增程式電驅(qū)動城市客車的設(shè)計研究

葉衛(wèi)國

Ye Weiguo

（海航神鹿新能源控股有限公司，天津 300051）

0 引言

目前由于動力鋰電池比能量較小、純電動城市客車的續(xù)駛里程難以滿足大多數(shù)城市公交車日行駛里程的需要，因而在示范應(yīng)用推廣中受到一定程度的局限[1]。增程式電驅(qū)動城市客車的設(shè)計思路就是根據(jù)現(xiàn)有動力電池技術(shù)水平的狀況，在純電動城市客車設(shè)計的基礎(chǔ)上，為車輛設(shè)計加裝了一套由“內(nèi)燃機+發(fā)電機”組成的車載發(fā)電機組，用于隨時為車輛補充電能，延長車輛的續(xù)駛里程，即增程式電驅(qū)動汽車。車輛可以外接插電，工作時為純電驅(qū)動，節(jié)油率可達到50%以上。我國現(xiàn)有城市公交客車40多萬輛，且每年都在不斷增加，一輛客車每天用油大約100 L，如全部推廣使用這樣的車型，一天就可節(jié)約燃油2萬t，節(jié)能減排效果將是非?？捎^的。

1 增程式電驅(qū)動城市客車的結(jié)構(gòu)特點

增程式電驅(qū)動城市客車（E-REV）除了需配備一定數(shù)量的動力電池組外，通常都搭載一個由“內(nèi)燃機+發(fā)電機”組成的輔助動力系統(tǒng)（APU，又稱增程器）[2]。與純電動汽車和串聯(lián)式混合動力電動汽車一樣，采用純電驅(qū)動的方式工作，與純電動汽車和插電式（Plug-in）混合動力汽車一樣可以外接插電[3]。車輛結(jié)構(gòu)參見圖1。

2 增程式電驅(qū)動城市客車的工作模式

增程式電驅(qū)動城市客車可按照以下3種不同模式進行工作[4]：（1）純電動工作模式。車輛晚間休班后使用外部充電樁（或普通電源插座）利用電網(wǎng)“谷電”為車輛進行充電。工作時車輛用動力電池組儲存的電能運行，與普通純電動汽車工作模式相同，為“零排放、零油耗、低噪聲”。此工作模式可以應(yīng)用于繁華市區(qū)或者需要靜音的路段。（2）混合動力工作模式。利用車載發(fā)電機組發(fā)電提供車輛行駛所需的電能，車載動力電池組起到儲能、車輛起步、加速助力和制動能量回收的作用，與串聯(lián)式混合動力電動車工作模式相同。其另一個優(yōu)點就是在特殊情況下外部無法為車輛提供電能補充的時候，車輛可以憑借此工作模式，保證車輛的出勤率。（3）增程式工作模式。當(dāng)車輛使用動力電池組通過外部充電樁獲得的電能消耗至設(shè)定的SOC狀態(tài)下，車載發(fā)電機組便可自動啟動參與工作，通過燃油發(fā)電為車輛繼續(xù)提供電能，因此達到延長車輛續(xù)駛里程的目的。

3 某型增程式電驅(qū)動城市客車的設(shè)計及配置

整車外形尺寸（長×寬×高）10385×2550×3250mm，整備質(zhì)量 10900 kg，最大總質(zhì)量16500 kg。設(shè)計為低入口一級踏步、空氣懸掛、全承載車身結(jié)構(gòu)。車載發(fā)電機組（APU，增程器）選用功率為82 kW、排量1.6L的D16TCID2柴油發(fā)動機為動力，發(fā)電機功率為45 kW。驅(qū)動電機選用直流永磁無刷電機，功率為100 kW。動力電池組選用單體容量為180 Ah的磷酸鐵鋰離子蓄電池共171只（串聯(lián)），總工作電壓547.2 V。車輛配置了電動轉(zhuǎn)向泵、電動空壓機、冷暖型電動空調(diào)和制動能量回收裝置。車輛外接充電時間＜4 h。座椅布置為31+1座，最大乘員70人。設(shè)計純電動行駛里程120 km，續(xù)駛里程＞300 km，最高車速70 km/h。

