公铁两用混合动力牵引车动力参数匹配与仿真

动力系统是车辆的“心脏”，所以，动力系统设计得好坏直接影响车辆的性能。混合动力车辆有2 个“心脏”。如何合理地利用2 个动力源，减少两者之间的冲突，更好地发挥双动力源的优越性，是混合动力系统设计需要解决的主要问题。混合动力系统参数匹配对整车的动力性、经济性和排放性均有显著影响，直接关系到混合动力汽车能否达到节能和环保的要求。通过对混合动力系统优化控制，可使发动机、电动机和蓄电池保持在最佳经济区运行，并实现再生制动能量回收，提高整车的能量利用率。

目前的参数匹配研究多集中在轻型轿车和公交客车上，认为: 并联式轿车中发动机和电动机的功率匹配原则，是由发动机提供车辆平均行驶功率，由电动机提供峰值功率; 大型公交车中发电机和蓄电池组的功率匹配应基于循环工况，电动机的匹配应基于加速需求的匹配原则。而对公铁两用牵引车混合动力系统功率匹配的研究还鲜有报道。基于此，本文以某型传统牵引车为原型，在对其动力系统进行改造、重新匹配的基础上，拟开发一款适合场地货运等特定工作环境的混合动力牵引车，并建立混合动力系统的整车驱动模型。采用ADVISOＲ 仿真软件对其进行性能仿真、分析，以达到整车动力性不降低前提下，燃油经济性有较大幅度提高的设计目标。

1 驱动系统设计

1． 1 驱动系统总体结构
本文设计的公铁两用混合动力牵引车的驱动系统为并联式( 如图1 所示) ，包括发动机、集成启动发电机( integrated starter and generator，ISG) 、电控离合器、电控机械式自动变速器( AMT) 、驱动电动机和蓄电池组成的储能系统。整车控制器( hybridcontrol unit，HCU) 一方面通过总线CAN 与发动机控制器( ECM) 和AMT 控制器( TCU) 进行通信，另一方面通过总线CAN 与ISG 控制器( ISGC)、驱动电动机控制器( DMC) 和电能管理单元( EEMU) 进行通信。

牵引车由并联式混合动力装置的发动机和电动机共同驱动。发动机与电动机分属2 套系统，可以分别独立地向车辆传动系统提供转矩，在不同工况下既可以共同驱动又可以单独驱动。当车辆负荷较大或在有一定坡度的轨道上作业时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力; 当车辆在空旷的开阔地作业、动力系统负荷不高时，可单独依靠发动机维持作业，并可以同时为蓄电池组充电; 当车辆在隧道或山洞作业时，利用蓄电池组单独工作，实现零排放。由于发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的驱动系统，机械效率损耗与普通牵引车差不多。

1． 2 驱动系统仿真建模
公铁两用混合动力牵引车仿真系统由发动机模块、永磁电动机模块、蓄电池组模块、车身模块、传动部分模块、电子电器模块和车轮模块等组成，仿真软件采用ADVISOＲ 2002，其仿真顶层模块如图2 所示。本文模型是对ADVISOＲ 进行二次开发，由软件本身单轴驱动改为多轴驱动模型。


通过对我国铁路调车现状的调研和分析，结合我国现有公铁两用车的设计开发和生产制造现状，充分考虑铁路调车作业所存在的问题，在设计该型公铁两用轨道混合动力牵引车时，动力系统采用模块化混合动力分时驱动系统，即在平时采用单轴或部分驱动轴驱动，而在特殊作业时则利用具有标准接口的模块化混合动力总成部件对车辆进行升级，使公铁两用牵引车实现多轴或全轮驱动，全面提高牵引车的性能。模块化总成部件包括发电机、电动机以及蓄电池组。这种模块化设计概念，可根据驱动要求快速高效地增减驱动能力，既能满足公铁两用牵引车在各种使用环境下的性能要求，解决平时大马拉小车的现象，又可以避免传统民用混合动力车辆的设计方式，每天载着质量几百千克的混合动力附件运行。

2 参数匹配

2． 1 动力性能评价指标
混合动力牵引车的动力性能主要以车辆的最高速度、最大爬坡度和最大牵引力等3 个指标综合评价。另外，混合动力牵引车还要具有一定的纯电动作用能力，即在隧道或排放要求高的环境中作用时，牵引车要关闭发动机，由蓄电池组单独供电作业，其纯电动续驶里程要大于或等于隧道的纵深。

