基于混合度的氣電混合動(dòng)力客車動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)

吳海波，李惠林，李 歡，何 鋒，李一鳴

（貴州大學(xué) 機(jī)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(shí)排放大量尾氣，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，混合動(dòng)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]。混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)直接影響客車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，混合度反應(yīng)了兩種動(dòng)力源的功率組合與分配比例，因此，混合度的設(shè)計(jì)是混合動(dòng)力客車動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[2,3]。混合度H是指電系統(tǒng)功率占動(dòng)力源總功率的百分比，根據(jù)混合度大小，混合動(dòng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混合度開展了一系列研究：Atwood Paul等針對(duì)大型混合動(dòng)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(duì)車輛性能影響，針對(duì)混合動(dòng)力客車動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行匹配[7]。

本文針對(duì)并聯(lián)式LNG/電混合動(dòng)力城市客車的混合度展開研究，在滿設(shè)計(jì)要求的前提下，綜合考慮車輛的動(dòng)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(duì)LNG/電混合動(dòng)力城市客車的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 整車參數(shù)與設(shè)計(jì)要求

某型號(hào)氣電混合動(dòng)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(dòng)機(jī)燃料，參考同類型傳統(tǒng)LNG客車的整車參數(shù)和動(dòng)力性能標(biāo)準(zhǔn)，確定某型號(hào)氣電混合動(dòng)力客車的整車參數(shù)與動(dòng)力性能要求如表1所示。

表1 整車參數(shù)與動(dòng)力性能要求

2 氣電混合動(dòng)力客車動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 混合動(dòng)力客車功率需求

汽車行駛需求的總功率等于機(jī)械傳動(dòng)損失與全部運(yùn)動(dòng)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(shí)間三個(gè)動(dòng)力性指標(biāo)考慮，得出混合動(dòng)力城市客車的功率需求P1、P2、P3。從滿足混合動(dòng)力城市客車動(dòng)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(hào)混合動(dòng)力城市客車的整車參數(shù)和動(dòng)力性能要求，通過式(1)計(jì)算得出：最高車速條件下需求功率73.51kW，爬坡性能的設(shè)計(jì)要求有兩個(gè)，分別為123.9kW和47.61kW，滿足客車加速性能需要功率為152.33kW?？紤]到換擋延遲時(shí)間和需要留有一定的后備功率（約20%），因此，混合動(dòng)力城市客車需求總功率為185kW。

2.2 混合度邊界條件設(shè)計(jì)

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

其中：Pm、Pe為混合動(dòng)力客車電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，kW。

由于電機(jī)的峰值功率隨持續(xù)時(shí)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(duì)于并聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車，混合度最大邊界值條件的確定是在動(dòng)力源總功率一定的前提下發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇最小值時(shí)的混合度，發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇最小值時(shí)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(jì)算，得出該型號(hào)混合動(dòng)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(dòng)機(jī)功率需選擇二者中的最大值。因此，根據(jù)公式(2)計(jì)算，該型號(hào)混合動(dòng)力城市客車的混合度最大邊界值條件為33%。

混合動(dòng)力城市客車混合度的最小邊界值條件由電機(jī)的最小功率來決定，但需要滿足瞬態(tài)功率需求：?jiǎn)为?dú)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力；在坡道上單獨(dú)啟動(dòng)整車，并達(dá)到規(guī)定車速要求。坡道啟動(dòng)整車可以按照式(1)計(jì)算，電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需功率如式(3)所示。

經(jīng)過計(jì)算得，單獨(dú)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需求的電機(jī)功率為25kW，坡道起步所需的電機(jī)功率為35.7kW。為滿足瞬態(tài)功率需求，電機(jī)功率選取二者中最大值。因此根據(jù)公式(2)，該型號(hào)混合動(dòng)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(guó)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(hào)并聯(lián)式氣電混合動(dòng)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(dòng)力城市客車模型，根據(jù)GB/T19754-2005，建立的中國(guó)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(duì)混合動(dòng)力客車的動(dòng)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(shí)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(guó)標(biāo)規(guī)定城市客車設(shè)計(jì)中最高車速不高于70km/h，所以在混合度選取中對(duì)最高車速不予考慮。

圖2 混合度-加速時(shí)間-爬坡性能曲線

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

圖3可見，隨著混合度的增加混合動(dòng)力客車的節(jié)氣率也隨之上升，根據(jù)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)功率與整車價(jià)格基本符合線性關(guān)系，選用的電機(jī)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(dòng)力性能、節(jié)氣率和整車成本，該型號(hào)混合動(dòng)力客車的混合度選取為26%。該型號(hào)并聯(lián)式氣電混合動(dòng)力城市客車的動(dòng)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(dòng)機(jī)功率為137kW，電機(jī)功率為48kW。

3 氣電混合動(dòng)力城市客車實(shí)車試驗(yàn)

在實(shí)際公交工況循環(huán)下，對(duì)試驗(yàn)樣車進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)選取車型相同、動(dòng)力源總功率相似的LNG城市客車作為參照。采用公交線路運(yùn)行對(duì)比的試驗(yàn)方法，采集兩種城市客車在相同公交路線上的運(yùn)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(dòng)力城市客車與LNG燃料城市客車在A、B兩條公交線路中運(yùn)行，通過監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄、匯總，結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)際公交工況行駛試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表4中可以看出，氣電混合動(dòng)力城市客車在公交線路A上行駛時(shí)節(jié)氣率略有降低，在公交線路B上行駛時(shí)其節(jié)氣率與仿真結(jié)果相近。考慮到公交線路A上坡道較多，而公交線路B與我國(guó)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(duì)城市客車進(jìn)行動(dòng)力參數(shù)匹配。

4 結(jié)論

針對(duì)汽車尾氣排放對(duì)空氣污染日益嚴(yán)重的局面，根據(jù)某型號(hào)并聯(lián)氣電混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力性能設(shè)計(jì)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(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，選取最佳混合度，完成動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)。最后在某山區(qū)城市開展實(shí)車測(cè)試，結(jié)果表明，在滿足動(dòng)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(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)是可行的。

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