微混合動力城市客車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

1、第28卷第6期重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)()Vol.28No.6微混合動力城市客車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配黃大星,何仁,李麗群22(1.韶關(guān)學(xué)院汽車系,廣東韶關(guān)512005;2.江蘇大學(xué),江蘇鎮(zhèn)江212013)摘要:在城市工況下,車輛怠速油耗大,車輛起停十分頻繁,微混合動力汽車?yán)肂SG對發(fā)動機(jī)進(jìn)行快速啟動和停止控制,取消了發(fā)動機(jī)怠速工況。通過對車輛起動和制動工況進(jìn)行分析,對城市客車動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),提出了車輛控制策略,并對動力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。利用ADVISOR軟件對車輛性能進(jìn)行了仿真分析,確定了動力系統(tǒng)各部件的參數(shù)。分析結(jié)果表明,改進(jìn)后的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能滿足車輛起動性能要求,其燃油

2、經(jīng)濟(jì)性也有所提高。關(guān)鍵詞:微混合動力;城市客車;參數(shù)匹配;起動性能;再生制動中圖分類號:U273文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:167420696(2009)0621118203ParametersMatchingofPowerSystemofMiBusHUANGDa2xing,i12(1.SchoolofAutomobile,ShaoguanUniversity,JiangsuUniversity,JiangsuZhenjiang212013,China)Abstract:Vehiclesareon,andvehiclesstartandstopfrequentlyonurbanconditions

3、.Themicrohybridrapstart2upandstopcontrolofenginebyuseofBSG,whichequatestheabolitionoftheengineon.oughtheanalysisonstart2upandbrakingperformanceofvehicle,thestructureoftransmis2sionsystemofbusisimproved,thecontrolstrategyisproposed,andtheparametermatchingofpowersystemisde2signed.Thesimulationanalysis

4、ofvehicleperformanceisdonebyusingtheADVISORsoftwaretodeterminetheparametersofthecomponents.Theresultsshowthattheimprovedstructuremeetstherequirementsofstart2upperformanceofthevehi2cle,atthesametimethefuel2consumingismoreeconomical.Keywords:microhybridpower;citybus;parametermatching;start2upperforman

5、ce;regenerativebraking1引言現(xiàn)代汽車在城市工況行駛時(shí),車輛起停十分頻繁,在交叉路口、紅綠燈處等怠速停車的時(shí)間越來越長,在怠速停車時(shí)發(fā)動機(jī)仍保持怠速運(yùn)轉(zhuǎn),汽車怠速時(shí)間占行車時(shí)間的30%以上,而且怠速工況下有相當(dāng)一部分油耗浪費(fèi),而且造成排放廢氣污染環(huán)境。怠速起停系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的啟動電機(jī)上加裝了驅(qū)動啟動電機(jī),該系統(tǒng)電機(jī)為啟動發(fā)電(Stop2Start)一體式電動機(jī),用來控制發(fā)動機(jī)的啟動和停止,即取消了1發(fā)動機(jī)的怠速,從而降低油耗和排放。微混合動力車輛只需在傳統(tǒng)城市客車的基礎(chǔ)上,對動力傳動系統(tǒng)做簡單改進(jìn),對具備怠速起停車輛的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)合理匹配,以便有利于城市交通通暢

6、,又能提高駕駛性能的同時(shí),提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、汽車動力性及改善汽車快速起動性能和平順性能。2車輛基本控制策略圖1為改進(jìn)后的城市客車動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1城市客車動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整車基本控制策略:車輛發(fā)動機(jī)由ISG電機(jī)啟動,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí),帶動發(fā)動機(jī)啟動到怠速,然后將電機(jī)關(guān)閉,之后汽車由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動,進(jìn)入正常行駛狀態(tài);當(dāng)汽車減速制動或下坡緩行時(shí),ISG作為發(fā)電機(jī)向電池組充電,實(shí)現(xiàn)制動能量回2收。收稿日期:2009208218;修訂日期:2009209212基金項(xiàng)目:江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(QC200804);韶關(guān)學(xué)院科研項(xiàng)目(20092150204)作者簡介:黃大星(19

7、792),男,江西永豐人,講師,博士研究生,主要從事混合動力汽車及車輛動力學(xué)。E2mail:huangdax2ing2007。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期黃大星,等:微混合動力城市客車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配11193發(fā)動機(jī)選型3發(fā)動機(jī)功率的選擇對車輛傳動系的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。發(fā)動機(jī)功率偏大,車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能就差;發(fā)動機(jī)功率偏小,后備功率就小,加速與爬坡能力就差。由于微混合動力車輛的電機(jī)只用來控制4發(fā)動機(jī)的啟動和停止,所以汽車發(fā)動機(jī)的功率只

