靠置 有一定难度，发动机多为传统的车用内燃机。 ( 3 ) 混联式混合动力系统可采用小功率的电动机和发电机，减少了电池的数量。 但其控制系统技术含量高，控制元器件价格高，整车价格高。 1 2 混合动力公交客车动力驱动系统方案的确定 从上述对三种结构的混合动力电动汽车的介绍、分析可以看出，这三种类型的混合 动力驱动系统在结构和性能上各有优缺点。 1 2 1 公交客车运行的特点 城市客车与其他车辆行车工况相比，有显著特点f 8 】： ( 1 ) 城市道路有其自身特点 随着城市基础设施建设的逐步完善，城市道路道路质量比较好，车辆行驶较平稳； 由于大城市广泛采用了立体交通，立交桥路面坡度一般为4 - - 6 ，在没有公交专线的情 况下城市车辆行驶速度较低，易发生交通堵塞，经常发生坡道起步；同时建有桥梁的城 市还应考虑车辆爬长坡的要求，因为桥梁的坡度不大，但是坡道较长，这就对车辆提出 了爬长坡的要求。 ( 2 ) 平均车速低，过渡工况多 城市客车由于交通拥堵、交通道口多，站距短，因而起步、停车频繁，大多数时间 9 人连交通大学1 ：学硕十学位论文 以加速一减速一滑行一怠速等过渡工况工作，且平均加速度小。 ( 3 ) 路线固定，往复运行 城市公交车不像其他车辆运行路线千变万化，而是每天都在指定线路运行并来回往 复。每条线的车辆都在固定站点停靠，而且现在城市广泛采用了立体交通，立体桥线路 的车辆每天在固定地段爬坡和下坡，运行时间固定。 ( 4 ) 载荷多变且时间特征明显 随着城市规模的逐步扩大，城市交通网也同趋复杂，城市公交线路众多，每条线路 的长度也不相同，每条线路途经地区的行驶速度、道路特点、乘客数量各不一样，上、 下班高峰时段和中心城区乘客拥挤，非上、下班高峰期和郊区乘客相对稀少，车辆负荷 低，造成了能源的极大浪费。 1 2 2 本课题中混合动力公交客车驱动系统的确定 不同形式的混合动力驱动方式的技术特点决定了各自适合于不同的工况。串联式混 合动力汽车特别适合于在市内低速、频繁的加速、减速、停车的复杂工况，在这种工况 下串联式混合动力驱动系统发挥了其发动机工作条件稳定、制动能量回收效果好、工作 稳定可靠的优势；并联式混合动力汽车更适合于路况简单的城市间公路及高速行驶的车 辆；而混联式结构由于其系统过于复杂，部件性能要求高，造价也高，在研究、开发和 应用中都受到很大的限制。经过综合考虑，本文选择串联式驱动结构，其原因主要表现 在以下方面： ( 1 ) 串联式结构中发动机的工作状况不直接受路况的影响，发动机能稳定工作在 某较小区间，经济性、排放性能较好，适应于城市交通。 ( 2 ) 串联式方案实现了车载能源的多样化选择，能满足车辆特殊的使用要求，比 如零排放行驶、再生制动能量回收等，这使它更适合于在排放要求极为严格的中心市区 内运行。 ( 3 ) 串联式方案具有排放低、柿置灵活、结构简单、控制方便等优势尤其适用于 市内常见的频繁起步加速工况和低速运行工况。 ( 4 ) 采用串联式方案后，电动机功率比采用并联式要大，更有利于较多地回馈制 动能量。 ( 5 ) 串联式方案只有电动机直接驱动车轮这一驱动形式，电动机的低速大扭矩特 性使得串联式布置的混合动力客车具有很好的加速性能，这对城市客车尤为重要。 ( 6 ) 串联式方案中的发动机能在最佳工作区域稳定运行的优势主要表现在低速、 起动、制动等运行工况，并联方案中的发动机在车速较低时效率也较低，而串联方案发 1 0 第一章混合动力技术在公交客下中的虑川分析 动机可选择经济性较好的工况工作，因此，串联式混合动力汽车更适用于在市区内低速 运行的工况。所以在运行速度较低、起动和制动频繁的城市公交车上多采用串联式结构。 基于上述对混合动力系统的分析，可知混合动力汽车是一个组成部件多、驱动御置 形式多样的复杂系统。根据现有的机械加工能力、大中城市汽车排放污染严重的问题和 我国国情，并结合城市公交车发展的需要，本文的混合动力公交客车选择串联式结构型 式是较为可行的方案。 1 3 研究混合动力客车的目的 在城市工况下，汽车的启停相当频繁，行车速度慢，发动机经常在怠速、加速和减 速工况下工作，发动机的工作状态恶劣，在这种情况下，传统的内燃机汽车排放和油耗 都很差，而混合动力系统的优势恰好弥补内燃机的这一缺陷。研究混合动力客车的目的 主要有以下几点： ( 1 ) 近几年我国城市发展迅速，城市规模不断扩大，数量不断增加，城镇人口数 量也在不断增加，这势必带来城市客车的需求，必须改善交通工具的状况。 ( 2 ) 城市客车是城市客运的主要载体，大力发展环保型城市客车是治理城市大气 污染的有效途径之一。目前我国城市中行驶的燃油公交客车是城市交通的主要污染源， 极大地影响了城市形象和城市环境建设，更新城市客车成为打造“绿色城市”的重要举 措。 ( 3 ) 同混合动力轿车相比，我国在发展混合动力客车方面具有优势，中国的公交 车全部是国产客车，我国有条件在这些国产客车上实现节能目标，利用政策鼓励清洁、 低能耗汽车的开发，有利于迅速打造我国混合动力客车自主品牌。 ( 4 ) 虽然我国城市公交体系引入了市场机制，但大部分还是由政府进行补贴运营， 这也相对减轻了混合动力客车的商业化难度，有利于示范和推广应用。 综上所述，研制和发展混合动力客车技术不愧为解决我国城市大气污染严重和缓解 我国国内石油资源不足的一种有效措施。 本章小结 本章对混合动力技术进行了介绍，主要对混合动力汽车的特点、分类进行了详细阐 述，通过分析三种不同驱动方式的优缺点和城市公交客车的运行特点，选择了串联驱动 方案做为本文混合动力公交客车的驱动方式。 人迩交通人学i ：学硕十学位论文 第二章串联式混合动力公交客车动力系统参数设计 选择合适的动力系统结构型式，并对构成整个系统的发动机、电动机、发电机、蓄 电池等部件进行合理的参数选择是设计混合动力公交客车动力控制系统的关键。为了充 分发挥h e v 的优势，本章主要是对串联式混合动力公交客车动力控制系统参数的选型 和合理匹配进行研究，使其在满足整车的动力性能指标的前提下，提高整车的燃油经济 性和降低排放。 2 1 动力系统参数匹配原则 串联式混合动力汽车动力系统参数包括发动机功率、电动机功率、电池组容量等， 它们之间的合理匹配对整车动力性、燃油经济性以及排放性能都有显著的影响。其匹配 的具体原则如下： ( 1 ) 电动机的参数首先要满足整车动力性指标的要求，特别是要满足加速时间的 要求。 ( 2 ) 发动机一发电机组的参数在满足单独驱动的技术条件要求的前提下，尽可能 选择较小功率的发动机一发电机组，以利于改善整车的燃油经济性。 ( 3 ) 确保在工作过程中，蓄电池的充电、放电电流在电池性能许可范围内。 ( 4 ) 发电机的高效区要处于发动机的经济区。 ( 5 ) 各部件质量总和最小，性能可靠，性价比高。 实现最佳的参数匹配一般来说有三种方法：第一是根据给定的整车参数和性能指标 要求，运用相关公式计算各动力部件参数。第二是工况分析法，对车辆进行工况分析是 电动车辆设计的基础，经过充分的工况分析才能对部件提出合理的参数要求，设计出适 合使用条件的车辆。第三是仿真分析法。针对混合动力总成的元件，编制相应的程序和 数据输入文件，通过仿真研究确定元件的参数对整车性能的影响。本文采用第一种方法 对元件参数进行匹配。 2 1 1 性能指标 汽车的动力性能是指汽车能够达到的最高行驶车速、加速的快慢和爬坡能力，是汽 车使用性能中最基本的和最重要的性能。汽车的动力性能指标主要由最高车速、加速时 i 日j 和最大爬坡度来进行评价，本文所设计的汽车性能指标包括：最高车速、最大爬坡度、 加速时间。 参考传统客车和目前城市公交客车的运行状况以及道路条件，本文串联混合动力公 交客车要达到的动力性指标如下： 1 2 第二章串联式混合动力公交客午控制系统参数设计 ( 1 ) 最高车速8 0 k m h ； ( 2 ) 最大爬坡度2 ； ( 3 ) 0 5 0 k m h 的加速时间不超过9s ； ( 4 )以2 0 k m h 行驶的纯电动续驶里程为6 0k m 。 2 1 2 串联混合动力公交客车电动机设计原9 1 l l ( 1 ) 电动机的选型 电动机主要有直流电动机和交流电动机，它们有很多种型号、规格、结构形式和控 制方法，在h e v 上通常采用的电动机有直流电动机、交流三相感应电动机、永磁电动 机和开关磁阻电动机等。 直流电动机励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直分布的，因而其控制原理非常 简单。但由于直流电动机在运行过程中需要电刷和换向器换向，这限制了电机转速的进 一步提高，另外，电机本身效率较低、结构复杂且体积大、重量大、价格高。不过，由 于直流电机驱动系统具有成本低、易于平滑调速、控制器简单、技术成熟等优点，曾在 电动汽车上得到广泛应用。 8 0 年代后期和9 0 年代，由于电力电子技术的飞速进步，功率电子元件以及变频器 的问世，再加上一些新的控制算法的出现，矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调速 技术同趋成熟，交流电机驱动系统在电动汽车中己成为主流，交流电机的效率和功率密 度都较直流电机高，而且交流电机成本低、结构简单，运行可靠，并且能够实现再生回 馈制动，是目前应用得最广泛的电机。 性能优良的永磁材料的出现使得永磁电机获得了人们的青睐，永磁同步电动机已经 应用于电动车中。该电机没有励磁绕组的铜耗、效率较高( 最大效率可达9 5 ) 、功率因 数高、体积小、功率密度大，它在电动汽车的应用领域与感应电动机相比有较大的竞争 优势。但其控制技术尚未成熟并且永磁材料昂贵，制造工艺复杂，性能受温度影响较大 ( 易退磁) ，大功率输出困难。 开关磁阻电机驱动系统结构十分简单、成本较低、可靠性高、起动性能好、调速性 能好，控制装置也比较简单，适合于混合动力汽车驱动。虽然它的结构简单，但由于其 磁极端部的严重饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使其设计和控制非常困难和精细，而 且经常引起噪声问题。 在串联式混合动力系统中，