混合传输系统（共11篇）
混合传输系统 篇1
摘要：针对感应耦合电能传输(CPT)系统中的信号传输问题,提出一种基于能量通道的数字信号传输方法。该方法通过切换谐振逆变器开关管的软开关周期来对数字信号进行调幅调制,电能接收端在通过功率调节单元接收电能的同时,提取调制信号特征并进行信号复原,在不改变感应耦合电能传输系统主电路拓扑结构的情况下,实现了传输数字信号。介绍了信号传输原理,分析了功率与信号混合传输特性,以及和信号传输效率之间的关系,并进行了实验验证。
关键词：感应耦合电能传输,能量调制,软开关
1 引言
感应耦合电能传输(CPT)技术是一种基于电磁感应耦合原理的非接触式电能传输技术。通过一次侧、二次侧线圈间的耦合磁场实现电能从静止电源系统向一个或多个可移动用电设备的非电气直接接触电能传输方式[1]。然而在随钻井下通信、医用体内植入系统等设备应用时需要实时检测系统的工作状态或传递控制指令,因此系统需要在非接触传输电能的同时实现信号的同步传输。研究发现由于感应电能传输系统中磁能转换机构及高频电能逆变器的存在,如果电能与信号分别用两个通道传输,电能对信号的传输有很强电磁干扰问题。因此需要研究适应于感应电能传输系统中基于能量传输通道的信号有效传输方法,实现电能与信号的同步传输。感应式电能与信号混合传输技术就是在非接触电能传输的同时传输数字信号,电能与信号共用一个电磁耦合机构和感应线圈。
目前,CPT系统中信号传输有以下三种方法,方法一:在能量传输电磁耦合机构中增设一对信号传输线圈[2]。该方法信号解调部分需要做滤波等处理,增加了系统设计的复杂度,同时电能干扰问题严重。方法二:通过对极谐振逆变器的控制,使得发射线圈电流幅值持续过零.在过零时段进行信号的传输[2]。该方法中发射线圈电流断续,对次级电能拾取电路要求复杂,并且对电路参数要求高,电路的鲁棒性差。方法三:在主电路上增设开关器件,通过改变逆变器电能流的幅值传输数据[3]。该方法中的逆变器只能工作在小功率的情况下。文中根据CPT系统谐振变换器存在多软开关工作点的特性,提出一种基于切换谐振逆变器开关管软开关周期的信号调制方法。该方法解决了CPT系统中传输数字信号需要增设一组线圈的问题,同时传输数字信号时电能电流不断续。
2 系统结构及信号传输原理
2.1 系统结构
图1所示为本文提出的一种带信号传输的CPT系统原理结构图,该结构图在原来CPT系统基础上增加了初级回路的信号调制部分和次级回路的信号提取与复原部分。在功率传输电路中通过调制器改变谐振变换器的开关控制周期,可以将传输数据调制于功率信号上,另外在不改变原有非接触电能传输拓扑的基础上完成传输数字信号的任务。由于电能本身携带数字信号,所以使用这种传输方法信号与能量传输之间不存在相互干扰。由于信号传输过程中载波频率不发生变化,所以不存在相频失真和幅频失真。其工作原理如图1(a)(b)所示。
2.2 信号调制原理分析
图1(a)所示的电能高频逆变器是一种串联谐振型逆变器,主要由电流检测单元,软开关切换控制器和四个开关管S1-S4以及一个谐振网络组成。为了提高功率传输效率,要求其全桥逆变器工作于软开关状态,对初级谐振电流周期函数i*p(t)=0求解计算得知原边谐振电流周期函数存在一系列过零点,如图2所示。这些过零点对应的时间都是系统ZCS周期[4],如图1所示系统通过调制器控制开关管的触发脉冲周期在T1(A点对应的时间)与T3(C点对应的时间)之间切换,把需要传输的数字信号加载到初级线圈的谐振电流上,形成综合能量信息流传递到次级回路。
当数字信号为1时,调制器产生周期为T1的控制脉冲触发开关管的通断,初级电路在电感上形成高频交流电流。电容CP、电感LP和电阻构成谐振网络,图3依次为初级发射线圈的电流、开关管S2/S3触发脉冲,开关管S1/S4触发脉冲的Matlab仿真波形。从图中可以看出触发脉冲在谐振电流每个半波切换一次,都发生在电流过零时刻。工作点A是系统的通常的基波谐振频率点,系统工作在基波谐振状态。
当数字信号为0时,调制器产生周期为T3的控制脉冲触发开关管的通断。因为谐振电路阻尼系数的存在,当控制脉冲周期增大时初级电感储能减少,因此初级发射线圈电流减小,图4所示依次为初级发射线圈的电流波形,开关管S2/S3触发脉冲,开关管S1/S4触发脉冲。可以看出当开关的切换频率降低为T1的1/3,触发脉冲在谐振电流每3个半波切换一次,电流的幅值也约为其1/3。但电流的频率与基波谐振频率一致,因此如果系统在这两点之间切换,将不会导致电流波形突变。
图1(b)示为次级回路,拾取线圈(电感LS)将感应到的电流转换成电压,再经过信号提取与复原电路得到被传输信号。由于初级线圈电流幅值发生变化,因此不能直接与负载相连,为了减小信号传输带给能量传输的影响,必须在能量的拾取端进行功率调节。功率调节方法有很多,通常是在副边拾取端整流滤波后加DC/DC变换器调节输出电压,或是副边短路解耦控制,在拾取线圈上并联一个短路开关,以一定的频率及占空比控制拾取端解耦就可以调节拾取到的功率。
3 能量与信号混合传输特性分析
能量与信号混合传输是通过改变逆变器的控制频率使数字信号调制到能量电流波形上,由于谐振网络作为综合能量信息流的传输通道,因此谐振网络的阻抗特性将影响功率传输特性与信号传输特性。
3.1 功率传输特性分析
由于感应电能与信号传输过程是通过近场耦合完成的,假设没有向外辐射能量。初级谐振网络的等效电路由图5所示,R′11为次级回路折射到初级的反射电阻,X′11为次级回路折射到初级的反射电抗。初级回路发送功率为:
式中P1—消耗在发送电路上的功率
P2—次级电路接收的功率
当感应电能传输时,电路工作在谐振状态。这时X11+X′11=0次级电路接收到的功率:
设
得
式中k—功率耦合因子
由(4)式可以看出当λ=1时,次级电路接收到来自初级电路的功率最大。因此设计系统时应调整参数使得R11=R′11次级电路接收到的功率最大,此时。
3.2 信号传输效率分析
在感应式能量与信号混合传输中,信号载波即为电能,次级线圈接收到的可知感应信号传输效率:
由(3)式可知(5)可表示为。从式(5)中可知信号传输效率η随λ的增大而增大,在感应式电能与信号混合传输过程中,要保证能量的传输效率最大。此时λ=1,信号传输效率η=50%。
3.3 信号提取与复原
电感Lsense将接收线圈电感LS中的电流转换成电压Vin,信号提取与复原是通过检测副边电压的幅值变化来实现的。图6是一种实现电路,该电路包含两路不同参数设计的包络检波器和一个比较器。
包络检波器1由D1,C1和R1组成。RS,CS构成的低通滤波器用于滤去高频电能。当2π/ω≪R1C1≪τ(τ为避免惰性失真的最大截止时间)时,电压Vout1反映输入电压Vin的包络变化。包络检波器2基本结构与包络检波1一致,只是电路设计的参数不同,当R2C2≫τ,输出电压Vout2基本不变,可认为是直流,再经过电阻R5,R6分压,将分压后的电压Vout3作为判决电压,比较器输出信号,实现了信号的提取与复原。
4 实验分析
为了验证本方法的可行性,搭建了电路参数如表1所示基于CPT系统的能量与信号混合传输实验电路,实验测试波形如图7至图9所示。
图7中为待传输的数字信号和初级电感电压波形。由图可以看出,在不同的数字信号时,初级电感电压幅值发生变化。
图8中为拾取电感LS电压波形与负载电压波形,调幅调制后的电能经过功率调节器和稳压环节。输出了平稳的直流电压供给负载。
图9中为包络检波器1的Vout1输出波形,包络检波器2的输出经过分压Vout3的波形以及复原的被传输信号。
5 结论
在CPT系统中,提出基于能量通道实现数字信号传输的方法。该方法通过切换开关管控制脉冲频率的方式,在原副边耦合线圈间形成综合能量信息流,电能接收端在接受电能的同时,提取被调制信号的特征并进行信号复原。搭建了实验平台,验证了本方法的可行性,为CPT系统中信号传输提供了新的思路。
参考文献
[1]Boys J T,Green A W.Inductively coupled power trans-mission concept-design and application[J].IPENZTrans.,1995,22(1):1-9.
[2]T Bieler,M Perrottet,V Nguyen,et al.Contactless pow-er and information transmission[J].IEEE Trans.Indus-try Applications,2002,38(5):1266-1272.
[3]周锦锋,孙跃,苏玉刚(Zhou Jinfeng,Sun Yue,Su Yu-gang).感应耦合电能与信号同步传输技术研究(Syn-chronous transmission of inductively coupled power andsignal[J].重庆工学院学报(J Chongqing Inst.Tech.),2009,(4):12-17.
[4]C S Tang,Y Sun,Y G Su,et al.Determining multiplesteadystate ZCS operating points of a switchmode contact-less power transfer system[J].IEEE Trans.Power Elec-tronics,2009,24(2):416-425.
