车用动力（精选5篇）
车用动力 篇1
1 电机设计的总体要求
为满足插电式混合动力车辆运行要求, 车用电机机械机构上应满足离合器接口和变速箱接口的要求, 同时还要考虑电机的运行工况, 拟采用定子机壳水冷方式进行冷却。
由于结构的特殊要求, 须在轴心留有超越离合器的空间, 这样电机转速及位置的反馈装置 (旋转变压器) 的安装就是必须面临的问题, 单独设计旋转变压器也是必须的。
2 设计方案概述
根据电气参数要求以及电机结构严格的限制条件, 结合近几年永磁同步电动机的发展趋势, 设计中选择了分数槽绕组的结构形式。包括丰田公司的PRIUS电机系统以及本田公司的CIVIC电机系统等典型系统均采用了分数槽的形式。
经过仿真分析, 16极18槽 (即8极9槽) 的形式是一个好的选择。原因是由于此结构基本上无齿槽转矩, 也就避免了在如此短的铁心叠长上斜槽或斜极的麻烦 (斜槽或斜极的目的是为了消除齿槽转矩) 。
同时, 此结构也是目前为止能量体积密度最高的一种, 最短的端部也是提高效率的可靠保证, 轴向尺寸的限制也决定了此选择是较佳的。
为了提高电机的散热效果, 在总装电机时, 电机定子铁心外圆机绕组端部都是用导热硅胶进行填充, 同时还在绕组端部加装了Pt100热电阻作为绕组温度检测之用。
作为电机系统重要部件的旋转变压器, 由于其特殊的结构, 无法在轴伸端安装, 只有在电机的内圆安装, 考虑到电机的强磁场会对旋变低压信号形成严重干扰, 实际方案最终采用了内置式外转子磁阻旋转变压器, 并加装了屏蔽罩, 经试验验证, 抗干扰效果良好, 能够满足系统性能要求。
3 机械接口设计
采用定子机壳水冷是解决电机散热问题的有效途径, 也是唯一的方法。经过广泛的调研, 最后选定机壳加装散热铜管的方式, 其中铜管与机壳之间用导热硅胶填充, 以保证有效的散热效果。
为了减轻机壳的重量、保证其机械强度和良好的散热效果, 本设计所选机壳的材料为汽车轮毂铝, 并进行T6工艺处理。在实验过程中, 发现用于连接离合器摩擦片的飞轮发热现象严重, 经分析认为是由于空间太小, 导致飞轮离定子绕组端部太近, 端部漏磁场在飞轮上产生的涡流所致。后将飞轮的材料由铸钢改为不导磁的不锈钢材料, 发热情况大为改观。
4 工作外特性的测试
对混合动力车用永磁同步电机进行了外特性测试。测试步骤如下:
1) 测量电动机在转矩设定模式时, 在600、800、1000、1400、1800、2200、2600、3000、3400、3600、4000r/m in转速下, 不同负荷的输入与输出特性, 每个转速下按照最大转矩平均分布8个测量点, 绘制效率特性曲线。
2) 测量电动机控制器在转矩设定模式时, 在600、800、1000、1400、1800、2200、2600、3000、3400、3600、4000r/m in转速下, 不同负荷的输入与输出特性, 每个转速下按照最大转矩平均分布8个测量点, 绘制效率特性曲线。
图1为混合动力车用永磁同步电机在额定电压320V下的外特性图。可见电机能输出峰值扭矩130Nm, 峰值功率25Kw, 满足车辆需求。
5 结论
为解决车用永磁电机存在的体积、空间限制引起的冷却、电磁涡流、传感器安装等问题设计中选择了分数槽绕组的结构形式, 采用定子机壳水冷是解决电机散热问题的有效途径。同时飞轮的材料由铸钢改为不导磁的不锈钢材料。对设计的电机进行了台架外特性测试, 测试结果表明设计的电机满足车用要求。
参考文献
[1]唐任远等.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 1997.
[2]谢永海, 张豫南, 颜南明等.装甲车辆电传动系统永磁同步电机的设计与仿真[J].装甲兵工程学院学报, 2006.
[3]欧金生.高动态性能稀土永磁同步电动机的设计研究[D].湖南大学硕士学位论文, 2007.
