您的位置:山东大学 -> 科技期刊社 -> 《山东大学学报(工学版)》

山东大学学报 (工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (6): 98-106.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2019.072

• 机械与能动工程 • 上一篇    下一篇

ECVT型混合动力城市客车动力系统设计与验证

唐友名1,2(),董坤1,2,张袁伟1,2   

  1. 1. 厦门理工学院机械与汽车工程学院, 福建 厦门 361024
    2. 福建省客车及特种车辆研发协同创新中心,福建 厦门 361024
  • 收稿日期:2019-02-23 出版日期:2019-12-20 发布日期:2019-12-17
  • 作者简介:唐友名(1981—),男,湖南祁东人,教授,博士(后),主要研究方向为汽车安全与节能. E-mail: tangyouming@xmut.edu.cn
  • 基金资助:
    福建省自然科学基金资助项目(2017J01493);福建省客车及特种车辆研发协同创新中心重点产品研发项目(2016AYF005)

Design and verification of power system for ECVT hybrid electric city bus

Youming TANG1,2(),Kun DONG1,2,Yuanwei ZHANG1,2   

  1. 1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, Fujian, China
    2. Fujian Collaborative Innovation Center for R&D of Coach and Special Vehicle, Xiamen 361024, Fujian, China
  • Received:2019-02-23 Online:2019-12-20 Published:2019-12-17
  • Supported by:
    福建省自然科学基金资助项目(2017J01493);福建省客车及特种车辆研发协同创新中心重点产品研发项目(2016AYF005)

摘要:

针对传统客车集成启动/发电机一体化(integrated starter/generator, ISG)混合动力系统节油效果不理想的问题,选用电控无极自动变速(electronic continuously variable transmission, ECVT)混合动力系统方案,在插电式混合动力城市客车上应用并验证。在单行星排运动学特性的等效杠杆分析基础上,对某插电式ECVT动力系统关键部件进行参数匹配与计算;根据标定试验数据,采用Matlab/Simulink软件建立发动机仿真模型、驱动电机仿真模型和发电机仿真模型,搭建整车仿真模型;在中国典型城市公交循环工况下,研究目标车型的燃油经济性、动力性、纯电最大续航特性,完成经济性、动力性等道路测试试验。结果表明,本研究设计的ECVT混合动力系统汽车相较于传统汽车节油率达到57.47%,相较于ISG混合动力系统汽车节油率提高了24.12%。因此,插电式混合动力城市客车采用ECVT混合动力系统方案是可行有效的,且节油效果明显。

关键词: 电控无极自动变速箱, 混合动力, 动力系统, 匹配计算, 城市客车

Abstract:

Aiming at the problem that the integrated starter/generator(ISG) hybrid power system was not ideal in fuel saving effect, this study selected the electronic continuously variable transmission(ECVT) hybrid power system scheme, which was applied and verified in plug-in hybrid electric city bus. Based on the equivalent lever analysis of the kinematics characteristics of a single planetary line, the parameters of key components of a plug-in ECVT power system were matched and calculated. According to the calibration test data, Matlab/Simulink software was used to establish the engine simulation model, drive motor simulation model and generator simulation model, to build the vehicle simulation model. Under typical urban bus cycle conditions in China, the fuel economy, dynamic performance and pure electric maximum continuous voyage characteristics of the target vehicle were studied, and the road tests of economy and dynamic performance were completed. The results showed that the ECVT hybrid system vehicle designed in this study could achieve fuel saving rate of 57.47% compared with traditional vehicles, and 24.12% higher than ISG hybrid system vehicle. Therefore, the adoption of ECVT hybrid power system for plug-in hybrid city bus was feasible and effective, and had obvious fuel saving effect.

