混合动力消防车的动力匹配与性能优化

摘要：近年来，我国的消防安全问题越来越受到重视。基于理论分析对传统消防车的动力传动系统进行了混合动力设计。本文就混合动力消防车的动力匹配与性能优化策略进行研究，以供参考。

关键词：联混合动力消防车；动力系统；参数匹配

引言

近年，我国城市居民巷道、城中村地带等狭小区域对小型消防车的需求日趋增多。小型消防车辆是根据不同乡镇、村街道地域特点需求而进行定制化开发，其中车辆的核心动力系统匹配计算直接影响车辆的动力性和燃油经济性。因此，在小型消防车进行设计过程中，通常选取发动机参数和传动系参数的匹配计算直接影响经济性和动力性。

1课题研究的目的

构建混合动力系统，制定其控制策略，是混合动力消防车开发中的关键技术。本课题的研究目的是构建满足消防车性能要求并能实现以纯电动模式行驶一定里程的混合动力消防车动力系统；围绕整车动力、消防性能的需要进行动力系统设计，并拟出符合使用需要的多能源控制策略；同时，结合当前混合动力汽车优化技术，对所设计的混合动力消防车动力系统进行优化，使其在满足设计标准的前提下，各部件最小化，整车质量轻量化，并能满足混合动力消防车所搭载的消防装备的动力需求。

2并联混合动力驱动系统描述

并联混合动力消防车动力驱动系统集成了传统汽车和纯电动汽车驱动系统由发动机、电动机、蓄电池、动力合成装置及变速箱等部件组成。主要参数包括：发动机功率、电动机功率和转速、电池组容量、变速箱档位和速比及主减速器速比等对整车的动力性有显著的影响。混合动力汽车驱动系统各部件参数的选择直接影响车辆动力性能指标。参照GB7956《消防车消防性能要求和试验方法》的要求该项模拟所讨论的混合动力消防车的动力性能指标包括：（1）最高车速：质量在12t以上的消防车最高车速应达到85km／h；（2）爬坡性能：最大爬坡度为25％；（3）加速性能：0～60km／h加速时间应在40s以内；（4）行驶里程：在纯电动模式下以20km／hg速率行驶30km。

3混合动力系统的关键技术

3.1发动机技术

在并联混合动力汽车上，混合动力系统通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分驱动能力，因而使得混合动力系统能够采用尺寸更小、效率更高的发动机。经过一百多年的发展，车用发动机在动力性、经济性及排放控制方面获得了很大改善。近年来电控燃油喷射、排气再循环、增压中冷、可变进气涡轮、高压共轨和催化后处理等技术的应用，更使汽车的性能飞速提高，因此，作为一种成熟的动力设备，发动机在混合动力消防车上的应用难度不大。由于比功率大、热效率也较高，发动机仍然是影响整车效率和性能的关键设备。

3.2电动机参数选择

混合动力消防车具有纯电动驱动的功能电动机额定功率可由：（1）汽车以纯电动方式行驶的最大车速；（2）电动机的峰值功率具有克服最大爬坡度的能力。

3.3传动挡数和各档传动比的选择

就动力性而言，挡位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了车辆的加速与爬坡能力。就燃油经济性而言，挡位数多，增加了发动机在低燃油耗率区工作的可能性，降低了油耗，所以增加挡位数会改善车辆的动力性和燃油经济性。变速箱速比按等比级数分配排列的优点在于驾驶员在换挡过程中每次都是将发动机转速提高到n2，只要发动机都降到同一低转速nl，离合器就能无冲击结合，这样换挡过程中，发动机总在同一转速范围内工作，驾驶员在起步加速时操作过程简单方便。

