【正文】 結(jié)構(gòu)，不改變現(xiàn)有能源（石油燃料）的體系，不改變用戶對(duì)汽車的使用習(xí)慣，這也是他能夠迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要因素。隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展，自 20xx 年以來，集裝箱運(yùn)輸每年都以超過 10%的幅度增長(zhǎng)，截止 20xx 年1 月 31 日，全球集裝箱船隊(duì)總運(yùn)力已增長(zhǎng)到 913 萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱。 由于行駛路況的特殊性，現(xiàn)有碼頭牽引車在工作過程中存在如下問題： 1) 運(yùn)行速度低 導(dǎo)致汽車發(fā)動(dòng)機(jī)低效區(qū)，燃油經(jīng)濟(jì)性差，排放高； 2) 頻繁起 /停 增加了牽引車的排放； 3) 長(zhǎng)時(shí)間怠速 燃油利用率低。 混合動(dòng)力汽車技術(shù)關(guān)鍵在于動(dòng)力總成技術(shù)、能量分配和管理以及整車控制。 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 4 2 混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)分析 混合動(dòng)力汽車的主要組成 1．發(fā)動(dòng)機(jī) 混合動(dòng)力汽車可以廣泛地采用四沖程內(nèi)燃機(jī)（包括汽油機(jī) 和柴油機(jī)）、二沖程內(nèi)燃機(jī)（包括汽油機(jī)和柴油機(jī)）、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等。 3．電池 混合動(dòng)力汽車還可 以采用不同的蓄電池、燃料電池、儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容器等作為“電池”，一般電池作為混合動(dòng)力汽車的輔助能源，只有在混合動(dòng)力汽車用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)時(shí)才使用。電池實(shí)際上起平衡原動(dòng)機(jī)輸出功率和電動(dòng)機(jī)輸出功率的作用：當(dāng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率大于電動(dòng)機(jī)所需的功率時(shí)（如汽車減速滑行、低速行駛和短時(shí)停車等工況），控制器 控制發(fā)電機(jī)向電池充電；當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率低于電動(dòng)機(jī)所需的功率時(shí) （如汽車起步、加速、高速行駛、爬坡等工況），電池則向電動(dòng)機(jī)提供額外的電能。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的不足是：發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出需全部轉(zhuǎn)化天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 5 為電能再變?yōu)轵?qū)動(dòng)汽車的機(jī)械能，由于機(jī)電能量轉(zhuǎn)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。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)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?；炻?lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略是：在汽車高速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車高速 行駛時(shí)，則以并聯(lián)工作方式為主。 混合動(dòng)力汽車兼有傳統(tǒng)燃油汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，是兩者的完美結(jié)合，其實(shí)質(zhì)是通過部件工況的改善和效率的提高來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，而結(jié)合的紐帶就是混合動(dòng)力汽車的整車控制系統(tǒng)。因此，天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 6 針對(duì)現(xiàn)有的牽引車進(jìn)行混合動(dòng)力設(shè)計(jì)，減少排放并提高燃油利用率，對(duì)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(huì)都具有重要意義。沃爾沃公司估計(jì)，該車首批將于 20xx 年交貨，預(yù)計(jì)歐洲和北美市場(chǎng)的潛在銷量為 23 萬(wàn)輛 /年。柴油 機(jī)保持在高效率狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，向鎳 — 氫動(dòng)力電池組 充電。 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 7 Canter Eco Hybrid 通過加裝電機(jī)使發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸相應(yīng)減小，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn) 啟動(dòng)與怠速時(shí)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，而達(dá)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(zhì)的排放，達(dá)到 日本 最新排放法規(guī) 的要求。 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 9 3 串聯(lián)式混合動(dòng)力碼頭車動(dòng)力裝置參數(shù)的選定 初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)和車輛動(dòng)力性分析 整車參數(shù) 整車參數(shù)如表 31所示 ： 表 31 整車參數(shù) 牽引車總長(zhǎng)（ mm） 4595 牽引車總寬（ mm） 2464 牽引車總高（ mm） 2819 軸距 (mm) 2794 輪距 (mm) 前輪 2020,后輪 1820 牽引車質(zhì)量 (kg) 6700 拖車質(zhì)量 (kg) 約 8000 集裝箱最大質(zhì)量 (kg) 33000Kg/箱 2 箱＝ 66000 整備質(zhì)量 (kg) 14700 滿載質(zhì)量 (kg) 80700 原車最大行駛速度（ Km/h） 3638 原車最大爬坡度 18% 輪胎參數(shù) 型號(hào)： GOODYEAR 16PR 滾動(dòng)半徑： 509 mm 算式： ?2Fdrr ? ?2 ?? ＝ 509 mm 其中： F－ 計(jì)算常數(shù)，子午線輪胎為 d－ 輪胎的自由直徑 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 10 變速比 混合動(dòng)力碼頭車受時(shí)間及成本的限制，改裝后的混合動(dòng)力碼頭牽引車不配置變速箱，傳動(dòng)系的傳動(dòng)比為 。 