商用车机电耦合系统的研究和应用进展

第一章绪论1.1研究背景参考中国汽车工业协会统计数据，2017-2021年，我国新能源汽车的产销量如图1.1所示。尤其在2021年，新能源汽车全年产、销量分别增长159%和157%，实现连续7年位居全球第一。在新能源汽车产销两旺的背景下，不足汽车总量25%的商用车消耗汽车总油耗50%以上，碳排放高达55%，随着能源紧缺和环境污染日益严峻，商用车节能减排刻不容缓，因此，在国家现代化基础建设中扮演着重要角色的商用车辆节能也在快速推进，同时发展节能与新能源商用车已被纳入《中国制造2025》战略性规划。图1.12017-2021年我国新能源汽车产销量情况商用车经过2020年及2021年上半年的增长之后，伴随着国六排放标准的执行以及蓝牌新规的落地,2022年的市场销量不断下滑，最终以两位数的跌幅结束。由于此前环保及超载治理政策对需求透支、叠加疫情对生产生活的限制、油价居高不下等不利因素，商用车市场总体需求减缓,2022年份全年产销呈明显下滑趋势。为了解决环境恶化和资源短缺的问题，商用混合动力汽车应运而生。它采用发动机-电动机共同驱动动力总成的结构形式，主要是利用电动机将发动机运行于高效区间内，以达到提高燃油经济性的目的。1.2研究目的及意义在石油供应日益短缺，环境污染日益严重的今天，由电能驱动，节能环保的商用车电动汽车逐渐引起行业重视。纯电动汽车技术比较简单成熟，但蓄电池存量过少、寿命较短、价格较高等原因造成商用电动汽车性价比很难优于传统商用燃油汽车，于是集商用燃油汽车与商用电动汽车优势于一身的商用混合动力汽车（CommercialHybridElectricVehivle,CHEV)应运而生，商用油电混合动力汽车既具有燃油经济性能又具有良好行驶性能。尽管商用混合动力汽车发动机要用油，但起步时，加速时可以借助电动马达，从而可以减少油耗，这使得它成为目前商用汽车技术的一个研究重点。1.3国内外基于商用车的机电耦合研究现状1.3.1国外研究现状一般而言，商用车种类包括轻型商用车、重卡车、巴士/客运等3大类。国外各国都在非常积极的进行混合动力汽车的研究，如日本、美国、欧洲等根据国家的排放标准和产品市场，结合自身条件，对汽车行业未来的发展方向制定了较高的战略目标。2019年日野公司推出了世界上第一台搭载混合动力系统的重型卡车“ProfiaHybrid”，并在日本国内发售，如图1.2所示。该款车结合人工智能控制系统，使其燃油经济性得到大幅度提升。此款车型主要运用于高速公路，以匀速行驶为目标，搭载GPS和GIS等众多传感器，基于道路坡度信息而开发的一套新型控制系统，能够根据车辆的载重以及实时路况信息作为控制变量，实现动力最优分配，进而实现燃油经济性最大化，为混合动力重型商用车的未来发展方向奠定了基础。图1.2日野ProfiaHybrid在电池荷电状态计算方法方面，Shaaban引入PHEV车辆充电系统在线合作交直流分配模式，该模式以车主满意度最大化为目标，同时又不会违背网络约束。Mensing.F和其他人对混合动力汽车生态驾驶策略进行节能潜力分析，设计出一种考虑电池充电状态下的汽车模型，利用动态规划优化方法对定义好的汽车传动系统进行最佳速度轨迹计算，结果表明融入生态驾驶能够改善汽车效率和进一步提升节能潜力。1.3.2国内研究现状自20世纪90年代以来，我国一直把汽车产业发展的方向集中在对新能源开发的研究。目前国内各大汽车公司也相继推动商用混合动力车的进展。但受制于技术、需求及观念的影响，国内对于混合动力的研究重点仅仅集中在城市客车上，对于重型商用车的发展战略涉及较少。