混動重卡動力驅(qū)動系統(tǒng)匹配設(shè)計研究

關(guān)鍵詞：自卸車；混合動力；燃油耗；限值

0前言

自卸車是工程用車中較為普遍的運輸工具，其燃油耗水平較高，而混合動力汽車（HEV）可以充分利用發(fā)動機和電機的工作特性，通過協(xié)調(diào)發(fā)動機與電機的能量分配，保證發(fā)動機在高效低能耗區(qū)工作。在制動和滑行工況下，可利用電機的再生制動功能回收能量并將其儲存在動力電池中，用于后續(xù)工況的電機驅(qū)動輸出。此外，HEV 可針對整車在擁堵、怠速等車等工況下發(fā)動機頻繁啟停、燃油耗經(jīng)濟性差等問題進行優(yōu)化。

自卸車主要用于砂石料等短途運輸，多行駛于二級及以下公路或非公路地區(qū)，該路況下的道路坡度通常較大。因此，自卸車的空駛率高、怠速占比高，且啟停頻繁。筆者從自卸車特點入手，研究混合動力配置在自卸車上的可行性，以及在燃油耗優(yōu)化方面的貢獻。

1整車動力性能需求

一般來說，在整車設(shè)計階段會定義所期望的整車動力性能指標［1］，包括最高車速、最大爬坡度及加速性能等。

（3） 根據(jù)加速時間計算所需功率。以百公里加速時間計算所需功率時，不考慮爬坡度，功率應(yīng)滿足：

2匹配選型

2. 1整車參數(shù)

整車參數(shù)及動力性能指標見表1。

2. 2阻力參數(shù)

針對原車和改制車分別進行整車阻力滑行試驗，具體結(jié)果如圖1所示。

2. 3變速箱參數(shù)

選用一款針對自卸車工況而專門設(shè)計的變速箱，其參數(shù)見表2。

2. 4 滿足動力性能需求的功率計算

根據(jù)整車信息及整車技術(shù)規(guī)范（VTS）的定義，首先進行不同動力工況性能指標下的功率需求計算，然后取最大功率下的動力性能需求來覆蓋所有工況下的動力性能需求［2］。滿足整車需求的功率曲線如圖2 所示。

動力系統(tǒng)的功率不低于350 kW，且最高車速下的扭矩不小于470 N·m。依據(jù)相關(guān)理論分析，結(jié)合整車的VTS 指標，選擇額定功率為80 kW 的軸向磁通電機。

3整車仿真

從自卸車實際運行工況及中國重型車商用車測試工況-自卸車（CHTC-D）分析入手，針對自卸車工況燃油耗高的痛點制定混動策略。另外，需要從客戶的角度出發(fā)，進行整車全生命周期成本分析法（TCO）分析。

3. 1混合動力對整車經(jīng)濟動力性的貢獻分析

從能耗角度考慮，使用場景對整車燃油耗起到?jīng)Q定性影響。

3. 1. 1整車運行工況對燃油耗的影響

影響燃油耗的最直接因素是整車負荷，負荷在時間維度進行累計即為燃油耗。發(fā)動機的運行工況也是影響整車燃油耗的重要因素。控制發(fā)動機的運行工況點，使發(fā)動機盡量在燃油消耗率相對較低的區(qū)域運行，以降低整車的燃油消耗量［3］。

3. 1. 2混合動力對整車燃油耗的優(yōu)化

重載爬坡會導(dǎo)致整車燃油耗高。通常，在高轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的燃油消耗率表現(xiàn)不會很好；加減速頻繁會導(dǎo)致發(fā)動機的負荷率變化很大；此外，怠速時間長，也會影響到整體燃油耗水平。

混合動力系統(tǒng)中的電池和電機可以有效應(yīng)對整車燃油耗的優(yōu)化需求，使得發(fā)動機盡量在經(jīng)濟性較好的區(qū)域運行；此外，電機還可以回收自卸車在減速、下坡工況下的制動能量。

