混合动力系统范文

混合动力系统范文（精选12篇）

混合动力系统 第1篇

关键词：混合动力电动汽车,驱动系统,性能特点

混合动力汽车表示有多种动力参与汽车驱动，一般指燃油发动机和电机这两种动力，又称混合动力电动汽车。它综合了传统汽车引擎驱动电机驱动的优点，既能充分发挥燃料发动机持续工作时间长、动力性能好，又能发挥电动机无污染、低噪声的好处。并且，混合动力汽车可以在运行过程中维持电量的均衡，不像纯电动汽车要配备专用的充电器等配套设备。

混合动力电动汽车(Hybrd Electric Vehicle，简称HEV)的动力系统采用了两种动力装置，兼备了内燃机汽车和电动汽车优点，通过储能装置(蓄电池等)和控制系统对能量的调节，实现最佳的能量分配，达到整车的低排放、低油耗和高性能。按内燃机与电动机的连接方法可分为串联式、并联式和混联式。它将内燃机、电动机与一定容量的储能器件通过控制系统相结合，电动机既可以补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染和石油短缺的矛盾。与传统内燃机汽车相比，它的主要优点是采用了高功率的能量储存装置(飞轮、超级电容器或蓄电池)向汽车提供瞬时能量，可以提高效率、节省能源、降低排放，经济性和排放性明显改善，技术经济可行性较强。较之纯电动汽车，其主要优点：续使里程和动力性可达到内燃机汽车的水平;空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，借助原动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性;而且混合动力汽车技术难度相对较小，成本相对较低。

混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置 (蓄电池) 按某种方式组合在一起，有串联式、并联式和混合式三种布置形式。

1. 串联式驱动系统（Series Schedule，简称SHEV)

(1)结构特点。发动机带动发电机发电，其电能通过电动机控制器直接输送到电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电实现动力传递，当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时，控制器控制发电机向电池充电;而当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时，电池则向电动机提供额外的电能。

(2)性能特点。发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的，当汽车运行工况变化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由控制器控制发电机向电池充电或使电池向电动机放电，电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和控制方式使串联式混合动力电动汽车具有如下性能特点：

(1) 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标。

(2) 由于有电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机。

(3) 发动机与驱动桥之间无机械连接，因此，对发动机的转速无任何要求，发动机的选择范围较大，比如，可选用高速燃气轮机等效率高的原动机。

(4) 发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。

(5) 发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，需要功率足够大的发电机和电动机。

(6) 要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，就需要较大的电池容量。

(7) 发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低。串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越性主要表现在低速、加速等运行工况，而在汽车中、高速行驶时，由于其电传动效率低，抵消了发动机油耗低的优点，因此，串联式混合动力电动汽车更适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区，汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用电池进行功率输出，使汽车达到零排放的要求。

2. 并联式驱动系统（Parallel Schedule，简称PHEV)

(1)结构特点：发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。当汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时，电动机从电池取得电能产生电磁力矩，并向驱动桥提供额外的驱动功率。有的并联式混合动力电动汽车也有发电机，但其主要作用是向电池充电，以保持电池的荷电状态(SOC)。

(2)性能特点：并联式混合动力电动汽车其发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工况所需的功率选定的，当汽车在低速或变速工况行驶时，需通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出;而在汽车高速行驶，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，由控制器控制电动机协助驱动。这样的结构形式和控制方式，使并联式混合动力电动汽车具有如下性能特点：

(1) 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机电能量转换损失，因此发动机输出能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范围内运行时，并联式的HEV燃油经济性比串联式的高。

(2) 有电动机进行“调峰”作用，发动机的功率也可适当减小。

(3) 当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。

(4) 如果装备发电机，发电机的功率也可较小。

(5) 由于有发电机补充电能，比较小的电池容量即可满足使用要求。

(6) 由于并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在不良工况下运行，因此发动机的排污比串联式的高。

(7) 由于发动机与驱动桥之间直接机械连接，需要通过变速装置来适应汽车行驶工况的变化。此外，发动机与电动机并联驱动，还需要动力复合装置，因此，并联式驱动系统其传动机构较为复杂。并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况。而在其它的行驶工况，由于发动机不在其最佳的工作区域内运行，发动机的油耗和排污指标不如串联式。并联式混合动力电动汽车也可实现零排放控制，在繁华的市区低速行驶时，可通过关闭发动机和使离合器分离，也可以使汽车以纯电动方式运行。但这样就需要功率足够大的电动机，所需的电池容量也相应要大。

3. 混联式驱动系统

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。

混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标。

参考文献

[1]李兴虎.电动汽车概论.北京:北京理工大学出版社, 2005.8, 46-47.

[2]胡骅, 宋慧.电动汽车.北京:人民交通出版社, 2002.10, 1-3.

混合动力系统的三种联结模式 第2篇

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车的整车性能。根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：串联式、并联式和混联式。

一是串联式混合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就像一个水库，只是调节的对象不是水量而是电能。电池对发电机产生的能量和电动机需要的能量进行调节，从而保证车辆的正常工作。在早期，很多客车企业都采用了这种系统。

浅谈汽车混合动力系统 第3篇

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）.

装载机三动力源混合动力系统 第4篇

1. 系统组成及工作原理

装载机三动力源混合动力系统的组成如图1所示。发动机、蓄电池和液压蓄能器为3个动力源。发动机、发电机、电动机串联在一起,蓄电池和发电机向电动机提供动力,由电动机驱动液力变矩器工作。液压泵/马达通过变矩器与装载机的传动轴连接,液压蓄能器通过液压泵/马达吸收和释放能量,以实现装载机制动能回收与再利用。

三动力源混合动力系统可采用功率较小的发动机。其发动机有2种工作模式:一种是工作在燃油经济最佳工况(常态),此时发电机和蓄电池同时向电动机提供电能;另一种是工作在最高功率工况(暂时),此时发电机向电动机提供电能,同时给蓄电池充电。该混合动力系统还可利用液压蓄能器高功率密度的特点吸收制动能,并在铲掘作业时释放出来,以提高铲掘力。

2. 主要部件选配方案

该混合动力系统主要部件的选配要能够满足装载机行走及工作装置动作的需求,同时又能够充分发挥3个动力源协调工作的特点。本文以ZL50型装载机为原型机,对其三动力源混合动力系统的主要部件进行选配(计算过程从略)。

所选电动机的额定功率,应满足ZL50型装载机在水平路面上行驶的需求。考虑到ZL50型装载机满载质量、行驶速度、滚动阻力系数、额定滑转率以及传动系统总效率等因素,将电动机额定功率定为75kW,所选三相异步电动机型号定为Y280S-4型。

所选液压泵/马达应能提供ZL50型装载机铲掘物料时所需额外驱动力,并满足再生制动力需求。考虑到ZL50型装载机牵引力、动力半径、主减速比、轮边减速比、变矩器变矩比、制动强度以及车轮动力半径等因素,液压泵/马达最大功率定为236kW,最大扭矩定为1075Nm,所选液压泵/马达的型号定为力士乐A11V0190型。

所选液压蓄能器的容积,应能吸收装载机作业工况下制动时产生的全部制动能。考虑到液压蓄能器内气体的充气压力和体积,以及压力气体的多变过程指数等因素,决定选用容积为50L的气囊式液压蓄能器。

所选发动机、发电机和蓄电池的功率要能够保证整机的正常工作。将发动机及发电机的额定功率定为90kW (额定转速2300r/min),蓄电池总功率定为39 kW。

3. 工作特性分析

按照上述选配方案配置ZL50型装载机三动力源混合动力系统后,利用AMESim软件建立模型,对装载机在“V”型作业方式下进行工作特性检测,其结果如图2所示。

混合动力电机简介 第5篇

（1）混合动力汽车用电动机的发展概况

蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后，19世纪末到20世纪上半叶电机又引起了第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，是生产和消费从工业化向自动化，智能化时代转变；推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。21世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然，汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力，然而，汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。显然，加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业，将会使这两大全球问题继续恶化。于是，电动车（包括纯电动车，混合动力汽车，燃料电池电动车）概念的提出，将会是未来世界汽车工业发展的新方向，不过就当今世界科技水平来说，混合动力汽车的研究与开发相比其它两种形式更具有现实意义，应该作为这一新方向的第一步。20世纪80年代前，几乎所有的电动车驱动电机均为直流电机，但随着电动车（混合动力汽车）性能的提高，其在高负载下转速的限制，体积大等缺点逐渐暴露，取而代之的是交流异步电机，永磁电机，开关磁阻电机以及新型的双凸极永磁电机，而上述电机在用于混合动力汽车上所表现出来的性能也是一个比一个优越。目前，双凸极永磁电机的机理和设计控制理论还有待于进一步的研究与完善，不过它作为混合动力汽车的电动机有着潜在的巨大优势。

（2）混合动力汽车对电动机的基本要求

a.从日本汽车公司开发电动汽车的研究和实践认为，在采用大功率的电动机来驱动HEV时，与采用小功率的电动机比较，具有电阻小，效率高，比能耗低，动力性能好等优点。但在目前的条件下，各种电池的比能量较小，理所当然地采用小功率的电动机，因而出现电阻大，效率低，比能耗高，动力性能差等问题。

b.混合动力汽车的电动机应具有较大范围内的调速性能，能够根据驾驶员对加速踏板和对制动踏板的控制，由中央控制器控制电动机与发动机之间动力的协调。以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，使它们达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制效果。

c.混合动力汽车应具有最优化的能量利用，电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时实现能量回收并反馈回蓄电池，这点在内燃机汽车上是不能实现的。

d.电动机的质量，各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小，因此，大功率的高速电动机具有高性能，质量小等优点，在混合动力汽车得到了广泛地应用。另外，还要求电动机及控制装置在运转时的噪声要低。

e．各种电动机的电压，可以达到120～500V，对电气系统安全性和控制系统的安全性，都

必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。除此之外，还要求电动机可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。

（3）混合动力汽车所用电动机的选择策略

在确定混合动力汽车所采用的电动机时，首先应采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的现成的电动机。一般情况下，电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力。在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。有足够的动力性能来克服整车的各种阻力，保证其有良好的起动，加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。现在混合动力汽车上，主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电机的转速可以达到1万～1.2万r/min，在高速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。

