【正文】 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)考慮車輛爬長坡的要求，因?yàn)闃蛄旱钠露炔淮?，但是坡道較長，這就對車輛提出了爬長坡的要求。 (2)室內(nèi)平均車速低，過渡工況多 市內(nèi)由于交通擁擠、交通道口多，站距短，客車因而起步、停車頻繁，大多數(shù)時(shí)間以加速－減速－滑行－怠速等過渡工況工作，且平均加速度小。 (3)城郊路線固定，往復(fù)運(yùn)行 中型客車不像其他車輛運(yùn)行路線千變?nèi)f化，而是每天都在指定線路運(yùn)行并來回往復(fù)。每條線的車輛都在固定站點(diǎn)?？?，而且現(xiàn)在城郊交通通暢，路況好，車輛每天在固定地段行駛。運(yùn)行時(shí)間固定。 (4)載荷多變且時(shí)間特征明顯 隨著建設(shè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，交通網(wǎng)也日趨復(fù)雜，每條線路途徑地區(qū)的行駛速度、道路特點(diǎn)、乘客數(shù)量各不一樣，上、下班高峰時(shí)段和中心城區(qū)乘客擁擠，非上、下班高峰期和郊區(qū)乘客相對稀少，車輛負(fù)荷低，造成了能源的極大浪費(fèi)。 YTK6605QHEV動力驅(qū)動系統(tǒng)方案不同形式的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)。各自的技術(shù)特點(diǎn)決定了串聯(lián)混合動力客車更適合于市內(nèi)低速運(yùn)行、頻繁的加速、減速、停車的復(fù)雜工況，在這種工況下串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)揮了其發(fā)動機(jī)工作條件穩(wěn)定、制動能量回收效果好、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢；并聯(lián)式混合動力客車則適合路況簡單的城市間公路及高速行駛的車輛；而混聯(lián)式結(jié)構(gòu)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)和應(yīng)用中都受到很大的限制。本文選擇并聯(lián)式驅(qū)動結(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)動機(jī)和電動機(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)動機(jī)，利用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。(2)在中高速穩(wěn)定運(yùn)行工況時(shí)，可以只利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，此時(shí)發(fā)動機(jī)富裕的功率還可以通過動力復(fù)合裝置和電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，對電池進(jìn)行充電。(3)在高速運(yùn)行或加速時(shí)，可以利用動力復(fù)合裝置對原動機(jī)和電動機(jī)的輸出動力疊加。(4)在市郊和城間運(yùn)行時(shí)，客車經(jīng)常處于中高速平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，而且對排放沒有苛刻要求，并聯(lián)式動力系統(tǒng)可以關(guān)閉效率較低、需經(jīng)常對電池進(jìn)行管理的電驅(qū)動部分，從而使系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性?；谏鲜鰧旌蟿恿ο到y(tǒng)的分析，可知混合動力汽車是一個(gè)組成部件多、驅(qū)動布置形式多樣的復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械加工能力、大中城市汽車排放污染嚴(yán)重的問題和我國國情，并結(jié)合城市公交車發(fā)展的需要，作者認(rèn)為本文的混合動力城市客車選擇并聯(lián)式結(jié)構(gòu)型式是較為可行的方案，可以使油耗和排放都得到顯著降低。對應(yīng)于YTK6605Q并聯(lián)混合動力客車本文采用雙軸并聯(lián)式傳動系，其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖27所示：圖27 YTK6605QHEV結(jié)構(gòu)簡圖 本章小結(jié)本章主要是為本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)式混合動力電動客車YTK6605QHEV的驅(qū)動系統(tǒng)選擇合適的方案，主要內(nèi)容包括：(1)對混合動力電動客車的動力總成結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了全面介紹?