新型油電混合動(dòng)力掃路車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

新型油電混合動(dòng)力掃路車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

張炳力,張秀琳,吳德新

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥230009)

摘要:文章主要針對(duì)傳統(tǒng)雙發(fā)動(dòng)機(jī)掃路車能耗高、污染大的問題,結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)特性和掃路車工作特點(diǎn),為開發(fā)新型油電混合動(dòng)力掃路車進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置和主要參數(shù)匹配;并基于AVL-Cruise/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái),對(duì)設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,整車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)的匹配比較合理,能夠滿足掃路車工作要求,并能有效降低能耗。與傳統(tǒng)掃路車相比,混合動(dòng)力掃路車具有更大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞:油電混合動(dòng)力;AVL-Cruise/Simulink軟件;掃路車;動(dòng)力系統(tǒng)

收稿日期：2013-12-17；修回日期：2014-02-17

基金項(xiàng)目：安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(12010202039);廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合資助項(xiàng)目(2012B091100310)

作者簡(jiǎn)介：張炳力(1968-),男,安徽肥西人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.004

中圖分類號(hào):U469.691文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Researchonpowertraindesignandsimulation

fornewtypehybridsweepertruck

ZHANGBing-li,ZHANGXiu-lin,WUDe-xin

(SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:In view of the high energy consumption and the pollution of the traditional double power sweeper truck, and based on the features of hybrid system and the working characteristics of sweeper truck, the structural analysis and key parameters matching for a new type hybrid sweeper truck are conducted. Based on AVL-Cruise/Simulink co-simulation platform, the simulation verification on the powertrain designed is conducted. The results demonstrate that the vehicle power system design and parameter matching are reasonable, meet the working requirements of the sweeper and effectively reduce the energy consumption. Compared with the traditional sweeper truck, the hybrid sweeper truck has its advantage.

Keywords:oil-electrichybridpower;AVL-Cruise/Simulinksoftware;sweepertruck;powersystem

0引言

掃路車作為環(huán)衛(wèi)設(shè)備之一,是一種集路面清掃、垃圾回收和運(yùn)輸為一體的新型高效清掃設(shè)備[1]。對(duì)于將汽車底盤改裝的掃路車,絕大多數(shù)采用雙燃油發(fā)動(dòng)機(jī),即為驅(qū)動(dòng)行駛配備一臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī),為驅(qū)動(dòng)工作裝置另外專門配備了一臺(tái)副發(fā)動(dòng)機(jī)。這種配置不但油耗較大,噪聲較高,使用性能也存在不足[2]。

隨著混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展,美國、德國等國相繼在工程及農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)中使用混合動(dòng)力系統(tǒng)[3],但迄今關(guān)于油電混合動(dòng)力掃路車的研究并不多。

雙發(fā)動(dòng)機(jī)掃路車雖然在行走系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)動(dòng)力上相互獨(dú)立,無耦合、制約關(guān)系,保證了其良好的清掃效果,但由于2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作,車輛的油耗高、噪聲大、污染嚴(yán)重,且清掃模式下大功率的主發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)低速運(yùn)轉(zhuǎn),燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能不理想。為了克服上述問題,并針對(duì)混合動(dòng)力掃路車多動(dòng)力需求、多運(yùn)行模式、有限的布置空間、受限的改造成本等特點(diǎn),參照傳統(tǒng)并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),本文提出一種針對(duì)掃路車的新型混合動(dòng)力系統(tǒng),同時(shí)在精確的理論建模基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果達(dá)到理想的效果。

1動(dòng)力系統(tǒng)及工作模式

新型混合動(dòng)力掃路車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該動(dòng)力系統(tǒng)取消了原型車中的副發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)以并聯(lián)方式與動(dòng)力耦合器連接,通過動(dòng)力耦合器完成掃路車行駛系統(tǒng)和工作系統(tǒng)的動(dòng)力切換。

圖1　新型掃路車混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型掃路車混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式為:當(dāng)掃路車處于轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸模式時(shí),電動(dòng)機(jī)不工作,行駛動(dòng)力由變速器提供;當(dāng)掃路車處于清掃工作模式時(shí),風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力由主發(fā)動(dòng)機(jī)通過變速箱提供,行駛動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供。該系統(tǒng)充分利用了燃油驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),通過對(duì)動(dòng)力耦合器的傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的各自優(yōu)勢(shì),使其均處在最優(yōu)工作區(qū)間。同時(shí)該方案對(duì)原車的底盤動(dòng)力傳遞系統(tǒng)改動(dòng)較小,有效地降低了整車的改裝成本，并且保證了原車的操縱穩(wěn)定性。

2主要系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1　原型車參數(shù)及動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

以某雙發(fā)動(dòng)機(jī)掃路車作為原型車,其基本參數(shù)如下:整備質(zhì)量為8 810kg,滿載質(zhì)量為14 000kg,主減速比為5.57,風(fēng)機(jī)功率為30kW,工作功率為50kW,空氣阻力系數(shù)為0.7,迎風(fēng)面積為5.86m2,滾動(dòng)半徑為0.436 m,滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.016,機(jī)械效率為95%。

