單軸并聯(lián)式混合動力客車換檔規(guī)律的研究

孫 山，時 巖

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

單軸并聯(lián)式混合動力客車換檔規(guī)律的研究

孫 山，時 巖

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

以某城市單軸并聯(lián)式混合動力客車為例，對混合動力車的最佳動力性換檔規(guī)律進行研究，為其制定了以發(fā)動機油門開度、電機等效油門開度、車速為控制參數(shù)的3參數(shù)換檔規(guī)律，對提高混合動力傳動系效率有一定意義。

混合動力；換檔規(guī)律；三參數(shù)；客車

0 引言

目前對混合動力車輛的研究主要集中在能量管理上，而對換檔規(guī)律方面的研究較少。本文選取單軸并聯(lián)式混合動力車輛作為研究對象，對其動力性換檔規(guī)律進行研究。通過分析傳統(tǒng)燃油車輛的最佳動力性換檔規(guī)律的理論求解方法，推導出單軸并聯(lián)式混合動力車型基于發(fā)動機油門開度、電機等效油門開度、車速的3參數(shù)換檔規(guī)律的理論求解方法[1]。

1 換檔控制參數(shù)的選取

換檔規(guī)律控制參數(shù)一般有3個：發(fā)動機油門開度、車速和加速度[2]。傳統(tǒng)燃油車輛一般選取發(fā)動機油門開度、車速作為換檔規(guī)律控制參數(shù)。混合動力車輛和傳統(tǒng)車輛在結構上有所不同，它有電機和發(fā)動機兩個動力源，因此它的油門開度包含發(fā)動機油門開度、電機等效油門開度兩個。本文將選取發(fā)動機油門開度、電機等效油門開度、車速這3個參數(shù)作為混合動力車輛換檔規(guī)律的控制參數(shù)，并同時考慮了發(fā)動機和電機這兩個動力源對換檔規(guī)律的影響。因此，相比傳統(tǒng)燃油車輛的兩參數(shù)換檔規(guī)律，該三參數(shù)換檔規(guī)律更能滿足混合動力車型的動力性要求。

2 動力性換檔規(guī)律的求解方法

圖解法、經驗法和解析法為確定動力性換檔規(guī)律的三大方法。本文將選用解析法作為研究方法。

以發(fā)動機油門開度和車速作為換檔控制參數(shù)的動力性換檔規(guī)律的求解方式為：先選取一個發(fā)動機油門開度并保持其不變，然后使車輛分別以不同的檔位從靜止加速行駛，計算出車輛以相鄰檔位行駛，加速度相等時的車速，這個車速便是換檔點車速。用此方法經過數(shù)學計算便可以確定出換檔規(guī)律控制參數(shù)的理論值，這種方法適用于各類型車輛，應用較為廣泛[3]。

3 混合動力汽車動力性換檔規(guī)律的解析法求解

用解析法來求解車輛換檔規(guī)律時用到的最基本方程是汽車行駛方程式。

3.1 傳統(tǒng)車輛基于解析法的動力性換檔規(guī)律求解

由解析法的定義可知，保持發(fā)動機油門開度不變，找到車輛以相鄰檔位從靜止加速行駛，加速度相同時的車速。在這里可以利用如下汽車行駛方程式[4-5]：

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj.

(1)

即

(2)

其中：Ft為汽車驅動力；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速度阻力；Ttq為汽車動力源輸出扭矩；ig為變速器傳動比；io為主減速器傳動比；nT為傳動系機械效率；r為車輪半徑；G為汽車重力；f為滾動阻力系數(shù)；θ為坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風面積；v為車輛行駛速度；m為車輛質量；δ為汽車旋轉質量換算系數(shù)。

如果不考慮坡度因素，即θ=0，式(2)可簡寫為：

(3)

(4)

根據(jù)試驗臺架的實驗數(shù)據(jù)可知發(fā)動機的扭矩和其轉速是呈線性變化的，可以近似用多項式來描述扭矩和轉速的關系：

(5)

其中：Te為發(fā)動機扭矩；ne為發(fā)動機轉速；ak為方程系數(shù)，k為擬合階數(shù)，k=0,1,…。擬合階數(shù)k一般因特性曲線不同而不同，本文取k=2。應用拉格朗日插值法，我們取發(fā)動機負荷特性曲線上的3點，即(ne1,Te1)、(ne2,Te2)、(ne3,Te3),可以算出：

