（机械工程专业论文）同轴并联式商用车混合动力匹配优化关键技术研究.pdf

上海交通大学博士后研究工作报告 摘要 1iilliii ii ii1 1iii l llli y 2 0 6 2 8 2 5 众所周知，混合动力是当前最具有产业化前景的节能型动力总成，世界各国 总成供应商和汽车制造商都投入了大量的人力、物力开发混合动力系统。商用车 混合动力的技术壁垒高，开发难度大。目前该类型产品主要由国外供应商垄断。 开发出具有自主知识产权的商用车混合动力总成系统具有重大的现实意义。 在博士后研究工作中，以同轴并联式混合动力系统匹配、策略开发及试验优 化为主要工作内容，装备同轴并联式混合动力系统的1 2 m 城市公交车的节油率达 到并超过2 0 9 6 。其主要工作如下： 1 ) 首先根据车辆模型进行系统参数匹配，以起步扭矩需求和制动回收最优化为 目标找出电机功率转矩匹配的原则，根据蓄电池的能量密度和功率密度来匹配电 池大小；最后提出速比优化模型来进行整车传动系匹配。 2 ) 以混合动力整车控制单元h c u 为核心搭建混合动力控制系统；含h c u 的接口 和软硬件设计；c a n 网络设计；基于总泵的自动离合器控制机构设计。 3 ) 基于同轴并联式的操作模式特点设计开发控制策略，包括s t o p g o 策略， e v 策略，助力和回馈策略，以及自动离合器控制策略和换挡策略。s t o p g o 策 略和换挡策略是混合动力平顺运行的关键策略，也是最具有开发难度的策略。 4 ) 以国标实验循环，实际道路循环等运行工况开展混合动力系统的定型和优化 试验，验证变速比选择，电池选择，控制策略等与节油率相关的优化方式。混合 动力的节油率和动力性试验表明，整车节油率达到2 6 。 关键词：同轴并联式，参数匹配，控制策略，标定，h c u 上海交通大学博士后研究工作报告 1 1 课题研究背景 第一章绪论 新能源汽车的主要研究动机为能源压力，排放压力以及为客户取得更好的经 济效益的压力而触发的。很多文献论证汽车是主要的石油消耗者，同时也是最大 的流动污染源。随着机动车辆的使用量和保有量越来越大，我国逐步意识到发展 更为先进的动力总成技术以取得更好的节能减排效果的必要性。 第三个原因是客户的实际需求，也进一步明确了混合动力研发的效益目标。 国家或者社会是希望能够减少能源消耗，也减少排放；但这样的技术需要消费者 和产品使用人员能够有足够的动力，特别是能够降低使用过程的总成本。消费者 一般都有2 个顾虑：其一是新能源汽车需要增加电池，电机等部件成本都比较贵； 其次是新能源汽车技术上离传统内燃机车的成熟度不够，无论是使用寿命还是故 障率都不如传统车，消费者担心负担过多的维修保养费用成本。因此新能源汽车 一定要取得理想的经济效果，其节省的燃油能够抵消成本增加和零部件寿命不成 熟的顾虑，这一点对于新能源汽车的推广尤其重要。上述三个动机也是新能源汽 车的开发目标，供应商必须找出在技术上尽可能满足以上3 点的方案。 在中国发展混合动力公交车是一项切实可行的策略。首先中国是世界上公交 车辆保有量最大的国家之一，因为中国的大中型城市主要依赖公交车作为城市公 共交通的载体，上海、北京、广州等大城市的公交车的保有量均已经超过2 万台； 中国是世界上最大的公交车市场。其次公交车具有线路稳定，集中管理等特点， 有利于新能源汽车的推广之前的示范性运营。再次混合动力汽车是保留内燃机及 动力总成技术，对电池依赖少，能够取得不错的节能减排效果，增加的零部件成 本少，是可靠性高而又有较好的节能效果技术。混合动力也可以进一步加大电池 容量而变成插电式混合动力，进一步降低燃油消耗。虽然混合动力不能像电动汽 车一样实现零排放和零油耗，但是其高可靠性，不需要额外的基础建设，而且很 少的电池购买和维护成本，使得总成本低于电动汽车。因此在公交车领域采用混 合动力技术，是最有可能取得市场信任的新能源技术推广策略，也是过渡到电动 汽车的必由之路。 4 上海交通大学博士后研究工作报告 混合动力的技术难点在于系统结构复杂以及控制难度大。混合动力分为并联 式，串联式和混联式，需要选择合适的系统方案，并且选择合适的发动机与电机 功率配比，以发挥其最大的节油潜力。其次混合动力控制包括发动机，变速箱的 控制，还需要指挥电机工作，控制器的功能由单一零部件控制上升到总成或整车 控制，具有很大的技术挑战。 1 2 并联式混合动力类型 城市公交车通常具有车速低，起停多，负荷大，经常进行急加速和急减速等 特点。通常城市公交的平均车速很少超过4 0 k m h ，站与站之间的距离为5 0 0 1 0 0 0 左右。此外道路情况复杂，司机通常要在非常拥挤的路上操纵1 2 m 的大车进行变 道，转弯等动作，因此操作方便性也很重要。因此在设计混合动力要考虑如下的 功能： 夺e v 功能：由于车速低，启动频繁，因此公交车在低车速运行的时段特别 多。此时发动机般处于半联动或低转速阶段，是油耗最差的地方。如果 低速阶段都采用e v 行驶，则可以避免低效率恶劣油耗区问。 令回馈功能：混合动力车辆在进行制动时能够通过电机发电回收电能。但是 一般刹车的车速都不高，回馈能量比较小。