混動重卡動力驅動系統匹配設計研究

關鍵詞：自卸車；混合動力；燃油耗；限值

0前言

自卸車是工程用車中較為普遍的運輸工具，其燃油耗水平較高，而混合動力汽車（HEV）可以充分利用發動機和電機的工作特性，通過協調發動機與電機的能量分配，保證發動機在高效低能耗區工作。在制動和滑行工況下，可利用電機的再生制動功能回收能量并將其儲存在動力電池中，用于后續工況的電機驅動輸出。此外，HEV 可針對整車在擁堵、怠速等車等工況下發動機頻繁啟停、燃油耗經濟性差等問題進行優化。

自卸車主要用于砂石料等短途運輸，多行駛于二級及以下公路或非公路地區，該路況下的道路坡度通常較大。因此，自卸車的空駛率高、怠速占比高，且啟停頻繁。筆者從自卸車特點入手，研究混合動力配置在自卸車上的可行性，以及在燃油耗優化方面的貢獻。

1整車動力性能需求

一般來說，在整車設計階段會定義所期望的整車動力性能指標［1］，包括最高車速、最大爬坡度及加速性能等。

（3） 根據加速時間計算所需功率。以百公里加速時間計算所需功率時，不考慮爬坡度，功率應滿足：

2匹配選型

2. 1整車參數

整車參數及動力性能指標見表1。

2. 2阻力參數

針對原車和改制車分別進行整車阻力滑行試驗，具體結果如圖1所示。

2. 3變速箱參數

選用一款針對自卸車工況而專門設計的變速箱，其參數見表2。

2. 4 滿足動力性能需求的功率計算

根據整車信息及整車技術規范（VTS）的定義，首先進行不同動力工況性能指標下的功率需求計算，然后取最大功率下的動力性能需求來覆蓋所有工況下的動力性能需求［2］。滿足整車需求的功率曲線如圖2 所示。

動力系統的功率不低于350 kW，且最高車速下的扭矩不小于470 N·m。依據相關理論分析，結合整車的VTS 指標，選擇額定功率為80 kW 的軸向磁通電機。

3整車仿真

從自卸車實際運行工況及中國重型車商用車測試工況-自卸車（CHTC-D）分析入手，針對自卸車工況燃油耗高的痛點制定混動策略。另外，需要從客戶的角度出發，進行整車全生命周期成本分析法（TCO）分析。

3. 1混合動力對整車經濟動力性的貢獻分析

從能耗角度考慮，使用場景對整車燃油耗起到決定性影響。

3. 1. 1整車運行工況對燃油耗的影響

影響燃油耗的最直接因素是整車負荷，負荷在時間維度進行累計即為燃油耗。發動機的運行工況也是影響整車燃油耗的重要因素。控制發動機的運行工況點，使發動機盡量在燃油消耗率相對較低的區域運行，以降低整車的燃油消耗量［3］。

3. 1. 2混合動力對整車燃油耗的優化

重載爬坡會導致整車燃油耗高。通常，在高轉速下發動機的燃油消耗率表現不會很好；加減速頻繁會導致發動機的負荷率變化很大；此外，怠速時間長，也會影響到整體燃油耗水平。

混合動力系統中的電池和電機可以有效應對整車燃油耗的優化需求，使得發動機盡量在經濟性較好的區域運行；此外，電機還可以回收自卸車在減速、下坡工況下的制動能量。

3. 1. 3 動力性角度下混合動力對特殊工況的貢獻分析

在低轉速下電機扭矩最大，且表現為恒扭矩模式時，電機與發動機扭矩疊加，整車在低速爬坡以及加速時的性能得到提高。

3. 2 自卸車動力傳動路線

傳統自卸車的動力轉動系統由發動機、變速箱、后橋等組成。發動機的動力經過變速箱的變速變扭作用，自卸車起步、爬坡階段的扭矩輸出增大；同時，利用不同檔位的速比變化，使得發動機盡量在經濟性較好的轉速區間運行［4］。傳統車型動力傳動示意圖如圖3 所示。

混合動力自卸車的動力電池可以輔助發動機驅動整車，或者以純電驅動整車行駛。根據電機布置位置，并聯結構可分為P0、P1、P2、P3、P4 共5 種架構方式，其結構簡圖如圖4 所示。其中，P1 架構中的發動機不能停機；P3 架構中電機無法用到變速箱的增扭作用，對于電機的規格要求較高；P2 架構則同時解決了上述2 種架構存在的問題，因此更具優勢。

P2 架構混合動力的電機和發動機均可將動力直接輸出到輪端。本文以并聯結構自卸車為研究對象，探索P2 架構混合動力在整車節油方面的貢獻。

3. 3仿真分析

從混動優化及其他參數優化2 個方面對整車的動力性能和燃油耗表現進行混合動力自卸車仿真計算。針對影響整車燃油消耗的因素，從整車運行的實際負荷及發動機的運行工況2 個方面進行整車仿真分析。不同因素對整車燃油耗的貢獻如圖5 所示。

在不考慮附著率的前提下，傳統動力和混合動力的性能對比見表3。

4能量分配策略優化

并聯P2 混動由發動機和電機電池2 個動力驅動單元組成。本文選用大發動機和小電機電池組成混合動力系統。

4. 1發動機工況點的優化

傳統發動機的運行受整車運行工況的影響，其工況點分散而低效。混合動力可以很好地將發動機的工況點集中在燃油耗較低的范圍內。發動機運行工況點優化示意圖如圖6 所示。

4. 2混合動力系統電機運行工況

在混動模式下，不僅要考慮發動機運行工況點的經濟性，還要考慮電機的工況點，使電機盡量在高效區間運行。混動車型電機運行工況點示意圖如圖7 所示。

5實車驗證

在整車改制完成后，先進行較全面的安全和通信檢查，然后進行整車策略下的道路調試和數據標定。完成整車道路調試標定后，進行整車的標準循環燃油耗測試。轉轂試驗時間為2 d，最終完成整車CHTC-D 轉轂標準循環燃油耗試驗。通過在空載和滿載工況下進行的整車道路調試標定，最終完成整車的轉轂燃油耗測試驗證。結果表明，相對傳統發動機，混合動力的節油率達25%，實測百公里燃油耗為34.75 L，遠低于整車CHTC-D 第四階段百公里燃油耗要求（38.2 L）。

6結語

本文從自卸車的使用場景入手，分析了其使用特點及痛點；從節油的角度闡述了混合動力對整車燃油耗的貢獻。以此為基礎，進行整車零部件選型和仿真計算，進行混動實車設計；通過道路調試，完成整車CHTC-D第四階段的燃油耗消耗試驗。實測試驗結果和仿真結果接近，滿足設計要求。