Key words: ECVT, hybrid electric vehicle(HEV), power system, matching computation, city bus

表1

整车基本参数"

轮胎半径
r/mm
整备质量
m/kg
最大总质量M/kg 主减速器比
I0
迎风面积
A/m2
风阻系数
CD
滚动阻力系数f 传动效率
ηt
旋转质量系数δ 空气密度
ρ/(kg·m-3)
478 9 500 16 500 6.14 7 0.65 0.008 5 0.95 1.05 1.29

表2

技术指标"

最大车速
vmax/(km·h-1)
爬坡度β(满载,20 km/h) 0 ~50 km/h加速时间/s 城市工况平均油耗
Q/(L·(100 km-1))
纯电续航里程
(半载40 km/h车速)s/km
纯电模式 混动模式下
69 ≥12% ≥16% ≤25 ≤18 不低于50 km

图1

系统构型结构示意图"

图2

等效杠杆图"

图3

纯电模式阻力平衡等效杠杆图"

图4

混动模式下的阻力平衡图"

图5

仿真过程车速跟随情况"

图6

燃油消耗变化曲线"

图7

纯电最大续航里程仿真结果"

图8

加速性能仿真结果"

图9

爬坡性能仿真结果"

表3

燃油经济性试验结果"

序号 油耗/L 电耗/
(kW·h)
综合油耗/L 行驶里程/
km
折算百公里油耗/
(L·(100 km)-1)
1 0.96 -0.03 0.93 5.8 16.03
2 0.96 -0.04 0.92 5.8 15.86

表4

最大续航行驶里程试验结果"

序号 行驶距离
s/km
试验车速
v/(km·h-1)
试验初始
SOC/%
试验终止
SOC/%
1 50 40 100 10.6
2 50 40 100 12.1
3 50 40 100 11.5

图10

加速性能试验数据处理结果"

图11

最高车速试验采集数据曲线"

表5

仿真结果与试验结果对比"

