串联式混合动力码头车的结构形式本科毕业论文.docx

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串联式混合动力码头车的结构形式本科毕业论文

天津工程师范学院本科生毕业论文

串联式混合动力码头车的结构形式

及控制方案的选择

ResearchonStructureandcontrolpolicyofserieshybridterminaltractorvehicle

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

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本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。

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保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名：

指导教师签名：

日期：

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摘要

混合动力汽车近年来发展迅速，并已经实现了产业化。

混合动力汽车将至少在30年内都是汽车工业最切实可行的解决能源和污染问题的途径。

码头牵引车运行速度低，起停频繁，且长时间怠速，导致其燃油经济性差，排放高。

研制成混合动力码头牵引车后，其节油减排效果较其它车辆更为明显。

本文利用汽车相关理论通过计算机分析仿真来确定混合动力码头牵引车的驱动电机的参数。

分析与仿真的主要作用是在进行昂贵且费时的原型实验之前对物理系统的性能进行模拟分析，工程设计人员可以利用它全面地评估其设计，并通过它发现设计中的一些问题，而这些问题通过测量和实验是不易发现的。

分析与仿真技术不仅可以节省大量开发费用，而且提高了复杂系统的系统级优化水平。

对于混合动力研发，前期进行方案选择及参数匹配时，通过分析仿真能够较快地进行方案选择及参数匹配，从而确定最优方案和主要参数，并及早发现问题加以避免。

若通过试制实物样机的方法来进行此步骤，则既费时又费力，代价昂贵，且效果还不好。

在研发过程中分析仿真与试验同样重要，都具有不可替代的作用，通过实物样机试验对分析仿真结果进行验证与修正，对系统反复优化，从而有力地推进研发进程。

关键词：

混合动力码头牵引车，驱动电机参数，车辆动力性分析

ABSTRACT

Hybridelectricvehicledevelopedrapidlyinrecentyearsandhasachievedindustrialization.HybridElectricVehiclewillbeatleast30yearsintheautomotiveindustryarethemostpracticalsolutiontoenergyandpollutionproblems.Low-speedterminaltractor,sincethefrequentstopsandidlingtime,resultinginpoorfueleconomy,emissionshigh.Thedevelopmentofhybridterminaltractor,itsfuel-efficientvehicleemissionreductioneffectismoreobviousthantheother.Inthispaper,theuseofmotorvehicle-relatedtheorybycomputersimulationanalysistodeterminethehybridelectricterminaltractordriverparameters.

Theanalysisandthesimulationleadingroleisbeforecarryingonexpensiveandthetime-consumingprototypeexperimenttophysicalsystem'sperformancecarriesonthesimulationanalysis,theengineeringdesignpersonnelmayuseittoappraiseitsdesigncomprehensively,anddiscoversinthedesignthroughitsomequestions,butthesequestionsthroughthesurveyandtheexperimentarewhichisnoteasytodiscover.Theanalysisandtheemulationtechniquenotonlymaysavethemassivedevelopmentcost,moreoverraisedcomplicatedsystem'ssystem-leveloptimizationlevel.Regardingthemixpowerresearchanddevelopment,whentheearlierperiodcarriesontheplanchoiceandtheparametermatch,throughtheanalysissimulationcanquicklycarryontheplanchoiceandtheparametermatch,thusdeterminedthatthesynergyandthemainparameter,andfoundearlytheproblemavoids.Ifcarriesonthisstepthroughthetrialmanufacturingprototype'smethodinkind,thenbothtime-consumingandtakesthetrouble,thepriceisexpensive,andtheeffectisnotgood.Analyzesthesimulationandtheexperimentintheresearchanddevelopmentprocessissimilarlyimportant,hastheunreplaceablefunction,toanalyzesthesimulationresultthroughtheprototypicalexperimentinkindtocarryontheconfirmationandtherevision,optimizesrepeatedlytothesystem,thusadvancestheresearchanddevelopmentadvancementpowerfully.

