郭寬友，簡(jiǎn)曉春，游國(guó)平

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074;2.重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院有限公司，重慶 401122)

單純地從混合動(dòng)力客車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，僅僅通過(guò)增加動(dòng)力電池容量、更換大功率電機(jī)、提高純電動(dòng)行駛車(chē)速范圍等簡(jiǎn)單措施就可以獲得較為理想的燃料經(jīng)濟(jì)性，但這樣的代價(jià)是高成本、低回報(bào)，體現(xiàn)不出混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)的先進(jìn)性，展現(xiàn)不出其核心競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)混合動(dòng)力客車(chē)技術(shù)從無(wú)到有，歷經(jīng)十余年的發(fā)展，已漸入在技術(shù)路線(xiàn)選擇、系統(tǒng)匹配和控制策略等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的階段。因而，從試驗(yàn)分析的角度來(lái)分析動(dòng)力系統(tǒng)的工作狀態(tài)為動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供了重要的依據(jù)，從而優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)的匹配。這樣，一方面直接降低了整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的配置和整車(chē)質(zhì)量，節(jié)約了成本;另一方面，由于減少了動(dòng)力電池等部件的使用量，從而間接降低了電池等其他部件生產(chǎn)環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的工業(yè)污染。

1 混合動(dòng)力客車(chē)參數(shù)

某混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相比，其不同之處是在離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間增加了自動(dòng)控制離合器和ISG電機(jī)，系統(tǒng)具有純電動(dòng)模式、純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、再生制動(dòng)等工作模式。

該車(chē)設(shè)計(jì)的基本技術(shù)要求為:①0～50 km/h起步換擋，加速性能不超過(guò)25 s;②相比于原型車(chē)，其燃料經(jīng)濟(jì)性提高30%;③最高車(chē)速和爬坡度與原型車(chē)一致。車(chē)輛主要總成配置參數(shù)見(jiàn)表1［1］。

圖1 某混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

表1 混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力整車(chē)及總成參數(shù)

2 動(dòng)力系統(tǒng)匹配計(jì)算分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要根據(jù)3個(gè)原則:① 滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的功率需求;②滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性要求;③滿(mǎn)足整車(chē)經(jīng)濟(jì)性最佳要求。

在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)達(dá)到最大車(chē)速u(mài)max時(shí)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率:

取 f=0.01，mt=18000 kg，A=7.1 m2，CD=0.70，ηt=0.85作為設(shè)計(jì)參數(shù)，可得發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率Pe=83.6 kW。

以車(chē)輛20%的爬坡度作為設(shè)計(jì)要求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩

為提高車(chē)輛燃料經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于混合動(dòng)力客車(chē)，可以設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較為經(jīng)濟(jì)的區(qū)域。表2為車(chē)輛分別在65%和100%載荷時(shí)依據(jù)式(2)和中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況［2］(圖2)計(jì)算的需求驅(qū)動(dòng)功率區(qū)間分布，車(chē)輛最大需求功率為180 kW。

圖2 中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況

一般內(nèi)燃機(jī)工作在中等轉(zhuǎn)速和中等負(fù)荷時(shí)，其燃料經(jīng)濟(jì)性最佳。依據(jù)表2的數(shù)據(jù)，若將發(fā)動(dòng)機(jī)的工況設(shè)計(jì)在50～70 kW工作，即可滿(mǎn)足約90%的驅(qū)動(dòng)需求。另外，考慮實(shí)際情況，需提供空調(diào)30 kW的功率需求，即可選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率約為100 kW。

2.2 電機(jī)參數(shù)選擇

電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)研究電機(jī)參數(shù)對(duì)整車(chē)性能的影響，來(lái)確定電機(jī)的峰值功率、最高轉(zhuǎn)速和額定功率。

