（車輛工程專業(yè)論文）串聯與并聯式混合動力城市客車的性能對比研究.pdf

武漢理t 人學碩上學位論文 摘要 環(huán)境污染與石油資源匱乏已成為制約汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩大難題。合理 的系統(tǒng)結構和優(yōu)化的控制算法能夠使混合動力系統(tǒng)部件在更高效區(qū)域運行，加 之制動能量回饋的功能，混合動力汽車不僅能有效降低燃油消耗，而且尾氣排 放能得到突破性改善。因此，研究混合動力汽車( h e v , h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ， 將是解決這兩大難題的有效途徑【lj 。 城市公共客車具有固定道路行駛，固定時間運行，相對穩(wěn)定的行車特性，是 混合動力系統(tǒng)發(fā)揮其優(yōu)勢的最佳平臺，甚至可以根據具體情況制定“一線一車” 的整車控制策略，使整車油耗和排放達到最優(yōu)。研究表吲2 1 ，我國混合動力汽車 實現大批量產業(yè)化的突破口在于混合動力電動客車( h y b r i de l e c t r i cb u s ，簡稱 h e b ) 。 本文在對輕度混合型、功率混合型和能量混合犁混合動力汽車進行綜合分 析的基礎上，對h e b 的混合度進行分析，對發(fā)動機和電池進行功率匹配。在簡 要分析h e b 的結構型式和功能模式的同時，針對選用的動力傳動系方案，以節(jié) 能和環(huán)保為主要目標，進行h e b 的參數設定。 同時，對“油一電”混合動力大客車進行了深入研究，分析了串聯與并聯式 混合動力汽車的結構，并對各自的控制策略進行分析，為后面進行仿真的參數 和整車控制策略提供設計基礎。借助美國國家可更新能源實驗室開發(fā)的汽車仿 真軟件a d v i s o r ，建立了串聯式混合動力電動客車( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cb u s ， 簡稱s h e b ) 和并聯式混合動力電動客車( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cb u s ，簡稱 p h e b ) 動力系統(tǒng)的關鍵部件模型，調用a d v i s o r 內嵌的部分數據庫，導入控 制策略后進行仿真分析。 最后，通過對比分析s h e b 與p h e b 的仿真參數圖，對s h e b 和p h e b 的 燃油經濟性、整車控制、整車動力性和各主要部件的效率進行比較分析，得出 的具體結論：整個設計、建模和仿真基本達到預期設計目標。 關鍵詞：混合動力客車( h e b ) ，a d v i s o r ，控制策略，電池壽命，混合度，性 能對比，仿真 武漢理t 人學碩十：學位論文 a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dd e f i c i e n c yo fp e t r o l e u mr e s o u r c e sh a v eb e e n t h et w os e r i o u sp r o b l e m sa g a i n s tt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v e i n d u s t r y u s i n gt h er e a s o n a b l es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mo p t i m i z e s w o r ka r e a a n dr e a l i z e st h ef u n c t i o no fr e g e n e r a t i v eb r a k i n g ；h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) c a na c h i e v et h el o wo i lc o n s u m p t i o na n dt h ei m p r o v e de m i s s i o n s oh e v h a s b e e na c c e p t e dw o r l d w i d e l ya so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gm e t h o dt os o l v et h et w o s e r i o u sp r o b l e m s t h ec i t yb u s e sa r ef i x e dt r a v e l i n gl i n e ，r e g ul a rr u n n i n gt i m ea n ds t e a d yd r i v i n g f e a t u r e s ，a n dh y b r i de l e c t r i cc i t yb u s ( h e c b ) c a nu s ei t sa d v a n t a g e s ，w h a t sm o r e ， w ec a ng i v et h ec o n c e p to f o n er o