混合動(dòng)力同步碎石封層車動(dòng)力性能仿真

劉廷國(guó) 徐信芯 李世豪 李忠玉 張慶 左獻(xiàn)寶

摘要：為解決目前同步碎石封層車工況負(fù)荷特性變化較大，使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于調(diào)速階段，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的問(wèn)題，采用理論計(jì)算和軟件仿真相結(jié)合的方法，對(duì)同步碎石封層車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)分析不同混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)同步碎石封層車串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車且有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，采用磷酸鐵鋰電池組的混合動(dòng)力同步碎石封層車，可減少污染物排放強(qiáng)度，對(duì)串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力性能仿真驗(yàn)證，并基于某型號(hào)同步碎石封層車基本參數(shù)及動(dòng)力性能指標(biāo)，對(duì)同步碎石封層車混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要元件進(jìn)行參數(shù)匹配與選型;最后，運(yùn)用Cruise仿真軟件搭建同步碎石封層車串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，對(duì)混合動(dòng)力同步碎石封層車動(dòng)力性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在動(dòng)力性能上，串聯(lián)式同步碎石封層車最高車速可達(dá)90 km/h，增加了電池、電機(jī)，整車重量增大，與原車相比，最高車速有所下降，但仍滿足行駛要求，加速時(shí)間得到改善，0～ 30 km/h加速時(shí)間為19.6 s。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)式混合動(dòng)力;同步碎石封層;磷酸鐵鋰;參數(shù)匹配;動(dòng)力性仿真

中圖分類號(hào)：U418.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（ 2022）02-0118-06

0 引言

在當(dāng)前提倡優(yōu)化交通能源結(jié)構(gòu)、利用清潔能源的形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)外各個(gè)國(guó)家高度支持新能源在汽車行業(yè)的發(fā)展，并出臺(tái)相關(guān)政策予以支持，隨著電機(jī)、電池等各項(xiàng)技術(shù)的完善，新能源汽車因其節(jié)能和低碳特性受到政策制定者和消費(fèi)者的歡迎[1-2]。參照混合動(dòng)力汽車和混合動(dòng)力工程機(jī)械車輛，提出一種油電混合動(dòng)力同步碎石封層車設(shè)計(jì)思想，保留原有的底盤裝置，底盤仍然采用發(fā)動(dòng)機(jī)，上裝部分采用電機(jī)加電池的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3-4]。針對(duì)同步碎石封層車工況循環(huán)特點(diǎn)，當(dāng)滿料運(yùn)輸時(shí)，同步碎石封層車重量較大，電池和發(fā)動(dòng)機(jī)共同提供動(dòng)力源;空載返回拉料時(shí)，整車質(zhì)量相比于滿載運(yùn)輸時(shí)減小很多，能量需求較少，由動(dòng)力電池組放電，為同步碎石封層車行駛提供能量，當(dāng)電池電量不足時(shí)，開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)，并將富余的能量存儲(chǔ)到電池組中[5-6];當(dāng)同步碎石封層車進(jìn)行撒布作業(yè)時(shí)，速度較低，整車需求能量較小，可由電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，相當(dāng)于電驅(qū)動(dòng)[7-8]。這樣不但可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻工作在高效率區(qū)，提高能源利用率，而且由于電池輔助驅(qū)動(dòng)，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)使用頻率，這兩者都能起到節(jié)能減排作用[9-12]。為了提高同步碎石封層車的經(jīng)濟(jì)性能，本文結(jié)合理論計(jì)算和軟件仿真的方法，對(duì)同步碎石封層車串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力性能展開(kāi)研究。

1 同步碎石封層車混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于傳統(tǒng)同步碎石封層車的整車結(jié)構(gòu)、工作原理及作業(yè)流程，對(duì)3種常用混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，依據(jù)同步碎石封層車負(fù)載和速度周期性變化特點(diǎn)，綜合考慮制造成本、復(fù)雜程度和整車性能，提出串聯(lián)式同步碎石封層車混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.1 同步碎石封層車施工工藝流程

