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蓄电池内燃机论文 雪佛兰Vok和欧宝Ampera带增程器的Voltec动力系统(二)

导读:此文是一篇蓄电池内燃机论文范文,为你的毕业论文提供有价值的参考。

撰文/同济大学 钱人一

(续2011年第44期“新能源汽车”)

Voltec多模式电动变速器

Voltec驱动系统有多种运行模式,这些运行模式使得其效率高于简单的减速器.这带来了较大的电动续驶里程,并在增程的同时带来了较低的油耗.

内燃机车蓄电池:蓄电池内阻测试仪-蓄电池放电监测仪-蓄电池活化仪-直流系统综合测试仪-充电机特性测试仪-电能质量分析_标清

Voltec系统的变速器由两台电机、一个行星齿轮变速器、两个旋转联轴节和一个制动器(实际上也是联轴节,闭合状态下即为制动器)组成.牵引电机的最大功率为111kW,最大扭矩为370Nm.该电机与55kW的发电机布置在同一根轴心线上.这两台电机都是永磁电机.车桥驱动装置将行星齿轮变速器与汽车的前轮连接在一起.

联轴节使得系统能够在两个纯电动模式之间和内燃机运转、汽车处于增程运行的两个模式之间进行切换.

图1示出了Voltec变速器的杠杆图.杠杆图反映了一个具有多刚体力学系统的扭矩和转速的比例关系.图2示出了Voltec驱动系统各个元素的运动学耦合关系.

图1示出了两根杠杆:左边那根杠杆对应于动力分配装置,反映了行星齿轮变速器的太阳轮、行星架和齿圈这三个元件的扭矩和转速之间的比例关系;右边那根杠杆对应于车桥驱动装置,反映了末端传动元件的扭矩和转速之间的比例关系.对照图2,可看出图1左边那根杠杆从上到下的三个节点依次代表太阳轮(连接牵引电机B)、行星架(连接车桥驱动装置即末端传动的输入轴)和齿圈(通过闭合的2号联轴节连接发电机A).

现在对三个联轴节的功用作一番分析.1号联轴节的作用相当于齿圈的制动器,将其闭合便可令齿圈固定,于是行星齿轮变速器就成了一台普通的变速器,失去了动力分配装置的功能.此时牵引电机通过太阳轮输入功率,通过行星架向车桥驱动装置输出功率.2号联轴节闭合时可将发电机和齿圈连接在一起,令发电机可向齿圈输出动力,于是行星齿轮变速器恢复了动力分配装置的功能.值得注意的是,一旦齿圈锁住,便不能再将发电机和齿圈连接在一起;反之亦然.所以1号联轴节和2号联轴节任何情况下都不可采取相同的连接状态.3号联轴节专司内燃机和发电机之间的连接,仅当内燃机起动时才闭合.

Voltec变速器有四种不同的运行模式,见附表.根据联轴节连接状态的不同,可有一台或者两台电机同时用于驱动汽车.

现在对附表进行解读.

1.电动行驶模式EM1和EM2

电动行驶模式下,内燃机不工作,发电机总是与其脱开的,也就是说,3号联轴节在两种电动行驶模式下始终是脱开的.进一步细分这两种电动行驶模式:在1号电动行驶模式EM1下,只有111kW的主电机用于驱动汽车,第二台发电机不参与驱动,所以此时2号联轴节也是脱开的.主电机由蓄电池供电,驱动行星齿轮变速器的太阳轮.但1号联轴节闭合,它起着制动器的作用,将齿圈锁住了,于是行星齿轮变速器不起动力分配装置的作用,仅仅用作减速器,通过行星架将动力输送给车桥驱动装置.

带增程器的汽车总是装有第二台电机,可将其用于提高效率.在2号电动行驶模式EM2下,第二台发电机也参与驱动汽车,为主电机助力.此时这两台电机都与行星齿轮变速器相连接,也就是说,第二台发电机应与齿圈连接,所以2号联轴节必须闭合,行星齿轮变速器又恢复了动力分配装置的作用:同时,1号联轴节必须脱开.这两台电机的扭矩和转速是由行星齿轮变速器的传动比确定的.通过这样的布置,可以从总的效率、驱动扭矩和噪声与振动状况(NVH)出发考虑,对这两台电机的工况点进行匹配而不会造成牵引力的中断.由于效率较高,所以在美国高速公路循环中可以将电驱动续驶里程提高1~2英里(1.6~3.2km).

