混合动力卡车关键技术的分析与研究

2024年1月7日发(作者：fj酷路泽4000真实油耗多少)

汽车实用技术　２０１２年第４期　２Ｏ１２　Ｎ０．４　设计研究　ＡＵＷＯＭＯＢＩＬＥ　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＴＥＣｌＩＮＯＬＯＧＹ　混合动力卡车关键技术的分析与研究　公伟强，陈丁跃，陶斯祺，高树健，周副权　（长安大学汽车学院，陕西摘西安７１００６４）　要：随着能源紧缺日益加剧和人们环保意识的增强，混合动力已经成为未来中重型卡车发展　的主要方向，本文系统的分析了混合动力技术中蓄电池及其模型，驱动形式及其控制策略等关键　技术在卡车中的应用。　关键词：混合动力卡车；驱动形式，Ｉ控制策略　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｔｒｕｃｋｓ　Ｇｏｎｇ　Ｗｅｉｑｉａｎｇ，Ｃｈｅｎ　Ｄｉｎｇｙｕｅ，Ｇａｏ　Ｓｈｕｊｉａｎ，Ｚｈｏｕ　Ｆｕｑｕａｎ　（Ｃｈａｎｇ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｕｔｏｍｂｉｌｅ，Ｘｉ’ａｎ　７１００６４）　Ａｂｓｔｒａｃｋ：Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ　ｔｒｕｃｋｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｈｏｒｔａｇｅ　ｏｆ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｎｔｅｎｓｉｉｉｅｄ　ｆａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ａｗａｒｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｔｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｍｏｄｅｌ－ｄｒｉｖｅｎ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｎ　ｔｒｕｃｋｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｙｂｒｉｄ　ｔｒｕｃｋｓ；Ｄｒｉｖｅ　ｆｏｒｍ；Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　上展现了最新达夫ＬＦ混合卡车，其主要应用于城市　引言　配送市场。达夫ＬＦ混合卡车配备能够提供装载１２　伴随着金融危机之后的经济复苏，市场消费的　吨混合动力的４．４６升康明斯ＩＳＢＥ系列柴油机以及　需求增大，物流运输量逐渐增加，卡车的市场开始　来自伊顿公司的６档自动变速器，适用于城市中配　回升，另一方面，油价的不断上涨，环境污染不断　送市场的货运。　加剧，对节能减排规定标准的日益提高，全球传统　卡车面临巨大挑战。　依维柯ＥｕｒｏｃａｒｏＨｙｂｒｉｄ的混合动力来自一台直　列四缸３．９升Ｔｅｃｔｏｒ柴油发动机和电池组，它的最　更新，平均时速为２０ｋｍ／ｈ，完全可以满足每２．３公　ＭＡＮ　ＴＧＬ是一台电动机工作时间占２６％的混　卡车巨头公司目前都在进行新能源技术的研　新款对逆变器、电动机以及高电压离子电池等做了　发，相对于其它新能源，电能控制技术相对成熟，　前发展的主要趋势。由于混合动力技术能够有效的　而作为从柴油机到纯电动过渡的混合动力技术是目　里走走停停和每天行程１００．１５０公里的城市配送。　降低汽车在经常启动与停车复杂工况下的燃油消耗　合动力卡车，由一台６Ｏ千瓦的电动机与２２０马力的　量，所以国外已经优先应用在城市配货运输等特殊　柴油机共同驱动，相比于普通柴油中卡燃油消耗量　作业的中轻卡车中。　节省约６．２％一１８．１％。另外，该车的混合系统只能在　１、几款欧洲混合动力卡车　佩卡集团全资子公司达夫在２０１　１年上海车展　作者简介：公伟强，硕士，主要研究方向为混合动力技术。　汽车频繁的停止与启动的复杂环境下由驾驶员激　活，增加了传动系统部件的可靠性。　奔驰Ａｔｅｇｏ　１２２２ＢｌｕｅＴｅｃＨｙｂｒｉｄ（下图１）成名　

