增程式电动客车动力系统参数匹配与运行优化思考

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论文字数:43366 论文编号:sb2022030911140944721 日期:2022-03-16 来源:硕博论文网
本文是一篇工程硕士论文,本文深入研究和探讨了此课题的意义和目的,通过查阅大量的相关技术资料和文献,首先介绍了增程车辆的研究现状,并分析了增程车辆有关动力系统部件的基本参数计算匹配的研究现状和控制策略与逻辑的研究现状,结合公司市场调研情况,发现目前增程电动客车存在的问题,瞄准研究的切入点。

1 绪论

1.1 课题背景和研究意义
1.1.1 课题背景
随着车辆激增,各国面对传统燃油汽车污染环境弊病,发布了相关应对政策。在欧洲,为了减少排放和燃料消耗,欧共体对车辆制定了越来越多的限制,发布“白皮书”,其目标之一就是在 2050 年之前减排 60% [1]。同时在我国虽然拥有着丰富的不可再生的能源资源,但人均拥有量较低,在经济高速增长的今天,伴随消耗速度加快,能源枯竭的风险在上升。关键是在化石能源消耗的过程中,伴随产生的雾霾和温室效应,严重影响了地球环境和生物的多样性。大气环境的大部分 CO、NOX 和 HC 以及部分微粒污染物,是由汽车尾气带来的[2]。自2019 年 7 月 1 号,部分省市开始实施国六以来,人们对环保的意识进一步得到了增强。
科技飞速发展,在环保压力下,电动汽车技术在变革。在众多种类的电动汽车中,纯电动汽车是重点,但是高补贴下的高续航里程,出现了电池多且比能量高而使得危险性大,电池用量大、价格高,电池寿命较短等问题,这些原因阻碍了纯电动车辆的进程,这就要调整跟进新能源汽车解决方案。对于大中型车的城市客车,增程式是一个很好的解决方案,通过发电系统的加入,在满足动力电池电力需要的同时,并可以给驱动电机直接提供能量,这样解决了纯电动车辆续航的头疼问题,效率高,所需电池容量比同档次的纯电动小,改善整车排放性及燃油经济性。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外产品现状
在发达国家中,日本的并联式混合动力汽车的技术处于领先水平,并且日本将动力电池标准化的工作率先展开,处于领导的位置,并在日本政府政策扶持下,日本的整车制造商及动力电池的制造商共同制定了电动汽车使用锂电池的相关标准,而且还共同开发了新型锂离子动力电池组应用于“Rel”车型上[4]。日本最新上市的日产 NOTE/e-POWER,在 NVH 舒适性及性能匹配等方面达到了很高的技术水准。美国作为新能源汽车的引领者,通用汽车旗下的增城式电动汽车 VOLT,动力电池组为锂离子电池组,驱动电机额定功率为 111KW,纯电形式工况下,可以满足近 80Km 的续航里程,这样可以满足绝大多数日常行驶的需要。而增加了汽油机式增程器后,可以增加最多 490Km 的续航里程[5][6]。美国特斯拉公司在上海超级工厂建厂以来,其生产的 Model3 车型一直受人关注,随着其国产化,及生产成本降低,离走进大众的生活的日子应该不远了。
我国的电动汽车产业从 20世纪 70年代开始进入全面的研发阶段,近年随着国家政策的支持。我国的新能源汽车在一些新技术上得到了突破,在产业进入市场化阶段后,包括增程式电动汽车在内纯电动汽车将会进入发展的快车道。理想 ONE 的整车控制系统,预留了电池电量 30%,克服了增程产品噪音大、振动大、油耗高及加速性能差等问题,使 NVH(Noise、Vibration、Harshness)、加速、油耗等在内的实际表现都超出预期。奇瑞研发的增程式汽车,配备了40Ah 高性能磷酸铁锂电池及 15kW 增程器。广汽传祺开发的一款增程汽车,其输出扭矩 225Nm,在增程器中配置 1.0L 发动机,使得行驶里程获得了较大的进步。随着政策的支持,越来越多的车企加入到纯电动汽车制造行列,也必定会对汽车产生一定影响。日产的 Note e-power 虽然增程功率可以达到 58kw,但是电池组的容量过小的情况下,整车性能收到了较大的限制,在没有外充的情况下,很难实现城市零排放。通用别克 Velite5 增程功率达到了 78kw,但是系统过于复杂,不能称得上真正意义的增程式汽车。宝马 BMWi3 的增程功率过小,只能用在应急的情况下,无法在日常使用,这样增加了设计的难度,而应用确是比较少,经济性太差。理想生产的 One 增程式使用在 SUV 中,虽然增程功率达到了 60kw,但是相对柴油燃油机经济性较差,而且油耗较高。
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2 动力系统部件参数匹配及仿真

