如何設計電-氣串聯(lián)混合動力客車動力系統(tǒng)

1 前言

隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日趨嚴重，近10年來全球各汽車制造商紛紛推出各種型式的電動汽車。混合動力汽車技術作為一項在短期內可有效降低汽車能源消耗和排放的汽車新技術，已經成為世界汽車行業(yè)研究焦點之一。我國科技部將其作為“十五”863重大專項的內容，目前混合動力汽車產品已進入國家公告程序，初步具備產業(yè)化條件。電一氣串聯(lián)混合動力汽車綜合了混合動力汽車和天然氣汽車的優(yōu)勢，進一步改善了車輛燃油經濟性和排放性。

本文基于對電一氣串聯(lián)混合動力客車運行目標駕駛循環(huán)的分析，對其動力系統(tǒng)進行方案設計，以保證在滿足車輛動力性要求的前提下，提高整車燃油經濟性。

2 電-氣串聯(lián)混合動力客車整車參數(shù)和技術指標

所研究的電一氣串聯(lián)混合動力客車基礎車型為長11.4 m的二級踏步城市客車，整車參數(shù)如表1所列。

3 混合動力系統(tǒng)結構

目前，混合動力電動汽車動力系統(tǒng)的結構主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種。由于城市公交車經常工作在行駛速度低、起停頻繁的工況下，所以更適合采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，以使發(fā)動機始終在最佳工作區(qū)域內運行，減少發(fā)動機燃油消耗和排放。同時，串聯(lián)式混合動力汽車由于電機功率較大，有利于較多地回收制動能量[5〕。因此，本文研究的混合動力電動客車采用的是如圖1所示的串聯(lián)式動力系統(tǒng)。

研究所選擇的發(fā)動機為壓縮天然氣發(fā)動機，燃料采用混氫壓縮天然氣(HONG)，以獲得更佳的排放性。發(fā)電機選擇交流同步發(fā)電機。電動機選擇交流電動機，通過電動機控制器連接到直流總線。由發(fā)動機、發(fā)電機及整流器組成APU(功率輔助單元)，根據整車控制器的命令輸出功率或關閉。蓄電池直接并聯(lián)在直流總線上，以補償APU輸出功率與電動機輸人功率的差值，并在制動過程中吸收反饋的制動能量。蓄電池選擇鎳氫蓄電池。

4 基于城市公交駕駛循環(huán)分析的零部件選型計算

與傳統(tǒng)的內燃機汽車相比，混合動力汽車的能量經濟性更易受到不同駕駛循環(huán)的影響。因此，必須選擇能夠較好地反映車輛實際運行條件的駕駛循環(huán)。本文以中國汽車技術研究中心承擔的“863”項目“我國典型城市行駛工況”的研究成果“城市公交循環(huán)”為基礎，進行零部件的選型計算。

HONG混合動力客車的零部件參數(shù)主要根據城市公交駕駛循環(huán)的需求來制定。圖2所示為城市公交駕駛循環(huán)的工況數(shù)據，循環(huán)總運行時間為1304s，行駛里程為5.840km，最高車速為60km/h。

4.1 電動機參數(shù)選擇

根據城市公交駕駛循環(huán)的工況車速和整車的相關參數(shù)，由以下公式可以計算出電動機驅動和制動的工作工況點(圖3)：

式中，Tm為電動機轉矩，N·m;nm為電動機轉速，r/min;Fi、Fw、Fj分別為整車的坡度阻力、空氣阻力、滾動阻力和加速阻力，N;Rr為車輪滾動半徑，m;ig、io分別為變速器和主減速器的速比;ηT為傳動效率。

選擇電動機轉速在2000r/min以下，720 N·m恒轉矩及電動機轉速在2 000 r/min以上，150 kW恒功率線包絡圖3中的工況點，可以據此選取電動機的外特性參數(shù)。

通過計算電動機工作工況點，還可以得到電動機驅動轉矩及功率響應速度。城市公交循環(huán)要求：電動機的轉矩上升速度不低于566N·m/s，下降速度不低于588N·m/s;電動機驅動功率上升速度不低于104kW/s，下降速度不低于128kW/s，，

對于電動機工作高效區(qū)的選擇，引人平均驅動能量的概念，即單位里程內電動機在一定工作區(qū)域內的驅動能量：

式中，Ev為平均驅動能量kJ/km ;Pmotor，k為電動機在各區(qū)域內驅動能量，kJ;S為電動機在各區(qū)域內的行駛路程，km。

經計算，電動機在各工作區(qū)域內的平均驅動能量如圖4所示。

根據計算得到的電動機在各工作區(qū)域的平均驅動能量，選擇在平均驅動能量高區(qū)域內具有較高驅動效率的電動機，由此提高整個循環(huán)內的電動機驅動效率和整車經濟性。

同理，可以根據城市公交駕駛循環(huán)和制動能量回饋的需要，選擇電動機制動狀態(tài)的相應參數(shù)。經過計算，選擇了株洲所的JD14X2交流異步電動機，其額定功率為100kW，峰值功率為150kW，轉速在1000 r/min以下時轉矩達1000 N·m，為提高整車爬坡性能和加速性能留有裕量。

4.2 APU參數(shù)選擇

APU的經濟性和排放性直接決定了整車的經濟性和排放性。由于APU與傳動系統(tǒng)沒有直接機械連接，因此APU的工作轉速可以自由選取，只需選擇APU的發(fā)電功率即可。假設電動機需要的電能全部由APU提供，則計算得到的APU不同發(fā)電功率段發(fā)電能量的分布如圖5所示，APU的平均發(fā)電功率(循環(huán)總發(fā)電功率除以循環(huán)驅動過程總時間)為38.9 kW。

從圖5可看出，APU的發(fā)電能量大部分分布在2070 kW功率范圍內。由于APU發(fā)出的電能經蓄電池儲存再輸出是一個低效的過程，因此應盡量使APU發(fā)出的電能直接供給電動機驅動，這就要求APU在圖5中能量分布較高的區(qū)間(20～70kW)里的發(fā)電效率盡可能高且排放性良好。

本文選擇的是4CT180 CNC發(fā)動機，配備UC224G三相交流同步發(fā)電機。發(fā)電機轉速在1500r/min時的額定功率為68kW;轉速在1800r/min時的額定功率為78kW。采用三相全波不可控整流器，功率范圍為10～120kW。

4.3 蓄電池參數(shù)選擇

假設APU恒定發(fā)出平均發(fā)電功率為38.9kW，其它部分由蓄電池補充，則可以計算出蓄電池最大放電電流及持續(xù)時間。經計算，蓄電池最大放電電流為332.7A，最大放電功率為127.8kW。各放電電流持續(xù)時間如表3所列。

由于電動機最大回饋功率為150kW，蓄電池充電功率約為135kW，充電電流為351A，假設制動過程中最大限度發(fā)揮電動機的回饋制動能力，則計算出的蓄電池最大充電電流及持續(xù)時間如表4所列。

根據表3和表4的數(shù)據，選擇了有色金屬研究院研發(fā)的80Ah鎳氫蓄電池，其額定電壓為384V，短時間最大放電電流和最大充電電流基本滿足需求。

5 整車仿真驗證

為了對各零部件的選型進行驗證，建立了整車仿真模型，如圖6所示。由城市公交駕駛循環(huán)計算出電動機所需功率并傳送給整車控制器，再由整車控制器決定APU和蓄電池之間的能量分配，電動機根據實際接收的指令和APU、蓄電池當前實際發(fā)出的功率計算出實際輸出轉矩，傳送給底盤一路面模型以計算車速。

通過仿真計算，得出整車的最高車速≥70km/h，0～50km/h的加速時間為16.7s，最大爬坡度為22%，整車動力性均達到了技術指標的要求。圖7為仿真得到的混合動力客車加速過程。

整車的經濟性通過運行城市公交循環(huán)來檢驗選擇開關式和功率跟隨式相結合的優(yōu)化控制策略使整車模擬連續(xù)運行5個城市公交循環(huán)，得到整車燃料消耗量和蓄電池SOC值的變化，如圖8所示。

5個工況循環(huán)后，共消耗燃料7.47kg，SOC值從80%下降到66%。對于蓄電池電量的改變量，采用如下公式換算為燃料消耗量：

式中，MbattHCNG為等效燃料消耗量，kg;Ek為消耗的電量，kW·h;QHCNGIow為HONG的低熱值，J/9;ηAM為APU的平均發(fā)電效率。

根據公式將下降的SOC值折合為燃料，消耗，得到5個工況循環(huán)后燃料消耗為8.20kg;折合百公里燃料消耗為28.1kg。

CNG基礎車型百公里燃料消耗為33.2kg，混合動力城市客車比基礎車型節(jié)省燃料15.4%，達到了技術指標的要求。

目前，對于傳統(tǒng)大型客車排放性能的測試主要采用發(fā)動機工況法。串聯(lián)式混合動力客車采用電動機驅動，發(fā)動機與傳動系統(tǒng)沒有直接機械連接，因此發(fā)動機的工作區(qū)域可以得到較大改善。根據仿真分析，在城市公交駕駛循環(huán)工況卞，發(fā)動機的怠速時間可以縮短到傳統(tǒng)車的10%，發(fā)動機主要工作在1200～1500r/min的高效區(qū)域，避免了在低負荷和高負荷工況下運行，因此其HC和CO的排放明顯比基礎車型降低。

6 結束語

介紹了一種基于駕駛循環(huán)對混合動力電動客車進行方案設計的方法。通過城市公交駕駛循環(huán)數(shù)據和整車既定參數(shù)，計算出整車動力系統(tǒng)主要零部件(電動機、APU、蓄電池)的參數(shù)，為零部件選型提供了依據。建立了整車仿真模型，對整車零部件的選型結果進行了仿真驗證。仿真結果表明，所選擇的零部件可以滿足整車動力經濟性技術指標和城市公交駕駛循環(huán)的需要。