（车辆工程专业论文）基于燃油经济性串联式混合动力公交车优化研究.pdf

武汉理r 人学硕 学位论文 摘要 汽车工业发展在推动经济发展的同时 也带来了能源紧缺和环境恶化 同 时对石油的依赖也越来越严重 节能 环保和使用替代能源成为汽车技术发展的 主题之一 混合动力汽车在现有技术的基础上达到了提高燃料经济性和减少排放 的目的 因而极具发展f 景 从目f i 的发展来看 汽车的排放法规f i 趋严格化 同时电子技术的迅猛发展都会进一步促进混合动力汽车的发展 对于混合动力汽车的动力性能和燃料经济性水平 通常是在进行实车道路 试验之后给予最后评价 这样做不但周期长 成本高 而且在产品设计阶段对整 车及各总成方案的确定 结构参数的选择 传动系参数与发动机的匹配等具有一 定的盲目性 可能遗漏较优的方案 造成浪费 本文以天津清源电动车辆责任有限公司承担的国家8 6 3 项目 混合动力公交 车 为依托 开展优化串联式混合动力客车燃油经济性的研究 确定了串联式混 合动力客车独特的匹配方式以及效率分布 分析了整车各部分的控制策略的优缺 点以及燃油经济性的影响因素 首先 本文分析了串联式混合动力公交车动力系统的匹配方法 在保证车辆 动力性能的基础上研究了动力系统匹配影响整车燃油经济性的各个方面 为串联 式混合动力公交车的匹配方案选择奠定基础 动力系统匹配完成之后 本文针对 动力系统的特点研究了主控制器控制方式 电机控制器控制方式 电池管理系统 控制方式 发电机组功率分配控制策略以及制动能量回收控制策略 在对传统控 制策略优缺点进行比较之后 本文提出了综合功率跟随式与恒温器式控制策略的 转矩选择式控制策略以及综合串联式制动回收策略与并联式制动回收策略的混 联式制动回收策略 其次 本文分析了串联式混合动力公交车燃油经济性的试验方法和燃油经济 性判断标准 在此基础上本文选择不加控制道路试验方法来研究本车的燃油经济 性 通过g p r s 系统采集5 辆混合动力样车与原型车的实时运行数据来分析整车 运行状况 对试验结果的分析总结出了在实际应用中提高此车燃油经济性的方 法 再次 本文基于整车仿真软件c r u s i e 并联合m a t l a b s i m u li n k 模拟整车 的控制策略对混合动力汽车进行基于燃油经济性与系统效率的仿真 结合仿真结 果量化分析了混合动力客车中动力系统与控制策略在匹配过程中的优缺点 并给 出各种动力系统下控制策略的选择方法和注意事项 仿真结果显示出转矩选择式 控制策略在燃油经济性和整车效率方面都比其他两者更好 同时混联式制动回收 i 武汉理l 人学硕 学位论文 策略综合考虑了制动回收能量和制动效能的特点 这两种控制策略更适合用于串 联式混合动力公交车上 仿真分析结合试验结果表明 控制混合动力的燃油经济性是一项需要结合 控制策略 优化匹配 运营管理 可靠性控制的系统工程 关键词 混合动力 公交车 燃油经济性 控制策略 c r u s i e 仿真 武汉理i 人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yp r o m o t i n ge c o n o m i c i ta l s ob n n g s t h ee n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o n m e a n w h i l e d e p e n d e n c eo no i li s m o r es e r i o u s s oe n e r g y s a v i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dt h ea l t e r n a t i v ee n e r g y s o u r c e si sb e c o m i n go n eo ft h et h e m e st h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g y h e vi so nt h eb a s i so fe x i s t i n gt e c h n o l o g yt or a i s et h ef u e le c o n o m ya n dr e d u c e e m i s s i o n s s oi th a sag r e a td e v e l o p m e n tp r o s p e c t s f r o mn o wo n w i t ht h ev e h i c l e e m i s s i o n sr e g u l a t i o n sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es t r i n g e n t a n dt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y h e vw i l lh a v eab r i g h tf u t u r e g e n e r a l l y af i n a la s s e s sa l t e rr o a dt e s tw i l lb ec a r r i e do nf o rt h eh e vp o w e r p