混合動(dòng)力攪拌車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真

王魯閩，武濤，繆雪龍

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

混凝土攪拌車是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要專用作業(yè)車型，應(yīng)用范圍非常廣泛。傳統(tǒng)的燃油動(dòng)力攪拌車通常存在燃油利用率低、排放性差等問(wèn)題。由于工作工況不斷變化，攪拌車柴油機(jī)高熱效率的優(yōu)點(diǎn)無(wú)法得到充分發(fā)揮。隨著節(jié)能減排需求的不斷加大，新能源攪拌車的動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)廣受關(guān)注。

目前，純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)不夠成熟，電池的物理特性使得純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程短、成本高、電池質(zhì)量大的缺點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)難以克服。混合動(dòng)力主要包括并聯(lián)式、混聯(lián)式和串聯(lián)式3 種。其中，串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域較為穩(wěn)定高效，運(yùn)行平穩(wěn)，有較好的節(jié)能減排效果[1-9]，與其他混合動(dòng)力模式相比，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于新能源攪拌車的開發(fā)是一種可行性較高的技術(shù)路線。

本文以某型柴油動(dòng)力攪拌車為研究對(duì)象，計(jì)算設(shè)計(jì)了串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)在AVL/Cruise軟件中建立整車模型，對(duì)攪拌車用戶工作工況下的能量消耗進(jìn)行了仿真研究。

1 混合動(dòng)力攪拌車模型建立

1.1 原柴油動(dòng)力攪拌車簡(jiǎn)介

本文研究對(duì)象為一款柴油動(dòng)力攪拌車，其主要性能如表1 所示。

表1 攪拌車主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of mixer truck

現(xiàn)有柴油攪拌車的主要?jiǎng)恿鬟f路徑分為兩路，一路傳遞到車輪：發(fā)動(dòng)機(jī)→離合器→變速器→主減速器→車輪；另一路傳遞到攪拌筒體：發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪取力器→傳動(dòng)軸→液壓泵→液壓馬達(dá)→減速機(jī)→筒體。攪拌車的一個(gè)作業(yè)周期是從裝料、運(yùn)輸、攪拌到卸料，在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中車輛的運(yùn)行速度不高，有較多停車及怠速情況，在此過(guò)程中攪拌筒是連續(xù)工作的。

由此可知，攪拌車工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作工況相對(duì)在低速低負(fù)荷區(qū)域，特別在停車等待階段，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率低、排放指標(biāo)也不佳。為降低燃油消耗以及排放，擬將該款柴油動(dòng)力攪拌車改造成混合動(dòng)力攪拌車。

為該車設(shè)計(jì)混合動(dòng)力系統(tǒng)滿足的動(dòng)力性要求如表2 所示。

表2 攪拌車性能要求Tab.2 Performance requirements for mixer truck

1.2 混合動(dòng)力攪拌車關(guān)鍵動(dòng)力部件選型與匹配

1.2.1 總體要求

對(duì)該柴油動(dòng)力攪拌車進(jìn)行混合動(dòng)力改造的技術(shù)路線如下：采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪及攪拌筒，電能來(lái)自動(dòng)力電池或是發(fā)電機(jī)；采用發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)組成的輔助動(dòng)力裝置，在需要時(shí)啟動(dòng)發(fā)電給驅(qū)動(dòng)電機(jī)或給動(dòng)力電池充電，保證攪拌車動(dòng)力需求。在新的攪拌車方案中，車輛前進(jìn)的動(dòng)力和攪拌筒轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩均由各自的電機(jī)提供，發(fā)動(dòng)機(jī)只負(fù)責(zé)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪、攪拌筒動(dòng)力的全部解耦。最終動(dòng)力傳遞路徑如圖1 所示。

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪和攪拌筒，可以做到零燃油消耗，并且實(shí)現(xiàn)零排放。采用發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電，用做電機(jī)的電能，滿足整車?yán)m(xù)航里程以及整車等待時(shí)刻電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌筒的電能需求，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電工況設(shè)定在高效低排放工作區(qū)，進(jìn)一步降低燃油耗以及排放。

為滿足攪拌車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，需對(duì)其主要部件進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。

1.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與車輛的動(dòng)力性指標(biāo)密切相關(guān)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率主要受最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度影響，需要滿足這3 個(gè)重要指標(biāo)。

車輛在最高車速行駛時(shí)，主要受到的阻力為滾動(dòng)阻力和空氣阻力，所需驅(qū)動(dòng)功率由式（1）得出[10]：

式中：ηt——傳動(dòng)系效率；vmax——最高車速，m/s；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD——空氣阻力系數(shù)；A——車輛迎風(fēng)面積，m2。代入車輛參數(shù)計(jì)算得到P1=163 kW。

車輛加速時(shí)所需驅(qū)動(dòng)功率由式（2）得出[11]：

式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；ta——加速時(shí)間，s；vf——加速結(jié)束的最終車速，m/s；vb——驅(qū)動(dòng)電機(jī)基速對(duì)應(yīng)的車速，m/s；ρ——空氣密度，kg/m3。

在選型計(jì)算階段先假設(shè)δ=1.2，vb=50 km/h（換算為13.89 m/s），vf換算為25 m/s，取空氣密度ρ=1.226 kg/m3。代入車輛參數(shù)計(jì)算得到P2=314 kW。

車輛在爬坡行駛時(shí)，車速較低，主要受滾動(dòng)阻力和坡度阻力影響，所需驅(qū)動(dòng)功率由式（3）得出：

式中：vp——爬坡時(shí)的車速；α——坡度角，°。由爬坡度i=20%得到αmax=11.3°，將車輛參數(shù)代入計(jì)算得到P3=288 kW。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率滿足

經(jīng)比較，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率應(yīng)不小于314 kW。

最終選擇了一型永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其最高轉(zhuǎn)速為14 000 r/min，基速為3 000 r/min，峰值扭矩為800 N·m，峰值功率為320 kW，額定功率為210 kW。

1.2.3 傳動(dòng)比

對(duì)車輛而言，其傳動(dòng)比的選擇應(yīng)使最小傳動(dòng)比滿足最高車速行駛的要求，最大傳動(dòng)比滿足最大爬坡度行駛的要求。為滿足最高車速要求，傳動(dòng)比應(yīng)滿足式（5）：

式中：imin——傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比；r ——車輪滾動(dòng)半徑，m；nmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；vmax——最高車速，km/h。代入?yún)?shù)計(jì)算得到imin≤22.87。

為滿足最大爬坡度要求，傳動(dòng)比應(yīng)滿足式（6）：

式中：imax——傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比；Tmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩，N·m；ηm——驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率，取0.9。代入?yún)?shù)計(jì)算得到imax≥39.4。

傳動(dòng)比應(yīng)盡量滿足車輛使用中驅(qū)動(dòng)電機(jī)能工作在高效區(qū)域，經(jīng)過(guò)選擇，取車輛的行駛傳動(dòng)比為10.8，爬坡傳動(dòng)比為39.5。

1.2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)

為減少開發(fā)成本，節(jié)約開發(fā)時(shí)間，本文并未選用新的發(fā)動(dòng)機(jī)，而是繼續(xù)使用原攪拌車熱效率較高的9.8 L 發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇高效點(diǎn)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，以充分發(fā)揮高熱效率的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)電功率應(yīng)滿足車輛以最高車速勻速行駛時(shí)的功率，計(jì)算可得功率應(yīng)不小于163 kW。

柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速為700～2 300 r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，工作高效區(qū)間也較高，為使發(fā)電能達(dá)到較高的效率，經(jīng)過(guò)選型比較，在發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間設(shè)置了一個(gè)傳動(dòng)比為1∶5 的變速器，讓發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)都能在高效工作區(qū)間運(yùn)行。對(duì)應(yīng)的，選擇了一型額定功率為170 kW、峰值功率為270 kW、最大轉(zhuǎn)速為12 000 r/min 的永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)。

1.2.5 動(dòng)力電池組

動(dòng)力電池能量應(yīng)滿足

式中：E——電池電量，kW·h；P——電池最大放電功率，kW；C——放電倍率，h-1，此處取C=13 h-1。計(jì)算得到E ≥25.4 kW·h。

最終選擇了一型磷酸鐵鋰電池作為車輛的動(dòng)力電池組，電壓為530 V，容量為50 A·h，總能量為26.5 kW·h。

1.2.6 攪拌電機(jī)

攪拌車攪拌罐驅(qū)動(dòng)扭矩經(jīng)驗(yàn)公式[12]：

式中：M——攪拌筒驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；V——攪拌筒裝載容量，m3。將攪拌筒容積代入式（8）計(jì)算得到M=26 778.4 N·m。

經(jīng)對(duì)比選擇，選取減速器減速比為1∶132，選擇一型額定功率為27 kW、額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min的電機(jī)作為攪拌筒電機(jī)。

1.2.7 混合動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件匯總

最終得到的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)如表3 所示。

表3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匯總Tab.3 Power system parameters summary

1.3 混合動(dòng)力攪拌車性能仿真模型建立

基于AVL/Cruise 建立整車模型。利用軟件自帶的部件模型進(jìn)行建模，設(shè)定車輛各部件，并建立部件間的機(jī)械、電氣、信號(hào)連接，設(shè)定車輛的控制模塊。最終建立的車輛模型如圖2 所示。

為簡(jiǎn)化模型，將攪拌筒的驅(qū)動(dòng)電機(jī)簡(jiǎn)化為一電力消耗模塊，功率為27 kW。

2 能量控制策略

2.1 能量管理策略

仿真中，車輛起步階段先使用電池中的電能驅(qū)動(dòng)車輛行駛，當(dāng)電池SOC 下降到設(shè)定的下限閾值30%后，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，SOC 上升至60%后關(guān)閉，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定工作，并保持電池不過(guò)度充放電，以至于損傷電池壽命。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)控制策略

本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)控制策略，發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性如圖3 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率較高的轉(zhuǎn)速1 300 r/min、扭矩1 200 N·m 處，在該工作點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗低于188 g/(kW·h)。經(jīng)增速對(duì)應(yīng)的永磁同步發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為6 500 r/min，功率為163 kW，在此工作點(diǎn)，電機(jī)效率高于95%，處于高效工作區(qū)間。

3 性能仿真及結(jié)果分析

3.1 動(dòng)力性檢驗(yàn)

在車輛半載、平直路面行駛條件下，進(jìn)行車輛的最大加速性能仿真檢驗(yàn)。加速性能曲線如圖4 所示。由仿真數(shù)據(jù)可得，車輛0～90 km/h 加速時(shí)間為39 s，加速性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的動(dòng)力性指標(biāo)。加速期間速度曲線平穩(wěn)，動(dòng)力輸出穩(wěn)定，無(wú)顯著波動(dòng)。

在平直路面行駛條件下，仿真得到攪拌車?yán)碚撟罡哕囁贋?43 km/h，達(dá)到最高車速大于96 km/h的設(shè)計(jì)要求，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為8 032 r/min。

對(duì)爬坡性能進(jìn)行仿真，爬坡度曲線如圖5 所示。得到車速為20 km/h 時(shí)最大爬坡度為22.7%，大于設(shè)計(jì)要求的20%，滿足了動(dòng)力性指標(biāo)。

3.2 工作循環(huán)

在C-WTVC 循環(huán)下檢驗(yàn)車輛的經(jīng)濟(jì)性。C-WTVC 循環(huán)是中國(guó)對(duì)重型商用車燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)[13]，在WTVC 循環(huán)基礎(chǔ)上進(jìn)行加速度調(diào)整得到的循環(huán)，由市區(qū)循環(huán)（900 s）、公路循環(huán)（468 s）和高速循環(huán)（432 s）3 部分組成，如圖6 所示。它能較好地反映重型商用車在實(shí)際工作中的路況和油耗情況。

3.3 經(jīng)濟(jì)性仿真

使用Cruise 軟件對(duì)模型在C-WTVC 循環(huán)工況下仿真，設(shè)定電池初始SOC 為90%。攪拌車工作循環(huán)中，攪拌筒裝載工作容積的混凝土并保持工作狀態(tài)。最終得到了合動(dòng)力攪拌車模型的工作情況。

在C-WTVC 循環(huán)工況下車輛電池參數(shù)的變化情況和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況分別如圖7和圖8所示。車輛啟動(dòng)后，先進(jìn)入純電行駛階段，此期間僅消耗電池內(nèi)部的電能。當(dāng)電池SOC 下降至30%后，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)啟動(dòng)；SOC 上升到60%后關(guān)閉，使SOC 維持在30%～60%，車輛工作情況符合預(yù)期。

整個(gè)循環(huán)中，車輛百公里油耗為41.4 L/100 km。相比之下，原型柴油動(dòng)力攪拌車的C-WTVC 循環(huán)百公里油耗為52.4 L/100 km，車輛更改為混合動(dòng)力后節(jié)油效果達(dá)到21.4%。

4 結(jié)論

為了滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能減排要求，本文對(duì)某柴油動(dòng)力攪拌車進(jìn)行了混合動(dòng)力改造，首先對(duì)混合動(dòng)力攪拌車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)與選型匹配，隨后使用Cruise 軟件建立整車性能仿真模型，對(duì)其動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真分析，主要結(jié)論如下：

（1）混合動(dòng)力攪拌車的動(dòng)力系統(tǒng)能滿足車輛的動(dòng)力性要求；（2）以車輛滿載且攪拌筒持續(xù)工作為前提，在C-WTVC 循環(huán)下得到了車輛的經(jīng)濟(jì)性，串聯(lián)式混合動(dòng)力攪拌車相比原型柴油動(dòng)力攪拌車節(jié)油率達(dá)到21.4%。

下一步擬采用小排量柴油機(jī)替代現(xiàn)有柴油機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化匹配降低整車油耗，并降低攪拌車成本。