浅谈汽车混合动力系统 篇2
摘 要：随着国家环境保护法规越来越严格，以及人们对汽车排放和能量利用率提出了越来越高的要求，汽车企业迎来新的挑战和机遇，即要求现代汽车具有高机动性、通过性，又要求具有低油耗、高能量利用率。于是很多汽车企业开始研发新的动力驱动系统，以节省资源。本文主要针对一种新型动力系统-汽车混合动力系统的匹配研究进行简要阐述。
关键词：混合动力;发动机;控制策略;燃油经济性;降低排放;数字模型
1 汽车混合动力系统功能概述
汽车混合动力系统是一套多种能量转化器组合驱动汽车的系统，分为主动驱动系统和辅助驱动单元，二者合到一起共同形成汽车的动力驱动系统。目前最具实用性及商业价值的混合动力汽车为燃油发动机主驱和电力马达辅驱结合系统汽车。其按照动力传输路线不同分为：串联式动力传动系、并联式动力传动系和混联式动力传动系三种形式，混合式又分开关式和分路式两种结构。
其工作原理：当汽车高速行驶时，其燃油发动机提供主要动力，保证汽车具备足够通过性、动力性，同时具备发动机最佳工作状态。当汽车行驶在城市路况或堵塞工况时，汽车处于低速或停止启动状态，通过传感器和控制系统，控制电力马达驱动系统驱动汽车，同时发动机停止工作或保持最佳工作状态，从而既降低了能量损耗，又保证了汽车动力性和低排放。
2 汽車混合动力系统优、缺点
汽车混合动力系统作为一种新型的动力组合形式，继承了电动马达驱动系统低排放优点，同时又具有燃油驱动系统很高的比能量和比功率的特点。使现代汽车相对传统汽车在通过性、动力性、操控性、NVH舒适性等方面具有显著提高，降低了汽车尾气排放，节省了燃油，提高了汽车续航行程。对于不同的混合动力系统，其优点如下。
串联式：优点是汽车各个行驶工况下对发动机单独进行控制，控制简单灵活，使发动机工作稳定在高效区或低排放区。缺点是发动机综合效率较低，能量首先转化成电能，才能控制电动马达，转化过程中伴有较大能量损失，且布置结构复杂。（图1）
并联式：优点是发动机与马达可以独立控制汽车驱动力，中间能量转化损失较少。缺点是需要复杂的控制系统及控制策略，造成研发及匹配成本增加，控制复杂、困难。（图2）
混联式：通过简单机械结构，使系统具备串联和并联之间的切换操作。其综合了串、并联布置方案的优缺点，其优点是对发动机分别进行串、并联操作，串联解放了发动机，并联保证了整车动力性，所以性能上占绝对优势。缺点是布置要求更高、更复杂，研发及匹配成本更高。（图3）
3 汽车混合动力系统匹配流程及注意事项
3.1 混合动力系统匹配流程
图4
3.2 混合动力系统匹配注意事项
汽车混合动力系统匹配主要目的是提高汽车燃油经济性，降低排放，优化控制系统策略、参数，使汽车真正在通过性、动力性、操控性、NVH舒适性等方面得到显著提高。其匹配过程复杂繁琐，过程注意事项如下。
①控制策略及控制参数的合理选取对动力系统有进一步改善效果，所以在仿真分析时可采用选取多组数据进行对比计算，分析差距。②在进行台架及实车标定测试时，尽量优化控制参数在仿真最佳效果，同时要考虑制造工艺过程的难易程度，以便保证开发成本。③数字模型建立包括发动机使用外特性建模、万有特性建模、电池充放电建模、电动马达的输出与效率特性建模等方面，数字模型仿真结果应与实车测试结果对比，结合进行优化。④仿真匹配过程要考虑汽车驱动形式、不同工况等影响要素。⑤匹配过程除采用试验优化参数外，也可采用标杆对比优化方法，这样可以减少标定次数，降低标定试验开发成本。
4 汽车混合动力系统发展趋势
目前国内外混合动力汽车处于高端发展阶段，相对传动汽车生产量较少，但其具有很大的推广及研发价值，国外混合动力汽车典型代表有日本丰田PRIUSE、本田INSIGHT、雷诺Kangoo、雷克萨斯CT500，国内混合动力汽车典型代表有比亚迪“秦”、荣威550plug-in、江淮和悦。基于混合动力系统的优点，国内外很多整车企业都在积极地进行混合动力系统研究，国外如美国通用、美国福特、法国雷诺、意大利菲亚特等，国内如比亚迪、吉利、福田、长城等。
国内外关于汽车混合动力系统研究表明，混合动力系统串联方式布置结构在未来会应用在大型汽车上，包含城市公交、大型客车或货车及军用汽车，它们共同特点是电池大小、重量不会影响汽车的布置结构及汽车通过性能，便于发挥汽车能量利用率。并联及混联布置结构将会应用在以轿车为首的小型汽车上，便于充分发挥汽车燃油经济性，并且随着电子控制技术的发展，混合动力系统混联方式在未来的应用中更加具有吸引力。
参考文献：
[1]孙逢春，程夕明.电动汽车动力驱动系统现状及发展[J].汽车工程，2000（22）.
数据与服务混合加载系统 篇3
申请公布日:2016.10.26
申请人:中国地质调查局发展研究中心
地址:100037北京市西城区阜外大街45号
发明人:周顺平;李晨阳;万波;胡茂胜;左泽均;叶亚琴;杨林;商云涛
Int.Cl.:G06F17/30 (2006.01) I
混合传输系统 篇4
空间数据传输系统中,音、视频数据的传输变得越来越重要.由于音、视频传输对等时性和实时性要求高,并且视频数据的速率高,数据量大,传统的做法是为音、视频信息单独开辟一个信道传输,但这样会耗费大量的资源.而将视频、音频和异步数据混合复接传输,可以提高信道利用率.针对这种任务,利用国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)高级在轨系统(AOS)建议,提出了两级复用的方案和虚拟信道调度的.算法,以满足视频、音频数据传输的等时性和异步数据传输的灵活性,并设计了演示系统.
作 者：公绪晓 白云飞 GONG Xu-xiao BAI Yun-fei 作者单位：公绪晓,GONG Xu-xiao(中国科学院,空间科学与应用研究中心,北京,100080;中国科学院,研究生院,北京,100049)
白云飞,BAI Yun-fei(中国科学院,空间科学与应用研究中心,北京,100080)
混合传输系统 篇5
（吉利汽车研究院有限公司，杭州 311228）
近年来，节油、低排放等成为汽车消费的重要指标，混合动力汽车适应这种节能与环保的要求，正日益成为汽车发展的前沿方向。
不同于传统汽车对发动机或者自动变速器进行冷却，混合动力汽车还需要对电机控制器、动力电池等新增零部件进行冷却。由于同时装有发动机和电动机两种动力装置，在不同的运行工况下，两种动力装置运行的状态不同，对冷却的需求也不同。各个关键零部件对工作温度的要求不同，表1列出了各热源的目标工作温度。
按照表1所示，各大热源的目标控制温度相差较大，不能共用冷却系统，相比传统车而言，需要增加三套冷却系统，此外由于动力电池的冷却采用风冷，具有不同冷却原理。本文中将对发动机、电机控制器、动力合成箱等冷却进行较为详细讨论，动力电池的冷却只做部分介绍。
1 深度混合动力汽车系统分析
1.1 车辆运行工况以及相应的冷却系统分析
混合动力汽车采用发动机和电动机双动力源的结构方案［1］，典型工况包括正向行驶时，纯电动、发动机驱动、混合驱动、制动等动力模式；逆向行驶除电量不足时采用混合动力，一般为电动模式；滑行时，动能回收，具有为电池充电的动力模式；冷却系统工况分析如下。
（1）纯电动模式。在冷启动、怠速以及小负荷工况下，混合动力汽车以纯电动动力运行，发动机不参与驱动，不需要冷却；电机运行输出动能，控制器运行，需要进行冷却；动力合成箱传动输出能量，需要冷却。
（2）混合动力模式。中等负荷时，开始转变为混合动力驱动，发动机启动，耗散热能开始产生，冷却系统需要开始参与运行；电机持续运行输出能量，控制器部分需要冷却；动力合成箱传动输出能量，需要冷却。大负荷以及加速运行时，发动机与电机都有动力输出，动力合成箱传动输出能量，各部分都需要冷却。电量不足时，发动机输出动力，需要冷却；电机开始充电，电机控制器运行，需要冷却；动力合成箱传动输出能量，需要冷却。
（3）制动、滑行模式。制动、滑行时回收能量，发动机不输出动力，并将动能尽快转化为电能，不需要冷却；但是如果发动机不断油，则需要冷却。此时电机变为发电机，能量回收至电池，电机控制器需要冷却；动力合成箱传动输出能量，需要冷却。
实际车辆运行时，路况具有复杂性，热量的传导存在时间累积，运行模式会频繁转化，如果采用热量来进行计算将会很不方便，按照需要散热的功率来计算分析，问题将会得到简化。
1.2 系统特点
通过分析整车运行工况可以得出冷却系统具有下面几个特点。
（1）混合动力汽车冷却系统应该具有分别满足发动机、电机控制器、动力合成箱等的冷却要求的冷却系统，这三个冷却系统具有独立的动力源（泵）和循环流。
（2）发动机、电机控制器、动力合成箱各一套独立的冷却系统，各系统按需调节冷却流量，相对共用冷却系统更节能。
（3）多套系统控制难度增加。同时因发动机、电机控制器、动力合成箱布置在整车机舱中，散热器集中在机舱前端布置，对机舱布置要求较高。
（4）电池系统因工作温度接近乘员舱温度，采用乘员舱抽风冷却，布置便利。
1.3 系统原理与组成
基于上述特点，可设计如图1所示的整车冷却系统原理图，将发动机、电机控制器、动力合成箱的散热器通过可靠的连接组合成一个部件，布置在传统车辆散热器的位置。
图1所示发动机部分由发动机、散热器、水泵、水壶、压力阀、进出水管等构成一个独立的循环流，介质是按照体积比50：50配成的水和乙二醇的溶液。
电机控制器部分由电机控制器、散热器、电子水泵、膨胀水壶、进出水管等构成一个独立的循环流，介质是按照体积比50∶50配成的水和乙二醇的溶液。
动力合成箱部分由动力合成箱、散热器、油泵、进出油管等构成一个独立的循环流，介质是ATF（DX-Ⅵ）冷却油。