；旌蟿恿﹄妱涌蛙嚨姆诸惙椒ㄓ泻芏喾N，作者根據(jù)一般的分類方法，即根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行分類，把混合動力電動汽車分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和插電式，對其各自驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理和控制策略進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對他們進(jìn)行了比較分析。 (2)通過對四種驅(qū)動結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，得出結(jié)論：并聯(lián)混合動力客車更適合于路況簡單的城市間公路及高速行駛的車輛；串聯(lián)式混合動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。(3)詳細(xì)總結(jié)了城市客車運(yùn)行工況的特點(diǎn)。(4)由于并聯(lián)式結(jié)構(gòu)可以使油耗和排放都得到顯著降低，綜合考慮城市客車運(yùn)行工況的特點(diǎn)以及目前國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，確定本課題的驅(qū)動結(jié)構(gòu)為并聯(lián)式。第三章 并聯(lián)混合動力中型客車動力總成選型與參數(shù)匹配 概述研究混合動力中型客車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵是選擇合適的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，并對構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池和傳動比進(jìn)行合理的參數(shù)匹配，使其在滿足整車的動力性能指標(biāo)的前提下，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放。為了充分發(fā)揮HEV的優(yōu)勢，本章主要是對并聯(lián)式混合動力客車動力總成選型和參數(shù)匹配進(jìn)行研究。 YTK6605Q整車參數(shù)和性能指標(biāo)本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)式混合動力中型客車是以煙臺舒馳YTK6605Q傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)客車為原型車，其整車基本參數(shù)見表31。表31 YTK6605Q整車基本參數(shù)參數(shù)參數(shù)值整備質(zhì)量(kg)3285迎風(fēng)面積(m2)空氣阻力系數(shù)外形尺寸：長*寬*高(mm)5995*2240*2730軸距(mm)3300軸荷分配 前/后(滿載)1622/2870軸荷分配前/后(空載) 1190/2105變速器速比，，：R：排量(L)標(biāo)定功率(kw/rpm)75/3200最大扭矩(Nm/rpm)245/﹤2200最高轉(zhuǎn)速(rpm)3200驅(qū)動橋速比滾動阻力系數(shù)規(guī)格車輪半徑綜合考慮本課題的各種因素，參考傳統(tǒng)客車和目前中型客車的運(yùn)行狀況以及道路條件提出YTK6605QHEV預(yù)期達(dá)到的動力性指標(biāo)如表32：表32 YTK6605QHEV預(yù)期動力性指標(biāo)參數(shù)參數(shù)值最高車速95km/h最大爬坡度20%050km/h的加速時(shí)間15s20km/h行駛的純電動續(xù)駛里程40km6%的坡度上持續(xù)行駛速度40km/h 并聯(lián)混合動力客車動力總成選型混合動力客車動力總成主要包括以下部分:發(fā)動機(jī)、儲能元件、動力電機(jī)及控制系統(tǒng)、變速器以及動力合成裝置等，本節(jié)主要根據(jù)混合動力汽車的工作特性要求對動力元件的選型方案進(jìn)行分析。 并聯(lián)混合動力客車整車模型整車模型采用ADVISOR已有的模型，它包括車身模塊和車輪及傳動軸模塊。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。單位時(shí)間步長的車速等于步長開始時(shí)的速度和步長結(jié)束時(shí)速度的平均值。整車模型如圖31，包括克服滾動阻力模塊、克服坡度阻力模塊、克服空氣阻力模塊、克服加速阻力模塊。車身模塊是根據(jù)經(jīng)典的汽車動力學(xué)方程建立的，即[24]：其中：F—牽引力，—滾動阻力，—空氣阻力，—坡度阻力，—加速阻力。 并聯(lián)混合動力客車發(fā)動機(jī)選型選擇混合動力客車用發(fā)動機(jī)時(shí)，首先要考慮的就是滿足汽車性能要求的發(fā)動機(jī)尺寸與額定功率問題。在大多數(shù)的混合動力客車設(shè)計(jì)中，發(fā)動機(jī)的額定功率將由車輛需求的平均功率決定，結(jié)果與傳統(tǒng)的客車發(fā)動機(jī)相比，混合動力客車用發(fā)動機(jī)是相對較小的。