为了尽量多回收能量，电机功 率要足够大，且通过自动离合器脱开发动机才能取得较好的回馈效果。 令起停功能：公交车的起停工况太多，特别是市区拥堵路段，怠速运行时间 可达整个循环时间的1 0 3 0 ，节省怠速油耗对节油贡献率可达5 以上。 夺发动机工况优化：通过对发动机的运行点进行控制，使发动机工作在高效 率低油耗区间，提升整个动力总成的效率，减小油耗。为了取得充分的优 化效果，应采用无级变速装雹，如行星齿轮结构。对于采用常规变速箱的 车辆，发动机转速跟随车速变化而变化，可通过优化换挡点来优化油耗。 除了以上四点，由于城市路况复杂，道路拥堵，混合动力车辆应具备较多的 自动驾驶便利性，以减小驾驶员的驾驶疲劳强度，也减少安全事故的概率。 混合动力的三种结构形式中最能发挥混合动力的功能的是并联式或混联式， 串联式中发动机实际被当做发电机机组使用。并联式或混联式中发动机都能够参 5 上海交通大学博士后研究工作报告 与驱动，且都能实现上文中要求的3 点功能。 根据电机与发动机的集成位置有以下五神结构形式，见表l - 1 。( 注意：以下 五种结构形式中电机是否同轴布置可根据实际情况来设计。) 夺方案1 仅有起停功能。由于电机受皮带驱动，不能产生很大的助力或回馈 效果，仅能实现自动起停功能。这种方案目前仅在乘用车上使用，商用车 上还未有案例。 夺方案2 无纯电动行驶功能。该方案中由于电机在离合器前端，电机如要纯 电动行驶必须拖动发动机一起工作，对电机要求人高；并且制动时如离合 器分开的话就无法进行制动能量回馈。 令方案3 和4 能实现全部的混合动力功能。由于电机布置在变速器的一轴， 电机转子增加了一轴的惯量，变速器原有的同步器不能产生足够的同步效 果，导致换挡时间延长。如采用方案4 的设计，则可以在换挡时分开电机 与变速箱的离合器来减轻换挡同步的压力。但双离合器变速器目前主要应 用在乘用车上，在大型的商用车上的传动系统很少采用双离合器方式。通 过电机实现换挡调速的方式实现同步，则方案3 是最佳的设计方案。 夺方案5 能实现功能与方案3 、4 的相同。方案五的电机布置在变速器后端， 没有了变速器的扭矩放大和转速控制作用，因此要实现同样的起步的性能 需要很大的起步扭矩。方案5 虽然避免了换挡难的问题，但该方案实现同 样的起步动力性电机的扭矩和功率是方案3 或4 的3 5 倍。 表1 - 1并联式混合动力的结构比较 t a b l e l 一1c o m p a r i s o no fp a r a l l e lh y b r i dp o w e r - t r a i n 序名称布置形式 功能 节油 控制复杂 号 潜力难度度 无e v 行驶差容易好1 皮带式并 h h o l0 删变速器k 车轮) 俱自动起停 联 无制动反馈 悃 ”l 一一 2 i s g 式并 广1 厂_ 1 无e v 行驶一般中等中等 联 o oo c t 赢t - t 变速器i - ( , 9 有制动反馈 俱自动起停 3 后置并联 o o o 0 酬竺旧 有e v 行驶好 难中等 式混合动 有制动反馈 力 6 上海交通大学博十后研究工作报告 4 f o o o o 删竺旧 有门动起停好难雉 有自动离合 器功能 5 变速器后 0 0 0 0 崆韭旧 有e v 行驶好中等巾等 端式并联有制动反馈 有自动起停 混联式一般都需要2 个电机和行星齿轮结构，系统形式分为带变速箱和不带 变速箱2 种。混联式的结构形式中带变速器的结构形式通常是指丰田p r i u s 的行 星齿轮无级变速装置，但这种行星齿轮结构设计复杂，传动效率低于传统变速箱， 目前国内， i 有少数单位在研究。另一种不带变速器的混联式结构见图l 一1 。这两种 结构没有本质区别，只是在布置上有区别。由于没有变速器，这种类型的车辆只 有在车速达到一定阈值时离合器才能结合，因此车辆的起步全部依赖电机。此外 由于没有变速器，发动机转速不可调节，因此发动机运行区间优化调节余地很有 限。 图1 1 混联式混合动力的结构比较 t a b l e l 一1p a r a l l e l s e r i a lh y b r i dp o w e r - t r a i nw i t h o u tt r a n s i m i s s i o n 并联式和混联式混合动力方案各种形式之间的比较分析参见图卜2 。综合来 看，电机布置在离合器后与变速器前( 方案3 ) 在降低系统复杂程度、降低油耗潜 力以及成本方面都具备较大的优势。虽然这种形式的混合动力方案需要解决换挡 过程中发动机调速的问题，但在理论上通过电机来进行换挡调速控制是简易可行 的，因此是较好的可行方案。 7 上海交通大学博士后研究工作报告 祝合类型串联并联祝联环带瑚)混联( 晤码眨速器) 制动糠量回收很好好 很好 很好 高效区控翘负荷控制好，般，如用 差，发动机转速与车速很好，转速与负荷都 但转速固定 a m t 可改善 成比例变化而无蛀变速可以控制 加速性靛_ 般好 差，低速时仅纯电动且很好 无变速嚣，轮边扣矩小 节油率般好差，同上，且发动机转 很好 速范围变化太大 峰值扭矩差，仅由电机般，加大电差，同上好 驱动 机可改善 排放很好殷般。