通過增加儲能裝置改善傳統重型汽車的電力供應

關鍵詞：重型汽車；電力供應；儲能裝置；優化改善

0前言

傳統重型汽車拖動發電機發電為車載蓄電池和相關負載提供電能，同時由12 V 或24 V 蓄電池組組成的車載電源系統提供車輛負載所需能源。近年來，重型汽車出現的駕駛室生活艙化［1］，以及駐車場景的重新定義帶來越來越多的大功率負載應用，進而對供電需求越來越多，電源系統供電能力的不足日益明顯。容量有限的蓄電池/組（如常見的鉛酸蓄電池）無論在能量的深度或廣度上都難以滿足需求，且不可避免的深度放電會造成電池不可逆的損壞［2］。

研究發現，增加1 套儲能裝置可以很好地解決以上問題，既增加了能量深度，即可長時間放電延長駐車和生活用電場景的發動機停機時用電時長；又拓寬了能量廣度，即可大倍率放電滿足后處理設備運行和多設備同時在線的大功率需求。

1 分析與優化

1. 1 常規電源

以重型汽車為研究對象，將其普通行車空調系統改制為駐車電動空調系統［3］。

車輛發動機燃燒燃料做的功，一部分用于驅動車輛行駛，一部分用于發電機發電。發電機發電用于維持蓄電池電能和供應負載用電，該部分為研究重點。

從式（2）可以看出，后處理設備為突加運行的功率負載，而空調為長時間運行的大功率負載，兩者均很耗能。電源系統滿負荷運行時仍無法保證所有設備都處于額定或最佳的工作狀態，存在約7 000 W 的功率缺口。

1. 2 優化方案

常規電力的不足還體現在電池的供電上，常見的解決思路是增加蓄電池的數量，但該方法很難從根本上解決問題。較優的方案是利用行車充電和駐車交流補電等多維補能方式，采用大容量電池來提高供電電壓、功率和效率。針對電力供應不足的問題，在電路中增加1 套由儲能電池和雙向直流充電器組成的儲能裝置，重新分配用電設備的能量來源歸屬。

優化電源系統時，將儲能裝置引入車輛供電系統中，該裝置基于鋰電池的特性，大容量、可深度放電的設計能夠滿足長時間駐車空調和生活用電的需求，在減少怠速時間的同時提供充沛能源；同時大倍率放電的設計能夠維持突加大功率負載的運行，如后處理設備；高循環壽命和雙向直流的設計作為對常規電源系統的有效補充，可對蓄電池的反向補電提供保護，構筑穩定的能源保障。雙向直流充電器的引入相當于在發電機端并聯1 個穩壓限流裝置，可為負載提供潔凈、穩定的電力，過濾常規電源系統中的浪涌或紋波干擾，減小常規蓄電池中電壓階躍突變的影響，保障用電設備性能穩定、運行可靠。

圖1為優化后的能量原理框圖，優化部分如虛線框所示。優化方案重新分配了用電設備的能量來源歸屬，儀表等常規負載僅由原車的常規電源系統提供電能，其余負載歸屬為非常規負載掛載在儲能裝置端。

以Y、P、S為衡量電力供應質量和電源系統性能的三維度評價指標。通過以下臺架測試，驗證指標的可行性和儲能裝置對重型汽車電力供應的改善效果。

3 測試評價

通常可通過仿真、臺架試驗和實車路試分析車輛性能，其中臺架試驗較實車路試嚴苛且能控制同一測試環境，又比仿真更接近實車。為使測試具有一般性，采用轉鼓臺架試驗作為研究手段。采用中國半掛牽引車列車行駛工況（CHTC-TT）［4］作為基本循環工況，以2個相同的CHTC-TT 為1 個完整的測試循環，共測試3 個測試循環；測試循環結束后增加2 h 的駐車測試；總測試時長為5 h。

以某型號重型汽車為研究對象，試驗車輛基本參數為最大設計總質量18000kg，最大允許牽引質量33900kg，發動機最大凈功率330kW，最大功率轉速1900r·min^-1，發電機額定電壓28 V、最大電流120A，啟動電池額定電壓24 V、最大電流120A·h。為便于分析研究，以同一輛車為基礎，設計了兩種改制方案，分別為改制一和改制二，并測試原車電源系統和兩種改制狀態下的電源系統性能。車輛測試狀態見表1。

上述研究只關注電源系統性能，而忽略了整車總體燃油耗水平。測試開始前，初始狀態調整至車輛的啟動電池電壓為滿電和儲能裝置（如有）的電池電量荷電狀態（SOC）為零，同時通過后臺設定電動空調以最大功率運行。在測試開始前和每段測試循環結束后，均實測啟動電池電壓、記錄儲能裝置（如有）的SOC容量值和駐車測試期間車輛怠速時間。

3. 1 原車與改制一對比測試

界定改制是否對電源系統性能有改善，從Y 值的評價入手，測試原車和改制一，獲得記錄數據見表2，并計算Y 值，見表3。

表3 表明行車工況中的Y 值趨勢基本一致，駐車工況中原車Y 值明顯大于改制一。怠速時長的差異也證明了原車電源性能的不足，測試結果顯示原車在駐車測試中電池電量不足，導致測試在進行到約322 s 時因虧電而全車下電，測試終止。

測試證明，儲能裝置在駐車工況中改善車輛的電源系統性能明顯，可確保車輛在發動機停機的情況下大功率負載的長時間用電。

3. 2 改制一與改制二對比測試

儲能裝置的電池容量對電源系統的性能也有一定影響，測試改制一及改制二，得到測試數據見表4。表2與表4中改制一的兩次測試電量結果接近，說明測試重復性很好。計算P、S值，見表5。

改制二相比改制一增大了儲能裝置的電池電量，結果顯示，改制二在P 值上有所減弱，可通過增加能量來源等方式進一步優化；但在S值表現上有所增強，即電源耗能率降低，耐用性增強，符合預期判斷。

由于該測試設定電動空調以最大功率運行，而實際車輛并不會長時間以最大功率運行，因此車輛在實際使用中的電源性能將更加優異。

4 電源優化方案提供多元化的補能方式

車輛傳統電源系統中發電機作為能量的唯一輸入源，在優化方案中增加雙向變流器，配合儲能裝置增加能量來源方式，解決了單一能量來源及充電速率慢的問題。雙向變流器既可進行生活用電輸出，也可進行市電交流充電和為太陽能發電系統補能。

新的補能方式增加了電源系統的補能維度，拓展了其應用場景，如在車輛停車休息時可根據電網谷峰電價連接市電給儲能系統充電，節約成本；在配備太陽能板的情況下，車輛在戶外運行時可不間斷地給儲能裝置充電。

5結語

傳統重型汽車被廣泛應用于物流運輸行業和基建行業，目前需要著力解決其長時間怠速時燃油耗惡化和駐車工況下電力不足的問題。

經測試分析發現，通過增加儲能裝置，選擇合適電量的儲能裝置，合理規劃負載的能量歸口，多維補能、儲能方式的應用可解決電力供應不足的問題，從而為節能減排和提高用車效率提供新思路。