串聯(lián)式混合動力電動汽車先導(dǎo)車的研究開發(fā)

1、第25卷第3期2001年9月武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版Journal of Wuhan University of Technolo gy(T r anspo rtat ion Science&Engineer ingV ol.25N o.3September2001串聯(lián)式混合動力電動汽車先導(dǎo)車的研究開發(fā)*黃妙華1金國棟1鄧亞東2(華中科技大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院1武漢430074(武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院2武漢430070摘要:在對串聯(lián)混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)、原理、特性進(jìn)行探討的基礎(chǔ)上,研究了電機(jī)功率、AP U 功率等參數(shù)的選擇方法及控制策略,并選以神龍富康988-EX車型進(jìn)行了串聯(lián)式

2、混合動力先導(dǎo)車的研究開發(fā).關(guān)鍵詞:混合動力電動汽車;串聯(lián);開發(fā)中圖法分類號:U270.11基本原理串聯(lián)混合電動汽車其結(jié)構(gòu)如圖1所示.該系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)發(fā)電供電動機(jī)驅(qū)動車輪,所有發(fā)動機(jī)的機(jī)械能都轉(zhuǎn)換成電能以驅(qū)動電動機(jī),多余的電能則存儲在蓄電池或超級電容器中.發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中不再設(shè)置離合器或變速器.由于發(fā)動機(jī)僅用來發(fā)電,它可以在幾乎恒定的轉(zhuǎn)速下運行,因而可以獲得較佳的經(jīng)濟(jì)性和排放性能, 因為發(fā)動機(jī)的油耗和排放性能與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速及圖1SHEV驅(qū)動系統(tǒng)功率輸出有關(guān),所以混合電動汽車的發(fā)動機(jī)比作為汽車唯一動力裝置的發(fā)動機(jī)更經(jīng)濟(jì)、更干凈.但發(fā)動機(jī)和電動機(jī)串聯(lián),發(fā)動機(jī)的機(jī)械能由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能,再由電動機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械

3、能,每一轉(zhuǎn)換都有能量損失,故整體效率低一些.2SHEV驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)選擇混合動力驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)包括電機(jī)的功率、APU功率等對車輛動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能有顯著的影響23.2.1電機(jī)參數(shù)的選擇收稿日期:20010312黃妙華:女,38歲,博士,副教授,主要研究領(lǐng)域為汽車設(shè)計、性能模擬、系統(tǒng)分析及CA D/CA M技術(shù)*湖北省經(jīng)委預(yù)研項目(批準(zhǔn)號:9952013259電機(jī)參數(shù)的選擇應(yīng)能提供滿足車輛行駛速度范圍寬和負(fù)載變化大的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性,即低速恒轉(zhuǎn)矩和高速恒功率.相應(yīng)的參數(shù)選擇包括:電機(jī)額定功率P mr、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n mr、電機(jī)最高轉(zhuǎn)速n m max及電機(jī)額定電壓的選擇.P mr t=m a

4、gf cos v a3600+C d Av3a76140+m a g f sin v a3600+!m a v a d v/d t3600(2式中:m a為整車質(zhì)量,kg;f為滾動阻力系數(shù);為爬坡度;C d為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;!為轉(zhuǎn)動質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);v a為設(shè)定車速,km/h; t為電機(jī)到輪胎之間的傳動效率,d v/d t為車輛的加速度.由式(2可知,電機(jī)功率的選擇應(yīng)滿足車輛達(dá)到最高車速、爬坡和加速的要求.選擇時,可分別計算車輛達(dá)到最高車速、爬坡和加速要求時的功率,取其最大值作電機(jī)功率.2.2APU功率的選擇E d=P mr t T on(3式中:T on為電機(jī)在整個行程中的工作時間.