2． 2 驱动系统参数匹配
2． 2． 1 发动机参数的确定公铁两用混合动力牵引车动力总成参数确定的基本原则是: 发动机功率需满足牵引动力需求，即以最大牵引力Fmax和允许的最小稳定车速Vmin行驶时的所需功率为电动机最大输出功率。车辆行驶所需要的最大功率为P1 = Fmax × Vmin( 1)其中Fmax = Ff + Ft + Fw + Gpg·sin θ =( Gp + Gc) ·g( cos αmax·f + sin αmax) +CDAV2min21． 25( 2)式中: P1为车辆行驶所需要的最大功率，kW; Ff为滚动阻力，N; Fw为空气阻力，N; Ft为挂钩牵引力，N; f 为滚动阻力系数; CD为空气阻力系数; A为迎风面积，即车辆行驶方向的投影面积，m2 ; Gc为牵引货物的质量，包括拖车，t; Gp为牵引车的自身质量，t 。因此，发动机应提供的最大功率可由式( 1) 和式( 2) 确定，即Pmax = 1ηTP1 = 1ηT( Fmax × Vmin)式中ηT为整车传动效率。

2． 2． 2 电动机参数的确定电动机参数包括电动机额定功率Pe、电动机最大功率Pm、电动机额定转速Ne、电动机最大转速Nm、电动机额定转矩Te、电动机最大转矩Tm和过载系数λ。公铁两用混合动力牵引车的电动机功率主要用于车辆在山洞或码头地域无排放作业，另外对车辆加速和爬坡进行动力辅助。电动机额定功率和额定转矩以给定车速和最大牵引质量下牵引车纯电动工作里程，通过式( 3) 、( 4) 确定。Pe = TeNe9 550( 3)Ne = Nm /βTe = Tm / { λ( 4)电动机的过载系数λ 是电动机的一个重要参数，由电动机类型和生产厂家的技术能力决定。电动机较大的过载系数能使混合动力车辆的动力性提升一大步。

2． 2． 3 蓄电池参数的确定目前国内动力蓄电池中，锂离子蓄电池相比其他蓄电池的物理和化学特性更胜一筹，产品已经成功地运用到电动客车及其他一些民用电动车辆上。因此，在混合动力牵引车上也可采用锂离子动力蓄电池。
( 1) 蓄电池个数的选择。根据整车电压需求，蓄电池个数ns定为ns = UU0( 5)式中: U 为蓄电池组端电压; U0为单个蓄电池端电压。
( 2) 蓄电池功率的选择。在某些情况下，混合动力牵引车需要蓄电池具有很大的放电功率，但持续时间很短，放出的电量很少。锂离子蓄电池可以以倍率电流放电，其输出功率为Pmax = Uc Ic( 6)式中: Uc为倍率放电时蓄电池组端电压; Ic为倍率放电电流。
( 3) 蓄电池容量的选择。具有一定的纯电动作业里程，可以大大提高公铁两用混合动力牵引车的环境适应能力。在牵引车上装备具有一定容量的蓄电池组，是很有必要的。但蓄电池组容量越大，质量也相应增加，这样会影响整车的动力性。因此，选择合适的蓄电池容量，对混合动力牵引车具有重要意义。按功率需求选择蓄电池容量为Qm1≥PmaxCucnsη( 7)式中: C 为蓄电池组的最大放电倍率; uc为单个蓄电池倍率放电时的端电压; η 为放电比率。按能量需求选择蓄电池容量为Qm2≥1 000 × Wns socu0( 8)式中: W 为纯电动行驶所需总电能; soc 为蓄电池组放电深度; u0为单个蓄电池的端电压。最终，蓄电池容量Qm为Qm≥max( Qm1，Qm2)

3 性能仿真
3． 1 仿真参数在参数匹配计算中，牵引质量2 200 t，车辆自身质量10 t，坡度30% ，最小速度10 km/h，传动效率ηT = 0． 9，滚动阻力系数f = 0． 013，空气阻力系数CD = 0． 58，迎风面积A = 6 m2，纯电动行驶里程为20 km。由式( 1) —( 9) 得各部件参数见表1。


3． 2 仿真结果与分析将该车仿真参数输入到图4 所示的用户界面，运行软件［5 － 6］，最终得到电动机工作状态( 如图5 所示) 和仿真结果( 见表2) 。


图5 显示了电动机的工作点，可以看出电动机工作在最高效率曲线附近，说明了速比控制的合理性。由于混合动力牵引车为弱混合形式，从图5可知，电动机的转矩变化范围不大，只是起能量辅助作用或进行短距离纯电动运行。表2 为性能仿真结果，该数据可为台架实验结果提供参考。


4 结论
( 1) 该设计不仅满足车辆的动力性需求，而且在牵引车正常工作过程中，蓄电池的soc 值始终保持在设定的合理范围内。
( 2) 电动机在合理工作区工作，发动机工作在高效区域附近，尾气排放控制在国家标准以内。( 3) 动力系统匹配结果达到了预设的目标，能够应用到实车改造。


参考文献:
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