混合動力汽車傳動系統(tǒng)設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙和說明書】

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在當(dāng)今，道路運(yùn)輸尤其是道路車輛被證明是污染物和全球溫室氣體排放的主要來源之一[1]。連同燃料價格上漲，這就使汽車行業(yè)努力地研究創(chuàng)新的解決辦法，旨在降低燃料消耗和排放[2]。由于較短的可續(xù)駛里程和較長的充電時間，純電動汽車還遠(yuǎn)不是解決燃料消耗問題的有效辦法。被廣泛提議和分析的未來的解決辦法是插電混動汽車，它具有高的總體效率，短暫電壓瞬變，長續(xù)駛里程和低的道路負(fù)荷依賴性[3,4]。相同的優(yōu)勢也適用于燃料電池汽車，它普遍的利用了高分子電解質(zhì)膜燃料電池，擁有長遠(yuǎn)的減少污染物排放的可能性，獲得滿意的續(xù)駛里程而不需要內(nèi)燃機(jī)[5]。事實(shí)上，與內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的汽車相比，傳統(tǒng)的或者混合動力電動汽車、燃料電池汽車，局部上可以成為零排放車輛，原則上，如果氫燃料可從可再生能源中派生而來，這種車輛在全球?qū)用婵蛇_(dá)到零污染物排放。因此，從長遠(yuǎn)來講，對于交通運(yùn)輸可持續(xù)，這些車輛可做出有效的貢獻(xiàn)，政府也會為這樣的方法而努力[6,7]。盡管如此，即使是一個相對成熟的技術(shù)，仍然會有一些，與應(yīng)用在車輛上燃料電池相關(guān)的缺點(diǎn)，比如高成本，低功率密度以及缺乏氫基礎(chǔ)設(shè)施[6]。通過使用車輛燃料處理器直接從碳?xì)淙剂现迫錃?，可以使后者問題得到解決。因為氫濃縮燃料被直接使用在內(nèi)燃機(jī)上，所以這個方案經(jīng)常被研究[8,9]。早期直接用在車上的燃料處理器的模型是通過按比例縮小現(xiàn)有的工業(yè)技術(shù)而得到的。在這種情況下，汽油、乙醇和汽車燃料可以被成功處理，但是，這種模型所需要的體積和質(zhì)量仍然不適用于汽車應(yīng)用程序。2004年，在美國，這些問題和有著更成熟技術(shù)的競爭，比如汽油/蓄電池混合動力汽車，已說服美國能源部車載燃料處理決策團(tuán)隊終止對燃料電池汽車的車載燃料處理的研究[10]。在歐洲21世紀(jì)早期，Daimler Chrysler 開始測試用在燃料電池汽車模型上的甲醇燃料處理器?；诒捡YA級車設(shè)計的NeCar5是最新推出的模型，它使用一個75千瓦的Ballard燃料電池來展示令人印象深刻的表現(xiàn)[11]。在2004年，Renault/Nuvera提出了一個使用在車上足夠小而能量充足的車載制氫燃料處理器的四年計劃，但是這個項目由于沒有取得長遠(yuǎn)的發(fā)展而在2008年被終止[12]。在這些早期的項目中，車載燃料處理曾經(jīng)被認(rèn)為燃料電池提供了100%的車輛牽引力，但由于改裝的大小和系統(tǒng)的成本讓這種方案變得不值。后來，車載燃料處理因為伴隨燃料電池被用作動力輔助單元而又一次被研究。事實(shí)上，當(dāng)燃料電池被用作動力輔助單元，它的能量會減少，系統(tǒng)會更緊湊，并且也不需要?dú)浯鎯卧?。固體氧化物燃料作為動力輔助單元原材料的重?zé)N燃料的技術(shù)特點(diǎn)和挑戰(zhàn)總結(jié)了強(qiáng)調(diào)的好處在于部分氧化自熱和蒸汽重組[13]。自熱重整再次結(jié)合了固體氧化物燃料電池評估的尾氣回收對系統(tǒng)整體效率的影響[14]。盡管效率低和燃料質(zhì)量差，自熱重整被公認(rèn)為是交通應(yīng)用程序的最佳解決方案[15]。