e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y i tw o u l db eal o n gc y c l e h i g h c o s tp r o c e s s a t p r o d u c td e s i g ns t a g eo f v e h i c l ea s s e m b l y t h ed e t e r m i n a t i o no fc h o o s et h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r s t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sa n dt h ep o w e rs y s t e mp a r a m e t e r sh a sa c e r t a i n b l i n d n e s s t h i sw a ym a ym i s ss o m eb e t t e rp r o g r a ma n dl e a d st ow a s t e t h i sp a p e ri sb a s e do na h y b r i db u s e s w h i c hm a d eb yt i a n j i nq i n g y u a n e l e c t r i cv e h i c l ec o l t d w h oa s s u m e st h er e s p o n s i b i l i t yo ft h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t t h eo b j e c to ft h i sp a p e ri st os t u d yt h eo p t i m i z a t i o nw a yo ff u e le c o n o m yo fs e r i e s h y b r i db u s s h b t h i sp a p e rd e t e r m i n a t i o nau n i q u em a t c h i n gm e t h o do fs e r i e s h y b r i db u s e sa n dt h ee f f i c i e n c yd i s t r i b u t i o no f t h ee v e r yc o m p o n e n t i na d d i t i o n i t a l s oa n a l y s i st h ev e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g yo fv a r i o u sp a r t s a sw e l la sf a c t o r sa f f e c t i n g 如e le c o n o m y f i r s t l y t h ep a p e ra n a l y z e st h es e r i e sh y b r i db u sp o w e rs y s t e mm a t c h i n gm e t h o d i ne n s u r i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e sb a s e do nt h es t u d yo ft h ei m p a c to f t h ep o w e rs y s t e mm a t c h e st h ev e h i c l ef u e le c o n o m yi na l la s p e c t so fs e r i e sh y b r i d b u sm a t c h i n gp r o g r a ms e l e c tab a s i s p o w e rs y s t e mm a t c h i n gi sc o m p l e t e t h i sp a p e r s t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i e so fp o w e rs y s t e mc o n t r o lm e t h o dt h em a i nc o n t r o l l e r m o t o r c o n t r o l l e r c o n t r o lm o d e t h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mc o n t r o l g e n e r a t o rc o n t r o l s t r a t e g y f o rp o w e rd i s t r i b u t i o na n db r a k i n g e n e r g yr e c o v e r yc o n t r o ls t r a t e g y a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yi nac o m p a r i s