串聯式混合動力碼頭車結構形式畢業(yè)論文

1、Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設 計專 業(yè)： 汽車維修工程教育 班級學號： 汽修0403 24 學生姓名： 張亞磊 指導教師： 崔世海 講師 二九年 六 月天津工程師范學院本科生畢業(yè)論文串聯式混合動力碼頭車的結構形式及控制方案的選擇Research on Structure and control policy of series hybrid terminal tractor vehicle專業(yè)班級：汽修0403班學生姓名：張亞磊指導教師：崔世海講師系 別：汽車與交通學院2009 年 6月摘 要混合動力汽車近年來發(fā)展迅速，

2、并已經實現了產業(yè)化。混合動力汽車將至少在30年內都是汽車工業(yè)最切實可行的解決能源和污染問題的途徑。碼頭牽引車運行速度低，起停頻繁，且長時間怠速，導致其燃油經濟性差，排放高。研制成混合動力碼頭牽引車后，其節(jié)油減排效果較其它車輛更為明顯。本文利用汽車相關理論通過計算機分析仿真來確定混合動力碼頭牽引車的驅動電機的參數。分析與仿真的主要作用是在進行昂貴且費時的原型實驗之前對物理系統(tǒng)的性能進行模擬分析，工程設計人員可以利用它全面地評估其設計，并通過它發(fā)現設計中的一些問題，而這些問題通過測量和實驗是不易發(fā)現的。分析與仿真技術不僅可以節(jié)省大量開發(fā)費用，而且提高了復雜系統(tǒng)的系統(tǒng)級優(yōu)化水平。對于混合動力研發(fā)，前

3、期進行方案選擇及參數匹配時，通過分析仿真能夠較快地進行方案選擇及參數匹配，從而確定最優(yōu)方案和主要參數，并及早發(fā)現問題加以避免。若通過試制實物樣機的方法來進行此步驟，則既費時又費力，代價昂貴，且效果還不好。在研發(fā)過程中分析仿真與試驗同樣重要，都具有不可替代的作用，通過實物樣機試驗對分析仿真結果進行驗證與修正，對系統(tǒng)反復優(yōu)化，從而有力地推進研發(fā)進程。關鍵詞：混合動力碼頭牽引車，驅動電機參數，車輛動力性分析ABSTRACTHybrid electric vehicle developed rapidly in recent years and has achieved industrializati

4、on. Hybrid Electric Vehicle will be at least 30 years in the automotive industry are the most practical solution to energy and pollution problems. Low-speed terminal tractor, since the frequent stops and idling time, resulting in poor fuel economy, emissions high. The development of hybrid terminal

5、tractor, its fuel-efficient vehicle emission reduction effect is more obvious than the other. In this paper, the use of motor vehicle-related theory by computer simulation analysis to determine the hybrid electric terminal tractor driver parameters.The analysis and the simulation leading role is bef

6、ore carrying on expensive and the time-consuming prototype experiment to physical system's performance carries on the simulation analysis, the engineering design personnel may use it to appraise its design comprehensively, and discovers in the design through it some questions, but these question

7、s through the survey and the experiment are which is not easy to discover. The analysis and the emulation technique not only may save the massive development cost, moreover raised complicated system's system-level optimization level. Regarding the mix power research and development, when the ear

8、lier period carries on the plan choice and the parameter match, through the analysis simulation can quickly carry on the plan choice and the parameter match, thus determined that the synergy and the main parameter, and found early the problem avoids. If carries on this step through the trial manufac

9、turing prototype's method in kind, then both time-consuming and takes the trouble, the price is expensive, and the effect is not good. Analyzes the simulation and the experiment in the research and development process is similarly important, has the unreplaceable function, to analyzes the simula

10、tion result through the prototypical experiment in kind to carry on the confirmation and the revision, optimizes repeatedly to the system, thus advances the research and development advancement powerfully.Key Words: Hybrid terminal tractor,Drive motor parameters,Vehicle dynamic analysis目 錄1 概述12 混合動

11、力汽車的結構分析42.1混合動力汽車的主要組成42.2混合動力汽車的分類42.3典型混合動力卡車結構52.3.1 Volvo重型卡車62.3.2 三菱Canter Eco輕型卡車62.3.3 日產小型卡車ATLAS2073 串聯式混合動力碼頭車動力裝置參數的選定93.1初步確定驅動電機參數和車輛動力性分析93.1.1整車參數93.1.2輪胎參數93.1.3變速比103.1.4根據最高車速確定驅動電機額定功率103.1.5初步確定驅動電機峰值功率及其它參數113.1.6最大爬坡度計算163.1.7驅動力 行駛阻力平衡圖和功率平衡圖173.2 電機擴大恒功率區(qū)系數和過載系數對加速時間的影響193.