這種反應(yīng)被認(rèn)為是熱自我維持，因此不同于部分氧化或蒸汽重整，他們不生產(chǎn)或使用外部熱能。 不過在汽車行業(yè)，高分子電解質(zhì)膜燃料電池相比于固體氧化物燃料電池更可靠，瞬變更迅速，基于低溫高分子電解質(zhì)膜燃料電池的車載燃料處理的動力輔助單元已經(jīng)被研究[16]。然而，這些設(shè)備被一氧化碳中毒影響[15,17-19]，也需要高純度氫，因此它需要多個水煤氣轉(zhuǎn)移單位和優(yōu)先氧化反應(yīng)器或者分離過濾膜。這樣一個復(fù)雜和空間消耗系統(tǒng)相當(dāng)不適合應(yīng)用在小型或中型汽車。相反，高溫高分子電解質(zhì)膜燃料電池允許更多的一氧化碳，也可能應(yīng)付合成氣中增長的一氧化碳水平[20]，不需要水煤氣轉(zhuǎn)移單位和優(yōu)先氧化反應(yīng)器。高溫高分子電解質(zhì)膜燃料電池可以在沒有外部氣體加濕作用下工作，也就更長遠(yuǎn)的簡化系統(tǒng)復(fù)雜性和管理，因此擁有更有效的散熱的優(yōu)點(diǎn)和更好的集成系統(tǒng)的熱管理[21]。此外，由更高的操作溫度產(chǎn)生的增長電極動力學(xué)允許使用替代催化劑電極，從而降低成本[22]。在系統(tǒng)的復(fù)雜性、規(guī)模和成本上，這個降低是很重要的，一項對基于動力輔助單元的高溫高分子電解質(zhì)膜燃料電池的評論因為柴油動力道路車輛而被發(fā)表，展示了其巨大的潛力。 除去這些應(yīng)用程序，在自熱反應(yīng)器方面，最近的發(fā)展正在證明恢復(fù)使用以燃料電池作為牽引動力的車載處理器的合理性[23,24]。特別的，正如以上所提到的，早期的項目失敗了，因為科研人員把重點(diǎn)放在了車載燃料處理，為了讓燃料電池提供全部的車載牽引動力。盡管如此，與能源存儲系統(tǒng)的合作，就像一個蓄電池，因此可減小燃料電池的尺寸和改裝的燃料電池的尺寸。燃料電池的大小可以通過一個插電方案進(jìn)一步減小，這就為通過一個外部能源給蓄電池充電提供了可能，進(jìn)而擴(kuò)大了行駛里程。然而，這種解決方案的真正好處在于只能強(qiáng)調(diào)在所有車載能量源中的一種合理的能量管理[25]。 對于燃料電池汽車，已經(jīng)提出了多個能量管理控制策略，比如啟發(fā)式策略[26-28]，等價的消耗最小策略[29,30]，和基于最優(yōu)控制理論的策略[31-35]。盡管如此,這些分析都是應(yīng)用于離線制氫和氫存儲的燃料電池汽車,而車輛車載燃料處理的能源管理通常是基于燃料電池在恒功率下運(yùn)行,源自獨(dú)立優(yōu)化ATR / FC系統(tǒng)效率。評估的基于甲醇改裝的車載高溫電解質(zhì)膜燃料電池占系統(tǒng)效率的25.1%[23],而對有著自熱重整由乙醇改裝的燃料電池系統(tǒng)，獲得的系統(tǒng)效率高達(dá)41%[24]。即使聲稱有使用車載系統(tǒng)的可能性，那些結(jié)果屬于一個獨(dú)立的系統(tǒng)。并且[24]，一個獨(dú)立的氫制造單元模擬了車載的用途，它來自于改良的乙醇用 LT-PEMFC。有著車載處理器和可變?nèi)剂想姵刎?fù)載的燃料電池汽車的能量管理，對于這方面的研究沒有依據(jù)。在這種情況下，能源管理中來自氫可用性的約束必須要考慮。 文中提出了一項對有車載燃料處理器的并聯(lián)燃料電池/蓄電池汽車的能量管理的控制器的設(shè)計。這個運(yùn)用是一個裝備了自熱重整生產(chǎn)的來自異辛烷的合成氣的車輛,把它考慮作為汽油的替代。Aapen PlusTM已用于燃料處理器建模,為了找到轉(zhuǎn)換效率和妥善評估合成氣成分最大化的操作點(diǎn)。這個燃料電池是一種高溫高分子電解質(zhì)膜燃料電池，它的作為合成氣組成的作用性能通過自制的半經(jīng)驗的代碼已經(jīng)仔細(xì)評估,已經(jīng)由作者實(shí)現(xiàn)和發(fā)布[37,38]。