并聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配與性能仿真

李一鳴，何 鋒，蔣雪生，楊 綠

LI Yi-ming1，HE Feng1，JIANG Xue-sheng2，YANG Lv1

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.奇瑞萬(wàn)達(dá)貴州客車股份有限公司，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

混合動(dòng)力汽車采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，成為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的有效手段[1,2]。發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、電機(jī)參數(shù)匹配結(jié)果的優(yōu)劣決定著汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配已經(jīng)開展了一系列的研究，Sheu對(duì)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系參數(shù)匹配進(jìn)行了研究，建立了混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)評(píng)價(jià)方法[4]。Ehsani提出了并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成參數(shù)設(shè)計(jì)原則和匹配方法[5]。S.Rinderknecht結(jié)合變速器對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行匹配分析[6]。清華大學(xué)盧蘭光針對(duì)混合動(dòng)力汽車提出了一種基于道路工況和整車功率需求分析的系統(tǒng)匹配方法[7]。重慶大學(xué)王錕應(yīng)用正交試驗(yàn)法，以車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性作為目標(biāo)對(duì)氣電混合動(dòng)力客車動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行匹配與優(yōu)化[8]。

本文針對(duì)山區(qū)城市道路行駛的油電混合動(dòng)力客車進(jìn)行研究，對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)以及動(dòng)力電池組進(jìn)行了選型，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配，并通過(guò)ADVISOR軟件進(jìn)行仿真分析。

1 參數(shù)匹配的初始條件和要求

1.1 整車參數(shù)

某型號(hào)油電混合動(dòng)力城市客車采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，其整車參數(shù)如表1所示。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)城市客車道路循環(huán)工況，并充分考慮山區(qū)道路條件，需增大車輛爬坡能力，混合動(dòng)力城市客車的動(dòng)力性能要求如表2所示。

表1 整車參數(shù)

表2 混合動(dòng)力客車動(dòng)力要求

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

混合動(dòng)力城市客車的發(fā)動(dòng)機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，提供驅(qū)動(dòng)力，克服客車行駛阻力，保證最高車速。

最高車速下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率計(jì)算如式(1)。

當(dāng)混合動(dòng)力混合客車以20km/h的速度爬坡15%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求應(yīng)滿足式(2)。

為滿足客車0～50km/h加速時(shí)間小于35s，發(fā)動(dòng)機(jī)功率計(jì)算如式(3)。

從滿足混合動(dòng)力客車動(dòng)力性角度考慮，發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇應(yīng)為Pel、Pe2和Pe3中的最大者?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)所帶的附件功率及空調(diào)負(fù)荷（約10kw），并有1%～2%的爬坡功率裕量和10%的功率裕量為動(dòng)力電池組充電，因此發(fā)動(dòng)機(jī)選取功率按照式(4)計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算，并充分考慮動(dòng)力性因素，混合動(dòng)力城市客車發(fā)動(dòng)機(jī)選擇功率為150kw。

2.2 電機(jī)選型

混合動(dòng)力城市客車發(fā)動(dòng)機(jī)采用永磁同步電機(jī)，由于在客車起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速，效率低，造成高油耗和高污染，所以混合動(dòng)力城市客車起步采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

在山區(qū)道路條件下，客車在坡道起步時(shí)，起步轉(zhuǎn)矩不僅克服傳動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)阻力和路面靜摩擦力，還要用來(lái)克服坡道阻力，起步之后立即加速，一般要求起步車速達(dá)到3km/h～5km/h，設(shè)計(jì)要求客車的最大爬坡度為20%，混合動(dòng)力客車電機(jī)最大功率計(jì)算如式(5)。

根據(jù)公式(5)，計(jì)算得出混合動(dòng)力城市客車電機(jī)的最大功率為59kw。

2.3 動(dòng)力電池組選型

動(dòng)力電池的主要作用是在車輛起步、怠速等發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低狀態(tài)下為電機(jī)提供所需能量，在減速、制動(dòng)時(shí)吸收反饋能量，本混合動(dòng)力城市客車選用錳酸鋰電池。

客車起步時(shí)，動(dòng)力電池組以瞬間高功率的形式向電機(jī)提供電能，因此電池組的功率必須大于電機(jī)輸出的最大功率，即：

動(dòng)力電池組用作峰值電源，能量不能完全地用于向驅(qū)動(dòng)系傳遞功率，其SOC值在0.3～0.8之間時(shí)，內(nèi)阻較小，動(dòng)力電池效率較高，因此，僅有部分存儲(chǔ)在動(dòng)力電池組的能量得到有效的應(yīng)用，動(dòng)力電池的容量通過(guò)能量狀態(tài)來(lái)計(jì)算，即：

因此，動(dòng)力電池組的最小容量為5.5kw·h，功率為66.7kw。

3 性能仿真及結(jié)果分析

在仿真軟件ADVISOR中建立后驅(qū)并聯(lián)混合動(dòng)力城市客車模型，并將匹配參數(shù)導(dǎo)入模型，在UDDS工況循環(huán)下進(jìn)行仿真，循環(huán)工況、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及動(dòng)力電池組SOC值變化情況如圖1～圖4所示。

圖1 UDDS道路循環(huán)工況

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖4 動(dòng)力電池組SOC變化曲線

從圖1～圖4中可以看出，當(dāng)?shù)缆费h(huán)工況中車速需求較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)共同工作，動(dòng)力電池組SOC值下降，為電機(jī)提供能量。當(dāng)?shù)缆费h(huán)工況中車速需求明顯減小或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)進(jìn)行根據(jù)動(dòng)力電池組的SOC值情況，提供轉(zhuǎn)矩或者對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。

整車性能仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求對(duì)比如表3所示。

表3 整車性能仿真結(jié)果

從表3可以看出，仿真結(jié)果符合匹配設(shè)計(jì)要求。該混合動(dòng)力城市客車與同型號(hào)傳統(tǒng)燃油客車相比，節(jié)油率可達(dá)到28.2%，具有良好的動(dòng)力性和節(jié)油率。

4 結(jié)論

根據(jù)整車動(dòng)力性要求，針對(duì)山區(qū)城市道路條件下某型號(hào)并聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)選型和參數(shù)匹配，并通過(guò)ADVISOR軟件對(duì)該混合動(dòng)力城市客車進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力性滿足設(shè)計(jì)要求，適于山區(qū)城市道路條件，且具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

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