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串联混合动力客车动力系统的方案设计

  随着能源危机和环境污染问题的日趋严重,近10年来全球各汽车制造商纷纷推出各种型式的电动汽车。混合动力汽车技术作为一项在短期内可有效降低汽车能源消耗和排放的汽车新技术,已经成为世界汽车行业研究焦点之一。我国科技部将其作为“十五”863重大专项的内容,目前混合动力汽车产品已进入国家公告程序,初步具备产业化条件。电一气串联混合动力汽车综合了混合动力汽车和天然气汽车的优势,进一步改善了车辆燃油经济性和排放性。

    本文基于对电一气串联混合动力客车运行目标驾驶循环的分析,对其动力系统进行方案设计,以保证在满足车辆动力性要求的前提下,提高整车燃油经济性。

2 电-气串联混合动力客车整车参数和技术指标

    所研究的电一气串联混合动力客车基础车型为长11.4 m的二级踏步城市客车,整车参数如表1所列。

3 混合动力系统结构

    目前,混合动力电动汽车动力系统的结构主要分为串联式、并联式和混联式3种。由于城市公交车经常工作在行驶速度低、起停频繁的工况下,所以更适合采用串联式混合动力系统,以使发动机始终在最佳工作区域内运行,减少发动机燃油消耗和排放。同时,串联式混合动力汽车由于电机功率较大,有利于较多地回收制动能量[5〕。因此,本文研究的混合动力电动客车采用的是如图1所示的串联式动力系统。

    研究所选择的发动机为压缩天然气发动机,燃料采用混氢压缩天然气(HONG),以获得更佳的排放性。发电机选择交流同步发电机。电动机选择交流电动机,通过电动机控制器连接到直流总线。由发动机、发电机及整流器组成APU(功率辅助单元),根据整车控制器的命令输出功率或关闭。蓄电池直接并联在直流总线上,以补偿APU输出功率与电动机输人功率的差值,并在制动过程中吸收反馈的制动能量。蓄电池选择镍氢蓄电池。

4 基于城市公交驾驶循环分析的零部件选型计算

    与传统的内燃机汽车相比,混合动力汽车的能量经济性更易受到不同驾驶循环的影响。因此,必须选择能够较好地反映车辆实际运行条件的驾驶循环。本文以中国汽车技术研究中心承担的“863”项目“我国典型城市行驶工况”的研究成果“城市公交循环”为基础,进行零部件的选型计算。

    HONG混合动力客车的零部件参数主要根据城市公交驾驶循环的需求来制定。图2所示为城市公交驾驶循环的工况数据,循环总运行时间为1304s,行驶里程为5.840km,最高车速为60km/h。

  4.1 电动机参数选择

    根据城市公交驾驶循环的工况车速和整车的相关参数,由以下公式可以计算出电动机驱动和制动的工作工况点(图3):

    式中,Tm为电动机转矩,N·m;nm为电动机转速,r/min;Fi、Fw、Fj分别为整车的坡度阻力、空气阻力、滚动阻力和加速阻力,N;Rr为车轮滚动半径,m;ig、io分别为变速器和主减速器的速比;ηT为传动效率。

    选择电动机转速在2000r/min以下,720 N·m恒转矩及电动机转速在2 000 r/min以上,150 kW恒功率线包络图3中的工况点,可以据此选取电动机的外特性参数。

    通过计算电动机工作工况点,还可以得到电动机驱动转矩及功率响应速度。城市公交循环要求:电动机的转矩上升速度不低于566N·m/s,下降速度不低于588N·m/s;电动机驱动功率上升速度不低于104kW/s,下降速度不低于128kW/s,,

    对于电动机工作高效区的选择,引人平均驱动能量的概念,即单位里程内电动机在一定工作区域内的驱动能量:

    式中,Ev为平均驱动能量kJ/km ;Pmotor,k为电动机在各区域内驱动能量,kJ;S为电动机在各区域内的行驶路程,km。

    经计算,电动机在各工作区域内的平均驱动能量如图4所示。

    根据计算得到的电动机在各工作区域的平均驱动能量,选择在平均驱动能量高区域内具有较高驱动效率的电动机,由此提高整个循环内的电动机驱动效率和整车经济性。

    同理,可以根据城市公交驾驶循环和制动能量回馈的需要,选择电动机制动状态的相应参数。经过计算,选择了株洲所的JD14X2交流异步电动机,其额定功率为100kW,峰值功率为150kW,转速在1000 r/min以下时转矩达1000 N·m,为提高整车爬坡性能和加速性能留有裕量。

    4.2 APU参数选择

    APU的经济性和排放性直接决定了整车的经济性和排放性。由于APU与传动系统没有直接机械连接,因此APU的工作转速可以自由选取,只需选择APU的发电功率即可。假设电动机需要的电能全部由APU提供,则计算得到的APU不同发电功率段发电能量的分布如图5所示,APU的平均发电功率(循环总发电功率除以循环驱动过程总时间)为38.9 kW。