5、因此,APU所產(chǎn)生的能量E A PU,E APU=E d-E b(1-SOC min(4最小充電狀態(tài)(SOC min,state of charge由SHEV 控制策略決定,它的大小決定了蓄電池的使用壽命.一般取SOC min=20%.為了從APU中獲得該能量,需一定時間t on,則APU的功率PAPU可由式(5確定.P APU=E APU/(t on gen b(5式中:t on為APU在整個行程中的工作時間; gen為發(fā)電機(jī)效率; b為蓄電池效率.3驅(qū)動系統(tǒng)控制策略混合動力電動汽車由發(fā)動機(jī)和蓄電池共同提供動力,發(fā)動機(jī)和電動機(jī)可進(jìn)行不同組合得到不同的驅(qū)動方案,如:串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián).整車性能的

6、好壞不僅與發(fā)動機(jī)和電動機(jī)等部件有關(guān),還與其控制策略和優(yōu)化方法有關(guān)4.本系統(tǒng)采用發(fā)動機(jī)間歇(ON-OFF控制策略,發(fā)動機(jī)間歇控制策略是以SOC為目標(biāo),發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組作為APU,當(dāng)SOC低于某一限定值,如SOC=30%,發(fā)動機(jī)起動,APU在最高效率范圍內(nèi)工作,由于APU 的響應(yīng)速度、范圍與電動機(jī)不同,實際上,很難完成由APU產(chǎn)生的電能與電動機(jī)消耗的電能一274武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版2001年第25卷致,因此,APU與電動機(jī)的能量差由蓄電池的充放電來吸收.當(dāng)由APU產(chǎn)生的電能小于電動機(jī)的消耗的電能,不足的部分就由電池組的放電來補償.當(dāng)APU產(chǎn)生的電能大于電動機(jī)的消耗的電能或當(dāng)再生制動時

7、能量反饋時,多余的部分就給電池組的充電.當(dāng)SOC高于某一限定值,如SOC=70%,發(fā)動機(jī)關(guān)閉,APU停止工作.SOC 的狀態(tài)不僅與充放電量有關(guān),還與電池容量及APU的響應(yīng)速度有關(guān),小容量電池,電池釋放和接受的能量自然就小,SOC變化就大,SOC的變化隨著APU輸出響應(yīng)速度的變慢而加快.采用這種控制方式,由于發(fā)動機(jī)輸出的間歇突變,會引起發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩突變,從而引起駕駛狀態(tài)突變,駕駛員會感到噪聲和振動.若蓄電池容量過小,發(fā)動機(jī)起動次數(shù)過于頻繁,反而會影響燃油經(jīng)濟(jì)性和排放.SHEV發(fā)動機(jī)能保持在最佳工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運行這一特點的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在低速、加速等運行工況,而在汽車中、高速行駛時,由于其電傳

8、動效率低,抵消了發(fā)動機(jī)油耗低的優(yōu)點,因此, SHEV更適用于在市內(nèi)低速運行的工況.在繁華的市區(qū),汽車在起步和低速時還可以關(guān)閉發(fā)動機(jī),只利用電池進(jìn)行功率輸出,使汽車達(dá)到零排放的要求.4應(yīng)用4.1SHEV先導(dǎo)車的設(shè)計準(zhǔn)則1SHEV主要用于城市內(nèi)行駛,最高車速不宜選擇過高.2應(yīng)滿足市內(nèi)行駛加速要求,保持現(xiàn)有操縱性能.3提高燃油經(jīng)濟(jì)性,減少排放.4續(xù)駛里程能滿足市內(nèi)行駛要求.5減少驅(qū)動系統(tǒng)重量、體積、降低成本.4.2SHEV先導(dǎo)車的系統(tǒng)配置及其性能利用前述理論,選以神龍富康988-EX車型進(jìn)行了串聯(lián)式混合動力先導(dǎo)車的開發(fā),將其動力傳動系改為串聯(lián)混合傳動系,主要部件參數(shù)選擇及整車性能如下.1底盤富康98