但随着社会的发展需求，原油价格的增长，我国实行新的排放标准，迫使一些商用车企业开始向着新能源、电动化方向发展。在能量管理与控制策略方面，清华大学博士杨伟斌对PHEV汽车自动变速器换挡规律进行了分析，并对发动机和电机之间扭矩分配策略进行了研究，通过调整转矩分配可以使发动机处于最佳燃油经济区。重庆大学教授秦大同利用模糊识别方法建立了发动机起动过程中电池荷电状态，汽车行驶里程作为输入和汽车行驶里程作为输出的模式识别控制策略，对汽车能量管理进行了仿真分析，认为在新欧洲运行循环条件下，变参数能量管理策略可以将百公里油耗减少5%以上。1.4本文主要研究内容本文研究以商用车机电耦合系统为研究对象，主要针对商用车机电耦合系统国内外研究现状及意义、商用车机电耦合结构类型、商用车混合动力耦合系统案例进行分析，并提出了今后的发展趋势。第一章主要提出了绪论部分，通过对国内外的有关背景以及研究的现状、目的以及意义以及主要的内容以及结构安排。第二章针对商用车的混合动力耦合方式进行分析，主要分析其不同方式的商用车。第三章根据其具体车型案例进行分析其不同的运行模式。第四章对其发展趋势进行展望。第二章商用车机电耦合方式分析商用混合动力汽车和传统汽车以及纯电动汽车的主要区别在于动力系统。对于并联和混联式HEV,动力耦合系统承担着HEV多动力接合、多动力源间合理功率分配以及向驱动桥输送动力等任务,在HEV的发展中起着至关重要的作用，动力耦合系统的性能好坏直接关系着HEV整车性是否满足设计要求，也是HEV的核心部件。机电动力耦合系统最关键的技术是其布置方案，不同结构的机电耦合系统将导致HEV的适用条件和使用要求各不相同。开发难度差异也较大，机电动力耦合系统的结构选择决定着HEV研究和发展重点和方向。机电动力耦合系统应具备下列功能:（1）动力合成功能。将来自不同动力源的动力分别输入并进行动力合成。（2）输出不干涉功能。使不同动力源产生的功率分别输出带动HEV行驶，或者使多种功率一起输出带动HEV运行，相互之间不会产生干涉，不会对传动效率造成影响。（3）动力分解与能量反馈功能。将发动机的动力全部或部分传递给电动机，以实现电动机向发电机的转换来发电，并在再生制动时回收能量，使电动机处于发电状态，从而将机械能转化为电能并进行储存。（4）辅助功能。能充分发挥电动机的低速、大转矩的特点启动HEV，利用电动机的反转特性使HEV倒车，从而取消驱动系统的倒档机构。由于发动机和电动机的功率及转速输出特性不同，机电耦合系统需要满足多项复杂的动力传递、组合要求。2.1转速合成式转速合成式动力系统工作原理如图2.1所示ToutTout·ωoutTin1·ωin1Tin2·ωin2转速耦合装置图2.1转速合成式工作原理图转速合成式混合动力系统的转速、转矩的输入输出特性如式所示ωT式中：T—扭矩；ω—转速；in—输入；out—输出；k1,k2—转速耦合装置特性参数。在转速合成式动力系统中，当汽车的预期转速保持不变时，也就是转速合成装置的输出转速保持不变时，发动机与电动机将相互输送实现了输入输出转速的解耦，使得转速分配变得更加灵活多变。然而，由于三个组件的扭矩之间存在一定的比例关系，从而导致了发动机的运转调整工作特性需要与电动机的输出特性相匹配，这给控制系统带来了相当大的挑战。2.2转矩合成式转矩合成式动力系统，发动机与电动机输出的动力经转矩耦合装置耦合，然后带动车轮。它的工作原理见图2.2。