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

　　引言

　　混合動(dòng)力技術(shù)是解決汽車能源和污染問題的重要途徑?；旌蟿?dòng)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(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛完全機(jī)械解耦，其運(yùn)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(yùn)行，最適合負(fù)載頻繁變化的城市公交車。

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

　　本研究為一輛12m串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車開發(fā)了一套基于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的APU,并優(yōu)化了APU結(jié)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加離合器來保證APU起動(dòng)的可靠平順，最后對(duì)該APU系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架和實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)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(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。

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

　　經(jīng)仿真計(jì)算，APU系統(tǒng)所需的平均功率約為40kW,標(biāo)定功率不低于70kW,峰值功率不低于80kW。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率至APU輸出功率的轉(zhuǎn)換效率為80%～85%,因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本要求為標(biāo)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(dòng)機(jī)，該機(jī)標(biāo)定功率132kW,標(biāo)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(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化工況區(qū)域?yàn)?200～1500r/min,在此區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率為106kW,滿足設(shè)計(jì)要求。

　　發(fā)電機(jī)的選取必須與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出相匹配。交流永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度大的特點(diǎn)，適合用作APU的發(fā)電機(jī)。本研究選擇StamfordUC274C發(fā)電機(jī)，其標(biāo)定狀態(tài)為100kVA,380V,152A（最大電流），50Hz,1500r/min,勵(lì)磁輸入為42V,5A,輸入軸可承受轉(zhuǎn)矩大于700N·m。發(fā)電機(jī)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(jì)

　　串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，APU的輸出與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池通過電系統(tǒng)耦合在一起，因此，各部件機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，可以分開設(shè)計(jì)。APU的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的連接方式。

　　傳統(tǒng)APU的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，多采用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸—過渡連接盤—發(fā)電機(jī)輸入軸的形式直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常大（約1kg·m2），接近發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的10倍，直連方式會(huì)致使發(fā)動(dòng)機(jī)無論何時(shí)都要承受額外負(fù)擔(dān)。起動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，發(fā)動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)“起不來”的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒毀起動(dòng)電機(jī)；而怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需多驅(qū)動(dòng)一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)子，會(huì)有能量損失。

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

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

　　若發(fā)動(dòng)機(jī)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。

　　2.1　電控離合器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　電控離合器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2,由氣路部分、控制部分、機(jī)械部分和氣動(dòng)部分組成。

　　氣路部分包括電動(dòng)壓氣機(jī)、高壓氣罐、減壓閥、進(jìn)氣閥和進(jìn)排氣兩位三通閥。壓氣機(jī)可以將高壓氣罐內(nèi)的空氣壓力保持在0.6～0.8MPa,氣罐出口與減壓閥相連，確保后面氣路中氣體壓力保持不變，便于控制計(jì)算。進(jìn)氣閥為常閉閥A,需要時(shí)才打開讓高壓氣體通過。進(jìn)排氣兩位三通閥包括常開閥B和排氣閥C,兩者配合控制可以調(diào)節(jié)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)活塞氣缸的氣體壓力。

　　氣動(dòng)部分主要是1個(gè)高壓氣驅(qū)動(dòng)的活塞，調(diào)節(jié)氣缸的氣壓，可以改變活塞輸出力的大小?；钊挠行?qū)動(dòng)直徑可以由式（1）確定，式中，Dmin為活塞的最小直徑，F(xiàn)min為脫開離合器所需的最小力，pmax為氣缸內(nèi)氣體能達(dá)到的最大壓力。

　　機(jī)械部分的撥叉與驅(qū)動(dòng)活塞的推桿鉸鏈，推桿的初始位置和極限位置分別對(duì)應(yīng)了離合器的接合和脫開狀態(tài)。

　　控制部分的轉(zhuǎn)速傳感器為整車控制單元（VCU）提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息，VCU根據(jù)該信息選擇離合器接合/脫開的時(shí)機(jī)；位置傳感器與撥叉相連，為VCU提供離合器的狀態(tài)信息。VCU的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路可直接控制常閉閥A、常開閥B和排氣閥C的開閉，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)活塞的氣缸壓力，從而控制離合器的接合與脫開。

　　2.2　APU起動(dòng)控制

　　APU的起動(dòng)控制需與電控離合器系統(tǒng)的控制相配合，起動(dòng)過程可以分為3步：脫開離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)至平穩(wěn)工況和接合離合器。起動(dòng)過程要求離合器脫開迅速可靠，接合平穩(wěn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊盡可能小。