4 整車控制系統(tǒng)工作原理及控制策略簡介

該增程式電驅(qū)動城市客車整車控制系統(tǒng)采用兩條控制總線，一條底盤動力控制總線（CAN-bus1），另一條為車身燈光及輔助設(shè)備控制總線（CAN-bus2）。整車控制原理圖參見圖 2。

整車控制器作為整車控制的核心，采用雙路CAN接口設(shè)計，一路連接CAN-bus1，一路連接CAN-bus2。整車控制器負責(zé)監(jiān)測擋位（前進、倒車、空擋）、加速踏板、制動踏板、高壓配電箱（開、閉、輔助觸點狀態(tài)）、離合器狀態(tài)信號。車輛行駛過程中，整車控制器通過開關(guān)輸入端口、模擬量轉(zhuǎn)換模塊、CAN總線等硬件線路采集路況信息、駕駛員意圖、車輛及設(shè)備運行狀態(tài)等參數(shù)，依托高速運行的CPU和控制端口來執(zhí)行預(yù)設(shè)的控制算法和管理策略，再將指令和信息等通過CAN總線、開關(guān)輸出端口等對動力系統(tǒng)的執(zhí)行部件進行實時、可靠、科學(xué)的控制[6]。

整車控制策略組成部分有：保證汽車實現(xiàn)前進和倒車行駛的驅(qū)動轉(zhuǎn)速控制策略；電機和動力電池組過載保護控制策略；車載發(fā)電機組控制策略；機械和電機聯(lián)合制動的制動能量回收控制策略；整車故障檢測和診斷控制策略。控制策略要求能夠較好地控制各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，保證動力電池組充放電的安全性，限制電機過載、高效回收制動能量，有效提高整車續(xù)駛里程，滿足車輛工作時的動力性需求[7-8]。

整車主控制程序結(jié)構(gòu)參見圖 3。車載發(fā)電機組的控制策略是增程式電驅(qū)動城市客車設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其控制程序參見圖4。

該樣車已經(jīng)通過海南國家試驗場現(xiàn)場實測，結(jié)果為：純電動續(xù)駛里程124.8 km，總續(xù)駛里程300 km，混合動力模式下0～50 km/h 加速時間為18.64 s，純電動模式0～50 km/h加速時間為18.62 s，最低等效總油耗[5]為26.31 L/100 km，達到了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

如果按照城市公交日行駛里程300 km計算，車輛每天只需充一次電，純電動行駛120 km，即可以節(jié)油40%，以串聯(lián)混合動力模式工作又可以節(jié)油20%～30%，節(jié)油率即可超出50%。如果進一步將增程式電驅(qū)動技術(shù)方案推廣應(yīng)用到我國現(xiàn)有的100萬輛城市出租車[9]上（車輛每天行駛里程在 300～400 km），節(jié)能降耗的效果將更加可觀。增程式電驅(qū)動汽車由于具有經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)能等諸多優(yōu)點，因此，應(yīng)該加快在我國公共服務(wù)領(lǐng)域里的推廣應(yīng)用。

[1]新能源公交客車示范應(yīng)用現(xiàn)狀和問題[oL]. http://www.cuauto.com.cn，2011-09-22.

[2]楊裕生. 增程式電動車具有較強的過渡優(yōu)勢[N]. 經(jīng)濟日報，2010-05-25(14).

[3]胡驊，宋慧. 電動汽車[M]. 北京：人民交通出版社，2003

[4]宋珂，章桐. 增程式純電驅(qū)動汽車動力系統(tǒng)研究[J]. 汽車技術(shù)，2011，（7）：14-18

[5]GB/T 19754—2005，重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法[S].

[6] 李興虎.混合動力汽車結(jié)構(gòu)與原理[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[7] 安東尼·所左曼諾夫斯基. 混合動力城市公交系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2007

[8] 麻友良，陳全世. 混合動力電動汽車的發(fā)展[J]. 公路交通科技，2001，（1）：77-80

[9]歐陽明高. 我國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略與對策[J]. 汽車工程，2006，（4）：317-321