TTin1·ωin1Tin2·ωin2机械转矩耦合Tout·ωout图2.2转矩合成式工作原理图转矩合成式混合动力系统的转速、转矩输入输出特性如式所示ωT根据对扭矩和转速输入与输出特性的分析，我们可以发现，转矩合成式和转速合成式之间的差异在于它们的三个构件之间存在一定的转速差异，通过灵活的比例关系和两个动力源的输入转矩分配，可以实现输入转矩和输出转矩的解耦，从而达到更高效的效果。因此，在汽车驱动系统中应用较广泛，并已成为未来发展的方向之一。典型的机械转矩耦合装置有齿轮组、皮带轮组或链式组。根据传动轴数量的不同，转矩合成式可进一步细分为两种不同的动力系统布局形式一种布置形式为单轴式，其中发动机与驱动电机共轴，而另一种则为双轴式，其中发动机通过动力耦合装置与驱动电机并联呈现方式。2.2.1单轴转矩合成式在单轴式和转矩合成式动力系统中，动力源发动机、电动机和传动装置的布置方式有两种，其中一种是采用后传动的装置式。如图2.3所示。当传动系统与发动机及电动机的输出轴相连时，动力将会中断，从而影响整个传动系统的运转。另一种则采用前传动装置式，即由发动机带动传动机构来实现动力传递的过程。在此结构中，传动机构可对发动机和电机的扭矩和转速进行调整，从而降低了对电机的技术要求，同时提高了汽车的动力性能。此外，小型发动机和电动机也可使用，但在该动力系统结构中，发动机和电机的转速范围应保持一致，并对电动机的工作范围进行限制。图2.3单轴后传动装置式动力系统简图图2.4单轴前传动装置式动力系统简图另一布局方案是前传动装置式的，如图2.4所示。传动装置介于发动机和电动机之间，传动系统的功率不中断，但仅增加发动机输出转矩。这种动力系统结构中的电机没有布置变速机构来调节工作区间，因此对电机的要求较高，这种结构可用于大范围恒功率区的电驱动系统中。此种动力系统结构仅用于改变发动机的运行工作点，以改进车辆性能和发动机的运行效率。2.2.2双轴转矩合成式双轴转矩合成式按传动装置的位置也可分为传动装置后置式与传动装置前置式两种。在图2.5中，可见一后置式结构简图：传动装置位于动力耦合装置与减速器间，使发动机与电动机转矩等比增大，而电动机比单轴式转速调节范围大，故可采用高速电机。如图2.6所示，可见到一传动装置的前置式构造简图，它被设置在动力源和减速器之间，这样就可以提高整车的动力性和驱动系的整体效率，但是传动系统比较复杂，从而增加了布置的难度。图2.5双轴传动装置后置式动力系统简图图2.6双轴传动装置前置式动力系统简图2.3功率合成式目前，越来越多的动力系统采用了转矩耦合与转速耦合并存的方案，即功率合成式。动力耦合机构为单排行星齿轮，发动机和行星架相连，发电机和太阳轮相连，电动机和齿圈相连，齿圈经减速器的输出动力为汽车提供动力。该耦合机构转速输入与输出关系如式所示。式中：nout—减速器输入转速；nm1、nm2、ne—分别为发电机输出转速、电动机输出转速、发动机输出转速；k—行星齿轮机构的特性参数。式中：Tout—减速器输入转矩；Te、Tm1、Tm2—分别为发动机、发电机、电动机的输出转矩。此耦合机构的转矩输入输出关系如式所示。TT式中：Tout—减速器输入转矩；Te、Tm1、Tm2—分别为发动机、发电机、电动机的输出转矩。由上述耦合机构的转速转矩关系的分析可知，在此动力系统中可以由发电机调节发动机的转速工作区间，同时可以通过调节主驱动电机的输出转矩调节发动机的转矩输出，从而使得各动力源工作在最佳工作区间。此类动力系统结构的特点是在低车速时，转矩耦合运行模式将适合于高加速性能和爬坡性能的需求；高车速下则使用转速耦合模式使发动机转速维持在最佳工作区域。