o n t h i s p a p e rp r e s e n t sa ni n t e g r a t e dp o w e r t of o l l o wt h ec e r e m o n yw i t hat h e r m o s t a t t y p e t o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yo fs e l e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n di n t e g r a t e dt a n d e m t y p e b r a k er e c o v e r ys t r a t e g i e sa n dr e c o v e r ys t r a t e g yf o rp a r a l l e lh y b r i db r a k e t y p eb r a k i n g i i i 武汉理r 人学硕 学位论文 r e c o v e r ys t r a t e g y s e c o n d l y t h i sp a p e rs i m u l a t e st h eh y b r i dv e h i c l e sf u e le c o n o m ya n de f f i c i e n c y o ft h es y s t e mb a s e do nv e h ic l es i m u l a t i o ns o f t w a r e c r u i s e m e a nw h i l e i ts i m u l a t e t h ev e h i c l e sc o n t r o l s t r a t e g y w i t ht h ej o i n to fm a t l a b s i m u l i n k t h r o u g h q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s i tc a nc o n c l u d et h a t a l lf a c t o r sw h i c h i m p a c tf u e le c o n o m yo fs e r i e sh y b r i db u s a tl a s t a na n a l y s i so fh e vf u e le c o n o m yt e s tm e a s u r e m e n tm e t h o d sh a v ec a r r i e d o nt h r o u g ht h ed e m o n s t r a t i o nr e s u l t so fv e h i c l eo p e r a t i o n sa n de x p e r i m e n t a ls t a t i s t i c a l d a t a o nt h eb a s i so ft h et e s tr e s u l t s i tw i l lo b t a i ns o m eo p t i m i z a t i o nm e t h o dt or e d u c e t h ef u e le c o n o m y a n das y s t e m a t i ct e s tw a yi nt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o nt od e c i d e w h e t h e rah e vi se n e r g y s a v i n g t h er e s u l to fs i m u l a t i o na n dp r a c t i c a lt e s ts h o wt h a tt h ec o n t r o lo fh e vf u e l e c o n o m yi s as y s t e m a t i ce n g i n e e r i n gw h i c hi n c l u d et h ec o m b i n a t i o no fc o n t r o l s t r a t e g i e s o p t i m i z em a t c h i n g o p e r a t i o n sm a n a g e m e n ta n dr e l i a b i l i t yc o n t r o l l i n g k e yw o r d s h y b r i db u s c o n t r o ls t r a t e g y c r u i s es i m u l a t i o n f u e le c o n o m y i v 独创性声明 本人声明 所呈交的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的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 武汉理工大学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 明并表示了谢意 