u t eo n eb u s ”，a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a rt r a v e l i n g l i n e t h e n ，w ec a l lg a i nt h el o w e s te m i s s i o no fe x h a u s tg a sa n dt h eb e s tv e h i c l e e f f i c i e n c y a l ls h o w st h a tt h eb a t c hp r o c e s s i n go ft h eh e v l i e si nh e c ba c c o r d i n gt o o u rn a t i o n a lc o n d i t i o n s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em il dh y b r i dv e h i c l e 、p o w e rh y b r i dv e h i c l ea n d e n e r g y h y b r i dv e h i c l e ，h y b r i d i z a t i o nr a t eo fh e b h a db e e na n a l y z e d w h i l eb r i e f l y a n a l y z i n gt h ec o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o no fh e b ，r e g a r d i n ge n e r g y - c o n s e r v a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na st h em a i ng o a l s ，t h es t y l es e l e c t i o n 、p a r a m e t e rd e s i g na n d m a t c h i n ga n a l y s e so f h e b sm a i np a r t sa r ec a r r i e do n t 1 1 i sp a p e rt a k e ss o m er e s e a r c h e so np r o d u c t i v eh e c bb a s e do n “f u e l - e l e c t r i c ” h e v , a n a l y z e st h es t r u c t u r eo fs e r i e sa n dp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，a n dm a k e s c o m p a r e dr e s e a r c ho ne a c hc o n t r o ls t r a t e g y i tp r o v i d e sa l la c a d e m i cb a s i cf o rh e v d e s i g n a u t o m o b i l es i m u l a t i o ns o f t w a r ea d v i s o ri sd e v e l o p e db yu sn a t i o n a l r e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y , b yw h i c hw ee s t a b l i s hm o d e l so fk e yp a r t so fs h e b a n dp h e b ，c a l ls o m eb u i l t - i nd a t ab a n ko fa d v i s o r , w em a k es i m u l a t i o na n a l y s e s a f t e rd e v e l o pt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s f i n a l l y , w ed r a wac o n c l u s i o nt h r o u g hac o m p a r i s o na n da n a l y s e so ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，f u e le c o n o m y , v e h i c l ec o n t r o l i n g ，v e h i c l ep o w e ra n de f f i c i e n c yo f m a i np a r t so fh e v t h ew h o l e d e s i g n ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nh a v er e a c h e dt h e a n t i c i p a t e dd e s i g no b j e c t k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cb u s ( h