动力电池的冷却采用鼓风机风冷的方式，布置在后行李舱中。
2 设计计算
2.1 发动机部分的计算
混合动力汽车动力模式的结构方案表明，它的发动机的运行只是在某些时候才需要散热，相比于传统车散热需求量应该是较小的，例如，对于某款1.8 L汽油发动机，当其使用在传统车上时散热需求是70 kW，而当其作为混合动力使用时，它的散热功率需求大约是51 kW。
2.1.1 冷却液总量的计算
发动机应用于混合动力时，散热器水室及管带中冷却液的体积应该能够完全满足极端工况下的热量交换需求以及水泵的最小循环水量，经过计算其体积大于3 L时能够满足要求，实际样件的水室容积在4 L，水壶的最小容积应达到900 ml。
2.1.2 水泵的设计计算
水泵是以发动机为动力源，运行情况取决于发动机的传动比，因此功耗是发动机的部分效能，此处计算的水泵的功耗大约是2 kW，流量范围可以调整，计算时取60 kW，其最低扬程应能够满足驱动最低要求，计算时取0.15 bar。
2.1.3 散热器的设计计算
管带式散热器管带结构如图2所示，散热的机理是当冷却液在循环的闭式管路中流动时，在外界的空气以及风扇的作用下，吹向散热器管片的冷却空气与需要冷却系统损耗的热量发生热交换［4］，这个过程主要是在管带壁和散热片上进行。
散热器的散热能力［2］通过散热系数来评价，受散热器管片结构、水管中水流速度、通过散热器的空气流速、管片的材质及制造质量的影响，其值可以通过试验获得，实际散热器样件的管带宽度为18 mm，管带间距15 mm。
迎风面积是散热器全部处于风扇的热交换区域的面积，试验获得的散热系数包含了散热表面积转化为迎风面积的比例因子，因此通过下式计算获得的值将是散热器实际散热迎风面积［2］:
式中：KR为散热系数，一般取 0.069～0.117 kJ/m2·s·℃；Δt为散热器中冷却液和冷却空气的平均温差。
式中：tw为冷却液的平均温度为冷却空气的平均温度为散热器的进水温度，取标定工况发动机的出水温度时82～95℃；ta1为散热器冷却空气的进口温度，取40℃；Δtw为散热器的进出口温差，也即冷却液在发动机中的允许温升，取6～12℃；Δta为散热器冷却空气的进出口温差，取10～30 ℃。
经过计算可知散热器极端工况下的迎风散热面积是0.003 2 m2。相比发动机应用于传统车时的散热面积缩小了0.001 2 m2，实际制作散热器时的几何面积则不应小于此面积值。
2.2 动力合成箱部分的计算
与传统发动机变速箱不同，混合动力汽车动力合成箱集成了电动机及变速传动机构。发动机模式动力输出时，动力经由发动机飞轮输入，在齿轮间变速传动，最后经由输出轴输出，传动的损失能量与输入能量按照传动级数降低，转化为热能，需要进行冷却。电动模式的动力输出时，电机电能转化为机械能经输出轴输出，同时释放部分热能，需要进行冷却；制动或者滑行时，机械能回收转变为电能存入动力电池，这个过程也存在热能损耗；需要进行冷却。
2.2.1 动力合成箱热量计算
对于动力合成箱需要散热的热量来源分析结果表明，直接计算需要冷却的热量，难度很大，但是另一方面所有的热量全部等效的传递给冷却油液，假设单位时间内冷却系统散热量Qh使得油液温度上升Δt。因此：
式中：qf为流量，试验中测得流量为即0.6 m2/h；Cf为油比热容， 计算时取 2.1 kJ/（kg·K）；ρf为油密度，计算时取 0.865×108kg/m2；Δt为进出油口温差，试验中控制Δt为10℃。
这样得到的动力合成箱中需要散热的热量是需要满足流量和温差要求的，具有一定的局限性，计算得到是单位时间内需要散热的热量，即散热功率是3.028 kW。
2.2.2 油泵
油泵是动力合成箱部分冷却系统的动力源，电源是动力电池，其电压300 V，流量0.6 m3/h。
系统介质ATF（DX-Ⅵ）同时是润滑油，冷却时温差10℃以上可满足散热要求，入口压力0.15 MPa，扬程 0.5 MPa。
油泵功耗可以按照公式Ph=U·I计算，按照流量为0.6 m3/h时的电流计算，功耗是0.3 kW。
2.2.3 散热器的设计计算
动力合成箱冷却系统的散热器是以铜管作为介质进行热传导的，热导动力是散热器内的油与外部冷却液的温差，热传导进行时热量先传到散热器管筒，再传到外部的冷却液。这种散热方式要求其散热器具有较大的热传导系数 、表面积以及较小的厚度，对于实际零件厚度不变，在能够取得最佳的水浸冷却效果的情况下，其外径还必须小于电机控制器散热器水室截面。
关系式V=q·t表明液体的体积可以通过流量和时间获得，假定一定时间内流动液体的热量全部传导到管筒上，即 C1V1ρ1=C2V2ρ2，那么：
式中：C1为铜的比热容，0.39 kJ/kg℃；ρ1为铜的密度，8.96×102kg/m2；C2为油的比热容，2.1 kJ/（kg·K）；ρ2为油的密度，0.865×103kg/m2；q2为油的流量，计算时取10 L/min。
式（4）表明，以某一典型流量值在单位时间（取1分钟）内通过的体积值与铜管散热器的体积成一定的比例关系，计算得到铜管体积是0.005 2 m3，如果外径取φ16 mm，壁厚1 mm，铜管长度达到51 mm时，它的内径表面积达到0.002 2 m2，外径表面积达到0.002 6 m2。
事实上，铜的导热系数是401 w/m℃，在1分钟的时间内传导过1 mm的铜管时，如果长度超过51 mm，它即具有充分的散热能力。
2.3 电机控制器部分的计算
混合动力汽车增加的电机控制器是控制电动机的电机模式或者发电机的发电模式转换，即电能的输出与存储之间转换，存在瞬时极大电流，伴随产生热量，这一部分的热量对于电机控制器具有不良的影响，需要进行冷却。
2.3.1电机控制器的热量计算
混合动力汽车运行时动力模式的切换取决于路况。按照电学能量守恒原理，电能转化为机械能输出时产生较大的热量损耗Q，是输入电能的部分转化效能，相对于输入电能存在损耗因子φ，大约是0.15～0.25；当机械能转化为电能存入电池时也存在热量损耗，它是机械能的部分转化效能，相对于机械能存在损耗因子τ，大约是0.15～0.25；能量的转化都与路况表现出函数关系，冷却系统需要进行冷却的热量即：
散热器恶劣工况需要它具备能量储备，取储备系数ω为1.15～1.25，则此即为需要散热量：
按照上述关系式，以及车辆运行工况的功率要求，需要散热器的散热功率大于4.06 kW。
2.3.2 水壶储水量
这里可以通过热量平衡关系估算总的冷却液的体积［6］是 ：
式中：Δte为冷却液在发动机中循环时的允许温升，一般取6～12℃；γw为冷却液的密度，取近似值1 000 kg/m2；Cw为冷却液的比热容，可取 4.2 kJ/（kg·℃）。
计算得到该系统的热平衡循环水流量是160 ml，系统最小储水量由此可以确定。
2.3.3 电子水泵
电子水泵的电压采用12 V电压 （电压范围8～12 V），流量21 L/min。水泵扬程应该达到0.6 bar。冷却剂是体积比50%水+50%乙二醇溶液，温度-40～128℃，功耗应该按照水泵功率来计算，大约是0.3 kW。
2.3.4 散热器面积
这部分的散热器的特点是其水室中夹带了动力合成箱的散热器，因此按照公式计算时，Qmax的值应该是电机控制器散热器需要耗散热量的功率和动力合成箱需要耗散热量的功率的总和。
计算所的散热器的面积大约是0.112 m2。
2.4 电子风扇的设计计算［2，3，5］
台架试验时，可以通过一定的空气量与空气流速，按照SR=Va/μa来计算散热器的迎风面积SR，式中：Va为冷却空气的需要量m2；μa为散热器正面积的空气流速m/s，与前述散热器的散热面积比较，校核散热器的面积是否满足要求。
计算时取冷却空气体积为100 L，空气流速10 m/s，得到散热面积0.01 m2。与之前计算值相比较可知，该电子风扇能够满足散热时的冷却空气需求量。
3 最终方案及试验验证
3.1总布置方案
混合动力汽车的总布置设计时需要满足上述的散热特点，各个零部件在机舱内布置时，安装、维护应该方便，不影响其他功能件的使用。
由于发动机运行工况改变，散热需求减少，散热器面积减少0.001 2 m2；而电机控制器新增需求0.112 m2，因此开发新的集成型散热器，如图1所示结构，布置在原散热器位置。散热器本身采用上下结构，上半部分水流横向流动，水室在左右两侧，下半部分纵向流动，水室在上下位置。
实际样车制作时将电机控制器散热器独立布置在发动机、动力合成箱散热器总成的前方，管路独立。动力电池冷却系统独立布置在后行李舱中。
3.2 试验验证
按上述方案搭建动力总成试验台架，并组装样车，进行标定及可靠性试验。如图3、图4所示。
目前已完成整套混合动力系统进行了400 h台架可靠性试验和整车实车运行15 000 km标定，冷却系统在试验中正常运行，能够满足各热源的散热要求。
4 结论
上述的设计过程提供了一种比较成功的设计方法，所得的相关数据已应用于某款混合动力汽车上，台架试验和路试表明，冷却系统能够满足整车运行要求。
［1］ 陈家瑞.汽车构造［M］.北京：人民交通出版社，2005.
［2］张雯静.客车冷却系的设计与布置［J］.客车技术与研究，2007，2：37-39.
［3］王问雄.汽车发动机冷却系冷却风量的估算［J］.汽车科技.2005，6：33-35.
［4］谢今明，钱锐，郑国胜.发动机冷却系的前端进风需求计算［J］.制冷技术，2008，4:41-44.
［5］刘桂林.客车冷却系统的设计［J］.客车技术与研究，2008，2:32-35.
