新型增程式公交車動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化與仿真

李　勇，俞劍斌，馬騰騰，陳峰磊，楊云東

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

新型增程式公交車動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化與仿真

李勇，俞劍斌，馬騰騰，陳峰磊，楊云東

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

針對(duì)無(wú)變速箱結(jié)構(gòu)的增程式公交車存在電機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍窄、爬坡能力及制動(dòng)能回收效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了具有二擋自動(dòng)變速箱的增程式公交車動(dòng)力系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和主要參數(shù)匹配.采用CRUISE/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)及控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明：整車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)匹配較合理，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)需求扭矩的減小并有效延長(zhǎng)續(xù)駛里程，提高制動(dòng)能回收效率.

增程式公交車；動(dòng)力系統(tǒng)；二擋自動(dòng)變速箱；爬坡能力

面對(duì)日益嚴(yán)峻的石油危機(jī)和環(huán)境污染，我國(guó)高度重視新能源汽車的發(fā)展，其已經(jīng)成為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略[1-4].從現(xiàn)有新能源汽車發(fā)展趨勢(shì)看，純電動(dòng)汽車將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì).但由于動(dòng)力電池組在技術(shù)和成本方面的限制，純電動(dòng)汽車存在續(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，使其在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中發(fā)展緩慢.增程式電動(dòng)汽車在純電動(dòng)車基礎(chǔ)上增加一個(gè)增程器，能夠較好地彌補(bǔ)現(xiàn)有純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的不足.目前國(guó)內(nèi)關(guān)于增程式電動(dòng)汽車的相關(guān)研究較多，如昆明理工大學(xué)的李濤等，江蘇理工學(xué)院的孫奎洲等分別對(duì)增程式電動(dòng)車動(dòng)力進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配，以提高整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[5-7].但無(wú)論是對(duì)增程式公交車的文獻(xiàn)研究還是生產(chǎn)的實(shí)車大多沒(méi)有變速箱結(jié)構(gòu)，具有如下缺點(diǎn)：1)由于電機(jī)直接作用于驅(qū)動(dòng)軸上，電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍較窄、效率不高；2)對(duì)于復(fù)雜地形或陡坡路況車輛難以驅(qū)動(dòng)；3)制動(dòng)能量回收效率不高.基于以上分析，本文在現(xiàn)有增程式公交車的基礎(chǔ)上增加二擋自動(dòng)變速箱和超級(jí)電容組成新的增程式公交車構(gòu)型，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)增程式公交車構(gòu)型的不足[8-9].

1　整車構(gòu)型及參數(shù)

增程式公交車的構(gòu)型如圖1所示，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輔助動(dòng)力裝置(auxiliary power unit，APU)、電儲(chǔ)能系統(tǒng)、變速箱組成.其中電儲(chǔ)能系統(tǒng)由超級(jí)電容和動(dòng)力電池組構(gòu)成，APU由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成.發(fā)動(dòng)機(jī)不直接參與傳動(dòng)，APU主要是為了提高汽車的續(xù)駛里程以及在大功率需求時(shí)聯(lián)合動(dòng)力電池給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量.

相對(duì)傳統(tǒng)的增程式公交車，該構(gòu)型增加了超級(jí)電容及變速箱.超級(jí)電容能夠在加速、爬坡等大電流需求工況時(shí)，輔助電池為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，避免電池的大電流放電，并且在制動(dòng)能量回收時(shí)作為儲(chǔ)能裝置，避免公交車在城市工況下頻繁制動(dòng)時(shí)能量回收對(duì)電池造成的損害，因而能夠延長(zhǎng)電池使用時(shí)間.采用二擋自動(dòng)變速箱能夠拓寬電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，并且能夠提高電制動(dòng)力矩，從而提高制動(dòng)能量回收效率，達(dá)到延長(zhǎng)續(xù)使里程的目的.增程式公交車主要參數(shù)及性能指標(biāo)如表1和表2所示.

表1　增程式公交車主要參數(shù)

表2　增程式公交車性能指標(biāo)

2　動(dòng)力參數(shù)匹配

2.1整車總功率匹配

根據(jù)最高車速Vmax、最大爬坡imax要求及0 ～Vm的加速時(shí)間tm，計(jì)算所需功率分別為Pmax，1，Pmax，2，Pmax，3.

首先，根據(jù)最高車速Vmax確定最大功率Pmax，1：

(1)

其次，根據(jù)爬坡性能確定最大功率Pmax，2：

(2)

式(2)中：Vi為爬坡車速.

最后，根據(jù)加速性能確定最大功率.整車在加速的末時(shí)刻，動(dòng)力源輸出最大功率，因此，加速過(guò)程最大功率Pmax，3：

(3)

式(3)中：δ為質(zhì)量系數(shù)；Vm為末速度.

根據(jù)上述動(dòng)力性三項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算各工況最大功率，動(dòng)力源總功率Pmax必須滿足上述所有的設(shè)計(jì)要求，即Pmax≥ max(Pmax，1，Pmax，2，Pmax，3).由式(1)～(3)以及整車參數(shù)，根據(jù)整車動(dòng)力性要求，得到Pmax=190 kW.