e b ) ，a d v i s o rc o n t r o ls t r a t e g y , b a t t e r y sl i f e ， h y b r i d i z a t i o nr a t e ，f u n c t i o nc o n t r a s t ，s i m u l a t i o n i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育 機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：二邊 關于論文使用授權的說明 日期刪，f 甲 本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權 保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜績?容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生簽名：茲缸導師簽名： 日期! 呂! ：! 尹 武漢理t 大學碩j ：學位論文 第1 章緒論 1 1 前言 環(huán)境問題：汽車造成的污染f 1 益嚴重，大氣環(huán)境污染中有一半以上的污染 直接來源于汽車排放的尾氣p 】。以我國為例，2 0 0 0 年一氧化碳排放量達到了 3 0 0 0 萬噸，氮氧化物排放量也達到了3 8 0 ) - j - 噸。在北京、上海、廣州等大城 市的市區(qū)，汽車的尾氣排放已成為c o ( 一氧化碳) 、n o 、( 氮氧化物) 、h e ( 碳氧化 合物) 的第一大污染源。據國家環(huán)保局分析，2 0 0 5 年我國機動車尾氣排放在城市 大氣污染中的分擔率就達到7 9 1 4 j 。 節(jié)能與環(huán)保是現代社會的重要任務，設計和生產節(jié)能汽車是未來汽車產業(yè) 的發(fā)展趨勢。純電動汽車從上世紀7 0 年代開始研究，由于受限于電池技術，其 發(fā)展不夠理想。混合動力電動汽車( h e v ) 將兩套系統(tǒng)( 電池電機內燃機) 安裝 在一臺汽車上，即利用了燃料發(fā)動機持續(xù)工作時間長、動力性好的特點，又利 用純電動汽車的無污染、低噪聲的優(yōu)點。與傳統(tǒng)汽車相比，可節(jié)約燃油3 0 左右， 排放減少3 0 以上。 在我國，大客車是城市空氣的重大污染源，混合動力大客車( h e b ) 的研制 與生產具有重要意義。目前，很多人在進行混合動力電動汽車的研究，設計出 多種結構的混合動力電動汽車。h e v 分為串聯、并聯和混聯三種類，對混合動力 大客車來說，目前以串聯和并聯模式居多。串聯式混合動力汽車( s h e v ) 控制 系統(tǒng)的控制理論和結構簡單，發(fā)動機總是在最佳工況下工作，效率高，排放低： 并聯式混合動力汽車( p h e v ) 的兩套動力裝置，可單獨或同時驅動車輪，效率 高，節(jié)能優(yōu)勢大。兩種結構各具優(yōu)點，但具體那種模式更優(yōu)，更節(jié)約能源，沒 有得到具體的論證，因而對兩種模式進行對比研究，得出具體的對比結論將具 有重要意義。 一般來說，串聯與并聯式混合動力大客車的動力系統(tǒng)和控制模式都不相同， 為了進行比較分析，本文將在同一設計平臺、剛一設計基準下，以目前已經成 熟的設計理論為基礎，分別優(yōu)化設計串聯混合動力大客車( s h e b ) 和并聯式混 合動力大客車( p h e b ) ，建立結構模型，并基于a d v i s o r 對兩種型式的混合動力 客車的進行仿真分析對比，得出具體結論。 1 2 串聯與并聯式混合動力大客車的研究現狀及前景分析 1 2 1 國內外混合動力大客車的研究現狀 許多研究機構( 包括政府) 都在進行混合動力汽車的研究，發(fā)達國家十分 重視對混合動力電動客車( h e b ) 的研究和應用，許多大公司也積極開發(fā)各自的混 合動力電動客車。 1 9 8 9 年日野( h i n o ) 公司開發(fā)了全球首例串聯式柴一電混合驅動系統(tǒng) h i m r 。目前裝備該系統(tǒng)的汽車已超過3 0 0 輛，主要為在大城市行駛的客車和 公交客車。 19 9 7 年，韓國亞洲汽車公司( 州c ) 研發(fā)了韓國第一輛并聯式柴油電動混 武漢理工人學碩1 二學位論文 合動力城市客車。 2 0 0 3 年，美國俄勒岡州的波特蘭市，t r i m e t 公司開始將標準長度的串聯式 混合動力客車投入運營。同年，美國西雅圖市購買了2 3 5 輛裝備有通用的a l l i s o n t r a n s m i s s i o n 開發(fā)的e p s y s t e m 并聯式混合動力電動客車，并于2 0 0 4 、年6 月9 同 投入運營。 國內對h e b 的研究相對較晚，現在逐漸被重視起來。 2 0 0 3 年東風電動車輛股份有限公司自主研發(fā)并聯式混合動力城市公交車 ( e q 6 1 1 0 h e v ) 。該車于2 0 0 5 年1 2 月用于新| 丌通的武漢5 9 9 路專線運營，并在 2 0 0 6 年通過國家產品公告，詎式進入汽車市場。 2 0 0 4 年底，由湘潭電機股份有限公司設計，具有完全自主知識產權的 x d 6 1 2 0 并聯混合動力電動城市客車投入小批量生產，并于2 0 0 5 年6 月在長沙 進行電動汽車商業(yè)化示范運營。 