基于混合度的混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真

朱詩順，喻 劍，孫 燕

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161)

● 車輛工程 Vehicle Engineering

基于混合度的混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真

朱詩順1，喻 劍2，孫 燕1

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161)

針對混合動力公鐵牽引車的運行特點及性能指標(biāo)要求，對其混合動力系統(tǒng)參數(shù)進行匹配。運用混合度設(shè)計方法，確定混合動力系統(tǒng)混合度的上下限值。通過對汽車仿真軟件Advisor的二次開發(fā)，建立該車仿真模型，對不同混合度下的動力系統(tǒng)參數(shù)進行仿真。仿真結(jié)果表明，在混合度為42%時，整車動力性、經(jīng)濟性均符合設(shè)計要求。

混合動力；公鐵牽引車；參數(shù)匹配；混合度

混合動力公鐵牽引車既可用于鐵路線上調(diào)車作業(yè)、裝備牽引和線路檢修，又能在公路上機動。進行混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化匹配和性能仿真，是混合動力公鐵牽引車設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。王保華[1]提出了正交試驗設(shè)計法用于混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配，通過正交試驗，確定動力系統(tǒng)各參數(shù)對整車性能的影響，進而得到最優(yōu)的參數(shù)組合，但這種匹配方法的準(zhǔn)確度是以試驗設(shè)計的合理性為前提。Morteza Montazeri-Gh等[2]考慮在不同行駛工況下，以經(jīng)濟性和排放性最優(yōu)作為適應(yīng)度函數(shù)，對發(fā)動機工作轉(zhuǎn)矩系數(shù)、電動機工作轉(zhuǎn)矩系數(shù)進行優(yōu)化，從而確定最終動力系統(tǒng)參數(shù)，但該方法只適用于行駛工況簡單的車輛，對于要滿足在公路、鐵路下行駛的公鐵牽引車并不適用。鄭維[3]通過建立模型，設(shè)定不同的動力系統(tǒng)參數(shù)，并對其進行仿真分析，研究不同參數(shù)對整車動力性能的影響，選擇仿真結(jié)果最優(yōu)的參數(shù)組合，但該方法工作量大，需對多組動力參數(shù)進行仿真，短時間內(nèi)不能取得好的效果。

目前，對混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配主要集中于小轎車及客車，而對于混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配，還有待深入研究[4]。本文利用混合度設(shè)計方法，對混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化匹配，確定該混合動力系統(tǒng)混合度的上下限值。通過對汽車仿真軟件Advisor二次開發(fā)，建立了混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)仿真模型[5]。運用該模型對各混合度下的動力系統(tǒng)性能進行仿真，從而確定混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)各部件的技術(shù)參數(shù)。

1 混合動力公鐵牽引車驅(qū)動型式及技術(shù)要求

混合動力車輛結(jié)構(gòu)型式主要有串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式。其中并聯(lián)式混合動力車輛保留了傳統(tǒng)車輛的驅(qū)動方式，可根據(jù)行駛工況，合理采用動力類型的耦合方式，能量利用率較高。本文所研究的混合動力公鐵牽引車采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其原理如圖1所示。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)具有發(fā)動機與蓄電池組兩種動力源，可分別獨立地向外輸出扭矩。當(dāng)車輛啟動時，蓄電池組對電動機供電，通過電機驅(qū)動車輛啟動；正常行駛時，由發(fā)動機提供車輛行駛所需動力，同時對蓄電池組充電；當(dāng)車輛爬坡或滿負(fù)荷牽引時，由發(fā)動機與蓄電池組共同提供動力，滿足車輛行駛要求。整車設(shè)計主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)原理

技術(shù)指標(biāo)技術(shù)要求公路空載最高車速umax1/(km·h-1)30鐵路空載最高車速u’max1/(km·h-1)30鐵路滿載最高車速umax2/(km·h-1)15導(dǎo)輪與膠輪載荷比1∶9鐵路最大牽引質(zhì)量mb/kg5×105最大爬坡度α/(%(°))30(16．7)純電動最長工作時間t/h2(平均功率20kW)燃油經(jīng)濟性提升25%

