如何設計電-氣串聯(lián)混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統

1 前言

隨著(zhù)能源危機和環(huán)境污染問(wèn)題的日趨嚴重，近10年來(lái)全球各汽車(chē)制造商紛紛推出各種型式的電動(dòng)汽車(chē)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)技術(shù)作為一項在短期內可有效降低汽車(chē)能源消耗和排放的汽車(chē)新技術(shù)，已經(jīng)成為世界汽車(chē)行業(yè)研究焦點(diǎn)之一。我國科技部將其作為“十五”863重大專(zhuān)項的內容，目前混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)品已進(jìn)入國家公告程序，初步具備產(chǎn)業(yè)化條件。電一氣串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)綜合了混合動(dòng)力汽車(chē)和天然氣汽車(chē)的優(yōu)勢，進(jìn)一步改善了車(chē)輛燃油經(jīng)濟性和排放性。

本文基于對電一氣串聯(lián)混合動(dòng)力客車(chē)運行目標駕駛循環(huán)的分析，對其動(dòng)力系統進(jìn)行方案設計，以保證在滿(mǎn)足車(chē)輛動(dòng)力性要求的前提下，提高整車(chē)燃油經(jīng)濟性。

2 電-氣串聯(lián)混合動(dòng)力客車(chē)整車(chē)參數和技術(shù)指標

所研究的電一氣串聯(lián)混合動(dòng)力客車(chē)基礎車(chē)型為長(cháng)11.4 m的二級踏步城市客車(chē)，整車(chē)參數如表1所列。

3 混合動(dòng)力系統結構

目前，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統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(chē)經(jīng)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(dòng)力系統，以使發(fā)動(dòng)機始終在最佳工作區域內運行，減少發(fā)動(dòng)機燃油消耗和排放。同時(shí)，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)由于電機功率較大，有利于較多地回收制動(dòng)能量[5〕。因此，本文研究的混合動(dòng)力電動(dòng)客車(chē)采用的是如圖1所示的串聯(lián)式動(dòng)力系統。

研究所選擇的發(fā)動(dòng)機為壓縮天然氣發(fā)動(dòng)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(dòng)機選擇交流電動(dòng)機，通過(guò)電動(dòng)機控制器連接到直流總線(xiàn)。由發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機及整流器組成APU(功率輔助單元)，根據整車(chē)控制器的命令輸出功率或關(guān)閉。蓄電池直接并聯(lián)在直流總線(xiàn)上，以補償APU輸出功率與電動(dòng)機輸人功率的差值，并在制動(dòng)過(guò)程中吸收反饋的制動(dòng)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

與傳統的內燃機汽車(chē)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)的能量經(jīng)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(chē)輛實(shí)際運行條件的駕駛循環(huán)。本文以中國汽車(chē)技術(shù)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(jìn)行零部件的選型計算。

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

4.1 電動(dòng)機參數選擇

根據城市公交駕駛循環(huán)的工況車(chē)速和整車(chē)的相關(guān)參數，由以下公式可以計算出電動(dòng)機驅動(dòng)和制動(dòng)的工作工況點(diǎn)(圖3)：

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

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

通過(guò)計算電動(dòng)機工作工況點(diǎn)，還可以得到電動(dòng)機驅動(dòng)轉矩及功率響應速度。城市公交循環(huán)要求：電動(dòng)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(dòng)機驅動(dòng)功率上升速度不低于104kW/s，下降速度不低于128kW/s，，

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

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

經(jīng)計算，電動(dòng)機在各工作區域內的平均驅動(dòng)能量如圖4所示。

根據計算得到的電動(dòng)機在各工作區域的平均驅動(dòng)能量，選擇在平均驅動(dòng)能量高區域內具有較高驅動(dòng)效率的電動(dòng)機，由此提高整個(gè)循環(huán)內的電動(dòng)機驅動(dòng)效率和整車(chē)經(jīng)濟性。

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

4.2 APU參數選擇

APU的經(jīng)濟性和排放性直接決定了整車(chē)的經(jīng)濟性和排放性。由于A(yíng)PU與傳動(dòng)系統沒(méi)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(dòng)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(dòng)過(guò)程總時(shí)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A(yíng)PU發(fā)出的電能經(jīng)蓄電池儲存再輸出是一個(gè)低效的過(guò)程，因此應盡量使APU發(fā)出的電能直接供給電動(dòng)機驅動(dòng)，這就要求APU在圖5中能量分布較高的區間(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(dòng)機，配備UC224G三相交流同步發(fā)電機。發(fā)電機轉速在1500r/min時(shí)的額定功率為68kW;轉速在1800r/min時(shí)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時(shí)間。經(jīng)計算，蓄電池最大放電電流為332.7A，最大放電功率為127.8kW。各放電電流持續時(shí)間如表3所列。

由于電動(dòng)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(dòng)過(guò)程中最大限度發(fā)揮電動(dòng)機的回饋制動(dòng)能力，則計算出的蓄電池最大充電電流及持續時(shí)間如表4所列。

根據表3和表4的數據，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(shí)間最大放電電流和最大充電電流基本滿(mǎn)足需求。

5 整車(chē)仿真驗證

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

通過(guò)仿真計算，得出整車(chē)的最高車(chē)速≥70km/h，0～50km/h的加速時(shí)間為16.7s，最大爬坡度為22%，整車(chē)動(dòng)力性均達到了技術(shù)指標的要求。圖7為仿真得到的混合動(dòng)力客車(chē)加速過(guò)程。

整車(chē)的經(jīng)濟性通過(guò)運行城市公交循環(huán)來(lái)檢驗選擇開(kāi)關(guān)式和功率跟隨式相結合的優(yōu)化控制策略使整車(chē)模擬連續運行5個(gè)城市公交循環(huán)，得到整車(chē)燃料消耗量和蓄電池SOC值的變化，如圖8所示。

5個(gè)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(gè)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(chē)型百公里燃料消耗為33.2kg，混合動(dòng)力城市客車(chē)比基礎車(chē)型節省燃料15.4%，達到了技術(shù)指標的要求。

目前，對于傳統大型客車(chē)排放性能的測試主要采用發(fā)動(dòng)機工況法。串聯(lián)式混合動(dòng)力客車(chē)采用電動(dòng)機驅動(dòng)，發(fā)動(dòng)機與傳動(dòng)系統沒(méi)有直接機械連接，因此發(fā)動(dòng)機的工作區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(dòng)機的怠速時(shí)間可以縮短到傳統車(chē)的10%，發(fā)動(dòng)機主要工作在1200～1500r/min的高效區域，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(chē)型降低。

6 結束語(yǔ)

介紹了一種基于駕駛循環(huán)對混合動(dòng)力電動(dòng)客車(chē)進(jìn)行方案設計的方法。通過(guò)城市公交駕駛循環(huán)數據和整車(chē)既定參數，計算出整車(chē)動(dòng)力系統主要零部件(電動(dòng)機、APU、蓄電池)的參數，為零部件選型提供了依據。建立了整車(chē)仿真模型，對整車(chē)零部件的選型結果進(jìn)行了仿真驗證。仿真結果表明，所選擇的零部件可以滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力經(jīng)濟性技術(shù)指標和城市公交駕駛循環(huán)的需要。