【正文】 時(shí)，電機(jī)參與工作等。表33列出了各自的特點(diǎn)與使用動(dòng)力總成方案[25]。(2)排放水平低、通過使用后處理器或者采用催化燃燒室還可達(dá)到準(zhǔn)零排放水平。串聯(lián)四沖程汽油機(jī)和柴油機(jī)優(yōu)點(diǎn)：(1)技術(shù)成熟 (2)熱效率高缺點(diǎn)：排放較差、噪聲和振動(dòng)大?；贛atlab/Simulink 平臺(tái)建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型主要通過包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算子模塊、燃油消耗和排放計(jì)算模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱模型等來建立發(fā)動(dòng)機(jī)總成模型，如圖333。目前混合動(dòng)力客車使用的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種[27]?？紤]到技術(shù)成熟度，交流感應(yīng)電機(jī)成了混合動(dòng)力客車的主要選擇。綜合多種已有的模型架構(gòu)，建立如下總成電機(jī)模型，如圖34。由于動(dòng)力電池涉及固液氣三相反應(yīng)，是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性電化學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)建模和特性描述成為混合動(dòng)力汽車性能仿真和控制策略設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。Advisor仿真軟件共有四種不同的蓄電池模型，分別為RC模型、Rint模型、Fundamental Lead Acid模型、neural network模型。AT在車輛低速或起步時(shí)機(jī)械能損失大，不適合頻繁起停的公交客車。圖36 變速器總成模型 YTK6605QHEV動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)的選擇 YTK6605QHEV發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇混合動(dòng)力客車發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe與電動(dòng)機(jī)功率Pm之間存在如圖37所示關(guān)系。 m為汽車質(zhì)量kg。A為迎風(fēng)面積m2 。結(jié)合YTK6605Q的實(shí)際情況，確定的取值要求為: (32)因此，本文取=75km/h時(shí)，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。最后得到發(fā)動(dòng)機(jī)總功率需求約為P=52kw。 YTK6605QHEV電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇◆電動(dòng)機(jī)額定功率選擇在雙軸并聯(lián)混合動(dòng)力汽車上，電動(dòng)機(jī)主要是作為功率均衡裝置，為車輛提供加速功率和爬坡功率，即通常所說的峰值功率，因此其功率參數(shù)的選擇要依照車輛具體的加速性能和爬坡性能要求而定。由此選擇西門子公司的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，功率為30kW，工作電壓為216V。采用高速電機(jī)，為達(dá)到車輛實(shí)際行駛車速要求，就要經(jīng)過多級(jí)減速，結(jié)果增大了整車動(dòng)力傳動(dòng)系的尺寸，另一方面，增大β值會(huì)使車輛驅(qū)動(dòng)軸扭矩和齒輪應(yīng)力增大。另外，電池總電量也要滿足汽車連續(xù)加速和爬坡時(shí)電動(dòng)機(jī)做功的需求，即電池在SOC工作區(qū)內(nèi)所能提供的電量必須大于電動(dòng)機(jī)持續(xù)做的總功。綜上所述得到電池參數(shù)如表36：表36 Ovonic60AhNIMH電池參數(shù)電池容量/電壓60Ah/12V電池塊數(shù)18電池外形尺寸385mm *102mm * 119mm重量（kg）冷卻方式風(fēng)扇開啟溫度風(fēng)冷35Ovonic鎳氫電池(NIMH)模組的一些技術(shù)指標(biāo)如圖311至圖315。為發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。由于PHEV在啟動(dòng)和低速時(shí)一般由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，而當(dāng)電池荷電狀態(tài)(SOC)過低時(shí)又只允許發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，所以最大傳動(dòng)比應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的最大爬坡度要求來設(shè)計(jì)，即其中，為最大傳動(dòng)比，為最大爬坡度，為動(dòng)力源最大轉(zhuǎn)矩。 圖316 變速箱降檔表 圖317 變速箱升檔表圖318 變速箱換擋表 本章小結(jié)本章主要介紹了并聯(lián)混合動(dòng)力客車動(dòng)力總成選型，動(dòng)力目標(biāo)的制定、動(dòng)力參數(shù)的選擇以及對(duì)應(yīng)的ADVISOR軟件中各總成模塊。另介紹了ADVISOR軟件中的各客車總成模塊，制定了并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性指標(biāo)。第四章 并聯(lián)混合動(dòng)力中型客車動(dòng)力總成控制策略 概述混合動(dòng)力客車的控制策略決定整車的參數(shù)匹配，對(duì)客車的燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大?