高俊偉

摘要：在能源短缺和環(huán)境保護(hù)的雙重影響下，天然氣混合動力汽車逐漸成為了汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。天然氣混合動力汽車作為內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動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、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)，另一方面天然氣作為一種清潔能源，混動汽車運(yùn)行中幾乎不會排放出污染氣體。本文以天然氣混合動力城市客車為例，分別從系統(tǒng)選型、總成匹配、仿真實(shí)驗(yàn)等方面，就動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)結(jié)果展開了簡要分析。

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

在天然氣混合動力汽車研究中，汽車動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。目前國際上一些發(fā)達(dá)國家的混動汽車動力系統(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)式天然氣混合動力城市客車動力系統(tǒng)，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明該動力系統(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 天然氣混合動力城市客車的分類

1.1 串聯(lián)式混合動力客車

現(xiàn)階段天然氣混合動力汽車的動力系統(tǒng)中，主要采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)以及驅(qū)動電動機(jī)三個主要動力部件采用串聯(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。但是動力來源比較單一，為了保證汽車動力系統(tǒng)獲得持續(xù)的動力，需要增加車載電池的數(shù)量，無形中增加了成本。同時，采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的混合動力客車，在運(yùn)行時容易出現(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)式混合動力客車

并聯(lián)式混合動力汽車與串聯(lián)式相比，除了主要動力部件采用并聯(lián)方式連接外，還保留了傳統(tǒng)燃油機(jī)的傳動系統(tǒng)。這樣除了由天然氣混合動力系統(tǒng)提供直接的驅(qū)動力外，還能夠?qū)㈦姵亟M提供的動力與傳動系統(tǒng)結(jié)合，為汽車單獨(dú)提供驅(qū)動力，這樣就將混合動力汽車的續(xù)航里程大幅度延長，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)式混合動力客車。

2 天然氣混合動力城市客車的系統(tǒng)選型

2.1 電動機(jī)型式的選擇

相比于普通的小型客車，城市客車荷載多變，對動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在選擇電動機(jī)時，需要滿足以下幾方面的條件：首先，電動機(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)的動力，還能夠在一定程度上降低整個動力系統(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，減輕了電動機(jī)和整車質(zhì)量，降低了城市客車運(yùn)行中對動力的需求；再次，電動機(jī)起動轉(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、制動等控制。

2.2 動力電池組型式的選擇

目前性能較高、技術(shù)成熟的動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，保證了混合動力城市客車能夠在加速過程中獲得足夠的動力。并且可以支持快速充電，使用起來較為方便，對環(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，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 天然氣混合動力城市客車動力系統(tǒng)的總成匹配

3.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)選擇

3.1.1 滿足最高車速的功率需求

電動機(jī)為汽車提供動力，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，其坡度阻力和加速阻力皆為零。因此，作為動力源的電動機(jī)要能夠提供足夠的力來克服其行駛阻力，包括滾動阻力、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在良好路面上等速行駛能爬過的最大坡度。此時，汽車驅(qū)動力除克服滾動阻力和空氣阻力外的剩余驅(qū)動力全部用來克服坡度阻力，其加速度為零。

3.2 電動機(jī)轉(zhuǎn)速和額定功率的確定

電動機(jī)自身重量是選擇時需要考慮的因素之一，為了降低電動機(jī)自重，可以優(yōu)先考慮鋁合金材質(zhì)的電動機(jī)，另外在同等功率和轉(zhuǎn)速下，尺寸較小的也是優(yōu)先考慮的對象。考慮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機(jī)的整體效率，選定電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為14000r/min，基速4000r/min。此外交流電動機(jī)的最大功率相對于額定功率一般有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，為此在選擇電動機(jī)轉(zhuǎn)速和額定功率時，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力城市客車動力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，同時根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，對動力系統(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，為了簡化實(shí)驗(yàn)操作，獲取與動力系統(tǒng)有關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，只對動力性和經(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)的天然氣混合動力城市客車動力系統(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)成本也會逐漸降低。此外，從長遠(yuǎn)來看，混合動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。通過開展動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為下一步混合動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)式混合動力城市客車動力系統(tǒng)的匹配及控制策略研究[J].中國機(jī)械工程，2016，22（8）：109-111.

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

（作者單位：中國市政工程工程東北設(shè)計(jì)研究總院有限公司新疆分公司）