电液混合动力客车动力传动系统匹配研究

打开文本图片集

摘要：为解决纯电动汽车存在的冲击电流对蓄电池造成的损害问题，本文以国内某款燃料电池城市客车为研究对象，采用复合储能系统，对电液混合动力客车的动力传动系统进行研究。对整车结构性能参数进行匹配，并对汽车动力驱动系统及动力系统的主要部件进行设计，同时对驱动电机、动力电池和液压动力参数进行匹配。研究结果表明，液压系统和蓄电池系统可以良好的协调配合，增加了混合动力汽车的行驶里程，避免了充放电大电流对动力电池的冲击问题。而且节约了电动汽车的电力消耗，减轻了电池组容量和质量，减小了电动机额定功率和质量，实现零排放，提高了回收效率。该研究为混合动力汽车的发展提供了一种新思路，具有较好的应用前景。

关键词：电液混合动力; 电液耦合器; 液压蓄能器; 参数匹配

现阶段纯电动汽车的成熟技术均采用锂电池作为动力源，以电动机驱动车辆，结构简单、调速控制方便、行驶中无排放，但其不足之处在于电池组体积庞大、份量重及电动机额定功率和质量大，能量回收效率低。混合动力汽车由于避免了来自蓄电池能量的限制和燃料电池后处理污染性问题的约束，兼顾传统内燃机汽车与纯电动汽车的优点，同时消费者的用车理念也发生了转变，更青睐于燃油经济性较好的混合动力汽车，因此混合动力汽车已成为汽车研究与开发的一个重点。动力系统参数匹配和控制策略开发，是混合动力汽车的两大核心技术[1]。目前，客车的传动系统大多是气电传动、油电传动和纯电动传动等，对电液传动的研究较少。青岛理工大学所研究的负载隔离式动力客车，虽然解决了一部分传动方面的问题，但其运用独立单元匹配，结构相对松散，与传统传动系统的效率相比，没有较大的提高，而且油电液混合动力汽车解决了纯电动汽车的电池组较大及电动机额定功率大的问题，但由于保留了传统内燃机，未做到零排放;杨阳等人[2-3]设计了一种基于电液比例阀的电液混合动力系统，通过AMEsim软件，建立了该电液混合动力系统的仿真平台，仿真结果验证了该系统的正确性和可行性，为进一步研究电液混合动力系统提供了方案。基于此，本文主要对电液混合动力客车的动力传动系统进行研究。该系统通过液压泵将汽车制动时的机械能转化为液压能存储于蓄能器中，在汽车启动、加速、爬坡等大功率情况下释放能量，有效的保护蓄电池不受大电流充放电的损害。不仅能够节约电动汽车的电力消耗，减轻电池组容量和重量，减小电动机额定功率和质量，还能实现零排放，提高回收效率。该研究具有较好的应用前景。

1 整车结构性能参数

为了对燃料电池液压混合动力客车动力系统进行匹配，应先确定研究对象的性能要求[4]。相对于各种类型的车辆，基本的性能要求都各不相同，对于城市客车，由于市区的交通环境需要进行频繁的起步加速和制动，行驶车速相对较低，对车辆的加速性能要求较高[5]，电液城市客车与传统燃油城市客车具有基本相同的动力性能要求。其中，车辆行驶中的动力性能指标主要有最高车速、加速时间和最大爬坡度等。本文以国内某款燃料电池城市客车为研究对象，电液混合动力城市客车参数如表1所示。

电液混合动力传动系统关键元件有电机、蓄电池及高低压蓄能器等，其参数匹配及优化对整车动力性和经济性具有重要影响，必须根据相应整车性能要求计算其参数。根据某混合动力客车整车动力性能要求，计算关键元件参数并选型。根据国家对插电式混合动力汽车相关性要求及城市客车的运行工况[6]，初步判定动力性能指标为最高车速70 km/h;原地起步加速为0～50 km/h，加速时间小于等于25 s[7];在车速20 km/h时，最大爬坡度为15°;在城市循环工况下，纯电动续驶里程大于等于70 km[8]。