签名 j 啦e t 期 丝掣 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 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和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文 同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文 并向社会公众提供信息 服务 保密的沦文在解密后应遵守此规定 薪究生 签名 节霄翠导师 签名 灵 髫日期歹 夕 i 7 弓 li 武汉理i 人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章 绪论弟一早 珀 了匕 随着石油资源的大量消耗和同益减少 人们环保意识的提高 电动汽车及混 合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流 这一点也是我国汽车界所有 业内人士的共识 我国政府已经在8 6 3 计划中列有电动汽车重大专项 包括燃料 电池汽车 混合动力汽车和纯电动汽车 总经费8 8 亿 由此可见国家对电动 汽车研究的重视程度h 叼 从美国爆发的金融风暴已经演变成了一场世界性的经济危机 开始对世界 实体经济产生重大的影响 特别是对世界汽车工业打击巨大 美国的三大汽车公 司已经濒临破产的边沿 德国奔驰和大众汽车公司的股价跌去近一半 日本丰田 汽车公司首次出现巨额亏损 中国的汽车产销量也出现大幅度下跌 现在 世界 主要汽车生产国例如美国 德国 法国等国家出台了一系列的支持政策和资金扶 持计划来帮助汽车产业度过难关 我国也下调油价 取消养路费 实施燃油税改 革 特别是今年1 月份发布了 汽车产业调整和振兴规划 通过这些措施来提 振消费者的信心 加快结构调整和提升自主开发能力 帮助我国的汽车工业走出 困境 这些支持政策和资金扶持计划都把以电动汽车为主的新能源汽车作为支持 和扶持的重点 把以电动汽车为主的新能源汽车作为今后汽车工业发展的方向 我国新颁布的 汽车产业调整和振兴规划 指出 要以新能源汽车为突破口 加 强自主创新 培育自主品牌 最近 国家科技部联合其他部委出台了 关于开 展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知 在北京等十三个城市开展以电 动汽车为主的新能源汽车的示范推广工作 根据电动汽车的车型 节油率和最大 电功率比来补助 最高补助额 混合动力汽车达到5 万元 辆 纯电动汽车达到6 万元 辆 燃料电池汽车达到2 5 万元 辆 支持力度巨大 将会极大地推动我国 以电动汽车为主的新能源汽车产业化工作 混合动力汽车是目前公认的最具有产业化和市场前景的电动汽车 它具有如 下主要的优点u 川 令可以大幅度降低汽车的排气污染 夺可以较大幅度的提高汽车燃油效率 令与纯电动汽车相比 大大降低了对动力电池的过分依赖 避开了目前电 动汽车研发和产业化过程中电池领域的 瓶颈 令使用传统的燃料 对基础设旋没有提出任何特别的要求 夺使用方便 成本提高幅度小 武汉理1 人学硕十学位论文 由于混合动力汽车具有上述诸多的优越性 国外各大汽车公司纷纷投入巨资 和人力致力于相关技术的研究丌发 目前 混合动力汽车在同本已经实现了产业 化和商业化 并大量出口到欧美等国 引起了世界的震惊 而混合动力汽车技术 代表了当今和未来相当长一段时l 日j 内汽车高技术发展的主要趋势 成为各大汽车 公司竞相争夺的汽车技术的制高点 十五 期间 国家科技部启动了电动汽车 重大专项 给予电动汽车尤其是混合动力汽车前所未有的支持 国内几大汽车公 司如东风汽车公司 一汽 重庆长安 安徽奇瑞等或在 8 6 3 项目的支持下 或是自筹资会启动了混合动力汽车的研究开发 目前有的已经取得阶段性成果 1 2 混合动力汽车概述 1 2 1 混合动力汽车的特点 混合动力汽车是介于内燃机汽车和纯电动汽车之间的一种车型 它是一种内 燃机汽车向纯电动汽车 过渡 型的车辆 同时也是一种 独立 型车辆 它将 发动机 电动机 能量储存装置 蓄电池 超级电容等 组合在一起 通过系统 良好的匹配和优化控制 可以显著提高燃油经济性 降低排放 2 3 较之纯电动汽车 混合动力汽车具有如下的优点 整各质量小 汽车的续驶 里程和动力性可达到内燃机汽车的水平 保证驾乘舒适性 较之内燃机汽车 混合动力汽车则具有如下的优点 可使原动机在最佳的工 况区域稳定运行 从而降低排放和油耗 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 可以回收汽车减速和制动时的能量 进一步 提高燃油经济性 2 1 4 1 6 混合动力汽车所能达到的动力性 经济性和排放指标使其成为缓解汽车需求 与环境污染及石油短缺日益矛盾尖锐的最现实的技术途径 特别是近几年 随着 以丰田p r i u s 为代表的一批混联式全混合动力汽车和本田i n s i g h t 为代表的并联式 轻度混合动力汽车的推出 产业化和商业化的前景一片光明 然而 其中动力电 池组的寿命仍然是一个不可回避的问题 系统的复杂性和成本也是影响其市场竞 争力的主要因素 1 2 2 混合动力汽车的分类及结构 混合动力汽车按结构可分为如下几类i s 9 1 1 