车用动力 篇2
1 齿轮箱结构
齿轮箱与电机集成在一起, 电机轴作为齿轮箱的输入轴, 输入齿轮悬臂安装在电机轴输出端。齿轮箱采用竖直分箱的方式, 组装、拆卸方便。齿轮箱箱体采用圆形设计, 其外形和齿轮外圆一致 (见图1) , 这样既减少了箱体的体积, 减小了噪声的辐射面积, 降低了噪声, 达到了箱体轻量化的目的, 又提高了齿轮的泵油效果, 有利于轴承和齿轮的润滑。为了增加箱体刚度, 减小箱体的热变形, 增强抵抗路面杂物冲击的能力, 齿轮箱箱体上设置了部分加强筋。 箱体上部设有通气器、油尺, 箱体下部设有磁性放油螺堵, 侧面设有限油位螺塞。
2 主要设计内容
2.1 齿轮
为了保证齿轮的强度和使用寿命, 需采用硬齿面齿轮。为此设计时均采用优质低碳合金钢20CrMnMo, 齿廓表面渗碳淬火, 硬度达58～62 HRC, 有效硬化层深度0.9～1.3 mm, 芯部硬度35～42 HRC。齿轮的部分基本参数和主要啮合性能分别如表1、表2所示。
从表2中可以看出, 齿轮齿顶厚大于0.4倍的模数, 重合度大于1.2, 滑动系数接近相等, 比压系数小于1.4, 齿轮啮合质量较高。为了进一步消除或减小齿轮加工误差、安装误差以及齿轮变形带来的不利影响, 改善轮齿承载能力和降低噪声, 从而提高齿轮轮齿的抗胶合能力和耐磨性, 对齿廓和齿向同时进行了修形, 如图2所示。
2.2 润滑
高速运行时, 齿轮飞溅出来的润滑油与箱壁剧烈碰撞, 在箱体内形成油雾, 因而在设计齿轮箱润滑系统时, 只考虑中、低速时轴承和齿轮的润滑[2]。轴承和齿轮均采用飞溅润滑, 为了让足够多的润滑油进入轴承, 在箱体上开设了集油槽和进油孔, 如图3所示。
2.3 密封
输入齿轮悬臂安装在电机轴输出端, 电机输出端轴承安装在齿轮箱箱体内, 并采用油润滑。在齿轮箱运转时, 既要使该轴承得到充分润滑, 又要杜绝齿轮箱内的润滑油渗漏到电机内部, 因此, 对此处的密封要求极为严格, 但电机在运转时, 转子铁芯最高温度可达到180℃, 稳定温度也达到150℃, 该处若采用传统的唇形密封圈式的接触式密封, 极易产生早期老化, 造成密封失效。
此次研制的齿轮箱, 输入、输出轴贯通部位的密封均采用间隙密封和带有甩油环的迷宫密封的联合密封形式, 并对密封结构进行了优化:加大了迷宫密封的减压室, 在减压室中设有甩油环, 开设足够大的回油孔, 且回油孔数多于进油孔数, 最终实现了密封的可靠性、免维护及零泄漏要求。密封结构如图4所示。
3 试验
研制成功后, 对齿轮箱进行了为期6个月的试验验证, 试验主要包括空载跑合试验、恒转矩试验、加载试验和持续加载试验 (见图5) , 试验要求齿轮箱噪音不能超过83dB, 各轴承最高温度不能超过90℃, 齿轮箱密封部位不得出现渗油、漏油现象。
4 结论
研制的与电机一体化的齿轮箱, 整机组装质量高, 零部件数量少, 成本低, 密封可靠, 零泄漏, 完全可以满足串联式混合动力公交车辆的使用要求, 且结构简单、组装维护方便, 得到了客户的认可, 为今后开展新能源传动技术研究奠定了一定的基础。
摘要：串联式混合动力模式可以控制发动机稳定在最佳工作状态下运转, 必要时可以关闭发动机, 因而整车排放大大降低, 适用于城市公交车辆。齿轮箱作为串联式混合动力公交车的关键部件, 承受着较大的冲击载荷, 设计要求很高。本文介绍了该齿轮箱的研制过程, 并进行了试验验证。
关键词：混合动力,公交车,齿轮箱,齿轮设计,加载试验
参考文献
[1]章希.混合动力公共汽车[J].城市公用事业, 1996, 10 (6) :36-37.
车用动力 篇3
虚拟仪器(Virtual Instruments,简称VI)允许用户根据自身需求设计自己的仪器系统,充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能[1]。虚拟仪器是由计算机硬件资源和良好人机交互功能的图形用户界面软件组成,在测控领域有广泛的应用,帮助工程技术人员解决了许多传统测控仪器所遇到的多种问题。例如黎芳等针对传统的电池电压检测系统不能满足燃料电池系统中采集量过多,实时性强的问题,提出了基于虚拟仪器和CAN总线构成的燃料电池电压检测系统[2]等。
动力电池技术作为电动汽车核心技术之一,对电动汽车整车性能起着决定性作用,为保证动力电池正常、安全、高效地在电动汽车上使用,在进行电动汽车开发与设计过程中,需要对动力电池性能进行全方位的测试实验。于此同时,动力电池实际应用中需要配置电池管理系统对电池运行状况进行监控,为电动汽车提供准确可靠的动力电池信息并对电池进行可靠的管理,而电池管理系统的工作是否正常直接影响到动力电池的性能发挥和寿命的衰减。
在进行动力电池性能试验和检验动力电池管理系统工作是否正常时,需要高精度的动力电池数据采集系统实时采集动力电池的电压、温度和电流等参数,对动力电池及其电池管理系统自身运行性能及各项功能进行实时监测,在动力电池系统出现故障时需要对其进行诊断,进而为分析动力电池性能和判断电池管理系统工作情况提供可靠的依据。而目前应用于动力电池高精度测试的设备比较少,而且价格昂贵,而低端的动力电池检测设备,操作过程复杂,测试人员劳动强度大,测量精度差,难以满足产品级的动力电池及其管理系统的测试需要。