KeyWords:

Hybridterminaltractor,Drivemotorparameters,Vehicledynamicanalysis

目录

1概述1

2混合动力汽车的结构分析4

2.1混合动力汽车的主要组成4

2.2混合动力汽车的分类4

2.3典型混合动力卡车结构5

2.3.1Volvo重型卡车6

2.3.2三菱CanterEco轻型卡车6

2.3.3日产小型卡车ATLAS207

3串联式混合动力码头车动力装置参数的选定9

3.1初步确定驱动电机参数和车辆动力性分析9

3.1.1整车参数9

3.1.2轮胎参数9

3.1.3变速比10

3.1.4根据最高车速确定驱动电机额定功率10

3.1.5初步确定驱动电机峰值功率及其它参数11

3.1.6最大爬坡度计算16

3.1.7驱动力—行驶阻力平衡图和功率平衡图17

3.2电机扩大恒功率区系数和过载系数对加速时间的影响19

3.2.1电机的扩大恒功率系数对加速时间的影响19

3.2.2电机过载系数对整车加速时间的影响21

3.3重新选定的驱动电机参数及车辆动力性分析22

3.3.1重新选定的驱动电机B的参数及其特性曲线22

3.3.2选用驱动电机B的车辆动力性分析23

3.4初步选择发动机功率26

4串联式混合动力码头车总成控制策略27

4.1控制系统的功能27

4.2控制系统的组成27

4.3SHEV能量流动模式29

4.4串联式混合动力码头车控制策略模型30

4.4.1恒温器的控制策略模型30

4.4.2功率跟随控制策略模型30

4.5串联式混合动力码头车发动机的控制策略31

5结论及展望33

5.1结论33

5.2展望33

参考文献：

34

致谢36

英文资料与翻译37

译文52

1概述

随着世界范围内能源危机和环境污染问题的出现，节能和环保成为汽车工业所面临的最大挑战。

汽车工业作为我国的支柱产业，每年仍保持12%-14%的年均增长率，预计到2020年底我国汽车保有量将达到1亿3千万辆，如果采用传统的内燃机技术，按最保守的估计，2020年仅各类汽车每年消耗石油将达2亿5,000万吨，这将使我国石油总需求超过4亿吨，因此，开发新型能源、节能、环保的车辆已关系到国家的经济安全和可持续发展。

人们越来越关注其它燃料的汽车和电动汽车得开发，电动汽车成为最主要得选择之一。

电动汽车（ElectricVehicle,EV）包括纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（HybridElectricVehicle,HEV或HV）和燃料电池汽车三种形式。

受现在科技条件所限制，纯电动汽车和燃料汽车很难实现产业化，而融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力汽车，在世界范围内成为新型汽车开发得热点。

可以相信，在电动汽车得储能部件——电池没有根本性突破之前，使用混合动力汽车是解决排污和能源问题最具现实意义得途径之一。

所谓混合动力汽车（HEV或HV）是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统（TractionMotor）和辅助动力单元（AuxiliaryPowerUnit,APU）,其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前HEV所采用的原动机一般为柴油机、汽油机和燃汽轮机。

混合动力汽车将内燃机、电动机与蓄电池通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速所需的转矩，又可以吸收并存储内燃机富余的功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。

混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标均能满足当前各国苛刻的法规要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。

