混聯(lián)式混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)仿真研究

劉振峰 顧力強(qiáng) 方 華

上海交通大學(xué)汽車(chē)電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

引言

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出臺(tái)了混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),關(guān)于混合動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)尚處于研究探索階段,國(guó)外也未曾公開(kāi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),但美國(guó)SAE從2009年就開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力和純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如SAEJ2907和J2908。國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)體系均處于缺乏統(tǒng)一合理的混合動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),而燃油經(jīng)濟(jì)性能作為混合動(dòng)力客車(chē)重要性能之一,很大程度上決定其商業(yè)化應(yīng)用價(jià)值,所以開(kāi)展混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)研究是很有必要的。

1 上海市典型臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)工況開(kāi)發(fā)

目前國(guó)外針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)主要有重型柴油機(jī)FTP瞬態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)如圖1、CSVL(Constant-Speed,Varlable-Load)瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)、CTA(ChicagoTransitAuthority)測(cè)試循環(huán)、典型CTA(Chicago Transit Authority)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)如圖2,而國(guó)內(nèi)重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)循環(huán)也都參照ECER49、ESC、ETC中的測(cè)試循環(huán)。

圖1 FTP瞬態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)圖Fig.1 FTP transient bench test cycle

圖2 CTA動(dòng)態(tài)臺(tái)架循環(huán)工況Fig.2 CTA dynamic bench test cycle

我國(guó)大部分城市行駛工況與國(guó)外城市差別較大,其轉(zhuǎn)化得到的臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)不能真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。為了能真實(shí)反映上海申沃型混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的真實(shí)的工況特性,本文利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中相關(guān)性理論和運(yùn)動(dòng)學(xué)片段構(gòu)建方法建立了典型上海城市道路循環(huán)工況,并根據(jù)文中后續(xù)采用的SWB6116HEV型混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)選型方案將汽車(chē)行駛循環(huán)轉(zhuǎn)化成混合動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán),為混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)仿真建立基礎(chǔ)。典型上海市區(qū)和郊區(qū)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)分別如圖3-圖7所示。

圖4 典型上海市區(qū)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)扭矩圖Fig.4 Torque of typical shanghai urban bench test cycle

圖5 典型上海郊區(qū)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)轉(zhuǎn)速圖Fig.5 Speed of typical shanghai suburb bench test cycle

圖6 典型上海郊區(qū)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)扭矩圖Fig.6 Torque of typical shanghai suburb bench test cycle

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)虛擬臺(tái)架仿真平臺(tái)建模

2.1 SWB6116HEV型混合動(dòng)力系統(tǒng)方案選型

申沃SWB6116HEV型混合動(dòng)力客車(chē)采用的是一種基于機(jī)械式手動(dòng)變速箱結(jié)構(gòu)的ISG型混聯(lián)式混合動(dòng)客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng).該系統(tǒng)采用取消I擋的五檔手動(dòng)變速箱。該車(chē)型的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括ISDe210型六缸柴油機(jī)、ISG電機(jī)、離合器、五擋手動(dòng)變速箱(取消 1擋)、TM(驅(qū)動(dòng)電機(jī))、電機(jī)控制器、動(dòng)力電池、扭矩耦合機(jī)構(gòu)等。SWB6116HEV型混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖7和三維結(jié)構(gòu)圖如圖8。針對(duì)SWB6116HEV混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn),本文選用的動(dòng)力系統(tǒng)選型方案主要部件參數(shù)具體如表1。

圖7 SWB6116型混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Scheme of the SWB6116 hybrid electric bus powertrain

2.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)虛擬臺(tái)架仿真平臺(tái)建模

由于目前建立混合動(dòng)力系統(tǒng)物理試驗(yàn)臺(tái)架(如圖9)還存在各種問(wèn)題包括信號(hào)同步性、多動(dòng)力協(xié)同控制、測(cè)功機(jī)響應(yīng)等問(wèn)題,先采用建立虛擬臺(tái)架的仿真方法對(duì)該臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行模擬研究,為上述問(wèn)題的解決提供參考。

