吳海波，李惠林，李 歡，何 鋒，李一鳴

（貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽 550025）

0 引言

數(shù)據(jù)表明，每天奔馳在道路上的數(shù)量巨大的各類汽車消耗了大量的石油、天然氣，同時排放大量尾氣，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，混合動力汽車可有效減少汽車排放，是目前最為可行的解決方案[1]?；旌蟿恿Τ鞘锌蛙噭恿?shù)設(shè)計直接影響客車的動力性、經(jīng)濟(jì)性，混合度反應(yīng)了兩種動力源的功率組合與分配比例，因此，混合度的設(shè)計是混合動力客車動力參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)[2,3]?；旌隙菻是指電系統(tǒng)功率占動力源總功率的百分比，根據(jù)混合度大小，混合動力客車可分為電助力、雙模式和續(xù)駛里程延伸三種類型[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對混合度開展了一系列研究：Atwood Paul等針對大型混合動力燃料電池越野車，通過ADVISOR軟件建立不同混合度的多組模型以確定其混合度與燃油經(jīng)濟(jì)性之間的聯(lián)系[5]。山東大學(xué)王婷婷研究發(fā)現(xiàn)隨著混合度的變化，車輛的經(jīng)濟(jì)性以及排放性能變化的規(guī)律[6]。吉林大學(xué)唐磊以混合度確定為核心，并且充分考慮混合度變化所引起的整車總質(zhì)量變化對車輛性能影響，針對混合動力客車動力參數(shù)進(jìn)行匹配[7]。

本文針對并聯(lián)式LNG/電混合動力城市客車的混合度展開研究，在滿設(shè)計要求的前提下，綜合考慮車輛的動力性、燃?xì)饨?jīng)濟(jì)性以及整車成本，選取合適的混合度，并對LNG/電混合動力城市客車的動力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。

1 整車參數(shù)與設(shè)計要求

某型號氣電混合動力城市客車為并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，采用液化天然氣（LNG）作為發(fā)動機燃料，參考同類型傳統(tǒng)LNG客車的整車參數(shù)和動力性能標(biāo)準(zhǔn)，確定某型號氣電混合動力客車的整車參數(shù)與動力性能要求如表1所示。

表1 整車參數(shù)與動力性能要求

2 氣電混合動力客車動力參數(shù)設(shè)計

2.1 混合動力客車功率需求

汽車行駛需求的總功率等于機械傳動損失與全部運動阻力所消耗的功率，據(jù)此，建立功率平衡方程式(1)。

根據(jù)功率平衡方程，分別從汽車的最高車速、最大爬坡度、加速時間三個動力性指標(biāo)考慮，得出混合動力城市客車的功率需求P1、P2、P3。從滿足混合動力城市客車動力性角度考慮，客車功率需求為P1、P2、P3中的最大者。

根據(jù)表1中該型號混合動力城市客車的整車參數(shù)和動力性能要求，通過式(1)計算得出：最高車速條件下需求功率73.51kW，爬坡性能的設(shè)計要求有兩個，分別為123.9kW和47.61kW，滿足客車加速性能需要功率為152.33kW。考慮到換擋延遲時間和需要留有一定的后備功率（約20%），因此，混合動力城市客車需求總功率為185kW。

2.2 混合度邊界條件設(shè)計

根據(jù)混合度定義，對于并聯(lián)式混合動力客車來說，其混合度可表示為：

其中：Pm、Pe為混合動力客車電機、發(fā)動機的額定功率，kW。

由于電機的峰值功率隨持續(xù)時間的變化而產(chǎn)生很大變化，為方便研究，選取作為最大持續(xù)功率輸出的額定功率進(jìn)行研究。

對于并聯(lián)式混合動力城市客車，混合度最大邊界值條件的確定是在動力源總功率一定的前提下發(fā)動機功率選擇最小值時的混合度，發(fā)動機功率選擇最小值時仍需滿足穩(wěn)態(tài)功率需求，包括以巡航車速行駛功率和爬坡所需功率，可根據(jù)公式(1)計算，得出該型號混合動力客車爬坡的功率需求結(jié)果為123.9kW；以續(xù)航車速行駛功率所需功率為31.89kW。為滿足穩(wěn)態(tài)功率需求，發(fā)動機功率需選擇二者中的最大值。因此，根據(jù)公式(2)計算，該型號混合動力城市客車的混合度最大邊界值條件為33%。

混合動力城市客車混合度的最小邊界值條件由電機的最小功率來決定，但需要滿足瞬態(tài)功率需求：單獨啟動發(fā)動機的能力；在坡道上單獨啟動整車，并達(dá)到規(guī)定車速要求。坡道啟動整車可以按照式(1)計算，電機啟動發(fā)動機所需功率如式(3)所示。

經(jīng)過計算得，單獨啟動發(fā)動機所需求的電機功率為25kW，坡道起步所需的電機功率為35.7kW。為滿足瞬態(tài)功率需求，電機功率選取二者中最大值。因此根據(jù)公式(2)，該型號混合動力城市客車的混合度最小邊界值條件為19.3%。