2 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 被牽引車阻力分析

鐵路牽引作業(yè)，被牽引車按其運行狀態(tài)的不同，所受阻力可分為原地啟動阻力與被牽引行駛阻力。

(1)原地啟動阻力。按照技術(shù)指標(biāo)要求，最大牽引質(zhì)量mb為5×105kg(滾動軸承貨車)。滾動軸承貨車啟動阻力系數(shù)[6]wq為3.5×10-3。 則貨車啟動阻力Fb1為

Fb1=wq·mb·g=17 150 N

式中g(shù)為重力加速度，g= 9.8 m/s2。

(2)被牽引行駛阻力。滾動軸承貨車行駛阻力系數(shù)wo為

wo=0．92+0．004 8v+0.000 125v2=1.02×10-3

式中v為鐵路牽引速度，v=umax2=15 km/h。則被牽引貨車行駛阻力Fb2為

Fb2=wo·mb·g=4 998 N

2.2 整車啟動需求轉(zhuǎn)矩

車輛在啟動時需要克服的轉(zhuǎn)矩最大，最大轉(zhuǎn)矩的確定需要從公路啟動及鐵路滿載牽引啟動兩方面來考慮。

(1)公路啟動需求轉(zhuǎn)矩[7]。車輛公路啟動阻力Fx1為

Fx1=ma·g·ψ=4 704 N

式中：ma為牽引車質(zhì)量，ma=12 000 kg；ψ為公路啟動阻力系數(shù)，ψ=0.04。則公路啟動阻力矩T1為

T1=Fx1·r=1 928 N·m

式中r為輪胎半徑，r=0.41 m。

(2)鐵路滿載牽引啟動需求轉(zhuǎn)矩。鐵路牽引500 t時，被牽引貨車啟動阻力Fb1=17 150 N。參照機車啟動阻力的計算，取牽引車鐵路啟動阻力系數(shù)5×10-3，則牽引車鐵路啟動阻力Fq為

Fq=ma·g·β=588 N

式中β為牽引車鐵路啟動阻力系數(shù)，β=5×10-3。

鐵路滿載牽引啟動阻力矩T2為

T2=(Fb1+Fq)·r=7 272 N·m

電動機輸出轉(zhuǎn)矩Tmax為

式中i0為總速比，i0= 20.72。

2.3 整車需求功率匹配

混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)功率的匹配，要從公路最高速度行駛所需功率、公路最大坡度行駛所需功率、鐵路滿載牽引最高速度行駛所需功率這幾方面來考慮。

(1)公路以最高速度行駛所需功率P1。

式中：umax1為公路行駛最高速度，umax1=30 km/h；f0為公路滾動阻力系數(shù)，f0= 0.015；CD為風(fēng)阻系數(shù)，CD=0.7；η為傳動系統(tǒng)效率，η= 0.9；A為迎風(fēng)面積，A= 6 m2。

(2)公路最大坡度行駛所需功率P2。

式中：u2為爬坡速度，u2=5.6 km/h；α為最大坡度，α=16.7°。

(3)鐵路滿載最高速度行駛所需功率P3。

式中：umax2為鐵路滿載牽引最高車速，umax2=15 km/h；PG為導(dǎo)輪承載重量，PG=0．1·ma·g=11.76 kN；PD為膠輪承載重量，PD=0．9·ma·g=105.84 kN；f1為導(dǎo)輪與鋼軌滾動阻力系數(shù)，f1=0.01；f2為膠輪與鋼軌滾動阻力系數(shù)，f2= 0.03；Fb2為被牽引貨車行駛阻力，F(xiàn)b2= 4 998 N。