试验项目 油耗/
(L·(100 km-1))
节油率/% 0 ~50 km/h时间/s 最高试验车速/
(km·h-1)
最大爬坡度/% 初始SOC/% 结束SOC/%
ISG系统试验结果 21.02 43.95 27 69 11.3 100 11
ECVT仿真结果 15.27 59.28 12.4 70 14.6 100 12.2
ECVT试验结果 15.95 57.47 13.1 69 100 11.4
误差/% 4.26 4.26 5.34 1.45 0 7.02
1 国家制造强国建设战略咨询委员会. 中国制造2025蓝皮书(2017)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2017: 121- 139.
2 张俊智, 吕辰, 李禹橦. 电动汽车混合驱动与混合制动系统:现状及展望[J]. 汽车安全与节能学报, 2014, 5 (3): 209- 223.
doi: 10.3969/j.issn.1674-8484.2014.03.001
ZHANG Junzhi , LÜ Chen , LI Yutong . Hybrid propulsion and hybrid braking technologies of electrified vehicles: status and prospect[J]. Journal of Automotive Safety and Engergy, 2014, 5 (3): 209- 223.
doi: 10.3969/j.issn.1674-8484.2014.03.001
3 秦大同, 邓涛, 杨阳, 等. 基于前向建模的ISG型CVT混合动力系统再生制动仿真研究[J]. 中国机械工程, 2008, (5): 618- 624.
doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2008.05.028
QIN Datong , DENG Tao , YANG Yang , et al. Regenerative braking simulation research for CVT hybrid electric vehicle with ISG based on forward modeling[J]. China Mechanical Engineering, 2008, (5): 618- 624.
doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2008.05.028
4 杨亚联, 叶盼, 胡晓松, 等. 基于DP优化的ISG型速度耦合混合动力汽车模糊控制策略的研究[J]. 汽车工程, 2016, 38 (6): 674- 679.
doi: 10.3969/j.issn.1000-680X.2016.06.004
YANG Yalian , YE Pan , HU Xiaosong , et al. A research on the fuzzy control strategy for a speed-coupling ISG HEV based on dynamic programming optimization[J]. Automotive Engineering, 2016, 38 (6): 674- 679.
doi: 10.3969/j.issn.1000-680X.2016.06.004
5 叶心, 叶明, 罗勇. ISG型混合动力汽车驱动工况控制策略的试验研究[J]. 汽车工程, 2013, 35 (10): 915- 920.
doi: 10.3969/j.issn.1000-680X.2013.10.012
YE Xin , YE Ming , LUO Yong . An experimental study on the control strategy for ISG hybrid electric vehicle at different drive conditions[J]. Automotive Engineering, 2013, 35 (10): 915- 920.
doi: 10.3969/j.issn.1000-680X.2013.10.012
6 王永宽, 钱立军, 牛礼民. 基于免疫算法的四驱插电式混合动力汽车控制策略多目标优化[J]. 中国机械工程, 2017, 28 (14): 1683- 1690.
WANG Yongkuan , QIAN Lijun , NIU Limin . Multi-objective optimization of control strategies for four-wheel drive PHEV based on immune algorithm[J]. China Mechanical Engineering, 2017, 28 (14): 1683- 1690.
7 秦大同, 叶心, 胡明辉, 等. ISG型中度混合动力汽车驱动工况控制策略优化[J]. 机械工程学报, 2010, 46 (12): 86- 92.
QIN Datong , YE Xin , HU Minghui , et al. Optimization of control strategy for medium hybrid electric vehicle with ISG at drive condition[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46 (12): 86- 92.
8 李梅, 卢铁钢. 机械设计基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2013: 185- 210.
9 余志生. 汽车理论[M]. 5版.北京: 机械工业出版社, 2009: 30- 32.
10 彭志远, 秦大同, 段志辉, 等. 新型混合动力汽车工作模式分析与参数匹配设计[J]. 中国机械工程, 2012, 23 (9): 1122- 1128.
doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2012.09.025
PENG Zhiyuan , QIN Datong , DUAN Zhihui , et al. Operation mode analysis and parameter matching design of a novel hybrid electric vehicle[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23 (9): 1122- 1128.
doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2012.09.025
11 汤峰, 邱静. 纯电动城市客车动力系统参数匹配及仿真研究[J]. 安徽建筑大学学报, 2013, 21 (2): 76- 79.
doi: 10.3969/j.issn.1006-4540.2013.02.019
TANG Feng , QIU Jing . A study on the parameters matching and simulation of power system for pure electric city bus[J]. Journal of Anhui Institute of Architecture & Industry(Natural Science), 2013, 21 (2): 76- 79.
doi: 10.3969/j.issn.1006-4540.2013.02.019
12 曾小华, 王庆年, 宋大凤. 汽车功率需求的简单求解方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41 (3): 613- 617.
ZENG Xiaohua , WANG Qingnian , SONG Dafeng . Simplified method to solve vehicle power demand[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2011, 41 (3): 613- 617.
13 刘清虎, 郭孔辉. 动力参数的选择对纯电动汽车性能的影响[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2003, (增刊1): 62- 64.
LIU Qinghu , GUO Konghui . Effect of power parameters on performance of pure electric vehicles[J]. Journal of Hunan University (Natural Science), 2003, (Suppl.1): 62- 64.
14 王广生, 黄守道, 高剑. 永磁同步电动机过载特性及其控制策略[J]. 电机与控制应用, 2011, (5): 10- 15.
doi: 10.3969/j.issn.1673-6540.2011.05.003
WANG Guangsheng , HUANG Shoudao , GAO Jian . Permanent magnet synchronous motor overload characteristics and control strategy[J]. Electric Machines & Control Application, 2011, (5): 10- 15.
doi: 10.3969/j.issn.1673-6540.2011.05.003