混合动力汽车近年来发展迅速，并已经实现了产业化。

混合动力汽车将至少在30年内都是汽车工业最切实可行的解决能源和污染问题的途径[1]。

混合动力汽车基本上不改变现有的汽车常见结构，不改变现有能源（石油燃料）的体系，不改变用户对汽车的使用习惯，这也是他能够迅速实现产业化的重要因素。

专家预测，在未来十年内将可能有40%的燃油汽车实现混合动力驱动。

从上我们可以看出，混合动力汽车的研究和发展,对于解决环境污染和能源危机这两个人类目前面临的两大难题能起到相当大的作用。

集装箱运输以其方便、安全、快捷的特点已成为货物运输的发展重点。

随着世界经济发展，自2003年以来，集装箱运输每年都以超过10%的幅度增长，截止2006年1月31日，全球集装箱船队总运力已增长到913万标准箱。

我国90%以上的外贸货运要依靠港口实现，而主要的运输方式就是集装箱，2006年上半年，我国主要港口完成集装箱吞吐量4212.11万TEU，同比增长22.4%，并依然保持着较高增长态势。

图1—1为我国集装箱的增长情况统计。

随着集装箱吞吐量的增长，码头牵引车的需求也同步增长，与其他汽车相比，码头牵引车的运行工况有如下特点：

1）速度低码头内的速度<30km/h,在码头之间运行<40km/h；

2）不需要爬坡码头内部及码头之间几乎没有坡度；

3）怠速时间长多辆拖车排队等候装货和卸货期间怠速运行（基本不停车），怠速时间超过50%。

由于行驶路况的特殊性，现有码头牵引车在工作过程中存在如下问题：

1）运行速度低导致汽车发动机低效区，燃油经济性差，排放高；

2）频繁起/停增加了牵引车的排放；

3）长时间怠速燃油利用率低。

因此，针对现有的码头牵引车进行混合动力设计，减少排放并提高燃油利用率，对于建设节约型港口，乃至建立节约型社会都具有重要意义[2]。

我国的传统汽车产业一直陷于“引进、落后、再引进、再落后”的怪圈之中。

在开发混合动力电动汽车的问题上，我们不能重蹈覆辙，应多开发具有自主知识产权的部件和产品，尤其是关键部件方面。

混合动力汽车技术关键在于动力总成技术、能量分配和管理以及整车控制。

本课题通过与中国集装箱集团、安乃达电机有限公司合作，结合码头牵引车辆的实际行驶特点，对码头牵引混合动力系统进行研究，重点研究动力系统总成及仿真技术平台；整车能源管理与协调控制系统、储能元件的能量管理系统、牵引电机控制系统；并最终实现整车混合动力系统的工程化和产业化。

实现上述研究目的，将大幅度提高我国混合动力卡车集成研究水平，从根本上提高我国混合动力整车及关键部件的制造能力，这不仅需要控制算法和关键技术的重要突破，而且也应在算法的综合运用与部件集成优化等方面有更多的创新。

本课题的研究成果和所取得的经验，对于建设高水平、高质量、具有自主知识产权的混合动力卡车系统具有重要的实际应用价值，也是我国实现从“中国制造”走向“中国创造”的唯一途径。

2混合动力汽车的结构分析

2.1混合动力汽车的主要组成

1．发动机

混合动力汽车可以广泛地采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。

一般转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高，排放也比较洁净，采用不同的发动机就可以组成不同的混合动力汽车。

2.电动机

混合动力汽车可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。

随着混合动力汽车的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用感应电动机和永磁电动机，开关磁阻电动机应用也得到重视，还可以采用特种电动机为混合动力汽车的驱动电机，采用不同的电动机还可以组成不同的混合动力汽车。

3．电池

混合动力汽车还可以采用不同的蓄电池、燃料电池、储能电池和超级电容器等作为“电池”，一般电池作为混合动力汽车的辅助能源，只有在混合动力汽车用电动机启动发动机或电动机辅助驱动时才使用。

2.2混合动力汽车的分类

目前世界各国研究开发的混合动力汽车有不同的结构形式，根据其动力传动系统的配置和组合方式不同，分为串联式、并联式和混联式3种组合方式，各自的结构形式和特点如下[3]。