2.2　動(dòng)力耦合器的設(shè)計(jì)

動(dòng)力耦合器結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸入部分為變速器輸出動(dòng)力和電機(jī)輸出動(dòng)力,輸出部分為行駛系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力和作業(yè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力。

為了簡(jiǎn)化動(dòng)力耦合器結(jié)構(gòu)、方便駕駛員操作,將同步器1、2的撥叉軸做成一體,實(shí)現(xiàn)同步器1、2動(dòng)作一體化。齒輪4采用雙聯(lián)齒輪(斜齒輪-錐齒輪),實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)方向的改變。同步器均采用鎖環(huán)式慣性同步器。動(dòng)力耦合器工作過程為:處于轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸模式時(shí),同步器1、2右移,電機(jī)不工作,行駛系統(tǒng)動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過變速器輸出軸提供;處于清掃模式時(shí),同步器1、2左移,工作系統(tǒng)的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過變速器輸出軸提供,行駛系統(tǒng)動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供。

圖2　動(dòng)力耦合器結(jié)構(gòu)

2.3　電機(jī)參數(shù)的選擇

混合動(dòng)力掃路車電機(jī)只要滿足工作時(shí)起步、爬坡以及驅(qū)動(dòng)車輛恒速行駛即可。

首先,根據(jù)最高車速確定電機(jī)峰值功率,計(jì)算公式如下:

(1)

其中,Pemax1為最高車速時(shí)電機(jī)的峰值功率；uamax為最高車速；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ηT為傳動(dòng)效率。

最高車速下,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與峰值轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下:

(2)

(3)

其中,nmax1為最高車速時(shí)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速;Tmax1為最高車速時(shí)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩;ig為動(dòng)力耦合器中電機(jī)-驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比;i0為主減速器速比;rr為車輪滾動(dòng)半徑。

將相應(yīng)數(shù)值代入 (1)～(3) 式計(jì)算可得:

P

emax1

=14.03

kW

,　n

max1

=3 904

r

/

min

,

T

max1

=34.32

N

·

m

。

根據(jù)最大爬坡度確定電機(jī)的峰值功率[4],其計(jì)算公式如下:

(4)

(5)

(6)

其中,Pemax2為最大爬坡度時(shí)電機(jī)峰值功率;θmax為最大爬坡角度；nmax2為最高車速時(shí)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速;Tmax2為最高車速時(shí)電機(jī)最高轉(zhuǎn)矩。

將相應(yīng)數(shù)值代入 (4)～(6) 式計(jì)算得:

P

emax2

=24.5

kW

,　n

max2

=976

r

/

min

,

T

max2

=239.72

N

·

m

。

由以上計(jì)算可得[4],電機(jī)的峰值功率Pemax≥Pemax2,電機(jī)的過載系數(shù)取2,則電機(jī)額定功率Pe為12kW。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)最大車速時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速,故nmax≥nmax1。取電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β值為2.6,則電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ne為1 500r/min。電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩Temax≥Temax2,電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Te=9 550 Pe/n=77N·m。綜上分析,驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如下:最高轉(zhuǎn)速為9 000r/min,峰值功率為90kW,額定功率為30kW,基速為3 600r/min,峰值轉(zhuǎn)矩為240N·m,額定轉(zhuǎn)矩為 80N·m。

2.4　蓄電池參數(shù)的選擇

掃路車清掃工作的平均速度為15km/h,工作

時(shí)間為5h,則勻速行駛的需求功率計(jì)算公式為:

(7)

將整車參數(shù)代入(7)式,計(jì)算可得Pavg=6.84kW。電池的需求能量計(jì)算公式為:

(8)

其中，ηe為電機(jī)工作效率,取0.93;ηb為電池放電效率,取0.88;t為蓄電池額定工作時(shí)間;DOD為電池的放電深度,取70%。

將相關(guān)數(shù)值代入(8)式得E=59.69kW·h,因此,取E=60kW·h。

由上述理論計(jì)算情況選擇磷酸亞鐵鋰系電池的具體參數(shù)如下:電池容量為10A·h,電池串聯(lián)數(shù)為105,電池并聯(lián)數(shù)為18,單體電壓為3.2V,總電壓為336V,電池能量為60kW·h。

3仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

采用Cruise/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái),對(duì)提出的系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和分析[5-8]。仿真平臺(tái)如圖3所示。

整車、駕駛員、防滑控制、蓄電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主減速器、差速器、車輪及發(fā)動(dòng)機(jī)等模型由Cruise的標(biāo)準(zhǔn)模塊提供;動(dòng)力耦合器由Cruise中Macros宏模塊自定義建立;電機(jī)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制和動(dòng)力耦合器工作模式控制等模型在Simulink中建立,并采用Matlab@API接口。

