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1、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Research on Structure and control policy of series hybrid terminal tractor vehicle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。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解红河
2、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。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。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： 日期： 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
3、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
4、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ABSTRACTHybrid electric vehicle developed rapidly in recent years and has achieved industrialization. Hybrid Electric Vehicle will be at least 30 years in the automotive industry are the most practical solution to energy
5、and pollution problems. Low-speed terminal tractor, since the frequent stops and idling time, resulting in poor fuel economy, emissions high. The development of hybrid terminal tractor, its fuel-efficient vehicle emission reduction effect is more obvious than the other. In this paper, the use of mot
6、or vehicle-related theory by computer simulation analysis to determine the hybrid electric terminal tractor driver parameters.The analysis and the simulation leading role is before carrying on expensive and the time-consuming prototype experiment to physical systems performance carries on the simula
7、tion analysis, the engineering design personnel may use it to appraise its design comprehensively, and discovers in the design through it some questions, but these questions through the survey and the experiment are which is not easy to discover. The analysis and the emulation technique not only may
8、 save the massive development cost, moreover raised complicated systems system-level optimization level. Regarding the mix power research and development, when the earlier period carries on the plan choice and the parameter match, through the analysis simulation can quickly carry on the plan choice
9、and the parameter match, thus determined that the synergy and the main parameter, and found early the problem avoids. If carries on this step through the trial manufacturing prototypes method in kind, then both time-consuming and takes the trouble, the price is expensive, and the effect is not good.
10、 Analyzes the simulation and the experiment in the research and development process is similarly important, has the unreplaceable function, to analyzes the simulation result through the prototypical experiment in kind to carry on the confirmation and the revision, optimizes repeatedly to the system,
11、 thus advances the research and development advancement powerfully.Key Words: Hybrid terminal tractor,Drive motor parameters,Vehicle dynamic analysis目 录1 概述12 混合动力汽车的结构分析42.1混合动力汽车的主要组成42.2混合动力汽车的分类42.3典型混合动力卡车结构52.3.1 Volvo重型卡车62.3.2 三菱Canter Eco轻型卡车62.3.3 日产小型卡车ATLAS2073 串联式混合动力码头车动力装置参数的选定93.1初步确
12、定驱动电机参数和车辆动力性分析93.1.1整车参数93.1.2轮胎参数93.1.3变速比103.1.4根据最高车速确定驱动电机额定功率103.1.5初步确定驱动电机峰值功率及其它参数113.1.6最大爬坡度计算163.1.7驱动力 行驶阻力平衡图和功率平衡图173.2 电机扩大恒功率区系数和过载系数对加速时间的影响193.2.1电机的扩大恒功率系数对加速时间的影响193.2.2电机过载系数对整车加速时间的影响213.3重新选定的驱动电机参数及车辆动力性分析223.3.1重新选定的驱动电机B的参数及其特性曲线223.3.2选用驱动电机B的车辆动力性分析233.4初步选择发动机功率264 串联式混
