机械混合驱动车辆：飞轮载体车用回收能量吸收装置的研究(二)

3.2 实验结果与计算模型比较

试验台的目的是由测功器传递到飞轮提供的运动能量证实数学模型,以及反过来控制齿轮箱齿圈的速度。这样做,测功器的传动周期由三个加速一减速时间段组成。在每个时间段,唯制动功率以运动能量储存在飞轮内。图7(a)示试验由静止起动, 而图7(b)示相同的周期,但飞轮已经起动。

图7 测功器速度ωDyna_exp、飞轮速度ωfw_exp和齿圈速度ωRing_exp的试验测量示(a)唯回收制动和(b)全混合驱动车辆运行。破析线为用仿真作出的飞轮速度ωfw,底部线段表示为飞轮辅助加速的周期(FA),普通加速度(CA),回收制动(RB)和常规制动(CB).Fig.7 Experimental measurements of the speed ωDyna_expat the flywheel,and the speed ωRing_expat the ring showing(a)only regenerative braking and(b)full-hybrid-vehicle operation.The dashed curve corresponds to the speed ωfwat the flywheel predicted from the simulation.The segments on the pottom indicate the periods of flywheel-assisted acceleration(FA),conventional acceleration(CA),regenerative braking(RB),and conventional braking(CB).

第一试验目的(见图7(a))是证实回收制动原理：因而它进行在飞轮由静止至起动,测功器用马达初始加速,用内燃机模仿常规加速(时间段CA),以及用提供的回收制动随后制动齿圈(时间段RB)。采用这种方法,飞轮由静止位置加速到速度为45 rad/s,证实了采用PGS把运动能量由车辆传递到飞轮的工作原理。

试验提供的回收制动,利用一飞轮和PGS可以简单减速PGS的齿圈分支。

第二试验(图7(b)所示)用来证实混合驱动车辆的全工作循环,它包括飞轮辅助加速、常规加速、回收制动和常规制动的各个时间段。该试验初始阶段随之飞轮已作343 rad/s(3280 r/m)转速转动,确保有足够的能量来加速测功器,接着飞轮和测功器的之间能量传递采用整个机械混合驱动模式来实现。

为了证实该计算机模型,测功器测出的转矩和速度输入计算机模型,进行实验的全仿真。这些仿真包括PGS传动损失的估算以及风阻和飞轮轴承损失。

图7示飞轮计算的角速ωfw和实验角速度ωfw_exp由图7(a)所示可见,该装置的计算模型有效仿真能量由测功器传递到飞轮,每次都采用回收制动模式。明显看到飞轮损失在装置空档工作也能正确表明。观察图7(b)可以看到,并在再次试验可看到相同的特性。在该情况,适当模拟飞轮的加速和减速,每次能量储存装置在工作中。

因此一个满意的数字仿真结果在两低和高的飞轮速度由实验仿真来实现,从而证实了该数学模型。

4 全尺寸机械混合驱动车辆仿真

常规和两型机械混合驱动在市区和市区外道路进行的车辆的计算机仿真,采用由Diego-Ayala[22]和North等[23]开发的 Ford Focus Estale计算模型。在该模型中,稳态发动机特性线图用发动预热修正。

评价在市区行驶工况下混合驱动车辆,广泛选择三种驾驶周期：ECE周期[24],Artemis市区周期和Hyzem市区周期,其主要数据列于表2。

4.1 常规车辆模型

用于试验的车辆是1999年Ford Focus Estate 1.8 L涡轮增压柴油机的模型,它的主要特性概括于表3。

4.2 混合驱动车辆模型

4.2.1 唯制动型混合驱动车辆模型是把唯制动装置综合在串联的一个常规动力系中获得的。该混合驱动车辆和其机械能储存装置的主要特性示于表4。该齿轮箱行星架和终传动间的效率值可以用式(31)算出,简单地作为常数。

PGS的效率线图和飞轮损失如图8所示,PGS的效率线图是以报告现有的线图为基础开发的,而飞轮的损失线图则包括轴承的摩擦和风阻损失,以Shah[18]进行的试验为基础开发的。这些数值的变化作为运转动态模拟。

表2 行驶过程主要参数Table 2 Main parameters of driving cycles

表3 Ford Focus技术条件Table 3 Specifications of the Ford Focus

表4 Ford Focus混合驱动机械储能装置主要特性Table 4 Main characteristics of mechanical energy storage system for the hybrid Ford Focus

