维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第１期 移动电源与车辆 微型燃气轮发电机组在混合动力 电动公交车中的应用 原林，赵翔，袁春，赵钢，申新楼 作者简介：原林 （重庆通信学院，重庆４０００３５） 摘要：描述了使用微型燃气轮发电机组的串联型混合动力电动公交车的国内外研究现 （１９８３．），勇，硕士 状及其工作原理，并对微型燃气轮发电机组、储能装置和制动回收系统等混合动力电动公交车 生，动力机械及工 的关键技术进行了简要分析。 关键词：混合动力电动公交车；微型燃气轮发电机组；串联型 中图分类号：ＴＭ６１１．２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－４２５０（２００７）０１－００２３－０４ 崔专业。 Ｏ前言 城市公交作为市内交通的重要组成部分，是城 为混联式（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）。串联型与并联型和混联型 相比，结构和控制系统简单，开发难度较低，而且更 适用于城市车辆（如，公交车）环保的要求。微型燃 气轮发电机组（ＭＴＧ——Ｍｉｃｒ０ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）作 为一种新兴的发电设备，其具有运动部件少，结构简 市形象和文明的象征。公共交通不仅为人们带来便 捷、经济、实惠，同时也为城市减少交通阻塞创造了 有利条件，它能充分利用有限的道路资源，缓解城市 交通拥挤状况，“公交优先”已成为世界上越来越多 大中城市认可和执行的城市交通主要发展原则。公 交车在城市中行驶时，车速较低，时走时停，现阶段 单紧凑，可靠性好，排放远远小于传统汽车发动机等 优点，很适合作为串联型混合动力电动车的动力源。 本文将对基于ＭＴＧ的串联型混合动力电动公交车 的国内外研究现状、工作原理和关键技术进行介绍 和分析。 普遍使用的传统内燃机公交车油耗和排放都很差。 目前，纯电动车、燃料电池电动车和混合动力电动车 都可以很好地解决这些问题。但目前的纯电动车还 存在着电池能量密度低、动力性能差、价格昂贵、续 驶能力和循环寿命有限等不利因素，而燃料电池电 动车中的关键技术（燃料电池等）还处于研究阶段， 而且成本非常高，所以，纯电动车和燃料电池电动车 在今后相当长一段时间内都无法实现大规模的推广 应用。而混合动力电动车（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ， 简称ＨＥＶ）综合了纯电动汽车与传统汽车的优点， 被认为是目前最具发展潜力的环保节能车型之一。 它采用两种或两种以上动力装置，通过储能装置 １国内外的研究现状 国外对混合动力电动车的研究十分重视，其中 美国Ｃａｐｓｔｏｎｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ公司率先从事ＭＴＧ以及ＭＴＧ 在混合动力电动车应用的研究。该公司设计生产的 型号为ＡＶＳ－２２ Ｓｅｒｉｅｓ ５的ＭＴＧ混合动力电动公交 车车长６．７ｍ，宽２．６ｍ，有２２个座位和一个放置轮 椅的空间，走廊空间可容纳１２人，续航能力为４００ ５００ｋｍ。该车发电部分由Ｃａｐｓｔｏｎｅ生产的３０ｋＷ —微型燃气轮机、高速永磁发电机组成，工作时发出电 压和频率都变化的电能，然后经电子转换装置将这 （蓄电池或电容器等）和控制系统对能量的调节，实 现最佳的能量分配，从而达到整车的低排放、低油耗 和高性能的目的。根据其驱动系统的配置和能量合 些电能转变为供ＨＥＶ使用的２５０—７００Ｖ直流电。 该车燃料为液化天然气，蓄电池采用先进的密封铅 酸电池，动力系统包括可以回收车辆的惯性能和减 成方式可以将ＨＥＶ分为三种基本结构类型：串联 型、并联型和混联型。动力源输出功率以电力形式 进行复合的称之为串联式（Ｓｅｒｉｃｓ）；以机械方式进 行叠加的称之为并联式（Ｐａｒａｌｌｅ１）；两者兼有的称之 收稿日期：２００６．１２－ｉ７ 少刹车磨损的制动回收系统。晚上在电网使用效率 最低时，可用电网为蓄电池充电，使蓄电池的ＳＯＣ （荷电状态）达到１００％，这样可以使燃料费用明显 低于使用传统内燃机的汽车。