(6)

(7)

(8)

發(fā)動機轉速和汽車行駛速度之間的關系式為：

(9)

把式(6)～式(9)代入到式(1)，并化簡可以得到：

(10)

以上是傳統(tǒng)車輛的動力性換檔規(guī)律解析法的求解方式，混合動力車型的動力性換檔規(guī)律解析法求解方式與其類似。

3.2 混合動力車輛基于解析法的動力性換檔規(guī)律求解

3.2.1 發(fā)動機單獨驅動

在發(fā)動機單獨驅動的工作模式下，整個混和動力車輛的動力源只有發(fā)動機一個，即：

Ttq=Te.

(11)

在這種工作模式下，混合動力車動力性換檔規(guī)律的解析法求解方式和傳統(tǒng)車輛的求解方式一樣，在此不再贅述。

3.2.2 電動機單獨驅動

在電機單獨工作模式下，只有電機一個動力源，此時混和動力車輛動力性換檔規(guī)律求解方法和發(fā)動機單獨驅動下的求解方法類似，即：

Ttq=Tm.

(12)

其中：Tm為電機扭矩。電動機扭矩—轉速特性曲線不可以用簡單的一元二次方程來表示，在該混合動力車輛采用的電機中，電機扭矩隨轉速的變化曲線可以表示為：

(13)

其中：nm為電機轉速；nm1為電動機額定轉速；T為電動機額定轉矩。系數(shù)a0、a1、a2可以用拉格朗日插值法求解出來，其余求解過程和傳統(tǒng)車輛的求解方式一樣。

3.2.3 聯(lián)合驅動

聯(lián)合驅動，即發(fā)動機和電動機同時為車輛提供扭矩，此時車輛的總扭矩即為二者之和[6-7]：

Ttq=Te+Tm.

(14)

根據(jù)汽車行駛方程式可得：

(15)

又

(16)

則由式(15)和式(16)可以得到：

δh+1[(Teh+Tmh)·io·igh·nT-F(f+w)·r]=

δh[(Te(h+1)+Tm(h+1))·io·ig(h+1)·nT-F(f+w)·r].

(17)

其中：F(f+w)為空氣阻力與滾動阻力的和。式(17)經過化簡可以得到一元二次方程式：

(18)

3.2.4 發(fā)動機驅動電動機發(fā)電

發(fā)動機驅動電動機發(fā)電工作模式下，混合動力車輛有兩個動力源，但只有發(fā)動機負責為車輛提供行駛扭矩，電動機此時利用發(fā)動機扭矩發(fā)電為電池充電。因此，此時車輛的總扭矩即為二者之差：

Ttq=Te-Tm.

(19)

其余求解過程與聯(lián)合驅動模式類似。

4 結論

由于需要處理的數(shù)據(jù)量巨大，因此建議采用相關軟件編程進行計算。取發(fā)動機油門開度為[0～100%]，把電機的等效油門開度從-100%～100%量化到[0～100%]上，即電機等效油門開度為50%時，電機扭矩輸出為0。計算出的本研究課題的單軸并聯(lián)式混合動力客車3參數(shù)動力性換檔曲線如圖1～圖4所示。

圖1 1檔～2檔最佳動力性換檔點

圖2 2檔～3檔最佳動力性換檔點

圖3 3檔～4檔動力性換檔點

圖4 4檔～5檔動力性換檔點

[1] 劉大權.公共汽車AMT最佳動力性換檔規(guī)律的建模與

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Study on Optimal Dynamic Shift Schedule for Single-axle Parallel Hybrid Bus

SUN Shan, SHI Yan

(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Taking the single axle parallel hybrid bus as the main research object, the paper is focused on the optimal dynamic shift schedule. The engine throttle, the motor equivalent throttle and vehicle speed are taken as shift control parameters, and the three-parameters shift schedule is proposed.

hybrid; shift schedule; three parameter; bus

1672- 6413(2015)06- 0024- 02

2015- 02- 25；

2015- 10- 09

孫山(1988-)，男，江蘇宿遷人，在讀碩士研究生，研究方向為車輛動力裝置模擬、設計和優(yōu)化。

U461.1

A