2.4动力耦合方式的评价发展混合动力汽车的最大优点和目标是：节约资源，并对环境进行治理。在确保汽车具有良好动力性的前提下，尽可能地将整车燃油的消耗和尾气排放降到最低。所以，对机电耦合系统的评价，主要是以能否有利于优化发动机的工作状态，进而将燃油的消耗和尾气的排放降到最低，在此基础上，还能保证良好的汽车动力性和平稳性。综合上述分析，总结各种耦合方式的优缺点如表2.1所示。表2.1各种动力耦合方式的优缺点耦合方式优点缺点转速合成式两动力源之间的输入转速分配较为灵活，可以实现输入输出转速的解耦。输入输出扭矩之间成一定比例关系，限制了电机低速大扭矩特性的利用。单轴转矩合成式两动力源之间的输入扭矩分配较为灵活，可以实现输入输出扭矩的解耦。动力系统结构简单，易于动力系统的改进和布置。电机与发动机的转速范围相同，限制了电机的工作区间。双轴转矩合成式两动力源之间的输入扭矩分配较为灵活，可以实现输入输出扭矩的解耦。动力系统结构布置及控制系统较复杂，功率合成式两动力源的输入输出动力实现解耦，可以有效利用电机低速大扭矩特性；并且可以利用电机调节发动机的最佳工作区间。机械传动系统及控制系统最为复杂。第三章商用车机电耦合系统的工作模式案例分析3.190t混联式自卸车动力耦合系统本文所研究的混联式自卸车为6×4车型，其关键参数发动机峰值功率316KW,重载质量90000kg,驱动电机峰值功率180/kw。其动力系统结构如图3.1所示。混联式自卸车采用了稍小功率的发动机与驱动电机来代替传统燃油车中较大功率的发动机以保证自卸车动力，混联式混合动力系统能够实现多种工作模式，这样混联式自卸车就能处理大部分矿区运输工况特别是“重载上坡和空载下坡”运输工况，并且还能通过建立合理控制策略，混联式自卸车能够在整车功率需求大的情况下保持良好的动力性和整车功率需求小的情况下保持燃油经济性。图3.1自卸车混合动力系统结构混联式混合动力系统将发动机和ISG电机直接相连，并通过电磁离合器与驱动电机同轴相连，从而将发动机或驱动电机输出的力矩转移到主减速器，再通过主减速器将变速箱输出力矩传递到驱动轮。混联式混合动力系统的最显着特征在于其能够通过控制电磁离合器的开启和关闭，在串联和并联模式之间进行切换。当电磁离合器啮合时，整车工作在并联模式，发动机和驱动电机同时输出驱动扭矩。电磁离合器脱接时整车进入串联模式，只有驱动电机可以带动车辆前进，发动机-ISG电机组不会受到车辆运行工况的影响而选择停止，或者在燃油经济性较好的地区使用电池或者驱动电机作为电源。

1.增程发电模式在增程发电模式中，电磁离合器脱开，发动机-ISG电机组对整车进行增程发电处理，因为发动机不会受到自卸车运行条件的影响，从而可将发动机工作点控制在油耗较经济的范围内。在该模型中能量传递的方向见图3.2。图3.2增程发电模式能量传递示意图在考虑“重载上坡，空载下坡”的目标工况时，需要明确定义增程发电模式下的运行条件，以排除发动机直接参与行驶的可能性，主要包括停车装-卸料阶段和空载下坡阶段。本文对混联式自卸车用不同类型的柴油机、电动机以及电池等进行了对比分析研究，并根据实际需要选择合适的动力系统方案，最终确定混联式自卸系统设计方案。当可开启增程发电模式时，电池充电目标区间的最小SOCchr_low将限制增程发电模式的启动，只有当电池SOC值低于该数值时，增程发电模式才会启动。一旦电池充电目标范围内的最大SOC（即SOCchr_top）超过限制，增程发电模式将被终止。当自卸车到达该位置后，由于自身重力作用，车辆无法继续前进，此时需要启动发电机为电池组进行补充电能以维持其正常工作。