城市公交发电机匹配.doc

城市公交发电机匹配分析 摘要：在中国广大城市及乡镇，公交是广大市民出行的上上之选，安全性不言而喻，刚学了发动机的性能与匹配课程，。本文分析了城市公交车的用电特点及用电需求，同时提出了发电机和城市公交车的匹配原则，结合公交车典型路谱特点，对发动机所带的发电机进行了匹配计算研究，并最终提出了适配方案，总结了匹配方法。Abstract: For most of cities and countries in China ,bus is the first choice for most people ,the safety if very important.Principle of matching alternatives to city buses is put forwarded based on the analysis of general characteristics and demand of electricity by city buses. Calculation study on selecting and matching alternatives for city buses is carried out according to the features of typical bus running routes. A final suitable matching plan is brought forward.关键词: 公交车 缓速器 用电需求 发电机 速比 输出特性Key words : bus , retarder, electricity demand, alternative.1前言随着人们对安全重要性的认识，人们一直在努力通过自己的研究使自己的衣、食、住、行等更加安全可靠。在中国的广大城市和乡镇，公交车已经成为人们出行的上上之选，安全、便捷、省钱，这些特点已经使之成为人们生活中的必需品。公交车的发展迅速，尤其是近几年，其配置和设施日益改善，越来越舒适化和人性化，但同时公交车的用电量也在逐步提高。电涡流缓速器做为汽车提高安全性能的辅助刹车系统，已经成为国内外大型客车货车的首选配置。电涡流缓速器的制动功能是由定子和转子在通电后相互作用产生的。在制动信号控制下，电路接通，工作电流通过定子线圈并产生磁场，在定子磁极、气隙和转子之间构回路。旋转的转子其内部无数个闭合导体所包围的面积内的磁通量发生变化（或者说其内部无数个闭合导线切割磁力线）形成电涡流。磁场对带点转子产生阻止其转动的电磁制动转矩。该转矩经客车后桥放大后，均匀的传递到后桥车轮上从而达到使客车减速的目的。电涡流缓速器可承担车辆制动系统%30%80%的负荷。电涡流缓速器是靠电能来产生制动转矩的，工作电流大，因此对公交车上的供电系统提出了更高的匹配要求。本文针对目前的带电的涡流缓速器的公交车作为对象，结合公交车的使用工况特点，研究其对发电机的匹配要求。2公交车用电要求 2.1 公交车用电需求和使用特点 公交车的用电需求分3部分：（1） 公交车内的基本用电器主要为车内照明、POS机、前后车灯、报站机、摄像头和显示器等常用电器。另外，电控柴油机还需要约35A的电流要求。因此这些电器在晚上需要约55A的电流量。（2） 制动系统中的点涡流缓速器在制动过程中的用电。经调查，目前1012公交车普遍采用的电涡流缓速器的制动扭矩一般都在2001600NM左右，这类缓速器最大电流一般都在80100A左右，工作时的瞬态电流一般在75A以上。因此电涡流缓速器是公交上的最大用电户，这部分用电需求是本文的匹配重点。表1 为常用电涡流缓速器的参数（3） 目前的高等公交车的冷空调系统的供电大多由空调机自带的发电机供电，与整车其他用电器无关，因此本文对空调系统的用电不作考虑。而只考虑需要由蓄电池供电的热空调系统。通常情况下，热空调系统中的循环水泵、风扇等用电器工作时大约需要7A的电流。 表2公交车用电统计 表2所示为公交车上的最常用的用电需求与发电机对应电流值，并最终获得了总的需求。这3部分用电器通常不会全部同时开启，只有晚间，其用电量相对较大，因此本文按130A的上限值进行匹配。2.2 公交车行驶中工况特点对发电机匹配的影响 大量路谱数据表明，城市公交因路况条件的特殊性，营运时发动机转速一般均在中低速转速区，即大多在1600r/m以内，其中1000r/m以下的怠速和起步停车转速段占近一半。相应的，车速也有类似的规律，除停车时间占25%左右外，车速大多在30km/h以内，而其刹车时间一半占总运行时间的25%以上。