0 5 10 15 20 25 30 35 400102030405060708090100110汽車行駛阻力功率U a ( k m / h )P(KW) 空載阻力功率半載阻力功率滿載阻力功率 圖 31 汽車在水平路面上勻速行駛時(shí)的阻力功率 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 11 由此可見，車輛滿載時(shí)若最高車速為 maxau ＝ 30 Km/h，則所需功率為 75Kw； 若最高車速為 maxau ＝ 25 Km/h，則所需功率為 62Kw；若最高車速為 maxau ＝ 20 Km/h，則所需功率為 50Kw。由于本混合動(dòng)力車未有明確的加速時(shí)間要求，故本文只根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇的一般原則和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率及其它參數(shù)。 由式 （ 32）可得車速 au 與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 之間的關(guān)系如下： 0 500 1000 1500 20xx 25000510152025303540車速N ( r p m )Ua(km/h) 圖 32 車速 au 與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的對(duì)應(yīng)圖 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 12 根據(jù)碼頭牽引車的運(yùn)行工況，其爬坡及加速的時(shí)間較短，因此只要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩及峰值功率滿足爬坡及加速時(shí)間要求即可。由于時(shí)間及成本限制，本車不采用變速器，采用低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于本混合動(dòng)力車運(yùn)行路況幾乎沒有坡度，也未有爬坡度要求，因此暫取 mazmmaz TT ? =，這樣該電機(jī)過載系數(shù)為 ax ??mrmTT? 。 最大爬坡度計(jì)算 一般應(yīng)根據(jù)車輛最大爬坡度要求來確定電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩，由 于混合動(dòng)力車設(shè)計(jì)指標(biāo)中無爬坡度要求，且碼頭場(chǎng)地內(nèi)道路平坦，幾乎沒有坡度。根據(jù)式（ 32）知，當(dāng) n= 1500 rpm時(shí)，車速 au = Km/h。經(jīng)推算載荷為 65000 Kg 的車輛爬 18%的坡時(shí)，僅其坡度分力 NGiFi 114660?? 就大于該車的最大牽引力。 根據(jù)碼頭牽引車的運(yùn)行工況其爬坡及加速的時(shí)間較短，因此只要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩及峰值功率滿足爬坡及加速時(shí)間要求即可。 電機(jī)的擴(kuò)大恒功率系數(shù) ? 對(duì)加速時(shí)間的影響 電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn) 速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱為電動(dòng)機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù) ? 。由圖 310 的加速度曲線可以解釋這個(gè)變化趨勢(shì)，如圖 310 當(dāng) ? 由 升至 5 時(shí)，雖然整車的最大加速度（對(duì)應(yīng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)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(shí)間的縮短越來越不明顯。 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 20 0 5 10 15 20 25 30 35 4000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91汽車行駛加速度U a ( k m / h )a(m/s.2) 系數(shù)為 2 . 4 2 時(shí)的加速度系數(shù)為 3 時(shí)的加速度系數(shù)為 3 . 5 時(shí)的加速度系數(shù)為 4 時(shí)的加速度系數(shù)為 4 . 5 時(shí)的加速度系數(shù)為 5 時(shí)的加速度 圖 312 不同 ? 值時(shí)的汽車行駛加速度 0 5 10 15 20 25 30 35 400102030405060汽車加速時(shí)間U a ( k m / h )t(s) 系數(shù)為 2 . 4 2 時(shí)的加速時(shí)間系數(shù)為 3 時(shí)的加速時(shí)間系數(shù)為 3 . 5 時(shí)的加速時(shí)間系數(shù)為 4 時(shí)的加速時(shí)間系數(shù)為 4 . 5 時(shí)的加速時(shí)間系數(shù)為 5 時(shí)的加速時(shí)間 圖 313 不同 ? 值時(shí)的汽車加速時(shí)間 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 21 由圖 313 可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)過載系數(shù) ? 由 變?yōu)?3 時(shí)，整車加速時(shí)間縮短明顯； ? 由 3 變?yōu)? 時(shí)，整車加速時(shí)間縮短較為明顯；當(dāng) ? 繼續(xù)增加時(shí)，對(duì)整車加速時(shí)間的影響越來越小，而電機(jī) 成本也不斷增加。由圖 310和圖 312 的加速度變化中可以解釋這個(gè)現(xiàn)象，雖然圖 310 和圖 312中加速度的增大幅度差不多，但圖310 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 312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。 表 33 串聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) B 參數(shù) 類型 三相交流異步感應(yīng)電機(jī) 控制特性 矢量控制，基速以下恒轉(zhuǎn)矩，基速以上恒功率 額定功率 mrP 75kw 峰值功率 maxmP 225kw 額定轉(zhuǎn)矩 mrT 額定轉(zhuǎn)速 mrN 867rpm 峰值轉(zhuǎn)矩 mmazT 最高轉(zhuǎn)速 maxmN 2600rpm 電機(jī)過載系數(shù) ? 