（4）双凸极永磁电动机的简介

传统的开关磁阻电机（SRM）虽然可靠性较高，结构十分简单，单位体积功率与异步电动机相当或略高一些，而且在宽广的调速范围内都具有相当高的效率，但是，从能量转换的观点看，SR电机在定子绕组的一个开关周期中，最多只有半个周期得到利用，电机实际运行时，为避免在电感下降区产生制动力矩，绕组电流的关断角不得不较多地提前于最大电感位置，半个周期都未能得到充分利用。因此，SR电机仅获得“一半的利用率”，由此产生了换流问题和相对材料利用率低问题。可以预见，如果能利用定子绕组整个开关周期，在电感下降区也能产生正向转矩，SR电机的单位体积功率必将大大提高，但传统结构的SR电机是难以实现的。如果在SR电机中用永磁材料预先建立一个磁场，通过控制定子绕组的电流方向，使永磁体产生的磁场和绕组电流产生的磁场相互作用，就能实现在电感下降区产生正向转矩的设想。我国稀土材料的储存量为世界第一，钕铁硼等高性能稀土永磁材料在电机领域中已得到广泛应用，大大提高了电机性能，但在SR电机上的实践才刚刚开始。

混合动力系统 第6篇

关键词：液压挖掘机；混合动力系统；节能；仿真模型；试验研究

中图分类号：TH39文献标识码：A

Energy Saving Performance and Experimental Study

on Hybrid System of Hydraulic Excavator

LIU Changsheng1， HE Qinghua1，2， GONG Jun1， ZHAO Yuming1

（1.State Key Laboratory of High Performance Complicated， Central South Univ， Changsha，Hunan410083， China；

2.Sunward Intelligent Equipment Co Ltd， Changsha，Hunan410100，China）

Abstract：Based on low utilization rate of energy and high fuel consumption， the energy losses in the hydraulic excavator during typical working condition were analyzed， and the major directions of the energy saving research for the hybrid power system were derived. A parallel hydraulic & electric configuration for hybrid excavator was proposed based on capacitor and motor. For the hybrid power system based on SUNWARD 20T hybrid excavator， the paper established simulation model， and the effect of the power coupling characteristics， the control strategy， the capacitors State Of Charge on the hybrid excavator were studied by contrast calculation and simulation. And the key parameters were optimized and matched. At last the energy saving effect was studied by building test platform of hybrid system， and found that adopting the parallel hydraulic & electric system， selecting the appropriate parameters in power coupling， instantaneous optimization of control strategy， compensating parameter of capacitor SOC are helpful to improve the energy saving effect of hybrid excavator， and the energy saving efficiency can reach above 20%.

Key words： hydraulic excavator； hybrid system； energy saving； simulation model； experimental study

鉴于全球范围内能源短缺以及日趋严格的排放法规，各工程机械制造商和研究机构开始重视工程机械节能技术的研究与应用.作为工程机械的典型产品——液压挖掘机，由于其负载工况恶劣，发动机受到负载波动的影响大，工作点大部分时间处于低效区，而且系统在能量传递过程中损失大，重力势能和制动动能转为热能浪费严重，造成油耗大，能量利用率低，排放增加.因此，展开节能减排技术研究，降低油耗、减少排放、提高挖掘机能量利用率已成为当前国内外研究热点[1，2].

近年来，混合动力挖掘机的研究已成为工程机械行业内技术人士关注的焦点.自2004年日本小松公司研制出世界上第一台混合动力挖掘机后，国内外挖掘机制造企业如日本的神钢、日立建机以及美国的卡特彼勒等都开展了混合动力挖掘机研究工作[3-8].国内山河智能、柳工等已开始研究混合动力技术在挖掘机上的应用，并完成了样机研制[9].浙江大学张彦廷、王冬云等对混合动力系统的节能效果、控制策略和节能方案等进行了仿真研究[10-11].中南大学李铁辉对混合动力挖掘机能量回收系统、参数匹配、控制算法等进行了建模仿真和试验研究[12].

本文以液压挖掘机为研究对象，分析液压挖掘机在典型作业工况下的能耗损失、节能潜力以及能量回收的主要途径.设计基于超级电容与电机的并联式油电混合动力节能方案，建立系统仿真模型，分析系统动力耦合特性、控制策略及超级电容SOC等因素对整机节能效果的影响，并对关键参数进行了优化匹配.搭建挖掘机混合动力系统试验平台，对系统的节能效果和关键参数优化匹配进行试验验证.

1液压挖掘机能量损耗分析

1.1挖掘机工况分析

液压挖掘机的典型作业模式主要为挖掘土方作业，以山河智能公司20吨级液压挖掘机为研究对象，在分析其实地测试数据的基础上，可得到液压挖掘机作业工况循环下的功率.图1为挖掘机的典型作业循环，在单个挖掘作业周期内，液压挖掘机先后完成了挖掘、满载举升回转、卸载和空载返回四个阶段.

1.2挖掘机能耗分析

液压挖掘机在作业过程中，发动机通过液压泵输出动力来驱动工作装置（动臂、斗杆、铲斗）进行挖掘，以及驱动转台回转.此工况下挖掘机为定点挖掘，无行走动作，执行元件行走马达不产生功率消耗.

液压挖掘机挖掘作业工况的需求功率和能量为

为了便于分析和比较，选取液压泵的总输出能量为基准值，计算得到的各单元能量损耗均取此基准值的相对值.根据山河智能20吨级液压挖掘机的性能参数和实测试验数据，计算得到挖掘机在典型挖掘作业循环中各液压执行元件的能量损耗比，如图2所示.

由图2可知，回转动作能耗在液压挖掘机典型挖掘作业工作循环总能耗中所占比重较大，达到了38%，因此可将回转系统作为液压挖掘机节能的研究对象.另一方面，液压挖掘机动力系统具有波动性和周期性强的特点，其负载功率曲线如图3所示，发动机在该负载工况下输出功率变化范围大、波动剧烈，造成工作点远离最佳高效工作区域，工作效率低下，能量利用率不高，所以研究动力源与负载的功率匹配实现发动机工作在高效区对挖掘机节能也具有重要意义.

2混合动力系统结构与原理

液压挖掘机传统动力系统中柴油发动机作为驱动液压泵的唯一动力源，液压泵吸收发动机输出的功率并输出压力油驱动各执行机构，挖掘机工作时的制动能均以节流的方式转化为热能消耗.根据前文分析，在传统液压挖掘机的基础上，结合国内外应用最广泛的混合动力驱动技术，设计得到本文的液压挖掘机并联式混合动力系统整体方案，主要增加了油电混合驱动单元、电回转驱动与制动单元、电储能单元以及整机能量管理单元.如图4所示.

在该系统中，驱动电机通过动力耦合作为辅助动力源，与发动机共同协调驱动负载.具体地，当液压泵需求功率高于发动机高效功率段时，驱动电机工作在电动模式，辅助发动机驱动液压泵工作；同理当液压泵需求功率较小时，驱动电机工作在发电模式，吸收发动机的多余功率，并储存在电储能系统.这样实现对外负载的“削峰填谷”作用，以稳定发动机工况，保证其工作在合理高效工作区间来获得较优的燃油经济性.

针对液压挖掘机回转系统特点，采用回转电机来实现转台驱动及回转制动能量的回收再利用.这样不仅能避免回转启动时原液压马达产生的溢流损失，而且能在回转制动过程中将回转平台的动能实现回收再利用，提高能量利用率.

3理论结果及分析

3.1混合动力系统仿真建模

为了从理论上对液压挖掘机混合动力系统进行仿真评价，在分析系统各单元元件数学模型的基础上，在AMESim环境下建立了混合动力系统仿真模型，如图5所示.模型中变量泵出口压力由比例溢流阀控制，来模拟挖掘机负载压力；主泵的输出流量可通过调节变量泵排量和发动机转速实现，来模拟负载流量.变量泵出口压力和流量数据可通过液压挖掘机实际工作过程采集获得.

这里以20吨级液压挖掘机为混合动力系统平台进行仿真分析，整车和动力系统的主要参数如表1所示.

3.2动力耦合特性

在混合动力系统中，发动机持续提供挖掘机作业负载的平均功率输出，与其同轴并联耦合的驱动电机则输出负载需求力矩与发动机目标力矩的差值，辅助发动机提供重载挖掘时的大功率输出或轻载时的输入储能.因此，驱动电机的力矩响应特性对其与发动机、液压泵的动力耦合性能的影响较大.图6（a）～（d）为驱动电机力矩响应时间分别在300 ms，150 ms，100 ms，10 ms时的系统力矩分配曲线.从图中可知，驱动电机力矩响应特性对发动机力矩输出的稳定性有较大影响，其力矩响应时间越快，发动机输出力矩曲线波动越小，工作更平稳.

3.3动力系统控制策略

混合动力系统控制策略是整个系统的研究重点，它的优劣将直接影响到挖掘机节能减排的效果.目前常用的控制策略主要为基于规则的逻辑门限控制、自适应PID控制等[13-15].

这里提出一种以系统瞬时全局能量消耗率最小为目标的优化控制策略，在所设定的挖掘机负载条件下，决定发动机、超级电容、驱动电机和回转电机之间的最优输入输出功率分配，使系统在挖掘机工作过程中的瞬时能量消耗最少.

具体方法是通过将系统各能量单元的输入输出功率等效为发动机能量消耗方程，从而建立混合动力系统瞬时全局能量消耗率最小的目标函数，以功率守恒和负载需求为条件，求出最优解.以系统瞬时全局能量消耗率最小为基础进行动力分配的同时还引入超级电容SOC（State of Change，荷电状态）补偿函数，保证SOC稳定在安全合理范围内.

建立系统等效能量消耗函数为

3.4超级电容SOC

前文的瞬时优化控制策略在综合考虑混合动力系统能量消耗率最小的同时，还需考虑超级电容的工作荷电范围SOC，通过加入SOC补偿函数，采取主动策略来实现SOC保持在合理波动范围.

SOC补偿函数如下式所示

其中：Sop为超级电容最优工作点；λ为电容SOC调整系数.考虑到挖掘机实际工况和超级电容特性，避免出现过充过放现象，电容SOC的正常工作范围设为50%～90%，最优工作点为70%，以保证超级电容可以同时满足驱动电机工作或能量回收充电的需求.

当超级电容SOC偏离工作荷电状态上下限值时，通过提高或降低电机与超级电容的等效能量消耗率，来使等效能量目标函数的最优解趋向于放电释能或充电储能.所以通过标定调整系数λ，来保持电容SOC在合理工作范围.若取λ>0，从式中可以得出，当SOC>Sop时， α<1，函数最优解趋向于放电释能；当SOC1，函数最优解趋向于充电储能，使电容SOC维持在最优工作点Sop附近.

图8是液压挖掘机混合动力系统在调整系数λ不同取值下的超级电容SOC波动范围，由图中可得，当瞬时优化控制策略未引入补偿函数α时（即α=1），SOC的波动范围为24%到100%，波动相对值大于75%，超出了超级电容工作荷电状态上限，出现了电容过充现象，这表示单纯的全局优化控制策略无法保持电容SOC的稳定工作.当λ取0.1时，SOC波动范围相对值缩小至54%，随着λ取值增大，SOC的波动范围越来越小，趋于稳定在最优工作区间，具体如表3所示.