而且，当油门松开后，发动机的转速一般会下降的较快，缓速器起作用时，转速一般下降到1400r/m以下。从而导致缓速器 的使用频率较高的同时，低转速时的用电需求也相对较高。 由于城市公交车的这种特殊使用工况，是匹配的合理性要求更高，因此，只有结合城市公交的路谱特点和用电需求来 进行发电机的匹配才能真正达到适配要求。2.3 蓄电池和缓速器等设备的特性对发电机匹配的影响 由于蓄电池和缓速器都是发电机的供给方，因此使用时，蓄电池和缓速器的特性也会对发电机的匹配提出要求。 一般蓄电池的规格为200Ah，但蓄电池的充电特性一般是一个不确定的变值，蓄电池电压低时，发电机和蓄电池压差大，充电大，但蓄电池电压高时，压差小，充电变慢，因此蓄电池的充电速度具有前期快后期慢点特点。 电涡流缓速器是车辆制动系统中的一个辅助制动系统，能够在一个相当宽的转速范围内提供强劲的制动力矩，而且低速性能良好。车速在10km/h的时候，缓速器就能够提供缓速制动，车速达到20hm/h，缓速器就能达到最大的制动力矩，不同的制动力矩需要不同的电流。在典型城市公交线路上，缓速器的工作频次非常高，此时，发电机和蓄电池是否能够满足用电器的需求就成了问题的关键。如果发电机的电流达不到需求的电流，就要蓄电池辅助。较大电流的输出一反面会使用蓄电池电解液的蒸发，导致老化加速。另一方面，用电量需求太大时，蓄电池会出现亏电状态，缓速器的使用特性也会受到影响。但公交车工况的复杂和缓速器用电特殊性，使得发电机和蓄电池及缓速器之间的匹配更加难以评估。因此，本文仅采用了一些经验数据来进行研究。2.4 满足公交车特点和要求的发电机匹配原则根据日常电器和电涡流缓速器热热空调等各种电器的用电需求和使用特性，整车厂在选用发电机时，需要考虑以下两个方面：（1） 怠速时，应保证日常电器的电流需求，此时发电机应保证这个输出电流为47A以上，才能保证蓄电池不亏电。（2） 行车时，保证晚间电器用电量需求的基础上，蓄电池的充电量在大部分时间内足以满足缓速器的瞬态要求。 由于发动机常用工况次啊转速较低，一般在9001400之间，而刹车时转速范围可能更低一些，所以，发电机多在低速段工作，远远没有达到发电机额定电流，需要蓄电池的辅助。只有发电机的发电量能保证在缓速器不工作时的75%时间内，及时使蓄电池充满，才能保证正常使用。否则，蓄电池会因为长期亏电而导致蓄电池的损坏，同时也导致缓速器不能正常工作。因此，通常在匹配时需给予一定量的充裕量，以保证蓄电池不至于亏电太严重，因此有两个关键问题需要解决：1）在发动机常用工况转速时，能使发电机的输出电流在80%的时间内到达75%以上的额定电流，才能使发电机的效率发挥出来。2）发电机在怠速时和正常营运时的基本电流能满足怠速和营运时的工作用电和蓄电池的充电要求，保证蓄电池亏电不严重。 3.发电机匹配案例分析 发动机自带的发电机一般根据整车的用电需求进行匹配。目前市面上带有涡流缓速器的公交车所带发电机功率主要有3KW和4KW。本文对3KW发电机的匹配情况做出详细的分析研究。 3.1 发电机速比对发电机输出特性的影响 本文研究的发电机带轮通过多携带由发动机上曲轴减震器带轮带动，发电机的转速情况取决于主、被动轮的直径比。因此，根据曲轴减震器带轮与发电机带轮有效直径比，3KW发电机相对于发动机的速比为2.37:1。考虑到带系有一定的滑动率，且该带系中有34个带轮，故此处取累积滑动率为2.5%，则实际的速比为2.3:1。 不同的发电机有不同的输出特性，本文所用的发电机的性能曲线如图3.从图中可以看出来，发电机在低转速区时，其输出电流随发电机转速增加较快，到中等转速时，电流随转速的增加大幅度减缓，到额定转速时才能达到额定电流或功率。通过实验可知，通过调整速比，可以实现发电机在车辆常用工况下，尽可能有80%以上的额定电流。本文中对3KW发电机在速比3和3.6的情况进行对比分析，以此来分析不同速比对发电机输出特性的影响。 图3 3KW发电机输出特性曲线 图4 发电机输出特性与发动机转数关系图4为不同发动机转数对应不同速比的发电机的转速、输出电流和输出功率的特性曲线。可以看出，不同速比的发电机对应的输出电流和功率在发动机中低转速区域有很大的不同。表3 不同怠速和速比时发电机的电流输出量/A 3.2 结合公交工况的发电机适配性分析 3.2.1 公交怠速工况时的用电需求是一个必须满足的需求。因此，对不同速比的3KW发电机，需要判断可提供的电流量是否满足日常用电需求。通过计算，不同速比和发动机怠速时，发电机对应24A的电流量如表3所示。