相关领域的研究人员已开展了一系列基于虚拟仪器进行锂离子保护板校验和测试[3]、蓄电池内阻测试[4,5]等方面的研究,充分利用了虚拟仪器的多线程技术、直观易用的图形化人机交互界面技术等,与传统数据采集系统相比,该系统具有成本低、采样精度高、控制容易、使用灵活方便等特点[6]。
笔者所在的研发团队开发的基于虚拟仪器的锂离子动力电池数据采集系统可用于动力电池的实时监控和参数分析,采用PCI总线,扩展性好,采样速度高,测试精度容易得到保证,相关的成果可以用于高等学校电动汽车有关课程的实验配套设备建设,也可作为电动汽车产品开发与研究人员开展相关研究工作的配套实验工具,既可服务于教学,又能应用于科研,可在从事电动汽车相关教科研工作的企事业单位进行推广和应用。
2 关键技术问题
锂离子电池电气性能的测试参数多、精度要求高,传统的手动测试和现在的电池生产厂家的多级结构测试系统都不能满足实验室测试的要求[7]。
结合虚拟仪器技术开发电动汽车动力电池实验数据在线采集系统,利用高速PCI总线技术、分层管理理论和多线程技术,多路并行、高速采集动力电池各种实验数据,在有限的硬件资源情况下,灵活定制符合多种电动汽车用动力电池测试要求的测试方案,为动力电池及其管理系统的工作性能分析提供依据,可解决目前测试过程中采样速度低、成本高、劳动强度大、数据分析能力弱等缺点,使采集系统具有较高的灵活性、兼容性和可重用性,采集结果具有较强客观性和较高的自动化程度。
基于虚拟仪器的锂离子电池参数自动采集测试系统软件,配合实验室配套硬件如程控电源、电子负载、锂离子动力电池、工控主机和相关PCI总线DAQ数据采集板卡,通过CAN总线通信协议控制程控电源和电子负载,使其满足测试条件,同时用基于PCI总线的高速数据采集系统实时对原始数据进行采集,并通过软件滤波技术和数学算法进行数据处理,得出测试结果。测试人员可以在后续工作中根据测试结果对电池的性能进行分析,也可以将测试结果与电池系统原先配备的电池管理系统的测试结果进行对比,进而分析该电池管理系统工作情况是否正常。在软件开发过程中,如何合理运用Lab VIEW开发环境,开发基于PCI总线的DAQ数据采集系统,充分利用其提供的丰富的接口函数,使得软件开发周期大为缩短,测试流程尽量简单,测试结果尽量精确,是本采集与测试系统设计成功的关键。
另外,通过图形化编程语言,搭建直观易懂、操作简便的人机交互界面,可以大大减轻测试人员的工作量,避免测试过程中的错误操作,提高测试效率,保证测试的安全而顺利地进行。
(1)基于PCI总线提高系统通用性和降低系统成本
DAQ(Data Ac Quisition)数据采集,是基于计算机标准总线的内置功能插卡。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的虚拟仪器。而PCI(Peripheral Component Interconnect)是目前个人电脑中使用最为广泛的标准总线接口。基于PCI总线的虚拟仪器测试系统在性能、灵活性、易用性和价格等方面较传统仪器测试系统具有绝对优势。
(2)提高系统灵活性、界面友好性和自动化程度
虚拟仪器融合计算机强大的硬件资源,在数据处理、显示、存储等方面的突破传统仪器的限制,通过部分仪器硬件功能的软件化,降低了系统成本,增加了系统灵活性;利用计算机强大的数据处理能力,使复杂的数值算法得以在仪器中应用;而其高度自由的图形用户界面设计功能,使用户开发个性化强、界面友好、人机交互性能好的软件界面成为可能;另外其丰富的接口和通讯功能又可以实现高度的信息共享[8]。把虚拟仪器技术应用于系统的软硬件设计中,操作简单,自动化程度高,数据处理也更加方便。
3 基于虚拟仪器的动力电池数据采集系统硬件设计
动力电池数据采集系统硬件主要包括主控机、PCI总线数据采集接口卡、信号调理器、各种传感器、CAN总线接口卡等,如图1所示。采用基于PCI技术的高精度、高速率并行数据采集卡构成信号采集层,通过PCI总线将数据传输到主控机。
(1)动力电池单体电压采集
以车用锂离子动力电池为研究对象,根据锂离子动力电池的特点,其充放电过程中单体电池工作电压范围主要位于2.5 V~5 V之间,信号采集与调理模块可选用研华的PCI-1747U型PCI总线模拟量输入卡进行锂离子动力电池单体电压的采集。研华提供的该款PCI总线适用独立式高速模拟输入适配卡。它具有64路单端或32路差分16位高分辨率模拟量输入通道,取样率高达250 k S/s,针对A/D取样提供连续、不间断、高速的串流数据,以便控管内存。采集数据通过高速PCI总线上传至主控机。
(2)电池温度采集
动力电池温度采集要求能够及时反映动力电池温度变化情况,对采样速率的要求相对单体电压采集较低,按照当前电池管理系统温度采集模块的发展情况及精度要求,选择低速数据方式以降低测试成本。
笔者采用基于温度传感器DS18B20的温度巡检模块,采集电池温度信号,并通过总线接口卡与主控机进行通讯,将电池温度数据传输到主控机。
(3)电流采集
电池工作电流的采集采用霍尔式电流传感器,配合PCI总线模拟量输入采集卡实现采集。
(4)与电池管理系统数据通讯
电池管理系统采集到的参数通过CAN总线对外输出,因此,系统根据CAN总线通讯协议,利用研华PCI-1682U型CAN通讯卡实现与电池管理系统之间的数据通讯,进而掌握电池管理系统工作情况。PCI-1682U型CAN通讯卡是2端口CAN总线通用支持开放CAN协议的PCI通讯卡,在工业测控领域应用广泛。
(5)主控机选型