12、2.1電機的擴大恒功率系數對加速時間的影響193.2.2電機過載系數對整車加速時間的影響213.3重新選定的驅動電機參數及車輛動力性分析223.3.1重新選定的驅動電機B的參數及其特性曲線223.3.2選用驅動電機B的車輛動力性分析233.4初步選擇發(fā)動機功率264 串聯式混合動力碼頭車總成控制策略274.1控制系統(tǒng)的功能274.2控制系統(tǒng)的組成274.3SHEV能量流動模式294.4串聯式混合動力碼頭車控制策略模型304.4.1恒溫器的控制策略模型304.4.2功率跟隨控制策略模型304.5 串聯式混合動力碼頭車發(fā)動機的控制策略315 結論及展望335.1結論335.2展望33參考文獻：34

13、致 謝36英文資料與翻譯37譯文5264天津工程師范學院2009屆本科畢業(yè)生論文1 概述隨著世界范圍內能源危機和環(huán)境污染問題的出現，節(jié)能和環(huán)保成為汽車工業(yè)所面臨的最大挑戰(zhàn)。汽車工業(yè)作為我國的支柱產業(yè)，每年仍保持12%-14%的年均增長率，預計到2020年底我國汽車保有量將達到1億3千萬輛，如果采用傳統(tǒng)的內燃機技術，按最保守的估計，2020年僅各類汽車每年消耗石油將達2億5,000萬噸，這將使我國石油總需求超過4億噸，因此，開發(fā)新型能源、節(jié)能、環(huán)保的車輛已關系到國家的經濟安全和可持續(xù)發(fā)展。人們越來越關注其它燃料的汽車和電動汽車得開發(fā)，電動汽車成為最主要得選擇之一。電動汽車（Electric Ve

14、hicle, EV）包括純電動汽車（EV）、混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle, HEV或HV）和燃料電池汽車三種形式。受現在科技條件所限制，純電動汽車和燃料汽車很難實現產業(yè)化，而融合內燃機汽車和電動汽車優(yōu)點的混合動力汽車，在世界范圍內成為新型汽車開發(fā)得熱點?？梢韵嘈牛陔妱悠嚨脙δ懿考姵貨]有根本性突破之前，使用混合動力汽車是解決排污和能源問題最具現實意義得途徑之一。所謂混合動力汽車（HEV或HV）是在一輛汽車上同時配備電力驅動系統(tǒng)(Traction Motor)和輔助動力單元（Auxiliary Power Unit ,APU）,其中APU是燃燒某種燃料的原動機

15、或由原動機驅動的發(fā)電機組，目前HEV所采用的原動機一般為柴油機、汽油機和燃汽輪機。混合動力汽車將內燃機、電動機與蓄電池通過控制系統(tǒng)相組合，電動機可補充提供車輛起步、加速所需的轉矩，又可以吸收并存儲內燃機富余的功率和車輛制動能量，從而可大幅度降低油耗，減少污染物排放。混合動力汽車雖然沒有實現零排放，但其動力性、經濟性和排放等綜合指標均能滿足當前各國苛刻的法規(guī)要求，可緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺的矛盾?；旌蟿恿ζ嚱陙戆l(fā)展迅速，并已經實現了產業(yè)化。混合動力汽車將至少在30年內都是汽車工業(yè)最切實可行的解決能源和污染問題的途徑1?；旌蟿恿ζ嚮旧喜桓淖儸F有的汽車常見結構，不改變現有能源（石油燃

16、料）的體系，不改變用戶對汽車的使用習慣，這也是他能夠迅速實現產業(yè)化的重要因素。專家預測，在未來十年內將可能有40%的燃油汽車實現混合動力驅動。從上我們可以看出，混合動力汽車的研究和發(fā)展,對于解決環(huán)境污染和能源危機這兩個人類目前面臨的兩大難題能起到相當大的作用。集裝箱運輸以其方便、安全、快捷的特點已成為貨物運輸的發(fā)展重點。隨著世界經濟發(fā)展，自2003年以來，集裝箱運輸每年都以超過10%的幅度增長，截止2006年1月31日，全球集裝箱船隊總運力已增長到913萬標準箱。我國90%以上的外貿貨運要依靠港口實現，而主要的運輸方式就是集裝箱，2006年上半年，我國主要港口完成集裝箱吞吐量4212.11萬T

17、EU，同比增長22.4%，并依然保持著較高增長態(tài)勢。圖11為我國集裝箱的增長情況統(tǒng)計。圖 11 1998-2005年我國港口集裝箱吞吐量及占世界比隨著集裝箱吞吐量的增長，碼頭牽引車的需求也同步增長，與其他汽車相比，碼頭牽引車的運行工況有如下特點：1) 速度低 碼頭內的速度<30km/h, 在碼頭之間運行<40km/h； 2) 不需要爬坡 碼頭內部及碼頭之間幾乎沒有坡度；3）怠速時間長 多輛拖車排隊等候裝貨和卸貨期間怠速運行（基本不停車），怠速時間超過50%。由于行駛路況的特殊性，現有碼頭牽引車在工作過程中存在如下問題：1) 運行速度低 導致汽車發(fā)動機低效區(qū)，燃油經濟性差，排放高；2

18、) 頻繁起/停 增加了牽引車的排放；3) 長時間怠速 燃油利用率低。因此，針對現有的碼頭牽引車進行混合動力設計，減少排放并提高燃油利用率，對于建設節(jié)約型港口，乃至建立節(jié)約型社會都具有重要意義2。我國的傳統(tǒng)汽車產業(yè)一直陷于“引進、落后、再引進、再落后”的怪圈之中。在開發(fā)混合動力電動汽車的問題上，我們不能重蹈覆轍，應多開發(fā)具有自主知識產權的部件和產品，尤其是關鍵部件方面?；旌蟿恿ζ嚰夹g關鍵在于動力總成技術、能量分配和管理以及整車控制。本課題通過與中國集裝箱集團、安乃達電機有限公司合作，結合碼頭牽引車輛的實際行駛特點，對碼頭牽引混合動力系統(tǒng)進行研究，重點研究動力系統(tǒng)總成及仿真技術平臺；整車能源管理