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 s h e v 是由发动机 发电机和驱动电动机三大动力总成组成 发动机 发 电机和驱动电动机采用 串联 的方式组成s h e v 的驱动系统 s h e v 用发动机一 2 武汉理i 大学硕 学位论文 发电机组均衡地发电 电能供应驱动电动机或动力电池组 使s h e v 的行驶旱 程得到延k 实际上s h e v 的发动机一发电机组只能看作一种电能供应系统 发动机并不直接参与s h e v 的驱动 s h e v 的发动机 可采用四冲程内燃机 二冲程内燃机 转子发动机和燃 气轮机 笈动机 发电机的转速控制在一定范围内 不受s h e v 运行工况的影响 经常保持在低能耗 高效率和低污染的状态下运转 s h e v 驱动系统的结构比较简单 动力电池组 发动机一发电机组和驱动电 动机在底盘上的巾置有较大的自由度 控制系统也比较简单 因为只有唯一的电 动机驱动模式 其特点是动力特性更加趋近于e v 8 h e v 必须配备一个大功率 的发动机一发电机组 再用驱动电动机来驱动车辆 发动机 发电机和驱动电动 机的功率都要求等于或接近于s h e v 的最大驱动功率 在热能 电能一机械能 之间的转换过程中 总效率低于内燃机汽车 三大动力总成的体积较大 质量 也较重 还有庞大的动力电池组 使得在中小型汽车上布置有一定的困难 一 般适合大型客车采用 图1 1 为串联式混合动力汽车结构原理图 霹扣雕 柚弧 图卜1 串联式混合动力汽车结构原理图 并联式混合动力汽车p a r a l l e l h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e p h e p h e v 是出发动机 电动 发电机或驱动电动机两大动力总成组成 发动机 电动 发电机或驱动电动机采用 并联 的方式组成p h e v 的驱动系统 从p h e v 的动力系统组成 可大致分为发动机一驱动系统 变速器和驱动桥 一驱动轮 等 电动机的动力要与车辆驱动系统相组合 可以 在发动机输出轴处进行 组合 在变速器 包括驱动桥 处进行组合 在驱动轮处进行组合 因此 p h e v 的驱动力组合有以下不同的组合模式 a 发动机轴动力组合式p h e v 发动机轴动力组合式p h e v 只有发动机和电动 发电机两大动力设备 发动 机和电动 发电机的动力在发动机输出轴上进行组合 然后通过由离合器 变速 3 武汉理ji 人学硕十学位论文 器 驱动桥和半轴组成的传统的驱动系统带动车轮行驶 称为发动机轴动力组 合式p h e v b 动力组合器动力组合式p h e v 动力组合器动力组合式p h e v 只有发动机和驱动电动机两大动力设备 发动 机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合 然后通过差速器和半轴带动车 轮行驶 由于发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合 称为动力组 合器动力组合式p h e v c 驱动轮动力组合式p h e v 驱动轮动力组合式p h e v 的发动机通过离合器 变速器和驱动桥独立驱动 p h e v 的后驱动轮 前轮 驱动电动机通过减速器独立地驱动p h e v 前驱动轮 后轮 在混合动力驱动模式时发动机与驱动电动机共同组成4 轮驱动模式驱 动p h e v 的前驱动轮和后驱动轮 由于在发动机与驱动电动机混合驱动时 发 动机和驱动电动机的动力 牵引力 在驱动轮上组合 因此成为驱动轮动力组合 式p h e v 虽然p h e v 有不同的结构模型 但都是以发动机为主要驱动模式 发动机 控制在低油耗 高效率和低污染的转速范围内稳定地运转 发动机直接带动 p h e v 的驱动系统驱动p h e v 行驶 采用传动效率高的机械传动系统 没有 s h e v 在热能一电能一机械能的转换过程中的能量损耗 p h e v 的发动机和驱动电动机两大动力总成都是驱动动力装置 在p h e v 上 可以实现发动机驱动模式 驱动电动机驱动模式和发动机一驱动电动机混合驱动 模式等三种驱动模式 发动机和发电机各自的功率 可以是p h e v 的最大驱动功 率的o 5 1 倍 两大动力总成的功率可以叠加 因此可以采用较小功率的发动 机和驱动电动机 使得整个动力总成的尺寸较小 质量较轻 造价也较低 可 以应用在中小型p h e v 上 由于是以发动机驱动模式为主要驱动模式 其特点 是动力特性更加趋近于内燃机汽车 图1 2 为并联式混合动力汽车结构原理图 4 武汝四 1 人学硬l 学位沦史 盔扣恒 m h 口日啼 m n 圈1 2 并联式混合动力车结构原理图 混联式混合动力汽车s p l i th y b d de l t r i ev e h i c l e p s h e v 混联式混合动力汽车 p s h e v 是综合s h e v 和p h e v 结构特点组成的 p s h e v 由发动机 电动 发电机和驱动电动机三大动力总成组成 由于电动 发电机必然是装在发动机的输出轴上 才能起发动机飞轮和起动机的作用 也 才能保持发动机稳定运转并进行发电 因此电动机的动力要与车辆驱动系统相 组台 只有 在变速器 包括驱动桥 处进行组合 在驱动轮处进行组合 因此 p s h e