混合动力搅拌车动力系统参数匹配与仿真

2022-11-01王鲁闽武涛缪雪龙

农业装备与车辆工程 2022年10期

王鲁闽，武涛，缪雪龙

（201620 上海市上海工程技术大学机械与汽车工程学院）

0 引言

混凝土搅拌车是基础设施建设中的重要专用作业车型，应用范围非常广泛。传统的燃油动力搅拌车通常存在燃油利用率低、排放性差等问题。由于工作工况不断变化，搅拌车柴油机高热效率的优点无法得到充分发挥。随着节能减排需求的不断加大，新能源搅拌车的动力系统开发广受关注。

目前，纯电动驱动不够成熟，电池的物理特性使得纯电动汽车续航里程短、成本高、电池质量大的缺点短时间内难以克服。混合动力主要包括并联式、混联式和串联式3 种。其中，串联式动力系统发动机工作区域较为稳定高效，运行平稳，有较好的节能减排效果[1-9]，与其他混合动力模式相比，结构相对简单，对于新能源搅拌车的开发是一种可行性较高的技术路线。

本文以某型柴油动力搅拌车为研究对象，计算设计了串联式混合动力系统，通过在AVL/Cruise软件中建立整车模型，对搅拌车用户工作工况下的能量消耗进行了仿真研究。

1 混合动力搅拌车模型建立

1.1 原柴油动力搅拌车简介

本文研究对象为一款柴油动力搅拌车，其主要性能如表1 所示。

表1 搅拌车主要参数Tab.1 Main parameters of mixer truck

现有柴油搅拌车的主要动力传递路径分为两路，一路传递到车轮：发动机→离合器→变速器→主减速器→车轮；另一路传递到搅拌筒体：发动机飞轮取力器→传动轴→液压泵→液压马达→减速机→筒体。搅拌车的一个作业周期是从装料、运输、搅拌到卸料，在整个作业过程中车辆的运行速度不高，有较多停车及怠速情况，在此过程中搅拌筒是连续工作的。

由此可知，搅拌车工作时发动机的工作工况相对在低速低负荷区域，特别在停车等待阶段，发动机工作效率低、排放指标也不佳。为降低燃油消耗以及排放，拟将该款柴油动力搅拌车改造成混合动力搅拌车。

为该车设计混合动力系统满足的动力性要求如表2 所示。

表2 搅拌车性能要求Tab.2 Performance requirements for mixer truck

1.2 混合动力搅拌车关键动力部件选型与匹配

1.2.1 总体要求

对该柴油动力搅拌车进行混合动力改造的技术路线如下：采用驱动电机驱动车轮及搅拌筒，电能来自动力电池或是发电机；采用发动机与发电机组成的辅助动力装置，在需要时启动发电给驱动电机或给动力电池充电，保证搅拌车动力需求。在新的搅拌车方案中，车辆前进的动力和搅拌筒转动的扭矩均由各自的电机提供，发动机只负责发电，实现了发动机与车轮、搅拌筒动力的全部解耦。最终动力传递路径如图1 所示。

采用电机驱动车轮和搅拌筒，可以做到零燃油消耗，并且实现零排放。采用发动机和发电机发电，用做电机的电能，满足整车续航里程以及整车等待时刻电机驱动搅拌筒的电能需求，并将发动机的发电工况设定在高效低排放工作区，进一步降低燃油耗以及排放。

为满足搅拌车动力性和经济性的要求，需对其主要部件进行参数匹配设计。

1.2.2 驱动电机

驱动电机的选择与车辆的动力性指标密切相关。驱动电机的最大功率主要受最高车速、加速时间和最大爬坡度影响，需要满足这3 个重要指标。

车辆在最高车速行驶时，主要受到的阻力为滚动阻力和空气阻力，所需驱动功率由式（1）得出[10]：

式中：ηt——传动系效率；vmax——最高车速，m/s；f——滚动阻力系数；CD——空气阻力系数；A——车辆迎风面积，m2。代入车辆参数计算得到P1=163 kW。

车辆加速时所需驱动功率由式（2）得出[11]：

式中：δ——旋转质量换算系数；ta——加速时间，s；vf——加速结束的最终车速，m/s；vb——驱动电机基速对应的车速，m/s；ρ——空气密度，kg/m3。

在选型计算阶段先假设δ=1.2，vb=50 km/h（换算为13.89 m/s），vf换算为25 m/s，取空气密度ρ=1.226 kg/m3。代入车辆参数计算得到P2=314 kW。

车辆在爬坡行驶时，车速较低，主要受滚动阻力和坡度阻力影响，所需驱动功率由式（3）得出：

式中：vp——爬坡时的车速；α——坡度角，°。由爬坡度i=20%得到αmax=11.3°，将车辆参数代入计算得到P3=288 kW。

驱动电机的最大功率满足

经比较，驱动电机最大功率应不小于314 kW。

最终选择了一型永磁同步电机作为驱动电机，其最高转速为14 000 r/min，基速为3 000 r/min，峰值扭矩为800 N·m，峰值功率为320 kW，额定功率为210 kW。

