引言

　　混合動力技術是解決汽車能源和污染問題的重要途徑?；旌蟿恿ο到y根據結構可以分為串聯式、并聯式和混聯式。串聯式混合動力系統發動機與車輛完全機械解耦，其運行工況不受汽車行駛工況的影響，可始終控制在優化的工作區穩定運行，最適合負載頻繁變化的城市公交車。

　　串聯式混合動力系統的核心部件包括輔助動力單元（APU）、儲能單元和電動機等，其中APU是系統的主要能量來源，它的選型和匹配對系統性能的影響很大。此外，在混合動力系統中應用制動能量回收策略和怠速停機策略可以大幅提高系統的燃油經濟性［223］，但也需要一些能量分配策略和系統結構設計方面的變化。

　　本研究為一輛12m串聯式混合動力城市客車開發了一套基于天然氣發動機的APU，并優化了APU結構，在發動機和發電機之間增加離合器來保證APU起動的可靠平順，最后對該APU系統進行了臺架和實車試驗，驗證其性能。

　　1　選型與匹配

　　根據整車的功率要求來選擇發動機和發電機。

　　通常用于12m城市客車的天然氣發動機為170~190kW的6缸機，采用串聯式混合動力系統之后，發動機只工作在優化的工況區域，對發動機最大功率的要求可以降低很多。

　　經仿真計算，APU系統所需的平均功率約為40kW，標定功率不低于70kW，峰值功率不低于80kW。發動機輸出功率至APU輸出功率的轉換效率為80%～85%，因此對發動機的基本要求為標定功率大于87kW，峰值功率大于100kW，功率50kW附近有較高效率。因此，本研究最終選擇4CT180天然氣發動機，該機標定功率132kW，標定功率轉速2300r/min，最大扭矩680N·m，最大扭矩轉速1500r/min，排放達到歐洲標準。發動機的優化工況區域為1200～1500r/min，在此區間內發動機最大輸出功率為106kW，滿足設計要求。

　　發電機的選取必須與發動機的輸出相匹配。交流永磁同步電機具有效率高、功率密度大的特點，適合用作APU的發電機。本研究選擇StamfordUC274C發電機，其標定狀態為100kVA，380V，152A（最大電流），50Hz，1500r/min，勵磁輸入為42V，5A，輸入軸可承受轉矩大于700N·m。發電機的輸出還需經過整流器由交流變為直流后才是APU的輸出，本研究選擇了效率較高的不可控整流器，可傳遞功率120kW。

　　2　APU結構設計

　　串聯式混合動力系統中，APU的輸出與驅動電機、動力電池通過電系統耦合在一起，因此，各部件機械結構相對獨立，可以分開設計。APU的結構設計主要考慮發動機和發電機之間的連接方式。

　　傳統APU的結構設計比較簡單，多采用發動機輸出軸—過渡連接盤—發電機輸入軸的形式直接連接發動機和發電機。由于發電機轉子的轉動慣量非常大（約1kg·m2），接近發動機曲軸轉動慣量的10倍，直連方式會致使發動機無論何時都要承受額外負擔。起動時，由于轉動慣量增大，發動機可能出現“起不來”的現象，嚴重時還會燒毀起動電機；而怠速時，發動機需多驅動一個巨大的轉子，會有能量損失。

　　對于串聯式混合動力城市客車來說，發動機工作在怠速工況的時間很長，APU直連方式造成的能量損失累計起來就很大。若采用怠速停機策略降低系統能耗，發動機需頻繁起停，其起動必須平順可靠，而直連方式難以保證這一點。

　　針對上述問題，本研究提出了一種發動機和發電機非直接連接的結構（見圖1）。發動機和發電機之間增加了1個電控離合器，APU可以在離合器脫開的情況下空載起動發動機，再通過電控系統控制離合器平順接合，使發動機驅動發電機輸出能量。

　　若發動機需長期處于怠速狀態，APU也可以脫開離合器以減少能量損失。

　　2.1　電控離合器系統結構

　　電控離合器系統結構見圖2，由氣路部分、控制部分、機械部分和氣動部分組成。

　　氣路部分包括電動壓氣機、高壓氣罐、減壓閥、進氣閥和進排氣兩位三通閥。壓氣機可以將高壓氣罐內的空氣壓力保持在0.6～0.8MPa，氣罐出口與減壓閥相連，確保后面氣路中氣體壓力保持不變，便于控制計算。進氣閥為常閉閥A，需要時才打開讓高壓氣體通過。進排氣兩位三通閥包括常開閥B和排氣閥C，兩者配合控制可以調節進入驅動活塞氣缸的氣體壓力。

　　氣動部分主要是1個高壓氣驅動的活塞，調節氣缸的氣壓，可以改變活塞輸出力的大小?；钊挠行寗又睆娇梢杂墒剑?）確定，式中，Dmin為活塞的最小直徑，Fmin為脫開離合器所需的最小力，pmax為氣缸內氣體能達到的最大壓力。