所以在同一工况下，λ取值越大，超级电容SOC的波动范围越小.但需要注意的是，若λ取值太大，则SOC工作区间小，能量储存和释放的容量就越小，系统功率分配和能量回收功能无法实现最优原则，最终将对系统综合能量消耗率造成影响.因此系数λ的取值应在保证电容SOC允许范围内尽可能选最小值，根据超级电容的工作特性，以SOC波动范围相对值在40%作为λ取值的条件，选取λ=0.18.

4试验研究

根据系统方案设计和仿真结果分析，在山河智能20吨级挖掘机上搭建混合动力系统试验平台，在典型挖掘作业循环下进行节能效果研究并验证关键参数优化匹配的有效性，如图9所示.系统中的驱动电机单元、回转电机单元、超级电容单元、整车控制器及笔记本电脑通过CAN总线连接，整车控制器作为下位机来采集传感器和手柄操作数据，对混合动力系统输出控制指令，并向上位机笔记本电脑发送传感器实时数据和系统状态反馈数据，上位机完成系统状态实时显示和测试数据的存储.

图10为挖掘机混合动力系统在瞬时优化控制策略下的能量消耗曲线.在70 s测试时间里，传统液压系统和基于瞬时优化控制策略的混合动力系统所消耗能量分别为1 134 kJ，867 kJ，节能效率改善达到23.6%.与传统液压系统相比，瞬时优化控制策略在混合动力系统工作过程中进行功率最优分配使能量消耗明显减少，燃油经济性更高.图11为混合动力系统中超级电容SOC波动曲线，由图中可以看出，引入SOC补偿函数并取适当的调整系数λ，系统在实现较高节能效率的同时，保持超级电容SOC工作在50%～90%的合理波动范围内.

根据挖掘机液压系统负流量特性，当主阀处于中位时，液压泵泵口压力较低，输出流量小，设计当斗杆在外摆行程终点时，快速操作手柄以获得主泵溢流压力使发动机受到冲击负载，来验证驱动电机电动力矩响应性.如图12所示，在21 s前发动机受到冲击负载的影响，转速从1 820 r/min掉至1 707 r/min，从29 s开始引入驱动电机力矩200 N·m，发动机输出力矩从617 N·m减小到403 N·m，转速波动明显减弱，发动机工况得到有效优化，工作平稳.

5结论

1）对液压挖掘机在典型作业工况下能耗，以及混合动力挖掘机的节能潜力和主要途径进行了分析.

2）设计了一种基于电机+超级电容回收方式的并联混合动力系统，建立了混合动力系统的仿真模型，并对系统动力耦合特性、控制策略及超级电容SOC等因素对混合动力挖掘机节能效果的影响进行了理论计算和仿真分析，对关键参数进行了优化匹配.

3）搭建了挖掘机混合动力系统试验平台，对该试验系统的节能效果和关键参数优化匹配进行了试验验证.研究结果表明，根据液压挖掘机工况特点，采用油电并联混合动力系统，并选择合适的动力耦合参数、瞬时优化控制策略及超级电容SOC补偿参数等关键参数有利于提高挖掘机的节能指标.

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混合动力系统参数优化匹配研究 第7篇

近几十年来, 世界各国汽车工业都面临着能源危机与环境保护两大挑战。由于纯电动汽车的技术瓶颈, 混合动力电动汽车被认为是现阶段解决这两个问题的重要途径。混合动力车辆的动力系统涉及多种能源的混合, 并且包括不同储能装置与能源转换装置之间的协调工作。它已不同于传统意义上的汽车, 也不同于纯电动汽车, 而是涉及内燃机、电池、电机之间的协调工作, 是一个复杂的系统。混合动力电动车辆中发动机、电池、电机等参数的匹配直接影响整车的动力性、经济性、排放性能以及车辆的成本。为改造XMQ 6103GF2城市公交客车, 解决以上问题, 本文提出一种参数优化匹配方法。

1驱动系统布置方案及控制策略

混合动力汽车根据其驱动系统的配置和组合方式的不同分为串联式、并联式、和混联式3种[1], 针对本文确定的研究对象, 三种布置方式各有其特点, 混联式开发难度大, 开发成本高, 一般不用在大型客车上, 并联式的燃油经济性高于串联式[2]。因此, 以燃油消耗和成本为前提下, 选择并联混合动力布置方式较为合适。

系统结构中的控制策略部分用来调节和控制功率流在不同元件间的流动, 是混合动力汽车开发的关键环节之一。在对整车主要部件及其参数进行选择、匹配时, 可以采用并联电辅助控制策略, 电辅助控制策略是并联混合动力驱动系统所普遍采用的一种控制策略。它实际上是一种固定的门限值控制, 所以又称逻辑门限值控制。其主要思想是:将发动机作为汽车的主驱动源, 电力驱动系统作为辅助驱动源, 电机对发动机的输出扭矩起到削峰填谷的作用, 同时将电池的荷电状态值 (SOC) 保证在一定范围内。

本文研究对象是以厦门金龙XMQ 6103GF2城市公交客车为原型进行改造设计。设计开发目标主要从目前我国城市公交车运行状况, 以及城市道路设计有关规定, 按照“863”计划对混合动力城市客车的技术性能指标要求上考虑[1]。具体目标如表1。设计中基本保留了原车型的主要技术参数, 见表2。

2参数优化匹配方法

本文的参数匹配方法分为初步设计、参数优化和性能校核三个阶段, 具体的设计流程如图1。其中初步设计以计算来确定发动机、电动机、电池组、传动系等参数[3]。动力系统参数优化利用以MAT-LAB作为计算引擎 (solutionengine) , 车辆加速性能和爬坡能力作为约束条件, 以动力系统部件功率最小化为目标, 优化变量主要包括发动机功率、电动机功率和主减速比。为验证动力系统参数匹配效果, 采用美国能源部开发的ADVISOR仿真软件, 采用电辅助控制策略对设计的混合动力公交车与原型公交车进行仿真比较分析。

3 动力系统参数匹配设计

3.1 动力系统参数初步匹配

混合动力汽车动力系统选型主要包括:发动机和电动机的最大功率;蓄电池型号及容量;主减速器速比及各档传动比等。

发动机功率的选择考虑到我国城市公交客车的平均行驶车速仅在20～30 km/h, 则发动机的功率值偏小。结合我国车辆和路况的实际情况, 确定V的取值要求为VavgVVmax。按照计算并加上相应的功率裕量和附件功率需求 (不包含空调) , 可选取最大功率为100 kW柴油发动机。

在并联混合动力汽车上, 电动机最大功率pmmax与发动机最大功率pemax之和应满足混合动力汽车行驶最大负荷的功率要求pvmax, 根据原车型行驶最大负荷的功率要求, 及已初步确定的发动机最大功率, 则可计算出电动机的最小峰值功率。根据混合动力汽车起动、加速对电动机的功率需要和保证其在某些特定区域零排放行驶的纯电动机驱动工况时整车的动力性能, 加上相应的功率裕量, 可选取最大功率为65 kW的交流感应电机。

电池参数可以根据现有市场上的产品, 并借鉴国内外同类汽车产品选择电池规格来确定电池的容量。电池的数量应该从功率需求和纯电动行驶里程两个方面来确定。选取美国电源公司的容量为85 Ah的铅酸电池, 电池个数为25。

传动系参数选择方法与传统车型基本一致。确定主减速器速比为8.0。在保证汽车动力性的基础上, 为了尽量提高汽车的燃油经济性, 混合动力汽车宜采用多档变速器。本文变速器选用5档手动变速器。根据已知条件计算得ig1≧5.163 1。结合5档变速器的产品系列, 并考虑在原有车型基础上充分利用已有资源, 仍选用JS5750 5档机械变速器, 取ig1=6.54, 各档间传动比为6.54、3.78、2.168、1.442、1.000。

3.2 动力系统参数优化

根据前文开发目标要求, 取车辆加速性能和爬坡性能约束条件为:060 km/h加速时间20 s;20 km/h爬坡度为≥10%;最大速度≥100 km/h。图2所示为该优化过程的迭代图。从图2可以看出计算过程从初始值开始离散的改变优化参数的取值, 并在每点计算当前约束, 判断是否满足迭代终止条件, 然后通过二次规划算法计算下次迭代的方向和步长, 直至其收敛于某一组数值。根据优化输出结果最终选取峰值功率为96 kW的FC_CI92柴油发动机和峰值功率为59 kW的MC_AC59交流感应电机。主减速比选定为7.63, 其它参数不变。

3.3 仿真分析

针对城市公交车选取CYC_NurembergR36工况比较符合我国目前大城市的实际使用情况的特点[4], 采用电辅助控制策略对设计的混合动力公交车与XMQ6103GF2公交车进行仿真比较分析。

图3～6给出了CYC_NurembergR36工况下的仿真结果曲线。仿真比较数据见表3和4。其中传统车型的仿真结果在这里只作参照作用, 我们的目的是设计并优化混合动力汽车动力系统各参数, 以对比结果来判断设计的参数是否匹配合理。

图3是CYC_NurebergR36工况图, 可以看出仿真车速与工况循环的要求车速的时间历程基本完全重合, 即所建立的仿真模型可以很好地跟踪工况循环车速的变化, 表明了仿真模型的正确性和有效性;

图4是蓄电池系统SOC值的动态变化过程, SOC初始值为0.7, 最小值为0.670 6, 波动范围 (△SOC) 是0.029 4, 可见变化不大, 对电池有利。SOC终值为0.674 1;

图5是发动机转速的仿真结果, 可以观察到在道路循环的停车期间, 发动机处于关闭状态, 以降低油耗与排放污染;

图6为电机输出的辅助驱动扭矩, 可以观察到在道路循环要求汽车加速时, 电机均提供辅助驱动;减速、停车时电机输出负扭矩, 回收制动能量。

注:表3、表4中:AXMQ6103GF2公交车;B混合动力公交车

从以上仿真数据可以看出, 所设计的混合动力公交车除了爬坡性能有所下降以外, 最高车速及加速性能均有一定提高。根据城市道路设计的有关规定[5]:在机动车行车道, 车速为20 km/h下的最大纵坡度的推荐值为8%, 限制值为9%。因此, 虽然爬坡性能相比传统车型有所下降, 但是对于经常在城市和良好公路上行驶的公交车是能够满足路况需求的。并且混合动力车节油率达20%以上。

3 结论

本文提出的混合动力汽车动力系统参数匹配方法在满足动力性开发目标的前提下, 以发动机和电动机功率最小化为目标优选最佳配置, 在一定程度上降低了成本;相比XMQ6103GF2车型, 在动力性能变化不大的情况下, 混合动力车燃油经济性有了较大改善, 验证了本文设计的参数优化匹配方法的有效性。

