并联混合动力中型客车多能源动力优化控制策略(6)

山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配

3.1 概述

研究混合动力中型客车动力系统的关键是选择合适的动力系统结构型式，并对构成整个系统的发动机、电动机、发电机、蓄电池和传动比进行合理的参数匹配，使其在满足整车的动力性能指标的前提下，提高整车的燃油经济性和降低排放。为了充分发挥HEV的优势，本章主要是对并联式混合动力客车动力总成选型和参数匹配进行研究。

3.2 YTK6605Q整车参数和性能指标

本文设计的并联式混合动力中型客车是以烟台舒驰YTK6605Q传统内燃机客车为原型车，其整车基本参数见表3-1。

表3-1 YTK6605Q整车基本参数

参数 整备质量(kg) 迎风面积(m2) 空气阻力系数

外形尺寸：长*宽*高(mm) 轴距(mm)

轴荷分配 前/后(满载) 轴荷分配前/后(空载) 变速器速比 排量(L)

标定功率(kw/rpm) 最大扭矩(Nm/rpm) 最高转速(rpm) 驱动桥速比 滚动阻力系数 规格 车轮半径

参数值 3285 6.1 0.5

5995*2240*2730 3300 1622/2870 1190/2105

6.8，3.88，2.27，1.42，1.00：R：6.15 2.656 75/3200 245/﹤2200 3200 4.875 0.014 6.50-16.0 0.375

综合考虑本课题的各种因素，参考传统客车和目前中型客车的运行状况以及道路条

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 件提出YTK6605QHEV预期达到的动力性指标如表3-2：

表3-2 YTK6605QHEV预期动力性指标

参数 最高车速 最大爬坡度 0-50km/h的加速时间 20km/h行驶的纯电动续驶里程 6%的坡度上持续行驶速度

参数值 95km/h 20% <15s 40km 40km/h

3.3 并联混合动力客车动力总成选型

混合动力客车动力总成主要包括以下部分:发动机、储能元件、动力电机及控制系统、变速器以及动力合成装置等，本节主要根据混合动力汽车的工作特性要求对动力元件的选型方案进行分析。

3.3.1 并联混合动力客车整车模型

整车模型采用ADVISOR已有的模型，它包括车身模块和车轮及传动轴模块。模型首先根据需求的加速度计算需求的牵引力，然后根据车轮输出的牵引力来计算可以输出的加速度。单位时间步长的车速等于步长开始时的速度和步长结束时速度的平均值。整车模型如图3-1，包括克服滚动阻力模块、克服坡度阻力模块、克服空气阻力模块、克服加速阻力模块。车身模块是根据经典的汽车动力学方程建立的，即[24]：

F?Ff?Fw?Fi?Fj

其中：F—牵引力，Ff—滚动阻力，Fw—空气阻力，Fi—坡度阻力，Fj—加速阻力。

3.3.2 并联混合动力客车发动机选型

选择混合动力客车用发动机时，首先要考虑的就是满足汽车性能要求的发动机尺寸与额定功率问题。在大多数的混合动力客车设计中，发动机的额定功率将由车辆需求的平均功率决定，结果与传统的客车发动机相比，混合动力客车用发动机是相对较小的。另外，对于所开发的并联混合动力客车，为达到车辆的节能和低排放目标，要控制发动机工作在高效区，即在低负荷由电机提供驱动功率，发动机关闭；在高负荷(发动机满足不了整车需求)时，电机参与工作等。

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配

图3-1 车身模块

此外，在选用混合动力客车用发动机时还要考虑到整车总布置问题，这是因为在混合动力客车上采用了多种动力部件，而客车的可用空间又非常有限，所选用的发动机应有利于动力传动系的合理布置。另外还要考虑发动机的噪声和振动、可靠性、使用寿命、维护成本、运行成本以及安全性能等因素。

考虑到上述因素并总结了目前各国在混合动力客车研究中所选用的发动机方案知，可以应用于混合动力客车的发动机主要有:转子式发动机、燃气轮机、斯特林发动机以及四冲程汽、柴油机等。表3-3列出了各自的特点与使用动力总成方案[25]。

表3-3 各种发动机特点及应用方案

发动机型式 转子发 动机

燃气轮机

优点：(1)具有尺寸小、重量轻、暖机迅速和扭矩速度曲线平坦。 (2)最小燃油消耗率较高，达到了300-360g/kwh

缺点： 排放较高。

优点：(1)尺寸小、维护成本低、噪声和振动小、在低转速时能产生较大扭

矩，热效率高、可采用多种燃料并且设计简单。

(2)排放水平低、通过使用后处理器或者采用催化燃烧室还可达到准零排放水平。

缺点： 响应时间长。

斯特林发动机

优点：具有高的效率、低排放和低噪声性能。 缺点：功率密度低以及需要大的散热装置。

串联 串联

特点

应用 范围 串联

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 四冲程汽油机和柴油机

优点：(1)技术成熟 (2)热效率高

缺点：排放较差、噪声和振动大。

但采取技术后，上述缺点得到改善，应用广泛。

串联 并联

综上所述，对于并联混合动力客车，应用目前技术成熟的先进四冲程发动机并做适当的改进不失为最佳选择。本文选择四冲程柴油发动机作为YTK6605QHEV研究对象。

基于Matlab/Simulink 平台建立的发动机模型主要通过包括发动机控制模块、发动机转矩和转速计算子模块、燃油消耗和排放计算模块、发动机散热模型等来建立发动机总成模型，如图3-2、3-3。至于是柴油机还是汽油机，则可以在发动机模型输入文件中进行描述和特性输入[26]。

图3-2 发动机总成模型

图3-3 发动机总成模型中的燃燃油消耗和排放计算模块

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山东理工大学硕士学位论文 第三章 并联混合动力中型客车动力总成选型与参数匹配 3.3.3 并联混合动力客车电动机选型

在混合动力客车应用中，电动机的选用原则为： (1)高性能、低重量和小尺寸； (2)在较宽的转速范围内有较高的效率； (3)电磁辐射尽量小； (4)成本低。

另外，对电动机的选型还应综合考虑其控制系统的特点，要求能实现双向控制，对制动再生能量可以回收。目前混合动力客车使用的电动驱动系统主要有直流电机驱动系统和交流电机驱动系统两种[27]。

直流电动机的优点是机械特性好，调速方便而且性能好，曾在电动客车上得到广泛应用，但由于直流电动机在运行过程中需要电刷和换向器限制了电机转速的进一步提高(最高转速6,000-8,000r/min)，另外，电机本身效率较低、结构复杂且体积大、重量大、价格高决定了它必然会被其它先进电机如交流电机所取代。

交流电机驱动系统非常适合应用于混合动力客车传动系。混合动力客车上用交流电机驱动系统主要有采用异步电机的驱动系统和永磁电机的驱动系统，也有部分电动客车采用了开关磁阻电机组成的交流驱动系统。

考虑到技术成熟度，交流感应电机成了混合动力客车的主要选择。随着技术的进步，永磁同步电机也具有广阔的应用前景。本文选择技术成熟交流感应电机作为电驱动系统。在一定的转速下，整个模块接受来自车辆控制器的指令，通过改变电机的电流和电压调整输出转矩，其扭矩平衡方程与发动机类似。综合多种已有的模型架构，建立如下总成电机模型，如图3-4。

图3-4 交流感应电机模型总成

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