天然气混合动力城市客车动力系统的设计研究

高俊伟

摘要：在能源短缺和环境保护的双重影响下，天然气混合动力汽车逐渐成为了汽车工业发展的必然趋势。天然气混合动力汽车作为内燃机汽车和纯电动汽车之间的一种过渡车型，一方面继承了传统燃油汽车续航里程长、机动性强等特点，另一方面天然气作为一种清洁能源，混动汽车运行中几乎不会排放出污染气体。本文以天然气混合动力城市客车为例，分别从系统选型、总成匹配、仿真实验等方面，就动力系统的设计要点和设计结果展开了简要分析。

关键词：混合动力；城市客车；动力系统；仿真实验

在天然气混合动力汽车研究中，汽车动力系统的设计既是重点又是难点。目前国际上一些发达国家的混动汽车动力系统中，应用较广的是串联式结构，但是运行效率较低，只适用于小型汽车，不能满足城市客车的运行需要。本文设计了一种单轴并联式天然气混合动力城市客车动力系统，通过仿真实验证明该动力系统可以满足城市客车的道路运行需要，具有较强的实用性。

1 天然气混合动力城市客车的分类

1.1 串联式混合动力客车

现阶段天然气混合动力汽车的动力系统中，主要采用串联式结构，发动机、发电机以及驱动电动机三个主要动力部件采用串联方式连接。其优点是汽车运行状态稳定，燃油经济性较高。但是动力来源比较单一，为了保证汽车动力系统获得持续的动力，需要增加车载电池的数量，无形中增加了成本。同时，采用串联式结构的混合动力客车，在运行时容易出现能量损耗偏高的情况，限制了客车的续航里程。

1.2 并联式混合动力客车

并联式混合动力汽车与串联式相比，除了主要动力部件采用并联方式连接外，还保留了传统燃油机的传动系统。这样除了由天然气混合动力系统提供直接的驱动力外，还能够将电池组提供的动力与传动系统结合，为汽车单独提供驱动力，这样就将混合动力汽车的续航里程大幅度延长，甚至能够达到内燃机汽车的最大续航里程。此类汽车适合于路况较好、对行驶速度要求不高的情况，但是尾气排放要高于串联式混合动力客车。

2 天然气混合动力城市客车的系统选型

2.1 电动机型式的选择

相比于普通的小型客车，城市客车荷载多变，对动力系统的设计提出了更高的要求。在选择电动机时，需要满足以下几方面的条件：首先，电动机能够提供允许范围内的高电压，这样不仅可以产生更强的动力，还能够在一定程度上降低整個动力系统的设计成本；其次，尽量选择轻质、高性能的材料，例如铝合金、不锈钢等，减轻了电动机和整车质量，降低了城市客车运行中对动力的需求；再次，电动机起动转矩的上下范围要足够大，这样才能满足在城市客车满荷载的情况下，能够顺利完成加速、制动等控制。

2.2 动力电池组型式的选择

目前性能较高、技术成熟的动力电池组主要有三种：镍氢电池的最大比功率能够达到200w/k，保证了混合动力城市客车能够在加速过程中获得足够的动力。并且可以支持快速充电，使用起来较为方便，对环境污染较小。钠硫电池是现阶段性能最高的一种新型电池，但是对工作环境要求严格，例如需要工作温度恒定在400±50℃之间，另外充电过程比较漫长，不太适合城市客车的使用需求。锂离子电池是目前在车辆动力系统中应用最为广泛的一种电池，技术成熟、性能稳定，但是放电过快，持续供电能力较差。

3 天然气混合动力城市客车动力系统的总成匹配

3.1 发动机参数选择

3.1.1 满足最高车速的功率需求

电动机为汽车提供动力，其功率参数的选择要由汽车性能要求决定。当汽车以最高车速行驶时，其坡度阻力和加速阻力皆为零。因此，作为动力源的电动机要能够提供足够的力来克服其行驶阻力，包括滚动阻力、空气阻力等。

3.1.2 满足最大爬坡度的功率需求

汽车最大爬坡度指汽车满载时在良好路面上等速行驶能爬过的最大坡度。此时，汽车驱动力除克服滚动阻力和空气阻力外的剩余驱动力全部用来克服坡度阻力，其加速度为零。

3.2 电动机转速和额定功率的确定

电动机自身重量是选择时需要考虑的因素之一，为了降低电动机自重，可以优先考虑铝合金材质的电动机，另外在同等功率和转速下，尺寸较小的也是优先考虑的对象。考虑到在整车布置方案中要采用可变速比的变速箱，为了获得最高车速和提高电动机的整体效率，选定电动机的最高转速为14000r/min，基速4000r/min。此外交流电动机的最大功率相对于额定功率一般有1.8-22的过载能力，但是在城市客车运行中，还要考虑到特殊路况（如爬坡、坑洼等），以及城市客车满载、空调设备等，为此在选择电动机转速和额定功率时，也要预留出一定的裕量。

4 仿真实验

在完成上述设计任务后，还需要通过仿真实验，在模拟公路环境下检查天然气混合动力城市客车动力系统的运行情况，同时根据仿真实验中获取的数据，对动力系统实际应用中存在的问题进行改进和优化。本次仿真实验使用AVL Cruise 3.0版本，为了简化实验操作，获取与动力系统有关的关键数据，只对动力性和经济性进行仿真。

5 结语

统计仿真数据可以发现，本文设计的天然气混合动力城市客车动力系统在最高车速、最大爬坡度等方向的性能指标均达到了城市客车运行需求，并且在客车运行成本方面，也比当前普通的内燃机汽车低。虽然短期来看，天然气混合动力城市客车的成本要超出普通燃油客车，但是随着技术的日益成熟，设计成本也会逐渐降低。此外，从长远来看，混合动力城市客车无论是从环保效益、经济效益方面，也具有不可比拟的优势。通过开展动力系统设计，为下一步混合动力城市客车的推广使用奠定了基础。

参考文献：

[1]雷良育，张培培，赵大旭.混联式混合动力城市客车动力系统的匹配及控制策略研究[J].中国机械工程，2016，22（8）：109-111.

[2]王坤俊，蒋时军，汪伟.气电混合动力城市客车APU系统研制[C]//中国客车学术年会暨中国客车行业发展论坛.2015.

（作者单位：中国市政工程工程东北设计研究总院有限公司新疆分公司）