插电式混合动力客车（精选7篇）
插电式混合动力客车 篇1
2015年9月17日至20日,以“科技创新·军民融合·开放合作”为主题的“2015年第三届中国(绵阳)科技城国际科技博览会新能源车展”在四川绵阳会展中心成功举办。“绿色公交系统解决方案提供商”一恒通客车为展示领先的新能源客车制造技术,进一步推动新能源客车市场的拓展,携索娜瑞丝系列插电式气/电混合动力客车CKZ6126HNHEVB5在展会中盛装亮相。
恒通索娜瑞丝系列插电式气/电混合动力客车CKZ6126HNHEVB5是恒通在2015年全新推出的12米级混合动力新能源客车,采用混合动力系统中最新的双储能器技术(磷酸铁锂电池+超级电容器)、电机双动力技术、EMT变速箱技术,分别发挥电动机和发动机各自的特长来行驶,在启动及低速行驶时,系统仅利用电动机来行驶,因为这时发动机的效率较低;在一般行驶时发动机效率很高,发动机产生的动力不仅是车轮的驱动力,同时也用来带动电动机发电,并给储能器充电;在减速或制动时,系统以车轮的旋转力驱动电动机发电,将能量回收到储能器中;在停车时,发动机根据储能器的电量状态,选择停机或给储能器充电。通过这一系列优化,使用整车节气率较普通燃气客车降低40%左右。
同时,整车外观采用三维软件进行设计,创新浮雕线型车身,立体感与动感相融;全承载式车体,并通过CAE进行强度刚度分析、拓扑优化设计、动态模拟,在实现整车轻量化的同时,保障整车设计的合理性提高产品安全性和可靠性;低地板一级踏步宽通道大容量客区布置,加快客流交换的同时,提供更具舒适的乘车环境。
凭借专业的创新设计及卓越的环保性能,本次展会上,恒通索娜瑞丝系列插电式气/电混合动力客车CKZ6126HNHEVB5吸引了绵阳市公交集团董事长杨锦林、机务副总、公交驾驶员等众多与会者的高度关注,在详细了解了恒通混合动力优势特点后,给予了高度的评价和由衷的赞许。同时,恒通工作人员还接待了来自甘肃、陕西等地的公交公司参会者,根据他们所提供的当地交通环境和用车要求,因地制宜的推荐了波利特、新阳光、迷你巴士等系列的纯电动客车,并建立了联系。最后,恒通客车工作人员表示,此次展会以展示科技创新为主题,一方面可以广泛接触用户,深入了解用户的需求;另一方面可以看到新能源领域的发展状况,汲取他们的优点与长处;同时也是一个很好的凸显优势、展示自我的机会,恒通将通过不断的技术创新与品质提升,充分发挥“绿色公交系统解决方案提供商”的作用,在今后还将制造出更多节能、环保、安全可靠的产品,为客户创造更大的价值,为中国公共交通事业的发展做出自己的努力与贡献。
赞比亚迪插电式混合动力汽车 篇2
比亚迪公司在2010～2012年节能与新能源汽车示范期间，推出了数百辆F3DM混合动力汽车，成为我国第一个靠自己研发走上市场的插电式混合动力汽车。在我国插电式混合动力汽车无论对生产企业还是消费者都是新事物，通过对F3DM车型的使用，这些消费者成了第一批吃螃蟹的人，比亚迪公司也收集到了大量的实际信息，为第二代产品“秦”的研发提供了极为宝贵的改进设计资料。
“秦”在充满电的情况下，可以纯电行驶70km，根据许多机构对私人用车里程的统计结果，这个里程可以满足80%以上的日行驶里程需要，也就是说，在保证每天充足一次电的情况下，“秦”就可以当一辆纯电动汽车使用，不需要使用燃油。此外，110kW的电机功率也能够提供城市工况下足够好的动力性。
为了满足其余日行驶里程的出行需要，“秦”可以在混合动力模式下工作，其平均油耗也只有6.5L/100km，节油效果也相当不错，有比普通燃油车更长的续驶里程。由于有一个1.5L的涡轮增压汽油发动机与电机一起出力，联合的最大功率可以达到217kW，从0加速到100km/h的时间仅需5.9s，达到了运动型汽车的水平，汽车最高车速也可以达到185km/h，这种优良的加速性也能让消费者体验到这种车型高动力性的表现，会让一些年轻人喜爱。
从以上所述，可以看到“秦”的设计理念是经过仔细推敲的。在目前消费者对纯电动汽车续驶里程持有疑虑的情况下，尤其是对于第一次购买汽车的家庭，如果想买一辆新能源汽车，“秦”会成为他们很好的备选。我们应该为“秦”的成功叫好，期盼它在国内市场成为热销产品，在未来参与国际竞争，在世界新能源汽车领域占有一席之地，为中国人争气。
插电式混合动力客车 篇3
一、节能减排
2014年4月5~14日, 海格KLQ6119GCHEV1A插电式新能源客车在江西赣州进行试运营。路线包括赣州市中心最繁华的赣南宾馆一带, 共计39站;每圈运营里程为18公里, 属于典型的城市路况, 运营时间55分钟左右;每天跑8圈, 完全按照常规运营状态上下客和站点停靠。为期10天的试运营过后, 赣州公交统计数据显示:在充电状态下, 百公里平均气耗为15.59千克、百公里电耗为10.2千瓦, 按气6.99元/千克、电1元/度计算, 海格KLQ6119GCHEV1A插电式新能源客车的百公里运营成本为119.1元, 平均到每公里燃料成本不到1.2元。通过对怠速启停进行优化, 采用海格ISG插电混合动力系统的客车怠速启停时间最优能超过50%。海格ISG系统插电混合动力公交PM减排90%以上, 以优异的表现充分实现了环境保护的绿色需求。
二、安全可靠
6月1~30日, 海格气电混合动力城市客车在广东顺德公交试用活动中表现优异, 实现全路段无故障运行。这样的表现在市场同类产品中出类拔萃。卓越的性能源自独到的技术, 海格ISG新能源客车实行高压保护、漏电保护二级绝缘系统, 高低压电路分路控制, 在一级绝缘出现故障时, 可由二级绝缘实行断电。通过整车控制器, 只有踩住刹车、关上车门时才能实现挂挡, 充分保护司机和驾驶员的安全。通过3年的市场使用验证, 达到了近3 000辆车的市场保有量运营。
三、驾乘舒适
公共交通车辆, 对乘客最为贴心的举措莫过于提升驾乘舒适度。海格ISG系统车辆在湖南湘潭试运营期间, 线路沿线的居民黄奶奶告诉记者, 自己经常坐这路车, 感觉特别舒服, 前后摇晃的幅度小, 更适合老年人。而且, 由于自己家住在公交车站附近, 过去在家里就经常听到车辆启动的轰响;但是这次的车噪声小, 对沿线居民起居的干扰明显降低了。黄奶奶经常乘坐的这辆海格ISG插电式混合动力车具有无变速箱性能, 省去了司机频繁换挡和踩离合器的劳动量, 因此, 车上乘客不会感到明显的顿挫感。由于发动机始终处于最佳工况, 有效地降低了车辆噪声, 且车中无共振、刹车“点头”等现象。车内采用时间积分智能空调, 温度恒定, 感觉舒适。对于该车的驾驶手感, 湖南湘潭湘运公交公司二车队的一位有20多年驾龄的老师傅赞不绝口:“我从细伢子的时候开始当司机, 开了20多年的车, 新能源的车也用过, 但没想到这个车子手感这么好, 开起来比过去的车都省力, 海格硬是要得咧!”