为了确保自卸车在进入后续重载上坡阶段时能够获得足够的电量，必须设定电池预设充电目标区间的最小SOCchr_low值，以实现电池电量在循环前后的平衡状态。确立适宜的发动机-ISG电机组运行位置是实现增程发电方式的关键所在。合理地设置发动机和发电机之间的相对位置对提高电能转换效率、降低燃油消耗有重要意义。在确定发动机-ISG电机的运行位置时，需要综合考虑以下两个方面（1）ISG电机的最大功率限制和电池SOC变化对发动机-ISG电机组的工作点产生了双重影响；（2）考虑到自卸车处于不同运输工况，需分别选取停车等装/卸料阶段及空载下坡阶段发动机-ISG电机组工作点。待装/卸料阶段停机时，发动机-ISG电机可选择功率较小的工作点来保证正常工作，而空载下坡阶段，则可以选择功率略大的发动机-ISG电机组工作点，在驱动电机驱动自卸车前进时，将发动机-ISG电机组发出的电量直接给驱动电机使用。2.纯电机驱动模式纯电机驱动模式下，电磁离合器处于脱开状态，仅由驱动电机输出扭矩驱动整车。模型中，能量传递方向如图3.3所示。图3.3纯电机驱动模式能量传递示意图定义米采用纯电机驱动模式的工况为：（1）启动自卸车；（2）自卸车空载和非上坡两种情况下,“重载上坡──空载下坡”状态分别与自卸车启动阶段或者空载下坡阶段相对应。自卸车启动过程中，采用纯电机驱动模式可以充分发挥驱动电机响应速度快、可实现低速大扭矩等优势，实现车辆快速起动。当自卸车空载下坡运行时，汽车所需功率很小，若此时驾驶员踩油门踏板为纯电机驱动方式给车辆提供动力，能够避免空载下坡阶段发动机带动汽车行驶过程中工作于燃油经济性较差地区，继而改善自卸车燃油经济性。3.混合驱动模式在混合驱动模式中，电磁离合器关闭后ISG电机既不产生电能又不提供电能，但是发动机与驱动电机都会输出驱动转矩，而控制策略就是为两个动力源提供指令转矩。在该模式中能量传递的方向见图3.4。图3.4混合驱动模式能量传递示意图混合驱动模式工况定义重载或者上坡条件，重载或者上坡阶段与“重载上坡和空载下坡时”目标条件相对应，这一阶段整车需求功率较大，用其控制电磁离合器接合，达到发动机与驱动电机同时向整车提供转矩，确保自卸车重载上坡阶段动力性良好。4.再生制动模式再生制动模式下，电磁离合器断开，驱动电机输出部分制动扭矩将一部分动能回收；同时，发动机-ISG电机组同步运行。此模式下，能量流动方向如图3.5所示。图3.5再生制动模式的能量传递示意图定义再生制动模式的使用工况为：空载非上坡工况。在“重载上坡，空载下坡”的目标工况中对应空载下坡阶段。自卸车进入到空载下坡工况阶段时，若驾驶员松开油门踏板，混合驱动系统由纯电机驱动模式切换转换为再生制动模式，驱动电机提供部分制动力并尽可能回收电能至电池。3.2同轴并联混合动力系统分析本章以一种常见的插电式混合动力公交车(Plug-inhybridelectricbus,PHEB)作为研究对象进行分析。插电式同轴并联混合动力系统是由多个重要部件组成的，包括发动机、电机、电池、机械式自动变速箱和主减速器等这些部件。其相关参数已在表3.2中列出。如图3.6所示，发动机通过与动力系统传动链连接的离合器，可以和电机同步地进行配合作业，从而使整车获得功率，并且该合作通过AMT与主减速器之间的配比调节来完成。在此过程中电机将按照实际能量需求在发电机模式及电动机模式间转换为了达到和电池之间能量转换的目的。电机在充当发电机角色时，可以利用制动将发动机工作状态调整后提高的动力收回或者接收，使机械能转化为电能储存在电池中。当电机用作电动装置时，它可以直接利用电池中储存的电能，将其转化为机械能，协助发动机一起驱动车辆行驶。