交支流混合系统的仿真 篇6
本程序为交、直流系统潮流计算程序, 采用FORTRAN语言, 其中包括两个主程序:“数据输入程序DA”和“潮流计算程序NR”。主程序NR中调用四个子程序:“计算支流潮流子程序DCL”、“形成雅克比矩阵子程序JNR”、“形成雅克比矩阵因子表子程序FAC4”和“求解修正方程子程序SOL4”。
计算中选用直角坐标形式的功率方程, 采用“牛顿-拉夫逊”迭代法求解非线性方程组。在交、直流系统潮流计算中, 对直流系统的处理:将流经换流站的有功、无功功率当作交流系统的注入功率。采用交替迭代法交替地计算交流系统与直流系统的潮流。
“数据输入程序DA”视为“潮流计算程序NR”服务的, 它包括:动态节点编号优化和形成节点导纳矩阵等内容;用于形成NR程序所需的数据输入文件。另外, 它还可以与“暂态稳定计算程序TS”配合使用。程序计算规模为:500条支路, 300个节点, 100台发电机, 10条双端直流线路。若干程序在做少量的修改, 可是计算规模变得更大。
本程序具有根据直流系统运行要求和交流系统运行情况自动选取换流变压器变比的功能, 并且能方便地保证直流系统整流侧或逆变侧的直流电压和功率为给定值。这些功能对系统潮流调试带来了极大的方便。程序采用交替迭代法计算交流系统与直流系统的潮流分布。将流经换流站的有功、无功功率当作交流系统的注入功率。计算时, 先给定系统各点电压的近似值, 然后求出直流系统吸收或发出的有功、无功功率, 在将其作为交流系统新的注入功率, 重新计算交流网络的潮流、电压分布, 再返回直流系统计算其吸收的有功和无功功率……不断重复上述过程, 直到满足计算精度为止。
2 暂态稳定计算程序TS
2.1 TS程序功能介绍
TS程序是AC/DC电力系统暂态稳定仿真程序, 与AC/DC电力系统数据准备程序DA, AC/DC系统潮流程序NR配套使用。可计算大型交、直流混合电力系统的机电暂态过程。直流系统能计算调节器的影响。是用于电力系统规划设计。运行调度及科学研究等方面的大量计算。
2.2 TS程序特点
1) 可计算最大不超过300个交流 (负荷) 节点;500条交流支路;100台同步发电机组 (调相机组) ;10条双端 (单、双极) 直流输电线路, 并可计算换流站的调节系统。
A同步机可使用E’q恒定的经典二阶 (ω、δ) 模型或E’q变化的三阶 (E’q、ω、δ) 模型;发电机可考虑调速器, 调压器的作用;
B负荷可处理为恒定阻抗或感应电动机模型 (在感应电动机模型中可以考虑任意比例的恒定阻抗) ;
C直流输电线、换流站采用准态化模型;
D换流站可以考虑各种标准控制。例如:定α, β, δ, 以及定电流、定功率控制。
2) 可计算切发电机、切负荷、切无功设备、制动电阻及直流系统、交流系统故障对机电暂态过程的影响。
3) 采用改进欧拉法解系统微分方程。考虑到电力系统中各元件的时间常数相差较大, 程序中对时间常数较小的元件 (如电压调节器, 感应电动机, 直流调节器, 直流线路) 采用比系统微分方程求解步长小的分步长求解, 以提高精度。
4) 程序中交直流接口采用了外推预测、插值及迭代等数学手段, 是精度得以提高。
5) TS程序要求的系统。发电机, 调节器, 直流调节器, 直流系统参数及潮流结果都是以数据文件的形式输入。分别由专用程序 (D A, N R, RD) 形成数据文件。一次形成后可多次使用修改十分方便。采用人机对话的形式, 准备数据较方便。
3 交直流混合系统的实际分析
十三机系统的主要有关数据及线路结构如上图表所示, 这里我们给定8号机为无穷大机, 给定系统前后31-34支路加上直流线路。下面我们利用TS程序进行仿真研究, 首先我们选择支路29-30发生三相短路故障进行分析。
加入直流后的系统发电机的稳定性都大大增强了, 三相短路的影响也显得很小, 而且趋于稳定的速度也明显加快了。特别是11号和13号发电机距31-34支路比较近, 效果也相对比较显著, 1号与4号距较远就没有那么明显。特别是1号机, 距离故障线路和直流线路都比较远, 受影响后不稳定的程度也不是很大, 受到直流的作用也不是很大, 11号发电机相对距故障线路和直流线路都很近, 效果也都特别的明显。加入直流的支路, 距发电机远近不同, 对其影响的效果也不一样。下面我们再来看看, 加入直流前后结点电压的特性曲线。首先由31号32号和26号结点看出, 加入直流后结点的电压受到故障的影响相比不加直流来说减小了, 可以看出距接直流线路的支路较近的结点受到的影响比较大, 效果会更好些。但比较加入直流前后, 加入了直流对系统的稳定性还是起到了作用。
4 结论
我们主要是简单研究交直流混合系统加入直流部分前后对其暂态稳定性的影响通过对仿真程序的分析做了讨论和研究。在此只十三机系统做了简单的分析和研究, 通过比较系统发生三相短路故障时加入直流前后的稳定性影响, 得出了以下结论:
1) 加入直流后的系统发电机的稳定性都大大增强了, 三相短路的影响也显得很小, 而且趋于稳定的速度也明显加快了。
2) 加入直流的支路, 距发电机远近不同, 对其影响的效果也不一样。距离较近的效果会更明显。
甲醇灵活混合燃料系统研究 篇7
甲醇是低碳醇类物质, 与汽油的理化性质相近 (表1) , 但在燃烧特性方面有所不同, 不论掺烧 (定混合比) 、单一甲醇使用或用不同混合比例的灵活燃料都存在与发动机运行工况的最佳匹配问题。不同混合比例灵活燃料具有不同的理化特性和燃烧特性, 当这些不同的燃料应用于同一台发动机时, 其对发动机的要求是不一样的。
灵活混合燃料发动机的开发, 可以有效化解发动机使用低比例甲醇汽油过程中的高温气阻等风险, 同时解决高比例甲醇汽油的低温冷起动和非常规排放物控制等问题。而且, 采用灵活混合燃料系统, 汽油油路和甲醇油路是完全独立的, 可以根据各自的燃料特性进行专门的燃油输送系统的开发, 避免了燃油系统使用多种比例的甲醇汽油所需要面对的材料等方面的复杂局面。
本文中主要介绍灵活混合燃料系统的开发及其应用测试结果。
1 灵活混合燃料系统的提出
甲醇直接作为车用燃料应用有掺烧和纯甲醇应用两种主要形式。其中, 掺烧又分为低比例掺烧、高比例掺烧和灵活燃料三种方式。
1.1 低比例甲醇汽油应用分析
低比例甲醇汽油通常以M15 (燃料中甲醇的体积含量为15%, 汽油的体积含量为85%) 为代表。研究[1,2]表明:M15甲醇汽油对发动机动力性和经济性影响不明显, 常规排放在一定程度上略有改善。同时, 对发动机的可靠性也没有明显影响。但是, 低比例甲醇汽油应用存在以下问题: (1) 低比例甲醇汽油的饱和蒸气压比普通汽油高15~20kPa, 在特定的高温环境下可能产生气阻, 影响发动机的起动和运行。 (2) 甲醇汽化潜热高, 是汽油汽化潜热的三倍多, 低温挥发性差。在低温情况下甲醇雾化效果不好, 发动机低温起动和冷起动过程中容易发生少量甲醇雾化不良而导致燃烧不完全, 造成未燃甲醇、甲醛的生成量比较大;同时, 三元催化转化系统也处于非激活状态, 燃烧产生的未燃非常规排放物将未经转化直接排放到大气中。 (3) 甲醇汽油对燃油系统和整车上常用的丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氢化丁腈、氟橡胶及硅氟橡胶具有一定的溶胀性[3]。目前, 燃油管路中的橡胶管路大部分是多层设计, 虽然可以削弱甲醇汽油的影响, 但是长期使用仍然会导致橡胶材料机械性能下降, 同时造成蒸发排放增加。 (4) 试验发现即使是相同的M15甲醇汽油, 由于其中的助溶剂和其他添加剂选择不同, 对橡胶材料的体积变化率和质量变化率的影响也明显不同, 这为甲醇汽油的使用增加了难度。 (5) 为解决甲醇与汽油助溶问题, 需要添加一定比例的助溶组分。通常的助溶剂多为碳链相对较长的有机物, 其燃烧特性随着碳原子数的增加偏离汽油的程度就越大, 燃烧特性越不好。如果未能添加合理的燃油清净剂, 长期使用就会导致燃烧室沉积物逐渐增多, 对发动机的动力性和可靠性造成严重的影响。
1.2 高比例甲醇汽油应用分析
高比例甲醇汽油通常以M85 (燃料中甲醇的体积含量为85%, 汽油的体积含量为15%) 为代表。研究[4]表明:高比例甲醇汽油 (M85) 燃烧温度低, 散热损失小, 且燃料汽化潜热高使得进气温度低, 充气效率高, 使得发动机动力性提升比较明显。然而, 由于混合燃料热值低, 其燃油消耗高。甲醇属于含一个碳原子的分子, 且燃料中含氧50%, 其燃烧相对完全, 对常规排放降幅较大。在三元催化转化器起燃的情况下, 非常规排放与使用汽油处于同等水平。M85对发动机的性能影响非常明显, 主要存在以下问题: (1) 甲醇汽化潜热高, 低温挥发性差, 在低温情况下雾化效果不好。试验表明:在-5℃以下, 使用M85将很难进行冷起动。当发动机处于低温起动和冷起动过程中甲醇雾化不良而导致燃烧不完全, 造成未燃甲醇、甲醛的生成和排放量较大。同时, 三元催化转化系统也处于非激活状态, 燃烧产生的非常规排放物将未经催化转化直接排放到大气中。 (2) M85对燃油系统和整车上常用的丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氢化丁腈、氟橡胶及硅氟橡胶具有明显的溶胀性, 需要设计专门的燃油管路。 (3) M85对汽油发动机上使用的燃油泵、液位传感器、燃油滤清器、喷油器、调压阀等部件均有影响, 需要专门开发。 (4) M85甲醇燃料低温雾化、挥发性差, 少量甲醇会沿气缸壁流入油底壳, 造成机油乳化和油膜建立能力变差, 因此高比例甲醇汽油燃料发动机需要专用的润滑油。 (5) M15存在的助溶剂的各种问题, M85同样存在。
1.3 传统甲醇灵活燃料应用分析
灵活燃料是20世纪80年代初期开发的技术。灵活燃料发动机需要满足低比例和高比例甲醇汽油应用的要求, 需要无论在金属材料还是在非金属材料的选择上都要兼顾不同的需求, 整体上比较复杂。而且, 该系统仍然无法解决高比例甲醇燃料的低温冷起动和非常规排放等问题。图1为灵活燃料系统的示意图。
传统灵活燃料系统的主要特点如下: (1) 可实时判别燃油中甲醇含量并调整控制参数; (2) 实现对M85以下任意比例的适应性; (3) 对燃料加注基础设施的依赖度低, 方便用户使用; (4) 使用高比例甲醇燃料时低温起动困难; (5) 排放控制难度高; (6) 需要适应不同组分的燃料, 燃油系统成本高。
综合以上分析可知, 传统的灵活燃料系统的优点和缺点同样突出, 在现行排放法规条件下, 要达到比较好的排放指标存在根本上的矛盾。
1.4 灵活混合燃料概念的提出
在综合分析M15、M85和灵活燃料发动机技术的基础上, 提出了灵活混合的概念。灵活混合是指在燃油系统中设立两套完全独立的供油系统, 其中一路为纯甲醇燃料系统专用, 以方便解决甲醇对一般燃油系统中的金属材料腐蚀和非金属材料溶胀等问题;两种燃料只在进气道或缸内才经过燃油喷嘴喷射出来后在空气中进行混合。这种独立双油路设置还可以实现两种燃料的任意比例混合, 必要时可自由切换单用甲醇或汽油。图2为灵活混合燃料系统的示意图。
灵活混合燃料系统的特点如下: (1) 低温起动和暖机状态使用汽油为燃料, 解决低温起动问题的同时, 在三元催化器起燃前不喷射甲醇燃料, 不产生未燃醇, 并控制甲醛的排放。 (2) 可以根据优化的MAP实时燃油比例调整, 在兼顾甲醇替代比例的情况下实现发动机在各种工况下的排放、效率的综合优化。 (3) 甲醇燃料是单一组分, 在解决材料的情况下不需要添加影响燃烧的添加剂, 可以减少对发动机清静性的破坏。 (4) 燃油系统在检测到其中一种燃料处于低液位状态时可以自动切换到另一种燃料的独立使用状态而无需停车切换。 (5) 发动机使用两套完全独立的供油系统, 每套燃油系统只需要适应单一燃料的特性, 降低了对燃油系统材料的开发难度, 有利于成本控制。 (6) 两套燃油系统的布置, 方便用户的燃油加注。