靠发动机低排放好 纯电动能力很好般好很好 蓄由抱大小中等小大中等 驾驶平颗性很好般，鳓很好很好 制榔改善 较高很高系统价格同较低 系较蓑性困难方便懒便困难，后是长度限制 图1 - 2 混联式混合动力的结构比较 f i 9 1 2c o m p a r i s o no fp a r a l l e l ，s e r i a la n dp a r a l l e l - s e r i a lh y b r i dp o w e r - t r a i n 1 3 商用车混合动力结构方案 采用同轴并联式结构，发动机与低速大扭矩永磁同步电机同轴布置，在离合 器后端耦合。通过自动离合器来切断发动机与传动系，实现电驱动系统与发动机 的自由切换，见图卜3 。该系统把握了混合动力技术的主流发展方向，集成度高， 通用性强；既能取得良好的节油效果，又容易推广。 该系统设计具有如下特点： 令同轴并联式转子双轴承支撑，且通过2 个柔性片与动力总成联机，见图 1 4 ，属世界首创。在保证足够的联接强度的同时，具有较强的抗冲击和 减震能力，能够有效的吸收动力总成的瞬时冲击，提高机械结构的可靠性， 转子高速旋转时仍然保持较均匀的气隙，提高电机的效率和可靠性。 令集成度高，通用性好。该系统中电机与发动机以及变速器的接口都采用标 准飞轮壳尺寸，可匹配多种变速器，整车改制容易。该系统可不改变原车 的空调系统、转向助力泵、风扇、空压机等车载附件，减少整车改制工作， 节约成本。因此该混合动力系统具有非常大灵活性和通用性。 上海交通大学博士后研究工作报告 p l u g - i n = ：每i 氢毫 母垂：l l l 孓 _ i i lo l 。w w ” i 逆变器l 隧黼渊 发动机j i i u- 一哐一 a 三瓣电i 空压机 l 。一黑，。 a m t 爪a t ，a t 够妫礤确曛酶耐翊 图l 一3 同轴并联式混合动力系统方案 f i g l 一3 c o n f i g u r a t i o no f y u c h a ih y b r i dp o w e r - t r a i n ( c o a x e sp h e v ) 图卜4 同轴并联式混合动力系统结构原理图 f i gl - 4c u t - w a yf i g u r eo fc o a x e sp h e v 1 4 同轴并联式的混合动力系统运行模式 同轴并联式混合动力系统有多种运行模式，见表1 - 2 。这些运行模式对混合动 9 上海交通大学博士后研究工作报告 力汽车的节油、降排、动力性等方面的影响可做如下归纳： ( 1 ) 经济性影响 一 自动起停和s t o l = ) g o ：同轴并联式系统可实现自动起停功能，能够发 掘自动停机的节油潜力。 一 制动能量回馈：制动时同轴并联式混合动力系统通过自动离合器使发 动机与电机脱开，可迸一步增加制动能量回馈的回收率。这样不仅提 高了整车效率，而且减轻了制动系统的负担以延长其寿命。 纯电动驱动、f 乜机助力驱动和纯发动机驱动：同轴并联式系统在发动 机能满足驱动功率且运行在高效率区时，发动机单独驱动车辆；当车 辆在低速运行时，电机单独驱动，避免发动机低负荷区问。 图卜5 同轴并联式混合动力总成( a m t ) f i gl - 5 c o a x e sp h e vw i t ha m t ( 2 ) 动力性 _ 而且由于电机在低速段都可以发出恒定的大扭矩，故而同轴并联式混 合动力系统比较传统的6 缸柴油机而言在低速段的扭矩更大，驾驶性 更好。 ( 3 ) 排放 1 0 上海交通大学博士后研究工作报告 一快速起动时电机可拖动发动机到6 0 0 r m i n 左右的怠速转速，减少发 动机起动时的喷油量，减少起动阶段的排放。 - 自动停机过程中，发动机停机，无排放。 比功率排放减少。同轴并联式混合动力中柴油机功率减小1 3 ，但总 的功率与原6 缸机相当。虽然混合动力总成在发电情况下发出同样功 率，排放比原4 缸柴油机略大。但是经过控制策略调节之后，同轴并 联式混合动力总成总体排放仍然优于原6 缸柴油机。 表卜2 同轴并联式混合动力运行模式 t a b l e1 2 o p e r a t i o nm o d e so fc o a x e sp h e v 模式功能介绍能量流 电机代替原来起动机，拖 阻 动发动机达到起动转速。由于 l f 麴叟崮 电机扭矩大，可在很短时问内 i t 工i 工】i 一 快速起动 就拖转到怠速转速喷油起动： 当电驱动系统火效时，仍可以 通过传统的起动马达来起动。 一冒叮 薏圈 当车辆遇红灯等等待时， 隧剃 h c u 自动关闭发动机。当有驱 动请求时，可通过大功率电机 _ 葶：； s t o p g o 单独驱动车辆起步。在这个过 程中，离合器根据需要自动分 离或接合。 区h ih i i l l 生 意蕾 当车辆处于急加速或者全 油门加速时，电机与发动机一 j 蓄罢 起驱动车辆，提高车辆的动力 电机助力性。决定整车油耗的主要是动 圈 ( b o o s t ) 力性，通过电机在低转速的助 i 力可在保证车辆驾驶性的同时 【iii 】_ r 不增加油耗。 