2.1号增程模式RE1

一旦蓄电池的充电状态SOC降到了最低许可的水平,内燃机就会起动,系统以串联模式运行,于是进入1号增程模式RE1,1号和3号联轴节闭合.所以齿圈转速为零,内燃机驱动发电机,发电机向牵引电机提供电流.在这种串联布置下,由于2号联轴节是脱开的,所以内燃机和车轮之间没有机械的联系,内燃机的功率全部用于发电.

此时,内燃机的转速随着车速而改变,以降低振动和噪声.NVH和发动机转速的控制早在汽车开发过程中就已经做到了使汽车乘客感觉最佳的程度.因为内燃机是完全与车轮脱开的,所以能做到大多数情况下在最高效率区域内运行.

在1号增程模式RE1下,内燃机覆盖了汽车的中等功率需求.瞬时增加的负荷将通过蓄电池以电驱动的方式应对.为此,汽车蓄电池的充电电量必须要有储备.在全负荷状态下的起步过程将完全由蓄电池以纯电动的方式实现.达到30km/h时内燃机起动,接着按照前面描述过的方式对转速进行控制.驾驶感觉与纯电动汽车一样.

3.综合驱动模式CD

在低车速范围内,串联运行对效率有利.在较高车速时,由于电机在高速下的效率恶化以及串联时的两次能量转换,导致串联运行总的效率下降.通过输出端的动力分配(输出分流)可以明显地提高效率.为此,随着车速的提高,可将内燃机的功率分成两路:一路依旧用于发电向牵引电机提供电力,另一路直接以机械方式向车轮提供扭矩.于是,进入综合驱动模式CD.在此模式下,2号和3号联轴节闭合.这种布置使得内燃机和车轮之间虽然有机械的联系,但其传动比却并非恒定.发电机与内燃机同轴连接,并且通过行星齿轮变速器与牵引电机连接.行星齿轮变速器的行星架将扭矩传送给车桥驱动装置,而行星架的转速既与发电机+内燃机的转速,又与牵引电机的转速有关.

在快速车道上恒速行驶时,综合驱动模式的效率大约比串联布置提高10%~15%.在综合驱动模式下,内燃机机械功的一部分通过发电机转换成电能,这些电能又传输给了牵引电机.根据运动学的原理,可以通过行星齿轮变速器对两台电机的转速进行调节,进而可以控制电功率的传输路径,使得总的效率得到优化.这两台电机必定都会输出扭矩,驱动汽车.

图3在牵引力图中示出了不同运行模式的所在范围.左图对应于蓄电池SOC很高时的纯电动运行模式;而右图则对应于爬坡或加速,或蓄电池SOC已经降低到一定程度时的状况.Voltec系统从最大效率、功率要求以及噪声与振动特性等方面考虑,独立地选择运行模式.过渡过程几乎不能被驾驶员所察觉.

锂离子蓄电池及充电装置

电动汽车的蓄电池必须具有高的能量、功率、耐久性、安全性和可靠性,还要有高的能量密度.雪佛兰Volt和欧宝Ampera的储能器采用288个单体电池组成的锂离子蓄电池.由96个单体电池串联,然而3个并联而成,名义电压为360V.单体电池由韩国LG化学公司制造.锰酸锂锂离子蓄电池的负极用石墨,正极用锰尖晶石制造.所有的电极都用陶瓷涂敷的隔膜(SRS-全称为“增加安全性的隔膜”)相互隔开.所有的蓄电池单体电池都封装在用论文范文体涂敷的铝塑膜(袋状单体)内,竖直地安装到蓄电池模块中去.蓄电池模块组合成蓄电池包.这个蓄电池系统是在底特律附近BrownstownTownship的GM工厂中组装的.

蓄电池的总能量为16kWh.Voltec的蓄电池永远都不会完全充满,也不会完全放空.控制软件只允许蓄电池使用65%左右,即在10.4kWh的SOC窗口内运行.当SOC逼近下限时,发动机起动,令蓄电池的电量保持在较低水平上.设置上、下缓冲区的做法有利于提高蓄电池的耐久性.最低SOC随着工况变动.当要求较高功率,如进入登山模式时,SOC的下限将升至45%,以确保有足够的功率可供使用.

Volt蓄电池包的重量为180kg,比EV1减轻了70%左右,但是所容纳的能量却大致相同,后者为16.5kWh,仅比前者多了0.5 kWh.这是因为后者为AC德科生产的铅酸蓄电池,而前者采用了能量密度较高的锂离子蓄电池.