由于ＭＴＧ是通过空 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｍｏｖａｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｎｏ．１ ２０ｏ７ 气冷却并且不需要润滑油，使得保养费用显著降低。 同时制动回收系统减少了花费在更换刹车系统上的 费用。其排放已通过了加州空气资源总署（ＡＲＢ） 的认证。 ＭＴＧ在串联型混合动力电动公交车中应用的 系统结构示意图如图１所示。其工作原理为：在汽 车起步时，由于ＭＴＧ的热效率和排放都很差，由蓄 电池向电动机提供能量来驱动汽车；汽车达到一定 速度时，由蓄电池通过能量变换和永磁中频发电机 为了迎接２００８年北京奥运会，北京嘉捷博大电 动车有限公司与美国Ｃａｐｓｔｏｎｅ公司合作研制成功了 启动微型燃气轮机，并控制ＭＴＧ在最佳区域运行， 部分能量用于克服道路阻力，另一部分能量用于 为蓄电池充电；当车辆加速或爬坡时，除机组所产生 一多款城市公交巴士。其中包括符合国际领先标准的 新型机场摆渡车，用于机场内接运旅客，其整车参数 见表１。整车采用Ｃａｐｓｔｏｎｅ的ＭＴＧ，以普通柴油作 的电能外，蓄电池也同时供电给驱动车轮的电动机， 为燃料，经过高速涡轮机的充分燃烧，发出电频高达 以保证车辆具有足够的牵引力；当车辆减速时，机组 １ ６００Ｈｚ的交流电，经过整流后为全车电力系统供 产生的电能，通过控制设备，向蓄电池充电；在车辆 电。该系统体积小巧，运行平稳，噪声低，其尾气排 制动时，如果满足使用制动回收系统的要求，驱动车 放的各项指标均优于严格的欧洲５号汽车尾气排放 轮的电动机将转变为发电机，把汽车的机械能转变 标准，排放测试结果见表２。整车包括多个智能管 成电能并向蓄电池充电。在市区行驶时，如果电池 理单元——电池管理系统、能量管理系统、整车控制 电量高于一定值，可由电池单独驱动电动机，此时可 系统等，它们通过内部通讯网络高速交换数据，确保 以实现零排放。 车辆各相关系统的安全运行。该车安装了两台西门 —— 机械 … 电力 一驱动 一—－充电 子（ＳＩＥＭＥＮＳ）大功率电机，分别驱动两侧车轮，通 过电机控制系统智能调整电机输出扭矩，令机场摆 渡车在３０ｓ内可加速到时速４０ｋｍ／ｈ以上。 表１嘉捷机场摆渡车整车参数 续航能力 ２００ｋｍ 图１ ＭＴＧ在串联型混合动力电动公交车中应用 长／宽／高 １３．４ｍ／３ｍ／２．９ｍ 的系统结构示意图 载客能力 １２０ 最高时速 ５０ｋｍ／ｈ ２关键技术分析 动力型电池容量 ５２８Ｖ，４５Ａｈ ２．１微型燃气轮发电机组 空车／最大重量 １２／２Ｏ．３ｔ 微型燃气轮发电机组（ＭＴＧ）是一类新近发展 制动回收装置 有 起来的小型热力发电设备，它由微型燃气轮机、高速 ＭＴＧ功率 ３０ｋＷ 发电机及电子控制等部分组成，通过气体或液体燃 燃料 柴油 料燃烧所产生的能量来高速驱动发电机旋转产生电 能，功率范围为２５—３５０ｋＷ之问，转速为每分钟几 变频电机额定功率 ６７ｋＷ×２ 万到十几万转。ＭＴＧ中的发电机采用先进的高速 永磁中频同步发电机，该发电机与普通发电机相比 表２ ＨＥＶ排放测试结果（ｇ／ｋＷｈ） 具有很多技术优势，不需要直流励磁绕组，从而降低 标准 ＮＯｘ ＣＨ ＣＯ ＰＭ 了体积、重量和自身的耗电量；不需要电刷和滑环等 欧Ⅲ ５．Ｏ ２．３８ ５．４５ Ｏ．８ 接触装置，使得电机运行可靠，无须经常维修；电机 欧Ⅳ ３．５ １．６５ ４．Ｏ Ｏ．５ 在正常工作时作为永磁同步发电机，而在机组启动 时作变频启动电机用，取消了机组的启动电机。国 欧Ｖ ２．Ｏ １．６５ ４．Ｏ Ｏ．５ 外ＭＴＧ的主要性能指标如表３所示。与小型柴油、 嘉捷混合 １．Ｏ２ １．０８８ ０．７６２ Ｏ 汽油发电机组相比，ＭＴＧ的优势在于：燃料的多元 动力巴士 化，天然气、甲烷、汽油、柴油等均可作为燃料；运动 部件减少，基本无磨损无需润滑，运行维护简化，可 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第１期 移动电源与车辆 靠性大为提高。ＭＴＧ的热效率不高是急需解决的 问题，为了提高热效率，ＭＴＧ普遍采用了回热循环， 目前，ＭＴＧ的热效率在３０％左右。为了进一步提高 ６０％一７５％。