主控机是测试系统的核心,笔者采用研华AIMB-769母板,配合PCA-6114P12扩展卡实现各类PCI数据采集卡的安装。该母板为Intel酷睿2四核ATX母板,支持VGA,2路COM,单路LAN,能够满足高速数据处理要求。
4 图形化人机交互软件界面开发
图形化界面是虚拟仪器人机交互的主要组成部分,所开发的数据采集人机界面如图2所示。
动力电池数据采集的一种方式为通过电池管理系统的CAN通讯功能采集获取电池的各种参数,这种方式的优点是不仅可以获取电池的电压、电流和温度等一次参数,而且还可以获取剩余电量SOC等二次参数。本文用两个线程来实现基于CAN总线的数据采集,主线程为CAN通讯数据接收线程(如图3),辅线程为CAN总线数据解析线程(如图4)。前者主要完成CAN通讯接口卡的初始化设置和CAN总线数据的收发。所收到的数据通过局部变量的方式传递到数据分析线程,根据CAN通讯协议对数据进行分拣和分析。
动力电池数据采集的另一种方式为通过PCI数据采集卡获取电池单体的参数。这种方式的缺点是只能获取一次参数,二次参数需要经过计算得到。图5所示为单体电池电压采集线程。
如果数据采集的目的主要是监测单体电池的故障,或者电池管理系统采集电池的一次参数的功能是否正常,则只需将通过上述两种方法获得的电池一次参数进行对比分析即可。如果要实现电池管理系统二次参数计算精度验证等复杂功能,则需要进行二次开发,在通过PCI数据采集卡获取一次参数后,按照电池管理系统制定的算法策略或其他更精确的算法进行二次参数的计算,然后再与电池管理系统本身输出的二次参数进行对比。
5 结论
结合笔者开发过程,总结以下几点。
(1)基于PCI总线的高速、高精度DAQ数据采集系统硬件与基于多线程的多路并行同步数据采集软件相结合,精度高而成本低,在有限的硬件条件下满足动力电池参数高速数据采集要求,解决了常规测试仪器功能单一的问题,同时可以替代昂贵的专用测试仪器。
(2)基于PCI总线的DAQ数据采集系统可扩展性强,可在数据采集的基础上增加数据分析处理功能,进而实现电池的二次参数的复杂计算。
(3)通过图形化编程语言,搭建直观易懂、操作简便的人机交互界面,可以大大减轻测试人员的工作量,避免测试过程中的错误操作,提高测试效率,保证测试安全而顺利地进行。人性化的人机交互界面的设计也使得动力电池数据采集与分析更加方便直观。
参考文献
[1]张亚萍,马明星.虚拟仪器在汽车数据采集系统中的应用[J].成组技术与生产现代化,2009(03):17-20.
[2]黎芳,李迪,邱惠廷,等.基于虚拟仪器和CAN的燃料电池检测系统[J].微计算机信息,2009(16):84-85.
[3]于子敏,唐慧强,甘会川.基于虚拟仪器锂电池保护电路校验系统的实现[J].自动化与仪表,2011(04):46-49.
[4]杨权,周厚强,徐晓东,等.基于Lab Windows/CVI的锂离子电池内阻测试系统设计[J].电源技术,2012(04):483-485.
[5]刘登峰,邵天章,王琳.基于Lab VIEW的蓄电池内阻测试仪的设计[J].测控技术,2011(03):103-105.
[6]熊玉勇,张海鸥,王桂兰.基于虚拟仪器的磁电机定子自动检测系统[J].机电工程,2014,31(3):338-341.
[7]徐晓东,刘洪文,冯高辉.基于Lab Windows/CVI的锂离子电池测试系统设计[J].测控技术,2010(12):39-41.
车用动力 篇4
在新型的混合动力城市客车中,串联式的动力系统构型占有很大比例。虽然串联式混合动力系统部件发电机、电池及驱动电机会使整车质量增加,但对自重很大的客车而言,这种构型不会显著影响整车的动力性能[1]。同时串联式系统构型还可利用城市工况制动频繁的特点,有效回收整车制动能量。
串联式混合动力系统构型如图1所示,存在辅助动力单元APU和蓄电池两个动力源,两者共用两路动力总线,与驱动电机控制器之间进行电能传递。整车控制器根据驾驶员功率需求和当前各部件状态来确定APU和蓄电池之间的能量分配,应用较多的两种分配算法是按照APU工作方式区分的开关式算法和负载跟随式[2,3]算法。串联式混合动力系统由于存在二次机电能量转换,使系统效率偏低。目前有关台架试验分析各种工作条件下影响串联混合动力系统燃油消耗的文献尚不多见。本文通过对台架测试油耗结果分析,评价串联式混合动力系统各种工作条件对燃油消耗的影响,这是串联式混合动力系统走向实际产品所必须解决的问题。
1 串联混合动力系统能量管理策略
能量管理策略具有提高串联式混合动力系统燃油经济性的可能,目前有基于复杂规则的模糊逻辑算法[4],基于既定道路工况的全局优化算法[5],基于最小燃油消耗的瞬时优化算法[6]等。本文偏重讨论工作条件对燃油消耗的影响,故采用基于规则[3]的功率跟随算法。
能量分配策略基于蓄电池SOC状态,判断稳态时蓄电池可能输出的功率。定义蓄电池向总线输出功率时,蓄电池功率值为正;蓄电池从总线吸收功率时,蓄电池功率值为负。由于使用的镍氢电池在40 %～70 %SOC区间工作最佳,所以基于SOC的能量分配曲线也主要集中在这段区域内。
图2中的A、B、C、D四条能量分配曲线中,蓄电池能量平衡点对应的SOC分别为 45 %、55 %、57 %和67 %。例如在B曲线中SOC值低于55 %时,蓄电池从总线吸收功率,故功率值为负。
APU、蓄电池组和驱动电机功率之间须满足关系式(1),即存在总线能量平衡关系。在蓄电池目标功率确定后,APU的目标功率随之确定。
