公鐵兩用混合動力牽引車動力參數(shù)匹配與仿真

駱?biāo)鼐?，孫 燕，朱詩順

(1.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161)

動力系統(tǒng)是車輛的“心臟”，所以，動力系統(tǒng)設(shè)計得好壞直接影響車輛的性能?；旌蟿恿囕v有2 個“心臟”。如何合理地利用2 個動力源，減少兩者之間的沖突，更好地發(fā)揮雙動力源的優(yōu)越性，是混合動力系統(tǒng)設(shè)計需要解決的主要問題?；旌蟿恿ο到y(tǒng)參數(shù)匹配對整車的動力性、經(jīng)濟性和排放性均有顯著影響，直接關(guān)系到混合動力汽車能否達到節(jié)能和環(huán)保的要求。通過對混合動力系統(tǒng)優(yōu)化控制，可使發(fā)動機、電動機和蓄電池保持在最佳經(jīng)濟區(qū)運行，并實現(xiàn)再生制動能量回收，提高整車的能量利用率。

目前的參數(shù)匹配研究多集中在輕型轎車和公交客車上［1-3］，認為:并聯(lián)式轎車中發(fā)動機和電動機的功率匹配原則，是由發(fā)動機提供車輛平均行駛功率，由電動機提供峰值功率［2］;大型公交車中發(fā)電機和蓄電池組的功率匹配應(yīng)基于循環(huán)工況，電動機的匹配應(yīng)基于加速需求的匹配原則［3］。而對公鐵兩用牽引車混合動力系統(tǒng)功率匹配的研究還鮮有報道。基于此，本文以某型傳統(tǒng)牽引車為原型，在對其動力系統(tǒng)進行改造、重新匹配的基礎(chǔ)上，擬開發(fā)一款適合場地貨運等特定工作環(huán)境的混合動力牽引車，并建立混合動力系統(tǒng)的整車驅(qū)動模型。采用ADVISOR 仿真軟件對其進行性能仿真、分析，以達到整車動力性不降低前提下，燃油經(jīng)濟性有較大幅度提高的設(shè)計目標(biāo)。

1 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的公鐵兩用混合動力牽引車的驅(qū)動系統(tǒng)為并聯(lián)式(如圖1 所示)，包括發(fā)動機、集成啟動發(fā)電機(integrated starter and generator，ISG)、電控離合器、電控機械式自動變速器(AMT)、驅(qū)動電動機和蓄電池組成的儲能系統(tǒng)。整車控制器(hybrid control unit，HCU)一方面通過總線CAN 與發(fā)動機控制器(ECM)和AMT 控制器(TCU)進行通信，另一方面通過總線CAN 與ISG 控制器(ISGC)、驅(qū)動電動機控制器(DMC)和電能管理單元(EEMU)進行通信。

圖1 并聯(lián)式簡圖

牽引車由并聯(lián)式混合動力裝置的發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動。發(fā)動機與電動機分屬2 套系統(tǒng)，可以分別獨立地向車輛傳動系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩，在不同工況下既可以共同驅(qū)動又可以單獨驅(qū)動。當(dāng)車輛負荷較大或在有一定坡度的軌道上作業(yè)時，電動機和發(fā)動機能夠同時向傳動機構(gòu)提供動力;當(dāng)車輛在空曠的開闊地作業(yè)、動力系統(tǒng)負荷不高時，可單獨依靠發(fā)動機維持作業(yè)，并可以同時為蓄電池組充電;當(dāng)車輛在隧道或山洞作業(yè)時，利用蓄電池組單獨工作，實現(xiàn)零排放。由于發(fā)動機可以直接通過傳動機構(gòu)驅(qū)動車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)，機械效率損耗與普通牽引車差不多。

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)仿真建模

公鐵兩用混合動力牽引車仿真系統(tǒng)由發(fā)動機模塊、永磁電動機模塊、蓄電池組模塊、車身模塊、傳動部分模塊、電子電器模塊和車輪模塊等組成，仿真軟件采用ADVISOR 2002，其仿真頂層模塊如圖2 所示。本文模型是對ADVISOR 進行二次開發(fā)，由軟件本身單軸驅(qū)動改為多軸驅(qū)動模型。