19、與協(xié)調控制系統(tǒng)、儲能元件的能量管理系統(tǒng)、牽引電機控制系統(tǒng)；并最終實現整車混合動力系統(tǒng)的工程化和產業(yè)化。實現上述研究目的，將大幅度提高我國混合動力卡車集成研究水平，從根本上提高我國混合動力整車及關鍵部件的制造能力，這不僅需要控制算法和關鍵技術的重要突破，而且也應在算法的綜合運用與部件集成優(yōu)化等方面有更多的創(chuàng)新。本課題的研究成果和所取得的經驗，對于建設高水平、高質量、具有自主知識產權的混合動力卡車系統(tǒng)具有重要的實際應用價值，也是我國實現從“中國制造”走向“中國創(chuàng)造”的唯一途徑。2 混合動力汽車的結構分析2.1混合動力汽車的主要組成1發(fā)動機混合動力汽車可以廣泛地采用四沖程內燃機（包括汽油機和柴油機）

20、、二沖程內燃機（包括汽油機和柴油機）、轉子發(fā)動機、燃氣輪機和斯特林發(fā)動機等。一般轉子發(fā)動機和燃氣輪機的燃燒效率比較高，排放也比較潔凈，采用不同的發(fā)動機就可以組成不同的混合動力汽車。2.電動機混合動力汽車可以采用直流電動機、交流感應電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機等。隨著混合動力汽車的發(fā)展，直流電動機已經很少采用，多數采用感應電動機和永磁電動機，開關磁阻電動機應用也得到重視，還可以采用特種電動機為混合動力汽車的驅動電機，采用不同的電動機還可以組成不同的混合動力汽車。3電池混合動力汽車還可以采用不同的蓄電池、燃料電池、儲能電池和超級電容器等作為“電池”，一般電池作為混合動力汽車的輔助能源，只有在

21、混合動力汽車用電動機啟動發(fā)動機或電動機輔助驅動時才使用。2.2混合動力汽車的分類目前世界各國研究開發(fā)的混合動力汽車有不同的結構形式，根據其動力傳動系統(tǒng)的配置和組合方式不同，分為串聯式、并聯式和混聯式3種組合方式，各自的結構形式和特點如下3。1串聯式混合動力驅動系統(tǒng) 串聯式混合動力驅動系統(tǒng)的輔助單元(APU)由原動機和發(fā)電機組組成，通常將兩個部件集成為一體。原動機帶動發(fā)電機發(fā)電，其電能通過控制器直接輸送到電動機，由電動機產生驅動力矩驅動汽車。電池實際上起平衡原動機輸出功率和電動機輸出功率的作用：當發(fā)電機的發(fā)電功率大于電動機所需的功率時（如汽車減速滑行、低速行駛和短時停車等工況），控制器控制發(fā)電機

22、向電池充電；當發(fā)電機發(fā)出的功率低于電動機所需的功率時（如汽車起步、加速、高速行駛、爬坡等工況），電池則向電動機提供額外的電能。串聯式結構可使發(fā)動機不受汽車行駛工況的影響，始終在其最佳的工作區(qū)穩(wěn)定運行，因此，可使汽車的油耗和排污降低。串聯式混合動力汽車特別適合于在市內低速運行的工況。在繁華的市區(qū)，汽車起步和低速時還可以關閉原動機，只利用電池進行功率輸出，使汽車達到零排放的要求。串聯結構的不足是：發(fā)動機的輸出需全部轉化為電能再變?yōu)轵寗悠嚨臋C械能，由于機電能量轉換和電池充放電的效率較低，使得燃油能量的利用率比較低。2并聯式混合動力系統(tǒng)并聯式混合動力汽車可有發(fā)電機和電動機共同驅動或各自單獨驅動。當電

23、動機只是作為輔助驅動系統(tǒng)時，功率可以比較小。與串聯式結構相比，發(fā)動機通過機械傳動機構直接驅動汽車，其能量的利用率相對較高，這使得并聯式燃油經濟性比串聯式的高。并聯式驅動系統(tǒng)最適合于汽車在城市間公路和高速公路上穩(wěn)定式的工況。由于并聯式驅動系統(tǒng)的發(fā)動機工況要受汽車行駛工況的影響，因此不適合汽車行駛工況變化較多、較大的路況；相比串聯式，需要變速裝置和動力復合裝置，傳動機構較為復雜。3混聯式混合動力驅動系統(tǒng)混聯式混合動力驅動系統(tǒng)（PSHEV）是串聯式和并聯式的綜合，發(fā)動機發(fā)出的功率一部分通過機械傳動輸出給驅動橋，另一部分則驅動發(fā)動機發(fā)電。發(fā)電機發(fā)出的電能輸送給電動機或電池，電動機產生的驅動力矩通過動力

24、復合裝置傳送給驅動橋?；炻撌津寗酉到y(tǒng)的控制策略是：在汽車高速行駛時，驅動系統(tǒng)主要以串聯方式工作；當汽車高速行駛時，則以并聯工作方式為主。2.3典型混合動力卡車結構近年來，能源危機、環(huán)境污染和溫室效應以關系到國家安全和可持續(xù)發(fā)展，為了從根本上解決這些問題，各國家紛紛著手研究新能源和可替代能源汽車。作為一項嶄新的技術，混合電動汽車通過多能源之間的優(yōu)化組合（一般為發(fā)動機和電機），以及制動能量再生利用，可以在保證汽車性能及行駛里程的前提下，降低排放，節(jié)約能源，又不改變現有汽車產業(yè)結構，因此，在零排放汽車實用化以前（根據美國、加拿大及亞洲一些國家的情況，預測在2030年以前），混合電動汽車最有希望取代傳