13、合动力码头车总成控制策略274.1控制系统的功能274.2控制系统的组成274.3SHEV能量流动模式294.4串联式混合动力码头车控制策略模型304.4.1恒温器的控制策略模型304.4.2功率跟随控制策略模型304.5 串联式混合动力码头车发动机的控制策略315 结论及展望335.1结论335.2展望33参考文献：34致 谢36英文资料与翻译37译文521 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
14、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（Electric Vehicle, EV）包括纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle, 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
15、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(Traction Motor)和辅助动力单元（Auxiliary Power Unit ,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
16、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
17、。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11为我国集装箱的增长情况统计。图 11 1998-2005年我国港口集装箱吞吐量及占世界比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1），本车取1.0
18、5。图3-5 汽车行驶加速度图3-6 汽车加速时间由计算结果可知，满载时车辆0 30Km/h加速时间为30s，现在还不能判定该驱动电机能否满足车辆加速时间要求，要等到具体加速时间测定后经比较才能判断。3.1.6最大爬坡度计算一般应根据车辆最大爬坡度要求来确定电机的峰值转矩，由于混合动力车设计指标中无爬坡度要求，且码头场地内道路平坦，几乎没有坡度。因此这里不将最大爬坡度作为确定驱动电机峰值转矩的设计指标，而仅讨论一下驱动电机峰值转矩=2000N.m时车辆的爬坡性能。对于传统的码头牵引车而言，当发动机输出转矩最大时，其爬坡能力最强。根据提供的原车资料，当发动机转速为1500 rpm时，其输出转矩最
19、大，。根据式（3-2）知，当n= 1500 rpm时，车速= 23.4 Km/h。考虑到爬大坡时液力变矩器的涡轮转速应低于泵轮转速（即为发动机转速），故车速应低于23.4 Km/h，风阻可忽略不计。由式（3-8）、（3-9）知驱动力可表示为。根据提供的数据，码头牵引车的最大牵引力为N，最大爬坡度为，最大载荷为。经推算载荷为65000 Kg的车辆爬18%的坡时，仅其坡度分力就大于该车的最大牵引力。所以其最大爬坡度达不到18%，其最大爬坡度约为：16.9为能达到原车的爬坡要求，我们可使改装后的最大牵引力等于N。由驱动力公式 知，传动轴处的最大驱动转矩为。设液力变矩器和变速箱的综合效率，传动比为，则
20、有：即 7.2917由变速器1档速比得此工况下液力变矩器的传动比为2.09，此数值在重型汽车用液力变矩器的传动比的正常范围内。根据码头牵引车的运行工况其爬坡及加速的时间较短，因此只要驱动电机的峰值转矩及峰值功率满足爬坡及加速时间要求即可。根据汽车的行驶方程式可知： （3-8）可得 （3-9）计算爬坡度时，略去(9)式的第4项，这样爬坡度的计算公式为 （3-10）带入参数，计算得到速度最大爬坡度曲线如图8所示：图3-7 车辆爬坡度曲线由图3-7可见，满载时该车最大爬坡度只有4.5，远小于原车16.9的爬坡度。3.1.7驱动力 行驶阻力平衡图和功率平衡图计算出混合动力码头牵引车不同车速下的驱动力和
21、滚动阻力风阻值，作出该车的驱动力行驶阻力平衡图如图3-8所示：图3-8 驱动力行驶阻力平衡图计算出混合动力码头牵引车不同车速下的驱动功率和滚动阻力功率风阻功率值，作出该车的汽车功率平衡图如图3-9所示：图3-9 汽车功率平衡图由图3-8、图3-9可知，满载时最高车速为30Km/h；半载及空载时驱动电机的额定驱动力和额定功率均能满足最高车速40Km/h时的驱动力和驱动功率要求。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当由最高车速确定的驱动电机额定功率一定时，影响车辆加速时间的参数就是驱动电机扩大恒功率区系数和过载系数。3.2.1电机的扩大恒功率系数对加速时间的影响电动机最高转速与额
22、定转速的比值，称为电动机扩大恒功率区系数。驱动电机峰值功率保持恒定即电机过载系数一定（）时，电机的扩大恒功率区系数对整车加速时间的影响 （3-11）由式（3-11）可以看出，当驱动电机峰值功率不变时，峰值转矩与电机恒功率区系数呈正比例线性关系。当驱动电机扩大恒功率区系数分别取2.5、3、3.5、4、4.5、5时整车的加速度曲线及加速时间如下图所示。图3-10 不同值时的汽车行驶加速度图3-11 不同值时的汽车加速时间由图3-11可以看出，当驱动电机扩大恒功率区系数由2.5变为3时，整车加速时间缩短明显；由3变为3.5时，整车加速时间缩短较明显，但不如由2.5变为3时显著；当继续增加时，对整车加
23、速时间的影响越来越小。由图3-10的加速度曲线可以解释这个变化趋势，如图3-10当由2.5升至5时，虽然整车的最大加速度（对应电机的峰值转矩）在变大，但最大加速度持续起作用的车速范围却在减小，所以整车加速时间的缩短越来越不明显。综合以上分析结果，认为驱动电机扩大恒功率区系数时比较合适。3.2.2电机过载系数对整车加速时间的影响电机扩大恒功率区系数一定（=3）时，电机过载系数对整车加速时间的影响 （3-12）由式（3-12）可以看出，当电机扩大恒功率区系数一定时，峰值转矩与电机过载系数呈正比例线性关系。当驱动电机过载系数分别取2.42、3、3.5、4、4.5、5时整车的加速度曲线及加速时间如下图
24、所示。图3-12 不同值时的汽车行驶加速度图3-13 不同值时的汽车加速时间由图3-13可以看出，当驱动电机过载系数由2.42变为3时，整车加速时间缩短明显；由3变为3.5时，整车加速时间缩短较为明显；当继续增加时，对整车加速时间的影响越来越小，而电机成本也不断增加。因此出于加速性能及成本的综合考虑，驱动电机过载系数时比较合适。比较图3-11和图3-13可以发现，当驱动电机扩大恒功率区系数和过载系数以相同的幅度增大时，加速时间随着过载系数的增大而缩短得更快。这说明取过载系数较大的驱动电机对于整车加速时间的缩短更有利。由图3-10和图3-12的加速度变化中可以解释这个现象，虽然图3-10和图3-
25、12中加速度的增大幅度差不多，但图3-10中随着加速度的提高，其最大加速度起作用的速度范围却越来越小；而图3-12中随着加速度的提高，其最大加速度起作用的速度范围不变。另外，仅电机扩大恒功率区系数增大时，由式（3-11）知电机的峰值功率始终保持不变；仅电机过载系数增大时，由式（3-12）知电机的峰值功率不断增大。综合以上分析结果，从目前来看认为取驱动电机扩大恒功率区系数，过载系数时比较合适。3.3重新选定的驱动电机参数及车辆动力性分析3.3.1重新选定的驱动电机B的参数及其特性曲线电机扩大恒功率区系数，过载系数时的参数及特性曲线如下。表3-3 串联混合动力驱动电动机B参数类型三相交流异步感应电机控制特性矢量控制，基速以下恒转矩，基速以上恒功率额定功率75kw峰值功率225kw额定转矩826N.m额定转速rpm峰值转矩2478N.m最高转速2600rpm电机过载系数3电机扩大恒功率区系数3图3-14 驱动电机峰值转矩和峰值功率曲线驱动电机B的峰值转矩和峰值功率曲线见图3-14，其额定转矩和额定功率