同步碎石封層車在料場(chǎng)裝滿瀝青、碎石，運(yùn)輸?shù)饺霾甲鳂I(yè)指定地點(diǎn)，在完成封層作業(yè)后，返回料場(chǎng)裝料繼續(xù)下一次封層作業(yè)，施工工藝流程如圖1所示。同步碎石封層車在進(jìn)行封層作業(yè)時(shí)，為確保瀝青和碎石的撒布量匹配，速度比較小，一般為3 -7 km/h，而在滿載運(yùn)輸和作業(yè)完空載返回時(shí)，速度相比撒布作業(yè)速度相差較大。同時(shí)，在不同行駛工況中，負(fù)載變化范圍也很大，以XTF1203同步碎石封層車為例，滿載時(shí)，整車質(zhì)量為52 540 kg，空載時(shí)，整車質(zhì)量為25 540 kg。傳統(tǒng)的同步碎石封層車動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)，針對(duì)同步碎石封層車速度和負(fù)載變化較大的循環(huán)工況，無(wú)法保證發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻工作在高效率區(qū)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于調(diào)速段，工作點(diǎn)一直變動(dòng)，分散在各個(gè)區(qū)域，且多為性能不佳的區(qū)域，影響整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)，從而造成能源利用率較低。此外，傳統(tǒng)同步碎石封層車多采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，相比電傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，要求工作部件有較高的精密度，從而增加整車的成本。由于液壓驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)效率低，不適宜行駛距離較長(zhǎng)，無(wú)法保證同步碎石封層車長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，從而降低工作效率。因此，研究同步碎石封層車混合動(dòng)力系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1.2 同步碎石封層車混合動(dòng)力系統(tǒng)

同步碎石封層車的混合動(dòng)力系統(tǒng)目前主要有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)3種?；炻?lián)式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合了其他兩種混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，使動(dòng)力元件得到更多的優(yōu)化配置，可以極大提高同步碎石封層車整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。但相對(duì)于串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)可以單獨(dú)為同步碎石封層車提供能量，傳統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)仍不可取消;相對(duì)于并聯(lián)式來(lái)說(shuō)，動(dòng)力傳遞過(guò)程中增加了機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)換，增加了混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)部件，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，布局受系統(tǒng)空間的限制，增加同步碎石封層車制造成本和控制策略難度。混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量傳輸路線如圖2所示?；炻?lián)式可以按照串聯(lián)式工作模式工作，也可以按照并聯(lián)式工作模式工作，使同步碎石封層車混合動(dòng)力系統(tǒng)工作更加靈活。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出能量一部分用于驅(qū)動(dòng)同步碎石封層車車輪，另一部分經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換供能給電動(dòng)機(jī)或直接儲(chǔ)蓄在電池中。車輛制動(dòng)消耗多余能量利用制動(dòng)回收儲(chǔ)蓄在電池中，從而提高整體系統(tǒng)的能量利用率。

結(jié)合同步碎石封層車作業(yè)流程、負(fù)載和速度周期性變化特點(diǎn)，綜合考慮制造成本、復(fù)雜程度和整車性能，選擇串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)為同步隨時(shí)封層車的動(dòng)力系統(tǒng)，其發(fā)動(dòng)機(jī)與行駛系統(tǒng)不直接相連，同步碎石封層車在轉(zhuǎn)場(chǎng)和作業(yè)工況中外負(fù)載和速度的變化不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的波動(dòng)，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率一直處于高效區(qū)間，進(jìn)而提升整車的工作效率與經(jīng)濟(jì)效益。本文所研究動(dòng)力系統(tǒng)如圖3所示，其中，底盤采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，工作裝置能量由動(dòng)力電池組提供，采用多電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)瀝青泵、導(dǎo)熱油泵、撒布滾筒和螺旋分料器。在滿載運(yùn)輸工況中，整車需求能量較大，電池組配合發(fā)動(dòng)機(jī)共同為車輛提供能量;封層作業(yè)和空載返回工況中，系統(tǒng)所需能量較小，先有電池組單獨(dú)提供能量，當(dāng)電池組電量不足時(shí)，再由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并將多余的能量?jī)?chǔ)蓄在電池組中。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組也稱為輔助動(dòng)力單元APU（ Auxiliary Power Unit）。相比傳統(tǒng)同步碎石封層車，減少液壓傳動(dòng)中一些零件，使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，布局更靈活，提高傳動(dòng)效率。

