駱?biāo)鼐?，孫 燕，朱詩順

(1.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161)

動(dòng)力系統(tǒng)是車輛的“心臟”，所以，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)得好壞直接影響車輛的性能?；旌蟿?dòng)力車輛有2 個(gè)“心臟”。如何合理地利用2 個(gè)動(dòng)力源，減少兩者之間的沖突，更好地發(fā)揮雙動(dòng)力源的優(yōu)越性，是混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的主要問題?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性均有顯著影響，直接關(guān)系到混合動(dòng)力汽車能否達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的要求。通過對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化控制，可使發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池保持在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回收，提高整車的能量利用率。

目前的參數(shù)匹配研究多集中在輕型轎車和公交客車上［1-3］，認(rèn)為:并聯(lián)式轎車中發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率匹配原則，是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供車輛平均行駛功率，由電動(dòng)機(jī)提供峰值功率［2］;大型公交車中發(fā)電機(jī)和蓄電池組的功率匹配應(yīng)基于循環(huán)工況，電動(dòng)機(jī)的匹配應(yīng)基于加速需求的匹配原則［3］。而對(duì)公鐵兩用牽引車混合動(dòng)力系統(tǒng)功率匹配的研究還鮮有報(bào)道?；诖?，本文以某型傳統(tǒng)牽引車為原型，在對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改造、重新匹配的基礎(chǔ)上，擬開發(fā)一款適合場(chǎng)地貨運(yùn)等特定工作環(huán)境的混合動(dòng)力牽引車，并建立混合動(dòng)力系統(tǒng)的整車驅(qū)動(dòng)模型。采用ADVISOR 仿真軟件對(duì)其進(jìn)行性能仿真、分析，以達(dá)到整車動(dòng)力性不降低前提下，燃油經(jīng)濟(jì)性有較大幅度提高的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的公鐵兩用混合動(dòng)力牽引車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為并聯(lián)式(如圖1 所示)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、集成啟動(dòng)發(fā)電機(jī)(integrated starter and generator，ISG)、電控離合器、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和蓄電池組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)。整車控制器(hybrid control unit，HCU)一方面通過總線CAN 與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECM)和AMT 控制器(TCU)進(jìn)行通信，另一方面通過總線CAN 與ISG 控制器(ISGC)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制器(DMC)和電能管理單元(EEMU)進(jìn)行通信。

圖1 并聯(lián)式簡(jiǎn)圖

牽引車由并聯(lián)式混合動(dòng)力裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬2 套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向車輛傳動(dòng)系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩，在不同工況下既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)車輛負(fù)荷較大或在有一定坡度的軌道上作業(yè)時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力;當(dāng)車輛在空曠的開闊地作業(yè)、動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)荷不高時(shí)，可單獨(dú)依靠發(fā)動(dòng)機(jī)維持作業(yè)，并可以同時(shí)為蓄電池組充電;當(dāng)車輛在隧道或山洞作業(yè)時(shí)，利用蓄電池組單獨(dú)工作，實(shí)現(xiàn)零排放。由于發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通牽引車差不多。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真建模

公鐵兩用混合動(dòng)力牽引車仿真系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、永磁電動(dòng)機(jī)模塊、蓄電池組模塊、車身模塊、傳動(dòng)部分模塊、電子電器模塊和車輪模塊等組成，仿真軟件采用ADVISOR 2002，其仿真頂層模塊如圖2 所示。本文模型是對(duì)ADVISOR 進(jìn)行二次開發(fā)，由軟件本身單軸驅(qū)動(dòng)改為多軸驅(qū)動(dòng)模型。

圖2 仿真系統(tǒng)頂層模塊

通過對(duì)我國(guó)鐵路調(diào)車現(xiàn)狀的調(diào)研和分析，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有公鐵兩用車的設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)制造現(xiàn)狀，充分考慮鐵路調(diào)車作業(yè)所存在的問題，在設(shè)計(jì)該型公鐵兩用軌道混合動(dòng)力牽引車時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)采用模塊化混合動(dòng)力分時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即在平時(shí)采用單軸或部分驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，而在特殊作業(yè)時(shí)則利用具有標(biāo)準(zhǔn)接口的模塊化混合動(dòng)力總成部件對(duì)車輛進(jìn)行升級(jí)，使公鐵兩用牽引車實(shí)現(xiàn)多軸或全輪驅(qū)動(dòng)，全面提高牽引車的性能。模塊化總成部件包括發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及蓄電池組。這種模塊化設(shè)計(jì)概念，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求快速高效地增減驅(qū)動(dòng)能力，既能滿足公鐵兩用牽引車在各種使用環(huán)境下的性能要求，解決平時(shí)大馬拉小車的現(xiàn)象，又可以避免傳統(tǒng)民用混合動(dòng)力車輛的設(shè)計(jì)方式，每天載著質(zhì)量幾百千克的混合動(dòng)力附件運(yùn)行。

2 參數(shù)匹配

2.1 動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

混合動(dòng)力牽引車的動(dòng)力性能主要以車輛的最高速度、最大爬坡度和最大牽引力等3 個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。另外，混合動(dòng)力牽引車還要具有一定的純電動(dòng)作用能力，即在隧道或排放要求高的環(huán)境中作用時(shí)，牽引車要關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由蓄電池組單獨(dú)供電作業(yè)，其純電動(dòng)續(xù)駛里程要大于或等于隧道的縱深。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的確定

公鐵兩用混合動(dòng)力牽引車動(dòng)力總成參數(shù)確定的基本原則是:發(fā)動(dòng)機(jī)功率需滿足牽引動(dòng)力需求，即以最大牽引力Fmax和允許的最小穩(wěn)定車速Vmin行駛時(shí)的所需功率為電動(dòng)機(jī)最大輸出功率。