3 電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù) ? 3 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 22 0 500 1000 1500 20xx 2500 30005001000150020xx25003000T(N.m)N ( r p m )驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性曲線 050100150200250P(KW)轉(zhuǎn)矩功率 圖 314 驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率曲線 驅(qū)動(dòng)電機(jī) B 的 峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率曲線見圖 314，其額定轉(zhuǎn)矩和額定功率曲線見圖 33。 選用 驅(qū)動(dòng)電機(jī) B 后 整車最大爬坡度 曲線如圖 315所示。比較圖 317 與圖 39，可以看出選用驅(qū)動(dòng)電機(jī) B 后增大了車輛的后備驅(qū)動(dòng)功率（圖中峰值功率和滾動(dòng)阻力功率與風(fēng)阻功率之和的差值），即用來加速和爬坡的功率大大增大。這樣可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，降低油耗。 gmmrg PP ?? //m a x ? ＝ Kw （初步選擇發(fā)電機(jī)最大功率 ，可選為 105 Kw。 ，混合動(dòng)力碼頭車關(guān)鍵的控制技術(shù)，是對(duì)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 和對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙重控制。 、車身附件和電子、電氣設(shè)備等應(yīng)盡可能配備現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備，要求混合動(dòng)力汽車達(dá)到或接近內(nèi)燃機(jī)汽車所具有的水平。 （ 2）發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。因此混合動(dòng)力碼頭牽引車的關(guān)鍵是對(duì)動(dòng)力電池組、發(fā)動(dòng)機(jī) — 發(fā)電機(jī)組、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制或智能控制。 2．操縱系統(tǒng) 當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時(shí)，加速踏板行程量轉(zhuǎn)換為電能信號(hào)輸入中央控制器，經(jīng)過計(jì)算 機(jī)計(jì)算并通過多能源動(dòng)力總成控制模塊，向碼頭車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令。因此對(duì)混合動(dòng)力碼頭車智能化控制與智能汽車通用，但串聯(lián)式混合動(dòng)力碼頭車的特點(diǎn)，就在于動(dòng)力系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)汽車動(dòng)力系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別。串聯(lián)式混合動(dòng)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(jī)定子電流矢量，按矢量交換規(guī)律由三相變?yōu)閮上?，在控制中同時(shí)對(duì)定子電流的幅值和相位進(jìn)行控天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 28 制，也就是對(duì)定子電流矢量的控制。 串聯(lián)式混合動(dòng)力碼頭牽引車的三相交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用矢量控制， 基速以下恒 轉(zhuǎn) 矩 輸出 ，基速以上恒功率 輸出。 動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)要承擔(dān)動(dòng)力電池組的全面管理，一方面保證動(dòng)力電池組的正常工作，顯示動(dòng)力電池組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并及時(shí)報(bào)警，使駕駛員隨時(shí)掌握動(dòng)力電池組的情況；另一方面要對(duì)人身和車輛進(jìn)行安全保護(hù)， 避免因電池引發(fā)的各種事故。 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 29 當(dāng)汽車啟動(dòng)或空載行駛時(shí)，為了避開發(fā)動(dòng)機(jī)的低效率工作區(qū)，此時(shí)主要由電池組供電，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式混合動(dòng)力碼頭車的零排放。 當(dāng)汽車減速 /制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，把驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過功率轉(zhuǎn)換器給蓄電池充電，用于回收再生制動(dòng)能量，再生回收的動(dòng)能單獨(dú)或和發(fā)電機(jī)組輸出的功率一起給電池組充電。為了盡可能地吸收再生制定的能量，蓄電池的電量不能充的太足，當(dāng) SOC 值達(dá)到一個(gè)最大值時(shí)， APU 被關(guān)閉或者怠速狀態(tài)。到達(dá)最高限后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。從圖中可以看出，要求發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)是電池組 SOC 值的函數(shù)，用 SOC 來修正發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求。為了實(shí)現(xiàn) 混合動(dòng)力碼頭 車的主要設(shè)計(jì)任務(wù)，必須采用合理的控制策略對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制。 發(fā)動(dòng)機(jī)在 SOC 較低或負(fù)載功率較大時(shí)均會(huì)啟動(dòng)；當(dāng)負(fù)載功率較小且 SOC 高于預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被關(guān)閉；在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)停之間設(shè)定了一定范圍的狀態(tài)保持區(qū)域，這 樣可以避免頻繁關(guān)停。具體就是把恒溫器式控制策略嵌入到功率跟隨控制策略中，其控制策略框圖如圖 43