串联式混合动力电动客车动力系统匹配计算

1、串联式混合动力电动客车动力系统匹配计算    2012-05-21     论文导读:以城市公交车为研究对象,介绍了混合动力公交车的选型依据以及串联式混合动力公交车动力驱动系统的匹配计算方法,并结合城市公交运行工况的特点以及驱动电机的效率MAP图,对混合动力公交车动力传动系各部件参数进行优化设计,指出了在设计过程中应注意的问题,使.    以城市公交车为研究对象,介绍了混合动力公交车的选型依据以及串联式混合动力公交车动力驱动系统的匹配计算方法,并结合城市公交运行工况的特点以及

2、驱动电机的效率MAP图,对混合动力公交车动力传动系各部件参数进行优化设计,指出了在设计过程中应注意的问题,使动力系统达到最优化配置。混合动力电动汽车的分类及驱动方案混合动力电动汽车可分为串联式混合动力电动汽车、并联式混合动力电动汽车、混联式混合动力电动汽车和复合式电动汽车。图1中给出了以上4种混合动力电动汽车的功能分类。其中,电气连接是双向的,液压连接是单向的,机械连接(包括离合器和齿轮)也是双向的。B为蓄电池、E为内燃机、F为油箱、G为发电机、M为电动机、P为功率转换器、T为传动装置。串联式方案和并联式方案各有利弊,在决定混合动力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城市客车的

3、运行工况和所要侧重达到的目标(降低排放还是提高燃油经济性),着重从以下几个方面考虑:并联驱动的燃油经济性比串联好,而串联方案的排放更佳。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;对于混合动力城市客车而言,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;串联方案的特点决定了其对电池组的依赖更强,但城市客车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;串联方案与并联方案相比较的劣势之一是,电池、电机、发动机和发电机的功率都比较大,从而使整车重量和成本上升幅度较

4、大,但这种上升幅度对大客车的影响相对较小;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;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行、频繁加速、减速和停车的复杂工况,而并联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。综合考虑,决定采用由技术成熟的铅酸电池、交流感应电机和柴油发动机所组成的串联布置的驱动类型。整车参数、动力性与目标工况目前的混合动力城市客车研究,通常是从某一种成熟的常规车型出发,按照既定的整车设计目标对其动力系统进行改造和重新设计。而参数匹配的初始条件包括了从原车型和设计目标获得的整车参数。表1为

5、混合动力城市客车整车参数的目标值。表1混合动力城市客车的整车参数参数名称参数值整车整备质量/kg 9 500整车满载质量/kg 14 700厂定载客人数/人45迎风面积/m27. 66轮胎滚动半径/m 0. 48传动系统效率0. 95空载(前桥/后桥) /kg 3 500/6 000满载(前桥/后桥) /kg 5 200/9 500长×宽×高/mm 12 000×2 500×3 350前悬/mm 2 650后悬/mm 3 370风阻系数0. 70滚动阻力0. 01根据混合动力城市客车样车的设计要求,其整车各项动力性能指标应满足如下要求:最高车速为80 k

6、m/h;最大爬坡度不小于20%;050 km/h全力加速时间不超过40 s。不同的目标工况对电机的功率需求和动力系统参数的设计提出不同的要求,采用不同动力系统的HEVBUS,其提高燃料经济性的效果对工况也有较强的依赖性。因此,选取适当的目标工况对HEVBUS的参数匹配非常重要。混合动力城市客车在城市内行驶和在城郊公路上行驶是两种比较典型而差异较大的行驶状态,以此为基础可得到两种基本的循环工况。这两种虚拟工况在HEVBUS的参数匹配中都应予以考虑,同时还应考虑到国外客车的一些典型循环工况的设计需求。混合动力客车驱动系统的参数匹配城市交通特征城市公交车辆普遍是低速挡使用率高、平均车速低、负荷率变化

7、大,且各站距离较短、原地起步加速次数较多,同时由于等待红绿灯和乘客上下车的原因,原地怠速时间比其他车辆时间长,在行驶过程中约有20% 40%的时间处于滑行状态。因此,在公交车辆匹配设计时,其动力传动系统匹配的评价指标应反映出这种使用工况的特点,应考虑城市交通特征的参数匹配。表2城市公交循环工况的特点循环次数行驶时间/s行驶距离/km平均车速/km/h最高车速/km/h最高加速度/m/s2怠速时间/s怠速时间比/%2 2 628 11. 6 15. 89 60 0. 914 762 293.2车辆行驶需求功率汽车的功率平衡关系满足如下的方程式:Pe=1T(Pf+Pw+Pi+Pj) =1Tmgfu

8、acos3 600+mguasin3 600+CDAu3a76 140+mua3 600dudt式中,Pe为车辆需求总功率;Pf为车辆克服滚动阻力所需功率;Pw为车辆克服坡道阻力所需功率;Pi为车辆克服风阻所需功率;Pj为车辆克服加速阻力所需功率;m为整车满载质量;ua为车辆行驶速度;A为迎风面积;CD为空气阻力系数;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;为坡度角,=arctani;为旋转质量换算系数;T为电动机到车轮的机械效率。最高车速umax的功率需求。汽车的最高车速是指汽车在良好路面上直线行驶时能达到的最高行驶车速。此时汽车应以最高档行驶,且坡度阻力和加速阻力皆为零。串联式混合动力电动客车动

9、力系统匹配计算T =t0dt =vx0dua式中,Px为全力加速时电机对应车速va的实际输出功率。根据驱动电机工作的外特性,得到恒转矩区每一车速对应的电机输出功率Px以及恒功率区的电机输出功率P3。笔者针对研究的公交车,利用上述公式,代入整车参数可得到最高车速(持续行驶30 min的最高车速)、最大爬坡度以及全力加速时间对应的车辆功率需求(一般客车的风阻系数CD在0.50.8之间,本次计算取0.7,一般在良好的沥青或混凝土路面上滚动阻力系数fr在0.0100.018之间,本次计算取0.014,传动系效率T取为0. 85),其计算结果如表3所示。整车动力性指标对应的车辆功率动力性指标性能要求计算的功率需求最高车速/km /h 80满足最高车速行驶30 min,电机提供的持续输出功率不小于P1=95. 17 kW最大爬坡度/%20满足以10 km /h的速度爬20%的坡,对应的车辆功率需求为P2=98. 82 kW050 km /h加速时间/s40满足全力加速时间条件的最小车辆功率需求为P3>57. 80 kW3.3驱动电机的选择在电动汽车上,驱动电机及其控制器是