翻译-具有完整电力牵引设备的混合动力客车

1具有完整电力牵引设备的混合动力客车Stanislav N. Florentsev, Dmitry B. Izosimov, Sergey B. Baida, Alexander A. Belousov,Andrey N. Sibirtsev, Sergei V. Zhuravljov“RUSELPROM-ElectricDrive” Ltd., Moscow, Russia Copyright . 2011 SAE International摘要城市公交车 LIAZ 5292XX是 RUSELPROM公司和 Likino客车厂团队合作的结果。在 2008年俄罗斯莫斯科国际汽车论坛的结果上，LIAZ 5292XX被认为是当年俄罗斯最好的城市客车。LIAZ 5292XX混合动力客车提供以下值：汽车总长 12m；最大（峰值）牵引力功率大概为 250kW；可以运动在 20%（12）坡度的路面上。客车携带有 ICE，牵引电力控制 IM，发动机 IM，缓冲超级电容器。这个城市客车牵引电子设备组(TEES)的参数和方块图将在文章中将提到。控制能量流动的算法提供考虑主要燃油经济性，标准检查程序测试的结果也给出了。特殊服务软件牵引电子控制设备（TEES）工作变量的服务计算系统可视化参数，图形信息的结果和过程，在图形中下载、保存和视图，与表格形式的紧急日志文件。简介分析世界运输系统的发展趋势显示，技术的发展方向转向了能源和资源经济，创造的汽车带有生态安全参数。纯生态应用的重要性，节能车辆在俄罗斯的 metabolizes是显而易见的。国外制造商传统的汽车和混合动力汽车的竞争力比较成为创造新的国内汽车技术的基本准则。从分析一整套设备变化的规律如下，当今创造一台纯生态的（或者，至少是环保的）和有竞争力的汽车是结合混合动力系统在内燃机，发电机，带有缓冲存储的牵引电力驱动的基本应用是真有可能的。在混合动力系统可以结合积极性质的独立电源：高比能量的能量来源和高比功率的功率源缓冲区。优先设计的是混合动力系统与内燃发动机，而长远来看是基于燃料电池上的混合动力系统。如果在标准路面上重复加速和制动的汽车经常是周期性的，混合动力系统应用在缓冲存储器上的效率基本上是很高的。典型的例子，车辆运动重复的加速和制动是一个城市穿梭公交车的特点，运动的客车在城市中停车不仅是交通信号灯亮了，而且还是乘客的下车和上车。混合动力系统（HPT）的应用效率是由以下造成：运动（所需要功率比是 1:5或更高）所需要的平均功率和峰值功率的最大差距；可利用能源的确定价值与装载在车辆上的电力能源的最大不同。降低燃料消耗的重要因素是收复制动所产生的能量代替让它以热的形式散发掉，考虑到减少 ICE有毒物质的排放价值，ICE 的运作在一个固定的高效燃料模式中。城市公交运行中大量停车给制动能量的消耗提供了完美的条件。公交车基本上是被用在低速和经常加速，那几乎是立刻制动和停车。在通常的客车上，动能在根本上是转化成不能应用的热能，而混合动力客车在停车后加速所消耗的仅仅是再生的来自存储制动能量产生的电能。高达 45%城市公交车运行时间是缓慢停车的，此时自动启停系统帮助节约宝贵的燃料。混合动力驱动的城市客车主要预期优势：减少高达十倍的排放标准，特别是在城市路况（Euro-V 标准）；柴油发动机工作在燃油经济性和排放的最佳模式；节省 25-50%的燃料；可以通过存储的能量启动柴油发动机而不需要单独的驱动电机启动；可以产生和回收电能；在保证相同的车轮转矩下可以降低柴油机功率的 25-30%；提高汽车的舒适性（噪声，振动，转向效应）；提高汽车的可靠性和运行寿命；对乘坐的大部分乘客友好（缓慢的启动和制动），因为缺少中断功率从功率传动系统到车轮的动力切换装置。LIAZ 5292XX 混合动力客车2在世界上快速发展混合动力汽车和他们发展的各自观点不继续存在没有俄罗斯专家在这个领域的关注。好几个 “RUSELPROM”公司的企业，同时发展和准备制造电机，开关和电控，合格试验台和质量实验的两个组成部分和意图在为各种车辆电气传动系统的牵引力电气设备的所有设备：大型长途卡车，多联动卡车，多轮轴式牵引车，农用和工程所用的履带轮式牵引车。