則牽引車峰值功率Pmax為

Pmax=max(P1，P2，P3)=61．3 kW

一般情況下，汽車電氣系統(tǒng)消耗的功率為10%～15%，因此，整車取需求功率為70 kW。

2.4 電池參數(shù)匹配

根據(jù)整車電壓需求，電池個數(shù)ns為

式中：U為電池組端電壓，V；U0為單個電池端電壓，V。

選取磷酸鐵鋰電池為動力電池，選取電機控制器的工作電壓為512 V，單節(jié)磷酸鐵鋰電池額定電壓為3.2 V，則單體電池個數(shù)ns為160。

動力電池需要為汽車電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)提供電力，并且考慮到鐵路牽引作業(yè)的特殊性，滿負(fù)荷牽引工作時間短，平均使用功率只有額定功率的1/4。因此，取純電動行駛平均功率為20 kW，設(shè)計要求純電動持續(xù)工作時間應(yīng)大于2 h，電池功率應(yīng)滿足下式：

式中：Pb為電池功率，kW；P′為純電動行駛平均功率，P′=22 kW；ηm為電動機工作效率，ηm=0.9；ηc為能量轉(zhuǎn)換效率，ηc=0.97。

Pb≥ 22.6 kW。取電池能量W=45 kW·h，則電池容量Q為

式中：Q為電池容量，A·h；U為電池電壓，U=512 V；λ為放電深度，λ=0.8。

通過以上計算與分析，動力電池組采用磷酸鐵鋰電池，其單節(jié)電池額定電壓為3.2 V，額定容量為60 A·h，組合方式為兩節(jié)單體電池并聯(lián)為一組，160組串聯(lián)，總電壓為512 V，總?cè)萘繛?20 A·h。

3 混合度設(shè)計

混合度指混合動力汽車電氣系統(tǒng)功率占總功率的百分比[8]，并聯(lián)混合動力混合度R為

式中：Pm為電動機功率，kW；Pe為發(fā)動機功率，kW。

從上式可以看出，電動機在動力系統(tǒng)中所占比例越大，則混合度值R越高。在極限情況下，混合度為0是傳統(tǒng)車輛，混合度為1是電動車輛。

3.1 混合度上限值的確定

混合度上限值是在整車總的需求功率確定的情況下，發(fā)動機功率取最小值時的混合度。發(fā)動機要滿足混合動力公鐵牽引車在大部分行駛條件下的功率需求，只有在滿載牽引和爬坡等極限負(fù)荷條件下，才與電動機共同驅(qū)動。因此，混合度上限值的確定與牽引車穩(wěn)定行駛狀態(tài)下的需求功率有關(guān)。從以下兩種狀態(tài)確定整車穩(wěn)定行駛功率。

(1)公路以巡航速度u行駛所需功率Pu。

式中u為公路巡航速度，20 km/h。

(2)坡度為15%行駛所需功率Pφ。

式中φ為坡度，φ=arctan 0.15。則Pe=max(Pu,Pφ),Pe=Pφ=33 kW，則混合度上限值Rmax為

3.2 混合度下限值的確定

混合度下限值應(yīng)該滿足整車純電動行駛的功率需求，由電動機的最大功率取最小值來確定。電動機功率應(yīng)在合理范圍內(nèi)，功率太低不能滿足整車純電動行駛相關(guān)設(shè)計要求，太高會影響整車制造成本。根據(jù)設(shè)計要求，混合動力公鐵牽引車純電動行駛時間為2 h(平均功率20 kW)。因此，混合度下限值Rmin計算式為

4 混合動力系統(tǒng)性能仿真

本文采用Advisor仿真平臺，對其驅(qū)動控制模塊進行二次開發(fā)，將前軸驅(qū)動改為4輪驅(qū)動型式，修改后的參數(shù)輸入界面如圖2所示。在混合度上下限值內(nèi)，將其分為9個點，分別進行性能仿真。仿真行駛循環(huán)工況選擇NEDC循環(huán)工況(如圖3所示)。

圖2 混合動力系統(tǒng)性能仿真界面

圖3 NEDC循環(huán)工況

各混合度下的百公里油耗仿真結(jié)果見表2。從表中可以看出，隨著混合度值的提高，整車百公里油耗逐漸降低。但混合度值越高，電動機輸出功率越大，電池組所需的能量也就越大，混合動力車輛的設(shè)計成本也就越高。因此，選取滿足經(jīng)濟性指標(biāo)下的最小混合度。

