基于沙灘車的實驗教學(xué)用混合動力車設(shè)計與開發(fā)

薛騰飛,馬宗正,2,聶建軍,王賽飛

(1.中原工學(xué)院 機電學(xué)院,河南 鄭州 450007; 2.河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院,河南 鄭州 451191)

我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,2020年盡管受到了疫情影響,但仍產(chǎn)銷兩旺,產(chǎn)銷量均超過了2 500萬輛[1]。隨著車市的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)燃油汽車存在的環(huán)境污染問題越來越突出,新能源汽車特別是混合動力汽車日益受到關(guān)注[2-4]。此前,我國已陸續(xù)出臺政策:要加大混合動力汽車和替代燃料汽車的研發(fā)力度[5]。混合動力汽車包含傳統(tǒng)內(nèi)燃機[6]、電機控制系統(tǒng)[7]、電池控制系統(tǒng)[8]和控制策略部分[9-10]等。混合動力汽車的制造涉及學(xué)科內(nèi)容非常廣泛。

在本科教學(xué)過程中,要讓學(xué)生更加清楚地了解混合動力汽車的工作原理,熟悉其基本結(jié)構(gòu),就必須設(shè)計合適的實驗教學(xué)系統(tǒng)[11-13]。但是,實際的混合動力汽車體積大、購置成本高,無法讓學(xué)生全程參與設(shè)計和學(xué)習(xí),相應(yīng)教學(xué)實驗只是認(rèn)識性的,根本達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。為彌補這一教學(xué)缺陷,本文基于現(xiàn)有的沙灘車,開發(fā)一款結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的實驗教學(xué)用混合動力車,以便通過本科教學(xué)實驗提高學(xué)生的實踐水平和綜合應(yīng)用能力。

1 總體設(shè)計方案

本文基于已有沙灘車設(shè)計的混合動力車為串聯(lián)式結(jié)構(gòu)(見圖1)。原有沙灘車的發(fā)動機只負(fù)責(zé)給蓄電池充電?；旌蟿恿嚨脑O(shè)計過程主要包括:電機和蓄電池的選型,減速器設(shè)計,油門控制和發(fā)動機起停控制設(shè)計,能量管理系統(tǒng)設(shè)計?；旌蟿恿嚨幕驹O(shè)計參數(shù)和動力性指標(biāo)分別見表1、表2。

表1 混合動力車的基本設(shè)計參數(shù)

表2 混合動力車的動力性指標(biāo)

圖1 混合動力車的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

2 驅(qū)動電機和蓄電池的選型

2.1 驅(qū)動電機的選型

目前,車用驅(qū)動電機大多數(shù)為永磁同步電機。永磁同步電機采用的是永磁體,不需要電子換向。其結(jié)構(gòu)較簡單、體積較小、效率較高,并且具有直流電機和交流電機的大部分優(yōu)點。本文選擇永磁同步電機作為直接驅(qū)動裝置。確定電機功率時需考慮最高車速、加速性能和最大爬坡度等動力性指標(biāo)。

根據(jù)給定最高車速確定的電機最大功率為:

(1)

式中:η取0.95;f取0.015;CD取0.35;A取0.5 m2。

根據(jù)加速性能確定的電機最大功率為:

(2)

式中:δ為混合動力車的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù),取1.1;dt為設(shè)計過程的迭代步長,通常取0.1;vm為混合動力車加速末的速度,取40 km/h。

根據(jù)最大爬坡度確定的電機最大功率為:

(3)

式中:vi為混合動力車爬坡時的速度,取5 km/h;αmax取值30%,轉(zhuǎn)換成的角度為16.7°。

根據(jù)計算結(jié)果綜合考慮認(rèn)為,驅(qū)動電機的最大功率Pm應(yīng)不小于1.30 kW。參考原有沙灘車的各項參數(shù)及改裝后的計算參數(shù),本文選用最大功率Pm為1.5 kW、最高轉(zhuǎn)速nm為5 500 r/min的永磁同步電機作為驅(qū)動電機,據(jù)此確定合適的電機控制器,并在原來的油門位置裝上了電機調(diào)速把手。

2.2 蓄電池的選型

目前電動汽車上使用的蓄電池有鉛酸電池、鎳氫電池及鋰離子電池等。本文選用鋰離子電池作為混合動力車的車載電源。

在純電動行駛的情況下,蓄電池組輸出的功率應(yīng)滿足驅(qū)動電機以及車輛附屬電動裝置的功率需要,即

(4)

式中:PB為蓄電池組的最大放電功率,kW;ηB為蓄電池組的放電效率,可取0.95;Pa為附屬電動裝置的功率,一般取0.01×Pm,單位為kW。

計算可得,PB≥1.68 kW。綜合考慮后,本文取PB=1.8 kW。

蓄電池組在正常工況下的總能量必須滿足混合動力車的設(shè)計需要。設(shè)計中可按照車輛以最高車速50 km/h勻速行駛40 km的要求,計算所需蓄電池組的能量W0,即

(5)