；旌蟿?dòng)力客車的控制策略就是解決客車行駛時(shí)所需要的能量和功率何時(shí)和如何由車上各種不同的動(dòng)力總成來提供的能量管理問題，也就是如何根據(jù)使用要求有效的利用不同類型的動(dòng)力源，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。這就意味著部分制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由電動(dòng)機(jī)來提供，發(fā)動(dòng)機(jī)由離合器被脫開。 電動(dòng)助力控制策略電動(dòng)助力控制策略的出發(fā)點(diǎn)是盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)在效率較高的區(qū)域內(nèi)工作，并使電池電量維持在對(duì)電池效率和壽命有利的范圍內(nèi)。最小車速被定義為電池的SOC的函數(shù)，以保持電池電量的平衡。用來對(duì)電池充電的扭矩的大小主要取決于電池的SOC，目前發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域時(shí)所提供的扭矩與所需的扭矩的差值，電池所能承受的最大充電電流等。與Toff(n)相同，Tmin(n)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)減速時(shí)，電機(jī)可以部分回收制動(dòng)能并對(duì)電池進(jìn)行充電，回收的制動(dòng)能儲(chǔ)存在電池中。2. 這個(gè)附加轉(zhuǎn)矩可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低效率區(qū)域。在已知各個(gè)部件特性的情況下，為了考察電池的充放電效率，在實(shí)時(shí)控制策略中的一個(gè)重要參數(shù)就是電池中儲(chǔ)存的能量的比油耗，這里稱其為能量當(dāng)量。為了使電池的電量維持在要求的區(qū)域內(nèi)，能量當(dāng)量還應(yīng)是電池的SOC的函數(shù)[40]。電池中的能量主要來自兩個(gè)部分，一部分是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過電機(jī)對(duì)電池的充電，另一部分來自回收的制動(dòng)能量。綜上所述，電動(dòng)輔助控制策略的建模思想是在多數(shù)情況下，電池SOC 維持在它的中線附近，使電池電量保持充足，這樣對(duì)電池的壽命很有利。圖41 電動(dòng)輔助控制策略在ADVISOR 中實(shí)現(xiàn)的模型圖42 電動(dòng)輔助控制策略模型中的minimum trq(Nm)模塊1. 當(dāng)電池SOC 低于SOC 最低值，附加轉(zhuǎn)矩從發(fā)動(dòng)機(jī)傳出向電池充電。以上所討論的情況都是基于行駛時(shí)所需要的扭矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)在給定的轉(zhuǎn)速所能提供的最大扭矩的假設(shè)下。(4)當(dāng)電池的SOC小于SOClo時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)工作，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。其中Toff(n)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此在以下的敘述中將對(duì)電池的SOC分兩種情況進(jìn)行討論。并聯(lián)式混合動(dòng)力客車的控制策略目前還不成熟，需要進(jìn)一步優(yōu)化。并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)客車可以在純電動(dòng)、純發(fā)動(dòng)機(jī)、雙動(dòng)力源和混合模式下進(jìn)行工作。因此，制定切實(shí)可行的控制策略，對(duì)于整車方案設(shè)計(jì)十分重要。根據(jù)對(duì)YTK6605QHEV設(shè)計(jì)的動(dòng)力性指標(biāo)，在理論和實(shí)踐相結(jié)合的條件下，針對(duì)各個(gè)動(dòng)力總成部件的參數(shù)選擇原則和方法進(jìn)行了詳細(xì)說明，并提出了部件參數(shù)的計(jì)算公式。并且通過比較分析確定了并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)各部分的選型。根據(jù)一般汽車傳動(dòng)比大致符合如下關(guān)系：得到各檔位傳動(dòng)比為：，1。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在最高車速時(shí)還應(yīng)能發(fā)揮其最大功率，所以還應(yīng)滿足其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。PHEV的最小傳動(dòng)比應(yīng)從滿足車輛最高車速的要求來選擇。計(jì)算得到：W=，n≥由此蓄電池選用仿真軟件中自帶的Ovonic 60Ah NiMH HEV battery，額定電壓12V。綜上所述，得到電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表35所示：表35 電動(dòng)機(jī)參數(shù)電動(dòng)機(jī)額定功率/電壓 30kW/216V電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速2200rpm/9000rpm電動(dòng)機(jī)的效率曲線如圖310:圖310 西門子30KW電動(dòng)機(jī)效率曲線圖 YTK6605QHEV電池參數(shù)的選擇電池是用來向電動(dòng)機(jī)提供電力功率的，所以它必須滿足電動(dòng)機(jī)工作的要求。具有較大β值的低速電機(jī)有更高的額定轉(zhuǎn)矩[32]。由表32的動(dòng)力性指標(biāo)要求得到如下計(jì)算公式：即使車輛達(dá)到95km/h時(shí)，所需要的功率： (33)計(jì)算得到：=2. 