在这列表外的另一个方向混合动力客车 被添加了。在公司里面为了发展电气驱动汽车的目标，“RUSELPROM-ElectricDrive”有限公司被组织成立。这是“RUSELPROM”公司的特殊分配，积极的研发、制造、测试和系列生产完整的混合动力牵引电气设备组和在先进技术的项目和制造以及先进的开关和电控基础上的车辆电气驱动系统。作为一个测试基地的“NIPTIEM”科研机构是 “RUSELPROM”公司的一部分。在 2008年 9月 9-12号的莫斯科国际汽车论坛上，“GAZ-Group”展示了装有混合动力系统的城市公交车 LIAZ 5292XX（Fig.1）。在这个论坛的结果，这架城市公交车被认为是俄罗斯当年最好的客车。城市公交车 LIAZ 5292XX是“RUSELPROM”公司和“Likino客车厂”的“GAZ-Group”团队合作的结果。这个客车的牵引力电气控制设备是由“RUSELPROM-电气驱动”有限公司开发的。它是第一次俄罗斯客车带有混合动力驱动，在国内没有第二个有类似产品的制造商。Fig. 1. LIAZ 5292_ bus (prototype) with a hybrid drive train at International Automobile Forum (the KROKUS-EXPO epicenter, Moscow, September 9-12th,2008).主要开发的任务是：塑造LIAZ牌混合动力客车合理的骨架结构；LIAZ公司的混合动力客车企业制造组织保留必要的技术创新（有可能参加的欧洲合作伙伴）；形成必要的工业合作，掌握检查它的能力，定期的交付混合动力系统与它的修改；预计混合动力系统基本的经济参数与组织生产所需花费；创造工作模型，预生产中在城市工况下提供一个完整工作周期；实践检验和改善在开发过程中的基本技术决议，制造，探索，装有混合动力系统客车的认可与预生产模型的工作实验。为了达到运动在城市（NAMI-路况循环）的要求特点，公交车的牵引设备必须提供以下数值（估计牵引动力模型）：在城市运动中的平均功率为33kW；最大（峰值）功率大概为250kW；在高速运动（90km/h）提供的牵引力必须达到5000N，功率要求115kW；能以10km/h(13t.of mass,30sec.)运行在20%（12）的坡路上，提供的牵引力为29000N，功率为80kW.3牵引电力设备组具有系列配置（Fig.2）。选择系列驱动系统配置要基于国际经验，最少花费，限制指定设计时间，首次展示与项目花费的考虑。选择所有电气牵引设备组的部件实体在1中给出。LIAZ 5292XX客车的电气牵引设备组的能源设备基本参数给出在表格。很好奇，这公交车的电气牵引设备组能源设备的参数，LIAZ 5292XX 作为斯堪尼亚和MAN Lions 城市的公交车，有相同规格的乘客容量，重量和尺寸几乎一致。于是，我们应该标记牵引动力模型，动力形态的选择，电气牵引设备组动力设备基本性能的限定，在国外类似数据被刊登前“RUSELPROM”公司要完成LIAZ 5292XX客车的驱动系统设备的规划和生产，当然，确认收到估计的客观性。Table 1 LIAZ 5292XX TEEC 的参数参数 数值发动机最大输出功率 132.5kW发电机轴最大转矩（2200rpm） 575Nm发电机轴最大旋转速度 2200rpm额定直流电压 750V牵引电机最大输出功率 250kW牵引电机连续输出功率，达到 125kW牵引电机轴上最大（开始）转矩 1500Nm牵引电机轴上最大（连续）转矩 1000Nm牵引电机最高旋转速度（在车速90km/h） 4975rpm存储电容电压存储能量放电电流最大放电电流重量规格尺寸21.0F400-800V1220Wh300A1500A700kg762x425x265mm4Fig.2 LIAZ 5292XX客车TEEC的框架图LIAZ 5292XX客车的牵引设备LIAZ 5292XX客车完整的电气牵引设备包括：异步电动机-发电机（AMG）；异步牵引电机（AM）；AMG与AM之间能量转换的微型处理器控制系统（mCont）；基于电容器的缓冲存储单元（U-cap）；在驾驶员座舱能够控制能量流动与控制转向环和显示信息的高级控制器（HLC）；电气牵引设备组和一个充电电池（DC/DC）的辅助供电系统。