2.3 最優(yōu)混合度選取

圖1 中國典型城市公交循環(huán)工況

根據(jù)混合度的邊界條件，確定該型號并聯(lián)式氣電混合動力城市客車的混合度范圍為19.3%～33%。為選取最優(yōu)混合度，在該混合度范圍內(nèi)，在ADVISOR軟件中建立多組混合動力城市客車模型，根據(jù)GB/T19754-2005，建立的中國典型城市公交循環(huán)工況如圖1所示，在該循環(huán)工況下，對混合動力客車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同混合度下仿真結(jié)果

將仿真數(shù)據(jù)制成線圖，其中“混合度-加速時間-爬坡性能”曲線如圖2所示，“混合度-節(jié)氣率”曲線如圖3所示。根據(jù)國標(biāo)規(guī)定城市客車設(shè)計中最高車速不高于70km/h，所以在混合度選取中對最高車速不予考慮。

圖2 混合度-加速時間-爬坡性能曲線

圖2中可見，混合度范圍19%～33%內(nèi)，動力性指標(biāo)滿足設(shè)計要求，在混合度為26%時，混合動力客車的爬坡性能最優(yōu)，當(dāng)混合為30%時，加速性能為最優(yōu)。因此，在混合度26%～30%時，整車的動力性能最佳。

圖3可見，隨著混合度的增加混合動力客車的節(jié)氣率也隨之上升，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求，達(dá)到節(jié)氣率35%以上，則混合度需大于25.2%。此外，電動機功率與整車價格基本符合線性關(guān)系，選用的電機功率越大，需求的電池容量、車輛的整備質(zhì)量也隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致整車成本的提升。

圖3 混合度-節(jié)氣率曲線

因此，綜合考慮動力性能、節(jié)氣率和整車成本，該型號混合動力客車的混合度選取為26%。該型號并聯(lián)式氣電混合動力城市客車的動力源功率總需求為185kW，根據(jù)混合度定義，在混合度為26%的條件下，確定該車的發(fā)動機功率為137kW，電機功率為48kW。

3 氣電混合動力城市客車實車試驗

在實際公交工況循環(huán)下，對試驗樣車進(jìn)行測試，同時選取車型相同、動力源總功率相似的LNG城市客車作為參照。采用公交線路運行對比的試驗方法，采集兩種城市客車在相同公交路線上的運行情況，某山區(qū)城市的兩條典型公交路線路譜數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 某城市不同公交線路路譜

氣電混合動力城市客車與LNG燃料城市客車在A、B兩條公交線路中運行，通過監(jiān)控系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)的記錄、匯總，結(jié)果如表4所示。

表4 實際公交工況行駛試驗數(shù)據(jù)對比

從表4中可以看出，氣電混合動力城市客車在公交線路A上行駛時節(jié)氣率略有降低，在公交線路B上行駛時其節(jié)氣率與仿真結(jié)果相近?？紤]到公交線路A上坡道較多，而公交線路B與我國典型城市公交循環(huán)工況較為相似，故認(rèn)為可采用混合度對城市客車進(jìn)行動力參數(shù)匹配。

4 結(jié)論

針對汽車尾氣排放對空氣污染日益嚴(yán)重的局面，根據(jù)某型號并聯(lián)氣電混合動力城市客車動力性能設(shè)計指標(biāo)，確定了該客車混合度的邊界范圍，通過ADVISOR軟件在混合度范圍內(nèi)建立多組整車模型，根據(jù)不同混合度客車的動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，選取最佳混合度，完成動力參數(shù)設(shè)計。最后在某山區(qū)城市開展實車測試，結(jié)果表明，在滿足動力性能指標(biāo)要求的前提下，其節(jié)氣率可達(dá)到35.4%，說明從混合度的角度進(jìn)行氣電混合動力客車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計是可行的。

[1]邱國敏.汽車尾氣對空氣污染的危害及對策[J].工業(yè)安全與環(huán)保.2001.27(8):35-36.

[2]曾小華,王慶年,王偉華.混合動力汽車混合度設(shè)計方法研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報.2006.37(12):8-12.

[3]段俊輝.不同電功率比的混合動力城市客車經(jīng)濟(jì)性研究[D].武漢:武漢理工大學(xué).2012:12-26.

[4]張旭鮮.并聯(lián)式混合動力客車混合度的研究[D].長春:吉林大學(xué).2006:5-18.

[5]Atwood Paul, Gurski Stephen, Nelson Douglas J, Wipke Keith B, Markel Tony.Degree of hybridization modeling of a hydrogen fuel cell PNGV-class vehicle.2002 Future Car Congress.2002.6.

[6]王婷婷,孫強,王凝露,閆偉,李國祥.基于重型并聯(lián)混合動力車輛混合度的性能分析[J].內(nèi)燃機與傳動裝置.2013,30(5):5-8.

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