并联混合动力中型客车多能源动力优化控制策略(7)

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 3.3.4 并联混合动力客车储能元件选型

在混合动力客车中，储能元件起着向电动机供能及向动力传动系输出峰值功率的作用，其另外一个作用是吸收制动再生能量并将其存储起来。

能量回收制动(Regenerative breaking)对提高混合动力客车的总效率是非常有意义的，混合动力客车要求储能装置应在长时间内能够接收制动功率(例如2分钟)，为使储能装置不致太重，要求其应具有比较高的比功率和比能量。目前，功率型动力电池组作为混合动力汽车储能系统的主要类型得到普遍使用。由于动力电池涉及固-液-气三相反应，是一个非常复杂的非线性电化学系统，其系统建模和特性描述成为混合动力汽车性能仿真和控制策略设计的难点之一。目前通常采用由电阻、电容、恒压源等电路元件组成的等效电路模型来近似描述动力电池的充放电特性，比如内阻模型、RC模型、Thevenin模型和PHGV模型以及更加复杂的GNL模型等等。对于本文将采用技术较成熟的NiMH动力电池组为研究对象。

NiMH动力电池电极活性物质为负极的金属氢化物和正极的NiOOH，金属氢化物能够在电池放电和充电时释放和吸收氢气，碱性氢氧化钾溶液是电解液的主要成分，电化学反应方程式为：

Ni(OH)2?M?NiOOH?MH

放电充电NiMH动力电池具有能量密度、功率密度优于铅酸电池、循环使用寿命长、全密封、免维护、使用安全等优点，在混合动力客车上得到广泛应用，比如丰田Prius、本田的Insight以及我国研制的混合动力轿车、混合动力客车等[28]。

Advisor仿真软件共有四种不同的蓄电池模型，分别为RC模型、Rint模型、Fundamental Lead Acid模型、neural network模型。本文采用Rint模型结构来大致仿真电池特性。其顶层模块的实现如图3-5所示：

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图 3-5 蓄电池总成模型

3.3.5 并联混合动力客车变速器选型

变速器目前主要分为机械式手动变速器—Manual Transmission(MT)、机械式自动变速器—Automatic Manual Transmission(AMT)、自动变速器—Automatic Transmission(AT)以及无级变速器—Continuous Variable Transmission(CVT)。CVT由于受传动带承受力的限制，目前只适用于轿车[29]。AT在车辆低速或起步时机械能损失大，不适合频繁起停的公交客车。在混合动力客车中，由于增加了电机，整车控制系统将根据整车的需求功率，对发动机和电机之间的功率进行合理的分配，如果选用机械式手动变速箱，不能充分发挥系统的最大优势。因此，对混合动力客车选用AMT能够更好地发挥整个系统的优势，实现系统的最佳性能。图3-6为Advisor仿真软件中的变速器模块。

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图3-6 变速器总成模型

3.4 YTK6605QHEV动力传动系参数的选择

3.4.1 YTK6605QHEV发动机参数的选择

混合动力客车发动机功率Pe与电动机功率Pm之间存在如图3-7所示关系。

图3-7 Pe与Pm关系简图

图中，助力型HEV的发动机功率取值较大，用于向车辆提供主驱动功率，由电池组-电动机来提供车辆行驶峰值功率，经过适当的设计，可实现车辆的续行里程不受电池

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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 组容量限制。

通常，并联混合动力汽车都要求具有与普通汽车相近的动力性能，并且续行里程不受电池组容量限制，因此都可归类为助力型HEV，而对助力型HEV发动机最大输出功率的取值一般要依据车辆匀速行驶时的功率需求，即:

CdAV21P(mgf?)V (3-1) 1?3600?t21.15式中，P1为发动机功率kw;V为车速km/h ; m为汽车质量kg; g为重力加速度m/s2 ;f为滚动阻力系数;Cd为风阻系数;A为迎风面积m2 ;?t为传动效率，且取0.85，V的具体取值应依据所设计车辆的动力性能要求而定，文献[30]中指出: V取为车辆最高行驶车速Vmax比较合理，而文献[31]中指出V应取为车辆额定行驶车速，即车辆经常行驶时的平均车速Vavg。若取V =Vmax，显然发动机的功率取值偏大，因为实际上车辆很少以最高

V=Vavg则发动机的功率值偏小。车速行驶。根据参考文献[29]的统计结果，结合YTK6605Q

的实际情况，确定的V取值要求为:

V< V

avg因此，本文取V=75km/h时，计算发动机的功率。则发动机功率最小值应满足(3-1)、(3-2)式，计算得到P1=38kw。

除了车辆行驶需求的功率外，发动机单独驱动车辆匀速行驶时还应有一定的为电池充电的功率余量10%左右以及附件功率(特别是有空调时)。这些功率之和应该是发动机工作在经济区能输出的功率。最后得到发动机总功率需求约为P=52kw。参考ADVISOR软件附带的发动机模块，选择了压燃式5缸1.987L内燃机。选取的发动机具体参数如表3-4所示：

表3-4 发动机参数

额定功率/转速 最大转矩/转速

54kW/5000rpm 134Nm/3000rpm

图3-8 发动机万有特性曲线图 图3-9 发动机效率曲线图

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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 在客车设计与开发工作中，需要根据发动机的万有特性曲线来分析发动机的动力性和经济性。发动机的万有特性曲线和效率曲线分别如图3-8和3-9所示。 3.4.2 YTK6605QHEV电动机参数的选择

◆电动机额定功率选择

在双轴并联混合动力汽车上，电动机主要是作为功率均衡装置，为车辆提供加速功率和爬坡功率，即通常所说的峰值功率，因此其功率参数的选择要依照车辆具体的加速性能和爬坡性能要求而定。即电动机峰值功率与发动机功率之和应该大于等于车辆所要求的最大功率。由表3-2的动力性指标要求得到如下计算公式：

1.最高车速功率需求

即使车辆达到95km/h时，所需要的功率：

31mgfvmaxcDAvmax pe1?( (3-3) ?)?t360076140

计算得到：pe1=64.2kW

2.加速功率需求

满载汽车在平路上行驶，从静止起步加速至速度Vn=50km/h时，汽车所需功率：

dvcAv1(3-4) pe2?(mn?mgf?Dn)v3600?tdt21.15

计算得到：pe2=84.3kW

3.爬坡功率需求

根据表3.3的开发指标，可在6%的坡度上持续以40km/h行驶。则所需的功率为:

mgfvcos?mgvsin?cDAv3pe3?(??)/?t(3-5)

3600360076140

2计算得到： pe3=68.97kW

综上所述，最高车速，加速度，爬坡时的峰值功率由电动机提供，得到电动机的峰值功率Pe应为30kW左右。由此选择西门子公司的交流感应电动机，功率为30kW，工作电压为216V。

◆电动机额定转速和最高转速的选择

电动机的最高转速影响混合动力汽车动力传动系的尺寸，并且还显著影响电动机的额定扭矩。具有较大β值的低速电机有更高的额定转矩[32]。相应地，对电机支撑就提出更高的要求，另外，高扭矩需较大的电机电流和电子设备，增大了损耗，但大β值又是车辆起步加速和稳定运行所必需的，所以电机额定扭矩的减小只能通过选用高速电机来解决[33-34]。采用高速电机，为达到车辆实际行驶车速要求，就要经过多级减速，结果增大了整车动力传动系的尺寸，另一方面，增大β值会使车辆驱动轴扭矩和齿轮应力增大。

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