25、統(tǒng)汽車。在這種情況下，融合了傳統(tǒng)汽車和電動汽車優(yōu)點的混合電動汽車在世界范圍內成為新型汽車開發(fā)的熱點，混合電動汽車的研究和產業(yè)化已經成為當前電動汽車發(fā)展的必然趨勢?；旌蟿恿ζ嚰嬗袀鹘y(tǒng)燃油汽車和純電動汽車的優(yōu)點，是兩者的完美結合，其實質是通過部件工況的改善和效率的提高來實現整個系統(tǒng)性能的優(yōu)化，而結合的紐帶就是混合動力汽車的整車控制系統(tǒng)?；旌蟿恿ο到y(tǒng)有兩個能量源，同時具有多種運行模式（混合驅動模式、發(fā)動機單獨驅動模式、行駛發(fā)電模式、再生制動模式等）。整車控制系統(tǒng)的主要功能是使整車在不同的運行模式下切換，對不同能量源輸出功率進行能量管理，以及不同能量源的控制，實現各子系統(tǒng)的協(xié)調工作，達到效率、排放和

26、動力性的最優(yōu)。與其他汽車相比，牽引車在集裝箱碼頭的運行中由于速度低，不需要爬坡及怠速時間長等特點，汽車發(fā)動機工作在低效區(qū)，導致燃油利用率低，排放高等問題。因此，針對現有的牽引車進行混合動力設計，減少排放并提高燃油利用率，對于建立環(huán)保節(jié)約型港口，乃至建立環(huán)保節(jié)約型社會都具有重要意義。上世紀90年代以來，混合電動汽車的開發(fā)得到了歐美及日本等許多發(fā)達國家的高度重視，在轎車及卡車等方面都托人了大量的人力財力進行研究，并已取得了一些重大成果和進展，混合動力技術在汽車工業(yè)發(fā)達的國家已日趨成熟，有些已經進入實用階段。在混合動力卡車領域，如 Volve、三菱及日產等多家汽車公司先后推出相關產品。2.3.1 V

27、olvo重型卡車2006年初，VOLVO正式推出一套重車專用混合動力系統(tǒng)“I-SAM”，應用該系統(tǒng)可減少油耗35%。沃爾沃公司估計，該車首批將于2009年交貨，預計歐洲和北美市場的潛在銷量為23萬輛/年。該混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機、起動器、驅動電機兼發(fā)電機，以及電控單元構成（如圖2-1所示）。車輛加速過程由電動機實現助力加速，因此能夠降低油耗和噪音；另外，由于配備了電動機，可以相對減小發(fā)動機尺寸，這樣進一步降低了整車排放。 圖21 Volvo采用的混合動力傳動系統(tǒng)模型該車采用一臺渦輪增壓直噴式柴油機。柴油機保持在高效率狀態(tài)下平穩(wěn)運轉，帶動發(fā)電機發(fā)電，向鎳氫動力電池組充電。在正常行駛狀態(tài)下該車以電機

28、驅動起步加速，然后切換到柴油機驅動模式；當需求轉矩較大時，電動機和發(fā)動機同時工作，整車工作在混合驅動模式；在遇到紅燈或者裝卸貨物等怠速情況下，發(fā)動機自動熄火。2.3.2 三菱Canter Eco輕型卡車三菱扶桑卡客車公司的小型混合動力卡車“Canter Eco Hybrid”于2006年7月5日正式上市，動力方面該車采用3.0升DOHC內冷式渦輪增壓柴油機，同時裝有三菱重工生產額定功率為35kW的永磁電機及逆變器，其最大輸出扭矩可達200N·m，這樣就可彌補低速扭矩的不足，傳動系統(tǒng)采用AMT變速器（手自一體變速器），離合器布置在發(fā)動機和電機之間，電源由日立車輛能源生產的48個鋰離子電

29、池單元組成（如圖2-2、2-3所示）。 Canter Eco Hybrid通過加裝電機使發(fā)動機尺寸相應減小，同時可以實現啟動與怠速時電動驅動，而達到省油效果，與原型車相比，最高可使燃油消耗降低20%；在排放方面，Canter Eco Hybrid可顯著降低有害氣體及微粒物質的排放，達到日本最新排放法規(guī)的要求。圖 2-1發(fā)動機與馬達之間配置離合器圖2- 2 Canter Eco 混合動力系統(tǒng)2.3.3 日產小型卡車ATLAS20日產汽車在小型卡車“ATLAS20”中追加了混合動力款，并于2006年5月上市。ATLAS是五十鈴以OEM貼牌方式為日產生產的混合動力卡車，原型為五十鈴“ELF”平頭系列

30、輕卡中的一款(如圖2-4所示)。圖2-4 ATLAS20混合動力系統(tǒng) 整車動力系統(tǒng)為4.8L的柴油發(fā)動機加額定功率為25.5kw的電動機，發(fā)動機最大輸出功率為96kW（3000rpm）；發(fā)動機與電動機裝備在不同的驅動軸上，這樣可以實現柴油動機和電動機的單獨驅動；能量存儲系統(tǒng)采用346V鋰離子電池；配套使用PTO（Power Take Off：動力輸出裝置）型并聯混合動力復合裝置4。 3 串聯式混合動力碼頭車動力裝置參數的選定3.1初步確定驅動電機參數和車輛動力性分析3.1.1整車參數整車參數如表3-1所示：表3-1 整車參數牽引車總長（mm）4595牽引車總寬（mm）2464牽引車總高（mm）

