混合動力客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配評價分析

郭寬友，簡曉春，游國平

(1.重慶交通大學，重慶 400074;2.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122)

單純地從混合動力客車的燃料經(jīng)濟性出發(fā)，僅僅通過增加動力電池容量、更換大功率電機、提高純電動行駛車速范圍等簡單措施就可以獲得較為理想的燃料經(jīng)濟性，但這樣的代價是高成本、低回報，體現(xiàn)不出混合動力汽車技術(shù)的先進性，展現(xiàn)不出其核心競爭力。我國混合動力客車技術(shù)從無到有，歷經(jīng)十余年的發(fā)展，已漸入在技術(shù)路線選擇、系統(tǒng)匹配和控制策略等方面進行優(yōu)化設(shè)計的階段。因而，從試驗分析的角度來分析動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)為動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的優(yōu)化設(shè)計與評價提供了重要的依據(jù)，從而優(yōu)化動力系統(tǒng)的匹配。這樣，一方面直接降低了整車動力系統(tǒng)的配置和整車質(zhì)量，節(jié)約了成本;另一方面，由于減少了動力電池等部件的使用量，從而間接降低了電池等其他部件生產(chǎn)環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的工業(yè)污染。

1 混合動力客車參數(shù)

某混合動力客車動力系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)車輛動力傳動系統(tǒng)相比，其不同之處是在離合器與發(fā)動機之間增加了自動控制離合器和ISG電機，系統(tǒng)具有純電動模式、純發(fā)動機驅(qū)動和聯(lián)合驅(qū)動、再生制動等工作模式。

該車設(shè)計的基本技術(shù)要求為:①0～50 km/h起步換擋，加速性能不超過25 s;②相比于原型車，其燃料經(jīng)濟性提高30%;③最高車速和爬坡度與原型車一致。車輛主要總成配置參數(shù)見表1［1］。

圖1 某混合動力客車動力系統(tǒng)設(shè)計方案

表1 混合動力客車動力整車及總成參數(shù)

2 動力系統(tǒng)匹配計算分析

2.1 發(fā)動機選型

發(fā)動機的參數(shù)設(shè)計主要根據(jù)3個原則:① 滿足發(fā)動機單獨驅(qū)動的功率需求;②滿足整車動力性要求;③滿足整車經(jīng)濟性最佳要求。

在發(fā)動機單獨驅(qū)動達到最大車速umax時計算發(fā)動機的額定功率:

取 f=0.01，mt=18000 kg，A=7.1 m2，CD=0.70，ηt=0.85作為設(shè)計參數(shù)，可得發(fā)動機需求功率Pe=83.6 kW。

以車輛20%的爬坡度作為設(shè)計要求時，發(fā)動機的最大扭矩

為提高車輛燃料經(jīng)濟性，對于混合動力客車，可以設(shè)置發(fā)動機工作在較為經(jīng)濟的區(qū)域。表2為車輛分別在65%和100%載荷時依據(jù)式(2)和中國典型城市公交循環(huán)工況［2］(圖2)計算的需求驅(qū)動功率區(qū)間分布，車輛最大需求功率為180 kW。

圖2 中國典型城市公交循環(huán)工況

一般內(nèi)燃機工作在中等轉(zhuǎn)速和中等負荷時，其燃料經(jīng)濟性最佳。依據(jù)表2的數(shù)據(jù)，若將發(fā)動機的工況設(shè)計在50～70 kW工作，即可滿足約90%的驅(qū)動需求。另外，考慮實際情況，需提供空調(diào)30 kW的功率需求，即可選擇的發(fā)動機額定功率約為100 kW。

2.2 電機參數(shù)選擇

電機的參數(shù)設(shè)計主要是通過研究電機參數(shù)對整車性能的影響，來確定電機的峰值功率、最高轉(zhuǎn)速和額定功率。

研究表明，混合動力車輛的電功率比(電機的峰值功率與車輛總功率之比)與車輛的燃料經(jīng)濟性的提高基本成比例的關(guān)系，即電功率比與燃料節(jié)油率相當。欲使車輛的燃料經(jīng)濟性提高30%以上，則電機的峰值功率可估計為180×30%=54 kW，當然，這僅僅是初步估算，只作為電機參數(shù)選擇的初步參考。

混合動力客車提高燃料經(jīng)濟性的最為有效的措施是通過電機再生制動回收整車制動能量。而在動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計時，需保證電池SOC的平衡，即可認為:電機再生制動回收的能量需滿足車輛純電動行駛的能量需求。

車輛行駛的阻力功率為

式中:m為車輛質(zhì)量;g為重力加速度;i為道路坡度;δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);u為車速。

根據(jù)表1的車輛參數(shù)，依據(jù)式(2)和(3)可計算出中國典型城市公交循環(huán)工況下車輛行駛的需求功率，如表3所示。

表2 中國典型城市公交循環(huán)工況車輛驅(qū)動需求功率分布

表3 典型工況下車輛行駛需求功率分段統(tǒng)計(65%載荷)

結(jié)合表3中的計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)，若選擇最大功率為Pm_max=30 kW的電機，制動需求功率在30 kW以內(nèi)時，電機可吸收全部制動能量，而在需求制動功率大于30 kW時，電機只吸收30 kW部分能量，因此該工況下的最大能耗節(jié)約率為