v 的驱动力组合有以下不同的组合模式 a 动力组合器动力组合式p s h e v 动力组合器动力组合式p s h e v 有发动机 电动 发电机和驱动电动机三大 动力总成 在发动机的输出轴上 装有一个电动 发电机 电动 发电机一般只用 于快速起动发动机和发电 发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组 合 然后通过差速器和半轴带动车轮行驶 由于发动机和驱动电动机的动力在 动力组合器上进行组合 称为动力组合器组合式p s h e v b 驱动轮动力组合式p s h e v 驱动轮动力组合式p s h e v 有发动机 电动 发电机和驱动电动机三大动力 总成 在发动机的输出轴上 装有一个电动 发电机 电动 发电机一般只用于快 速起动发动机和发电 发动机通过离合器 变速器和驱动桥独立驱动p s h e v 的 后驱动轮 前轮 驱动电动机通过减速器独立地驱动f s h e v 前驱动轮 后轮 在混合动力驱动模式时发动机与驱动电动机共同组成4 轮驱动模式驱动p h e v 的 前驱动轮和后驱动轮 由于在发动机与驱动电动机混合驱动时 发动机和驱动 电动机的动力 牵引力 在驱动轮上组合 因此称为驱动轮动力组合式p s h e v f s h e v 兼有s h e v 和p h e v 的优点 可以组台成更多种形式的混合驱动的 驱动模式 发动机 电动 发电机和驱动电动机的功率可以是p s h e v 总功率的 l 3 1 倍 车辆的整各质量可以降低 而且性能更加完善 经济性更好 在动力 5 甙汝理i 人学硕i 学竹论文 性能方面接近和达到内燃机汽车的水平 有害气体的捌放更少 达到 超低污染 的标准要求 混联式混合动力汽车结构原理图丑u 陶1 3 所示 否也b 竺 触唑 飚 t t t 眷 啪 图卜3 混联式 品古动力车结构原理圈 根据发动机和电池输出的功率比值 混合动力系统又可分成弱混合 强混合 和中度混合 其中混合动力汽车的混合比定义见式i 0 1 串联混合比 岛 i 毒 式中 砟一混合动力汽车串联混合比 b 一电池组额定功率 k w 岛一发动机 发电机组额定功率 k w 并联混合比 岛 瓦 东 式中 岛一混合动力汽车串联混合比 昂 一电池组额定功率 k w 昂 一发动机 发电机组额定功率 k w 各混合度对应车辆的性能如图l 4 所示 6 1 1 i 2 褂 一 五 武汉理1 人学坝t 学位论文 图l 一4 混合动力系统 i 翕岛燃油经济眭 1 2 3 混合动力客车国内外发展现状 在德国举行的2 0 0 8 汉诺威商用车展上 沃尔沃发粕了一款混合动力客车7 7 0 0 沃尔沃宣称 作为欧洲市场上首次出现的商业化混合动力客车 沃尔沃7 7 0 0 混 合动力客车使用沃尔沃独有的混合动力系统 实现了油耗降低3 0 沃尔沃混合 动力系统被称为 i s a m 包括了启动机 电动机 发电机和电控单元 1 s a m 将与柴油发动机和沃尔沃l s h i l f 变速箱一起工作 配备的锂离子电池可阻在制动 过程中进行充电 沃尔沃混合动力客车既可以由电动和柴油发动机独立驱动 也 可以由两者同时驱动 因此 在沃尔沃7 7 0 0 混合动力客车中 配备的柴油发动 机排量只需要5 升 从而比普通柴油的9 升柴油发动机更加小巧 实现了混合动 力系统动力更强 油耗反而更低 另外一点 沃尔沃7 7 0 0 混合动力客车在遇到 红灯停车的时候 柴油发动机将自动停止工作 客车将由电动机提供动力 在车 速达到1 5 2 0 公里 4 时之后 柴油发动机爿会 始根据车速情况自动提供动力 美国发展中重型混合动力技术的公司有b a es y s t e m s e a t o n e b u s g m a l l i s o n i s e r e s e a r c h 以及o s h k o s h 等 其产品广泛应用于民用及军崩当中 目前 美国已经有超过3 0 个机构运行着混合动力客车 令人满意的试运行结果 也促使了多家公交公司大量购买混合动力客车 i n d y g o 采用加利福尼亚 d o w n e y 生产的2 2 座 低地板串联插电式混合动力城市客车e b u s 该混合动力 7 武汉理1 人学硕十学伉论文 客车使用c a p s t o n em i c r ot r u b i n e t m 串联混合动力系统 如图1 5 所示 数字功 率控制器监控蓄电池电量 当电池电量不足时 使j 1 j 一台小型涡轮机为蓄电池充 电 这样可以增大公共汽车的续驶里程 同时可以对i b u s 施行快速充电 仅需 要大概l h 的时间就可以将蓄电池电量充满 图1 5 美国混合动力城市客车e b u s 我国的混合动力客车发展主要来源于两个国家计划 一是 8 6 3 计划 高技术研究发展计划 从2 0 0 1 年起 中国就已将电动汽车 研究开发列入了国家 8 6 3 计划重大专项 其中一汽 东风 中通等企业先后 被列入国家 8 6 3 计划中的混合动力电动客车项目 列入国家 8 6 3 计划的客车 项目极少 混合动力客车能够列入其中 是国家发出的一种信号 其发展前景 被客车企业普遍看好 二是 十城千辆 示范计划 科技部部长万钢在 2 0 0 8 年首届中国绿色能源 汽车发展高峰论坛 上表示 科技部正在设想 通过连续3 年对国内1 0 个以上 有条件的大城市进行千辆新能源汽车的试验 