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,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。