Papu=Pmot-Pbat (1)
式中,Papu为APU输出功率,kW;Pmot为驱动电机控制器入口功率,kW;Pbat为蓄电池功率,kW。
能量分配策略是一种静态分配策略,当APU在动态过程中不能满足APU的目标功率Papu时,蓄电池将不能按照稳态分配曲线的分配结果工作,而是根据式(1)中三者的能量平衡关系进行调节,以满足驱动电机的功率需求。整车能量管理算法通过控制辅助动力单元的油门和励磁来实现[7]。APU系统采用文献[7]中的构型形式,但是在具体型号上有所不同。具体的部件参数见表1。
2 APU控制策略
2.1 APU控制目标制定
APU结构型式为柴油机+无刷励磁同步发电机+不可控整流桥结构,柴油机和无刷励磁同步发电机之间采用直接机械联结,使用原配的柴油机驱动电机启动APU比较困难,因此不适合采用开关式控制策略。采用功率跟随算法能量策略时,APU系统的目标功率指令由整车能量管理策略进行制定,每隔一定的控制周期进行更新。 根据最佳燃油消耗图选取的APU工作曲线如图3所示。
APU发动机在800～1 300 r/min内工作以保证燃油经济性。在图3中的虚线工作曲线上,发动机输出功率和发动机转速一一对应。考虑到发电机的平均效率后,可将APU目标功率和发动机转速一一对应,从而确定出相应的APU目标转速。
APU输出功率变化率对燃油经济性有影响[8,9],同时柴油机烟度排放值直接和柴油机的空燃比有关,过快的APU转速变化或者功率变化,均会引起较大的空燃比波动,从而使柴油机烟度排放恶化。基于APU动态试验结果表明:对APU目标转速和目标功率进行变化率限制很有必要,如对APU目标功率的最大变化速率限制为15 kW/s。
2.2 APU控制策略
APU控制系统必须能够有效地执行能量管理策略制定的APU目标转速和APU目标功率。由于APU的强烈非线性耦合特性,设计基于模型的控制算法难度很大。工程上采用将APU控制强制解耦成两个单独的控制环:APU转速控制由油门调定;APU功率控制由励磁调节。各闭环控制器均采用PI控制器作为其基本的控制形式。PI控制参数的设计方法可参考文献[10]。
加入转速和功率前馈环节,可以有效提高APU系统在动态过程中的响应速度,减小系统振荡。图4中发动机前馈补偿MAP采用柴油机静态负荷特性图,输出值为发动机油门值;励磁系统前馈MAP采用经过系统标定的APU输出功率和励磁值关系图,输出量为励磁占空比。励磁系统前馈MAP与文献[7]所采用的MAP图有所区别。这两个前馈MAP图的插值决定了下一时刻的控制变量值,在动态过程中由PI控制器调节目标值与实际值的偏差。
APU控制器采用MOTOROLA公司的PowerPC561芯片及相应外围信号处理电路,能够对整流桥输出的直流电压和电流信号进行测量采集,并输出励磁PWM信号和和控制发动机的油门模拟信号。发动机一些重要的控制参量(如转速、油门开度、增压压力和水温信号)通过CAN总线接收。
APU控制系统软件通过QuickStart配置软件和CodeWarrior编程软件进行硬件底层驱动配置和控制算法接口设计;上层控制算法在MATLAB /SIMULINK中开发并自动生成控制代码;利用工具软件PC Master对控制参数进行实时监控与修改[7]。
3 串联式混合动力测试系统
在混合动力系统的系统部件、能量管理策略和APU控制都已经确定后,建立相应的混合动力系统测试台架是必要的。从系统简图(图1)可知,开发串联式混合动力系统测试平台,关键在于试验室具有可以替代整车功能的系统,以实现道路循环工况的模拟。
清华大学汽车系新采购的一套Horiba动态测功机系统能够实现这一功能。驱动电机输出端机械连接在动态测功机上(图5),通过测功机控制界面输入道路工况数据来模拟车辆行驶过程。本试验采用了中国典型城市公交循环(图6),后续的试验结果全部基于这个工况循环进行。
通过仿真软件ADVISOR确定驱动电机按照公交循环驱动车辆时所需扭矩值,并将该值预先输入到测功机系统,测功机系统即根据循环工况的时间序列,得知驱动电机的工作状态。
整车控制器根据测功机运行状态,实时给出驱动电机的控制命令,如电机驱动、电机制动、电机怠速或电机停机命令,使测功机和驱动电机配合工作,完成道路循环测试。
APU发动机上工作的机械附件包括水泵、机油泵和高压油泵。发电机和空气压缩机不工作。
APU在循环过程中的燃油消耗数据采用日本小野产FZ2100瞬态油耗仪和5 L量杯同时进行测量。该瞬态油耗仪响应时间为0.01 s,精度可达0.1 %。从量杯抽出的燃油经过瞬态油耗仪进行瞬时油耗采集,稳态油耗值则直接可以通过量杯读取。循环过程蓄电池SOC值由软件CANalyzer记录。
4 串联式混合动力系统经济性分析
参考SAE J2711、J1711标准[11,12],如果SOC变化范围(循环结束SOC值减SOC开始值)满足公式(2),则认为采用SOC保持策略时,循环中的APU油耗值为系统油耗值。
式中,K1为常数项,为3 600 s/h;Ubat为电池组标定电压,V;QLHV为柴油燃油低热值,取值42 500 kJ/kg;mfuel为循环中直接测量得到的燃油消耗值,kg。