車輛行駛所需要的最大功率為

其中

式中:P1為車輛行駛所需要的最大功率，kW;Ff為滾動(dòng)阻力，N;Fw為空氣阻力，N;Ft為掛鉤牽引力，N;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積，即車輛行駛方向的投影面積，m2;Gc為牽引貨物的質(zhì)量，包括拖車，t;Gp為牽引車的自身質(zhì)量，t。

因此，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)提供的最大功率可由式(1)和式(2)確定，即

式中ηT為整車傳動(dòng)效率。

2.2.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的確定

電動(dòng)機(jī)參數(shù)包括電動(dòng)機(jī)額定功率Pe、電動(dòng)機(jī)最大功率Pm、電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速Ne、電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速Nm、電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Te、電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tm和過載系數(shù)λ。

公鐵兩用混合動(dòng)力牽引車的電動(dòng)機(jī)功率主要用于車輛在山洞或碼頭地域無排放作業(yè)，另外對(duì)車輛加速和爬坡進(jìn)行動(dòng)力輔助。電動(dòng)機(jī)額定功率和額定轉(zhuǎn)矩以給定車速和最大牽引質(zhì)量下牽引車純電動(dòng)工作里程，通過式(3)、(4)確定。

電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)λ 是電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，由電動(dòng)機(jī)類型和生產(chǎn)廠家的技術(shù)能力決定。電動(dòng)機(jī)較大的過載系數(shù)能使混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力性提升一大步。

2.2.3 蓄電池參數(shù)的確定

目前國(guó)內(nèi)動(dòng)力蓄電池中，鋰離子蓄電池相比其他蓄電池的物理和化學(xué)特性更勝一籌，產(chǎn)品已經(jīng)成功地運(yùn)用到電動(dòng)客車及其他一些民用電動(dòng)車輛上。因此，在混合動(dòng)力牽引車上也可采用鋰離子動(dòng)力蓄電池［4］。

(1)蓄電池個(gè)數(shù)的選擇。根據(jù)整車電壓需求，蓄電池個(gè)數(shù)ns定為

式中:U為蓄電池組端電壓;U0為單個(gè)蓄電池端電壓。

(2)蓄電池功率的選擇。在某些情況下，混合動(dòng)力牽引車需要蓄電池具有很大的放電功率，但持續(xù)時(shí)間很短，放出的電量很少。鋰離子蓄電池可以以倍率電流放電，其輸出功率為

式中:Uc為倍率放電時(shí)蓄電池組端電壓;Ic為倍率放電電流。

(3)蓄電池容量的選擇。具有一定的純電動(dòng)作業(yè)里程，可以大大提高公鐵兩用混合動(dòng)力牽引車的環(huán)境適應(yīng)能力。在牽引車上裝備具有一定容量的蓄電池組，是很有必要的。但蓄電池組容量越大，質(zhì)量也相應(yīng)增加，這樣會(huì)影響整車的動(dòng)力性。因此，選擇合適的蓄電池容量，對(duì)混合動(dòng)力牽引車具有重要意義。

按功率需求選擇蓄電池容量為

式中:C為蓄電池組的最大放電倍率;uc為單個(gè)蓄電池倍率放電時(shí)的端電壓;η 為放電比率。

按能量需求選擇蓄電池容量為

式中:W為純電動(dòng)行駛所需總電能;soc為蓄電池組放電深度;u0為單個(gè)蓄電池的端電壓。

最終，蓄電池容量Qm為

3 性能仿真

3.1 仿真參數(shù)

在參數(shù)匹配計(jì)算中，牽引質(zhì)量2 200 t，車輛自身質(zhì)量10 t，坡度30%，最小速度10 km/h，傳動(dòng)效率ηT=0.9，滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.013，空氣阻力系數(shù)CD=0.58，迎風(fēng)面積A=6 m2，純電動(dòng)行駛里程為20 km。由式(1)—(9)得各部件參數(shù)見表1。

表1 公鐵兩用混合動(dòng)力牽引車總成部件參數(shù)

仿真參數(shù)見表1，仿真工況為UDDS 循環(huán)工況(如圖3 所示)。

圖3 UDDS 循環(huán)工況

3.2 仿真結(jié)果與分析

將該車仿真參數(shù)輸入到圖4 所示的用戶界面，運(yùn)行軟件［5-6］，最終得到電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)(如圖5 所示)和仿真結(jié)果(見表2)。

圖4 ADVISOR 用戶輸入界面

圖5 電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)

表2 仿真結(jié)果

圖5 顯示了電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，可以看出電動(dòng)機(jī)工作在最高效率曲線附近，說明了速比控制的合理性。由于混合動(dòng)力牽引車為弱混合形式，從圖5可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化范圍不大，只是起能量輔助作用或進(jìn)行短距離純電動(dòng)運(yùn)行。表2 為性能仿真結(jié)果，該數(shù)據(jù)可為臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供參考。

4 結(jié) 論

(1)該設(shè)計(jì)不僅滿足車輛的動(dòng)力性需求，而且在牽引車正常工作過程中，蓄電池的soc值始終保持在設(shè)定的合理范圍內(nèi)。

(2)電動(dòng)機(jī)在合理工作區(qū)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)域附近，尾氣排放控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

(3)動(dòng)力系統(tǒng)匹配結(jié)果達(dá)到了預(yù)設(shè)的目標(biāo)，能夠應(yīng)用到實(shí)車改造。

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