该混合驱动车辆基于太阳轮(飞轮)、齿圈和行星架(车辆)和终传动要求的转矩运行。

对混合驱动车辆运行的飞轮速度的影响与以下三个预定值有关：

(a)飞轮最大速度：飞轮最大安全运转速度;

(b)飞轮最低速度：低于该速度时飞轮将停止辅助加速;

(c)飞轮最小运转速度：飞轮启动车辆加速助动前要求的最小速度。

这些参数的大小列于表5。

根据飞轮速度和混合驱动装置的工作状况,要求开和关发动机。如果发动机关闭,则用飞轮加速车辆,发动机应由起动马达起动。因为车辆的飞轮辅助加速发生在几秒,控制系统应有时间,在要求接替由飞轮的车辆推进前起动发动机。

控制方案是只要飞轮在最低速度下转动,发动机要保持能量储存装置可仅在空档或回收制动模式下工作。发动机可仅关闭一次,飞轮有足够的能量可加速车辆(最低运行速度),且该装置在某一状态,可立刻在飞轮辅助加速模式内运行。

图8 (a)飞轮损失和(b)PGS效率线图Fig.8 Maps of(a)losses at the flywheel and(b)efficiency of the PGS

表5 混合驱动Focus仿真值Table 5 Values for simulation of the hybrid Focus

4.2.2 CVT制动型式混合驱动模型

按汽车应用的典型的CVTS设计CVT模型。输出到该模型的输入轴速比在0.4和2.5之间,它下降在典型极限值之内[26-29]。CVT的工作和效率范围用效率线图(图9)依据Soltic和Guzzella[29]提供的结果估算。该线图是一干式带变速器包括一液压装置的图线。因效率是由要求的瞬时速比和转矩求得,ηCVT值解式(27)作为混合驱动车辆随传动周期动态变化。该CVT不可能在速比0.4至2.5以外运转,除非它和离合器一起工作。对CVT零负荷损失不包括在该模型之内。

图9 相关于转矩 TCVT_in/TCVT_max和速度ωCV T_out/ωCVT_in CVT模型的变速器效率线图Fig.9 Variator efficiency map for CVT model correlating the torque TCVT_in/TCVT_max and velocity ωCVT_out/ωCVT_in

设计离合器的模型使作相似于常规离合器的改变,当断开它时,离合器两边可在任何方向自由转动,同时不传递能量。当它打滑时,其一个元件将转矩以相同方向作用在另一元件上,最后使其以相同速度转动。这种运转不要求特定的特性,因此,一湿式离合器足够提供传动所要求的影响。离合器的效率与速比有关,完全接合时效率可达0.98,还可作为属于式(21)至(30)的机械部件。

4.3 仿真结果和讨论

在市区Hyzem道路单纯制动和CVT制动混合驱动的性能见图10(a)和(b)。

用检视飞轮速度,证实作为驱动车辆行星架(车辆)和飞轮之间的能量的周期性传递。该图还表明飞轮用储存的能量很短时间使车辆加速。推荐装置性能趋向于作为驱动车辆最大制动回收能量。

表6列出采用常规,单纯制动和CVT制动车辆三种传动周期达到的燃油经济性以及车辆CO2的排放量[30]。预期采用常规车辆对所有传动周期达到最低的燃油消耗。而所有传动周期采用CVT制动混合驱动的燃油消耗高于单纯制动的混合驱动。

表6列出对所有车辆和传动周期的能量损失分类。其中未表明的值表示它不能用于特殊的动力系类型。

图10 在Artemis市区道路(a)单纯制动混合驱动车辆和(b)CVT制动混合驱动车辆的性能示飞轮速度ωfw和行星架速度ωC。图中上部证实黑线表明发动机工作(发动机开和关)细破折线表示飞轮最大运转速度(上部),最小运转速度和最低速度(下方)Fig.10 Performance of(a)the brake-only hybrid and(b)the CVT-brake hybrid vehicles following the Artemis urban cycle,showing the speed ωfw of the flywheel and the speed ωCof the carrier.The solid thin black curve at the top of the figure illuslrates engine operation(engine on or off),while the dashed thin black lines refer to the flywheel maximum(upper),minimum operation and minimum(lower)speeds

对机械混合驱动装置明确给定控制方案,驱动车辆时发动机周期性开关,该给定的结果,与常规车辆相比较,不论车辆自身质量大小都可降低燃油消耗。这样改进是由于制动和关闭发动机时回收了两者的运动能量并再利用。

真实的结果建议混合驱动车辆在要求频繁停车的传动条件下(像在市区所碰到的工况)要达到最大的潜能,对于混合驱动车辆制动和采用飞轮加速时,应重复回收车辆运动能量,从而当机械能量储存装置工作时,为车辆关闭发动机提供一个更好的机率。