圖8 SWB6116HEV型混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.8 3-D profile of SWB6116HEV hybrid powertrain

表1 SWB6116HEV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Specifications for powertrain of the SWB6116HEV

其中,基于理論模型建模方法采用大量微分方程和滑模控制方法等控制方法建模難度大,仿真緩慢且僅適于單個(gè)模型的瞬態(tài)分析,針對(duì)復(fù)雜混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn),文中的發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要采用基于試驗(yàn)MAP數(shù)據(jù)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型,電池模型采用美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的Rint模型,最后建立完整的混合動(dòng)力系統(tǒng)虛擬臺(tái)架仿真平臺(tái)如圖10.

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M仿真

3.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)仿真

根據(jù)上述上海市區(qū)和郊區(qū)典型臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)分別進(jìn)行了混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M仿真。轉(zhuǎn)速和扭矩作為反映動(dòng)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程的最重要的兩個(gè)參數(shù),圖11和圖11說(shuō)明了上海市區(qū)典型臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩跟蹤目標(biāo)值的情況。

從上海市區(qū)典型臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)的仿真計(jì)算結(jié)果圖13,圖16可知,SOC從初始的52.4到最終SOC為45.5,整個(gè)工況循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)主要集中在最優(yōu)工作曲線附近,扭矩波動(dòng)比較小,車(chē)輛大部分動(dòng)態(tài)響應(yīng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)承擔(dān)。混合動(dòng)力系統(tǒng)百公里油耗約36.45 L/100 km

由于篇幅有限,不在列出上海郊區(qū)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)下的計(jì)算結(jié)果。

3.2 仿真與道路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

最后針對(duì)上海市區(qū)和郊區(qū)典型城市循環(huán)工況進(jìn)行了道路試驗(yàn)并與上述仿真結(jié)果對(duì)比如表2所示,對(duì)比結(jié)果顯示該虛擬臺(tái)架的仿真誤差不超過(guò)10%.

表2 仿真結(jié)果和道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Simulation and road test data

圖9 混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)物臺(tái)架示意圖Fig.9 Configuration of HEV powertrain test bench sytem

圖10 混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性虛擬臺(tái)架仿真平臺(tái)Fig.10 Virtual test bench for hybrid powertrain

圖11 典型上海市區(qū)虛擬臺(tái)架仿真轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速比較Fig.11 Simulation speed and expected speed under shanghai bench urban test cycle

圖12 典型上海市區(qū)虛擬臺(tái)架仿真扭矩與目標(biāo)扭矩比較Fig.12 Simulation torque and expected torque under shanghai bench urban test cycle

圖13 典型上海市區(qū)虛擬臺(tái)架仿真中SOC變化情況Fig.13 SOC under shanghai bench urban test cycle

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布Fig.14 Engine running points distributing

圖15 驅(qū)動(dòng)電機(jī)工況點(diǎn)分布Fig.15 Traction motor running points distributing

圖16 混合動(dòng)力系統(tǒng)扭矩分配Fig.16 Torque assignment of Engine,SG,TM

其中Velectric_fuel為電能消耗量等效的燃油消耗量(L);Vdiesel為混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗量(L)：Vhybrid為混合動(dòng)力系統(tǒng)總體等效的燃料消耗量(L)。

4 結(jié)論

1)針對(duì)上海道路循環(huán)工況特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)典型臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)。

2)基于SWB6116ISG型混聯(lián)式混合動(dòng)客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)方案建立了該混合動(dòng)力系統(tǒng)虛擬臺(tái)架,并依據(jù)典型臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性能臺(tái)架試驗(yàn)仿真,仿真結(jié)果顯示該模型仿真誤差不超過(guò)10%,既驗(yàn)證了循環(huán)工況也驗(yàn)證了該虛擬臺(tái)架仿真模型可有效評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性能。

3)仿真模型還不能完全真實(shí)模擬混合動(dòng)力系統(tǒng)模式動(dòng)態(tài)切換過(guò)程中的慣性沖擊,信號(hào)滯后等過(guò)程,依然存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

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