因为蓄电池对温度的变动十分敏感,所以Voltec的蓄电池包有一个热管理系统,用于监测和保持蓄电池的温度,以达到最优的性能和耐久性.在蓄电池模块内有液体通过多个热交换器进行循环.充电时,蓄电池可以在- 25 0C和500C之间的外界温度下可靠地工作.夏季充电时可以对蓄电池冷却,冬季充电时可以加热.用于功率管理和热管理的电子调节装置是由GM开发的.汽车行驶过程中,热管理系统也可以获得电力供应,或者来自蓄电池,或者来自发动机.整个蓄电池系统做成T形,以便适合于布置在论文范文通道和后排座位的下面(见图4).蓄电池长度为1.7m,对车身有增强作用.GM公司担保Volt的蓄电池寿命8年或者1 6万km,这一担保覆盖蓄电池的全部161种零部件.Volt的蓄电池管理系统提供500多项车载诊断项目,每秒钟诊断十次.此举保证了对Volt蓄电池的实时监控,其中85%的诊断项目保证了蓄电池运行的安全性,15%用于监测蓄电池的性能和寿命.GM公司估计,Volt的蓄电池在8~10年之后将老化10%~30%.

Volt采用SAE J1772-2009的新规格插头充电,这种插头被推荐用作电动汽车充电的标准设备.如果采用标准的北美120V、15A的家用电源插座,那么要同时配置一根一端连接120V电源插座、另一端连接汽车上SAE J177.2接头的充电电缆.Volt出厂时带有一根6.1m长的120V充电电缆.用它给Volt充电,从完全排空的蓄电池到完全充满电(100%的SOC),大约需要10—12h;如果采用图5所示输出为240V、15A,带SAE J1772插头的Volt专用充电器,充电时间可缩减至大约3~4h.该专用充电器现今在美国标价490美元,加上安装费,总计大约2000美元.一旦插上插头,就可以利用智能电网对充电过程进行遥控.

通用Voltec动力系统与丰田普锐斯双电机混联式混合动力系统(THS)比较

1.电机的数量:Voltec与THS-样,都有一台电机和一台发电机,而且必要时发电机也能用作电机.

2.电动汽车的类型:Voltec称为串联插电式混合动力系统,但必要时内燃机可通过离合器与车轮建立直接的机械连接,所以本质上与丰田THS一样,也是串联式混合动力装置.

3.混合度:Voltec也拥有行星齿轮动力分配装置,所以既可以电机单独驱动,也可以电机与内燃机同时驱动.Voltec的这些特点与THS相同,两者都是强混合的.

4.动力分配装置:Voltec和THS都拥有行星齿轮动力分配装置,但是其中两轮一架的连接方式不同.丰田THS行星齿轮变速器的太阳轮、行星架和齿圈分别连接发电机、内燃机和牵引电机(及末端传动输入轴).Voltec行星变速器的太阳轮和行星架分别连接牵引电机和车桥驱动装置的输入轴,而齿圈则可通过2号联轴节连接发电机且能进一步通过3号联轴节连接内燃机.不妨说,从THS到Voltec,太阳轮和齿圈之间发生了角色对换,而且齿圈换成除了能连接发电机,还能连接内燃机;另一方面,行星架则从连接内燃机换成了连接车桥驱动装置即末端传动的输入轴.

5.蓄电池:Vo『tec蓄电池的能量几乎比在THS的基础上加以改进的THS lI大8倍.Voltec采用锂离子蓄电池,其重量为180kg,蓄电池能量为16kWh;而THS的镍氢蓄电池重量为39kg,只有大约1.8kWh蓄电池能量.Voltec锂离子蓄电池的能量密度差不多比THS¨的镍氢蓄电池高出一倍.Voltec可从市网给蓄电池充电,而THS II不能.这些也许就是GM公司坚持要将Volt称之为“电动汽车”而不愿称之为混合动力汽车的原因.此外,Voltec蓄电池包有一个热管理系统,蓄电池模块内有液体通过多个热交换器进行循环,可以对蓄电池进行冷却,也可以加热;而THS的镍氢蓄电池只具有风冷功能.GM公司担保Voltec的蓄电池寿命8年或者16万km;而丰田担保THS的蓄电池寿命7年.

6.运行中占主导地位的动力:Voltec蓄电池的能量十分充足,为Voltec的全电动运行和较长的全电动续驶里程打下了坚实的基础.Voltec牵引电机功率为111kW,比63kW的内燃机功率高出四分之三,足以应对全负荷加速的需要.THS的牵引电机功率早期只有33kW,后来提高至THS lI的50kW,还是不及Voltec的一半; 而THS lI的内燃机因转速提高至5000r/min而致功率提升至57kW,超过其牵引电机的功率.因此,从总体上说,Voltec在运行中电力驱动占主导地位,内燃机仅用于助力;而THS则是内燃机驱动占主导地位,电机用于助力.