式中,S為混合動力車以純電動持續(xù)行駛的最大里程,km。

計算可得,W0為2.06 kW·h。本文取W0=2.1 kW·h。

蓄電池組的電壓應(yīng)在整個混合動力車電力系統(tǒng)的限制電壓范圍內(nèi),即蓄電池組電壓等級與所選驅(qū)動電機的電壓等級一致。蓄電池組的容量為:

(6)

式中,UE為蓄電池組的電壓,V。

本文根據(jù)現(xiàn)有的蓄電池資源,選用單體工作電壓是1.2 V的鋰電池,并將50個單體串聯(lián)成一組,兩組并聯(lián)在一起,構(gòu)成蓄電池組。蓄電池組的最高電壓為60 V,相應(yīng)的蓄電池組容量不低于35 Ah?？紤]到汽車附屬電動裝置的能耗,最終確定的蓄電池組容量為36 Ah。

3 減速器的設(shè)計

驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)速很高,不能直接用于驅(qū)動車輪,而需要通過減速器進(jìn)行減速。

根據(jù)最高車速vmax、驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速nm、輪胎滾動半徑r,可計算最小傳動比imin。其計算式為:

(7)

當(dāng)r=0.228 m、nm=5 500 r/min、vmax=50 km/h時,可算得:imin=9.46。

當(dāng)兩級齒輪的配對材料和齒寬系數(shù)均相同、齒面硬度≤350 HBS時,高速級傳動比為:

(8)

低速級傳動比為:

(9)

式中,i0為主減速器的傳動比,本文取10.03。

通過計算,齒輪1的參數(shù)為:Z1=16齒,m1=1.38 mm,β1=16°,α1=20°,b1=16 mm。齒輪2的參數(shù)為:Z2=52齒,m2=1.25 mm,β2=16°,α2=20°,b2=10 mm。齒輪3的參數(shù)為:Z3=23齒,m3=1.50 mm,β3=13°,α3=20°,b3=15 mm。齒輪4的參數(shù)為:Z4=71齒,m4=1.50 mm,β4=13°,α4=20°,b4=12 mm。

4 油門控制與發(fā)動機起?？刂圃O(shè)計

4.1 油門控制

在現(xiàn)有沙灘車裝有節(jié)氣門拉線的基礎(chǔ)上,可采用步進(jìn)電機加彈簧杠桿裝置,并將其與油門拉線相連,對油門進(jìn)行控制。油門控制的原理如圖2所示。

贛州恩菲滲瀝液處理站是中國恩菲自主設(shè)計、自主集成、自主研發(fā)并自主調(diào)試的滲瀝液全回用項目，設(shè)計處理規(guī)模300 t/d，采用“豎流沉淀+調(diào)節(jié)池+厭氧+二級硝化反硝化+膜生物反應(yīng)器MBR+納濾NF+反滲透RO+濃縮液減量裝置”處理工藝，處理后的出水達(dá)到工業(yè)循環(huán)冷卻水回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 油門控制原理示意圖

用于油門控制的步進(jìn)電機采用ULN2003芯片來驅(qū)動。該芯片含有7對并聯(lián)的NPN型達(dá)林頓管,可以承受較大的電流。它本身就相當(dāng)于一個電壓放大器,恰好能滿足油門控制的電路設(shè)計要求。步進(jìn)電機的驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機的驅(qū)動電路

步進(jìn)電機是根據(jù)相序進(jìn)行控制的。它通過判斷方向信號(Direction,DIR)的值來確定轉(zhuǎn)向,當(dāng)DIR=1時電機正轉(zhuǎn),當(dāng)DIR=0時電機反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機的控制流程如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機的控制流程

4.2 發(fā)動機起?？刂?/h3>

發(fā)動機起?？刂剖腔谵D(zhuǎn)速信號控制起動繼電器并通過點火裝置來實現(xiàn)的。發(fā)動機起?？刂菩枰獌蓚€繼電器。其中,一個繼電器連接在發(fā)動機的起動機線路上,當(dāng)能量管理系統(tǒng)要求起動發(fā)動機時吸合,當(dāng)轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min時斷開;另一個繼電器連接在發(fā)動機的點火線圈上,當(dāng)能量管理系統(tǒng)輸出停機信號時斷開,當(dāng)轉(zhuǎn)速降到0時吸合。

5 能量管理系統(tǒng)設(shè)計

5.1 系統(tǒng)框架

能量管理系統(tǒng)用于采集蓄電池組的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù),估算蓄電池組的荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC),進(jìn)而控制蓄電池組的充電過程。同時,該系統(tǒng)也將油門控制和發(fā)動機起?？刂普系搅艘黄稹；旌蟿恿嚨哪芰抗芾硐到y(tǒng)由采集電路、主控電路和驅(qū)動電路三部分組成(見圖5)。其中,采集電路通過配置芯片的引腳、系統(tǒng)時鐘、可用中斷方式以及電可擦除只讀存儲器(Electrically Erasable Programmable Read-only Memory,EEPROM),能準(zhǔn)確采集蓄電池組的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù);主控電路利用控制器的輸入/輸出端口,能夠?qū)㈦妷翰杉K和電流采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳送至A/D轉(zhuǎn)換口,把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并能通過數(shù)據(jù)處理估算出蓄電池組的SOC;驅(qū)動電路用于節(jié)氣門及發(fā)動機的起?？刂?。