　　機械部分的撥叉與驅動活塞的推桿鉸鏈，推桿的初始位置和極限位置分別對應了離合器的接合和脫開狀態。

　　控制部分的轉速傳感器為整車控制單元（VCU）提供發動機轉速信息，VCU根據該信息選擇離合器接合/脫開的時機；位置傳感器與撥叉相連，為VCU提供離合器的狀態信息。VCU的輸出經驅動電路可直接控制常閉閥A、常開閥B和排氣閥C的開閉，調節驅動活塞的氣缸壓力，從而控制離合器的接合與脫開。

　　2.2　APU起動控制

　　APU的起動控制需與電控離合器系統的控制相配合，起動過程可以分為3步：脫開離合器、發動機起動至平穩工況和接合離合器。起動過程要求離合器脫開迅速可靠，接合平穩，對發動機沖擊盡可能小。

　　APU發出起動指令后，離合器首先脫開，其過程為VCU向常閉閥A輸出高電平信號，使其打開，高壓氣體通過常閉閥A和常開閥B進入氣缸推動活塞運動，使離合器脫開。脫開過程所用時間與高壓氣壓力以及活塞有效截面積有關。氣體壓力越高，截面越大，活塞作用力越大，離合器脫開所用時間越短。此外，從常閉閥A到活塞氣缸的氣路長度也會對脫開時間有影響。

　　發動機在離合器脫開后起動，起動成功后，APU發出接合離合器指令。接合過程可以分為3個階段（見圖3）。第一階段，離合器壓盤與發動機飛輪沒有接觸，分離軸承位移增加，但離合器不傳遞扭矩；第二階段，壓盤與飛輪開始接合，隨著分離軸承位移增加，離合器傳遞的扭矩也增加；第三階段，壓盤與飛輪完全接合，離合器傳遞的扭矩不再增加。接合過程控制目標是盡可能縮短第一、第三階段的時間，同時保證第二階段接合轉矩的上升不要過快，減少對發動機的沖擊。

　　離合器控制過程中，首先關閉常開閥B以形成常開閥B至活塞氣缸的封閉回路，之后調節排氣閥C的開閉頻率，控制氣缸內氣壓降低的速度，實現三階段接合過程。

　　APU起動過程的控制閥信號時序見圖4。T0時刻是起動過程的起始時刻，T0～T1離合器脫開，T1～T2發動機起動，T2～T3，T3～T4，T4～T5分別為離合器接合過程的第一、第二和第三階段，排氣閥C上輸出不同占空比的信號。

　　3　試驗驗證

　　3.1　APU起動過程驗證

　　在試驗臺架上驗證APU起動過程。試驗前先標定離合器分離軸承位置與離合器狀態之間的關系，以離合器完全脫開時分離軸承的位置作為零點，壓盤與飛輪剛開始接觸時分離軸承位移為8mm，壓盤與飛輪完全接合時分離軸承位移為16mm，分離軸承的最大位移為18mm。

　　APU接到起動指令后，首先發出脫開離合器指令（見圖5），高壓氣進入驅動活塞氣缸，推動分離軸承從離合器接合位置運動至離合器完全脫開，整個過程持續0.85s。

　　當離合器進入脫開狀態后，APU向發動機發出起動指令。發動機5s內可以完成起動，進入怠速狀態，轉速為700r/min左右。

　　第6s起，APU發出接合離合器指令（見圖6）。

　　分離軸承的動作在接合過程中經歷了先快、后慢、再快的過程，與前文所述離合器接合過程3個階段相符。由于第三階段分離軸承位移對發動機的扭矩輸出沒有影響，所以認為離合器的接合過程到第二階段結束就已完成，總共需要1.2s。離合器接合過程對發動機的沖擊使發動機轉速下降200r/min左右，在可接受范圍。

　　第7.2s起，發動機飛輪與離合器壓盤完全接合，APU起動過程完成，可以向發電機發出勵磁信號，APU對外輸出能量。

　　3.2　APU整車性能試驗

　　將APU裝配在一輛串聯式混合動力城市客車上，在實際道路條件下與一輛同類型普通天然氣城市客車做對比試驗。對比車型采用130kW6缸天然氣發動機，5擋手動變速器，車身尺寸與混合動力客車相同?；旌蟿恿蛙囉捎谠黾恿穗姍C、動力電池等設備，整備質量較對比車型略重。氣耗試驗時，兩車采用同樣的城市公交駕駛循環，且保證混合動力客車的動力電池測試前后SOC保持不變。排放試驗由于條件限制，只能在臺架上進行，測試工況由道路工況反推得到。

　　由于整備質量增加，串聯式混合動力城市客車動力性不如普通天然氣客車，但還能滿足城市公交運行工況。混合動力客車的燃氣消耗量和排放均低于普通客車，表明該APU系統運用在整車上時，可以降低燃油消耗和減少排放。

　　4　結語

　　a）APU起動過程需7.2s，其中離合器脫開過程0.85s，接合過程1.2s，對發動機沖擊保持在可接受范圍內，滿足整車控制要求；

　　b）該APU應用在整車上，與同類型普通天然氣城市客車相比，燃氣消耗量降低了26%，NOx排放降低70%，CO排放降低65%，HC降低40%，具有節能減排效果。