4故障测试排查

对故障现象进行初步分析可得到以下结论：（1）采用主油泵工作时变幅起升和下落动作均正常，说明比例控制阀、油缸等元件功能正常；（2）采用应急动力单元工作时变幅起升动作正常，说明应急动力单元功能正常。既然不是液压元件功能的问题引起的故障，那么很可能是系统选型匹配的问题，因此对系统的工作参数进行测试分析。根据测试结果可知，采用主油泵驱动变幅起升和下落时系统压力正常，但是采用应急动力单元驱动变幅下落时，控制臂架无动作，系统压力很低，为2MPa，控制信号一直处于小信号。该车电气控制原理是：在大角度情况下变幅下落，启动阶段比例阀控制信号很小，目的是为了降低启动加速度，使臂架缓慢启动，到达缓冲效果，随着臂架角度的减小，电流信号逐渐增大。综上所述，问题的原因是因为在启动缓冲阶段，系统压力过小，无法开启平衡阀，臂架不能下落。从而导致臂架始终处于大角度，控制信号始终处于小信号。

5混合动力消防车控制策略

5.1并联式混合动力消防车的工作模式分析

（1）常规行驶模式：在正常行驶工况下车辆克服路面阻力运行所需的动力较小，主要利用发动机提供动力；或当电池的SOC较低时，电机不再工作，发动机需油门全开以便提供最大输出动力，此时为纯发动机工作模式。（2）纯电动工作模式（发动机停机）：主要在发动机无法启动的特殊场合下，为了使消防车可以进入火场灭火，必须工作于纯电动模式。此时蓄电池的SOC高于SOC下限值，而混合动力消防车处于轻载起步工况，分离发动机与传动系之间的离合器，切断发动机的动力，由电池提供起步能量并以电机驱动车辆运行。（3）混合驱动模式：在加速行驶和爬坡等大负荷工况下，车辆行驶所需的动力超过发动机可提供的最大功率，则电池输出能量驱动电机向车辆提供辅助动力。（4）制动能量回收工作模式：当车辆制动或坡道减速时，利用制动能量回收系统为蓄电池充电。（5）充电模式：当蓄电池的电量比较低时，为了使发动机工作于高效率区，发动机除了要提供克服路面阻力所需的动力外，还要提供多余的动力驱动电机发电，将部分机械能转换成电能储存在蓄电池中，以备使用；或在怠速工况下，混合动力传动系统中没有能量消耗，此时如果蓄电池SOC比较低，发动机需工作于经济工作区为蓄电池充电。（6）消防模式：在停车状态下，断开常闭离合器，取力器挂档后带动水泵运行。水泵低压工况下，由发动机单独提供动力；中压工况下，所需的动力超过发动机可提供的最大功率，则电池输出能量驱动电机向水泵提供辅助动力。

5.2模糊逻辑控制策略

模糊控制策略是一种实时控制策略，它不依赖于系统精确的数学模型，增大了控制的自由度，在复杂系统的控制中十分有效。模糊控制的主要优点在于它的自校正和自适应能力。在混合动力控制中，首先根据发动机、电动机和蓄电池的效果图确定基本的模糊规则；然后利用神经网络、遗传算法和归纳推进等方法设计控制变量的隶属函数；在模糊逻辑控制器中接受清晰的输入变量（如总的负荷需求、电动机转速和蓄电池SOC），利用控制变量的隶属函数，根据已定的模糊控制规则，经过相应的模糊逻辑运算，求解出模糊控制结果（如电机功率）；最后把结果非模糊化并输出。模糊逻辑控制策略是一种基于规则的控制方式，所掌握的规则越多，对系统的描述就越清晰，控制结果也就越接近最优值。

结语

目前消防车的市场需求呈旺盛趋势，本文从工程实践的角度提供了一种小型定制化消防车动力系统的选型计算匹配工作，为后续快速工程化定制提供了一种理论选型计算匹配方法。

参考文献

[1]张忠伟，文建辉.并联混合动力汽车驱动系参数匹配[J].拖拉机与农用运输车，2007，34（6）：34-36.

[2]高爱云，付主木.并联式混合动力汽车动力总成参数设计[J].机械传动，2007，31（5）：76-78.

[3]夏小华，吴小清.混合动力汽车电动机的选择与仿真比较[J].汽车技术，2005（6）：17-20.