四、高性价比
扣除25万元补贴后, 海格ISG系统车辆基本与AMT同价, 比传统手动变速箱仅贵5万~10万元。由于采用直驱方式无变速箱、大功率电机、ATS发动机水温恒定系统, 海格ISG系统车辆的整个生命周期内综合费用只相当于传统车型的75%。2014年4月, 海格KLQ6119GCHEV1A插电式混合动力公交车在上饶试运营, 在充电运行的情况下, 每百公里气耗为21.42标方 (15.19千克) , 百公里电耗为7千瓦时。按上饶当地每标方气价5.1元、电价每度1元计算, 百公里运营成本约为116.2元。上饶公交的一位负责人表示:“对于公交公司而言, 省下的都是利润。”
插电式混合动力客车 篇4
关键词：插电式混合动力,四驱,混动平台,整车安全
1 混合动力总成构型的研究
本文插电式混合动力轿车前桥混合动力驱动系统由发动机、分离离合器、ISG电机、CVT变速器构成, 后桥电驱动系统由后驱电机、电子后桥构成。两套动力系统可根据不同工况单独或同时工作, 以取得良好的动力性和经济性。车载高性能锂电池作为整车电机的驱动动力源, 兼顾能量型和功率型锂电池的性能要求, 整车具备纯电动续驶功能。
2 前桥混合动力系统技术开发
混合动力驱动系统由发动机、分离离合器、ISG电机、CVT变速器构成, 将发动机、ISG电机和变速器总成集成优化, 对动力总成系统的轴系和轮系进行结构优化设计, 提高动力总成系统连接的可靠性和耐久性。结合强混合动力系统的特点, 对发动机和变速器进行匹配、优化及适应性的更改和设计, 匹配和优化其MAP效率来适应混合动力系统使用。
混合动力驱动系统在传统汽油车基础上增加了ISG电机、控制器以及电压的转换DCDC部分。电驱动系统主要承载驱动的辅助功能及电量和电压的转换功能, 便于车辆在高速行驶或者急加速情况下采用混动模式, 更有利于发挥整车的动力性能。
3 后桥电驱动系统技术开发
本文所描述后桥电驱动系统是对传统汽油车的随动后桥进行更改设计, 使其满足驱动需求。后驱驱动系统为一功率较大的驱动电机TM (Traction Motor) , 装载集成减速器与差速器的电子后桥系统, 电子后桥的结合与断开都由MCU完成管理。驱动电机控制器 (MCU) 结合逆变器完成对后驱系统TM控制, 实现驱动电机的扭矩输出、模式控制等功能。
后桥电驱动系统是纯电动系统, 主要由驱动系统和冷却系统两部分组成。驱动电机、电机控制器、减速器和传动轴总成构成了混动四驱的后驱动系统;膨胀壶、散热器和冷却水管构成了后驱动的冷却系统。由于原型车是前置前驱系统, 若在此基础上增加后驱纯电动系统, 需要满足一定的布置空间和后部结构更改可行性。经过分析, 将驱动电机和减速器布置在后轮之间的相应位置, 调整离地间隙, 可以保证通过性。根据传动轴设计准则, 微调动总位置, 校核设计传动轴, 由于减速器距离后右悬架的距离过远, 需要增加中间轴, 使可以满足后悬架跳动引起的传动轴运动的要求。根据后桥驱动系统布置位置, 进行悬置的设计, 后桥驱动系统悬置采用左右后三点悬置固定。MCU控制器布置于车身左后纵梁位置, 采用支架固定在电池包的骨架和车身支架上, 距离电机比较近, 可以方便三相电缆的连接。
根据后桥驱动系统布置, 车身和后悬架机构需要进行相应的结构更改, 车身底板避开动力总成的干涉, 局部增加加强, 并增加悬置的安装支架。后悬架机构需要更改拖曳臂的结构, 增加后传动轴支撑, 可以使动力有效的传递给后轮。
4 系统集成技术开发
4.1 动力系统的机械集成
动力系统主要包括:发动机、ISG电机耦合机构、变速箱、液压单元执行机构。发动机采用某公司现有的成熟产品E4G16发动机, 开发CVT变速箱壳体与发动机的端面进行匹配安装, 并在壳体中安装ISG电机耦合机构, 通过液压单元执行机构进行控制。
由于混合动力各系统部件的最佳工作温度场的不同及冷却介质的差异, 将冷却系统划分为三部分组成。分别是:发动机的冷却、电机控制器冷却和CVT变速箱油冷却, 其中, 前两部分冷却系统采用相同介质冷却, 从而设计开发了混合分体式水箱, 可以节省空间, 增大迎风面积;变速箱冷却则将油冷器置于通风条件比较好的地方, 可以提高变速箱的效率, 油泵固定于变速箱壳体上, 以便油泵的震动噪音可以通过变速箱的悬置软垫系统进行衰减, 提高乘客的舒适性。
4.2 整车CAN网络通讯系统设计
