串联式混合动力系统APU结构设计

离合器的状态信息。VCU的输出经驱动电路可直接控制常闭阀A、常开阀B和排气阀C的开闭，调节驱动活塞的气缸压力，从而控制离合器的接合与脱开。

　　2.2　APU起动控制

　　APU的起动控制需与电控离合器系统的控制相配合，起动过程可以分为3步：脱开离合器、发动机起动至平稳工况和接合离合器。起动过程要求离合器脱开迅速可靠，接合平稳，对发动机冲击尽可能小。

　　APU发出起动指令后，离合器首先脱开，其过程为VCU向常闭阀A输出高电平信号，使其打开，高压气体通过常闭阀A和常开阀B进入气缸推动活塞运动，使离合器脱开。脱开过程所用时间与高压气压力以及活塞有效截面积有关。气体压力越高，截面越大，活塞作用力越大，离合器脱开所用时间越短。此外，从常闭阀A到活塞气缸的气路长度也会对脱开时间有影响。

　　发动机在离合器脱开后起动，起动成功后，APU发出接合离合器指令。接合过程可以分为3个阶段（见图3）。第一阶段，离合器压盘与发动机飞轮没有接触，分离轴承位移增加，但离合器不传递扭矩；第二阶段，压盘与飞轮开始接合，随着分离轴承位移增加，离合器传递的扭矩也增加；第三阶段，压盘与飞轮完全接合，离合器传递的扭矩不再增加。接合过程控制目标是尽可能缩短第一、第三阶段的时间，同时保证第二阶段接合转矩的上升不要过快，减少对发动机的冲击。

　　离合器控制过程中，首先关闭常开阀B以形成常开阀B至活塞气缸的封闭回路，之后调节排气阀C的开闭频率，控制气缸内气压降低的速度，实现三阶段接合过程。

　　APU起动过程的控制阀信号时序见图4。T0时刻是起动过程的起始时刻，T0～T1离合器脱开，T1～T2发动机起动，T2～T3,T3～T4,T4～T5分别为离合器接合过程的第一、第二和第三阶段，排气阀C上输出不同占空比的信号。

　　3　试验验证

　　3.1　APU起动过程验证

　　在试验台架上验证APU起动过程。试验前先标定离合器分离轴承位置与离合器状态之间的关系，以离合器完全脱开时分离轴承的位置作为零点，压盘与飞轮刚开始接触时分离轴承位移为8mm,压盘与飞轮完全接合时分离轴承位移为16mm,分离轴承的最大位移为18mm。

　　APU接到起动指令后，首先发出脱开离合器指令（见图5），高压气进入驱动活塞气缸，推动分离轴承从离合器接合位置运动至离合器完全脱开，整个过程持续0.85s。

　　当离合器进入脱开状态后，APU向发动机发出起动指令。发动机5s内可以完成起动，进入怠速状态，转速为700r/min左右。

　　第6s起，APU发出接合离合器指令（见图6）。

　　分离轴承的动作在接合过程中经历了先快、后慢、再快的过程，与前文所述离合器接合过程3个阶段相符。由于第三阶段分离轴承位移对发动机的扭矩输出没有影响，所以认为离合器的接合过程到第二阶段结束就已完成，总共需要1.2s。离合器接合过程对发动机的冲击使发动机转速下降200r/min左右，在可接受范围。

　　第7.2s起，发动机飞轮与离合器压盘完全接合，APU起动过程完成，可以向发电机发出励磁信号，APU对外输出能量。

　　3.2　APU整车性能试验

　　将APU装配在一辆串联式混合动力城市客车上，在实际道路条件下与一辆同类型普通天然气城市客车做对比试验。对比车型采用130kW6缸天然气发动机，5挡手动变速器，车身尺寸与混合动力客车相同。混合动力客车由于增加了电机、动力电池等设备，整备质量较对比车型略重。气耗试验时，两车采用同样的城市公交驾驶循环，且保证混合动力客车的动力电池测试前后SOC保持不变。排放试验由于条件限制，只能在台架上进行，测试工况由道路工况反推得到。

　　由于整备质量增加，串联式混合动力城市客车动力性不如普通天然气客车，但还能满足城市公交运行工况。混合动力客车的燃气消耗量和排放均低于普通客车，表明该APU系统运用在整车上时，可以降低燃油消耗和减少排放。

　　4　结语

　　a）APU起动过程需7.2s,其中离合器脱开过程0.85s,接合过程1.2s,对发动机冲击保持在可接受范围内，满足整车控制要求；

b）该APU应用在整车上，与同类型普通天然气城市客车相比，燃气消耗量降低了26%,NOx排放降低70%,CO排放降低65%,HC降低40%,具有节能减排效果。