上海交通大学博士后研究工作报告 当蓄电池的s o c 下降到最 低下限以下，通过发动机给蓄 “iyu鲻1u l m m l l 囊 电池充电，起到提高发动机效 s o c 平衡 率和维持蓄电池s o c 平衡的作 用。 当车辆处丁中等负荷，发 随 动机处于优化运行范围之内 l 动力屯艟j 时，z 乏动机n jr 丫1 独驱动。纯发 j 重= = = _ 纯发动机驱 动机驱动模式也在电驱动系统 _ 蕾甲 动( e n g i n e 发生故障时激活，彳i 影响车辆 o n l y ) 的驾驶性。 i a l l1 1 。 - 嵋l i bii i 驾驶员放松油门或踩下刹 车踏板时，电机发电产生制动 曩 阻力，同时把回收车辆的动能， _ 查霍：； 给蓄电池充电。制动【j 馈收回 制动吲馈 的能最可以用作b o o s t 和e v( r e g e n ) n h h 曙_ 模式的电量，是整车节油的重 点。 _ 啊圈豳 车辆跟车、移位或者场馆 内运行时，电机短时间内唯独 巴j _ 驱动车辆前进，离合器自动打 l 蔷：罩 _ 开。机驱动 ( e v ) 【i 上海交通大学博士后研究工作报告 ；昆合动j 总成i t n 匝过外接 充电设备来补充蓄【乜池能最。 圈一墨：= ：_ 外接允电 _ 曹宁 r i iu g r 1 ) 圜_ 雷主 1 5 本文主要研究内容 本文以同轴并联式为研究对象，对同轴并联式的两大关键技术，既混合动力 总成参数匹配和混合动力控制策略进行研究，最后通过实验验证来整车的实际节 油效果： 1 首先建立同轴并联式混合动力系统的零部件模型，确定零部件选型以及参 数。 2 控制系统开发：吸收国内外相关车型的经验的基础上采用分层控制的原理 建立混合动力控制系统，定义整车控制单元h c u ( h y b r i dc o n t r o lu n i t ) 的功能以及自动离合器控制方式，开发与s a ej 1 9 3 9 标准协议兼容的c a n 通讯协议和具有多路信号处理能力的h c u 。 3 策略丌发：根据混合动力总成的目标( 动力性和经济性) ，开发功能完善、 计算速度快、控制效果优的多能源管理策略，包括整车需求扭矩计算、运 行模式调度和基于整车需求扭矩、蓄电池s o c 和转速的三参数优化扭矩分 配策略，实现i s g 混合动力快速起动、自动停机、制动回馈、s o c 平衡以 及优化能量分配等多个功能。 4 道路试验：根据国标测试混合动力样车的燃油经济性和动力性试验方案， 并采用监测和标定系统对控制策略进行标定和优化。 上海交通大学博士后研究工作报告 第二章同轴并联式混合动力参数匹配 参数匹配是指如何选择电机和发动机功率和扭矩，既能不损失原车的动力性， 又可取得较好的节油效果，还不会增加太多成本。因此对于发动机，电机和电池 的匹配既要满足整车动力性要求，同时也要在节油的前提下尽量减小功率，以降 低系统成本。 动力性要求：动力性是车辆的基本要求，根据国标( ( g b t1 9 7 5 2 2 0 0 5 混合 动力电动汽车动力性能试验方法，并结合中国主要城市市区道路特点，用于市 区的公交车的动力性能指标如下。 令最高车速( 1 分钟) 8 5 k m h ； 令最高车速( 3 0 分钟) 8 0 k m h ； 0 5 0k m h 加速时问2 5 s ； 夺坡道起步能力1 5 ( 纯电动爬坡能力大于1 2 ) 节油率要求：根据第一章讲述的混合动力节油的原理，主要将通过优化制动 能量，变速比匹配来优化整车油耗。现阶段国家对节能型汽车的节油目标最低为 节油率要大于1 5 。因此混合动力总成的节油目标设定在2 0 。 本课题主要针对1 2 m 以上的城市公交车，参数见表2 - 1 。一般来说该类车型都 匹配1 7 6 2 0 0 k w 的发动机，峰值扭矩可达9 6 0 n i l l 。 表2 - 1 目标车型参数 t a b l e2 1 ：t h ep a r a m e t e r so f p r o t o t y p eb u s - 1 4 上海交通大学博士后研究工作报告 2 1 发动机匹配 发动机是混合动力系统的主驱动源，发动机的平均功率应该能满足整个循环 的驱动功率再减去可能的制动能量回收，发动机峰值功率应满足匀速最高车速的 功率驱动需求。在高速运行工况下，发动机必须要提供全部的驱动功率，因此发 动机功率必须满足最高车速的驱动功率，并且最高档的动力储备必须大于4 ，以 克服道路的不平。城市工况中要求发动机的平均功率足够大，避免过度消耗电能。 这里没有考虑减去整个循环的制动回收功率，因此实际上增加了系统的动力储备， 即使出现电系统失效的情况，车辆也能正常行驶。因此仅依据以下两条原则来计 算发动机的需求功率已满足系统设计需求： 冷发动机功率要满足最高车速的驱动功率要求 令发动机功率要大于整个循环过程的平均驱动功率。 2 1 1 最高车速功率需求 根据汽车动力学，汽车的驱动功率平衡关系应满足如下方程式2 - 1 。采用表 2 - 1 的参数，计算目标车型的驱动阻力功率见图2 1 。整车满载1 6 吨，在l o o k m h 匀速行驶时，整车需求功率为1 3 2 k w 。 