圖2 仿真系統(tǒng)頂層模塊

通過對我國鐵路調(diào)車現(xiàn)狀的調(diào)研和分析，結(jié)合我國現(xiàn)有公鐵兩用車的設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)制造現(xiàn)狀，充分考慮鐵路調(diào)車作業(yè)所存在的問題，在設(shè)計該型公鐵兩用軌道混合動力牽引車時，動力系統(tǒng)采用模塊化混合動力分時驅(qū)動系統(tǒng)，即在平時采用單軸或部分驅(qū)動軸驅(qū)動，而在特殊作業(yè)時則利用具有標(biāo)準(zhǔn)接口的模塊化混合動力總成部件對車輛進行升級，使公鐵兩用牽引車實現(xiàn)多軸或全輪驅(qū)動，全面提高牽引車的性能。模塊化總成部件包括發(fā)電機、電動機以及蓄電池組。這種模塊化設(shè)計概念，可根據(jù)驅(qū)動要求快速高效地增減驅(qū)動能力，既能滿足公鐵兩用牽引車在各種使用環(huán)境下的性能要求，解決平時大馬拉小車的現(xiàn)象，又可以避免傳統(tǒng)民用混合動力車輛的設(shè)計方式，每天載著質(zhì)量幾百千克的混合動力附件運行。

2 參數(shù)匹配

2.1 動力性能評價指標(biāo)

混合動力牽引車的動力性能主要以車輛的最高速度、最大爬坡度和最大牽引力等3 個指標(biāo)綜合評價。另外，混合動力牽引車還要具有一定的純電動作用能力，即在隧道或排放要求高的環(huán)境中作用時，牽引車要關(guān)閉發(fā)動機，由蓄電池組單獨供電作業(yè)，其純電動續(xù)駛里程要大于或等于隧道的縱深。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.2.1 發(fā)動機參數(shù)的確定

公鐵兩用混合動力牽引車動力總成參數(shù)確定的基本原則是:發(fā)動機功率需滿足牽引動力需求，即以最大牽引力Fmax和允許的最小穩(wěn)定車速Vmin行駛時的所需功率為電動機最大輸出功率。

車輛行駛所需要的最大功率為

其中

式中:P1為車輛行駛所需要的最大功率，kW;Ff為滾動阻力，N;Fw為空氣阻力，N;Ft為掛鉤牽引力，N;f為滾動阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積，即車輛行駛方向的投影面積，m2;Gc為牽引貨物的質(zhì)量，包括拖車，t;Gp為牽引車的自身質(zhì)量，t。

因此，發(fā)動機應(yīng)提供的最大功率可由式(1)和式(2)確定，即

式中ηT為整車傳動效率。

2.2.2 電動機參數(shù)的確定

電動機參數(shù)包括電動機額定功率Pe、電動機最大功率Pm、電動機額定轉(zhuǎn)速Ne、電動機最大轉(zhuǎn)速Nm、電動機額定轉(zhuǎn)矩Te、電動機最大轉(zhuǎn)矩Tm和過載系數(shù)λ。

公鐵兩用混合動力牽引車的電動機功率主要用于車輛在山洞或碼頭地域無排放作業(yè)，另外對車輛加速和爬坡進行動力輔助。電動機額定功率和額定轉(zhuǎn)矩以給定車速和最大牽引質(zhì)量下牽引車純電動工作里程，通過式(3)、(4)確定。

電動機的過載系數(shù)λ 是電動機的一個重要參數(shù)，由電動機類型和生產(chǎn)廠家的技術(shù)能力決定。電動機較大的過載系數(shù)能使混合動力車輛的動力性提升一大步。

2.2.3 蓄電池參數(shù)的確定

目前國內(nèi)動力蓄電池中，鋰離子蓄電池相比其他蓄電池的物理和化學(xué)特性更勝一籌，產(chǎn)品已經(jīng)成功地運用到電動客車及其他一些民用電動車輛上。因此，在混合動力牽引車上也可采用鋰離子動力蓄電池［4］。