在Artemis市区路面最大的燃油消耗发生于停车次数最多和多次减速如表6所示。单纯制动混合驱动对于该路面在油耗方面改进11.3%,相反比较CVT—制动装置可预计节约25.7%。因回收制动和辅助加速对于单纯制动型要求在齿圈加制动,考虑相当的能量损耗于摩擦元件。此外,机械能量储存装置仅在制动PGS齿圈下工作,故其可工作性大大降低。

如表6所示,在CVT—制动型因采用CVT对PGS齿圈提供了必需的转矩,减少了PGS的齿圈损失。并在相同时间用它作为一传动部件。该CVT还增加机械能量储存装置的可工作性,作为PGS齿圈或者减速或者加速的功能。CVT在装置中的优点显然包括由常规制动散热固定降低,更重要的固定增加了能量储存装置的工作时间,大大地增加了发动机的关闭时间。

此外,能量储存装置工作初始加速时,最重要的作为飞轮可提供比发动机更大的功率,该作用有益于混合驱动装置,因为由飞轮获得高的功率,证实发动机尺寸降低,它甚至进一步增加混合驱动装置的长处。

因此,本研究的结论是在一常规车辆中安装机械能量储存装置倾向于改善燃油经济性和减少排放,但车辆是被驱动,传动道路大大影响了其性能。然而,如果驱动型式是典型的市区行驶工况,例如为低的平均速度和连续停车,它将增加混合驱动车辆的总效率和减少排放。但为避免CVT—制动型混合驱动的功率再循环,CVT的工作限制PGS齿圈的周期为负,影响装置可工作的多数周期。识别该装置的优化作为进一步改进机械混合驱动动力系的可能机率。

表6 对于常规单一制动混合驱动和CVT一制动混合驱动车辆仿真结果和能量损失分类Table 6 Simulation and breakdown of energy losses for the conventional,brake-only hybrid,and CVT-brake hybrid vehicles

5 结论

已经阐述了机械储存能量装置的工作原理和其工作原理在试验台架上的试验。它已经证实了该部件可以收集和储存并提供要求的能量,对混合驱动车辆提供该技术的可能性。

该装置计算模型已经由试验结果证实,并且已表明,它是评价混合驱动动力系上能量储存装置性能的一个合适工具。一常规车辆和两不同类型的机械混合驱动车辆的性能的数字仿真已经用该模型进行。

在Artemis市区路面单纯制动型燃油经济性改进11.3%,CVT—制动型改进25.7%。可以看到混合驱动装置这样的工具对在繁忙交通状况行驶的车辆是良好适合的,因为频繁停车和起动对能量的回收和再利用是有利的。

一个特别吸引人的特点是能很容易使一个通常的动力系调整到混合驱动的性能。和混合驱动其他形式不同,这种混合驱动车辆可以由对一通常的动力系简单地加一机械能量储存装置获得。因此,混合驱动装置也可以认为是一个‘bolt-on'混合驱动。对推荐的设计已经作无成本的分析,然而像其机械部件的成本一样将实际上低于现代在HEVS中采用的电子部件。(谷雨译自 Proc.IMechE 2008 Vol.222 Part6 D：J.Automotile Engineering)

[1]Chan,C.C.Electric vehicles charge forward.IEEE Power Energy Mag.,2004,2(6),24-33.

[2]Duoba,M.,Ng,H.,and Larsen,R.In-situ mapping and analysis of the Toyota Prius HEV engine.In Proceedings of the Future Transportation Technology Conference and Exposition,Costa Mesa,California,USA,21-23 August 2000,SAE paper 2000-01-3096,2000.

[3]Lave,L.B.and MacLean,H.L.An environmental-economic evaluation of hybrid electric vehicles：Toyota's Prius vs.its conventional internal combustion engine Corolla.Transpn Res.Part D-Transport and Environment,2002,7(2),155-162.

[4]Taniguchi,A.,Fujioka,N.,Ikoma,M.,and Ohta,A.Development of nickel/metal-hydride batteries for EVs and HEVs.J.Power Sources,2001,100(1-2),117-124.

[5]Chalk,S.G.and Miller,J.F.Key challenges and recent progress in batteries,fuel cells,and hydrogen storage for clean energy systems,J.Power Sources,2006,159(1),73-80.

[6]Karden,E.,Ploumen,S.,Fricke,B.,Miller,T.,and Snyder,K.Energy storage devices for future hybrid electric vehicles.J.Power Sources,2007,166(1),2-11.