弓嘶+ f , u 。) o o s o + m g s i n o + 等) 幸磊u o ( 2 - 1 ) 卵z 1 1 )j o 图2 - 1 混合动力样车驱动阻力 f i g u r e2 - 1 ：t h er e s i s t a n c ep o w e rv e r g u sv e l o c i t ya tc o n s t a n ts p e e d 1 5 上海交通大学博士后研究工作报告 除了驱动功率以外，还需要考虑空调等附件的功率；特别作为城市公交车的 空调功率是一个很大的耗能部件。一般城市大巴的功耗为1 5 2 0 k w ，因此最高车速 时总驱动功率将达到1 4 7 、1 5 2 k w 。 2 1 2 工况平均功率需求 道路循环的最大驱动功率和平均驱动功率也是主要的考虑因素；最大驱动功 率表征工况循环的加速特征，加速度越大需要的动力储备越大，功率需求也越大。 这里选取中国典型城市j ：况和欧洲的e c e + e u d c 工况来进行计算；第一种工况代表 了典型的城市工况，第二种工况代表了城郊的高速工况。平均驱动功率的计算见 公式2 2 ，计算整个驾驶循环的平均正驱动功率，其中c r 为整车惯量系数，通过模 型计算得到。 只= 专竹m 幔1u a 石羔卜 c z z ， 两种工况的驱动功率和车速见图2 2 和2 - 3 ，中国典型城市工况的平均驱动功 率为3 0 k w ，峰值驱动功率为l5 5 k w ；而e c e + e u d c 的平均驱动功率为8 5 k w ，峰值驱 动功率为1 5 6 k w 。 图2 - 2 中国典型城市工况的驱动功率 f i g u r e2 2 ：a v e r a g et r a c t i o np o w e ri nc h i n e s et y p i c a ld r i v ec y c l e 根据平均功率计算和最高车速的功率计算，混合动力总成的发动机功率应在 1 5 0 k w 左右。满足这个功率段的机型有玉柴机器股份有限公司的y c 4 g 2 0 0 机型，该 发动机额定功率分别为1 5 5 k w 2 5 0 0 r p m ，7 3 0 n m 1 5 0 0 r p m 。表2 2 还列出了目标车 型匹配的常规发动机，混合动力系统的发动机的功率比常规车小2 2 ，扭矩小 1 6 上海交通大学博士后研究工作报告 表2 - 2 发动机参数 t a b l e 2 2p a r a m e t e r so fd i e s e le n g i n e s 目标车型传统发动机混合动力发动机 类型y c 6 g 2 7 0 系列y c 4 g 2 0 0 系列 排量 7 8 l6 5 l 气缸数 6 4 功率 18 0 2 0 0 k w】3 5 1 5 5 k w 额定转速 2 4 0 0 r ，m i n2 4 0 0 r t n i n 最大扣矩 i0 5 0 n m 14 0 0 , 一16 0 0 r m i n 5 0 0 7 8 0 n m 1 4 0 0 - - i6 0 0 r m i n 排放达到田i l i 和冈i v 排放标准达到固i i i 和困i v 排放标准 2 2 电机匹配 图2 - 3e c e + e u d c 的驱动功率 f i g u r e2 3 ：a v e r a g et r a c t i o np o w e ri ne e c + e u d c 2 2 1 最大驱动扭矩需求 电机在混合动力总成的作用为纯电动起步，加速助力以及制动能量回馈。典 型的电机的外特性包含2 个部分，恒扭矩阶段和恒功率阶段，见图2 4 。由于起步 阶段必须通过电机独立完成，因此电机必须具有足够的驱动力来使车辆起步。其 次应计算电机回收能量的总量，尽量使回收能量大。这里采用极限回收率概念 ，也就是在整个制动回馈过程中电机能够回收的动能占整个制动过程损失动 能的百分比。 电机的扭矩与功率的关系见公式2 3 ，其中为基础转速。如果确定功率、扭 矩或基础转速的任意两个变量，则电机的特性也确定了。 1 7 上海交通大学博士后研究工作报告 ：9 5 4 9 p u 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 喜 5 0 缸 4 0 客 3 0 2 0 1 0 0 o5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 s p e e d ( r = i 而 ( 2 3 ) 图2 - 4 电机扭矩特性 f i g u r e2 - 4 ：c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i cp o w e r 公交车起步时主要克服的是传动系统的静态阻力和路面静摩擦力。根据汽车 动力学估算，滚动轴承的摩擦系数为0 0 1 0 5 ，因此起步阻力可以用公式2 4 来计 ： 算。因此电机等效驱动阻力见公式2 5 ，其中。0 为后桥主减速比，g 为起步档的变 速比。城市工况中，一般坡道都不大于8 ，极端的情况也只有1 0 。一般公交车 都通过2 档起步；如果很大的坡度，则采用1 档起步。