2 同步碎石封層車串聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配研究

2.1 同步碎石封層車工況分析

串聯(lián)式同步碎石封層車作業(yè)循環(huán)分為4個(gè)階段：裝載準(zhǔn)備階段、滿載運(yùn)輸階段、封層作業(yè)階段、空載返回階段?；谕剿槭鈱榆嚨墓ぷ魈攸c(diǎn)，行駛工況可分為運(yùn)輸階段一封層作業(yè)階段一空載返回階段。同步碎石封層車在單工作循環(huán)內(nèi)的速度和負(fù)載變化曲線如圖4所示。滿載運(yùn)輸階段，整車質(zhì)量為52 540 kg，設(shè)定速度為60 km/h;封層作業(yè)階段，整車質(zhì)量由52 540 kg降至25 540 kg，作業(yè)速度勻速不變，設(shè)為5 km/h;空載返回階段，整車質(zhì)量為25 540 kg，速度比滿載略高，設(shè)定為70 km/h。

2.2 同步碎石封層車串聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

整車基本參數(shù)和性能指標(biāo)是進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究的基礎(chǔ)，基于XTF1203傳統(tǒng)燃油同步碎石封層車進(jìn)行串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造，XTF1203同步碎石封層車基本參數(shù)如表1所示。

同步碎石封層車作為重型工程機(jī)械，由表1可知，總質(zhì)量為31000 kg，外形尺寸11 960 mmx2 500mmx3 890 mm，與普通汽車相差較大，故其動(dòng)力性能比汽車有一定的差距。改造后的串聯(lián)式同步碎石封層車相比于傳統(tǒng)同步碎石封層車，增加了發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電池，會(huì)增加整車質(zhì)量，為保證其可以正常行駛和作業(yè)，參照XTF1203同步碎石封層車動(dòng)力性能指標(biāo)設(shè)定串聯(lián)式同步碎石封層車動(dòng)力性能。此外，由于采用混合動(dòng)力系統(tǒng)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)使用頻率，并可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，燃油消耗量也會(huì)相應(yīng)減少。

在同步碎石封層車串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)主要元件選型與參數(shù)匹配前，結(jié)合不同工況下的負(fù)載和速度，設(shè)定相應(yīng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，然后根據(jù)原同步碎石封層車設(shè)定改造后的整車性能指標(biāo)，基于整車動(dòng)力性要求，計(jì)算串聯(lián)式同步碎石封層車最大需求功率，對(duì)動(dòng)力元件進(jìn)行參數(shù)匹配與選型，最后校核動(dòng)力性能是否符合串聯(lián)式同步碎石封層車動(dòng)力性能指標(biāo)。串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配流程如圖5所示。

電池組在滿載運(yùn)輸和封層作業(yè)中為同步碎石封層車提供能量，根據(jù)表1中XTF1203同步碎石封層車的基本參數(shù)，設(shè)定串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車能在白定義的工況中連續(xù)T作3h，并設(shè)定撒布作業(yè)工況下的速度為5 km/h，在滿載運(yùn)輸行駛工況下的速度為60 km/h。

串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車在滿載運(yùn)輸工況下，設(shè)定行駛速度為60 km/h，同步碎石封層車等速行駛功率由式（3）計(jì)算：

滿載運(yùn)輸因?yàn)橛邪l(fā)動(dòng)機(jī)輔助，按照半載質(zhì)量計(jì)算滿載運(yùn)輸工況所需功率，串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車在滿載運(yùn)輸工況下所需的行駛功率為96.76 kW。