参考文献

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一种非联式混合动力系统 第8篇

混合动力电动汽车HEV的概念:采用了两种动力装置, 即燃油发动机和电动机两种动力装置, 通过计算机对两种动力装置的控制和配合使用, 达到低排放、低油耗和高性能。HEV融合了燃油汽车和电动汽车的优点, 是较具有市场价值的低排放和低油耗汽车。

混合动力电动汽车H E V的分类:HEV分为串联式混合动力、并联式混合动力、混联式混合动力、非联式 (代替式) 混合动力

1.串联式HEV的工作原理:车辆仅靠电动机驱动, 发动机作为辅助动力源为电动机提供电力, 优点是发动机没有直接的机械输出, 因此可以长期稳定地工作, 为电动机提供电力, 主要缺点是发电机和电动机功率较大, 所需的蓄电池容量大, 发动机输出的机械能需经过两次转换, 能量转换效率较低, 燃油利用率低, 因此只适合大型公交车上。

2.并联式HEV的工作原理:利用发动机和电机共同驱动车轮。它们可以分开工作也可以一起协调工作, 共同驱动, 所以可以在比较复杂的工况下使用, 应用范围比较广, 适合所有车型, 发动机效率高, 但并联式HEV的传动系统较为复杂, 工作模式较多, 控制系统复杂, 成本相对较高。

3.混联式HEV侧综合了串联, 并联的特点, 结构更为复杂。

4.非联式混合动力的工作原理:就是在现的带有刹车真空助力器的小型电喷车上安装一台小型直流电动机, 由该电动机带动一台微型真空泵, 由真空泵为刹车真空助力器提供动力。汽车启动、加速、上坡时使用发动机, 这与正常开车无异。当汽车有了速度后滑行, 下坡、减速、停车时单片机自动关闭发动机, 停止使用燃油。如果这时单片机检测到刹车真空助力器内的真空度不足时, 会立即指挥启动真空泵, 使真空度保持在正常范围内。这样可节省大量燃油, 同时明显减少排放。

一、非联式混合动力系统 (非联式HEV)

非联式H E V的组成:电动机、微型真空泵、蓄电池、真空传感器、电动机工作温度传感器、电动机电流传感器、脚踏开关、车速传感器、汽车ECU喷油信号接收单元、单片机控制单元、电池剩余电量 (电压) 检测单元、车内显示器。以下分别介绍各组成的功能:

1. 电动机:

可采用任何形式的直流电动机, 由于该电动机只为汽车刹车提供动力, 因而无需很大的功率, 大约50-100瓦就足够使用。这样电机体积很小, 而且用12伏电源驱动, 电流小, 效率高, 也无需使用逆变器, 这样大大降低成本, 在空间很小的紧凑型小车上也能安装。

2. 微型真空泵:

采用隔膜式真空泵, 具有密封性能好, 免维护, 无需机油, 噪声低, 流量大, 能在短时间内将真空压力恢复至正常范围;也可以用真空储能器代替。

3. 电池:

在所有的汽车上都有蓄电池, 由于非联式HEV的耗电量小, 加上在启动、加速、上坡、减速时汽车发电机的充电作用, 普通蓄电池在100AH以上时, 不会在电池使用寿命内有明显亏电。

4. 真空传感器:

用检测刹车真空助力器内的真空值, 并向单片机控制单元发出信号。真空传感器输出可以是一个连续变化的电压值, 也可以是一个真空开关, 向单片机发出通断信号。

5. 电动机温度传感器:

用于检测电动机工作时动态的或最高表面温度。并向单片机控制单元发出信号, 如果温度过高, 即时停止使用真空泵, 保护电机, 延长电机寿命。

6. 电动机电流传感器:

主要用于监测电动机在运行时电流是否正常。用以判断电机工作状态, 避免因电机损坏造成的安全问题。

7. 脚踏开关:

安装在油门踏板上, 用来给单片机控制单元提供一个汽车启动或关闭信号, 用来重新点燃或关闭发动机。

8. 车速传感器:

采用霍尔传感器, 可利用汽车自带的传感器, 也可以另行加装。主要用于监测车速, 并决定断油的时刻。同时可用于计算汽车油耗。。

9. 汽车ECU喷油信号接收单元:

主要用于检测汽车E C U发出的喷油脉冲信号, 并计算出瞬间油耗、平均油耗和累计油耗。同时可判断发动机是否正常工作。

1 0. 电池剩余电量 (电压) 检测单元:

虽然蓄电池在100AH以上不会明显亏电, 并不代表蓄电池可以永久使用。检测到剩余电量明显不足时应停止使用电动机。否则会带来安全问题, 也可能导致不能正常启动发动机。

1 1. 单片机控制单元、由一个功能较强大的单片机及周边的接口电路组成。

主要用于控制发动机、电动机的关闭、启动, 在保证安全的前提下节省燃油, 减少排放。

1 2. 车内显示器:

可采用多种显示方式, 如指针表式, 数字式, 液晶式等。主要显示汽车上没有的信息。如刹车真空助力器内的真空值, 蓄电池电压及剩余电量, 瞬间油耗、平均油耗和累计油耗, 电机表面温度, 电机和发动机工作状态, 以及是否损坏, 并提示及时修理。

非联式HEV系统是一种成本低廉的混合动力方式, 之所以取名为非联式混合动力, 是因为它区别于串联式和并联式混合动力, 没有大功率电机, 没有逆变器, 没有大容量电池, 它的工作方式是代替式, 即由电动真空泵代替发动机给刹车真空助力器提供动力。该系统结构简单, 体积小, 更适合现在已经生产出来的汽车上加装。立即为车主省油, 立即减少排放, 减轻环境污染。

二、非联式HEV系统的工作方式

驾驶员用钥匙启动发动机, 换挡并加速, 这个过程与正常开车无异。当汽车有了速度而无需再踩油门后, 油门踏板上的脚踏开关给单片机一个信号, 由单片机指挥燃油泵停止向发动机供油。同时发动机停止工作, 这时汽车进入省油状态, 而汽车靠惯性滑行。如果这时刹车真空助力器内的真空度下降, 被真空传感器发现, 并给单片机发出信号, 再由单片机指挥电动真空泵运行, 将刹车真空助力器内的真空度在短时间内迅速恢复到正常水平, 保证汽车安全行驶。这时汽车滑行速度会慢慢减下来, 驾驶员重新踩油门时, 油门踏起上的开关再次给单片机一个信号, 由单片机指挥发动机重新启动并使汽车加速。如此周而复始, 达到节油目的。在下坡或减速时, 可将离合器放入档内, 利用发动机带动发电机将部分能量转化为电能储存在电池中。同时单片机还可以检测电动真空泵是否在短时间内迅速将刹车真空助力器内的真空度恢复到正常水平, 如果不能恢复或者恢复较慢, 或真空泵损坏等, 单片机会立即指挥启动发动机, 保证汽车安全行驶。而这些状态在车内液晶显示屏上立即显示, 并告诉驾驶员真空泵的工作状态, 刹车助力器的刹车安全状态等, 同时显示故障原因, 提示驾驶员停止使用, 并尽快维修。

同时可方便地加装一个电脑防盗密码锁, 增加汽车防盗功能。另外利用车内液晶显示器, 增加电视接收, DVD播放功能, 同时还可接车后红外线摄像头, 显示车后情况, 为倒车提供方便。也可以联接电脑、GPS定位, 使该系统功能上得到极大延伸, 更加实用化。

三、实施例

按动非联式H E V系统主机上的密码键, 输入正确后, 主机内的启动继电器吸合, 车内指示灯亮, 表明可以启动发动机。这时有两种启动方式, 1手动启动发动机, 这与正常启动无异。2脚动启动发动机, 由脚轻踩油门, 油门开关闭合, 给单片机一个信号, 由单片机指挥发动机启动。发动机启动后给单片机一个信号, 并控制车内液晶显示器显示“正常行驶”。踩油门加速, 当加速一定速度, 而不需要再加速时, 松开油门踏板, 油门开关断开, 给单片机一个信号, 并由单片机指挥发动机自动熄火, 汽车进入省油状态。这时单片机主动检测来自真空传感器的真空信号, 如果真空压力正常, 单片机指挥显示器显示“安全行驶”, 如果真空压力略有下降, 单片机立即指挥真空泵运行, 迅速将真空压力恢复到正常值。这时车内显示器显示“安全运行”。如果这时真空泵坏了, 不能启动, 单片机能立即感知并报警, 而且指挥发动机立即重新启动, 保证行车安全。此时显示“主机损坏”。或真空泵不能在短时间内将真空压力恢复到正常值, 单片机也能感知并报警, 并指挥发动机立即重新启动, 此时显示“动力不足或系统漏气”。而此时由于滑行, 速度会慢慢下障, 需要再加速时, 驾驶员只需重新踩油门, 即可实现发动机重新启动并加速。当汽车下坡或需要减速时, 驾驶员将挡位换到较低位, 让单片机指挥发动机断油强制运转, 拉动汽车快速减速或不因为下坡速度越来越快, 这样可以回收部分动能, 并把它转化为电能, 还能减少刹车的使用。如此循环驾驶, 即可实现, 启动、加速、上坡三种工况用发动机工作。滑行, 下坡, 减速、停车四种工况不用油, 用少量的电保证刹车的安全性。这样大大节省油耗, 同时能保证行车安全。

四、讨论

非联式HEV具有以下特点:电动机功率小, 没有大功率电机, 没有逆变器, 没有大容量电池, 因而成本低, 可减少发动机工作时间, 减少发动机磨损, 减少发动机过热, 减少刹车使用频率, 汽车电器安全要求与普通车辆无异。既可以设计新车, 也可以在旧车上加装。

非联式HEV在现有的车上加装的话, 有以下问题:1, 关闭发动机, 置入空档后, 转向助力会没有了, 汽车低速时方向盘很重。解决方法:转弯时不要置入空档内, 放在档内, 另一个解决方法是修改控制系统软件, 使汽车在低于8公里/小时不熄火。还有一个解决方法是将液压助力改为电动助力, 成本增加2000元。2, 关闭发动机, 置入空档后, 冷空调会没有了, 解决方案是平时将空调置入最大档, 关闭发动机后, 还有一段时间的余冷出来。另一个解决方案是不要置入空档内, 放在档内, 特别是下坡和减速时一定要放在档内。还有一个解决方案:另外加装一台300-500瓦的直流压缩机, 并联到汽车空调系统的管道上, 由电池驱动空调运行, 但这样做必须加大电池容量, 必要时还要加大发电机发电量, 成本增加3000元。热空调基本不受影响。3, 发动机启动电机会经常启动, 对其寿命可能有影响。解决方案:更换一个更耐用的启动电机。