2.1 整车基本参数及性能要求
增程式车辆(E-REV)在纯电动汽车上搭载一套增程系统 APU( auxiliary power unit  ),可以采用多种动力源,包括燃油机、氢能源等。增程器(APU)的出现缓解了目前充电桩建设的压力,这既满足了政策需求,又为电动车销售开辟了一个新的潜在市场。E-REV 克服了纯电动汽车续驶里程短的缺陷,可作为混合动力向纯电动的一种平稳过渡车型。动力系统设计是 E-REV 在研发过程中的首要解决问题,良好的动力系统参数匹配,能满足 E-REV 动力性和续驶里程的要求[21]。
本章基于 10.5 米城市客车,结合所在地区的路况、实际的运行情况、工作模式、车型特点和设计总纲领,完成设计计算。增程式整车动力部件计算时,首要完成对增程部件、电机和动力电池部件的设计。表 2.1 为所设计目标车辆的参数数据:
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2.2 驱动电机参数匹配
驱动电机作为电动汽车动力系统中一个主要的动力机械设备,完成整车电能和机械能的转化。电机的功率决定着汽车的动力性,在应用过程中其类型有很多种,包括直流及交流电机、异步及同步电机等。其中直流电机可以分为有刷和无刷,有刷的电刷易烧损,而无刷则经由电子转向完成设备的持续转动。异步电机多用于传统和农业设备中,主要是基于其高可靠性、低成本和较强的过载能力。永磁电机是将永久磁铁替换励磁线圈,这样它就更加高效,精度和扭矩加大,并且噪音和体积也比较小[22]。对于增程式汽车的驱动电机,要求具有比较小质量和较高的能量转化,这样便于在便于布置的情况下,既能降低整车的质量,同时又利于拆装[23]。
动力电池是增程式电动汽车的唯一能量存储设备,是动力系统的重要组件之—、对整个系统的运行状态具有决定作用。动力电池的电量低于设置值后,增程器发的电贮存到电池中。动力电池提供汽车行驶所需要的大部分电能,随着电池容量增大,质量也会随之升高,这样就会制约车辆的制造成本、经济性。电池既要保证电压平台,又要保证整车功率,而且需要控制总电 量以保证整车重量和价格。所以对电芯倍率选择就需注重电芯的小安时,大倍率。这样既能满足车辆和系统的需求,也能满足性价比要求。对电池的具体要求包括以下几点:
(1)较高的比能量,安全可靠:满足可靠性时,使电池在一定的体积下储存更多的电能,一方面可使整车轻量化,另一方面增加车辆行驶里程。
(2)较大的比功率,寿命长:可以达到汽车在差异路况下,多功率的需求。较长的电池寿命,可以达到纯电模式里程需要,并使整车持久利用。实际应用过程中,要求电池能够达到 8 年使用期限,以满足客户对整车寿命要求。
(3)低成本,绿色环保:电池的高成本给公司的经营造成了较大的压力,所以寻求低成本的电池可以维持公司长期运营。同时还要能够满足环保的要求,降低环保的压力,对电池能够利于回收,循环使用[25]。
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3 动力系统参数优化 .................................... 27
3.1 多目标优化 ........................................... 27
3.1.1 多目标优化简介 ......................................... 27
3.1.2 目标优化数学模型 ...................... 28
4 基于澳门客车的系统集成及测试 ................................ 43
4.1 动力部件选取 ......................................... 43
4.1.1 驱动电机的选取 .............................. 43
4.1.2 动力电池选型 ............................................ 44
5 总结与展望 ..................................... 65
5.1 全文总结 ................................ 65
5.2 不足和展望 .................................... 65

4 基于澳门客车的系统集成及测试

4.1 动力部件选取
根据对动力部件参数的计算、仿真和优化结果,进行动力部件的选取,从而减少从立项到成品的开发周期,提高项目的一次成功率。
4.1.1 驱动电机的选取
根据目前市场的调研,结合理论计算和参数仿真优化的结果,最终选择一款持续 105kw的永磁驱动电机。具体参数如表 4.1所示,此款电机的最大功率达到 200kw,持续扭矩为 1100Nm,最大扭矩为 2500Nm,最高转速为 3000rpm,满足车辆的设计需求。由图 4.1 MAP 图知,在转速 2000rpm 上下时,系统效率可以到 90%以上。
工程硕士论文参考
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5 总结与展望

5.1 全文总结
本文在对客车基本参数和性能要求的基础上,对增程式电动客车动力系统参数匹配仿真与运行优化进行研究,并根据优化的结果进行系统搭建与现场试验。 本文具体研究内容归纳如下:
(1)深入研究和探讨了此课题的意义和目的,通过查阅大量的相关技术资料和文献,首先介绍了增程车辆的研究现状,并分析了增程车辆有关动力系统部件的基本参数计算匹配的研究现状和控制策略与逻辑的研究现状,结合公司市场调研情况,发现目前增程电动客车存在的问题,瞄准研究的切入点。
(2)根据整车参数和动力性设计要求,通过运用汽车系统相关理论知识,完成驱动电机、动力电池和增程器 APU 的重要参数进行计算,并完成部件参数匹配。然后通过 Matlab 和 AVL-CRUISE 的联合仿真,验证各部件主要参数匹配的可行性。
(3)运用遗传算法对增程车辆的动力系统零件参数予以优化,达到对整车的燃油消耗和生产制造成本进行优化的目标,同时分析对比优化前后的结果,验证了优化的合理性和优化的意义。
(4)在完成动力系统参数的计算、仿真和优化后,根据客户对客车的需求,完成对部件的选型及整车控制部件连线的设计和整车系统的搭建,进行动力部件和整车系统的实测验证。通过对整车的运行,及整车在整个实际路段表现情况,整车的动力性和经济性可以满足客户需求。
参考文献(略)

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