串聯(lián)式同步碎石封層車滿載運(yùn)輸工況下等速行駛的功率確定后，可由式（4）計(jì)算得出所需的電池能量：式中：η1、η2分別為磷酸鐵鋰電池的放電效率和放電深度，為95%、80%。

式（4）可計(jì)算出串聯(lián)式同步碎石封層車在滿載運(yùn)輸工況下所需的電池能量W1=140.06 kW.h。設(shè)定串聯(lián)式同步碎石封層車撒布作業(yè)速度為5 km/h，碎石撒布量為7 L/m2，瀝青撒布量為2 kg/m2，撒布寬度為2m，根據(jù)XTF1203同步碎石封層車瀝青罐和料倉(cāng)容積，在裝滿料的情況下，撒布作業(yè)長(zhǎng)度為1450 m，封層寬度為2m，封層面積為2 900 m2。

串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車滿載時(shí)單次作業(yè)施工時(shí)所需的能量由式（5）計(jì)算：式中：W2為串聯(lián)式同步碎石封層車封層作業(yè)所需的電池組能量;m為碎石和瀝青單位時(shí)間內(nèi)撒布質(zhì)量;η1為鋰離子電池的放電效率;η2為鋰離子電池的放電深度。

由式（5）得，單次封層作業(yè)所需能量為1.546 kW.h。串聯(lián)式同步碎石封層車連續(xù)工作3h，所需能量W2=30.92 kW.h。串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車在滿載運(yùn)輸和封層作業(yè)兩種工況下的電池能量需求情況總結(jié)如表2所示。由表2可知，串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車所需的動(dòng)力電池總能量W=170.98 kW.h。

根據(jù)式（6）計(jì)算串聯(lián)式同步碎石封層車電池的容量：

其中，U為串聯(lián)式同步碎石封層車電池的電壓，與行駛電動(dòng)機(jī)的電壓一致，求得電池的容量Ce=449.95 A.h。串聯(lián)式同步碎石封層車電池組總?cè)萘看_定后，根據(jù)總?cè)萘窟x取電池型號(hào)。本文所選電池單體參數(shù)如表3所示。

串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車行駛電機(jī)額定電壓為380 V，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合，動(dòng)力電池組的電壓要與其相同，根據(jù)動(dòng)力電池組電壓和容量需求，對(duì)單體電池進(jìn)行串并聯(lián)，每4塊并聯(lián)一組，每119塊串聯(lián)一組，以滿足系統(tǒng)所需容量與電壓要求。

3 串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車仿真研究

3.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

當(dāng)同步碎石封層車進(jìn)行撒布作業(yè)時(shí)，速度較低，一般為3 -7 km/h，能量需求較小，當(dāng)動(dòng)力電池組電量大于其下限值時(shí)，電池放電，同步碎石封層車作業(yè)需求功率只由電池一電動(dòng)機(jī)提供，能量流向如圖6所示。

在對(duì)同步碎石封層車串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)匹配研究的基礎(chǔ)上搭建如圖7所示的整車性能仿真平臺(tái)，搭建步驟如下：（1）根據(jù)同步碎石封層車串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照從車輪到傳動(dòng)系統(tǒng)，再到動(dòng)力系統(tǒng)的建模順序?qū)⒋?lián)式同步碎石封層車所需的元件從各模塊對(duì)應(yīng)的組件庫(kù)中組建到整車模型中;（2）根據(jù)串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究的結(jié)果，對(duì)仿真模型中的各動(dòng)力部件進(jìn)行參數(shù)賦值;（3）為將各個(gè)模塊正確地連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)不同的能量傳遞和轉(zhuǎn)換，根據(jù)串聯(lián)式同步碎石封層車能量及信號(hào)流向完成各個(gè)模塊間的信號(hào)連接。