AMG与AM的能量转换是基于从SKAI到SEMIKRON的集成三相电压转换模块。它们每相最大有效电流为300A（连续的），最大车载直流电压为900V。带有单向控制系统的控制处理器TMS320应用在变频控制电机上。牵引电机短期内功率增加到250kW，这个超过了串行模拟柴油客车LIAZ 5292（180kW）标准柴油机功率，确保一个相应的动态加速度。AM的连续功率对应于AMG和ICE-125kW。减少的（与模拟的比较）用在混合动力客车（Cummins ISBe4+185,136kW,Euro-IV）上的柴油机功率是足够运动在城市循环和以高达90km/h匀速运动，加速过程不足的功率由存储电池补偿。这时柴油机的功率减少率是燃油经济性的一部分。燃油经济性的另外组成部分，可能是串联式混合动力结构，是柴油机静态模型的优化。通过选择牵引异步电机所要求的功率同等于ICE的转矩和转速保证它的最好燃油效率。能量分配是靠能量流动控制算法实现的，由流动因素保证主要的燃油经济性。第一，AM所需要的功率是由快速变化和缓慢变化的部件分配的，首先由缓存提供，第二是由ICE分配的，提供ICE在一个模型中工作，接近于固定的（有毒气体的排放因此也减少）。第二，储存器能够收集制动过程中的再生能量，通常损失在机械制动中；对穿梭的车辆特别重要尤其是频繁停止（城市公交车）。控制能量流动是HLC的功能。也是实现交通控制，包括从驾驶室内输入信号的逻辑进程，传感器，模拟信号的测量，控制客车运动工况，并处理与保存紧急情况的信息。HLC有四个独立的CAN数据转换接口，广泛应用于工业电机。CAN的两个接口在CANOpen协议下工作，以1兆位每秒的速度实现了电机-发动机控制器、牵引电机、存储器和驾驶员踏板信息的链接。HLC通过它们收集所有必要的信息，并控制电力驱动系统部5件。第三个CAN端口以250兆位每秒的速度在SAE J1939协议下工作。HLC被连接在客车常见的板状网络J1939上，可以收集ICE，ABS和ASR控制器工作情况下的所有信息。通过给定的交流通道HLC发送ICE机构的旋转速度。紧要参数的控制和IEC的紧急情况是由HLC管理的。如果有一个参数超过了可接受的边界值，或者有紧急情况，HLC会在驾驶员信息踏板上产生通知信号。HLC保存所有控制状况，最终控制决定（执行器），在每次确定的，相当短的时间间隔后软件设定在内存中。在维修站点工程师可以看到驾驶员操作的所有序列。如果AMG或者AM控制器发生紧急情况，在这些控制器的内存中记录相应的紧急情况日志；接着在紧急情况生成的信息通过CAN电路进入HLC的紧急代码读出并记录。在紧急情况发生前，HLC也保存它自己的紧急情况日志。它允许有在紧急情况前几秒所有TEES设备情况的完整图像，并确定引起错误的原因。它们保存在内存中紧急日志可以复制，在紧急情况前依靠SCS可以收集系统参数性能图像。简单的诊断和服务，调试，设备参数的控制，“RUSELPROM-ElectricDrive”公司已开发了服务计算系统（SCS）-个人电脑外界特殊软件。服务计算系统允许调试控制系统的进程，选择性显示变量电流值，用简单操作格式保存和动态显示它们，提供引导和HLC紧急日志的可视化（Fig.8）。“RUSELPROM-ElectricDrive”公司的专家已经为诊断与维修，设备参数的调试与控制开发了专门的软件服务计算系统（SCS）的目的是TEES工作变量参数的可视化，图像信息的显示和加工，HLC、AMG和AM紧急日志文件图像和表格形式的下载、保存和显示。它能安装在任何个人计算机上（最低配置要求Windows XP,1.4主频以上，内存512 Mb,100Mb的硬盘，一个PIC-Express接口，两个USB2.0接口）。SCS是用于TEES工作特点参数的可视化。SCS的视图展示给出在Fig.3.SCS允许极大的简化调整和控制TEES，也允许分析加快搜索和修复错误的紧急日志。