由于所采用蓄电池SOC值变化步长为1 %,无法得到精确的SOC值变化,必须采用电流积分的方法,并考虑库仑效率和电池温度对SOC值的影响,进行积分计算,以修正循环前后SOC变化。若连续两个循环中,SOC变化超出式(2)范围,需要将蓄电池变化能量折算成等效油耗,具体方法由文献[13]中给出。本文中除带10 kW电驱动附件的循环试验外,其他循环试验中SOC变化均在式(2)的约束范围内。
4.1 SOC 分配曲线对油耗的影响
图2中四条能量管理曲线的测试结果见表2,其油耗结果为连续两次循环测量得到的SOC变化和燃油消耗值结果;等效燃油消耗值则为按照公里数折算得到的等效百公里燃油消耗值(每个道路循环长度为5.8 km)。
从表2中可知,在蓄电池工作的高效区域 (SOC 40 %～70 %)内,选择的A,B,C,D四条分配曲线在燃油消耗结果上无显著的差异。故后续测试试验中,均取B曲线为能量分配曲线。
4.2 质量对经济性影响
为考虑整车质量对经济性影响,对11.4 m公交车辆半载和12 m公交车辆满载情况进行台架试验。其中,11.4 m公交车辆半载时质量为13 800 kg,12 m公交车辆满载时质量为17 400 kg。通过Advisor软件仿真得到两种车辆所需的驱动电机扭矩值,并将其分别输入测功机中进行循环测试,得到油耗测试结果如图7所示。11.4 m半载公交车测试前SOC为55 %,两个连续循环后,SOC变化增加0.24 %;11.4 m满载公交车数据为表2中B曲线数据;12 m满载公交车试验前SOC为53 %,连续两个循环后,SOC增加0.78 %。
以11.4 m车半载燃油消耗为基准,11.4 m车满载和12 m车满载工况的燃油消耗结果分别比11.4 m车半载工况增加8.4 %和16.1 %,从绝对数字看分别为2.25 L/100 km和4.3 L/100 km,即车重每增加1 t,等效百公里油耗增加1.3 L。
4.3 制动回馈的影响
在整车质量为15 500 kg、SOC为51 %下进行有制动回馈和无制动回馈的比较试验,如图8所示。整车控制器实时检测测功机控制系统发出的扭矩信号,当该信号为负值时,整车控制器对驱动电机发出制动命令,使驱动电机工作在发电状态,而测功机则处于倒拖状态。由SOC为55 %时的燃油消耗结果(表2中B曲线)可以看出:不带制动能量回馈的油耗测试结果比带制动的制动能量测试结果增加了21.4 %,而SOC减少0.26 %。
4.4 电机减速比对经济性影响
驱动电机分别采用2.56和2.26的减速比,目的是改善驱动电机的工作区间。减速比为2.56时,循环前SOC为52 %,两个连续循环后SOC增加0.68 %;减速比为2.26时,循环前SOC为53 %,连续两个循环后SOC增加0.79 %。但从图9中的燃油消耗结果上看,意义不大。在总线附带5 kW电驱动附件下,两种传动比下循环油耗结果基本相同。
4.5 电驱动附件对经济性影响
从图9可以看出,电驱动附件对整车经济性影响很大。电驱动附件如电动油泵和电驱动空压机等系统,其能量直接取自于总线,存在10 kW的电驱动附件时,SOC变化超出公式(2)所要求的SOC范围,有必要对燃油消耗进行修正[13]。循环中主要的参数如表3所示。
存在5 kW的电驱动附件时,油耗比不带电驱动附件时增加31 % (SOC变化如4.4节中所示)。而存在10 kW的电驱动附件时,整车油耗比不带电驱动附件时增加57 %。由于台架测试中发动机的机械驱动附件如转向泵、空气压缩机都无法工作,因此试验中没有进行发动机驱动5 kW或者10 kW机械附件时的循环燃油消耗测试。
4.6 APU上升速率对经济性影响
从图9的经济性对比图形上可知,采用10 kW电驱动附件时,APU上升速率对经济性产生一定的影响。可以看到,采用APU限制速率为15 kW/s时,测得的燃油消耗值小于5 kW/s的燃油消耗值。APU输出功率变化快,能够避免在加速过程中驱动电机由于驱动电压降低而造成的效率损失。同时,APU本身较快的变化速率减小了电池本身的充放电过程,避免了一定的电池能量损失。但由于5 kW/s循环的SOC值较低,APU总体功率值偏高,SOC变化值反而小于10 kW/s时的SOC变化值。综合燃油消耗结果,APU功率速率限制为15 kW/s的循环比功率速率限制为5 kW/s的循环,燃油消耗减小了3.7 %。
4.7 怠速燃油消耗对经济性的影响
在图6b所示的道路循环测试中,APU的怠速时间为375 s,占整个测试循环时间的28.76 %。APU不输出功率时燃油消耗为0.8 kg/h,此时发动机处于怠速状态,如图10所示。将瞬态油耗仪测量得到的这部分燃油值积分可知,循环怠速消耗燃油为1.71 L/100 km,占总燃油消耗的比例为5.9 %(整车燃油消耗为29 L/100 km)。
5 结论
车用动力 篇5
目前比较流行及实用的机电复合传动系统主要有丰田THS系统[4] (toyota hybrid system) , 通用AHS系统[5] (GM-allision advanced hybrid system) , 雷诺IVT系统[6] (infinitely variable transmission) 及福特FHS系统[7] (ford hybrid system) 等, 这些系统充分利用了行星齿轮机构的优点, 在不同车速时具有多种工作状态, 能够保证发动机独立运行于最佳燃油经济点, 然而上述系统无一不采用多电机结构, 这使得混合动力系统结构无论在制造上还是控制上都较为复杂, 此外, 采用多电机结构还会大幅度增加混合动力电动汽车的质量, 使得行驶阻力增大, 为了克服上述问题, 基于永磁同步对转双转子电机和双排行星齿轮机构, 充分利用两者的优势, 开发了一套应用于某混合动力电动汽车的新型机电复合传动系统, 并在MATLAB/Simulink/Stateflow平台上建立了混合动力汽车前向仿真模型, 根据设计初衷制定了基于转矩分配的转矩管理策略。