在前期研究和设计的基础上, 进一步整合和优化CAN信息和CAN协议定义, 使CAN数据定义更加全面、合理和科学。由于强混合动力系统结构复杂, 电控节点也较多, 全部在一条CAN网络上会造成CAN网络负载率过高, 因此有必要设计两条CAN网络分别搭载网络信息, 且以HCU为转发网关。混合动力系统节点如HCU/BMS (Battery Management System) /ISG/TM/充电机/均衡器/EPS (Electronic PowerSteering) 可以搭载在CAN1, EMS (Engine Management System) /ESP/TCU (Transmission Control Unite) /仪表及车身控制器可以搭载在CAN2, 这样既可靠, 又方便了信息交互。由于VMS跟大多数节点之间都有通讯, 因此采用VMS做网关节点, 组成双高速CAN网络。由初步节点信号统计, 计算出了每个节点在单CAN中的负载率。为了使两条CAN线负载率趋于平均, 网关尽量少转发信号, 特拟定了此拓扑方案。经计算, 这样CAN1网络负载率22.4%, CAN2网络负载率25.4%。
5 整车安全技术开发
5.1 整车碰撞结构安全设计
整车碰撞结构安全设计的原则是:确保在碰撞过程中和碰撞之后, 乘员的人身安全不受影响, 车上涉及安全的部件不遭破坏, 本文描述整车进行了高压系统的安全设计, 高压电气系统具备良好的绝缘、接地以及高压互锁环路的连接状态。
高压电有效时, 随时监测高压系统的电压、底盘绝缘状态、接地状态、高压互锁环路的连接状态, 实现高压强电的漏电保护, 碰撞安全保护、防水防尘保护等需求, 并能按指令控制蓄电池组断路接触器和各种继电器的接通和断开, 完成碰撞安全的系统布臵和结构设计技术的研究利用。并通过CAE (Computer Aided Engineering) 仿真分析对电池包、后驱系统的布置及结构设计进行优化, 整车满足正面、侧面及后部碰撞的安全技术要求。
5.2 碰撞电池安全
碰撞信号从安全气囊控制器获取, 由安全气囊控制器输出, HCU和BMS通过硬件电路采集, 同时安全气囊控制器发出碰撞发生的CAN消息告知HCU和BMS, 保证软件的冗余;HCU检测到碰撞信号后, 立即置Battery-Enable信号为低电平, 输出给BMS的高压继电器控制回路, 同时发出Battery-disable的CAN消息给BMS。
高压安全互锁方案设计了3个高压互锁回路:HVIL_A、HVIL_B、HVIL_C, 分别为放电回路、慢充回路、快充回路的高压互锁, 根据不同功能安全要求设定各互锁回路的安全等级。
6 电动转向系统的开发
汽车转向系统作为汽车主动安全性的关键总成, 其性能好坏直接影响着车辆运行时的安全性和操纵稳定性。随着现代汽车技术的迅猛发展, 汽车转向机构也由开始简单的纯机械机构发展到后来机械液压助力转向 (Hydraulic Power Steering, 简称HPS) 和电控液压助动力转向 (Electric Hydraulic Power Steering, 简称EHPS机构) , 以及目前的电动助力转向 (Electric Power Steering, 简称EPS) 机构。
传统的液压助力转向系统通过与汽车发动机曲轴相连的齿轮驱动, 汽车发动后, 无论转向与否系统的液压泵都处于工作状态, 增加了能耗。同时由于系统的结构复杂且存在漏油和渗油现象, 不利于环保。近年来, 随着人们对安全、环保和节能的呼声越来越高, 汽车电动助力转向系统作为一种“按需型”的转向机构受到业界的普遍青睐, 是未来汽车转向的发展方向。汽车电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上, 增加了信号传感装置、电子控制装置和转向动力机构, 主要部件包括:扭矩传感器、车速传感器、电流传感器、电子控制单元、电动机和带离合器的减速机构。汽车转向时, 扭矩传感器把检测到的扭矩信号的大小和方向经A/D转换后传给控制单元, 控制单元同时接收车速传感器检测到的车速信号;然后根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力扭矩的大小;同时电流传感器检测电路的电流, 对驱动电路实施监控, 最后由驱动电路驱动电动机工作, 实施助力转向。
7 总结
本文以某款PHEV轿车为研究对象, 对混合动力平台进行开发研究, 研究前桥混合动力驱动系统的集成及优化, 对后桥电子驱动系统的设计及布置合理性进行分析讨论, 并对整车安全性能进行研究分析, 最终得出确定此混合动力平台技术可行, 本文所描述的混动平台技术已在某款PHEV整车上搭载应用, 整车取得了公告认证。
参考文献
[1]赵又群, 李佳.Plug-in混合动力汽车动力系统参数匹配[J].应用基础与工程科学学报, 2011 (03) .
[2]李献菁, 孙永正, 邓俊, 胡宗杰, 李理光.插电式串联混合动力汽车发动机起停控制策略的优化[J].汽车工程, 2011 (02) .
[3]孙永正, 李献菁, 邓俊, 胡宗杰, 李理光, 孙文凯, 杨安志.插电式串联混合动力轿车的选型匹配与仿真[J].汽车工程, 2010 (12) .