LIAZ 5292XX客车的电力设备测试基准在牵引电力设备组安装在客车上之前，必须通过测量仪器在有可展开结构全尺寸测试工作台上调整和综合勘探。测试工作台的框架图见Fig.4。Fig.4 TEEC测试工作台的框架图一些选择测试结果在图中给出。在图5给出通过测试结果的特点。测试结果由满载车辆在每一次停止后完成的3个加速度区域（实现20,30和40km/h的连续速度）构成。被证明通过NAMI-测试循环见Fig.6（NAMI-是标准的俄罗斯城市测试周期）。这个周期包括当爬上2%坡度时在20秒内加速到50km/h。从顶点的特征清楚看到参考运动速度（绿色线）是可达到的（黑色线代表实际速度），虽然AM峰值功率要6求（底部特征）明显高于ICE-AMG的功率效能。中部特征证明牵引异步电机的转矩。因此，混合动力客车用更低的ICE额定功率提供必要的加速率，而没有成为紧张的城市交通的障碍。Fig 5通过测试图显示，由三个加速过程组成 Fig 6在NAMI-周期运动实地测量LIAZ 5292XX客车的电子设备在牵引电子设备组的测试基准已经通过在俄罗斯的一个中心地区道路上实地测量后，装有TEES的LIAZ 5292XX客车从“RUSELPROM”公司成功地通过一系列的道路测试。混合动力客车在平坦的路面上已经达到预设定的最高速度90km/h。发现它的加速率比速度从0加速到60km/h的预设定值25秒更好。客车成功的执行以10km/h爬行在20%的坡路上（空车），并在满载状况下以最高速度爬行在2%的坡路上。实际上，满载的客车以相对高的大概60km/h的速度爬行在2.6%的坡路上走几百米。然而，主要的测试是混合动力客车燃油经济性的测试。客车在直线坡度不高于1-2%的相对平坦路面上测试，设计师特别感兴趣的是在典型城市行驶循环估计燃油经济性。为了此目的，使用一个NAMI-II城市循环被分割成短循环重复构成的样式统一驱动，爬坡和滑行。燃油经济性的一系列测试曲线在29-34升每100km内变化，而燃油经济性中间值约为30L/100km。为了参考，我们拿相同级别的现代最好的混合动力客车-Volvo 7700混合动力客车的燃油经济性。它的典型燃油经济性是26.7/100km，但应该指出的是，这个值是在预定的高（最佳）速度统一运动给出的。也应该考虑到，混合动力 LIAZ 5292XX是在一个相当寒冷天气周围温度仅高于0C几度下测量的。这需要应用HVAC系统加热模式，市区相当大的影响了燃油经济性。所以很明显，混合动力客车已经明显改善了燃油消耗，相比于传统模式的在城市工况燃油经济性在35-50 L/100km内变化取决于汽车型号和驾驶周期。又一个应该记住的是，所提出的测量结果指的是原装车。来自“RUSELPROM”的带有第二代TEES混合动力客车的燃油经济性的预计值大概为25 L/100km（城市行驶）。第二代TEES已经改善了部件和使用改善的控制算法。其它城市公交的发展项目RUSELPROM-ElectricDrive公司的专家已经实现了动态牵引模型，估计由俄罗斯、乌克兰和白俄罗斯企业生产的大量的各种城市公交车TEESes部件基本功率的性能表现：9m级别PAZ-3237（“GAZ-Group”），“Bogdan”；12m级别型号4202A（“Belcommunmash”）,MAZ-203(“Minsk Automobile Works”),“Bogdan”(Ukraine)；15m级别车型627006（“Volgabus”）；18m级别LiAZ-6292,MAZ-205。来自BKM的12m客车，LIAZ的18m客车，Volgabus和Bogdan车型都实现了动态迁移仿真模式：-空载客车以7.5km/h的速度升降在20%的台架上；-以最高速度80km/h运动；7-以速度60km/h运动在1.75%的坡度上；-交通循环。仿真允许定义：-TAM最大转矩（峰值）；-TAM最高连续转矩；-TAM最大功率（峰值）；-需要的最大ICE功率（连续的）。通过计算被定义：TAM最大与连续转矩，TAM最大功率和ICE最大功率。