串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配計(jì)算

1、串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配計(jì)算    2012-05-21     論文導(dǎo)讀:以城市公交車為研究對(duì)象,介紹了混合動(dòng)力公交車的選型依據(jù)以及串聯(lián)式混合動(dòng)力公交車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的匹配計(jì)算方法,并結(jié)合城市公交運(yùn)行工況的特點(diǎn)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率MAP圖,對(duì)混合動(dòng)力公交車動(dòng)力傳動(dòng)系各部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),指出了在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題,使.    以城市公交車為研究對(duì)象,介紹了混合動(dòng)力公交車的選型依據(jù)以及串聯(lián)式混合動(dòng)力公交車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的匹配計(jì)算方法,并結(jié)合城市公交運(yùn)行工況的特點(diǎn)以及

2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率MAP圖,對(duì)混合動(dòng)力公交車動(dòng)力傳動(dòng)系各部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),指出了在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題,使動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化配置?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的分類及驅(qū)動(dòng)方案混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可分為串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和復(fù)合式電動(dòng)汽車。圖1中給出了以上4種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的功能分類。其中,電氣連接是雙向的,液壓連接是單向的,機(jī)械連接(包括離合器和齒輪)也是雙向的。B為蓄電池、E為內(nèi)燃機(jī)、F為油箱、G為發(fā)電機(jī)、M為電動(dòng)機(jī)、P為功率轉(zhuǎn)換器、T為傳動(dòng)裝置。串聯(lián)式方案和并聯(lián)式方案各有利弊,在決定混合動(dòng)力城市客車選用串聯(lián)還是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí),必須充分結(jié)合混合動(dòng)力城市客車的

3、運(yùn)行工況和所要側(cè)重達(dá)到的目標(biāo)(降低排放還是提高燃油經(jīng)濟(jì)性),著重從以下幾個(gè)方面考慮:并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)好,而串聯(lián)方案的排放更佳。串聯(lián)方案只有電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪這一驅(qū)動(dòng)形式,電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)絕佳的扭矩特性使串聯(lián)布置的混合動(dòng)力客車具有很好的加速性能,這對(duì)城市客車尤為重要;對(duì)于混合動(dòng)力城市客車而言,會(huì)非常頻繁地出現(xiàn)減速和停車等運(yùn)行工況,相對(duì)而言,采用串聯(lián)布置更利于制動(dòng)能量的回收;串聯(lián)方案的特點(diǎn)決定了其對(duì)電池組的依賴更強(qiáng),但城市客車規(guī)律的運(yùn)行工況使其具有對(duì)電池組進(jìn)行均衡充電等維護(hù)的條件;串聯(lián)方案與并聯(lián)方案相比較的劣勢(shì)之一是,電池、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率都比較大,從而使整車重量和成本上升幅度較

4、大,但這種上升幅度對(duì)大客車的影響相對(duì)較小;串聯(lián)方案具有"零排放"特性,這使它更適合于在排放要求極為嚴(yán)格的中心市區(qū)內(nèi)運(yùn)行;各自的技術(shù)特點(diǎn)決定了串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車特別適合于在市內(nèi)低速運(yùn)行、頻繁加速、減速和停車的復(fù)雜工況,而并聯(lián)混合動(dòng)力汽車更適合于路況簡(jiǎn)單的城市間公路及高速行駛的車輛。綜合考慮,決定采用由技術(shù)成熟的鉛酸電池、交流感應(yīng)電機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所組成的串聯(lián)布置的驅(qū)動(dòng)類型。整車參數(shù)、動(dòng)力性與目標(biāo)工況目前的混合動(dòng)力城市客車研究,通常是從某一種成熟的常規(guī)車型出發(fā),按照既定的整車設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改造和重新設(shè)計(jì)。而參數(shù)匹配的初始條件包括了從原車型和設(shè)計(jì)目標(biāo)獲得的整車參數(shù)。表1為

5、混合動(dòng)力城市客車整車參數(shù)的目標(biāo)值。表1混合動(dòng)力城市客車的整車參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值整車整備質(zhì)量/kg 9 500整車滿載質(zhì)量/kg 14 700廠定載客人數(shù)/人45迎風(fēng)面積/m27. 66輪胎滾動(dòng)半徑/m 0. 48傳動(dòng)系統(tǒng)效率0. 95空載(前橋/后橋) /kg 3 500/6 000滿載(前橋/后橋) /kg 5 200/9 500長(zhǎng)×寬×高/mm 12 000×2 500×3 350前懸/mm 2 650后懸/mm 3 370風(fēng)阻系數(shù)0. 70滾動(dòng)阻力0. 01根據(jù)混合動(dòng)力城市客車樣車的設(shè)計(jì)要求,其整車各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)應(yīng)滿足如下要求:最高車速為80 k