31、2819軸距(mm)2794輪距(mm)前輪2020,后輪1820牽引車質量(kg)6700拖車質量(kg)約8000集裝箱最大質量(kg)33000Kg/箱×2箱66000整備質量(kg)14700滿載質量(kg)80700原車最大行駛速度（Km/h）36-38原車最大爬坡度18%3.1.2輪胎參數型號：GOODYEAR 11R22.5 16PR滾動半徑：509 mm算式：509 mm其中：F 計算常數，子午線輪胎為3.05 d 輪胎的自由直徑3.1.3變速比混合動力碼頭車受時間及成本的限制，改裝后的混合動力碼頭牽引車不配置變速箱，傳動系的傳動比為12.28。3.1.4根據最高車速

32、確定驅動電機額定功率由于車輛以最高車速運行的持續(xù)時間較長，因此驅動電機的額定功率應滿足車輛以最高車速運行時的功率需求。對于串聯混合動力車，驅動電機的額定功率應大體等于，但不小于以最高車速行駛時行駛阻力功率之和 （3-1） 式中： 驅動電機額定功率，Kw； 傳動系的機械效率，取0.9；f為輪胎的滾動阻力系數，貨車輪胎的滾動阻力系數與車速的關系接近于直線，滾動阻力系數的數值較小，車速對滾動阻力系數的影響也不大。本次計算取0.01；G 汽車重力，Gmg，m 汽車質量，滿載時為80700 Kg；CD空氣阻力系數，取0.7；A迎風面積，7.0； 最高車速，對于本車初定滿載最高車速為30 Km/h。圖3-

33、1 汽車在水平路面上勻速行駛時的阻力功率由此可見，車輛滿載時若最高車速為30 Km/h，則所需功率為75Kw；若最高車速為25 Km/h，則所需功率為62Kw；若最高車速為20 Km/h，則所需功率為50Kw。若車輛空載時最高車速為40 Km/h，則所需功率為22Kw。本車初定滿載最高車速為30 Km/h，因此所需驅動電機額定功率應為75Kw。3.1.5初步確定驅動電機峰值功率及其它參數由于車輛持續(xù)加速時間較短，所以一般情況下根據車輛的加速時間要求來確定驅動電機的峰值功率。由于本混合動力車未有明確的加速時間要求，故本文只根據驅動電機選擇的一般原則和相關試驗數據來確定驅動電機的峰值功率及其它參數

34、。原車最大車速為30-38 Km/h，改裝成混合動力后，設定空車最大車速為40 Km/h。根據驅動電機速度與汽車行駛速度的關系式 （3-2） 電機轉速，rpm； 輪胎滾動半徑，m；ua 汽車行駛速度，km/h； 主傳動比?？傻每蛰d最高車速為40 Km/h時，驅動電機轉速為2560rpm，因此驅動電機最高穩(wěn)定轉速可取為2600rpm。 由式（3-2）可得車速與驅動電機轉速之間的關系如下：圖3-2 車速與驅動電機轉速的對應圖根據碼頭牽引車的運行工況，其爬坡及加速的時間較短，因此只要驅動電機的峰值轉矩及峰值功率滿足爬坡及加速時間要求即可。電動機最高轉速與額定轉速的比值，稱為電動機擴大恒功率區(qū)系數。當

35、電機的額定功率及最高轉速已定時，由以下二式可知， （3-3） （3-4） 驅動電機額定轉速（rpm） 驅動電機額定轉矩（N.m）電動機擴大恒功率區(qū)系數越大，其額定轉矩越大，這樣車輛的加速性能就越好。低速電動機擴大恒功率區(qū)系數較小，額定轉矩高，轉子電流大，電機尺寸和重量較大，內在損耗也較大。由于時間及成本限制，本車不采用變速器，采用低速電機驅動。研究表明一般不采用變速器的電動汽車其驅動電機的擴大恒功率區(qū)系數，本車取3。由此可得，。由實驗測定，本車最大驅動轉矩（傳動軸處）為=2000N.m。由于本混合動力車運行路況幾乎沒有坡度，也未有爬坡度要求，因此暫取=2000N.m，這樣該電機過載系數為。驅動

36、電機A的參數如表3-2所示：表3-2 串聯混合動力驅動電動機A的參數類型三相交流異步感應電機控制特性矢量控制，基速以下恒轉矩，基速以上恒功率額定功率75kw峰值功率182kw額定轉矩826N.m額定轉速rpm峰值轉矩2000N.m最高轉速2600rpm電機過載系數2.42電機擴大恒功率區(qū)系數3由以上系數可得該電機A的外特性曲線如下。圖3-3 驅動電機額定轉矩和額定功率曲線圖3-4 驅動電機峰值轉矩和峰值功率曲線計算加速能力時，在水平良好路面上進行，因此坡度，由汽車行駛方程可得： （3-5）故： （3-6）由運動學可知： （3-7）式中： 初始速度，從靜止加速因此為0 Km/h； 終了速度，滿載

37、最高速度即30 Km/h； 汽車旋轉質量換算系數（>1），本車取1.05。圖3-5 汽車行駛加速度圖3-6 汽車加速時間由計算結果可知，滿載時車輛0 30Km/h加速時間為30s，現在還不能判定該驅動電機能否滿足車輛加速時間要求，要等到具體加速時間測定后經比較才能判斷。3.1.6最大爬坡度計算一般應根據車輛最大爬坡度要求來確定電機的峰值轉矩，由于混合動力車設計指標中無爬坡度要求，且碼頭場地內道路平坦，幾乎沒有坡度。因此這里不將最大爬坡度作為確定驅動電機峰值轉矩的設計指標，而僅討論一下驅動電機峰值轉矩=2000N.m時車輛的爬坡性能。對于傳統(tǒng)的碼頭牽引車而言，當發(fā)動機輸出轉矩最大時，其爬坡