世界各大汽車公司都在進行混合動力汽車的研究，并推出各自混合動力汽 車，有的采用串聯式有的采用并聯式，還有的將兩者結合起來組成混聯式。在 混合動力大客車方面，大多為串聯式和并聯式結構。目前有多種h e b 被設計出 來( 下表卜l 為困外混合動力公交客車車型表) ，但由于技術理論、生產成本及 維修保養(yǎng)技術的限制，無法得到廣泛的應用。 是1 1t q 諱澎 i i 曲力盛空召十- 掣裊 監(jiān)矗 造 1警 披杏 i q - 泉伊點 ( i r a h ) n e wf l y e ro e 4 0 l f產玨9 6 n o v a b u st r a n g t 產品 蹙煳8 8 h f n oh v b r m jc r u a s m g，鼬i t 年n 暇13 5 t o y o t ac o a s t e rh e y，出i i 巾甄 8 0 h t n oh y b r i dr o u t eb u s ，乩i 未 “i e ,8 0 o n o n h e vb u sf 6 品上1 日，硫爭凡半娃1 0 0 i s et h u n d e o k t b3 0 h廣品_ 砭巾雙8 8 i s et h u n d e r v 0 1 tt b4 0 h產品免l qm 酸i2 2 i v e t o 2 m & l 仃o b u sh v b n d產品盎太弼串聯6 2 亡6 m & l t r o b u sh b n d產砧nj 、 j6 0 m e c e d e s - b e n ：04 0 5n u hj 、出蘸l q7 5 e id or a d on a t 】o n a i忤：兜i qf “暖e 0 a 7 s 3 0t f 弛l hm 畈 8 8 ( h i 虹l a v 爭3 5抒整m小畋 e a ( 越錳) d e n1 3 u d s t e nx 9 7 忤午曲：!i f i 毆8 0 o h 岫u n f i x e dn j f f n e f 4 0 一f o o t l佯t走l 珥書旺 h 1 1 1 0u n h x e dn a m e“| | 朱籃j f8 0 n i 蚴id l e s e l u m f t x e d ( u o , 1 a 4 6 0 lt r l i 本 巾峨7 0 e r e _ d e s - b e n zc 脅1縫 n o v a b u s - u n f i x e dr l a r n e t t 兜f q9 0 o l v m b u s ( d e s = f l n h n e )”璜j 、牽j 埡8 0 “s o nh v b n ds h u 衄eb u s滴1 1趕 q o m4 0 一f o o tr t s蕊小衛(wèi)f q小娃 v a nh o o la 3 0 b h 滴1 1純羈塒 f n 暇6 0 a p ss y s t e h y b n dt r a n s i t 鼬s 試驗弛 qb o n a s at r a n s i ib u s 試鹼 施搠堆聯8 5 v o l v ob 0 l試驗詹幽 a i ah e vb u s鹿人鞘巾旺 m e c e d e $ 一8 e n zo4 0 5g n o e佬i 塒 n e o p l a nm e t r o l l n er 縫l q 6 0 n e o p | a nn 4 1 2 1d e s縫i q s c a n r ad a b $ e r c e 吣s墻 t p ic o m p o q 恒h v o n db u s 置州 s e a tc k y b u st f l i 斑才8 0 2 武漢理t 大學碩i j 學位論文 1 2 2 混合動力電動大客車的前景分析 我國客車工業(yè)自2 0 世紀6 0 年代丌始起步，經歷了改裝、仿制、技術引進和 中外合資等階段，發(fā)展到今天已頗具規(guī)模，分高、中、低檔，大、中、輕型， 不僅滿足圍內用戶需求，還丌始打入國際市場。根據歷年客車生產企業(yè)的牛產、 銷售統(tǒng)計數據，2 0 0 7 年我國大型客車生產、銷售數量分別為：3 5 8 6 4 輛、3 5 7 3 6 輛。預計2 0 0 7 年以后，我國大型客車的年生產、銷售數量都將超過4 萬輛，其 中一半以上為城市客車。 隨著我國國民經濟的穩(wěn)定增長，客車市場將有更大的發(fā)展空間。由于目前 我國大部分城市的公交客車正在大量進入更新報廢階段，隨著各地政府部門對 市政設施建設的投資加大，城市公交客車的更新有了資會保證，另外城市公交 的經營出現國有經營、私人經營以及合資公司集團化經營的趨勢，將進一步加 大城市客車的需求。 由于環(huán)保和能源的壓力，混合動力城市客車的研究作為h e v 研究的一個重 要突破口。對于很成熟內燃機客車而言，混合動力客車還是一個很新鮮的事物， 其產業(yè)化還面臨許多問題，問題的解決將推動混合動力城市客車的產業(yè)化。 由于汽車排放法規(guī)要求越來越嚴格，燃油價格的提高，混合動力電動汽車 技術的逐步提高，再加上政府對使用h e b 的公交運營企業(yè)提供優(yōu)惠政策和油品 補貼，混合動力城市客車的產業(yè)化將成為必然趨判引。 