1．串联式混合动力驱动系统

串联式混合动力驱动系统的辅助单元（APU）由原动机和发电机组组成，通常将两个部件集成为一体。

原动机带动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩驱动汽车。

电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输出功率的作用：

当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时（如汽车减速滑行、低速行驶和短时停车等工况），控制器控制发电机向电池充电；当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时（如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况），电池则向电动机提供额外的电能。

串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区稳定运行，因此，可使汽车的油耗和排污降低。

串联式混合动力汽车特别适合于在市内低速运行的工况。

在繁华的市区，汽车起步和低速时还可以关闭原动机，只利用电池进行功率输出，使汽车达到零排放的要求。

串联结构的不足是：

发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池充放电的效率较低，使得燃油能量的利用率比较低。

2．并联式混合动力系统

并联式混合动力汽车可有发电机和电动机共同驱动或各自单独驱动。

当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。

与串联式结构相比，发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率相对较高，这使得并联式燃油经济性比串联式的高。

并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定式的工况。

由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适合汽车行驶工况变化较多、较大的路况；相比串联式，需要变速装置和动力复合装置，传动机构较为复杂。

3．混联式混合动力驱动系统

混联式混合动力驱动系统（PSHEV）是串联式和并联式的综合，发动机发出的功率一部分通过机械传动输出给驱动桥，另一部分则驱动发动机发电。

发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。

混联式驱动系统的控制策略是：

在汽车高速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速行驶时，则以并联工作方式为主。

2.3典型混合动力卡车结构

近年来，能源危机、环境污染和温室效应以关系到国家安全和可持续发展，为了从根本上解决这些问题，各国家纷纷着手研究新能源和可替代能源汽车。

作为一项崭新的技术，混合电动汽车通过多能源之间的优化组合（一般为发动机和电机），以及制动能量再生利用，可以在保证汽车性能及行驶里程的前提下，降低排放，节约能源，又不改变现有汽车产业结构，因此，在零排放汽车实用化以前（根据美国、加拿大及亚洲一些国家的情况，预测在2030年以前），混合电动汽车最有希望取代传统汽车。

在这种情况下，融合了传统汽车和电动汽车优点的混合电动汽车在世界范围内成为新型汽车开发的热点，混合电动汽车的研究和产业化已经成为当前电动汽车发展的必然趋势。

混合动力汽车兼有传统燃油汽车和纯电动汽车的优点，是两者的完美结合，其实质是通过部件工况的改善和效率的提高来实现整个系统性能的优化，而结合的纽带就是混合动力汽车的整车控制系统。

混合动力系统有两个能量源，同时具有多种运行模式（混合驱动模式、发动机单独驱动模式、行驶发电模式、再生制动模式等）。

整车控制系统的主要功能是使整车在不同的运行模式下切换，对不同能量源输出功率进行能量管理，以及不同能量源的控制，实现各子系统的协调工作，达到效率、排放和动力性的最优。

与其他汽车相比，牵引车在集装箱码头的运行中由于速度低，不需要爬坡及怠速时间长等特点，汽车发动机工作在低效区，导致燃油利用率低，排放高等问题。

因此，针对现有的牵引车进行混合动力设计，减少排放并提高燃油利用率，对于建立环保节约型港口，乃至建立环保节约型社会都具有重要意义。

上世纪90年代以来，混合电动汽车的开发得到了欧美及日本等许多发达国家的高度重视，在轿车及卡车等方面都托人了大量的人力财力进行研究，并已取得了一些重大成果和进展，混合动力技术在汽车工业发达的国家已日趋成熟，有些已经进入实用阶段。