4 结束语

本文主要对电液混合动力客车的动力传动系统进行研究。首先确定燃料电池液压混合动力客车动力驱动系统的结构，并对车辆工作模式进行分析。同时，根据大巴车的整车参数和动力性能参数，确定了驱动电机的重要参数，并根据续驶里程要求和最大需求功率要求，选择了储能电池;根据城市循环工况的平均需求功率，匹配了发动机和发电机的参数，使汽车在行驶过程中需求功率和发动机在高效区工作带动发电机发出的功率相平衡。在已有研究的基础上进行了改进，对机电液混合动力汽车之间复杂的传动关系用电液混合动力代替，在改进动力性的同时，减少了传动时的能量损耗，优化了其经济性。该研究为后期的建模仿真提供了理论基础和数据支撑。

参考文献：

[1] 楼海星， 姚维. 超级电容在电动汽车电池能量回馈中的应用[J]. 轻工机械， 2013， 31（6）： 54-58.

[2] 杨阳， 刘松， 秦大同，等. ISG 型混合动力汽车制动系统仿真分析[J]. 重庆大学学报： 自然科学版， 2009， 32（7）： 752-756.

[3] 胡明辉， 谢红军，秦大同. 电动汽车电机与传动系统参数匹配方法的研究 [J]. 汽车工程， 35（12）： 1069-1073.

[4] 周江辉. 增程式电动汽车动力传动系统参数匹配及性能仿真[D]. 天津： 天津大学， 2014.

[5] 卢波. 纯电动城市客车动力系统设计及试验研究[D]. 陕西： 长安大学， 2011.

[6] Delaney A. Hydraulichybrids[J]. Engineering and Technology， 2008， 3（20）： 40-43.

[7] 王佳雪. 双电机混合动力系统参数匹配与协调控制研究[D]. 长春： 吉林大学， 2011.

[8] 李晶晶. 燃料电池与超级电容混合驱动系统的研究与仿真[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2006.

[9] 赵新富. 基于 CVT 的新型混合动力传动系统设计与研究[D]. 重庆： 重庆大学， 2012.

[10] 劉文杰. 混联型混合动力汽车控制策略优化研究[D]. 重庆. 重庆大学， 2007.

[11] 张晓冰. 城市客车油液混合动力系统匹配及控制策略研究[D]. 长春： 吉林大学， 2012.

[12] 魏朝阳. 并联混合动力汽车驱动系统参数设计与匹配研究[D]. 重庆： 重庆交通大学， 2014.

[13] Ramakrishnan R， Hiremath S S， Singaperumal M. Design strategy for improving the energy efficiency in series hydraulic/electric synergy system[J]. Energy， 2014， 67（1）： 422-434.

[14] 胡明辉， 谢红军， 秦大同. 电动汽车电机与传动系统参数匹配方法的研究[J]. 汽车工程， 2013， 35（12）： 1068-1074.

[15] 郭迪. 燃料电池混合动力系统建模与仿真研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2010.

[16] Deppen T O， Alleyne A G， Stelson K A， et al. An energy management for a hydraulic hybrid vehicle[C]∥2012 American Control Conference. QC， Canada： IEEE， 2012.

[17] 高建平， 何洪文， 孫逢春. 混合动力电动汽车机电耦合系统归类分析[J]. 北京理工大学学报， 2008， 28（3）： 197-201.

[18] 王军， 熊冉， 杨振迁. 纯电动大客车制动能量回收系统控制策略研究 [J]. 汽车工程， 2009， 31（10）： 932-937.

[19] 王业琴. 电动城市客车运行能有效关键技术研究[D]. 黑龙江： 东北林业大学， 2013.

[20] 舒红. 并联型混合动力汽车能量管理策略研究[D]. 重庆： 重庆大学， 2008.

[21] 周保华. 电动汽车传动系统参数设计及换挡控制研究[D]. 重庆： 重庆大学， 2010.

[22] Mohamed Mourad. Improving the performance of a hybrid electric vehicle by utilization regenerative braking energy of vehiclee[J]. International Journal Ofenergyand Environment， 2011， 2（1）： 161-170.

[23] 曾亿山. 液压与气压传动[M]. 合肥： 合肥工业大学出版社， 2008.

[24] 徐亚磊. 纯电动汽车驱动系统选型及仿真研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2012.

[25] 瞿道海. 电动汽车再生制动能量回馈控制策略的研究[D]. 长沙： 湖南大学， 2014.

[26] 韩胜明. 纯电动汽车双电机耦合动力传动系统控制策略研究[D]. 成都： 西华大学， 2015.