如果是重新设计一种新车而与该系统配套使用, 转向助力改为电动助力, 空调改由汽车轮轴带动, 就可以解决上述问题。并装上一个更耐用的启动电机。

该技术已申请国家专利, 并授权。研究过程中得到了重庆大学秦大同教授、重庆长安集团苏领博士、国家客车质量监督检验中心汽车排放研究室刘剑工程师的大力支持, 在此表示感谢。

混合动力系统 第9篇

1 传统汽车制动问题

传统汽车的制动是利用刹车片和刹车碟以及轮胎和地面摩擦, 把汽车的机械能转化为摩擦后的热能, 从而使得汽车速度由高到低直至零停止的过程 (见图1) 。这样的制动方式有以下几个问题[3]: (1) 制动过程中汽车的能量没有得到充分利用, 同时由于制动使得发动机处于怠速状态, 消耗浪费大量的燃料。 (2) 燃料未经充分燃烧会产生大量的有毒气体, 造成环境污染, 同时会造成噪声污染。 (3) 由于摩擦作用, 摩擦块会逐渐被磨损, 缩短制动器的寿命, 同时会造成行驶过程中的安全问题, 需要我们定时检查和维护制动系统。

2 再生制动的原理及其应用[4]

2.1 再生制动的原理

再生制动 (Regenerative Braking) 也称为反馈制动, 是一种将车辆制动时的机械能转化、存储再利用, 并非全部变成无用的热能耗散掉的制动技术, 见图2。和传统摩擦制动相比, 节能效果明显。

2.2 再生制动的应用

目前, 再生制动主要应用于电气化铁路列车、纯电动汽车和混合动力汽车。目前, 使用再生制动的车辆仍然会有传统的摩擦制动系统, 用来提供快速、强劲的制动力。再生制动系统通常可回收利用约30%的制动动能, 其余动能仍变为热能耗散掉[5]。

2.2.1 在电气化铁路列车上应用

制动时把负载的动能转换成电能并返回电源, 电动机制动作用, 同时电动机转变为发电机。具体制动过程为:制动工况下将机车上的牵引电动机切换成发电机, 将机车运行的动能转换成电能, 再将电能反馈到牵引接触网供其它机车重新利用, 而在本机车上获得制动力。目前使用的方法有能量消耗制动法、并联直流母线吸引法和能量回馈制动法3种[6]。

2.2.2 在纯电动汽车上应用

在电动车上的应用, 基本原理是:先将汽车制动或减速时的一部分动能经再生系统转换为电能并储存于蓄电池中, 同时产生一定的负荷阻力使汽车减速制动;当汽车再次启动或加速时, 再生系统又将储存在储能器中的能量转换为汽车行驶所需的驱动能。

2.2.3 在混合动力汽车上应用

在混合动力汽车上应的应用, 其基本原理同在电动车上应用相似, 混合动力汽车回收的制动能量经再生系统将能量转为机械能、液压能、化学能或电能储存在对应的飞轮装置、液压装置、电化学储能装置、蓄电池储能装置、超级电容器储能装置中。

3 常用制动能量回收方法比较[7]

目前再生制动能量回收的方法主要有3种: (1) 机械蓄能法, (2) 液压蓄能法, (3) 蓄电池蓄能法。3种蓄能方法的比较如表1所示。

3.1 机械蓄能法

由图3可知, 机械蓄能法主要是利用飞轮的特性进行蓄能。汽车在制动前的动能相当大, 制动过程中, 将汽车的动能转化为飞轮的高速旋转动能, 从而将能量存储起来。在汽车重新启动或者加速行驶时, 飞轮降低自身旋转速度, 将自身的旋转动能释放给汽车。

3.2 液压蓄能法

由图4可知, 液压蓄能法利用液压蓄能器作为储能元件, 能够回收汽车制动过程中的能量, 并在汽车启动或加速过程中释放能力。汽车中可逆的液压泵/马达为能量转换元件, 能够实现蓄能器中的液压能同汽车的动能间的相互转化。即在汽车制动时, 汽车的动能将泵旋转, 将高压油压入蓄能器中, 这个过程使得汽车的动能转化为了液压能;在汽车启动或者加速时, 高压油输出带动马达工作, 使得高压油的能量转化为汽车的动能。

3.3 蓄电池蓄能

现在的混合动力汽车和电动汽车广泛使用的这种的蓄能方法。该方法将汽车的动能转化为电能进行存储。见图5。利用具有可逆作用的, 实现蓄电池中电能和汽车动能之间的相互转化。在汽车制动时, 发电机/电动机按照发电机的形式工作, 汽车的动能带动发动机将汽车动能转化为蓄电池电能储存。在汽车启动或加速时, 发电机/电动机按照电动机的形式工作, 将蓄电池中的电能转化为汽车的动能。目前, 超级电容器也被应用于一些混合动力汽车中, 将普通蓄电池与超级电容器组合, 实现超级电容器高功率密度和电池高能量密度的优势互补, 实现复合电源系统对外充放电过程中, 超级电容器与电池的功率按电池“最佳”工作状态进行分配, 可以延长电池寿命、降低电池容量、降低电源系统成本。制动动能转化为电能, 在发电机装置有能量耗损, 其能量转化率最高为30%[8]。

4 混合动力汽车的制动能量回收系统[9,10]

4.1 Toyota-Prius车制动能量回收系统

Toyota Prius是丰田汽车公司的一款混合动力轿车。其制动系统由能量回收制动和液压制动两部分组成。系统采用能量回收制动和液压制动二者协调控制, 其原理为在不同路况和工况条件下, 考虑到汽车的稳定性和安全性, 同时考虑蓄电池再生制动能力, 通过整车电子控制单元 (THS-ECU) 使车轮制动扭矩与电动机能量回收制动扭矩间达到优化协调控制。其中能量回收制动由THS-ECU控制, 液压制动由制动控制器 (Brake-ECU) 控制。制动能量回收系统由液压制动器、电动机、逆变器、电控单元组成。其中, 液压制动器包括液压传感器和液压阀;电动机在汽车减速和制动的时候起发电机作;电控单元包括动力蓄电池电控单元, 电机电控单元以及能量回收电控单元。

4.2 Eco-Vehicle车制动能量回收系统

在Eco-Vehicle制动系统中, 压力控制阀单元 (PCVU:Pressure Control Valve Unit) 用于减小液压制动力矩的比例。PCVU中有补偿制动液的耗损的机械装置。在压力出现波动时减小踏板的震动。主缸压力信号直接发送给Eco-Vehicle制动控制器接收, 根据得到的信息, 制动控制器计算将多大能量回收制动力作用汽车上, 并将结果以电信号发送给车辆控制器, 同时车辆控制器将实际参与能量回收制动, 并将结果反馈到制动器。

4.3 Honda insight车制动能量回收系统

2010款Insight混合动力车上使用的是本田第四代IMA (Integrated Motor Assist) 动力系统。其制动能量回收系统采用执行器和电控单元组成一体化模块模式, 包含IMA系统电机控制模块、动力蓄电池监控模块和电机驱动模块。IMA电动在制动、缓慢减速时、通过混合动力整车电控单元发出相应指令使电动机转为发电机再生发电工况, 通过制动能量回收控制系统以电能形式向动力蓄电池充电。其工作过程为:当驾驶员踩下制动踏时, 制动踏板传感器使IMA电控单元激活制动总泵伺服装置、通过动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等发出相应指令, 使得液压机械制动和电机能量回收之间制动力协调均衡以实现能量的回收。

5 再生制动的关键技术问题以及研究展望[4]

5.1 再生制动的关键技术问题

再生制动系统从无到有, 在汽车节能方面是一个重大的突破和进展, 也反映出人类可持续发展观念的增强, 同时通过研究可以发现再生制动系统发展仍要克服以下3个关键技术问题: (1) 制动过程是一个十分短暂的过程, 所以对制动力实现准确控制比较困难, 如何准确、快速、稳定的控制制动力是需要进一步的研究和攻克, 需要更优的制动系统, 更合理的制动策略, 更灵敏的制动响应与反馈; (2) 制动稳定性不仅跟制动系统有关, 它作为汽车的一部分, 需要同汽车其他各电控单元彼此兼容, 特别是与ABS系统、传统制动系统、汽车减振系统以及电机控制系统; (3) 再生制动系统的最大魅力之处在于其能够实现能量回收, 回收部分传统制动系统耗散的能量。如何提高能量的回收效率, 以及采用何种方法、何种装置能高效率的回收制动能量都是需要深入研究和考虑的。同时, 还需考虑到其与整个汽车系统的兼容性和一致性。

5.2 研究展望

(1) 再生制动系统将在越来越多的汽车中出现, 这是一个大趋势。对于前装市场汽车, 再生制动系统能够很好的嵌入在整个汽车系统中。但对于目前已出厂未装配再生制动系统的汽车而言, 如何将后装再生制动系统完美的嵌入到汽车系统中是一个需要研究的问题。

(2) 汽车中采用摩擦制动系统来制动汽车, 摩擦制动是利用摩擦力来实现汽车制动, 这个过程中能量耗散比较巨大, 从制动新技术的角度出发, 考虑增加一套电磁制动系统, 通过电磁制动系统和摩擦制动系统二者协同配合, 从而更好的利用电磁场原理来革新再生制动技术[11]。

参考文献

[1]张春龙, 邵丽华, 戴未然.光伏与市电联合供电系统的能量管理控制[J].南通大学学报自然科学版, 2012, 11 (3) :5-10.

[2]王卡, 万里翔, 尹怀仙.汽车制动能量回收系统的节能分析[J].汽车节能, 2008, 02:32-35.

[3]万里翔.汽车制动能量回收系统的研究[D].成都:西南交通大学.2008.

[4]张子英, 张保成.车辆制动能量回收再利用技术研究[J].节能技术, 2010, 3 (28) :213-217.

[5]王保华, 张建武, 罗永革.并联混合动力客车再生制动仿真研究[J].汽车工程, 2005, 27 (6) :648-651.

[6]王志轩.电力行业节能减排现状问题及对策[J].华电技术, 2008, (5) :1-5.

[7]许强, 张云宁, 郭建民, 等.汽车制动能量回收方案及比较[J].交通科技与经济, 2008, 10 (3) :59-60.

[8]Gao Yimin, Ehsanl Mehrdad.Electronic braking system of EV and HEV-integration of regenerative braking, automatic braking force control and ABS[R].SAE Paper 2001-01-2478, 2001.

[9]杨妙梁.混合动力车与电动汽车制动能量回收控制 (一) 混合动力车制动能量回收系统[J].汽车与配件, 2010, 48 (5) :34-35.

[10]彭栋.混合动力汽车制动能量回收与ABS集成控制研究[D].上海:上海交通大学, 2007.