在混合动力卡车领域，如Volve、三菱及日产等多家汽车公司先后推出相关产品。

2.3.1Volvo重型卡车

2006年初，VOLVO正式推出一套重车专用混合动力系统“I-SAM”，应用该系统可减少油耗35%。

沃尔沃公司估计，该车首批将于2009年交货，预计欧洲和北美市场的潜在销量为23万辆/年。

该混合动力系统由发动机、起动器、驱动电机兼发电机，以及电控单元构成（如图2-1所示）。

车辆加速过程由电动机实现助力加速，因此能够降低油耗和噪音；另外，由于配备了电动机，可以相对减小发动机尺寸，这样进一步降低了整车排放。

图2—1Volvo采用的混合动力传动系统模型

该车采用一台涡轮增压直喷式柴油机。

柴油机保持在高效率状态下平稳运转，带动发电机发电，向镍—氢动力电池组充电。

在正常行驶状态下该车以电机驱动起步加速，然后切换到柴油机驱动模式；当需求转矩较大时，电动机和发动机同时工作，整车工作在混合驱动模式；在遇到红灯或者装卸货物等怠速情况下，发动机自动熄火。

2.3.2三菱CanterEco轻型卡车

三菱扶桑卡客车公司的小型混合动力卡车“CanterEcoHybrid”于2006年7月5日正式上市，动力方面该车采用3.0升DOHC内冷式涡轮增压柴油机，同时装有三菱重工生产额定功率为35kW的永磁电机及逆变器，其最大输出扭矩可达200N·m，这样就可弥补低速扭矩的不足，传动系统采用AMT变速器（手自一体变速器），离合器布置在发动机和电机之间，电源由日立车辆能源生产的48个锂离子电池单元组成（如图2-2、2-3所示）。

CanterEcoHybrid通过加装电机使发动机尺寸相应减小，同时可以实现启动与怠速时电动驱动，而达到省油效果，与原型车相比，最高可使燃油消耗降低20%；在排放方面，CanterEcoHybrid可显著降低有害气体及微粒物质的排放，达到日本最新排放法规的要求。

图2-2发动机与马达之间配置离合器

图2-3CanterEco混合动力系统

2.3.3日产小型卡车ATLAS20

日产汽车在小型卡车“ATLAS20”中追加了混合动力款，并于2006年5月上市。

ATLAS是五十铃以OEM贴牌方式为日产生产的混合动力卡车，原型为五十铃“ELF”平头系列轻卡中的一款（如图2-4所示）。

图2-4ATLAS20混合动力系统

整车动力系统为4.8L的柴油发动机加额定功率为25.5kw的电动机，发动机最大输出功率为96kW（3000rpm）；发动机与电动机装备在不同的驱动轴上，这样可以实现柴油动机和电动机的单独驱动；能量存储系统采用346V锂离子电池；配套使用PTO（PowerTakeOff：

动力输出装置）型并联混合动力复合装置[4]。

3串联式混合动力码头车动力装置参数的选定

3.1初步确定驱动电机参数和车辆动力性分析

3.1.1整车参数

整车参数如表3-1所示：

表3-1整车参数

牵引车总长（mm）

4595

牵引车总宽（mm）

2464

牵引车总高（mm）

2819

轴距（mm）

2794

轮距（mm）

前轮2020,后轮1820

牵引车质量（kg）

6700

拖车质量（kg）

约8000

集装箱最大质量（kg）

33000Kg/箱×2箱＝66000

整备质量（kg）

14700

满载质量（kg）

80700

原车最大行驶速度（Km/h）

36-38

原车最大爬坡度

18%

3.1.2轮胎参数

型号：

GOODYEAR11R22.516PR

滚动半径：

509mm

算式：

＝509mm

其中：

F－计算常数，子午线轮胎为3.05

d－轮胎的自由直径

3.1.3变速比

混合动力码头车受时间及成本的限制，改装后的混合动力码头牵引车不配置变速箱，传动系的传动比为12.28。

3.1.4根据最高车速确定驱动电机额定功率

由于车辆以最高车速运行的持续时间较长，因此驱动电机的额定功率应满足车辆以最高车速运行时的功率需求。

对于串联混合动力车，驱动电机的额定功率应大体等于，但不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和[５]

（3-1）

式中：

－驱动电机额定功率，Kw；

－传动系的机械效率