葛亮，白國軍，林菁

(廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東珠海 519000)

0 引言

近年來隨著政府大力推廣混合動力客車，混合動力客車逐步得到各地公交公司的認(rèn)可?；旌蟿恿蛙囂娲鷤鹘y(tǒng)客車的趨勢越來越明朗，因此有必要對混合動力客車的節(jié)能機(jī)制做深入的研究。

1 公交車工況特點(diǎn)

1.1 工況功率特點(diǎn)

通過市場調(diào)研，得到多個(gè)城市的公交車運(yùn)行工況數(shù)據(jù)。從中提取兩個(gè)特征參數(shù)車速與各車速下需求的功率，可以把公交車的工況分為兩類，以A公司為代表的P2形式和以B公司為代表的電機(jī)直驅(qū)形式，兩者的工況特點(diǎn)明顯不同，如圖1—圖2所示。

圖1 P2構(gòu)型各工況下車速與需求功率的關(guān)系

圖2 電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型各工況下車速與需求功率的關(guān)系

P2形式的工況特點(diǎn)是：驅(qū)動功率隨車速的增加而增加，制動功率也隨車速的增加而增加；20 km/h以下功率需求在60 kW以下。

分析原因：受發(fā)動機(jī)特性影響，起步階段發(fā)動機(jī)無法達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，因此功率輸出小。擋位從低速擋升到高速擋，升擋點(diǎn)越來越高，因此功率隨著車速的升高而升高。

電機(jī)直驅(qū)形式的工況特點(diǎn)是：20 km/h以下，驅(qū)動功率隨車速的增加而增加，20 km/h以上即可達(dá)到最大功率；制動功率隨車速的增加而增加。

分析原因：這種特點(diǎn)由電機(jī)外特性決定，電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速就能達(dá)到峰值功率，因此功率輸出大。

1.2 工況能量特點(diǎn)

車輛在行駛過程中，假設(shè)不考慮坡度和傳動效率損失，能量被消耗在3個(gè)方面：克服風(fēng)阻，克服滾阻，克服加速阻力。風(fēng)阻與滾阻無法回收，但加速阻力變成動能，可以回收。表1是不同工況中加速阻力能耗在總阻力能耗中的占比。

表1 各工況消耗能量統(tǒng)計(jì)

在公交車工況中，加速阻力占比很大，基本在70%左右，節(jié)能潛力巨大。

2 變速器分析

電機(jī)與發(fā)動機(jī)的特性不同，因此對變速器的需求也不同，傳統(tǒng)變速器會限制電機(jī)性能的發(fā)揮，因此由必要對變速器按電機(jī)的需求重新設(shè)計(jì)。

2.1 傳統(tǒng)變速器的作用

發(fā)動機(jī)近似于等轉(zhuǎn)矩特性，而整車對動力源的需求是等功率特性[1]，變速器的作用是將動力源的等轉(zhuǎn)矩特性變成等功率特性。擋位越高，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越低，負(fù)荷率越大，效率越高，見圖3。

圖3 發(fā)動機(jī)匹配變速器后的外特性

2.2 發(fā)動機(jī)與電機(jī)特性對比

電機(jī)的特點(diǎn)是基速以下等轉(zhuǎn)矩，基速以上等功率，基速比等于電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速比上基速，基速比一般為2～3[2]。同功率等級發(fā)動機(jī)與電機(jī)外特性對比如圖4所示，同功率等級電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩是發(fā)動機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩的2～3倍。

圖4 同功率等級發(fā)動機(jī)與電機(jī)外特性對比

電機(jī)同樣無法單獨(dú)滿足車輛的需求，需要匹配變速器。

2.3 電機(jī)對變速器需求

同功率等級的電機(jī)只需要匹配一個(gè)速比分別為2和1的兩擋變速器即可滿足車輛功率需求，如圖5所示。

圖5 電機(jī)配兩擋變速器與發(fā)動機(jī)配五擋變速器對比

3 混合動力客車節(jié)能機(jī)制

(1)取消怠速

怠速時(shí)，發(fā)動機(jī)除了為附件提供動力，不向外界輸出的驅(qū)動動力，效率是0，取消怠速可以節(jié)能。

(2)制動能量回收

傳統(tǒng)的制動過程是將車輛的動能轉(zhuǎn)換成熱能，無法再進(jìn)行利用。電機(jī)可以在制動過程中將動能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，可以重新驅(qū)動車輛。

(3)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)

發(fā)動機(jī)通過工作點(diǎn)調(diào)節(jié)雖然可以工作于高效區(qū)，但額外的機(jī)械能要經(jīng)過發(fā)電機(jī)、電池、電動機(jī)最后變成機(jī)械能，效率只有70%(=88%×95%×95%×88%)左右，發(fā)動機(jī)工作效率雖然提高，但系統(tǒng)效率是否提高應(yīng)該具體分析，如公式(1)所示

(1)

式中：P、η為原工作點(diǎn)的輸出功率和效率；P+ΔP、η+Δη分別為新工作點(diǎn)的輸出功率和效率；γ為能量二次循環(huán)效率；η′為工作點(diǎn)調(diào)節(jié)后的總體效率。

