天然氣混合動力城市客車動力系統的設計研究

高俊偉

摘要：在能源短缺和環境保護的雙重影響下，天然氣混合動力汽車逐漸成為了汽車工業發展的必然趨勢。天然氣混合動力汽車作為內燃機汽車和純電動汽車之間的一種過渡車型，一方面繼承了傳統燃油汽車續航里程長、機動性強等特點，另一方面天然氣作為一種清潔能源，混動汽車運行中幾乎不會排放出污染氣體。本文以天然氣混合動力城市客車為例，分別從系統選型、總成匹配、仿真實驗等方面，就動力系統的設計要點和設計結果展開了簡要分析。

關鍵詞：混合動力；城市客車；動力系統；仿真實驗

在天然氣混合動力汽車研究中，汽車動力系統的設計既是重點又是難點。目前國際上一些發達國家的混動汽車動力系統中，應用較廣的是串聯式結構，但是運行效率較低，只適用于小型汽車，不能滿足城市客車的運行需要。本文設計了一種單軸并聯式天然氣混合動力城市客車動力系統，通過仿真實驗證明該動力系統可以滿足城市客車的道路運行需要，具有較強的實用性。

1 天然氣混合動力城市客車的分類

1.1 串聯式混合動力客車

現階段天然氣混合動力汽車的動力系統中，主要采用串聯式結構，發動機、發電機以及驅動電動機三個主要動力部件采用串聯方式連接。其優點是汽車運行狀態穩定，燃油經濟性較高。但是動力來源比較單一，為了保證汽車動力系統獲得持續的動力，需要增加車載電池的數量，無形中增加了成本。同時，采用串聯式結構的混合動力客車，在運行時容易出現能量損耗偏高的情況，限制了客車的續航里程。

1.2 并聯式混合動力客車

并聯式混合動力汽車與串聯式相比，除了主要動力部件采用并聯方式連接外，還保留了傳統燃油機的傳動系統。這樣除了由天然氣混合動力系統提供直接的驅動力外，還能夠將電池組提供的動力與傳動系統結合，為汽車單獨提供驅動力，這樣就將混合動力汽車的續航里程大幅度延長，甚至能夠達到內燃機汽車的最大續航里程。此類汽車適合于路況較好、對行駛速度要求不高的情況，但是尾氣排放要高于串聯式混合動力客車。

2 天然氣混合動力城市客車的系統選型

2.1 電動機型式的選擇

相比于普通的小型客車，城市客車荷載多變，對動力系統的設計提出了更高的要求。在選擇電動機時，需要滿足以下幾方面的條件：首先，電動機能夠提供允許范圍內的高電壓，這樣不僅可以產生更強的動力，還能夠在一定程度上降低整個動力系統的設計成本；其次，盡量選擇輕質、高性能的材料，例如鋁合金、不銹鋼等，減輕了電動機和整車質量，降低了城市客車運行中對動力的需求；再次，電動機起動轉矩的上下范圍要足夠大，這樣才能滿足在城市客車滿荷載的情況下，能夠順利完成加速、制動等控制。

2.2 動力電池組型式的選擇

目前性能較高、技術成熟的動力電池組主要有三種：鎳氫電池的最大比功率能夠達到200w/k，保證了混合動力城市客車能夠在加速過程中獲得足夠的動力。并且可以支持快速充電，使用起來較為方便，對環境污染較小。鈉硫電池是現階段性能最高的一種新型電池，但是對工作環境要求嚴格，例如需要工作溫度恒定在400±50℃之間，另外充電過程比較漫長，不太適合城市客車的使用需求。鋰離子電池是目前在車輛動力系統中應用最為廣泛的一種電池，技術成熟、性能穩定，但是放電過快，持續供電能力較差。

3 天然氣混合動力城市客車動力系統的總成匹配

3.1 發動機參數選擇

3.1.1 滿足最高車速的功率需求

電動機為汽車提供動力，其功率參數的選擇要由汽車性能要求決定。當汽車以最高車速行駛時，其坡度阻力和加速阻力皆為零。因此，作為動力源的電動機要能夠提供足夠的力來克服其行駛阻力，包括滾動阻力、空氣阻力等。

3.1.2 滿足最大爬坡度的功率需求

汽車最大爬坡度指汽車滿載時在良好路面上等速行駛能爬過的最大坡度。此時，汽車驅動力除克服滾動阻力和空氣阻力外的剩余驅動力全部用來克服坡度阻力，其加速度為零。

3.2 電動機轉速和額定功率的確定

電動機自身重量是選擇時需要考慮的因素之一，為了降低電動機自重，可以優先考慮鋁合金材質的電動機，另外在同等功率和轉速下，尺寸較小的也是優先考慮的對象。考慮到在整車布置方案中要采用可變速比的變速箱，為了獲得最高車速和提高電動機的整體效率，選定電動機的最高轉速為14000r/min，基速4000r/min。此外交流電動機的最大功率相對于額定功率一般有1.8-22的過載能力，但是在城市客車運行中，還要考慮到特殊路況（如爬坡、坑洼等），以及城市客車滿載、空調設備等，為此在選擇電動機轉速和額定功率時，也要預留出一定的裕量。

4 仿真實驗

在完成上述設計任務后，還需要通過仿真實驗，在模擬公路環境下檢查天然氣混合動力城市客車動力系統的運行情況，同時根據仿真實驗中獲取的數據，對動力系統實際應用中存在的問題進行改進和優化。本次仿真實驗使用AVL Cruise 3.0版本，為了簡化實驗操作，獲取與動力系統有關的關鍵數據，只對動力性和經濟性進行仿真。

5 結語

統計仿真數據可以發現，本文設計的天然氣混合動力城市客車動力系統在最高車速、最大爬坡度等方向的性能指標均達到了城市客車運行需求，并且在客車運行成本方面，也比當前普通的內燃機汽車低。雖然短期來看，天然氣混合動力城市客車的成本要超出普通燃油客車，但是隨著技術的日益成熟，設計成本也會逐漸降低。此外，從長遠來看，混合動力城市客車無論是從環保效益、經濟效益方面，也具有不可比擬的優勢。通過開展動力系統設計，為下一步混合動力城市客車的推廣使用奠定了基礎。

參考文獻：

[1]雷良育，張培培，趙大旭.混聯式混合動力城市客車動力系統的匹配及控制策略研究[J].中國機械工程，2016，22（8）：109-111.

[2]王坤俊，蔣時軍，汪偉.氣電混合動力城市客車APU系統研制[C]//中國客車學術年會暨中國客車行業發展論壇.2015.

（作者單位：中國市政工程工程東北設計研究總院有限公司新疆分公司）