圖5 混合動力車的能量管理系統(tǒng)框架

5.2 SOC估算方法

SOC估算是能量管理系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。常用的SOC估算方法主要有5種。本文是將開路電壓法和安時積分法結(jié)合起來進(jìn)行SOC估算的。

(1) 開路電壓 (Open Circuit Voltage,OCV) 法。它主要是通過測量蓄電池組的電壓,參考曲線圖進(jìn)行SOC估算的。在估算前要進(jìn)行實驗,記錄放電過程的有關(guān)數(shù)據(jù),確定OCV與SOC之間的關(guān)系曲線。將該關(guān)系曲線輸入系統(tǒng),通過對比可估算SOC[14]。

(2) 放電測試法。該方法需要讓蓄電池組按恒定電流連續(xù)放電至終止電壓。其缺陷在于:耗費時間較多;只適用于靜態(tài)蓄電池組;測試條件嚴(yán)格,需恒定電流。

(4) 模糊邏輯法。它屬于一種模糊推理方法,是根據(jù)信息庫中的大量信息進(jìn)行估算的,需要基于大量的生活經(jīng)驗和理論知識進(jìn)行抽象概念的建模。

(5) 卡爾曼濾波法。它是一種比較先進(jìn)的SOC估算方法[16]。該方法相比于其他方法,估算的SOC更準(zhǔn)確,但是運算量偏大,且對軟硬件的要求較高。

5.3 系統(tǒng)控制流程

能量管理系統(tǒng)以STC89C52單片機作為主控制器,且采用的是C語言編程方式?；旌蟿恿嚹芰抗芾硐到y(tǒng)的控制流程如圖6所示。能量管理系統(tǒng)初始化后,首先采集開路電壓信號,基于安時法對SOC進(jìn)行估算,通過判斷當(dāng)前電量來確定是否起動發(fā)動機進(jìn)行充電,如果SOC大于10%,就采集電流信號并繼續(xù)進(jìn)行估算;當(dāng)SOC小于等于10%時開始起動發(fā)動機,在轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時,驅(qū)動電機停止工作,用發(fā)動機充電,同時循環(huán)采集電流信號并估算當(dāng)前的SOC;當(dāng)SOC大于95%時,通過控制點火裝置使發(fā)動機停止工作。

圖6 混合動力車能量管理系統(tǒng)的控制流程

6 實際測試

完成電機和蓄電池的選型、減速器設(shè)計、油門控制與發(fā)動機起?？刂圃O(shè)計、能量管理系統(tǒng)設(shè)計后,組裝可得圖7所示的實驗教學(xué)用混合動力車。在完成組裝后,本文進(jìn)行了相關(guān)測試。由于爬坡度測試需要滿足要求的坡道,因此受條件所限,這里只對實驗教學(xué)用混合動力車的加速和續(xù)駛能力進(jìn)行測試。

圖7 實驗教學(xué)用混合動力車實物照片

6.1 加速過程測試

混合動力車加速過程的測試結(jié)果如圖8所示。計算可得:混合動力車加速過程的加速度為4.08 km/h2,車速從0到40 km/h的加速時間為9.8 s。

圖8 混合動力車加速過程的測試結(jié)果

6.2 勻速運行時蓄電池組的電量測試

為了測試混合動力車勻速運行時的蓄電池組電量,本文在外部充電使其電量達(dá)到電池容量的100%后,讓其以約 50 km/h 的速度勻速運行;當(dāng)蓄電池組的電量低于5%時,混合動力車不再運行?；旌蟿恿噭蛩龠\行的蓄電池組電量測試結(jié)果見表3。

表3 混合動力車勻速運行的蓄電池組電量測試結(jié)果

由表3可算出,所設(shè)計實驗教學(xué)用混合動力車充滿電后能夠連續(xù)運行的時間為1.91 h。

6.3 分析

理論上,當(dāng)混合動力車勻速運行時,其運行時間為:

t理=W0/Pm′

(10 )

混合動力車以50 km/h的速度勻速運行時,Pm′≈0.95 kW。計算可得:在所需蓄電池組能量W0為2.1 kW·h時,t理≈2.21 h。

可見,實測結(jié)果比理論值略低,原因是測試結(jié)束時蓄電池組還有5%的電量,從保護蓄電池考慮,測試未再繼續(xù)。

7 結(jié)語

本文以開發(fā)一款能夠用于實驗教學(xué)的混合動力車為目標(biāo),基于現(xiàn)有沙灘車,通過驅(qū)動電機、蓄電池的選型,減速器設(shè)計,油門控制、發(fā)動機起停控制和能量管理系統(tǒng)的設(shè)計,實現(xiàn)了開發(fā)目標(biāo)。經(jīng)實際測試,該混合動力車能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期效果,在實踐教學(xué)中發(fā)揮良好的輔助作用。