计算时选取某变速器的2 档速比为4 1 3 ，1 档速比为6 9 ；后桥速比的范围一般为4 4 6 1 6 6 都可能，这里 选取常用并且偏小的速比4 8 7 5 。根据表2 1 中的参数，在1 0 以上的坡度需要采 用l 档起步，电机的最大扭矩为4 9 0 n m 左右。 互= 毒m g c o s a + 尥s i n a ( 2 4 ) z = 二l ( 2 - 5 ) 之幸乇宰，牛，7 表2 - 3 电机起步扭矩计算 t a b l e 2 3e s t i m a t e dm o t o rt o r q u ew h e nv e h i c l es t a r t s 坡度 4 8 1 0 1 2 1 5 2 0 2 档起步扭矩 1 9 6 8 53 5 2 7 64 3 0 7 25 0 8 6 86 2 5 6 28 2 0 5 1 1 档起步扭矩 1 1 7 8 22 1 1 1 52 5 7 8 13 0 4 4 73 7 4 4 6 4 9 1 1 2 2 2 2 最大回馈功率需求 混合动力车辆制动时，其阻力来自于道路阻力，刹车碟片阻力，和电机发电阻 - 1 8 - 0 0 o 0 0 0 o 0 m _ t v dh子咎卜 上海交通大学博士后研究工作报告 力。在车辆制动过程可通过公式2 - 6 描述，其中乙为电机制动扭矩，乙甜为车轮 摩擦片产生的阻力，其余部分为道路阻力。为评价制动回馈的效果，假设车轮的 制动摩擦片不工作，制动阻力全部由道路阻力和电机提供，因此公式2 - 6 可改写 为2 7 。在整个制动过程中回收的能量通过公式2 - 8 计算，其中巩和仇分别是电 机发电效率和电池的充电效率。极限制动能量回收率j k m 则定义为公式2 9 。 轧= + 乙+ 蚴魄) + 簪( 2 - 6 ) 玩。= 懒嘶1 ) + 黑+ ( 2 - 7 ) 磊= 胁玉9 5 4 9 竺3 6 鹎2 t o ( 2 - 8 ) k = 2 去1 0 0 ( 2 - 9 ) 为评价电机合适的功率和基础转速，则需要分别假设相同不同功率，以及 相同功率和不同咒0 的回馈效果。刹车过程一般不换挡，因此假设车辆处于最高档， 后桥速比和最高档的变速比分别是5 和1 ；由于电机的效率电池的效率都在9 0 以 上，假定和玩都是9 0 。首先假设电机最大回馈功率为由1 5 k w 逐步增加至9 0 k w ， 基础转速为1 4 0 0 r m i n ，从4 5 k m h 的制动过程见图2 - 5 ，回收电能见表2 - 2 。随着 电机制动扭矩的增大，车速下降越来越快，回收的能量也越大。 图2 - 5 不动电机制动功率的刹车曲线 f i g u r e2 - 5 ：t h ev e l o c i t yp r o f i l ew i t hd i f f e r e n tm o t o rt o r q u e 观察表2 4 ，回收能量随着电机功率的增大，极限回收率也逐步增大，但是在 6 0 k w 以后极限回收率的增长就很小了。考虑到电机的成本因素，电机功率并不是 1 9 上海交通大学博士后研究工作报告 假设电机功率相同，采用不i 叫的基础转速刀0 模拟制动过程的极限回收率结果 见图2 6 。为了充分比较，图2 - 6 采用了2 种变速比，比较不同档位的回收率变化 情况。假设最大回馈扭矩都是一5 0 0 n i n ，随着基础转速的增大，由于恒扭矩的区间 加大，电机回馈功率也逐渐增大，因此极限回收率逐步提高。但是和表2 4 的数 据一样，基础转速提高到1 2 0 0 r m i n 之后，回收率上升缓慢。从图2 6 还可以看 出，变速箱速比越大，则制动回收率也越大，这是由于变速器的放大作用，使得 电机负扭矩产生的制动效果也明显。 5 8 5 6 5 i 5 2 5 0 4 8 4 6 “ 4 2 4 0 葛u ul u u ul 酬u, t u uj b u u a 删n 图2 6 相同扭矩，不同基础转速的极限回收率 f i g u r e2 - 6 ：t h er e g e n e r a t i o nr a t i ou n d e rd i f f e r e n tb a s es p e e d 根据表2 - 3 和图2 6 的计算，转速大于1 2 0 0 r m i n 以上，最大负扭矩达到 - 5 0 0 n 1 1 1 ，电机功率大于4 5 k w 可取得比较好的极限回收率；进一步加大电机功率 能极限回收率，但提升幅度并不高。根据公式2 4 ，电机驱动扭矩应大于4 9 0 n i n ； 由此得到的峰值功率为6 0 k w ，设计电机的参数见表2 5 。 - 2 0 上海交通大学博士后研究工作报告 表2 - 5 电机参数列表 t a b l e2 - 5d e s i g np a r a m e t e r so fm o t o r 项目内容参数 最人电动扭矩4 9 0 n m 最大电动要求最大电动功率 6 0 k w 最大电动功率转速范围 12 0 0 r r a i n 最人发i 垃扭矩 一5 0 0 n m 最犬发电要求最大发电功率一6 0 k w 最人发电功率转速范围 1 2 0 0 r m i n 电压范围 2 5 0 v 4 1 5 v 转速范围o 3 0 0 0 r m i n 2 2 - 3 混合动力总成设计峰值功率和扭矩 根据表2 - 2 ，混合动力的发动机减小之后，发动机的功率和扭矩都减小了，但 总成的外特性的总功率基本样，但是低转速阶段的扭矩和峰值扭矩都增大不少， 见图2 7 的箭头部分。 