表3.2插电式同轴并联混合动力部件参数部件名称参数名称参数值发动机燃油类型排量/L标定功率/kW压缩天然气(CNG)6.45170电机类型最大扭矩/N·m额定/峰值功率/kW永磁同步75094/121电池类型容量/A·h标定电压/V钛酸锂60346变速箱类型速比6挡AMT6.39/3.97/2.4/1.48/1/0.73主减速器速比5.13图3.6插电式同轴并联混合动力系统构型图依据发动机是否向传动链提供动力输出和电机工作模式的选择,PHEB动力系统工作过程中工作模式可划分为5类，分别是电机驱动模式、发动机驱动模式、混合驱动模式、驾驶充电模式和回收制动模式。以下将针对这几个模式进行具体的阐述。(1)电机驱动模式在PHEB电池电量足够大，整车需求动力低于电机输出上限的情况下，电机能够独自驱动汽车运行，此举能够有效解决发动机转速过低时，能量转换效率不高的难题。同时由于电动机输出力矩较大而响应时间较短因此在汽车的快速起步时常采用这种方式。(2)发动机驱动模式PHEB在中等负载和中等速度状态下运行时，动力系统通常能给发动机提供高效的动力输出环境，此时发动机会根据外部的动力需求分别带动汽车运行。此外当电池电量不充足时电机无法向外输出功率这种模式也是保持汽车正常运行的一种重要方法。(3)混合驱动模式PHEB急加速行驶或者爬坡行驶的时候，电机与发动机不一定能在机械约束的条件下或者在高效的工况下分别工作来保证整车的动力性。这时，如果电池电量许可，电机就会以电动机的形式配合发动机工作，共同完成保证汽车正常运行所需要的更大转矩。在该模型中，通过对转矩分配的合理控制，可以使发动机的输出转矩达到最优可调，并尽可能地工作于高效率工况，以提高整车的能源利用率。(4)行车充电模式PHEB在低负载工况下工作，当电池电量不足造成动力系统工作在电机驱动模式时，发动机将与电机共同参与到整车驱动中。这种方法利用电动机作为发电机，把发动机由低转矩运行点提升到高效率运行点时产生的过剩机械能转换成电能，提高了发动机的能量转换效率，并且使电池电量得以补充，保持了电机持续的辅助驱动功能。(5)回收制动模式当PHEB制动而电池SOC达不到预设上限的情况下，电机能够配合机械制动装置实现车辆减速。在这个过程当中，电机以发电机的方式运行，能够把运行时车身的动能转换为电能进行存储。该刹车方式相对于传统汽车使用刹车盘机械刹车而言，能够有效避免动力损耗以进一步提升整体能量效率。PHEB处于正常运行状态下，混合动力系统能够根据外部运行工况动力需求及车载电池SOC状态在上述5种工作模式之间切换，保证以较好能耗状态驱动汽车运行。第四章商用车机电耦合系统的发展趋势混合动力汽车动力系统是由若干个相互联系的动力源所构成，因此在对其进行设计和使用时，需要结合汽车的具体结构和使用情况来选择最合适的布置方案。很多企业及科研单位正逐步把混合动力电动汽车研制的重点集中于综合串联与并联结构各自的优势，使其在单一结构中达到最佳性能。4.1集成化混合动力系统混合程度会随电功率占比逐渐增大而增大，并最终达到充分混合。可靠性较高、控制较方便、成本较低等特点，混合动力系统正朝着发动机、电机、变速器模块化和一体化方向发展，即采用集成化混合动力系统，并借助于模块化设计思想实现动力耦合系统集成化设计和综合管理控制，从而实现了整车总体设计和模块化设计，这是动力耦合系统今后发展的趋势。4.2多模式化为了更好地发挥其优异的性能，混动系统将向多模式、多复杂化方向发展的同时，混合动力汽车利用电机制动，可以进行有效的能