天然氣混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

高俊偉

摘要：在能源短缺和環(huán)境保護(hù)的雙重影響下，天然氣混合動(dòng)力汽車逐漸成為了汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。天然氣混合動(dòng)力汽車作為內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車之間的一種過渡車型，一方面繼承了傳統(tǒng)燃油汽車?yán)m(xù)航里程長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，另一方面天然氣作為一種清潔能源，混動(dòng)汽車運(yùn)行中幾乎不會(huì)排放出污染氣體。本文以天然氣混合動(dòng)力城市客車為例，分別從系統(tǒng)選型、總成匹配、仿真實(shí)驗(yàn)等方面，就動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)結(jié)果展開了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；城市客車；動(dòng)力系統(tǒng)；仿真實(shí)驗(yàn)

在天然氣混合動(dòng)力汽車研究中，汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。目前國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家的混動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中，應(yīng)用較廣的是串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，但是運(yùn)行效率較低，只適用于小型汽車，不能滿足城市客車的運(yùn)行需要。本文設(shè)計(jì)了一種單軸并聯(lián)式天然氣混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明該動(dòng)力系統(tǒng)可以滿足城市客車的道路運(yùn)行需要，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 天然氣混合動(dòng)力城市客車的分類

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力客車

現(xiàn)階段天然氣混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中，主要采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三個(gè)主要?jiǎng)恿Σ考捎么?lián)方式連接。其優(yōu)點(diǎn)是汽車運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，燃油經(jīng)濟(jì)性較高。但是動(dòng)力來源比較單一，為了保證汽車動(dòng)力系統(tǒng)獲得持續(xù)的動(dòng)力，需要增加車載電池的數(shù)量，無形中增加了成本。同時(shí)，采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力客車，在運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)能量損耗偏高的情況，限制了客車的續(xù)航里程。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力客車

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車與串聯(lián)式相比，除了主要?jiǎng)恿Σ考捎貌⒙?lián)方式連接外，還保留了傳統(tǒng)燃油機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。這樣除了由天然氣混合動(dòng)力系統(tǒng)提供直接的驅(qū)動(dòng)力外，還能夠?qū)㈦姵亟M提供的動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合，為汽車單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)力，這樣就將混合動(dòng)力汽車的續(xù)航里程大幅度延長(zhǎng)，甚至能夠達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的最大續(xù)航里程。此類汽車適合于路況較好、對(duì)行駛速度要求不高的情況，但是尾氣排放要高于串聯(lián)式混合動(dòng)力客車。

2 天然氣混合動(dòng)力城市客車的系統(tǒng)選型

2.1 電動(dòng)機(jī)型式的選擇

相比于普通的小型客車，城市客車荷載多變，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，需要滿足以下幾方面的條件：首先，電動(dòng)機(jī)能夠提供允許范圍內(nèi)的高電壓，這樣不僅可以產(chǎn)生更強(qiáng)的動(dòng)力，還能夠在一定程度上降低整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本；其次，盡量選擇輕質(zhì)、高性能的材料，例如鋁合金、不銹鋼等，減輕了電動(dòng)機(jī)和整車質(zhì)量，降低了城市客車運(yùn)行中對(duì)動(dòng)力的需求；再次，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的上下范圍要足夠大，這樣才能滿足在城市客車滿荷載的情況下，能夠順利完成加速、制動(dòng)等控制。

2.2 動(dòng)力電池組型式的選擇

目前性能較高、技術(shù)成熟的動(dòng)力電池組主要有三種：鎳氫電池的最大比功率能夠達(dá)到200w/k，保證了混合動(dòng)力城市客車能夠在加速過程中獲得足夠的動(dòng)力。并且可以支持快速充電，使用起來較為方便，對(duì)環(huán)境污染較小。鈉硫電池是現(xiàn)階段性能最高的一種新型電池，但是對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)格，例如需要工作溫度恒定在400±50℃之間，另外充電過程比較漫長(zhǎng)，不太適合城市客車的使用需求。鋰離子電池是目前在車輛動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種電池，技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，但是放電過快，持續(xù)供電能力較差。

3 天然氣混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)的總成匹配

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

3.1.1 滿足最高車速的功率需求

電動(dòng)機(jī)為汽車提供動(dòng)力，其功率參數(shù)的選擇要由汽車性能要求決定。當(dāng)汽車以最高車速行駛時(shí)，其坡度阻力和加速阻力皆為零。因此，作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)要能夠提供足夠的力來克服其行駛阻力，包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力等。

3.1.2 滿足最大爬坡度的功率需求

汽車最大爬坡度指汽車滿載時(shí)在良好路面上等速行駛能爬過的最大坡度。此時(shí)，汽車驅(qū)動(dòng)力除克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力外的剩余驅(qū)動(dòng)力全部用來克服坡度阻力，其加速度為零。

3.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和額定功率的確定

電動(dòng)機(jī)自身重量是選擇時(shí)需要考慮的因素之一，為了降低電動(dòng)機(jī)自重，可以優(yōu)先考慮鋁合金材質(zhì)的電動(dòng)機(jī)，另外在同等功率和轉(zhuǎn)速下，尺寸較小的也是優(yōu)先考慮的對(duì)象?？紤]到在整車布置方案中要采用可變速比的變速箱，為了獲得最高車速和提高電動(dòng)機(jī)的整體效率，選定電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為14000r/min，基速4000r/min。此外交流電動(dòng)機(jī)的最大功率相對(duì)于額定功率一般有1.8-22的過載能力，但是在城市客車運(yùn)行中，還要考慮到特殊路況（如爬坡、坑洼等），以及城市客車滿載、空調(diào)設(shè)備等，為此在選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和額定功率時(shí)，也要預(yù)留出一定的裕量。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在完成上述設(shè)計(jì)任務(wù)后，還需要通過仿真實(shí)驗(yàn)，在模擬公路環(huán)境下檢查天然氣混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，同時(shí)根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。本次仿真實(shí)驗(yàn)使用AVL Cruise 3.0版本，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，獲取與動(dòng)力系統(tǒng)有關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，只對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真。

5 結(jié)語

統(tǒng)計(jì)仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的天然氣混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)在最高車速、最大爬坡度等方向的性能指標(biāo)均達(dá)到了城市客車運(yùn)行需求，并且在客車運(yùn)行成本方面，也比當(dāng)前普通的內(nèi)燃機(jī)汽車低。雖然短期來看，天然氣混合動(dòng)力城市客車的成本要超出普通燃油客車，但是隨著技術(shù)的日益成熟，設(shè)計(jì)成本也會(huì)逐漸降低。此外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，混合動(dòng)力城市客車無論是從環(huán)保效益、經(jīng)濟(jì)效益方面，也具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。通過開展動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為下一步混合動(dòng)力城市客車的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷良育，張培培，趙大旭.混聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)的匹配及控制策略研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2016，22（8）：109-111.

[2]王坤俊，蔣時(shí)軍，汪偉.氣電混合動(dòng)力城市客車APU系統(tǒng)研制[C]//中國(guó)客車學(xué)術(shù)年會(huì)暨中國(guó)客車行業(yè)發(fā)展論壇.2015.

（作者單位：中國(guó)市政工程工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司新疆分公司）