串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)APU結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

　　混合動力技術(shù)是解決汽車能源和污染問題的重要途徑。混合動力系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)發(fā)動機與車輛完全機械解耦，其運行工況不受汽車行駛工況的影響，可始終控制在優(yōu)化的工作區(qū)穩(wěn)定運行，最適合負載頻繁變化的城市公交車。

　　串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的核心部件包括輔助動力單元（APU）、儲能單元和電動機等，其中APU是系統(tǒng)的主要能量來源，它的選型和匹配對系統(tǒng)性能的影響很大。此外，在混合動力系統(tǒng)中應(yīng)用制動能量回收策略和怠速停機策略可以大幅提高系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性[223],但也需要一些能量分配策略和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的變化。

　　本研究為一輛12m串聯(lián)式混合動力城市客車開發(fā)了一套基于天然氣發(fā)動機的APU,并優(yōu)化了APU結(jié)構(gòu)，在發(fā)動機和發(fā)電機之間增加離合器來保證APU起動的可靠平順，最后對該APU系統(tǒng)進行了臺架和實車試驗，驗證其性能。

　　1　選型與匹配

　　根據(jù)整車的功率要求來選擇發(fā)動機和發(fā)電機。

　　通常用于12m城市客車的天然氣發(fā)動機為170~190kW的6缸機，采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)之后，發(fā)動機只工作在優(yōu)化的工況區(qū)域，對發(fā)動機最大功率的要求可以降低很多。

　　經(jīng)仿真計算，APU系統(tǒng)所需的平均功率約為40kW,標定功率不低于70kW,峰值功率不低于80kW。發(fā)動機輸出功率至APU輸出功率的轉(zhuǎn)換效率為80%～85%,因此對發(fā)動機的基本要求為標定功率大于87kW,峰值功率大于100kW,功率50kW附近有較高效率。因此，本研究最終選擇4CT180天然氣發(fā)動機，該機標定功率132kW,標定功率轉(zhuǎn)速2300r/min,最大扭矩680N·m,最大扭矩轉(zhuǎn)速1500r/min,排放達到歐洲標準。發(fā)動機的優(yōu)化工況區(qū)域為1200～1500r/min,在此區(qū)間內(nèi)發(fā)動機最大輸出功率為106kW,滿足設(shè)計要求。

　　發(fā)電機的選取必須與發(fā)動機的輸出相匹配。交流永磁同步電機具有效率高、功率密度大的特點，適合用作APU的發(fā)電機。本研究選擇StamfordUC274C發(fā)電機，其標定狀態(tài)為100kVA,380V,152A（最大電流），50Hz,1500r/min,勵磁輸入為42V,5A,輸入軸可承受轉(zhuǎn)矩大于700N·m。發(fā)電機的輸出還需經(jīng)過整流器由交流變?yōu)橹绷骱蟛攀茿PU的輸出，本研究選擇了效率較高的不可控整流器，可傳遞功率120kW。

　　2　APU結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，APU的輸出與驅(qū)動電機、動力電池通過電系統(tǒng)耦合在一起，因此，各部件機械結(jié)構(gòu)相對獨立，可以分開設(shè)計。APU的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮發(fā)動機和發(fā)電機之間的連接方式。

　　傳統(tǒng)APU的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單，多采用發(fā)動機輸出軸—過渡連接盤—發(fā)電機輸入軸的形式直接連接發(fā)動機和發(fā)電機。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量非常大（約1kg·m2），接近發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動慣量的10倍，直連方式會致使發(fā)動機無論何時都要承受額外負擔。起動時，由于轉(zhuǎn)動慣量增大，發(fā)動機可能出現(xiàn)“起不來”的現(xiàn)象，嚴重時還會燒毀起動電機；而怠速時，發(fā)動機需多驅(qū)動一個巨大的轉(zhuǎn)子，會有能量損失。

　　對于串聯(lián)式混合動力城市客車來說，發(fā)動機工作在怠速工況的時間很長，APU直連方式造成的能量損失累計起來就很大。若采用怠速停機策略降低系統(tǒng)能耗，發(fā)動機需頻繁起停，其起動必須平順可靠，而直連方式難以保證這一點。

　　針對上述問題，本研究提出了一種發(fā)動機和發(fā)電機非直接連接的結(jié)構(gòu)（見圖1）。發(fā)動機和發(fā)電機之間增加了1個電控離合器，APU可以在離合器脫開的情況下空載起動發(fā)動機，再通過電控系統(tǒng)控制離合器平順接合，使發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機輸出能量。

　　若發(fā)動機需長期處于怠速狀態(tài)，APU也可以脫開離合器以減少能量損失。