另外，對于所開發(fā)的并聯(lián)混合動力客車，為達(dá)到車輛的節(jié)能和低排放目標(biāo)，要控制發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)，即在低負(fù)荷由電機(jī)提供驅(qū)動功率，發(fā)動機(jī)關(guān)閉；在高負(fù)荷(發(fā)動機(jī)滿足不了整車需求)時(shí)，電機(jī)參與工作等。圖31 車身模塊此外，在選用混合動力客車用發(fā)動機(jī)時(shí)還要考慮到整車總布置問題，這是因?yàn)樵诨旌蟿恿蛙嚿喜捎昧硕喾N動力部件，而客車的可用空間又非常有限，所選用的發(fā)動機(jī)應(yīng)有利于動力傳動系的合理布置。另外還要考慮發(fā)動機(jī)的噪聲和振動、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。考慮到上述因素并總結(jié)了目前各國在混合動力客車研究中所選用的發(fā)動機(jī)方案知，可以應(yīng)用于混合動力客車的發(fā)動機(jī)主要有:轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)以及四沖程汽、柴油機(jī)等。表33列出了各自的特點(diǎn)與使用動力總成方案[25]。表33 各種發(fā)動機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用方案發(fā)動機(jī)型式特點(diǎn)應(yīng)用范圍轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)優(yōu)點(diǎn)：(1)具有尺寸小、重量輕、暖機(jī)迅速和扭矩速度曲線平坦。 (2)最小燃油消耗率較高，達(dá)到了300360g/kwh缺點(diǎn)： 排放較高。串聯(lián)燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)點(diǎn)：(1)尺寸小、維護(hù)成本低、噪聲和振動小、在低轉(zhuǎn)速時(shí)能產(chǎn)生較大扭矩，熱效率高、可采用多種燃料并且設(shè)計(jì)簡單。(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。缺點(diǎn)： 響應(yīng)時(shí)間長。串聯(lián)斯特林發(fā)動機(jī)優(yōu)點(diǎn)：具有高的效率、低排放和低噪聲性能。缺點(diǎn)：功率密度低以及需要大的散熱裝置。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、噪聲和振動大。但采取技術(shù)后，上述缺點(diǎn)得到改善，應(yīng)用廣泛。串聯(lián)并聯(lián)綜上所述，對于并聯(lián)混合動力客車，應(yīng)用目前技術(shù)成熟的先進(jìn)四沖程發(fā)動機(jī)并做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)不失為最佳選擇。本文選擇四沖程柴油發(fā)動機(jī)作為YTK6605QHEV研究對象?；贛atlab/Simulink 平臺建立的發(fā)動機(jī)模型主要通過包括發(fā)動機(jī)控制模塊、發(fā)動機(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)動機(jī)散熱模型等來建立發(fā)動機(jī)總成模型，如圖333。至于是柴油機(jī)還是汽油機(jī)，則可以在發(fā)動機(jī)模型輸入文件中進(jìn)行描述和特性輸入[26]。圖32 發(fā)動機(jī)總成模型圖33 發(fā)動機(jī)總成模型中的燃燃油消耗和排放計(jì)算模塊 并聯(lián)混合動力客車電動機(jī)選型在混合動力客車應(yīng)用中，電動機(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。另外，對電動機(jī)的選型還應(yīng)綜合考慮其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，要求能實(shí)現(xiàn)雙向控制，對制動再生能量可以回收。目前混合動力客車使用的電動驅(qū)動系統(tǒng)主要有直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)兩種[27]。直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械特性好，調(diào)速方便而且性能好，曾在電動客車上得到廣泛應(yīng)用，但由于直流電動機(jī)在運(yùn)行過程中需要電刷和換向器限制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高(最高轉(zhuǎn)速6,0008,000r/min)，另外，電機(jī)本身效率較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積大、重量大、價(jià)格高決定了它必然會被其它先進(jìn)電機(jī)如交流電機(jī)所取代。交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)非常適合應(yīng)用于混合動力客車傳動系。