并形成新能源供应设施的规模市 场 使我国到2 0 1 0 g 节能与新能源汽车的规模达到1 0 0 0 0 辆 东风汽车公司继承 九五 电动汽车研究成果 从2 0 0 0 年开始研究混合动力 客车和轿车 并获得了 十五 国家科技部 8 6 3 计划的混合动力客车和轿车两个 课题 为了促进和支持这两个项目的研究及今后向产业化方向发展 2 0 0 1 年成 立了东风电动车辆股份有限公司 在省市政府的大力推动下 2 0 0 3 年7 月成立 了武汉电动汽车示范运营有限公司 在2 0 0 3 年1 1 月 东风混合动力客车走出了 实验室 成为武汉市民日常出行的交通工具 6 台混合动力公交样车在武汉5 1 0 路公交线投放 与传统的燃油客车共同运营 进行各项指标对比 2 0 0 5 年1 2 q 8 武汉理1 人学硕十学位论文 首批下线的1 5 台东风混合动力电动客车交付给示范运营公司 在国内首次实现 混合动力电动汽车商业化销售 在2 0 0 5 年底武汉市歼通了5 9 9 路公交线路 成 为路国内首条混合动力绿色公交专线 标志着我国自行研制的混合动力客车正 式进入商业运营 一汽汽车集团经过近三年的苦心研制 于2 0 0 5 年1 2 月在一汽 无锡汽车厂驶下装配线 在 十五 期间 自行研制混合动力客车的公司还有几家 如深圳五洲龙 上海汽车集团 长沙联合等公司 近年来开始介入混合动力客车的公司如雨后 春笋 宇通 金龙 福团 申龙等公司纷纷展出了样车 1 3 混合动力客车的燃油经济性 由于混合动力客车运行在城市工况下 因此它对动力性要求并不高 而对 燃油经济性和排放的要求却很严格 鉴于此 研究混合动力客车的燃油经济性 可谓重中之重 1 3 1 混合动力客车的特殊性 对于混合动力汽车而言 发动机和电池 其他储能设施 是必不可少的两 个能量源 因此就决定了混合动力汽车同时兼有机械能和电能传递的特殊性 同时 对于客车而言 其工作环境与整车参数确定了各电气 电子部件的工作的 特殊性 具体来说 混合动力客车具有下述特殊性 1 7 2 5 3 2 1 1 能量分配可控制 混合动力客车的发动机与电池之间的能量通过整车控 制器按照一定的策略进行分配 若能将发动机与电池的能量按照理想曲 线进行分配 那么整个能量链的效率将会得到很大的提升 2 能量回收比例大 混合动力客车所允许的城市工况下大部分时问处于制 动减速或停车状态 因此可回收能量占很大比例 中国城市工况中可回 收能量占3 8 2 6 而纽约城市工况中其可回收能量高达6 7 7 3 3 混合度与电量平衡的矛盾 根据图1 4 可知 混合动力客车的燃油经济 性与混合度息息相关 因此提高混合度可提高燃油经济性 然而 若车 辆的混合度太低 即发动机功率过小 那么车辆在工况运行中就会出现 电量持续下降 不能达到电量平衡 严重时可造成电池的过放损坏电池 因此动力匹配时要找出这两者之间的平衡点 4 电子 电气元件影响可靠性 要实现能量的分配 对各能量输入系统 如 发动机 电池 和能量输出系统 如电机 的控制 约束以及分配是必 不可少的 而这些都必须借助于电子 电气元件来实现 已有的车用电 9 武汉理 i 人学硕 学位论文 子 电气元件都仅用于低压回路 即1 2 v 2 4 v 而混合动力车辆上所用 的元件要求为用于高压回路 高达3 0 0 v 以上 因此 很多车辆上所用 元件都为工业级元件 显然 电子 电气元件的不成熟以及数量的增加 都大大的降低了整车的可靠性 5 工作环境恶劣 公交工况的工作坏境都较恶劣 无论任何天气 温度以 及路面情况 客车都必须保持始终运行 这就给车载设备带来了比其他 车辆更加严格的要求 对于混合动力客车而言 高温下各控制器不会正 常工作 电机 发动机效率都会低 低温下电池效率较低 发动机冷启 动需时较长 若所用控制器采用飙冷 传感器直接暴露于车身外 则控 制精度很容易受到空气中的水分与灰尘的影响 6 工作时间较长 一般来说 公交线路上的每辆客车平均工作时间都会长 达1 0 d 时以上 天 运行距离超过1 5 0 k m 天 机械连接的部件可正常满 足此负荷 而对于使用高压系统的电驱动部件来说 长时间的连续发电 意味着温度的上升以及效率的下降 因此 混合动力客车上对于电驱动 部件的散热是非常重要的 7 后轮驱动 出于整车稳定 安全和效率的考虑 大部分客车选择后轮驱 动 而在车辆制动时 若考虑到制动效果和制动安全 后轮的制动能量 远小于前轮的制动能量 因此对于后轮驱动车辆来说 可制动回收的能 量就小于前轮制动的车辆 鉴于混合动力客车的特殊性 在研究其燃油经济性的时候之前要首先保证 其动力性 安全性及可靠性 只有这样所得到的燃油经济性才是有价值的 1 3 2 各类混合动力客车特征比较 各类混合动力汽车的性能及燃油经济性比较如表1 1 及表1 2 所示 1 2 1 6 1 0 武汉理l 人学硕十学位论文 表1 1 各类混合动力汽车性能比较 混合 串联式并联式混联式 动力 所需发动机 发电机 电池 电发动机 电池 电发动机 发电 部件机等机 机械耦合装置机 电池 电机 机械耦合装置 优点1 机械连接简单 布置方便 1 并联式能量输1 燃油经济性 2 发动机运行状况可不受工 出 动力性好 和排放都较好 况影响 始终工作在最佳效2 能量传输效率较 率区域 无怠速 高 燃油经济性较 3 排放好 可选用较小的发 好 动机 3 没有发电机 发 4 电机有较强的制动回收能 动机 电机都可选 