单轴并联式混合动力客车换档规律的研究

孙 山，时 岩

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

单轴并联式混合动力客车换档规律的研究

孙 山，时 岩

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

以某城市单轴并联式混合动力客车为例，对混合动力车的最佳动力性换档规律进行研究，为其制定了以发动机油门开度、电机等效油门开度、车速为控制参数的3参数换档规律，对提高混合动力传动系效率有一定意义。

混合动力；换档规律；三参数；客车

0 引言

目前对混合动力车辆的研究主要集中在能量管理上，而对换档规律方面的研究较少。本文选取单轴并联式混合动力车辆作为研究对象，对其动力性换档规律进行研究。通过分析传统燃油车辆的最佳动力性换档规律的理论求解方法，推导出单轴并联式混合动力车型基于发动机油门开度、电机等效油门开度、车速的3参数换档规律的理论求解方法[1]。

1 换档控制参数的选取

换档规律控制参数一般有3个：发动机油门开度、车速和加速度[2]。传统燃油车辆一般选取发动机油门开度、车速作为换档规律控制参数。混合动力车辆和传统车辆在结构上有所不同，它有电机和发动机两个动力源，因此它的油门开度包含发动机油门开度、电机等效油门开度两个。本文将选取发动机油门开度、电机等效油门开度、车速这3个参数作为混合动力车辆换档规律的控制参数，并同时考虑了发动机和电机这两个动力源对换档规律的影响。因此，相比传统燃油车辆的两参数换档规律，该三参数换档规律更能满足混合动力车型的动力性要求。

2 动力性换档规律的求解方法

图解法、经验法和解析法为确定动力性换档规律的三大方法。本文将选用解析法作为研究方法。

以发动机油门开度和车速作为换档控制参数的动力性换档规律的求解方式为：先选取一个发动机油门开度并保持其不变，然后使车辆分别以不同的档位从静止加速行驶，计算出车辆以相邻档位行驶，加速度相等时的车速，这个车速便是换档点车速。用此方法经过数学计算便可以确定出换档规律控制参数的理论值，这种方法适用于各类型车辆，应用较为广泛[3]。

3 混合动力汽车动力性换档规律的解析法求解

用解析法来求解车辆换档规律时用到的最基本方程是汽车行驶方程式。

3.1 传统车辆基于解析法的动力性换档规律求解

由解析法的定义可知，保持发动机油门开度不变，找到车辆以相邻档位从静止加速行驶，加速度相同时的车速。在这里可以利用如下汽车行驶方程式[4-5]：

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj.

(1)

即

(2)

其中：Ft为汽车驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡度阻力；Fj为加速度阻力；Ttq为汽车动力源输出扭矩；ig为变速器传动比；io为主减速器传动比；nT为传动系机械效率；r为车轮半径；G为汽车重力；f为滚动阻力系数；θ为坡度角；CD为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；v为车辆行驶速度；m为车辆质量；δ为汽车旋转质量换算系数。

如果不考虑坡度因素，即θ=0，式(2)可简写为：

(3)

(4)

根据试验台架的实验数据可知发动机的扭矩和其转速是呈线性变化的，可以近似用多项式来描述扭矩和转速的关系：

(5)

其中：Te为发动机扭矩；ne为发动机转速；ak为方程系数，k为拟合阶数，k=0,1,…。拟合阶数k一般因特性曲线不同而不同，本文取k=2。应用拉格朗日插值法，我们取发动机负荷特性曲线上的3点，即(ne1,Te1)、(ne2,Te2)、(ne3,Te3),可以算出：

(6)

(7)

(8)

发动机转速和汽车行驶速度之间的关系式为：

(9)

把式(6)～式(9)代入到式(1)，并化简可以得到：

(10)

以上是传统车辆的动力性换档规律解析法的求解方式，混合动力车型的动力性换档规律解析法求解方式与其类似。

3.2 混合动力车辆基于解析法的动力性换档规律求解

3.2.1 发动机单独驱动

在发动机单独驱动的工作模式下，整个混和动力车辆的动力源只有发动机一个，即：

Ttq=Te.

