应用于压缩式环卫车的单轴并联式混合动力总成匹配技术研究

【摘要】混合动力总成匹配技术是混合动力汽车研发过程中最为核心的技术之一,本文依托国家科技支撑计划项目“通用的商用车与工程机械模块化混合动力总成”,对压缩式环卫车的混合动力总成从方案制定到样车试验的整个匹配过程进行了以下研究工作：1.压缩式环卫车典型工作工况的构建不同类型车辆在不同城市中的工作工况有其特有的特点,通过构建西安市压缩式环卫车典型工作工况,统计得到车辆实际工作过程中动力系统常用工作区域,为动力总成系统匹配设计、控制策略的化以及整车经济性评价提供依据。为完成对环卫车工况数据的采集,本文开发了车载远程监控系统,实现对车辆工况数据的远程采集；结合西安市道路特点和环卫车工作特点,优化选择测量道路和测量时间；在基于测试数据进行典型工作工况构建的过程中,针对现有的研究集中于运动学片段分类而对片段抽取鲜有研究的事实,本文提出一种两阶段聚类法用于完善运动学片段的抽取过程。为验证本文所提方法的有效性,基于同样的测试数据,分别利用本文所提方法和传统方法构建典型工作工况,分别利用散点分布、概率密度分布、联合概率密度分布和建模仿真的方法对两工况进行对比。对比结果表明,利用两阶段聚类法构建的典型工作工况,在速度和加速度的概率密度分布上有56.2%和80.1%的改进,在速度-加速度联合概率密度分布上有29.9%的改进,在装载、加速、匀速及减速阶段油耗百分比上分别有0.71%、0.53%、0.77%和0.47%的提高,各阶段油耗与实测油耗差异百分比上分别有2.15%、1.24%、1.59%、12.86%和15.72%的提高。2.压缩式环卫车混合动力技术仿真研究结合典型工作工况,通过常规动力环卫车结构及工作过程的分析,找出常规动力环卫车燃油消耗率高的根本原因在于：行驶工况和装载工况对动力总成的动力性需求存在巨大的差异。结合环卫车结构和混合动力系统特点,参照混合动力技术的结构分类,设计四种应用于压缩式环卫车的混合动力总成方案。结合环卫车行驶工况和装载工况对动力总成动力性的需求,对四种方案在压缩式环卫车上的适用性进行对比和分析,最终确定一种电机前置的单轴并联式混合动力方案。结合单轴并联式混合动力总成结构和环卫车实际工况,定性地论证了混合动力技术可以提高环卫车的经济性。通过Cruise和Matlab/Simulink联合仿真技术来定量的验证混合动力技术对整车经济性的改善情况。在Cruise中建立环卫车行驶工况模型,在Matlab/Simulink中建立装载工况模型,通过Cruise和Matlab/Simulink联合仿真模拟环卫车的整个工作工况。利用上述方法,建立环卫车的常规动力模型并进行仿真,通过对各阶段仿真油耗和实测油耗的对比,验证模型的准确性,对比结果表明：行驶工况油耗偏差8.09%,装载工况油耗偏差3.97%,总油耗偏差6.35%,所建立模型具有较高的准确性。在环卫车常规动力模型的基础上,保持除动力总成外的其他结构不变,仅对动力总成按照混合动力总成结构进行更改,完成环卫车混合动力模型的建立。以本文构建的典型工况为目标工况,对环卫车的常规动力模型和混合动力模型进行仿真,对比仿真结果中发动机工作点的分布和各阶段油耗,定量地确定混合动力技术对经济性的改善效果：在行驶工况中,混合动力系统中发动机46%的工作点燃油消耗率低于210g/kw·h,常规动力系统中发动机仅有25%的工作点燃油消耗率低于210g/kw·h,发动机整体工作效率显著提高：在装载工况中,常规动力系统耗油1.87kg,而混合动力系统耗油0.96kg,发动机油耗量显著降低；综合整个工况,混合动力系统使整车燃油经济性提高25.8%。3.压缩式环卫车混合动力总成控制策略研究结合混合动力总成结构及实际工况需求,分析混合动力总成的驱动模式及能量流动路径,获得该总成的全过程能量传递路径。在此基础上参照发动机燃油消耗率的定义,引入系统燃油消耗率的概念用以描述混合动力系统的燃油经济性,结合系统全过程能量传递路径,建立单轴并联式混合动力系统在不同工作模式下系统燃油消耗率的数学模型。基于以上工作,在Matlab/Simulink中实现基于系统燃油消耗率最低的瞬时优化策略,并将该策略与第三章中建立的环卫车混合动力模型集成。最后通过仿真对本文所提控制策略进行有效性验证,验证结果表明：在环卫车典型工作工况下,与采用基于规则的逻辑门限控制策略相比,采用基于系统燃油消耗率最低的瞬时优化控制策略能够使整车燃油经济性提高2.97%。4.混合动力总成系统开发试验台的设计与开发本文在对混合动力总成结构及混合动力总成控制流程分析的基础上,将试验台划分为四个模块：驾驶室模拟模块、动力系统模块、阻力系统模块和采集控制模块。驾驶室模拟模块的功能是：获取当前时刻的目标车速并将其和当前车速作比较,根据比较结果控制动力系统模块,实现目标车速；动力系统模块的功能是：接受驾驶室模拟模块的信号并输出相应的动力；阻力模拟模块的功能是：根据当前的车速、道路坡度等模拟车辆的行驶阻力；采集控制模块的功能是：对整个台架运行信息进行采集,并对整个台架进行必要控制。模块功能确定以后,根据每个模块的功能分别进行硬件和软件设计。特别值得一提的是,为获得动力总成所有的控制权限,本文自主设计与开发了台架上的整车控制器,其主控单元采用STM32F103处理器,其软件基于嵌入式操作系统uC/OS-Ⅱ开发,通过该整车控制器实现了对台架主要设备的集中控制。试验台完成后,通过标准工况试验对台架的设计功能进行验证。最后,在不改变试验台硬件的前提下,通过对试验台软件的更改,为试验台扩展了硬件在环测试和瞬态工况测试功能。最后,对本文所匹配开发的混合动力压缩式环卫车进行实车道路试验,试验结果表明：采用混合动力总成后车辆的主要动力性指标,最高车速、0-50km/h加速时间、4%坡度持续速度、最大爬坡度,均达到设计指标且不低于采用常规动力系统的原车；采用混合动力总成后车辆的经济性提高了33.78%,达到了经济性提高20%的设计目标。
【作者】孙强；
【导师】李国祥；
【作者基本信息】山东大学，热能工程，2014，博士
【关键词】单轴并联；工况构建；模拟仿真；瞬时优化；试验台架；

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