1.2.3 传动比

对车辆而言，其传动比的选择应使最小传动比满足最高车速行驶的要求，最大传动比满足最大爬坡度行驶的要求。为满足最高车速要求，传动比应满足式（5）：

式中：imin——传动系最小传动比；r ——车轮滚动半径，m；nmax——驱动电机最高转速，r/min；vmax——最高车速，km/h。代入参数计算得到imin≤22.87。

为满足最大爬坡度要求，传动比应满足式（6）：

式中：imax——传动系最大传动比；Tmax——驱动电机最大扭矩，N·m；ηm——驱动电机效率，取0.9。代入参数计算得到imax≥39.4。

传动比应尽量满足车辆使用中驱动电机能工作在高效区域，经过选择，取车辆的行驶传动比为10.8，爬坡传动比为39.5。

1.2.4 发动机与发电机

为减少开发成本，节约开发时间，本文并未选用新的发动机，而是继续使用原搅拌车热效率较高的9.8 L 发动机，选择高效点作为发动机的工作点，以充分发挥高热效率的优点。

发电功率应满足车辆以最高车速匀速行驶时的功率，计算可得功率应不小于163 kW。

柴油机工作转速为700～2 300 r/min，发电机转速较高，工作高效区间也较高，为使发电能达到较高的效率，经过选型比较，在发动机与发电机之间设置了一个传动比为1∶5 的变速器，让发动机和发电机都能在高效工作区间运行。对应的，选择了一型额定功率为170 kW、峰值功率为270 kW、最大转速为12 000 r/min 的永磁同步电机作为发电机。

1.2.5 动力电池组

动力电池能量应满足

式中：E——电池电量，kW·h；P——电池最大放电功率，kW；C——放电倍率，h-1，此处取C=13 h-1。计算得到E ≥25.4 kW·h。

最终选择了一型磷酸铁锂电池作为车辆的动力电池组，电压为530 V，容量为50 A·h，总能量为26.5 kW·h。

1.2.6 搅拌电机

搅拌车搅拌罐驱动扭矩经验公式[12]：

式中：M——搅拌筒驱动力矩，N·m；V——搅拌筒装载容量，m3。将搅拌筒容积代入式（8）计算得到M=26 778.4 N·m。

经对比选择，选取减速器减速比为1∶132，选择一型额定功率为27 kW、额定转速为1 400 r/min的电机作为搅拌筒电机。

1.2.7 混合动力系统关键部件汇总

最终得到的动力系统参数如表3 所示。

表3 动力系统参数汇总Tab.3 Power system parameters summary

1.3 混合动力搅拌车性能仿真模型建立

基于AVL/Cruise 建立整车模型。利用软件自带的部件模型进行建模，设定车辆各部件，并建立部件间的机械、电气、信号连接，设定车辆的控制模块。最终建立的车辆模型如图2 所示。

为简化模型，将搅拌筒的驱动电机简化为一电力消耗模块，功率为27 kW。

2 能量控制策略

2.1 能量管理策略

仿真中，车辆起步阶段先使用电池中的电能驱动车辆行驶，当电池SOC 下降到设定的下限阈值30%后，发动机和发电机启动，SOC 上升至60%后关闭，以使发动机能稳定工作，并保持电池不过度充放电，以至于损伤电池寿命。

2.2 发动机定点控制策略

本文采用发动机定点控制策略，发动机万有特性如图3 所示。发动机工作点选择发动机工作效率较高的转速1 300 r/min、扭矩1 200 N·m 处，在该工作点，发动机油耗低于188 g/(kW·h)。经增速对应的永磁同步发电机的工作转速为6 500 r/min，功率为163 kW，在此工作点，电机效率高于95%，处于高效工作区间。

3 性能仿真及结果分析

3.1 动力性检验

在车辆半载、平直路面行驶条件下，进行车辆的最大加速性能仿真检验。加速性能曲线如图4 所示。由仿真数据可得，车辆0～90 km/h 加速时间为39 s，加速性能达到了设计要求的动力性指标。加速期间速度曲线平稳，动力输出稳定，无显著波动。

在平直路面行驶条件下，仿真得到搅拌车理论最高车速为143 km/h，达到最高车速大于96 km/h的设计要求，此时驱动电机转速为8 032 r/min。

对爬坡性能进行仿真，爬坡度曲线如图5 所示。得到车速为20 km/h 时最大爬坡度为22.7%，大于设计要求的20%，满足了动力性指标。

3.2 工作循环

在C-WTVC 循环下检验车辆的经济性。C-WTVC 循环是中国对重型商用车燃油经济性进行检验的标准循环[13]，在WTVC 循环基础上进行加速度调整得到的循环，由市区循环（900 s）、公路循环（468 s）和高速循环（432 s）3 部分组成，如图6 所示。它能较好地反映重型商用车在实际工作中的路况和油耗情况。