[7]Ozaki,T.,Yang,H.B.,lwaki,T.,Tanase,S.,Sakai,T.,Fukunaga,H.,M atsumoto,N.,Katayama,Y.,Tanaka,T.,Kishirnoto,T.,and Kuzuhara,M.Development of Mg-containing MmNiS-based alloys for low-cost and high-power Ni-MH battery.J.Alloys Compounds,2006,408-412,294-300.

[8]Gifford,P.,Adams,I.,Corrigan,D.,and Venkatesan,S.Development of advanced nickel metal hydride batteries for electric and hybrid vehicles.J.Power Sources,1999,80(1-2),157-163.

[9]Oman,H.New energy management technology gives hybrid cars long battery life.In Proceedings of the 34th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference,Vancouver,Canada,1999,SAE paper 1999-01-2468,1999.

[10]Aanstoos,T.A.,Kajs,J.P.,Brinkman,W.G.,Liu,H.P.,Ouroua,A.,Hayes,R.J.,Hearn,C.,Sarjeant,J.,and Gill,H.High voltage stator for a flywheel energy storage system.IEEE Trans.Magn.,2001,37(1),242-247.

[11]Bolund,B.,Bernhoff,H.,and Leijon,M.Flywheel energy and power storage systems.Renewable Sustainable Energy Rev.,2007,11(2),235-258.

[12]Suzuki,Y.,Koyanagi,A.,Kobayashi,M.,and Shimada,R.Novel applications of the flywheel energy storage system.Energy,2005,30(11-12),2128-2143.

[13]Van Mierlo,J.,Van den Bossche,P.,and Maggetto,G.Models of energy sources for EV and HEV：fuel cells,batteries,ultracapacitors,flywheels and enginegenerators,J.Power Sources,2004,128(1),76-89.

[14]Dietrich,P.,Eberle,M.K.,and Hiirler,H.U.Results of the ETH-hybrid III-vehicle project and outlook.In Proceedings of the International Congress and Exposition,Detroit,Michigan,USA,1-4 M arch 1999,SAE paper 1999-01-0920,1999.

[15]Shell,S.W.,Serrarens,A.,Steinbuch,M.,and Veldpaus,F.Coordinated control of a mechanical hybrid driveline with a continuously variable transmission.JSAE Rev.,2001,22(4),453-461.

[16]Shen,S.W.,Vroemen,B.,andVeldpaus,F.IdleStop and Go：a way to improve fuel economy.Veh.System Dynamics,2006,44(6),449-476.

[17]Vroemen,B.,Serrarens,A.,and Veldpaus,F.Hierarchical control of the zero inertia powertrain.JSAE Rev.,2001,22,(4),519-526.

[18]Shah,S.The design and development of a high speed composite f lywheel for hybrid vehicles.PhD Thesis,Department of M echanical Engineering,Imperial College,London,2006.

[19]Hofmann,D.A.Gearing for high speed motors.In Proceedings of the IEE Colloquium on High speed bearings for electrical machines,Digest 1997/164,25 April 1997,pp.3/1-3/13(IEE,London).

[20]Mantriota,G.Theoretical and experimental study of a power split continuously variable transmission system,Part 1.Proc.Instn Mech.Engrs,PartD：J.Automobile Engineering,2001,215(7),837-850.

[21]Santoro,M.A hybrid-propulsion powertrain with planetary gear set for a WD vehicle：analysis of power flows and energy efficiency.Report,Dresden University of Technology,Dresden,Germany,1998.

[22]Diego-Ayala,U.An investigation into hybrid power trains for vehicles with regenerative braking.PhD Thesis,Department of Mechanical Engineering,Imperial College,London,2007.

[23]North,R.J.,Ochieng,W.Y.,Quddus,M.A.,Noland,R.B.,and Polak,I.W.Development and testing of a vehicle performance and emissions monitoring system.Proc.Instn Civ.Engrs,Transport,2005,158(3),167-177.

[24]EEC Directive 90/C81/01,EEC emission cycles,emission test cycles for the certification of light duty vehicles in Europe,1990.

[25]Andre,M.Real-world driving cycles for measuring cars pollutant emissions-part A：the ARTEMIS European driving cycles.Report INRETS-LTE 0411,Institut National de Recherche SW 65 Transports et lear Securite,Bron,France,June 2004.