2 灵活混合燃料发动机设计
灵活混合燃料发动机在结构设计上与传统的汽油机基本相同, 只是增加了一路燃油管路的布置。但是考虑到发动机可以以纯甲醇作为燃料, 在材料选择上要满足甲醇燃料的要求。在控制上, 通过发动机管理系统控制汽油喷嘴和甲醇喷嘴的动作, 实现进气道口的两种燃料同时供给或单一供给, 同时优化点火控制, 以实现工况的优化。
试验用机为1.5VCT发动机, 原机使用纯汽油。针对不同混合比例甲醇灵活燃料时, 需对发动机进行改进, 考虑到发动机仍然使用汽油燃料, 因此主要从改变供油系统、燃油喷射装置和发动机管理系统入手。本文中对喷油器重新选型和标定, 选择相匹配的控制器, 制定相应的控制策略, 使发动机在使用不同混合比例燃料时能正常工作。表2为1.5VCT汽油机原机及其附件主要参数。
2.1 燃油喷射系统设计
2.1.1 燃油箱及管路设计
甲醇灵活混合燃料系统需要独立的双油路设计, 即需要两路加油管路和两路输出管路, 如图3所示。
为方便在整车上布置安装, 同时提高甲醇的使用率, 在整车原有油箱的基础上进行了优化设计。将原有的50L油箱在内部分隔为35L (甲醇) 和15L (汽油) 两个完全独立油箱, 且每个油箱各带一个加油口。为方便布置和用户识别, 将两个油箱的加油口分别排列在车身的两侧。
2.1.2 燃油泵选择
使用汽油的油路仍然使用原有的汽油燃油泵。甲醇由于存在腐蚀和弱导电性, 采用有刷结构的燃油泵由于电腐蚀导致电刷失效而无法满足使用要求。比较有效的解决方案是采用无刷电机的方案:无刷燃油泵没有电刷, 结构采用全密封结构, 所有的内置电路、线圈绕组与甲醇都是隔绝的不会连电、不会产生腐蚀, 不会产生电解、电化、置换反应。无刷燃油泵没有电刷和换向器, 不会产生机械磨损, 所以无刷燃油泵使用寿命也相对应的提升。无刷泵通过电动机集成电路交直流变换驱动转子, 再由转子带动叶轮旋转, 通过叶轮旋转一周后使进油口和出油口产生较强的压力差以确保燃油能顺利泵油。图4为无刷甲醇燃油泵的机构示意图。
2.1.3 燃油导轨设计
在发动机进气歧管上布置两排喷油器, 且喷油器喷射孔的位置要保证油束可以喷射到进气道合理的位置。考虑到灵活混合燃料发动机冷起动使用汽油, 而甲醇燃料是热机之后再进行喷射使用, 为了保证汽油有良好的雾化条件, 汽油喷油器布置在更靠近进气道口的前排, 甲醇喷油器布置在后排。图5为灵活混合燃料系统双燃油导轨布置方案图。
2.1.4 喷油器选型
决定发动机转矩大小的是气缸内混合气的热值, 所以在使用灵活燃料时相对汽油的各个工况点需要基本同等热值的混合气体。由于同等质量甲醇的热值不到汽油热值的45.7%, 与汽油喷油器相比, 同等喷油有效脉宽下甲醇喷油器的体积流量必须比原发动机的匹配的汽油喷嘴流量增加一倍左右, 才能保证发动机在燃用甲醇时喷入气缸内的可燃气热值保持与纯汽油相当。
2.2 进、排气系统设计
由于原机的进气歧管设计比较紧凑, 在原机进气歧管上布置两排喷油器缺少空间, 为方便实现安装, 对进气歧管进行了改进设计。在进气歧管与发动机气缸盖结合部位增加一块过渡板。过渡板的结构尺寸与发动机原进气管的末端保持一致。进气歧管的改进方案如图6所示。
甲醇燃料对金属材料有一定的腐蚀性, 尤其对有色金属腐蚀比较明显, 因此在进行灵活混合燃料发动机的开发过程中, 要使发动机完全适应甲醇燃料的使用要求, 在材料的选择上要非常谨慎。高比例甲醇汽油的发动机试验过程中, 对进气门影响较小, 而排气门易发生损坏, 其主要原因是材料本身不适应使用甲醇的高温环境, 因此在进行甲醇汽油灵活混合燃料发动机的开发过程中要对排气门的材料进行重新选择。排气门和气门座圈的粉末冶金材料在保证具有良好切削加工性的情况下要减少铜的使用, 以改善耐腐蚀性。
3 灵活混合燃料发动机分析
3.1 灵活混合燃料特性场的提出
针对所设计的灵活燃料发动机, 为了充分发挥不同配比燃料的优势, 在原有发动机工作MAP的基础上, 增加了燃料比例的维度, 称之为灵活特性场[5]。灵活混合燃料发动机的试验, 其中的主要内容是根据发动机的工况进行“灵活特性场”的构建。对于发动机, 选择喷射何种比例的燃料取决于发动机的转速和负荷。而当发动机安装到车辆上时, 则需要取决于车辆的行驶状态, 即发动机转速与车速和档位建立了联系, 发动机负荷与车辆的滚动阻力、风阻及加速阻力等因素有关。由此可知, 需要建立车辆动力总成各参数及行驶时各参数与发动机转速和转矩的关系, 通过车辆的行驶状态来控制如何选择灵活燃料种类, 建立甲醇灵活燃料汽车的灵活特性场。
通常以稳态工况为依据来选择混合燃料, 但实际上车辆大部分处于变工况运行中, 所需负荷也是变化的。由于非稳态工况的需求, 需要进行车辆多种行驶条件下的动态分析, 根据相应的发动机运行特点构建灵活特性场, 选择灵活燃料。理论上对应于不同的发动机运行工况区, 可以选择最佳的混合燃料 (不同比例的灵活燃料) , 但这样涉及到不同燃料的频繁切换, 发动机在动态工况下运行, 未必能实现实际上的最佳性能, 所以需要对灵活燃料特性场进行重新分区。
由于车辆实际行驶工况变化多端, 作为设计依据和评判标准, 国际上通常采用特定的循环工况, 如欧洲NEDC循环 (new European driving cycle) 。考虑到我国的汽车排放法规体系, 在构建灵活特性场时, 以NEDC循环为依据。
图7为工况点分布及灵活特性场划分策略。通过对NEDC循环的分析, 以对应转速和转矩点为圆心, 圆圈半径的大小表示该区域的范围, 数字表示此范围内发动机工况点的百分比 (占NEDC循环的时间百分比) 。由图7可见, 工况点主要分布在低转速和中低转矩区域, 其中30%工况点位于1400r/min和20N·m以下的区域, 清晰地体现了NEDC循环中城市道路工况的特点;在中高转矩范围内工况点分布较少, 30N·m以上的范围内约占30%;其余约30%工况点集中在低转矩中高转速范围内。
根据NEDC循环工况对应的发动机工况点的分布特征, 将发动机特性场分为三个区域 (图7) , 三个区域各包含了车辆运行NEDC循环时发动机工况点时间比率的三分之一:区域Ⅰ, 使用M100甲醇燃料, 转矩大于25N·m的发动机特性场范围;区域Ⅱ, 使用M15甲醇燃料, 转矩小于25N·m, 转速小于1700r/min的发动机特性场范围;区域Ⅲ, 使用M85甲醇燃料, 转矩小于25N·m, 转速大于1700r/min的发动机特性场范围。
3.2 灵活混合燃料整车性能仿真分析
基于某款自主品牌汽车建立整车模型, 其中整车参数见表3。表4为变速器的速比参数。
对于灵活燃料汽车, 不同比例燃料对整车性能的影响都不相同, 随着甲醇含量的增大, 发动机的动力性增强, 热效率提高。所以, 不同比例灵活燃料的整车性能应该介于M0和M100 (燃料为纯甲醇) 之间。本文中以M100燃料为例测算整车性能。
燃料为M100时, 整车最高车速由纯汽油181km/h提升至196km/h。随着甲醇比例的增大, 整车的动力性增强, 此时在考虑如何使灵活燃料汽车发挥更高性能的同时还需考虑到灵活燃料发动机与传动系是否能良好匹配, 并提高整车的驱动效率。图8为整车功率平衡情况。在原机传动系参数不改变的情况下, 可以看出阻力曲线穿过并接近最大功率点的位置。如果增大5档的转动比, 可以使最高车速提高。然而, 考虑到整车的操纵稳定性, 不建议使最高车速过大, 原因是甲醇燃料的加入已经使整车的动力性增强, 其加速性和爬坡度也符合要求;反之, 减小传动比可以提高发动机的负荷率, 增强整车经济性。
3.3 灵活混合燃料整车测试结果
完成原型样机开发的灵活混合燃料发动机, 搭载在1.5VCT自主品牌汽车上进行排放试验, 试验按照GB 18352.3—2005《轻型车污染物排放限值及测量方法 (国Ⅲ、国Ⅳ阶段) 》和HJ/T 400—2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》对整车的常规排放和非常规排放进行检测。表5为使用93#车用汽油和使用灵活混合燃料两种工作模式下整车排放测试数据。通过对测试数据进行分析, 发现使用灵活混合燃料的方式可以有效地改善发动机的工作状态, THC和CO排放降幅为15%以上, NOx排放降幅接近60%, 甲醛排放仅有工信部规定的点燃式发动机甲醇燃料车辆排放限值的17% (美国SULEV排放标准中HCHO (甲醛) 排放限值为2.5mg/km, 我国工信部颁布的甲醇燃料汽车的甲醛排放限值为10mg/km) 。
常规排放得到改善的主要原因是甲醇属于单碳分子, 且自含氧50%, 燃烧速度快, 着火界限宽, 容易燃烧完全;甲醛排放得到有效控制的原因在于使用灵活混合燃料模式时, 甲醇燃料只有在发动机冷却水温度达到有利于甲醇挥发和雾化的情况下才喷射并参与燃烧。当发动机处于低负荷工况时, 燃烧室内温度相对较低, 有利于甲醛的生成;在中高负荷时, 燃烧室内的燃烧温度较高, 不利于甲醛的生成。灵活混合燃料应用了这方面的规律, 有效规避了甲醛生成的工况, 其效果非常明显。
4 结论
(1) 灵活混合燃料使用汽油作为冷起动燃料, 解决了其低温起动困难的问题, 同时通过燃料的灵活配比降低了发动机在起动、暖机和低负荷阶段的未燃甲醇和甲醛的排放, 当发动机处于中、高负荷阶段, 通过增加甲醇燃料的比例可以获得较高的燃烧热效率, 从而获得更佳的动力性和综合排放效果。
(2) 灵活混合燃料方案可以有效改善发动机的燃烧状态, 其中THC和CO排放可以降低15%以上, NOx排放降幅接近60%, 甲醛排放仅为工信部规定限值的17%。
摘要：提出新型灵活混合燃料系统, 采用甲醇和汽油双油路独立设计, 结合城市循环工况 (NEDC) 的仿真分析, 建立了甲醇和汽油的灵活燃料特性场, 实现两种燃料根据工况的灵活配比。新方案在解决甲醇燃料的腐蚀、溶胀等技术问题的同时, 还可以解决甲醇燃料冷起动困难、非常规排放高等问题, 实现发动机的工况优化。研究结果表明:新方案可以降低HC、CO和NOx等常规排放物排放量, 非常规排放物甲醛的排放仅为工信部排放限值的17%。
关键词：内燃机,发动机,甲醇,混合,灵活燃料
参考文献
[1]齐洪元, 杨友文, 潘升淼, 等.M15甲醇汽油应用研究[C].武汉:中国内燃机学会2005年学术年会暨APC2005年学术年会论文集, 2005.
[2]刘圣华, 李晖, 吕胜春, 等.甲醇-汽油混合燃料对汽油机性能和排放的影响[J], 西安交通大学学报, 2006, 40 (1) :1-4.Liu S H, Li H, LüS C, et al.Effects of methanol-gasoline blend on gasoline engine performance and emissions[J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 2006, 40 (1) :1-4.
[3]张基明, 庞秀艳.橡胶在甲醇汽油混合燃料中溶胀程度的研究[J], 橡胶工业, 1992, 39 (9) :542-546.Zhang J M, Pang X Y.Investigation on swelling degree of rubber in maxed fuel of methanol and gasoline[J].Rubber Industry, 1992, 39 (9) :542-546.