2.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配主要需考慮以下3方面的因素[10].

1)滿足整車功率的需求.由于在增程式公交車中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是唯一的驅(qū)動(dòng)源，因此其峰值功率應(yīng)滿足整車的最大功率需求，根據(jù)上節(jié)的計(jì)算可知，其功率需求應(yīng)大于或等于190 kW.

2)滿足最大爬坡時(shí)峰值扭矩的需求.汽車在爬坡條件下的行駛方程式如式(4)所示：

(4)

根據(jù)式(4)，可得以15 km/h爬20%的坡時(shí)公交車所需的驅(qū)動(dòng)力Fmax=36.9 kN，電機(jī)所需最大扭矩Tmax為

(5)

由上可知電機(jī)的需求扭矩Tnec=1 085N·m.

3)滿足最大車速時(shí)峰值轉(zhuǎn)速需求.

(6)

式(6)中：ig2為二擋速比.根據(jù)式(6)可知當(dāng)汽車以69 km/h車速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速需求為nmax=2 300 r/min.綜合考慮電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速為2 500 r/min.

綜上，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)要求如表3所示.

表3　驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

2.3電儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)匹配

以純電動(dòng)狀態(tài)下的續(xù)駛里程S1計(jì)算蓄電池組功率P和能量W，要求以Vc=40 km/h純電行駛50 km(按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)公交車日行駛里程為160 km).

(7)

由式(7)可得該車速下的功率P需求為32.5 kW.

式中：t1為純電續(xù)駛時(shí)間.可以得出所需電池能量W為40 kWh.選擇的電池參數(shù)如表4所示.

表4　電池參數(shù)

超級(jí)電容主要用在制動(dòng)能量回收以及起步、爬坡等大功率需求工況下輔助提供驅(qū)動(dòng)功率，以避免動(dòng)力電池承擔(dān)過(guò)大的電流.當(dāng)制動(dòng)能量回收時(shí)，超級(jí)電容所需的最大存儲(chǔ)能量Ecap應(yīng)滿足：

(8)

式(8)中：Ebrk為單次制動(dòng)可回收的最大能量；Ebat_1c為電池以1 C充電功率充電時(shí)的能量.

根據(jù)系統(tǒng)要求，復(fù)駛最大距離(指在40 km/h 車速下進(jìn)行再生制動(dòng)，所回收的電能全部用于再驅(qū)動(dòng)汽車純電行駛的最大距離)必須大于250 m.根據(jù)城市工況起動(dòng)特點(diǎn)，將提供大電流的時(shí)間t2設(shè)為15 s，并且所選電動(dòng)機(jī)的最大電流Imax為350 A，因此需要超級(jí)電容容量Qs為

(9)

2.4APU參數(shù)匹配

在增程式混合動(dòng)力汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于爬坡或加速時(shí)與ISG(integratedstarterandgenerator，起動(dòng)發(fā)電一體機(jī))電機(jī)組成APU發(fā)電，聯(lián)合電池共同輸出功率給驅(qū)動(dòng)電機(jī).在滿足這些功能需求的同時(shí)，為保證系統(tǒng)的高效率，要滿足高效區(qū)與常用工作點(diǎn)自然重合，使發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG電機(jī)高效發(fā)電.因此發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG的匹配要綜合考慮電池的輸出功率、發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)間和發(fā)電機(jī)的高效區(qū)間.ISG電機(jī)的匹配主要考慮以下3個(gè)方面的因素.

1)要求ISG具有起/停發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，并且ISG電機(jī)在0.5s內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到怠速轉(zhuǎn)速800r/min.此時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pm1為

(10)

式(10)中：ts為啟動(dòng)時(shí)間；ω為轉(zhuǎn)速，800r/min對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為83.73rad/s；Je為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Td為最大摩擦轉(zhuǎn)矩，取30 ℃下轉(zhuǎn)速800r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的摩擦力矩.

2)考慮在40km/h巡航車速下，如電池處于低SOC狀態(tài)，亟需補(bǔ)充電能，此時(shí)ISG仍能以推薦充電電流為動(dòng)力電池充電，電池額定充電電流為0.3C，則在當(dāng)前動(dòng)力電池配置下，最佳充電功率為49kW.綜合以上功率方面的因素，將ISG的功率定為額定45kW，峰值90kW.

3)考慮APU發(fā)電效率，ISG電機(jī)高效區(qū)與發(fā)動(dòng)機(jī)的低燃油消耗率所處的工作區(qū)應(yīng)該重合.

3　整車建模及仿真

3.1整車建模及信號(hào)連接

從CRUISE軟件界面窗口的模型庫(kù)中選擇并拖動(dòng)相應(yīng)部件至建模窗口中[11]，建立如圖2所示的整車模型.

在各部件中輸入上節(jié)所設(shè)計(jì)的參數(shù)，在MatlabDLL模塊中建立所需的整車控制信號(hào)，并連接好信號(hào)線如圖3所示.