　　APU發(fā)出起動(dòng)指令后，離合器首先脫開，其過程為VCU向常閉閥A輸出高電平信號(hào)，使其打開，高壓氣體通過常閉閥A和常開閥B進(jìn)入氣缸推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，使離合器脫開。脫開過程所用時(shí)間與高壓氣壓力以及活塞有效截面積有關(guān)。氣體壓力越高，截面越大，活塞作用力越大，離合器脫開所用時(shí)間越短。此外，從常閉閥A到活塞氣缸的氣路長度也會(huì)對(duì)脫開時(shí)間有影響。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)在離合器脫開后起動(dòng)，起動(dòng)成功后，APU發(fā)出接合離合器指令。接合過程可以分為3個(gè)階段（見圖3）。第一階段，離合器壓盤與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪沒有接觸，分離軸承位移增加，但離合器不傳遞扭矩；第二階段，壓盤與飛輪開始接合，隨著分離軸承位移增加，離合器傳遞的扭矩也增加；第三階段，壓盤與飛輪完全接合，離合器傳遞的扭矩不再增加。接合過程控制目標(biāo)是盡可能縮短第一、第三階段的時(shí)間，同時(shí)保證第二階段接合轉(zhuǎn)矩的上升不要過快，減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊。

　　離合器控制過程中，首先關(guān)閉常開閥B以形成常開閥B至活塞氣缸的封閉回路，之后調(diào)節(jié)排氣閥C的開閉頻率，控制氣缸內(nèi)氣壓降低的速度，實(shí)現(xiàn)三階段接合過程。

　　APU起動(dòng)過程的控制閥信號(hào)時(shí)序見圖4。T0時(shí)刻是起動(dòng)過程的起始時(shí)刻，T0～T1離合器脫開，T1～T2發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，T2～T3,T3～T4,T4～T5分別為離合器接合過程的第一、第二和第三階段，排氣閥C上輸出不同占空比的信號(hào)。

　　3　試驗(yàn)驗(yàn)證

　　3.1　APU起動(dòng)過程驗(yàn)證

　　在試驗(yàn)臺(tái)架上驗(yàn)證APU起動(dòng)過程。試驗(yàn)前先標(biāo)定離合器分離軸承位置與離合器狀態(tài)之間的關(guān)系，以離合器完全脫開時(shí)分離軸承的位置作為零點(diǎn)，壓盤與飛輪剛開始接觸時(shí)分離軸承位移為8mm,壓盤與飛輪完全接合時(shí)分離軸承位移為16mm,分離軸承的最大位移為18mm。

　　APU接到起動(dòng)指令后，首先發(fā)出脫開離合器指令（見圖5），高壓氣進(jìn)入驅(qū)動(dòng)活塞氣缸，推動(dòng)分離軸承從離合器接合位置運(yùn)動(dòng)至離合器完全脫開，整個(gè)過程持續(xù)0.85s。

　　當(dāng)離合器進(jìn)入脫開狀態(tài)后，APU向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出起動(dòng)指令。發(fā)動(dòng)機(jī)5s內(nèi)可以完成起動(dòng)，進(jìn)入怠速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為700r/min左右。

　　第6s起，APU發(fā)出接合離合器指令（見圖6）。

　　分離軸承的動(dòng)作在接合過程中經(jīng)歷了先快、后慢、再快的過程，與前文所述離合器接合過程3個(gè)階段相符。由于第三階段分離軸承位移對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出沒有影響，所以認(rèn)為離合器的接合過程到第二階段結(jié)束就已完成，總共需要1.2s。離合器接合過程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降200r/min左右，在可接受范圍。

　　第7.2s起，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪與離合器壓盤完全接合，APU起動(dòng)過程完成，可以向發(fā)電機(jī)發(fā)出勵(lì)磁信號(hào)，APU對(duì)外輸出能量。

　　3.2　APU整車性能試驗(yàn)

　　將APU裝配在一輛串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車上，在實(shí)際道路條件下與一輛同類型普通天然氣城市客車做對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比車型采用130kW6缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，5擋手動(dòng)變速器，車身尺寸與混合動(dòng)力客車相同?；旌蟿?dòng)力客車由于增加了電機(jī)、動(dòng)力電池等設(shè)備，整備質(zhì)量較對(duì)比車型略重。氣耗試驗(yàn)時(shí)，兩車采用同樣的城市公交駕駛循環(huán)，且保證混合動(dòng)力客車的動(dòng)力電池測(cè)試前后SOC保持不變。排放試驗(yàn)由于條件限制，只能在臺(tái)架上進(jìn)行，測(cè)試工況由道路工況反推得到。

　　由于整備質(zhì)量增加，串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力性不如普通天然氣客車，但還能滿足城市公交運(yùn)行工況?；旌蟿?dòng)力客車的燃?xì)庀牧亢团欧啪陀谄胀蛙?，表明該APU系統(tǒng)運(yùn)用在整車上時(shí)，可以降低燃油消耗和減少排放。

　　4　結(jié)語

　　a）APU起動(dòng)過程需7.2s,其中離合器脫開過程0.85s,接合過程1.2s,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊保持在可接受范圍內(nèi)，滿足整車控制要求；

      b）該APU應(yīng)用在整車上，與同類型普通天然氣城市客車相比，燃?xì)庀牧拷档土?6%,NOx排放降低70%,CO排放降低65%,HC降低40%,具有節(jié)能減排效果。