表2 各混合度下的百公里油耗

對混合度與油耗進行二次項擬合，擬合曲線如圖4所示。得到擬合關(guān)系式：

Q=0.000 3R2-0.362 6R+38.628 9

圖4 油耗—混合度擬合曲線

通過仿真，當(dāng)混合度為42%時，燃油經(jīng)濟性提升25%，整車最大爬坡度可達31.6%。圖5為42%混合度下整車的速度跟隨曲線圖。由圖5可見，牽引車空載最高速度可達70 km/h，與NEDC循環(huán)工況比較發(fā)現(xiàn)，在50 km/h的行駛速度范圍內(nèi)，牽引車可較好地跟隨循環(huán)工況預(yù)定車速，滿足設(shè)計要求。圖6為SOC變化曲線。由圖6可見，牽引車行駛過程中，SOC平緩下降，起到輔助動力作用，行車制動時，SOC值略有回升，能量回收控制策略效果明顯。當(dāng)混合度為42%時，發(fā)動機與電動機功率分別為41 kW、29 kW。依據(jù)相關(guān)產(chǎn)品目錄，最終確定動力系統(tǒng)各部件參數(shù)見表3。

圖5 R=42%整車速度跟隨曲線

圖6 SOC變化曲線

表3 動力系統(tǒng)部件參數(shù)

5 結(jié) 論

(1)利用混合度設(shè)計方法對混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)參數(shù)進行匹配，得出該混合動力系統(tǒng)混合度合理范圍為29%～53%；

(2)通過對不同混合度的動力系統(tǒng)性能進行仿真分析，得知動力系統(tǒng)混合度越高，牽引車百公里油耗越低，但其整車設(shè)計成本也隨之提高；

(3)仿真結(jié)果表明，當(dāng)混合度為42%時，牽引車每百公里消耗柴油23.9 L，節(jié)油率達25%，最大爬坡度為31.6%，牽引車空載最高速度可達70 km/h，整車的動力性、經(jīng)濟性均符合設(shè)計要求。

[1] 王保華.混合動力城市客車控制策略與試驗研究[D].上海:上海交通大學(xué),2008.

[2] MORTEZA Montazeri-Gh, AMIR Poursamad, BABAK Ghalichi. Application of genetic algorithm for optimization of control strategy in parallel hybrid electric vehicles[J]. Journal of the Franklin Institute, 2006, 343(4):420-435．

[3] 鄭維.混合動力汽車動力總成參數(shù)匹配方法與控制策略的研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[4] 駱?biāo)鼐?孫燕,朱詩順,等.公鐵兩用混合動力牽引車動力參數(shù)匹配與仿真[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報,2014,16(3):43-47.

[5] 朱詩順,任永樂,郭猛超,等.多輪驅(qū)動混合動力車輛的建模與仿真[J].汽車工程,2009(9):829-833.

[6] 鐵道部科學(xué)研究院.列車牽引計算規(guī)程:TB/T 1407—1998[S].北京:鐵道部科學(xué)研究院,1998．

[7] 中國人民解放軍空軍標(biāo)準(zhǔn)化辦公室.飛機牽引車通用規(guī)范:GJB 1848A—2002[S].北京:中國人民解放軍空軍標(biāo)準(zhǔn)化辦公室,2002．

[8] 曾小華.并聯(lián)式混合動力汽車混合度對整車成本的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008(1):15-19.

(編輯：張峰)

Parameter Matching and Performance Simulation of Hybrid Road-rail Towing Tractor Power System Based on Degree of Hybridization

ZHU Shishun1, YU Jian2, SUN Yan1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

The paper matches the parameters of hybrid system according to the operating characteristics and performance requirements of hybrid road-rail towing tractor. Firstly, it determines the upper and lower limits of hybrid system with the design method of DOH (degree of hybridization). Then, it establishes a simulation model by re-developing the simulation software Advisor and simulates power system parameters in different degree of hybridization. The simulation result shows that the dynamic property and economy of the vehicle can meet the design requirements at the 42% degree of hybridization.

hybrid; road-rail towing tractor; parameter matching; degree of hybridization

2016-04-25；

2016-08-29．

朱詩順(1960—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.010

U469．7

A

1674-2192(2017)01- 0040- 05