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汽车工程 2020年第12期42卷 1621-1629,1646页

作者：刘桓龙陈冠鹏王家为西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心成都610031 西南交通大学机械工程学院成都610031

针对城市蓄电池公交车起步或加速时电机转矩冲击大、电池寿命短等问题,以成都市区运行的某型电动公交为对象,设计了一种新型双轴并联电液混合动力系统,对典型工况下调节电机工作状态提高综合能量利用率进行研究。基于AMESim与MATLAB/Sim... 详细信息

针对城市蓄电池公交车起步或加速时电机转矩冲击大、电池寿命短等问题,以成都市区运行的某型电动公交为对象,设计了一种新型双轴并联电液混合动力系统,对典型工况下调节电机工作状态提高综合能量利用率进行研究。基于AMESim与MATLAB/Simulink-stateflow软件的联合仿真建立整车及控制模型并设定基于规则的动态优化能量管理策略,分析了中国典型城市公交车循环行驶工况(CCBC)与该类公交车实地调研循环行驶工况下的动力与能量利用特性。对电液混合动力系统能量耦合等核心问题进行试验研究,验证系统设计思路与仿真模型的正确性。结果表明:在满足动力性能需求的前提下,所设计的电液混合动力系统能显著改善电机工作点分布情况,减小峰值转矩冲击,CCBC工况下峰值转矩减小33.8%,续驶里程提高30.6%;实际调研工况下峰值转矩减小33.0%,续驶里程提高20.0%。

关键词：蓄电池公交车电液混合动力电机工作效率转矩特性能量利用率

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蓄电池公交车电液混合动力系统设计与能量利用研究

蓄电池公交车电液混合动力系统设计与能量利用研究

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作者：陈冠鹏西南交通大学

学位级别：硕士

传统燃油载客公交车作为公共交通领域的主流交通运输设备,在频繁启停及低速重载等行驶环境下燃油利用率不高且排放严重,难以满足时代背景下的节能及环保要求。此外,由于满载质量极大,车辆仅通过机械制动装置完成制动,制动安全难以保障... 详细信息

传统燃油载客公交车作为公共交通领域的主流交通运输设备,在频繁启停及低速重载等行驶环境下燃油利用率不高且排放严重,难以满足时代背景下的节能及环保要求。此外,由于满载质量极大,车辆仅通过机械制动装置完成制动,制动安全难以保障且制动能量无法回收利用。蓄电池城市公交车主要行驶场景为市区公共道路,运营零污染且可实现能量回收,是解决传统燃油载客车辆能耗及环境污染难题的重要交通设备。然而,由于起步及强加速时牵引电机处于峰值扭矩输出状态,导致蓄电池的强电流放电,严重缩短蓄电池使用寿命和续驶里程,其应用现状并不乐观。液压动力技术具有功率密度高、能量再生迅速等优势,在城市运输及重型工程车辆等方面取得了较好的应用效果。基于此,本文设计了一套适用于蓄电池城市公交车的混联式电液混合动力系统,融合蓄电池高能量密度及蓄能器高功率密度的优势,由液压动力系统辅助车辆完成起步和加速动作。同时形成以液压再生制动为主的复合制动模式,改善能量回收效率的同时保证制动安全,提升公交车的节能和动力特性。首先,基于蓄电池公交车的原车底盘结构及空间特征,在最小化结构改动前提下确定混联式电液混合动力系统关键元件的布置形式,形成电驱动后轴、液压驱动前轴的双轴混联配置方案。综合考虑车辆的不同行驶工况特征,构建了具有多种动力模式的电液混合动力系统。结合车辆动力学模型实现关键动力元件的参数计算与选型,从而进一步完善动力系统的设计。考虑到蓄电池公交车的频繁启停及低速重载特性,根据电液混合动力系统的输出特性确定了不同速度区间对应的最佳工作模式。驱动时通过辅助加速、液压动力及平行充液三种模式实现电机的功率迁移,提升电机工作点的效率分布;制动时通过蓄能器回收制动能并在加速时释放,改善能量回收率。其次,为了初步验证所设计电液混合动力系统的节能优势,为后续的实车行驶工况测试、试验验证及智能能量管理策略的设计提供参考,同时考虑到基于规则的能量控制形式的实用价值,本文构建了基于规则的多模式切换能量管理策略。借助AMESim与MATLAB/Simulink-stateflow软件的联合仿真平台,建立混联式电液混合动力系统的整车及控制模型。在CCBC行驶工况下进行联合仿真分析。结果表明:相比于纯电动力系统,所设计的混联式电液混合动力系统在基于规则能量管理策略的控制下能够通过动力模式的切换有效避免车辆起步及加速时的扭矩冲击,同等行驶条件下蓄电池能耗降低31.72%。然后,考虑到行驶工况的选取对基于软件仿真的车辆参数设计及综合使用性能评估的影响极大,本文对所选蓄电池公交车在实际运行场景下的驾驶特性进行了测试,获取了该类车型的多组实际运行速度-时间序列。通过相应的数据处理和分析,绘制了适用于该类公交车的典型城市循环行驶工况。基于所得实际行驶工况进行仿真分析,评估所设计电液混合动力系统在实际行驶场景下的综合性能,结果验证了电液混合动力系统在实际行驶场景下的动力和节能优势,相同行驶条件下蓄电池电能消耗相比纯电动力系统减少了32.36%。进一步搭建相应的试验平台验证所提多工作模式切换思路与仿真模型的可行性、正确性及有效性,试验结果表明:所提出基于规则的工作模式切换控制可以达到预定的设计目标,有效改善车辆的综合性能。最后,为进一步改善所设计电液混合动力系统的能量回收及利用特性,探明不同能量管理策略下的最佳控制形式,本文设定了以实际运行工况为引导的能量主动调节和双向迁移管理策略。引入K-means聚类算法实现实测行驶场景下行驶工况的分段和聚类,并将该结果作为样本训练和测试可实现在线工况识别与预测的LVQ神经网络。借助模糊逻辑控制器对多重输入变量进行模糊处理。综合工况识别和模糊逻辑控制器的结果实现牵引电机和泵/马达输出特性的主动调节和双向迁移。根据工况的在线识别与预测结果,当车辆持续加速时均化液压能的辅助优势,持续制动时则优先使用液压能为液压再生制动创造更多的储能空间。通过仿真将所制定的能量主动调节和双向迁移管理策略与基于确定和模糊规则的控制策略进行对比,结果表明:所设计的能量管理策略能够智能控制复合动力源之间的能量调节和迁移,显著提升蓄电池的续驶里程和使用寿命。

关键词：蓄电池公交车电液混合动力系统电机工况点主动调节能量管理策略

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