如果發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，此時(shí)輸出功率是P，則輸入的功率是P/η。此時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)到輸出功率是P+ΔP，則輸入的功率是(P+ΔP)/(η+Δη)。增加的功率ΔP要經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換再變成機(jī)械功率，因此只能輸出γ·ΔP。工作點(diǎn)調(diào)節(jié)后輸入的功率是(P+ΔP)/(η+Δη)，最終輸出的功率是P+γ·ΔP。因此要比較η與η′的大小。

CA4DK萬有特性如圖6所示。這里分別選取幾個(gè)具有代表性的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，對比發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)后總體效率的變化，如表2所示，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)并不能提高總體效率。分析原因是發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)后發(fā)動機(jī)效率提高并不能彌補(bǔ)能量二次轉(zhuǎn)換的損失。

圖6 CA4DK萬有特性

表2 發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整后效率對比

因此調(diào)節(jié)工作點(diǎn)對節(jié)油不利。

(4)發(fā)動機(jī)小型化

為滿足動力性，發(fā)動機(jī)具有較多的后備功率，這導(dǎo)致發(fā)動機(jī)日常使用區(qū)與高效區(qū)不重合。降低外特性后，發(fā)動機(jī)的高效區(qū)也隨之向低功率區(qū)移動，與日常使用區(qū)趨于重合。但是由上面的分析可知，如果過度小型化，導(dǎo)致后備功率不足，需要電機(jī)經(jīng)常助力，對經(jīng)濟(jì)性不利，如圖7所示。

(5)發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作

發(fā)動機(jī)的油耗由兩部分組成，穩(wěn)態(tài)油耗與動態(tài)油耗。穩(wěn)態(tài)油耗體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)map上，由發(fā)動機(jī)本體特性和部分控制決定。動態(tài)油耗由控制決定，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)越快，動態(tài)油耗越高。對于相同的車速變化，擋位越高對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化越小，越趨于穩(wěn)態(tài)。車輛在起步過程中，發(fā)動機(jī)的動態(tài)過程越劇烈，應(yīng)該用純電動起步。

圖7 CA4DK與CA4DH在第三、四、五擋覆蓋驅(qū)動功率的對比

4 節(jié)能措施

(1)低速純電動

低速時(shí)驅(qū)動功率需求小，如果由發(fā)動機(jī)驅(qū)動負(fù)荷率低，由電機(jī)驅(qū)動可以抵消能量二次轉(zhuǎn)換的損失，效率更高。

(2)中高速發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動

中高車速時(shí)，發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動比發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)總體效率更高。

(3)用電量盡可能等于再生制動發(fā)電量

由于發(fā)動機(jī)發(fā)電會造成總體效率降低，純電動和電動附件使用的電能盡可能來源于再生制動能量，減少發(fā)動機(jī)發(fā)電量。

(4)保證發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作

由電機(jī)提供瞬態(tài)功率需求，使發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

5 應(yīng)用

根據(jù)以上分析，把以上的混合動力節(jié)能措施應(yīng)用在第二代混合動力客車上，與B公司混合動力系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

(1)構(gòu)型

B公司構(gòu)型(見圖8)的特點(diǎn)是采用雙電機(jī)無變速器構(gòu)型，電機(jī)直接驅(qū)動車輛；缺點(diǎn)是受怠速限制，發(fā)動機(jī)只能在20 km/h以上才能驅(qū)動車輛，20 km/h以下必須純電動或串聯(lián)驅(qū)動，用電量大，對經(jīng)濟(jì)性不利。A公司二代構(gòu)型(見圖9)采用雙電機(jī)+變速器構(gòu)型，發(fā)動機(jī)可以在更低的車速下參與驅(qū)動，用電量少。

圖8 B公司構(gòu)型

圖9 A公司二代構(gòu)型

(2)性能對比

A公司二代構(gòu)型在動力性與經(jīng)濟(jì)性方面更具優(yōu)勢，仿真結(jié)果見表3。

表3 整車動力性與經(jīng)濟(jì)性對比

(3)油耗分析

以大連工況為例，對油耗進(jìn)行分析。

B公司構(gòu)型發(fā)動機(jī)在20 km/h以上才能參與驅(qū)動，A公司二代構(gòu)型的發(fā)動機(jī)在15 km/h以上參與驅(qū)動，因此把車輛消耗的總油耗按通途分解成(0～15) km/h的驅(qū)動油耗，(15～20) km/h的驅(qū)動油耗，20 km/h以上的驅(qū)動油耗，發(fā)電油耗和怠速油耗。由于(0～15) km/h兩者均為純電動，油耗為零，因此在圖10中未列出。電耗也按上述用途分解，如圖11所示，其中主電機(jī)發(fā)電代表制動能量回收。

圖10 燃油消耗分解對比

圖11 電能消耗分解對比

燃油消耗/(L·10-2 km-1)B公司A公司15～20 km/h0.004.09>20 km/h12.5713.99發(fā)電12.273.88怠速1.030.71總油耗25.8722.67

表5 電能消耗分解對比

由圖11可知，B公司構(gòu)型由于在20 km/h以下發(fā)動機(jī)無法參與直接驅(qū)動，需要純電驅(qū)動，電能需求量大，發(fā)電量也大。由于能量會有二次轉(zhuǎn)換損失，就需要消耗更多的燃油以平衡用電量，如圖10所示，因此油耗更高。

6 結(jié)論

通過以上的分析，A公司二代混合動力客車符合節(jié)能機(jī)理，在經(jīng)濟(jì)性與動力性方面有明顯的優(yōu)勢。