除了热效率外，ＭＴＧ的成本也是影响 其推广应用的关键因素。ＭＴＧ采用特种材料制成， 且零部件加工要求很高，使得机组成本较高，价格 贵，约是同功率柴油发电机组的２—４倍。同时，我 国燃气轮机技术研发由于历史原因，与国外相比差 热效率，目前，正在研究采用陶瓷作为燃烧室、涡轮、 回热器等热端部件的材料，可使循环温度提高，从而 使循环热效率高达３５％。同时，世界各国正在努力 研究ＭＴＧ和管式固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）联合 距很大，总体上对ＭＴＧ比较系统的研发尚未深入进 行，至今为止，还没有一种型号ＭＴＧ用于商业运行， 循环系统，ＳＯＦＣ和ＭＴＧ联合循环发电效率可高达 都是直接使用国外生产的ＭＴＧ。 表３ 国外微型燃气轮发电机组的主要性能指标 Ｂｏｗｌｌｌｌｆｎ Ｅｌｌｉｏｔｔ ＡｌｌｉｅｄＳｉｇｎａｌ ＮＲＥＣＰｏｗｅｒ Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ 型号 ＣａｐｓｔｏｎｅＣ３０ ＴＧ８ＯＣＧ ＴＡ４５，６０ ＡＳ７５ Ｗｏｒｋ Ｐａｒａｌｌｏｎ７５ 功率（ｋＷ） ３０，６０ ８０ ４５，６０，８Ｏ ７５ ７Ｏ ７５ 压比 ３．２ ４．３ ４．Ｏ ３．７ ３．３ ３．７ 效率（％） ２５（±２） ２７ ２５～３Ｏ ２８．５ ３３ ２８．５ 转速ｒ／ｒａｉｎ ９６ Ｏ０ｏ ９９ ７５０ １１Ｏ Ｏ０ｏ ６５ Ｏ０ｏ ６０ Ｏ０ｏ ６５ Ｏ０ｏ 寿命ｈ ４０ Ｏ０ｏ ４０ Ｏ０ｏ ５４ Ｏ０ｏ ０４ Ｏ０ｏ ８Ｏ Ｏ０ｏ ０４ Ｏ０ｏ ２．２储能装置及其管理系统 判定电池的ｓｏｃ（荷电状态）；选择适当的充电和放 储能装置在混合动力电动车中的主要作用是： 电模式；防止电池过充电和过放电；控制并平衡电池 在车辆起步、加速、爬坡和零排放要求等阶段提供能 组的工作温度等。 量和在制动过程中吸收制动回收的能量。在使用 ２．３制动回收系统 中，储能装置处于频繁、浅度的充放电循环状态，在 传统车辆的制动是通过摩擦将车辆的动能转化 充放电过程中电压电流可能发生较大变化。所以， 成热能，从而达到降低车速的目的。而ＨＥＶ在制动 要求储能装置具备大功率充放电能力、高的充放电 时将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给电 效率以及在快速充放电过程中保持性能的相对稳定 机，电机以发电机模式工作并为储能装置充电，实现 等特性。同时，为了使整车重量降低，要求储能装置 制动能量的再生利用。与此同时，电机的制动力矩 具有高的比能量和比功率。现在还没有某种储能装 又可通过传动系统对汽车施加制动力，从而使汽车 置可以完全满足混合动力电动车的要求。目前，可 减缓车速。由于制动回收系统利用了原本被消耗于 供选择的储能装置有飞轮电池、超级电容和电化学 摩擦制动的能量，可降低电动汽车的能耗和排放，并 电池等。飞轮电池比特性很高，但飞轮电池的材料 提高燃油经济性和车辆的续驶里程。制动系统工作 和成本等问题是飞轮电池实用化的障碍。超级电容 时，根据驾驶员的制动需求和电池ＳＯＣ（荷电状态） 比功率较高，充电速度很快，但比能量过低是其致命 等来分配回收制动扭矩和摩擦制动扭矩。其基本工 的弱点。综合各方面指标，电化学电池中的铅酸电 作原理是：当电池ＳＯＣ小于设定上限值而且制动转 池、镍氢电池和锂离子电池是现阶段相对成熟的混 矩要求较小时，回收制动系统单独工作；当电池ＳＯＣ 合动力汽车储能装置。铅酸电池功率特性好、技术 小于设定上限值而且制动转矩要求较大时，回收制 成熟且价格低，已实现大批量生产，但比特性差、污 动系统和机械制动系统同时工作；当电池ＳＯＣ不小 染严重、使用寿命较短是其致命的缺点。镍氢电池 于设定上限值，不管制动转矩要求是大还是小，均由 成本较高，但其比特性较高、无污染、可实现快速充 机械制动系统单独工作。 电且使用寿命较长。锂离子电池具有更高的比特 ２．４控制系统和控制策略 性、体积小、无污染，但安全和成本是仍需研究的问 控制系统和控制策略主要是为了使各动力设备 题。同时，为了延长电池的循环寿命，有必要研究适 工作在高效区，提高能量的利用率，使整车性能最 用的电池管理系统。电池管理系统的主要功能有： 佳。