3.1　轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸模式仿真

掃路車處于轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸模式時(shí),工作系統(tǒng)不工作,發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛,此時(shí)車輛相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油車。轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸模式下掃路車從車庫到工作區(qū),此路段多為城市路段,從工作區(qū)到垃圾投放點(diǎn),多為城市路段和城郊路段的結(jié)合,從垃圾投放點(diǎn)到車庫同樣為城市和城郊路段的結(jié)合。本文所研究的混合動(dòng)力掃路車最高車速為90km/h,為盡可能覆蓋城市和市郊可能出現(xiàn)的行駛工況,選用NEDC-man-90工況進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　 NEDC -man -90工況仿真

轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸模式下,實(shí)際車速對(duì)期望車速的跟隨情況可從圖4看出,仿真模型能夠大致實(shí)現(xiàn)期望車速的跟隨,僅存在略微的偏差。

3.2　清掃模式的仿真

掃路車處于清掃模式時(shí),行駛系統(tǒng)與工作系統(tǒng)同時(shí)工作。掃路車清掃模式下行駛速度較慢,平均車速一般為10～20km/h,且多凌晨行駛,路面車流量少,行車較順暢,無頻繁加、減速與停車現(xiàn)象。針對(duì)該特殊路況,清掃工作模式典型工況總運(yùn)行時(shí)間為1 200s,中途設(shè)置1次停車等紅燈情況。在Cruise軟件中自定義工況,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　清掃模式下的仿真結(jié)果

由圖5可看出，清掃模式下實(shí)際車速對(duì)期望車速的目標(biāo)跟隨情況較好,整車運(yùn)行穩(wěn)定。

本文在新工科背景下，對(duì)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用課程與學(xué)科專業(yè)交叉融合的教學(xué)模式進(jìn)行研究與實(shí)踐，按照新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出了“二線三段”的教學(xué)思路，改革教學(xué)模式，建立專題項(xiàng)目資料庫，重訂教學(xué)大綱，重組了教學(xué)內(nèi)容，實(shí)施“案例導(dǎo)向、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)方法和多元化考核機(jī)制。實(shí)踐表明，在此教學(xué)模式下，學(xué)生能積極主動(dòng)地將數(shù)據(jù)庫技術(shù)與學(xué)科專業(yè)相融合，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)解決本專業(yè)實(shí)際問題，為學(xué)生不斷獲取新知、接受終身教育奠定了基礎(chǔ)。

由圖5可知，在典型工況的 1 200s時(shí)間內(nèi)，電池SOC值由95%降到91%,即運(yùn)行 1 200s(相當(dāng)于設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間5h的6.7%)時(shí),電池SOC下降了4%左右,說明電池總能量可以滿足掃路車的工作時(shí)長(zhǎng)要求。

清掃模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗情況如圖6所示。掃路車工作 1 200s,即發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)工作1 200s,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗為2.4kg，則清掃模式下混合動(dòng)力掃路車的油耗Vfuel2為:

已知原型雙發(fā)動(dòng)機(jī)掃路車清掃模式下的主、副發(fā)動(dòng)機(jī)總油耗為 12L/h。綜合轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸模式和清掃模式的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗,按照掃路車每天清掃 5h,轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸 50km計(jì)算,混合動(dòng)力掃路車每天的油耗Vfuel=5×8.57+12=54.85L。

圖6　工作模式下發(fā)動(dòng)機(jī)油耗情況

混合動(dòng)力掃路車性能指標(biāo)與仿真結(jié)果對(duì)比見表1所列。由表1可見,混合動(dòng)力掃路車能夠滿足設(shè)計(jì)要求,并明顯提高了車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。

基于我國目前燃煤發(fā)電所占比重較大的因素,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全替代燃油驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并不能完全實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。但是綜合考慮,掃路車的工作時(shí)段多為凌晨,其充電時(shí)間一般在夜間,對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)而言,可以起到非常好的“削峰填谷”作用,有利于維持電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定,避免電力浪費(fèi)。其次,火力發(fā)電和內(nèi)燃機(jī)一樣,都要消耗化石燃料,這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生多種污染物質(zhì)。但是,電廠通常建設(shè)在遠(yuǎn)離人口密集的地區(qū),與燃油車相比,污染源要更加遠(yuǎn)離人群,更方便對(duì)污染進(jìn)行統(tǒng)一處理和控制[9]。

4結(jié)束語

本文針對(duì)研發(fā)中的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配問題,以整車動(dòng)力性能指標(biāo)和工作時(shí)長(zhǎng)要求為約束條件,給出了一套動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

基于AVL-Cruise和Simulink搭建了混合動(dòng)力掃路車聯(lián)合仿真平臺(tái),從仿真結(jié)果來看,仿真車速能較好地跟蹤工況車速,動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)能夠滿足轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸和清掃工作的要求,電池續(xù)駛里程符合工作標(biāo)準(zhǔn),本文設(shè)計(jì)的新型油電混合動(dòng)力掃路車方案是可行的。

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(責(zé)任編輯閆杏麗)