研究表明，混合動(dòng)力車(chē)輛的電功率比(電機(jī)的峰值功率與車(chē)輛總功率之比)與車(chē)輛的燃料經(jīng)濟(jì)性的提高基本成比例的關(guān)系，即電功率比與燃料節(jié)油率相當(dāng)。欲使車(chē)輛的燃料經(jīng)濟(jì)性提高30%以上，則電機(jī)的峰值功率可估計(jì)為180×30%=54 kW，當(dāng)然，這僅僅是初步估算，只作為電機(jī)參數(shù)選擇的初步參考。

混合動(dòng)力客車(chē)提高燃料經(jīng)濟(jì)性的最為有效的措施是通過(guò)電機(jī)再生制動(dòng)回收整車(chē)制動(dòng)能量。而在動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需保證電池SOC的平衡，即可認(rèn)為:電機(jī)再生制動(dòng)回收的能量需滿(mǎn)足車(chē)輛純電動(dòng)行駛的能量需求。

車(chē)輛行駛的阻力功率為

式中:m為車(chē)輛質(zhì)量;g為重力加速度;i為道路坡度;δ為車(chē)輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);u為車(chē)速。

根據(jù)表1的車(chē)輛參數(shù)，依據(jù)式(2)和(3)可計(jì)算出中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下車(chē)輛行駛的需求功率，如表3所示。

表2 中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況車(chē)輛驅(qū)動(dòng)需求功率分布

表3 典型工況下車(chē)輛行駛需求功率分段統(tǒng)計(jì)(65%載荷)

結(jié)合表3中的計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，若選擇最大功率為Pm_max=30 kW的電機(jī)，制動(dòng)需求功率在30 kW以?xún)?nèi)時(shí)，電機(jī)可吸收全部制動(dòng)能量，而在需求制動(dòng)功率大于30 kW時(shí)，電機(jī)只吸收30 kW部分能量，因此該工況下的最大能耗節(jié)約率為

式中:ηm為電機(jī)平均效率，取85%;ηb為電池充電平均效率，取95%。同理，若選擇電機(jī)的最大功率為Pm_max=50 kW時(shí)，能耗節(jié)約率為

因此，欲達(dá)到提高燃料經(jīng)濟(jì)性30%的目的，可選擇電機(jī)的峰值功率Pm_max=50 kW，同時(shí)考慮混合動(dòng)力客車(chē)其他節(jié)油措施，如怠速起停、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域優(yōu)化等措施，基本可實(shí)現(xiàn)30%的燃料節(jié)油率目標(biāo)。研究表明，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的電機(jī)峰值功率一般為額定功率的1.5～2.0倍，因此，電機(jī)的額定功率可選擇為25～33 kW。

2.3 動(dòng)力電池組參數(shù)

動(dòng)力電池組參數(shù)的確定主要包括電池電壓和電池容量的選擇。通常應(yīng)根據(jù)電池供應(yīng)商提供的單體電池參數(shù)(如內(nèi)阻、充放電功率、最大電流等)來(lái)確定電池組的總?cè)萘考斑B接方式?；旌蟿?dòng)力客車(chē)在無(wú)確定純電動(dòng)續(xù)駛里程設(shè)計(jì)要求時(shí)，通常以電池組的功率要求為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行電池參數(shù)的設(shè)計(jì)。因此，電池主要作用是為電機(jī)提供足夠的輸出功率，同時(shí)存儲(chǔ)回收的能量。為此電池放電功率PB必須滿(mǎn)足:

以某鋰離子單體電池平均內(nèi)阻R0=20 mΩ估算，其單體電池的最大放電功率可用式(4)估算［3］。

式中:Pbmax為單體電池最大放電功率(W);Ub為單體電池額定電壓(V);R0為單體電池放電內(nèi)阻(Ω)。代入數(shù)據(jù)，可得所需要的單體電池個(gè)數(shù)為

在車(chē)用電池的使用過(guò)程中，電池的最大電流不應(yīng)超過(guò)200 A，根據(jù)Pm_max確定電池的電壓等級(jí)V0應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系式［4］:

統(tǒng)計(jì)表明，采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力客車(chē)以及純電動(dòng)客車(chē)的電壓主要在350～650 V［4］。因此，需要的串接電池組數(shù)為N=U/Ub=350/3.2=109，取偶數(shù)為110組。如每3個(gè)單體電池為一組，則單體電池總數(shù)為330個(gè)，不滿(mǎn)足電機(jī)功率的需求，因此，至少應(yīng)每4個(gè)單體并聯(lián)為一組，方可滿(mǎn)足電機(jī)功率的需求，即電池組的額定電壓U=110×3.2=352 V，總單體電池?cái)?shù)為 110 ×4=440個(gè)。

3 動(dòng)力系統(tǒng)匹配試驗(yàn)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

圖3為該混合動(dòng)力客車(chē)以65%的載荷在典型城市循環(huán)工況下進(jìn)行燃料消耗量測(cè)試時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。圖4為根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)而進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率分布統(tǒng)計(jì)特性。

從圖3和圖4可以得知:

1)在20%以?xún)?nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷區(qū)域，占發(fā)動(dòng)機(jī)總運(yùn)行時(shí)間的60.0%，如區(qū)域A。

2)在60% ～80%的中等負(fù)荷區(qū)域，占發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行總時(shí)間比率僅為9.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)的效能沒(méi)有充分發(fā)揮，如區(qū)域B。

3)在40% ～60%的低負(fù)荷率區(qū)域，占發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行總時(shí)間比率為18.8%，而在80% ～100%的高負(fù)荷區(qū)域，僅占總時(shí)間的2.2%，因此可進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域分布

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷率分布時(shí)間統(tǒng)計(jì)

3.2 電機(jī)選型

圖5為根據(jù)該混合動(dòng)力客車(chē)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)而繪制的電機(jī)運(yùn)行區(qū)域分布。圖6為根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)得到的功率時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)特性。

圖5 電機(jī)運(yùn)行區(qū)域分布

圖6 電機(jī)運(yùn)行功率分布時(shí)間統(tǒng)計(jì)特性

從圖5和圖6可以得知:

1)在20 kW以?xún)?nèi)的電機(jī)低負(fù)荷低效區(qū)域，占總運(yùn)行時(shí)間的75.1%，即電機(jī)絕大部分時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷區(qū)域。

2)在40～60 kW的電機(jī)額定功率也僅占6.2%，可見(jiàn)電機(jī)運(yùn)行在高效工作區(qū)域的時(shí)間較少。

3)在80～100 kW的高負(fù)荷區(qū)域也僅占電機(jī)總運(yùn)行時(shí)間的0.2%，即電機(jī)大功率的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)沒(méi)有得到較好的利用。

3.3 動(dòng)力電池容量

圖7為試驗(yàn)過(guò)程中的動(dòng)力電池SOC的時(shí)間歷程。

圖7 動(dòng)力電池SOC時(shí)間歷程

從圖7中可以得知，在該試驗(yàn)循環(huán)過(guò)程中，SOC最小為51%，最大為53%，兩者偏差值僅為2%。對(duì)于該混合動(dòng)力客車(chē)，SOC的變化區(qū)間的設(shè)計(jì)值為40%～60%，而造成SOC變化區(qū)間非常小的原因?yàn)榭赡転?①動(dòng)力電池的容量選擇過(guò)大，可大幅度減小;②電機(jī)沒(méi)有充分發(fā)揮作用，且負(fù)荷率偏低。

4 結(jié)論

1)典型城市循環(huán)工況下的車(chē)輛行駛需求功率特性分析能較好地運(yùn)用于車(chē)輛動(dòng)力總成的選型設(shè)計(jì)。

2)該混合動(dòng)力客車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)功率余量匹配偏大，可大幅度降低電機(jī)功率，從而可降低電池總?cè)萘康囊蟆?/p>

3)隨著混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配和控制策略的進(jìn)一步優(yōu)化，該車(chē)的成本可大幅度降低。

［1］國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.混合動(dòng)力客車(chē)定型試驗(yàn)報(bào)告［R］.H1266，2009.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 19754—2005重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

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［4］初亮.混合動(dòng)力總成的控制算法和參數(shù)匹配研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2002.

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