串联式混合动力系统APU结构设计

引言
   　　混合动力技术是解决汽车能源和污染问题的重要途径。混合动力系统根据结构可以分为串联式、并联式和混联式。串联式混合动力系统发动机与车辆完全机械解耦，其运行工况不受汽车行驶工况的影响，可始终控制在优化的工作区稳定运行，最适合负载频繁变化的城市公交车。
   　　串联式混合动力系统的核心部件包括辅助动力单元（APU）、储能单元和电动机等，其中APU是系统的主要能量来源，它的选型和匹配对系统性能的影响很大。此外，在混合动力系统中应用制动能量回收策略和怠速停机策略可以大幅提高系统的燃油经济性[223],但也需要一些能量分配策略和系统结构设计方面的变化。
   　　本研究为一辆12m串联式混合动力城市客车开发了一套基于天然气发动机的APU,并优化了APU结构，在发动机和发电机之间增加离合器来保证APU起动的可靠平顺，最后对该APU系统进行了台架和实车试验，验证其性能。
   　　1　选型与匹配
   　　根据整车的功率要求来选择发动机和发电机。
   　　通常用于12m城市客车的天然气发动机为170~190kW的6缸机，采用串联式混合动力系统之后，发动机只工作在优化的工况区域，对发动机最大功率的要求可以降低很多。
   　　经仿真计算，APU系统所需的平均功率约为40kW,标定功率不低于70kW,峰值功率不低于80kW。发动机输出功率至APU输出功率的转换效率为80%～85%,因此对发动机的基本要求为标定功率大于87kW,峰值功率大于100kW,功率50kW附近有较高效率。因此，本研究最终选择4CT180天然气发动机，该机标定功率132kW,标定功率转速2300r/min,最大扭矩680N·m,最大扭矩转速1500r/min,排放达到欧洲标准。发动机的优化工况区域为1200～1500r/min,在此区间内发动机最大输出功率为106kW,满足设计要求。
   　　发电机的选取必须与发动机的输出相匹配。交流永磁同步电机具有效率高、功率密度大的特点，适合用作APU的发电机。本研究选择StamfordUC274C发电机，其标定状态为100kVA,380V,152A（最大电流），50Hz,1500r/min,励磁输入为42V,5A,输入轴可承受转矩大于700N·m。发电机的输出还需经过整流器由交流变为直流后才是APU的输出，本研究选择了效率较高的不可控整流器，可传递功率120kW。
   　　2　APU结构设计
   　　串联式混合动力系统中，APU的输出与驱动电机、动力电池通过电系统耦合在一起，因此，各部件机械结构相对独立，可以分开设计。APU的结构设计主要考虑发动机和发电机之间的连接方式。
   　　传统APU的结构设计比较简单，多采用发动机输出轴-过渡连接盘-发电机输入轴的形式直接连接发动机和发电机。由于发电机转子的转动惯量非常大（约1kg·m2），接近发动机曲轴转动惯量的10倍，直连方式会致使发动机无论何时都要承受额外负担。起动时，由于转动惯量增大，发动机可能出现“起不来”的现象，严重时还会烧毁起动电机；而怠速时，发动机需多驱动一个巨大的转子，会有能量损失。
   　　对于串联式混合动力城市客车来说，发动机工作在怠速工况的时间很长，APU直连方式造成的能量损失累计起来就很大。若采用怠速停机策略降低系统能耗，发动机需频繁起停，其起动必须平顺可靠，而直连方式难以保证这一点。
   　　针对上述问题，本研究提出了一种发动机和发电机非直接连接的结构（见图1）。发动机和发电机之间增加了1个电控离合器，APU可以在离合器脱开的情况下空载起动发动机，再通过电控系统控制离合器平顺接合，使发动机驱动发电机输出能量。
   
   　　若发动机需长期处于怠速状态，APU也可以脱开离合器以减少能量损失。
   　　2.1　电控离合器系统结构
   　　电控离合器系统结构见图2,由气路部分、控制部分、机械部分和气动部分组成。
   
   　　气路部分包括电动压气机、高压气罐、减压阀、进气阀和进排气两位三通阀。压气机可以将高压气罐内的空气压力保持在0.6～0.8MPa,气罐出口与减压阀相连，确保后面气路中气体压力保持不变，便于控制计算。进气阀为常闭阀A,需要时才打开让高压气体通过。进排气两位三通阀包括常开阀B和排气阀C,两者配合控制可以调节进入驱动活塞气缸的气体压力。
   　　气动部分主要是1个高压气驱动的活塞，调节气缸的气压，可以改变活塞输出力的大小。活塞的有效驱动直径可以由式（1）确定，式中，Dmin为活塞的最小直径，Fmin为脱开离合器所需的最小力，pmax为气缸内气体能达到的最大压力。
   