[4]张博, 李君, 杨世春, 高莹, 尹雪峰.Plug-in混合动力汽车动力总成优化设计研究[J].汽车工程, 2009 (07) .
插电式混合动力客车 篇5
插电式混合动力汽车作为国家重点扶持的新能源车辆,越来越受到关注[1,2]。轿车和客车企业都在发展自己的插电式混合动力车型[3,4]。
插电式混合动力车辆工作模式较多,各工作模式之间的切换品质直接影响到车辆的行驶性能,是插电式混合动力汽车需要解决的关键技术之一。Davis等[5]利用发动机状态观测器,通过电机消除扭矩波动。王庆年等[6]提出了基于电机辅助的模式切换协调控制策略,用以减小扭矩波动。颜伏伍等[7]提出了利用电机补偿发动机动态转矩的模式切换策略,提高了驱动模式的切换性能与效果。严运兵等[8]提出了“转矩预分配+发动机调速+发动机转矩估计+电动机转矩补偿控制”的动态协调控制策略,降低了各模式切换过程中的转矩波动。杨阳等[9]通过发动机、电机以及离合器的扭矩协调控制,提高了切换品质。通过以上分析发现,由于发动机转速控制较困难,模式切换主要采用电机扭矩补偿的方法来减小模式切换的冲击。
插电式混合动力汽车需要通过变速器对其动力源(发动机和电机)的工作区域进行优化,以有效发挥自身性能。无级自动变速器(continuously variable transmission,CVT)能实现真正意义上的无级自动变速,在调整动力源工作区域方面具有突出的优点,并且CVT是目前最舒适的一种自动变速器,因此在很多的混合动力汽车中都装备了CVT。但传统的电控液动CVT自身需要一套液压系统[10],系统油压由发动机输出建立,制造成本相对较高且效率较低。特别是对于插电式混合动力系统,在纯电动工况下,无法持续保证传统CVT的系统油压,如果再加装一套独立的供油系统,不仅会带来控制上的诸多问题,而且在成本上也无法接受。因此,传统的CVT在插电式混合动力系统乃至纯电动系统上的应用都受到了限制。机电控制CVT完全抛弃了传统的液压系统,从而大大降低了系统的制造复杂性,成本降低30%以上,整机传动效率提高10%,整车能耗大大减小,可靠性提高。因此,机电控制CVT在插电式混合动力系统上的应用有着不可比拟的优势。
1 系统结构及工况模式分析
图1所示为搭载机电式CVT的插电式混合动力系统。为了简化系统机构,仅在发动机和电机之间置有一自动离合器,通过整车控制器对其进行自动控制,实现发动机和电机能量的合并与分离,并在电池荷电状态(state of charge, SOC)很小的情况下,实现发动机驱动起步。电机与CVT直接相连,通过差速器将驱动力传递到车轮。发动机启动仍然采用传统的启动电机,由12V车载电池供电。由于采用了机电式CVT,不需要再单独构建一套液压系统,其系统结构和控制都大大简化。根据该系统的特点,在车辆行驶过程可具有以下工作模式:
1.发动机 2.自动离合器 3.电机 4.机电控制CVT 5.动力电池组 6.12V电池 7.启动电机
(1)发动机单独驱动。
当SOC较小且需求功率较大时,发动机单独工作,以驱动车辆行驶。在此模式下,自动离合器处于结合状态,电机关闭,发动机处于油门控制模式。
(2)电机单独驱动模式(纯电动)。
当SOC较高,并且需求功率在电机输出功率范围内,可由电机单独驱动车辆行驶。在此模式下,自动离合器分离,发动机关闭,电机处于电动状态下的扭矩控制模式。这是插电式混合动力汽车的主要工作模式[11]。
(3)发动机/电机混合驱动模式。
当车辆需求功率较高,且电池SOC在许可的范围内,则发动机和电机同时工作,共同输出转矩驱动车辆。在此模式下,自动离合器处于结合状态,电机处于电动状态下的扭矩控制模式,发动机处于扭矩控制模式。扭矩根据控制策略进行分配。
(4)电池充电模式。
当电池SOC较小,且车辆需求功率小于发动机当前所能提供的最大功率时,可利用发动机的富余功率对电池进行充电。在这种模式下,自动离合器处于结合状态,发动机处于扭矩控制模式,电机处于发电状态下的扭矩控制模式[12]。
(5)再生制动。
当SOC小于90%时,车辆在缓速或轻微制动的状态下,进入再生制动工作模式。为了最大化回收制动能量,可将自动离合器断开,从而消除发动机的反拖转矩所带来的影响。系统综合协调控制CVT、电机和电池,最大化回收能量[13]。当需求制动强度较大或防抱死系统(ABS)工作时,从安全的角度出发,制动器单独工作,再生制动停止[14]。
由于所研究的系统结构只有一个离合器,在模式切换过程中,当传动比不变时,不能对电机进行大范围的转矩和转速控制。因此,需要利用系统特点,在模式切换过程中,对发动机、离合器、CVT以及驱动电机进行综合控制,使系统获得最佳的模式切换性能。
2 动力源建模
2.1驱动电机建模
所研究的系统采用永磁同步电机作为驱动电机。通过Clarke和Park变换,建立永磁同步电机转子直角坐标系(d-q)数学模型,这样不仅可分析电机的稳态运行性能,也可分析瞬态过程。假设电机磁路不饱和,定子三相绕组完全对称,忽略磁滞、涡流的影响,则三相绕组的电压平衡方程可表示为
式中,Ud、Uq分别为d轴和q轴相电压,V;Id、Iq分别为d轴和q轴相电流,A;R为电阻,Ω; Ld、Lq分别为d轴和q轴电感,H;Ke为反电动势系数,V/(rad·s-1);p为极对数;ωm为电机角速度,rad/s。
电机电磁转矩方程为
由上述发动机和电机数学模型,可以得到动力源的机械平衡方程:
式中,Jm为转换到电机输出轴上的转动惯量,kg·m2;Tl为负载转矩,N·m;Cm为黏性阻尼系数,N·m·s/rad。
2.2发动机建模
采用试验的方法,根据测试数据建立发动机稳态扭矩模型(图2)。发动机油门开度由电子节气门控制。
3 机电CVT建模
3.1机电CVT传动原理
机电式CVT结构原理如图3所示。它由驱动机构、夹紧机构和金属带传动装置构成。驱动机构采用直流电机,通过齿轮减速机构和丝杆螺母机构,实现电机的减速增扭,并将电机的旋转运动转换为直线运动。夹紧机构采用碟形弹簧,通过其弹性变形实现对带轮的加压。金属带传动装置和传统的电控液动式金属带CVT相同,由钢带和金属块组成,通过带轮的夹紧传递动力。电机旋转带动减速机构和丝杆螺母机构运动,从而调整主动带轮可动盘的轴向位移,实现CVT速比的调节。
1.直流电机 2.齿轮减速机构 3.丝杆螺母机构 4.碟形弹簧 5.主动带轮 6.从动带轮 7.碟形弹簧
3.2驱动机构模型
驱动机构采用普通永磁有刷直流电机,根据电磁场方程和动力学方程,可建立永磁直流电机的数学模型,通过脉宽调制控制电机的输入电压,从而控制电机电流,实现电机的转矩与转速控制。电机的转矩通过减速机构放大,作用在CVT主动带轮上,推动其移动,从而实现速比的调整。
3.3夹紧机构模型
碟形弹簧具有非线性的弹性特性,因此,可采用其压紧力变化较小的区域作为CVT夹紧弹簧的工作区,使CVT的带轮在轴向运动的过程中,夹紧力变化不大,保证CVT的扭矩传递能力和效率维持在一个稳定的范围内。根据碟形弹簧特性,可得CVT从动带轮推力Fs随带轮可动盘的轴向位移xs变化的特性,如图4所示。主动带轮采用与从动带轮同样的碟形弹簧,通过电机所产生的推力实现调速。
3.4速比变化率模型
定义CVT速比为
式中,rp、rs分别为主从动带轮有效工作半径,m。
CVT的速比变化率dic/dt与CVT的自身特性、夹紧力以及输入转速有关。本文采用Carbone模型进行描述[15],即
式中,if为主从动轮推力比;Fp、Fs分别为速比变化时的主从动带轮推力,N;is为速比稳定时主从动轮推力比;Fu、Fv分别为速比稳定时的主从动带轮推力,N;ωp为主动带轮转速,rad/s;Δβ为带轮变形系数;a0、a1为常数;β为带轮半槽角,rad;kc(ic)为随速比变化的多项式;D0为主从动带轮中心距,m;b0、b1为常数。
根据CVT运动学关系,带轮轴向位移计算式可表示为[16]
式中,xp为主动带轮轴向位移,m;rn为带轮最小工作半径,m;rx为带轮最大工作半径,m。
假设带轮包角近似为180°,则主从动带轮上的工作半径之和为常量,由此可得主从动盘带轮轴向速度为
根据式(4)～式(7),由CVT当前的速比和工作半径以及夹紧力,计算得到CVT的速比变化率,获得带轮轴向移动速度,从而计算出下一时刻CVT的速比,这样便可获得CVT动态调速模型。
4 模式切换控制策略
下面以纯电动驱动模式向混合驱动模式切换为例,说明模式切换的控制策略(图5)。
当车辆从其他运行工况退出后,检测电池SOC和需求扭矩。当条件满足便进入混合动力驱动模式。为了实现发动机和电机的混合驱动,必须要调整电机、发动机和自动离合器状态。首先判断发动机是否处于工作状态,如果不是,便分离自动离合器,启动发动机。这期间为了不使车辆动力明显下降,控制电机工作在电动模式下。为了缩短自动离合器结合时间和降低冲击,在这期间控制CVT速比,使离合器从动盘转速尽量调整至发动机转速,同时控制发动机转矩,以确保离合器接合后动力输出不发生剧烈的变化。当离合器转速差在允许范围内时,便结合自动离合器。然后使电动机工作在电动工况的扭矩控制模式下,发动机工作在扭矩控制模式下。各自的目标扭矩由控制策略根据SOC、需求功率和效率等因素进行分配。同时根据系统燃油经济性和动力性的需要,对CVT的速比进行控制。这样就完成了混合驱动工作模式的切换。当电池SOC或需求扭矩不满足混合驱动模式的条件时,便退出该工作模式。
5 仿真分析
5.1控制仿真模型
机电CVT的混合动力系统控制模型如图6所示。当模式切换开始时,模式切换控制器根据发动机转速和驱动电机转速计算出CVT的目标传动比ir,CVT速比控制器根据目标传动比与CVT实际传动比的差值Δi计算出CVT调速电机的占空比cm。调速电机模型根据占空比计算出作用在主动带轮上的推力Fp。CVT速比变化模型根据CVT的动力学关系,计算出速比变化率dic/dt,由速比变化率计算出带轮的轴向移动速度vp。根据带轮移动速度最后计算得到CVT的实际速比。能量分配策略根据车速ve和油门开度βa等信号,计算出目标节气门开度αr和驱动电机目标转矩Tr。电子节气门模型根据αr计算得到实际的节气门开度αt。发动机模型根据发动机转速ωe和αt,计算得到发动机实际转矩Te。离合器模型根据离合器结合速度vc和发动机转矩计算得到离合器输出转矩Tc。电机控制器根据目标转矩计算出目标电流Ir。驱动电机模型根据目标电流和电机转速ωm计算出电机实际转矩Tm。Tm与Tc的和便是动力源输出转矩Tp,Tp与ic相乘得CVT输出转矩Tt,再根据主减速器i0、车轮半径rw以及车辆行驶平衡方程便可得到车速ve。
5.2仿真分析
在MATLAB/Simulink仿真平台上建立仿真模型,主要仿真参数如表1所示。
图7所示为模式切换过程中,不对CVT速比进行控制的仿真结果。系统初始处于纯电动状态,由电机单独驱动发动机,自动离合器处于分离状态。当系统接到模式切换指令后,发动机启动,离合器以最大速度结合(图7a),CVT速比保持不变(图7c)。由于发动机转速比电机转速低,当离合器结合时,发动机受整车惯性的反拖,转速迅速上升(图7d),由于离合器主从动盘转速差较大,使整车产生了较大的冲击(图7b)。
1.车速 2.冲击度 3.目标速比 4.实际速比 5.电机转速 6.发动机转速
图8所示为采用本文提出的控制策略的模式切换过程。在发动机启动后,离合器仍然以相同速度结合,但CVT根据发动机转速进行了控制,使离合器在传递转矩前,降低了电机转速,从而降低了离合器主从动盘转速差。因此,整车在模式切换过程中的冲击大大降低。
1.车速 2.冲击度 3.目标速比 4.实际速比 5.电机转速 6.发动机转速
6 结论
(1)分析了插电式混合动力系统的主要工作模式,提出模式切换过程中利用CVT调速来控制电机转速,从而提高模式切换品质。
(2)建立了插电式混合动力系统的动力源模型、机电控制CVT速比变化模型。在此基础上,以纯电动/混合驱动模式切换为例,提出了模式切换过程的控制策略。
(3)搭建了搭载机电式CVT的插电式混合动力系统控制仿真模型,并进行了模式切换仿真。仿真结果表明,本文提出的控制策略与传统的模式切换方法相比,能大大降低系统的冲击度,提高系统的平顺性,提高模式切换品质。更加充分地发挥了机电式CVT在插电式混合动力系统上的优势,为其产业化应用奠定了相应的理论基础。
插电式混合动力客车 篇6
关键词：插电式混合动力公交车,特征参数,工况识别,参数优化
一直以来混合动力汽车的控制策略都是基于单一标准循环工况制定的,然而标准工况与实际行驶工况随机性之间有不可协调的矛盾,造成混合动力汽车的节油性能不能得到充分发挥[1,2,3,4,5]。文献[6]分析了行驶工况对控制策略制定及汽车行驶性能的影响,指出了标准工况与车辆行驶工况的随机性的矛盾;并引进马尔科夫模型对未来工况进行预测,通过需求功率、SOC两个输入的模糊控制器,输出发动机关断转矩的调整系数,以此来提高车辆对行驶工况的适应性。文献[7]通过训练学习向量化(LVQ)神经网络模型对各工况特征参数进行学习训练,并进行工况实时识别,获取当前的工况类型,周期性更新当前工况下对应的等效燃油系数,以此来提高燃油经济性和车辆对行驶工况的适应性。
本文在规则类控制策略的基础上增加工况识别模块,建立基于工况识别的自适应控制策略。由车速记录窗记录过去一段时间内的车速与时间关系,实时提取平均车速、平均绝对加速度、怠速时间比三个特征参数,并作为模糊工况识别器的输入,对车辆当前所处的工况进行识别;建立自动优化平台,对各工况下的控制参数以燃油经济性为目标进行优化,根据工况识别器输出结果调用适合此工况的最优控制参数,提高PHEB的路况适应性、燃油经济性。
1 基于规则的能量管理策略
研究对象是某公司PHEB的单轴混联式混合动力系统,如图1所示。其中电源部分为复合电源,其结构为动力电池与双向DC/DC串联后与超级电容并联。该系统可以根据电磁离合器1的闭合、断开实现纯电动、串联、并联、制动能量回收等运行模式。
PHEB的整车基本参数如表1所示。
PHEB驱动模式的控制策略,分为CD(电量消耗)阶段和CS(电量维持)阶段,基于规则类的转矩分配策略如表2所示。
表2中m_sep为主电机的转速;soc_cup为超级电容的荷电状态;T_req_act为整车需求转矩;T_emax为发动机工作区域上限;T_emin为发动机工作区域下限;T_e为发动机实际提供的转矩;T_mor为主电机实际提供的转矩;T_ISG为ISG电机实际提供的转矩。
2 工况识别自适应控制策略
基于规则类的控制策略是现阶段实际应用最广泛的控制策略,此控制策略一般是基于一种标准工况优化得到[8],因此控制参数与PHEB行驶工况的随机性有不可协调的矛盾,因此提出工况识别的自适应控制策略。基于工况识别的控制策略是在规则类的基础上增加工况识别模块,根据过去一段时间内的车速与时间关系,提取特征参数对当前工况进行模糊识别,并调用当前工况所对应的最优控制参数,其具体过程如图2所示。
2.1 工况分类
根据公交车运营特点:行驶线路相对固定,上下班、休息日、节假日等不同时段内呈现周期性高峰循环,同一路段不同时间可能出现不同的状况,起步加速频繁。忽略不同的路面条件和天气条件对驾驶工况产生的影响,可以将公交工况分为:拥挤、城市、市郊工况三种。选取了CYC_MANHATTAN拥堵、CYC_CHN_URBAN市区、NEDC市郊工况组成的综合工况,如图3所示,选用的综合工况基本可以反映PHEB实际的道路状况。
2.2 特征参数的选取
特征参数选取的原则是数量尽可能少,对燃油经济性影响较大且尽可能多的反应出工况类型[8,9,10,11],选取特征参数为平均车速、平均绝对加速度、怠速时间比,具体计算公式如下。
式(1)中v(i)为每一个仿真步长对应的速度;i为仿真的步数。
式(2)中a(i)为每一个仿真步长对应的加速度,
式(3)中t(i)为速度为零的点。
2.3 工况识别模型建立
工况特征参数与其类型之间存在非常复杂的非线性关系[12,13],模糊控制具有非常高的自适应性、鲁棒性,因此选择模糊控制进行模式识别。模糊识别周期结合“工况块”概念及实时处理能力选取200s为识别周期[14]。
工况识别的模糊控制包括三个输入量、一个输出量。平均车速、平均绝对加速度、怠速时间比作为输入量,工况类型为输出量。三个输入量分别有“S”、“M”、“B”三个模糊子集,分别代表小、中、大。输出量为“1”、“2”、“3”,分别代表拥挤、市区、市郊工况。
平均车速、平均绝对加速度、怠速时间比的隶属度函数如图4~图6所示。
工况识别的模糊规则如表3所示。
3 控制策略优化
3.1 优化模型
优化控制参数具有非线性、多目标性,求解是在目标函数的可行域内得到控制参数最优解,控制参数优化的数学模型为
式(4)中:f(x)为目标函数;Qfuel为各循环工况下车辆百公里综合油耗;gi(x)≥0为约束条件;m为约束条件个数;xi为优化变量参数;n为优化变量个数;xil与xiu分别为第i个优化变量参数的上限和下限。
3.2 优化参数
工况对控制策略的影响体现在不同工况有不同的最优控制参数,本文所选取的优化参数为:e_high、e_low为发动机工作上下限修正系数,它决定着发动机实际工作的最优区间;k_dis为超级电容工作在合理区间时的实际放电系数,它决定着超级电容的放电速率;clutch_sep为离合器的结合转速区间,它决定着发动机启动转速和发动机的实际工作状态;soc_cup_e0为并联-超级电容荷电状态,它决定着行车充电时发动机的实际工作状态。soc_cup_e1为串联-超级电容荷电状态,它决定着串联模式时发动机的实际工作状态。表4为优化参数名称及其上下限。
选取的优化算法为模拟退火算法,它是基于Monte-Carlo迭代求解策略的一种随机寻优算法,具有较强的局部搜索能力。约束条件为满足动力性指标,优化目标是在满足动力性指标的基础上百公里综合油耗最小,具体内容如表5所示。
本文以Isight为基础优化平台,将在CRUISE环境下建立的PHEB模型及Matlab/simulink环境下搭建的整车控制策略,集成到同一环境下进行自动优化。图7为Isight自动优化模型。
表6为各参数在优化前及优化后三种工况对应的最优控制参数。
控制参数与综合油耗的关系曲线如图8所示。
由图8可以看出在拥挤工况下对燃油经济性影响较大的参数为soc_cup_e1;在市区工况下对燃油经济性影响较大的参数下有clutch_sep和e_high;在市郊工况下对燃油经济性影响较大的控制参数有e_low和soc_cup_e0。
4 仿真及实验验证
4.1 离线仿真分析
在前向仿真软件CRUISE搭建整车模型,在Matlab/simulink中搭建控制策略,进行联合仿真。根据PHEB公交车的运营及用电机制,仿真工况选取4个循环综合工况,图8为一个综合总况的特征参数和识别结果图。
图9中(a)、(b)、(c)动态车速记录窗记录的200 s内的平均绝对加速度、平均车速、怠速时间比。(d)为对应车速及识别结果,由图可以看出拥挤工况、市郊工况的平均绝对加速度较为稳定,分别为0.26 m/s2、0.33 m/s2左右,市区工况的绝对平均加速度波动较大;平均车速呈现依次递增的趋势;怠速时间比总体呈现依次下降的趋势。在拥挤工况识别结果为“1”代表拥堵工况,在市区、市郊工况,识别结果则是在“2”、“3”之间交替变换,则是因为在市区及市郊工况中含有彼此的成分,模糊识别器准确识别并加以区分。
图10为仿真过程中soc_bat的变化趋势图,由图可以看出,有工况识别控制策略的电量消耗比无工况识别控制策略多,仿真结束soc_bat分别为25%、29%,这是因为工况识别控制策略能使发动机、主电机更合理的、有针对性的功率输出。
图11、图12为发动机在等燃油消耗曲线上的工作点,由图可以看出转速在1 200~2 000 r/min范围内有工况识别控制策略对应的发动机工作点比无工况识别控制策略集中且分布在低燃油消耗曲线上,发动机的工作区间更加合理,从而降低油耗,提高燃油经济性。
离线仿真结果对比结果如表7所示。
由仿真结果可知有工况识别控制策略较无工况识别相比燃油经济性进一步提高7.2%,发动机的工作状态进一步得到优化,可以看出工况识别控制策略的有效性。
4.2 驾驶员在环半实物仿真验证
为使验证结果更加准确且接近实车,采用驾驶员在环半实物仿真验证。此半实物仿真验证系统主要由硬件系统和软件系统构成,硬件系统主要包括:驾驶员模拟器、CANoe、d SPACE实时仿真系统,软件系统主要包括:d SPACE自带的数据监测软件Control Desk、AVL CRUISE及Matlab/simulink。
本验证试验采用d SPACE实时仿真系统的2路ADC模数转换通道来分别采集油门信号、制动信号,1路CAN通道用来接收与发送数据,实现与整车模型的通信。将有工况识别及无工况识别控制策略模型利用实时工作空间(RTW)分别下载到d SPACE板卡中;用CANoe来模拟实车时数据间的CAN传输。驾驶员模拟器可实现人机在环交互,可以更好的模拟真实驾驶员的操作,使结果更接近实际情况,实现控制策略验证。半实物验证平台如图13所示。
图14为有、无工况识别的半实物仿真过程中发动机、主电机转矩历程图,从图14(a)、(b)可以看出,无工况识别控制策略,发动机启动参与系统工作的时间、频次较有工况识别控制策略工作时间要长,频次要高,这直接造成油耗的升高。从其局部放大图14(c)、(d)可以清晰看出2 350~2 380 s、2 460~2 490 s发动机的模式切换频次,有工况识别的模式切换次数明显少于无工况识别模式切换的次数,并且发动机单独驱动时所需转矩也得到优化,从而进一步提高其燃油经济性。
驾驶员在环半实物仿真结果如表8所示。
由驾驶员在环半实物仿真实验结果可以看出,较无工况识别控制策略,有工况识别的自适应控制策略使PHEB的燃油经济性进一步提高7%,此与仿真结果基本吻合,验证了工况识别自适应控制策略准确、有效。