控制系统是整车正常行驶的核心单元，除具备 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｍｏｖａｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｎｏ．１ ２ｏｏ７ 传统汽车控制系统的功能外，还必须具备以下功能： 能实现控制ＭＴＧ、电动杌／发电机和能量储存系统 （２）ＭＴＧ的热效率、制造成本和工艺、储能装置 协调工作，使能量利用率达到最大化；能控制再生制 动系统和机械制动系统的制动力矩分配，确保再生 关键因素，特别是目前国内还不具备自主开发生产 制动能量的合理回收；能确定电池充电状态等。控 ＭＴＧ的能力，需要在开发过程中重点研究。同时，制策略是控制系统的软件支持，要解决的问题主要 混合动力公交车采用了特殊的材料和结构，其购置 有两个：系统运行模式的切换和功率的分配。系统 运行模式的切换根据不同的工况要求，以优化部件 费用要高于普通机动车。所以，在努力发展技术来 的性能、控制系统和控制策略等是制约基于ＭＴＧ的 串联型混合动力电动公交车研究开发和推广应用的 降低成本的同时，国家有必要出台相关的政策，鼓励 工作为目的。可以在各种运行模式中进行切换。功 制造和购买混合动力电动公交车。 率分配通常被看作是一个以减小油耗和改善排放为 参考文献： 目标的优化问题，它决定了混合动力系统中发动机 ［１］ Ｃｈａｎ，Ｃ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ ｈｙｂｒｉｄ ｖｅｈｉ－ 的工作区域，是系统能量管理策略研究的关键。 ｃｌｅｓ，ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅｌＥＥＥ［Ｊ］．２００２，９０（２）：２４７— ２７５． ３结束语 ［２］ Ｋａｚｕｏ Ｏｋａｍｏｔｏ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ Ｈｙｂｒｉｄ （１）虽然基于ＭＴＧ的混合动力电动公交车在 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ａ］．国际先进汽车动力与能源技术研讨 制造成本上要高于普通公交车，但由于其优异的特 会，北京，２００２． ［３］耿聪，刘溧，张欣，张良．ＥＱ６１１０混合动力电动汽车再 性，可以降低对发动机的维护保养等费用以及可以 生制动控制策略研究［Ｊ］．汽车工程，２００４．３． 使用便宜的代替燃料降低燃油花费。同时，ＭＴＧ、蓄 ［４］戴韧．微型燃气轮机及其“混合动力”的技术进展［Ｊ］． 电池和制动回收系统等装置的配合使用，使混合动 热力透平，２００５．１． 力电动公交车的排放可以满足未来苛刻的环保要 ［５］毕道治．混合电动车电池的开发及展望［Ｊ］．电池工 求，同时，使整车的油耗大为降低。 业．２００３．５． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｕｓ ＹＵＡＮ Ｌｉｎ，ＺＨＡＯ Ｘｉａｎｇ，ＹＵＡＮ Ｃｈｕｎ，ＺＨＡＯ Ｇａｎｇ，ＳＨＥＮ Ｘｉｎ—ｌｏｕ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｂｕｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｍｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｕｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｉｃｒｏｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ｓｔｏｒ－ ａｇｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｂｒａｋｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｕｓ；ｍｉｃｒｏｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ；ｓｅｒｉｅｓ 欢迎订阅 欢迎投稿 欢迎刊登广告