燃料電池負(fù)載可以不同,氫燃料處理器不能滿足實(shí)時需求,因此,在燃料電池和燃料處理器中間放置一個合成氣緩沖區(qū)。 來自于已經(jīng)提出的對于燃料電池汽車的應(yīng)用程序框架的策略，并且考慮了動態(tài)的合成氣緩沖和來自氫可能性的限制。此外,在駕駛周期平均速度使用信息下，前面提出的算法適應(yīng)法律也被提高了,平均的過去駕駛條件下,進(jìn)行模式類型識別。 為了證明算法的有效性,相比于最優(yōu)化一項算法的比較分析進(jìn)行了引導(dǎo)并且報導(dǎo)了主要結(jié)果。已經(jīng)驗證了和原來的普通汽車的燃料消耗模型比較結(jié)果,即雪佛蘭邁銳寶,并且在過去的工作中在插電混合電動動力系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)相同的車輛底盤[40]。 2. 車輛模型 模擬器用于研究準(zhǔn)靜態(tài)前瞻性模擬器,在Matlab中仿真開發(fā)和源于過去的一項研究[40]。驅(qū)動器模型基于一個PID控制器， 比較車輛的實(shí)際速度(這是由于平衡動力車輪和阻礙車輛運(yùn)動兩者的轉(zhuǎn)矩得到的結(jié)果)與所需的速度。如果車輪的扭矩是正值或者負(fù)值，那么模擬器就會選擇第一或者第二，然后控制器輸出油門或剎車踏板位置。實(shí)際車速是通過解決車輛縱向動力學(xué)計算出來的,這考慮了所有的對車輛運(yùn)動的抵抗,如輪胎滾動阻力、空氣阻力和道路坡度。用于車輛動態(tài)計算的主要參數(shù)在表格1中已經(jīng)給出。等價車輛質(zhì)量是涉及考慮動力傳動系統(tǒng)的所有部件的轉(zhuǎn)動慣量,近似地估計增長10%的總體汽車質(zhì)量,評估來自主要部件質(zhì)量和汽車外殼和框架。 表1 車輛動態(tài)計算主要參數(shù) 整車整備質(zhì)量 迎風(fēng)面積 迎風(fēng)阻力系數(shù) 滾動阻力系數(shù) 車輪半徑 1500KG 2m2 0.35 0.013 0.2m 燃料電池汽車的動力傳動系統(tǒng)簡圖見圖1，傳動系統(tǒng)包括HT-PEMFC（高溫高分子電解質(zhì)膜燃料電池）、直流/直流轉(zhuǎn)換器和105個鋰離子2p電池組,它們和一個電動馬達(dá)的DC / AC逆變器連接在一起。由于特定的效率圖,電機(jī)可以直接鏈接到前輪沒有任何傳動比。燃料電池可以直接給電動機(jī)或者蓄電池提供能量，如果需要，蓄電池和燃料電池可以共同為前置馬達(dá)提供能量。前置馬達(dá)是一個型號為 GVM210-150的永磁電動機(jī)，它是通過效率圖來建模的，效率圖在圖2中給出，其他的性能參數(shù)可從制造商那里獲得[41]。 圖1 車輛動力傳動系統(tǒng)簡圖 圖2 電動機(jī)效率圖[41] 動力傳動系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)列在表格2中。 表2 動力傳動系統(tǒng)部件參數(shù) 電動機(jī) 蓄電池 燃料電池 H2緩沖區(qū) 額定功率 75KW 能量容量 13kWh 額定功率 21kW 體積 80L 峰值扭矩 270Nm@3000-4200rpm 電壓 340V 電池數(shù)量 325 H2存儲質(zhì)量 1kg 額定扭矩 130Nm@0-5000rpm 最大電流 180A 所用面積 120cm2 H2壓力 250bar 最小電流 60A 不同的是[40],當(dāng)燃料電池是LT-PEMFC（低溫高分子電解質(zhì)燃料電池）,堆棧是由325個小電池串聯(lián)而成,每一個有效面積120平方厘米。存儲緩沖區(qū)被放置在自熱重整和燃料電池堆棧,也就是當(dāng)需要的時候，由自熱重整制造的氫被用作燃料電池的地方。