6、m/h;最大爬坡度不小于20%;050 km/h全力加速時(shí)間不超過40 s。不同的目標(biāo)工況對(duì)電機(jī)的功率需求和動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)提出不同的要求,采用不同動(dòng)力系統(tǒng)的HEVBUS,其提高燃料經(jīng)濟(jì)性的效果對(duì)工況也有較強(qiáng)的依賴性。因此,選取適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)工況對(duì)HEVBUS的參數(shù)匹配非常重要。混合動(dòng)力城市客車在城市內(nèi)行駛和在城郊公路上行駛是兩種比較典型而差異較大的行駛狀態(tài),以此為基礎(chǔ)可得到兩種基本的循環(huán)工況。這兩種虛擬工況在HEVBUS的參數(shù)匹配中都應(yīng)予以考慮,同時(shí)還應(yīng)考慮到國(guó)外客車的一些典型循環(huán)工況的設(shè)計(jì)需求?；旌蟿?dòng)力客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配城市交通特征城市公交車輛普遍是低速擋使用率高、平均車速低、負(fù)荷率變化

7、大,且各站距離較短、原地起步加速次數(shù)較多,同時(shí)由于等待紅綠燈和乘客上下車的原因,原地怠速時(shí)間比其他車輛時(shí)間長(zhǎng),在行駛過程中約有20% 40%的時(shí)間處于滑行狀態(tài)。因此,在公交車輛匹配設(shè)計(jì)時(shí),其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)反映出這種使用工況的特點(diǎn),應(yīng)考慮城市交通特征的參數(shù)匹配。表2城市公交循環(huán)工況的特點(diǎn)循環(huán)次數(shù)行駛時(shí)間/s行駛距離/km平均車速/km/h最高車速/km/h最高加速度/m/s2怠速時(shí)間/s怠速時(shí)間比/%2 2 628 11. 6 15. 89 60 0. 914 762 293.2車輛行駛需求功率汽車的功率平衡關(guān)系滿足如下的方程式:Pe=1T(Pf+Pw+Pi+Pj) =1Tmgfu

8、acos3 600+mguasin3 600+CDAu3a76 140+mua3 600dudt式中,Pe為車輛需求總功率;Pf為車輛克服滾動(dòng)阻力所需功率;Pw為車輛克服坡道阻力所需功率;Pi為車輛克服風(fēng)阻所需功率;Pj為車輛克服加速阻力所需功率;m為整車滿載質(zhì)量;ua為車輛行駛速度;A為迎風(fēng)面積;CD為空氣阻力系數(shù);g為重力加速度;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);為坡度角,=arctani;為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);T為電動(dòng)機(jī)到車輪的機(jī)械效率。最高車速umax的功率需求。汽車的最高車速是指汽車在良好路面上直線行駛時(shí)能達(dá)到的最高行駛車速。此時(shí)汽車應(yīng)以最高檔行駛,且坡度阻力和加速阻力皆為零。串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)客車動(dòng)

9、力系統(tǒng)匹配計(jì)算T =t0dt =vx0dua式中,Px為全力加速時(shí)電機(jī)對(duì)應(yīng)車速va的實(shí)際輸出功率。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的外特性,得到恒轉(zhuǎn)矩區(qū)每一車速對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出功率Px以及恒功率區(qū)的電機(jī)輸出功率P3。筆者針對(duì)研究的公交車,利用上述公式,代入整車參數(shù)可得到最高車速(持續(xù)行駛30 min的最高車速)、最大爬坡度以及全力加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛功率需求(一般客車的風(fēng)阻系數(shù)CD在0.50.8之間,本次計(jì)算取0.7,一般在良好的瀝青或混凝土路面上滾動(dòng)阻力系數(shù)fr在0.0100.018之間,本次計(jì)算取0.014,傳動(dòng)系效率T取為0. 85),其計(jì)算結(jié)果如表3所示。整車動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的車輛功率動(dòng)力性指標(biāo)性能要求計(jì)算的功率需求最高車速/km /h 80滿足最高車速行駛30 min,電機(jī)提供的持續(xù)輸出功率不小于P1=95. 17 kW最大爬坡度/%20滿足以10 km /h的速度爬20%的坡,對(duì)應(yīng)的車輛功率需求為P2=98. 82 kW050 km /h加速時(shí)間/s40滿足全力加速時(shí)間條件的最小車輛功率需求為P3>57. 80 kW3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇在電動(dòng)汽車上,驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器是