[4]Stuhldreher M.Research in high-efficiency alcohol-fueled engines at EPA[C]//SAE 2002-01-2743, 2002.
基于混合应用的竞赛评分系统 篇8
组织专业技术、娱乐文艺类竞赛或其它评选活动, 既是各类社会行业组织、企事业单位或教育行业选拔人才的方式, 也是政府机关丰富人民精神文化生活的重要方式[1]。传统的选拔性比赛, 一般采用人工的方式, 在纸质的评分表上为各选手进行评分。统计总成绩的时候, 需要人工对各评委的打分值进行计算、核对。不同的比赛项目, 其评分表结构往往存在巨大差异, 无法实现评分表的重复使用, 消耗较多的纸张。
鉴于传统方式效率低下, 对资源会造成一定的浪费, 并且评分结果容易被篡改。通过对信息化的评分手段的深入研究, 可以解决实现无纸化评分、降低评阅、统计分数工作量和提高公平公正的作用[2]。学者们基于办公无纸化的启发, 基于Access[1]、Excel[3,4,5,6]、Power Point[3,6]等办公软件进行编程, 对各类赛事进行评分。此类解决方案具有培训成本低、无纸化、自动完成分数统计、统计效率和准确率高的特点。但是由于此类方案仍存在着三点不足:第一, 必须依赖台式机或笔记本电脑作为输入端、安装指定的办公软件, 在赛事筹备时需要备置较多的硬件设备以及进行相关软件的安装, 会在一定程度上提高赛事的组织难度和成本。第二, 基于办公软件实施的评分系统对扩展性的支持不够, 一般只是针对专门的一个比赛项目进行设计, 如果有新的比赛项目, 往往需要重新进行设计和二次编程开发。第三, 软件系统的安全性不足, 缺少对用户评分权限的控制, 较容易对文档进行修改, 从而导致公信度不够。
2. 混合应用开发简介
目前智能手机已经进入人们的日常生活中。全球范围内, 安卓操作系统已经占据整个移动终端市场的80%以上。各类安卓的应用软件为人们的日常生活提供了极大的便利。随着手机应用的发展, 开发人员发现用户需求变化快、变化大, 而传统的原生应用开发周期慢、响应慢和扩展难。鉴于HTML5的普及, 开发者将部分手机应用的功能, 转为使用HTML5进行开发。对于应用中变化较少的部分, 采用安卓SDK进行原生开发, 执行效率性能高;对于应用中变化快的部分, 采用HTML5开发功能后, 嵌入原生应用中, 以避免下载新安装包更新应用, 能够让用户更快的使用到新的功能。应用中的功能既有使用安卓SDK进行开发的部分, 也有使用HTML5进行开发的部分, 因而被称为混合应用。
混合应用中, 采用HTML5开发的功能, 基于B/S的架构, 开发时只需要掌握相关的HTML5标签和用于调用手机功能的javascript库或其它混合应用框架即可。由于主要的界面是采用HTML5进行布局, 大大加快了原型的开发速度和对需求变化的响应速度。
3. 评分系统设计
本评分系统目标在于灵活适应多种不同的比赛、提高选拔评分的统计效率和结果的公信力, 主要的设计如下:
3.1 功能设计
评分系统采用C/S和B/S混合架构, 用户即可以通过手机客户端访问系统功能, 也可以通过浏览器使用系统功能。安全方面由用户模块、裁判模块组成;不同的比赛通过赛项模块、作品模块、选手和团队模块进行管理;结果方面由统计模块自动对裁判的评分进行统计并生成报表。智能终端可以选择安装混合应用开发的APP, 或者直接使用浏览器使用系统。
作为赛事裁判, 可以通过手机浏览器或手机端APP进入系统。对其参加评分的赛事及参赛作品进行查看, 对参赛作品进行评分。作为观众, 无需登录系统, 可以直接通过浏览器进入赛事主页, 查看公布的最终评分结果但无法修改成绩。作为参赛选手, 可登录系统, 提交作品、查看评委对自己作品的评分, 但无法查看其它参赛作品的得分。
3.2 混合应用原理
混合应用开发, 即是在当前采用安卓SDK开发的原生APP中, 嵌入HTML5开发的功能模块。评分系统中, 每个赛事的评分标准都不尽相同, 因此对评分模块采用混合应用开发的模式, 将评分功能以网页的形式内嵌到原生APP中。其主要思路是:
(1) 在安卓应用的assets目录下, 创建一个index.html文件, 作为连接原始APP和功能页面的桥梁。在该页面中编写javascript脚本, 跳转至服务器中的某个网页。
window.href=”服务器网页url”
(2) 在layout布局中嵌入一个Web View控件。执行以下代码加载index.html。
web View.load Url ("file:///android_asset/index.html") ;
(3) Web View控件在加载index.html页面时, 会自动执行HTML页面中的javascript代码, 将页面重新定位至指定的服务器网页。
其主要原理的示意图如下:
3.3 业务模型设计
在服务器端, 通过TB_USER表设置使用系统的用户。对所用用户进行分类, 分为参赛选手、裁判、管理员三类, 记录在TB_ROLE角色表中, TB_USER表设置role_id字段, 外键关联角色表的主键。将系统的各个页面功能看作是资源, 记录在TB_RESOURCES表。针对角色, 对系统的功能进行授权, 权限集记录在TB_ROLE_PRIV表中。
参考文献[7]通过TB_CONTEST、TB_TEAM、TB_ENTRY、TB_TEAM_MEMBER表记录赛事信息、团队信息、作品信息和团队成员信息, 作为基础数据。考虑到不同的比赛有不同的评分规则, 系统中将每一个评分项抽象为评分项TB_ITEM表。该表通过CONTEST_ID字段与赛事表TB_CONTEST进行关联。当裁判对某项作品进行评分时, 系统将赛事主键、作品的主键、评分项主键和分值记录在评分表TB_SCORE。加载网页时, 利用动态网页的技术, 从数据库中读取TB_ITEM表及用于展示该评分项的视图控件 (来自TB_ITEM_VIEW和TB_ITEM_VIEW_TYPE) , 生成相应的HTML控件, 展示在界面上。主要的模型设计结构图如下:
4. 评分系统的实现
裁判登录后可以通过手机浏览器或计算机浏览器对作品进行评分。在服务器端, 利用Bootstrap框架, 采用响应式布局来适配手机端和电脑端的界面。若用户从台式机或笔记本登录, 将看到图4的界面, 导航按钮呈水平展示。若用户通过手机浏览器或手机APP进入系统, 将看到图5的界面, 功能菜单会被隐藏在右上角的按钮中, 当用户点击按钮时, 以弹出窗口展示功能页, 而不会在当前页面中堆叠控件, 导致界面混乱。
图6为裁判评分界面, 左图为未使用响应式布局, 手机浏览器会将文字、输入控件缩小, 影响手机端的查看和输入, 不方便用户使用。右图为采用了响应式布局后, 手机端界面不会进行过度缩小, 方便用户查阅。
5. 总结
充分利用HTML5开发快速的优点可以更好的适应多变的用户需求。将HTML5和原生应用结合的混合应用将是未来智能终端应用开发的趋势, 它能提高对用户多变需求的适应性和响应速度。结合日常的评比活动, 本文设计并实现了灵活度较高, 具备一定权限控制的评分系统, 能够提高无纸化工作的程度和工作的效率。
摘要：竞赛以及评比活动是学校、企业以及社会各行业选拔人才或确定方案的重要手段。提高赛事的组织效率、评比结果的公信力, 是各组织单位都关注和急需解决的问题。由于计算机、智能手机的普及, 提出基于B/S架构、通过数据库配置资料、采用混合应用的模式, 实现适应不同行业、企业的评选活动。
关键词：Android,评分系统,动态配置,控件加载
参考文献
[1]陈定棋, 基于Access比赛评分系统的设计与实现[J], 电脑知识与技术, 2015年5月, 11卷 (14期) :61-63.
[2]张晓红, 郭晨鲜, C语言考试自动评分系统的设计与实现, 福建电脑[J], 2015 (01) :93-94.
[3]李祖全, Excel加Power Point轻松创建比赛评分系统[J], 中小学信息技术教育, 2010 (11) , 85.
[4]马伟东, 刘明滋, 用Excel VBA实现比赛评分系统[J], 电脑编程技巧与维护, 2013 (24) :46-47.
[5]吴江, 李太勇, 刘洋洋, 基于Excel的试卷生成和评分系统[J], 中国教育信息化, 2011 (19) :37-39.
[6]陈艳郁, 用Excel和Power Point组合做演讲比赛评分系统[J], 办公自动化 (综合版) , 2008 (1) :47-48.