[26]Klaassen,T.,Vroemen,B.,Bonsen,B.,van de Meerakker,K.,Steinbuch,M.,and Veenhuizen,P.A.Modeling and simulation of an electro-mechanically actuated pushbelt type continuously variable transmission.In Proceedings of the Third IFAC Symposium on Mechatronicsystems,Sydney,Australia,6-8 September 2004,pp.241-246(IFAC,Sydney).

[27]Lee,H.and Kim,H.Improvement in fueleconomy for a parallel hybrid electric vehicle by continuously variable transmission ratio control Proc.IMechE,Part D：J.Automobile Engineering,2005,219(1),43-51.

[28]OsornioCorrea,C.Characterisation ofa f lexible transmission for a hybrid electrical vehicle optimising power train performance(in Spanish).PhD Thesis,Department ofMechanicalEngineering,Universidad Nacional Autonoma de Mexico,2006.

[29]Soltic,P.and Guzzella,L.Performance simulations of engine-gearbox combinations for light-weight passenger cars.Proc.Instn Mech.Engrs,Part D：J.Automobile Engineering,2001,215(2),259-271.

[30]EM EP/CORINAIR Emission Inventory guidebook-2006.Technical Report 11/2006,European Environment Agency,Copenhagen,Denmark,21 December 2006,p.29.

附 录

APPENDIX

符号

Notation

A,B 行星传动速度变量variables for the speed of the planetary gear set

CVT 无级变速器continuously variable transmission

GRC_CVT主输入轴至无级变速器的速比gear ratio of the main input shaft to the continuously variable transmission

GRC_fd主输入轴至终传动速比gear ratio of the main input shaft to the final drive

GRR_CVT齿圈至无级变速器速比gear ratio of the ring to the continuously variable transmission

Ifw飞轮惯量inertia of the flywheel

PGS 行星齿轮传动planetary gear set

R1,2,R2分别在双排行星齿轮装置内1和2级齿圈的齿数number of teeth of the ring gear for stages 1 and 2 respectively in the double planetary gear set

S1,2,S2分别双排行星齿轮装置内1和2级太阳轮齿数number of teeth of the sun gear for stages 1 and 2 respectively in the double planetary gear set

TC行星架转矩torque in the carrier

TC_CVT无级变速器输出转矩torque in the output of the continuously variable transmission

TClutch_in离合器输入转矩torque in the input of the clutch

TClutch_out离合器输出转矩torque in the output of the clutch

TCVT_in无级变速器输入转矩torque in the input of the continuously variable transmission

TCVT_out无级变速器输出转矩torque in the output of the continuously variable transmission

Tfd终传动轴转矩torque in the final drive's shaft

Tfw_shaft飞轮轴转矩torque in the flywheel's shaft

Tfw_loss飞轮转矩损失torque loss at the flywheel

TR齿圈转矩torque in the ring

TR_loss齿圈转矩损失torque loss at the ring

TS太阳轮转矩torque in the sun

TS_loss太阳轮转矩损失torque loss at the sun

TShaft主输入轴转矩torque in the main input shaft

VRClutch离合器速比velocity ratio of the clutch

VRCVT无级变速器速比velocity ratio of the continuously variable transmission

Δt 仿真时间步阶time step for the simulation

Δωfw已知时间段飞轮角速度变化change in the flywheel angular speed for a given time step

ηC_CVT无级变速器输出和主输入轴齿轮连接效率efficiency at the gear connection of the continuously variable transmission output and the main input shaft

ηC_fd主输入轴和终传动齿轮连接效率efficiency at the gear connection of the main input shaft and the final drive

ηClutch离合器效率efficiency at the clutch

ηCVT无级变速器效率efficiency at the continuously variable transmission

ηGB行星齿轮传动效率efficiency of the planetary gear set

ηR_CVT齿圈和无级变速器连接效率efficiency at the connection ofthe ring and the continuously variable transmission

ωC行星架角速度angular speed of the carrier

ωClutch_in离合器输入角速度angular speed of the input of the clutch

ωClutch_out离合器输出角速度angular speed of the output of the clutch

ωCVT_in无级变速器输入角速度angular speed of the input of the continuously variable transmission

ωCVT_out无级变速器输出角速度angular speed of the output of the continuously variable transmission

ωDyna_exp测功仪角速度试验值experimental value of the dynamometer's angular speed

ωfd终传动角速度angular speed of the final drive

ωfw 飞轮平均角速度average flywheel angular speed

ωfw_exp 飞轮角速度试验值experimental value of the flywheel's angular speed

ωR齿圈角速度angular speed of the ring

ωRing_exp 齿圈角速度试验值experimental value of the ring's angular speed

ωS太阳轮角速度angular speed of the sun