主要的结论是所有客车要求的TAM最大转矩变化不大在相同的旋转频率下允许正常一个决定在发展统一的TAM。这相同的决定也可以用在AMG上。作为缓冲存储系统的版本，它应该被标记，首先，RUSELPROM要制定出本国超级电容器的应用版本。例如，在表格2中，给出了来自ELTON（former ESMA）和Maxwell的18吨客车存储器参数的比较。第二，RUSELPROM得研究应用离子电池作为缓存器。Table 218x30EC406 7xBMOD0063-P125工作电压 V 810 875电容量 F 16.3 9内阻 m 162 119体积 L 540 694重量 kg 774 406有效电阻 m 194 139工作周期电压 V 810-535 875-459充放电效率 % 93 95放电过程热能损失 kW 8.1 6.0结论RUSELPROM公司的专家已经实施牵引电力设备所有部件的项目：电子机械，能源和控制电子，辅助动力系统和客车各种指定部件的冷却等。公司的企业准备生产完整的TEESes。因此，RUSELPROM公司准备开发，生产和交付各种城市公交车完整的牵引电力设备，交付符合客户要求的整备客车。现有的发展不但要满足实施独立的创新项目，还是现代化由于车辆在各种要求和条件下应用明显需要的。对比本国混合动力客车的TEESes的参数，结构和构成与国外类似产品，有很好的理由断言，国内制造商企业的运输技术能够在最短周期内实现高水平的创造新一代现代公共市内交通运输工具，这里不行仅一个要求。引进混合动力运输技术可能是运输机械工业用创新方法走出危机边缘的一个有价值的例子。至关重要的是，创造节能，环保型汽车是可以在商业基础上的，尽管没有投入提供创新支持手段，当然，国家当局财政和组织的帮助不会过高。参考文献1. Stanislav N. Florentsev. “From Russia with Automotive. AC electric drivetrain of a hybrid city bus”. Power System Design Europe (PSDE), July/August 2009.pp. 50 -51.2. Stanislav N. Florentsev. “Traction Electric Equipment Set for AC Electric8Transmission Various Vehicles”.Proceedings of International Exhibition & Conference “Power Electronics, Intelligent Motion. Power Quality (PCIM-2009): pp.625-627, Germany, May 12 14, 2009.3. S. Florentsev, D. Izosimov, S. Baida, A. Belousov, A. Sibirtsev. “Complete Traction Electric Equipment Sets for Hybrid Buses”. IEEE Region 8 International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering SIBIRCON-2010, Irkutsk Listvyanka, Russia, July 11 15, 2010. pp.622 627. 4. S. N. Florentsev, D.B. Izosimov. “Traction electric drive in hybrid vehicles. Philosophy of projecting of complete traction electric equipment for hybrid vehicles”. (In Russian). Part 1, Electronic components, vol. 11, 2009. 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