3. 1. 3 動力性角度下混合動力對特殊工況的貢獻分析

在低轉(zhuǎn)速下電機扭矩最大，且表現(xiàn)為恒扭矩模式時，電機與發(fā)動機扭矩疊加，整車在低速爬坡以及加速時的性能得到提高。

3. 2 自卸車動力傳動路線

傳統(tǒng)自卸車的動力轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由發(fā)動機、變速箱、后橋等組成。發(fā)動機的動力經(jīng)過變速箱的變速變扭作用，自卸車起步、爬坡階段的扭矩輸出增大；同時，利用不同檔位的速比變化，使得發(fā)動機盡量在經(jīng)濟性較好的轉(zhuǎn)速區(qū)間運行［4］。傳統(tǒng)車型動力傳動示意圖如圖3 所示。

混合動力自卸車的動力電池可以輔助發(fā)動機驅(qū)動整車，或者以純電驅(qū)動整車行駛。根據(jù)電機布置位置，并聯(lián)結(jié)構(gòu)可分為P0、P1、P2、P3、P4 共5 種架構(gòu)方式，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。其中，P1 架構(gòu)中的發(fā)動機不能停機；P3 架構(gòu)中電機無法用到變速箱的增扭作用，對于電機的規(guī)格要求較高；P2 架構(gòu)則同時解決了上述2 種架構(gòu)存在的問題，因此更具優(yōu)勢。

P2 架構(gòu)混合動力的電機和發(fā)動機均可將動力直接輸出到輪端。本文以并聯(lián)結(jié)構(gòu)自卸車為研究對象，探索P2 架構(gòu)混合動力在整車節(jié)油方面的貢獻。

3. 3仿真分析

從混動優(yōu)化及其他參數(shù)優(yōu)化2 個方面對整車的動力性能和燃油耗表現(xiàn)進行混合動力自卸車仿真計算。針對影響整車燃油消耗的因素，從整車運行的實際負荷及發(fā)動機的運行工況2 個方面進行整車仿真分析。不同因素對整車燃油耗的貢獻如圖5 所示。

在不考慮附著率的前提下，傳統(tǒng)動力和混合動力的性能對比見表3。

4能量分配策略優(yōu)化

并聯(lián)P2 混動由發(fā)動機和電機電池2 個動力驅(qū)動單元組成。本文選用大發(fā)動機和小電機電池組成混合動力系統(tǒng)。

4. 1發(fā)動機工況點的優(yōu)化

傳統(tǒng)發(fā)動機的運行受整車運行工況的影響，其工況點分散而低效。混合動力可以很好地將發(fā)動機的工況點集中在燃油耗較低的范圍內(nèi)。發(fā)動機運行工況點優(yōu)化示意圖如圖6 所示。

4. 2混合動力系統(tǒng)電機運行工況

在混動模式下，不僅要考慮發(fā)動機運行工況點的經(jīng)濟性，還要考慮電機的工況點，使電機盡量在高效區(qū)間運行?；靹榆囆碗姍C運行工況點示意圖如圖7 所示。

5實車驗證

在整車改制完成后，先進行較全面的安全和通信檢查，然后進行整車策略下的道路調(diào)試和數(shù)據(jù)標定。完成整車道路調(diào)試標定后，進行整車的標準循環(huán)燃油耗測試。轉(zhuǎn)轂試驗時間為2 d，最終完成整車CHTC-D 轉(zhuǎn)轂標準循環(huán)燃油耗試驗。通過在空載和滿載工況下進行的整車道路調(diào)試標定，最終完成整車的轉(zhuǎn)轂燃油耗測試驗證。結(jié)果表明，相對傳統(tǒng)發(fā)動機，混合動力的節(jié)油率達25%，實測百公里燃油耗為34.75 L，遠低于整車CHTC-D 第四階段百公里燃油耗要求（38.2 L）。

6結(jié)語

本文從自卸車的使用場景入手，分析了其使用特點及痛點；從節(jié)油的角度闡述了混合動力對整車燃油耗的貢獻。以此為基礎(chǔ)，進行整車零部件選型和仿真計算，進行混動實車設(shè)計；通過道路調(diào)試，完成整車CHTC-D第四階段的燃油耗消耗試驗。實測試驗結(jié)果和仿真結(jié)果接近，滿足設(shè)計要求。