3.2 循環(huán)仿真工況

串聯(lián)式混合動(dòng)力同步碎石封層車作為路面養(yǎng)護(hù)機(jī)械，行駛工況可分為滿料運(yùn)輸階段、封層作業(yè)階段、空載返回階段，迄今國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有出版驗(yàn)證同步碎石封層車性能的工況。串聯(lián)式同步碎石封層車轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸主要行駛在郊區(qū)公路中，為了更加貼近串聯(lián)式同步碎石封層車在實(shí)際工作中的行駛工況，轉(zhuǎn)場(chǎng)工況選擇C-WTVC工況。C-WTVC工況是專門用來(lái)測(cè)試重型商用車經(jīng)濟(jì)性能的，也常被用來(lái)測(cè)試混合動(dòng)力車輛的油耗和排放量。根據(jù)同步碎石封層車的轉(zhuǎn)場(chǎng)工況特點(diǎn)，選用公路循環(huán)和高速循環(huán)兩個(gè)部分作為轉(zhuǎn)場(chǎng)行駛工況，并依據(jù)同步碎石封層車基本參數(shù)表，計(jì)算滿載情況下可連續(xù)作業(yè)時(shí)間，設(shè)定串聯(lián)式同步碎石封層車行駛工況如圖8所示。

4 串聯(lián)式同步碎石封層車動(dòng)力性能仿真研究

為驗(yàn)證串聯(lián)式同步碎石封層車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性，保證同步碎石封層車正常工作，進(jìn)行動(dòng)力性能仿真。圖9所示為串聯(lián)式同步碎石封層車車速跟隨性能仿真圖，可以看出，串聯(lián)式同步碎石封層車在C-WTVC工況和同步碎石封層車自定義工況下，車輛的行駛速度曲線與兩個(gè)工況循環(huán)下設(shè)定的車速曲線幾乎完全吻合，同時(shí)也驗(yàn)證了串聯(lián)式同步碎石封層車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果可以使其在轉(zhuǎn)場(chǎng)和作業(yè)階段均能適應(yīng)行駛工況。

同步碎石封層車對(duì)最高車速的需求針對(duì)的是轉(zhuǎn)場(chǎng)工況，轉(zhuǎn)場(chǎng)行駛速度提高也可以提高整車工作效率，減少往返料場(chǎng)時(shí)間，所以在Cruise中對(duì)同步碎石封層車穩(wěn)態(tài)行駛性能進(jìn)行測(cè)試。仿真結(jié)果顯示，串聯(lián)式同步碎石封層車最高車速可達(dá)90 km/h，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。如圖9（a）所示，為同步碎石封層車滿載時(shí)得加速性能曲線，可以看出，同步碎石封層車從0加速到30 km/h，所用時(shí)間為19.6 s，驗(yàn)證了串聯(lián)式同步碎石封層車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果可以滿足加速性能要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

同步碎石封層車作為典型周期循環(huán)作業(yè)類工程機(jī)械，在撒布作業(yè)和轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸時(shí)，負(fù)載和速度相差較大。目前應(yīng)用在公路養(yǎng)護(hù)中的同步碎石封層車單一動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)期處于調(diào)速段，工作點(diǎn)分散在各個(gè)區(qū)域，且多為性能不佳的區(qū)域。為提高同步隨時(shí)封層車能量利用率、提高經(jīng)濟(jì)效益并減少污染，圍繞同步碎石封層車串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、功率匹配及性能仿真等方面展開(kāi)了研究，在Cruise中搭建了同步碎石封層車串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，并將控制策略導(dǎo)入，對(duì)串聯(lián)式同步碎石封層車進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，在動(dòng)力性能上，串聯(lián)式同步碎石封層車最高車速可達(dá)90 km/h，由于增加了電池、電機(jī)，整車重量增大，與原車相比，最高車速有所下降，但仍滿足行駛要求，加速時(shí)間得到改善，0-30 km/h加速時(shí)間為19.6 s。

參考文獻(xiàn)：

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