一种电—气串联混合动力客车动力系统的方案设计

2011-07-27 09:34:29来源: 互联网

1 前言

汽车制造商纷纷推出各种型式的电动汽车。混合动力汽车技术作为一项在短期内可有效降低汽车能源消耗和排放的汽车新技术,已经成为世界汽车行业研究焦点之一。我国科技部将其作为“十五”863重大专项的内容,目前混合动力汽车产品已进入国家公告程序,初步具备产业化条件。电一气串联混合动力汽车综合了混合动力汽车和天然气汽车的优势,进一步改善了车辆燃油经济性和排放性。

客车运行目标驾驶循环的分析,对其动力系统进行方案设计,以保证在满足车辆动力性要求的前提下,提高整车燃油经济性。

汽车动力系统的结构主要分为串联式、并联式和混联式3种。由于城市公交车经常工作在行驶速度低、起停频繁的工况下,所以更适合采用串联式混合动力系统,以使发动机始终在最佳工作区域内运行,减少发动机燃油消耗和排放。同时,串联式混合动力汽车由于电机功率较大,有利于较多地回收制动能量[5〕。因此,本文研究的混合动力电动客车采用的是如图1所示的串联式动力系统。

电动机选择交流电动机,通过电动机控制器连接到直流总线。由发动机、发电机及整流器组成APU(功率辅助单元),根据整车控制器的命令输出功率或关闭。蓄电池直接并联在直流总线上,以补偿APU输出功率与电动机输人功率的差值,并在制动过程中吸收反馈的制动能量。蓄电池选择镍氢蓄电池。

HONG混合动力客车的零部件参数主要根据城市公交驾驶循环的需求来制定。图2所示为城市公交驾驶循环的工况数据,循环总运行时间为1304s,行驶里程为5.840km,最高车速为60km/h。

选择电动机转速在2000r/min以下,720 N·m恒转矩及电动机转速在2 000 r/min以上,150 kW恒功率线包络图3中的工况点,可以据此选取电动机的外特性参数。

对于电动机工作高效区的选择,引人平均驱动能量的概念,即单位里程内电动机在一定工作区域内的驱动能量:

经计算,电动机在各工作区域内的平均驱动能量如图4所示。

同理,可以根据城市公交驾驶循环和制动能量回馈的需要,选择电动机制动状态的相应参数。经过计算,选择了株洲所的JD14X2交流异步电动机,其额定功率为100kW,峰值功率为150kW,转速在1000 r/min以下时转矩达1000 N·m,为提高整车爬坡性能和加速性能留有裕量。

APU的经济性和排放性直接决定了整车的经济性和排放性。由于APU与传动系统没有直接机械连接,因此APU的工作转速可以自由选取,只需选择APU的发电功率即可。假设电动机需要的电能全部由APU提供,则计算得到的APU不同发电功率段发电能量的分布如图5所示,APU的平均发电功率(循环总发电功率除以循环驱动过程总时间)为38.9 kW。 

本文选择的是4CT180 CNC发动机,配备UC224G三相交流同步发电机。发电机转速在1500r/min时的额定功率为68kW;转速在1800r/min时的额定功率为78kW。采用三相全波不可控整流器,功率范围为10~120kW。

假设APU恒定发出平均发电功率为38.9kW,其它部分由蓄电池补充,则可以计算出蓄电池最大放电电流及持续时间。经计算,蓄电池最大放电电流为332.7A,最大放电功率为127.8kW。各放电电流持续时间如表3所列。

蓄电池充电功率约为135kW,充电电流为351A,假设制动过程中最大限度发挥电动机的回馈制动能力,则计算出的蓄电池最大充电电流及持续时间如表4所列。

为了对各零部件的选型进行验证,建立了整车仿真模型,如图6所示。由城市公交驾驶循环计算出电动机所需功率并传送给整车控制器,再由整车控制器决定APU和蓄电池之间的能量分配,电动机根据实际接收的指令和APU、蓄电池当前实际发出的功率计算出实际输出转矩,传送给底盘一路面模型以计算车速。

5个工况循环后,共消耗燃料7.47kg,SOC值从80%下降到66%。对于蓄电池电量的改变量,采用如下公式换算为燃料消耗量:

根据公式将下降的SOC值折合为燃料,消耗,得到5个工况循环后燃料消耗为8.20kg;折合百公里燃料消耗为28.1kg。

目前,对于传统大型客车排放性能的测试主要采用发动机工况法。串联式混合动力客车采用电动机驱动,发动机与传动系统没有直接机械连接,因此发动机的工作区域可以得到较大改善。根据仿真分析,在城市公交驾驶循环工况卞,发动机的怠速时间可以缩短到传统车的10%,发动机主要工作在1200~1500r/min的高效区域,避免了在低负荷和高负荷工况下运行,因此其HC和CO的排放明显比基础车型降低。

关键字:串联  客车

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0727/article_7615.html
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