5 结论
(1)根据过去一段时间内的车速与时间关系,实时提取特征参数对当前工况进行模糊识别,对不同工况下的控制参数进行优化,建立工况自适应控制策略。从仿真及试验结果可以看出工况识别模块有效,增强了PHEB对工况的适应性,燃油经济性进一步提高7%。
插电式混合动力客车 篇7
1 PHEV工作模式介绍
本文中的驱动控制策略包括以下三种驱动模式:
1.1 纯电动模式:
插电式混合动力汽车由于可以外接充电, 所以其可用纯电动模式行驶。在电量充足且电机功率满足需求的条件下, 该车均工作于纯电动模式。
1.2 传统模式:
在某些情况下, 需要发动机单独驱动车辆行驶。比如在较高车速下, 发动机工作在高效负荷区, 而此时电池电量又比较充足无需进行充电, 为了保持整个系统的高效, 仅需发动机单独工作。另外, 当电驱动系统出现故障时, 为了保证车辆能够继续行驶, 也要求发动机单独驱动车辆。
1.3 混合模式:
当电池电量较低或车辆需求功率较大时, 车辆工作于混合模式中, 根据需求转矩与发动机工作于高效区时发出的转矩进行比较, 混合模式又可以分成以下几种子模式:
1.3.1 电动助力模式:
为了使发动机的工作区域稳定在高效区, 需要电机对功率不足的部分进行补偿。随着车速的升高, 电动机达到最大输出功率后, 则发动机不再保持在高效区域工作, 而是提高输出功率, 此时控制策略优先保证满足车辆的功率需求。
1.3.2 混合发电模式:
在此模式中, 驱动控制策略根据驾驶员的油门踏板信号来计算驱动车辆所需的功率, 然后计算当前转速下发动机的最佳效率工作点, 当需求功率小于发动机最佳工作效率点处所发出的功率时, 驱动控制策略计算此时发动机最佳效率点处的功率与需求功率的差值, 并根据现在的电池与电机状态计算此差值经过一轮充放电循环后, 可以保留的有效功, 进而计算这种情况下的单位燃油效率, 其结果与发动机仅产生当前需求功率时的燃油效率进行比较, 如果电机进行多余能量回收时燃油效率高, 则令发动机工作在最佳效率点处, 电动机对多余能量进行回收, 否则令发动机单独驱动车辆, 电动机不进行能量回收。
2 使用Cruise进行仿真
Cruise是由AVL公司发布的一款整车性能仿真分析软件, 其自带多种车辆标准零部件模块, 通过拖放的方法可以迅速建立车辆的整车模型, 并对其进行动力性和经济性仿真。并可与Simulink软件进行通信, 方便使用Simulink建立控制策略模型。图1是本文使用Cruise3.0建立的PHEV整车模型。该车具有发动机和电机两套动力装置, 采用并联式结构, 发动机和电机可以分别或同时驱动车辆。发动机通过超越离合器与电机机械连接。由于超越离合器只能单向传递扭矩 (从发动机向电动机) 所以当由电机单独驱动车辆时, 电机无需反拖发动机, 减少了无谓的能量消耗及机械磨损。模型中发动机参数为1.1L、额定功率48k W, 电机最大功率25k W, 电池组容量330V/22Ah。
本文中为了表现车辆在行驶时, 各个部件的工作情况, 特地选取了代表车辆的中高速行驶的EUDC工况, 可以反映PHEV在混合工作模式下的表现;以及代表市区内行驶的UDC工况, 可以反映PHEV在城市内以纯电动模式行驶时的表现。
PHEV与对照的传统车辆在EUDC工况下的发动机工作点分布见图2。
从图中我们可以看出, 在动力电池电量充足的条件下, 插电式混合动力汽车发动机的工作点主要分布在高效区, 范围集中, 工作转速范围在2000~3500转之间。低速时, 发动机不工作。在EUDC循环工况中, 发动机仅有28.39%的时间工作。在怠速和低速工况时, 控制策略能够成功关闭发动机。而传统车辆的发动机工作点分布较为分散, 工作转速范围较宽。车辆有12.96%的时间处于怠速状态, 且有43.3%的时间工作在低负荷区域, 这对发动机的燃油经济性有很大的影响。从仿真结果来看, 在EUDC工况下, PHEV与同排量的传统车相比, 燃油消耗降低21.05%。
而在UDC工况中, 最高车速为50km/h, 可以用来测试插电式混合动力汽车平时的主要工作模式--纯电动模式。从仿真结果来看, 当PHEV工作在纯电动模式下时, 与传统汽车相比可以显著降低油耗, 等效百公里油耗仅有1.59L, 降低了78.24%。体现出了巨大的节能优势。按照现在的93号汽油6.56元/升的价格来计算, 传统车每百公里燃油成本为50元;PHEV在纯电动模式下行驶时百公里耗电14.586度, 按当前0.49元每度的电价计算, 考虑充放电损失, 成本约在10元/百公里左右。
总结。根据仿真结果可以看出, 本控制模型可以有效降低车辆的油耗。但尚存在一些不足:当车速波动时, 可能造成发动机频繁启动;控制策略对发动机等的实验数据要求较高, 并且无法及时反应参数的变化, 导致控制效果降低;本策略计算量较大, 需要使用成本较高的芯片。
因此本策略尚有改进空间:加入发动机起动频率的控制, 减少发动机短时间内起动的次数;加入道路预判断功能, 优化发动机的工作时间;加入参数自动校正功能。
参考文献
[1]汪斌, 李峥, 彭红涛, 朱禹.CRUISE软件在混合动力汽车性能仿真中的应用[J].汽车科技, 2007, (5) :38-40.
[2]王锐, 何洪文.基于Cruise的整车动力性能仿真分析[J].车辆与动力技术, 2009, 114 (2) :24-26, 36.