串聯(lián)式混合動力電動客車動力系統(tǒng)匹配計算

1、串聯(lián)式混合動力電動客車動力系統(tǒng)匹配計算    2012-05-21     論文導讀:以城市公交車為研究對象,介紹了混合動力公交車的選型依據以及串聯(lián)式混合動力公交車動力驅動系統(tǒng)的匹配計算方法,并結合城市公交運行工況的特點以及驅動電機的效率MAP圖,對混合動力公交車動力傳動系各部件參數進行優(yōu)化設計,指出了在設計過程中應注意的問題,使.    以城市公交車為研究對象,介紹了混合動力公交車的選型依據以及串聯(lián)式混合動力公交車動力驅動系統(tǒng)的匹配計算方法,并結合城市公交運行工況的特點以及

2、驅動電機的效率MAP圖,對混合動力公交車動力傳動系各部件參數進行優(yōu)化設計,指出了在設計過程中應注意的問題,使動力系統(tǒng)達到最優(yōu)化配置?；旌蟿恿﹄妱悠嚨姆诸惣膀寗臃桨富旌蟿恿﹄妱悠嚳煞譃榇?lián)式混合動力電動汽車、并聯(lián)式混合動力電動汽車、混聯(lián)式混合動力電動汽車和復合式電動汽車。圖1中給出了以上4種混合動力電動汽車的功能分類。其中,電氣連接是雙向的,液壓連接是單向的,機械連接(包括離合器和齒輪)也是雙向的。B為蓄電池、E為內燃機、F為油箱、G為發(fā)電機、M為電動機、P為功率轉換器、T為傳動裝置。串聯(lián)式方案和并聯(lián)式方案各有利弊,在決定混合動力城市客車選用串聯(lián)還是并聯(lián)驅動時,必須充分結合混合動力城市客車的

3、運行工況和所要側重達到的目標(降低排放還是提高燃油經濟性),著重從以下幾個方面考慮:并聯(lián)驅動的燃油經濟性比串聯(lián)好,而串聯(lián)方案的排放更佳。串聯(lián)方案只有電動機直接驅動車輪這一驅動形式,電動機在低速時絕佳的扭矩特性使串聯(lián)布置的混合動力客車具有很好的加速性能,這對城市客車尤為重要;對于混合動力城市客車而言,會非常頻繁地出現(xiàn)減速和停車等運行工況,相對而言,采用串聯(lián)布置更利于制動能量的回收;串聯(lián)方案的特點決定了其對電池組的依賴更強,但城市客車規(guī)律的運行工況使其具有對電池組進行均衡充電等維護的條件;串聯(lián)方案與并聯(lián)方案相比較的劣勢之一是,電池、電機、發(fā)動機和發(fā)電機的功率都比較大,從而使整車重量和成本上升幅度較

4、大,但這種上升幅度對大客車的影響相對較小;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格的中心市區(qū)內運行;各自的技術特點決定了串聯(lián)式混合動力汽車特別適合于在市內低速運行、頻繁加速、減速和停車的復雜工況,而并聯(lián)混合動力汽車更適合于路況簡單的城市間公路及高速行駛的車輛。綜合考慮,決定采用由技術成熟的鉛酸電池、交流感應電機和柴油發(fā)動機所組成的串聯(lián)布置的驅動類型。整車參數、動力性與目標工況目前的混合動力城市客車研究,通常是從某一種成熟的常規(guī)車型出發(fā),按照既定的整車設計目標對其動力系統(tǒng)進行改造和重新設計。而參數匹配的初始條件包括了從原車型和設計目標獲得的整車參數。表1為

5、混合動力城市客車整車參數的目標值。表1混合動力城市客車的整車參數參數名稱參數值整車整備質量/kg 9 500整車滿載質量/kg 14 700廠定載客人數/人45迎風面積/m27. 66輪胎滾動半徑/m 0. 48傳動系統(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×寬×高/mm 12 000×2 500×3 350前懸/mm 2 650后懸/mm 3 370風阻系數0. 70滾動阻力0. 01根據混合動力城市客車樣車的設計要求,其整車各項動力性能指標應滿足如下要求:最高車速為80 k

6、m/h;最大爬坡度不小于20%;050 km/h全力加速時間不超過40 s。不同的目標工況對電機的功率需求和動力系統(tǒng)參數的設計提出不同的要求,采用不同動力系統(tǒng)的HEVBUS,其提高燃料經濟性的效果對工況也有較強的依賴性。因此,選取適當的目標工況對HEVBUS的參數匹配非常重要?；旌蟿恿Τ鞘锌蛙囋诔鞘袃刃旭偤驮诔墙脊飞闲旭偸莾煞N比較典型而差異較大的行駛狀態(tài),以此為基礎可得到兩種基本的循環(huán)工況。這兩種虛擬工況在HEVBUS的參數匹配中都應予以考慮,同時還應考慮到國外客車的一些典型循環(huán)工況的設計需求?；旌蟿恿蛙囼寗酉到y(tǒng)的參數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、負荷率變化

7、大,且各站距離較短、原地起步加速次數較多,同時由于等待紅綠燈和乘客上下車的原因,原地怠速時間比其他車輛時間長,在行駛過程中約有20% 40%的時間處于滑行狀態(tài)。因此,在公交車輛匹配設計時,其動力傳動系統(tǒng)匹配的評價指標應反映出這種使用工況的特點,應考慮城市交通特征的參數匹配。表2城市公交循環(huán)工況的特點循環(huán)次數行駛時間/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怠速時間/s怠速時間比/%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為整車滿載質量;ua為車輛行駛速度;A為迎風面積;CD為空氣阻力系數;g為重力加速度;f為滾動阻力系數;為坡度角,=arctani;為旋轉質量換算系數;T為電動機到車輪的機械效率。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能達到的最高行駛車速。此時汽車應以最高檔行駛,且坡度阻力和加速阻力皆為零。串聯(lián)式混合動力電動客車動

9、力系統(tǒng)匹配計算T =t0dt =vx0dua式中,Px為全力加速時電機對應車速va的實際輸出功率。根據驅動電機工作的外特性,得到恒轉矩區(qū)每一車速對應的電機輸出功率Px以及恒功率區(qū)的電機輸出功率P3。筆者針對研究的公交車,利用上述公式,代入整車參數可得到最高車速(持續(xù)行駛30 min的最高車速)、最大爬坡度以及全力加速時間對應的車輛功率需求(一般客車的風阻系數CD在0.50.8之間,本次計算取0.7,一般在良好的瀝青或混凝土路面上滾動阻力系數fr在0.0100.018之間,本次計算取0.014,傳動系效率T取為0. 85),其計算結果如表3所示。整車動力性指標對應的車輛功率動力性指標性能要求計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,對應的車輛功率需求為P2=98. 82 kW050 km /h加速時間/s40滿足全力加速時間條件的最小車輛功率需求為P3>57. 80 kW3.3驅動電機的選擇在電動汽車上,驅動電機及其控制器是