38、能力最強。根據提供的原車資料，當發(fā)動機轉速為1500 rpm時，其輸出轉矩最大，。根據式（3-2）知，當n= 1500 rpm時，車速= 23.4 Km/h。考慮到爬大坡時液力變矩器的渦輪轉速應低于泵輪轉速（即為發(fā)動機轉速），故車速應低于23.4 Km/h，風阻可忽略不計。由式（3-8）、（3-9）知驅動力可表示為。根據提供的數據，碼頭牽引車的最大牽引力為N，最大爬坡度為，最大載荷為。經推算載荷為65000 Kg的車輛爬18%的坡時，僅其坡度分力就大于該車的最大牽引力。所以其最大爬坡度達不到18%，其最大爬坡度約為：16.9為能達到原車的爬坡要求，我們可使改裝后的最大牽引力等于N。由驅動力公式

39、 知，傳動軸處的最大驅動轉矩為。設液力變矩器和變速箱的綜合效率，傳動比為，則有：即 7.2917由變速器1檔速比得此工況下液力變矩器的傳動比為2.09，此數值在重型汽車用液力變矩器的傳動比的正常范圍內。根據碼頭牽引車的運行工況其爬坡及加速的時間較短，因此只要驅動電機的峰值轉矩及峰值功率滿足爬坡及加速時間要求即可。根據汽車的行駛方程式可知： （3-8）可得 （3-9）計算爬坡度時，略去(9)式的第4項，這樣爬坡度的計算公式為 （3-10）帶入參數，計算得到速度最大爬坡度曲線如圖8所示：圖3-7 車輛爬坡度曲線由圖3-7可見，滿載時該車最大爬坡度只有4.5，遠小于原車16.9的爬坡度。3.1.7驅

40、動力 行駛阻力平衡圖和功率平衡圖計算出混合動力碼頭牽引車不同車速下的驅動力和滾動阻力風阻值，作出該車的驅動力行駛阻力平衡圖如圖3-8所示：圖3-8 驅動力行駛阻力平衡圖計算出混合動力碼頭牽引車不同車速下的驅動功率和滾動阻力功率風阻功率值，作出該車的汽車功率平衡圖如圖3-9所示：圖3-9 汽車功率平衡圖由圖3-8、圖3-9可知，滿載時最高車速為30Km/h；半載及空載時驅動電機的額定驅動力和額定功率均能滿足最高車速40Km/h時的驅動力和驅動功率要求。3.2 電機擴大恒功率區(qū)系數和過載系數對加速時間的影響當由最高車速確定的驅動電機額定功率一定時，影響車輛加速時間的參數就是驅動電機擴大恒功率區(qū)系數

41、和過載系數。3.2.1電機的擴大恒功率系數對加速時間的影響電動機最高轉速與額定轉速的比值，稱為電動機擴大恒功率區(qū)系數。驅動電機峰值功率保持恒定即電機過載系數一定（）時，電機的擴大恒功率區(qū)系數對整車加速時間的影響 （3-11）由式（3-11）可以看出，當驅動電機峰值功率不變時，峰值轉矩與電機恒功率區(qū)系數呈正比例線性關系。當驅動電機擴大恒功率區(qū)系數分別取2.5、3、3.5、4、4.5、5時整車的加速度曲線及加速時間如下圖所示。圖3-10 不同值時的汽車行駛加速度圖3-11 不同值時的汽車加速時間由圖3-11可以看出，當驅動電機擴大恒功率區(qū)系數由2.5變?yōu)?時，整車加速時間縮短明顯；由3變?yōu)?.5時

42、，整車加速時間縮短較明顯，但不如由2.5變?yōu)?時顯著；當繼續(xù)增加時，對整車加速時間的影響越來越小。由圖3-10的加速度曲線可以解釋這個變化趨勢，如圖3-10當由2.5升至5時，雖然整車的最大加速度（對應電機的峰值轉矩）在變大，但最大加速度持續(xù)起作用的車速范圍卻在減小，所以整車加速時間的縮短越來越不明顯。綜合以上分析結果，認為驅動電機擴大恒功率區(qū)系數時比較合適。3.2.2電機過載系數對整車加速時間的影響電機擴大恒功率區(qū)系數一定（=3）時，電機過載系數對整車加速時間的影響 （3-12）由式（3-12）可以看出，當電機擴大恒功率區(qū)系數一定時，峰值轉矩與電機過載系數呈正比例線性關系。當驅動電機過載系數

43、分別取2.42、3、3.5、4、4.5、5時整車的加速度曲線及加速時間如下圖所示。圖3-12 不同值時的汽車行駛加速度圖3-13 不同值時的汽車加速時間由圖3-13可以看出，當驅動電機過載系數由2.42變?yōu)?時，整車加速時間縮短明顯；由3變?yōu)?.5時，整車加速時間縮短較為明顯；當繼續(xù)增加時，對整車加速時間的影響越來越小，而電機成本也不斷增加。因此出于加速性能及成本的綜合考慮，驅動電機過載系數時比較合適。比較圖3-11和圖3-13可以發(fā)現，當驅動電機擴大恒功率區(qū)系數和過載系數以相同的幅度增大時，加速時間隨著過載系數的增大而縮短得更快。這說明取過載系數較大的驅動電機對于整車加速時間的縮短更有利。由