混合動力客車上用交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要有采用異步電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)和永磁電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，也有部分電動客車采用了開關(guān)磁阻電機(jī)組成的交流驅(qū)動系統(tǒng)?？紤]到技術(shù)成熟度，交流感應(yīng)電機(jī)成了混合動力客車的主要選擇。隨著技術(shù)的進(jìn)步，永磁同步電機(jī)也具有廣闊的應(yīng)用前景。本文選擇技術(shù)成熟交流感應(yīng)電機(jī)作為電驅(qū)動系統(tǒng)。在一定的轉(zhuǎn)速下，整個(gè)模塊接受來自車輛控制器的指令，通過改變電機(jī)的電流和電壓調(diào)整輸出轉(zhuǎn)矩，其扭矩平衡方程與發(fā)動機(jī)類似。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。圖34 交流感應(yīng)電機(jī)模型總成 并聯(lián)混合動力客車儲能元件選型在混合動力客車中，儲能元件起著向電動機(jī)供能及向動力傳動系輸出峰值功率的作用，其另外一個(gè)作用是吸收制動再生能量并將其存儲起來。能量回收制動(Regenerative breaking)對提高混合動力客車的總效率是非常有意義的，混合動力客車要求儲能裝置應(yīng)在長時(shí)間內(nèi)能夠接收制動功率(例如2分鐘)，為使儲能裝置不致太重，要求其應(yīng)具有比較高的比功率和比能量。目前，功率型動力電池組作為混合動力汽車儲能系統(tǒng)的主要類型得到普遍使用。由于動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力汽車性能仿真和控制策略設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。目前通常采用由電阻、電容、恒壓源等電路元件組成的等效電路模型來近似描述動力電池的充放電特性，比如內(nèi)阻模型、RC模型、Thevenin模型和PHGV模型以及更加復(fù)雜的GNL模型等等。對于本文將采用技術(shù)較成熟的NiMH動力電池組為研究對象。NiMH動力電池電極活性物質(zhì)為負(fù)極的金屬氫化物和正極的NiOOH，金屬氫化物能夠在電池放電和充電時(shí)釋放和吸收氫氣，堿性氫氧化鉀溶液是電解液的主要成分，電化學(xué)反應(yīng)方程式為：NiMH動力電池具有能量密度、功率密度優(yōu)于鉛酸電池、循環(huán)使用壽命長、全密封、免維護(hù)、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，在混合動力客車上得到廣泛應(yīng)用，比如豐田Prius、本田的Insight以及我國研制的混合動力轎車、混合動力客車等[28]。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。本文采用Rint模型結(jié)構(gòu)來大致仿真電池特性。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)混合動力客車變速器選型變速器目前主要分為機(jī)械式手動變速器—Manual Transmission(MT)、機(jī)械式自動變速器—Automatic Manual Transmission(AMT)、自動變速器—Automatic Transmission(AT)以及無級變速器—Continuous Variable Transmission(CVT)。CVT由于受傳動帶承受力的限制，目前只適用于轎車[29]。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。在混合動力客車中，由于增加了電機(jī)，整車控制系統(tǒng)將根據(jù)整車的需求功率，對發(fā)動機(jī)和電機(jī)之間的功率進(jìn)行合理的分配，如果選用機(jī)械式手動變速箱，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。因此，對混合動力客車選用AMT能夠更好地發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。圖36為Advisor仿真軟件中的變速器模塊。圖36 變速器總成模型 YTK6605QHEV動力傳動系參數(shù)的選擇 YTK6605QHEV發(fā)動機(jī)參數(shù)的選擇混合動力客車發(fā)動機(jī)功率Pe與電動機(jī)功率Pm之間存在如圖37所示關(guān)系。圖37 Pe與Pm關(guān)系簡圖圖中，助力型HEV的發(fā)動機(jī)功率取值較大，用于向車輛提供主驅(qū)動功率，由電池組電動機(jī)來提供車輛行駛峰值功率，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)車輛的續(xù)行里程不受電池組容量限制。通常，并聯(lián)混合動力汽車都要求具有與普通汽車相近的動力性能，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，而對助力型HEV發(fā)動機(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: