通過增加儲能裝置改善傳統(tǒng)重型汽車的電力供應(yīng)

關(guān)鍵詞：重型汽車；電力供應(yīng)；儲能裝置；優(yōu)化改善

0前言

傳統(tǒng)重型汽車拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電為車載蓄電池和相關(guān)負(fù)載提供電能，同時(shí)由12 V 或24 V 蓄電池組組成的車載電源系統(tǒng)提供車輛負(fù)載所需能源。近年來，重型汽車出現(xiàn)的駕駛室生活艙化［1］，以及駐車場景的重新定義帶來越來越多的大功率負(fù)載應(yīng)用，進(jìn)而對供電需求越來越多，電源系統(tǒng)供電能力的不足日益明顯。容量有限的蓄電池/組（如常見的鉛酸蓄電池）無論在能量的深度或廣度上都難以滿足需求，且不可避免的深度放電會(huì)造成電池不可逆的損壞［2］。

研究發(fā)現(xiàn)，增加1 套儲能裝置可以很好地解決以上問題，既增加了能量深度，即可長時(shí)間放電延長駐車和生活用電場景的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)用電時(shí)長；又拓寬了能量廣度，即可大倍率放電滿足后處理設(shè)備運(yùn)行和多設(shè)備同時(shí)在線的大功率需求。

1 分析與優(yōu)化

1. 1 常規(guī)電源

以重型汽車為研究對象，將其普通行車空調(diào)系統(tǒng)改制為駐車電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)［3］。

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燃料做的功，一部分用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛，一部分用于發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)電用于維持蓄電池電能和供應(yīng)負(fù)載用電，該部分為研究重點(diǎn)。

從式（2）可以看出，后處理設(shè)備為突加運(yùn)行的功率負(fù)載，而空調(diào)為長時(shí)間運(yùn)行的大功率負(fù)載，兩者均很耗能。電源系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)仍無法保證所有設(shè)備都處于額定或最佳的工作狀態(tài)，存在約7 000 W 的功率缺口。

1. 2 優(yōu)化方案

常規(guī)電力的不足還體現(xiàn)在電池的供電上，常見的解決思路是增加蓄電池的數(shù)量，但該方法很難從根本上解決問題。較優(yōu)的方案是利用行車充電和駐車交流補(bǔ)電等多維補(bǔ)能方式，采用大容量電池來提高供電電壓、功率和效率。針對電力供應(yīng)不足的問題，在電路中增加1 套由儲能電池和雙向直流充電器組成的儲能裝置，重新分配用電設(shè)備的能量來源歸屬。

優(yōu)化電源系統(tǒng)時(shí)，將儲能裝置引入車輛供電系統(tǒng)中，該裝置基于鋰電池的特性，大容量、可深度放電的設(shè)計(jì)能夠滿足長時(shí)間駐車空調(diào)和生活用電的需求，在減少怠速時(shí)間的同時(shí)提供充沛能源；同時(shí)大倍率放電的設(shè)計(jì)能夠維持突加大功率負(fù)載的運(yùn)行，如后處理設(shè)備；高循環(huán)壽命和雙向直流的設(shè)計(jì)作為對常規(guī)電源系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，可對蓄電池的反向補(bǔ)電提供保護(hù)，構(gòu)筑穩(wěn)定的能源保障。雙向直流充電器的引入相當(dāng)于在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)1 個(gè)穩(wěn)壓限流裝置，可為負(fù)載提供潔凈、穩(wěn)定的電力，過濾常規(guī)電源系統(tǒng)中的浪涌或紋波干擾，減小常規(guī)蓄電池中電壓階躍突變的影響，保障用電設(shè)備性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠。

圖1為優(yōu)化后的能量原理框圖，優(yōu)化部分如虛線框所示。優(yōu)化方案重新分配了用電設(shè)備的能量來源歸屬，儀表等常規(guī)負(fù)載僅由原車的常規(guī)電源系統(tǒng)提供電能，其余負(fù)載歸屬為非常規(guī)負(fù)載掛載在儲能裝置端。

以Y、P、S為衡量電力供應(yīng)質(zhì)量和電源系統(tǒng)性能的三維度評價(jià)指標(biāo)。通過以下臺架測試，驗(yàn)證指標(biāo)的可行性和儲能裝置對重型汽車電力供應(yīng)的改善效果。

3 測試評價(jià)

通?？赏ㄟ^仿真、臺架試驗(yàn)和實(shí)車路試分析車輛性能，其中臺架試驗(yàn)較實(shí)車路試嚴(yán)苛且能控制同一測試環(huán)境，又比仿真更接近實(shí)車。為使測試具有一般性，采用轉(zhuǎn)鼓臺架試驗(yàn)作為研究手段。采用中國半掛牽引車列車行駛工況（CHTC-TT）［4］作為基本循環(huán)工況，以2個(gè)相同的CHTC-TT 為1 個(gè)完整的測試循環(huán)，共測試3 個(gè)測試循環(huán)；測試循環(huán)結(jié)束后增加2 h 的駐車測試；總測試時(shí)長為5 h。