1 机电复合传动系统
1.1 系统结构
行星齿轮机构具有多个输入输出端口且行星齿轮中的太阳轮和行星架齿圈之间可以相对独立运动。当应用到混合动力电动汽车上时, 发动机和电动机可以作为不同的输入分别与行星齿轮相连, 另外的输出端可以直接与汽车轮毂相连, 驱动汽车行驶, 具有结构紧凑、传动比大、可靠性高等很多优势[8]。电动机及其驱动系统是电动车驱动系统的核心, 多年以来人们不断探寻新型电动机结构以开发出高功率密度高能量密度高效率的电动机驱动系统。而对转双转子电机利用作用力和反作用力原理, 将传统电机的定子也作为转子, 与原来的电机转子作反向运动, 在提高电动机转矩密度和功率密度、节省汽车内部有限空间上具有普通电机无法比拟的优点[9]。如图1所示, 本系统充分利用两者的优势, 采用对转双转子电机和双排行星齿轮减速机构为主要构件, 机电复合传动系统前端输入轴与发动机相连, 通过定轴齿轮副把动力传至前排行星机构的太阳轮S1, 前排行星机构的齿圈R1与双转子电机外转子Ro相连, 通过前排行星齿轮机构把两个不同动力源的动力耦合至行星架P1, 实现转速转矩的初次耦合;后排行星齿轮机构的太阳轮S2与行星架C1固联, 行星架C2固定, 齿圈R2与双转子电机内转子相连, 初次耦合的转速转矩通过后排行星齿轮机构传至齿圈R2, 最后与内转子实现二次转矩耦合、通过输出轴把汇集的动力传至驱动车轮, 驱动汽车行驶。当汽车运行在不同工况时, 车辆控制系统通过对B1、B2两个制动器、双转子电机及发动机进行控制, 便可实现不同的工作模式, 实现能量的分割与汇合, 从而提高混合动力电动汽车的燃油经济性和动力性。
1为发动机;2为输入轴;3为定轴齿轮主动轮Z0;4为制动器B2;5为后排齿圈R2;6为后排行星轮P2;7为后排行星架C2;8为后排太阳轮S2;9为双转子电机内转子Ri;10为联接花键;11为双转子电机外转子Ro;12为车轮13为主减速器i0;14为输出轴;15为动力电池;16为前排齿圈R1;17为前排行星架C2;18为前排行星轮P1;19为前排太阳轮S1;20为制动器B1;21为定轴齿轮从动轮Z1
1.2 系统传动特性及工作模式分析
由上节可知, 该机电复合传输系统采用了双排行星齿轮机构, 具有多个旋转部件, 应运用一种快速的数学建模方法, 以便于复杂混合动力系统构型的研究与分析[10], 模拟杠杠法可将这个旋转运动系统模拟人们熟悉的直线运动系统, 从而直观地在模拟杠杠上对该变速器进行分析, 故采用杠杆模拟法[11]建立双排行星齿轮的转矩、转速耦合模型。
如图3所示, 根据行星齿轮机构模拟杠杆法, 得系统主要工作模式及传动特性[顺时针方向为‘-’, 逆时针方向为‘+’。停车模式为式 (1) ]。
1.2.1 驻车发电模式
在汽车驻车且电池电量过低时, 驻车发电不仅可维持电池电量水平, 而且可以减少发动机频繁起停, 从而提高整车燃油经济性, 保护蓄电池处于电量合理状态。此时, 机电复合传动系统输出转速转矩为零, 发动机驱动双转子电机外转子转动、内转子发电, 系统的传动特性为
其能量传递路径示意图为图4。
1.2.2 纯电动模式
汽车起步行驶或中低负荷等工况且电池电量充足时, 为减少发动机低负荷、低效率工作频次, 制动器B1结合、发动机关闭, 双转子电机单独驱动车辆行驶, 系统传动特性如下。
输出转矩为
输出转速为
其能量传递路径为图5。
1.2.3 发动机单独驱动模式
汽车正常行驶时, 发动机在高效区单独工作时可满足驾驶员转矩需求, 且电池SOC值在正常工作范围内时, 制动器B2结合, 双转子电机关闭, 发动机单独驱动汽车行驶, 系统传动特性如下。
输出转矩为:T=k0k2 (1+k1) Te (5)
其能量传递路径示意图为图6。
1.2.4 发动机驱动充电模式
汽车行驶在中低负荷且蓄电池荷电状态低时, 为维持发动机运行于高效率工作曲线上且维持蓄电池电量水平, 制动器B2结合, 发动机沿最佳工作曲线工作, 多余的力矩用于双转子电机内转子发电, 系统传动特性如下。
输出转矩为
输出转速为
其能量传递路径示意图为
1.2.5 混合驱动模式A
所设计的机电复合传动系统具有最大的优点之一就是利用双转子电机可以使发动机独立的运行于最高效率点, 此时制动器B1、B2均分离, 发动机和双转子电机内外转子共同驱动车辆行驶, 发动机工作在最佳燃油经济点, 实现转速转矩耦合无级变速混合驱动, 系统传动特性如下。
输出转矩为
输出转速为
其能量传递路径示意图为图7。
1.2.6 混合驱动模式B
在此工作模式下, 制动器B2结合, 发动机沿最佳工作曲线工作, 双转子电机内转子输出驱动力矩, 实现力矩耦合固定速比混合驱动, 系统传动特性如下。
输出转矩为
输出转速为
其能量传递路径示意图为图9。
1.2.7 制动能量回馈模式
在车辆减速或制动过程中, 制动器B1结合, 发动机断油停机, 双转子电机运行于发电状态, 把制动能量转化为电能储存到蓄电池中, 可得系统传动特性如下。
双转子电机转矩为
输出转速为
其能量传递路径示意图为图10。
1.2.8 停机模式