式中:ηm為電機平均效率，取85%;ηb為電池充電平均效率，取95%。同理，若選擇電機的最大功率為Pm_max=50 kW時，能耗節(jié)約率為

因此，欲達到提高燃料經(jīng)濟性30%的目的，可選擇電機的峰值功率Pm_max=50 kW，同時考慮混合動力客車其他節(jié)油措施，如怠速起停、發(fā)動機運行區(qū)域優(yōu)化等措施，基本可實現(xiàn)30%的燃料節(jié)油率目標。研究表明，并聯(lián)式混合動力汽車的電機峰值功率一般為額定功率的1.5～2.0倍，因此，電機的額定功率可選擇為25～33 kW。

2.3 動力電池組參數(shù)

動力電池組參數(shù)的確定主要包括電池電壓和電池容量的選擇。通常應(yīng)根據(jù)電池供應(yīng)商提供的單體電池參數(shù)(如內(nèi)阻、充放電功率、最大電流等)來確定電池組的總?cè)萘考斑B接方式?；旌蟿恿蛙囋跓o確定純電動續(xù)駛里程設(shè)計要求時，通常以電池組的功率要求為出發(fā)點進行電池參數(shù)的設(shè)計。因此，電池主要作用是為電機提供足夠的輸出功率，同時存儲回收的能量。為此電池放電功率PB必須滿足:

以某鋰離子單體電池平均內(nèi)阻R0=20 mΩ估算，其單體電池的最大放電功率可用式(4)估算［3］。

式中:Pbmax為單體電池最大放電功率(W);Ub為單體電池額定電壓(V);R0為單體電池放電內(nèi)阻(Ω)。代入數(shù)據(jù)，可得所需要的單體電池個數(shù)為

在車用電池的使用過程中，電池的最大電流不應(yīng)超過200 A，根據(jù)Pm_max確定電池的電壓等級V0應(yīng)滿足如下關(guān)系式［4］:

統(tǒng)計表明，采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動力客車以及純電動客車的電壓主要在350～650 V［4］。因此，需要的串接電池組數(shù)為N=U/Ub=350/3.2=109，取偶數(shù)為110組。如每3個單體電池為一組，則單體電池總數(shù)為330個，不滿足電機功率的需求，因此，至少應(yīng)每4個單體并聯(lián)為一組，方可滿足電機功率的需求，即電池組的額定電壓U=110×3.2=352 V，總單體電池數(shù)為 110 ×4=440個。

3 動力系統(tǒng)匹配試驗

3.1 發(fā)動機選型

圖3為該混合動力客車以65%的載荷在典型城市循環(huán)工況下進行燃料消耗量測試時的發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)。圖4為根據(jù)發(fā)動機的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)而進行的發(fā)動機負荷率分布統(tǒng)計特性。

從圖3和圖4可以得知:

1)在20%以內(nèi)的發(fā)動機低負荷區(qū)域，占發(fā)動機總運行時間的60.0%，如區(qū)域A。

2)在60% ～80%的中等負荷區(qū)域，占發(fā)動機運行總時間比率僅為9.3%，發(fā)動機的效能沒有充分發(fā)揮，如區(qū)域B。

3)在40% ～60%的低負荷率區(qū)域，占發(fā)動機運行總時間比率為18.8%，而在80% ～100%的高負荷區(qū)域，僅占總時間的2.2%，因此可進一步降低發(fā)動機的功率。

圖3 發(fā)動機運行區(qū)域分布

圖4 發(fā)動機運行負荷率分布時間統(tǒng)計

3.2 電機選型

圖5為根據(jù)該混合動力客車電機的狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)而繪制的電機運行區(qū)域分布。圖6為根據(jù)電機的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)得到的功率時間分布統(tǒng)計特性。

圖5 電機運行區(qū)域分布

圖6 電機運行功率分布時間統(tǒng)計特性

從圖5和圖6可以得知:

1)在20 kW以內(nèi)的電機低負荷低效區(qū)域，占總運行時間的75.1%，即電機絕大部分時間運行在低負荷區(qū)域。

2)在40～60 kW的電機額定功率也僅占6.2%，可見電機運行在高效工作區(qū)域的時間較少。

3)在80～100 kW的高負荷區(qū)域也僅占電機總運行時間的0.2%，即電機大功率的優(yōu)勢特點沒有得到較好的利用。

3.3 動力電池容量

圖7為試驗過程中的動力電池SOC的時間歷程。

圖7 動力電池SOC時間歷程

從圖7中可以得知，在該試驗循環(huán)過程中，SOC最小為51%，最大為53%，兩者偏差值僅為2%。對于該混合動力客車，SOC的變化區(qū)間的設(shè)計值為40%～60%，而造成SOC變化區(qū)間非常小的原因為可能為:①動力電池的容量選擇過大，可大幅度減小;②電機沒有充分發(fā)揮作用，且負荷率偏低。

4 結(jié)論

1)典型城市循環(huán)工況下的車輛行駛需求功率特性分析能較好地運用于車輛動力總成的選型設(shè)計。

2)該混合動力客車的動力系統(tǒng)的發(fā)動機和電機功率余量匹配偏大，可大幅度降低電機功率，從而可降低電池總?cè)萘康囊蟆?/p>

3)隨著混合動力客車動力系統(tǒng)匹配和控制策略的進一步優(yōu)化，該車的成本可大幅度降低。

［1］國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心.混合動力客車定型試驗報告［R］.H1266，2009.

［2］中華人民共和國國家標準.GB/T 19754—2005重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［3］莊建兵.超輕度混合動力傳動系統(tǒng)匹配控制及仿真研究［D］.重慶:重慶大學，2007.

［4］初亮.混合動力總成的控制算法和參數(shù)匹配研究［D］.長春:吉林大學，2002.

［5］葉磊，游國平.基于多種循環(huán)工況的混合動力客車制動能量回收對燃油經(jīng)濟貢獻率的研究［J］.客車技術(shù)與研究，2011(2):13－15.

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