9、8EX;整備質(zhì)量:1249kg;滿載總質(zhì)量:1584kg;風(fēng)阻:C d=0.315;滾動阻力系數(shù):f=0.014;輪胎:165/70R14M XL;整車尺寸:長×寬×高=4291mm×1702m m×1418mm2輔助動力源(APU發(fā)動機(jī):單缸柴油機(jī);發(fā)電機(jī):2kW.3驅(qū)動系統(tǒng)電動機(jī)類型:三相交流感應(yīng)電動機(jī);最大功率:36kW;最大轉(zhuǎn)矩:90Nm;最高轉(zhuǎn)速:12000r/min;減速比:14.61.4蓄電池鉛酸電池電壓:144VDC;重量: 324kg;循環(huán)使用壽命:800次,80%,SOC.5性能最高車速:90km/h;加速能力:< 10s(05

10、0km/h;一次充電純電動行駛里程: 125km(40km/h恒速;混合動力行駛里程:210 km;燃油經(jīng)濟(jì)性:7L/100km.5結(jié)束語所開發(fā)的串聯(lián)混合動力電動汽車基本能滿足設(shè)計準(zhǔn)則的要求,只是A PU中發(fā)動機(jī)功率參數(shù)選擇較小,排放不能達(dá)到設(shè)計要求,目前新一輪設(shè)計正在改進(jìn).下面幾個問題值得注意.1蓄電池是影響SHEV續(xù)駛里程的重要因素,對中級轎車應(yīng)采用比功率、比能量大的蓄電池.2APU中發(fā)動機(jī)功率參數(shù)選擇不宜過小,否則排放不能達(dá)到設(shè)計要求,且頻繁啟動,會增加油耗.3APU的性能及控制直接影響SHEV性能,是SHEV車輛設(shè)計的關(guān)鍵.參考文獻(xiàn)1T akeshi A so,M asato Fuki

11、no,T oshio K ikuchi Eiji Inada.Simulat ion study of third-g enerat ion ser ies hybr id sy stem.EV S-15,19982Chr isteopher M er riman.T he effects of eng ine per for mance and eng ine st arts o n ser ies HEVo per ation.SA E970288.4344433Fenfan F rank St odolsky,D anlio Santini.Hybr id o ption for lig

12、ht-duty v ehicles.SA E1999-01-2929:3235 32454T ho ms Vo llmer.O perat iona1strat egy and co nt ro l of the Autar ky hybr id o f the T U M uenchen.EV S-16, 1999275第3期黃妙華等:串聯(lián)式混合動力電動汽車先導(dǎo)車的研究開發(fā)Prototype Design and Development of Series Hybrid Electric Vehicle for U rban AreaHuang miaohua 1Jin guodong 1D

13、eng yadong 2(College of M echanical Science and E ngineering ,H UST ,W uhan 4300741(W uhan Univ ersity of T echnology ,W uhan 4300702AbstractBased on ex plo ratio n of series HEV 's co nstr uctio n,function and char acter istic,a par am eter selection m ethod on m otor pow er,APU Pow er and its

14、co ntrol strategies is presented in this paper.It intro duces the dev elo pm ent of prototy pe of a series hy brid vehicle o f citr e ¨on 988EX .Key words :HEV hybrid electr ic v ehicle;series,develo pment交通部2001年優(yōu)秀青年專業(yè)技術(shù)人才專項經(jīng)費資助項目簡介基于虛擬環(huán)境的分布式內(nèi)河船舶駕駛仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究我校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊克儉副教授獲得交通部人才專項經(jīng)費資助,該項目為“基于虛擬環(huán)境的分布式內(nèi)河船舶駕駛仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”,資助額度為10萬元.該項目的研究內(nèi)容為:1綜合利用遙感圖像與航道等深線圖數(shù)據(jù)建立三維數(shù)字化航道的研究;2適于大尺寸圖像分析處理的“可分塊隨機(jī)訪問圖像格式