汽车实用技术　２０１２年第４期　于汉诺威车展，并获得２０１１国际年度轻卡称号。其　氧化氮排放量５０％。另外，欧洲科学家正在研发一　混合动力系统采用的是４．８升直列四缸柴油机与由　种足够坚固和轻质，可以用于汽车部件，并且能够　锂离子电池供电的最大输出功率４４ｋｗ的水冷式电　储存和释放电能的材料，这种复合材料可以通过将　机并联式结构。相比于传动动力系统降低了燃油消　混合动力汽车插在家用电源上进行充电。　耗量，同时，降低了１０％一１５％的二氧化碳排放量。　表１车用动力蓄电池比较　沃尔沃ＦＥ　Ｈｙｂｒｉｄ是一款拥有３００马力柴油机　和最大功率１２０ｋｗ电动机三轴中重型混合动力卡　铅酸　镍镉　镍氢　锂离子　超电容　原材料易得　快速充电　能量密度高　价格便宜　无污染　工作电压高　自放电率低　无记忆效应　对温度不敏　感　使用寿命长　管理简单　车，相比于以上混合动力卡车，其最大的特点是可　以完全关闭柴油发动机并运行１．２—１．５公里，此功能　优点　可靠性好　寿命较长　寿命大于镍镉　能量密度大　的实现需要安装电动助力转向装置、额外的储气罐　以及后备转向泵连接到变速箱，成本也随之增加。　图１奔驰Ａｔｅｇｏ　１２２２　ＢｌｕｅＴｅｃ　Ｈｙｂｒｉｄ　２、动力蓄电池及其管理系统　２．１车用动力蓄电池　蓄电池在混合动力车中扮演第二动力源的角　色，其作用主要表现在三个方面：一方面，在启动　和低速时，蓄电池充当汽车驱动系统主要的动力源；　另一方面，汽车在全负荷加速时作为辅助动力源；　第三，在正常行驶、减速或者制动时储存能量。　车用蓄电池大体有铅酸、镍镉、镍氢、锂离子、　超电容等几种，表１给出了它们的优缺点。从表中　我们看出锂离子电池是目前相对最有前途的新能　源，但其由于适应温度能力较差、价格昂贵、管理　困难等使用范围受到极大限制，目前应用最广的还　是技术成熟、价格低廉的铅酸蓄电池。超电容电池　也是一种新型电池发展趋势，日产柴油机公司已经　推出电容器混合动力卡车两款，相比柴油机汽车减　少燃料开支５０％，减少二氧化碳排放量３３％，减少　价格较贵　比能量低　重金属回　管理难　耐高低温能力差　储能有限　缺点　寿命短　收难　过度充电可导　怕过度充放电　不能长时间　污染较严重　环境污染　致整组电池失　有爆炸的危险　放电　严重　效　成本高　２．２蓄电池管理系统　对电池非线性和时变特性的控制管理技术已经　成为制约混合动力汽车发展的一个瓶颈。电池管理系　统的主要任务有：①优化电池能量使用，防止过度充　放电；②杜绝电池滥用，提高电池利用率；③均衡利　用电池，延长使用寿命。其已经由传统的对电压、电　路、温度简单的被动监控发展到对电池内部化学原理　建模的具有反馈调节的主观能动的管理系统。电池的　建模、电池状态ＳＯＣ估算、电池均衡控制是管理系统　发展的核心技术和难题。其中，电池模型是系统设计　的基础，下面给出了几种典型模型。　１）ＰＮＧＶ等效电路模型　＋Ｕｐｏ一　图２　ＰＮＧＶ模型　等效电路模型是电池建模常用方法之一，它是　使用电阻、电容、恒压源等模拟电池工作的动态特　性。ＰＮＧＶ模型是￣ＰＮＧＶ电池试验手册》中的标　准模型，具有如下特点：容易推倒数学解析方程，　

２０１２年第４期　公伟强等：混合动力卡车关键技术的分析与研究　２４　便于分析与应用；可描述各种电池工作状态，有广　９６４８７Ｃ／ｍ０１，　为正负极材料的平均粒径，Ｄｌ为锂　泛的适用性；建模中容易考虑温度的影响，模拟仿　离子的固相扩散系数，　存在于Ｌｉ　Ｍｎ２０４、　真精度高。其模型如图２所示。其中，　。为　欧姆内阻，　为极化内阻，Ｃ　为极化电容，　Ｌｉ　Ｃ６　为极化电阻上的电流；电容Ｃ　描述负载　３、驱动系统形式及其控制策略　电流的时间累积产生的开路电压的变化。　２）ＢＰ神经网络模型　ＢＰ神经网络模型是利用神经网络非线性、多输　３．１驱动系统形式　目前混合动力车的驱动形式有很多种，根据电　动机与动力蓄电池在底盘中的位置，大致分为串联　入多输出的优点来模拟电池非线性系统的外特性。　输入层如电流、ＳＯＣ和温度等来接收外界输入信息　的神经元，输出层如电压、功率等以输出信息处理　的结果，隐含层是内部信息的处理与变换（图３）。　当实际输出与期望值不符时，误差通过输出层，按　照剃度下降的方法修正各层权值。该模型适用广泛，　随着神经网络理论的不断成熟，其模拟精度会越来　越高，是电池模型主要发展方向之一。　图３　ＢＰ神经网络模型　３）电化学模型　基于电池充放电过程化学反应机理的电化学模　型能够实时反应电池内部状态，对电池的模拟更为　准确，但由于模型复杂，目前较难应用于汽车上。　以下方程组是一种利用抛物线近似法从宏观上近似　描述锂离子平衡与扩散的电化学模型：　：一堡　（１）　｝　ｃ１口ＪｌｏｃｒｐＣ１—一Ｃ　１：１＝————　（２Ｌ）一）　５　Ｄ，　＝　（３）　…　Ｃ１　其中：ｃ１为正负极材料的表面浓度，ｃ１为正　负极材料的平均浓度，ｃ１　为正负极材料的最大浓　度，Ｊｌｏｃ为表面电流浓度，　为法拉第常数，　式（ＳＨＥＶ）、并联式（ＰＨＥｖ）和混联式（ＰＳＨＥｖ）　三种。　１）串联式混合动力驱动系统（ＳＨＥｖ）　该系统中发动机与发电机串联，电动机只用于　发电，发电机发出的电能与蓄电池的电能共同驱动　电动机，为汽车行驶提供驱动力（图４）。由于该结　构中主驱动装置为电动机，而发动机仅作为辅助装　置，其传输环节多、能量利用率低、驱动力等特点　使其难以应用于混合卡车技术中。　图４串联式混合动力系统　２）并联式混合动力驱动系统（ＰＨＥＶ）　并联式结构中的驱动力来源于发电机与电动机　（图５），在起步与低速度时，发动机停止工作，由　电动机提供驱动力，正常行驶时，发动机提供动力，　使汽车在经济工况下行驶，同时给蓄电池充电，加　速时，两者共同提供驱动力。根据该系统工作原理，　其适合于频繁启动与停车的城市内运输轻型卡车。　图５并联式混合动力系统　３）混联式混合动力驱动系统　该驱动系统融合了上述两种方式的优点，弥补　了ＳＨＥＶ无机械动力输出和ＰＨＥＶ无电能动力输出　