44、圖3-10和圖3-12的加速度變化中可以解釋這個現象，雖然圖3-10和圖3-12中加速度的增大幅度差不多，但圖3-10中隨著加速度的提高，其最大加速度起作用的速度范圍卻越來越小；而圖3-12中隨著加速度的提高，其最大加速度起作用的速度范圍不變。另外，僅電機擴大恒功率區(qū)系數增大時，由式（3-11）知電機的峰值功率始終保持不變；僅電機過載系數增大時，由式（3-12）知電機的峰值功率不斷增大。綜合以上分析結果，從目前來看認為取驅動電機擴大恒功率區(qū)系數，過載系數時比較合適。3.3重新選定的驅動電機參數及車輛動力性分析3.3.1重新選定的驅動電機B的參數及其特性曲線電機擴大恒功率區(qū)系數，過載系數時的參數

45、及特性曲線如下。表3-3 串聯混合動力驅動電動機B參數類型三相交流異步感應電機控制特性矢量控制，基速以下恒轉矩，基速以上恒功率額定功率75kw峰值功率225kw額定轉矩826N.m額定轉速rpm峰值轉矩2478N.m最高轉速2600rpm電機過載系數3電機擴大恒功率區(qū)系數3圖3-14 驅動電機峰值轉矩和峰值功率曲線驅動電機B的峰值轉矩和峰值功率曲線見圖3-14，其額定轉矩和額定功率曲線見圖3-3。3.3.2選用驅動電機B的車輛動力性分析1.最高車速 如前所述，由于驅動電機A和驅動電機B的額定功率相同，故其最高車速也相同。2.加速時間由圖3-13中“系數為3時的加速時間”曲線可以知，車輛0 30

46、 Km/h加速時間為22.5s；而由圖3-6可知，選用驅動電機A時車輛0 30 Km/h加速時間為30s。可見選用驅動電機B后車輛的加速時間大大縮短，加速性能明顯提高。3.最大爬坡度 選用驅動電機B后整車最大爬坡度曲線如圖3-15所示。圖3-15 車輛爬坡度曲線由圖3-15可見，滿載時車輛最大爬坡度5.8，比選用驅動電機A時的4.5有所提高。4.驅動力 行駛阻力平衡圖和功率平衡圖選取驅動電機B后整車驅動力 行駛阻力平衡圖和功率平衡圖分別為圖3-16、3-17。圖3-16 驅動力行駛阻力平衡圖圖3-17 汽車功率平衡圖比較圖3-16與圖3-8，可以看出選用驅動電機B后車輛用來加速和爬坡的驅動力（

47、圖中峰值驅動力和滾動阻力與風阻之和的差值）大大增大。比較圖3-17與圖3-9，可以看出選用驅動電機B后增大了車輛的后備驅動功率（圖中峰值功率和滾動阻力功率與風阻功率之和的差值），即用來加速和爬坡的功率大大增大。3.4初步選擇發(fā)動機功率發(fā)動機功率的選擇主要取決于車輛所需驅動功率的分布情況，以及電動機及其控制器效率、發(fā)動機發(fā)電機系統(tǒng)及其控制器的效率。車輛所需驅動功率的分布情況可以通過實測車輛傳動軸處的轉速轉矩值計算得到，也可通過測量車輛運行的時間速度工況，然后再通過動力性計算仿真得到。如果車輛以最高車速運行的比例很少，則可考慮此時除了發(fā)動機發(fā)電機組向驅動電機提供電能外，電池也可以參與放電，提供部分

48、電能。這樣可以減小發(fā)動機的功率，降低油耗。由于時間、設備關系，現在無法進行以上工作，只有通過最高車速的功率需求來估算發(fā)動機的功率。為了保險起見，初定車輛以最高速度30Km/h運行時驅動電機所需功率由發(fā)動機發(fā)電機系統(tǒng)單獨提供，按此原則初步選擇發(fā)動機功率： （3-13）式中：電動機及其控制器的平均效率，取85；發(fā)電機及其控制器的平均效率，取85； 空調及附件功率，約為7-10Kw左右初步估計，車輛滿載時以最高速度30Km/h運行的情況比較少，因此此時發(fā)動機可滿負荷運行。由式（3-13）得發(fā)動機功率。103.8 Kw（初步選擇發(fā)電機最大功率103.8Kw，可選為105 Kw。）4 串聯式混合動力碼頭

49、車總成控制策略4.1控制系統(tǒng)的功能1使混合動力碼頭車的動力性能能夠達到或接近現代碼頭牽引車的水平，逐步實現混合動力碼頭牽引車的實用化。2最大限度地發(fā)揮了電動機驅動的輔助作用，使混合動力碼頭車的燃油消耗量盡量降低，實現發(fā)動機的節(jié)能化。3.在環(huán)保方面，達到“超低污染”的環(huán)保標準。4.在混合動力汽車上實現多能源動力控制，混合動力碼頭車關鍵的控制技術，是對內燃機驅動系統(tǒng)和對電動機驅動系統(tǒng)實現雙重控制。發(fā)動機與電動機的動力系統(tǒng)應進行最有效的組合和實現最佳匹配，發(fā)動機和驅動系統(tǒng)，電動機和驅動系統(tǒng)都能具有高效率，能夠回收再生制動能量，延長混合動力碼頭車的行駛里程，改進混合動力碼頭車的節(jié)能性。5.在操縱裝置和