择较小型号 整车 力 质量较小 4 可靠性好 缺点1 能量串联式传输 每经过1 机械结构复杂 1 结构更加复 一个部件都会降低 总体效杂 控制策略也 率低 因此燃油经济性较差 2 发动机随工况运 行 有怠速 排放 更复杂 2 动力输出全部由电机完情况相对较差 2 成本较高 成 因此电机要求较高 质 拥有组件多 量也较大 3 能量回收能力 差 3 可靠性差 任何部件出现 故障 整车都处于故障状态 表1 2 各类混合动力汽车燃油经济性比较 1 9 混合动力汽车串联式并联式混联式 相对于原型车节油量 1 0 一1 5 1 5 一2 0 3 0 1 4 选题的依据 意义和研究路线 1 4 1 本文选题的依据及意义 混合动力汽车在现有技术的基础上达到了提高燃料经济性和减少排放的目 武汉理l 人学硕十学何论文 的 因而极具发展自订景 从目前的发展来看 汽车的排放法规r 趋严格化 同 时电子技术的迅猛发展都会进一步促进混合动力汽车的发展 混合动力汽车充 分吸取了电力 热力系统中最大的优势 在远途时使用热力发动机 在城市和过 渡阶段时使用电动机 如果调配合理的话 电力和热力的配合使用 将很大程 度地降低汽车的耗油量和污染物的排放 并同时提高驾驶乐趣 改善车辆行为 与传统型汽车相比 h e v 可以确保具有同等的性能和优势 而在节能和排放上 胜出一筹 对于本文所研究的串联式混合动力汽车而言 主要存在下列问题 1 2 3 2 4 2 5 1 1 在目前电池技术没取得重大突破之前 发动机 电机和电池之问的匹配 难以达到均衡 过多的使用电池会造成电池性能下降 寿命减少 发动 机输出功率太小难以满足动力性要求 太大又不利于燃油经济性和排 放 2 由于控制策略不够完善 导致整个混合动力系统没有实现真正意义上的 节油 3 对整个系统及策略的研发周期过长 研发前期若有大量的模拟仿真来辅 助匹配以及确定控制策略 则可大大缩短研发周期 而现有的仿真模型 大多为后向验证模型 达不到所要求的目的 对于混合动力汽车的动力性能和燃料经济性水平 通常是在进行实车道路 试验之后给予最后评价 这样做不但周期长 成本高 而且在产品设计阶段对 整车及各总成方案的确定 结构参数的选择 传动系参数与发动机的匹配等具 有一定的盲目性 可能遗漏较优的方案 造成浪费 如果在设计阶段 根据有关设计参数和驱动系统控制策略 利用计算机仿真 模拟对汽车动力性和燃料经济性进行预测 可以考察驱动系统参数是如何影响 汽车动力性和燃油经济性 并对其进行优化设计 此外 按预定的程序模拟各 种行驶工况 包括瞬变的非稳定工况 能全面地预测汽车在多种工况下的动力 性和燃油经济性 本论文针对天津清源公司与中通公司合作开发的混合动力大客车进行燃油 经济性的优化 研究整车的匹配及控制策略 旨在改善整车的运行性能 提高 其燃油经济性水平 在此基础上缩短整车开发周期 为后续的研发提供参考 1 4 2 本文的研究路线 本文通过城市工况和功率需求匹配合理的动力源与驱动电机 经过系统的 研究分析a p u 驱动电机和电池的工作特性选择适当的控制策略 根据试验结 果进行优化改进 加入控制策略后 采用前向模型对于动力总成仿真 并对比 1 2 武汉理i 人学硬十学协论文 试验结果进行分析 选择最合理的策略方案及匹配参数 从而达到理想的燃油 经济性指标 基本思路直 图i 6 所示 d d 图i 6 本文所用的技术路线 3 武汉理l 人学硕士学位论文 第二章 基于燃油经济性混合动力客车匹配分析 2 1 串联式混合动力客车总成分析 21 1 串联式混合动力客车结构 从第一章的分析可知 串并联混合动力车辆各有利弊 在决定混合动城市 客车选用串联还是并联驱动时 必须充分结合混合动力客车的运行工况和所要 侧重达到的目标 动力性 排放还是燃油经济性 着重从以下几个方面考虑 2 7 1 并联驱动的燃油经济性较串联好 而串联方案的排放更佳 目前 发 展混合动力客车的直接动力是改善公交客车的排放 所以 欧美前一阶段所生 产的掘台动力客车的产品 样车和演示车多采用串联布置 2 串联方案只有电动机直接驱动车轮这一驱动形式 电动机在低速时候绝 佳的扭矩特性使串联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 而城市工况对最高车速及爬坡度要求都较低 不需要太大的动力性 这点来说串联式更适合用于混合动力客车上 3 对于混合动力公交客车而言 会非常频繁地出现减速和停车等运行工 况 相对而言 采用串联布置更利于制动能量的回收 4 串联方案特点决定了其对电池组的依赖更强 但公交客车很规律的运行 工况使其具有对电池组进行均衡充电等维护的条件 5 串联方案具有 零排放 特性 这使它更适合于在排放要求极为严格的 中心市区内运行 行 简4 爬自 定i 机中 结 串霉 6 各自的技术特点决定了串联式混合动力汽车特别适合于在市内低速运 频繁的加速 减速 停车的复杂工况 而并联混合动力汽车更适合于路况 j m 抛动力单元 a p u 剐球黠 uu 面 持 圈2 l 串联式混合动力景统结构简翻 武汉理i 人学硕l 何论文 本车采用交流异步电机通过两速变速箱驱动车轮 其中二挡速比为r 常使 用速比 满足整车在平坦的城市道路的闩常公交运营要求 要求无需驾驶员挟 档操作实现车辆起步 加速 行驶 减速网馈等功能 低遮档仅用于爬坡 保 留纯 b 动运行功能 但是其性能指标只需要保汪低速运行1 0 公里左右即可