(1)蓄電池個數(shù)的選擇。根據(jù)整車電壓需求，蓄電池個數(shù)ns定為

式中:U為蓄電池組端電壓;U0為單個蓄電池端電壓。

(2)蓄電池功率的選擇。在某些情況下，混合動力牽引車需要蓄電池具有很大的放電功率，但持續(xù)時間很短，放出的電量很少。鋰離子蓄電池可以以倍率電流放電，其輸出功率為

式中:Uc為倍率放電時蓄電池組端電壓;Ic為倍率放電電流。

(3)蓄電池容量的選擇。具有一定的純電動作業(yè)里程，可以大大提高公鐵兩用混合動力牽引車的環(huán)境適應(yīng)能力。在牽引車上裝備具有一定容量的蓄電池組，是很有必要的。但蓄電池組容量越大，質(zhì)量也相應(yīng)增加，這樣會影響整車的動力性。因此，選擇合適的蓄電池容量，對混合動力牽引車具有重要意義。

按功率需求選擇蓄電池容量為

式中:C為蓄電池組的最大放電倍率;uc為單個蓄電池倍率放電時的端電壓;η 為放電比率。

按能量需求選擇蓄電池容量為

式中:W為純電動行駛所需總電能;soc為蓄電池組放電深度;u0為單個蓄電池的端電壓。

最終，蓄電池容量Qm為

3 性能仿真

3.1 仿真參數(shù)

在參數(shù)匹配計算中，牽引質(zhì)量2 200 t，車輛自身質(zhì)量10 t，坡度30%，最小速度10 km/h，傳動效率ηT=0.9，滾動阻力系數(shù)f=0.013，空氣阻力系數(shù)CD=0.58，迎風(fēng)面積A=6 m2，純電動行駛里程為20 km。由式(1)—(9)得各部件參數(shù)見表1。

表1 公鐵兩用混合動力牽引車總成部件參數(shù)

仿真參數(shù)見表1，仿真工況為UDDS 循環(huán)工況(如圖3 所示)。

圖3 UDDS 循環(huán)工況

3.2 仿真結(jié)果與分析

將該車仿真參數(shù)輸入到圖4 所示的用戶界面，運行軟件［5-6］，最終得到電動機工作狀態(tài)(如圖5 所示)和仿真結(jié)果(見表2)。

圖4 ADVISOR 用戶輸入界面

圖5 電動機工作狀態(tài)

表2 仿真結(jié)果

圖5 顯示了電動機的工作點，可以看出電動機工作在最高效率曲線附近，說明了速比控制的合理性。由于混合動力牽引車為弱混合形式，從圖5可知，電動機的轉(zhuǎn)矩變化范圍不大，只是起能量輔助作用或進行短距離純電動運行。表2 為性能仿真結(jié)果，該數(shù)據(jù)可為臺架實驗結(jié)果提供參考。

4 結(jié) 論

(1)該設(shè)計不僅滿足車輛的動力性需求，而且在牽引車正常工作過程中，蓄電池的soc值始終保持在設(shè)定的合理范圍內(nèi)。

(2)電動機在合理工作區(qū)工作，發(fā)動機工作在高效區(qū)域附近，尾氣排放控制在國家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

(3)動力系統(tǒng)匹配結(jié)果達到了預(yù)設(shè)的目標(biāo)，能夠應(yīng)用到實車改造。

［1］ Yimin G，Mehrdad E. Parametric design of the traction motor and energy storage for series hybrid off-road and military vehicles［J］. IEEE Transaction on Power Electronics，2006，21(3):749-755.

［2］ 王慶年，何洪文，李幼德. 并聯(lián)混合動力汽車傳動系參數(shù)匹配［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2000，30(1):72-75.

［3］ Niasar A H，Moghbelli H，Vahedi A. Design methodology of drive train for a series-parallel hybrid electric vehicle (SP-HEV)and its power flow control strategy［J］. IEEE，2005:1549-1553.

［4］ 孫燕，朱詩順.基于某型高機動越野車的混合動力改造研究［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報，2012，14(5):58-61.

［5］ 李騰騰，秦孔建，高俊華，等.并聯(lián)混合動力客車等效燃油經(jīng)濟性分析［J］.汽車工程，2012 ，34(4):297-300.

［6］ 牛晶，逯玉林.并聯(lián)式混合動力汽車能量控制系統(tǒng)仿真研究［J］.公路與汽運，2011(6):14-18.