表2 - 6 混合动力总成外特性 t a b l e2 - 6m a x i m a lt o r q u ea n dp o w e ro fc o a x e sp h e v 目标车型传统发动机混合动力总成 类型y c 6 g 2 7 0 系列i 司轴并联式 量 7 8 l6 5 l 气缶t 数 64 功率 l8 0 2 0 0 k w1 9 5 2 1 5 k w 额定转速 2 4 0 0 r m i n2 4 0 0 r m i n 最大扭矩1 0 5 0 n m 1 4 0 0 1 6 0 0 r m i n 】2 0 0 n m 排放达到国i i i 和围i v 排放标准达到国i i i 和国f v 排放标准 根据本章开始提出的爬坡动力性要求，因此采用动力因子计算来校核爬坡能 力。动力因子公式( 2 - 1 0 ) 表示整车克服风阻之后具有的克服上坡和摩擦的动力 储备情况。常规车辆要求在起步档具有2 0 的动力因子，由于低车速阶段主要是坡 道阻力，因此也意味着满足2 0 的爬坡动力性要求。动力因子的计算见图2 - 8 ，假 设采用后桥速比乇是4 8 7 5 ，起步档速比f 。为4 1 3 动力因子都大于3 0 ，纯发动机 运行的动力因子大于2 0 ，满足要求。 ：(to+r,)*i,*i0*r-型c,丛alu)d( 2 10 ) = d 。l l 一 ( 2 - 2 1 上海交通大学博士后研究工作报告 图2 - 7 混合动力总成外特性 f i 醴- 7m a x i m a lp o w e ra n dt o r q u eo fc o a x e s p i - i e v 2 3 电池匹配 图2 - 8 混合动力总成起步档动力因子 f i 贮一7df a c t o ro fc o - a x e sp h e v a t2 - g e a r 电池是混合动力系统的能量存储单元，是重要的元器件。蓄电池类型分为功 率型和能量型，见图2 9 。图2 - 9 中m - o nf o rh e v 类型的锂电池是功率型，比功 2 2 - 菖己粱辑 上海交通大学博士后研究工作报告 率密度高，比能量密度小。电池主要根据混合动力系统的功率来匹配，因为车辆 运行过程中的各种混合动力工况都是瞬态工况，对功率要求比较高。比如在制动 能量回馈时，电机可能采取最大功率进行发电，发电功率可达到5 0 6 0 k w 。因此电 池类型也应选择功率型电池类型，即选择功率比质量高的电池。i 司时在运行过程 中由于工况变化，某段时问内电量使用较多，因此电池还需要具备一定容量，以 满足整个驾驶循环的能量需求。 农2 7 某种锂离子电池的特性参数 t a b l e2 - 7c h a r a c t e r i s t i c so fal i - b a t t e r yc e l l s4 电池类型l e c 3 3 hm g l 8 a h 放电功率密度 w k g p d 1 4 4 02 5 0 0 充电功率密度 w k gp c 4 6 02 0 0 0 能量密度 w h k g, o e 6 29 9 单体能量w he1 1 7 82 8 8 标称电压 v y c 。h 3 6 3 7 安数( a h ) a h3 38 单体重量 k g 1 90 2 9 每个单体的锂电池的功率特性通过功率比质量所( w k g ) 来描述，能量特性 通过能量比质量既( w h k g ) 表示。通常的功率比质量在充电既和放电岛的时 候都不一样，充电功率一般小于放电功率；因此应从充电功率来匹配。表2 7 提 供了2 种锂离子电池的特性参数。 譬 主1 0 0 柚 c = 5 0 o 们 o e v 虽每，舞麟# l 酶r 罐砖媾l 崔j 堑磐罐 赫毒漕- 淳磷：罐鸯，辔搿 缮蕤剽一 戳徽涮豸。 。批d e v e 雠w f d t 8 l l _ c 圜l e c 2 4 h 州a i 5 0 01 0 0 01 5 0 0 $ p e c ifi ci ：h ) w e r 啊i k g l 图2 - 9 不同锂离子电池特性 f i g u r e2 9 ：t h ec h a r a c t e r i s t i co fb a t t e r i e s 2 3 2 0 0 0 上海交通大学博士后研究工作报告 2 3 1 功率匹配 根据公式2 - 11 ，混合动力电池的额定功率与电池的充放电效率有关系，效率 越高越好。混合动力车辆主要采用高功率型的锂离子电池，效率都在9 0 以上，因 此这里假定电池效率为9 0 。根据上一章节确认电机发电功率为6 0 k w ，则电池充 电功率应达到7 0 k w 。 岛= 軎( 2 - 1 1 ) 混合动力的 乜池组是由许多个电池通过并联或串联形成个能量单元，选定 电池类型之后，则要确定并联和串联的个数。