混合動力客車城市行駛制動力回收分析

王清揚

貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系 貴州省貴陽市 550008

在城市中行駛的公交車，由于紅綠燈、擁堵、靠站等原因，起停多；又因其質(zhì)量大，動能較大，在制動時需要很大能量才能使其達(dá)到減速或者穩(wěn)定的目的。在傳統(tǒng)制動方式中，摩擦制動器負(fù)荷較大，使用壽命短，并伴有很大的安全隱患。因此在混合動力客車中使用再生制動技術(shù)，可以在客車制動時回收一部分汽車制動時損失的動能，實現(xiàn)的能量的最大化利用，并且降低了摩擦制動器的磨損，在節(jié)能的同時起到了保護(hù)摩擦制動器的作用[1]。

1 再生混合動力客車驅(qū)動形式的選擇

混合動力客車在城市道路行駛，須應(yīng)對較復(fù)雜的工況，如起停，坡道，怠速等。因此混合動力客車驅(qū)動結(jié)構(gòu)必須滿足復(fù)雜工況條件的需求。

并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)通過機(jī)械連接的方式直接驅(qū)動車輛；同理，電機(jī)驅(qū)動力也可以直接作用于驅(qū)動橋驅(qū)動車輛。此種結(jié)構(gòu)使客車擁有發(fā)動機(jī)驅(qū)動和電力驅(qū)動兩套驅(qū)動系統(tǒng)，兩者既可以單獨驅(qū)動輛，也可以共同驅(qū)動車輛。發(fā)動機(jī)既可以驅(qū)動車輛行駛，也可以帶動電動/發(fā)電機(jī)發(fā)電，給電池組充電。電動機(jī)既可以作為驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動客車行駛，又可以在發(fā)動機(jī)負(fù)荷較小時作為發(fā)電機(jī)為電池組充電，也可以在再生制動時作為發(fā)電機(jī)回收制動能量。在起

停頻繁或怠速時，發(fā)動機(jī)效率低，電機(jī)作為動力源單獨驅(qū)動車輛。而在功率需求較大時與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動車輛，提升整車動力性能[2]。因此本文選擇并聯(lián)結(jié)構(gòu)為插電式混合動力客車的動力結(jié)構(gòu)。圖1為并聯(lián)式混合動力客車動力總成結(jié)構(gòu)示意圖。大能量回收策略效率較高，本文選擇最大能量回收策略作為制動力分配策略[3]。

由于ADVISOR中汽車制動時對路面附著系數(shù)沒有要求，因此本文將只針對制動強(qiáng)度進(jìn)行制動力分配策略研究[4]。

再生制動力分配策略在ADVISOR中的實現(xiàn)如圖2所示。

2 制動控制策略

混合動力城市客車中，再生制動力分配策略主要分為三種：理想能量回收策略；比例分配能量回收策略和最大能量回收策略。最大能量回收策略是三種常見能量回收策略中效率最高的一種，它不僅參考了理想制動力分配I曲線，同時考慮到了實際行駛中的另一條曲線：最小后輪制動力M曲線，因此最

3 工況選擇及仿真

我國城市道路交通復(fù)雜，擁堵程度高，起停多。城市公交車有嚴(yán)格的速度限制，速度不得大于69km/h，單程行駛距離多在15—20公里。因此本文選擇印第安納城市工況，如圖3所示[5][6]。

在此工況中，行駛時間為2689秒，行駛距離為17.49km，最高車速62.56km/h，平均車速23.41km/h，停車達(dá)52次，最大制動減速度2.1m/s2，平均每336米就要停車一次。

圖1 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)動力總成圖

3.1 單次循環(huán)工況的仿真分析

將前文建立的混合動力城市客車模型在ADVISOR中進(jìn)行仿真分析，運行印第安納城市工況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 單次循環(huán)仿真結(jié)果

如圖所示為試驗車型在一個工況循環(huán)內(nèi)的運行參數(shù)，自上而下為車速曲線，SOC變化曲線，制動能量損失情況曲線和電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線。由電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，在汽車行駛時，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，作為驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動汽車行駛，轉(zhuǎn)矩為正；在制動時，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，回收制動能量，因此轉(zhuǎn)矩為負(fù)。

由圖可以看出，再生制動系統(tǒng)在客車制動時，通過電機(jī)的發(fā)電，，將動能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)，為電池組進(jìn)行充電，電池組SOC值有明顯上升。而在制動減速度較大時，因為電機(jī)轉(zhuǎn)矩范圍的限制，回收能量有限，摩擦制動逐步增大，制動損失能量增多。

在單次循環(huán)工況中，油耗為37.8L/100km，再生制動回收能量40742kJ，制動損失能量25578kJ，制動回收效率61.42%。

3.2 兩次循環(huán)工況的仿真分析

在印第安納城市工況下進(jìn)行兩次循環(huán)工況仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

在此工況循環(huán)中，電池組SOC曲線趨于平穩(wěn)，再生制動能量通過再生制動系統(tǒng)不斷給電池組進(jìn)行充電，使SOC值維持在高效狀態(tài)，在此循環(huán)中，油耗為38.7L/100km，再生制動能量回收81296kJ，制動能量損失55339kJ，再生制動回收效率59.50%。

3.3 五次循環(huán)工況的仿真分析

在印第安納城市工況下進(jìn)行五次循環(huán)工況仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

在五次循環(huán)工況中，油耗為4 0.6 L/1 0 0 k m，再生制動回收能量203270kJ，制動損失能量133681kJ，制動回收效率57.65%。

圖5 兩次循環(huán)工況仿真結(jié)果

4 結(jié)語

單次，兩次，五次循環(huán)工況參數(shù)如表1所示。

由結(jié)果可以看出，單次循環(huán)工況客車運行情況最好，兩次循環(huán)工況的油耗比單次循環(huán)工況上升了1.2L/100km，主要原因是在長距離行駛時，為了保持電池組SOC值處于較好狀態(tài)，發(fā)動機(jī)在負(fù)荷較小時不斷對電池組進(jìn)行充電，因此油耗有所上升。再生制動效率小幅下降，原因是在長距離行駛時，再生制動系統(tǒng)工作導(dǎo)致制動系統(tǒng)溫度升高，制動熱衰退現(xiàn)象較單次工況更加明顯，制動回收效率下降。而在五次循環(huán)工況中仿真中，城市客車油耗進(jìn)一步上升，再生制動能量回收效率也有明顯下降，再次證明發(fā)動機(jī)為保證SOC處于較好狀態(tài)，對電池組充電不斷增大，油耗上升；以及在長距離行駛時，制動系統(tǒng)不斷工作導(dǎo)致的制動熱衰退現(xiàn)象，會使再生制動能量回收效率下降。

表1 三種工況循環(huán)參數(shù)