由表3可以看出：1） 速比为2.3的3KW发电机在怠速为620、650和700r/min时的输出功率和电流均不能满足基本电器所需的55A电流的要求，且差距较大，需要蓄电池辅助。这样，时间一长，蓄电池就会亏电。因此，此种匹配不合理。2） 速比为3的3KW发电机选择650r/min以上怠速就可以满足怠速用电需求。即使选择620r/min的怠速，蓄电池也基本不会亏电，匹配较合理。3） 速比为3.6的3KW发电机，因速比高，输出特性好，因此不管怠速如何，都可以满足要求，匹配合理。3.2.2 公交常用工况匹配分析 根据发电机的选用原则，考虑了怠速工况，还要考虑实际运行工况下，速比的选择是否使发电机的输出特性满足常用工况下的要求。由于发电机有额定转速和最高转速匹配要求，因此，速比的选择有一定的限制，一般尽量使额定转速与发动机的额定转速匹配、且发电机最高转速不能超过规定转速，同时，也尽量使发电机工作在有82%的额定输出电流的转速区域。目前3KW的发电机的额定转速为6000r/min,最高转速为8000r/min. 按典型城市公交运行工况，各发动机转速对应各速比时3KW发电机的输出电流情况如表4所示，因此，对应的各转速的发电量给药不同权重进行累加计算，得到了不同速比的3KW发电机在实际运行工况下的平均输出电路情况。 综合表3、表4和图5可以看出：1） 速比为2.3的3KW发电机，发动机额定转速和最高转速对应的发电机转速均远远低于发电机的额定和最高转速限制，且整个常用工作处在效率不太高的低速区，匹配不合理。常用工况时的平均发电量不到发电机额定电流的50%。因此，发电机在常用转速段的发电能力不高，很可能使蓄电池来不及充满就被用掉了，和城市公交车的使用工况不匹配，且用电量不能满足用电量需求。2） 速比为3的3KW发电机：转速满足额定和最高转速区要求，且发电机电流在发动机900r/min以上转速达到了的80%以上的额定电流，发电机的常用工况区和公交车实际工况基本吻合。因此，比速比为2.3发电机的输出电流的好了许多，在用电器没有全部开启的情况下，基本能满足需求，蓄电池亏电的可能性较小。3） 速比为3.6的3KW发电机：对应发电机额定和最高转速大大超过匹配要求，因此，不太合理。 表4 实际公交营运工况下的不同速比的3KW发电机的输出电流 3.3 轮系结构布置速比的选择和轮系的大小有关，因此，调整速比即调整主动轮和被动轮的直径。由于目前发动机上的主动轮只有一种直径规格，且和轮系上其他被动轮有相关性，不适合更改，因此，一般通过调整发电机带轮直径带实现。由于包角和最小弯曲半径对皮带性能和寿命的影响，因此设计带系时不得忽视。经过调查，前端轮系所用的多携带的最小弯曲半径为43.速比为3的3KW发电机带轮直径约为55左右，相比之下还有很大裕量。因此，对皮带性能和寿命几乎没有影响。而速比为3.6的3KW发电机带轮直径约为46左右，弯曲半径裕量太小，几乎接近极限，对性能和寿命都有影响，故不宜选用。3.4 功耗和成本 发电机的功耗一般情况下时其输出功率的一倍以上。相应的，对轮系的要求也需要随功率的提高而进一步提高。因此，功耗、带系适配性及其驱动能力等方面也是选用发电机需要考虑的一个方面。另一方面，不同功率的发电机的价格差异非常大，原则上，在能够满足用电需求的前提下，尽量选用功率小一些的发电机。3.5 最佳方案 有上述分析可得，速比为3的3KW的发电机基本满足公交车的用电需求，而另外2中速比的3KW发电机不能满足有关要求。因此，最终推荐速比为3的3KW的发电机的轮系作为首选匹配方案。4 结论 发动机和整车的匹配是一个系统工程。发电机虽然是发动机上的一个普通的附件，但却是整车电器系统的一个重要组成部分，其匹配问题是否合理关系到整车用电器是否能正常工作，甚至关系到安全问题，因此不能忽视和轻视。只有根据系统和组成部分的技术要求，结合实际的应用情况，考虑性价比等多方因素进行合理选型匹配，才能使系统最优化，最实用。综上所述，发电机的匹配需要考虑一下几方面的因素：1） 整车用电需求和结合工况的用电器的使用特点；2） 发电机的输出特性和额定、最高转速匹配要求；3） 不同速比和功率的发电机与整车怠速及其常用工况的供需匹配性;4） 不同速比和功率的发电机的轮系结构匹配性；5） 功耗、成本方面的因素等；4. 设计方案验证通过以上的工作就可以展开图面的设计和零部件的试制工作。试装完成的前端轮系要随整机做耐久性考核试验。在试验中要观察记录轮系在不同转速不同负荷下运行的平稳性和噪声状况。耐久试验结束后要仔细检查各附件在试验前后的尺寸及形状变化，特别是皮带伸长率以及磨损的情况。在保证前端轮系运转平稳的前提下，使用尽可能小的张