串联n s 的个数根据电池总电压范围 来决定，见2 1 1 ，根据表2 7 中的单体电池的标称电压圪盯，电机根据设计惯例采 用3 5 0 v 左右的电压范围，m g l 8 a h 电池串联个数悔为9 6 个。 。j 二 ( 2 1 2 ) 吩2 证 、 并联的个数根据电压的充放电功率密度和能量需求来决定。选择某个种电 池类型，则充电比功率已知，则可根据公式2 1 3 来计算并联单体个数。每个单体 的充电功率兄“约为0 8 8 6 k w 。如果是选择l e c 3 3 h 电池，则只需要1 并就可以；如 采用m g l 8 a h 电池，则需要1 5 并，实际选用整数，采用2 并。 = 卺譬 q j 3 表2 - 8 混合动力系统电池组参数 t a b l e 2 - 8t h ep a r a m e t e r so f t w ot y p e sb a t t e r i e s 电池类型 l e c 3 3 hm g l 8 a h 串联令数k 9 6 9 6 并联个数 72 总个数 9 61 9 2 总覆量k g 7 8 25 5 6 8 总能量 k w h 35 5 3 2 4 上海交通大学博十后研究t 作报告 2 3 2 能量校核 混合动力电池的适用范围一般是3 0 、6 0 9 6 ，那么对应以上两种电池组的能量范 围分别是4 5 k w h 和2 2 k w h 。在实际道路循环中，例如某些山区道路，在上坡过 程中会一直放电，下坡过程中会直充电，因此能量波动范围比较大。选取典型 的城市工况和一个坡度工况对系统进行仿真，观察能量波动的范围如图2 1 0 和 2 1l 。图2 1 0 足采用中国典型城市i j 况，在运行周期内能量波动范围为0 0 2 5 k w h ： 图2 一l1 是在重庆地区工况统计，其能量波动范围在2 5 k w h 以卜。 因此坡道较多的地区选择大容量电池组，也就是选择3 3 a hl e c 3 3 h 电池组； 平坦的地区可选择小容量的电池组，选择1 6 a h 的m g l 8 a t t 电池组。 图2 1 0 中国典型城市一l ：况的电能波动情况 f i g u r e2 10 ：t h ee l e c t r i ce n e r g yf l u c t u a t i o no fc h i n e s et y p i c a lc y c l e 图2 1 1 某山区j i ：况的电能波动情况 f i g u r e2 11 ：t h ee l e c t r i ce n e r g yf l u c t u a t i o no fc h o n g q i n g 2 5 上海交通大学博士后研究f t 作报告 2 4 传动比优化 2 4 1 优化模型 在不损失车辆动力性的条件下，并联式混合动力通过优化速比来优化发动机 的工作区间可进一步减小油耗。发动机的油耗一般通过比油耗( g k w h ) 来描 述，通过整车阻力平衡公式2 - 1 ，可以计算不同车速下的整车油耗q ( l i o o k m ) ， 见公式2 - 1 4 ；其中p 为柴油的密度。由于发动机的转速与车速在某个档位的关系 为公式2 - 1 5 ，因此整车油耗可以改写为公式2 一1 6 。在道路运行过程中主要是0 阶 滚动阻力，特别对于城市公交车，平均车速一般为2 0 4 0 k m h ；公式2 - 1 6 可进一 步简化为2 - 1 7 。2 - 1 7 中c 1 和c 2 为抽象之后的常数，整车油耗q 只与变速比名， 乇和发动机转速有关系。 q = 击击参& 铡喇+ 丝2 u s ) k 仁 旦：乏墨蜘 ( 2 一1 5 ) 芴2 磊瓦铀 、 q = 哆搿k w + 镣) 但。1 6 q = 鲁( q 懒+ g 黑扔 ( 2 1 7 ) 2 4 2 优化计算 选择2 组不同的变速比和2 组后桥速比，则s ，。o 的组合见表2 - 9 。根据公式 2 - 1 7 计算每组的百公里等效油耗如图2 - 1 2 和2 - 1 3 。图2 - 1 2 ，a 组合的百公里等 效油耗比b 组低，可见变速比越小则油耗越低。图2 - 1 3 比较a 组与c 组的百公里 等效油耗，后桥速比越小油耗越低，则a 组更有优势。 表2 9 不同后桥速比与变速比细合 t a b l e2 - 9 ：t h ec o m b i n a t i o no f 毛锄d 毛 5 1 2 5 - 2 6 图2 1 2 a 组与b 组的等效油耗曲线比较 f i g u r e2 1 2 ：t h ef u e lc o n s u m p t i o nc o m p a r i s o no f aa n d b 图2 1 3a 组与c 组的等效油耗曲线比较 f i g u r e2 - 1 3 ：t h ef u e lc o n s u m p t i o nc o m p a r i s o no f a a n dc 2 5 本章小结 本章通过对同轴并联式混合动力的参数匹配进行简化模型分析，有如下的结 论，动力总成的匹配结果见表2 1 1 。 ( 1 )