混合动力系统状态切换技术研究 篇9
关键词：内燃机,混合动力系统,状态切换,控制策略
0 概述
混合动力汽车采用两个或更多的能量转换装置作为混合动力源,是当前解决环境污染和能源短缺问题的最有前途和可行性的汽车动力方案。在混合动力驱动系统中,对动力源的动力输出控制是难点,主要包括:(1)稳态或动态过程中两个动力源的能量分配和效率优化,属于能量管理研究范畴;(2)状态切换过程中动力源间的相互配合问题,属于动态动力协调控制的研究范畴,本文主要针对该问题进行研究。状态切换时由于两个动力源各自的输出转矩可能发生突变,不加以适当控制就会造成输出的总转矩在短时间内发生变化,造成车辆的平顺性、舒适性和驾驶性能下降,因此有必要在两个动力源达到各自目标转矩之前,设法动态协调控制它们进行工作,从而保证输出的转矩之和不产生较大波动。
1 混合动力试验系统
1.1 混合动力系统结构
采用的混合动力驱动系统结构为图1所示的并联式混合动力系统。系统管理层进行多能源动力系统的能量分配和动态协调控制;协调层为各功能模块的控制信号提供控制接口标准和优先级管理,不关心各模块的内部工作过程;执行层是各个具体的功能模块,这些功能模块只需满足协调层的功能要求和接口标准即可,其内部的工作机制可以多样化,可以采用不同的系统来实现。
本文研究并联混合动力工作模式切换过程的动态过程控制,在模式切换过程中变速器的挡位不变,即不涉及变速器的操作,为简化台架搭建工作,实际台架中未接入变速器。
1.2 混合动力系统试验台架
搭建的试验台架系统如图2所示。两个动力源分别是发动机和电动机,发动机为1.6 L的TU5JP发动机;电动机为YCVF160M车用变频调速三相交流电机,工作于直接转矩控制模式。选用磁粉离合器连接发动机和电动机,用于切断和连通发动机动力输出。在试验中,通过控制加速踏板调节油门位置对发动机进行控制,通过对电动机控制器发送控制信号,控制电机工作状态和转矩输出。
系统通过dSPACE控制器进行全局控制。当状态切换需要进行动态协调控制时,dSPACE计算出发动机节气门目标开度,然后根据驱动转矩需求(发动机目标转矩与电动机目标转矩之和)与估计的发动机转矩之差确定电动机目标转矩,通过向电动机控制器发送转矩命令,进行直接转矩控制。基于dSPACE控制软件制作的混合动力协调控制试验操作界面如图3所示。
2 状态切换控制策略
2.1 切换控制方法
对于并联混合动力,通常是按发动机的稳态特性进行转矩分配,然而由于在工作模式切换过程中,发动机处于动态工况,其动态转矩比相同工况下的稳态转矩有较大差异,如果还是按照发动机的稳态特性进行转矩分配,就会造成模式切换过程中总的需求转矩与期望值不同,影响汽车的性能。所以本文所用模式切换控制技术的关键就是采用发动机动态转矩估计值来进行发动机和电机的转矩分配,这样可以利用电机的快速转矩响应特性,实现模式切换过程中总的需求转矩不变。
混合动力系统状态切换的控制策略如图4所示,即:稳态转矩预分配+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿,其难点在于如何得到发动机的动态转矩值。当需要状态切换时,发动机按照一定的节气门开度变化率从现有的节气门开度变换到目标节气门开度。通过发动机转矩估计方法把发动机动态转矩估计出来,和驱动所需的目标转矩进行比较得到一个差值,并用电机的转矩进行补偿这个差值,这样可以使状态切换时转矩波动减小。
在工作模式切换的转矩调节期间,由于时间短,汽车的惯量大,车速变化小,发动机转速变化小,所以选择混合动力系统状态切换的台架试验是在恒转速模式下进行的,对于这种工况在状态切换时的发动机转矩估计采用3种不同的控制方法比较其控制效果。(1)控制方法A:按发动机稳态特性估计其实时转矩,简称稳态控制;(2)控制方法B:按发动机稳态转矩特性加上油门输出延时估计发动机实时转矩,简称稳态延时控制;(3)控制方法C:按发动机动态特性估计实时转矩,简称动态控制。
方法A作为对方法B和方法C的控制效果的参照,以对比评价后两种方法的效果。方法B采用的发动机动态转矩估计方法较简单。方法C采用基于神经网络的发动机转矩实时估计模型,比方法B复杂。
无论何种控制方式,发动机节气门开度的变化率是一致的,不同之处在于是否采用发动机节气门输出延时或电机油门输出延时,是否采用动态控制策略。不同的控制方法有利于考察采用不同控制方法的控制效果和有效性,为实际控制时采用何种策略提供必要依据。
2.2 发动机动态转矩估计方法
状态切换动态协调问题涉及到发动机转矩的实时反馈,但由于发动机转矩传感器价格昂贵,如果在车上用其来监控发动机的实时转矩,那混合动力车辆的价格将会大幅度增加。目前通用的做法是将发动机转矩实时测量反馈方式转化为对发动机转矩在线转矩估计反馈方式[1,2]。
要实现对发动机转矩的在线估计,需要深入了解发动机的转矩输出特性。通过大量的发动机稳态试验和动态试验发现,发动机在动态工况下的转矩输出特性和稳态工况下的转矩输出特性存在较大差异[3]。图5和图6是发动机在3 000 r/min时,不同节气门开度增加率和不同节气门开度减小率下的发动机转矩输出,从图中可以看到,在定转速时,不同的节气门开度变化率对应不同的发动机转矩输出。
并联混合动力系统中,发动机的节气门开度是由多能源动力总成控制器控制的,从而可以根据需要设定发动机的油门变化过程。在并联混合动力工作模式切换过程的短时间内,车速的变化较小,且发动机转矩的调节在离合器结合状态下进行,相应的发动机转速变化也较小,所以在模式切换过程中可以认为发动机的转速不变。为了便于控制和发动机瞬态转矩的估计,将节气门开度变化率设定为某一固定值,本文选取节气门开度变化率为50 %/s,以防止变化太快造成的发动机排放变差。
通过发动机试验数据进行基于神经网络的样本训练,可以得到发动机的转矩估计模型[4]。从图5和图6还可以看出,在定转速下,发动机油门变化率小于100 %/s时,其转矩输出特性近似等于将发动机的稳态转矩输出特性在时间上进行一定的延迟输出,所以也可以尝试采用这种方法对定转速和定节气门开度变化率工况下的发动机动态转矩进行估计。本文应用这两种方法估计发动机动态转矩,实施了模式切换试验。
3 试验及结果分析
本文对发动机从驱动到联合驱动、再从联合驱动到发动机驱动的切换过程进行了试验,试验控制目的是要保证在状态切换前后及状态切换过程中,动力系统输出的总转矩保持80 N·m不变。
图7和图8是在2 000 r/min恒转速、发动机节气门开度变化率为50 %/s时,分别采用3种控制方式进行状态切换的结果比较,切换前后发动机转矩分别为80 N·m和60 N·m,电动机转矩分别为0 N·m和20 N·m。
图7a和7b是发动机的目标转矩从80 N·m下降到60 N·m时,发动机的节气门开度由36 %下降到30 %,电动机的油门开度则从0 %上升到12 %时试验测得的结果。由图7可以看到,状态切换时,控制方法A转矩波动最大达18 N·m,相对幅度为22.5 %,转速波动最大达25 r/min,相对幅度为1.25 %;控制方法C测得的转矩波动减小到4 N·m,相对幅度为5 %,转速波动减小到12 r/min,相对幅度为0.6 %;控制方法B的控制效果界于上述两种方法之间,转矩波动为9 N·m,相对幅度为11.25 %,转速波动为18 r/min,相对幅度为0.9 %。
图8a和8b是当发动机的目标转矩从60 N·m上升到80 N·m时,发动机的节气门开度由30 %上升到36 %,电动机的油门开度则从12 %下降到0 %时试验测得的结果。由图8可见,控制方法A转矩波动最大相对幅度为14.58 %,转速波动最大相对幅度为1 %;控制方法C的转矩波动最大相对幅度为5.28 %,转速波动最大相对幅度为0.49 %;控制方法B的控制效果界于上述两种方法之间,转矩波动最大相对幅度为11.58 %,转速波动最大相对幅度为0.59 %。
图9是在2 000 r/min恒转速、发动机节气门开度变化率为50 %/s时,分别采用3种控制方式进行状态切换得出的结果比较。切换前后发动机的转矩分别为80 N·m和40 N·m,电动机的转 矩 分 别 为0 N·m和40 N·m。发动机的节气门开度从原来的36 %下降到25 %左右,电动机的油门则从0上升到22 %左右。状态切换前后发动机和电机的转矩和电机的转矩变化幅度比图7增加1倍。由图9可以看出,所得到的控制效果仍然是方法A最差,方法B较好,方法C最好,说明在不同的转矩变化幅度下,3种控制方法的控制效果排序一样。
由以上分析可见,在发动机单独驱动与联合驱动两种工作模式间切换时,3种方法的控制效果由好到差的顺序依次是动态控制方法C、稳态延时控制方法B和稳态控制方法A。方法C明显优于方法A,这充分验证了动态控制方法的有效性。这说明在状态切换时,电动机转矩根据估计的发动机动态输出转矩,补偿了发动机转矩和目标转矩之间的差值,有效地减小了总目标转矩的波动,波动幅值减小到最小幅度,也说明了动态转矩估计的正确性。
4 结论
(1) 基于模块化思想,利用AVL PUMA Open动态试验台搭建了混合动力系统试验台架。
(2) 发动机转矩在线估计的3种控制方法中,效果由好到差依次是动态控制方法C、稳态延时控制方法B和稳态控制方法A,方法C明显优于方法A,采用动态控制方法C进行状态切换时,转矩波动相对幅度约为5 %,能够取得最好的控制效果。
参考文献
[1]杜常清.汽车动力装置动态试验台建设与应用研究[D].武汉:武汉理工大学,2006.
[2]童毅.并联式混合动力系统动态协调控制问题的研究[D].北京:清华大学,2004.
[3]郝培.基于PUMA Open动态测试系统的混合动力试验技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.
混合传输系统 篇10
关键词 温差发电 ；轻度混合动力 ；节能
中图分类号 TM619
Abstract In order to energy saving and environmental protection， the article based on the research of the temperature difference power generation technology， the thermoelectric power generation organic combination with mild hybrid vehicles， optimize the mild hybrid power supply system design， to provide energy for hybrid cars， to achieve energy saving effect； By comparing with the traditional hybrid cars， really achieve the goal of energy saving.
Key words Thermoelectric ； mild hybrid ； energy saving
随着传统能源的不断减少和人们环保意识的增强，节能减排已经提上了议事日程。传统汽车不仅能源消耗大，尾气污染也很严重。因此，各种新型节能环保汽车就应运而生。笔者主要对目前的混合动力汽车进行重新优化仿真设计，使得混合动力汽车更符合节能目的。
1 温差发电技术和混合动力汽车
1.1 温差发电技术
温差发电技术是基于塞贝克效应、珀尔效应和汤姆效应3种基本效应发展起来的一门新技术，其原理是通过半导体两端的温度差值，利用半导体自身特殊材料的性质产生热电效应，最终获得所需电源的一种方法[1]。
1.2 混合动力汽车
混合动力汽车是指汽车的驱动是由2个或者2个以上的动力源来进行驱动的车辆，按照电能所占驱动力的不同，可以分成轻度混合汽车、中度混合汽车和重度混合汽车3种[2]。
2 系统优化设计
2.1 温差发电系统设计
车载电源系统中，温差发电主要是指利用尾气排放中的余热作为热源，而汽车的水冷系统作为冷源，通过他们之间的温度差值作为发电电源的主要途径。系统结构如图1所示。
温差发电系统其主要部件为温差发电器，该系统有冷源和热源2条通道为温差发电器提供发电所需要的能源。热源通道主要是汽车的排气管道，而冷源通道则为发动机水冷系统。温差发电器主要采用美国Hi-Z公司生产的HZ系列中的HZ-20热电模块进行设计，HZ-20热电模块由于具有体积大和输出功效高等优点，所以非常适合汽车尾气的温差发电系统的应用。主要参数如表1所示。
2.2 ISG轻度混合动力系统设计
轻度混合动力系统一般分为Start-Stop、BSG和ISG等3种类型[4]。笔者主要以ISG轻度混合动力系统为研究对象，在传统的汽车结构上增设了电机、储能单元以及控制系统，其工作控制过程如下：
（1）起动时把发动机瞬间加速到怠速工况后再起动发动机工作；
（2）低速或巡航工作时，不对蓄电池充电，只有在电池的荷电状态低于规定值时才进行充电，以备汽车加速或爬坡提供辅助动力。
基于以上分析，可以构建出采用温差发电系统的ISG轻度混合动力系统模型，整车仿真模型如图3所示。
3 系统性能仿真测试
3.1 温差发电系统的仿真性能测试
通过系统设计改变输入的内阻以及尾气热端的工作温度，得到系统输出功率与入口温度的变化关系，如图4所示。
从图4可以看出，温差发电器的输出功率随着入口温度的升高而增大。
3.2 整车模型性能仿真测试
在整车模型性能仿真测试中，通过对数据的调整，得到动力电池SOC曲线和累计燃油消耗曲线，如图5、6所示。
由图5可以看出，由于温差发电系统的发电，电动/发电机发电的状况很少，因此，可以降低由于发电机工作而消耗的发动机功率，进而减少汽车的燃油消耗；从图6可知，新系统的油耗比旧系统降低2 %，但温差发电系统在不断起停的工况下不能完全发挥作用，效果不很明显。但如果汽车运行于高速工况，温差发电系统得以发挥它的全效，那油耗的降低会更加明显。由于温差发电系统的作用，会使得汽车的电池处于电量满荷状态，在采用发动机工作的时候，点火系统能量增大，使可燃混合气燃烧得更为充分，从而进一步减少尾气中有害成分的排放。
4 小结
笔者通过将温差发电系统与ISG混合动力系统进行集成匹配，并对新的系统进行相应的仿真实验，与旧系统进行对比，验证了燃油经济性的改善，符合节能减排的最终目的，也为后续的节能减排研究指出了一条可行之路。
参考文献
[1] 邓志杰，郑安生. 半导体材料[M]. 北京：化学工业出版社，2004.