這種方式,自熱重整可以工作在一個固定的優(yōu)化操作點(diǎn)。自熱重整已經(jīng)正確建模,以評估異辛烷衍生合成氣成分和2.1節(jié)中描述的模型。之后,HT-PEMFC的一個零維電化學(xué)模型,在2.2節(jié)中已被提出和簡要的描述[37,38],利用獲得的合成氣成分測定FC（燃料電池）棧的效率和單個電池的伏安密度曲線。 2.1 ATR模型 本節(jié)的目的是定義操作條件,也就是最大化基于自熱重整模式以異辛烷為原材料的燃料處理器的效率。 為了找到最大化轉(zhuǎn)換效率的操作點(diǎn)，Aspen PlusTM已經(jīng)被用于燃料處理器建模。普通的重整反應(yīng)機(jī)理可以寫成： C8H18+αH2O+ γO2 +3.77γN2 →Products （1） 其中α和 γ分別是水和空氣的化學(xué)計量系數(shù)。在（1）中唯一的總體反應(yīng)生成物為H2、CO、CO2和 CH4。為了獲得最大量的制氫,重整反應(yīng)分兩步進(jìn)行： l 高溫步驟(重整反應(yīng))：異辛烷轉(zhuǎn)化為氫氣的氣體混合物，一氧化碳、二氧化碳、甲烷、C（s）和未反應(yīng)的水； l 低溫步驟(水煤氣轉(zhuǎn)移反應(yīng))：CO和H2O反應(yīng)生成CO2和H2。 反應(yīng)過程中的主要部件在圖3中，它們是： l 自熱重整反應(yīng)器(ATR)：重整反應(yīng)器中異辛烷轉(zhuǎn)化為氫氣的氣體混合物，CO、CO2和H2O。ATR是以異辛烷、蒸汽和氧氣為原材料并保持在絕熱條件下。 l 水煤氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)堆(WGSR):水煤氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)堆(低溫水反應(yīng)堆WGSR轉(zhuǎn)變)一氧化碳與水反應(yīng)；H2和CO2被認(rèn)為是生成物。 l 熱回收線：由于燃料的熱效率處理器單元強(qiáng)烈取決于反應(yīng)物預(yù)熱溫度，正如報道的[42]，熱回收線被定義為在兩個熱交換器冷卻合成氣流溫度。特別地，水和蒸汽重整反應(yīng)所需的異辛烷在HEX2加熱冷卻合成氣流，然后加熱HEX1；氧氣送到了升溫到351攝氏度，自熱重整6反應(yīng)堆的膜分離過程需要壓縮空氣10個大氣壓，和壓縮熱氧。 l 分離單元(SEP1)：膜分離單元的純氧。這里的空氣被壓縮了C1到10個大氣壓，然后通過去除效率為95%的膜把氧從氮分離[43]。 l 互動冷卻壓縮線(IRCL)：合成氣生產(chǎn)線的最后階段。這是配備三個壓縮機(jī)和兩個熱交換器和需要為了增加氫合成氣壓力的緩沖壓力，即250個大氣壓，在圖3表示IC壓縮部分。 圖3 自熱重整反應(yīng)器系統(tǒng)布局 由于反應(yīng)體系的復(fù)雜性，熱力學(xué)平衡分析是由非化學(xué)計量方法所確定的[15]。在這種方法中，系統(tǒng)的平衡組成是由一組給定的物種的吉布斯自由能的直接最小化而得到的，而沒有任何可能發(fā)生在系統(tǒng)中的反應(yīng)的規(guī)范。因此，假設(shè)燃料中的碳反應(yīng)后僅僅變?yōu)镃H4、CO 或者 CO2 和C(s)。平衡組成計算了對于一個給定的操作條件，以確定化學(xué)效率，為了每個配置質(zhì)量和能量得到了平衡解決?；瘜W(xué)效率ATR系統(tǒng)可以寫成： (2) 其中，nH2(摩爾/ s)為產(chǎn)生的氫氣的摩爾數(shù)，nC8 H18(摩爾/ s)的消耗的異辛烷摩爾數(shù)，LHVH2[J /摩爾]和LHVC8 H18[J /摩爾]分別為氫和異辛烷的低發(fā)熱值。 第 8 頁 共 8 頁