混合动力系统 第10篇

目前,混合动力汽车的主要结构形式分为串联式、并联式和混联式。混联式又称为功率分流式(power split),采用行星齿轮排机构,实现发动机转矩与转速同车轮转矩与转速的解耦[1],因此可使发动机工作在经济区间内。

根据功率分流的方式及行星排的数量,功率分流式混合动 力汽车可 分为输入 分流式 (input split)、输出分流 式 (output split)和复合分 流式 (compound split)[2]。其中,输入分流 是通过行 星排将发动机输出功率在混动系统的输入端进行一次分流;输出分流是通过行星排将发动机剩余功率和驱动电机功率在混动系统的输出端进行一次汇流;复合分流则是通过行星排将发动机输出功率进行分流,同时又利用行星排在输出端对来自不同路径的功率进行汇流。

相比输入分流与输出分流式系统,复合分流式系统通常是由两组行星齿轮排组成的四轴结构。由于两个电机均不与发动机和输出轴直接相连,故两电机转速均可为零,即电功率分流比例为零,系统可以得到两个机械点[3],其高效率区间得到扩展。复合分流式系统在双模混合动力汽车中已得到广泛应用,如通用汽车公司2001年推出的AHS混合动力系统就是一种利用多行星排[4],既能实现输入功率分流又能实现复合功率分流的双模传动方案。

AHS系统需要多个离合器以控制模式切换, 机械结构极其复杂,成本较高。因此本文提出一种基于拉维娜式行星齿轮机构的单模复合功率分流装置。通过机械点的特性分析对方案结构进行筛选,并对可行方案进行行星排特征参数优化,分析了系统的工作模式和控制策略,最后利用离线仿真对该方案的有效性进行验证。

1单模复合分流式系统设计

该单模复合分流装置[5]采用共用行星架和齿圈的双行星排结构,如图1所示。图1中,S1为前排轮系小太阳轮;P1为前排轮系 短 (粗)行星轮;P2为后排轮系长(细)行星轮;S2为后排轮系大太阳轮;C1为前后排轮系共用行星架;R1为前后排轮系共用齿圈。

1.1机械点与系统效率

采用杠杆法[6]对图1所示的结构进行等效, 可得一个四轴式传动方案。图2为一种布置方案的杠杆结构图,图中,OUT表示输出轴,ENG表示发动机。设i1为前排行 星齿轮传 动比,i1=-ZR1/ZS1;i2为后排行 星齿轮传 动比,i2= ZR1/ZS2;ZR1、ZS1和ZS2分别为齿圈齿数和太阳轮S1、S2的齿数;同时设α为电机MG1到输出轴的杠杆长度与发动机到输出轴的杠杆长度之商;β 为电机MG2到输出轴的杠杆长度与发动机到输出轴的杠杆长度之商。

根据行星齿轮机构各部件运动规律可得如下两个转速平衡方程:

式中,ωMG1、ωMG2、ωENG、ωO分别为电机1、电机2、发动机和输出轴的角速度。

忽略各运动部件的角加速度,则由图2所示的杠杆模型可得到两个转矩平衡方程:

式中,TENG、TMG1、TMG2、TO分别为发电机、电机1、电机2、输出轴的转矩。

同时假设蓄电池净功率为零,则得到电功率平衡方程:

式中,ηMG1、ηMG2分别为电机1和电机2的效率。

由于电机在发电和电动工况下存 在能量损 失,故复合分流系统的传动效率为

式中,POUT、PENG分别为输出轴和发动机的输出功率。

设,同时将式(1)~式(5)代入式(6)得

设两电机效率均为85%,则系统的传动效率随传动比i的变化曲线如图3所示。当系统效率达到最高值时,变速箱内部无电功率流动,输出功率全部由发动机直接提供,此时的传动比i称为系统的机械点(mechanical points)[7]。显然当电机1或电机2的转速为零时系统中的电功率为 零,此时对应的传动比为系统的机械点,由此可计算复合分流系统的机械点传动比。

电机1转速为零时:

电机2转速为零时:

1.2系统方案筛选

由图3可知,该单模复合分流系统为四轴传动方案,而每轴均可与发动机、电机MG1、电机MG2、输出轴等4个部件中的一个相连,因此该四轴系统共有4! =24种布置方式。

定义传动比i>1为减速挡,0<i<1为超速挡,则根据机械点的数量和位置可将这24种布置方式分为图4所示的五大类:12个机械点均未落在i>0的区间内;2只有1个机械点落在i> 0的区间内;32个机械点均位于超速挡;42个机械点均位于减速挡;5一个机械点位于超速挡, 另一个位于减速挡。

由于机械点位置处传动效率最高,多个机械点可扩大系统的高效区间,故应从具有2个机械点的3、4、5类中选择布置方案。 同时为了使该结构在城市工况与高速工况下均具有较高传动效率,应将2个机械点分别设置在减速挡和超速挡区间内,使高效区间尽可能覆盖到常用车速区间,所以选择第5类布置方式作为结构方案。

对于一个机械点在超速挡、一个在减速挡的方案,可有两种布置结构,其杠杆图见图5。

设i1=-1.5,i2=3,Φ=PMG1/PENG;Φ 为电机MG1与输入端 电功率分 流比;PMG1为电机MG1功率。Φ >0时电机MG1处于电动工况; Φ <0电机时MG1处于发电工况。则在两行星排特征参数相同的情况下,方案a与方案b的传动效率曲线较为接近,如图6所示。 由图7所示的电功率分流比特性可知,对于方案a,传动比位于两机械点之间的高效区内时电机MG1处于电动工况,而在其他区域内则为发电工况;方案b中,电机MG1的工作状态正好与方案a相反。由此可知方案a中的电机MG1应布置为电动机,方案b中的电机MG1则应布置为发电机。因此, 只要合理选择电机MG1的类型,方案a和方案b均可用于单模复合功率分流系统。

1.3行星排特征参数的确定

选取图5b所示的结构方案对前后排传动比i1、i2进行进一步的优化。

混合动力变速器应具有以下特点[8]:

(1)同一输出轴转速下(同一车速时)发电机应具有较宽的可调速范围,为发动机的工作状态提供较大的自由度,便于稳定工况时发动机的油耗和排放性能的优化。

(2)在同一发动机转速下,发电机应具有较宽的可调速范围。在一定的发动机转速下,发电机转速调节范围较宽,则短时间车速变化时,控制系统可以首先调节电机的功率满足动力系统需求, 保证发动机工作状态稳定,从而降低发动机工作的不稳定性。

(3)常用车速下,内燃机的优化工作范围应该处于内燃机可调节的经济转速范围之内。

对于本结构的前后行星排,其前排太阳轮转速ωS1、齿圈转速ωR1、行星架转速ωC1、后排太阳轮转速ωS2满足下列关系:

因此前行星排中的输出轴转速、发动机转速和电机MG1转速可分别作为空间的x、y、z轴, 由此确定一立方体;同理,由后行星排中的输出轴转速、发动机转速和电机MG2转速亦可确定一立方体,如图8所示。图中截面A即为该机构实际可达到的工作范围。 由式(8)、式(9)可知,截面A的形状分别由i1和i2确定。

在图8中可由a、c、h三点确定平面B,其在3个坐标平面内均具有较大的投影面积,满足前文所述混合动力变速器的要求,因此截面A的理想形状应为与截面B平行或接近平行,即两平面的法向量间的夹角θ 应最小:

式中,(a1,a2,a3)为截面A的转速平面特征法向量;(b1, b2,b3)为截面B的转速平面特征法向量。

对于前行星排:

对于后行星排:

式中,nomax为输出轴正常工作的最高转速;nemax为发动机允许的最高转速;nMG1max和nMG2max分别为发电机和电动机的最高工作转速。

给定nomax=6300r/min,nemax=5500r/min,nMG1max=10 500r/min,nMG2max=8500r/min,则i1、i2与θ 的关系如图9、图10所示,因此可得在i1=2.6时,θ有最小值0.1204rad;由图10可知, θ 随i2的增大而单调递减,规定传动比1.5≤i≤ 3[9],则当i2=3时θ 有最小值。

由于该系统采用双行星排的拉维娜结构,如图1所示,因此i1和i2的取值直接决定后排行星轮P2的位置与大小。为保证P2不与齿圈和相邻前排行星轮P1′发生干涉,同时又要满足齿轮的啮合要求,i1和i2需满足一定的限制条件。

设前后太阳轮的中心点均为坐标原点(0,0),前排行星轮P1的中心点为(x1,0),后排行星轮P2的中心点为(x,y),如图11所示,则根据啮合关系可得

式中,R为齿圈分度圆半径。

为满足P2不与齿圈发生干涉,可推出

为满足P2不与行星轮P1′发生干涉,可推出

外啮合斜齿轮齿数比范围为1~15,可推出

将i1=2.6和i2=3代入式(10)~ 式(14)进行验证,计算结果均满足约束方程,因此i1和i2的取值符合结构要求,可选为本系统行星排的前后传动比。

2工作模式及控制策略

2.1纯电动模式

当蓄电池SOC值VSOC大于系统设定的最低值VSOC1,且驾驶员油门踏板信号对应的转矩需求值小于电动机对应转速下所能提供的最大转矩时,汽车进入纯电动行驶模式。此时电动机MG2提供驱动转矩TMG2,发电机MG1提供平衡转矩TMG1,发动机ENG提供静态阻力转矩或倒拖阻力转矩T′ENG,三者的合力矩克服整车阻力转矩Tf并驱动车辆前行,其等效杠杆图见图12。

2.2发动机启动模式

当蓄电池SOC值小于系统设定的最低值,或驾驶员油门踏板信号对应的转矩需求值大于电动机对应转速下所能提供的最大转矩时,电机拖动发动机达到启动转速,发动机开始喷油工作。

启动模式时,电动机MG2提供驱动 转矩TMG2,发电机MG1提供驱动 转矩TMG1,发动机ENG提供倒拖阻力矩TE′NG。启动过程中,三者的合力矩应始终能够克服整车阻力矩Tf并驱动车辆前行,其等效杠杆图见图13。可见,除发动机目标转速不同外,启动模式控制策略与纯电动模式控制策略一致。

2.3混合驱动模式

发动机启动后,根据蓄电池VSOC和附件消耗功率确定整车目标充电率;根据油门踏板信号确定需求功率,通过发电机MG1控制发动机转速, 电动机MG2完成输出轴转矩补偿,使得发动机工作在燃油经济性最优区间内。