15 姬伟超, 傅艳, 罗钦. 三种常用动力锂电池模型分析与比较[J]. 农业装备与车辆工程, 2015, 53 (5): 37- 41.
doi: 10.3969/j.issn.1673-3142.2015.05.009
JI Weichao , FU Yan , LUO Qin . Comparison and analysis of three types of lithium-ion battery models[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2015, 53 (5): 37- 41.
doi: 10.3969/j.issn.1673-3142.2015.05.009
16 胡建军, 冉洪亮, 陈佳, 等. 新型电控机械式自动变速器参数优化及性能研究[J]. 中国公路学报, 2018, 31 (11): 227- 235.
doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2018.11.024
HU Jianjun , RAN Hongliang , CHEN Jia , et al. Parameter optimization and analysis of a novel automated manual transmission with planetary gear train[J]. China Journal of Highway and Transport, 2018, 31 (11): 227- 235.
doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2018.11.024
17 林歆悠, 薛瑞, 孙冬野. 混联式混合动力客车能量管理实时优化算法研究[J]. 中国机械工程, 2013, 24 (18): 2539- 2543.
doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2013.18.025
LIN Xinyou , XUE Rui , SUN Dongye . Development of a real-time optimization algorithm for a series-parallel hybrid electric bus energy management[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24 (18): 2539- 2543.
doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2013.18.025
18 张宾, 郭连兑, 李宏义, 等. 电动汽车用磷酸铁锂离子电池的PNGV模型分析[J]. 电源技术, 2009, 33 (5): 417- 421.
doi: 10.3969/j.issn.1002-087X.2009.05.019
ZHANG Bin , GUO Liandui , LI Hongyi , et al. PNGV model analysis of LiFePO4 Li-ion battery for electric vehicle[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2009, 33 (5): 417- 421.
doi: 10.3969/j.issn.1002-087X.2009.05.019
19 张承慧, 李珂, 崔纳新, 等. 混合动力电动汽车能量及驱动系统的关键控制问题研究进展[J]. 山东大学学报(工学版), 2011, 41 (5): 1- 8.
ZHANG Chenghui , LI Ke , CUI Naxin , et al. Research progress on key control problems arising from the energy and driving system of the hybrid electric vehicle[J]. Journal of Shandong University of Technology, 2011, 41 (5): 1- 8.
20 KUM D . Control of engine-starts for optimal drivability of parallel hybrid electric vehicles[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement & Control, 2013, 135 (2): 450- 472.
21 CORDINER S , GALEANI S , MECOCCI F , et al. Torque setpoint tracking for parallel hybrid electric vehicles using dynamic input allocation[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2014, 22 (5): 2007- 2015.
doi: 10.1109/TCST.2013.2293179
22 牛礼民, 赵又群, 杨攀, 等. 单轴并联式混合动力客车动力总成匹配[J]. 山东大学学报(工学版), 2010, 40 (4): 125- 128.
NIU Limin , ZHAO Youqun , YANG Pan , et al. Match of the power train of a single-axle parallel hybrid electric bus[J]. Journal of Shandong University of Technology, 2010, 40 (4): 125- 128.
23 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.重型混合动力电动汽车能量消耗试验方法: GB/T19754—2015[S].北京:中国标准出版社, 2015.
24 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法: GB/T18386—2017[S].北京:中国标准出版社, 2017.
25 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.电动汽车动力性能试验方法: GB/T18385—2005[S].北京:中国标准出版社, 2005.
[1] 张宪红,张春蕊. 基于六维前馈神经网络模型的图像增强算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(4): 10-19.
[2] 陈玉成,孙强,苗强,白书战,李国祥. 混合动力汽车动力总成试验台设计与开发[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(1): 119-124.
[3] 牛礼民,赵又群,杨攀,李佳. 单轴并联式混合动力客车动力总成匹配[J]. 山东大学学报(工学版), 2010, 40(4): 125-128.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 于海波,李宇,余恬,雷虹 . W波段折叠波导慢波系统的尺寸对其冷特性的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(3): 90 -94 .
[2] 徐晓丹, 段正杰, 陈中育. 基于扩展情感词典及特征加权的情感挖掘方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2014, 44(6): 15 -18 .
[3] 许延生,刘兴芳 . 模糊聚类迭代模型在水资源承载能力评价中的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2007, 37(3): 100 -104 .
[4] 赵存明 沈斐敏. 公路隧道围岩级别变化的瑞利波速度判据分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(4): 34 -39 .
[5] 侯燕,杨猛. 高效解决复杂拓扑问题的显式界面追踪算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2016, 46(4): 15 -20 .
[6] 李勇 杨强 朱维申 李术才 张强勇 王汉鹏. 静态电阻与光纤应变测试技术在岩土地质力学模型试验中的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(3): 129 -134 .
[7] 程云1,2,刘明1,2*, 刘晓伟2. 二层框架填充墙出平面反应分析的试验研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2010, 40(2): 78 -81 .
[8] 黄劲潮. 基于快速区域建议网络的图像多目标分割算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(4): 20 -26 .
[9] 张明亮 李凡长. 一种新的博弈树搜索方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(6): 1 -7 .
[10] 夏茂森 郭庆强 张斌. 生产调度广义析取规划模型求解算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(6): 53 -57 .