基于混合度的混合动力公铁牵引车动力系统参数匹配与性能仿真

朱诗顺，喻 剑，孙 燕

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161)

● 车辆工程 Vehicle Engineering

基于混合度的混合动力公铁牵引车动力系统参数匹配与性能仿真

朱诗顺1，喻 剑2，孙 燕1

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161)

针对混合动力公铁牵引车的运行特点及性能指标要求，对其混合动力系统参数进行匹配。运用混合度设计方法，确定混合动力系统混合度的上下限值。通过对汽车仿真软件Advisor的二次开发，建立该车仿真模型，对不同混合度下的动力系统参数进行仿真。仿真结果表明，在混合度为42%时，整车动力性、经济性均符合设计要求。

混合动力；公铁牵引车；参数匹配；混合度

混合动力公铁牵引车既可用于铁路线上调车作业、装备牵引和线路检修，又能在公路上机动。进行混合动力公铁牵引车动力系统参数的优化匹配和性能仿真，是混合动力公铁牵引车设计的关键环节。王保华[1]提出了正交试验设计法用于混合动力系统参数匹配，通过正交试验，确定动力系统各参数对整车性能的影响，进而得到最优的参数组合，但这种匹配方法的准确度是以试验设计的合理性为前提。Morteza Montazeri-Gh等[2]考虑在不同行驶工况下，以经济性和排放性最优作为适应度函数，对发动机工作转矩系数、电动机工作转矩系数进行优化，从而确定最终动力系统参数，但该方法只适用于行驶工况简单的车辆，对于要满足在公路、铁路下行驶的公铁牵引车并不适用。郑维[3]通过建立模型，设定不同的动力系统参数，并对其进行仿真分析，研究不同参数对整车动力性能的影响，选择仿真结果最优的参数组合，但该方法工作量大，需对多组动力参数进行仿真，短时间内不能取得好的效果。

目前，对混合动力系统参数匹配主要集中于小轿车及客车，而对于混合动力公铁牵引车动力系统参数匹配，还有待深入研究[4]。本文利用混合度设计方法，对混合动力公铁牵引车动力系统参数进行优化匹配，确定该混合动力系统混合度的上下限值。通过对汽车仿真软件Advisor二次开发，建立了混合动力公铁牵引车动力系统仿真模型[5]。运用该模型对各混合度下的动力系统性能进行仿真，从而确定混合动力公铁牵引车动力系统各部件的技术参数。

1 混合动力公铁牵引车驱动型式及技术要求

混合动力车辆结构型式主要有串联式、并联式及混联式。其中并联式混合动力车辆保留了传统车辆的驱动方式，可根据行驶工况，合理采用动力类型的耦合方式，能量利用率较高。本文所研究的混合动力公铁牵引车采用并联结构，其原理如图1所示。并联式混合动力系统具有发动机与蓄电池组两种动力源，可分别独立地向外输出扭矩。当车辆启动时，蓄电池组对电动机供电，通过电机驱动车辆启动；正常行驶时，由发动机提供车辆行驶所需动力，同时对蓄电池组充电；当车辆爬坡或满负荷牵引时，由发动机与蓄电池组共同提供动力，满足车辆行驶要求。整车设计主要技术指标见表1。

图1 并联混合动力系统原理

技术指标技术要求公路空载最高车速umax1/(km·h-1)30铁路空载最高车速u’max1/(km·h-1)30铁路满载最高车速umax2/(km·h-1)15导轮与胶轮载荷比1∶9铁路最大牵引质量mb/kg5×105最大爬坡度α/(%(°))30(16．7)纯电动最长工作时间t/h2(平均功率20kW)燃油经济性提升25%

2 动力系统参数匹配

2.1 被牵引车阻力分析

铁路牵引作业，被牵引车按其运行状态的不同，所受阻力可分为原地启动阻力与被牵引行驶阻力。

(1)原地启动阻力。按照技术指标要求，最大牵引质量mb为5×105kg(滚动轴承货车)。滚动轴承货车启动阻力系数[6]wq为3.5×10-3。 则货车启动阻力Fb1为

Fb1=wq·mb·g=17 150 N

式中g为重力加速度，g= 9.8 m/s2。

(2)被牵引行驶阻力。滚动轴承货车行驶阻力系数wo为

wo=0．92+0．004 8v+0.000 125v2=1.02×10-3

式中v为铁路牵引速度，v=umax2=15 km/h。则被牵引货车行驶阻力Fb2为

Fb2=wo·mb·g=4 998 N

2.2 整车启动需求转矩

车辆在启动时需要克服的转矩最大，最大转矩的确定需要从公路启动及铁路满载牵引启动两方面来考虑。

(1)公路启动需求转矩[7]。车辆公路启动阻力Fx1为

Fx1=ma·g·ψ=4 704 N

式中：ma为牵引车质量，ma=12 000 kg；ψ为公路启动阻力系数，ψ=0.04。则公路启动阻力矩T1为

T1=Fx1·r=1 928 N·m

式中r为轮胎半径，r=0.41 m。

(2)铁路满载牵引启动需求转矩。铁路牵引500 t时，被牵引货车启动阻力Fb1=17 150 N。参照机车启动阻力的计算，取牵引车铁路启动阻力系数5×10-3，则牵引车铁路启动阻力Fq为