8、需滿足最高車速行駛要求。Pe,maxCdAv(mgfv+)=3600211153(1)圖3不同速比時(shí)車輛的功率平衡式中:Pe,max為發(fā)動機(jī)最大功率;為傳動系效率;m為整車質(zhì)量;f為滾動阻力系數(shù);Cd為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積;v為車輛勻速行駛速度。車輛勻速行駛速度由城市循環(huán)工況而定,我國城市車輛平均行駛速度為2030km/h,綜合我國5車輛及路況實(shí)際現(xiàn)狀,取30km/h,圖2為基于比油耗的發(fā)動機(jī)萬有特性圖。511啟動發(fā)動機(jī)圖2發(fā)動機(jī)萬有特性4主減速器速比的設(shè)計(jì)選擇主減速器的速比既要滿足最高行駛速度的要求,又要使發(fā)動機(jī)在最高速度時(shí)發(fā)揮出最大功率,圖3為不同速比時(shí)車輛功率平衡圖。由圖3可以看出,當(dāng)

9、速比取B線時(shí),雖然可以略為減小高速行駛時(shí)的電機(jī)供應(yīng)功率,但當(dāng)車輛低速行駛時(shí)后備功率不足;當(dāng)速比取C線時(shí),在滿足最高車速行駛功率要求時(shí),后備功率也相當(dāng)大。以低速行駛的城市客車為研究對象,要求發(fā)動機(jī)具有較高的后備功率,從而使其有富裕的功率為電池組充電,有助于減小電池組的容量。因此其主減速器速比的選擇,只需考慮滿足最高行駛速度的要求。io01377rdnemaxvm(2)5ISG參數(shù)匹配電機(jī)參數(shù)匹配主要是對電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行設(shè)計(jì),筆者主要對ISG電機(jī)在發(fā)動機(jī)快速啟動工況和車輛再生制動工況進(jìn)行分析。當(dāng)發(fā)動機(jī)需要快速啟動時(shí),它是由ISG電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動提供轉(zhuǎn)矩,在規(guī)定時(shí)間速轉(zhuǎn)速,:(3)startsnid

10、(4)Jct:Tm_e為啟動時(shí)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩,Nm;Jc為在曲軸等效的轉(zhuǎn)動慣量,kgm;nidle為發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速,rad/s;tstart為加速時(shí)間,s。研究表明,電機(jī)功率與整車價(jià)格基本符合線性關(guān)6系,電機(jī)功率越大,要求的電池容量也越大,從而使整車價(jià)格成比例地增加。因此從降低成本角度看,電機(jī)功率應(yīng)盡可能減小,但電機(jī)功率不能無限小,它必須滿足單獨(dú)啟動發(fā)動機(jī)所需要的功率。當(dāng)ISG作為起動機(jī)時(shí),這時(shí)要求車輛在規(guī)定時(shí)間內(nèi)啟動發(fā)動機(jī)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速。這時(shí)要求電機(jī)具有瞬間起動發(fā)動機(jī)的能力,即瞬間啟動發(fā)動機(jī)的功率Pm_e(kW):nidle(5)Pm_e=Jenedne1000tstart0式中:Je為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)

11、動慣量,kgm;ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,rad/s;nidle為怠速轉(zhuǎn)速,rad/s;Te為發(fā)動機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩,Nm。512再生制動為了提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性,當(dāng)汽車減速或下坡行駛時(shí),ISG作為發(fā)電機(jī)向電池組充電,實(shí)現(xiàn)制動能量回收時(shí),這時(shí)所需要的功率為:(6)Pm_r=Tmnmm/9549式中:Pm_r為再生制動功率,kw;nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速,rad/s;m為電機(jī)效率。研究表明,典型城市工況下,純電機(jī)制動的制動7強(qiáng)度z011,這種情況的再生制動占75%。其約束條件為:(7)z=Fre/mg(8)Fre=Tm_rioigt/r(9)Tm_r=zmgr/ioigt(10)Tm_r=011mgr/i0igt©

12、; 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1120重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第28卷式中:z為制動強(qiáng)度;Fre為電機(jī)提供的制動力,N;Tm_r為電機(jī)提供的制動力矩,Nm;r為車輪半徑,m;io為主減速比;ig為變速器速比;t為機(jī)械傳動效率。513參數(shù)匹配流程先初步確定轉(zhuǎn)矩,城市客車用發(fā)動機(jī)其怠速為800r/min左右,要求發(fā)動機(jī)起動在ts=014s內(nèi)完8成(乘客感覺不到發(fā)動機(jī)啟動),利用公式(3)、公式(4)計(jì)算出ISG電機(jī)啟動發(fā)動機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩Tm_e,再利用公

13、式(5)確定ISG電機(jī)快速啟動發(fā)動機(jī)的功率Pm_e。在保證電機(jī)快速啟動發(fā)動機(jī)的同時(shí),盡可能地提高燃油經(jīng)濟(jì)性,利用公式(6)和公式(10)分別計(jì)算再生制動時(shí)所需要的功率Pm_r和轉(zhuǎn)矩Tm_r,并綜合考慮快速啟動發(fā)動機(jī)功率Pm_e和轉(zhuǎn)矩Tm_e通過多次選取比較,選擇合適的電機(jī)功率P和轉(zhuǎn)矩T。圖4電機(jī)啟動發(fā)動機(jī)過程轉(zhuǎn)速曲線表2是利用ADVISIOR在城市十五工況下對改進(jìn)前后的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,與傳統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性相比較。結(jié)果表明,改進(jìn)后的動力傳動系統(tǒng)通過取消怠速和制動能量回收,燃油經(jīng)濟(jì)性提高了1114%。表2/(L(-1)1264改進(jìn)后2510426實(shí)例匹配分析機(jī)、停止,體積小、依據(jù)上述電機(jī)匹配

14、方法,設(shè)計(jì)某微混合動力城市客車的動力系統(tǒng),主要部件參數(shù)如表1。表1某微混合動力城市客車的動力系統(tǒng)參數(shù)整車參數(shù)整車質(zhì)量/kg空氣阻力系數(shù)迎風(fēng)面積/m2滾動阻力系數(shù)YC6112ZLQISG(永磁無刷直流)tt速比根據(jù)城市客車行駛工況,對微混合動力車輛的控制策略進(jìn)行了分析,提出了微混合動力汽車動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)方法。利用該匹配方法對客車進(jìn)行了參數(shù)匹配,ISG電機(jī)能改善發(fā)動機(jī)啟動性能,采取取消怠速和制動能量回收能使車輛燃油經(jīng)濟(jì)性有較大提高。參考文獻(xiàn):1EckhardK,EngbertS,LutzG,etal.Micro2HEVsasasteptowardimprovedfueleconomyandem

15、issionsC/InternationalAdvancedAutomotiveBatteryConferenceandUltracapacitorConference.Honolulu,HI(US):Ad2vancedAutomotiveBatteryConferenceandUltracapacitorConference,2005.2HideakiT,HidediY,RyojiH,etal.ContinuouslyVaria2bleTransmissionControlSystemforToyotaIntelligentId2lingStopSystemC/USA:SAE,2004.3余

16、志生,汽車?yán)碚揗.(3版).北京:機(jī)械工業(yè)出版發(fā)動機(jī)電機(jī)變速器主減速器車輪783001661150101177kW(2500r/min)682Nm(1900r/min)10kW(2500r/min)127Nm(1500r/min)5132;3100;1163;1100;01745157101571速比車輪半徑/m微混合動力車輛與其它類型車輛最大區(qū)別在于ISG電機(jī)只用來控制發(fā)動機(jī)的啟動和停止,所以檢驗(yàn)參數(shù)匹配的合理性在于ISG電機(jī)的快速啟動性能及匹配后車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的改善程度。圖4為傳統(tǒng)電機(jī)與ISG電機(jī)啟動發(fā)動機(jī)過程比較曲線圖。傳統(tǒng)電機(jī)啟動發(fā)動機(jī)方式,短時(shí)間迅速帶動發(fā)動機(jī)至1100r/min左右,這一過程由于噴油的加濃過程導(dǎo)致排放較差。利用ISG電機(jī)改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)啟動方式,電機(jī)0135s將發(fā)動機(jī)帶至怠速轉(zhuǎn)速800r/min,發(fā)動機(jī)點(diǎn)火啟動,ISG電機(jī)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制模式以補(bǔ)償發(fā)動機(jī)啟動時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動。并且使發(fā)動機(jī)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入油耗較低和排放較低的怠速閉環(huán)控制狀態(tài)。社,200514GoroT,TonyH,JoelT,etal.SaturnEngineStop2StartSystemwithanAutomaticTransmissionC/USA:SAE,2001.5李東軍,李理光.中國典型城市車輛行駛狀況的測試統(tǒng)計(jì)J.汽車技術(shù),1998(