车辆没有驱动了或者车辆有制动转矩请求, 但由于蓄电池电量高于其使用寿命允许的最大值时, 双转子电机不参与发电, 内、外转子空转, 车辆机械制动减速。
双转子电机转矩为
双转子电机转速为
在此模式下无能量传递。
式 (16) 中, k0为定轴齿轮副传动比, k1为前排行星机构特性参数, k2为后排行星机构特性参数, ne为发动机转速, r/min;Te发动机转矩, N·m;nm为电机内外转速之差, r/min;Tm为双转子电机转矩, N·m;TS1为前排太阳轮所受转矩, N·m;TR1为前排齿圈所受转矩, N·m;TC1为前排行星架所受转矩, N·m;TS2为后排太阳轮所受转矩, N·m;TR2后排齿圈所受转矩, N·m;β为制动能量回馈比例。
2 系统转矩控制策略
混合动力电动汽车作为一种新型多动力源耦合系统, 其性能与采用的能量管理策略密切相关。在满足汽车动力性能的前提下, 能量管理策略应当能够根据汽车驱动系统的特性及实时运行工况, 实现双转子电机和发动机之间合理的转速转矩分配, 获得最大的燃油经济性同时保证汽车驾驶的平顺性及乘坐舒适性。鉴于逻辑门限方法快速简单、具有很好的可靠性实用性及汽车工作模式切换的平顺性需要, 建立同时调节发动机工作点和电池SOC值的基于转矩分配的逻辑门限值控制策略[12]。转矩控制策略主要包括三部分:根据驾驶员模型和电池模型及转矩计算模块确定总需求转矩;根据控制策略确定工作模式的切换条件;根据控制策略确定各工作模式下的目标转矩。
2.1 总需求转矩的确定
总转矩需求直接用于对发动机和电动机进行转矩分配, 指的是机电复合传动系统输出端的转矩需求, 主要由驾驶员对机电复合传动系统输出端的驱动或制动转矩需求和电池对机电复合传动系统输出端的充电转矩需求两部分构成
式 (17) 中, Td_req为驾驶员驱动需求转矩, N·m;Tb_req驾驶员制动转矩需求, N·m;Tch_req电池请求转矩, N·m。
2.2 模式切换条件及目标转矩/转速
系统的工作模式是由总需求转矩和电池SOC状态及车速共同决定的, 如图11为经过优化后的某款多点电喷汽油机的稳态发动机万有特性图。限制发动机工作点即发动机始终工作于最优工作曲线上, 只有当系统总需求转矩大于发动机最优转矩和双转子电机最大转矩之和时, 发动机才偏离最优工作点, 同时调节电池SOC在最优值附近 (本文为0.6) , 综上、根据所建立的转矩控制策略, 可得系统工作模式切换的条件及目标转矩/转速如表1。
注:Va为汽车速度, km/h;nmi为内转子转速, r/min;nmo为外转子转速, r/min;Tchmax为电池最大充电转矩, N·m;Tmi、Tmo分别为内外转子转矩, N·m。
图中:b为发动机燃油消耗率, g/ (k W.h) ;Temax为发动机最大输出转矩, N·m;Temin为发动机最小输出转矩, N·m;Topt为发动机最佳工作转矩, N·m
3 仿真分析
为验证机电复合传动系统的有效性及设计初衷, 基于MATLAB/Simulink/Stateflow, 依次建立机电复合传动系统的整车前向仿真模型, 选择美国环保署EPA制订的城市道路循环UDDS (urban dynamometer driving schedule) 作为循环工况, 仿真时间为1 367 s, 最高车速为91.25 km/h, 最大加速度为1.48 m/s2, 停车次数为17次。系统主要仿真参数如表2。
图12中, 车辆车速能够很好的跟随目标车速, 车速之差控制在1 km/h, 说明所建立的机电复合传动系统具有较好的动力性能和制动性能;图13中, 由于是重度混合, 双转子电机具有大范围的调节转矩能力, 能够保证发动机能够沿最优工作曲线工作, 同时表明机电复合传动系统具有很宽的无级变速功能, 使得发动机总是运行在最优工作曲线上。此外, 通过双转子电机的作用, 发动机启停频率明显减小。
图14中, 双转子电机总是产生方向相反大小相等的电磁转矩, 并且可以根据工况的需要在发电机模式和电动机模式之间切换。
图15和图16中, 蓄电池的SOC在循环工况中略微增加, 其作用主要用来平衡发动机的转矩和制动能量回馈, 但无论是单个循环工况还是多个循环工况, 电池的SOC均能稳定在0.6左右, , 仿真结果表明系统行驶11.99 km, 消耗了541.2 g汽油, 相应百公里油耗为6.227 L;3个循环, 消耗1 504 g汽油, 相应百公里油耗为5.935 L, 具有在同级车中较好的燃油经济性。
4 结论
(1) 本文充分利用双转子电机和行星齿轮机构的特点, 所提出的新型机电复合传输系统结构紧凑, 工作模式多样, 是一种较好的混合动力耦合选择方案。
(2) 建立了机电复合传输系统的传动特性并详细分析了其工作机理及不同工作模式下的能量传递路径。
(3) 结合该特有机电复合传动混合动力驱动系统, 开发了基于转矩分配的同时调节发动机工作点和电池SOC值的逻辑门控制策略, 仿真结果表明该混合动力电动汽车具有很好的燃油经济性, 并能很好的控制电池组SOC的变化, 在UDDS循环工况下, 百公里油耗为6.227 L。同时, 该系统具有很好的无级变速功能, 双转子电机既能调节发动机转速又能调节发动机转矩, 使发动机总是运行于最佳燃油经济曲线上。
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