(11)

在这种工作模式下，混合动力车动力性换档规律的解析法求解方式和传统车辆的求解方式一样，在此不再赘述。

3.2.2 电动机单独驱动

在电机单独工作模式下，只有电机一个动力源，此时混和动力车辆动力性换档规律求解方法和发动机单独驱动下的求解方法类似，即：

Ttq=Tm.

(12)

其中：Tm为电机扭矩。电动机扭矩—转速特性曲线不可以用简单的一元二次方程来表示，在该混合动力车辆采用的电机中，电机扭矩随转速的变化曲线可以表示为：

(13)

其中：nm为电机转速；nm1为电动机额定转速；T为电动机额定转矩。系数a0、a1、a2可以用拉格朗日插值法求解出来，其余求解过程和传统车辆的求解方式一样。

3.2.3 联合驱动

联合驱动，即发动机和电动机同时为车辆提供扭矩，此时车辆的总扭矩即为二者之和[6-7]：

Ttq=Te+Tm.

(14)

根据汽车行驶方程式可得：

(15)

又

(16)

则由式(15)和式(16)可以得到：

δh+1[(Teh+Tmh)·io·igh·nT-F(f+w)·r]=

δh[(Te(h+1)+Tm(h+1))·io·ig(h+1)·nT-F(f+w)·r].

(17)

其中：F(f+w)为空气阻力与滚动阻力的和。式(17)经过化简可以得到一元二次方程式：

(18)

3.2.4 发动机驱动电动机发电

发动机驱动电动机发电工作模式下，混合动力车辆有两个动力源，但只有发动机负责为车辆提供行驶扭矩，电动机此时利用发动机扭矩发电为电池充电。因此，此时车辆的总扭矩即为二者之差：

Ttq=Te-Tm.

(19)

其余求解过程与联合驱动模式类似。

4 结论

由于需要处理的数据量巨大，因此建议采用相关软件编程进行计算。取发动机油门开度为[0～100%]，把电机的等效油门开度从-100%～100%量化到[0～100%]上，即电机等效油门开度为50%时，电机扭矩输出为0。计算出的本研究课题的单轴并联式混合动力客车3参数动力性换档曲线如图1～图4所示。

图1 1档～2档最佳动力性换档点

图2 2档～3档最佳动力性换档点

图3 3档～4档动力性换档点

图4 4档～5档动力性换档点

[1] 刘大权.公共汽车AMT最佳动力性换档规律的建模与

仿真[J].农业装备与车辆工程,2009(2)：36-38.

[2] 宗成忠.汽车动力传动系统控制最优化模拟研究[D].大连：大连理工大学,2000:23-25.

[3] 牛炳.AMT换档规律及其自适应性研究[D].上海：上海交通大学,2009:11-12.

[4] 陈长同.并联混合动力客车AMT换档策略的研究[D].长春：吉林大学,2009:31-32.

[5] 罗映.电动式机械自动变速器控制系统研究[D].济南：山东大学,2010:41-47.

[6] 李尧.自动变速器自适应档位决策系统的研究与开发[D].上海：上海交通大学,2010:21-27.

[7] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.

Study on Optimal Dynamic Shift Schedule for Single-axle Parallel Hybrid Bus

SUN Shan, SHI Yan

(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Taking the single axle parallel hybrid bus as the main research object, the paper is focused on the optimal dynamic shift schedule. The engine throttle, the motor equivalent throttle and vehicle speed are taken as shift control parameters, and the three-parameters shift schedule is proposed.

hybrid; shift schedule; three parameter; bus

1672- 6413(2015)06- 0024- 02

2015- 02- 25；

2015- 10- 09

孙山(1988-)，男，江苏宿迁人，在读硕士研究生，研究方向为车辆动力装置模拟、设计和优化。

U461.1

A