加速功率需求 滿載汽車在平路上行駛，從靜止起步加速至速度Vn=50km/h時(shí)，汽車所需功率： (34)計(jì)算得到：= ，可在6%的坡度上持續(xù)以40km/h行駛。選取的發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表34所示：表34 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)額定功率/轉(zhuǎn)速54kW/5000rpm 最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速134Nm/3000rpm 圖38 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線圖 圖39 發(fā)動(dòng)機(jī)效率曲線圖在客車設(shè)計(jì)與開發(fā)工作中，需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線來分析發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。除了車輛行駛需求的功率外，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛勻速行駛時(shí)還應(yīng)有一定的為電池充電的功率余量10%左右以及附件功率(特別是有空調(diào)時(shí))。若取 =，顯然發(fā)動(dòng)機(jī)的功率取值偏大，因?yàn)閷?shí)際上車輛很少以最高車速行駛。f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。通常，并聯(lián)混合動(dòng)力汽車都要求具有與普通汽車相近的動(dòng)力性能，并且續(xù)行里程不受電池組容量限制，因此都可歸類為助力型HEV，而對(duì)助力型HEV發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率的取值一般要依據(jù)車輛勻速行駛時(shí)的功率需求，即: 　 (31)式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)功率kw。因此，對(duì)混合動(dòng)力客車選用AMT能夠更好地發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。其頂層模塊的實(shí)現(xiàn)如圖35所示：圖 35 蓄電池總成模型 并聯(lián)混合動(dòng)力客車變速器選型變速器目前主要分為機(jī)械式手動(dòng)變速器—Manual Transmission(MT)、機(jī)械式自動(dòng)變速器—Automatic Manual Transmission(AMT)、自動(dòng)變速器—Automatic Transmission(AT)以及無級(jí)變速器—Continuous Variable Transmission(CVT)。對(duì)于本文將采用技術(shù)較成熟的NiMH動(dòng)力電池組為研究對(duì)象。能量回收制動(dòng)(Regenerative breaking)對(duì)提高混合動(dòng)力客車的總效率是非常有意義的，混合動(dòng)力客車要求儲(chǔ)能裝置應(yīng)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠接收制動(dòng)功率(例如2分鐘)，為使儲(chǔ)能裝置不致太重，要求其應(yīng)具有比較高的比功率和比能量。本文選擇技術(shù)成熟交流感應(yīng)電機(jī)作為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)非常適合應(yīng)用于混合動(dòng)力客車傳動(dòng)系。圖32 發(fā)動(dòng)機(jī)總成模型圖33 發(fā)動(dòng)機(jī)總成模型中的燃燃油消耗和排放計(jì)算模塊 并聯(lián)混合動(dòng)力客車電動(dòng)機(jī)選型在混合動(dòng)力客車應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)的選用原則為：(1)高性能、低重量和小尺寸；(2)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的效率；(3)電磁輻射盡量??；(4)成本低。串聯(lián)并聯(lián)綜上所述，對(duì)于并聯(lián)混合動(dòng)力客車，應(yīng)用目前技術(shù)成熟的先進(jìn)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)并做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)不失為最佳選擇。串聯(lián)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：具有高的效率、低排放和低噪聲性能。 (2)最小燃油消耗率較高，達(dá)到了300360g/kwh缺點(diǎn)： 排放較高。另外還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)、可靠性、使用壽命、維護(hù)成本、運(yùn)行成本以及安全性能等因素。 并聯(lián)混合動(dòng)力客車發(fā)動(dòng)機(jī)選型選擇混合動(dòng)力客車用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，首先要考慮的就是滿足汽車性能要求的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與額定功率問題。模型首先根據(jù)需求的加速度計(jì)算需求的牽引力，然后根據(jù)車輪輸出的牽引力來計(jì)算可以輸出的加速度。為了充分發(fā)揮HEV的優(yōu)勢(shì)，本章主要是對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力客車動(dòng)力總成選型和參數(shù)匹配進(jìn)行研究。 (2)通過對(duì)四種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，得出結(jié)論：并聯(lián)混合動(dòng)力客車更適合于路況簡(jiǎn)單的城市間公路及高速行駛的車輛；串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車特別適合于在市內(nèi)低速運(yùn)行、頻繁的加速、減速、停車的復(fù)雜工況；混聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有二者的優(yōu)點(diǎn)，但由于其系統(tǒng)過于復(fù)雜，部件性能要求高，造價(jià)也高，在研究、開發(fā)中和應(yīng)用中都受到很大的限制；插電式則由于受充電時(shí)間和續(xù)駛里程限制不予考慮?；谏鲜鰧?duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的分析，可知混合動(dòng)力汽車是一個(gè)組成部件多、驅(qū)動(dòng)布置形式多樣的復(fù)雜系統(tǒng)。本文選擇并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其主要原因表現(xiàn)在以下方面：(1)并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)是相互獨(dú)立的，在低速小功率運(yùn)行時(shí)可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，利用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。運(yùn)行時(shí)間固定。 中型客車運(yùn)行工況的特點(diǎn)中型客車與其他車輛行車工況相比，有顯著特點(diǎn)[2223]： (1)行駛道路有其自身特點(diǎn) 隨著城間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐步完善，城間道路條件逐步完善，道路質(zhì)量比較好，車輛行駛較平穩(wěn)；市內(nèi)廣泛采用了立體交通，立交橋路面坡度一般為4%6%，在沒有公交專線的情況下市內(nèi)車輛行駛速度較低，易發(fā)生交通堵塞，經(jīng)常發(fā)生坡道起步；同時(shí)建有橋梁的市內(nèi)還應(yīng)考慮車輛爬長(zhǎng)坡的要求，因?yàn)闃蛄旱钠露炔淮?，但是坡道較長(zhǎng)，這就對(duì)車輛提出了爬長(zhǎng)坡的要求。串聯(lián)式HEV與并聯(lián)、混聯(lián)、插電式HEV的主要優(yōu)缺點(diǎn)比較見如表21。長(zhǎng)途行駛相當(dāng)于串聯(lián)混合動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不受汽車行駛狀況影響，總是在最高效率狀態(tài)下工作或自動(dòng)關(guān)閉，可實(shí)現(xiàn)低排放及超低油耗，達(dá)到環(huán)保和節(jié)能效果。因此發(fā)動(dòng)機(jī)排量可減少，電動(dòng)機(jī)功率可降低，其體積減少，而且加速性能很好。 (2)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式需要裝置離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)器等傳動(dòng)總成，另外還有驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池組，以及動(dòng)力耦合器等裝置，因此使動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置和控制也更加困難。 二、PHEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能特點(diǎn) (一)PHEV的優(yōu)點(diǎn)主要包括以下三個(gè)方面： (1)基本驅(qū)動(dòng)模式是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能可直接輸出到汽車驅(qū)動(dòng)橋，沒有機(jī)械能－電能－機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程，與串聯(lián)式布置相比，能量綜合效率較高。由于不是經(jīng)常在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此效率較低。 (3) SHEV以動(dòng)力電池組為基本能源來驅(qū)動(dòng)，使SHEV在城市中，實(shí)現(xiàn)“零污染”狀態(tài)的行駛。鋰電池容量等詳細(xì)信息未公布，不過每次充電最多可實(shí)現(xiàn)約54km的EV行駛。美國(guó)通用汽車(GM)在底特律車展(2008 North American International Auto Show)展出了配備柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的插電式混合動(dòng)力概念車“Saturn Flextreme Concept”，該車采用了該公司定位于下一代電動(dòng)汽車平臺(tái)的“EFlex”。電機(jī)功率為70kW。而在110V電源上充電時(shí)間為8小時(shí)。與傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車不同的是Volt汽車徹底消除了人們對(duì)行駛距離的顧慮，它可以使駕駛員完全不用擔(dān)心由于鋰離子蓄電池電量耗盡而進(jìn)退兩難所帶來的尷尬。它可以通過電力來全時(shí)、全速驅(qū)動(dòng)車輛。例如有一輛可以單獨(dú)靠電池行駛50km的PHEV，可利用電池行駛40km，到旅程終點(diǎn)后，再利用電網(wǎng)電源對(duì)電池充電；如果旅程超過50km，則開始的50km可以用電池來行駛，超過50km后則可以常規(guī)的混合動(dòng)力方式行駛