3.2控制策略建模

采用模塊化將整車控制策略分為需求功率計(jì)算、制動(dòng)能量回收控制、APU模塊控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制、變速箱換擋控制及儲(chǔ)能模塊控制6個(gè)主要部分[12]，建立控制策略的Simulink模型如圖4所示.

由于ISG電機(jī)功率是根據(jù)一般工況需求設(shè)計(jì)的，在爬坡時(shí)其不能夠滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)大功率的需求，此時(shí)必須聯(lián)合電池給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，同時(shí)綜合考慮電池的使用壽命，將電池工作的SOC值設(shè)置在35%～85%之間.

3.3仿真結(jié)果及分析

將上述Simulink模型轉(zhuǎn)化為dll文件，與CRUISE整車模型聯(lián)合，選擇如圖5所示的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)城市工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真和加速、爬坡等動(dòng)力性仿真.

經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性仿真結(jié)果如表5～6所示.

表5　經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

表6　動(dòng)力性仿真結(jié)果

通過(guò)經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果可以看出：相比無(wú)變速箱結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)增程式公交車，增加自動(dòng)變速器和超級(jí)電容后的系統(tǒng)節(jié)油率提升了14.23%.通過(guò)動(dòng)力性仿真結(jié)果可以看出：由于增加了自動(dòng)變速器，系統(tǒng)0～50km/h加速時(shí)間縮短了3.4s，而在20km/h時(shí)的最大爬坡度增加了5.5%，在動(dòng)力性能方面取得了較大的提升.綜合動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)可以得出：加入自動(dòng)變速器和超級(jí)電容后，不僅可以增大試驗(yàn)車爬坡、加速等能力，系統(tǒng)的節(jié)油率得到了提升.在同等情況下，加入兩擋箱可以減小系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩需求.

4　結(jié)論

在傳統(tǒng)增程式公交車的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了增加自動(dòng)變速器和超級(jí)電容后的新型增程式公交車系統(tǒng)，并對(duì)其主要部件進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化.基于AVL-CRUISE/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)搭建了該車的仿真模型，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)型和控制策略進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)爬坡、加速能力得到了較大的提升，在中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)城市工況下節(jié)油率提升了14.23%.

[1]康凱，王軍雷，楊凱.國(guó)內(nèi)外新能源汽車發(fā)展及政策導(dǎo)向[J].汽車工業(yè)研究，2014(8)：4-10.

[2]袁富華，陳余富，史彥剛．石油短缺與中國(guó)經(jīng)濟(jì)安全[J]．中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2001，11(4)：38-41．

[3]萬(wàn)鋼．中國(guó)“十五”電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)進(jìn)展綜述[J]．中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)，2006(2)：110-117．

[4]李錦，徐兆坤，許建昌．淺談PHEV的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]．上海汽車，2009(2)：10-12,28．

[5]李濤，陳猛．增程式公交車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例化研究[J]．中國(guó)機(jī)械工程，2011，22(14)：1 759-1 763．

[6]EHSANIM,RAHMANKM,TOLIYATHA.Propulsionsystemdesignofelectricandhybridvheicle[J].Journals&Magazines,1997,44(1):19-27．

[7]孫奎洲，王凱，范鑫，等．增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力總成參數(shù)匹配設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22(10)：3 396-3 402．

[8]范炳良，林朝平，石常青．混合動(dòng)力總成的研究與開(kāi)發(fā)[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20(3)：9-11．

[9]鄭治國(guó)．混合動(dòng)力客車動(dòng)力傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)及綜合研究[D]．南京：南京理工大學(xué)，2012．

[10]余志生．汽車?yán)碚揫M]．3版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

[11]連靜，化玉偉，李琳輝，等．基于CRUISE的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車建模與仿真[J]．汽車電器，2014(5)：56-59．

[12]孫曉幫，陳長(zhǎng)紅，楊曉琦，等．增程式電動(dòng)車動(dòng)力匹配與控制策略研究[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51(7)：25-29．

(責(zé)任編輯李寧)

Optimization and Simulation on Powertrain ofa New Extended Range Electric Bus

LI Yong,YU Jian-bin,MA Teng-teng,CHEN Feng-lei，YANG Yun-dong

(SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China)

Apowertrainsystemwithdouble-gearautomatictransmissionwasdevelopedfortheextendedrangeelectricbuswithoutgearboxtoimproveitspoormotorspeedrange,lowclimbingabilityandpoorbrakingenergyrecovery.Structureandmainparameterofthepowertrainsystemwereanalyzedandmatched,andthesystemanditscontrolstrategysimulatedandvalidatedusingthejointCRUISE/Simulinksimulationplatform.Theresultsshowthatthepowertrainiswelldesignedandmatched,capableofreducingtherequiredmotortorque,extendingtheworkingdistanceandimprovingthebrakingenergyrecoveryefficiency.

extendedrangeelectricbus;powertrain;double-gearautomatictransmission;climbingability;efficiency

2014-12-29

2015-01-22

廈門理工學(xué)院高層次人才項(xiàng)目(YKJ13001R)

李勇(1976-)，男，講師，博士，研究方向?yàn)槠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng).E-mail：timliyong@163.com

U469.72

A

1673-4432(2015)01-0001-06