混合驱动模式可分为低速急加速和高速巡航两种工况。低速急加速时,两电机均作为电动机向输出轴 提供驱动 力T′MG1、T′MG2,结合发动 机ENG提供的驱动转矩T′ENG,三者共同克服整车阻力矩从而驱动车辆加速行驶。高速巡航时,发电机MG1、电动机MG2分别提供 发电转矩TMG1、电驱动转矩TMG2,使发动机工作在高效区间同时维持蓄电池VSOC基本不变。其杠杆等效图见图14。

2.4制动模式

驾驶员踩下制动踏板后,发动机迅速断油熄火,电机提供制动转矩,将汽车动能转换为电能储存到蓄电池中。但受到两电机转速及电池充电功率的限制,发动机MG1在高速制动时须提供平衡转矩对发动机的拖转工作点进行调整。而当制动需求超出混合动力系统所能提供的制动能力, 或电池SOC值超过所允许的上限值时,摩擦制动系统将进行辅助制动,保证行车安全,其杠杆等效图见图15。

3离线仿真

确定行星排结构、前后行星排传动比及系统工作模式后,使用MATLAB对该混动系统进行NEDC工况下的油耗仿真。样车整车参数及各主要动力部件参数如表1、表2所示。蓄电池SOC值起始值为0.6,燃油经济 性仿真结 果如图16所示。

由图16可知,在NEDC循环工况 前570s内,发动机不启动,车辆完全由电动机驱动,直至蓄电池SOC值接近0.4时,发动机启动,整车进入混合驱动模式。仿真结束时蓄电池SOC值为0.67,整车百公里油耗S为5.1L。考虑蓄电池增加电量,对燃料消耗量进行修正,最终等效燃油消耗量为4.68L/100km,相比原型车仿真油耗下降33%。

4结论

(1)对功率分流系统机械点特性进行了分析, 为使所提出的单模复合功率分流系统高效区间落在常用车速区间内,从使用拉维娜式行星齿轮结构的理论方案中筛选得出2种可行的结构布置方案。

(2)对前后行星排特征参数进行了优化,不仅从数学角度计算得出最优参数,而且从结构上推导得出该参数的限制条件。

(3)对系统工作模式进行了划分,包括纯电动模式、发动机启动模式、混合驱动模式和制动模式。利用杠杆法对各种工作模式的原理进行了分析。

混合动力系统 第11篇

大功率锂电池系统面临挑战

锂离子电池的性能取决于电池温度和老化程度、电池充电和放电速率、以及充电状态 (SOC)。这些因素不是相互独立的。因此，锂离子电池充电状态一般限制在 20% ～ 90% 的范围，从而能够有效地提供一个达规定容量 70% 的可用容量。

为了从一个电气系统提供大量功率，诸如需要加速一辆汽车就需要高达数百伏的电压。如：在 1V 时提供 1kW 功率需要 1000A 电流，在 100V 时提供 1kW 功率仅需要 10A 电流。系统布线和互连线中的固有电阻将转化为 IR 损耗，因此，设计师采用了可实现的最高电压/最低电流。就一个基于电池的系统而言，典型锂离子电池的满充电电压为 4.2V，很多节电池必须串联连接成一长串才能提供足够高的电压而任一节电池的故障都会使整个电池组失效，而且电池组中每增加一节电池都会进一步提高这种风险。

同时克服高压电池组的挑战和锂离子电池的细微差别是一个非常复杂的问题。锂离子电池组不能像单个电源那样充电和放电。就那些容量稍微低于其它电池容量的电池而言，经过多个充电和放电周期后，其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果每节电池的充电状态不是周期性均等或平衡的，那么某些电池最终将进入深度放电状态，从而导致损坏，并最终形成电池组故障。

因此一个电池控制系统必须仔细监视和控制每节电池的状态。这个问题可以划分成两个独立的任务：控制任务和数据采集任务。控制任务涉及为系统中每节电池充电和放电而设计的算法和方法。这在很大程度上取决于应用，并常常涉及受到高度保护的知识产权。

数据采集任务涉及电池组接口。这种接口必须快速和准确地沿着高压电池组测量每一节电池的电压。这需要具备从一个 0V 至高于 1000V (当提升电池组电压) 的共模电压中抽取一个小幅差分电压的能力。这是一个很大的难题，需要结合一些高性能模拟器件。

具备高集成度的LTC6802电池监控芯片面试

近日凌力尔特公司开发了可克服现有挑战的IC——多节电池监控 IC LTC6802，能测量多达12 个单独的电池。该器件的专有设计使得能够把多个LTC6802 串联起来 (无需使用光耦合器或光隔离器)，以实现长串串接电池中每节电池的精准电压监视。长电池串能够实现高功率和可再充电应用，例如：电动汽车、混合动力汽车、单脚滑行车、摩托车、高尔夫球车、轮椅、小船、叉式升降机、机器人、便携式医疗设备和不间断电源 (UPS) 系统。

LTC6208 能够对每节电池的电压进行快速而准确的测量 (即使在电池组电压超过 1000V 的情况下也不例外)，最大总测量误差在-40℃～85℃的温度范围内保证小于 0.25%，而且电池组中每节电池的电压测量都可以在 13ms 之内完成。对每节电池均进行了欠压和过压条件监视，并提供了一个相关联的 MOSFET 开关，用于对过充电电池进行放电。每个 LTC6802 通过一个 1MHz 串行接口进行通信，并包括温度传感器输入、GPIO 线和一个精准的电压基准。

LTC6802 专为解决汽车和工业应用所面临的环境和可靠性难题而设计。其技术规格针对 -40℃～ 85℃的工作温度范围进行了全面拟订，并提供了诊断和故障检测功能。LTC6802 是一款采用小外形 8mm x 12mm 表面贴装型封装的器件。

混合动力系统 第12篇

能源和环境问题已日益成为国际社会关注的焦点。电动汽车作为一种新型交通工具,在缓解能源危机、促进环境与人类和谐发展等方面具有不可比拟的优势,是推进交通发展模式转变的有效载体。发展混合动力电动汽车是目前最现实可行的技术方案。混联式混合动力电动汽车能够使动力系统部件间有更多的组合,从而在结构上保证了在复杂的工况下使系统工作在最优状态,因此更容易实现排放和油耗目标。国外对混联式混合动力汽车的研究早就开展,已成功推出了多种混联式混合动力车型;国内的混联式混合动力车型相对较少,在动力系统匹配方案和控制策略方面的工程应用尤其不多[1,2,3,4,5,6]。笔者围绕混联式混合动力城市客车动力系统匹配优化以及整车控制策略等问题展开分析,开发出样车并投入运行。

1 混联式混合动力城市客车动力系统的匹配[3]

混合动力汽车的动力传动系参数包括发动机功率、发电机功率、电动机功率、电池组容量、变速器挡位和速比、主减速器速比等,它们之间的合理匹配和组合对整车的动力性、燃油经济性和排放性能有显著的影响。

1.1 发动机发电机组功率

根据有关的统计数据或者混合动力汽车(hybrid electric vehicle,HEV)所预期达到的最高车速,初步选择发动机的功率。再根据HEV在起步、爬坡和加速时发动机的功率与电动机的功率所占的比例,即它们的匹配关系来选择发动机。传统汽车发动机的最大功率是按照满足最高车速要求来选择的,后备功率大,加速爬坡能力好,而混合动力汽车发动机作为驱动系统的主要动力源,发动机发电机组提供平均行驶功率。在加速、爬坡、高速等大负荷工况下,动力电池输出电能并通过电动机辅助驱动车辆,因而发动机发电机组功率选择的依据是平均行驶阻力功率Pav。平均行驶功率Pav是由车辆整车参数和行驶工况来决定的,即有

式中,Pi为第i个功率区间的功率;ti为第i个功率区间的行驶时间;T为总的行驶时间;fi为第i个功率区间的使用频率;n为功率区间的个数。

根据下式确定发电机功率Pg:

式中,ηl为传动系效率;ηm为电动机效率;ηc为功率变换器效率。

发电机是由发动机带动发电的,发动机功率根据发电机功率来确定:

式中,Pe为发动机功率;ηg为发电机效率。

1.2 电动机参数

在HEV上使用的电动机都要具备良好的转矩-转速特性,根据车辆行驶工况,发动机发电机组和驱动电动机,无论是起主要作用还是起辅助作用,都能够使发动机保持平稳的运转,都能在HEV启动、加速和爬坡时提供辅助动力,使发动机避开怠速和低效率的工况。混联HEV的电动机是直接驱动的主要动力,要满足起步、额定车速、加速、爬坡、最高车速等工况的要求。电动机的设计参数包括额定功率、额定转速和最大转速等。

电动机的最大功率一般用最高车速来确定,即

式中,Pm,max为电动机最大功率,kW;vmax为最高车速,km/h;CD为空气阻力系数;A为迎风面积,m2;f为滚动阻力系数;m为整车质量,kg;g为重力加速度,m/s2。

若设计的车辆对加速性要求很高,或运行区域有很大坡度,可计算加速、爬坡等特殊工况下的需求功率,电动机最小功率必须不小于所有工况功率需求中的最大值。

电动机额定功率的选取要考虑到车辆的实际行驶状况,使车辆的经常行驶功率与电动机的经济区对应,即在车辆经常使用工况下,电动机能以经济的负载率运行。通常,电动机额定功率可依据巡航车速来选取,巡航车速一般为(0.6~0.8)vmax。

电动机最高转速和额定转速的比值称为扩大恒功率区系数β。最高转速一定时,β越大,恒功率区越宽。电动机的最高转速对电动机的额定转矩和传动系尺寸都有影响。在额定功率一定的前提下,β越大,最高转速越小时,对应的电动机的额定转矩越大。额定转矩越大,一方面对电动机的机体支撑有较高要求,另一方面由于电动机驱动电流增大,就会相应增大功率变换器的尺寸和损耗。但β大是车辆起步加速和稳定运行所必需的,所以电动机额定转矩的减小,只能通过选用高速电动机来解决。但这样相应又会增加传动系尺寸,因此必须协调考虑最高车速和传动系尺寸的关系。

一般选择中高速电动机(最高转速在8000~15 000r/min之间),β取4~6,相应电动机额定转速为

式中,nm,r为电动机额定转速;nm,max为电动机最高转速。

1.3 发动机与电动机的动力匹配

在开发和研制HEV时,若选用的车型、发电机、电动/发电机、驱动电动机、控制策略和控制系统等不同,则HEV的发动机与电动机的匹配关系也完全不相同。一般原则是:在HEV上配置的发动机的功率略小于同级别的内燃机汽车的发动机的功率,而驱动电动机功率要小于HEV上配置的发动机的功率。

1.4 传动比的选定

最小传动比应按满足最高车速要求选取:

式中,imin为最小传动比;r为轮胎滚动半径,m;nmax为发动机最高转速,r/min。

为保证高挡时拥有足够的动力性能,最小传动比还应满足:

式中,G为汽车重力,N;D0max为整车在最高挡位时动力因素的最大值;va为对应电动机额定转矩下的车速,km/h;TN为电动机额定转矩,Nm;ηT为传动系统效率。

若电动机最大转矩满足不了最大爬坡的要求,则最大传动比应满足:

式中,Tmax为电动机最大转矩,Nm;θmax为最大爬坡角。

1.5 动力电池及其管理系统

HEV动力电池的荷电状态(state of charge,SOC)工作区间较窄,对循环寿命的要求要远高于EV电池。锂离子电池具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点,和传统电池相比重量更轻,可以制成各种形状,安全性更好,因此样车选用锂离子电池[7]。

电池要配备电池管理系统才能工作,电池管理系统的功能主要包括:准确地计算电池SOC,SOC直接决定整车续驶里程,对整车控制策略有直接关联;对电池单体/模块的电压和温度进行监控;能够确定电池的当前工作极限并及时向整车电子控制单元(electric control unit,ECU)发送信息;能够对电池组进行热管理,包括需要时加热或冷却电池组;能够监控并校正电池组内单体或模块电池的库仑不均匀。

蓄电池数量应与发动机功率合理匹配,串联HEV中的蓄电池在车辆加速、爬坡、高速等大负荷工况下,若发动机所能供给的最大功率仍满足不了行驶要求,则需辅助驱动。

蓄电池需要提供的最大功率为

式中,Pmax为电动机提供给车辆的最大行驶功率。

再根据所选蓄电池的比功率就可确定所需蓄电池的数量。

1.6 多能源动力系统的控制与管理

混合动力汽车能量管理系统的主要功能是监测车辆能量状态,控制能量的流动,优化能量利用率,从而提高车辆的动力性、经济性和安全性。HEV的低能耗、低排放是建立在对整车能量的优化管理和对动力系统的精确控制的基础上的。实现整车能量管理与动力系统控制的算法称为控制策略。控制策略根据驾驶员的操作,判断驾驶意图,在满足驾驶需求(动力性、驾驶平稳性)的前提下,最优地分配电动机、发电机、发动机、电池等动力部件的输出,指挥各系统协同工作,实现能量的最优管理和效率与排放的最佳平衡。

图1为混合动力汽车的能量转换示意图。能量管理策略的目标,就是使燃料能量转换效率尽可能高。

2 混联式混合动力城市客车的匹配分析[8]

2.1 混合动力城市客车的开发目标

混合动力城市客车的开发目标为:最高速度大于等于80km/h;0~50km/h的加速时间短于20s;最大爬坡度大于等于20%;发动机油耗比传统车小25%;续驶里程大于等于450 km;排放比传统车降低30%。

2.2 动力总成布置方案

动力总成布置方案如图2所示。其中,发动机飞轮与ISG辅助电动机通过法兰刚性连接;ISG辅助电动机与主驱动电动机通过离合器连接,两电动机的连接部分带有离合器的操控系统(通过气缸动作控制离合器拨离与闭合);ISG辅助电动机既能提供辅助动力,又能将发动机输出轴的动能转化为动力电池的化学能;发动机自带的发电机可以为蓄电池充电,满足整车24V的低压需求。

2.3 动力系统选型

动力系统选型参数如下:发动机参数值为136kW(2500r/min转速下);主电动机额定功率为63kW;辅助电动机额定功率为50kW;动力蓄电池为电池容量为100Ah锂离子动力电池;主减速比为6.833。

2.4 动力性能指标分析计算

电动汽车的动力性能指标包括最高车速、最大爬坡度、续驶里程、0~50km/h加速时间等。

2.4.1 最高车速的计算

根据汽车的行驶方程式可知

其中,Ft为汽车驱动力;Ff为汽车的滚动阻力;Fi为汽车的坡度阻力;Fw为汽车的空气阻力,N;Fj为汽车的加速阻力;Ttq为发动机(电动机)转矩,Nm;f为轮胎的滚动阻力系数,一般在良好沥青或混泥土路面上,滚动阻力系数在0.010~0.018之间,计算取0.016;CD=0.7;A=7.0m2;ua为汽车速度,km/h;n为发动机转速,r/min;i0为主减速器传动比。

计算最高车速时,坡度阻力和加速阻力为零,根据式(10)~式(14)可以计算出电动车不同车速下的Ft和Ff+Fw。

当发动机处于怠速状态,其转速在600~800r/min时,若由发动机单独驱动HEV,则发动机转速与HEV速度的关系如下:600r/min时,17.4km/h;700r/min时,20.4km/h;800r/min时,23.3km/h。故可认为由发动机单独驱动该车时的最低车速应为20km/h。

另根据汽车功率平衡方程:

式中,δ为汽车旋转质量换算系数;a为汽车行驶加速度,m/s2;i为爬坡度。

当发动机工作在额定转速2500r/min时,由式(14)可知对应的车速为72km/h。此时驱动功率大于阻力功率,故该车由发动机单独驱动的最高车速为72km/h。

综上可以得出由发动机单独驱动时混合动力车的最高车速为72km/h。

2.4.2 纯电动驱动模式下的耗电量及续驶里程

(1)等速电量消耗率。汽车在水平路面上等速行驶时,消耗的平均功率为

取电动机等速状态下的平均效率ηm=0.90,则等速电量消耗率λw(kWh/km)为

车载电池总容量Q为

等速续驶里程S为

通过计算可得出,耗电量分别为0.50~0.85kWh/km(空载)、0.95~1.15kWh/km(满载)。续驶里程分别为75~90km(空载)、53~62km(满载)。

2.4.3 最大爬坡度

根据式(10)可得

式中,ig为减速箱减速比。

计算爬坡度时,略去式(10)中的δma项,由于一般汽车的最大爬坡度达到30%,因此利用式(10)确定低挡爬坡能力时,应采用Gsinα作为坡道阻力,这样爬坡度为

计算得出,当混合动力客车以车速5km/h爬25%的坡时,所需驱动电动机转矩为1369Nm。所以最大转矩为1203 Nm的主驱动电动机和最大转矩为650 Nm的发动机混合驱动可以满足爬20%度坡的要求。

2.4.4 0~50km/h的加速时间t

根据式(20),计算得出0~50km/h的加速时间为18s,可以满足混合动力客车设计要求规定的加速时间20s(0~50km/h)的要求。

式中,u0为开始加速时的速度,km/h;u1为加速后的车速,km/h。

3 混联式动力系统控制策略

混联式动力系统控制策略的基本思想是:汽车低速行驶时,驱动系统以串联方式工作;汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。动力系统在不同工作状态时的控制策略如下。

3.1 停车状态

仅空调运行,则要求发动机工作在低怠速状态;如果空调运行且要求发电机对动力电池充电,则发动机必须工作在高怠速状态,ISG电动机处于发电状态。

3.2 运行(含启动)状态

(1)电池实际电量超过70%Q且油门输入量小于95%。在发动机转速小于1550r/min时,采用纯电驱动模式。当发动机在1550~1700r/min区间内运行时,通过启动定时器并压合离合器来使发动机扭矩达到期望值,并使电动机扭矩降低到零或达到期望值,同时使发动机工作在低怠速状态。当发动机在1700~2000r/min区间(发动机的最佳油耗区间)运行时,由发动机驱动车辆。当发动机转速在2000r/min以上时,由主驱动电动机和发动机共同驱动车辆,发动机按照等油门线控制,所需的补充转矩由电动机提供。如果主驱动电动机驱动后,整车动力仍达不到要求,则启动ISG电动机,三者共同驱动。

(2)70%Q>SOC>30%Q且油门输入量小于95%。当发动机转速小于1550r/min时,由主驱动电动机驱动车辆。当发动机转速在1550~1700 r/min区间内时,则通过启动定时器并压合离合器来使发动机扭矩达到期望值,使电动机扭矩降低到零或达到期望值,同时使发动机处于低怠速状态且保持ISG电动机处于发电状态。当发动机转速在1700~2000r/min区间时(此区间是发动机的最佳油耗区间),仅由发动机驱动车辆,并设定发动机提供额外的5%的油门量给电池充电,此时,ISG电动机处于发电状态。发动机转速超过2000r/min时,由主驱动电动机和发动机共同驱动车辆,发动机按照等油门线控制,所需的补充转矩由电动机提供。如果主驱动电动机驱动后,整车动力仍达不到要求,将设定ISG电动机为电动机状态,三者共同驱动。

(3)油门输入量大于95%。启动油门定时器,如果在2s后,油门输入量仍然大于95%,则根据离合器状态分别处理。离合器处于打开状态时,则压合离合器,并且使发动机、ISG电动机、主驱动电动机均以最大扭矩参与工作。离合器如果处于压合状态,则增加发动机、主驱动电动机和ISG电动机扭矩至最大。此时电池电量不再予以考虑。

3.3 制动策略

轻度刹车(转速变化在100r/s以内),电气系统不作反应。中等刹车(转速变化在500r/s以内),驱动电动机和ISG电动机均回馈发电。重度刹车(即驾驶员希望立即刹车),离合器断开,驱动电动机和ISG电动机均回馈发电。混联式混合动力城市客车动力系统控制流程如图3所示。图3中,Pt为引功率,SOCBot为动力电池荷电状态最小值,SOCTop为动力电池荷电状态最大值,Peopt为发电机的最佳输出功率。

4 样车开发和试验

研制的样车动力电池、电辅助系统、动力系统和样车如图4~图7所示。

道路试验结果如下:

(1)道路工况。典型城市道路。

(2)车辆最高车速。80km/h。

(3)车辆加速性能。车辆在直路上从0加速到50km/h行驶200m所需时间为18s。

(4)车辆爬坡度。不小于20%。

(5)车辆操控性。在200m平路上按照规定放置若干圆锥状障碍物,绕桩花费时间57s。

(6)车辆噪声。当环境噪声为52.5dB时,测试车辆噪声为71.7dB。

(7)车辆油耗。百千米油耗42L,同类型传统燃油车百千米油耗约57L,可见混合动力客车比同类型传统燃油车节油26.3%。

5 结语

本文提出了一种混联式混合动力城市客车动力系统匹配方案和控制策略,并开展了工程实践。道路试验结果表明,混联式混合动力城市客车在城市公交工况下具有明显的节能优势。

摘要：混联式混合动力系统能够使发动机、发电机、电动机等部件间有更多的组合,并在结构上保证系统能在复杂的工况下工作在最优状态。通过对混联式混合动力城市客车动力系统的匹配和分析,提出了一种混联式动力系统的匹配方案和控制策略并成功开发出样车。示范运行结果表明,整车动力性及经济性满足设计要求,节油效果良好,可为规模化示范运行提供依据。

关键词：混联式混合动力城市客车,动力系统,匹配,控制策略

参考文献

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