２５　汽车实用技术　２０１２年第４期　的缺点（图６）。发动机输出的功率一部分驱动车辆　应用中达到这一目标。　行驶，另一部分通过发电机，给蓄电池充电。另一　３）全局优化控制策略　方面，蓄电池通过发动机给车辆提供动力。尽管该　全局优化的方法是在既定驾驶循环下根据最优　　系统结构复杂，成本较高但其控制策略灵活，提供　控制理论来动态分配发动机和电动机的动力输出，的驱动力大，无需外界充电，续驶里程长，是混合　从而使燃油经济性等目标达到最优。此方法的实施　动力重型车发展的最佳方案。　图６混联式混合动力系统　３Ｉ２混合动力卡车控制策略　要使得混合动力卡车在不同工况下达到最理想　的工作状态，需要我们采用最优化的控制策略。由　于串联式驱动形式不适合混合动力中重型卡车，在　这里仅讨论对后两种驱动形式结构的控制策略。　１）模糊优化控制策略　模糊控制是利用模糊数学的知识模仿人脑思维　方式，对模糊现象进行识别和判决，给出精确控制　量以控制被控对象。其工作原理如图７所示，在多　变量复杂的混合动力驱动系统中，将输入变量（如　电池电流、ＳＯＣ、发动机转速等）与输出变量（如　电压、电池功率、发动机功率等）通过由模糊集合　组成的模糊控制规则的隶属函数联系起来，控制被　控对象。该策略无需建立复杂的数学模型，逻辑控　制能力强，而且具有很好的鲁棒性，是混合动力卡　车控制策略主要发展方向。　图７模糊控制原理　２）瞬时优化控制策略　在汽车应用上，一般采用的是瞬时等效油耗最　低控制策略，该策略是首先得到电动机能源消耗特　性图，类似于发动机的万有特性图，根据两者特性　图得到相加的名义油耗，从名义油耗最低出发，实　时动态进行传动比选择和扭矩等状态变量的分配。　该控制策略的燃油经济型相比好于模糊控制策略，　但由于电池老化、发动机动态特性等影响，很难再　的前提是已知工况，而对于中重型卡车来说，工况　十分复杂，这对于全局优化控制策略的推广是一个　很难逾越的障碍。　４、总结　１）铅酸电池仍然是目前混合动力卡车发展应用　的主要动力源，锂离子电池是未来几年的主要方向，　此外，超电容以及新型可作电池的汽车材料是未来　环保蓄电池的希望，动力电池及其管理系统仍然是　混合动力发展的一个瓶颈。　２）并联和混联形式的驱动系统在混合动力卡车　上的应用明显优于串联形式，但结构相对复杂以及价　格偏高，如何简化结构以及降低成本是未来的方向。　３）模糊控制策略最适合于混合动力技术，人工　神经网络控制、自适应神经模糊控制是未来研究的　重点，另外，全局优化策略可以用于局部系统，将　整车系统分成部分，采用不同控制策略是一种趋势。　４）混合动力技术日趋成熟，其在中重型卡车上　的应用已经不再遥远，但是由于系统复杂以及价格　高昂等原因，得到普及还需要相当长时间。建议政　府出台相关政策，推动混合动力卡车的发展。　参考文献　［１】谢永海，电动车用电池发展趋势［Ｊ］．科技资讯，　２００８，１７（６）：１－４．　［２】张宾，郭连兑，李宏义，等．电动汽车用磷酸铁锂离子电　池的ＰＮＧＶ模型分析［Ｊ】．电源技术，２００９，３３（５）：４１７－４２１．　［３］ＵＳ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ．ＵＳＡＢＣ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｔｅｓｔ　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　Ｍａｎｕａｌ［Ｍ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＵＳ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ，１９９６．３３－１３５．　［４】王飞，刘建国，混合动力汽车（ＨＥＶ）技术分析［Ｊ］．安阳　工学学报，２０１０，１２（６）：１３－１６．　［５】欧健，张勇，陈宝，等．混合动力汽车控制策略研究进展　［Ｊ］．重庆工学院学报（自然科学版），２００８，２２（２）：１０－１５．