7.内燃机:Voltec的运行以电机的动力为主,内燃机主要是以串联插电式混合动力的模式工作,内燃机与车轮之间没有直接的机械联系,内燃机的工况可以与汽车的工况相对独立,所以内燃机工况的变动范围很小,不要求采用目前常规汽油机已经不可或缺的可变参数电子控制技术,如可变进气管长度、可变气门电子控制等,而且能在较高的转速下点火起动,针对排放的控制策略可得到简化,数据匹配工作量也大幅降低,因此内燃机的构造简单、重量减轻,开发成本降低.这些不但降低了总的成本,而且能使内燃机工作在最佳效率区,进一步提高了燃油经济性.而THS的运行以内燃机的动力为主,就没有上述优点.

8.动力性:搭载Voltec的沃蓝达(Volt)整备质量(汽车加满了燃油和各种液体及随车工具等整装待发时的质量,但不包括乘员的质量)为1715kg,远高于搭载THS的普锐斯的1254kg,但其最高车速为160km/h,与普锐斯的157km/h相当.再看0~97km/h的加速时间:Volt纯电动模式下为9.2s,汽油机助力模式下为9.Os;普锐斯的0—80km/h的加速时间就需要10.4s(汽油机与电机并用).相比之下,Voltec的动力性更佳.

9.续驶里程:搭载Voltec的Volt全电动续驶里程为56km,在蓄电池SOC100%、油箱加满油的状态下总的续驶里程为610km.搭载THS的普锐斯在蓄电池SOC100%、油箱加满油的状态下总的续驶里程为757km.前者逊色不多.

10.油耗:EPA认定:Volt燃油一电力总的城市/高速公路综合油耗为百公里3.9L汽油;而普锐斯的城市/高速公路综合油耗为百公里4.85L汽油.

11.C02排放:EPA认定Volt的蓄电池初次电力耗尽之后在增程模式下由内燃机产生的排气管C02排放为52.5g/km,远低于普锐斯.那是因为Voltec的蓄电池能量比THS II几乎高出8倍.

对C02排放越来越严格的控制以及对汽车使用的能源载体多样化的要求,推动了汽车开发工作不断向前发展.汽车动力总成的电气化在满足这些要求方面起着决定性的作用.

蓄电池驱动的电动汽车是解决方案的一部分.然而,受到限制的蓄电池能量密度、充电时间和蓄电池系统的成本决定了此类汽车主要适用于中心城区.

内燃机扩大了电动汽车的应用范围.雪佛兰Volt和欧宝Ampera是一种采用内燃机作为增程器的全电动汽车.只要蓄电池从电网获得足够的电能,汽车就可以以纯电动模式行驶.如果蓄电池电量降到充电状态的下限,那么汽车就可以用1.4L的汽油机发电以继续行驶而不受任何限制.但其所需蓄电池比纯电动汽车小得多,从而降低了目前纯电动汽车过高的蓄电池成本.

雪佛兰Volt和欧宝Ampera是那种在正常的日常使用中能够做到零排放的电动汽车.它们可以不受限制地满足日常使用中的需求,而在例如度假或者紧急情况下意外地长距离出行时也能使用.所以Volt和Ampera可以用作家庭中唯一的家用轿车.

所谓“插电式混合动力汽车”(PHEV),其实只是将普通的混合动力汽车加上从市网充电的装置而已.号称“增程式”的Volt是PHEV,加上插电装置的普锐斯也是PHEV.两者的差别主要在于蓄电池能量与油箱储能容量的比例不同.所以,Volt称为“增程式”汽车,普锐斯同样也可以称为“增程式”汽车.至于Volt还是普锐斯更适合于市场,或者说,蓄电池与油箱容量的比例多少更为合适,那要因地、因时、因目标客户群体而宜.对中低端客户来说,Voltec的技术指标可能定得过高.既然发展插电式电动汽车的目的是节能减排,那就应当以节能减排为主,兼顾最高车速.至于加速性.是可以适当地让步的.而且,不必过于强调以纯电动运行模式覆盖高负荷、高车速工况区域.由此可在恰当的纯电动续驶里程下大幅降低蓄电池的能量和电机与内燃机的功率,从而明显地降低成本.

蓄电池内燃机范文

内燃机车蓄电池参考文献总结:

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