串聯(lián)式混合動(dòng)力系統APU結構設計

引言

　　混合動(dòng)力技術(shù)是解決汽車(chē)能源和污染問(wèn)題的重要途徑。混合動(dòng)力系統根據結構可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。串聯(lián)式混合動(dòng)力系統發(fā)動(dòng)機與車(chē)輛完全機械解耦，其運行工況不受汽車(chē)行駛工況的影響，可始終控制在優(yōu)化的工作區穩定運行，最適合負載頻繁變化的城市公交車(chē)。

　　串聯(lián)式混合動(dòng)力系統的核心部件包括輔助動(dòng)力單元（APU）、儲能單元和電動(dòng)機等，其中APU是系統的主要能量來(lái)源，它的選型和匹配對系統性能的影響很大。此外，在混合動(dòng)力系統中應用制動(dòng)能量回收策略和怠速停機策略可以大幅提高系統的燃油經(jīng)濟性[223],但也需要一些能量分配策略和系統結構設計方面的變化。

　　本研究為一輛12m串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車(chē)開(kāi)發(fā)了一套基于天然氣發(fā)動(dòng)機的APU,并優(yōu)化了APU結構，在發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間增加離合器來(lái)保證APU起動(dòng)的可靠平順，最后對該APU系統進(jìn)行了臺架和實(shí)車(chē)試驗，驗證其性能。

　　1　選型與匹配

　　根據整車(chē)的功率要求來(lái)選擇發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機。

　　通常用于12m城市客車(chē)的天然氣發(fā)動(dòng)機為170~190kW的6缸機，采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統之后，發(fā)動(dòng)機只工作在優(yōu)化的工況區域，對發(fā)動(dòng)機最大功率的要求可以降低很多。

　　經(jīng)仿真計算，APU系統所需的平均功率約為40kW,標定功率不低于70kW,峰值功率不低于80kW。發(fā)動(dòng)機輸出功率至APU輸出功率的轉換效率為80%～85%,因此對發(fā)動(dòng)機的基本要求為標定功率大于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，該機標定功率132kW,標定功率轉速2300r/min,最大扭矩680N·m,最大扭矩轉速1500r/min,排放達到歐洲標準。發(fā)動(dòng)機的優(yōu)化工況區域為1200～1500r/min,在此區間內發(fā)動(dòng)機最大輸出功率為106kW,滿(mǎn)足設計要求。

　　發(fā)電機的選取必須與發(fā)動(dòng)機的輸出相匹配。交流永磁同步電機具有效率高、功率密度大的特點(diǎn)，適合用作APU的發(fā)電機。本研究選擇StamfordUC274C發(fā)電機，其標定狀態(tài)為100kVA,380V,152A（最大電流），50Hz,1500r/min,勵磁輸入為42V,5A,輸入軸可承受轉矩大于700N·m。發(fā)電機的輸出還需經(jīng)過(guò)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結構設計

　　串聯(lián)式混合動(dòng)力系統中，APU的輸出與驅動(dòng)電機、動(dòng)力電池通過(guò)電系統耦合在一起，因此，各部件機械結構相對獨立，可以分開(kāi)設計。APU的結構設計主要考慮發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間的連接方式。

　　傳統APU的結構設計比較簡(jiǎn)單，多采用發(fā)動(dòng)機輸出軸—過(guò)渡連接盤(pán)—發(fā)電機輸入軸的形式直接連接發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機。由于發(fā)電機轉子的轉動(dòng)慣量非常大（約1kg·m2），接近發(fā)動(dòng)機曲軸轉動(dòng)慣量的10倍，直連方式會(huì )致使發(fā)動(dòng)機無(wú)論何時(shí)都要承受額外負擔。起動(dòng)時(shí)，由于轉動(dòng)慣量增大，發(fā)動(dòng)機可能出現“起不來(lái)”的現象，嚴重時(shí)還會(huì )燒毀起動(dòng)電機；而怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機需多驅動(dòng)一個(gè)巨大的轉子，會(huì )有能量損失。

　　對于串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車(chē)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機工作在怠速工況的時(shí)間很長(cháng)，APU直連方式造成的能量損失累計起來(lái)就很大。若采用怠速停機策略降低系統能耗，發(fā)動(dòng)機需頻繁起停，其起動(dòng)必須平順可靠，而直連方式難以保證這一點(diǎn)。

　　針對上述問(wèn)題，本研究提出了一種發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機非直接連接的結構（見(jiàn)圖1）。發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間增加了1個(gè)電控離合器，APU可以在離合器脫開(kāi)的情況下空載起動(dòng)發(fā)動(dòng)機，再通過(guò)電控系統控制離合器平順接合，使發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)發(fā)電機輸出能量。

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