以某型號重型汽車為研究對象，試驗(yàn)車輛基本參數(shù)為最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量18000kg，最大允許牽引質(zhì)量33900kg，發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈功率330kW，最大功率轉(zhuǎn)速1900r·min^-1，發(fā)電機(jī)額定電壓28 V、最大電流120A，啟動(dòng)電池額定電壓24 V、最大電流120A·h。為便于分析研究，以同一輛車為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了兩種改制方案，分別為改制一和改制二，并測試原車電源系統(tǒng)和兩種改制狀態(tài)下的電源系統(tǒng)性能。車輛測試狀態(tài)見表1。

上述研究只關(guān)注電源系統(tǒng)性能，而忽略了整車總體燃油耗水平。測試開始前，初始狀態(tài)調(diào)整至車輛的啟動(dòng)電池電壓為滿電和儲能裝置（如有）的電池電量荷電狀態(tài)（SOC）為零，同時(shí)通過后臺設(shè)定電動(dòng)空調(diào)以最大功率運(yùn)行。在測試開始前和每段測試循環(huán)結(jié)束后，均實(shí)測啟動(dòng)電池電壓、記錄儲能裝置（如有）的SOC容量值和駐車測試期間車輛怠速時(shí)間。

3. 1 原車與改制一對比測試

界定改制是否對電源系統(tǒng)性能有改善，從Y 值的評價(jià)入手，測試原車和改制一，獲得記錄數(shù)據(jù)見表2，并計(jì)算Y 值，見表3。

表3 表明行車工況中的Y 值趨勢基本一致，駐車工況中原車Y 值明顯大于改制一。怠速時(shí)長的差異也證明了原車電源性能的不足，測試結(jié)果顯示原車在駐車測試中電池電量不足，導(dǎo)致測試在進(jìn)行到約322 s 時(shí)因虧電而全車下電，測試終止。

測試證明，儲能裝置在駐車工況中改善車輛的電源系統(tǒng)性能明顯，可確保車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的情況下大功率負(fù)載的長時(shí)間用電。

3. 2 改制一與改制二對比測試

儲能裝置的電池容量對電源系統(tǒng)的性能也有一定影響，測試改制一及改制二，得到測試數(shù)據(jù)見表4。表2與表4中改制一的兩次測試電量結(jié)果接近，說明測試重復(fù)性很好。計(jì)算P、S值，見表5。

改制二相比改制一增大了儲能裝置的電池電量，結(jié)果顯示，改制二在P 值上有所減弱，可通過增加能量來源等方式進(jìn)一步優(yōu)化；但在S值表現(xiàn)上有所增強(qiáng)，即電源耗能率降低，耐用性增強(qiáng)，符合預(yù)期判斷。

由于該測試設(shè)定電動(dòng)空調(diào)以最大功率運(yùn)行，而實(shí)際車輛并不會(huì)長時(shí)間以最大功率運(yùn)行，因此車輛在實(shí)際使用中的電源性能將更加優(yōu)異。

4 電源優(yōu)化方案提供多元化的補(bǔ)能方式

車輛傳統(tǒng)電源系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)作為能量的唯一輸入源，在優(yōu)化方案中增加雙向變流器，配合儲能裝置增加能量來源方式，解決了單一能量來源及充電速率慢的問題。雙向變流器既可進(jìn)行生活用電輸出，也可進(jìn)行市電交流充電和為太陽能發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)能。

新的補(bǔ)能方式增加了電源系統(tǒng)的補(bǔ)能維度，拓展了其應(yīng)用場景，如在車輛停車休息時(shí)可根據(jù)電網(wǎng)谷峰電價(jià)連接市電給儲能系統(tǒng)充電，節(jié)約成本；在配備太陽能板的情況下，車輛在戶外運(yùn)行時(shí)可不間斷地給儲能裝置充電。

5結(jié)語

傳統(tǒng)重型汽車被廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸行業(yè)和基建行業(yè)，目前需要著力解決其長時(shí)間怠速時(shí)燃油耗惡化和駐車工況下電力不足的問題。

經(jīng)測試分析發(fā)現(xiàn)，通過增加儲能裝置，選擇合適電量的儲能裝置，合理規(guī)劃負(fù)載的能量歸口，多維補(bǔ)能、儲能方式的應(yīng)用可解決電力供應(yīng)不足的問題，從而為節(jié)能減排和提高用車效率提供新思路。