串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)APU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

　　混合動(dòng)力技術(shù)是解決汽車能源和污染問題的重要途徑。混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛完全機(jī)械解耦，其運(yùn)行工況不受汽車行駛工況的影響，可始終控制在優(yōu)化的工作區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行，最適合負(fù)載頻繁變化的城市公交車。

　　串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件包括輔助動(dòng)力單元（APU）、儲(chǔ)能單元和電動(dòng)機(jī)等，其中APU是系統(tǒng)的主要能量來源，它的選型和匹配對(duì)系統(tǒng)性能的影響很大。此外，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用制動(dòng)能量回收策略和怠速停機(jī)策略可以大幅提高系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性[223],但也需要一些能量分配策略和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的變化。

　　本研究為一輛12m串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車開發(fā)了一套基于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的APU,并優(yōu)化了APU結(jié)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加離合器來保證APU起動(dòng)的可靠平順，最后對(duì)該APU系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架和實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證其性能。

　　1　選型與匹配

　　根據(jù)整車的功率要求來選擇發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。

　　通常用于12m城市客車的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為170~190kW的6缸機(jī)，采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)只工作在優(yōu)化的工況區(qū)域，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的要求可以降低很多。

　　經(jīng)仿真計(jì)算，APU系統(tǒng)所需的平均功率約為40kW,標(biāo)定功率不低于70kW,峰值功率不低于80kW。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率至APU輸出功率的轉(zhuǎn)換效率為80%～85%,因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本要求為標(biāo)定功率大于87kW,峰值功率大于100kW,功率50kW附近有較高效率。因此，本研究最終選擇4CT180天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)標(biāo)定功率132kW,標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速2300r/min,最大扭矩680N·m,最大扭矩轉(zhuǎn)速1500r/min,排放達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化工況區(qū)域?yàn)?200～1500r/min,在此區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率為106kW,滿足設(shè)計(jì)要求。

　　發(fā)電機(jī)的選取必須與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出相匹配。交流永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度大的特點(diǎn)，適合用作APU的發(fā)電機(jī)。本研究選擇StamfordUC274C發(fā)電機(jī)，其標(biāo)定狀態(tài)為100kVA,380V,152A（最大電流），50Hz,1500r/min,勵(lì)磁輸入為42V,5A,輸入軸可承受轉(zhuǎn)矩大于700N·m。發(fā)電機(jī)的輸出還需經(jīng)過整流器由交流變?yōu)橹绷骱蟛攀茿PU的輸出，本研究選擇了效率較高的不可控整流器，可傳遞功率120kW。

　　2　APU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，APU的輸出與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池通過電系統(tǒng)耦合在一起，因此，各部件機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，可以分開設(shè)計(jì)。APU的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的連接方式。

　　傳統(tǒng)APU的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，多采用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸—過渡連接盤—發(fā)電機(jī)輸入軸的形式直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常大（約1kg·m2），接近發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的10倍，直連方式會(huì)致使發(fā)動(dòng)機(jī)無論何時(shí)都要承受額外負(fù)擔(dān)。起動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，發(fā)動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)“起不來”的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒毀起動(dòng)電機(jī)；而怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需多驅(qū)動(dòng)一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)子，會(huì)有能量損失。

　　對(duì)于串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車來說，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在怠速工況的時(shí)間很長(zhǎng)，APU直連方式造成的能量損失累計(jì)起來就很大。若采用怠速停機(jī)策略降低系統(tǒng)能耗，發(fā)動(dòng)機(jī)需頻繁起停，其起動(dòng)必須平順可靠，而直連方式難以保證這一點(diǎn)。

　　針對(duì)上述問題，本研究提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)非直接連接的結(jié)構(gòu)（見圖1）。發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加了1個(gè)電控離合器，APU可以在離合器脫開的情況下空載起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，再通過電控系統(tǒng)控制離合器平順接合，使發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出能量。

　　若發(fā)動(dòng)機(jī)需長(zhǎng)期處于怠速狀態(tài)，APU也可以脫開離合器以減少能量損失。