50、操縱方法上繼承或沿用內燃機汽車主要的操縱方式和操縱方法，適應駕駛員的操作習慣，使操作簡單化和規(guī)范化。在整車控制系統(tǒng)中，采用全自動、機電一體化控制系統(tǒng)，達到安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保和靈活的目的。6.混合動力碼頭車的底盤、車身附件和電子、電氣設備等應盡可能配備現代技術設備，要求混合動力汽車達到或接近內燃機汽車所具有的水平。4.2控制系統(tǒng)的組成混合動力汽車一般是內燃機汽車的替代和延伸，繼承和沿用了很大一部分內燃機汽車的傳動系統(tǒng)，保留了人們已經習慣的內燃機汽車的操縱裝置，包括發(fā)動機控制裝置加速踏板（控制發(fā)動機的節(jié)氣門和電動機）、制動踏板（控制制動反饋和機械式ABS制動）、離合器、制動離合器、變速器的操縱

51、裝置等。由于這些操縱裝置發(fā)出控制信號，通過以計算機CPU為核心的中央控制器和各種控制模塊，向內燃機的驅動系統(tǒng)或電動機驅動系統(tǒng)發(fā)出單獨驅動指令或混合驅動指令，來獲得不同的驅動模式按照駕駛員的意圖，實現混合動力汽車的啟動、行駛、加速、爬坡、減速、怠速和制動時的驅動模式轉換的控制?；旌蟿恿ζ嚳刂葡到y(tǒng)的基本組成：（1）能源管理控制系統(tǒng)：由操縱裝置、中央控制器和各種控制模塊共同組成。（2）發(fā)動機和驅動系統(tǒng)：發(fā)動機和發(fā)動機驅動控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。（3）電動機和驅動系統(tǒng)：電動機和電動機驅動控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。（4）信號反饋及檢測裝置：包括各電量檢測裝置（電壓表、電流表等）、顯示裝置和自診斷系統(tǒng)等。串聯式混

52、合動力碼頭牽引車動力系統(tǒng)和驅動力控制系統(tǒng)是由動力電池組、電流轉換器（逆變器）、發(fā)電機發(fā)電機組和驅動電動機以及一些電器和線路共同組成。因此混合動力碼頭牽引車的關鍵是對動力電池組、發(fā)動機發(fā)電機組、驅動電動機的控制或智能控制。1.多能源動力管理系統(tǒng)在串聯式混合動力碼頭牽引車運行時時，中央控制器的多能源動力總成管理模塊，對動力電池組的充、放電，動力電池組中每個電池狀態(tài)進行監(jiān)控和檢查。鎳氫電池組由中央控制器中的電池管理模塊進行控制，當動力電池組的電能下降到40%時，立即自動啟動柴油機發(fā)電機組進行發(fā)電，并使動力電池組恢復到50%的充電狀態(tài)。發(fā)動機采取啟動關閉的控制方式控制柴油機發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)動機保持在最

53、佳效率范圍內運轉，由于碼頭車上發(fā)動機轉速比較低，而且是平穩(wěn)地連續(xù)運轉，在排氣系統(tǒng)中采用了三元催化劑，對排放氣體進行凈化處理，有害氣體排放量大大減少，噪音也有所降低，動力性能好等特點。2操縱系統(tǒng)當駕駛員踩下加速踏板時，加速踏板行程量轉換為電能信號輸入中央控制器，經過計算機計算并通過多能源動力總成控制模塊，向碼頭車驅動系統(tǒng)發(fā)出相應的指令。根據車輛的狀態(tài)，確定發(fā)動機的啟動或關閉，并根據電池管理系統(tǒng)模塊反饋的信息，指令柴油機發(fā)電機組發(fā)電，補充動力電池組的電量等。當駕駛員踩下制動踏板時，制動踏板行程量轉換為電能信號輸入中央控制器，經計算機計算并通過多能源動力總成控制模塊，電動機轉換為發(fā)電機，回收再生制動

54、反饋的能量。3.電動機的控制系統(tǒng)在串聯式混合動力碼頭牽引車上對電動機控制系統(tǒng)的目標，是貫徹保證車輛的安全、節(jié)能、環(huán)保和通信等方面原則，對碼頭車的動力系統(tǒng)、車身、底盤和車載電子、電氣設備進行全方位的自動控制。因此對混合動力碼頭車智能化控制與智能汽車通用，但串聯式混合動力碼頭車的特點，就在于動力系統(tǒng)與內燃機汽車動力系統(tǒng)有本質的區(qū)別。在混合動力碼頭車上是采用電源電源轉換器驅動電動機的動力系統(tǒng)，是屬于電力驅動技術范疇，因此，對混合動力汽車驅動電動機的控制和智能控制的研究，是混合動力汽車的關鍵技術。串聯式混合動力碼頭牽引車采用三相交流異步感應電動機，因為三相交流異步感應電動機不能直接使用直流電源，另外，三相異步感應電動機具有非線性輸出的特性。因此，在采用三相異步感應電動機時，需要應用逆變器中的功率半導體交換器件。串聯式混合動力碼頭牽引車采用矢量控制變頻器，它的原理是將交流電機定子電流矢量，按矢量交換規(guī)律由三相變?yōu)閮上啵诳刂浦型瑫r對定子電流的幅值和相位進行控制，也就是對定子電流矢量的控制。矢量控制方式可以對交流電動機進行高性能的控制，采用矢量控制方式不僅使交流電動機在調速范圍內可以達到直流電動機的水平，而且可以控制交流電動機產生的轉矩。矢量控制方式一般需要準確地