Fq=ma·g·β=588 N

式中β为牵引车铁路启动阻力系数，β=5×10-3。

铁路满载牵引启动阻力矩T2为

T2=(Fb1+Fq)·r=7 272 N·m

电动机输出转矩Tmax为

式中i0为总速比，i0= 20.72。

2.3 整车需求功率匹配

混合动力公铁牵引车动力系统功率的匹配，要从公路最高速度行驶所需功率、公路最大坡度行驶所需功率、铁路满载牵引最高速度行驶所需功率这几方面来考虑。

(1)公路以最高速度行驶所需功率P1。

式中：umax1为公路行驶最高速度，umax1=30 km/h；f0为公路滚动阻力系数，f0= 0.015；CD为风阻系数，CD=0.7；η为传动系统效率，η= 0.9；A为迎风面积，A= 6 m2。

(2)公路最大坡度行驶所需功率P2。

式中：u2为爬坡速度，u2=5.6 km/h；α为最大坡度，α=16.7°。

(3)铁路满载最高速度行驶所需功率P3。

式中：umax2为铁路满载牵引最高车速，umax2=15 km/h；PG为导轮承载重量，PG=0．1·ma·g=11.76 kN；PD为胶轮承载重量，PD=0．9·ma·g=105.84 kN；f1为导轮与钢轨滚动阻力系数，f1=0.01；f2为胶轮与钢轨滚动阻力系数，f2= 0.03；Fb2为被牵引货车行驶阻力，Fb2= 4 998 N。

则牵引车峰值功率Pmax为

Pmax=max(P1，P2，P3)=61．3 kW

一般情况下，汽车电气系统消耗的功率为10%～15%，因此，整车取需求功率为70 kW。

2.4 电池参数匹配

根据整车电压需求，电池个数ns为

式中：U为电池组端电压，V；U0为单个电池端电压，V。

选取磷酸铁锂电池为动力电池，选取电机控制器的工作电压为512 V，单节磷酸铁锂电池额定电压为3.2 V，则单体电池个数ns为160。

动力电池需要为汽车电气系统、控制系统提供电力，并且考虑到铁路牵引作业的特殊性，满负荷牵引工作时间短，平均使用功率只有额定功率的1/4。因此，取纯电动行驶平均功率为20 kW，设计要求纯电动持续工作时间应大于2 h，电池功率应满足下式：

式中：Pb为电池功率，kW；P′为纯电动行驶平均功率，P′=22 kW；ηm为电动机工作效率，ηm=0.9；ηc为能量转换效率，ηc=0.97。

Pb≥ 22.6 kW。取电池能量W=45 kW·h，则电池容量Q为

式中：Q为电池容量，A·h；U为电池电压，U=512 V；λ为放电深度，λ=0.8。

通过以上计算与分析，动力电池组采用磷酸铁锂电池，其单节电池额定电压为3.2 V，额定容量为60 A·h，组合方式为两节单体电池并联为一组，160组串联，总电压为512 V，总容量为120 A·h。

3 混合度设计

混合度指混合动力汽车电气系统功率占总功率的百分比[8]，并联混合动力混合度R为

式中：Pm为电动机功率，kW；Pe为发动机功率，kW。

从上式可以看出，电动机在动力系统中所占比例越大，则混合度值R越高。在极限情况下，混合度为0是传统车辆，混合度为1是电动车辆。

3.1 混合度上限值的确定

混合度上限值是在整车总的需求功率确定的情况下，发动机功率取最小值时的混合度。发动机要满足混合动力公铁牵引车在大部分行驶条件下的功率需求，只有在满载牵引和爬坡等极限负荷条件下，才与电动机共同驱动。因此，混合度上限值的确定与牵引车稳定行驶状态下的需求功率有关。从以下两种状态确定整车稳定行驶功率。

(1)公路以巡航速度u行驶所需功率Pu。

式中u为公路巡航速度，20 km/h。

(2)坡度为15%行驶所需功率Pφ。

式中φ为坡度，φ=arctan 0.15。则Pe=max(Pu,Pφ),Pe=Pφ=33 kW，则混合度上限值Rmax为

3.2 混合度下限值的确定

混合度下限值应该满足整车纯电动行驶的功率需求，由电动机的最大功率取最小值来确定。电动机功率应在合理范围内，功率太低不能满足整车纯电动行驶相关设计要求，太高会影响整车制造成本。根据设计要求，混合动力公铁牵引车纯电动行驶时间为2 h(平均功率20 kW)。因此，混合度下限值Rmin计算式为

