串聯式混合動力系統APU結構設計

引言

　　混合動力技術是解決汽車能源和污染問題的重要途徑。混合動力系統根據結構可以分為串聯式、并聯式和混聯式。串聯式混合動力系統發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，可始終控制在優化的工作區穩定運行，最適合負載頻繁變化的城市公交車。

　　串聯式混合動力系統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是系統的主要能量來源，它的選型和匹配對系統性能的影響很大。此外，在混合動力系統中應用制動能量回收策略和怠速停機策略可以大幅提高系統的燃油經濟性,但也需要一些能量分配策略和系統結構設計方面的變化。

　　本研究為一輛12m串聯式混合動力城市客車開發了一套基于天然氣發動機的APU,并優化了APU結構，在發動機和發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系統進行了臺架和實車試驗，驗證其性能。

　　1　選型與匹配

　　根據整車的功率要求來選擇發動機和發電機。

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

　　經仿真計算，APU系統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。發動機輸出功率至APU輸出功率的轉換效率為80%～85%,因此對發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天然氣發動機，該機標定功率132kW,標定功率轉速2300r/min,最大扭矩680N·m,最大扭矩轉速1500r/min,排放達到歐洲標準。發動機的優化工況區域為1200～1500r/min,在此區間內發動機最大輸出功率為106kW,滿足設計要求。

　　發電機的選取必須與發動機的輸出相匹配。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的發電機。本研究選擇STamfordUC274C發電機，其標定狀態為100kVA,380V,152A（最大電流），50Hz,1500r/min,勵磁輸入為42V,5A,輸入軸可承受轉矩大于700N·m。發電機的輸出還需經過整流器由交流變為直流后才是APU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結構設計

　　串聯式混合動力系統中，APU的輸出與驅動電機、動力電池通過電系統耦合在一起，因此，各部件機械結構相對獨立，可以分開設計。APU的結構設計主要考慮發動機和發電機之間的連接方式。

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

　　對于串聯式混合動力城市客車來說，發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能耗，發動機需頻繁起停，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動機和發電機非直接連接的結構（見圖1）。發動機和發電機之間增加了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動機，再通過電控系統控制離合器平順接合，使發動機驅動發電機輸出能量。

　　若發動機需長期處于怠速狀態，APU也可以脫開離合器以減少能量損失。

　　2.1　電控離合器系統結構

　　電控離合器系統結構見圖2,由氣路部分、控制部分、機械部分和氣動部分組成。

　　氣路部分包括電動壓氣機、高壓氣罐、減壓閥、進氣閥和進排氣兩位三通閥。壓氣機可以將高壓氣罐內的空氣壓力保持在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，便于控制計算。進氣閥為常閉閥A,需要時才打開讓高壓氣體通過。進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節進入驅動活塞氣缸的氣體壓力。

　　氣動部分主要是1個高壓氣驅動的活塞，調節氣缸的氣壓，可以改變活塞輸出力的大小。活塞的有效驅動直徑可以由式（1）確定，式中，Dmin為活塞的最小直徑，Fmin為脫開離合器所需的最小力，pmax為氣缸內氣體能達到的最大壓力。