1 3 串聯與并聯式混合動力大客車的技術參數和設計基準 本文所研究的h e b ，將選用目前客車市場上運營的1l 米城市公交客車作為 基礎，其基本參數如表卜2 所示。整車性能開發(fā)指標如表1 - 3 所示。 表1 - 2 整車基本參數表 參量參數值 長( m m ) 1 1 0 0 0 寬( m m ) 2 4 9 0 高( m m ) 3 2 6 0 前懸( m m )2 3 5 0 尺寸參數 后懸( f i l m ) 3 0 5 0 軸距( i l l l i q ) 5 6 0 0 前輪距( m m ) 2 0 2 0 后輪距( i l l m )1 8 6 0 最小離地問隙( m ) o 2 l 最小轉彎半徑( m ) 1 l 接近角離去角( 。) 9 0 8 0 軸數 2 輪胎數 6 輪胎規(guī)格 1 0 0 0 r 2 0 底蒲犁號 e q 6 1 1 0 k r f 武漢理工人學碩i j 學位論文 鋼板彈簧片數( 前后) 4 5 迎風由i 積 6 5 空氣阻力系數 o 6 5 滾動阻力系數 0 0 12 主減速比 6 3 整備質量( k g ) 1 1 0 0 0 k g 總質量( k g ) 1 5 5 0 0 k g 燃料種類 柴油 額定載客( 含駕駛員) ( 人) 6 9 表1 - 3 混合動力客車整車性能開發(fā)指標 參量 參數值 最高車速度 8 0 k m h 0 6 0 k m h 加速時間 t 3 0 s 最大爬坡能力 2 5 4 坡度上持續(xù)爬坡速度 4 0 k m h 燃油經濟性 油耗3 0 l 1 0 0 k m 以下 排放依據標準 g b 3 8 4 7 2 0 0 5 ，g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 續(xù)駛里程 5 0 0 k m 一檔 7 0 3 四檔 1 5 0 六檔手動變速箱二檔 4 0 9五檔 1 0 速比三檔 2 4 5 六檔 0 8 1 倒檔 6 4 8 1 4h e y 的動力傳動系統(tǒng)設計，控制策略和仿真分析 1 4 1 混合動力電動大客車的動力和傳動系統(tǒng)參數 1 ) 電機參數：電動汽車的驅動電機通常要求在低速或爬坡時提供大轉矩， 高速行使時輸出大功率，并且變速范圍要大。需要確定的特性參數主要有3 個， 即額定功率p e 、過載功率p p c a k 和最大轉矩t m a x 。 2 ) 發(fā)動機型號發(fā)電機：根據整車參數、性能要求及控制策略選擇合適的 發(fā)動機和發(fā)電機。 3 ) 傳動比：合理設計電動汽車的主減速比i o 和變速器傳動比i g 。 4 ) 動力源參數：為了保證混合動力電動大客車具有良好的動力性和續(xù)駛里 程，需要動力源有高的比功率和比能量，然而目前的的電池技術很難滿足要求， 因此必須對動力源的參數進行合理優(yōu)化，達到最佳匹配。在設計的過程中，應 主要考查下面三個方面：汽車的續(xù)駛里程和加速時間，電池、發(fā)電機、整 車參數，三者間的正確匹配，再生制動。 4 武漢理t 大學碩l j 學位論文 1 4 2 混合動力電動大客車的控制策略 串聯型混合動力汽車有兩種基本的控制模式：恒溫器控制模式和發(fā)動機跟 蹤器控制模式。 并聯式混合動力汽車的控制較復雜，通常需要進行優(yōu)化。一般的控制方法 是依據電池的s o c 、駕駛員的加速踏板位置、車速和需求功率等，按照一定的規(guī) 則調整發(fā)動機和電動機的輸出轉矩( 或功率) ，以滿足驅動力矩的要求，具體控制 方法有： 以車速為主要參數的控制策略 以功率為主要參數的控制策略 采用優(yōu)化技術的控制策略 以成本和燃油經濟性為目標的控制策略 1 4 3a d v i s o r 仿真技術 a d v i s o r 是美國國家可更新能源實驗室1 9 9 8 年推出的汽車模擬軟件。 它是在m a t l a b s i m u l i n k 環(huán)境下集成的、由一系列模型、數據文件和腳本文 件構成的軟件包。a d v i s o r 充分利用s i m u l i n k 建模的靈活性和m a t l a b 強 大的分析功能，可用于快速預測分析傳統(tǒng)汽車、純電動汽車以及混合動力汽車 的動力性能、燃油經濟性能及排放性能。a d v i s o r 具有的功能如下： 1 ) 估算汽車在特定工況下的燃油經濟性： 2 ) 考查汽車( 包括傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車和電動汽車) 驅動鏈之間如何 工作； 3 ) 比較汽車在各種循環(huán)工況下的燃油消耗與排放； 4 ) 評價混合動力汽車控制邏輯，可以進行控制參數優(yōu)化匹配； 5 ) 以燃油經濟性或最大動力性為優(yōu)化目標來設計汽車。 通過a d v i s o r 仿真時，把汽車速度作為輸入條件，然后確定達到該輸入 車速下的傳動系的轉矩、轉速和功率，此過程的信息流是先后經輪胎、后橋、 傳動軸、齒輪箱流至整個傳動系，這是一反向過程，因此a d v i s o r 也被稱為 反向汽車模擬軟件。 a d v i s o r 中大部分部件模型是以設計經驗和部件的測試數據為基礎設定 的，另外，a d v i s o r 中部件的模型是準靜態(tài)的，即建模時使用的是穩(wěn)態(tài)的試 驗數據，在考慮瞬態(tài)效應的基礎上對上述數據進行一些校正。 1 5 本課題研究的主要內容