4 混合动力系统性能仿真

本文采用Advisor仿真平台，对其驱动控制模块进行二次开发，将前轴驱动改为4轮驱动型式，修改后的参数输入界面如图2所示。在混合度上下限值内，将其分为9个点，分别进行性能仿真。仿真行驶循环工况选择NEDC循环工况(如图3所示)。

图2 混合动力系统性能仿真界面

图3 NEDC循环工况

各混合度下的百公里油耗仿真结果见表2。从表中可以看出，随着混合度值的提高，整车百公里油耗逐渐降低。但混合度值越高，电动机输出功率越大，电池组所需的能量也就越大，混合动力车辆的设计成本也就越高。因此，选取满足经济性指标下的最小混合度。

表2 各混合度下的百公里油耗

对混合度与油耗进行二次项拟合，拟合曲线如图4所示。得到拟合关系式：

Q=0.000 3R2-0.362 6R+38.628 9

图4 油耗—混合度拟合曲线

通过仿真，当混合度为42%时，燃油经济性提升25%，整车最大爬坡度可达31.6%。图5为42%混合度下整车的速度跟随曲线图。由图5可见，牵引车空载最高速度可达70 km/h，与NEDC循环工况比较发现，在50 km/h的行驶速度范围内，牵引车可较好地跟随循环工况预定车速，满足设计要求。图6为SOC变化曲线。由图6可见，牵引车行驶过程中，SOC平缓下降，起到辅助动力作用，行车制动时，SOC值略有回升，能量回收控制策略效果明显。当混合度为42%时，发动机与电动机功率分别为41 kW、29 kW。依据相关产品目录，最终确定动力系统各部件参数见表3。

图5 R=42%整车速度跟随曲线

图6 SOC变化曲线

表3 动力系统部件参数

5 结 论

(1)利用混合度设计方法对混合动力公铁牵引车动力系统参数进行匹配，得出该混合动力系统混合度合理范围为29%～53%；

(2)通过对不同混合度的动力系统性能进行仿真分析，得知动力系统混合度越高，牵引车百公里油耗越低，但其整车设计成本也随之提高；

(3)仿真结果表明，当混合度为42%时，牵引车每百公里消耗柴油23.9 L，节油率达25%，最大爬坡度为31.6%，牵引车空载最高速度可达70 km/h，整车的动力性、经济性均符合设计要求。

[1] 王保华.混合动力城市客车控制策略与试验研究[D].上海:上海交通大学,2008.

[2] MORTEZA Montazeri-Gh, AMIR Poursamad, BABAK Ghalichi. Application of genetic algorithm for optimization of control strategy in parallel hybrid electric vehicles[J]. Journal of the Franklin Institute, 2006, 343(4):420-435．

[3] 郑维.混合动力汽车动力总成参数匹配方法与控制策略的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[4] 骆素君,孙燕,朱诗顺,等.公铁两用混合动力牵引车动力参数匹配与仿真[J].军事交通学院学报,2014,16(3):43-47.

[5] 朱诗顺,任永乐,郭猛超,等.多轮驱动混合动力车辆的建模与仿真[J].汽车工程,2009(9):829-833.

[6] 铁道部科学研究院.列车牵引计算规程:TB/T 1407—1998[S].北京:铁道部科学研究院,1998．

[7] 中国人民解放军空军标准化办公室.飞机牵引车通用规范:GJB 1848A—2002[S].北京:中国人民解放军空军标准化办公室,2002．

[8] 曾小华.并联式混合动力汽车混合度对整车成本的影响[J].农业机械学报,2008(1):15-19.

(编辑：张峰)

Parameter Matching and Performance Simulation of Hybrid Road-rail Towing Tractor Power System Based on Degree of Hybridization

ZHU Shishun1, YU Jian2, SUN Yan1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

The paper matches the parameters of hybrid system according to the operating characteristics and performance requirements of hybrid road-rail towing tractor. Firstly, it determines the upper and lower limits of hybrid system with the design method of DOH (degree of hybridization). Then, it establishes a simulation model by re-developing the simulation software Advisor and simulates power system parameters in different degree of hybridization. The simulation result shows that the dynamic property and economy of the vehicle can meet the design requirements at the 42% degree of hybridization.

hybrid; road-rail towing tractor; parameter matching; degree of hybridization

2016-04-25；

2016-08-29．

朱诗顺(1960—)，男，博士，教授，博士研究生导师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.010

U469．7

A

1674-2192(2017)01- 0040- 05