[2] An Feng，John Decicco，Marc Ross. Assessing the Fuel Eeonomy Poteniial of Light-Duty Vehieles[J]. doi：10.4271/2001-01-2482 （2001-08-20）.
[3] 范 韬. 基于汽车尾气温差发电和太阳能发电的新型车载电源系统[D]. 武汉理工大学硕士学位论文，2010.
[4] 胡建军，赵玉省，秦大同. 基于CAN通讯的混合动力系统硬件在环仿真实验[J]. 中国机械工程，2008（3）：300-304.
脉冲混合系统的严格稳定性 篇11
脉冲混合系统是一种可变结构的脉冲微分系统, 它描述了许多实际中的物理模型, 近年来关于其稳定性的研究已有不少成果[1,2]。我们知道, 一个微分系统平凡解的Lyapunov稳定并不能排除其渐近稳定的可能;而且, 如果平凡解渐近稳定, 它只说明充分靠近平凡解的非零解是趋于零的, 并不能刻画这些解的衰减率, 即它们如何趋于零。换句话说, 这些稳定性概念只是对解的单边估计, 都是不严格的。那么, 自然希望对解给出下界的估计, 即与平凡解的接近程度。这种概念, 称为管状区域的稳定性, 或严格稳定性。目前, 对微分系统严格稳定性的研究并不多见[3—5], 尤其是对脉冲微分系统。本文借助Lyapunov直接方法研究了脉冲混合系统零解的严格稳定性, 得到了若干充分条件。
考虑脉冲混合系统
(1) 式中f∈C[R+×Rn×Rm, Rn], Ik∈C[Rn, Rn], λk∈C[Rn, Rm], k=0, 1, 2, …, t0<t1<t2<…<tk<∞为脉冲时刻, 且tk→∞, k→∞。
对任意固定的y∈Rn和k=0, 1, 2, …, 假设系统
的解在 (tk, tk+1) 上存在唯一, 则系统 (1) 式的解是有第一类间断点t=tk且在间断点左连续的分段连续函数。下面给出若干符号和定义。
K={ψ∈C[R+, R+]∶ψ (0) =0, ψ (r) 关于r严格递增};
K0={ψ∈C[R+, R+]∶ψ (0) =0, 当r>0时, ψ (r) >0};
S (ρ) ={x∈Rn∶|x|<ρ}。
定义1 令V (x) ∈C[Rn, R+], t∈ (tk, tk+1) , x, y∈Rn, 定义
若V∈C1[Rn, R+], 则 (3) 式即为
定义2 系统 (1) 的零解称为
(H1) 严格稳定的, 如果任意给定ϵ1>0, t0∈R+。存在δ1=δ1 (t0, ϵ1) >0, 使当|x0|<δ1时有|x (t) |<ϵ1, t≥t0。任意δ2∶0<δ2≤δ1, 存在ϵ2∶0<ϵ2<δ2, 使当|x0|>δ2时有|x (t) |>ϵ2, t≥t0, 其中x (t) =x (t, t0, x0) 是系统 (1) 的任意解;
(H2) 严格一致稳定的, 如果 (H1) 中δ1, δ2和ϵ2与t0无关;
(H3) 严格吸引的, 如果对给定α1>0, ϵ1>0, t0∈R+。任意α2≤α1, 存在ϵ2<ϵ1, T1=T1 (t0, ϵ1) , T2=T2 (t0, ϵ2) , 使当α2≤|x0|≤α1时有ϵ2<|x (t) |<ϵ1, t0+T1≤t≤t0+T2;
(H4) 严格一致吸引的, 如果 (H3) 中的T1, T2与t0无关;
(H5) 严格渐近稳定的, 如果 (H3) 成立, 且 (1) 式的零解是稳定的;
(H6) 严格一致渐近稳定的, 如果 (H4) 成立, 且 (1) 式的零解是一致稳定的。
特别重要的是, (H1) 和 (H3) , (H2) 和 (H4) 不能同时成立。当|x (t) |→0, t→∞或lim inf|x (t) |=0, lim sup|x (t) |≠0时, 系统 (1) 的零解不可能是严格稳定的。
例 考虑纯量脉冲混合系统
(A) 若βk, dk≥0, 且无穷级数
(B) 若βk, dk<0, 且对任意k∈Z+, dk-1+βk-1 (tk-tk-1) >-1, 则系统 (4) 式的零解是一致稳定, 且是一致渐近稳定的, 但非严格一致稳定。
事实上, 系统 (4) 式的解为
(A) 令
(B) 因0<1+dj-1+βj-1 (tj-tj-1) <1, 故|u (t, t0, u0) |单调递减, 且
定理1 假设
(i) V1∈C[Rn, R+], V1 (x) 关于x满足局部Lipschitz条件, 对
(ii) 存在ρ0<ρ, x∈S (ρ0) 意味着x+Ik (x) ∈S (ρ) ;
(iii) V2∈C[Rn, R+], V2 (x) 关于x满足局部Lipschitz条件, 对
则系统 (1) 式的零解是严格一致稳定的。
证明: 任意ϵ1∶0<ϵ1<ρ0, t0∈R+, 取δ1=δ1 (ϵ1) >0, 使δ1<ϵ1, a1 (δ1) <b1 (ϵ1) 。下证当|x0|<δ1时, 有|x (t) |<ϵ1, t≥t0, 其中x (t) =x (t, t0, x0) 是系统 (1) 满足|x0|<δ1的任意解。若不然, 存在满足|x0|<δ1的某个解x (t) 及t1>t0, t1∈ (tk, tk+1] (某个k∈Z+) , 使
|x (t1) |≥ϵ1, |x (t) |<ϵ1, t∈[t0, tk]。
由于|x (tk) |<ϵ1<ρ0, 由 (ii) 得|x (t+k) |=|x (tk) +Ik (x (tk) ) |<ρ。所以存在
矛盾。故系统 (1) 式的零解是一致稳定的。
任意δ2∶0<δ2≤δ1, 取0<ϵ2<δ2, 使a2 (ϵ2) <b2 (δ2) 。下证当δ2<|x0|<δ1时有ϵ2<|x (t) |<ϵ1, t≥t0。若不然, 存在满足δ2<|x0|<δ1的某个解x (t) 及t2>t0, 使|x (t2) |≤ϵ2。由 (iii) 得
a2 (ϵ2) ≥a2 (|x (t2) |) ≥V2 (x (t2) ) ≥V2 (x0) ≥b2 (|x0|) >b2 (δ2) >a2 (ϵ2) 。
矛盾。因此, 系统 (1) 的零解是严格一致稳定的。 ⌷
定理2 假设
(i) V1∈C[Rn, R+], V1 (x) 关于x满足局部Lipschitz条件, 对
(ii) 存在ρ0<ρ, x∈S (ρ0) 意味着x+Ik (x) ∈S (ρ) ;
(iii) 任意σ∶0<σ<ρ0, Vσ (x) 关于x满足局部Lipschitz条件, 对 (t, x, y) ∈R+×S (ρ0) ×S (ρ0) , |x|≤σ, 有
(iv) 对任意k∈Z+, |x+Ik (x) |≥|x|。
则系统 (1) 式的零解是严格一致渐近稳定的。
证明:首先注意到 (7) 式可保证 (5) 式成立, 但 (8) 式却不能保证 (6) 式成立。故由定理1, 系统 (1) 式的零解是一致稳定的。对ϵ1=ρ>0, 任意t0∈R+, 存在δ10=δ1 (ρ) >0, 使当|x0|<δ10时有|x (t) |<ρ, t≥t0, 其中x (t) =x (t, t0, x0) 是系统 (1) 的任意解。
下面需要证明系统 (1) 式的零解严格一致吸引, 先证明一致吸引。
令|x0|<δ10, 任意ϵ1∶0<ϵ1<ρ, t0∈R+, 不妨设存在t1>t0, 使|x (t1) |≥ϵ1 (否则一致吸引得证) 。对上述ϵ1>0, 令δ1=δ1 (ϵ1) >0为一致稳定中的δ1。现取
b1 (δ1) ≤b1 (|x (t0+T) |) ≤V1 (x (t0+T) ) ≤
V1 (x0) -∫
矛盾。故存在t*∈[t0, t0+T], 使|x (t*) |<δ1。于是由一致稳定得
|x (t) |<ϵ1, t≥t0+T≥t*,
即系统 (1) 式的零解一致吸引。由 (iv) , 存在T1∶0<T1<T, 使|x (t0+T1) |=ϵ1, 且|x (t) |≤ϵ1, t≥t0+T1。
任意δ20∶0<δ20≤δ10。取ϵ2<ϵ1, 使α2 (ϵ2) <b2 (ϵ1) 。令δ20<|x0|<δ10。定义
因为|x (t) |<ϵ1, t≥t0+T1。取σ=ϵ1>0, 由 (iii) , 对t∈ [t0+T1, t0+T2], 有
a2 (|x (t) |) ≥Vσ (x (t) ) ≥
Vσ (x (t0+T1) ) -∫
b2 (|x (t0+T1) |) -∫
b2 (ϵ1) -c2 (ϵ1) [t- (t0+T1) ]。
又因t- (t0+T1) ≤τ, 于是得
即|x (t) |≥ϵ2, t∈[t0+T1, t0+T2]。
因此系统 (1) 式的零解是严格一致渐近稳定的。 ⌷
参考文献
[1]Lakshimikantham V, Liu Xinzhi.Impulsive hybrid systems and sta-bility theory.Dynam Systems Appl, 1998;7 (1) :1—9
[2] Akinyele O, Adeye J O. Con-valued Lyapunov functions and stability of hybrid systerms. Dynamics of Contimuous , Discrete and Impulsive Systems Series A :Mathematical Analysis, 2001;8: 203—214
[3]Lakshmikantham V, Mohapatra R N, Strict stability of differential e-quations.Nonlinear Analysis, 2001;46:915—921
[4]Lakshmikantham V, Zhang Y, Strict practical stability of delay dier-ential equation.Applied Mathematics and Computation, 2001;118:275—285