   　　机械部分的拨叉与驱动活塞的推杆铰链，推杆的初始位置和极限位置分别对应了离合器的接合和脱开状态。
   　　控制部分的转速传感器为整车控制单元（VCU）提供发动机转速信息，VCU根据该信息选择离合器接合/脱开的时机；位置传感器与拨叉相连，为VCU提供离合器的状态信息。VCU的输出经驱动电路可直接控制常闭阀A、常开阀B和排气阀C的开闭，调节驱动活塞的气缸压力，从而控制离合器的接合与脱开。
   　　2.2　APU起动控制
   　　APU的起动控制需与电控离合器系统的控制相配合，起动过程可以分为3步：脱开离合器、发动机起动至平稳工况和接合离合器。起动过程要求离合器脱开迅速可靠，接合平稳，对发动机冲击尽可能小。
   　　APU发出起动指令后，离合器首先脱开，其过程为VCU向常闭阀A输出高电平信号，使其打开，高压气体通过常闭阀A和常开阀B进入气缸推动活塞运动，使离合器脱开。脱开过程所用时间与高压气压力以及活塞有效截面积有关。气体压力越高，截面越大，活塞作用力越大，离合器脱开所用时间越短。此外，从常闭阀A到活塞气缸的气路长度也会对脱开时间有影响。
   　　发动机在离合器脱开后起动，起动成功后，APU发出接合离合器指令。接合过程可以分为3个阶段（见图3）。第一阶段，离合器压盘与发动机飞轮没有接触，分离轴承位移增加，但离合器不传递扭矩；第二阶段，压盘与飞轮开始接合，随着分离轴承位移增加，离合器传递的扭矩也增加；第三阶段，压盘与飞轮完全接合，离合器传递的扭矩不再增加。接合过程控制目标是尽可能缩短第一、第三阶段的时间，同时保证第二阶段接合转矩的上升不要过快，减少对发动机的冲击。
   
   　　离合器控制过程中，首先关闭常开阀B以形成常开阀B至活塞气缸的封闭回路，之后调节排气阀C的开闭频率，控制气缸内气压降低的速度，实现三阶段接合过程。
   　　APU起动过程的控制阀信号时序见图4。T0时刻是起动过程的起始时刻，T0～T1离合器脱开，T1～T2发动机起动，T2～T3,T3～T4,T4～T5分别为离合器接合过程的第一、第二和第三阶段，排气阀C上输出不同占空比的信号。
   
   　　3　试验验证
   　　3.1　APU起动过程验证
   　　在试验台架上验证APU起动过程。试验前先标定离合器分离轴承位置与离合器状态之间的关系，以离合器完全脱开时分离轴承的位置作为零点，压盘与飞轮刚开始接触时分离轴承位移为8mm,压盘与飞轮完全接合时分离轴承位移为16mm,分离轴承的最大位移为18mm。
   　　APU接到起动指令后，首先发出脱开离合器指令（见图5），高压气进入驱动活塞气缸，推动分离轴承从离合器接合位置运动至离合器完全脱开，整个过程持续0.85s。
   
   　　当离合器进入脱开状态后，APU向发动机发出起动指令。发动机5s内可以完成起动，进入怠速状态，转速为700r/min左右。
   　　第6s起，APU发出接合离合器指令（见图6）。
   
   　　分离轴承的动作在接合过程中经历了先快、后慢、再快的过程，与前文所述离合器接合过程3个阶段相符。由于第三阶段分离轴承位移对发动机的扭矩输出没有影响，所以认为离合器的接合过程到第二阶段结束就已完成，总共需要1.2s。离合器接合过程对发动机的冲击使发动机转速下降200r/min左右，在可接受范围。
   　　第7.2s起，发动机飞轮与离合器压盘完全接合，APU起动过程完成，可以向发电机发出励磁信号，APU对外输出能量。
   　　3.2　APU整车性能试验
   　　将APU装配在一辆串联式混合动力城市客车上，在实际道路条件下与一辆同类型普通天然气城市客车做对比试验。对比车型采用130kW6缸天然气发动机，5挡手动变速器，车身尺寸与混合动力客车相同。混合动力客车由于增加了电机、动力电池等设备，整备质量较对比车型略重。气耗试验时，两车采用同样的城市公交驾驶循环，且保证混合动力客车的动力电池测试前后SOC保持不变。排放试验由于条件限制，只能在台架上进行，测试工况由道路工况反推得到。
   　　由于整备质量增加，串联式混合动力城市客车动力性不如普通天然气客车，但还能满足城市公交运行工况。混合动力客车的燃气消耗量和排放均低于普通客车，表明该APU系统运用在整车上时，可以降低燃油消耗和减少排放。
   
   　　4　结语
   　　a）APU起动过程需7.2s,其中离合器脱开过程0.85s,接合过程1.2s,对发动机冲击保持在可接受范围内，满足整车控制要求；
         b）该APU应用在整车上，与同类型普通天然气城市客车相比，燃气消耗量降低了26%,NOx排放降低70%,CO排放降低65%,HC降低40%,具有节能减排效果。